工具メーカーは強靱な合金をターゲットにしている

Jan 24, 2024

耐熱超合金 (HRSA) は、極度の高温で必要とされる強度、耐腐食性、耐酸化性、耐接触摩耗性が求められる用途に珍重されるニッケルおよびコバルトベースの合金です。

「HRSA は、降伏強度の異常を利用するすべてのニッケルおよびコバルトベースの合金であると考えられています」と、ペンシルバニア州セーガータウンにある工具メーカー Greenleaf Corp. のアプリケーション エンジニア、Alex Minich 氏は述べています。彼は降伏強度が温度とともに増加する場合について言及しています。これは、ほとんどの材料が高温になると柔らかくなったり、降伏強度が低下したりするのとは対照的です。 それは異常であるように見えるので、その名前が付けられました。

HRSA がこのような用途に望ましいのと同じ耐熱性 (および温度による降伏強度の増加) が、HRSA の機械加工を困難にしています。 切削工具メーカーがどのようにして作業を容易にするかについての最新情報をご紹介します。

おそらく HRSA の最も顕著な用途は、航空宇宙および防衛産業での、ジェット機、ロケット、ミサイルで使用されるタービン エンジンの部品の形での使用です。 ただし、この材料は石油およびガス産業でも広く使用されています。 「石油、ガスおよびその派生品、および高圧高温下で保管、加工、輸送する必要があるその他の腐食性および摩耗性のあるものは、ニッケル基合金のみが提供できる高温での強度と耐腐食性を必要とする傾向があります。 」とミニッチは言いました。

一部の HRSA は医療機器の製造にも使用されており、必ずしも耐熱性が目的ではなく、強度、剛性、耐食性だけでなく生体適合性も目的としています。

Minich 氏は、HRSA と呼ばれるすべての合金が実際に必要な量を満たしているわけではないことにも言及しました。 「Jethete M152 を HRSA であると考える人もいますが、私たちの目から見ると、それは単なる低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼です」と彼は言いました。 「また、多くのチタンベース合金は HRSA であると考えるでしょう。なぜなら、多くのアルファリッチチタンベース合金は高温で使用できるように設計されているからです。」 真の HRSA は、降伏強度の異常を利用するニッケルおよびコバルトベースの合金だけである、と彼は述べました。

HRSA にはさまざまなタイプがありますが、それらはすべて大きな「チップの課題」を共有しています。 サンドビック・コロマント社の航空宇宙分野のグローバルエンジニアリングプロジェクトマネージャーであるビル・デュロウ氏によると、標準的な金属切断では、材料は切りくずの形で除去され、切りくずは切断ゾーンから効率的に排出され、切断プロセスで発生する熱の多くを持ち去ります。 、ノースカロライナ州メバネ

「たとえば、鋼片を切断しているときは、美しく輝いていますが、後で切りくずを見ると、金属切断から吸収した熱のせいで濃い青になっていることがわかります。プロセスだ」と彼は言った。 しかし、耐熱素材ではそんなことはありません。 摩擦によって発生した熱は、切りくずに吸収されて排出されるのではなく、プロセス内に留まることがよくあります。 「通常、熱の約 80% は切断ゾーンに留まります」と Durow 氏は言います。 「それはインサートに戻ってしまいますが、よく考えてみると、これはインサートにとって良い状況ではありません。」

標準鋼からの切りくずと HRSA から形成された切りくずの間には、もう 1 つの違いがあります。 旋削加工では、標準的な鋼の切りくずは、切削ゾーンから簡単に除去できるサイズと形状で粉砕されます。 HRSA を回す場合はそうではありません。 「ニッケル材料を旋削するとき、切りくずが壊れるのは嫌です」とデュロウ氏は言います。 その代わり、「長いストリンガーが発生します。切りくずが実際に工具に巻き付く可能性があります。さらに悪いことに、ワークピースに巻き付き、損傷する可能性があります。」 これは、たとえば重要なエンジン部品を製造する場合には良い状況ではありません。

Durow 氏によると、解決策の 1 つは、最大 100 bar (1,400 psi) の圧力で高圧クーラントを切削ゾーンに送り込み、切りくずを破壊して邪魔にならないようにすることです。 「これは単に切断ゾーンの周りに水を掛けるだけではありません」と彼は言いました。 「当社には、高圧のクーラントを切削ゾーンに正確に送り込むノズルがあり、油圧ウェッジを生成して切りくずをインサート上に押し上げ、基本的に切りくずを折り曲げて破壊します。」

HRSA 材料は、超硬工具またはインサートを使用して加工されます。超硬工​​具またはインサートを使用すると、より優れた仕上げが可能ですが、切削の表面フィート/分 (sfm) が比較的低くなります。あるいは、セラミック工具を使用して、はるかに高い sfm が可能になります。 「セラミックは通常、厳密に荒加工、場合によっては中仕上げに向けられていますが、超硬の利点がある仕上げ加工には向いていません」と、イリノイ州ロックフォードの Ingersoll Cutting Tool Co. の金型製品マネージャーの William Fiorenza 氏は述べています。 「サイクルタイム短縮の大部分は荒加工プロセスに見られ、必ずしも仕上げプロセスではありません。しかし、要件にきれいな仕上げが含まれる場合は、超硬ソリッドを使用してください。」

テキサス州アーリントンにあるイスカル USA の旋削部門国内製品マネージャー、ランディ・ハジンズ氏によると、超硬工具やインサートを使用する場合、熱は特に厄介な状況です。 「チップを形成するには、プロセスで材料を可塑化する必要がありますが、インコネル、ワスパロイ、その他の HRSA はニッケル含有量が高いため、耐熱性が非常に高いため、可塑化を開始するのに必要な温度は超硬にとって十分に有害です。カーバイドの結合剤はコバルトで、コバルトの融点は約2,700°Fですが、これらのニッケル基合金を可塑化するのに必要な温度は3,000°Fを超えます。」 ハジンズ氏は語った。 「コバルトが溶けてしまう危険があります。」

そのため、工具製造プロセスの一環として、窒化チタンアルミニウム（TiAlN）や酸化アルミニウム（Al2O3）などの耐熱コーティングが基板上に塗布されると同氏は述べた。

高温は別の意味で超硬工具に問題を引き起こします。 切れ刃と HRSA ワークピースとの熱接触により、材料が効果的に加工硬化され、スケールが付けられます。 「基本的には熱処理です」とハジンズ氏は言う。 「各パスで片側あたり 8 分の 1 インチの深さの切込みを行っているとします。何が起こるかというと、切削パスによって材料が加工硬化されます。その後、戻ってきて、さらに 8 分の 1 インチの深さの切込みを行います。前回のパスは超硬の側面から 8 分の 1 インチ上にあります。つまり、加工硬化された材料が超硬に接触し、超硬が侵食され始めます。いわゆる切込み深さが得られます。ノッチ。カーバイドにノッチが入り始めます。」

これに対処する方法は、切り込みの深さを変えることだと彼は言いました。 「最初に 150,000 分の 150 の切込み深さから始めるとしましょう。その後、100 に下げ、次に 75 に、そして 50 に下げることができます。これは、加工硬化された表面をその超硬の長さに沿ってさまざまな間隔で上下に移動させることです。加工硬化した材料には、炭化物がすぐに固まって侵食し始める可能性はありません」とハジンズ氏は語った。

切断プロセスに考慮すべきもう 1 つの課題は、切断される部品の設計の複雑さである、と Ingersoll の Fiorenza 氏は指摘しました。 そして、これまで以上に複雑になっていると彼は言いました。

特にフライス加工用途では、「部品やフィーチャの形状は年々複雑になってきています」とフィオレンツァ氏は述べています。 「CAM および CAD ソフトウェアの進歩により、部品の形状はより自由に流れるようになりました。以前は部品がより自由に作られていたかもしれませんが、設計者はこれらのさまざまな部品のより詳細な機能を自由に取り入れています。部品はより小さく、より細かい形状で設計されています。」半径が狭いフィーチャーでは、カッターの半径方向のかみ合いを大きくする必要があります。そのような状況では、その半径方向のかみ合いにより大量の熱が発生します。これにより、加工が困難になることがあります。たとえば、高温により、薄肉部品の特徴は、適切な加工技術に従わない場合に歪みが発生することです。」

彼らは、プロセスを厳密に制御しながら、これらの状況を乗り越えようとします。

超硬ソリッド工具を使用してフライス加工を行う場合、「プロセス中に鋭い刃先の準備を維持し、監視する必要がある」とフィオレンツァ氏は述べています。 「さらに、特殊なインサート設計により、切削性能の最適化が可能になります。たとえば、特別に設計されたすくい面形状、刃先処理、カッターのインサートスポッティングなどです。」

CAD/CAM のソフトウェアの進歩により、部品、つまり切断プロセスがより複雑になりましたが、他のソフトウェアの進歩によってバランスが保たれています。

「今日のツールパス アルゴリズムはうまくバランスが取れており、高速加工技術をより簡単に採用できるようになりました。これらのより流動的なツールパスにより、より効率的な方法でこれらの高温材料を処理できるようになり、半径方向の噛み込みを最小限に抑えることができます」とフィオレンツァ氏は述べています。

機械加工がより困難な部品設計は、メーカーの期待が進化している領域の 1 つにすぎません。 また、これまで以上にサイクルタイムを短縮し、工具コストを削減するよう、彼ら、そしてその後 HRSA 加工に携わる機械製造業者や工具メーカーに対するプレッシャーも高まっています。

「大まかに言えば、HRSA のセラミック加工は、今日では 1980 年代半ばほど目新しさはなく、現在のユーザーの目標は、金属除去率の向上によるスループット能力の向上から、コストを維持しながら全体のコストを削減することまで多岐にわたります。あるいはプロセスの安定性を向上させることです」とGreenleafのMinich氏は語った。

「パンデミック以前は商業航空宇宙の黄金時代であり、私たちはそれが戻ってくると期待しています」と彼は続けた。 [業界の現状] グラフはすべて非常に緑色で上昇傾向にあり、成功の主な要件はサイクル タイムの短縮でした。」 しかし、新型コロナウイルス感染症のパンデミックが始まって以来、彼は、コスト削減を優先します。

工具寿命は両方の領域に影響します。 フライス加工や旋削、超硬やセラミックなど、HRSA で使用される工具は、ことわざにあるように、「早く生きて若くして死ぬ」傾向があります。 これらの安価ではないツールの寿命は比較的短いです。

「HRSA の機械加工におけるセラミックスの工具寿命に関して、大きな影響を与えるものとして認識されている、当社の制御範囲内にある要因が多数あります」と Minich 氏は述べています。 要素には次のものが含まれます。ツールの選択。 剛性と安定性。 学年; 形状 (マクロ幾何学); エッジの準備 (マイクロジオメトリ)、ツールパス/加工戦略。 切断条件。 スピード; そしてチップの厚み。 「これらの変数の中で最大化するのがより難しいのは、間違いなく工具寿命です。」

課題は切断作業によって異なります、と彼は言いました。 「HRSA のフライス加工と旋削加工では、セラミック切削工具の材料特性にかなり異なる優先順位が付けられます。フライス加工での工具寿命は、靱性に影響を与える高い横方向破断強度 (TRS) と、熱サイクルの結果として生じる亀裂の成長に対する耐性から最も恩恵を受けます。旋削加工高温でも化学的安定性と硬度を維持し、摩耗に対する耐性が高く、それでもなお、切りくず荷重や機械的応力の方向と大きさの変化に対処できる十分に高い TRS を備えた工具が必要です。 HRSA では、セラミック グレードが亀裂の成長に対してかなりの耐性を備えていることが要求されます。」

Greenleaf は、フライス加工と旋削加工の両方で工具寿命を最大化するソリューションを提供します。 「当社は、独自の窒化ケイ素ベースの材種である XSYTIN-1 を使用して、フライス加工、鍛造スケールの除去、および高度断続旋削加工のニーズに応えています。一方、旋削加工には、コーティングされたウィスカー強化セラミック材種の WG-600 で対応しています。最適な切断条件では、インコネル 718 の単一接触点で 20 分を超える切断時間にわたって通常の摩耗を維持することができます」とミニッチ氏は述べています。

Greenleaf が特に HRSA のコスト削減を念頭に置いて作成した最新の製品は、XSYTIN-360 です。 「XSYTIN-1 材料で作られたソリッドエンドミルとして、これまで超硬用に確保されていた直径でのセラミックフライス加工の生産性が提供され、工具ごとに除去される材料の量で測定した場合、最高のエンドミルよりも工具寿命が大幅に長くなります。クラスの超硬ソリッド丸工具です」と彼は言いました。 「XSYTIN-1 の横方向の破断強度と衝撃靱性により、XSYTIN-360 は低速で​​適用できるため、より利用しやすいツールでもあり、スピンドル要件が軽減されます。また、XSYTIN-360 は再研磨も可能であり、さらなるコストがかかります」貯蓄です」と彼は結論づけた。

サンドビック・コロマントでは、新しい旋削材種を含む最近の技術革新を行っています。 「当社の最新開発は、HRSA旋削分野における航空宇宙エンジン部品の最終段階加工用途向けに開発したまったく新しい旋削材種です。これはS205と呼ばれています。」とサンドビック・コロマントのデュロウ氏は述べています。 「コーティングと新しい母材のおかげで、以前の材種よりもはるかに優れた耐熱性があり、そのため 30 ～ 50% 高い切削速度に対応できます。チップには新しい後処理処理もいくつかあります。この CVD コーティング材種 S205 は入手可能です」当社の標準インサートポートフォリオのほぼすべてに含まれています。」

同社はまた、CBN（立方晶窒化ホウ素）のポートフォリオを最適化したとデュロウ氏は述べた。 「CB7014 は、ニッケル基合金用の高速 CBN 旋削ソリューションです。」 7014 グレードはしばらく前から存在していましたが、同社は最近、HRSA 作業をより適切にサポートするために一部の形状を最適化しました。

「CBNは通常、硬質部品の機械加工に使用されてきました。歯車やその類のものに使用される非常に硬い鋼です」と彼は付け加えた。 「しかし、この CBN 材料は航空宇宙材料でも非常にうまく機能することがわかりました。問題は、これらの材料に使用したときの刃先の性能でした。通常、これらの硬鋼、HRSA 材料、またはせん断されるような材料を加工するには、別の刃先処理が必要になります。」 「よりシャープなエッジ ラインを作成する必要がありました。そこで、実際に、これらの HRSA 材料と非常にうまく機能するように、これらのさまざまなインサートの形状の一部を微調整しました。」

これらの詳細は航空宇宙企業にとって非常に重要であるとデュロウ氏は指摘しました。 「彼らはプロセスのセキュリティを気に入っています。彼らはボタンを押して、ツールが特定の時間だけ使用できることを知っていてその場を立ち去りたいと考えています。彼らは完全無人生産を行うことができます。彼らは何かを心配する必要がありません。部品が非常に高価であり、遵守する必要がある規制が非常に広範であるため、作業中に失敗する可能性があります。」

イスカル USA の旋削部門ナショナル プロダクト マネージャーであるランディ ハジンズ氏によると、イスカルでは、インコネルやその他の HRSA 向けに新しい超硬材種とセラミック材種が開発されました。 「当社の IC806 超硬グレードはインコネル 718 用に特別に開発されており、その使用は他の耐熱合金にも広がっています」とハジンズ氏は述べています。 「これが非常に成功したため、当社のエンジニアは、より高い表面速度での仕上げおよび走行を可能にするさらに硬い基材を備えたグレード、つまり IC804 グレードを開発しました。

「インコネルを旋削するとき、[以前は] 100 sfm に到達すると、かなり良い結果が得られました」と彼は続けました。 「この IC806 では、200 sfm に近づき、まともな工具寿命が得られます。その後、より硬い基板を備えた IC804 が開発され、それにより 250 sfm を超えるようになりました。」

これらのグレードに加えて、イスカルは現在、サイアロン グレード、つまりシリコン アルミニウム 酸素亜硝酸塩も取り揃えています。 サイアロンは基本的にセラミック、つまり IS35 と IS25 です。 「私たちの命名法では、数値が大きいほどグレードはより丈夫であり、数値が小さいほど、グレードはより硬く、または耐摩耗性が高くなります。」とハジンズ氏は述べています。 「つまり、IS35 は 2 つのうちのより丈夫です。私は通常、IS35 から始めます。これらの合金に発生する加工硬化スケールを切断するのに非常に適しているからです。そして、これらのグレードでは、200、250 sfm の代わりに、 600から800平方フィートです。」

フィオレンツァ氏によると、Ingersoll Cutting Tools の最近のイノベーションは、2 つのユニークなインサート設計を提供する新しいセラミックラインを中心としています。 「これらのデザインは業界や市場にとって新しいものです」と彼は言う。 「2020 年後半にリリースされたこの新しいラインは、多くの要求の厳しい HRSA 荒フライス加工アプリケーションで非常に高い成功率を達成しています。」

CERASFEED 高送り刃先交換式セラミックフライスは、高送りインサート形状の 9 mm および 12 mm 刃先交換式インサートを使用します。 Fiorenza 氏によると、このシステムの強力なインサートクランプにより、「猛烈な」送り速度が可能になります。 「生産性を高めるために、インサートの密度が高くなります」と彼は言いました。

セラミックの面では、同社の新しいサイアロングレード IN76N により、要求の厳しいフライス加工プロセスのスループットが向上すると同氏は述べた。 同社の資料によると、そのSFMレートは固体超硬の最大33倍です（3,000 SFM、超硬の60～90 SFMと対照的）。

フィオレンツァ氏は、HRSA 加工における総生産コストの重要性を軽視する顧客に常に驚かされていると語った。 「航空宇宙では、加工プロセスで最も高価なアイテムはワークピースである可能性があります」と彼は指摘しました。 「はい、場合によってはマシニング センターが最も高価なものですが、たとえば着陸装置は 1 つあたり 100 万ドルを超えることもあります。そして、最も安価なものは通常、切削工具または切削工具に組み込まれるインサートです。したがって、これらのインサートを正常に駆動するための総コストに最大限の注意が払われると考えるでしょう。常にそうなるとは限りませんが、そうあるべきです。」

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