3Dプリントチタン合金部品とチタン合金鍛造品のフライス加工性能の比較研究

著者: 王磊

3D プリンティングは、デジタルモデルファイルをベースとして、粉末金属やプラスチックなどの結合可能な材料を使用して層ごとに印刷することでオブジェクトを構築するラピッドプロトタイピングテクノロジです。チタン合金 3D プリント技術は、高速、低コスト、試作材料の無制限、さまざまな形状の部品を処理できる能力、柔軟性、高度な統合性により、近年航空宇宙分野で急速に発展しています。

3Dプリントチタン合金の異方性特性により、本論文では、3Dプリントチタン合金のさまざまな方向でのフライス加工性能を分析しました。同時に、実験中に切削力、工具摩耗などのデータを測定しました。測定値に応じて処理パラメータを最適化し、2つのチタン合金材料の切削性能の違いを比較して、将来の処理と生産の指針を提供しました。

1 実験条件と計画
（１）試験材料図 1 に示すように、試験片は 3D プリントされたチタン合金ブロックと鍛造された TC4 チタン合金ブロックで作られ、両方の寸法は 40 mm × 30 mm × 20 mm でした。表1はTC4チタン合金材料の化学組成です。

(a) 3Dプリントチタン合金 (b) 鍛造TC4チタン合金図1 試験片表1 TC4チタン合金材料の化学組成（重量％）

（２）試験設備①加工工作機械：瀋陽機械工具工場製VMC850E加工センター
②加工工具：PVDダイヤモンドコーティング超硬エンドミル、工具パラメータはD8*25*70*4T、周方向刃先すくい角12°、バック角10°、ねじれ角40°。
③力測定システム：KISTLER9272 4軸圧電力計、KISTLER5017Bチャージアンプおよび対応するデータ収集および処理システム。
④その他：日本ミツトヨ製表面粗さ計SJ201、赤外線サーモグラフィA615

（３）直交実験計画<br /> 3Dプリントチタン合金材料とTC4チタン合金材料の基本的なフライス加工テストをそれぞれ実施しました。加工パラメータは表2に示されており、合計18グループあります。試験中は冷却剤がないので、加工中の温度測定に便利で、リバースミリング方式を採用しています。

表2 フライス加工パラメータ

2 実験結果と分析
（１）フライス加工力結果の分析<br /> 2 つの材料のフライス加工力 Fx は、図 2 に示すように折れ線グラフで分析されます。

図 2 フライス加工力曲線 3 5000/s での流動応力-ひずみ曲線同じフライス加工パラメータでは、鍛造 TC4 チタン合金のフライス加工力 Fx は 3D プリントチタン合金のフライス加工力 Fx よりも大きく、高速フライス加工中は前者のフライス加工力の低下は後者ほど顕著ではありません。これは、鍛造されたTC4チタン合金の強度（硬度）はやや劣るものの、可塑性が非常に優れているため、加工中に大きな塑性変形が発生し、工具が固着しやすくなり、工具の摩耗が悪化し、フライス加工抵抗が増加し、フライス加工力が大きくなるためです。 3D プリントされたチタン合金は強度が高いものの、可塑性が低く、大きなひずみ速度で断熱温度上昇が発生します (図 3 を参照)。その結果、温度上昇によって材料が明らかに軟化し、フライス加工力が大幅に低下します。

2 つの材料のチップを比較分析すると (図 4 を参照)、3D プリントされたチタン合金チップはカール振幅が小さく、C 字型であるため、破損しやすく、ツールに絡まりにくいことがわかりました。チップ破損時の塑性変形は小さく、発生する熱も少なくなります。TC4 チタン合金チップはカール振幅が大きく、円筒形であるため、ツールに絡まりやすく、ツールにくっつきます。チップ破損時の塑性変形が大きく、発生する熱が多く、変形抵抗が大きくなります。要約すると、鍛造された TC4 チタン合金は可塑性が良好で、加工中のフライス加工力が比較的大きいことがわかります。

(a) 3Dチタン合金 (b) TC4チタン合金図4 同じ加工条件における2つのチタン合金の切削片の形態
(a) 3Dプリントチタン合金の極限切削力の解析
(b) 鍛造TC4チタン合金のフライス加工力の範囲分析図5 2つの材料のフライス加工力に対する加工パラメータの影響フライス加工力Fxの範囲分析を図5に示します。 3D プリントされたチタン合金のフライス加工力に最も大きな影響を与えるのは線速度であり、次に軸方向の切削深さ、最後に歯当たりの送りが影響することがわかります。線速度が 40m/分から 80m/分に増加すると、ミリング力 Fx は最初に増加し、その後減少します。歯当たりの送り量と軸方向の切削深さの増加は、フライス加工力 Fx の増加につながります。その中で、軸方向の切削深さの増加によって引き起こされるフライス加工力の増加は、歯当たりの送り量の増加によって引き起こされるフライス加工力の増加よりも大幅に大きくなります。鍛造 TC4 チタン合金の場合、フライス加工力 Fx に最も大きな影響を与えるのは線速度であり、次に歯当たりの送り量、最後に軸方向の切削深さが続きます。

（２）粉砕温度分析<br /> 図 6 からわかるように、3D プリントされたチタン合金の場合、その可塑性は鍛造された TC4 チタン合金ほど良くないため、同じ処理パラメータでは、前者のフライス加工温度は後者よりも低くなります。線速度が低い場合、軸方向の切削深さが増加すると、フライス加工温度はある程度低下します。この変化傾向は、鍛造 TC4 チタン合金の傾向と一致しています。線速度が徐々に増加すると、特に線速度が60m/分に増加すると、温度が470℃から580℃に急上昇します。これは、線速度が高く、軸方向の切削深さが小さいため、工具とワークピース表面の間の押し出し効果がより顕著になり、切りくずが小さくなり、一定の温度上昇が発生するためです。ライン速度がさらに 80 m/分に増加すると、粉砕温度の変化は顕著ではなくなりますが、小さな振幅の振動が見られます。これは、3Dプリントされたチタン合金の可塑性が低いため、スピンドル速度を上げると材料の塑性変形が大幅に減少する可能性があるためです。スピンドル速度を上げても、塑性変形はもはや明らかではありません。

図6 2種類の材料の粉砕温度
（３）工具摩耗検出・解析<br /> 図7aから、鍛造TC4チタン合金加工工具の摩耗が深刻で、外周端でエッジチッピング現象が非常に顕著で、マトリックス材料の脱落が深刻で、大量のチタン合金マトリックス材料が工具の外周端に付着していることがわかります。これは、チタン合金のフライス加工中に切削領域の温度が高く、チップのひずみ率が大きいため、ある程度の材料の軟化が起こり、工具に付着するからです。切りくずの蓄積が増加すると、工具刃先の粗さが増して鋭利ではなくなり、切削抵抗がさらに増加します。また、外周刃の裏面には亀裂がいくつかあり、亀裂が拡大し続けると、工具の刃先材料が徐々に剥がれ落ち、工具の母材が露出します。工具裏面のコーティング剥離現象も顕著であり、工具母材がワーク材と直接接触し、工具周縁裏面の研磨摩耗や拡散摩耗が促進され、工具寿命が低下します。図7bに示すように、フライスカッターの前面の摩耗は比較的軽く、基本的に刃先付近の欠けやチップの固着のみが発生しています。研磨摩耗現象は明らかではなく、これはリバースフライス加工の特性と一致しています。

(a) 刃先側面の摩耗
(b) 外周刃の摩耗図7 TC4チタン合金の鍛造における工具摩耗
3Dプリントされたチタン合金加工工具も、周縁部にマイクロチッピングやマトリックス材料の脱落が見られ、工具の背面には明らかな研磨摩耗傷がありますが、周縁部の背面にはチタン合金マトリックス材料の結合現象は明らかではありません（図8を参照）。これは、チタン合金のフライス加工工程において、3Dプリントされたチタン合金材料の硬度が高いため、加工中に摩耗現象がより深刻になり、背面ツール表面に非常に顕著な摩耗傷が発生するためです。また、この材料は比較的硬くて脆いため、加工中に小さな塑性変形を起こしてマトリックス材料が剥がれ落ちるため、材料除去プロセス中に発生する熱は小さく、チップが発生しにくいです。外周刃逃げ面の摩耗は鍛造TC4チタン合金と基本的に同じです。

(a) 刃先側面の摩耗
(b) 円周刃前面の摩耗図8 3Dプリントチタン合金加工工具の摩耗鍛造TC4チタン合金加工工具と比較して、3Dプリントチタン合金加工工具の摩耗は小さく、円周刃先でのマイクロチッピングは少なく、円周刃側面でのチップ固着現象は顕著ではありません。したがって、同じ処理パラメータでは、3D プリントチタン合金材料処理ツールの寿命は長くなります。

結論（1）同じフライス加工パラメータでは、鍛造TC4チタン合金のフライス加工力Fxは3Dプリントチタン合金よりも大きく、高速フライス加工時に前者のフライス加工力は大幅に低下しない。
（２）同じ加工パラメータでは、３Ｄプリントされたチタン合金材料のフライス加工温度はチタン合金鍛造品よりも低い。
（３）同じ加工パラメータでは、３Ｄプリントされたチタン合金材料加工ツールの寿命は長くなる。
（4）これら2つのチタン合金材料を加工する場合、切削速度は60m/分程度に抑える必要があります。条件が許せば、低いスピンドル速度と高い送り速度を使用できます。

出典: 「ツールテクノロジー」著者: 王磊

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