なぜチタンは加工が難しい材料なのですか？

チタン加工の物理現象

チタン合金の切削抵抗は、同じ硬度の鋼よりもわずかに高いだけですが、チタン合金加工の物理現象は鋼加工よりもはるかに複雑で、チタン合金加工は非常に困難です。

ほとんどのチタン合金の熱伝導率は非常に低く、鋼の1/7とアルミニウムの1/16しかありません。そのため、チタン合金の切削工程で発生した熱がワークに伝わったり、切りくずに奪われたりすることなく、切削領域に集まり、発生温度が1000℃以上にもなり、切削が可能工具の刃先が摩耗し、亀裂が発生し、切りくずが急速に発生します。また、摩耗した刃先が急速に現れ、切削領域が発熱し、工具の寿命がさらに短くなります。

切削工程で生成される高温は、同時にチタン合金部品の表面の完全性を破壊します。これにより、部品の形状精度が低下し、加工硬化現象が発生して、疲労強度が大幅に低下します。

チタン合金の弾性は、部品の性能に有益な場合がありますが、切削加工では、加工物の弾性変形が振動の重要な原因となります。切削圧力により、「弾性のある」加工物が工具から離れて跳ね返り、工具と加工物間の摩擦が切削効果よりも大きくなります。摩擦プロセスでも熱が発生し、チタン合金の熱伝導率が低いという問題が悪化します。

薄肉またはリング状の部品を加工する場合、この問題はさらに深刻になります。チタン合金薄肉部品を期待される寸法精度に加工することは容易ではありません。カッターで被削材を押し出すと、薄肉部の局部変形が弾性域を超えて塑性変形し、刃先の材料強度や硬度が大幅に向上します。このとき、もともと決められていた切削速度では、加工が速くなりすぎ、さらに工具摩耗が激しくなります。

難加工チタン合金の「犯人」は「熱」！

チタン合金加工の技術ノウハウ

チタン合金の加工メカニズムとこれまでの経験を踏まえ、チタン合金加工の主なノウハウは以下の通りです。

（1）正の角度の形状のブレードを使用して、切削抵抗、切削熱、およびワークピースの変形を低減します。

（2）ワークの硬化を防ぐため、一定の送りを維持してください。切削加工中、工具は常に送り状態になっている必要があります。ラジアル切削量AEは、半径の30%としてください。

（3）高圧で大流量の切削液を使用して、機械加工プロセスの熱安定性を確保し、高温による表面の変質や工具の損傷を防止します。

（4）刃先を鋭利で鈍い状態にすると、蓄熱や摩耗の原因となり、工具の故障につながりやすくなります。

（5）できるだけ軟らかいチタン合金の状態で加工できます。硬化後の加工が難しくなるため、熱処理により素材の強度が向上し、刃の摩耗が大きくなります。

（6）大きなチップ半径または面取りを使用して切り込み、より多くのブレードを切り込みに入れます。これにより、各ポイントでの切削力と熱を低減し、局所的な損傷を防ぐことができます。チタン合金のフライス加工では、切削速度が工具寿命VCに最も大きく影響し、次にラジアルカット（フライス加工深さ）AEが続きます。

チタン加工の問題を解決するためにブレードから開始

チタン合金加工におけるブレードの溝摩耗は、切削深さ方向に沿った前後の局部的な摩耗で、前の加工で残った硬化層が原因であることが多いです。 800 ℃を超える加工温度での切削工具と被削材の化学反応と拡散も、溝摩耗の形成の原因の 1 つです。機械加工の過程で、ワークピースのチタン分子がブレードの前に蓄積し、高圧および高温下でブレードに「溶接」し、切り屑付着腫瘍を形成するためです。チップ付着物がブレードから剥離すると、ブレードの超硬コーティングが剥がれます。そのため、チタン合金の加工には特殊な刃材と形状が必要となります。

チタン加工に適した工具構造

チタン合金加工の焦点は熱です。大量の高圧切削液を適時かつ正確に刃先にスプレーして、熱をすばやく取り除きます。チタン合金加工専用のフライスの独特の構造が市販されています。