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あいち産業科学技術総合センター

研究報告 2016

研究論文

コーティングセラミック工具を用いたインコネル 718 の加工
河 田 圭 一 ＊ 1、 石 川 和 昌 ＊ 1、 児 玉 英 也 ＊ 1、 島 津 達 哉 ＊ 1

Turning of Inconel 718 with Coated Ceramic Tool
Keiichi KAWATA * 1 ,Kazumasa ISHIKAWA * 1 ,Hideya KODAMA *1 and Tatsuya SHIMAZU *1
Industrial Research Center *1
航 空 機 部 品 の 材 料 で あ る イ ン コ ネ ル 718 は 難 削 材 と し て 知 ら れ 、 工 具 の 長 寿 命 化 や 加 工 能 率 の 向 上 が
求 め ら れ て い る 。 本 研 究 で は 、 窒 化 ケ イ 素 系 セ ラ ミ ッ ク 表 面 に Al 2 O 3 と TiN を 被 覆 し た 工 具 を 用 い た ロータリ切削を実施した。その結果、コーティング工具を 使用することにより欠けの発生が抑えられることが分かった。また、ロータリ切削の方が一般的なシングルポイントによる旋削より 残留応力が低い仕上げ面を得られることが分かった。最後に開発技術を用いてタービンディスクモデルの試作を行った。

１．はじめにのセラミック表面に Al2O3 と TiN を被覆した SP9 を使航空機エンジン部品の材料として使用されるインコ用した。切削油剤にはソリュブル系水溶性切削液を使用

ネル 718 などのニッケル基耐熱合金は、難削材としてし、工具を保持しているコレットから吐出した。

知られている。近年、航空機産業においても生産性の向上が厳しく求められており、工具の長寿命化や加工能率

工具回転方向チャック

ロータリ切削工具の向上が要望されている。そこで、これらの課題を解決するため、本研究ではこれまでロータリ切削工具による旋削加工を実施し、窒化ケイ素系セラミック工具を用い15°た加工能率の向上や長寿命化の可能性について検討して被削材

きた 1)。その結果、ソリュブル系水溶性切削液を使用することや、すくい角を大きくすることにより工具摩耗が被削材回転方向抑えられることを示してきた。本年度は、窒化ケイ素系
図１

セラミック表面に Al2O3 と TiN を被覆した工具を使用することにより、欠けの発生を抑えることを試みるとともに、仕上げ面性状について調べた。さらに、開発工具や加工技術の実用性について評価するためタービンディスクモデルの試作を行った。

２．実験方法2.1 工具逃げ面摩耗の評価
実験は、複合加工機（オークマ㈱、MULTUS B300）

表１
被削材
工具
切削速度
切込み
送り
工具周速
切削油剤

工具摩耗試験の加工模式図
工具摩耗試験の加工条件
インコネル 718（HRC45）
材種：SX9、SP9（日本特殊陶業㈱）
形状：φ10mm 円筒
すくい角：3° 逃げ角：0°300m/min0.5mm
0.4mm/rev
5m/minソリュブル系水溶性(希釈濃度 6.5%)を使用し、図１に示すような外径旋削を行った。本実験で使用した工具形状には逃げ角を設けていないので、2.2 仕上げ面性状の評価

図のように加工点を 15°上方にオフセットすることに航空機エンジンのタービンディスクや燃焼器などのより逃げ角を設定した。このため、実質すくい角は約

実製品において、仕上げ面性状は疲労強度などの機械的-12°となる。加工条件を表１に示す。被削材には時効性質に大きく影響するため、切削による加工変質層や仕処理を施したインコネル 718 を使用した。工具材種に上げ面粗さは小さいことが望まれる。そこで、疲労強度は、窒化ケイ素系セラミックである SX9 および同材質に影響する残留応力および仕上げ面粗さの測定を行った。

＊

1 産業技術センター 自動車・機械技術室

21
す。加工条件は、切削速度 174～425m/min、切り込み

2.2.1 残留応力の測定
残留応力の測定には、X 線応力測定装置（㈱リガク、0.5mm、送り 0.2mm/rev とした。工具材種は SP9 を使AutoMATEⅡ）を使用した。測定条件を表２に示す。R用し、工具形状は同一のものを使用した。切削油剤はソ形状などの試験片形状が測定値に影響するため、円筒面リュブル系水溶性を使用した。

ではなく円筒端面（直径 90mm、厚さ約 30mm）を旋削により仕上げた面を試験片として供した。残留応力測定用試験片の加工条件を表３に示す。工具は摩耗試験と同形状のものを使用し、材種は SP9 とした。試験片は、工具を回転して加工した場合と回転を固定して加工した場合の 2 種類を用意した。回転を固定した場合は一般的なシングルポイントによる旋削と同等である。試

図２

タービンディスクモデルの加工試験の様子

験片の製作時に工具ホルダが干渉しないように工具は20°傾けて加工したため、実質のすくい角は約-17°の負角とした。加工機の都合上、試験片の回転数は一定と３．実験結果及び考察
3.1 工具逃げ面摩耗した。このため試験片の半径位置により切削速度は異な工具材種 SX9 および SP9 について切削距離に対するり、切削速度が 50、100、200、300m/min となる位置

逃げ面摩耗幅の変化を測定した結果を図３に示す。その残留応力を測定し、切削速度の影響について調べた。

れぞれの工具材種において逃げ面摩耗幅に大きな違いは見られなかった。このことから、SP9 に施したコーテ

表２

残留応力測定条件

ィング層による摩耗の低減効果は得られないことが分か

管球
ターゲット
管電圧
管電流
測定方法
回折角
コリメータ
ψ角（φ=0°）X 線照射時間
X 線応力定数
解析方法

Cr
Cr-Kα
30kV
20mA
並傾法
129°
φ4mm
0、18、27、33、39、4530s/ψ
-645MPa/deg
半価幅中点法った。しかし、約 350m まで切削が終了した SX9 の工残留応力測定用試験片の加工条件

回転数
切込み送り
工具周速
切削油剤

1194min-1（約 50～300m/min）
0.3mm
0.4mm/rev5m/min
ソリュブル系水溶性な欠損が見られた。このため、この時点で工具寿命と判断した。一方、SP9 ではこのような欠損は生じず、本実験で工具寿命と判断した逃げ面摩耗幅 100μm に達した約 790m まで加工することができた。SX9 に比べ約 2 倍の切削距離の加工が可能であった。
120

平均逃げ面摩耗幅 (μm)

表３具を観察すると、図４に示すような工具に比較的大き100806040SX920

SP902.2.2 仕上げ面粗さの測定

0

仕上げ面粗さの測定は、非接触三次元粗さ計（ブル200

図３カー、Wyko NT9100）を用いて行った。測定箇所は、

400

600

8001000

切削距離 (m)
逃げ面摩耗幅の変化

残留応力測定と同じ場所を測定した。
2.3 タービンディスクモデルの加工本研究における開発技術のターゲットとしたタービ

摩耗

ンディスクおよび燃焼器への加工技術の実用性を検討す欠損

るため、φ200mm のタービンディスクモデルの試作を行った。加工機には複合機加工機（オークマ㈱、MULTUS U3000）を使用した。加工の様子を図２に示

1mm(a)すくい面
図４

欠損1mm(b)逃げ面

350m 切削後の工具（SX9）の様子

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切削距離が約 300m 時のそれぞれの逃げ面を観察しロータリ切削の方が加工歪の小さい加工が可能であり、た結果を図５に示す。逃げ面にできた摩耗の境界部に引張応力の影響も小さいため疲労強度に有利な仕上げ面注目すると、SX9 では変化が大きいのに対し、SP9 でを創製できることが分かった。

は小さいことが分かる。同様な現象は加工初期から見ら残留応力に影響を与える切削抵抗を測定した結果をれた。工具素材がセラミックのため、SX9 ではチッピ

図７に示す。主分力ではどちらの方法でもほぼ同じ値ングが多く発生し境界部が荒れた一方、SP9 では組成を示しており、加工方法による違いは見られなかった。の異なるコーティング層の存在によりチッピングが抑え一方、背分力はどの切削速度においてもロータリ切削のられたのではないかと考えられる。このため、SP9 で方が工具を固定した切削に比べ小さい値を示した。このは突発的な欠損にまで至る大きな欠けが発生することなことが、ロータリ切削の方が残留応力を小さくできた要

く、安定した定常な摩耗が進行し、工具寿命を延ばすこ因の一つと考えられる。とが可能であったと考えられる。

6001mm1mm(a)SX9主分力 (N)

500(b)SP9300200
固定
ロータリ

100

逃げ面摩耗の様子（切削距離約 300m）

図５400003.2 仕上げ面性状の評価

100

200300400

切削速度 (m/min)

3.2.1 残留応力(a)主分力図６に残留応力測定結果を示す。プラス側は引張、マイナス側は圧縮の残留応力を示す。加工方法によらず

600

残留応力は異方性を示し、切削方向に比べ送り方向の方
500

度 200m/min までは切削速度が速くなるにつれ残留応400

力は大きくなる傾向を示したが、一部を除き切削速度300m/min で若干下がる傾向を示した。

固定(送り方向)固定(切削方向)ロータリ(送り方向)

ロータリ(切削方向)

背分力 (N)が残留応力は引張側に大きい値を示した。また、切削速

300200固定
ロータリ

100800

残留応力 (MPa)0600

0100200300

400

切削速度 (m/min)

200(b)背分力
図７400

切削抵抗の測定結果

03.2.2 仕上げ面粗さ-200
0100200300
切削速度 (m/min)

図６400

残留応力測定結果

算術平均粗さ Ra を測定した結果を図８に示す。切削速度の遅い 100m/min 以下ではどちらの加工方法においてもほぼ同程度の仕上げ面粗さが得られた。しかし、切削速度が速くなるとロータリ切削の方が仕上げ面粗さ

工具回転を固定した場合と工具を回転したロータリは小さくなる傾向を示した。そこで、光学顕微鏡により切削の場合を比較すると、どの条件においてもロータリ切削速度 300m/min の仕上げ面を観察した。観察結果切削の方が残留応力は小さい値となった。このことから、を図９に示す。工具回転を固定した加工では、図中の23矢印で示すような凝着物が多く観察された。切削速度が実験では工具の振れは数μm 程度まで抑えられること速くなり切削点温度が上昇したため、刃先で生成されたを確認しているので、工具の真円度を改善することによ凝着物が仕上げ面に移着しやすくなったと考えられる。

り仕上げ面粗さを向上することが可能と考える。

一方、ロータリ切削では工具が回転していることにより背分力が小さくなり温度上昇が抑えられたことにより凝着が抑えられたのではないかと推測される。今後、切削温度を測定し検証が必要である。
1.2
仕上げ面粗さRa (μm)

ロータリ切削部

10.80.60.4

図１０試作したタービンディスクモデル

図１１

タービンディスクの仕上げ面粗さ

回転固定
0.2

ロータリ

00100200300
切削速度 (m/min)

図８400

仕上げ面粗さの測定結果

４．結び(1)窒化ケイ素系セラミックに Al2O3 と TiN を被覆した工具を用いることによりチッピングが抑えられ摩耗
50μm50μm(a)固定
図９(b)ロータリ

光学顕微鏡による仕上げ面観察結果が安定し、工具寿命が延びることが分かった。
(2)ロータリ切削の方がシングルポイントによる旋削より仕上げ面の残留応力は小さくなり、加工歪が小さいことが分かった。
(3)本研究で開発した工具および開発技術を用いてロー3.3 タービンディスクモデルの加工タリタービンディスクモデルを試作した。

本研究で開発した工具および加工技術を用いて試作したタービンディスクモデルの外観を図１０に示す。

謝辞

図中の矢印部分を加工した。同部に加工されている貫通工具材料を提供していただいた日本特殊陶業株式会

穴はロータリ切削後に加工した。加工部は約 5mm 程度社に記して謝意を表する。

掘り下げられており、被削材と工具が干渉しないよう焼き嵌めホルダにより工具を保持することで、工具の突き付記出しを抑え、工具剛性を高くできるようにした。その結本研究は、平成 27 年度「知の拠点あいち」重点研究

果、仕上げ面粗さは 0.89μmRa となり実験で得られたプロジェクト「低環境負荷型次世代ナノ・マイクロ加工結果と同等の仕上げ面粗さが得られた。このことから、技術の開発」において実施した研究成果の一部である。

実製品に近い形状でも加工ができる可能性を示すことができた。しかしながら、図１１に示すように、仕上げ文献面には若干のうねりが生じた。工具を保持した時の振れ

1）河田，児玉，石川：あいち産業科学技術総合センタ

が 30μm 生じたことが原因と考えられる。これまでのー研究報告，4，46(2015)