チタン合金の旋削加工技術

チタン旋削加工技術

要約：チタン合金は比重が小さいという特徴に加え、高い熱強度と優れた耐食性を備えており、航空、宇宙、化学工業など多くの産業で広く利用されている。しかし、チタン合金部品の旋削加工は極めて困難であり、加工効率も低い。本稿では、チタン合金の旋削加工対策について考察を行い、この用途が広く、加工が困難な材料をどのように加工すべきかについて、一定の参考となることを目指している。

キーワード：チタン合金材料加工工具材料切削工具の幾何学的パラメータ

中国図書分類番号はTG5、文献識別コードはA、記事番号は1672 – 3791で、2013年第4期a版に掲載されており、対応するページは0128 – 01です。

チタン合金は比重が小さいという特性に加え、高い熱強度や優れた耐食性を備えていますが、チタン合金部品の旋削加工は非常に困難であり、加工効率も低いのが現状です。では、チタン合金加工におけるこうした難点や効率の低さを、いったいどのように克服すればよいのでしょうか？ 我々は、旋削加工においてチタン合金の特性が及ぼす影響について研究・分析を行い、その結果、以下のチタン合金旋削加工戦略を導き出し、実際の加工において良好な成果を得ることができました。

1 チタン合金の種類と特性

1.1 チタン合金の種類

チタン合金とは、チタンを基材とし、他の元素を添加して構成される合金である。チタンには2種類の同質異晶体が存在し、882℃以下では密充填六方晶構造を示すαチタン、882℃以上では体心立方晶構造を示すβチタンとなる。 チタンのこれら2つの構造が異なるという特性を利用し、適切な合金元素を添加することで、異なる組織を持つチタン合金を得ることができます。基本組織に基づいて、αチタン合金、（α+β）チタン合金、およびβチタン合金の3種類に分類され、それぞれTA、TC、TBと表記されます。

1.2 チタン合金の特性

1.2.1 強度、熱強度が高い

チタン合金は密度が高いという特性を持つと同時に強度も高いため、その比強度、すなわち強度と密度の比は、他の金属構造材料をはるかに上回っています。チタンの融点は166℃で、高い熱強度を有しており、550℃以下の環境下で使用可能です。

1.2.2 耐食性に優れている

500℃以下の温度条件下にあるチタン合金では、チタン合金という物質は緻密な酸化膜を形成しやすいため、それ以上の酸化の影響を受けにくい。点食、酸腐食、応力腐食に対しては特に強い耐性を示し、アルカリ、塩化物、塩素系有機物、硝酸、硫酸などの各種物質に対しても、極めて優れた耐食性を備えている。

1.2.3 熱伝導率が小さく、弾性係数が小さい

チタン合金の熱伝導率は、平均して工業用純チタンの熱伝導率の半分であり、その弾性係数は鋼の弾性係数の約半分で、弾性係数が小さいという特徴を備えている。

1.2.4 化学活性が高い

チタンの化学活性は非常に高く、大気中のO、N、H、水蒸気、アンモニアなどと激しい化学反応を起こします。炭素含有量が0.2%を超えると、チタン合金中に硬質のTiCが形成され、温度が高い場合には、 窒素と反応してTiNの硬質表層が形成されるほか、水素含有量が増加すると脆化層も形成される。チタンの化学親和性も高く、摩擦面との間に付着現象が生じやすい。

2. チタン合金の切削加工に影響を与える要因

（1）熱伝導率が低い状態にあるため、放熱条件が良好ではなく、その結果、切削時の温度が上昇し、工具の摩耗が加速し、最終的にその寿命が短くなる。

（2）温度が600℃以上に上昇すると、酸化層が形成されるが、この酸化層は切削工具に対して極めて強い摩耗作用を及ぼす。

（3）チタン合金は弾性係数が小さいため、加工中に半径方向の力が加わると、曲げ変形が生じやすくなり、その結果、振動現象を引き起こす。これにより、切削工具の摩耗が激しくなるほか、被削物の精度にも影響を及ぼす。

（4）チタンは化学活性が高いため、高い切削温度下では、接触する金属と容易に親和性を示し、凝着や拡散現象を引き起こし、ひいては工具の摩耗を加速させる。

3 チタン合金材料の切削加工における一般的な原則

チタン合金の特性や、切削加工中に生じる問題を踏まえ、加工にあたっては以下の点を考慮する必要がある：

（1）切削速度は高すぎないようにすべきである。実験によると、切削速度が高くなればなるほど切削温度も上昇し、これが工具の摩耗や寿命に直接影響を及ぼすことが示されている。したがって、適切な切削速度を選択する必要がある。

（2）切削深さを比較的大きく設定できる。切削深さが切削温度に及ぼす影響は比較的小さいため、切削速度を適切に選択することを前提として、切削深さを可能な限り大きくすることで、工具の刃先を硬化層の下で切削させることができ、ひいては工具の耐用度を向上させることができる。

（3）加工システムは十分な強度を備えていなければならず、工作機械の主軸はクリアランスが小さく、振れもごくわずかである必要がある。また、十分な強度を維持するため、工具の突出長さは長すぎないようにし、治具の締め付け力は適度で、変形を防ぐために過大になってはならない。

（4）チタン合金は加工工程において温度がかなり高くなり、 化学活性も強いため、微量切削を行う際に燃焼が生じやすいため、十分な冷却液を供給する必要があり、かつ十分な切削液を供給しなければならない。一般的に使用される切削液には、エマルジョンや極圧水溶性切削液などがある。

4 切削工具の材質、幾何学的パラメータおよび切削条件の選定

4.1 切削工具の材料の選定

チタン合金は熱伝導率が低いという特性を持つほか、塑性も低く、加工硬化などが生じやすいため、チタン合金の切削加工を行う際には、切削温度の低減と付着の抑制という2つの側面からアプローチし、耐熱性が良好で、 曲げ強度が比較的高く、熱伝導性能に優れ、チタン合金との親和性が低い切削工具材料を選定すべきであり、通常は超硬合金製の切削工具が選ばれる。一般的に使用される超硬合金工具材料には、YG8、YG3、YG8W、YG10H、YG6A、YS2T、YGRM、YD15などがある。

（1）加工が粗加工の段階にある場合は、YG8、YG8W、YG10H、およびYG6Aなどを選択すべきである。

（2）仕上げ加工では、切削量が小さいため、YG8WやYD15などを選択することができる。

4.2 切削工具の幾何学的パラメータおよび切削条件の選定

外径旋削用刃物を例に挙げると。

荒加工の場合、前角の選択範囲は3°から7°、後角は8°から15°とし、刃先の円弧半径は0.5～1.0mmとする。切削速度は25～38m/min、切削深さは3～5mm、送り量は0.3～0.5mm/rに設定する。

仕上げ加工を行う際、前角の範囲は10°から15°、後角の範囲は8°から15°とされ、刃先円弧には特定の半径が設定されており、その範囲は0.3～0.5mmである。切削速度は具体的には50～75m/min、切削深さは0.2～0.5mmと規定されており、送り量は0.1～0.15mm/rである。

4.3 その他のパラメータの選択

（1）0.05～0.1mmの負の面取りを施し、切削刃の強度を高める。

（2）粗旋削を行う際、刃先傾斜角λの許容範囲はマイナス3度からマイナス5度であり、一方、仕上げ旋削を行う際の刃先傾斜角λの許容範囲はマイナス3度から0度の範囲となる。

5 チタン合金の旋削における注意事項

（1）チタン合金の弾性係数は小さいため、加工時のワークのクランプ変形や荷重による変形が大きくなり、これがワークの加工精度の低下を招く。そのため、ワークを取り付ける際のクランプ力は過度に強くしすぎず、必要に応じて補助支持を追加することができる。

（2）外径旋削を行う際、工具の刃先がワークの中心位置より高くなってはならない。これにより、「突き刺し」と呼ばれる現象の発生を防ぐことができる。

（3）水素を含む切削液を使用してはならない。やむを得ず水素を含む切削液を使用する場合は、安全対策を講じなければならない。また、切削後は速やかに、塩素を含まない洗浄剤を用いて部品を徹底的に洗浄しなければならない。

（4）薄肉ワークの旋削や仕上げ加工を行う際、切削工具の主切り角は小さくなりすぎないようにする。

（5）洗浄後のチタン合金部品は、塩による応力腐食を防ぐため、油脂や指紋による汚染を防ぐ必要がある。

6 結論

チタン合金の特性が旋削加工に及ぼす影響を総合的に考慮すると、チタン合金の旋削加工を成功させるためには、 適切な切削工具材料の選定、適切な切削工具の幾何学的パラメータの選択、可能な限り低い切削速度、大きな切削深さおよび送り量の採用、そして十分な冷却液の供給が鍵となり、最終的に良好な加工結果が得られることになる。