JP4639329B2 - チタン合金の水中におけるエンドミル切削加工法 - Google Patents

Description

この発明は、チタン合金のエンドミル切削加工技術に係り、チタン合金のエンドミル切削の欠点として、チタンは、熱伝導が小さく、化学的に活性のため、工具刃先の異常な摩耗、チッピング（工具刃先の微小な欠損）が生じ、工具寿命が短く、切削した加工面が粗い等、様々な問題がある。さらに、チタン合金のエンドミル切削加工において、水溶性の切削油剤が使用されているが、人体等に悪影響を及ぼすことが指摘されている。また、切りくずの処理において、切削油剤の使用の場合、莫大な二酸化炭素の排出の原因になるので、環境に与える影響は極めて大きい。そこで、環境にあまり負荷をかけずに、工具刃先の異常な摩耗、チッピング（工具刃先の微小な欠損）の発生を抑制し、なおかつきれいな加工面を得るエンドミル切削加工法に関するものである。

チタンは、材料的に非常に活性で、ドライ（乾式）切削では、切り屑が燃えたりする場合があるので、水溶性切削油剤が使用されている。

チタン合金のエンドミル切削加工において、上記の水溶性切削油剤は、環境悪化の要因となる塩素、リン、硫黄の極圧添加剤等が含有している。また、水溶性切削油剤を使用した場合は、切りくずの処理に至っては、莫大な二酸化炭素の排出の原因になるため、環境への負荷が極めて大きい。さらに切削油剤を使用してもエンドミルエ具の刃先における異常な摩耗、チッピング等が発生し、工具寿命が短い。また、環境に優しい植物油をベースした油剤の極微量を圧縮空気によって霧状に噴霧して、切削加工を行うミストによるエンドミル切削加工も一部行われている。しかし、予備実験の結果、過酷な切削加工、特に切削速度100m／minでは、工具寿命が非常に短い結果となった。上記の工具の異常摩耗によって、切削加工を行った場合、加工面が適切なきれいな加工面を得ることができない。

この発明は、上記のような課題に鑑み、その課題を解決すべく創案されたものであって、その目的とするところは、環境に負荷を与えず、工具の異常摩耗が発生せず、適切な加工面を得ることができるチタン合金のエンドミル切削加工法を提供することにある。

以上の目的を達成するために、この発明は、水を入れた容器中にチタン合金を浸漬し、固定した後、ミスト用ノズルから圧縮空気によって霧状になった切削油剤を回転している水面上方のエンドミル切削工具に噴霧すると共に、もう一つの冷給水用ノズルから水を前述のエンドミル切削工具に噴射させ、同時に水中に浸漬した圧縮空気用ノズルから、切削加工を行う方向に、圧縮空気量が５L／min〜100L／min、気泡の大きさが５mm〜80mmの範囲で圧縮空気を送り込み、水中の気泡を水中のエンドミル切削工具に噴射させながらエンドミル切削加工を行う方法よりなるものである。

以上の記載より明らかなように、請求項１の発明によれば、水を入れた容器中にチタン合金を浸漬し、固定した後、ミスト用ノズルから圧縮空気によって霧状になった切削油剤を回転している水面上方のエンドミル切削工具に噴霧し、もう一つの冷給水用ノズルから水を前述のエンドミル切削工具に噴射させ、さらに水中に浸漬した圧縮空気用ノズルから、切削加工を行う方向に、圧縮空気量が５L／min〜100L／min、気泡の大きさが、５mm〜80mmの範囲で圧縮空気を送り込み、水中の気泡を水中のエンドミル切削工具に噴射させながらエンドミル切削加工を行うことによって、工具刃先の摩耗幅が小さく、良好な加工面粗さを得ることが可能である。

以下、この発明をより具体的に説明する。
ここで、図１はチタン合金の水中におけるエンドミル切削加工の模式図である。

図１において、チタン合金１を水中でエンドミル切削加工を行う場合におけるチタン合金１と水２を入れる容器には例えば純銅製容器３が使用される。純銅製容器３は、四側面及び底面部分が純銅で形成され、上面が開放された構造になっている。純銅製容器３は例えば、外寸が長さ230mm×幅120mm×高さ70mmの容器の内側に、内寸が長さ210mm×幅100mm×深さ60mmの穴部を作製したものから構成されている。その内部にチタン合金１と水２が入れられる。チタン合金１は水２の中に浸漬されている。

純銅製容器３の内部に入れられた水中のチタン合金１の側面部分を切削する円柱形状のエンドミル切削工具４が、純銅製容器３の開放された上方から下向きに取り付けられる。図面ではエンドミル切削工具４を装着する装置本体部分は省略している。

この下向きに取り付けられたエンドミル切削工具４を挟んでミスト用ノズル５と冷却水用ノズル６が取り付けられている。また、図面では冷却水用ノズル６側の後方側にノズル先端が水２の中に浸漬された圧縮空気用ノズル７が取り付けられている。

このうち、ミスト用ノズル５は、圧縮空気によって霧状になった切削油剤を回転しているエンドミル切削工具４に向けて噴霧するものである。ミスト用ノズル５のノズルの先端はエンドミル切削工具４に向けて取り付けられている。ミスト用ノズル５には切削油剤を圧縮空気によって霧状に送り出すタンクなどに一端が接続される図示しないホースの他端側が接続されている。

冷却水用ノズル６は、冷却水を回転しているエンドミル切削工具４に向けて噴射するものである。冷却水用ノズル６のノズルの先端はエンドミル切削工具４に向けて取り付けられている。冷却水用ノズル６には冷却水を溜めたタンクなどに一端が接続される図示しないホースの他端側が接続されている。

圧縮空気用ノズル７は、エンドミル切削工具４によって切削加工が行われている水中のチタン合金１に向けて、圧縮空気量が５L／min〜100L／min、気泡の大きさが５mm〜80mmの範囲の圧縮空気を送り込んで、水中の気泡をエンドミル切削工具４に噴射させる機能を果たす。圧縮空気用ノズル７には圧縮空気を送り込む図示しないホースの一端が接続されている。

チタン合金１のエンドミル切削加工は、以下のとおりである。
(1)チタン合金１を純銅製容器３に固定する。

(2)純銅製容器３中に水２を入る。純銅製容器３は前記したように例えば、外寸が長さ230mm×幅120mm×高さ70mmの容器の内側に、内寸が長さ210mm×幅100mm×深さ60mmの穴部を作製したものから構成されている。

(3)エンドミル切削工具４を所定の回転数に上げ、所定の回転数になったエンドミル切削工具４に向けて、ミスト用ノズル５からミストを噴霧し、冷却水用ノズル６から水を噴射し、圧縮空気用ノズル７から圧縮空気を送り込む。なお、ミスト用ノズル５および圧縮空気ノズル７の形状は、外径７mm、内径３mmである。冷給水用ノズル６の形状は、外径8.4mm、内径４mmである。

(4)上記のエンドミル切削工具４に水、圧縮空気、ミストを噴射あるいは噴霧を行いながら、チタン合金１の側面をエンドミル切削加工を行う。

(5)所定量のエンドミル切削加工が終了すれば、エンドミル切削工具４の刃先における摩耗量（逃げ面摩耗幅）を測定した。さらに切削加工を行った加工面の凹凸（加工面の表面粗さ）を測定した。評価について、×は、工具刃先の逃げ面摩耗幅が、10μm以上、加工面の表面粗さ（最大高さ（Ry））が、３μm以上の場合である。評価について、○は、工具刃先の逃げ面摩耗幅が、10μmより小さく、加工面の表面粗さが、３μmより小さい場合である。

チタン合金のエンドミル切削加工の実施例

チタン合金（長さ100mm×幅500mm×高さ100mm）を外径８mmのTiAINコーテッド超硬エンドミル切削工具（超硬エンドミル切削工具の刃先にTiAIN膜がコーティングされている工具）を回転数3980rpm、切削速度100m／minの切削加工条件で切削加工を行った。

チタン合金は、Ti−6Al−4V合金で、Ti以外の成分は、Al（6.36％）、V（4.26％）、Fe（O.206％）、O（0.166％）、C（0.012％）、H（0.009％）、N（0.006％）である。Ti−6Al−4V合金の熱処理として、954℃で１時間保持後、水冷し、さらに538℃で６時間保持した後、空冷を行った試料を使用した。硬さはショア硬さ（HS）60〜63であった。

表1は、大気中で水溶性切削油剤、水、ミストの単独で切削加工を行った結果を示す。１パスにおける切削加工の結果である。上記の切削加工条件において、切削油剤、水道水、ミストのみの場合、工具刃先の逃げ面摩耗幅、加工面の表面粗さにおける良好な結果を得ることができなかった。

ミストは、環境に優しい植物油をベースした油剤を極微量を圧縮空気によって霧状に噴霧して、切削加工を行う方法である。ミストによる切削加工の予備実験の結果、油剤量が、４cc／時間より小さい場合、工具の摩耗が著しく、チッピングが多く発生したので、できるだけ環境に負荷をかけないことを考慮して、最小限の油剤量（４cc／時間）で実験を行った。なお、ミストの油剤量が多い場合、切削加工実験における工具刃先の摩耗において、支障はないものの、油剤使用による環境等への悪影響が懸念されるので、上記の最小限の油剤量に限定した。冷給水用ノズルからの水の流量は、20cc／sで実験を行った。

表1より、上記の切削油剤、水、ミストの単独で切削加工を行った結果において、加工面、工具刃先の摩耗幅に関する評価は、「×」の結果となった。チタン合金は、熱伝導率が悪いため、工具の刃先に熱がたまりやすく、工具の異常摩耗の発生の原因になる可能性が高い。

大気中で、水、ミストとの組み合わせによる切削加工の結果を表２に示す。エンドミル切削加工を行う装置上、冷給水用ノズルからの最大の流量は、80cc／sである。ミストは、上記のミストの油剤量（４cc／時間）で行った。

表２より、ミストと水だけでは、工具刃先の潤滑効果（ミストによる効果）と冷却効果（水による効果）のみでは、工具摩耗だけでなく、加工面の粗さに関して効果があまり見られない。実験条件において、水量（40cc／s）、ミスト（４cc／時間）の実験条件は、加工面において、良好な結果を得る可能性があった。

冷給水用ノズルを純銅製容器に入れて水量を変えて切削加工実験の結果を表３に示す。

表３より、水中に冷給水用ノズルを入れて場合、水量を変化させても、工具刃先の摩耗幅だけでなく、加工面の粗さに関して効果があまり見られない。

水、ミスト、水中における圧縮空気を同時に使用して水中における切削加工を行った結果を表４に示す。なお、比較のために、水中でなく、大気中で、水、ミスト、圧縮空気を同時に使用して切削加工を行った結果を表５に示す。

表４より、水中のエンドミル切削加工において、水、ミスト、水中における圧縮空気を同時に使用して切削加工を行った場合、工具刃先の摩耗幅も最も小さく、表面粗さは、極めて良好な加工面を得ることができた。表２の結果により、冷給水用ノズルの水量は、40cc／sにすれば、加工面の表面粗さの結果が良好になる可能性があったので、水量を40cc／sに固定した。ミストは、上記のミストの油剤量（４cc／時間）で行った。表４により、水量（40cc／s）、ミスト（４cc／時間）、圧縮空気（10L／min）が最も良好な結果が得られた。

表５より、水、ミスト、大気中における圧縮空気で切削加工をしても、工具の摩耗幅、加工面の粗さでは、良好な結果が得られなかった。表４、表５の結果から、水中における圧縮空気の組み合わせの方が大気中の圧縮空気の組み合わせよりも、著しく良好な加工面、摩耗幅を得ることができた。

また、予備実験の結果、水中の圧縮空気用ノズルの圧縮空気は、現有の装置における流量５L／minより小さい場合、流量が少ないため、工具への冷却効果がなかった。現有の装置における流量100L／min以上では、容器中の水が激しくあふれ出し、工具への冷却効果がなかった。内径３mmノズルを使用したが、上記の実験条件で、ノズルの内径８mmで、試験を行った結果、表４と同様な試験結果を得られ、ノズルの内径３mm、８mmでは、ノズルの内径に依存しなく、圧縮空気に依存した結果になった。泡の大きさは、以下のとおりである。
５L／min ５mm〜10mm
10L／min 20mm〜30mm
50L／min 40mm〜50mm
100L／min 60mm〜80mm

水中の切削加工において、冷給水は、工具刃先の冷却、被削材と工具刃先との反応の抑制による効果、ミストは、工具と被削材との潤滑の効果があったと推測される。特に、上記の水中における圧縮空気量が、５L／min〜100L／min、気泡の大きさが、５mm〜80mmの範囲において、エンドミル切削工具に上記の気泡を噴射させることによって、切り屑の排出、工具摩耗の抑制等の効果が著しく、加工面、工具刃先の摩耗幅において、良好な結果を得ることができたと推測される。

なお、この発明は上記発明を実施するための最良の形態に限定されるものではなく、この発明の精神を逸脱しない範囲で種々の改変をなし得ることは勿論である。

この発明を実施するための最良の形態を示すチタン合金の水中におけるエンドミル切削加工の模式図である。

符号の説明

１ チタン合金
２ 水
３ 純銅製容器
４ エンドミル切削工具
５ ミスト用ノズル
６ 冷却水用ノズル
７ 圧縮空気用ノズル

Claims (1)

1. 水を入れた容器中にチタン合金を浸漬し、固定した後、ミスト用ノズルから圧縮空気によって霧状になった切削油剤を回転している水面上方のエンドミル切削工具に噴霧すると共に、もう一つの冷給水用ノズルから水を前述のエンドミル切削工具に噴射させ、同時に水中に浸漬した圧縮空気用ノズルから、切削加工を行う方向に、圧縮空気量が５L／min〜100L／min、気泡の大きさが５mm〜80mmの範囲で圧縮空気を送り込み、水中の気泡を水中のエンドミル切削工具に噴射させながらエンドミル切削加工を行うことを特徴とするチタン合金の水中におけるエンドミル切削加工法。

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