1J. Jpn. Soc. Powder Powder Metallurgy Vol. 63, No. 4

研究論文

高圧クーラント供給を用いた高ニッケル合金切削における cBN 焼結体の工具摩耗
和田任弘 *，森合1

勇介 ，田中2

宏明

3

奈良工業高等専門学校機械工学科，〒 639-1080 大和郡山市矢田町 22．
2（株）トクピ製作所，〒 581-0854 八尾市大竹 3-167．
3大阪電気通信大学工学部電子機械工学科，〒 572-8530 寝屋川市初町 18-8．
1Tool Wear of Sintered Cubic Boron Nitride Compact in Cutting High-Nickel Alloywith High-Pressure Coolant Supplied
Tadahiro WADA1*, Yusuke MORIGO2 and Hiroaki TANAKA3
1

Dept. Mechanical Engineering, Nara National College of Technology, 22 Yata-cho, Yamatokoriyama 639-1080, Japan.
2
TOKUPI Corporation, 3-167 Otake Yao, 572-8530, Japan.
3
Dept. Electro-Mechanical Engineering, Osaka Electro-Communication University, 18-8 Hatsu-cho Neyagawa 572-8530, Japan.
Received November 25, 2015; Revised February 1, 2016; Accepted February 2, 2016
ABSTRACTThe tool life in cutting high-nickel alloy is shorter than that in turning of carbon steel. In order to identify aneffective tool material for the cutting of high-nickel alloy, the chip configurations, the tool wear and the surface
roughness were experimentally investigated. The high-nickel alloy was turned with high-pressure coolant
supplied. The results are as follows: (1) In turning with high-pressure coolant supplied, the effectiveness of chipbreaking performance was improved. In this case, the chip length was shorter with the increase of the coolant
pressure. (2) In the case of finish cutting high-nickel alloy, in the dry cutting large notch wear on the depth ofthe cut line was observed. In wet cutting with the cBN content of 50 % to 60 % under high cutting speed andhigh-pressure coolant supplied, it was possible to suppress the large notch wear. (3) In the high-pressure coolant
cutting method of high-nickel alloy with a sintered cubic boron nitride compact tool, the cBN content of 60 % andthe main element of the binder phase of Al2O3-Al was an effective tool material. (4) In the high-pressure coolant
cutting method of high-nickel alloy with the cBN content of 60 % and the main element of the binder phase of
Al2O3-Al, if the cutting coolant pressure is high and the cutting speed is low, large tool damage occurs to the notchboundary of the flank, and the tool life is short.
In conclusion, the tool life of the cBN content of 60 % and the main element of the binder phase of Al2O3-Al
can be improved by increasing coolant pressure in turning high-nickel alloy with a sintered cubic boron nitride
compact tool under high cutting speed.
KEY WORDS
cutting, high-pressure coolant supplied, high-nickel alloy, machinability, sintered cubic boron nitride compact

１

緒

言

ら，熱伝導性の悪い被削材を切削する場合，切削速度を低く

ガスタ−ビンや航空機エンジンの部品に採用されている超して，かつ熱伝導性の良好な工具材を使用することが，工具耐熱合金インコネル 718 は難削材として知られている ．超

寿命の延長に有効な方法であることは良く知られている．し耐熱合金の被削性が悪い原因として，高温強度が大きい，加かも，超硬合金によるインコネルの切削においは超硬合金

工硬化が生じやすい，工具材料との親和性が大きい，熱伝K 種などを用いて切りくずを薄く生成させるような切削が好導率が低いなどが考えられている ．高ニッケル合金切削にましいとされてきたが，工具寿命の点から高速度切削で加工おける工具摩耗を調べた研究は多く行われている ．従来かすることが出来ないため，きわめて低能率の加工条件で加工

1)

2)

3)

せざるを得なかった ．高速度切削には，耐熱性に優れたセ
4)* Corresponding author, E-mail: wada@mech.nara-k.ac.jp

2016 年 4 月

ラミックスや cBN 焼結体が有効な工具材種であり，山根ら

5)

和田

2

Table 1

任弘，森合

勇介，田中

宏明

Chemical composition of high-nickel alloy.
(mass %)

Ni

Cr

Fe

Nb

Mo

Ti

Al

Co

Si

W

Cu

P

52.2

19.0

19.0

4.8

3.1

1.0

0.5

0.2

0.1

0.04

0.03

0.01

Table 2Tool type

Binder phase*Type I
Type II
Type III
Type IV
Type V

TiCN-Al
TiN-AlTiN-AlTiC-Al
Al2O3-Al

Properties of sintered cubic Boron Nitride compact.
of cBN
Contents rate** Grain size
[μm]
45/55
65/35
75/25
60/40
60/40

5.0
3.0
5.0
3.0
3.0

Hardness[HV]

T. R. S.
[GPa]

2700-2900
3200-3400
3500-3700
3000-3200
3000-3200

0.80-0.90
1.00-1.10
1.15-1.30
0.95-1.20
0.90-1.10*: Main element, **: (cBN grain/ binding phase), T. R. S.: Transverse-rupture strength

は，セラミックス工具によるインコネル 718 の高速度切削を体を用いた．すなわち，結合材が，TiCN-Al，あるいは TiN-Al

行い，工具損傷，特に境界部の損傷についてその発生状況をで，cBN 含有量の異なる Type I，Type II，および Type III の調べ，境界損傷の抑制法について検討し，インコネル 718 のcBN 焼結体である．なお，Al は cBN 焼結体の焼結助剤とし高速度切削の可能性を探った．新谷ら は，結合材の異なるて用いられ，焼結時に cBN 粒子および結合材と反応し焼結

4)CBN 工具 3 種を用いてインコネル 718 材を旋削し，CBN 工

後には Al としては残留しない．さらに，cBN 含有量がほぼ具の損傷形態を観察することにより適合材種の選定と損耗機同じで，結合材が異なる Type III，Type VI，および Type VI

構の解明を行った．

の cBN 焼結体である．これら 5 種類の cBN 焼結体は，全てさて，超耐熱合金の切削には，高圧の切削油剤をすくい面と逃げ面に供給する高圧クーラント切削法が有効である．猪

市販品である．
□25 mm × 25 mm バイトホルダ（セコツール PTJNL2525M16JETL

谷ら は，インコネル 718 の高圧クーラント切削を行い，通型バイトホルダ）に，TNGA160408 型チップを取付け使用し常の湿式切削（常圧外部給油）に比べ，切削温度低下に効果た．この場合の工具形状は，−6°，−6°，6°，6°，23°，−7°，があることを示した．さらに，板倉ら は，超硬合金 K20 種

0.8 mm となる．ここで，7 つの数字は，前から順に前すくい工具でインコネル 718 の高圧クーラント切削を行い，切削油

角，横すくい角，前逃げ角，横逃げ角，前切刃角，横切刃角，剤の流速を速くなるに従って逃げ面摩耗幅が減少することを

コーナ半径である．また，cBN 焼結体の工具切れ刃にはチャ明らかにした．このように，高圧クーラントを切削部に供給

ンファーホーニングが施され，その寸法はチャンファ幅 W =と考えられる．

0.13 mm，角度 θ = 25°，R ホーニング R = 0.015 mm である．

6)

7)

する方法は，工具摩耗抑制に有効である

8-10)

さらに，切削部へ高圧クーラントを供給することにより，工使 用 工 作 機 械 は， 森 精 機 社 製 SL-25 型 タ ー ニ ン グ セ ン

具損傷抑制効果のみならず切りくず処理性の向上 も期待さ

タ ー（11/15 kW， 主 軸 最 高 回 転 数 4200 min ） で あ る． 切れる．

削は，乾式，および湿式で行った．湿式切削では高圧クー

11)

−1

以上のことから，高ニッケル合金のように熱伝導性が悪

ラントユニットを使用したハイプレッシャー法を用いた．

く，凝着摩耗を起こしやすい被削材の高速度仕上げ切削にお使用した高圧クーラントユニットは，（株）トクピ製作所製

いては，cBN 焼結体工具による高圧クーラント切削が有効で

HIPRECO185-20 型高圧クーラントユニット（最大供給圧力あると考えられるが，cBN 焼結体の摩耗特性について体系的

20 MPa，最大供給流量 45 L/min）である．高圧クーラントは，に調べた研究は見あたらない．そこで本研究では，cBN 焼

逃げ面およびすくい面の 2 方向から切削部へ供給された．

結体工具による高ニッケル合金の高速度仕上げ切削を対象とTable 3 に示す切削条件で高ニッケル合金の外周旋削を行し，有効な cBN 焼結体を見出すことを目的として，cBN 含

い，切りくず形状，表面粗さ，工具摩耗を調べた．すなわ

有量，cBN 粒径，および結合材の異なる 5 種類の cBN 燒結

ち，乾式，湿式切削ともに送り 0.10 mm/rev，切込み 0.20 mm

体の工具摩耗を調べた．また，高圧クーラント切削におけると一定とした．乾式切削では切削速度 5.00 m/s のみ，湿式切切りくず形状，および表面粗さについても調べたのでその結果についても報告する．
２

Table 3

実験方法

被削材として使用した高ニッケル合金の化学成分を Table 1に示す．
使用工具材は，Table 2 に示す 3 種類の結合材の cBN 焼結

Cutting speed
Feed rate
Depth of cut
Cutting method

Cutting conditions in cutting high-nickel alloy.
5.00, 7.50, 10.00 m/s
0.10 mm/rev
0.20 mm
Wet (high pressure coolant supply), Dry cutting「粉体および粉末冶金」第 63 巻第 4 号

高圧クーラント供給を用いた高ニッケル合金切削における cBN 焼結体の工具摩耗

3

削では切削速度を，5.00，7.50，および 10.00 m/s に変化させ送り，切込みが小さいため薄い切りくずが生成される．さらた．クーラント圧力は，7，14，および 20 MPa で，クーランに，チップブレーカが付与していないため，切りくずは曲げ

トユニットからの切削油剤の供給量は，それぞれ 16 L/min，られることなく連続した切りくずが生成される．これに対23 L/min，および 28 L/min である．切削油剤はユシローケン

し，クーラント圧力が 7 MPa 以上では，切りくずが折断されFGS650（濃度 10 ± 3 %）を用いた．表面粗さの測定には，ている．また，クーラント圧力が高くなるほど，切りくずは（株）東京精密社製ハンディサ−フ E-40A 型触針式表面粗さ

短く折断されるが，これには次の理由が考えられる．すなわ

測定器を用い，送り方向の仕上げ面のプロフィ−ルを記録した．

ち，中山 によると，チップブレーカをつけたバイトで旋削12)すると切込みに比べ送りの小さい場合，切りくずの折れかた
３

実験結果および考察には，加工物障害形，うずまき形，および逃げ面障害形の 3切削速度を 5.00 m/s，送り 0.10 mm/rev，切込み 0.20 mm とつの折断様式を報告している．このうち，加工物障害型，あ一定として，クーラント圧力を変化させて高ニッケル合金をるいは逃げ面障害型は，チップブレーカによってある曲率を旋削し，切りくずを調べた．Fig. 1 に，Type II 工具の場合を与えられた切りくずが，加工物の肩（または外周），あるい示す．一般に，工具摩耗の進行により切りくず形状が変化すは逃げ面にあたり，切りくずが曲げられ折断される．また，る．そこで，工具摩耗が小さい切削開始付近の切りくずを採

切りくずが折れるか否かを直接支配するものとして，切りく取した．乾式切削の場合を Fig. 1 (a) に示す．クーラント圧

ずの延性，切りくずの曲率半径，および切りくず厚さをあ力が 7，14，および 20 MPa の湿式切削の場合を，それぞれげている ．このうち，切りくずの曲率半径が小さい場合，Fig. 1 (b)，(c)，および (d) に示す．高圧クーラント切削では，チップブレーカに加わる力も大きくなり，また切りくずも折

切りくずは短く折断される．Fig. 1 から，切削速度を 5.00 m/s

断されやすい．さて，切りくずを曲げる作用は通常チップブ

で乾式切削すると連続した切りくずが生成される．これは，レーカによって行われるが，本研究で使用した cBN 焼結体

13)

工具にはチップブレーカは付与されていない．高圧クーラン
ト切削では，クーラントによる流体圧力が切りくずを曲げる作用を行っている．このため，クーラント圧力を高圧にする
ことによって，切りくずに作用する曲げモーメントが増加
し，切りくず流出半径の減少，およびそれに伴う切りくずの曲率半径の減少によって切りくずが折断されたと考えられる．
以上のことから，高ニッケル合金の切削においても，高圧クーラント法を用いることにより，切りくず処理性，特に切りくず折断性能が向上することがわかる．
Fig. 2 に，切削速度 5.00 m/s で乾式切削した場合の工具摩耗を示す．ここで，L は切削距離である．いずれの工具も，切込み境界部に，大きな損傷が見られる．山根ら は，セラ
14)

ミック工具でインコネル 718 の切削を行い，横逃げ面境界摩耗幅（Notch wear on the depth of cut line）および逃げ面平行
Fig. 1 Chip generated when turning high-nickel alloy with various coolant
pressures at cutting speed of 5.00 m/s, at feed rate of 0.1 mm/rev,
depth of cut of 0.2 mm and work-piece diameter of 68 mm.

部摩耗幅（Average flank wear）を調べた結果，逃げ面平行部
摩耗幅に比べ横逃げ面境界摩耗幅が大きく発達することが特徴とし，ある切削領域を越えると減少するとしている．本研

Fig. 2 Tool wear observed after turning high-nickel alloy with various cBN tools at cutting speed of 5.00 m/s under dry cutting.

2016 年 4 月

和田

4

任弘，森合

勇介，田中

宏明

究でも，高ニッケル合金を，切削速度 5.00 m/s で乾式切削し削を行っても顕著な改善は見られない．次に，切削速度がた場合，いずれの工具も，逃げ面平行部に比べ切込み境界部

10.00 m/s の場合について述べる．Type II 工具では，切削速の摩耗が大きく発達している．新谷 らは，インコネル 718

度を 10.00 m/s の高速度切削にすることによりコーナ部の摩の切削を 3 種類の CBN 工具で行った結果，CBN 工具の損耗

耗幅（逃げ面平行部摩耗幅）は増加しているが，切込み境界

形態は切削速度の違いにより大きく異なり，低速と高速では部の境界摩耗が抑制されている．

4)

大きく破損するが，これらの中間域では適正条件が存在する

以上のことから，Fig. 2 に示した乾式切削の場合と Fig. 3として，3 つの切削領域，すなわち切削速度 1.0 m/s 付近の領に示す高圧クーラント切削の場合を比較すると，いずれの工域 I，切削速度 2.5 m/s 付近の領域 II，および切削速度 4.0 m/s

具について損傷状態がかなり改善されている．工具の凝着欠付近の領域 III に分けている．さらに，切削速度と切削温度損を抑えるには，切削温度を低下させること，あるいは被削を対応させている．特に，切削速度 4.0 m/s 付近の高速度切材と工具の凝着を防止することが有効な方法である．板倉

削では，各工具とも超硬工具でインコネル材を加工したときら は，超硬合金工具でインコネル 718 を切削速度 0.83 m/s
7)に観察される凝着欠損 により寿命が決定づけられるとしてで切削した場合，高圧注液により切削温度が 250 K 低減したいる．このことから，本研究においても，高ニッケル合金をとしている．さらに，本研究で使用した切削油剤は，ソリュ

切削速度 5.00 m/s で乾式切削した場合，いずれの工具も凝着

ブル型水溶性切削油剤で，高潤滑に優れている．これらの欠損により工具が激しく損傷したものと考えられる．

理由から，切削速度 5.00 m/s の場合，高圧クーラントを供給

15)

次に，クーラント圧力 20 MPa で，切削速度を 5.00，10.00 m/s

することにより凝着欠損が抑えられ，工具の損傷状態が改の 2 種類に変化させて高ニッケル合金の湿式切削を行った．

善されたと考えられる．次に，高圧クーラント切削においFig. 3 に，工具の摩耗状態を示す．先ず，切削速度 5.00 m/sて，Type II，Type III 工具では，切削速度 10.00 m/s の高速度の場合について述べる．Type II 工具では，Fig. 2 に示した切削にすることによりコーナ部の摩耗幅（逃げ面平行部摩耗

乾式切削に比べ，切込み境界部の工具損傷はかなり改善さ幅）は増加しているが，切込み境界部の境界摩耗が抑制されれている．しかし，Type I，Type III 工具では，Fig. 2 に示している．この理由として，次のことが考えられる．切削温

た乾式切削に比べ，コーナ部の損傷はやや改善されている

度は，切削速度 10.00 m/s の方が高温である．加藤ら は，が，切込み境界部の工具損傷については高圧クーラント切ADI（ベイナイト地球状黒鉛鋳鉄）を 4 種類の CBN 工具で

16)Fig. 3 Tool wear observed after turning high-nickel alloy with different cBN tools at coolant pressure of 20 MPa.

「粉体および粉末冶金」第 63 巻第 4 号

高圧クーラント供給を用いた高ニッケル合金切削における cBN 焼結体の工具摩耗5切削を行った結果，いずれの CBN 工具の摩耗速度も切削温

切削した場合，切削条件により，逃げ面境界摩耗幅（VN）

度 1100 K（切削速度 1.67 m/s）付近で極小値を持つ直線で表あるいは逃げ面平行部摩耗幅（VC）が大きく発達した．そされるとしている．すなわち，切削温度には適した切削温度

こで，VN，あるいは VC の大きい方を逃げ面摩耗幅の最大が存在することが分かる．このため，高ニッケル合金の高圧値（VBmax）とした．3 種類の cBN 焼結体工具では，Type

クーラント切削では，切削速度 10.00 m/s の方が適した切削II 工具の逃げ面摩耗幅が最も小さい．また，切削速度を高く温度であったと推察できる．さらに，高ニッケル合金は加工

すると，Type II 工具の逃げ面摩耗幅の最大値は小さくなっ硬化を起こしやすいため，切込み境界付近は前回の切削で加ている．このことから，主結合材が TiCN-Al，あるいは TiN-

工硬化している．切削速度が低速の場合，加工硬化した部分

Al である 3 種類の cBN 焼結体工具の中では，cBN 含有率がの温度上昇による軟化が生じにくいが，高速度切削にするこ

65 % の Type II 工具の逃げ面摩耗幅が最も小さいことがわかとにより加工硬化が低減され境界摩耗が小さくなったと考えられる．なお，Type I 工具の場合，Fig. 2 (a)，および Fig. 3

る．これには，次の理由が考えられる．加藤ら は，ADI のCBN 工具による切削において，切削温度 1100 K（切削速度
16)中の切削速度 5.0 m/s における A 部に示すように，すくい面

1.67 m/s）の条件下における工具の配合比が摩耗速度と高温の切りくず両端と接触する部分に細長い溝状の摩耗（溝摩

硬度（1273 K）に及ぼす影響について示している．また，こ耗）が大きく発生しており，Type II，Type III 工具の場合との図には各配合比に対する結合材の平均厚さを算出し，併記

摩耗の状態がやや異なる．このため，後述の Fig. 4 で示されしている．その結果，結合材厚さが厚くなると，高温硬度がるように，Type I 工具の逃げ面摩耗幅の最大値は，切削速度

結合材厚さの薄い工具に比し約 1/3 程度に低下し，結合材自10.00 m/s の方が切削速度 5.00 m/s より大きくなっている．こ身が持つ硬度に近くなるために耐摩耗性が低下する．一方，

れには，次の理由が考えられる．大石ら は，CBN 工具で結合材厚さが薄い場合には，高温硬度値は維持されるもの

SUS304 を CBN 含有量の少ない工具で切削した場合，切削の結合力が低下するため摩耗速度が増加するとしている．

17)

速度 5.33 m/s では横逃げ面に大きな欠損が発生し，切削速度

本研究で用いた Type I，II，III 工具の結合材の厚さ，すなわ

2.67 m/s 以上では境界摩耗により寿命が決定される．切削速

ち平均自由行路 を求めると，Type I 工具の結合材の厚さは

度 1.33 m/s にすると欠損は前逃げ面に発生しやすくなり，ま4.1 μm で，Type II，III 工具の結合材の厚さはいずれも 1.1 μm

た溝摩耗が形成されるとしている．CBN 工具における溝摩である．このため，結合材の厚さが最も厚い Type I 工具の摩耗の生成は，結合材として用いられているセラミックスのぜ耗がやや大きくなったと考えられる．さらに，Type II 工具

い性の影響が大きいとして，溝摩耗は，セラミックス系結合の cBN 粒径 3 μm は，Type III 工具の 5 μm に比べ小さい．加材含有量の多い CBN 工具で，Ni 含有量の多い被削材を低切

藤ら は，大粒径の cBN 工具は切れ刃の cBN 粒子にマイク

削速度（実験では 1.33 m/s）で削ったときに，すくい面の工ロ破砕が観察されることやこれに起因する cBN 粒子の大き

具・切りくず接触域の両端部に形成するとしている．また，

さに相当した脱落が観察されるが，小粒径 cBN 粒工具の切被削材と工具の凝着は溝摩耗が形成される必要条件としていれ刃稜線では cBN 粒子破砕やこれに起因するような粒子のる．この溝摩耗は，工具・切りくず接触領域の両端部におい脱落はほとんど観察されず，鋭利さを保っているとしていて，工具材の一部が，凝着物の離脱時に cBN 粒子が剥離する．本研究でも，硬質物質である cBN 粒子の脱落が主因とることによって発生するとしている．ことから推察すると，して摩耗が進行すると考えられる．このため，cBN 粒径が小Type I 工具の結合材含有量は他の工具に比べ多い（CBN 含有

さい Type II では，cBN 粒子の破砕やこれに起因するような量は少ない）．このため，乾式切削では，高温のため被削材粒子の脱落が起りにくくなり，Type II 工具の逃げ面摩耗幅と CBN 工具の凝着が激しく起こり，すくい面上に溝状の摩が小さくなったと考えられる．

18)

16)

耗が大きく生成される．高圧クーラント切削では，被削材と以上のことから，高ニッケル合金の高圧クーラント切削でCBN 工具の凝着が起っているが，切削速度 10.00 m/s の高速は，主結合材が TiCN-Al，あるいは TiN-Al の cBN 焼結体の度切削では溝摩耗が抑制され，逃げ面摩耗が増加したと考え場合，cBN 含有率 65 % で cBN 粒径 3 μm の cBN 焼結体が優られる．

れていることがわかった．そこで，主結合材が工具摩耗に及Fig. 4 に逃げ面摩耗幅の最大値を示す．なお，Fig. 2 およぼす影響を明らかにするために，cBN 含有率が 65 % 程度，

び Fig. 3 で示したように cBN 焼結体工具で高ニッケル合金を

cBN 粒径 3 μm で，結合材の異なる cBN 焼結体工具で高ニッ
ケル合金の高圧クーラント切削を行った．Fig. 5 に，cBN
含有量が 60〜65 % で，結合材が，TiN-Al，TiC-Al，およびAl2O3-Al である 3 種類の cBN 焼結体工具の摩耗状態を示す．
なお，クーラント圧力は 20 MPa である．切削速度 5.00 m/sの場合，いずれの cBN 焼結体も逃げ面の切込み境界部に大きな損傷が見られる．これに対し，切削速度を 10.00 m/s に高速にすると，いずれの cBN 焼結体も逃げ面の切込み境界

Fig. 4 Flank wear width in turning high-nickel alloy with various cBN
tools at coolant pressure of 20 MPa.

2016 年 4 月

部は抑制され，コーナ部の摩耗が主な工具損傷となっている．Type V の逃げ面摩耗幅が最も小さくなっており，Al2O3-

和田

6

任弘，森合

勇介，田中

宏明

Fig. 5 Tool wear observed after turning high-nickel alloy with different cBN tools under coolant pressure of 20 MPa at cutting speed of 5.00 m/s and 10.00 m/s.

Al の結合材を持つ cBN 焼結体が高ニッケル合金の高圧クーな酸化反応が生じなかったと考えられる．なお，結合材にラント切削に有効な結合材種であることがわかる．なお，

Al2O3 を持つ cBN 焼結体は，耐酸化性が優れているため，切Al2O3-Al の 結 合 材 を 持 つ Type V が 高 ニ ッ ケ ル 合 金 の 高 圧

削温度が高くなる被削材の切削に使用されている．したがっクーラント切削に有効な結合材である理由は次の通りと考えて，結合材に Al2O3-Al を持つ Type V は，高ニッケル合金のられる．すなわち，Table 2 に示したように，Type II，Type

高圧クーラント切削に有効な工具材である．

IV，および Type V の cBN 含有量はほぼ同じで，cBN 粒径はそこで，Type V 工具について，切削速度，クーラント圧

3 μm で同じである．また，Type V の硬さ，抗折力は，Type力の効果を詳細に調べるために，工具の逃げ面摩耗幅の最大

II，Type IV に比べ，それぞれ小さいか，あるいは同程度で値（VBmax），すなわち逃げ面境界摩耗幅（VN）あるいはある．このため，工具の硬さ，抗折力以外の要因が考えられ

逃げ面平行部摩耗幅（VC）のいずれかの大きい方が 0.15 mm

る．新谷ら は，TiN 結合材を用いた cBN 焼結体を 1273 Kを超えるまで切削を行い，Type V 工具の摩耗進行（切削距で 10 min 間アルゴンガス中で保持したものと，無加熱試料

離と逃げ面摩耗幅の最大値との関係）を求めた．次に，このとの組成の比較を X 線回折によって行っている．その結果，摩耗進行において，工具の逃げ面摩耗幅の最大値が 0.15 mm

19)

非加熱試料の X 線回折から，工具材は，cBN，AlN，TiB2，になる切削時間を寿命時間とした．Fig. 6 に工具寿命曲線

Al2O3，および TiN から形成されているとしている．そし（V-T 線 図） を 示 す． 切 削 速 度 7.25， お よ び 10.00 m/s で はて，同試料を加熱処理すると cBN 粒子の主結合材である TiNクーラント圧力 20 MPa で切削すると長時間の切削が可能での一部がもろい TiO2 へと変化し，cBN 粒子の結合強度を低ある．これに対し，切削速度 5.00 m/s では，クーラント圧力

下させることを推測している．本研究でも，TiN-Al の結合

20 MPa で切削すると工具寿命が最も短くなる．Fig. 7 に，切材を持つ Type II の場合，主結合材である TiN の一部がもろ

削速度 5.00，および 10.00 m/s における工具の摩耗状態を示

い TiO2 へと変化し，cBN 粒子の結合強度を低下し，摩耗がす．クーラント圧力 20 MPa の場合，切削速度 5.00 m/s では大きくなったと考えられる．また，TiC-Al の結合材を持つ

逃げ面の境界部の摩耗が大きくなり工具寿命に達する．これType IV の場合も，主結合材である TiC の一部がもろい TiO2に対し，切削速度 10.00 m/s では逃げ面の境界部の摩耗が抑へと変化したと推察される．これに対し，Al2O3-Al の結合材制される．E. O. Ezugwu ら は，PVD コーテッド超硬合金工具でインコネル 718 の高圧クーラント切削を，クーラント圧を持つ Type V の場合，Al2O3 は酸化しないため，上記のよう

8)「粉体および粉末冶金」第 63 巻第 4 号

高圧クーラント供給を用いた高ニッケル合金切削における cBN 焼結体の工具摩耗Fig. 6 Tool life curve when turning high-nickel alloy with Type V tool
under high pressure coolant supplies of 7 MPa, 14 MPa and
20 MPa at feed rate of 0.1 mm/rev and depth of cut of 0.2 mm.

7

Fig. 8 Relation between cutting distance and surface roughness whenturning high-nickel alloy under coolant pressure of 20 MPa at
cutting speed of 10.00 m/s.

切削時にクーラント圧力を高圧にすると，工具寿命が短命に力，切削速度を変化させて工具寿命を調べた．その結果，

なり同様な傾向が得られた．

切削速度 0.83 m/s でクーラント圧力 203 bar（20.3 MPa）の以上のことから，高ニッケル合金の高速度仕上げ切削で場合，工具寿命時間は，通常の湿式切削に比べ 740 % 改善

は，Type V を用いクーラント圧力を高圧にすることで，工されるが，切削速度 0.33 m/s の場合，工具寿命は通常の湿式具寿命の延命に有効であることが明らかになった．そこで，切削に比べ短命で，さらに切削速度 0.33 m/s の方が切削速度

クーラント圧力 20 MPa，切削速度 10.00 m/s で高速度切削し0.50 m/s に比べ短命であるとしている．本研究でも，低速度た場合の表面粗さを調べた．Fig. 8 に，この場合の表面粗さ

Fig. 7 Tool wear observed after turning nickel alloy with Type V tool under coolant pressure of 7 MPa, 14 MPa and 20 MPa at cutting speed of 5.00 m/s and10.00 m/s.

2016 年 4 月

和田

8

任弘，森合

勇介，田中

宏明

Rz（最大高さ）を示す．佐田ら20) は，炭素鋼工具鋼を超硬of a High-Nickel Alloy: 1st Report, Mechanism of Flank

合金工具で旋削し，切削時間の経過による切削仕上げ面粗さ

Groove Wear Formation”, Transactions of the JSME (C), 55の変化を調べた．その結果，送りマークの山の高さが切削時(1989) 780-786.

間の経過とともに次第に高くなり，それにしたがって切削仕

4)

上げ面の粗さも増大していくとしている．Fig. 8 に示すよう

K. Shintani, H. Kato, et al.: “Cutting Performance of CBN
Tools in Machining of Nickel Based Superalloy”, Journal ofに高圧クーラント切削においても，表面粗さは切削距離の増

the Japan Society for Precision Engineering, 58 (1992) 1685-

加につれ増加している．

1690.
5)

４

結

言

本研究では，cBN 焼結体工具による高ニッケル合金の仕上

of Notch Wear–”, Journal of the Japan Society for Precision

げ切削を対象に，高速度切削による高能率切削加工を達成するために，高圧クーラント切削を行い，切りくず形状，工具

Engineering, 59 (1993) 1815-1820.
6)

摩耗，および表面粗さを調べた．

H. Itani, M. Kuroda, T. Egawa, M. Takeuchi, K. Itakura:“High Efficiency Cutting of Difficult-to-Machine Material by

得られた主な結果は，次の通りである．

High Pressure Injection”, Mitsubishi Heavy Industries, LTD.

（1）クーラント圧力を高圧にすることにより，切りくずは短く折断された．このため，高圧クーラント切削は，切りY. Yamane, N. Amano, K. Hayashi, N. Narutaki: “High Speed
Machining of Inconel 718 with Ceramic Tools–Suppression

Technical Review, 35 (1998) 148-151.
7)

K. Itakura, M. Kuroda, Y. Doi, H. Tsukamoto, Y. Ariura: “High

くず処理性，特に切りくず折断性能向上に有効な方法でSpeed Cutting of Super Heat Resisting Alloy Inconel 718–On

あった．

the Finish Cutting with High Pressurized Cutting Fluid–”, 66（2）高ニッケル合金の仕上げ切削の場合，乾式切削では，逃げ面の切込み境界部に，大きな工具損傷が見られた．こ(2000) 1611-1615.
8)

E. O. Ezugwu, J. Bonney: “Effect of high-pressure coolant

れに対し，cBN 含有量 50〜60 % の cBN 焼結体による高supply when machining nickel-base, Inconel 718, alloy

速度・高圧クーラント切削では，逃げ面の切込み境界部

with coated carbide tools”, Journal of Materials Processの工具損傷を抑制することができた．

Technology, 152-154 (2004) 1045-1050.

（3）高ニッケル合金の高圧クーラント切削には，cBN 含有量
が 60 % で，Al2O3-Al の結合材を持つ cBN 焼結体が有効な工具材種であった．

9)

E. O. Ezugwu, R. B. Da Silva, J. Bonney, Á. R. Machado:“Evaluation of the performance of CBN tools when turning
Ti-6Al-4V alloy with high pressure coolant supplies”, International（4）cBN 含有量が 60 % で，Al2O3-Al の結合材を持つ cBN 焼結体工具による高ニッケル合金の高圧クーラント切削にJournal of Machine Tools and Manufacture, 45-9 (2005)
1009–1014.

おいて，クーラント圧力を高圧で切削する場合，切削速10) E. O. Ezugwu, J. Bonney, Y. Yamane: “An overview of the

度を低速にすると，逃げ面の切込み境界部に大きな工具

machinability of aeroengine alloys”, Journal of Materials

損傷が生じ，工具寿命が短命になった．

Processing Technology, 134-2 (2003) 233-253.

以上のことから，cBN 含有量が 60 % で，Al2O3-Al の結合

11) E. O. Ezugwu: “High speed machining of aero-engine alloys”,

材を持つ cBN 焼結体工具で高ニッケル合金の仕上げ切削をJournal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and行う場合，切削速度 7.50 m/s 以上の高速度切削では，クーラ
ント圧力を高圧にすることにより工具寿命の延命に有効であることが明らかになった．

Engineering, 26-1 (2004) 1-11.
12) K. Nakayama: “Breaking-up of Chip by Chip Breaker”, JSPE,
26-307 (1960) 482-483.
13) K. Nakayama: “A Study on Chip Breaker”, Transactions of謝辞

cBN 焼結体工具のご提供にご協力いただきました（株）タンガロイに感謝の意を表します．

the Japan Society of Mechanical Engineers, 27-178 (1961)
833-843.
14) Y. Yamane, K. Hayashi, N. Narutaki: “High Speed Machiningof Inconel 718 with Ceramic Tools (2nd Report)–Potentiality

文
1)

献

K. Itakura, M. Kuroda, H. Omokawa, H. Itani, K. Yamamoto,Y. Ariura: “Wear Mechanism of Coated Cemented Carbide

2)
3)

of TiC Whisker Reinforced Alumina Ceramic Tool–”, Journalof the Japan Society for Precision Engineering, 61 (1995)
1463-1467.

Tool in Cutting of Super Heat Resisting Alloy Inconel”,

15) N. Iijima, H. Takeyama, Y. Yamamoto: “Microscopic Analysis

Journal of the Japan Society for Precision Engineering, 65

of Metal Adhesion on Tool Surface and Prevention of Brittle(1999) 976-981.

Fracture of Tool Material–Study on Surface Characterization

K. Karino: Nansakuzai Sinsozai no Sessakukakou Handobukku,

of Cutting Tool Material and Prevention of Its Brittle Fracture

Kogyo Chosakai Publishing Co., Ltd., (2002) 256.

(Part 2)–”, Journal of the Japan Society for Precision Engineering,

S. Hanasaki, J. Fujiwara, K. Sakagami, Y. Hasegawa: “Cutting

52 (1986) 1335-1341.

「粉体および粉末冶金」第 63 巻第 4 号

高圧クーラント供給を用いた高ニッケル合金切削における cBN 焼結体の工具摩耗

16) H. Kato, K. Shintani, Y. Fujimura: “Wear Performance of
CBN Tool in Machining of ADI (Effect of Tool Life on
Sintered Elements)”, Transactions of Japan Soc. of MechanicalEngineers (Ser. C), 57-541 (1991) 3027-3031.
17) K. Oishi, T. Ono, S. Miyazawa, “Basic Investigation on
Mechanism of Groove Wear Formation”, Journal of the Japan
Society for Precision Engineering, 52 (1986) 819-825.
18) H. Suzyki, T. Tanase, “the influence of carbide Grain-Size and
Binder Content on the Transverse-Rupture Strength of WC-

2016 年 4 月

9Co Cemented Carbide”, J. Japan Inst. Met. Mater., 40 (1976)
726-732.
19) K. Shintani, H. Kato, Y. Fujimyra, A. Yamamoto: “Cutting
Performance of CBN Tools in Machining of Austempered
Bainitic Spheroidal Graphite Cast Iron”, J. Jpn. Soc. Precision
Engineering, 56 (1990) 2261-2266.
20) T. Sata, K. Amano: “Correlation of Roughness of Machined
Surface with Tool Wear”, Journal of the Japan Society ofPrecision Engineering, 26 (1960) 686-690.