JP2008178933A

JP2008178933A - 純チタン材の切削加工方法

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Publication number: JP2008178933A
Application number: JP2007013556A
Authority: JP
Inventors: Shinsuke Masuda; 真輔益田; Koichi Akazawa; 浩一赤澤; Nobuhiro Hara; 宣宏原
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2007-01-24
Filing date: 2007-01-24
Publication date: 2008-08-07
Anticipated expiration: 2027-01-24
Also published as: JP4897500B2

Abstract

【課題】純チタン材の表面に形成された酸化影響層の切削抵抗を低減して当該酸化影響層の切削除去を良好に行う。
【解決手段】純チタン材１の切削加工方法は、切削工具１１の回転軸を純チタン材１の表面に対して垂直に保持した状態で、切削工具１１をその軸方向に直交する方向に純チタン材１に対して相対移動させながら酸化影響層３の少なくとも一部を削り取る切削工程を備えている。そして、切削工程では、酸化影響層３のうち切削工具１１によって削り取られる部分の厚みに対して、切削工具１１の切削刃１７のうち酸化影響層３に接触して当該酸化影響層３を削り取る機能を有する部分の長さが１３０％以上１６０％以下の値となるように設定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、純チタン材の切削加工方法に関するものである。

従来、酸素雰囲気下において所定の温度で加熱されたチタン材には、その表面近傍に母材よりも多くの酸素を含む酸化影響層が形成されることが知られている（例えば、特許文献１参照）。

ところで、純チタン材を鋳造する際には材料の熱処理が行われるが、この熱処理によって鋳造後の純チタン材の表面には、上記のような酸化影響層が形成される。この酸化影響層は、母材に比べて非常に硬く脆いため、鋳造した純チタン材を所定形状の製品に成形加工する際にその成形を妨げる要因となる。このため、純チタン材の成形加工の前段階で酸化影響層を切削加工により除去することが行われている。
特開平６−２１２３９３号公報

しかしながら、酸化影響層は上記したように非常に硬いため、その除去工程において切削抵抗が大きく、切削工具の損耗が激しくなる。このため、酸化影響層の切削除去が困難になるという問題点がある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、純チタン材の表面に形成された酸化影響層の切削抵抗を低減して当該酸化影響層の切削除去を良好に行うことである。

上記目的を達成するために、本願発明者らは鋭意検討した結果、酸化影響層のうち切削工具によって削り取られる部分の厚みと、切削工具の切削刃のうち酸化影響層に接触して当該酸化影響層を削り取る機能を有する部分の長さとの関係が切削抵抗に大きな影響を及ぼしていることを見出した。すなわち、本発明による純チタン材の切削加工方法は、表面に酸化影響層が形成された純チタン材に対して、所定の軸回りに回転する切削刃を有する切削工具を用いてフライス加工する純チタン材の切削加工方法であって、前記切削工具の回転軸を前記純チタン材の表面に対して垂直に保持した状態で、前記切削工具をその軸方向に直交する方向に前記純チタン材に対して相対移動させながら前記酸化影響層の少なくとも一部を削り取る切削工程を備え、前記切削工程では、前記酸化影響層のうち前記切削工具によって削り取られる部分の厚みに対して、前記切削工具の切削刃のうち前記酸化影響層に接触して当該酸化影響層を削り取る機能を有する部分の長さが１３０％以上１６０％以下の値となるように設定する。

なお、本発明における「純チタン材」は、ＪＩＳ（日本工業規格）に規定された１種から４種までの純チタン材を含むものであり、１００％のチタンからなるものに限らず、微量の不純物を含有するものも含む概念である。また、本発明における「酸化影響層」は、純チタン材の表面が酸化されて形成されるチタン酸化物層のみならず、純チタン材の表面近傍に母材よりも多くの酸素が固溶した状態の層をも含む概念である。

本願発明者らは、上記のように切削工程において酸化影響層のうち切削工具によって削り取られる部分の厚みに対して、切削工具の切削刃のうち酸化影響層に接触して当該酸化影響層を削り取る機能を有する部分の長さが１３０％以上１６０％以下の値となるように設定することにより、純チタン材の表面に形成された酸化影響層の切削抵抗を低減可能であることを見出した。従って、上記のように酸化影響層の切削条件を設定することにより、純チタン材の表面に形成された酸化影響層の切削抵抗を低減して当該酸化影響層の切削除去を良好に行うことができる。

上記純チタン材の切削加工方法において、前記切削工程では、前記切削刃のうち前記酸化影響層に接触して当該酸化影響層を削り取る機能を有する部分が前記切削工具の軸方向に直線的に延びる直線部と、その直線部の端部から前記切削工具の軸方向における前記切削刃の前記酸化影響層側の端面に至るように円弧状に形成された円弧部とからなる前記切削工具を用いて前記酸化影響層を削り取ってもよい。

以上説明したように、本発明による純チタン材の切削加工方法によれば、純チタン材の表面に形成された酸化影響層の切削抵抗を低減して当該酸化影響層の切削除去を良好に行うことができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態による純チタン材１の切削加工方法を説明するための純チタン材１と切削工具１１の配置状態を示した斜視図である。図２は、図１の切削工具１１の切削刃１７と純チタン材１の酸化影響層３との接触部分を局所的に示した断面図である。まず、図１と図２を参照して、本発明の一実施形態による純チタン材１の切削加工方法について説明する。

本実施形態による純チタン材１の切削加工方法は、純チタン材１の表面に形成された酸化影響層３の切削除去に用いられるものである。

一般に、スラブ鋼材等の純チタン材１が製造されるまでの過程では、材料の鋳造工程において熱処理が行われる。そして、この熱処理時には、酸素雰囲気によって純チタン材１の表面に酸化影響層３が形成される。酸化影響層３は、純チタン材１の最表面が酸化されることによって形成されるチタン酸化物層３ａと、純チタン材１の表面近傍に内部の母材５よりも多くの酸素が固溶した層３ｂからなるものである。そして、このような表層に形成される酸化影響層３は、内部の母材５に比べて非常に硬く脆い性質を持つ。このため、純チタン材１を用いて種々の形状の製品を成形する際に酸化影響層３は成形を妨げる要因となるので、そのような製品の成形加工に先立って酸化影響層３を切削除去することが行われる。

本実施形態による純チタン材１の切削加工方法では、図１に示すような切削工具１１を用いてフライス加工することにより酸化影響層３の切削除去を行う。この切削工具１１は、所定の軸回りに回転するものであって、軸部１３と円盤部１５と切削刃１７とを有している。

前記軸部１３は、切削工具１１の回転軸となる部分であり、図示しない切削加工装置からこの軸部１３に駆動が伝達されて切削工具１１が回転するようになっている。

前記円盤部１５は、図１において軸部１３の下端に結合している。この円盤部１５は、その軸心が軸部１３の軸心と同軸となるように配置されており、軸部１３と一体となって回転する。

前記切削刃１７は、円盤部１５の周面から径方向外側に突出するように設けられているとともに、円盤部１５の周方向に所定間隔で複数設けられている。そして、これら各切削刃１７は、切削工具１１の回転に伴って当該切削工具１１の軸回りに回転しながら純チタン材１の酸化影響層３に接触して当該酸化影響層３の少なくとも一部の領域を削り取る。切削刃１７としては、超硬チップや、コーティングチップ等が適用され、その材料として高速度鋼、サーメット、セラミックス、ＣＢＮ（ＣｕｂｉｃＢｏｒｏｎＮｉｔｒｉｄｅ）、ダイヤモンド等の切削加工で一般的なものが用いられる。

本実施形態の切削加工方法では、切削工具１１の回転軸を純チタン材１の表面に対して垂直に保持した状態で、切削工具１１をその軸方向に直交する方向に純チタン材１に対して移動させながら酸化影響層３を回転する切削刃１７で削り取っていく。この際、切削刃１７は、その刃先の所定の部分のみが酸化影響層３に接触して当該酸化影響層３を削り取る。具体的には、図２に示すように、切削刃１７のうち酸化影響層３に接触して当該酸化影響層３を削り取る接触部１７ａは、切削刃１７の刃先の下端近傍の部分である。そして、接触部１７ａは切削工具１１の軸方向に直線的に延びる直線部１７ｂと、その直線部１７ｂの下端から切削刃１７の下面に至るように円弧状に形成された円弧部１７ｃとによって構成されている。前記円弧部１７ｃは、直線部１７ｂと切削刃１７の下面との間に構成される角部が円弧状に丸められた形状を有しており、その形状は中心角が９０度の４分の１円弧となっている。

そして、本実施形態による酸化影響層３の切削工程では、酸化影響層３のうち切削工具１１の切削刃１７によって削り取られる部分の厚み（以下、切込み量という）に対して、切削刃１７のうち酸化影響層３に接触して当該酸化影響層３を削り取る接触部１７ａの長さ（以下、実切削刃長という）が１３０％以上１６０％以下の値となるように設定する。

本願発明者らは、酸化影響層３の切削抵抗を低減するために切削工具１１の酸化影響層３に対する切込み量と切削刃１７の実切削刃長との関係に着目し、以下に説明する実験を行って鋭意検討した結果、上記の切込み量に対する実切削刃長の設定条件を見出した。

この実験では、切削工具１１による切込み量（純チタン材１表面からの切込み深さ）に対する切削刃１７の実切削刃長の比を変化させながら純チタン材１の酸化影響層３を実際に切削することにより、酸化影響層３の切削抵抗がどのように変化するかについて調べた。この実験の切削に供する純チタン材１としては、長さ５０ｍｍ、幅３０ｍｍ、厚み５０ｍｍの角材状で、その表面に約５ｍｍ厚の酸化影響層３が形成されたものを用いた。そして、切削工具１１を用いて酸化影響層３の表層部分を上記の切削加工方法に基づいて切削除去した。この際、潤滑のための切削油を切削箇所に供給しながら切削を行った。なお、この実験では、切削刃１７が円盤部１５の周面に１つのみ設けられた切削工具１１を用いて切削を行った。酸化影響層３の切削は、純チタン材１を動力計１００（図１参照）の上に載せた状態で行い、その動力計１００によって酸化影響層３の切削抵抗を測定した。そして、この実験の切削条件は、以下の表１に示す各条件に設定した。

この実験では、上記表１に示すように、各切削条件で切削幅、切込み量、切削速度及び１刃当たり送り量を一定にした状態で切削を行った。ここで言う１刃当たり送り量は、１回転当たりに切削工具１１が切削方向へ移動する距離（送り量）を切削刃１７の数で割ったものである。この実験では、切削刃１７が１つしか設けられていないので、１刃当たり送り量は切削工具１１が１回転当たりに切削方向へ移動する距離となる。切込み量は、純チタン材１の上面に切削工具１１の下面が接触した位置から切削工具１１を下方へ移動させた距離に基づいて設定した。具体的には、切削開始前の条件設定において、切削工具１１を純チタン材１上で下方に移動させながら純チタン材１の上面に切削工具１１の下面が接触したことを図略の加工装置のタッチセンサで検知し、その接触した位置を基準としてその位置から下方へ切削工具１１を移動させた距離によって切込み量を設定した。なお、上記のように切削幅と切削速度を各切削条件で一定としたのは、これらの値は１刃当たりの切削抵抗にほぼ影響を与えないためである。また、切込み量と１刃当たり送り量は、切削抵抗の絶対値に影響を与えるものの、後述するように各切削条件の切削抵抗を相対比較すれば、切削抵抗の絶対値への影響に係らず、切削抵抗の低減に対する各切削条件の有効性について妥当な判断を行えるため、これら切込み量と１刃当たり送り量についても一定の値に固定した条件で実験を行った。

そして、この実験では、切込み量に対する実切削刃長の比を１１７．３％〜１９０．１％の間で変化させた各条件で切削抵抗を測定した。ただし、上記のように切込み量は一定の値に固定しているので、切削刃１７の実切削刃長を変化させることによって切込み量に対する実切削刃長の比を変化させた。詳細には、円弧部１７ｃの円弧半径がそれぞれ異なる切削刃１７を用いることにより、円弧部１７ｃの長さＬ１を変化させるとともに直線部１７ｂの長さＬ２を変化させて切削刃１７の実切削刃長を変化させた。そして、切削加工は、図１に示すように、純チタン材１の長さ方向Ｆｘに切削工具１１の送り方向を設定した場合と、純チタン材１の幅方向Ｆｙに切削工具１１の送り方向を設定した場合とについてそれぞれ行った。この実験の結果が図３に示されている。なお、図３には、切込み量に対する実切削刃長の比が１９０．１％の場合の切削抵抗値を１００％として、それに対する各条件での切削抵抗値を比率で表している。

図３の結果から判るように、切込み量に対する実切削刃長の比を約１３０％以上約１６０％以下の範囲に設定することによって、酸化影響層３の切削抵抗が切込み量に対する実切削刃長の比を約１９０％に設定した場合の切削抵抗に対して約７１％〜約７８％の値に減少することが判る。そして、切込み量に対する実切削刃長の比をさらに小さくして約１２０％に設定すると、切込み量に対する実切削刃長の比を約１３０％以上約１６０％以下の範囲に設定した場合に比べて逆に切削抵抗が増大することが判る。従って、この実験結果から切込み量に対する実切削刃長の比を約１３０％以上約１６０％以下の範囲内に設定することによって、酸化影響層３の切削抵抗を低減させることができ、その結果、酸化影響層３を良好に切削除去可能であることが判明した。また、図３から、切込み量に対する実切削刃長の比を約１３０％以上約１６０％以下の範囲内に設定すると切削抵抗が比較的安定することが判る。すなわち、切込み量に対する実切削刃長の比が約１３０％以上約１６０％以下の範囲内に収まる程度であれば、切込み量に対する実切削刃長の比が他の範囲にある場合よりも実切削刃長と切込み量の変動が切削抵抗に与える影響は少ないと考えられる。

以上説明したように、本実施形態による純チタン材１の切削加工方法では、切削工程において酸化影響層３のうち切削工具１１によって削り取られる部分の厚み（切込み量）に対して、切削刃１７のうち酸化影響層３に接触して当該酸化影響層３を削り取る接触部１７ａの長さ（実切削刃長）が１３０％以上１６０％以下の値となるように設定することにより、純チタン材１の表面に形成された酸化影響層３の切削抵抗を低減して当該酸化影響層３の切削除去を良好に行うことができる。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれる。

例えば、上記実施形態の切削加工方法は、純チタン材のスラブ鋼材以外にも種々の形状のものに適用することができる。例えば、純チタン材のビレットやその他ブロック状の純チタン材等に本発明による切削加工方法を適用してもよい。

また、上記実施形態では、切削工具１１側を純チタン材１に対して移動させて切削を行ったが、これに限らず、切削工具１１側を固定してそれに対して純チタン材１側を移動させることにより切削を行ってもよい。

また、上記実施形態では、切削工具１１をその回転軸が上下方向に沿うように配置するとともに、この切削工具１１によって純チタン材１の上面に形成された酸化影響層３を切削する例を示したが、これに限らず、酸化影響層３が形成された純チタン材１の表面に対して切削工具１１の回転軸が垂直に配置されていれば、上記以外の構成で切削工具１１と純チタン材１を配置して酸化影響層３の切削を行ってもよい。例えば、側面に酸化影響層が存在する状態の純チタン材を、その側面に対して回転軸が垂直になるように配置した切削工具によって切削してもよい。

本発明の一実施形態による純チタン材の切削加工方法を説明するための純チタン材と切削工具の配置状態を示した斜視図である。図１の切削工具の切削刃と純チタン材の酸化影響層との接触部分を局所的に示した断面図である。切削工具の酸化影響層への切込み量に対する切削刃の実切削刃長の比と切削抵抗との関係を調べた実験結果を示した図である。

符号の説明

１純チタン材
３酸化影響層
１１切削工具
１７切削刃
１７ｂ直線部
１７ｃ円弧部

Claims

表面に酸化影響層が形成された純チタン材に対して、所定の軸回りに回転する切削刃を有する切削工具を用いてフライス加工する純チタン材の切削加工方法であって、
前記切削工具の回転軸を前記純チタン材の表面に対して垂直に保持した状態で、前記切削工具をその軸方向に直交する方向に前記純チタン材に対して相対移動させながら前記酸化影響層の少なくとも一部を削り取る切削工程を備え、
前記切削工程では、前記酸化影響層のうち前記切削工具によって削り取られる部分の厚みに対して、前記切削工具の切削刃のうち前記酸化影響層に接触して当該酸化影響層を削り取る機能を有する部分の長さが１３０％以上１６０％以下の値となるように設定する、純チタン材の切削加工方法。
前記切削工程では、前記切削刃のうち前記酸化影響層に接触して当該酸化影響層を削り取る機能を有する部分が前記切削工具の軸方向に直線的に延びる直線部と、その直線部の端部から前記切削工具の軸方向における前記切削刃の前記酸化影響層側の端面に至るように円弧状に形成された円弧部とからなる前記切削工具を用いて前記酸化影響層を削り取る、請求項１に記載の純チタン材の切削加工方法。