金属切削技術と工具の開発状況

金属切削技術と工具の開発状況

20世紀半ば以降、マイクロエレクトロニクス、情報技術、材料科学などの科学技術の成果と工学進歩の加速により、製造・製造技術の急速な発展が促進されてきました。 20世紀の終わりまでに、目覚ましい成果が達成されました。この進歩は世界経済の発展に大きく貢献し、世界経済の原動力として称賛されています。

この歴史を総括し、人間の社会、経済、文明の発展を振り返り、政府は製造業の重要性について新たな認識を持っています。ハイテク産業と新興産業が経済を大きく促進した今日でも、製造業は依然として国民経済です。そして総合力の基礎。製造業の発展に注目し、その発展を加速することは、世界の強力な国、特に中国のような発展途上国となり、製造業と製造技術の発展に稀な機会と新たな課題をもたらしています。

この間、製造技術の基礎技術である金属切削技術も急速に発展し、高速切削の開発、新たな切削プロセスや加工法の開発、完全な加工技術の提供など、新たな発展段階に入っています。これは、CNC工作機械、制御システム、工具材料、コーティング技術、工具構造およびその他の技術の総合的な進歩を含む、製造技術の総合的な進歩と革新に基づいています。同社が生み出す総合的な効果は、切削技術の全体的な進歩を促進しました。全体のレベルを新たなレベルに引き上げます。この高さの主な特徴および技術的特徴は、高い切削速度 (表 1) であり、切削プロセスが高速切削の新たな段階に入ったことを示しています。

これまで、高速切削は高度な製造技術の重要な部分であり、重要な象徴となっており、製造業、自動車産業、航空宇宙産業、金型産業などの主要産業分野のキーテクノロジーとなっています。先進国では高速切削が実用的な新技術となっています。高速切断新技術の積極的な開発と適用は、企業が加工効率と製品品質を向上させ、製造コストを削減し、リードタイムを短縮し、競争力を向上させるための重要な手段となっています。技術的および経済的に大きなメリットがあります。このため、高速切削技術に代表される高度な切削技術の開発と応用を加速することが、各国の製造分野や製造技術の共通認識となっている。

切削技術と工具の開発状況

まず、高速切削などの新技術を生み出し、加工効率を向上させました。

高速切断は、新しい切断プロセスとして独特の利点をもたらします。まず、切断効率が大幅に向上しました。自動車エンジンの5枚加工を例にとると、アルミ合金シリンダーヘッド加工用PCD正面フライスなど、ここ10年ほどで生産効率が1～2倍程度向上しました。加工速度は4021m/min、送り速度は5670mm/minに達し、1990年代初頭に中国で導入された生産ラインと比較して2倍となった。たとえば、ねずみ鋳鉄シリンダーの仕上げ用CBN正面フライスカッターの加工速度は2000m/分で、従来の超硬正面フライスよりも10倍優れています。第二に、高速切断は製品品質の向上、製造コストの削減、リードタイムの​​短縮にも役立ちます。また、高速切削技術をベースに、乾式切削（準乾式切削、微量潤滑切削）、ハード切削（車研削、フライス、研削による）などの新技術が開発され、加工効率の向上のみならず伝統をも変えています。さまざまな切削加工の境界線、そして切削加工の新時代「グリーンマニュファクチャリング」の創造。ハードカット技術は、自動車ギアの内穴加工や硬化金型加工において高能率な新プロセスとなっています。図1に65HRC加工用の金型を示します。

同時に、高速切削技術の大きな発展の可能性を反映して、さまざまな加工要件に応じて高送り速度の高効率加工プロセスまたは高生産性加工プロセス (HPM、HSM) が登場しました。

第二に、超硬材料をベースとした各種工具材料の性能が総合的に向上しました。

超硬合金の性能は向上し続け、適用面積が拡大し、切削加工の主な工具材料となり、切削効率の向上を促進する上で重要な役割を果たしています。 1つ目は、超微粒子超微粒子超硬合金材料の開発であり、これにより超硬合金材料の強度と靱性が大幅に向上します。超硬合金工具全般、特に汎用の大型・中型ドリルビットです。従来のハイス工具に代わってエンドミルやタップなどの工具を使用することで、切削速度と加工効率が数倍向上します。大きな面を持つ万能工具を高速切削領域に持ち込み、本格的に切削加工に入ります。高速切断ステージの半分が設置されました。現在、全超硬工具は国内外の工具会社の日常的な製品となっており、全体の切削加工レベルの向上に伴い、ますます広く使用されることになります。現在、湖南省の図2に示すように、国内の湖南ダイヤモンド超硬工具有限公司、上海工具工場有限公司、四平興功切削工具有限公司などの企業も超硬ソリッドエンドミル、タップ、ドリルなどの製品を生産することができます。 Diamond Carbide が製造する超硬ソリッド工具。それだけでなく、一部の複雑な成形工具にも超硬ソリッドが使用されています。第二に、超硬加圧焼結などの新しいプロセスの開発と使用により、超硬合金の本質的な品質が向上しました。さまざまな加工ニーズに対応した特殊グレードの開発により、超硬合金の性能がさらに向上しました。化学コーティング超硬インサート材種の母材については、耐塑性変形性に優れ、表面が強靱なグレード超硬合金を開発し、コーティング超硬インサートの切削性能と適用範囲を向上させました。

セラミックスやサーメット工具の材質の種類が増え、強度や靱性が向上し、適用分野や加工範囲が拡大し、鋼や鋳鉄の仕上げ・中仕上げ加工において超硬合金からの代替が進み、加工効率と製品品質が向上しました。現在、このような工具素材は、単品少量生産だけでなく、組立ラインでの量産にも対応しており、価格も安いため、乾式切削やハード切削用の工具として最適に使用されています。

PCD、CBN超硬工具素材の靱性と製造プロセスの改良により、適用分野が拡大しました。 CBNを使用した円筒ボーリング工具は、自動生産ラインや鋳鉄、焼入れ金物の加工に使用され、仕上げ分野から中仕上げ分野へと広がり、切削能率を大幅に向上させています。アルミニウム合金は、航空宇宙産業や自動車産業において重要な材料です。アルミニウム合金の高効率加工は、これら 2 つの産業分野のキーテクノロジーです。現在では、PCDを使用した各種高性能工具の普及により、切削効率が大幅に向上し、最高の性能を発揮しています。切断速度は7000m/minに達しました。製品は、オリジナルの旋削工具や正面フライスから、エンドミル、ドリルビット、リーマ、成形工具などにまで拡大されており、 PCD は、グラファイトや合成材料などの非金属材料を加工するための唯一の効率的なツールでもあります。 CBN工具やPCD工具の普及促進により、工具の種類はさらに増加し​​、適用分野はさらに拡大し、高速・高能率加工に向けた切削加工の発展が期待されます。

工具材料の開発では今でもハイス材料の開発が挙げられます。ハイス工具や超硬工具の売上は年間約5％減少しているものの、高性能コバルトハイスや粉末冶金ハイスなどの使用が増加しています。これら 2 つの高性能高速度鋼は長い歴史があり、通常の高速度鋼よりも優れた耐摩耗性、赤硬度、信頼性を備えており、特に粉末冶金高速度鋼の性能は高いですが、価格が高いため、かつては航空宇宙産業で難削材の加工に使用されていました。これらの高性能ハイス工具は、切削効率の追求と概念の転換により、ドリル、エンドミル、タップなどの汎用工具から歯切工具、ブローチなどの高機能工具まで、自動ラインで幅広く使用されています。切削速度と加工品質が向上し、信頼性の高い使用と工具寿命の延長が実現しました。近年、上記の高性能ハイス製工具は一般加工への適用が拡大しており、海外製ハイス工具の従来品となっています。

以上をまとめると、各種工具材料の開発においては、超硬合金が主役ですが、その他の工具材料も性能が大幅に向上し、それぞれの適用領域が拡大し、多様な工具材料が形成されています。全体的なパターンを補完するために相互に置き換えられる独自の利点と使用範囲があります。工具材料の総合的かつ迅速な開発が、今日の高速・高能率金属切削の基礎を築いたと言えます。

第三に、コーティングは工具の性能を向上させるための重要な技術です。

工具のコーティング技術は、最新の切削および切削工具の開発において重要な役割を果たしています。設立以来、特に近年、非常に急速に発展しています。化学コーティング (CVD) は、今でも刃先交換式インサートの主要なコーティング プロセスです。中温CVD、厚膜酸化アルミニウム、遷移層などの新しいプロセスが開発されています。母材の改良により耐CVDコーティングを施しました。摩耗と靱性の両方が向上します。 CVDダイヤモンドコーティングも進歩し、コーティングの表面粗さが向上し、実用段階に入りました。現在、外国製超硬刃先交換式チップのコーティング率は70％以上に達しています。この間、特に物理コーティング（PVD）の進歩は著しく、炉構造、プロセス、自動制御も大きく進歩し、高速切削やドライ切削、ハード切削に適した耐熱性も開発されました。より優れた総合性能を備えたスーパー TiAlN、TiAlCN 汎用コーティングや DLC、W/C 減摩コーティングなどの優れたコーティング、およびコーティング構造の革新により、ナノ層および多層構造を開発し、コーティングの硬度と靱性を向上させます。表 2 は、スイスの PLATIT 社の最新のコーティングを示しています。

PVD コーティング技術の新たな開発は、工具の性能を向上させるためのコーティング技術の大きな可能性と独自の利点を示しています。新しいコーティングは、コーティングプロセスパラメータの制御とターゲットガスと反応ガスの調整を通じて開発できます。加工の多様性のニーズを満たすために、ツールのパフォーマンスを向上および改善するための迅速かつ優れた技術であり、非常に幅広い応用の見通しを持っています。

第四に、工具構造の革新により、従来の標準工具の外観と単一の機能が変わりました。

製造業の急速な発展に伴い、自動車産業、航空宇宙産業、金型産業などの主要産業では、切削加工に対する要求が高まり、刃先交換式工具の継続的な開発が推進されています。自動車産業組立ライン向けに開発された特殊な工具セットは、オンデマンドでの工具供給と「密室製造」という従来の慣行を打破し、革新的な加工技術の重要な技術要素となり、加工効率の向上と投資の節約を実現し、新たな役割を果たしています。図 3 は、WIDIA の新しいクランクシャフト加工プロセス用の高速フライスです。

金型業界は、高能率、単品、小ロット生産、金型材料の高硬度、難加工、複雑形状、多量の金属除去、短納期などの特徴を持ち、機能正面フライス、各種ボールエンドミル、モジュラーエンドミルシステム、ボーリング・フライス、大型送りフライス等の刃先交換式工具構造の革新の強力な原動力となっています。新しい高速切削、ハード切削、ドライ切削プロセスの発祥の地です。

大型アルミニウム合金部品を効率よく加工したいという航空宇宙産業のニーズに応えるため、新しい高速アルミニウム合金正面フライスやその他の工具を開発しました。図 4 は、サンドビックの高速正面フライスで、最高速度は 24000r/min、切削速度は 24000r/min です。 6000m/分です。

同時に、旋削用の高能率ブリスター刃、前コーナを備えた複雑なサイズのミーリングカッター刃、ボールエンドミル刃、高速アンチスマッシング刃など、刃先交換式チップの新しい構造も登場しました。フライスカッター刃など。

5軸リンクCNC工具研削盤の機能向上とその応用の普及により、エンドミルやドリルビットなどの標準汎用工具の幾何学的パラメータがより多様化し、従来の標準工具の古いパターンが変化し、さまざまな加工材料や加工条件に適応できるようになり、それに応じて切削性能が向上しました。不等ねじれ角エンドミルなど、一部の革新的な構造は新しい切削効果を生み出します。標準エンドミルと比較して、不等ねじれ角エンドミルは工具の振動を効果的に抑制し、加工の仕上がりを向上させ、ツーリング量を増やすことができます。切り込み深さと送り速度。たとえば、さまざまなドリル先端タイプとさまざまな溝タイプのさまざまな超硬ドリル。図 5 は、さまざまな材料に適応するために上海工具工業有限公司が導入したさまざまなドリルビットとさまざまなドリル先端研削形状です。超硬タップや超硬ねじ切りフライスの開発により、ねじ加工効率が高速切削レベルまで向上しました。特に超硬ねじ切りフライスは加工効率が高いだけでなく、汎用性にも優れており、工具コストの節約にもつながります。

第五に、それを支える技術の急速な発展。

切削技術の進歩とともに、切削技術も徐々に進化していきます。これは現代の切削技術に不可欠な部分であり、工具ホルダーと工作機械の主軸の間を含む切削技術と工具の急速な発展を維持しています。接続方法、ツールホルダーでのツールのクランプ、ツールシステムのバランス、およびツールの管理。

両面中空中空テーパーシャンク（HSK）工作機械と工具のインターフェースには、良好な接続剛性、高い位置決め精度、短いロードおよびアンロード時間などの利点があります。技術の推進により、ますます広く使用されています（図6）。このツールホルダの構造は正式な国際規格となり、多くの工作機械メーカーに採用されています。 HSK スピンドル インターフェイスとツール システム、または HSK ツール ホルダーを備えた統合ツールを備えた高速マシニング センターを導入しました。強力な生命力と使いやすさを備えた新しいタイプのツールホルダーです。同時に、サンドビックのキャプト シャンクやケナメタルの KM シャンクなど、HSK に似たシャンク構造を開発した企業もあります。近年では、高速加工に対する既存の工作機械のニーズに対応するために、両面接触または 3 接触用の 7:24 インターフェイスも登場しています。

高速回転工具の使用により、工具のクランプにも新たな要求が生じます。高いクランプ精度、ラジアル振れ

さらに、高速回転ツールにはバランスと安全性の要件があります。製造誤差や組立誤差による構造の非対称性や偏心により、高速回転時と回転中心との間にアンバランスが生じます。周期的なラジアル力はスピンドルのベアリング システムや機械の他の部分にさえ作用し、加工の品質、工具の寿命、機械の性能に影響を与えます。この目的のために、許容アンバランスと高速回転ツールの高速使用が指定されています。工具メーカーは、スピンドルに装着する前に高速切削を行うための、さまざまな調整可能なバランス工具や回転工具および工具システムを開発してきました。ダイナミックバランシングマシンでバランスを取り、不均衡を一定の範囲に制限します。工具を主軸に装着した後に発生するアンバランス（偏心）量を低減するため、新オンライン自動バランシング技術により、主軸、シャンク、工具をロータシステムとして動作速度でバランス調整します。

高速切削では、工具の速度は 10,000 ～ 20,000r/min、あるいはそれ以上になります。このとき、刃体と刃と刃の挟持部分には大きな遠心力がかかります。回転速度がある臨界値に達すると、それで十分です。刃が抜けたり、締付けネジが折れたり、場合によっては本体全体が壊れたりします。このような状況が発生した場合、装置や人身事故につながる可能性があるため、高速切断技術を防止する必要があります。この目的を達成するために、ドイツは高速回転ツールの安全仕様を開発しました。この仕様には、ツールの設計、テスト、使用、バランス品質に関する厳しい規制が設けられています。この仕様はヨーロッパ標準および国際標準となっています。

データによると、ツールの直接コストは製造コストの 2% ～ 4% しか占めていないのに対し、ツールの使用と管理のコストは 12% 以上です。科学的なツール管理により、ユーザーはツールのコストを大幅に節約し、製造コストを削減できます。そのため、工具管理技術とそれに関連するソフトウェア、ハードウェアの開発は工具メーカーの業務範囲となっており、単純な工具物流管理から、工具調達、識別、保管、オンサイトサービス、工具再研磨、工程改善、プロジェクト開発等を含む工具事業全般の一括請負に至るまで、様々な形態の工具管理サービスをユーザーに提供しています。ユーザー企業は、この特化したソーシャルサービスを活用して、高い切削加工レベルを維持し、コア技術の開発に注力することで、経済と技術の二毛作を実現することができます。

第六に、工具業界の新たなビジネスモデル。

切削技術の発展に伴い、工具業界では動作メカニズムに革命が起きています。ますます新しい生産モデルと新しいワーク材料に直面して、「工具」はもはや単純な製品ではありません。販売後は、プロセスまたはライン処理技術を最適化するための重要なプロセス要素となります。工具メーカーは、ユーザーが加工効率、製品品質を向上させ、製造コストを削減するという目標を達成できるよう、完全な加工技術をユーザーに提供することが、外資系工具メーカーの事業展開の方向性と事業目的となっています。現在、工具メーカーは「ユーザーへのサービス」や「ソリューションの提供」など、さまざまな形のビジネスサービスを通じて工具業界をさらなる発展段階へと導いています。外国工具メーカーのこのような取り組みが製造業の発展に貢献し、ユーザーにより多くの利益をもたらし、ユーザーから歓迎されていることは事実が証明しています。

高度な切削技術を適用して中国の製造業の発展を加速する

中国共産党第16回全国代表大会は、豊かな社会を全面的に構築し、新たな工業化を実現するという課題を提起した。それは、製造大国から製造大国への中国の行進の警笛を鳴らした。切削工具は製造技術の基礎技術として、基本的な加工装置です。この歴史的な行進の先頭に立っている。高度な切削技術と切削工具は、中国の自動車産業、航空宇宙産業、エネルギー産業および支援機器の発展に貢献しています。金型業界の前提条件。このような大きなチャンスを前に、私たちは高度な切削技術と切削工具を駆使して中国の製造業に貢献しなければなりません。

これに最後に、中国の工具産業は世界の工具産業との統合を加速し、技術変革を通じて先進的なプロセス機器と技術を導入し、一流の工具製品を開発、生産しています。中国の工具業界の2つの先駆者である株州超硬合金集団と上海工具廠有限公司は、高い出発点と多額の投資で技術変革を率先して実行し、中国における刃先交換式インサートと超硬ソリッド工具の製造技術を完成させた。世界の先進レベル。同時に、外資系工具企業は、中国の製造業の急速な発展と急速な発展の見通しに直面しており、製造コストの削減、サービス能力の向上、リードタイムの​​短縮を目的として、中国での現地生産やサービスのペースを加速させている。外国の工具会社の中国市場への参入は、先進的な工具を適用して伝統的な製造業を変革するのに非常に有利な条件を提供すると言われています。私たちはこの好機を捉え、経済のグローバル化の課題に対応し、企業の加工技術と競争力を向上させるために先進的な切削工具を積極的に導入しなければなりません。

企業が高度な切削技術の適用を加速する場合、各企業の状況は異なり、具体的な実践方法も異なりますが、共通のアイデアとして次の点を使用できます。

超硬ソリッド工具、窒化ケイ素セラミック工具、CBNおよびPCD工具、高性能ハイス工具などの高性能工具材料で作られた工具は、生産の特定の状況に応じて段階的にプッシュする一種の導入で、良好な結果が得られます。現在、国内の工具メーカーもこれらの工具製品を部分的に供給することができます。

コーティングされたツールを大いに使用してください。中国ではコーティングされたナイフの割合は非常に低く、宣伝の余地は大きいです。望ましい結果を達成するには、加工条件とニーズに応じて適切なコーティンググレードを選択する必要があります。

インデックス可能なツールの使用が強く使用されます。インデックス可能なツールは中国で長年にわたって推進されてきましたが、さまざまな理由から進歩が十分に進んでいません。

発達のバランスが取れていない。しかし、この期間中に、インデックス可能なツールの技術は新たな進歩を遂げ、その種類は急速に増加し、より効率的で応用可能な方向に発展しました。カーブエッジフライスカッターブレード、ワイパーブレード付き旋削インサート、汎用品を開発しました。優れた円形ブレードや八角形ブレードを備えた製品は、大きな応用可能性を秘めています。インデックス可能なツールを積極的に推進することは、企業の技術革新にとって重要なプロジェクトとなるはずです。図7は湖南ダイヤモンド切削工具有限公司が開発した曲刃インサートフライスです。

大規模生産ラインの場合、海外の経験から学び、新しいプロセスと特殊ツールを開発し、効率を向上させてコストを削減するか、複合ツール集中プロセスを開発して効率を向上させ、投資を削減する必要があります。結果を達成するには、このような作業を工作機械メーカーや工具メーカーと組み合わせる必要があります。これは先進国では成熟した慣行です。

一体型の小バッチ生産モードを採用している企業の場合、内部冷却ドリルやすくい面エンドミルなどの効率的な新しいツールを使用する必要があります。第二に、多機能のユニバーサルカッターを使用できるため、工具交換の時間を短縮できます。また、穴あけ、フライス加工、研削などの従来の加工限界を打ち破り、フライス加工、穴あけ、フライス加工、フライス加工、フライス加工、研削というプロセスを通じて新たな加工効果を実現することも必要です。さらに、工具管理を強化し、在庫を削減し、工具コストを削減します。

先進的な切削工具や新技術を導入する場合、企業は社会化の道を歩むために工具メーカーや販売業者の技術力に依存する必要があります。新しい被削材、工具材料、コーティンググレードの現状では、工具の種類は数千種類に及びます。専門家の助けがあってこそ、適切なツールを選択し、望ましい目標を達成することができます。これも現在の海外工具製造です。同社が積極的に推進する「システム供給」と「ソリューションの提供」を経営理念としている。第二に、ツールのコストについての誤った概念、つまり良いツールは高すぎて使えないという考えを打ち破る必要があります。この見解は、中国の切削技術の進歩と国家工具産業の発展に長い間影響を与えてきました。このツールは「高価」であり、製造コストの 2% ～ 4% しか占めていません (中国のほとんどの企業では 2% 未満です)。 「高価な」包丁を使うだけで効率が大幅に下がり、一枚あたりのコストを大幅に下げることができます。企業の利益は、最終的には少ない投資とより多くの生産という効果を達成します。具体的な加工例を通じて、ツールのコストが各製品のコストを超えないことを証明できます。

最後に、皆様のご尽力により、本機の切削技術が結集し、中国の製造・製造技術の発展に貢献できることを願っております。