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Aug 24, 2023

超硬工具: 岩のように硬い

I macchinisti in pensione che leggono questo articolo potrebbero ricordare pezzi di metallo affilati a mano.

これを読んでいる退職した機械工は、工具箱の奥に埃をかぶって汚れたまま放置されている、手で研いだカーボロイ 883 カーバイドの刃を思い出すかもしれません。 シンシナティ ミラクロンとダベンポートのかつてのオペレータが熱心に取り組んでいた高速度鋼の工具ビットと比較すると、当時のタングステンカーバイドの広範な採用は、より速い送りと速度、より長い工具寿命、より高い部品品質、より大きな部品の山を意味しました。各シフトの終わりにベンチで。

炭化物（より正確には炭化タングステンまたは超硬合金として知られる場合もあります）も同様に時代が変わりました。 ここではその長い歴史を探ることはしませんが、すべての切削工具材料の中で最も重要なこの材料の 100 歳の誕生日が近づいており、他の 100 歳以上の高齢者と同様に、この機械工場のベテランを放牧する時期が来たかどうかを判断する義務がある、ということだけは述べておきます。 。

多くの切削工具メーカーは「反対だ」と述べた。 この記事のためにインタビューした各サプライヤーは、カーバイドには長く生産的な寿命があることに完全に同意しています。

テキサス州アーリントンにあるイスカル USA の最高技術責任者であるトーマス・ラウン氏は、「超硬ソリッドの使用は増加しており、大幅に増加しています」と述べています。 「確かに、刃先交換可能で交換可能なシステムは大きな利益を享受していますが、超硬ソリッドのエンドミルやドリルを置き換えることができないアプリケーションは依然として膨大な数にあります。」

基材およびコーティング技術は進歩し続けており、これまで以上に高性能な工具が可能になり、機械加工業界の効率と収益性が大幅に向上します。 ウィスコンシン州ウォーキシャのウォルター USA LLC の製品マネージャー、サラン・ガルド氏はこう述べています。「そうは言っても、自動車産業やその他の産業でアルミニウムの使用が増えることが予想されるため、多結晶ダイヤモンド (PCD) もかなり成長するでしょう。ただし、カーバイドがナンバーワンであり続けるだろう。」

また、ノースカロライナ州メバネにあるサンドビック・コロマント社の南北アメリカ向けソリッド丸工具担当バイスプレジデント、スティーブ・リンド氏は、同社は予見可能な将来にわたって超硬ソリッド市場が継続的に成長すると予想していると語った。 「これは切削工具メーカーの設計能力の向上と、より高度な研削装置のおかげであると私は考えています。その結果、業界が今日の高度な機械加工技術を最大限に活用できる幅広い製品の選択肢が生まれました。」

これは、超硬ソリッド切削工具に対する全体的な熱意と、それがもたらす生産性の向上の一例にすぎません。 競争にもかかわらず、Kennametal、Ingersoll Cutting Tools、Horn USA、Ceratizit、Scientific Cutting Tools の専門家は全員、超硬の使用が今後 10 年以上にわたって繁栄し続けることに同意しました。

しかし、Walter の Garud 氏がほのめかしたように、PCD と立方晶窒化ホウ素 (CBN) で作られた高度な切削工具はどうでしょうか? そして、インコネル加工品から噴き出す炎を示す光沢のある雑誌の写真で、少なくとも超合金のフライス加工に関しては超硬に確実な運命をもたらすように見えるソリッドセラミックエンドミルをめぐる大騒ぎで何が起こったのだろうか？ 超硬は、これらの超硬で耐摩耗性の切削工具材料に対抗できないでしょうか?

ピッツバーグに本拠を置くケナメタル社の上級スタッフエンジニアであるダニー・デイビス氏は、「一部の用途、特に荒加工では固体セラミックスの代わりに固体セラミックスを使用できる。しかし、多くの部品を完成させるには通常、依然として超硬材がセラミックスと組み合わせて必要である」と述べた。 「さらに、セラミックは、材料を適切に可塑化し、工具を正常に機能させるために非常に高い表面速度を必要とします。すべてのマシニング センターが必要なスピンドル rpm や剛性を備えているわけではありません。当社や他のサプライヤーがセラミック エンドを導入するにつれて、その方程式は変化します。」より大きな直径の粉砕機を開発し、それほど厳しくない操作パラメータに対応できるセラミックを開発する必要があります。それでも、それが常に完璧な解決策であるとは限りません。」

ミシガン州ウォーレンの Ceratizit USA Inc. も、セラミックフライス加工分野で活躍するもう 1 つの切削工具メーカーです。 また、Ceratizit Groupの研究開発責任者であるUwe Schleinkofer博士は、セラミックスの開発が進行中であることに同意しながらも、すぐに超硬ソリッド切削工具に挑戦するとは考えていません。 「セラミックには確かな役割があり、乾燥状態やスピンドル速度の加速においては最適な解決策となることが多いですが、将来的にはこうしたニッチな用途での使用が続くでしょう。」

PCD 工具に関しては、カリフォルニア州シミバレーのサイエンティフィック カッティング ツール (SCT) 社のセールス ディレクターであるトッド ホワイト氏も、ここにいる他の人々の発言に同調しました。自動車メーカー、特に航空宇宙産業がより多くの材料を複合材料に移行しているため、切削工具メーカーは次のことを期待すべきです。 PCD 製品や、切断に役立つ特殊なダイヤモンド状コーティング (DLC) を施した超硬ソリッド工具の需要が増加しています。

「カーボンファイバーとアルミニウムのワークピースは、ますます普及し続けています」と、イリノイ州ロックフォードにある Ingersoll Cutting Tools Inc. の製品管理およびマーケティング担当ディレクター、エド ウォクサ氏は述べています。 「このため、PCD および DLC 工具は、一部の非鉄および複合材料の用途、特に大量生産において、今後も超硬ソリッドのエンドミルやドリルに取って代わられるでしょう。使用したことがある人なら誰でも知っているように、PCD はソリッドに比べて大幅に高い切削速度を実現します。超硬は生産性の向上につながります。これは、より高速なスピンドルと先読みソフトウェア技術によりスループットの向上が可能になる最新の CNC 装置では特に重要です。PCD ツーリングは、適切に適用されると、これらの材料での工具寿命も大幅に長くなり、照明の使用機会が多くなります。 -アウト製造。」

サンドビック・コロマントの工具専門家も同様に考えています。 「セラミックやその他の先端材料がうまく機能するように設計されている場合、通常はうまく機能します」とリンド氏は言う。 「多くの場合、荒加工用の超硬ソリッド工具と組み合わせて使用​​されます。どちらの場合も、業界でより材料や用途に特化した切削工具の使用が増えていることを示しています。これは特に耐熱超合金に当てはまります」 (HRSA) 材料グループだけでなく、一貫した工具寿命と部品あたりのコストが重要な複合材料や大量生産用途にも使用されます。」

Kennametal の Davis 氏も、同僚と同様に、材料に特化した切削工具が理にか​​なっていると考えています。 はい、汎用またはいわゆる「GP」ツールは、特に多様な材料やワーク形状を加工するジョブショップやその他の場合に適しています。 しかし、多くの場合、最大の投資収益率をもたらすのは、特定のアプリケーションに合わせて調整されたツールです。

「高性能工具とは、工具交換の回数が減り、工具寿命が長くなり、サイクルタイムが短縮され、プロセスがより予測可能になることを意味します。」と Davis 氏は述べています。 「すべてを合計すると、これらの工具の 1 つがわずかに高いコストを正当化するのは非常に簡単です。そして、多くの人が考えていることとは異なり、切削工具は部品の全体的な製造コストに占める割合は非常に小さいため、それは残念なことです」適切なツールを使用することで、CNC 工作機械のパフォーマンスを最大限に引き出すことはできません。」

ホワイト氏、リンド氏、デービス氏は、PCDやその他の材料に特化した切削工具に対する需要の多くは自動車市場から来るものであり、世界が内燃機関（ICE）から離れるにつれて電気自動車（EV）の生産は今後も増加し続けるだろうと指摘した。 。 テネシー州フランクリンにあるホーン USA 社の国内営業マネージャー、デュアン・ドレープ氏もほぼ同じ傾向をみているが、ガソリンと電気のハイブリッドがおそらく完全な EV への架け橋となるだろうと述べて発言を和らげた。

「電気自動車は確かに、自動車メーカーが使用するカーバイドの総量に影響を与え始めている」と同氏は述べた。 「しかし、EVはまだ市場のごく一部であり、EVが大きなシェアを占めるまでにはおそらく20年かかると思います。それまでは、ICE、ハイブリッド、EVを同時に生産する必要性により、EVの需要が増加する可能性があります」あらゆる種類の切削工具。」

しかし、この変化が完全に効果を発揮すると、その減少は劇的になる可能性があります。 ドレープ氏らは、一般的なガスエンジンには 120 ～ 140 個のコンポーネントが含まれ、機械加工には 30 ～ 40 個の独自の超硬工具が必要となるが、EV ではこれらの両方がおそらく 80% 以上削減されると説明しました。 これは大きな数字ではあるが、「カーバイドの使用に対する最大の影響はトランスミッションから来るだろう」と同氏は述べた。 「これらには、自動車メーカーがEVに移行するにつれて不要になる可能性が高い部品がはるかに多く含まれています。それに比べれば、エンジンは小さなジャガイモです。」

Ceratizit Group の Schleinkofer 氏は、機械材料の体積と量を決定するために、従来のパワートレイン エンジンと完全電気エンジンのコンポーネントの数を比較したヨーロッパの研究を引用し、これを支持しました。 「その結果、電動パワートレイン車両では、従来の自動車と比較して機械加工が 70% 少ないことが分かりました」と彼は言いました。 「これは金属切削業界に大きな影響を与えるでしょう。」

しかし、ウォルター・ツールズは、EVではアルミニウム部品の割合が高いため、自動車業界で長年愛されてきた鋳鉄も圧迫していると示唆した。 皮肉なことに、この傾向はこの分野のセラミック、特にCBN工具の消費量を減らすことになる。CBN工具は鋳鉄や焼き入れ鋼のはるかに高い切削速度に耐えることができるため、近年市場シェアを獲得している。 ここでもカーバイドが勝利を収めると予想されている。

「超硬は、他の切削工具材料では適合するのが難しい、硬度と靱性の独特の組み合わせを持っています」とガルド氏は述べています。 「当社が現在保有し、今後も開発を続ける高度なコーティングと組み合わせると、比類のない非常に広い応用範囲が提供されます。」

自動車技術の変化はさておき、他の要因も影響しています。 Ingersoll Cutting Tools の設計エンジニアリングマネージャー、デニス・ロプシュ氏は、プラスチック射出成形、積層造形、インベストメント鋳造技術の向上を指摘し、「一部のワークコンポーネントはもはや機械加工を必要としない、または最小限の機械加工しか必要としません。たとえば、アルミニウムのインテークマニホールドは頻繁に交換されています」と述べました。また、ニアネットシェイプのワークピースにより、粗加工が必要な材料の量が減り、超硬の使用がさらに削減されます。」

ここの専門家のほとんどは、積層造形分野でも同様の必然性について言及しました。 ここでは、3D プリントされた部品が樹脂タンクまたは完全には完成していない造形チャンバーから出てきます。 重要な表面を機械加工したり、穴をリーマ加工または穴あけしたり、比較的許容範囲の広い特徴さえも仕様に含める必要があります。 これらの部品の価値は比較的高く、一部の部品は印刷に数時間または数日かかるため、仕上げには超硬切削工具が推奨されるソリューションとなる可能性があります。

「また、ねじ山を必要とする 3D プリント部品は、マシニング センターまたは旋盤に行く必要がある可能性があります」と SCT のホワイト氏は述べています。 「私としては、これを達成するための最も費用対効果の高い方法は、特に 3D プリンティングに関連する生産量が少ないことを考えると、超硬ソリッド スレッド ミルを使用することです。」

これは金属とポリマーの両方で作られた部品に当てはまりますが、イスカルのラウン氏は、切削工具メーカーにとって最大の課題は前者であると述べました。 「金属粉末床やバインダージェットなどの添加技術は、既存の金属よりも強度と耐摩耗性の両方が優れたまったく新しい合金の可能性を高めます。たとえば、タングステンとアルミニウムの混合について聞いたことがありますが、これはそうなると想像します。 「これらのハイブリッド材料は、加工が非常に困難です。ますます多くのハイブリッド材料がオンラインで利用されるようになるにつれ、切削工具会社は、それらの材料を生産的に加工できるソリューションを考案するのに負担がかかることになります。」

この状況をおそらく最もよく要約しているのは Drape at Horn 氏であり、次のように述べています。「3D プリンティングは、最終的には機械工場や切削工具メーカーからビジネスの一部を奪いますが、より高い精度と表面品質を提供できるようになるまでは、依然として仕上げ作業用の超硬ソリッドツール。」

要点は明らかです。3D プリンティングは、30 年以上前の誕生以来、業界の多くの人が懸念してきたこと、つまり従来の製造に対する需要の減少を最終的には達成するかもしれませんが、加算と減算が相互に補完し合う可能性が高いということです。

Walter Tools の Garud 氏によると、この 2 人はおそらく他の面でもお互いを必要とするでしょう。 すべての新しいテクノロジーと同様に、3D プリンティングが超硬ソリッド工具に長期的に与える可能性と効果の世界を理解するのは難しい可能性があると彼は示唆しました。 それでも、アディティブはすでに、航空宇宙産業やその他の産業向けのチタンやインコネルのコンポーネントを印刷する能力を獲得しており、これまでのところ、ほとんどの予想よりも早く完了しています。 印刷された切削工具の可能性があるようです。

「それが実現できれば、3D プリント超硬によって工具設計の新たな可能性が開かれ、特定の用途に合わせて工具を迅速にカスタマイズできるようになります。」と彼は言いました。 「これは業界全体の競争の場を変える可能性を確かに秘めており、それを効果的に利用できる企業に利点をもたらします。」

Ceratizit 氏は、少なくとも生産の観点からは反対でした。 「覚えておいてください、私たちや他の人は2秒でインサートを押しているので、これが3Dプリントでどのように機能するかわかりません」とシュラインコーファー氏は言いました。 「このプロセスはコストが高すぎます。また、緻密な超硬合金はレーザー焼結では製造できないことを考慮してください。印刷できるのは未加工の部品のみであるため、3D プリントプロセス後に焼結のために炉に行く必要が常に必要です。ただし、3D プリントは「これにより、顧客の要件を実装する上でより柔軟な対応が可能になり、新しい設計の可能性が開かれ、これを利用して顧客に高度に最適化された個別のソリューションを最小限の時間で提供できるようになります。これは、少量生産と高度なコンポーネントの複雑さにとって理想的なソリューションです。」

インガソールのウォクサも同様の絵を描いた。 同氏は、超硬ソリッドと刃先交換可能な工具を 3D プリントする技術は開発中であるが、現在の超硬製造技術と競合することは事実上不可能であると述べました。 ただし、ダイセットが不要であれば、特殊品や少量の超硬工具やインサートをより迅速かつ経済的に生産できるため、超硬インサートの製品開発は影響を受けるでしょう。 「また、ピンポイントの精度で冷却剤を通す穴など、他の方法では不可能な独自の機能を開発できる可能性もあります」と同氏は述べた。

サンドビック・コロマントの反応はインガソールの反応とほぼ同じでした。 「他の切削工具メーカーと同様に、当社も開発段階にいますが、3D プリンティングがいくつかのユニークで非常に生産的な方法で当社の製品に貢献することを期待しています」とリンド氏は述べています。 「それはご想像のとおり、プロトタイピングの観点からのものかもしれませんが、複雑で高度なエンジニアリング ソリューションの可能性もあります。先ほども言いましたが、まだ初期段階にありますが、ご期待ください。」

常に最新情報を保つことは、どのテクノロジーにとっても良いアドバイスであり、超硬切削工具も例外ではありません。 SCT の White 氏は、超硬基材と工具コーティングが材料の進歩に合わせて進化し続けることを保証します。

また、ホーンのドレープ氏は、超硬および超硬切削工具は常に改良されていると述べ、「しかし、豊富に供給され、比較的容易に入手できる新しい鉱物がない限り、それは飛躍的ではなく、まだ小さな段階にとどまるだろう」と述べた。 同氏は、これらの改善は主に、超硬よりもさらに高度な刃先処理とコーティングの形で実現されるが、これら 3 つはいずれも高性能切削工具に必要な柱であると示唆しました。

Kennametal の Davis 氏も完全に同意しており、過去 10 ～ 20 年にわたる継続的な改善によるコンピュータ ソフトウェアと工作機械技術の進歩に感謝しています。 それを念頭に置いて、彼はまた、超硬工具業界は近い将来、根本的な変化を経験するだろうと考えています。 「私たち全員が、より優れたカッターの形状とコーティングの開発を続けていますが、重要なのは、それらをマクロレベルではなくミクロレベルにまで落とし込むことです。」と彼は言いました。

切削工具メーカーは有限要素解析 (FEA) を使用して、切削中にどの程度の熱と力が発生するかを理解し、工具が製造されるずっと前に最適なねじれ角と切りくず形成を決定しています。 工作機械も同様に改良されており、多くのサプライヤーが 1 μm 以上の精度を維持できる CNC グラインダーを使用しています。 どちらも、少し前までは製造不可能だった切削工具の製造を可能にします。 デイビス氏は、「約 40 年前にケナメタルを始めて以来、テクノロジーは飛躍的に進歩しました。」と述べました。

イスカルのラウンも同様に切削工具ビジネスにおいて長い歴史を持っています。 「私がこの業界に入った当時の超硬ロッドと比較すると、硬度も密度も非常に高いレベルまで上がっています。」 「このため、以前よりもはるかに優れた摩耗と切削力に耐えることができます。これに今日の高度なコーティングを組み合わせ、他の人が言及したように、現在利用可能な形状と刃先処理を組み合わせると、はるかに多くのものが残されます。 「以前よりも優れた切削工具が登場しました。その進歩は、その背後にある技術が向上するにつれてさらに続くと私は感じています。」

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