PCBNカッターによる硬化鋼の溝加工

PCBNカッターによる焼き入れ鋼の溝加工

過去 10 年間で、多結晶立方晶窒化ホウ素 (PCBN) インサートを使用した硬化鋼部品の精密溝入れ加工が、従来の研削加工に徐々に取って代わるようになってきました。米国インデックス社の入札エンジニアリングマネージャー、タイラー・エコノマン氏は、「一般に、溝の研削加工は、溝加工よりも安定した加工であり、より高い寸法精度が得られる。しかし、人々は依然として旋盤でワークピースを完成できることを望んでいる。さまざまな加工が必要である。」と述べた。

ハイス鋼、ダイス鋼、軸受鋼、合金鋼など、焼き入れ処理を施した各種被削材。焼き入れできるのは鉄金属のみであり、通常、焼き入れ処理は低炭素鋼に適用されます。焼入れ処理により、ワークの外面硬度を高めて摩耗性を高め、内部の靭性を向上させます。硬化鋼で作られた部品には、マンドレル、車軸、コネクタ、駆動輪、カムシャフト、ギア、ブッシュ、駆動シャフト、ベアリングなどが含まれます。

ただし、「硬い材料」は相対的な、変化する概念です。硬度 40 ～ 55 HRC のワーク材料は硬い材料であると考える人もいます。硬質材料の硬度は 58 ～ 60 HRC 以上であるべきだと考える人もいます。このカテゴリでは、PCBN ツールを使用できます。

高周波焼き入れ後の表面硬化層の厚さは最大 1.5 mm、硬度は 58 ～ 60 HRC に達することがありますが、表面層の下の材料は通常はるかに柔らかいです。この場合、切断の大部分が表面硬化層の下で行われるようにすることが重要です。

高硬度部品の溝入れ加工には、十分なパワーと剛性を備えた工作機械が必要です。エコノマンによれば、「工作機械の剛性が高く、出力が大きいほど、硬化した材料の溝入れ加工はより効率的になります。被削材の硬度が 50 HRC を超える場合、多くの軽量工作機械は必要な切削条件を満たしていません。機械の能力 (出力、トルク、特に剛性) を超えると、加工を正常に完了できません。」

溝入れ加工では刃先とワークの接触面が大きく、工具がワークに大きな圧力をかけるため、ワーク保持装置の剛性は非常に重要です。高硬度鋼のワークをクランプする場合、幅広クランプを使用することでクランプ面を分散させることができます。住友電工ハードアロイ株式会社のマーケティングマネージャーであるポール・ラツキ氏は、「加工する部品はしっかりと支持されなければなりません。硬化した材料を加工する場合、発生する振動と工具圧力は通常のワークを加工する場合よりもはるかに大きく、ワークがクラ​​ンプされる可能性があります。機械から飛び出たり、CBNブレードが欠けたり、折れたりすることはありません。」と述べています。

溝入れインサートを保持するシャンクは、突き出しを最小限に抑え、工具の剛性を高めるために、できるだけ短くする必要があります。 Isca 社の GRIP 製品マネージャーである Matthew Schmitz 氏は、一般的に硬化した材料の溝入れにはモノリシック工具の方が適していると指摘しています。ただし、同社はモジュール式溝入れシステムも提供しています。 「モジュラーシャンクは、工具が突然故障しやすい機械加工の状況で使用できます」と彼は言います。 「シャンク全体を交換する必要はありません。より安価なコンポーネントを交換するだけで済みます。モジュラーシャンクにはさまざまな加工オプションもあります。イスカルのグリップモジュラーシステムは、さまざまな製品に取り付けることができます。7 つの製品ラインに 7 つの異なるブレードを備えたツールホルダーを使用することも、スロット幅の同じ製品ラインでさまざまな加工に任意の数のブレードを使用することもできます。」

住友ECGA タイプのインサートを掴むための lectric のツールホルダは、ブレードをホルダ内に引き戻すトップクランプ方式を採用しています。このホルダーには、グリップの安定性を向上させ、工具寿命を延ばすのに役立つ側面固定ネジも備えています。同社設計部アシスタントマネージャーのリッチ・メイトン氏は、「このツールホルダーは、硬化したワークピースの溝入れ加工用に設計されている。ホルダー内でブレードが動くと、時間の経過とともにブレードが摩耗し、工具寿命が変化する。自動車産業の高生産性加工要件（刃当たり50～100個または150個のワークピースなど）にとって、工具寿命の予測可能性は特に重要であり、工具寿命の変化は生産に重大な影響を与える可能性がある」と述べた。

報告によると、三菱マテリアルの GY シリーズ トライロック モジュラー溝入れシステムは、一体型ブレード チャックと同等の剛性を備えているとのことです。溝入れブレードを3方向（外周・正面・上面）から確実にグリップします。溝加工時の刃のズレを防ぐV字型の突起と刃の横移動を防ぐ2つの構造設計により、溝加工時の刃のズレを防ぎます。安全キーは、スロット加工中に切削力によって引き起こされるブレードの前方への動きを排除します。

硬化鋼部品に一般的に使用される溝入れインサートには、単純な四角インサート、成形インサート、溝付きインサートなどが含まれます。一般に切削溝は嵌合部があり、またOリングやスナップリングの溝となる場合もあるため、良好な表面仕上げが要求されます。三菱マテリアルの製品スペシャリストであるマーク・メンコーニ氏によると、「これらの加工は内径溝加工と外径溝加工に分けられますが、ほとんどの溝加工では切り込み深さ0.25mm程度から軽いタッチ精度を含む微細な切削が要求されます。深さ0.5mm程度のフルカットまで切削します。」とのこと。

硬化鋼の溝入れには、より高い硬度、優れた耐摩耗性、および適切な形状を備えた工具を使用する必要があります。重要なのは、超硬インサート、セラミック インサート、または PCBN インサートのいずれを使用するかを判断することです。シュミッツ氏は、「硬度が 50 HRC 未満のワークピースを加工する場合、私はほぼ常に超硬インサートを選択します。硬度が 50 ～ 58 HRC のワークピースの場合、セラミックインサートは非常に経済的な選択肢です。ワークピースの CBN インサートの硬度が 58 HRC までである場合にのみ考慮する必要があります。加工機構は切削材料ではなく工具とワークピースの境界面であるため、CBN インサートはこのような高硬度材料の加工に特に適しています。材料を溶かします。」と述べています。

硬度 58 HRC を超える焼き入れ鋼部品の溝入れ加工の場合、切りくず処理は問題ありません。通常、乾式溝入れが使用されるため、切りくずはほこりまたは非常に小さな粒子に近く、ハンドブローで除去できます。住友電工のマトン氏は、「通常、この種の切り粉は何かにぶつかると壊れて崩壊するため、切り粉がワークに接触してもワークに損傷を与えることはありません。切りくずを掴むと手にぶつかってしまいます。 」

CBNチップが乾式切削に適している理由の一つとして、耐熱性は非常に優れているものの、温度変化により加工性能が大幅に低下することが挙げられます。エコノマン氏は「実際、CBNインサートが被削材と接触すると先端に切削熱が発生しますが、CBNインサートは温度変化に弱く、一定の温度を維持するために適切に冷却することが困難です。州。 CBNは非常に硬いですが、非常にもろいので温度変化により破断する可能性があります。」

超硬合金、セラミック、または PCBN インサートを使用して低硬度 (45 ～ 50 HRC など) の鋼部品を切断する場合、生成される切りくずはできるだけ短くする必要があります。切りくずは大量の熱を持ち去ることができるため、これにより、切削プロセス中に工具材料の切削熱が効果的に除去されます。

ですkar の Schmitz 氏は、工具を「反転」状態で加工することも推奨しています。同氏は、「工作機械に工具を取り付ける際、工作機械メーカーが好む工具はブレードを上向きにカットして取り付けます。これにより、ワークの回転によってマシンレールに下向きの圧力がかかり、機械が安定します。しかし、ブレードがワーク材料に切り込まれると、形成された切りくずがブレードとワークピースに残ることがあります。ツールホルダーを裏返し、ツールを逆さまに取り付けると、ブレードは見えなくなり、切りくずの流れは自動的に下側の切削領域から逃げます」と説明しました。重力の作用。」

表面硬化は、低炭素鋼の硬度を向上させる簡単な方法です。原理は、材料の表面下の特定の深さで炭素含有量を増加させることです。溝加工深さが表面硬化層の厚みを超えると、溝加工ブレードが硬い材質から柔らかい材質に変化することにより不具合が生じる場合があります。この目的を達成するために、工具メーカーはさまざまなタイプの被削材材料に合わせていくつかのブレードグレードを開発しました。

ホーン社（米国）のセールスマネージャー、デュアン・ドレープ氏は、「硬い材料から柔らかい材料に変更する場合、ユーザーは必ずしもブレードを交換したいわけではないため、このタイプの加工に最適な工具を見つける必要があります。超硬チップを使用すると、ブレードが硬い表面を切削するときに過度の摩耗が発生するという問題が発生します。高硬度材料の切削に適したCBNチップを使用して柔らかい部品を切削すると、ブレードを損傷しやすくなります。妥協策: 高硬度超硬インサート + 超潤滑コーティング、または比較的柔らかい CBN インサート グレード + (硬い機械加工ではなく) 一般的な材料の切削に適した切削インサート。」

ドレープ氏は、「CBN インサートを使用すると、硬度 45 ～ 50 HRC の被削材を効果的に切削できますが、刃形状を調整する必要があります。一般的な CBN インサートは切れ刃にネガチャンファーが付いています。このネガチャンファーの CBN インサートは加工がより柔らかいです。被削材を使用すると、材質に引き抜き効果が生じ、工具寿命が短くなります。硬度の低い CBN 材種を使用すると、刃先の形状を変更することで、硬度 45 ～ 50 HRC の被削材を正常に切断できます。」

同社が開発したS117 HORN溝入れチップはPCBNチップを使用しており、歯幅を精密に切削する場合の切込み深さは0.15～0.2mm程度。良好な仕上げ面を実現するために、ブレードの両側の切れ刃にはキサゲ面が付いています。

もう 1 つのオプションは、切断パラメータを変更することです。 Index の Economan 氏によると、「硬化層を切断した後は、より大きな切断パラメータを使用できます。硬化深さがわずか 0.13 mm または 0.25 mm の場合、この深さを切断した後、別のブレードを交換するか、同じブレードを引き続き使用しますが、切断パラメータを適切なレベルまで増加します。」

より幅広い加工に対応するため、PCBNブレードのグレードも増加しています。硬度の高いグレードはより速い切断速度を可能にし、より優れた靭性を備えたグレードはより不安定な加工環境でも使用できます。連続または断続切削には、さまざまな PCBN インサート グレードも使用できます。住友電工のマトン氏は、PCBN工具は脆いため、硬化鋼を加工する際に鋭利な刃先が欠けやすいと指摘した。 「特に断続切削では刃先を保護する必要があり、連続切削よりも刃先の準備を整え、切削角度を大きくする必要があります。」

イスカル&新しく開発された IB10H および IB20H グレードは、グルーブ ターン PCBN 製品ラインをさらに拡大します。 IB10H は、焼入れ鋼の中高速連続切削用の微粒子 PCBN 材種です。一方、IB20H は細粒および中粒径の PCBN 粒子で構成されており、優れた耐摩耗性と耐衝撃性を備えています。このバランスは、焼入れ鋼の断続切削というより過酷な条件にも耐えることができます。 PCBN ツールの通常の故障モードは、突然の亀裂やひび割れではなく、刃先が摩耗することです。

住友電工が発売したBNC30GコートPCBN材種は、焼入鋼ワークの断続溝入れ加工に使用されます。連続溝入れ加工には、同社の BN250 ユニバーサルブレードグレードを推奨します。マトン氏は、「連続切削の場合、刃は長時間切削されるため、切削熱が多く発生します。そのため、耐摩耗性に優れた刃を使用する必要があります。断続的な溝入れ加工の場合、刃は連続的に切削に出入りするため、先端に大きな影響を与えます。そのため、断続的な衝撃に耐えられる靭性の良い刃を使用する必要があります。また、刃のコーティングは工具寿命の延長にも役立ちます。」と述べています。

加工される溝の種類に関係なく、これまで硬化鋼部品の仕上げを研削に頼っていた作業場を、PCBN 工具を使用した溝入れに切り替えて生産性を向上させることができます。硬質溝入れ加工では、研削加工と同等の寸法精度を実現しながら、加工時間を大幅に短縮できます。