摩擦摩耗解析
金属切削工具の用途と加工時に発生する負荷に関する連載の4回目です。最初の記事では、金属切削の基本的な概念と、旋削加工における工具の形状、送り速度、機械的負荷の関係に焦点を当てました。次の2つの記事では、フライス加工における機械的負荷と熱的負荷について分析しました。この記事では、切削負荷解析の比較的新しい分野である摩擦学の理論を通じて、切削チップと工具の相互作用について説明します。摩擦学は、ある温度と圧力において、互いに接触している表面がどのように相互作用するかを研究するものです。はじめに
金属切削工具の用途と加工時に発生する負荷に関する連載の4回目です。最初の記事では、金属切削の基本的な概念と、旋削加工における工具の形状、送り速度、機械的負荷の関係に焦点を当てました。次の2つの記事では、フライス加工における機械的負荷と熱的負荷について分析しました。この記事では、切削負荷解析の比較的新しい分野である摩擦学の理論を通じて、切り屑と工具の相互作用について説明します。摩擦学は、ある温度と圧力において、互いに接触している表面がどのように相互作用するかを研究するものです。
ツールウェア理論
金属の切削加工では、工具が被削材を変形させ、切り屑として排出させます。この変形過程で熱と圧力が発生し、その負荷によって工具は摩耗や破損を起こす。従来の摩耗理論では、切屑と工具は接触しているが、くっついてはいないため、摩擦によって故障が起こるとされていました。
しかし、切削工具の故障メカニズムに関する最近の研究では、金属切削、特に高性能な被削材を加工する際に発生する圧力と温度は、従来の摩耗理論ではチップと工具の界面で発生する現象を十分に説明できないことが判明しています。
摩擦学の研究により、切削加工は単に1回の加工で切り屑と工具が切り離されるわけではないことが分かってきました。実際には、二次的、三次的な結合と切断も起こっているのです。切屑は剪断され、すくい面に付着し、また剪断され、最終的に工具から滑り落ちます。主な摩耗メカニズムは、摩擦ではなく、剪断の繰り返しです。
図1と図2は、摩擦学によって説明された金属切削のプロセスを示している。図1は、ゾーン5における被削材の予備的な変形を示したものです。ゾーン3は分離領域であり、この領域での被削材と工具の相対的な動きは実質的にゼロであるため、停滞点とも呼ばれます。1次せん断領域では、最初にせん断が行われ、材料がせん断され、切り屑が形成されます。次に、二次剪断領域2で、切り屑がすくい面に接触する。高い圧力により、切り屑は工具のすくい面に付着します。
図2は、ゾーン2での動作を詳しく示したものです。Aゾーンでは、被削材が非常に強い力で切れ刃に押し付けられ、工具に付着し始めます。Bゾーンでは、被削材がすくい面に付着しています。Cゾーンでは、切りくずがすくい面から離れ、すくい面を滑って工具との接触が終了します。
図1は、ゾーン4での工具側面での二次加工も示しています。第2ゾーンで発生したすくい面上の剪断と付着のシーケンスは、逃げ面上でも発生します。ゾーン4では逃げ面摩耗が発生するが、これはゾーン2のすくい面摩耗よりも予測しやすく、比較的無害です。しかし，被削材によっては，逃げ面におけるせん断によって表面硬 化や加工硬化が生じ，切削工具や被削材に悪影響を及ぼすことがあります。
刃先の構成とは
工具のすくい面への被削材の付着は、最初は薄い層から始まり、さらに層が積み重なるように付着していきます。この現象は、ビルドアップエッジと呼ばれる負の現象につながることがあります。工具に大量の材料が蓄積されると、切れ刃の形状が変化することがあります。また、蓄積された材料が折れて刃先が損傷することもあります。さらにひどい場合は、刃先が被削材に付着してしまうこともあります。これらの状況のいずれか、またはすべてにおいて、刃先の蓄積は切削加工を予測不可能で制御不能なものにしてしまう恐れがあります。摩擦学の主な焦点は、刃先の蓄積を引き起こす原因と、その問題を最小限に抑えるために何ができるかを知ることです。
切削加工における2つの側面が、すくい面への切りくずの付着に関係しています。1つは、切削領域が非常に高い圧力と温度であることです。もう1つは、工具のすくい面を通過する切りくずの速度が比較的遅く、停滞点での動きがゼロから始まることです。2つの材料が高い圧力と温度で接触し、ゆっくりと動くと、互いに付着し、エッジが形成されやすい条件が揃います。
付着やビルドアップエッジの発生を抑えるには、切り屑とすくい面の接触時間を短くする必要がある。最も簡単な方法は、切削速度を上げ、切れ味の良い工具を使用することである。切削速度を速くすると、工具と被削材が接触している時間が短くなります。その結果、加工温度が高くなり、エッジの強度を低下させたり、エッジを完全に除去したりすることができます。鋭利な工具は、切り屑が一定時間内に長い距離を移動するように、つまりより速く移動するように、高いアプローチアングルを有しています。
物質的傾向
近年、摩擦学が注目されているのは、20年前にはあまり加工されていなかった被削材で、ビルドアップエッジが発生する可能性が非常に高くなったからです。例えば、高炭素鋼のような身近な材料では、ビルドアップエッジ現象は発生するが、重大な問題にはなっていません。正しい加工パラメータを適用することで、一般的に凝着を排除し、ビルドアップエッジを防止することができます。また、鋳鉄のような極端にチッピングの短い材料では問題は起こりにくくなっております。一方、長い切り屑の材料では、切り屑と工具の接触時間が自動的に長くなり、両者の間に固着が発生する危険性が高くなります。低炭素鋼やアルミニウムなどの材料を加工する場合、ビルドアップエッジが発生する可能性が高くなります。
ビルトアップエッジは、延性が高く、付着しやすく、摩耗しやすい材料を加工するときに最も多く発生します。例えば、チタン、ニッケルベース合金、耐熱金属などの航空宇宙産業やエネルギー産業の材料が挙げられます。さらに、熱伝導率の低いこれらの強靭な合金を加工する際には、高い圧力と温度が発生し、エッジビルドアップを促進する要因となっています。また、一般的にこれらの材料の切削速度は平均よりも遅いのが普通です。
切削速度と工具の切れ味を最大限に高めることに加えて、工具の表面状態に着目した刃先の盛り上がりを抑制するアプローチがあります。意外なことに、このテーマには本質的に対立する2つの考え方があります。1つは、工具の表面が滑らかであれば、切り屑が工具の表面を滑るときに発生するエネルギーが少なくて済むという考え方です。温度が低く、接触が少なければ、刃先が盛り上がる傾向が少なくなります。これとは逆に、工具の表面が粗く、ミクロン単位の凸凹があると、切りくずとすくい面の接触が少なくなり、溶着が起こりにくくなるという考え方もあります。どちらのアプローチも完全に証明されているわけではなく、状況によってはどちらかが効果的である場合もあります。
おわりに：摩擦学による進歩
摩擦学の研究や理論、ビルドアップエッジ（サイドバー参照）などの問題に対処するために開発されたプロセス技術や工具技術は、顧客の要求を満たす加工面品質を作り出すという目標に焦点を合わせています。寸法や形状の要件に次いで、表面粗さが部品の品質として定義されることが非常に多くなっています。特に航空宇宙と原子力のアプリケーションでは、機械加工の欠陥が重要な航空機や発電部品の亀裂の原因となることがあるため、表面仕上げが最優先される。
エッジが蓄積されると、表面仕上げが悪くなり、工具を頻繁に交換する必要が生じます。摩擦学研究などの努力により、ビルトアップ・エッジの発生と影響を抑えることができるようになりました。この進歩は、性能に対するコストという観点から定量化することができます。具体的には、正しく加工されたワークの表面を1平方ミリメートル生成するために、どれだけのコストがかかるかということです。過去5年間で、チタンの仕上げ加工におけるコスト・パフォーマンス比は20倍近くも改善されました。この成功には、切削工具材料と工具形状の進歩が寄与していますが、最も重要なのは、この2つを慎重に組み合わせて開発したものです。工具の使用に関わるトライボロジーメカニズムを知ることで、機械加工者は、ビルドアップエッジなどの現象を制御し、望ましい表面仕上げを低コストで実現し、生産性と収益性を最大化することができます。
トライボロジー的知見の応用
工具の技術者は、摩擦学の研究成果を工具や加工プロセスの開発に応用している。加工面では、高い切削速度と鋭い切れ刃の形状を適用することで、多くの状況で作り刃の形成を抑制することができます。また、ポジティブレーキ工具などの工具形状を選択することで、被削材を加工物から遠ざけることができます。
工具コーティングは、被削材の切削工具への付着を低減する方法として実績がある。鉄鋼加工ではTiNなどの潤滑性コーティングが、アルミニウム加工ではダイヤモンドコーティングが、切り屑の流れを良くするために従来から使用されています。
最近の開発では、刃先の摩耗を最小限に抑えるというコーティングの役割に重点を置いています。例えば、セコの最新世代のCVD酸化アルミニウムコーティングであるDuratomic®は、トライボロジーの原理に基づいています。開発エンジニアは、切り屑と切削工具の相互作用に関する知識の拡大に対応して、コーティングの成分を操作しました。
ビルドアップエッジの制御を目的としたSecoのコーティングのもう一つの例は、MS2050フライスチップ用に開発された新しいシルバーPVDユニコーティングです。このコーティングは、高い耐熱性を持ち、チタンのような粘着性のある材料を切削する際のビルドアップエッジの発生を実質的に排除することができます。また、ビルドアップエッジの発生がないため、従来の工具と比較して約50％長持ちし、より高い切削条件での加工が可能となりました。
摩擦学研究の最先端では、刃先の盛り上がりなどの現象を加工の生産性にプラスになるようにするための取り組みが行われている。切削工具の表面に被削材が薄く付着することで、摩耗の進行を遅らせることができる場合がある。この工具保護層は、工具の形状に影響を与えず、かつ工具表面から剥離しない厚みに抑えることが課題です。
新しい高性能合金の継続的な導入により、機械加工の難易度はますます高まっており、摩擦学の研究はダイナミックな分野となっています。切削工具や加工プロセスの開発者は、摩擦学が提供する新しい視点を利用して、革新的な方法で課題に対応し、解決しています。
