航空エンジン製造業界では、材料特性が絶えず向上しており、難削材（高温合金）のCNC加工技術は業界の共通の関心事となっている。セラミック切削工具材料は、硬度が高く、耐摩耗性と耐熱性に優れ、化学的安定性に優れ、金属と結合しにくいという特徴があり、高温合金の高速切削用主要工具材料の1つとなっている。また、セラミック工具の最適切削速度は超硬工具の8～10倍で、切削効率を大幅に向上させることができる。現在、新しいセラミック工具が絶えず登場しており、セラミック工具は世界中の機械加工工具の15%～20%を占める見込みである。その発展は、切削加工分野に新たな革命をもたらす可能性がある。
高温材料の加工における超硬工具の欠点
高温合金（主にニッケル基またはコバルト基合金）は、高温での安定性と耐クリープ性に優れています。GH4169は室温での硬度が高く（HRC35〜47まで）、靭性も良好です。ただし、通常の鋼部品と比較すると、加工性能が悪く、切削工程で消費されるエネルギーが多くなります。
過去10年間で、 超硬工具 チタン基、ニッケル基、コバルト基の高温合金を加工するための超硬工具は広く普及しています。 600℃以下の作業温度での超硬材料の高硬度と高靭性は、高温合金やチタン合金の切断に最適な工具です。 しかし、超硬工具には致命的な弱点があります。 融点は約1200℃です。 切断ゾーンの温度が800℃を超えると、刃の強度と硬度が大幅に低下し、摩耗が増加します。 正常な切断を完了することさえ困難です。
そのため、超硬工具を使用して高温合金材料を切断する場合、切断ゾーンの温度が過度に高くなるのを避けるために、線速度は約40m / minにしか維持できません。加工代が大きい部品の場合、切断速度が遅いため、金属除去率が非常に低く、加工時間が非常に長く、生産コストが大幅に増加します。これにより、現代のCNC工作機械の潜在能力が十分に活用されるにはほど遠い状態になっています。新しいエンジンの性能が継続的に向上し、新しい材料が登場するにつれて、超硬工具は適応するのが難しくなり、より理想的な切削工具を見つけることが最優先事項になりました。
高温材料加工におけるセラミック切削工具の利点
先進国の航空機エンジン企業（米国のGEや英国のロールスロイスなど）は、20年ほど前からセラミック工具を使って高温合金材料を加工し始めています。セラミック材料の最大の特徴は、融点が高いこと（2000℃以上）です。1200℃でも硬度はあまり低下しません。超硬工具に代わる高速切削を実現する理想的な材料です。しかし、わが国では、さまざまな理由から、このような工具の使用は広く普及していません。
切削加工におけるチップ成形は、材料の非線形性、幾何学的非線形性、境界の非線形性を伴う典型的な大変形プロセスです。また、高速切削加工においては、熱結合の問題も伴います。
有名な切削の専門家であるピスネンとマーチャントは、1945年に早くもチップ形成メカニズムを指摘しました。せん断力（切削力）の作用により、せん断面近くの粒界が引き裂かれて変形し始め、マトリックスから分離してチップを形成し、大量の熱が発生します。実際、約80%の切削熱がこれによって発生します。
セラミック工具を使用して高速切削を実現する核心は、セラミック材料の高温特性を最大限に活用することです。切削速度を上げると、切削熱が継続的に蓄積され、切削領域の温度が上昇し、切りくずが柔らかくなり、切削が非常に容易になります。セラミック材料の靭性や耐摩耗性は超硬合金材料とは大きく異なりますが、その高温安定性は超硬合金工具の範囲をはるかに超えています。したがって、線速度を上げることが、切削領域の温度を上げる最も効果的な方法です。理論的には、セラミック工具の切削速度と金属除去率は、超硬合金工具の5〜10倍、あるいはそれ以上である必要があります。
工具メーカーは宣伝の際に、セラミック工具はHRC55以上の材料の加工に適しているとのみ提案しており、HRC55未満の材料については対応する報告がありません。この記事では、HRC55未満の材料の加工に関する私自身の経験について説明します。
超硬工具を長期間使用しているため、作業者は低速切削に慣れており、超硬工具に適したこの加工方法は、まさにセラミック工具の加工における最大のタブーです。セラミック工具を使用する場合、安全上の理由から、作業者は常に速度を上げることを恐れ、通常の旋盤でセラミック工具を使用することを望んでいます。過去にセラミック工具の使用中に遭遇した問題のほとんどは、不十分な切削速度によって引き起こされました。
セラミック切削工具の加工における注意点
速度は刃の寿命の鍵です。考え方を変えて、大胆に切削速度を上げなければなりません。切削プロセス中に十分な切削熱が発生するようにすることが、工具の寿命を向上させる鍵です。ただし、切削速度は高ければ高いほど良いです。切削温度が高すぎると、切削熱が持ち去れずマトリックスに残り、部品の温度が上昇し、熱応力により部品が変形します。さらに、テストでは、速度が一定の限界を超えると、刃が非常に早く摩耗することがわかりました。
セラミック材料の耐摩耗性は超硬合金ほど良くありません。同じ切削深さで複数回の切削を行うと、刃と部品の接触点に刃に垂直な溝摩耗が必然的に現れます。そのため、刃とワークピースの接触点を常に変更する必要があります。この方法は、刃の耐用年数を延ばすのに非常に効果的です。
セラミック材料は超硬合金に比べてまだ比較的脆いため、切削加工中に振動を断固として排除する必要があります。そのためには、工作機械に十分なパワーがあり、スピンドルがスムーズに回転し、送りが均一で、切削経路が「押し切り」であることが必要です。通常の工作機械でセラミック工具を使用しないでください。
硬度の異なる材料の場合、適切な切削パラメータとツールパスを選択する必要があります。送り速度と切削速度の組み合わせを最適化することでのみ、効率的な切削が保証されます。
刃の前面に局所的な欠けが発生した場合、それは側面の摩耗の増加によって発生する圧力によって引き起こされます。この現象は通常、ツールの性能に影響を与えません。実際、刃の前面が欠けた後、新しい鋭い刃が生成され、満足のいく切削結果で切削を継続できます。微細加工では、「欠け」が仕上がりに影響を与え、「バリ」が発生します。「欠け」が発生すると、刃の前面に火花が見られます。この火花は、高温の鉄片が刃の粗い表面を通過することによって発生します。この切削を完了するには、送りを減らす必要があります。
次回の切削前に、刃の交換が必要かどうかを確認してください。荒加工の際には、欠けた刃を十分活用し、早急に刃を廃棄しないでください。欠けた刃は、本当に切れなくなるまで使い続けることができます。
重大なミスをしない限り、セラミックブレードがひどく破損したり事故を引き起こしたりすることはありません。セラミックブレードの主な摩耗形態は、欠けと背面摩耗です。いわゆるフランク摩耗は進行性の摩耗形態であり、あらゆる種類のツールに存在します。その摩耗度と対応する切削速度は、ツール寿命の指標です。ニッケルベースの合金部品の場合、セラミックブレードの溝摩耗は切削深さラインで発生します。理想的な適用方法は、溝摩耗が最大に達すると同時にフランク摩耗も最大に達することです。溝摩耗は、ブレードの厚さの1/3まで広がります。切削領域で急速な溝摩耗または欠けが発生することがよくありますが、これは切削領域の熱が不十分なために発生します。切削速度を上げるか、送りを下げるか、または両方を同時に調整することで修正できます。
超硬工具のツールパスは、セラミックブレードのツールパスとは異なる必要があります。セラミックブレードは溝の摩耗によりすぐに故障します。セラミックツール切削のプログラミング方法とツールパスは、超硬工具のものと完全に同じではありません。適切なツールパスと切削パラメータを使用する必要があります。
セラミック工具は、壁厚が2mm未満の薄肉部品の仕上げには適していません。それでも超硬工具を使用する必要があります。結論セラミック材料は、21世紀で最も有望で競争力のある工具材料です。その開発は、切削加工の分野で新たな革命を引き起こす可能性があります。試行の過程である程度の経験を積んできましたが、加工材料の種類を増やすには、さらに実験を行う必要があります。セラミック工具の性能を習得することによってのみ、高温合金の加工にセラミック工具をより適切に適用することができます。
