チタン合金、独自の利点により、航空、航空宇宙、医療などの分野で重要な役割を果たしています。近年では、3C 家電分野でも登場しており、いくつかのベストセラー-ハイエンド スマートフォン-の本体や構造コンポーネントに使用されています。
チタン合金は、軽量、高強度、魅力的な仕上げなどの性能面での利点を備えており、スマートフォンの美的デザインを向上させ、重量を大幅に軽減します。これらは家電材料の革新における主要なトレンドになることが期待されています。しかし、チタン合金の加工の難しさは、エンジニアや技術者にとって長年の課題となってきました。
チタン合金の加工における課題
1. 温度濃度
ほとんどのチタン合金の熱伝導率は非常に低く、{0}鋼の 1/7、アルミニウムの 1/16、銅の 1/25 です。その結果、切断プロセス中に発生する熱は容易に放散されず、切断ゾーンに集中します。刃先の温度は 1,000 度まで上昇する可能性があり、工具の急速な摩耗、亀裂、切りくずの蓄積につながり、工具寿命が短くなります。
高い切削温度が刃先に集中するため、熱の放散が困難になり、工具の急速な摩耗が発生します。これらの高温はまた、チタン合金部品の表面の完全性を損ない、幾何学的精度を低下させ、加工硬化を誘発して疲労強度を大幅に低下させます。
2. 弾性変形
チタン合金の弾性率は比較的低いです。たとえば、TC4 の弾性率はわずか 110 GPa ですが、45 鋼の弾性率は 210 GPa、303、304、316 などのステンレス鋼の弾性率も約 200 GPa です。チタン合金を加工する場合、特に薄肉またはリング状の部品を加工する場合、弾性変形が発生する可能性があります。-機械加工中に、薄肉部品の局所的な変形が弾性限界を超え、その結果、塑性変形が発生し、切断点での材料の強度と硬度が大幅に増加します。
切削圧力によりワークピースは弾性変形と反発を起こし、工具とワークピース間の摩擦が増加し、追加の熱が発生し、チタン合金の熱伝導率の低さの問題が悪化します。
3. 高い親和性
チタン合金は親和性が高いため、旋削や穴あけ時に長く連続した切りくずが発生しやすくなります。これらの切りくずが工具に巻きつき、その機能が損なわれる可能性があります。過度の切込み深さは、工具の固着、焼き付き、破損を容易に引き起こす可能性があります。
この親和性は多くの分野で非常に価値があります。たとえば、イオン ポンプでは、チタンが陰極板として使用されます。チタン原子が陽極管の内壁にスパッタリングされると、チタン原子がガス分子を吸着し、超高真空環境を作り出します。-
4. 振動
チタン合金の弾性は部品の性能には有利ですが、切断プロセス中には振動の主な原因となります。チタン合金の加工時に発生する振動は鋼の10倍です。切削熱が切削ゾーンに集中するため、ギザギザの切りくずが発生し、切削能力の変動につながります。
チタン合金の加工が難しい--場合の対策
1. 冷却
クーラントを使用して、高い切削温度を下げます。一般に、不溶性油ベースのクーラントは低速、重負荷の切削に適しています。一方、可溶性の切削クーラントは高速切削に適しています。-
さらに、液体窒素 (-180 度) や液体 CO₂ (-76 度) を切削液として使用するなど、低温切断方法を使用することもできます。{0}}これにより、切削ゾーンの温度が効果的に低下し、表面仕上げが改善され、工具寿命が延長されます。
2. 適切な切削工具の選択
適切な切削工具を選択すると、加工効率が大幅に向上します。チタン合金の熱は、鋼の場合のように切りくずを通してではなく、主に刃先とクーラントを通して放散されるため-、刃先のごく一部は極度の熱応力や機械的応力に耐える必要があります。-鋭い切れ刃を維持することで切削抵抗が軽減されます。
さらに、研磨されたフルートを生成する研削技術と、ハイポジすくい角の刃先交換式インサートの使用も、切削圧力の低減に役立ちます。
必要に応じて、合金の粘着性を軽減し、過度に長い切りくずを粉砕するために、コーティングされた切削工具を使用することもできます。これにより、切りくず排出時の摩擦が軽減されるだけでなく、加工中に発生する熱の制御にも役立ちます。
3. 一定の送り速度を維持するか、送り速度を上げる
チタン合金は機械加工中に加工硬化しやすいです。つまり、切削中に硬度が増加し、工具の摩耗が促進されます。したがって、加工硬化を最小限に抑えるには、一定の送り速度を維持することが重要です。
もちろん、装置の能力が許せば、送り速度を上げてみることもできます。そうすることで、工具が加工ゾーンで費やす時間が短縮され、熱の蓄積と加工硬化の可能性が最小限に抑えられます。
4. 切断速度を下げる
発熱を抑えるため、チタン合金を加工する場合は、鋼の切削速度の 3 分の 1 以下の切削速度を使用してください。{0}}
5. プロセスに基づいてツールを選択する
チタン合金を加工する場合、セラミック、炭化チタン、窒化チタンのコーティングが施された工具は工具寿命が比較的短くなります。一般に、大量のチタン合金の機械加工には、焼入れ鋼工具が推奨されます。少量生産には、高速超硬工具が適しています。{{3}
現在、工具とワークとの接触時間を短縮することで工具寿命を延ばすことを目的とした超音波加工技術の開発が進められています。
6. 高剛性の工作機械を使用する-
-チタン合金の加工を成功させるには、高剛性の工作機械が不可欠です。チタン合金用の理想的なフライス盤は、剛性が高く、切削プロセス中の振動を吸収しびびりを軽減するために、低速かつ高トルクで動作できるスピンドルを備えている必要があります。
7. 定期的な清掃
加工結果に影響を与える可能性のある切りくずの蓄積を防ぐために、加工装置と切削工具を定期的に清掃してください。
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