JP5568789B2 - Cutting method of super heat resistant alloy - Google Patents
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Description
本発明は、超耐熱合金の切削加工方法に関するものであり、より詳しく小径エンドミル状工具を用いた超耐熱合金の切削加工方法に関するものである。 The present invention relates to a super heat resistant alloy cutting method, and more particularly to a super heat resistant alloy cutting method using a small diameter end mill tool.
超耐熱合金は、Ｎｉ、ＣｏおよびＦｅから選ばれた少なくとも１種を所定割合だけ含む合金からなる金属基材であり、耐酸化性と高温強度の両面で優れた特性を有している。このため、航空機部品やエネルギー関連機器の部品に多用されており、これらは主に切削加工によって製作されている。 The super heat-resistant alloy is a metal substrate made of an alloy containing a predetermined ratio of at least one selected from Ni, Co, and Fe, and has excellent characteristics in both oxidation resistance and high temperature strength. For this reason, it is frequently used for aircraft parts and energy-related equipment parts, and these are mainly manufactured by cutting.
しかしながら、超耐熱合金は上述のような優れた特性を有する反面、これを加工する際には加工能率が極めて低いうえ、工具寿命も短く、代表的な難加工材である。例えば、非特許文献１では、工具径φ６〜１８ｍｍのエンドミルを使用して例えばインコネル（登録商標）等の超耐熱合金を切削加工する場合、切削速度として１６〜３０ｍ／ｍｉｎの範囲を推奨しており、これを遵守すると加工能率は低くならざるを得ない。 However, the super heat-resistant alloy has excellent characteristics as described above. However, when it is processed, the processing efficiency is extremely low and the tool life is short, which is a typical difficult-to-work material. For example, in Non-Patent Document 1, when a super heat-resistant alloy such as Inconel (registered trademark) is cut using an end mill with a tool diameter of 6 to 18 mm, a cutting speed of 16 to 30 m / min is recommended. However, if this is observed, the processing efficiency must be reduced.
また、従来の加工法では、上記切削速度が低い上に、加工の際に生じるびびり振動が顕著であり、その影響が被削材加工面に残ってしまう。そのために、切削加工後に研磨仕上げ等の追加作業を必要とし、生産性を著しく阻害する結果を招来していた。 Further, in the conventional machining method, the above-described cutting speed is low, and chatter vibration generated during machining is significant, and the influence remains on the workpiece surface. For this reason, additional work such as polishing finish is required after the cutting process, resulting in a significant hindrance to productivity.
また、一般的な鋼（Ｆｅ）の熱伝導率が８４Ｗ／（ｍ・Ｋ）であるところ、超耐熱合金の熱伝導率は１０〜２５Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、一般的な鋼の約６分の１〜約４分の１程度に留まる。従って、超耐熱合金を被削材として切削加工する際には、工具の刃先部分に局所的に熱が発生・集中し、この刃先部分は極めて高温になり得る。この熱を適切にコントロールしないと、工具や被削材が熱膨張するため加工精度が低下するとともに、許容しがたい程に工具摩耗が進んでしまう恐れがある。従って、超耐熱合金の切削加工においては、加工時に被削材と工具とで発生する大量の熱を効率的に放散・除去することを念頭に置く必要がある。 Moreover, when the thermal conductivity of general steel (Fe) is 84 W / (m · K), the thermal conductivity of the super heat-resistant alloy is 10 to 25 W / (m · K). It stays at about 1/6 to about 1/4. Therefore, when cutting using a super heat-resistant alloy as a work material, heat is locally generated and concentrated on the cutting edge portion of the tool, and this cutting edge portion can be extremely hot. If this heat is not properly controlled, the tool and work material will thermally expand, resulting in reduced machining accuracy and unacceptably high tool wear. Therefore, it is necessary to keep in mind that a large amount of heat generated by the work material and the tool at the time of machining is efficiently dissipated and removed in the cutting of the super heat resistant alloy.
超耐熱合金の切削加工方法として、例えば、特許文献１〜３に示すように、先端がボール又はスクエアの断面形状を有するエンドミル状工具を用いた切削加工方法が既に提案されている。しかしながら、これらの特許文献においては、上述の熱の放散・除去のために、クーラント（切削液）の供給（例えば、特許文献１の段落番号「００３０」）を講じるなど、従来から一般的に行われている対策程度の言及しか見受けられず、その他の独創的な解決方法・手段についての示唆すらない。 As a cutting method of a super heat resistant alloy, for example, as shown in Patent Documents 1 to 3, a cutting method using an end mill-like tool having a ball or square cross-sectional shape has already been proposed. However, in these patent documents, in order to dissipate and remove the above-described heat, a coolant (cutting fluid) is supplied (for example, paragraph number “0030” in Patent Document 1). There is only a reference to the level of countermeasures that have been made, and no suggestion of other creative solutions / means.
なお、従来のクーラント供給による熱の除去方法では、超耐熱合金を切削する切削加工装置に、例えば特許文献４に示すようなクーラント供給源などの、クーラントを供給・送出する機構を予め搭載する必要があるだけでなく、実際の加工中も常にクーラントを加工箇所に供給する必要があり、設備費用及び加工費用（イニシャルコスト及びランニングコスト）の上昇を余儀なくされていた。 In the conventional heat removal method by supplying coolant, a mechanism for supplying and delivering coolant, such as a coolant supply source as shown in Patent Document 4, needs to be mounted in advance in a cutting apparatus that cuts a super heat-resistant alloy. In addition, there is always a need to supply coolant to the processing site even during actual processing, which inevitably increases equipment costs and processing costs (initial cost and running cost).
本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、従来の技術が有する欠点を排除した超耐熱合金の切削加工方法を提供することを目的とする。すなわち、本発明は、切削液を全く使用しないドライな状態、又は、極めて微量な切削液を噴霧する状態で超耐熱合金を能率よく加工可能な超耐熱合金の切削加工方法を提供することを目的とする。 The present invention has been proposed in view of such a conventional situation, and an object of the present invention is to provide a super heat-resistant alloy cutting method that eliminates the drawbacks of the prior art. That is, an object of the present invention is to provide a cutting method of a super heat resistant alloy that can efficiently process the super heat resistant alloy in a dry state where no cutting fluid is used or in a state where a very small amount of cutting fluid is sprayed. And
また、本発明では、加工能率を高めるだけでなく、工具寿命を向上しかつ良好な被削材の加工面性状を生成できる超耐熱合金の切削加工方法を提供することを目的とする。 Another object of the present invention is to provide a superheat-resistant alloy cutting method that not only increases the machining efficiency but also improves the tool life and can produce a good machined surface property of the work material.
本発明者らは、鋭意検討した後、切削加工において生ずる切屑自体が切削液に代替して熱を運搬する媒体となること、切削条件に応じて切屑の長さやサイズ（熱容量）が変化すること、所定の長さや熱容量を有した切屑を生じるように切削条件を適切に設定すれば、切削の際に、工具と被削材と切屑とにおいて発生する熱の大半を切屑に伝播・吸収させることができることを見出し、本発明を完成するに至った。 The inventors of the present invention, after earnestly examining, that the chip itself generated in the cutting process becomes a medium for conveying heat instead of the cutting fluid, and that the length and size (heat capacity) of the chip change according to the cutting conditions. If the cutting conditions are set appropriately so that chips with a predetermined length and heat capacity are generated, most of the heat generated in the tool, work material and chips can be propagated and absorbed by the chips during cutting. As a result, the present invention has been completed.
すなわち、本発明は、少なくとも次の構成・特徴を採用するものである。
１．Ｎｉ又はＣｏを基とする超耐熱合金の切削加工方法であって、
先端部の断面が円弧状をなしかつ工具直径が４ｍｍ〜１０ｍｍのエンドミル状工具を用意し、ドライ状態又は切削液を０．０１Ｌ／ｈ以下の流量で供給しかつ前記エンドミル状工具を４０ｍ〜１２０ｍ／ｍｉｎの最大切削速度で回転させながら被削材を切削することを特徴とする超耐熱合金の切削加工方法。
２．前記工具の回転方向が前記被削材の移動方向に対してダウンカット方向に設定されていることを特徴とする前記１記載の超耐熱合金の切削加工方法。
３．前記工具の一刃当たりの送り量が０．１ｍｍ／刃〜０．２ｍｍ／刃に設定されていることを特徴とする前記１又は２記載の超耐熱合金の切削加工方法。
４．前記工具の回転軸の傾斜角が前記被削材の加工面の法線に対し０〜５度以内になるように設定されていることを特徴とする前記１〜３のいずれか１項記載の超耐熱合金の切削加工方法。
That is, the present invention employs at least the following configurations and features.
1. A method of cutting a super heat-resistant alloy based on Ni or Co,
An end mill-shaped tool having a circular section at the tip and a tool diameter of 4 mm to 10 mm is prepared, a dry state or a cutting fluid is supplied at a flow rate of 0.01 L / h or less, and the end mill-shaped tool is 40 m to 120 m. A method of cutting a super heat-resistant alloy, characterized by cutting a work material while rotating at a maximum cutting speed of / min.
2. Cutting method superalloy of the 1, wherein the direction of rotation of the tool is set to cut down direction with respect to the moving direction of the workpiece.
3. 3. The superheat-resistant alloy cutting method according to 1 or 2, wherein a feed amount per blade of the tool is set to 0.1 mm / blade to 0.2 mm / blade.
4). Of said 1-3 according any one, characterized in that the inclination angle of the rotation axis of the tool is the are set as to the normal of the working surface of the workpiece is within 0-5 ° Cutting method of super heat resistant alloy.
ここで、「ドライ状態」の切削加工とは切削液（クーラント）を全く使用せずに工具だけを用いて被削材を切削加工することを意味する。この際、工具刃先と被削材との接触箇所を無風状態にしたまま工具を回転させる場合だけでなく、所定の温度及び圧力に設定された空気や窒素等の気体を上記接触箇所にノズル等を用いて吹き付けながら工具を回転させる場合も含まれる。これにより、生成された切屑を上記接触箇所から吹き飛ばすことができるため、加工面性状を良好に保つことが可能となる。 Here, the “dry state” cutting means that the workpiece is cut using only a tool without using any cutting fluid (coolant). At this time, not only when the tool is rotated while the contact portion between the tool blade edge and the work material is in a windless state, a gas such as air or nitrogen set to a predetermined temperature and pressure is used as a nozzle or the like at the contact portion. The case where the tool is rotated while spraying using is also included. Thereby, since the produced | generated chip can be blown off from the said contact location, it becomes possible to maintain a process surface property favorable.
また、切削液を０．０１Ｌ／ｈ以下の流量で供給する際には、切削液そのものを単独で上記接触箇所に向けて供給（滴下）する場合だけでなく、上記のような所定の温度及び圧力に設定された空気や窒素等の気体と混合（気液混合）させて上記接触箇所に向けて噴霧する場合も含まれる。 In addition, when supplying the cutting fluid at a flow rate of 0.01 L / h or less, not only when the cutting fluid itself is supplied (dropped) toward the contact portion, but also at a predetermined temperature and The case where it mixes with gas, such as air and nitrogen set to the pressure (gas-liquid mixing), and sprays toward the said contact location is also included.
本発明の超耐熱合金の切削加工方法によれば、所定の大きさの工具直径を有したエンドミル状工具を従来の回転速度に比して極めて高速で回転させることにより、工具と被削材との接触時間を短くし、切削の際に生じる熱の発生を抑制することができる。また、この熱を切屑が熱伝播（熱吸収）を許容できる範囲内に抑制して、大半の熱を切屑に逃がすようにすることができる。これにより、工具や被削材への熱流入やこれらの温度上昇を大幅に抑制することが可能となる。 According to the super heat-resistant alloy cutting method of the present invention, by rotating an end mill-shaped tool having a predetermined tool diameter at a very high speed compared to the conventional rotational speed, the tool and the work material The contact time can be shortened, and the generation of heat generated during cutting can be suppressed. Further, this heat can be suppressed within a range in which the chips can allow heat propagation (heat absorption), and most of the heat can be released to the chips. Thereby, it becomes possible to suppress significantly the heat inflow to a tool or a work material, and these temperature rises.
また、本発明の好適な態様によれば、エンドミル状工具の中心刃（先端部の頂点付近）を被削材に押し当てて工具回転軸方向に静的な力の成分を発生させることができる。この静的な力は、超耐熱合金の切削加工の際に発生し易いびびり振動を抑制する効果がある。 Further, according to a preferred aspect of the present invention, it is possible to generate a static force component in the direction of the tool rotation axis by pressing the center blade of the end mill tool (near the apex of the tip) against the work material. . This static force has an effect of suppressing chatter vibration that is likely to occur during cutting of a super heat resistant alloy.
以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づき説明するが、本発明は、下記の具体的な
実施形態に何等限定されるものではない。
Hereinafter, although the present invention is explained based on an embodiment shown in a drawing, the present invention is not limited to the following concrete embodiment at all.
（工具の構造・形状）
図１は本発明のエンドミル状工具１と被削材２とを示した説明図である。また、図２（ａ）は、エンドミル状工具１の回転軸Ｏを当該図面の紙面に対して垂直に向けた方向から観た切削加工状態を示した図である。図１に示すように、エンドミル状工具１は、先端部１１の断面が連続的に変化する形状（例えば円弧状）をなしかつ工具直径Ｄ１が４ｍｍ〜１０ｍｍの小径の範囲にあるものを用意する。この工具１として、例えば、上記所定の工具直径Ｄ１を有した一般に入手可能なボールエンドミル（ボールノーズ形、テーパシャンクボールノーズ形など）を利用してもよい。また、工具１の材質として、超硬合金製またはサーメット（ｃｅｒｍｅｔ）製であることが好ましい。
(Tool structure / shape)
FIG. 1 is an explanatory view showing an end mill tool 1 and a work material 2 of the present invention. FIG. 2 (a) is a view showing a cutting state as viewed from a direction in which the rotation axis O of the end mill-like tool 1 is oriented perpendicularly to the paper surface of the drawing. As shown in FIG. 1, an end mill-like tool 1 having a shape in which the cross section of the tip end portion 11 continuously changes (for example, an arc shape) and a tool diameter D 1 in a small diameter range of 4 mm to 10 mm is prepared. To do. As the tool 1, for example, a generally available ball end mill (a ball nose shape, a taper shank ball nose shape, etc.) having the predetermined tool diameter D 1 may be used. The material of the tool 1 is preferably made of cemented carbide or cermet.
工具直径Ｄ１を上記範囲に設定した理由は、図３に示すように、Ｄ１が１０ｍｍより大きくなると、工具寿命（図３では、切削可能な距離（ｍ））が著しく低下してしまう一方、４ｍｍ未満になると、上記工具寿命の著しい低下のみならず径が小さすぎるため加工能率の著しい低下をもたらすことになるためである。なお、図３においては工具直径Ｄ１が６ｍｍの工具を用いた場合に最大の工具寿命が得られており、これに加工能率等の他の特性をも考慮すると、６ｍｍ〜８ｍｍの工具直径Ｄ１を有した工具１を用意することがさらに好ましいといえる。 Reason for the tool diameter D 1 is set to the above range, as shown in FIG. 3, if D 1 is larger than 10 mm, (in FIG. 3, cuttable distance (m)) tool life while significantly decreases If the thickness is less than 4 mm, not only the tool life is significantly reduced, but also the diameter is too small, so that the machining efficiency is significantly reduced. Incidentally, and maximum tool life is obtained if the tool diameter D 1 was used 6mm of the tool 3, when also considering the other properties, such as machining efficiency to this, the tool diameter D of 6mm~8mm It can be said that it is more preferable to prepare the tool 1 having 1.
また、上述の形状やサイズを有したエンドミル状工具１を用意するだけでなく、以下の所定の加工条件に設定して被削材２を切削加工することも重要である。先ず第一の加工条件として、エンドミル状工具１を所定の範囲で高速回転させることが重要である。具体的には、円弧状断面を有した先端部１１の最大切削速度Ｖｃを４０ｍ〜１２０ｍ／ｍｉｎ（但し、ｍｉｎは分）に設定する。なお、図１を参照すると、Ｖｃは被削材２に実際に接しながら回転する先端部１１の外周面において頂点１２から最も離れた位置での接線方向の速度であり、Ｖｃ＝π×Ｄ２×Ｎと表すことができる（但し、Ｄ２は実切削径（ｍ）、Ｎは工具回転数（ｒｐｍ）である）。 In addition to preparing the end mill tool 1 having the above-described shape and size, it is also important to set the following predetermined processing conditions to cut the workpiece 2. First, as a first processing condition, it is important to rotate the end mill tool 1 at a high speed within a predetermined range. Specifically, the maximum cutting speed V c of the tip 11 having an arcuate cross section 40m~120m / min (however, min for minute) is set to. Referring to FIG. 1, V c is a tangential speed at a position farthest from the apex 12 on the outer peripheral surface of the distal end portion 11 that rotates while actually contacting the work material 2, and V c = π × It can be expressed as D 2 × N (where D 2 is the actual cutting diameter (m) and N is the tool rotation speed (rpm)).
なお、最大切削速度Ｖｃの上記範囲は、後述する図４に示す工具寿命試験の結果と、本発明の課題である加工能率の飛躍的向上と、を熟慮して設定したものである。 The above range of the maximum cutting speed V c is obtained by setting to deliberate result of the tool life test shown in FIG. 4 to be described later, a dramatic improvement in processing efficiency is an object of the present invention, the.
図４は、本発明の工具１を用いて超耐熱合金２を実際に加工した場合の最大切削速度Ｖｃと工具寿命との関係を示した図である。この図４より、Ｖｃが６０ｍ／ｍｉｎのときに最大の工具寿命が得られることがわかる。また、Ｖｃが４０ｍ／ｍｉｎ未満になると急激に工具寿命が低下する一方、Ｖｃが６０ｍ／ｍｉｎを超えると工具寿命は低下するものの低下の度合（勾配）は緩やかである。また、Ｖｃが高ければ高い程、加工能率は比例して向上する。従って、最大切削速度Ｖｃを上記のように４０ｍ〜１２０ｍ／ｍｉｎとなるように設定した。 FIG. 4 is a graph showing the relationship between the maximum cutting speed Vc and the tool life when the super heat-resistant alloy 2 is actually machined using the tool 1 of the present invention. From this Figure 4, V c it can be seen that the maximum tool life is obtained when the 60 m / min. Also, while the V c is abruptly tool life decreases when less than 40 m / min, the degree of reduction of that V c tool life exceeds 60 m / min decreases (gradient) it is gradual. Also, the higher the V c, the processing efficiency is improved in proportion. Thus, the maximum cutting speed V c was set to be 40m~120m / min as described above.
なお、本発明者らは切削加工分野の研究開発に長年従事するものであるが、本願の出願時点においては、超耐熱合金２を切削加工するための工具の最大切削速度Ｖｃは、非常に低速に抑制させなければならないことが当業者の一般常識であり、工具メーカーのカタログや教科書等においても低速での使用を推奨している。例えば、非特許文献１では、工具径φ６〜１８ｍｍのエンドミルを使用して超耐熱合金を切削加工する場合、最大切削速度Ｖｃとして１６〜３０ｍ／ｍｉｎの範囲を推奨しており、これを遵守すると加工能率は低くならざるを得ない。 Although the inventors are those engaged for many years in research and development of cutting areas, the time of the filing of the present application, the maximum cutting speed V c of the tool for cutting a superalloy 2, very It is common knowledge of those skilled in the art that it must be controlled at a low speed, and the use at a low speed is also recommended in tool manufacturer catalogs and textbooks. For example, Non-Patent Document 1, when cutting a superalloy using an end mill tool radius Fai6～18mm, and recommends a range of 16~30m / min as the maximum cutting speed V c, comply with this Then, the processing efficiency must be lowered.
従って、本発明のＶｃに関する上記速度範囲は、上記カタログ等の推奨速度の約２〜４倍に相当するため、この本願出願時の当該切削加工分野の技術水準や当業者の常識・経験に照らすと、当業者では通常試みない程に超耐熱合金２に対して工具１を超高速に回転させているといえよう。 Therefore, the speed range for V c of the present invention, in order to correspond to about 2-4 times the recommended speed of the catalogs, the common sense and experience of the art and those skilled in the cutting art at the time of the present application In light of this, it can be said that the tool 1 is rotated at an extremely high speed with respect to the super-heat-resistant alloy 2 as would normally be attempted by those skilled in the art.
上述したように所定範囲の工具直径Ｄ１を有したエンドミル状工具１を用意し、これを所定条件（例えば、所定範囲の最大切削速度Ｖｃ）で高速回転させながら切削加工することで、工具１と被削材（超耐熱合金）２との間の接触時間を極めて短くし、かつ、切削加工の際に単位時間当たりに発生する熱を極めて低く抑えることができる。こうすることにより、この熱のほぼ大半（８割以上）を切屑３に逃がすことができ、工具１や被削材２の温度上昇を著しく抑制することができる。従って、工具１や被削材２の温度上昇をほぼ完全に無くすことができるため、これらの要素１，２へ切削液（クーラント）を全く供給しないドライ状態の切削加工が可能となるか、発生熱のリスク管理のため、たとえ切削液を供給したとしても供給量を超微量（１０ｃｃ（＝１０ｍＬ／ｈ＝０．０１Ｌ／ｈ））に抑えることができる。 As described above, the end mill-like tool 1 having the tool diameter D 1 in a predetermined range is prepared, and the tool is cut while rotating at high speed under a predetermined condition (for example, the maximum cutting speed V c in the predetermined range). 1 and the work material (super heat-resistant alloy) 2 can be made extremely short, and heat generated per unit time during cutting can be kept extremely low. By carrying out like this, most of this heat (80% or more) can be escaped to the chip 3, and the temperature rise of the tool 1 or the work material 2 can be suppressed remarkably. Accordingly, since the temperature rise of the tool 1 and the work material 2 can be almost completely eliminated, it is possible to perform a cutting process in a dry state in which no cutting fluid (coolant) is supplied to these elements 1 and 2. For the heat risk management, even if the cutting fluid is supplied, the supply amount can be suppressed to an extremely small amount (10 cc (= 10 mL / h = 0.01 L / h)).
もし仮に、工具１の工具直径Ｄ１や最大切削速度Ｖｃが上記所定範囲から逸脱してしまうと、工具１と被削材２と切屑３との間で発生する熱と、この熱を受ける切屑３の熱容量と、のバランスが崩れ、大量の熱が工具１や被削材２に流入してしまい、ひいては、工具寿命の早期劣化やクーラントの過剰供給といった不具合や問題を引き起こすことになる。 If Assuming that the tool diameter D 1 and the maximum cutting speed V c of the tool 1 will deviate from the predetermined range, the heat generated between the tool 1 and the workpiece 2 and the chip 3 receives the heat The balance with the heat capacity of the chips 3 is lost, and a large amount of heat flows into the tool 1 and the work material 2, which eventually causes problems and problems such as early deterioration of the tool life and excessive supply of coolant.
また、本発明の切削加工条件は、上述した最大切削速度Ｖｃの他、他のパラメータを以下のような範囲に設定することがさらに好ましい。 Also, cutting conditions of the present invention, other maximum cutting speed V c described above, it is further preferable to set the other parameters the following ranges.
（工具の回転方向と被削材の移動方向）
エンドミル状工具１の回転方向が、図２中の矢印に示すように、被削材２の移動方向に対してダウンカット方向に設定されていることが好ましい。工具１の回転方向で決まる切削の向きと被削材２の送り方向との関係で、通常、アップカットとダウンカットとの二種類の削り方がある。ここで、ダウンカット（下向き削り）とは工具１の刃が未切削の部分に当たり、削り下げる加工のことを意味する一方、アップカット（上向き削り）とは工具１の刃が切削済みの部分に当たり、削り上げる加工のことを意味する。
(Tool rotation direction and work material movement direction)
The rotation direction of the end mill-like tool 1 is preferably set in the down cut direction with respect to the moving direction of the work material 2 as indicated by an arrow in FIG. Depending on the relationship between the cutting direction determined by the rotation direction of the tool 1 and the feed direction of the workpiece 2, there are usually two types of cutting methods, up-cut and down-cut. Here, down-cutting (downward cutting) means that the cutting edge of the tool 1 hits an uncut portion and means cutting down, while up-cutting (upward cutting) means that the cutting edge of the tool 1 hits a cut portion. It means the process of sharpening.
本発明の切削条件をアップカットではなくダウンカットとすることで、切り込み時の刃先の摩耗や摩擦熱を抑制することができ、工具寿命を向上させることができる。なお、超耐熱合金は元来、加工硬化を著しく起こし易い材料であり、アップカットでは切削厚さの薄い部分（すなわち、被削材２が切削によって加工硬化している部分）から工具１の切れ刃が削り始めることになるため、工具１の切れ刃への負荷やダメージは極めて大きくなってしまう。これに対し、ダウンカットでは、上記現象を起こしにくく、上記問題を回避することが可能となる。 By setting the cutting condition of the present invention to a down cut instead of an up cut, it is possible to suppress wear and frictional heat of the cutting edge at the time of cutting and improve the tool life. The super heat-resistant alloy is originally a material that is extremely susceptible to work hardening, and in the upcut, the tool 1 is cut from a portion with a thin cutting thickness (that is, a portion where the work material 2 is work hardened by cutting). Since the blade starts to be sharpened, the load and damage to the cutting blade of the tool 1 become extremely large. On the other hand, in the down cut, the above phenomenon is hardly caused and the above problem can be avoided.
（一刃当たりの送り量）
また、本発明では、エンドミル状工具１の一刃当たりの送り量Ｓｚが０．１ｍｍ／刃以上０．２ｍｍ／刃以下に設定されていることがさらに好ましい。ここで、一刃当たりの送り量Ｓｚは、Ｓｚ＝Ｆ／ＳＮ （Ｓｚの単位はｍｍ／刃）のように表される。ここで、Ｆは工具１の切削送り速度（ｍｍ／ｍｉｎ）、Ｓは工具１の回転数（ｒｐｍ）、Ｎは工具１の刃数である。なお、一刃当たりの送り量Ｓｚが０．２ｍｍ／刃を超えると工具１自体の曲げ強度及び刃先の強度が問題となり、一方Ｓｚが０．１ｍｍ／刃より小さくなると、切屑３が薄くなるため切屑３の熱容量も小さくなり、切屑３が上記切削条件において工具１刃先で発生する熱を十分に運搬・吸収できなくなり、ひいては工具１や被削材２の過剰な発熱という問題を引き起こしてしまう。
(Feed amount per tooth)
In the present invention, it is further preferred that the feed amount S z per blade of the end mill shaped tool 1 is set to 0.1 mm / blade above 0.2 mm / blade follows. Here, the feed amount S z per blade is expressed as S z = F / SN (the unit of S z is mm / blade). Here, F is the cutting feed speed (mm / min) of the tool 1, S is the number of rotations (rpm) of the tool 1, and N is the number of blades of the tool 1. When the feed amount S z per blade exceeds 0.2 mm / blade, the bending strength of the tool 1 itself and the strength of the blade edge become a problem. On the other hand, when the S z is smaller than 0.1 mm / blade, the chips 3 are thin. Therefore, the heat capacity of the chip 3 is also reduced, and the chip 3 cannot sufficiently transport and absorb the heat generated at the cutting edge of the tool 1 under the above-described cutting conditions, thereby causing the problem of excessive heat generation of the tool 1 and the work material 2. End up.
以上のようにカット方向や切り込み量を適切に設定することにより、所望の形状・熱容量を有した切屑３を形成するとともに、工具１と被削材２と切屑３との間で発生する単位時間当たり熱量を適切な範囲に制限して、この熱のほぼ大半を切屑３に伝播させることができる。 By appropriately setting the cutting direction and the cutting amount as described above, the chip 3 having a desired shape and heat capacity is formed, and the unit time generated between the tool 1, the work material 2, and the chip 3 is formed. The amount of heat per contact can be limited to an appropriate range, and most of this heat can be propagated to the chips 3.
（生成される切屑と熱の移動）
図２（ｂ）は、本発明の工具１の一刃が生成する切屑３の形状を示した概略図である。この図に示すように、切屑３は、点Ａ、点Ａ’、点Ｂ、点Ｃを結合して画定された扇形をなす。ここで、図２（ａ）で示した一刃当たりの送り量Ｓｚは、図２（ｂ）では点Ａと点Ａ’と点Ｃとで画定された面（厚さ）に対応する。そして、点Ａ−Ａ’の線分から点Ｃに向かってこの厚さが減少しているのは、切屑３の点Ｃ部分は工具１の先端部１１の頂点１２付近で削られているためである。
(Chip and heat transfer generated)
FIG.2 (b) is the schematic which showed the shape of the chip 3 which one blade of the tool 1 of this invention produces | generates. As shown in this figure, the chip 3 has a sector shape defined by connecting the point A, the point A ′, the point B, and the point C. Here, the feed amount S z per blade shown in FIG. 2A corresponds to the surface (thickness) defined by the points A, A ′, and C in FIG. 2B. The reason why the thickness decreases from the line segment AA ′ toward the point C is that the point C portion of the chip 3 is cut near the apex 12 of the tip 11 of the tool 1. is there.
切屑３が生じる切削加工の際には、点Ｃから、この点Ｃから最も離れた面（Ａ−Ａ’−Ｂ）に向かうに従って切削速度は零から最大切削速度Ｖｃにまで連続的に変化することになる。この際、切削によって発生する熱は切削速度に比例することから、切屑３は、上記面（Ａ−Ａ’−Ｂ）近傍において最も高くかつ点Ｃに向かって低くなるよう局所的な温度勾配が生じる。これにより、切削時に上記面において発生した熱は直ちに点Ｃに向かって移動することになり、上記面付近での熱の飽和は抑制されるため、工具１や被削材２への熱の流入ひいてはこれらの温度上昇を抑制することが可能となる。 During cutting the chip 3 occurs, from point C, continuously changing cutting speed toward the farthest surface from this point C (A-A'-B) is from zero up to a maximum cutting speed V c Will do. At this time, since the heat generated by the cutting is proportional to the cutting speed, the chip 3 has a local temperature gradient that is the highest in the vicinity of the surface (AA′-B) and lower toward the point C. Arise. Thereby, the heat generated on the surface during cutting immediately moves toward the point C, and the saturation of heat near the surface is suppressed, so that the heat flows into the tool 1 and the work material 2. As a result, these temperature rises can be suppressed.
次に上記切削加工条件によって実際に生成された切屑３の具体例を示す。超耐熱合金２として用意したインコネル７１８（登録商標）に対し、工具直径Ｄ１＝６ｍｍを有した工具１を用いて、最大切削速度Ｖｃ＝６０ｍ／ｍｉｎ、一刃当たりの送り量Ｓｚ＝０．１５ｍｍ／刃に設定して切削加工した際に生成された切屑３を１０個分採取して実測したところ、平均重さは約０．２ｍｇであり、寸法については図２（ｂ）に示すような線分ＡＣまたは線分ＢＣの平均長さは約１．３ｍｍであり、線分ＡＢの平均長さは約０．５ｍｍであった。なお、切削加工の際にドライ状態及び上記微量の切削液噴霧状態（セミドライ状態）のどちらの状態においても、生成される切屑３の重さや寸法に変化は無かった。 Next, a specific example of the chips 3 actually generated under the above cutting conditions will be shown. For Inconel 718 (registered trademark) prepared as super heat resistant alloy 2, using tool 1 having a tool diameter D 1 = 6 mm, maximum cutting speed V c = 60 m / min, feed amount per blade S z = When 10 chips 3 generated at the time of cutting with 0.15 mm / blade were sampled and measured, the average weight was about 0.2 mg, and the dimensions are shown in FIG. The average length of the line segment AC or the line segment BC as shown was about 1.3 mm, and the average length of the line segment AB was about 0.5 mm. In addition, there was no change in the weight and dimension of the chip 3 produced | generated in any state of the dry state and the said trace amount cutting fluid spraying state (semi-dry state) in the case of cutting.
また、本発明のエンドミル状工具１として、例えば刃数２のボールエンドミルを使用した場合の切削抵抗の経時変化の概略を図５に示す。図５に示すように、切削時間Ｔｏｎと非切削時間Ｔｏｆｆとが生じる断続的な切削となっていることがわかる。これにより、工具１や被削材２では十分な冷却時間が得られる。また、切削時間中においても切削抵抗の経時変化は、傾きを有した直線になるため、工具１と被削材２との間の衝撃力を緩和し、切削抵抗の軽減を図ることができる。なお、本発明の工具１と被削材２と切屑３との間で発生する熱の効果的制御の面からは、実削直径Ｄ２における切削時間Ｔｏｎが５．０×１０−３秒を超えないように設定されていることが好ましい。 Further, FIG. 5 shows an outline of the change in cutting resistance with time when, for example, a ball end mill having two blades is used as the end mill-like tool 1 of the present invention. As shown in FIG. 5, it turns out that it is the intermittent cutting in which cutting time Ton and non-cutting time Toff occur. Thereby, sufficient cooling time is obtained in the tool 1 or the work material 2. Moreover, since the change with time of the cutting force becomes a straight line having an inclination even during the cutting time, the impact force between the tool 1 and the work material 2 can be relaxed, and the cutting resistance can be reduced. Incidentally, from the viewpoint of effective control of the heat generated between the tool 1 and the workpiece 2 and the chip 3 of the present invention, the cutting time T on the actual cutting diameter D 2 is 5.0 × 10 -3 seconds It is preferable that it is set not to exceed.
なお、上述した工具直径Ｄ１が一刃当たりの送り量Ｓｚとの関係においても上記所定の範囲に入っていることが重要である。工具直径Ｄ１が上記所定範囲を超えて大きい場合（以下、「比較例」と呼ぶ。）には、実切削径Ｄ２やその半径も図２（ａ）の工具１ｂに示すように大きくなり（半径Ｒｂを参照）、一刃当たりの送り量Ｓｚや切り込み量Ｒｄが同一量でも生成される切屑３の形状は図示のように変化する。 Incidentally, it is important that contained in the predetermined range also in relation to the feed amount S z per tool diameter D 1 is one blade described above. If the tool diameter D 1 is larger than the predetermined range (hereinafter, referred to as "Comparative Example".), As shown in the tool 1 b of the real cutting diameter D 2 and the radius FIGS. 2 (a) increased becomes (see radius R b), the shape of the chip 3 which feed amount S z and depth of cut R d per blade is produced in the same amount changes as shown.
特筆すべきは、形成される接触距離の違いである。比較例の場合には、工具１ｂと被削材２との接触距離Ｌｂ（つまり、生成される切屑の長さ）は、工具１の場合の接触距離Ｌに比べて非常に長くなる。つまり、接触距離がＬｂと長い分だけ、切屑３ｂが形成される際に発生する熱（摩擦熱）は増大することになる。しかしながら、比較例のように比較的大きな径を有した工具１ｂによって形成される切屑３ｂのサイズ（熱容量）は、図２（ａ）から明らかなように、増大する熱量と比例する程には増大しない。従って、比較例の場合には、小径工具１ｂの場合には保つことが出来た加工面２ａで発生する熱と切屑３ｂの熱容量とのバランスが崩れてしまうため、切屑３ｂに効率的に熱を伝播させることができず、工具１ｂや被削材２への熱の流入及びこれらの温度上昇を許してしまうことになる。 Of particular note is the difference in contact distances formed. In the case of the comparative example, the contact distance L b between the tool 1 b and the work material 2 (that is, the length of the generated chips) is much longer than the contact distance L in the case of the tool 1. That is, the contact distance is only L b and long minute, heat (friction heat) generated when the chips 3 b are formed will increase. However, the size of the chip 3 b which are formed by the tool 1 b having a relatively large diameter as in Comparative Example (heat capacity), as apparent from FIG. 2 (a), enough to be proportional to the increasing amount of heat Does not increase. Therefore, in the comparative example, since the balance between the heat capacity of the heat and chips 3 b generated in the machining surface 2 a which can be kept in the case of the small-diameter tool 1 b collapses, efficiency chips 3 b to not be able to propagate heat, so that could allow inflow and temperature rise of the heat to the tool 1 b and workpiece 2.
また、本発明においては、エンドミル状工具１は、コレットチャック等の工具保持具（図示せず）によって、被削材２（超耐熱合金）の加工面２ａに対してほぼ垂直に近い状態になるように固定・保持されていることが好ましい。具体的には、図１に示すように、エンドミル状工具１の回転軸Ｏの傾斜角θが加工面２ａの法線Ｎに対し０〜５度以内になるように設定されていることが好ましい。これにより、先端部１１の頂点１２が加工面２ａに押し当てられ、工具１の回転軸方向成分に静的な力が加わるようになる。この静的な力は切削加工時のびびり振動を抑制する効果をもたらすため重要である。 In the present invention, the end mill-like tool 1 is brought into a state almost perpendicular to the machining surface 2a of the work material 2 ( super heat resistant alloy ) by a tool holder (not shown) such as a collet chuck. It is preferable to be fixed and held so as to be. Specifically, as shown in FIG. 1, the inclination angle θ of the rotation axis O of the end mill tool 1 is set to be within 0 to 5 degrees with respect to the normal line N of the machining surface 2a. preferable. As a result, the apex 12 of the tip 11 is pressed against the machining surface 2a , and a static force is applied to the rotational axis direction component of the tool 1. This static force is important because it has the effect of suppressing chatter vibration during cutting.
上述の作用効果を、図６を参照しながら詳しく解説する。図６（ａ）は、工具１の回転軸方向（図６（ｂ）又は（ｃ）においてｚ方向）における工具１の切削抵抗Ｐｚ（単位：Ｎ）の実測値を示した結果である。ここで、図６（ａ）の時間Ｔ１における工具１と被削材２との位置関係を図６（ｂ）に示し、図６（ａ）の時間Ｔ２における位置関係を図６（ｃ）に示す。 The above operation and effect will be described in detail with reference to FIG. FIG. 6A is a result showing an actual measurement value of the cutting resistance P z (unit: N) of the tool 1 in the rotation axis direction of the tool 1 (z direction in FIG. 6B or FIG. 6C). Here, FIG. 6B shows the positional relationship between the tool 1 and the work material 2 at time T 1 in FIG. 6A, and FIG. 6C shows the positional relationship at time T 2 in FIG. ).
図６（ａ）に示すように、時間Ｔ２においては、一定した静的な力成分が加わっていることがわかる。つまり、工具１の先端部１１の頂点１２付近が被削材２の加工面２ａに接することで、工具１の回転軸方向ｚに一定の静的な成分が、切れ刃の回転によって生じる変動成分に重畳された切削抵抗Ｐｚが得られることになる。この回転軸方向ｚに生じる静的な力は、切削加工の際のびびり振動を抑制する効果をもたらす。 As shown in FIG. 6 (a), at time T 2, it can be seen that applied is constant static force component. That is, when the vicinity of the apex 12 of the tip 11 of the tool 1 is in contact with the machining surface 2a of the work material 2, a constant static component in the rotation axis direction z of the tool 1 is caused by the rotation of the cutting edge. The cutting resistance Pz superimposed on the component is obtained. The static force generated in the rotation axis direction z has an effect of suppressing chatter vibration during cutting.
なお、従来方法による超耐熱合金２の切削加工では、切削時における切削力の変動が大きいために鋸刃状の切屑が生じやすく、これにより、びびり振動が生じやすかった。従って、従来方法では、切削加工だけでは良好な加工面性状を得ることが困難であり、これを解決するために、生産性を著しく阻害する追加的な研磨仕上げが行う必要があった。 In the cutting of the super heat-resistant alloy 2 by the conventional method, the cutting force is greatly fluctuated at the time of cutting, so saw-toothed chips are easily generated, and chatter vibration is likely to occur. Therefore, in the conventional method, it is difficult to obtain a good surface finish by cutting alone, and in order to solve this, it is necessary to perform an additional polishing finish that significantly impedes productivity.
なお、上記エンドミル状工具１を取り付け、上記好適な切削加工条件を設定して実際に超耐熱合金２の加工を実際に行う加工装置として、Ｘ軸とＹ軸とＺ軸との移動が数値制御可能なＮＣ３軸加工機や、上記三つの軸にさらに二つの回転軸の移動制御を付加したＮＣ５軸加工機が挙げられる。これにより、プログラムされた所望の形状・寸法に超耐熱合金２を、高精度にかつ自動化して切削加工を行うことができるため、高品位の加工製品の大量生産が可能である。 In addition, as a processing apparatus that actually attaches the end mill-like tool 1 and sets the preferable cutting conditions and actually processes the super heat-resistant alloy 2, the movement of the X axis, the Y axis, and the Z axis is numerically controlled. Possible NC 3-axis machines and NC 5-axis machines in which movement control of two rotation axes is further added to the above three axes. Thereby, since the super heat-resistant alloy 2 can be cut with high accuracy and automation in a programmed desired shape / dimension, mass production of high-quality processed products is possible.
超耐熱合金は、上述したように耐酸化性と高温強度の両面で優れた特性を有している。このため、航空機部品やエネルギー関連機器の原材料として多用されており、また今後、航空産業に限らず、別の用途においても大きな利用が見込まれている。この超耐熱合金を、初期費用・ランニング費用を抑えつつ、加工能率を著しく向上し、工具寿命の向上と加工性状の高品位化をも図れる本発明の切削加工方法は、産業上の価値は非常に高く、当然、産業上の利用可能性は高い。 As described above, the super heat resistant alloy has excellent properties in both oxidation resistance and high temperature strength. For this reason, it is frequently used as a raw material for aircraft parts and energy-related equipment, and is expected to be used not only in the aviation industry but also in other applications. The cutting method of the present invention that can significantly improve the machining efficiency, improve the tool life, and improve the quality of the workability while keeping the initial cost and running cost low, is extremely industrially valuable. Of course, industrial applicability is high.
１ エンドミル状工具
２ 超耐熱合金（被削材）
２ａ 被削材の加工面
３ 切屑
１１ エンドミル状工具の先端部
１２ エンドミル状工具の先端部の頂点
Ｏ 工具回転軸
Ｎ 加工面の法線
θ 工具の傾斜角（工具回転軸と加工面の法線とのなす角）
Ｄ１ 工具直径
Ｄ２ 実削直径
Ｓｚ 一刃当たりの送り量
Ｌ、Ｌｂ 接触距離
Ｖｃ 最大切削速度
θ 傾斜角
1 End mill tool 2 Super heat resistant alloy (work material)
2 a Machining surface of work material 3 Chip 11 Tip end of end mill-shaped tool 12 Apex of tip end of end mill-shaped tool O Tool rotation axis N Machining surface normal θ Tool tilt angle (tool rotation axis and machining surface method Angle with line)
D 1 Tool diameter D 2 Actual cutting diameter S z Feed per blade L, L b Contact distance V c Maximum cutting speed θ Inclination angle
Claims (4)
先端部の断面が円弧状をなしかつ工具直径が４ｍｍ〜１０ｍｍのエンドミル状工具を用意し、ドライ状態又は切削液を０．０１Ｌ／ｈ以下の流量で供給しかつ前記エンドミル状工具を４０ｍ〜１２０ｍ／ｍｉｎの最大切削速度で回転させながら被削材を切削することを特徴とする超耐熱合金の切削加工方法。 A method of cutting a super heat-resistant alloy based on Ni or Co,
An end mill-shaped tool having a circular section at the tip and a tool diameter of 4 mm to 10 mm is prepared, a dry state or a cutting fluid is supplied at a flow rate of 0.01 L / h or less, and the end mill-shaped tool is 40 m to 120 m. A method of cutting a super heat-resistant alloy, characterized by cutting a work material while rotating at a maximum cutting speed of / min.
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