難削材料の切削加工に関する研究（第3報）

技術資料
翼乗肖Ⅱ木す*斗U)匂1肖ⅡカロニCむと僕1すーる珂f多宅(^'3宰畏)
インコネ、ノレフ 18^ま肖Ⅱカロニ1二^
機械金属部機械研究室
永倉寛巳松隈博
耐熱合金の難削特性は、特に工具寿命の観点から生産現場においては、非常に重大な問
題となっている。
木研究では、種々の耐熱合金の中でも、特に難削性の強いニッケル基超耐熱合金インコ
ネルフ18を対象とし、 6郁類の工具材を用いて、切削実験を行い、工具寿命、切削而粗
さ、切削抵抗を評価することにより、その適合性を検討した。
インコネルフ18の切削における工具寿命は、切れ刃境界部または切れ刃全域での凝着
欠損に大きく支配されるので、工具材質としては、低い凝着活性と高い靱性が要求される。
本実験の結果、 K I0、 T i Nコーティングエ具が低速度(25m/m in)領域では、
工具摩耗は非常に緩やかで長寿命を示したが、 50m/min以上の速度領域では、工具
摩耗が急激に進行し工具寿命は著しく低下した。
切削面粗さは、 K I0、 T i Nコーティングエ具の場合、低速度領域では、切削時問の
経過に対しても粗さの劣下はほとんどなく、 1.5 2μm程度の粗さが持続され、安定
した釖削が行われた。
ものとなってきているのが現状である。
1.はじめに
最近の切削加工技術は高度に発達し、難削材を除
前々根のインコネルX 750 、 S KD 11焼き入
いた一般材料の切削では自動化、無人化がかなり定
れ鋼の旋削加工、前報のT i - 6A I - 4Vチタン
着している。これに対して、難削材の切削では、エ
合金、 18 -8ステンレス鋼の旋削加工に続き、木
具損傷が偶発的に生じたり、工具寿命が不安定で短
研究では、最近、航空宇宙産業、原子力発電、石油
かったりする。また工具寿命以外にも切削抵抗の大
化学ブラント等の分野で多用されている、ニッケル
きい材料では、切込みあるいは送りが大きくとれな
基超耐熱合金、インコネルフ 18を被削材として、
い、また切削速度が大きくできない等加工能率上の
各極工具にて旋削実験を行し＼その被削性、最適工
問題も生じてくる。
具、最適切削条件を追求した。
難削材というものが特定されていて、その種類が
限られているならぱ、切削加工技術の進歩により、
2.実験方法
難削材に関する諸問題は、つぎつぎに解決されてい
2.1 工作機械
くであろうが、技術の進歩は難削材の切削加工技術
木研究で使用した工作機械は、(株)大隈鉄工所
の確立に挑むかたわら、その一方で、新素材という
製の高速旋盤(処段変速) LS450× 800であ
新しい難削材を絶え問なく生み出し、切削加工技術
る
0
がどんなに進歩しても難削材の問題はつきない。む
しろその内容は、従来の難削材よりも、一層切削困
2.2 被削材
被削材には、
43
二
難な、新しい材料特性を有する難削材を対象とした
ソケル基超耐熱合金、インコ才、ル
718を使用し、被削材の寸法はφ80×250m
Bセラミック(A120.-Tic)、TiNコーティ
mの丸棒とし、表面層をあらかじめ切削により除去
ング(以上ポジタイプ)、それにC BN (ネガタイ
して実験に供した。表1に、被削材の化学組成と機
プ)の6穫類を使用した。
図1に使用工具並びにチップの形状、寸法を示す。
械的性質を示す。
なおノーズ半径は0.8mmである。
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0.95
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Cr
M0
52, M
16.67
1.03
表の2に切削工具の物理的、機械的特性を示す。
IncoMn13
Nb+T且
2.4 実験項目及び切削諸元
実験項目及ぴ釖削諸元は表8のとおりである。
ⅡErdne3,
湿式切削では、切削液として、パナクールFM
U5(11")
5.02
(エマルジ,ンタイブ) 20倍希釈液を使用した。
T8blB 3 ε即er 1翼enta1 1t昨 and cutt lnK cond ltlons
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0.08×-25
d=0.5、1.0、1.5E鳳
Cuttin8 torce
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dry 、 wet
0.0ιX-20'
80
2.5 各実験項目の測定方法
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微鏡T-MCL2により、横逃げ面境界摩耗V。"、
横逃げ面摩粍V。、前逃げ面(境界)摩耗V。'を
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一定切削時閻毎に(株)津上製作所製万能工具顕
凡
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、
1)工具摩耗の測定
ι1
11
^
測定した。
1,
2)加工面粗さの測定
20
一定切削時問毎に(株)小坂研究所製三次元表面
員
、
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粗さ測定器SE-3AKを用い、加工面の最大粗さ
.'
Rm aXを測定した。
,,'"
ア閲ltyN
3)切削抵抗の測定
Netゑ tyN
一定切削時問毎に昌遜制作所製機械試験所型切削
F1冨.1 Sh即e 即d S12e ot t閲1 即d chlp
動力計KSA- 500を用い、主分力、送り分力、
背分力を測定した。
2.3 使用工具
切削実験用の工具としては、超硬合金K I0とP 3.実験結果及び考察
20 、サーメット(T I C -T i N-T a c -WC)、 3.1 工具摩耗
44
図2は25 75m/m inの問で切削速度を変
る。
インコネルフ 18の切削では、溶着が生じやすく
えた場合の各種工具の摩耗の進行状況である。
切り刃すくい面に溶着物が発生する。低速領域では
横逃げ面摩耗V。が0.3mmに達した時を寿命
これが榊成刃先となって切れ刃が保護されて工具摩
基凖とした。
耐熱合金は、各種難削材の中でも被削性が著しく
耗が進行しないが、切削速度が高くなり構成刃先が
惡い。被削性を低下させている材料特性としては、
生成脱落を繰り返すようになると溶着、制離、チッ
高温強度が大きい、加工硬化が生じやすい、工具材
ビングを起こすようになり、工具摩耗は急激に増大
料との親和性が高い、熱伝導率が低い等があげられ
する。
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Fi宮. 2 Wear progress curYes of tools on cutt in宮 lncone1 718
Feed 0.1Ⅲm/reY, D即th of cut 0.5mm, dry cutt ing
45
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Y.50^/訂n.T.5釘n
Photo.1 Wear pattern of tools on cutti昭 lnC飢e1 718
Feed:0.1mm/1'eY, Depth of cut:0.5mm, dry cU比 in8
46
実験の結果、工具摩耗の進行状態をみると、イン
コネルフ18切削においてはK I0工具が最も耐摩
界部の異常摩耗はほとんど発生せず、正常摩耗が主
体である。 T i Nコーティングは切削速度が25m
耗性に富んでおり、ついでT i Nコーティング、 P
/m inの低速度では境界損傷はほとんど発生しな
20、サーメット、 B セラミックの順となっている。
いが、 50m、 75mと速度があがれぱ、明瞭な境
K I0、 T i Nコーティングの場合は切削速度25
界損傷の発生がみられる。またサーメット、 Bセラ
ソクの場合は境界摩耗が非常に明瞭にあらわれて
m/'m inの低速度では、摩耗の進行は非常に緩や
ミ
かで長寿命を示すが、切削速度が50m、 75mに
いる。
なると、摩耗は急激に増大して工具寿命は著しく短
次に切削液の効果であるが、図8 は、 K I0、 T
くなる。工具寿命の観点からみると実用的には、切
iNコーティングエ具の切削液を使用した場合と使
削速度25m/m inあたりの低速度が適正条件と
用しなかっえ場合の工具摩耗の状況である。 T iN
思われる。サーメット、 B セラミックの場合は、図
コーティングの場合、切削速度50、 75m/m i
2にみられるように境界摩耗の発達が非常に顕著で
nでは幾分摩耗の進行が抑制されているが、長寿命
ある。また超耐熱合金の切削にはCBN焼結休が、
を示す切削速度25m/minではかえって摩耗
適するとする文献もあるが、今回は、切削速度50
(前逃げ面摩耗)の進行が早くなっている。またK
m/m in (ネガタイプ使用)についてしか行って
10の場合は全速度域で逆効果(特に前逃げ面摩耗
いないが、好結果は得・られなかった。
の進行が早くなっている。)となっており、切削液
の使用がかえって工具摩耗を助長させる結果となっ
写真1にそれぞれの工具の、寿命終了時の工具摩
耗の形態を示している。 K I0の場合は切り込み境
ている。
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Cutting t ime (m in)
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Cutti胎 ti肥(min)
Fi8. 3 Wear progress curves of tools on cuttln8 1ncone1 718
Feed
0.1皿m/reY, Depth of cut:0.5mm, dry and wet cutt ing
場合は、切削速度が25m/m 卜hの条件では、切
削時問が経過してもその粗さの値は殆ど一定で、切
3.2 加工面粗さ
図4は、各種工具を使用し允場合の、乾式、湿式
削開始直後の値を維持しており、 1.5 2μmの
切削における切削面粗さの時問的推移である。乾式
理論粗さに近い値が得られているが、 50m/'m i
切削では、KI0、TiNコーティング、P20の
n以上の速度では、摩耗の急、増と相関して、切削時
47
問の経過につれて粗きはしだいに大きくなっている。
またサーメット、 Bセラミックの場合は切御N寺闇の
式功削に比ベて前逃げ面摩耗の進行が大きくなって
おり、前切れ刃形状が加工面粗さがよくなる方向に
経過につれ、粗さは著しく惡くなる。
変化した、或いは摩耗進行により切れ味が鈍化して
バニッシング作用が働いたためと思われる。
K I0、 T i N コーティングを使用した場合の、
図5に乾式切削における、各種工具の切削開始時
湿式切削における切削面粗さは、切削速度が25m
と寿命終了時の粗さブロフィルを示す。
/m inの場合、両者とも切削時問30分あたりか
ら粗さ値が減小している。これは湿式切削では、乾
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(dry cuttlnι)
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Cutting t ime (m in)
Fi宮.4 Cutting r0昭hness curYes on cutting lncone1 718
Feed:0.1飢m/reY, Depth of cut:0.5mm, dry and wet cuttin8
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Feed:0.1mm/reY, Depth of cut:0.5mm, dry cuttinE
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3.3 切削抵抗
後に比ベると主分力、送り分力、背分力共かなり大
図6は、各種工具を使用した場合の乾式切削にお
きくなっている
0
ける切削開始直後と具寿命終了時の切削抵抗である。
切削抵抗は、工具寿命、加工変質層、仕上げ面粗さ
3.4 切込み及び送りの影磐
等に影饗を及ぼす。インコネルフ 18の切削では、
図7 は、 K I0工具で、切削速度25m/'m i n
力的には主分力が最も大きく、ついで背分力、送り
の条件で、送り或は切込みを変えた場合の工具摩耗
分力の順である。工具寿命終了時には、切削開始直
の状態である。
D O 0 0
4 3 2 1
XI0
インコネルフ 18切削では、切削速度が高くなる
Y.75a/mln
鞠 y三25m/mln y.50m加ln 10イー跿115
と工具摩耗は急激に増大し、工具寿命は著しく短く
なるが、図にみられるように送り或は切込みを大き
P F B
くしても、横逃げ面摩耗の進行は幾分早くなる(送
0
りょり切り込みの影饗がより大きい)が、それほど
T=90
T曽I T.6
T=0
T=1
極端な差は生じていない。送り、切り込みを大きく
Ⅲ ln
することで、それほど工具寿命を落とさずに切削能
率を高くすることができる。
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t iNe (min)
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1t
50
Flg.7 Wear progress curYe of Klo to01 0n cuttin宮
40
Incone1 718
30
Cutting speed:25m/min, Feed: Y日r, Depth of cut: V日r,
TiN-coat 20
dry cutting
10
0
杓 M
T*90
T=1
T=5
T=1
1=1.5
m ln
4.まとめ
以上、難削材料であるインコネルフ18の旋削実
即円
験を行い、その切削特性を羽ベ允。結果、下記の事
0
CBN
T=1
項が判明した。
T=1
T=5
インコ才、ルフ 18 の切削における工具寿命は、切
爪 ln
れ刃境界部又は切れ刃全域での凝着欠損に大きく支
F1宮.6 Cuttln宮 force on cuttin8 1ncone1 718
配されるので、工具材質としては、低い凝着活性と
Feed:0.1mm/rev, Depth of cut:0.5mm, dry cuttin8
高い靱性が要求される。今回実験した範囲では、 K
49
10、 T i N コーティングエ具が・切削速度25m/
m inの低速度領域では長寿命を示すが、 50m/
参考文献
min以上の速度では工具摩耗が急激に進行し工具
D 工業羽査会:難削材の切削加工技術、狩野勝吉著
寿命は著しく低下する。
2)北川武揚、前川克廣、久保昭彦:難削材のブラズ
マ加熱切削(第 1帳)、精密工学会誌、 53,1,(1
切削液の効果であるが、今回の実験ではエマルジ
987),78
,ンタイプの水溶性切削液を使用したが、かえって
3)竹山秀彦、飯島昇:耐熱合金の難削特性と、工具
工具摩耗を助長する結果となった。
の適応性に関する研究、精密工学会誌、郭,8,a
送り、切り込みの影揺であるが、切削速度25m
989),1481
/m inの低速度では、送り或いは切り込みを大き
4)大越諄、上原邦夫:高温切削に関する研究(第3
くしても、工具寿命はそれほど低下しない。
報)、精密機械、 26,フ, a96の,389
仕上げ面粗さは、 K I0、 T I Nコーティングエ
5)大越諄、上原邦夫:高温切削に関する研究(第4
具の場合、切削速度25m/m inでは、切削時間
報)、精密機械、 26,9,(196の,535
の経過による粗さの劣下はほとんどなく、切削開始
6)工業技術院、中国工業技術試験所:新種工具の切
時の粗さの値が持続され、 1.5 2μm程度の机
削性能に関する研究
さが持続する。
S加dy on 頁ach lnin8 0t ditticu lt-to-cut 賣8ter ials (Ⅲ)
Mach ln inE ot lncone1 718
M8Ch lne and Met81 DiYlsion
Hlr0員i N88akur8 and Hlrosl Ma加kU型a
ア0or mach in日b ility of heat-res istant an oys , espec i日 Hy , in v iew of too l H fe has great-
-1γ bec0肌e to be a ser ious prob lem in the 船Ch in iΠ8 0f 皿etals. 1n th is S加dy, cutt ing
tests h則巳 be飢 C日rr ied out M th slx k inds of too l mater ialS 加 inYest1卵te ad即t日bi H ty
Of too l mater ials for lncone1 718, which has especia11y poor mach lnab i H ty among the k inds
Of n icke l-b日Se super heat-r es ist日nt an oys , by assess ing the too l H fe, cutt ing roughness
and cutt i昭 force. on cutt ing lncone 1 718, adhesiYe fa Hure due to metal adhes ion at the
Cutt in8 ed8e is f8tal for the to01 1ife, therefore, the too l m日ter i日Is need to have low
adhess iYeness and h i8h toU宮hness. The resu lts of cutting tests have reYealed th日t in case
Of KI0 飢d TiN-C0日ted to01, at low cutti昭 Speed around 25 meter per minutes, the progress
Of tool wear ls Yery slow, so the tool Hfe is Yerγ 10nE, but at the speed aboYe 50 meter
Per minutes, too l we日r is Yery rap id, so the too l H fe very shorten, cuttlng status is
Yery st日b le at low cutt in8 Speed, and Yalue of cutt ing surf日Ce roughness is ne日r ly kept
betweeΠ 1.5 μ m and 2μ m from be套inn ing to end.
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