ハルビン工科大学は3DP印刷技術を使用して超硬ボールヘッドフライスカッターを製造

ツールホルダーは金属切削工作機械の重要な部品であり、ツールの幾何学的溝形状と冷却方法は加工効率と製品の品質に大きな影響を与えます。近年、3D プリンティングは、その独自の技術的特性により、ツールホルダーの分野で深く発展しています。

切削工具への応用における 3D 印刷技術の主要部分は 3DP バインダージェット印刷技術です。熱処理後の切削工具の硬度は、アプリケーションの要件を満たすことができます。もう一つの大きな分野は、粉末床選択的レーザー溶融技術を使用して金属工具の特殊な溝形状や工具内部の複雑な冷却チャネルを製造する SLM 金属 3D 印刷技術です。これら 2 つの技術は、ツール業界からますます注目を集めています。今号では、3D Science Valleyとその仲間たちが、3DP印刷技術を通じてマイクロテクスチャ超硬ボールエンドミルカッターを製造するハルビン理工大学の技術について学びます。

チタン合金を切削する場合、チタン合金と工具の間の摩擦係数は大きく、前刃に沿ったチタン合金の切りくずの摩擦速度は速くなります。摩擦が激しいと工具が摩耗しやすくなり、表面品質が悪くなり、これがチタン合金の開発を制限する主な要因となっています。チタン合金部品の性能は、主に部品の加工品質に依存します。この種の問題は、航空宇宙研究者にとって最も懸念される問題の1つとなっています。

近年、バイオニックトライボロジーでは表面テクスチャの概念が提案されています。いわゆる表面テクスチャリングは、表面マイクロモデリングとも呼ばれ、摩擦面上に特定のサイズと配置のピットまたは小さな溝のドットマトリックスを機械加工するプロセスです。高性能の表面テクスチャは、良好な摩擦低減、付着防止、耐摩耗性の向上を実現し、ナイフ表面状態の摩擦低減に新たな研究方向をもたらし、理論的根拠も提供します。現在、国内外の少数の学者が表面テクスチャを切削工具に応用しています。研究はまだ初期段階ですが、彼らの研究結果により、表面微細テクスチャ工具は工具の切削性能を向上させる効果があることが証明されています。

工具表面へのマイクロテクスチャの応用とそれが工具性能に与える影響に関する研究はまだ初期段階にあり、主に旋削インサートとインデックス可能な正面フライスインサートに焦点を当てており、45＃鋼とアルミニウム合金が主な切削材料です。ボールエンドミルカッターによるチタン合金のフライス加工における表面マイクロテクスチャの応用に関する研究は見つかっておらず、マイクロテクスチャの最適化に関する研究報告もありません。したがって、チタン合金の現在の非効率的な加工モードを変更し、マイクロテクスチャツールの有用な探索を行い、チタン合金の効率的で高品質な切削を実現する必要があります。

既存の表面マイクロテクスチャリング処理方法には、主にレーザー表面テクスチャリング技術 (LST)、表面レーザーショットピーニング (LPT)、LIGA 技術、反応性イオンエッチング (RIE)、エンボス加工技術、電解処理、電気火花加工、電気加工などがあります。これらの技術はすべて、基板表面に直接マイクロエリア処理を施すことでテクスチャリングを実現していますが、既存のテクスチャリング技術のほとんどは依然として「減算型」製造技術に属し、主にエッチング、エンボス加工などの方法を使用して表面に単一のピットまたは溝を形成しています。その中でも、レーザー表面テクスチャリング技術は、製造速度が速く、適用材料の範囲が広く、精度が高く、環境を汚染せず、形状とサイズの制御能力に優れているなどの利点があるため、表面マイクロテクスチャリングの分野で広く使用されています。しかし、この方法で工具表面に微細テクスチャを加工すると、微細テクスチャの周囲に熱影響部や微細クラックが発生しやすくなり、加工中の工具の強度や寿命に影響を与えます。

プラスチック材料の 3D 印刷技術が比較的成熟するにつれて、金属 3D 印刷技術は大きな発展の可能性を示し、ラピッドプロトタイピングの分野における重要な発展方向と研究のホットスポットとなっています。ほとんどの金属 3D 印刷技術では、レーザーを入力熱源として使用し、金属粉末を溶かしたり焼結したりして部品を層ごとに印刷します。しかし、全く異なる2つの特性を持つ複合材料である超硬合金の場合、WCは高融点のセラミックに属し、Coは低融点の金属に属します。レーザーが到達する温度はWCを溶融するのに十分ですが、WCの溶融温度に達するとCoが蒸発し、凝固後の合金構造は超硬合金の要件を満たすことができません。

ハルビン理工大学は、3DPバインダージェット3D印刷技術を使用して、既存の3D印刷技術では超硬合金工具を製造できないという問題と、既存の技術によって工具に作成されたマイクロテクスチャに欠陥があるという問題を解決しました。さらに、3D印刷技術に基づいてマイクロテクスチャ超硬合金ボールヘッドフライスカッターを作成する方法を提案しました。具体的には、次の手順が含まれます。

YG8 超硬合金ボールエンドミルカッター粉末原料の製造: YG8 超硬合金ボールエンドミルカッター粉末原料の主成分は、8% のコバルト粉末と 92% のタングステンカーバイド粉末です。
有機バインダーの調製：有機バインダーの主成分には、パラフィンと、ポリエチレングリコール、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリビニルアルコールのいずれかが含まれます。
ボールエンドミルの工具とチップの接触面を確立する: 計算と実験を通じて、与えられた切削パラメータの下での加工中のボールエンドミルのすくい面上の工具とチップの接触面積と位置を取得します。
マイクロテクスチャ超硬ボールエンドミルカッターの 3D モデルを確立します。前の手順で確立したツールとチップの接触領域モデルを使用し、特定のマイクロテクスチャのサイズ、深さ、間隔でこの領域にピットマイクロテクスチャモデルを埋め込み、最適な摩擦低減効果を実現します。
3D モデルを通じてマイクロテクスチャツールエンティティを印刷します。
後処理：まず、マイクロテクスチャ超硬工具を水素環境に置いて熱脱脂し、バインダーを除去します。最後に、真空焼結プロセスを使用して、焼結温度約 1400° ～ 1420° で 3 ～ 6 時間、超硬マイクロテクスチャボールエンドミルカッターブランクを焼結します。最終的に、マイクロテクスチャ超硬ボールエンドミルカッターは 100% の密度と十分な強度に達します。

3DPはバインダージェット印刷技術です。ハルビン工業大学が3DP技術と後処理技術を通じて開発したマイクロテクスチャ超硬ボールエンドミルは、工具の密度を100％にすることができ、後処理後のコンパクトさと強度は、基本的に従来の加工方法で得られた超硬工具と同じです。

超硬ボールエンドミルは形状が複雑なため、従来の加工方法では準備プロセスが煩雑になり、材料の無駄も生じます。ハルビン理工大学の製造方法によって製造されたマイクロテクスチャ超硬ボールエンドミルカッターは、より高い寸法精度を実現できるだけでなく、前刃に独自の工具・チップ接触モデルを確立し、接触領域に直径50ミクロンから200ミクロンのピットマイクロテクスチャアレイを非常に高い寸法精度で印刷することを実現できます。

ハルビン理工大学は、超硬ボールエンドミルカッターに微細テクスチャを作成する現在の方法と比較して、複雑な形状のボールエンドミルカッターを製造できるだけでなく、ボールエンドミルカッターの前刃の工具チップ接触領域に、より正確な寸法のピット微細テクスチャ配列を作成することができ、それによって工具チップ接触面積が減り、工具チップ接触領域の摩擦係数が低下し、切削中の工具摩耗が軽減されます。

ハルビン工業大学は、超硬合金ボールエンドミルカッターにマイクロテクスチャーを施す際に従来の技術で生じる欠点もいくつか克服しました。例えば、レーザー技術を使用して超硬ボールエンドミルカッター上に作製されたマイクロテクスチャの寸法精度は非常に低く、また、高温溶融プロセス中に超硬表面が空気中の酸素と反応して工具の組成が変化する可能性があります。また、マイクロテクスチャの周囲に熱影響部が生成され、マイクロクラックが発生する可能性があり、工具の耐用年数に影響します。そのため、ハルビン理工大学は、超硬ボールエンドミルカッターの構造強度を向上させるだけでなく、マイクロテクスチャ工具の耐摩擦性と耐摩耗性をさらに向上させ、耐用年数を延ばしました。

海外では、3DPバインダージェット3Dプリント技術を用いた超硬合金工具の製造が開発されていると報じられている。ドイツのフラウンホーファー研究所の研究者らは、3DPバインダージェット3Dプリント技術を使用して超硬工具を製造することに成功しました。同研究所では、炭化物粉末を3DP印刷することで、複雑なデザインを簡単に作成できる。このプロセスでは、タングステンカーバイド粒子を含むセラミック硬質材料の粉末粒子が、コバルト、ニッケル、または鉄を含む結合材を使用して層ごとに印刷することによって結合されます。この結合材は、粉末層間の結合剤として作用するだけでなく、製品に優れた機械的特性を与え、高密度部品の製造を可能にします。曲げ強度、靭性、硬度を選択的に調整することもできます。その後の処理には、従来の処理方法と同じ超硬合金金型のコンパクト性を実現するための焼結が含まれます。

さらに、KOMET と MAPAL もこの点で成果を上げており、前者は SLM 金属 3D 印刷技術と機械加工技術を使用してフライスカッターを製造しています。密なチップ溝を備えたこのフライスカッターのカッター本体はカスタマイズされた非標準製品ですが、シャンク部分は機械加工技術によって大量生産された標準製品です。後者は3Dプリント技術を使用してQTDシリーズツールの複雑な螺旋冷却チャネルを作成し、ドリルビットの上部への冷却液の流れの際の熱伝導能力を向上させます。このドリルビットは以前のドリルビットよりも長持ちし、動作も高速です。

超硬工具の製造に使用される 3DP 技術であれ、金属工具のヘッドやハンドルの製造に使用される SLM 技術であれ、工具製造における 3D プリント技術の地位は急速に向上しています。

さらに読む:金属 3D プリントと機械加工を組み合わせる - KOMET が非標準ツールを製造する新しい方法

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出典: 3Dサイエンスバレー

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