ブログ

Aug 23, 2023

最も硬い切削工具に関する確かな事実

Gli utensili da taglio diamantati e CBN sono armi potenti, ma quando e come usarli?

ダイヤモンドやCBNの切削工具は強力な武器ですが、いつ、どのように使用すればよいのでしょうか?

ダイヤモンドについて誰もが知っている 2 つのことは、ダイヤモンドが非常に硬いことと、非常に高価であるということです。 多結晶ダイヤモンド (PCD) や立方晶窒化ホウ素 (CBN) 切削工具も同様です。 それらは非常に機械加工が難しい材料を切断するのに十分な硬さを持っていますが、コストがかかるため、ほとんどの場合、最後の手段として使用され、より良い、より安価な解決策がない場合にのみ使用されてきました。

「CBN と PCD の技術は、切削工具の応用分野ではやや周縁にあります」とイスカル USA のトム・ラウン氏は述べています。 「そしてそのため、彼らは多くの場合無視される傾向があります。

ただし、金属切削の主流に属するメーカーが考慮すべき 2 つの真実があります。 第一に、硬質切削工具の初期費用は、その使用に対する大きな障壁に見えるかもしれませんが、適切な用途で使用すれば、実際には大きな投資収益率をもたらし、部品あたりのコストを削減できます。 そして第二に、PCD ツールと CBN ツールは両方とも改良されており、より汎用性が高く、適した用途の種類が広がっています。

4 人の専門家 (Raun を含む) の協力を得て、両方のタイプがどのように使用されているか、そしてこれらのツールがどのように改良され、より便利になっているかを調査します。

ミシガン州ウィクソムにある NTK Cutting Tools USA のマーケティングおよびエンジニアリング マネージャーの Steve Howard 氏は次のように述べています。 CBN の場合、より高い切削速度で同じ加工を行う他の切削工具材料が市場にありますが、それらは CBN の性能を達成することはできません。工具寿命。CBN は、部品のサイクル タイムを向上させるために、より多くの部品を提供し、下面フッテージでのインサートのインデックス作成を減らすことができます。」

CBN 材種は主に硬化鋼や粉末金属の切断に使用されますが、PCD は非鉄材料の機械加工に最も適しているとハワード氏は述べています。

「しかし、部品メーカーは材料組成の進化を目の当たりにしており、新しい材料が日々発明されています。」と彼は言いました。 「時間をかけて機械加工する材料の構成と特性を調査し、どの切削工具とパラメータがその機械加工に最適であるかを判断することが重要です。」

ハワード氏によると、PCD と CBN はどちらも価格が高いため、多くのショップは他に選択肢がないと判断するまで、考えられる解決策のリストから外されており、その後、切断する材料を十分に調査せずに飛び込む業者もいます。

「PCD および CBN のオプションでは、お客様が用途に合わせて切削工具を選択する際の最大の要因はインサートのコストです。」と同氏は述べています。 「判断するのが最も難しいことの 1 つは、これら 2 つの切削工具材料の正確な工具寿命がどのくらいになるかということです。テストは、これらのインサートが磨耗する前に切削できる部品の最大数を決定する鍵となります。 」

クレイグ・バスティアン氏は、Ingersoll Cutting Tools Co. の姉妹会社である IT.TE.DI North America のゼネラルマネージャーとして、自動車業界の軽量化傾向が PCD ツールの使用量を増やすことを目の当たりにしました。両社はイリノイ州ロックフォードに拠点を置いています。 、IMCグループの一員です。

「過去 10 ～ 15 年で、ますます多くの自動車部品が鋳鉄からアルミニウムに移行しており、この業界では PCD の使用が猛烈な勢いで増加しています」とバスティアン氏は述べています。

「最近のほぼすべての乗用車と小型トラックには、アルミニウム ブロックとアルミニウム ヘッドが採用されています。また、電気自動車では、さらに多くの部品がアルミニウムです。PCD は今後 20 ～ 25 年にわたって成長し続けるでしょう。」

同氏は、同様の軽量化傾向によりCBNの使用も拡大していると述べ、トラック製造における鋳鉄からCGI（圧縮黒鉛鉄）への移行を例に挙げた。

「エンジンブロックやヘッドに依然として鋳鉄を使用していた大手トラックメーカーの多くがCGIに移行しつつある。CGIは鋳鉄の強度をすべて維持しながら、肉厚を減らすことで重量を軽くできるからだ」と同氏は述べた。 「CGI は加工が非常に難しい材料なので、CBN の高い耐摩耗性が必要です。」

CBN のもう 1 つの一般的な自動車用途は、ギアボックスやトランスミッション部品に使用される硬化材料です。 ペンシルベニア州ラトローブの Kennametal Inc. で転向プロジェクト マネージャーを務める Robert Keilmann 氏によると、やはり軽量化の要件により、これらの製品はさらに厳しい公差に合わせる必要があるとのことです。

航空宇宙産業でも、特にエンジン製造においてCBN切削工具の使用が拡大しているとカイルマン氏は述べた。 「ジェットエンジンを見ると、前方に冷たい領域があり、そこでの空気取り入れ口は、重量が軽いため、通常はチタン製の部品で作られています。しかし、燃焼領域には、非常に精密に作られたブレードが必要です」ディスクやその他のコンポーネントは、インコネルやハステロイなどのニッケルベースの耐熱材料で作られています。」

以前は、これらの耐熱材料は通常、超硬インサートを備えた工具を使用して切断されていたと彼は言いました。 しかし、CBN はより長い工具寿命とより高い切削速度を可能にします。 「たとえば、インコネル 718 の切断を超硬や CBN と比較すると、CBN の加工速度が 10 倍高いことがわかります。」と彼は言いました。

航空宇宙分野で成長の機が熟しているもう 1 つの分野は、カーボン複合材料を加工するためのハードツールの使用である、とイスカルのラウン氏は指摘しました。 彼は、超硬ドリルを使用して締結用の穴を機体複合材に正確に開ける、ある顧客の精巧なシステムについて説明しました。 課題は、PCD や CBN と比較して超硬の工具寿命が短いことであり、穴あけ精度を確保するために必要な手順が複雑でした。

「彼らはドリルの位置を保つために使用される特別なブッシュを持っていました」と彼は説明しました。 「つまり、ドリルを交換するたびに複雑なセットアップを行う必要があります。ブッシング全体を分解する必要があり、複数の掘削ステーションのそれぞれで交換には毎回 10 ～ 15 分かかりました。」

イスカルが提案したソリューションは 2 つあります。1 つは、超硬ではなく PCD を使用することにより、工具寿命が大幅に延長され、穴あけの中断が必要な回数が大幅に減少しました。 そして第二に、交換可能なヘッドを備えた工具 (この場合はドリル) を使用するイスカル SUMOCHAM システムにより、顧客はドリル全体を交換するという時間のかかるプロセスを実行するのではなく、ドリル ヘッドのみを迅速に交換できるようになったとラウン氏は述べました。 ブッシングを乱すことなく、「そこに入る余地があり、ヘッドだけをすぐに交換できます。ドリルごとに15分かかるのではなく、文字通り数秒かかります」と彼は言いました。 ラウン氏によれば、その結果として得られた節約額は「天文学的」だったという。

PCD と CBN は、最も一般的なライバルである超硬よりも工具寿命が長いという利点を持っています。 適切な用途では、工具寿命が十分に長いため、総生産コストを考慮した場合、前者の高額な初期費用は無関係になります。

しかし、一部のサプライヤーにとっては、その初期費用が依然として障壁となっています。 これらのツールのメーカーはすべて、拡大し続けるアプリケーション領域でより良いソリューションを提供するために、製品を改善する方法を模索し続けています。

たとえば、イスカルの可変ヘッド技術により、PCD を複合材料やその他の分野で使用できるようになります。 ラウン氏によると、同社は超硬インサート上に PCD または CBN をろう付けする方法も改良中です。 「通常、ブレイジングは真っ直ぐなエッジ、つまりPCDまたはCBNの小さな平らなウェハの真っ直ぐなエッジに対するカーバイドのエッジで起こります」と彼は言いました。 「その接合部分が弱点になる可能性があります。」

イスカルは、2 つのエッジの形状を変更することにより、ろう付けされる表面積を増加しました (61 ページの写真を参照)。

「それはスプラインまたは『S』字形に似ており、基板上に嵌合パターンがあります」と彼は説明しました。 「これにより、剛性が向上し、より強力なろう付け接続が作成され、切込み深さと送り速度をより積極的に設定できるようになります。」 また、イスカルは、超硬と接合する PCD と CBN の形状を変更する一方で、より優れた切りくず処理を可能にするために最先端のチップフォーマーの搭載も開始していると同氏は述べた。

Bastian 氏によると、Ingersoll での注目すべき開発は PCD 刃先の形成方法です。 従来、これはワイヤ EDM または研削のいずれかで行われていましたが、どちらにも限界がありました。

「多結晶ダイヤモンドは、その名前が示すように、数十万の小さなダイヤモンド粒子が高熱と圧力の下で圧縮されて PCD ウェーハを構成し、その上に刃先が機械加工されています」と彼は言いました。 「しかし、顕微鏡で刃先を見ると、平らな刃先であるべき部分に山脈のような小さな山と谷が見えるでしょう。」 表面がギザギザになるのは、EDM プロセスと研削プロセスの両方で、圧縮された材料から小さなダイヤモンド粒子の一部が不可避的に引き抜かれるためです。

「こうした山と谷があると、最先端の失敗がより早く生み出されやすくなります」とバスティアン氏は言う。 「そのため、最近ではレーザーを使って最先端を準備する方向に進んでいます。」 レーザーはダイヤモンド粒子を引き抜くのではなく、切断するのだと彼は説明した。 「そのため、最初からはるかに滑らかな刃先を得ることができ、これにより工具寿命がさらに長くなります。」

バスティアン氏は、同社は約7年間レーザー方式を使用しており、一部の競合他社もこの方法で使用しているが、必要なレーザー機器の高コストが一部の小規模な競合企業にとって障壁になっていると指摘した。 「私たちは幸運です。私たちは IMC グループに属しており、そのような機械を買う余裕があります。」

ハワード氏によると、NTK切削工具は顧客と協力して各用途に最適な刃先を作り出すことで製品を改善しているという。

「インサート刃先の準備は、加工を成功させるための重要な要素です」と彼は言います。 「これらのインサートの適用範囲は広いため、部品の材質や切削条件に基づいて刃先処理を調整することができます。用途を分析し、適切な刃先処理を特定することは、インサートの工具寿命を最大限に延ばす上で大きな役割を果たすことができます。私たちが言うように、サイズがすべてに適合するわけではありません。」

顧客、そして NTK の成功にとって最も重要なのは、顧客と緊密に協力して要件、プロセス、部品材料を理解することに後者が重点を置いているとハワード氏は説明しました。

「私たちはお客様と協力して生産性を最大化するソリューションを開発し、その結果、PCD と CBN がどのように機能するかをより深く理解できるようになります。工具メーカーが PCD のグレードの最適な組み合わせを学び、完成させるには、現実の状況が最大の助けとなります」または、各素材のエッジ処理を施した CBN を使用します。データを収集することで、お客様に最適なソリューションを提供できます。」

Keilmann 氏によると、エッジ処理とコーティング技術により、Kennametal は顧客の継続的に厳しくなる公差に対応できるようになりました。

同氏は、「工具の精度要件は、自動車のギアボックスの公差を厳しくして燃費を向上させるなど、用途のニーズによって左右されてきた」と述べた。 そしてツールは大きな進歩を遂げました。

「20、30 年前には、今日のような方法で切れ刃を準備することはできませんでした。現在、インサートの加工に使用している研削盤の能力により、10 年前よりも高い精度とより厳しい公差が可能になっています。」

同氏は、超硬金属旋削用に最近発売された両面CBNを例に挙げて、最先端の前処理の改善は新しいコーティング技術やその他のイノベーションによって促進されていると述べた。

「KBH-10B および KBH-20B グレードは、耐摩耗性を高めるためのまったく新しい PVD ​​TiN/TiAlN/TiN コーティングを備えています。しかし、コーティングに加えて、新しいタイプのホーニング プロセスも導入しました。」

両面工具の一方の刃には、より重い断続的な切削用の「トランペット」スタイルのホーンが付いており、もう一方の刃には連続旋削用の軽いホーンが付いています。 このホーンにより、「切削抵抗が低下し、同時に表面品質と工具寿命が向上する」とケイルマン氏は述べた。 「新しい刃先形状と新しいコーティングを開発し、それを両面チップに実装するという素晴らしい組み合わせでした。」

Keilmann 氏にとって、PCD および CBN ツールで何ができるかについて静的なアイデアを持っている人もいますが、ツールは改良され続けるため、ツール開発は決して静的ではありません。 「私がいつも言っているのは、『私たちは超硬を再発明するのではない、CBNを再発明するのではない』ということです。私たちが唯一発明するのは、ツールの設計と、それらをどのように適用してプロセスを改善し、作業を行うことができるかです。より広範囲の素材を使用できます。」

私達と接続