CNC加工技術の急速な発展と CNC工作機械、工具材料は常に更新され、開発されています。高速切削は、現代の切削において不可欠で重要な手段となっています。高速切削の切削速度は従来の切削の5〜10倍であり、工具材料、工具構造、幾何学的パラメータなどに新たな要件が課されています。特に、工具材料に対する要求は高く、高速切削工具の材料は、高い強度、靭性、硬度を備えている必要があります。優れた熱安定性と高温硬度、優れた高温機械的特性、小さな化学的親和性と耐摩耗性。ここでは、高速切削工具の工具材料と性能、およびそれらの合理的な選択対策について説明します。
高速ツールの分類とパフォーマンス
コーティング ま病気 Tオルズ
コーティングされた切削工具は、工具基材に硬くて耐摩耗性のある金属化合物の膜をコーティングして、工具表面の硬度と耐摩耗性を向上させることを目的としています。一般的な工具基材の材料には、主に高速度鋼、超硬合金、金属セラミック、セラミックが含まれます。コーティングされた工具は、ハードコーティングされた工具とソフトコーティングされた工具に分けられます。ハードコーティングされた工具のコーティング材料には、主に窒化チタン（TiN）、炭化チタン（TiC）、酸化アルミニウム（Al2O3）、炭窒化チタン（TiCN）、窒化チタンアルミニウム（TiAlN）、炭窒化チタンアルミニウム（TiAlCN）などがあります。ハードコーティングされた工具の主な特徴は、硬度が高く、耐摩耗性に優れていることです。ソフトコーティングされた工具は、コーティング材料としてMoS2とWS2を使用した高速度鋼工具です。ソフトコーティングされた工具は、摩擦、切削力、切削温度を低減できます。
コーティングは、単一コーティング、二重コーティング、または多重コーティング、さらには複数のコーティング材料で構成される複合コーティングにすることができます。複合コーティングは、TiC-Al2O3-TiN、TiCN、TiAlN 多重複合コーティングにすることができ、最新の開発には TiN/NbN、TiN/CN などの多重複合フィルムが含まれます。TiN コーティングは硬度が高く、耐摩耗性に優れています。TiC コーティングは金属との親和性が低く、耐酸化性が強く、TiAlN は高速切削性能に優れ、Al2O3 コーティングは熱安定性に優れています。TiAlN 層は高速切削性能に優れ、最大切削温度は 800℃ に達します。
セラミック Ｃウッティング Tオルズ
セラミック切削工具の材質は、主にアルミナ系とシリコン窒化物系があります。セラミック切削工具は、高硬度（HRA91〜95）、高強度（曲げ強度750〜1000MPa）、優れた耐摩耗性、優れた化学的安定性、優れた抗凝着性能、低い摩擦係数、低価格などの利点があります。それだけでなく、セラミック切削工具は高温硬度も非常に高く、1200°CでHRA80に達します。通常の切削中、セラミックフライス工具は耐久性が非常に高く、切削速度は超硬合金の2〜5倍になります。
近年、原料の純度制御と粒度の微細化により、さまざまな炭化物、窒化物、ホウ化物、酸化物が添加され、性能が向上しています。粒子、ウィスカー、相変化、マイクロクラック、およびいくつかの強化メカニズムの相乗効果により、破壊靭性も向上します。曲げ強度が0.9〜1.0GPa（最高1.3〜1.5GPa）に増加するだけでなく、破壊靭性と耐衝撃性が大幅に向上し、適用範囲がますます拡大しています。一般的な仕上げと中仕上げに加えて、衝撃荷重下での荒加工にも使用できます。生産効率を向上させる最大の潜在力を持つツールとして国際的に認められています。
現在、セラミック工具は鋼、鋳鉄、およびそれらの合金などの材料を200〜1000m/分の切削速度で高速加工できます。工具寿命は超硬合金よりも数倍から数十倍長くなります。ダイヤモンドやCBN（立方晶窒化ホウ素）などの超硬工具と比較すると、セラミックは比較的安価です。
金属 Ｃエラミック Ｃウッティング Tオルズ
金属セラミックスは、常温硬度、高温硬度が高く、耐摩耗性、耐酸化性が強く、化学的安定性が良好です。金属セラミック工具の材質は、主に耐摩耗性の高いTiC系超硬合金（TiC+NiまたはMo）、靭性が高いTiC系超硬合金（TiC+TaC+WC）、強固なTiN系超硬合金、強度と靭性が高いTiCN系超硬合金（TiCN+NbC）などがあります。これらの合金で作られた工具は、υc=300m/min～500m/minの範囲で鋼や合金鋼を高速加工し、鋳鉄を細かく加工することができます。金属セラミックスは、ドリル、エンドミル、ホブなどに加工できます。例えば、日本で開発された金属セラミックホブの速度はυc=600m/minで、超硬ホブの約10～20倍で、加工面の表面粗さ値Rmaxは2μmです。
立方晶窒化ホウ素（CBN）ツール
立方晶窒化ホウ素（CBN）工具は、ダイヤモンドに次ぐ高硬度（最大8000HV〜9000HV）と高い熱安定性（最大1250℃〜1350℃）を備えています。鉄元素に対して化学的に不活性で、強力な抗付着能力を持ち、ダイヤモンド砥石で研削・研磨できます。そのため、35HRC以上の各種硬化鋼、溶射材料、チルド鋳鉄、コバルト系およびニッケル系材料の加工に適しています。立方晶窒化ホウ素（CBN）工具は、高硬度部品の加工時に良好な表面粗さを得ることができるため、立方晶窒化ホウ素（CBN）工具を使用すると、研削を旋削とフライス加工に置き換えることができ、加工効率が大幅に向上します。
多結晶ダイヤモンド（PCD）工具
多結晶ダイヤモンド（PCD）工具 PCD工具は、非鉄金属および非金属耐摩耗材料の高速加工を実現できます。Si-Al合金加工用PCDドリルビットの切削速度は300m / min〜400m / minであると報告されています。 PCDと超硬複合ドリルビットは、Al合金、Mg合金、複合材料FRP、グラファイト、粉末冶金ブランクの加工に使用されます。 超硬工具と比較して、工具寿命は65〜145倍長くなります。 合金加工用の高強度Al合金カッターボディを使用したPCD正面フライスカッターの速度υcは3000m / min〜4000m / minで、7000m / minに達するものもあります。近年、海外ではダイヤモンド薄膜工具（旋削・フライス加工用インサート、ツイストドリルビット、エンドミル、タップなど）が開発されており、その寿命は超硬工具の10～140倍に達します。
高性能高速度鋼および超硬複合切削工具
高性能コバルト高速度鋼、粉末冶金高速度鋼、超硬合金製のギアカッターは、ギアの高速切削に使用できます。超硬合金粉末と高速度鋼粉末で作られた新しい粉末冶金材料で作られたギアホブは、150m / min〜180m / minのホブ速度に達することができます。 TiAlNコーティング処理後、ギアの高速ドライカットに使用できます。 耐摩耗性、耐熱性、潤滑性のコーティングを施した微粒子超硬合金製のツイストドリルにクーラントを追加して炭素構造鋼と合金鋼を加工すると、切削速度は200m / minに達し、ドライカット時の切削速度も150m / minに達します。 微粒子超硬合金製のタップを使用してねずみ鋳鉄を加工すると、切削速度は100m / minに達します。
加工材料に応じた切削工具の適切な選択
切削工具を正しく選択して対応するワークピース材料を加工し、それによって加工生産性を向上させ、生産コストを削減する方法は、非常に重要な問題です。各工具材料には特定の加工範囲があります。一般的に言えば、CBN、金属セラミック切削工具、セラミック切削工具、コーティング切削工具は、鋼などの鉄金属材料の加工に適しています。PCD切削工具は、アルミニウム、マグネシウム、銅、およびそれらの合金などの非鉄金属と非金属材料の高速加工に適しています。
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セラミック切削工具は、各種鋳鉄、鋼部品、ニッケル基高温合金の加工に適しています。品種やセラミック切削工具によって加工範囲が異なります。Al2O3系セラミック切削工具は、耐摩耗性、耐熱性、高温化学安定性に優れており、鋳鉄、鋼、およびそれらの合金の加工に使用できます。Si3N4系セラミック切削工具は、破壊靭性、耐熱振動性に優れており、鋳鉄や合金鋳鉄の断続加工に適しています。
金属セラミックフライス切削工具は、セラミックの硬度だけでなく、超硬合金の高い強度、優れた耐凝着性、耐摩耗性も備えています。鋼との親和性が低く、金型鋼の中高速切削に適しています。切削速度が750 m / min未満の場合、鋳鉄部品を加工できます。
ダイヤモンド切削工具は、非金属材料、非鉄金属およびその合金の加工に適しています。ダイヤモンドは熱安定性が悪く、鉄との化学的親和性が強いため、鋼材の加工には適していません。ダイヤモンドは摩擦係数が小さく、非鉄金属との親和性がなく、切りくずが流れ出やすいです。熱伝導率が高く、切削中に構成刃先が発生しにくく、表面品質が良好です。非鉄金属材料、非鉄金属、非金属材料の超精密加工に最適です。銅、アルミニウムなどの非鉄金属とその合金、セラミックス、粉末焼結炭化物、さまざまな繊維および粒子強化複合材料、プラスチック、ゴム、グラファイト、ガラス、さまざまな耐摩耗木材（特に無垢材や合板などの複合材料）など。
立方晶窒化ホウ素工具は、35HRC以上の各種硬化鋼、溶射材料、チルド鋳鉄、コバルト系およびニッケル系材料の加工に適しています。加工材料の硬度が高いほど、立方晶窒化ホウ素工具の利点をより発揮できます。海外でも、CBN工具の切削性能を十分に発揮するために、異なるCBN含有量のCBN工具が開発されています。BN-10のねずみ鋳鉄の加工速度は2000m/分に達すると報告されています。
工具材料の継続的な更新により、切削加工は高速化、超高速化に向かって発展してきました。さまざまな工具材料が対応するワークピース材料と組み合わされ、さまざまな切削速度範囲で、コーティングされた工具が高速切削の分野を支配します。セラミック工具の本来の利点は、より広く開発されます。CBNとPCDは高速切削において重要な位置を占め、その用途はますます広範になります。高速切削工具材料の研究開発を強化することは、高速切削技術の応用と発展にとって大きな意義を持ちます。
高速切削のメカニズムを研究した結果、切削速度が上がると、金属除去率が大幅に向上することがわかりました。材料の高ひずみ速度（切削速度500m/分、切削温度1400℃で約1.67×105/s）により、切りくず形成プロセスや工具とワークピースの接触面で発生するさまざまな現象が、従来の切削条件とは異なります。工具の高温硬度と工具摩耗が鍵となります。高速切削を実現するためには、高速切削に適した工具材料と工具製造技術をサポートする必要があります。
現在使用されている金属切削工具の材料は、切削速度が最も遅く、耐摩耗性が最も悪い高速度鋼から、高速性能が最も優れた多結晶ダイヤモンド工具まで、9 つのカテゴリに分類できます。高速切削には、靭性、耐衝撃性、耐摩耗性に優れた工具材料も必要です。
一般的に言えば、高速度鋼やコーティングされていない超硬合金などの低性能工具は、通常の切削プロセスで広く使用されていますが、高速性能は良くありません。多結晶ダイヤモンド工具などの高性能工具は、すべての工具材料の中で最も硬く、耐摩耗性と速度能力が非常に高く、切削熱の影響はほとんどありません。その優位性は、非鉄金属や非金属材料の高速加工に十分に反映されています。ただし、耐衝撃性は低く、鋼や鋳鉄材料を切断する場合の熱性能は非常に悪いです。鉄金属を高速で切断すると、工具材料中の炭素原子がワークピースに拡散し、工具の摩耗が増加するためです。
超硬工具は最も広く使用されており、各種工具の総売上高の80%を占めています。通常の速度での金属切削の90%は超硬工具を使用しています。超硬は衝撃靭性が比較的優れていますが、高速性能は劣っています。さらに、高速切削工具には、超硬では満たせない非常に高い熱硬度と化学的安定性も必要です。
CBN工具は耐熱性に優れ、高温でも硬い材料を切削できます。しかし、高価で、柔らかい金属材料を加工できません。化学的安定性に優れたアルミニウムベースのセラミック材料は、このタイプの加工に適していますが、耐熱性に欠け、高速加工には使用できません。
異なる特性を持つ工具材料の利点に注目し、新しい工具材料を開発します。衝撃靭性と高い耐摩耗性の両方を持たせることは、高速切削工具の研究で解決すべき主な課題の1つです。比較的優れた衝撃靭性を持つ工具ベース材料の上に、優れた耐熱硬度と耐摩耗性を持つ材料で表面をコーティングします。新しい工具は、多くの場合、2つの材料の利点を備えており、このタイプの工具は高速切削で幅広い用途を持っています。
この考えのもと、超硬コーティング工具、CBNコーティング工具、PCDコーティング工具などの新しい複合工具が次々と登場し、さまざまな金属材料の高速切削に適しています。
高速切削に適したコーティング超硬工具は、耐熱性、硬度に優れたコーティング材料と多層コーティング技術を採用しています。コーティング超硬工具の切削範囲は広く、耐用年数は長く、切削性能はコーティングされていない超硬工具よりもはるかに優れています。そのため、コーティング超硬工具は、通常のコーティングされていない超硬工具に取って代わる傾向があります。
工具コーティング技術は、硬化超硬工具だけでなく、金属セラミックやセラミックスなどの他の工具材料にも良い効果をもたらします。
セラミック工具も高速切削に使用できる工具であり、近年の工具材料研究開発の重要な部分です。ウィスカー強化セラミック工具は特殊な材料で作られた工具であり、優れた衝撃靭性と強力な耐熱衝撃性を備えているため、高速加工に非常に適しています。
高速切削工具が解決しなければならないもう一つの問題は、刃先に一定の形状のチップブレーカー溝を研磨または押し出すことです。チップの破断とチップの方向の制御を実現するために、これも加工効率と工具の耐久性を向上させる重要な技術です。
高速切削工具は、優れた衝撃靭性と耐熱衝撃性、より優れた耐熱性、耐摩耗性、化学的安定性を備えている必要があります。また、より優れたチップ破断効果があり、より広い金属切削範囲に適しています。
高速切削の開発動向
スピンドル性能をさらに向上・強化するために、新世代の高速・高出力工作機械を開発・製造します。
耐摩耗性、耐熱性に優れた新しい工具材料の開発と、高速工具の構造のさらなる改善が必要です。高速切削工具は高速切削の利点、品質、安全性を直接決定するため、高速切削技術の推進と実装の基礎となります。
ドライカットとハードカットの新プロセスの開発と推進。近年、海外では高速切削の開発過程で、ドライカットとハードカット（つまり、硬化したワークピースの切削）の新プロセスが開発され、適用されています。ドライカットは環境保護効果があるため、ハードカットは研削に取って代わり、作業効率を向上させることができます。そして、それは新たな発展を遂げていますが、両方のタイプの切削には高性能の工具材料が必要です。
