セラミックスの限界を超える

Sep 28, 2023

ペンシルベニア州セーガータウンにあるグリーンリーフ社の営業担当執行副社長バーニー・マコネル氏によると、機械加工における画期的な超硬グレードの開発機会は事実上活用されているという。

「コーティング、形状、刃先処理などでさまざまなことを行う以外に、超硬材料を混合およびブレンドできる方法は限られています」と彼は言いました。 「エキサイティングな技術開発のほとんどは、ビジネスのセラミック面で行われています。」 それは切削工具と部品の両方に当てはまります。 「超高速走行、極度の高温への対応、摩耗特性など、セラミックはさまざまな用途で限界を押し広げています。今日のセラミックの機能は信じられないほど優れており、さらに向上し続けています。」

セラミックは、目を見張るような速度を達成する能力を備え、依然として高温合金および研磨材の優れたソリューションです。 実際、イスカル USA の突切り、溝入れ、旋削加工の国家製品スペシャリストであるロバート ナバレッテ氏によると、高温合金のフライス加工速度は 2,800 ～ 4,400 表面フィート/分 (SFM) の範囲です。

「フライス加工の場合、通常は約 3,400 SFM から開始し、インサートの摩耗を測定し、それに応じてパラメータを調整します」と彼は説明しました。 「旋削加工の場合、機械の能力に応じて、高温合金では 600 ～ 1,100 SFM になります。」

しかし、これは何も新しいことではありません。 ナバレッテ氏は、数十年前の技術であるウィスカー強化セラミックスの経験に基づいて、多くのショップがこれらの機能に精通していると指摘しました。 その代わりに、彼は新しいシリコン、アルミニウム、酸素、窒素（サイアロン）セラミックスを宣伝した。 「サイアロンはウィスカーよりも製造コストが安いため、同じウィスカーのようなパラメータを低コストで実行できます」と Navarrete 氏は述べています。 「私は店に行ってスペックを調べてサイアロンの見積もりを出して、ひげよりも高価だったということは一度もありません。そんなことは起きていません。」

同氏は、工具寿命が7分であるのに対し、サイアロンの場合は6分であるウィスカー強化セラミックの例を引き合いに出し、価格差は容易に25～30%になる可能性があると付け加えた。 ただし、価格が 25% 低いため、サイアロンの方が 7% 節約できることになります。 「1 年間使用すると、大幅な節約になります」と Navarrete 氏は主張しました。 「陶器は安くないよ。」

もう一つの利点は、サイアロンは「ウィスカーよりもはるかに寛容である」ため、ウィスカーセラミックの切断に通常必要な可塑化を必要とせずに、低速で動作することができる、と同氏は続けた。 「スケール付きの鍛造品やその他の種類のクラストなど、断続的なカットのある部品がある場合は、ウィスカーではなくサイアロンを使用します。」

イスカルは「タフ」サイアロンと「ハード」バージョンを提供しています。 後者は、ウィスカー強化セラミックの硬くて脆い性質を模倣しているため、「ウィスカーのような」ものとして宣伝されています。

一方、同社のエンジニアリングおよびアプリケーション担当グローバルマネージャーのマーティン・ディラマン氏によると、グリーンリーフの最高性能のウィスカー強化セラミックスは、より高い熱間硬度と幅広い送り速度能力により、付加価値のある用途を継続しているという。 たとえば、「耐熱合金は通常、部品の表面仕上げ要件を超える高い送り速度で動作するため、サイアロンで仕上げることはありません。したがって、次のような場合はウィスカー強化セラミックを使用する必要があります」と彼は言いました。スピードを上げてフィニッシュしたいです。」

ディラマン氏は、多くの航空宇宙企業が耐熱合金部品の音響試験を実施し、表面に小さな欠陥がないかチェックしていると付け加えた。 しかし、彼が知るすべてのケースで、「サイアロンによって残された表面仕上げは音波テストに合格しませんが、当社の WG300 およびコーティングされた WG600 ウィスカー強化セラミックスはこのテストに合格することが承認されています。したがって、ウィスカーが通過しないいくつかの領域が確実に存在します」サイアロンに置き換えられる予定です。」

Greenleaf のアメリカ大陸担当セールスディレクターである Greg Bronson 氏は詳しく説明します。 「ウィスカーグレードのセラミックのエッジはよりよく保持されるため、部品が追加の表面テストで不合格となる可能性がある同レベルの発熱や材料の汚れが発生することはありません。」

Greenleaf の GF1 チップの形状も仕上げの成功に貢献します。 このフォームはインサートの上部から刃先まで研削されており、Greenleaf のすべてのウィスカー グレードで提供されています。 「これにより切断圧力が軽減され、品質検査中にあらゆる種類の欠陥が発生する可能性が減ります」とディラマン氏は述べた。

ブロンソン氏によると、一般に、ウィスカー強化セラミックスはサイアロンと比較して高温硬度が高いため、WG300 は耐熱合金中で 10 ～ 20% 高い速度で動作することができますが、仕上げに必要な送り速度は低くなります。 「当社のコーティングされた WG600 はさらに 20% 高速になるため、サイアロンよりも約 30 ～ 40% 高速になります。また、当社のナノコーティングされた WG700 はさらに 20% 高速であるため、50 ～ 60% 近くになります。」 WG700 では 1,500 SFM もの高さでインコネルを使用できますが、サイアロンはその点に到達するずっと前に溶けてしまいます」とブロンソン氏は述べ、WG700 はルネの断続切削にも優れていると付け加えた。

Greenleaf のよく知られた XSYTIN-1 セラミックは化学的には SiAlON に似ていますが、相強化された窒化ケイ素です。 「プレスの仕方によって、材料の内部に結晶構造が成長します」とブロンソン氏は説明した。 その結果、XSYTIN-1は同様の速度制限があるにもかかわらず、結合剤が同様の温度で分解するため、同社は「XSYTIN-1では通常、ほとんどのサイアロンよりも20～30%高い送り速度を実行できる」と同氏は述べた。

セラミック切削工具に対する最新の需要は、金属 3D プリント後にビルド プレートをクリーンアップする必要性から生じています。 ブロンソン氏は、同社が対応を求められている難しい合金として、医療製品用のコバルトクロム、航空宇宙用のインコネル718、ロケットエンジン用のヘインズ282、発電用のRene 220、およびRene N2を挙げた。 これらは鍛造時に材料を機械加工するのが難しく、レーザー焼結プロセスでは層の間にスケールが残るため、印刷することはさらに困難になるとブロンソン氏は説明しました。

「これでは超硬が大幅に劣化します。多くの欠けや過度の摩耗が発生します。そのため、顧客はセラミックがそれを克服できることを期待していました。」

このような印刷された部品は通常、ワイヤ EDM でビルド プレートから切り離され、除去するサポート構造が 0.200 ～ 0.300 インチ (5.08 ～ 7.62 mm) 残されます。「その後、再度印刷できるようにベース プレートをクリーンアップしたいと考えているとブロンソン氏は述べています。」 それで彼らは15人か20人を皿から外すことになるだろう。」

Greenleaf の最初の取り組みは、ステンレス鋼プレートに印刷された 31 ～ 35 HRC Haynes 282 を除去することでした。 部品の構成により、プリントには非常に可変性の高いゲート、ライザー、支持構造のセットが必要だったとブロンソン氏は思い出します。 「太いものもあれば、薄いものもありました。高いものもありました。それらはあちこちにありました。つまり、性質上、非常に中断されました。それに、ヘインズは非常に研磨的です。」

奇妙なことに、より柔らかいステンレス素材はカーバイドにとってさらに大きな課題となると彼は付け加えた。 より硬い材料用に設計された工具がステンレス鋼に当たると、壊れてしまいます。 おそらく、ステンレス鋼の粘着性が切りくずの生成を抑制したためだと考えられます。 Greenleaf の解決策は、RNG45 インサートを備えた小型正面フライスで XSYTIN-1 セラミックを使用することでした。 XSYTIN-1 の強度により、ユーザーは「より鋭いエッジで逃げられる」とブロンソン氏は述べています。 「これにより、硬い素材を通り抜けることができますが、よりシャープな形状のおかげで、柔らかい素材を汚すことはありません。」

さらに、材料の研磨性の性質により、顧客はわずか 0.015 ～ 0.025 インチ (0.38 ～ 0.635 mm) の非常に浅い切り込み深さを余儀なくされていましたが、Greenleaf は切り込み深さを 35 ～ 50 ミリに増やしました。 「超硬ではおそらく 5、6、7 回のパスを必要とする代わりに、セラミックでは 2 ～ 3 回のパスでプレート全体を洗浄できます」とブロンソン氏は言いました。 実際、彼が携わった 6 つのそのようなプロジェクトでは、通常、レーザー焼結材料を 1 回通過した後、エッジの損傷により超硬工具のインデックス付けが必要でした。 一方、セラミックは「我々が行わなければならなかったすべてのパスで持続した」とブロンソン氏は観察した。

超硬工具に関する 2021 年の製造エンジニアリングの記事「ありそうもないが強力なソリューション」には、セラミックインサートは見た目は地獄だがよく切れるという興味深い事実が含まれていました。 この機能の鍵はエッジの状態であるとナバレッテ氏は説明しました。 「これらのインサートには非常に多くの熱が投入されており、特に乾燥させている場合は焦げているように見えます。しかし、エッジの準備はまだ残っています。取り出して、黒くなっているか焦げているのを観察するかもしれませんが、一度使い始めると、エッジの準備がまだ残っています。再度切断すると、バーベキュー グリルのように燃え尽きます。加工温度のしきい値に達すると、材料の残留物が加熱されてセラミックから剥がれ、エッジの準備が再び開始されます。」

ナバレッテ氏は、インサートの誤解を招く外観を心配したり、エッジに注意を集中させたりするのではなく、単に時間制限を設定することを推奨しました。 「セラミックは衝撃に非常に弱いですが、予測可能でもあります。」 彼は、比較的短いプログラムされたカット時間 (TIC) から始めて、次にエッジを検査することを提案しました。 「私は通常、開始ゲージポイントとして 3 分半から始めます。誰もが快適なスイートスポットを見つけたら、カットの挿入時間を追加または短縮して、それに応じて調整できます。

毎回安全にインデックスを作成でき、失敗しないことがわかっている TIC を見つけたいと考えています。 予想どおり、粉砕には 7 ～ 10 分かかります。」

もちろん、これはすべて、最初に適切なエッジの準備ができているかどうかにかかっています。 「高温合金の仕上げ切削では、研ぎ澄まされた刃先を仕様化します」とナバレッテ氏は語った。 一番自由なカットです。 「中仕上げや中荒加工のような中切削には、Tランドと呼ばれるチャンファーを使用します。少し強度があります。純粋な荒加工で、多くの材料が剥がれる場合、または「機械でスケールやクラストを加工する場合、私たちはTEエッジプレップと呼ばれるものを使用します。これは面取りとホーニングです。これはさらに強力なエッジですが、より多くの工具圧力を意味します。これは打撃に耐えることを目的としています。」

しかし、陶器のもろさはしばしば誇張されていると同氏は指摘する。 「セラミックは衝撃を受ける可能性があります。必要なのは、プログラムして適切にアプローチすることだけです。」 その点に関して、超硬工具からセラミック工具に切り替える場合には、切断の再プログラミングが必要になると彼は警告しました。 「超硬プログラムにセラミック工具を接続すべきではありません。」

Greenleaf も Iscar も、ツールの製造方法の秘密を共有していません。 しかし、ペンシルバニア州スコッツデールを拠点とする Better Edge は、最終的な切削形状を研削するという課題を垣間見ることができます。 同社は特殊な超硬切削工具に注力していますが、Better Edge は最近、航空宇宙産業の顧客向けに、直径 0.5 インチ、ショート LOC、6 枚刃エンドミルを研削するプロジェクトを受注しました。 工具が摩耗した状態で届いたため、Better Edge は切削部分を切り落とし、残ったブランクに新しい形状を研磨しました。

同社はセラミックに関するこれまでの経験がなかったにもかかわらず、超硬手法からの必要な逸脱に迅速に対処しました。 問題は 2 つだけありました。 1つ目は、ホイールの磨耗だ、と運営・品質担当副社長のブライアン・シェイファー氏は説明した。

「当初、私たちはフルーティング用のホイール寿命を長くする場合に頼りになるボンドである、より硬くて高性能なハイブリッド ボンド RM644 を備えた Toolgal ホイールを使用していました。しかし、フルーティング用セラミック ツールでは、ホイールの摩耗が私たちよりも早く行われました。気に入った。」

この問題を解決するために、Better Edge は、ジョージア州エルバートンに本拠を置く Toolgal USA Corp. の社長である David Pinzburg 氏に連絡を取りました。Ginzburg 氏は、新しい RM769G ハイブリッド フルーティング ボンドを試してみることをアドバイスしました。 RM769G はより柔らかいボンドであるため、これは直観に反するように思えたかもしれませんが、実際にはより効果的に機能し、より長いホイール寿命を実現しました。 ギンツブルグ氏によると、ホイールのダイヤモンド品質が異なり、ボンドのダイヤモンド保持力が優れているため、より快削性が高く、セラミックのフルーティングに適しているという。 サイクルタイムは超硬よりもわずかに遅く、ツールごとにおよそ 30 分かかると Shaffer 氏は付け加えました。

セラミックの研削に関する 2 つ目の問題は、微細な乳白色の切り粉が生成され、超硬よりも早くクーラント フィルターを詰まらせることです。 Better Edge はフィルターをより頻繁に交換することでこの問題に対処しましたが、セラミックの研磨を続ける場合はフィルターをその用途専用にする必要があると判断しました。

前述したように、セラミックは摩耗部品や、過酷な条件に耐えなければならないその他の部品としても機能します。 Greenleaf は、そのような用途向けの「テクニカル セラミックス」部門を運営しており、常に目を光らせるように工具スタッフを訓練しています。 マコーネル氏によると、あるエンジニアは最近、オペレーターが大型ロール旋削機の測定装置の超硬ガイドホイールを交換していることに気づいたという。 このゲージは、真円度とサイズを測定するために巨大な鋼の表面に沿って継続的に走行する必要があるため、著しい磨耗が発生します。 解決策として、Greenleaf は 10 ～ 15 倍長持ちするセラミックを顧客に提供しました。

別の例として、McConnell 氏は深穴穴あけ用のガイド ブッシングを指摘しました。 「以前は、これらは超硬か硬化鋼でした。現在ではセラミックで製造しており、寿命は 20 倍です。つまり、可能性は無限です。」

3 番目の例が必要な場合は、1 分あたり 2,000 個のアルミニウム飲料缶を生産するラインよりも優れたものはありません。 イリノイ州ローリング・メドウズのダノバット・グループの営業マネージャー、ジム・ビーバーズ氏によると、缶の壁を形成して蓋を受け入れるネッキングダイは伝統的に超硬で作られていたが、「しかし、数年が経ち、彼らはHIP（熱間静水圧プレス加工）が超硬合金であることを発見した」 ) セラミックは熱伝導性と耐摩耗性に優れているため、寿命が長くなります。」 ダノバットが最も頻繁に目にするバージョンはイットリア正方晶ジルコニア多結晶 (YZTP) で、ビーバーズはこれを「ロックウェル スケールでは 81、ビッカース スケールでは 1,300 に相当する。つまり、確かに挑戦的な材料である」と報告した。

それがすべてではありません。 ダイスは、内側も外側もかなり複雑な形状をしており、さらにスロットも付いています。 「プロファイルの公差は 10 分の 2 です。そして、もう 1 つの重要な側面は、半径の接線と交差する角度です」と Beavers 氏は説明しました。 ひどくなる。 「顧客は、機械からの内径を 2 マイクロインチまで下げることを要求しています。そのため、研磨仕上げを提供する必要があります。」

Danobat は、4 スピンドル砥石台を備えた Overbeck IRD マシンでこれらの課題を克服しています。 フォームの研削には 3 軸補間 (X、Z、B0) と 4 つのスピンドルすべてが必要です。 たとえば、フォームの外側を研削するには大きな外径ホイールが必要ですが、内側のフォームにははるかに小さな内径ホイールが使用されます。 必要な表面仕上げを得るには、仕上げだけでなく荒加工にも複数の研磨剤を使用する必要がある、とビーバー氏は付け加えた。

「多くの人は、これらの部品の寸法公差や形状公差がいかに厳しいかを理解していません」と、イリノイ州セントチャールズにあるダノバット販売会社レイ・テクノロジーズの社長、ダニエル・レイ氏は述べた。 「そして、オーバーベックがこれらの要求に応えることに成功した理由の 1 つは、機械のベースとして固体の天然花崗岩を使用していることです。とりわけ、これにより店内の温度変動が管理されます。オーバーベックはリニア モーターも使用しており、これも一部の競合他社に比べて優れています」 。」

さらに、ダノバットのビーバーズ氏は、機械の熱安定性に「最大限の注意を払う」ということは、ワークヘッドに液体冷却を組み込むことを意味すると述べた。 クーラントの濾過も「最高レベル」でなければならないと同氏は語った。 そこで同社は、標準システムに加えて、最小 5 ミクロンのキャニスター フィルターと、一定の温度を維持するチラーを追加しました。

それで、これで完了です。 セラミックは、難しい機械加工の課題に対して優れたソリューションを提供します。また、セラミックの機械加工自体の課題も、適切な技術と限界を押し上げる意欲があれば解決できます。

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