JP7355844B2 - 多結晶質ダイヤモンドを使用してチタン合金を機械加工する方法 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１９年４月１８日出願の米国特許仮出願第６２／８３５，８６２号及び２０２０年４月１６日出願の米国特許正規出願第１６／８５０，４８２号の利益を主張するものであり、これらは、引用により全体が本明細書に組み込まれる。本出願では、米国特許出願公開第２０２０／０００１３７４号の内容は、全体が引用によって組み込まれる。

本発明は、金属加工作業に関し、より詳しくは、多結晶質ダイヤモンド（ＰＣＤ）の厚さが１ミリメートルよりも大きい、カーバイド基材上に焼結された多結晶質ダイヤモンド切削インサートでチタン合金などの耐熱超合金（ＨＲＳＡ）を機械加工することに関する。

ＰＣＤは、金属加工作業において、特に、アルミニウム部品を機械加工する際に長年使用されてきた。しかしながら、ＰＣＤ材料は、非常に高価であり、そして、鉄鋼材料またはチタン合金を切削したときには長持ちしない。ＰＣＤ先端は、従来、カーバイド基材上へ「ろう付け（ｂｒａｚｅ）」され、ＰＣＤ材料の原価高のため、インサートは、非常に少量のＰＣＤ（例えば、一つの隅部上に小さい三角形）を使用する。これらのろう付けされた先端は、特定の金属加工作業で非常に有効であるが、チタン合金の機械加工など、特定の他の状態下では、ＰＣＤインサートとカーバイド基材とのろう付けは、高温により弱くなり、不良が発生しやすい。

全体として、金属を切削することにより熱が生成され、全ての材料は、異なる速度で熱を伝達する。この速度の測定値は、熱伝導率と呼ばれている。ＰＣＤは、おおよそ８００Ｗ／ｍ－Ｋの速度で熱を伝達するが、一方、タングステンカーバイドは、２８Ｗ／ｍ－Ｋで熱を伝達する。カーバイドのこの低い伝達速度は、大抵の場合、熱に抗するので効果的である。工作物、または、さらに工作物から除去された切削チップは、工作物の熱伝達速度の方が高い場合には熱を吸収する。耐熱超合金で作製された工作物を機械加工するとき、切削作業は、熱を、ＰＣＤ先端を介して先端を支持する基板に素早く伝達する。ＰＣＤ先端が基材内にろう付けされた以前のデザインにおいて、切削工具（ｃｕｔｔｉｎｇ ｔｏｏｌ）によって吸収された熱が、ろう付けを軟化して弱体化して、工具（ｔｏｏｌ）は、不良となる。さらに、カーバイド切削インサートを使用する速度が高いほど多くの摩擦熱が生成され、温度が上昇してカーバイド工具（ｃａｒｂｉｄｅ ｔｏｏｌ）は、軟化して早期故障に至る。

現在、機械加工チタン合金の機能が達成されるのは、高速鋼カッターまたはカーバイドカッター（中実または挿入型）によってであるが、論じたばかりの理由から、さらに、ＰＣＤ材料の脆弱性及びコストのために、ＰＣＤベースの工具材料によってではない。

ＰＣＤインサートでのチタンなどの耐熱超合金の機械加工の必要性が存在する。また、ＰＣＤインサートでチタン合金を機械加工するだけでなく、５０メートル／分を超えることができる表面速度を有する高速用途でチタン合金または他のＨＲＳＡ材料を機械加工する構成及び方法が必要とされかつ適応される。

回転工具保持具（ｒｏｔａｒｙ ｔｏｏｌ ｈｏｌｄｅｒ）上に取り付けられた少なくとも一つの切削インサート（ｃｕｔｔｉｎｇ ｉｎｓｅｒｔ）を使用することであって、少なくとも一つの切削インサートは、基材頂面に固定されたかまたは該基材頂面と一体の、少なくとも１ミリメートル厚さのＰＣＤ上層（ａ ｔｏｐ ｌａｙｅｒ ｏｆ ＰＣＤ）を有する基材で構成され、インサート面速度率が５０メートル／分を超えるように回転工具保持具を回転させる工程と、機械加工作業がほぼ０．０５０ミリメートル～０．２００ミリメートルの厚さを有するチップを生成するように工具保持具（ｔｏｏｌ ｈｏｌｄｅｒ）の工具送り量（回転当たりの歯当たりの前進）（ｔｏｏｌ ｆｅｅｄ ｒａｔｅ （ａｄｖａｎｃｅ ｐｅｒ ｔｏｏｔｈ ｐｅｒ ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ））及び／又は半径方向の係合を調整する工程とを含むＨＲＳＡを機械加工する方法。
一態様として、前記回転工具保持具の回転中における切削インサートの縁部の振れの大きさは、０．０３０ミリメートル以下である。

ＰＣＤ層が基材の上にある切削インサートの等角図を例示する。 ＰＣＤ層が基材の上にある図１Ａの切削インサートの上面図を例示する。 ＰＣＤ層が基材の上にある切削インサートの別の実施形態の側面斜視図を例示する。 ＰＣＤ層が基材の上にある切削インサートの別の実施形態の上面図を例示する。 ＰＣＤ層が基材の上にある切削インサートの別の実施形態の正面斜視図を例示する。 ＰＣＤインサートを使用する機械加工に利用することができる典型的な工具保持具を例示する。 ＰＣＤインサートを使用する機械加工に利用することができる典型的な工具保持具を例示する。 ＰＣＤインサートを使用する機械加工に利用することができる典型的な工具保持具を例示する。 異なる切削インサート材料の切削速度及び寿命を例示するチャートである。 工具がポケット加工（ｐｏｃｋｅｔｉｎｇ）作業中に従うことができる潜在的な工具経路を例示する。 工具がポケット加工作業中に従うことができる潜在的な工具経路を例示する。 工具が倣い削り（ｐｒｏｆｉｌｉｎｇ）作業中に従うことができる一つの経路を例示する。 工具が倣い削り作業中に従うことができる一つの経路を例示する。 工具が倣い削り作業中に従うことができる第二の経路を例示する。 工具が倣い削り作業中に従うことができる第二の経路を例示する。 工具が倣い削り作業中に従うことができる第三の経路を例示する。

全体として、本発明による方法は、回転当たりの歯当たりの前進、フライス加工（ｍｉｌｌｉｎｇ）工具の半径方向の係合、または、これらの状態の組み合わせによって決まる最大切削チップ厚さが結果となる、複数の刃先（ｃｕｔｔｉｎｇ ｅｄｇｅ）の制御した係合に関する。加えて、この方法は、現行技術を用いて利用可能な速くなった表面速度で工作物を機械加工中に刃先に対する係合及び離脱ショック（ｅｎｇａｇｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｄｉｓｅｎｇａｇｅｍｅｎｔ ｓｈｏｃｋ）を制限するように工作物に対して工具の経路を制御することに関する。

図１Ａ～図１Ｂは、基材２０と一体の材料１５のＰＣＤ層を有する切削インサート１０を例示する。例示するように、ＰＣＤ材料１５は、基材２０の頂面全体の上方に延びる。中心孔２５は、切削インサート１０を工具保持具に固定する取り付けねじを受け入れるためにインサート１０を貫通して延びる。図１Ａ～図１Ｂに例示する切削インサート１０は、取り付けねじを受け入れる孔を有するが、本明細書で開示する本発明は、クランプを使用して固定することができる完全に中実の切削インサート（貫通孔なし）、または、別の方法で固定することができる任意の他の切削工具を含むがこれらに限定されない、チタンを機械加工するために使用することができる任意の切削工具に適用可能であることを認識するべきである。

図１Ａ～図１Ｂに例示する切削インサート１０は、上から見たときに正方形形状を有するが、本明細書で論じるような基材へのＰＣＤ層の適用は、正方形のインサートに限定されず、本質的に任意の形状のインサートに適用可能であり得る。さらに、図１Ａ～図１Ｂに例示されるのは、基材２０の頂面全体の上方に延びるＰＣＤ材料１５を有する切削インサート１０であるが、工作物に係合することになる刃先に隣接するインサート上の基材２０の部分にＰＣＤ層を選択的に適用することは全く可能である。これらの状況下では、ＰＣＤ材料１５は、工作物に係合することになるインサート１０の領域内において、全ての基本的な方向（ａｌｌ ｃａｒｄｉｎａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ）に１ミリメートルを越えて延びることが好ましい。ＰＣＤ材料１５は、基材２０の全体の表面の上に延びなくてもよいが、基材２０の頂面の１／３以上の上に延びることが好ましい。

図１Ｃ～図１Ｅは、ＰＣＤ層が中心から全体的に半径方向に凹設部分内で延びるリブを含む別の実施形態を例示する。これらのリブは、ＰＣＤ層内で構造的な支持をもたらし、また、チップ割れの強化をもたらす領域をもたらすこともできる。

図２Ａ～図２Ｃは、機械加工作業に従事するために切削インサート１０のうちの一つ以上を固定するために利用することができる典型的な工具保持具及び、特に典型的な回転工具保持具を示す。特に、図２Ａは、フライスカッターを例示し、図２Ｂは、ドリルを例示し、図２Ｃは、エンドミルを例示する。これらの工具保持具の各々は、所与の機械作業のために多軸ＣＮＣ機内に固定することができる。

図３の表に注意を向けると、出願人は、本発明によるＰＣＤインサート及び機械加工法を利用することによって、例えば、Ｔｉ－６ＡＬ４Ｖに限定されず、Ｔｉ－６ＡＬ４Ｖなどのチタン合金で作製された工作物に適用したときに、金属加工作業中に切削速度をカーバイド工具の従来の速度の最大５倍まで増大させることが可能であると判断した。特に、図３を参照すると、カーバイドインサートを使用する従来の切削作業では、６０～９０分の工具寿命で５０～７０メートル／分の切削速度を利用することができる。他方、本発明によるＰＣＤインサートを利用して、切削速度を５０メートル／分の同じ速度に維持することは可能であり、工具寿命は、７２０分以上に増大することになる。本発明を最良に利用するためには、出願人は、ＰＣＤインサートの高速用途が最適であると考えている。特に、適切な状態下では、好適な実施形態において、ＰＣＤ切削インサートの切削速度は、１５０～２００メートル／分とすることができ、工具寿命は、９０～１２０分とすることができる。その結果として、本発明によるＰＣＤインサートは、高速機械加工を可能にするだけではなく、適切に使用されたとき、この工具寿命は、カーバイド切削インサート競合品の工具寿命を超える。

一般的な機械加工作業で重視するのは、工作物を機械加工するときの歯当たりの送り量（ｆｅｅｄ ｐｅｒ ｔｏｏｔｈ）（チップロード（ｃｈｉｐ ｌｏａｄ）ともいう）であり、切削チップの最大厚さではない。出願人は、切削チップ（ｃｕｔ ｃｈｉｐ）の最大厚さを重視することによって、チタンなどの耐熱超合金の機械加工作業を最適化することが可能であるとわかった。

本明細書で説明するＰＣＤインサートは、ＰＣＤ層の相対的に大きな容積が熱を吸収して伝達することができるので魅力的である。ＰＣＤ層からの熱伝達は、ＰＣＤ層に対する冷却剤で支援することができる。加えて、ＰＣＤは、より硬質である傾向があり、従って、カーバイドよりも長く摩耗に抗することができるので、同じ硬度ではないカーバイドほどは物理的に磨耗しない。最後に、ＰＣＤの方が、高い係数を有する被覆の有無を問わず超硬合金と比較すると、摩擦係数が低い。このより低い摩擦係数は、２つの理由から有意である。この低い摩擦係数によって、切削摩擦及び結果として生じる発熱が低減され、また、切削インサートが工作物面を介してまたはそれに沿って移動するのに必要とされる力の量が低減される。

切削チップの厚さは、重要である。切削チップ厚さの判定は、工具直径と半径方向の係合量及び回転当たりの歯当たりの送り量との関係の関数である。工具保持具の直径が与えられると、半径方向の係合及び送り量が、工具経路の機械工具のプログラミングに指定される。先述したように、以前の機械加工プロセスとは異なり、本発明では、所望のチップ厚さを限界値として指定して、適切なチップ厚さを確保するために所与の半径方向の係合に使用する所与の送り量を見つける。従来の実施方法は、半径方向の係合及び送り量を指定することであり、結果は、チップ厚さが結果として生じる。

ここまで論じてきたことは、ＰＣＤを使用する耐熱超合金の機械加工の一般的な適用である。このプロセスが特に有益である特定の適用がある。

ポケットフライス加工（ｐｏｃｋｅｔ ｍｉｌｌｉｎｇ）は、工作物の表面上の閉鎖された境界内の材料を特定の奥行きに除去する機械加工技術である。フライスカッター直径の１１５％以上である作製された初孔を生成する必要がある。過去においてであれば、図４Ａに例示するように、切削工具は隅部を機械加工する隅部領域に達するまで、工具経路は、ポケット外形形状の複数の縮小バージョンとなる。

しかしながら、図４Ｂに注意を向けると、フライスカッターの、孔の側壁への進入は、工具とポケット壁部との接触に達するまで、つる巻状（ｈｅｌｉｃａｌ）または少なくとも螺旋状（ｓｐｉｒａｌ）の進入経路を利用することができ、その後、隅部は、一定の半径方向の係合アプローチに従って機械加工される。この螺旋状の切削を達成するために切削工具が進む距離がより大きくなり得るが、ＰＣＤ器具を使用して可能になる切削速度が有意に増大して、加工時間全体は、有意に低減される。その後、材料のかなりの部分が除去されると、材料のその後の帯は、カッター直径の百分率としての量で、所与のステップでＭａｓｔｅｒｃａｍ（登録商標）動的フライス加工経路でなど、材料に入る半径方向の経路進入によって除去することができる。このようにして、ＰＣＤインサートを利用するフライスカッターを使用して、フライス加工時間を有意に短縮することができる。先に論じた回転当たりの歯当たりの送り量が同様にこの作業に適用可能であることを認識するべきである。

倣いフライス削りは、垂直の、傾斜した、または５軸線織面（５－ａｘｉｓ ｒｕｌｅｄ ｓｕｒｆａｃｅｓ）を荒または仕上げフライス削りするのに使用される。選択された表面は、連続的な工具経路を可能にする必要がある。図５Ａに例示するように、従来の工具類を使用すると、切削寸法は、かなり高目である。先述したように、カーバイド切削インサートを表面切削速度で利用すると、５０～７０メートル／分であり得、工具寿命は、６０～９０分であり得る。しかしながら、カーバイドインサートは、ＰＣＤよりも有意に大きい靭性を有し、その結果として、刃先が倣い削りするべき材料の肩部に遭遇したときに切削インサートに対する初期衝撃に耐えることができる。

発明者は、切削速度が現在最大２００メートル／分までであり得ることから、ＰＣＤインサートを使用して倣い削り作業をより少ない時間で達成することができることを発見した。しかしながら、ＰＣＤインサートが衝撃に対して強くないことから、倣い削り作業の工具経路は異なる。少なくとも３つのオプション、即ち、工具によるまっすぐなアプローチのための傾斜面、「斜路」が準備された部品材料、又は、一定の半径方向の係合及び跨ぎ量のための斜路形状のカッター経路が、倣い削りについてあり得る。

第一の実施例として、図５Ｂに例示するように、ＰＣＤインサートを使用する倣い削り作業については、切削インサートは、異形カット（ｐｒｏｆｉｌｅ ｃｕｔ）のまっすぐな部分にカッター直径の６０％の半径で３．４～６．８度で傾斜される。その後、カッターは、傾斜した部分に戻って機械加工作業を完了することができる。斜路の長さは、直径の２倍～直径の１０倍とすることができる。一例として、これは、８０ミリメートル直径の工具について１６０ミリメートル～８００ミリメートルランプの斜路を示唆することになる。

第二の実施例として、部品材料は、斜路が作成される。図５Ｂに例示するランプは、図６Ａに示すような方法で衝撃により強い工具で従来の技術を使用して生成することができる。その後、ＰＣＤインサートは、図６Ｂに例示するように、倣い削り作業を完了するために利用することができる。

倣い削りのさらに別の実施例において、図７は、一定の半径方向の係合及び跨ぎ量を使用して、円など、曲線状の勾配に機械加工される工作物での構成を例示する。工具経路は、工作物の周りの線で示されている。一定の半径方向の係合をもたらすために、工具経路は、インサートに掛かる衝撃を最小限に抑えるために隅部の小さい部分に係合し、その後、工具は、曲線状の経路を始める。複数の相互作用を介して、湾曲した形状は、一定の半径方向の係合で工作物全体に与えられる。

重要なことは、これらの工具経路は、工具に掛かる負荷の増加が非常に滑らかであり、漸進的なように半径方向の係合の変化を制御することである。最も重要なのは、工具の方向の急な変化がない。そうすることによって、ＰＣＤインサートを利用する倣い削り作業は、掛かる時間が少なくて済み、工具寿命が延び、従来のカーバイド工具類を使用して達成されなかった効率が得られるようになる。

フライス加工を除いて、発明者らは、また、ＰＣＤインサートは、例えば、図２Ｂに例示するドリルである工具保持具を使用する穴明け作業中に耐熱超合金を機械加工する間に有用であり得ることを発見した。まさに前と同様に、５０～２００メートル／分の表面速度を利用して、０．０５０～０．２００ミリメートル／回転の送り量を実行することができる。もう一度、送り量の増大を所与の進入距離にわたって制御することが必要であり、かつ、このような目標を達成するために、例えば、Ｇ９３．２ファナック速度送りオプション（Ｇ９３．２ Ｆａｎｕｃ ｒａｔｅ ｆｅｅｄ ｏｐｔｉｏｎ）（Ａ０２Ｂ－０３２６－Ｒ６３５）を利用することができる。しかしながら、このタスクを達成するために新しい機械アルゴリズムを生成するか、または、既存の機械アルゴリズムを使用することが可能である。このような技術は、当業者に知られている。

ここまで説明してきたことは、フライス加工及び穴明けに関する金属加工作業である。しかしながら、本明細書で適用される概念は、同様の利点で、中ぐりなど、他の機械加工作業に等しく適用することができることを認識するべきである。

説明の目的上、これ以降、用語「端部」、「上部」、「下部」、「右」、「左」、「垂直」、「水平」、「頂部」、「底部」、「横方向」、「長手方向」及びそれの派生語は、図面中に配向されたような実施例に関するものとする。しかしながら、実施例は、それとは反対であると明示的に明記される場合を除き、様々な代替変形例及びステップシーケンスを想定することができることを理解するべきである。また、添付図面に例示して以下の明細書で説明する特定の実施例は、本発明の単に例示の実施例または態様であると理解するべきである。従って、本明細書で開示する特定の実施例または態様は、制限的なものと解釈されないものとする。

本発明を、現在最も実際的な好適であり非限定的な実施形態、実施例または態様であると考えることに基づいてある程度詳細に説明してきたが、このような詳細は、単にその目的のためのものであり、本発明は、開示した好適であり非限定的な実施形態、実施例または態様に限定されず、それに対して、特許請求の範囲の精神及び範囲内のある変更例及び同等の構成を包含することが意図されていることを理解すべきである。例えば、本発明は、可能な限り、いかなる好適であり非限定的な実施形態、実施例または態様の一つ以上の特徴も、他のいかなる好適であり非限定的な実施形態、実施例または態様の一つ以上の特徴とも組み合わせることができることを企図することを理解すべきである。

Claims (14)

1. 回転工具保持具に取り付けられた、基材頂面の１／３以上にわたるＰＣＤ材料からなる上層が上に固定される基材を有する少なくとも一つの切削インサートを使用して、耐熱超合金（ＨＲＳＡ）である工作物をフライス加工する方法において、
   ａ）インサート面速度が５０メートル／分を超えるように前記回転工具保持具を回転させる工程と、
   ｂ）前記フライス加工が０．０５０ミリメートル～０．２００ミリメートルの厚さを有するチップを生成するように、前記回転工具保持具の送り量及び／又は径方向切込み量を調整する工程と、
   を含む、方法。
2. 前記耐熱超合金材料は、チタン合金である、請求項１に記載の方法。
3. 前記耐熱超合金材料は、Ｔｉ－６ＡＬ４Ｖである、請求項１に記載の方法。
4. 前記ＰＣＤ材料は、前記基材の頂面全体に延びる、請求項１に記載の方法。
5. 前記ＰＣＤ材料は、前記少なくとも一つの切削インサートの刃先が前記工作物と係合する接触領域において、前記切削インサートの前記接触領域内で前記刃先から１ミリメートルを越えて内側に延びる、請求項１に記載の方法。
6. 冷却剤の流れを主として前記ＰＣＤ材料の頂面に導く工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記回転工具保持具の回転中における切削インサートの縁部の振れの大きさは、０．０３０ミリメートル以下である、請求項１に記載の方法。
8. 前記フライス加工は、ポケット加工である、請求項１に記載の方法。
9. 前記ポケット加工は、高速機械加工によってされる、請求項８に記載の方法。
10. 前記ポケット加工は、
    ａ）工作物に、前記回転工具保持具の直径よりも大きい孔を生成する工程と、
    ｂ）工程ａ）の後に、前記孔の中心から螺旋状の進入経路が延びているような運転を実行する工程と、
    ｃ）工程ｂ）の後に、隅部を仕上げるために半径方向の経路を利用して材料に進入し、加工の残りを実行する工程と、
    を含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記フライス加工は、倣い削りである、請求項１に記載の方法。
12. 前記少なくとも一つの切削インサートは、前記少なくとも一つの切削インサートの最大表面速度及び最大工具寿命を可能にするために斜路に沿って前記工作物に導入される、請求項１１に記載の方法。
13. 前記少なくとも一つの切削インサートは、ＰＣＤ材料を含まない工具を使用して生成された斜路に沿って導入される、請求項１１に記載の方法。
14. 前記少なくとも一つの切削インサートの径方向切込み量が一定であり、かつ、前記少なくとも一つの切削インサートを移動する制御装置が一定のステップオーバー量を利用する、請求項１１に記載の方法。

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