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あいち産業科学技術総合センター

研究報告 2020

研 究 ノート

セラミック工具によるチタン合金の切削 加工特性について
菅 野 祐 介 * 1 、 河 田 圭 一 *1 、 児 玉 英 也 * 1

Cutting Characteristics of a Ceramic Tool in Machining Titanium Alloy
Yusuke KANNO *1 , Keiichi KAWATA * 1 and Hideya KODAMA *1
Industrial Research Center * 1
セラミック工具でチタン合金を切削加工して工具の損耗を観察した。その結果、エンゲージ角や切削速度が工具の損耗に影響することがわかった。また、切削の様子を高速度カメラで撮影することにより 、切りくずが刃先に付着したまま再び被削材に突入していることがわ かった。このことが刃先の激しい損耗や切りくずが伸びてホルダに巻き付くことの原因の一つであると考えられる。

1. はじめにで撮影した。切削条件は Vc：200m/min、E 角：0 度とチタン合金は鉄鋼材料に比べ比強度が高く、耐食性にした。高速度カメラの撮影条件はフレームレート：優れており航空機材料として幅広く使用されている。最1000fps、シャッタースピード：1/2000sec とした。

近では、航空機の低燃費化を目的として CFRP の適用が増えていることから、耐食性と熱膨張率において回転CFRP との適合性に優れているチタン合金の需要が増大している。しかし、チタン合金は、熱伝導率が低く刃先温度が上昇しやすいとともに、ヤング率が低くびびり工具が発生しやすい材料である。そのためアルミニウム合金や鉄鋼材料に比べ非常に切削効率が低いことが課題であ被削材り、加工技術の向上が求められている。チタン合金の切送り削において、現在主流の超硬合金や高速度工具鋼の工具
図1

では、切削速度を高速にすると刃先温度が高温になり工具の強度が低下するため、高速切削できない。そこで本研究では耐熱性の高いセラミック工具を用いてチタン合加工試験の様子
表1

被削材金の加工試験を実施し、加工特性について調べた。

加工条件

Ti-6Al-4V
幅 20mm、長さ 50mm

工具

フライス径：φ50.3mm

2. 実験方法

切削チップ：セラミック(SiAlON)

2.1 加工条件

A.R.：＋5 度、R.R.：＋5 度

加工試験の様子を図 1 に示す。加工機は立形マシニ

切削速度(Vc)

50～600m/min

ングセンタ(YBM640V、YASDA 製)を使用し、セラミ送り量0.15mm/toothック工具でチタン合金をフライス切削した。加工条件を

軸方向切込み量0.5mm

表 1 に示す。加工条件はエンゲージ角(以下「E 角」)、エンゲージ角(E 角)

0 度、23 度、53 度

切削速度(以下「Vc」)を変更して加工試験を実施した。

給油

ドライ

加工後、マイクロスコープで刃先を観察し、最大逃げ面摩耗 VBmax が 1mm になるまで続けた。また、切りくずがホルダに巻き付いて危険な時は VBmax が 1mm に

3. 実験結果及び考察達する前でも終了とした。

3.1 加工条件による工具損耗の違い

2.2 高速度カメラ撮影

3.1.1 エンゲージ角の影響

切削の様子を高速度カメラ(SAK1.1、フォトロン製)*1 産業技術センター

自動車・機械技術室

Vc200m/min で E 角を 0 度、23 度、53 度と変えて加600m/min

200m/min1mm

400m/min

100m/min1mm

50m/min

1mmに示す。E 角 53 度の時、逃げ面摩耗が大きかった。ま1mm工した時の 1 パス(0.5cc)加工後の刃先逃げ面写真を図 21mm49た、いずれの E 角でも刃先に被削材が凝着していた。
図 3 に各 E 角における除去体積と VBmax の関係を示す。E 角 0 度が最も寿命が長く、53 度が短かった。一
般的に E 角が大きくなると切り始めの切り取り厚さが薄くなり、切り終わりの切り取り厚さが大きくなる。そのため、切り始めに刃が被削材に食いつきにくくなり、切り終わりに切れ刃が被削材から離れるときにかかる負図4

荷が急激に減少することによって、破損しやすくなると推測される。

1.4

図21 パス(0.5cc)加工後の刃先逃げ面写真

1Vc=500.8

Vc=1000.6

Vc=2000.4

Vc=4000.2

Vc=60001.201VBmax(mm)VBmax(mm)

1.2

53 度

1m

23 度

1mm

1mm

0度

1 パス(0.5cc)加工後の刃先逃げ面写真

図50.80.6

E角=0度

0.40.5

11.5 2 2.5 3除去体積（cc）

3.544.5

各 Vc における除去体積と VBmax の関係

3.2 高速度カメラ撮影結果

E角=23度

刃先の損耗の原因を調べるため切削の様子を高速度カE角=53度

メラで撮影した。図 6(a)のように 1 回転し切削が終了0.2しても刃先には切りくずが付着しており、このまま被削

00

図30.5

11.5 2 2.5 3除去体積（cc）

3.544.5

各 E 角における除去体積と VBmax の関係

3.1.2 切削速度の影響材に再突入して切削が繰り返された。このとき、付着した切りくずが剥がれたり噛みこんだりすることによって刃先の損耗が進行すると推察される。また、図 6(b)のように刃先に切りくずが付着したまま、次の回転で生じE 角 0 度で Vc を 50～600m/min で変えて加工した時た切りくずにつながり、通常のフライス加工の切りくずの 1 パス(0.5cc)加工後の刃先逃げ面写真を図 4 に示す。

よりも長い切りくずが生じることもあった。これによりVc200m/min と比べて明らかに 400、600m/min は逃げ長くなった切りくずがホルダに巻きついたと考えられる。

面摩耗が大きくなった。一方、50m/min は摩耗が小さ付着した切りくず

く、100m/min は 200m/min と同程度であった。また、つながった切りくずいずれの Vc でも刃先には被削材が凝着していた。図 5に各 Vc における除去体積と VBmax の関係を示す。
Vc200m/min が最も寿命が長く、400、600m/min は短かった。100m/min は途中まで 200m/min と同程度だ
が、除去体積 2.5cc の時点で切りくずがホルダに巻き付

(a)
図6(b)
高速度カメラ撮影による切削の様子

き危険と判断し終了した。50m/min は 200m/min より1 パス目の摩耗は小さかったが、その後の摩耗の進行は4. 結び大きく、寿命は短くなった。Vc400、600m/min は切削

セラミック工具によるチタン合金の切削加工試験を実温度が高く工具強度が下がるため摩耗が大きいと考えら施し以下のことが明らかになった。

れる。一方、Vc200m/min 以下では切削熱による工具(1) エンゲージ角、切削速度が刃先損耗に影響を与える。

強度の低下にあまり差はないと思われる。また、最も寿(2) 切りくずが刃先に付着したまま被削材に再突入して命の長い Vc200m/min でも除去体積わずか 3.5cc で寿切削が繰り返されることが、刃先の激しい損耗や切命に至り、刃先の損耗が非常に激しいことがわかる。

りくずが伸びる原因の一つと考えられる。