現在、工業部品の製造では、硬化鋼、超硬質焼結金属、耐熱超合金、複合金属などのさまざまな難加工材料がますます広く使用されています。このような材料で作られた部品は優れた性能を発揮できますが、部品の最終成形を1個あたり合理的なコストで実現する方法という問題も生じます。
幸いなことに、CNC切削工具サプライヤーは、加工が難しい材料のフライス加工や旋削加工用のさまざまな新しい切削インサートの開発に成功しました。コーティングされた 超硬インサート、金属セラミックインサート、CBNインサート、PCDインサートなど。これらの新素材インサートは、特殊な形状と表面コーティングを採用しており、耐摩耗性に優れ、加工中の機械的衝撃や熱衝撃に耐えることができます。ただし、これらの切削インサートを生産で合理的かつ効果的に使用するには、専門知識を持つツールサプライヤーとの緊密な協力が必要です。
切削インサートのコストは比較的低いため（通常、超硬インサートのコストは総加工コストの3%に過ぎず、CBNインサートは総加工コストの5%～6%を占めます）、加工コストを節約するために盲目的に安価なインサートを選択するのは費用対効果が低い可能性があります。新素材インサートは高価ですが、加工時間を短縮し、工具寿命を延ばし、製品品質を向上させることができるため、経済効率が向上する可能性があります。
一方、実際の加工ニーズを考慮せずに盲目的に新素材インサートを選択すると、加工コストが増加する可能性もあります（CBNインサートの価格は超硬インサートの8〜10倍になる場合があります）。また、新素材インサートを使用する場合、切削速度と送り速度が不適切だと、ワークピースの加工品質と工具寿命にも影響します。したがって、難加工材の切削インサートを選択する際には、加工の経済性を正しく評価し、加工プロセス全体を総合的に考慮する必要があります。
切削インサートを選択する際に考慮すべき要素
切削インサートを選択する際には、加工作業全体を評価する必要があります。ワークの寸法精度と表面仕上げの要件を満たすことを前提とし、加工時間とインサートの交換を考慮すると、比較的安価な超硬インサートは、より良い加工経済性を実現できます。生産ロット、加工時間、インサートの性能を正確に把握し、総合的に評価することで、切削インサートを合理的に選択し、生産性を向上させる加工効果を実現できます。
焼結チタンカーバイド製のガスタービンブレードのフライス加工を例にとると、ワークピースのバッチサイズが小さい場合、コーティングされた超硬インサートを使用することで、より良い加工結果を達成することもできます。切削速度35m/分では、超硬インサートの刃先寿命はわずか5〜10分ですが、加工が難しいワークピースの大規模加工では、合理的なインサート寿命は通常15〜30分に達する必要があります。小ロット加工では、インサート寿命が短く、インサートの交換頻度が高いことが生産性に与える影響は明らかではありませんが、大規模な全負荷加工では、インサート寿命が長いことが、工具交換補助時間の短縮、労働強度の低減、工作機械の利用率と生産能力の向上に極めて重要です。したがって、タービンブレードのバッチサイズが大きい場合は、硬度が高く価格が高いCBNインサートを使用する方が合理的である可能性があります。
先端材料インサートの切削性能を十分に発揮させるためには、適切な送り速度と切削速度を選択することも必要です。CBNインサートを例にとると、これらのインサートの刃先は強化され、不動態化されているため、硬度が50HRCを超えるワークピース材料を切削する際にチッピングを効果的に回避できます。CBNインサートは優れた靭性を備えていますが、切削パラメータの選択は依然として非常に厳格です。選択した切削速度が理想値より10%高すぎたり低すぎたりすると、インサートの切削性能が大幅に低下する可能性があります。
難削材の切削加工を実施するには、他の類似加工例に基づいて合理的なソリューションを提供できる専門の工具サプライヤーに技術サポートを求めることを検討できます。切削テストが必要な場合は、通常、試行錯誤の方法を使用できます。つまり、最初に超硬インサートで切削し、次に比較切削のために新しい材料インサートに切り替えて、さまざまなインサートの加工効果を比較します。高度なインサート形状、高剛性のツールホルダー、最適化された加工手順により、通常、低価格の超硬インサートは難削材の切削に適しています。インサートを新しい材料に交換する必要があるかどうかは、特定の加工タスクと加工条件に応じて判断する必要があります。同じカテゴリの難加工材の場合、切削インサートの選択には通常、一定の共通点があります。
現在、多くの合金鋼ワークピースの硬度に対する要求はますます高くなっています。過去には、工具鋼の適用硬度は通常45HRCでしたが、現在、金型業界で使用される工具鋼は一般的に63HRCに硬化する必要があります。熱処理変形を避けるために、以前は熱処理前にしか切断できなかった一部の金型は、完全に硬化した状態で精密フライス加工する必要があります。完全に硬化した鋼をフライス加工すると、発生する切削熱と切削圧力により、切削インサートの塑性変形が発生し、インサートがすぐに故障する可能性があります。たとえば、硬度60HRCの硬化鋼をフライス加工する場合（材料中の炭化物粒子の硬度は90HRCに達する可能性があります）、通常のコーティングされた炭化物インサートでは、背面が急速に摩耗します。
焼入れ鋼は切削が難しいが、超硬インサートを使用することで、完全に焼入れされた鋼のワークピースを経済的に加工することができる。航空宇宙部品の加工を例にとると、元のサーメットインサートを超硬インサートに交換した後、焼入れされた3000M鋼（4340改質）製の大型鍛造品の二次穴加工がうまく完了した。加工穴の加工代の大部分は熱処理前（材料硬度30〜32HRC）に除去されているが、熱処理変形を修正するために、このような大型ワークピースの精密穴は、二次切削のためにワークピース後に完全に焼入れ（硬度が54〜55HRCに達する）されなければならない。加工する穴はワークピースの奥深くに位置し、特殊なワークピースの地形により加工がかなり難しく、必要な寸法精度と表面仕上げを達成するには3回の切削パスが必要である。
材料の硬度が高く、断続切削方式を採用しているため、元のサーメットインサートの刃先は1回の切削パスを完了する前に潰れて無効になり、インサートが潰れるとワークピースが廃棄されるリスクがあります。PVDコーティングされた微粒子超硬インサートに切り替えた後、工具の靭性と切れ味が大幅に向上し、6～9回のパスで切削を正常に完了できます。超硬インサートに切り替えた後、工具サプライヤーは切削速度を元の90m/分から53m/分に下げることを推奨しましたが、切削深さは変わりませんでした。切削速度を下げた後、超硬インサートで穴の3回の切削パスを完了するのに約20分かかりますが、元々サーメット工具で加工するには1時間以上かかりました。さらに重要なのは、超硬インサートの刃先の安全性を高め、工具の欠けにより高価なワークピースが廃棄されるリスクを大幅に軽減することです。
超硬インサートで焼入れ鋼をフライス加工する場合の適切な切削パラメータを得るために、工具切削テストを実施することができます。試し切りでは、切削速度は通常 30m/分から 45～55m/分の範囲で選択できます。送り速度は通常 0.075～0.1mm/刃です。一般的に、すくい角がゼロまたは小さな負のすくい角を持つインサートは、すくい角が正のインサートよりも強力です。焼入れ鋼を加工する場合、丸型超硬インサートを使用する方が有利です。丸型インサートは強度が高く、鈍い刃先が折れにくいためです。
超硬インサートグレードを選択するときは、高靭性グレードの使用を検討してください。このようなインサートの刃先の安全性はより優れており、硬化鋼を切削する際の大きなラジアル切削力と激しい切削衝撃に耐えることができます。さらに、特別に設計された高温超硬グレードは、硬化鋼 (HRC60) を切削する際に発生する大量の切削熱に耐えることができます。酸化アルミニウムコーティングを施した耐衝撃性超硬インサートも、硬化鋼をフライス加工する際に発生する高温に耐えることができます。
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粉末冶金技術の継続的な発展に伴い、さまざまな分野で使用されるさまざまな超硬質焼結金属（粉末合金）材料が次々と登場しています。たとえば、あるメーカーは、硬度が53〜60HRCのタングステンカーバイド（WC）またはチタンカーバイド（TiC）粒子を含む複合粉末ニッケル合金を開発しました。ニッケル合金マトリックス内の炭化物粒子の硬度は90HRCに達することがあります。この材料をフライス加工すると、コーティングされた炭化物インサートの背面がすぐに摩耗し、主刃が摩耗して平らになります。材料の微細構造内の超硬粒子が「微振動」を引き起こし、インサートの摩耗が加速されます。ワークピースを切断するときに発生するせん断応力により、炭化物インサートが破損する可能性もあります。
CBNインサートを使用すると、炭化タングステンと炭化チタン粒子を含む硬質粉末合金材料の切削問題をよりよく解決できます。改良されたインサート形状は、「微小振動」現象を効果的に克服できます。ユーザーが複合粉末合金ワークピースをフライス加工したとき、新しいCBNインサートの加工寿命は、最高の超硬インサートの2,000倍以上長いことがわかりました。切削テストでは、5つのCBNインサートを備えた正面フライスカッターを使用することで、硬質粉末合金材料（切削速度60m /分、送り速度0.18mm /刃）の加工効率を、放電加工（ワイヤーカット）と比較して75%向上できることが示されました。
CBNインサートの最高の性能を十分に発揮させるには、切削パラメータを合理的な範囲内で厳密に制御する必要があります。切削速度は約50m/分、送り速度は0.1～0.15mm/刃と高くはありませんが、粉末合金材料を加工する際には高い生産性を実現できます。最適な切削パラメータは、30～60秒の試し切りで正確に決定できます。試し切りでは、低速から始めて、インサートの刃先が過度に摩耗するまで徐々に切削速度を上げることができます。
加工が難しい材料を加工する場合、インサートの刃先温度を一定に保つために、通常は乾式切削を使用する必要があります。ほとんどの場合、二重負角形状の円形工具が最良の加工効果を発揮し、切削深さは通常 1 ～ 2 mm に制御する必要があります。
フライス加工は断続的な切削プロセスです。加工中、硬度 60HRC 以上のワークピース材料が工具に継続的に衝突すると、大きな加工応力が発生します。そのため、フライス加工で十分に高い耐衝撃性を実現するには、加工機と工具システムは最高の剛性、最小のオーバーハング長さ、最大の強度を備えている必要があります。
インサート加工耐熱超合金
航空宇宙産業向けに開発された耐熱超合金（HRSA）は、現在、自動車、医療、半導体、発電設備などの業界でますます使用されています。一般的な耐熱超合金グレード（インコネル718/625、ワスパロイ、6A14Vチタン合金など）に加えて、さまざまな新しいチタンベースの合金、アルミニウムおよびマグネシウムベースの合金グレードが開発されています。すべての耐熱超合金は、難削材のカテゴリに属します。
超合金は硬度が高く、一部のチタン合金グレードの加工硬度は330HBに達します。通常の合金の場合、切削領域の温度が1100℃を超えると、材料内の分子結合鎖が軟化し、チップ形成につながる流動領域が現れます。一方、耐熱超合金は優れた耐高温性を備えているため、切削プロセス全体にわたって高い硬度を維持できます。
耐熱超合金は、切削時に冷間硬化する傾向があり、切削インサートの早期欠けや故障を引き起こしやすくなります。切削中、ワークピースの切断面に耐摩耗性の冷間硬化スケール層が生成され、インサートの刃先が急速に摩耗します。
超合金の難削性を考慮すると、機械加工時には通常、より低い切削速度が使用されます。たとえば、超合金インコネル 718 ブレーキ キーを超硬インサートでフライス加工する場合の切削速度は 60 m/分です。インコネル 718 を CBN インサートで外面円筒/端面旋削する場合の切削速度は 80 m/分です。対照的に、コーティングされていない超硬インサートを使用した切削工具鋼の切削速度は、通常 120 ～ 240 m/分に達します。超合金を切削する場合の送り速度は、通常、切削工具鋼の送り速度と同じです。
超合金を加工する場合、切削インサートの選択は主に加工する材料とワークピースの種類によって決まります。加工効率を向上させるために、薄肉ワークピースを加工する場合は正すくい角の切れ刃を持つ超硬インサートを使用できますが、厚肉ワークピースを加工する場合は、切削中のインサートの「耕作」効果を高めるために負すくい角の切れ刃を持つセラミックインサートが必要です。ほとんどの加工困難な材料の場合、インサートの切れ刃温度を一定に保つために、ドライカットが優先されます。ただし、チタン合金を加工する場合は、低切削速度でもクーラントを使用する必要があります。
耐熱超合金は切削中に高い硬度を維持するため、切削インサートの面取り端の摩耗が加速されます。鈍い切れ刃を持つ丸いインサートを使用すると、切れ刃の強度が大幅に向上しますが、超合金の冷間加工硬化傾向により、インサートの欠けがより深刻になる可能性があります。複数の連続パス中に切削深さを変更することにより、インサートはワークピースの表面に形成された冷間加工硬化層を回避し、インサートの欠けを減らし、切れ刃の耐用年数を延ばすことができます。切削深さは、1回のパスで7.6mm、後続のカットで3.2mmと2.5mm変化します。
バイメタル材料用インサート
バイメタル材料は、摩耗しやすい特定の領域に硬い材料を配置し、その周囲を他の柔らかい合金材料で囲む (または混合する) ことで構成されます。バイメタル材料は自動車産業やその他の産業でますます使用されていますが、特殊な加工上の課題も伴います。CBN インサートは、硬度が 50HRC を超える硬い合金を効率的に切削できますが、バイメタル材料で柔らかい合金を切削すると破損する可能性があります。PCD インサートは、耐摩耗性のあるアルミニウム合金を切削できますが、鉄金属を切削すると過度の摩耗が発生する傾向があります。
複合金属材料の効率的な加工を実現するには、ユーザー、工具サプライヤー、工作機械メーカーが共同で精密な切削プログラムを開発する必要があります。たとえば、ある複合金属材料は、高硬度の複合粉末合金を熱間静水圧プレスプロセスによって安価な 316 ステンレス鋼マトリックスに埋め込むことによって作られています。加工中は、スパイラル補間ツールパス プログラムをコンパイルして工作機械制御システムに入力し、最初に粉末合金材料部分を加工し、次にマトリックス部分を最適な送り速度と切削速度で加工する必要があります。
アルミニウム合金と鋳鉄製シリンダーヘッドガスケットで構成されたバイメタルシリンダーブロックを効率的に加工するには、自動車メーカーはアルミニウム合金の耐摩耗性と鋳鉄の高硬度の両方を克服する必要があります。より硬い鋳鉄製シリンダーヘッドガスケット（摩耗しやすい部品）は、より柔らかいアルミニウム合金製シリンダーブロックから分離するのが難しいため、別々の加工方法を使用することは適切ではありません。ただし、非常に低い切削速度と非常に小さな切削深さを使用して工作機械を合理的にプログラミングすることにより、耐摩耗性PCDインサートを使用してアルミニウム合金と鋳鉄の両方を加工できるため、加工プロセス中の頻繁な工具交換を回避できます。
