工具摩耗のパターンと最適化方法
機械加工で最も一般的な工具摩耗パターンを特定する方法、一般的な原因、および工具寿命を最大化するために可能な限り最善の方法でそれらを制御する方法を学びます。クレーター摩耗、フランク摩耗、ノッチ摩耗などの摩耗パターンについて説明します。
フランク摩耗は、最も望ましい工具摩耗状態です。フランク摩耗と達成可能な工具寿命との間に明確な関係を提供しながら、かなり予測可能で信頼性があります。ただし、あまりにも急速に発生するフランク摩耗（古典的なフランク摩耗に似ていますが、非常に短時間で発生します）は問題になる可能性があります。
フランク摩耗はいつ発生しますか？
低い切削速度では、フランク摩耗の主な原因は摩耗と侵食です。炭化物の硬い微視的な介在物やひずみ硬化した被削材の粒子が、切削工具に食い込みます。その後、コーティングの小さな破片が剥がれ落ち、工具面に食い込みます。コバルトは最終的にマトリックスから摩耗します。これにより、炭化物粒子の付着力が低下し、それらも剥がれ落ちます。
より高い切削速度では、より高い切削速度が切れ刃でより高い温度を発生させるため、拡散摩耗がフランク摩耗の主な原因です。したがって、拡散が起こりやすい条件が作られます。
フランク摩耗は、工具の切れ刃に沿った比較的一様な摩耗に似ています。時折、被削材の金属が切れ刃に付着し、摩耗痕の見かけの大きさを誇張することがあります。
フランク摩耗は、あらゆる種類の被削材を加工するときに現れ、他の種類の摩耗で先に破損しない限り、切れ刃は通常フランク摩耗によって破損します。
フランク摩耗を最小限に抑えるための是正措置
フランク摩耗を最小限に抑えるためのいくつかの是正措置は次のとおりです。
- 切削速度を下げる（場合によっては送りを上げることも役立ちます）
- より耐摩耗性の高い、より硬い超硬材種を選択する
- クーラントを正しく塗布する
クレーター摩耗分析
クレーター摩耗は、拡散と分解（より高い切削速度）および研磨摩耗（より低い切削速度）の組み合わせです。被削材の切りくずからの熱は、下地の炭化タングステン粒子を分解し、炭素が切りくずの中に浸出します（拡散）。これにより、インサートのすくい面に「クレーター」が摩耗します。クレーターは最終的に、インサートのフランクを欠けさせたり、急速なフランク摩耗を引き起こしたりするのに十分な大きさになります。
クレーター摩耗は、インサートのすくい面にクレーターまたはピットの形状/外観を呈します。クレーター摩耗は、例えば鋳鉄などの研磨性の被削材や、例えば鍛造品などの硬い表面を持つ被削材を加工する場合に主に見られます。
クレーター摩耗を最小限に抑えるための是正措置
クレーター摩耗を最小限に抑えるには、次のことを行うのが最善です。
- 例えば、酸化アルミニウムの厚い層を含むコーティングを使用する
- クーラントを塗布する
- 熱を低減するフリーカット形状を使用し、
- 切削速度と送りを下げるため
構成刃先分析
構成刃先（BUE）は、切れ刃に圧接された被削材の付着によって引き起こされます。これは、切削領域に化学的親和性、高圧、および十分な温度がある場合に発生します。
最終的に、構成刃先は剥がれ落ち、切れ刃の破片を伴って、チッピングや急速なフランク摩耗につながります。
いつ発生しますか？
構成刃先は、切れ刃の上部または側面の光沢のある材料部品のように見えます。それらは、工具のすくい面に小さなピットやクレーターを生じさせ、最終的には切れ刃のチッピングにつながります。構成刃先は、通常、非鉄材料、超合金、ステンレス鋼などの粘着性のある材料や、より遅い切削速度と送りを伴う操作中に発生します。
構成刃先を防ぐための是正措置
構成刃先の摩耗を防ぐには、
- 切削速度および/または送り速度を上げる
- より鋭い形状とより滑らかなくい面を持つインサートを選択する
- 濃度を上げてクーラントを正しく塗布する
チッピング摩耗分析
チッピングは、切削材の機械的不安定性または亀裂によって引き起こされます。切れ刃のチッピングは、多くの場合、被削材や工作機械、または工具自体の振動の結果です。被削材の表面にある硬い介在物や断続切削は、亀裂やチッピングを引き起こす可能性のある局所的な応力集中をもたらします。
チッピングは、切れ刃から欠けた小さな破片のように見え、剛性のない状況でよく見られます。硬い粒子を含む被削材（例えば、析出硬化被削材）も、切れ刃のチッピングを引き起こします。
チッピング摩耗を最小限に抑えるための是正措置
是正措置には以下が含まれます：
- 適切な工作機械のセットアップ
- たわみを最小限に抑える
- より強靭な超硬材種とより強力な切れ刃形状を使用する
- 送りを減らし（特に切り込みの入口または出口で）、切削速度を上げる。（構成刃先の解消対応対策も参照してください。）
熱亀裂分析
熱亀裂は、以下の組み合わせによって引き起こされます。
- 熱負荷（切削領域の高温）
- 熱変動または勾配（切れ刃の温度変化）
応力亀裂は切れ刃にほぼ垂直に発生し、最終的に炭化物の部分が引き抜かれ、刃が欠けます。熱亀裂は、主にフライス加工や断続旋削で観察されます。断続的なクーラントの流れも熱亀裂につながる可能性があります。
熱亀裂を最小限に抑えるための是正措置
いくつかの是正措置は次のとおりです。
- クーラントを正しく塗布する
- より強靭な超硬材種を選択する
- 切削速度と送りを下げる
- 熱を低減するフリーカット形状を使用する
- 別の加工方法を検討する（切り込み時間/切り込み時間外の比率）
塑性変形分析
熱過負荷が塑性変形の主な原因です。過度の熱により、超硬バインダー（コバルト）が軟化します。その後、機械的過負荷により、切れ刃にかかる圧力によって先端が変形または垂れ下がり、最終的に破損したり、急速なフランク摩耗につながったりします。
塑性変形は、変形した切れ刃のように見えます。塑性変形は切れ刃のフランク摩耗と非常によく似ている可能性があるため、注意深い観察が必要です。
いつ発生しますか？
切削温度が高く（高い切削速度と送り）、被削材の強度が高い（硬鋼またはひずみ硬化表面および超合金）場合に塑性変形が予想されます。
塑性変形を防ぐための是正措置
いくつかの是正措置は次のとおりです。
- クーラントを正しく塗布する
- 切削速度と送りを下げる
- より大きなノーズ半径を持つインサートを使用する
- より硬く、より耐摩耗性の高い超硬材種を選択する
ノッチ摩耗分析
ノッチ摩耗は、被削材の表面が下地材よりも硬いか、研磨性が高い場合に発生します。これは、以前の切削中の表面硬化（ステンレス鋼や超合金などのひずみ硬化材料）によるものであるか、表面スケールのある鍛造または鋳造表面から発生する可能性があります。これらすべてが、切れ刃が硬い層に接触する点で、切れ刃をより急速に摩耗させます。この局所的な集中応力は、ノッチ摩耗にもつながる可能性があります。どうしたの？圧縮応力は、被削材と接触している切れ刃に沿って発生しますが、切れ刃が接触していない場所では発生しません。これにより、2つが直接接触する点（切り込み深さ線）で切れ刃に高い応力が発生します。 被削材の硬い微小介在物やわずかな中断など、あらゆる種類の衝撃もノッチ摩耗を引き起こす可能性があります。
ノッチ摩耗を防ぐための是正措置
いくつかの是正措置には以下が含まれます。
- 複数のパスを使用する場合は、送り速度を下げ、切り込み深さを変える
- 高温合金を加工する場合は切削速度を上げる（これによりフランク摩耗が増加します）
- より強靭な超硬材種を選択する
- 特にステンレス鋼や耐熱合金で、構成刃先を防ぐために必要な高送りのための切りくず処理形状を使用する
チップハンマリング分析
チップハンマリングは、切りくずがカールして切れ刃の未使用部分に当たる現象です。切り込みに入っていない切れ刃（または切れ刃の一部）の破損が結果となります。これが発生するリスクは、高送りと深い切り込み深さの組み合わせを伴う操作で大きくなります。
チップハンマリングを防ぐための是正措置
チップハンマリングを修正するには、
- 送り速度と切り込み深さを変更する
- 別の切れ刃角度を選択する
- 別の切りくず処理形状を使用する
- より強靭な超硬材種を使用する
切れ刃破損
基本的な工具摩耗パターンの概要には、切れ刃の破損も含まれている必要がありますが、破損自体は摩耗パターンとは見なされません。切れ刃の壊滅的な破損は、工具摩耗パターンではなく、工具を誤って使用したことによって引き起こされる望ましくない危険な現象です。切れ刃が破損するということは、切れ刃に作用する機械的負荷が大きすぎて耐えられないような切削条件を選択したことを意味します。
刃先破損を防ぐための是正措置
切削条件（主に切り込み深さと送り）の低い値から始めるか、より強力な切れ刃（より強靭な超硬材種またはより強力な形状）を選択してください。
また、前述の摩耗パターンの1つが拡大し、切れ刃が作用する荷重に耐えられなくなるほど弱くなった可能性もあります。このような場合は、早めに新しい切れ刃に交換することで破損を防ぐことができます。
ソリッドエンドミルで加工する際の最も一般的な工具摩耗パターンを発見する
工具摩耗の兆候
摩耗の説明は、工具摩耗の視覚的な側面に集中しています。それに加えて、切れ刃が摩耗しているときに観察できる他の現象があります。これらは、工具が摩耗しており、交換の準備ができている可能性があることを示している可能性があります。
- 切削工具の突然の破損。これは、切削工具の交換時期が来たことを知らせる非常に不快な方法です。切れ刃がどのように劣化するかに影響を与える要素は非常に多いため、すべてを考慮に入れることは必ずしも現実的ではなく、場合によっては切れ刃の破損につながる可能性があります。
工具の破損が体系的に発生する場合は、操作を停止して完全に評価する必要があります。体系的な工具の破損は、切れ刃に作用する荷重と工具の耐荷重能力との間に不均衡があることを示します。切削抵抗を下げるか、より強力な切れ刃を選択する必要があります。
- 爪のテストは、切れ刃の状態を評価するための最も簡単なテストの1つです。構成刃先や切れ刃のマイクロチッピングは肉眼では見えない場合がありますが、爪で確実に感じることができます。操作中は、構成刃先とチッピングを最小限に抑える必要があります。
- 加工中の騒音レベルの変化は、工具が摩耗していることを示している可能性があります。鋭い高周波ノイズは、切削条件が悪いことを示します。
- 加工中に形、形状、または色が変わる切りくずは、工具の摩耗の進行などにより、切れ刃の形状が変化していることを示すもう1つの兆候です。
- 加工面の表面粗さが低下すると、切れ刃を交換する時期（工具寿命の終わりに達した）であることを知らせる信号にもなります。
- 消費電力の増加または振動傾向。
工具の摩耗を特定するのに助けが必要ですか？
工具の劣化とは、切削工具の状態がますます悪化し、徐々に工具が期待どおりに機能する能力を失うプロセスです。工具の劣化は、経年摩耗、破損などの突然の衝撃現象、および被削材と切削材の間の化学的相互作用として発生します。
経年摩耗とは、固体状態の接触にある2つの固体表面の一方または両方から材料が除去されるに至る進行性の表面損傷のプロセスであり、これら2つの固体表面が圧力と温度の環境条件で滑りまたは転がり運動接触にあるときに発生します。
この基本的な単一工具摩耗パターンの概要は、機械工にとって形状や開発のペースで受け入れられない工具摩耗に対処するための基本的な解決策を提供します。
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