チタンのCNC加工：合金、課題とヒント

チタンとその合金は、その高い強度、耐久性、耐食性で知られています。航空宇宙産業や医療産業で広く使用されています。私たちはチタン部品から多くの恩恵を受けていますが、チタンCNC加工にはまだ多くの制限があります。この記事では、チタンとは何か、一般的なチタン合金、チタンCNC加工について説明します。

チタンとは？

チタンは金属元素である。元素周期表におけるチタンの原子番号は22（第4周期、NB族）。銀白色の金属光沢を持ち、高融点、低密度、高強度、優れた柔軟性など多くの優れた特性を持つ。工業材料として重要である。

市販の純チタン

商業純チタンは最低99%の純チタンを含む。商業的に純粋な4種類のチタン、すなわちグレード1～4。

グレード1： これらの鋼種の中で最も柔らかく、最も延性がある。最大の成形性、優れた耐食性、高い衝撃靭性を持つ。

グレード2： グレード1チタンと同じ性質を持つが、若干強度が高い。

グレード3： グレード1や2よりも強度があり、延性は同程度で、成形性はわずかに劣る。

グレード4： 4種の中で最も強靭。耐食性、良好な成形性、溶接性を有する。

市販純チタンの機械的性質

プロパティ	グレード1	グレード2	グレード3	グレード4
引張強さ (MPa)	240	345	450	550
降伏強さ (MPa)	310	450	550	655
破断伸度（%）	24	20	18	15

チタン合金

チタンはα相とβ相の2つの相を持つ。室温条件下で得られるマトリックス構造の違いにより、チタン合金は以下の3つのカテゴリーに分けられる：チタンα、チタンβ、チタンa-β。

チタンの例

カテゴリー	例
チタンα	市販の純チタン（グレード1～4） Ti-5Al-2.5Sn（グレード6） Ti-0.2Pd(グレード7)
チタン β	チタン-5モリブデン-5V-8Cr-2Al Ti-10Mo-8V-1Fe-3.5Al チタン32モリブデン
チタン a-β	Ti-6Al-4V (グレード 5) Ti-4Al-4Mo-4Sn-0.5Si

なぜチタンは加工が難しいのか？

チタン合金は軽量で強度が高いという利点がある。しかし、チタン合金の加工の難しさは、常に技術者やエンジニアを悩ませてきた。

熱伝導率が低い。 ほとんどのチタン合金は熱伝導率が極めて低く、鋼の1/7、アルミニウムの1/16、銅の1/25しかありません。そのため、材料を切削する際に発生する熱は放熱しにくく、切削部分に集中する。そのため、工具の急激な摩耗や亀裂につながりやすく、切り屑の堆積が発生し、工具の寿命を短くしてしまう。

チタンの弾性変形。 チタン合金の弾性率は比較的低い。例えば、45鋼の弾性率は210GPa、303、304、316、その他のステンレス鋼の弾性率も200GPa前後であるのに対し、TC4の弾性率は110GPaに過ぎない。チタン合金を加工する場合、特に薄肉部品や環状部品を加工する場合、弾性変形が発生しやすい。

振動。 チタン合金の弾性は、部品の性能からは有益かもしれませんが、切削時の振動の主な原因となります。チタン合金の加工で発生する振動は鋼鉄の10倍です。切削熱は切削部分に集中するため、ジグザグの切り屑が発生し、切削力の変動を引き起こす。

チタンCNC加工プロセス

チタン合金は、その大きな強度と熱伝導の悪さから、機械加工が最も難しい金属のひとつです。それにもかかわらず CNC加工チタンを様々な工程で使用する。

CNCフライス加工

CNCフライス加工は、回転工具を使用して材料を除去することにより、ワークから所望の形状を作成します。チタンの様々な特性を考慮し、チタンワークのフライス加工に適切な措置を講じることが重要です。チタンの高い強度と硬度は、超硬合金や焼き入れ鋼から作られたような強靭なフライス工具を必要とします。

CNC旋盤加工

CNC旋盤加工は、精密な円筒形状を形成するためにスピンドル上で回転させることによって、ワークから所望の形状を作成します。チタン合金を高速度鋼や超硬工具で旋削する場合、良好な切削性能が得られます。超硬工具は振動に弱いため、剛性の高い固定具が必要です。

ウォータージェット切断

ウォータージェット切断は、高圧の水で切断するため高温にならず、熱応力や変形による材料特性の変化は起こりません。ただし、チタン金属の板厚が厚い場合は表面仕上げ加工後の表面粗さはより低くなり、より高い表面粗さを得るためには追加の後処理が必要となる。

チタン部品加工のヒント

チタン合金は高い強度、耐久性、耐食性を持つことが証明されています。チタン合金は航空宇宙プロトタイピングアプリケーション。にもかかわらず、チタン合金の加工にはまだいくつかの困難があるため、効率的で安全な加工を保証するために特別な配慮が必要である。

正しい切削工具を選ぶ:超硬工具やダイヤモンドコーティング工具など、チタン専用に設計された切削工具を使用してください。これらの工具は耐熱性が高く、チタン加工に必要な高い切削力に耐えることができます。

切削パラメータを最適化する： 切削速度、送り、切り込みなどの切削パラメータを調整し、発熱を最小限に抑え、加工硬化を防ぐ。一般的に、チタンを加工する場合は、切削速度を遅くし、送り速度を高くすることを推奨します。

クーラントを使用する： 高圧クーラント・システムを使用して熱を放散させ、工具の摩耗を減らす。クーラントは、刃先の温度を下げることで、加工硬化を防ぐこともできる。

セットアップの剛性： 振動と工具のたわみを最小限に抑えるために、機械、ワークピース、工具のセットアップが可能な限り剛性的であることを確認してください。これは、適切な治具、工具の選択、機械のメンテナンスによって達成できる。

工具のかみ合わせを最小限にする： トロコイドフライス加工や高能率フライス加工などの技術を使用して、工具の噛み込みを最小限に抑え、発熱を抑える。これらの手法では、切屑の厚さを一定に保ちながら、半径方向の切込み深さを小さくすることで、送り速度を速くし、熱管理を改善することができます。

チタン部品の表面仕上げ

チタンには、耐摩耗性の低さ、高温での酸化など、まだいくつかの欠点があります。チタンの耐摩耗性や耐酸化性、その他の特性をさらに向上させるには、いくつかの表面仕上げを施す必要があります。ほとんどの表面仕上げオプションはチタンに適用することができます。以下にこの金属の一般的な表面仕上げのいくつかを列挙します：

ビーズブラスト： 高速で噴射される微粒子を使用してチタンの表面をクリーニングし、テクスチャーを付けることで、滑らかでマットな仕上がりになる。

陽極酸化処理： チタンの自然酸化皮膜の厚みを増すことで、耐食性を高め、さらに鮮やかな色を提供する。

パウダーコーティング： 乾燥した粉末状の物質をチタンの表面に塗布し、耐久性のある保護層を形成する。

研磨： チタンの表面を鏡のような光沢のある仕上げにする。

クロミング： チタンを薄いクロム層でコーティングし、光沢のある反射性の表面を持つ。

ブラッシング： チタンの表面に繊細で平行なラインを作り出し、テクスチャー仕上げを提供します。

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