オールセラミックの開発 フライスカッター ニッケル基合金材料の加工に新たな展望を開きました。硬質金属工具と比較して、オールセラミック工具は加工効率を8倍向上させることができます。
材料科学分野における技術の進歩と継続的な発展は、難削材の加工能力と効率性の向上を継続的に促進しています。ニッケル基合金の使用は、蒸気タービンの全体的な効率を大幅に向上させることができます。ニッケル基合金製の単結晶蒸気タービンバケットホイールは、複雑な冷却溝とセラミック断熱層システムを備えており、最高1450℃の温度条件下で使用されます。この独自の機械的特性と耐熱特性は、加工に高い要求を課します。ジェット推進ユニットの加工だけでも約3,000個のインデックスインサートが必要ですが、対照的に、自動車の製造には平均2個のインデックスインサートしか必要ありません。
より高い切断速度を実現
ニッケル基合金は耐熱性が高く、熱伝導率が低いため、切削面が高温になり、切削材が軟化します。また、微細組織に摩耗しやすい炭化物が含まれているため、高温や機械的過負荷条件下では工具が破損する傾向があります。コーティングされた超硬合金工具は、切削速度が20m/分未満の場合のみ安定して機能します。様々な試験により、セラミック材料を用いた切削により切削速度を30～50倍向上できることが示されています。その鍵となるのは、セラミックの優れた耐熱性です。
そのため、切削工程中にワークピースの温度を十分に高く設定することで、ワークピースを軟化させ、切削を容易にすることができます。これにより、高速切削（HSC）技術への参入が可能になります。セラミック製のスローアウェイチップに適合するフライスカッターはすでに市場に出回っており、タービンバケットホイールの荒加工にも使用できます。ただし、設計上の理由から、工具の最小サイズには依然として制限があります。現在市販されている最小工具の直径は32mmです。より小さな工具径や複雑な切削輪郭を必要とする加工には、超硬合金工具やHSS工具に加えて、研削加工やワイヤーカットも使用できます。
標準移動量と単位時間あたりの切削量に関して、市販の一般的なコーティング済みおよびコーティングなしの超硬合金工具と開発されたセラミック工具を比較すると、オールセラミックのフライスカッターを使用することで生産性を 8 倍に向上できることがわかります。
ベルリンのフラウンホーファー生産・建設技術研究所（IPK）は、最新のセラミック切削材の切削能力をこれらの用途に応用することを研究の重点分野としています。フラウンホーファー・アリアンツ・ハイパフォーマンス・セラミックスの「Cercut」プロジェクトでは、2006年に早くも最初のセラミックフライスカッターの試験サンプルが発表されました。これらの工具は実験的な用途で成功を収めています。工具メーカーとユーザーからの好意的な反応を受け、この共同研究所はこれまで実施してきた開発作業をさらに推進していきます。
オールセラミック切削工具の開発促進
2008年1月、「Tech-Volk」プロジェクトが開始されました。それ以来、プロジェクトチームは、用途に適した切削プロファイルを備えたフルセラミックフライスカッターの開発に尽力してきました。プロジェクトの多様なパートナーはそれぞれ独自の強みと重点分野を持っているため、プロセス全体を包括的に検討することができます。セラミックブランクの製造、研削戦略の適用、研削工具の加工から、最新のHSCマシニングセンターによる特定のワークピースの切削まで、ワークピースの材質は、Nimonic 90などのニッケル基鍛造合金からMAR M247などの鋳造合金まで多岐にわたります。
複雑な高速フライス加工プロセスの負荷条件に適応するために、切削材は特定の特殊要件を満たす必要があります。切削プロセスの中断は、刃先における大きな負荷変動と温度変動につながる可能性があります。特定の時間間隔において、刃先は切削状態にない場合があり、刃先表面温度はコア層内部の温度よりも容易に冷却されます。熱膨張状態の違いにより、工具刃先に引張応力が生じ、亀裂が発生しやすくなります。
セラミックスは引張応力に敏感であるため、このメカニズムに対して特に脆弱です。冷却潤滑は工具の冷却効果を高め、工具の動作状態にさらなる悪影響を及ぼすため、この切削材種ではドライ加工が不可欠です。炭化ケイ素ウィスカーで強化されたAl2O3とSiAlONの内部組成と構造により、これらの材料は亀裂形成を防止し、破壊靭性を高める特性を有しています。これら2つの切削セラミックス材料は、既にインデックスチップとして市場に投入されており、良好な性能を発揮しています。
最も有望な後続開発は、いわゆる傾斜セラミックスの製造です。この分野では、この材料の強度特性を後続処理によって具体的に変化させることができます。鋼と同様に、焼き入れによって耐摩耗性エッジと耐破壊性コア領域を形成できます。
セラミックの開発プロセス全体を開始する前に、これら2種類のセラミック材料のインデックスインサートとしての使用特性を分析しました。同時に、材料の耐摩耗性についても研究・評価しました。工具設計の詳細な分析は、ワークピースの機械的測定とFEMシミュレーションを組み合わせることで実現できます。実機試験から得られた知見は、数値的に決定された荷重限界によって補完されます。これにより、セラミックの強度特性に悪影響を与える荷重条件を特定できます。同時に、工具形状の違いによる自己振動特性の違いも考慮されます。工具とプロセスを適切に設定することで、工具の摩耗を大幅に低減し、工具寿命を延ばすだけでなく、ワークピース表面の幾何学的品質も大幅に向上します。
研究機関にとって、自社所有の高精度研削盤で工具を製造し、その後、工具測定装置で測定し、高性能なHSCマシニングセンターで試験できる独自の環境を備えていることは非常に重要です。これにより、開発サイクルを非常に短縮し、プロセスに関する詳細な知識を得ることができます。
