ありそうもないが強力な解決策

Jan 23, 2024

機械工が最初に学ぶ教訓の 1 つは、加工エリアでの火花や炎はよくないことです。たとえば、大きな赤いボタンを押して消火器を求めて走るのはよくないことです。 これは一般に適切なアドバイスですが、ワークピースから飛び散る真っ赤な切りくずの流れが好ましいだけでなく、生産的な加工の前提条件となる状況もあります。 セラミック切削工具の世界へようこそ。

そのような「熱いほど良い」成功事例の 1 つは、ペンシルバニア州セーガータウンの Greenleaf Corp. から来ており、顧客はインコネル 625 のブロックをフライス加工する際に、サイクル時間を信じられないほど 97 パーセント短縮したと報告されています。「以前は、3 つの超硬ソリッド端が必要でした」工場での作業と部品の機械加工には 90 分以上かかります」と Greenleaf のアプリケーション エンジニアリング マネージャー、Martin Dillaman 氏は述べています。 「XSYTIN-360 ソリッド セラミック エンドミルに切り替えてからは、わずか 3 分しかかかりませんでした。」

セラミック切削工具は新しいものではありません。 フロリダ大学の E. ダウ ホイットニー氏が著書『総合硬質材料』で説明したように、最初のセラミックは 1930 年代初頭に機械工がねずみ鋳鉄の旋削に使用したときに登場し始めました。 しかし、「セラミックスの困難な製造プロセスと不適切な工作機械および経験不足の組み合わせ」により、これらの高度な切削工具がハードターニング用途で限定的に使用されるようになるまでには、さらに 40 年の開発作業が必要になるでしょう。

それ以来、セラミック切削工具の使用が増加し、多くの工場にとってセラミック切削工具は旋削とフライス加工の両方で頼りになるソリューションになりました。 鋳鉄、焼き入れ鋼、そしてディラマン氏が指摘したように、インコネル、ハステロイ、その他の耐熱超合金 (HRSA) はすべてセラミック切削工具に適しています。 ほとんどの製品では、前述のサイクル タイムの 97% 短縮には至りませんが、多くの製品はそれに近いもので、同等の固体超硬製品よりもはるかに高い金属除去率を実現します。

このように生産性が向上すると、なぜセラミック切削工具が機械工場で普及しないのかという疑問が生じます。 この記事のためにインタビューしたディラマン氏と他の専門家によると、その答えは、a) セラミック切削工具は主に、今列挙した靭性、硬質、または摩耗性の金属に限定されている、b) 非常に剛性の高い工作機械や工具の使用が必要である、というものです。 、および c) 非常に高い切削速度と送り速度、つまり一部の工作機械では達成できないアプリケーション パラメータが必要です。

Greenleaf が最近、XSYTIN-360 ソリッド セラミック エンドミル ラインナップで取り組んだのはこの最後の点であり、Dillaman 氏が指摘したように、従来のセラミックで必要とされるよりも 20 ～ 25% 低い切削速度で適用できます。 「熱をより適切に制御する能力のおかげで、酸化アルミニウムやウィスカー強化セラミックのように温度を高める必要はありません」と彼は言いました。 「直径 3/8 または 5/16 インチ [9.53 または 7.94 mm] のカッターでフライス加工を行う場合、これは 20,000 rpm 対 25,000 rpm 以上の回転数を意味します。 スピンドル速度が低いと、新しい機器を検討している人にとって、大きな価格差が生じる可能性があります。」

ディラマン氏は、スピンドルが速いかどうかに関係なく、セラミック切削工具を備えた CNC 旋盤やマシニング センターは、ワークホールディングと同様に剛性が高く、メンテナンスが行き届いている必要があると提案しました。 あらゆる振動はセラミックインサートやソリッド工具に悪影響を与えるため、成功は多くの場合、スピンドルベアリングと軌道面に「十分な遊び」があり、工具寿命の問題や予期せぬ故障が発生する可能性がある古い機器を避けるかどうかにかかっています。

「セラミックに関連する高速と送りを適用すると、機械システムに何らかの欠陥があることが明らかにわかります」と彼は言いました。 「実際、まったく同じパラメータを実行しており、マシン自体もそれ以外は同一であるにもかかわらず、マシン間でパフォーマンスに劇的な違いが見られることがよくあります。」

ウィスコンシン州ワウキシャにある Walter USA LLC の製品マネージャー、Luke Pollock 氏も、セラミックのラインナップに比較的新しいグレードをいくつか持っています。 これらには、MC275 および MC075 Prototyp フライスが含まれます。どちらもろう付けヘッドまたはモジュラー「ConeFit」構成で利用可能で、どちらもニッケル基超合金の荒加工用に設計されています。 しかし、ウォルターのエンドミルを使用する場合でも、競合ブランドを使用する場合でも、最も必要なのは考え方を変えることだとポロック氏は示唆しました。 「合金によっては、毎分 3,000 ～ 4,000 フィートの切削速度で動作する可能性があり、クーラントなしで動作することになります」と彼は言いました。 「つまり、この大きな火の玉が機械の中にあるということです。これを初めて見た場合は、おそらく停止ボタンを争うことになるでしょう。そして、エンドミルで 45 分かかる代わりに、 10 分以内に交換してください。その間に直径が 0.02 インチ (0.51 mm) 以上摩耗する可能性があります。 超硬による機械加工とはまったく異なる体験です。」

異なるかどうかにかかわらず、これはすべてまったく問題ありません。なぜなら、機械工が最初の学習曲線を乗り越えれば、超硬の場合よりも 1 分あたり 8 ～ 10 倍多くの材料を除去していることにすぐに気づくからです、と彼は付け加えました。 そうは言っても、材質が何であれ、切削工具を監視することは重要です。 ポロック氏は、セラミックの場合、エンドミルは「完全に焼けた」ように見えるかもしれないが、それでもよく切れると指摘した。

オペレータは外観に基づいてツールを変更するのではなく、セラミックツールがいつリサイクル箱に入れる準備ができているかについての手がかりを得るために、機械の音を聞き、負荷メーターを監視する必要があります。 「どれだけ磨耗して切断を続けられるかには驚くが、致命的な故障が起こる前に引き抜くことが重要だ」と彼は言う。

ミシガン州ウォーレンにある Ceratizit USA Inc. の切削工具の技術マネージャーである Justin Messerschmidt 氏は、セラミックが高い切削速度とそれに見合った高い送り速度に耐える能力について同意しました。 ただし、超硬ほど寛容ではなく、一般に振動を許容しません。 さらに、セラミックは、メーカーの比較的厳格な動作パラメータの範囲内で適用する必要があります。そうでない場合は、すべてが失敗になります。

「高温で刃先強度を維持するセラミックの能力は驚異的ですが、超硬よりもはるかに脆いため、断続切削や能力の劣る工作機械には最適な選択肢ではない可能性があります」とメッサーシュミット氏は述べています。

これらの警告にもかかわらず、切削工具製品マネージャーの Robert Bokram は、最適とは言えない加工状況に対するいくつかのヒントを提供しました。 「Ceratizit は、鋳造と鍛造が一般的な自動車市場で非常に積極的です」と彼は言いました。 「ここでは、最初のパスで「スキン」の下に食い込むことが重要であり、その後のパスで切り込みの深さを変更して、摩耗をインサート全体にできるだけ均等に分散させます。また、できるだけ大きなaを使用することをお勧めします。セラミックではノーズ半径を可能な限り大きくし、衝撃を最小限に抑えるために一貫した工具圧力を維持するようにしてください。」

ポロック氏と同様、ボクラム氏も、セラミックは脆いため致命的な故障が発生する可能性が高く、安定したプロセスが達成されるまでオペレータは定期的に摩耗を検査する必要があると指摘した。 この安定性の一部は、ツールホルダーの良好な衛生状態に依存します。つまり、インサートを交換するときはポケットを徹底的に清掃し、摩耗したクランプやシムはすぐに交換し、ツールホルダーのネジを締めるには常にトルクレンチを使用してください。

「セラミックインサートでは安定性が重要ですが、通常、インサートには穴がなく、超硬とは異なる方法でクランプする必要があります」とBokram氏は述べた。 「トップクランプであろうとウェッジクランプであろうと、所定の位置にしっかりと保持するための何らかの爪の設計があります。しかし、ワークピースから飛び出る切りくずは非常に高温で摩耗性があるため、私たちは特大の超硬トップクランプを使用して、スチール製のクランプ金具で発生する可能性のある早期の摩耗を防ぎます。」

特にほとんどのセラミック加工は切削液を使用せずに実行されるため、高熱が他の問題を引き起こす可能性があります。 たとえば、切削工具や加工物の材質が何であれ、工場では常に集塵システムを使用して、乾式加工で発生する煙や小さな金属粉を除去する必要があります。また、消火器を手元に用意しておくとよいでしょう。

この最後のアドバイスは、Bokram がインコネルのセラミックフライス加工アプリケーションをテストしたいと考えていたショップを最近訪れた際に、非常に明確になりました。 問題は、前日に別の作業で切削液を使用しており、機械の表面に残った乾燥したクーラントの残留物が、真っ赤に焼けた切り粉と接触して実際に発火したことだった。 「セラミックスで切断する前に必ず工作機械を拭き、作業エリアの周囲に燃えやすいものがないことを確認してください」と彼は言いました。

ローター・ウングラウブ氏は、必ずしも「ドライのみ」のアプローチに同意しているわけではありません。 スイス、ラインフォールの Kennametal Europe GmbH でインサートのマーケティング ポートフォリオ管理のディレクターを務める彼は、耐熱合金やセラミックスで大きな成功を収めてきましたが、それは適切に適用された場合に限られます。 「鋳鉄の加工は常に乾式で行われますが、航空宇宙材料では、切削ゾーンを高圧クーラントで完全に満たすことで、最大 10 倍の工具寿命を達成した顧客もいます。」と彼は言いました。 「唯一の注意点は、流体の被覆範囲に隙間があってはいけないということです。そうしないと、熱衝撃が発生し、ツールが急速に故障する可能性があります。」

Unglaub 氏は、セラミックの切削工具をコーヒー カップに例えています。これは、一方向からは比較的安全に大きな圧力を加えることができますが、同時に複数の面から圧力をかけるとセラミックが破損してしまうという点です。 ほとんどの切削工具、特にセラミック製の切削工具を破壊する振動を排除するため、剛性の高いセットアップが非常に重要であるのはこのためです。 そのためには、常に可能な限り短いツールを使用してください。これは、何を切断するか、どのように切断するかに関係なく、良いアドバイスです。

同氏は、ツールパスも同様に重要であり、セラミック工具で加工する際には特定のプログラミング方法を適用することを推奨していると述べた。 たとえば、シングル パスでスロットをミリングしようとしたり、「独り占め」アプローチを採用したりしようとする人は、一般に成功しません。 代わりに、トロコイド ミーリング戦略に従う方がはるかに優れており、より小さく浅い切り込みを使用しますが、超硬に比べて送りと速度を大幅に上げて、同じ時間内に大幅に多くの材料を除去します。

この記事のためにインタビューした他の情報筋もこの考えを支持しており、衝撃を軽減するためにワークピースに出入りするように弧を描くようにし、工具が隅に埋もれるのを避け、切りくずの再切削をなくすために必要なことは何でも行うべきであり、ほとんどの場合これが最善であると付け加えた。圧縮空気を連続的に吹き付けます。 Unglaub 氏はまた、ネガティブすくい工具は刃先の安定性が最も優れているため、すべてのセラミック加工用途の 90% で好まれていると指摘しました。 最後に、機械オペレーターに、セラミック切削工具の使用方法だけでなく、サイクルスタートを押したときに何を期待するかについても訓練します。

「新しい顧客と仕事をするたびに、火花が飛び始めると彼らはショックを受けます」とアングラウブ氏は語った。 「彼らは何かがおかしいと感じて、すぐに速度と送りを落とそうとします。しかし、セラミックの動作範囲はかなり狭いので、これは最もやってはいけないことです。ですから、私や他の人が言ったように、次のことに注意してください。」振動とオーバーハングを排除し、推奨される切削パラメータとツールパスを適用し、特にチップポケットを清掃し、工具をクランプするときに適切な量のトルクを適用するように注意してください。これらが成功を保証するための重要なポイントです。」

ジェイソン・ウェルズは、オハイオ州カヤホガフォールズにある京セラ SGS プレシジョン ツール社の新たに設立された研究およびトレーニング部門であるバージニア州ダンビルにある京セラ SGS テック ハブの社長兼最高経営責任者です。 同氏は、親会社の京セラがセラミック旋削工具に関して豊富な経験を持っている一方、SGSは歴史的に超硬に注力してきており、セラミック丸工具とフライス加工用途が最近この70年の老舗企業にとって肥沃な土壌となっていると指摘した。

ウェルズ氏は、「航空宇宙および自動車市場におけるセラミック切削工具には大きな可能性があると考えており、NASA、エアバス、シーメンス、CCAM（バージニア州リッチモンドのコモンウェルス先端製造センター）など、いくつかの異なる組織と提携しています。 —先進的なセラミックスを研究し、最大のパフォーマンスに必要な最適な形状、グレード、コーティングを決定することです。」

初期の結果は、セラミック加工に適切な装置と工具を使用することの重要性を示しています。ある例では、汎用機械では「惨めに失敗した」材種が、より高性能の機械では完全にうまく機能し、Greenleaf の Dillaman が冒頭で述べたことを裏付けています。この記事。 彼らはまた、カッターパスが工具の寿命において同様に重要な役割を果たしており、効率的な熱排出も同様に重要であることも発見しました。

この最後の点に対処するために、京セラ SGS は日本の工具メーカー MST と協力して、セラミック丸工具専用の特別な「ベント付き」ツールホルダーの開発に取り組んできました。 「その性質上、耐熱合金は熱伝導率が低いため、熱の蓄積が非常に懸念されます」とウェルズ氏は述べた。 「ツールホルダーのユニークな設計は、フライス加工中に機械のスピンドルが過剰な熱を吸収するために発生する可能性のある Z 軸の熱膨張を排除すると同時に、工具を確実かつ正確にグリップすることを目的としています。これは取り組みの素晴らしい例です。」私たちや他のメーカーがこの分野で取り組んでいること、そしてセラミック切削工具に存在するチャンスです。」

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