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JP7236108B2 - Milling device and milling method - Google Patents

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JP7236108B2
JP7236108B2 JP2020074236A JP2020074236A JP7236108B2 JP 7236108 B2 JP7236108 B2 JP 7236108B2 JP 2020074236 A JP2020074236 A JP 2020074236A JP 2020074236 A JP2020074236 A JP 2020074236A JP 7236108 B2 JP7236108 B2 JP 7236108B2
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Description

本開示は、切削装置、及び切削方法に関する。 The present disclosure relates to a cutting device and a cutting method.

Ni基合金、チタン合金等の耐熱合金に対する切削加工は、一般に超硬合金製のインサートを有する工具を用いて行われる。この切削加工は、断続的な切削であるミリングの場合でも、40m/min程度の低速領域で行われている。 Cutting of heat-resistant alloys such as Ni-based alloys and titanium alloys is generally performed using tools having inserts made of cemented carbide. Even in the case of milling, which is intermittent cutting, this cutting is performed in a low speed range of about 40 m/min.

これに対し、超硬合金よりも耐熱性の高いセラミック製のインサートを用いて、800m/minの高速領域で切削加工する試みがあり、その実用化も始まっている(非特許文献1参照)。 On the other hand, there is an attempt to perform cutting at a high speed of 800 m/min using a ceramic insert that has higher heat resistance than cemented carbide, and its practical use has also begun (see Non-Patent Document 1).

Norikazu Suzuki, Risa Enmei, Yohei Hashimoto, Eiji Shamoto, and Yuki Hatano, “Tool failure Mechanism in High-Speed Milling of Inconel 718 by Use of Ceramic Tools”, International Journal of Automation Technology, Vol.8, No.6, PP. 837-846, 2014Norikazu Suzuki, Risa Enmei, Yohei Hashimoto, Eiji Shamoto, and Yuki Hatano, “Tool failure Mechanism in High-Speed Milling of Inconel 718 by Use of Ceramic Tools”, International Journal of Automation Technology, Vol.8, No.6, PP 837-846, 2014

非特許文献1に記載されるように、セラミック製のインサートを用いた耐熱合金の高速切削では、セラミックの脆性に起因して、インサートに欠損が生じやすい。そのため、安定した切削加工が困難である。また、インサートの寿命が短くなり、頻繁な工具交換が必要となる。 As described in Non-Patent Document 1, in high-speed cutting of a heat-resistant alloy using a ceramic insert, the insert is likely to break due to the brittleness of the ceramic. Therefore, stable cutting is difficult. Also, the life of the insert is shortened, requiring frequent tool changes.

さらに、従来の方法で800m/min以上の高速領域で切削を行うと、図10A,10B,10Cに示すように、高速になるほどインサートに欠損が生じやすくなる。なお、図10Aは、切削速度800m/min、図10Bは、切削速度1200m/min、図10Cは、切削速度1500m/minで、それぞれインコネル(登録商標)718に対し材料除去体積が約16ccの切削を行った後のインサートの刃先である。 Furthermore, when cutting is performed in a high speed range of 800 m/min or more by the conventional method, as shown in FIGS. In addition, FIG. 10A shows a cutting speed of 800 m / min, FIG. 10B shows a cutting speed of 1200 m / min, and FIG. 10C shows a cutting speed of 1500 m / min. This is the cutting edge of the insert after the

本開示の一局面は、耐熱合金を高速でかつ安定して切削加工できる切削装置を提供することを目的とする。 An object of one aspect of the present disclosure is to provide a cutting apparatus capable of cutting a heat-resistant alloy at high speed and stably.

本開示の一態様は、耐熱合金製の被削材を切削する工具である。切削工具は、セラミック製のインサートを備える。インサートの切削速度ベクトル及び切れ刃稜線に直交する直線と、インサートのすくい面とがなす垂直すくい角は-55°以上-10°以下である。 One aspect of the present disclosure is a tool for cutting a heat resistant alloy work piece. The cutting tool has a ceramic insert. The vertical rake angle formed by the cutting speed vector of the insert and the straight line perpendicular to the cutting edge line and the rake face of the insert is -55° or more and -10° or less.

従来の超硬合金製のインサートを用いた耐熱合金の切削においては、垂直すくい角を正の側に比較的大きくすることが望ましいとされている。これに対し、発明者らは、鋭意検討した結果、セラミック製のインサートを用いる場合には、垂直すくい角を-55°以上-10°以下とすることで、欠損が防止されることを見出し、本開示に至った。 In cutting heat-resistant alloys using conventional cemented carbide inserts, it is desirable to make the vertical rake angle relatively large on the positive side. On the other hand, as a result of intensive studies, the inventors found that, when using a ceramic insert, chipping can be prevented by setting the vertical rake angle to −55° or more and −10° or less. The present disclosure has been reached.

すなわち、本開示の構成によれば、上述のインサートにおける垂直すくい角を-55°以上-10°以下とすることにより、耐熱合金を例えば1000m/min以上の超高速領域でも安定して切削加工することができる。 That is, according to the configuration of the present disclosure, by setting the vertical rake angle of the insert to −55° or more and −10° or less, the heat-resistant alloy can be stably cut even in an ultra-high speed range of, for example, 1000 m/min or more. be able to.

本開示の一態様では、耐熱合金は、Ni基合金又はチタン合金であってもよい。このような構成によれば、Ni基合金又はチタン合金製の被削材に対する超高速領域でのより安定した切削加工が実現される。 In one aspect of the present disclosure, the heat-resistant alloy may be a Ni-based alloy or a titanium alloy. According to such a configuration, it is possible to achieve more stable cutting of a work material made of a Ni-based alloy or a titanium alloy in an ultra-high speed range.

本開示の一態様では、インサートは、略円柱状又は略円錐状であり、かつ回転可能に支持されてもよい。このような構成によれば、回転によりインサートの被削材との接触箇所が変化するため摩耗が分散する。そのため、インサートの寿命を延ばすことができる。 In one aspect of the present disclosure, the insert may be generally cylindrical or generally conical and rotatably supported. According to such a configuration, since the contact point of the insert with the work material changes due to rotation, wear is dispersed. Therefore, the life of the insert can be extended.

本開示の別の態様は、耐熱合金製の被削材を切削する装置である。切削装置は、セラミック製のインサートを有する切削工具と、切削工具と被削材との間の相対的な切削速度を制御する制御部と、を備える。また、切削点温度が被削材の融点となる、切削工具と被削材との間の相対的な最小切削速度を基準切削速度V(m/min)としたとき、制御部は、切削速度を1.2・V(m/min)以上とする。 Another aspect of the present disclosure is an apparatus for cutting a workpiece made of a heat resistant alloy. The cutting apparatus includes a cutting tool having a ceramic insert and a control that controls the relative cutting speed between the cutting tool and the work piece. Further, when the relative minimum cutting speed between the cutting tool and the work material at which the cutting point temperature becomes the melting point of the work material is defined as the reference cutting speed V (m/min), the control unit controls the cutting speed is 1.2 V (m/min) or more.

発明者らは、さらに鋭意検討した結果、セラミック工具による切削速度が一定以上になると、耐熱合金の切削における切削点温度が飽和することを見出した。この発見に基づき、発明者らは、切削速度を一定以上とすることでインサートの摩耗量が低減することを予測し、実験的に実証して本開示に至った。 As a result of further intensive studies, the inventors have found that the cutting point temperature in cutting a heat-resistant alloy saturates when the cutting speed with a ceramic tool exceeds a certain level. Based on this discovery, the inventors predicted that the amount of wear of the insert would be reduced by increasing the cutting speed to a certain level or higher, and experimentally demonstrated this, leading to the present disclosure.

すなわち、本開示の構成によれば、切削速度を1.2・V(m/min)以上とすることにより、従来よりも高速の領域で耐熱合金の切削を安定して行うことができる。また、インサートの摩耗量の低減によりインサートの寿命を延ばすこともできる。なお、ここで言う「寿命」とは、インサートが所定の摩耗量に至るまで又はインサートが欠損を起こすまでの切削距離又は被削材の除去量を指し、切削時間を指すものではない。 That is, according to the configuration of the present disclosure, by setting the cutting speed to 1.2·V (m/min) or more, it is possible to stably cut the heat-resistant alloy in a higher speed region than conventionally. In addition, the life of the insert can be extended by reducing the wear amount of the insert. The term "service life" as used herein refers to the cutting distance or the amount of work removed until the insert reaches a predetermined amount of wear or chipping, and does not refer to the cutting time.

本開示の別の態様は、耐熱合金製の被削材を切削する方法である。切削方法は、セラミック製のインサートを備えた切削工具により被削材を切削する工程を備える。切削する工程において、インサートの切削速度ベクトル及び切れ刃稜線に直交する直線と、インサートのすくい面とがなす垂直すくい角を-55°以上-10°以下とする。 Another aspect of the present disclosure is a method of cutting a workpiece made of a heat resistant alloy. A cutting method comprises cutting a workpiece with a cutting tool having a ceramic insert. In the step of cutting, the vertical rake angle formed by the cutting speed vector of the insert and the straight line orthogonal to the cutting edge line and the rake face of the insert is set to −55° or more and −10° or less.

このような構成によれば、インサートにおける上記垂直すくい角を-55°以上-10°以下とすることにより、耐熱合金を例えば1000m/min以上の超高速領域でも安定して切削加工することができる。 According to such a configuration, by setting the vertical rake angle of the insert to −55° or more and −10° or less, it is possible to stably cut a heat-resistant alloy even in an ultra-high speed range of, for example, 1000 m/min or more. .

本開示の別の態様は、耐熱合金製の被削材を切削する方法である。切削方法は、セラミック製のインサートを備えた切削工具により被削材を切削する工程を備える。切削する工程において、切削点温度が被削材の融点となる、切削工具と被削材との間の相対的な最小切削速度を基準切削速度V(m/min)としたとき、切削速度を1.2・V(m/min)以上とする。 Another aspect of the present disclosure is a method of cutting a workpiece made of a heat resistant alloy. A cutting method comprises cutting a workpiece with a cutting tool having a ceramic insert. In the cutting process, when the relative minimum cutting speed between the cutting tool and the work material at which the cutting point temperature becomes the melting point of the work material is the reference cutting speed V (m / min), the cutting speed is 1.2·V (m/min) or more.

このような構成によれば、切削速度を1.2・V(m/min)以上とすることにより、従来よりも高速の領域で耐熱合金の切削を安定して行うことができる。また、インサートの摩耗量の低減によりインサートの寿命を延ばすこともできる。 According to such a configuration, by setting the cutting speed to 1.2·V (m/min) or more, it is possible to stably cut the heat-resistant alloy in a higher speed range than conventionally. In addition, the life of the insert can be extended by reducing the wear amount of the insert.

実施形態の切削装置を示す模式的なブロック図である。It is a typical block diagram showing a cutting device of an embodiment. 実施形態の切削工具を示す模式的な斜視図である。It is a typical perspective view showing a cutting tool of an embodiment. インサートにおける垂直すくい角を説明するための模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram for explaining a vertical rake angle in an insert; 図3のA-A線での模式的な断面図である。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view taken along line AA of FIG. 3; 切削速度と切削点温度との関係を示すグラフである。4 is a graph showing the relationship between cutting speed and cutting point temperature. 各種金属における切削速度と切削点温度の融点に対する比との関係を示すグラフである。4 is a graph showing the relationship between the cutting speed and the ratio of the cutting point temperature to the melting point for various metals. 実施例における垂直すくい角と除去体積との関係を示すグラフである。4 is a graph showing the relationship between vertical rake angle and removal volume in Examples. 実施例における比切削抵抗と累積工具移動距離との関係を示すグラフである。4 is a graph showing the relationship between specific cutting resistance and cumulative tool travel distance in Examples. 図9Aは、800m/minで切削後のインサートの写真であり、図9Bは、2000m/minで切削後のインサートの写真であり、図9Cは、2400m/minで切削後のインサートの写真である。9A is a photograph of the insert after cutting at 800 m/min, FIG. 9B is a photograph of the insert after cutting at 2000 m/min, and FIG. 9C is a photograph of the insert after cutting at 2400 m/min. . 図10Aは、従来技術における800m/minで切削後のインサートの写真であり、図10Bは、従来技術における1200m/minで切削後のインサートの写真であり、図10Cは、従来技術における1500m/minで切削後のインサートの写真である。10A is a photograph of the insert after cutting at 800 m/min in the prior art, FIG. 10B is a photograph of the insert after cutting at 1200 m/min in the prior art, and FIG. 10C is a photo of the insert after cutting at 1500 m/min in the prior art. It is a photograph of the insert after cutting with.

以下、本開示が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
[1.第1実施形態]
[1-1.構成]
図1に示す切削装置1は、耐熱合金製の被削材を切削するための装置である。切削装置1は、切削工具2と、回転動力機構3と、切削動力機構4と、制御部5と、を備える。
Embodiments to which the present disclosure is applied will be described below with reference to the drawings.
[1. First Embodiment]
[1-1. composition]
A cutting device 1 shown in FIG. 1 is a device for cutting a work material made of a heat-resistant alloy. The cutting device 1 includes a cutting tool 2 , a rotary power mechanism 3 , a cutting power mechanism 4 and a controller 5 .

<回転動力機構>
回転動力機構3は、電動モーター等により切削工具2のインサート21を能動的に回転させる動力源である。切削工具2のインサート21を従動的に回転させる場合は、回転動力機構3は、省略できる。
<Rotational power mechanism>
The rotary power mechanism 3 is a power source that actively rotates the insert 21 of the cutting tool 2 by an electric motor or the like. If the insert 21 of the cutting tool 2 is driven to rotate, the rotary power mechanism 3 can be omitted.

<切削動力機構>
切削動力機構4は、切削工具2全体を被削材に対して相対的に回転及び移動させる機構である。
<Cutting power mechanism>
The cutting power mechanism 4 is a mechanism that rotates and moves the entire cutting tool 2 relative to the work material.

例えば、柱状の被削材の周面を切削する場合には、切削動力機構4は、切削工具2を被削材の半径方向に切込み(切込み運動)、軸方向に送る(送り運動)と共に、被削材をその中心軸周りに高速回転させる(切削運動)ことで、切削加工(この場合は旋削加工)を行う。なお、切削動力機構4は、切削工具2のみを回転及び移動させてもよいし、被削材のみを回転及び移動させてもよい。 For example, when cutting the peripheral surface of a columnar work material, the cutting power mechanism 4 cuts the cutting tool 2 in the radial direction of the work material (cutting motion), feeds it in the axial direction (feeding motion), Cutting (turning in this case) is performed by rotating the work material around its central axis at high speed (cutting motion). The cutting power mechanism 4 may rotate and move only the cutting tool 2, or may rotate and move only the work material.

被削材に用いられる耐熱合金としては、Ni基合金、チタン合金、Co基合金等が例示され、Ni基合金又はチタン合金が好ましい。 Examples of the heat-resistant alloy used for the work material include Ni-based alloys, titanium alloys, Co-based alloys, etc. Ni-based alloys and titanium alloys are preferred.

被削材に用いられるNi基合金としては、Ni-Cu合金、Ni-Mo合金、Ni-Cr-Fe合金、Ni-Cr-Mo合金、Ni-Cr-Mo-Cu合金、Ni-Fe-Cr合金等が例示される。具体的には、インコネル(登録商標)、ハステロイ(登録商標)等が挙げられる。 Ni-based alloys used as work materials include Ni--Cu alloys, Ni--Mo alloys, Ni--Cr--Fe alloys, Ni--Cr--Mo alloys, Ni--Cr--Mo--Cu alloys, Ni--Fe--Cr An alloy etc. are illustrated. Specific examples include Inconel (registered trademark) and Hastelloy (registered trademark).

被削材に用いられるチタン合金としては、JIS-H4600(2012)に規定されるTi-Pd合金、Ti-Ta合金、Ti-Al合金、Ti-6Al-4V合金等が例示される。また、被削材に用いられるCo基合金としては、Co-Cr-Ni合金、Co-Cr-Mo合金等が例示される。 Examples of titanium alloys used for the work material include Ti--Pd alloys, Ti--Ta alloys, Ti--Al alloys, Ti--6Al-4V alloys, and the like defined in JIS-H4600 (2012). Co-based alloys used for the work material include Co--Cr--Ni alloys, Co--Cr--Mo alloys, and the like.

<切削工具>
図2に示す切削工具2は、耐熱合金製の被削材を切削するための工具である。切削工具2は、インサート21と、ボルト22と、回転体23と、工具ボディ24とを備える。
<Cutting tool>
A cutting tool 2 shown in FIG. 2 is a tool for cutting a work material made of a heat-resistant alloy. The cutting tool 2 includes an insert 21 , a bolt 22 , a rotating body 23 and a tool body 24 .

(インサート)
インサート21は、セラミック製である。
インサート21を構成するセラミックの具体例としては、例えばサイアロン系セラミック、アルミナ系セラミック、窒化ケイ素系セラミック、ウィスカ系セラミック等が挙げられる。
(insert)
The insert 21 is made of ceramic.
Specific examples of the ceramic constituting the insert 21 include sialon-based ceramic, alumina-based ceramic, silicon nitride-based ceramic, whisker-based ceramic, and the like.

本実施形態では、図2に示すように、インサート21は略円柱状又は略円錐状である。また、インサート21は、回転体23と工具ボディ24とにより、円柱又は円錐の中心軸を回転中心として、従動的又は能動的に回転可能に支持されている。なお、「略円柱状」とは、周面が中心軸と平行である完全な円柱に加え、周面が中心軸に対して傾斜している形状も含む概念である。したがって、略円柱状又は略円錐状とは、円状のエッジ(つまり切れ刃稜線)を有する形状を意味する。なお、略円柱状の一例として、丸こま形状が挙げられる。 In this embodiment, as shown in FIG. 2, the insert 21 is generally cylindrical or generally conical. Also, the insert 21 is supported by the rotating body 23 and the tool body 24 so as to be rotatable passively or actively about the center axis of the cylinder or cone. It should be noted that the term "substantially cylindrical" is a concept that includes not only a perfect cylinder whose peripheral surface is parallel to the central axis, but also a shape whose peripheral surface is inclined with respect to the central axis. Accordingly, a substantially cylindrical or substantially conical shape means a shape having a circular edge (that is, a cutting edge ridge). In addition, as an example of the substantially columnar shape, a round top shape can be mentioned.

切削工具2は、インサート21が回転しながら被削材を切削するロータリー工具である。切削工具2は、切削工具2自身が被削材に対して相対的に回転及び移動することで、被削材を切削する。 The cutting tool 2 is a rotary tool that cuts a work material while an insert 21 rotates. The cutting tool 2 cuts a work material by rotating and moving the cutting tool 2 itself relative to the work material.

(ボルト)
ボルト22は、インサート21の中心を貫通している。ボルト22の回転体23への螺合により、インサート21が回転体23に固定されている。
(bolt)
A bolt 22 passes through the center of the insert 21 . The insert 21 is fixed to the rotating body 23 by screwing the bolt 22 to the rotating body 23 .

(回転体)
回転体23は、先端にインサート21が取り付けられた柱状体である。回転体23は、工具ボディ24の軸受部に回転可能に支持されている。
(Rotating body)
The rotating body 23 is a columnar body with the insert 21 attached to its tip. The rotating body 23 is rotatably supported by the bearing portion of the tool body 24 .

(工具ボディ)
工具ボディ24は、軸受部を有する。この軸受部にインサート21を取り付けた回転体23が挿入されている。軸受の種類は限定されず、すべり軸受、転がり軸受等が採用できる。
(tool body)
The tool body 24 has bearings. A rotating body 23 having an insert 21 attached thereto is inserted into this bearing portion. The type of bearing is not limited, and sliding bearings, rolling bearings, and the like can be used.

(インサートにおける垂直すくい角)
図3を用いて、図2の切削工具2におけるインサート21の垂直すくい角αについて説明する。
(Vertical rake angle at insert)
The vertical rake angle α of the insert 21 in the cutting tool 2 of FIG. 2 will be described with reference to FIG.

垂直すくい角αは、図3に示すように、インサート21における切削速度ベクトルC及び切れ刃稜線yに直交する直線zと、インサート21のすくい面S2とがなす角度である。なお、図3は、一般的な切削加工における垂直すくい角αを説明するための図であり、図3に示されるインサート21は本実施形態のインサート21とは形状が異なる。 The vertical rake angle α is, as shown in FIG. FIG. 3 is a diagram for explaining the vertical rake angle α in general cutting, and the insert 21 shown in FIG. 3 has a different shape from the insert 21 of this embodiment.

なお、「すくい面」とは、インサート21の進行方向の前方において切り屑Tをすくいとる面である。また、切削速度ベクトルC及び切れ刃稜線yに直交する直線zは、仕上げ面S1(つまり、被削材Wにおいてインサート21が通過した面であって、被削材Wが削り取られた後の加工面)の法線Nと平行である。なお、図4中のCは、図3の切削速度ベクトルCのA-A線方向の成分を示している。 The “rake face” is a face that scoops up chips T at the front of the insert 21 in the advancing direction. Further, the straight line z perpendicular to the cutting speed vector C and the cutting edge ridge line y is the finished surface S1 (that is, the surface of the work W through which the insert 21 passes, and the work after the work W is cut off. parallel to the normal N of the plane). Note that C in FIG. 4 indicates the component of the cutting speed vector C in FIG. 3 in the AA line direction.

また、図4中の逃げ面S4は、インサート21が通過した被削材Wがインサート21に接しないように設けられた面である。なお、逃げ面S4には、被削材Wの切削領域で生じる弾性変形の回復によって被削材Wがわずかに接触する。 A flank face S4 in FIG. 4 is a face provided so that the work material W through which the insert 21 has passed does not come into contact with the insert 21. As shown in FIG. The workpiece W comes into slight contact with the flank face S4 due to recovery of elastic deformation occurring in the cutting area of the workpiece W. As shown in FIG.

ここで、図4に示すように、本実施形態におけるインサート21における垂直すくい角αは、従来よりも負側に大きくなるように設計されている。 Here, as shown in FIG. 4, the vertical rake angle α of the insert 21 in this embodiment is designed to be larger on the negative side than in the conventional case.

垂直すくい角αは、すくい面S2が摩耗領域R1よりも切削速度ベクトルCの向かう側(つまりインサートの進行方向とは反対側)にある場合が正、すくい面S2が摩耗領域R1よりも切削速度ベクトルCの向きと反対側(つまりインサートの進行方向側)にある場合が負、すくい面S2が直線zと平行な場合が0となる。 The vertical rake angle α is positive when the rake face S2 is on the side of the wear region R1 facing the cutting speed vector C (that is, on the side opposite to the direction of movement of the insert), and the rake face S2 has a cutting speed higher than the wear region R1. It is negative when it is on the side opposite to the direction of the vector C (that is, on the direction in which the insert advances), and is 0 when the rake face S2 is parallel to the straight line z.

図4に示すように、耐熱合金の高速切削におけるインサート21の欠損は、すくい面S2に概ね平行なき裂の進展によって生じ、方向Dに沿って成長する。このき裂は、せん断領域R2に当接する切れ刃が摩耗領域R1において摩耗した後に生じる。 As shown in FIG. 4 , chipping of the insert 21 during high-speed cutting of a heat-resistant alloy is caused by crack propagation generally parallel to the rake face S2 and grows along the direction D. As shown in FIG. This crack occurs after the cutting edge abutting the shear region R2 wears in the wear region R1.

これに対し、発明者らは、摩耗領域R1外における刃先形状に破壊力学を適用し、図4に破線で示したすくい面S3とすることで、き裂進展時のエネルギ解放率が低減され、インサート21の欠損が防止されることを見出した。この新規なすくい面S3は、垂直すくい角αが-55°以上-10°以下である。 On the other hand, the inventors apply fracture mechanics to the cutting edge shape outside the wear region R1, and by making the rake face S3 indicated by the broken line in FIG. It has been found that chipping of the insert 21 is prevented. The new rake face S3 has a vertical rake angle α of -55° or more and -10° or less.

垂直すくい角αの下限としては、-45°がより好ましく、-35°がさらに好ましい。一方、垂直すくい角αの上限としては、-20°がより好ましく、-25°がさらに好ましい。垂直すくい角αが-55°より小さいと、切り屑の排出が困難となるおそれがある。また、切削動力が増大し、加工精度が低下するおそれがある。逆に、垂直すくい角αが-10°より大きい(つまり、垂直すくい角αが正の側に近づく)と、従来のように高速での切削においてインサート21に欠損が生じやすくなる。 The lower limit of the vertical rake angle α is more preferably −45°, more preferably −35°. On the other hand, the upper limit of the vertical rake angle α is more preferably −20°, more preferably −25°. If the vertical rake angle α is less than -55°, it may be difficult to discharge chips. Moreover, cutting power increases, and there is a possibility that machining accuracy may decrease. Conversely, if the vertical rake angle α is greater than −10° (that is, the vertical rake angle α approaches the positive side), chipping of the insert 21 is likely to occur during high-speed cutting as in the conventional art.

<制御部>
制御部5は、切削工具2と被削材との間の相対的な切削速度を制御する。具体的には、制御部5は、回転動力機構3の回転速度、切削動力機構4による切削工具2の切削速度等を制御する。制御部5は、例えば入出力部を備えるマイクロコンピュータにより構成される。
<Control section>
The control unit 5 controls the relative cutting speed between the cutting tool 2 and the work material. Specifically, the control unit 5 controls the rotation speed of the rotary power mechanism 3, the cutting speed of the cutting tool 2 by the cutting power mechanism 4, and the like. The control unit 5 is composed of, for example, a microcomputer having an input/output unit.

(切削速度)
図5は、インコネル(登録商標)718に対し、直径12.7mmのサイアロン製のインサート21をミリングカッターボディに固定し、このボディを回転させてミリングを行った際の結果である。図5中のfは工具送り、Rdは半径方向切込、Adは軸方向切込である。
(cutting speed)
FIG. 5 shows the result of milling Inconel (registered trademark) 718 by fixing a 12.7 mm diameter sialon insert 21 to a milling cutter body and rotating the body. In FIG. 5, f is the tool feed, Rd is the radial depth of cut, and Ad is the axial depth of cut.

図5に示すように、切削工具2と被削材との間の切削速度を上昇させると、切削点温度も上昇する。この切削点温度が被削材の融点となる、切削工具2と被削材との間の相対的な最小切削速度を基準切削速度V(m/min)としたとき、制御部5は、切削工具2と被削材との間の切削速度を1.2・V(m/min)以上に制御する。 As shown in FIG. 5, increasing the cutting speed between the cutting tool 2 and the work material also increases the cutting point temperature. When the relative minimum cutting speed between the cutting tool 2 and the work material at which this cutting point temperature becomes the melting point of the work material is defined as a reference cutting speed V (m/min), the control unit 5 performs cutting The cutting speed between the tool 2 and the work material is controlled to 1.2·V (m/min) or more.

ここで、本開示において、「切削点温度」とは、インサート21の被削材と接する表面における最高温度を意味する。切削点温度は、例えば赤外線放射を利用した温度計を用いて測定することができる。 Here, in the present disclosure, "cutting point temperature" means the highest temperature on the surface of the insert 21 that is in contact with the work material. The cutting point temperature can be measured, for example, using a thermometer using infrared radiation.

本発明者らは、耐熱合金製の被削材に対し、切削速度を上げていくとあるところで切削点温度が飽和し、それ以降ほぼ上昇しなくなることを見出した。切削点温度が飽和する理由は、被削材の融点に切削点温度が近づくためと考えられる。 The inventors of the present invention have found that when the cutting speed is increased, the temperature of the cutting point reaches saturation at a certain point, and after that, it hardly increases. The reason why the cutting point temperature is saturated is thought to be that the cutting point temperature approaches the melting point of the work material.

図6は、アルミナ製のインサートを工具ボディに固定し、被削材を回転させて旋削を行った結果である。この旋削の加工条件は、半径方向切込0.15mm、工具送り0.15mm/rev、及び乾式(つまり切削油剤なし)である。 FIG. 6 shows the result of turning by fixing the alumina insert to the tool body and rotating the work material. The machining conditions for this turning are 0.15 mm radial depth of cut, 0.15 mm/rev tool feed, and dry (ie, no cutting fluid).

上述した切削点温度が飽和する現象は、図6に示すように、鉄系材料、アルミ又はアルミ合金、銅又は銅合金等の被削性のよい金属では、切削速度を高速にしても観測されない。これに対し、Ni基合金、チタン合金等の耐熱合金は、熱伝導率が低く、また、材料強度が比較的高く切削抵抗(つまり切削力)が大きい。そしてこれらの条件に加え、インサートとして熱伝導率が低く、耐熱性が高いセラミックを使用していることで、図6に示すように、切削点温度が飽和する現象が初めて観察されたと考えられる。 As shown in FIG. 6, the above-mentioned phenomenon of saturation of the cutting point temperature is not observed in metals with good machinability such as iron-based materials, aluminum or aluminum alloys, copper or copper alloys, even at high cutting speeds. . On the other hand, heat-resistant alloys such as Ni-based alloys and titanium alloys have low thermal conductivity, relatively high material strength, and large cutting resistance (that is, cutting force). In addition to these conditions, the use of a ceramic with low thermal conductivity and high heat resistance as the insert is the reason why the phenomenon of saturation of the cutting point temperature, as shown in Fig. 6, was observed for the first time.

高速切削におけるインサートの摩耗は、原子の拡散現象と化学反応とに起因して増大することが知られている。この拡散現象及び化学反応は、温度の上昇に伴って指数関数的に増大する。 It is known that insert wear in high speed cutting increases due to atomic diffusion phenomena and chemical reactions. This diffusion phenomenon and chemical reaction increases exponentially with increasing temperature.

しかし、図5及び図6に示されるように、Ni基合金、チタン合金等の耐熱合金にセラミック製のインサートを用いると、高速切削において上述のように切削点温度が飽和するため、切削速度が上昇しても上記拡散現象及び化学反応の増大が抑えられる。つまり、切削点温度が飽和した状態で切削速度を増加しても、温度に依存する拡散現象及び化学反応は大きく変化しない。 However, as shown in FIGS. 5 and 6, when ceramic inserts are used for heat-resistant alloys such as Ni-based alloys and titanium alloys, the cutting point temperature saturates during high-speed cutting as described above, and the cutting speed decreases. Even if it rises, the increase of the diffusion phenomenon and the chemical reaction can be suppressed. That is, even if the cutting speed is increased when the cutting point temperature is saturated, temperature-dependent diffusion phenomena and chemical reactions do not change significantly.

そのため、切削点温度が飽和する高速切削においては、インサートの摩耗の進行は、その飽和した温度で被削材に接する切削時間が支配的となる。そして、切削速度を上昇させると、同じ切削時間における切削距離、すなわち材料除去量が増える。つまり、同じ材料除去量に対するインサートの摩耗量が低減される。その結果、インサートの寿命が延びる結果となる。 Therefore, in high-speed cutting where the cutting point temperature is saturated, the progress of insert wear is dominated by the cutting time during which the insert is in contact with the work material at the saturated temperature. When the cutting speed is increased, the cutting distance, that is, the amount of material removed increases for the same cutting time. That is, the amount of insert wear is reduced for the same amount of material removed. This results in longer insert life.

本開示は、図5及び図6の結果に基づく知見に基づき、切削工具2の切削速度を1.2・V(m/min)以上とする。また、上記切削速度の下限としては、1.5・V(m/min)が好ましく、2.0・V(m/min)がより好ましい。一方、上記切削速度の上限としては、特に限定されないが、例えば10・V(m/min)である。 The present disclosure sets the cutting speed of the cutting tool 2 to 1.2·V (m/min) or higher based on knowledge based on the results of FIGS. 5 and 6 . The lower limit of the cutting speed is preferably 1.5·V (m/min), more preferably 2.0·V (m/min). On the other hand, although the upper limit of the cutting speed is not particularly limited, it is, for example, 10·V (m/min).

具体的な切削速度では、例えばロータリー工具を用いないミリングの場合で、1200m/min以上であり、1500m/minがより好ましく、2000m/minがさらに好ましい。なお、本実施形態における回転するインサート21では、切削工具2をロータリー工具とする場合、インサート21の回転運動も考慮した相対的な切削速度を上記の切削速度とすればよい。 A specific cutting speed is, for example, 1200 m/min or more, more preferably 1500 m/min, and even more preferably 2000 m/min, in the case of milling without using a rotary tool. In addition, in the rotating insert 21 in this embodiment, when the cutting tool 2 is a rotary tool, a relative cutting speed in consideration of the rotational movement of the insert 21 may be the above cutting speed.

また、インサート21の回転が従動型のロータリー工具の場合には、インサート21と被削材との相対速度が低下することが知られている。したがって、従動型のロータリー工具では、相対速度の低下分を考慮して切削動力機構4を制御することが好ましい。 Further, it is known that in the case of a rotary tool in which the rotation of the insert 21 is driven, the relative speed between the insert 21 and the work material decreases. Therefore, in the driven type rotary tool, it is preferable to control the cutting power mechanism 4 in consideration of the decrease in the relative speed.

なお、制御部5は、切削工具2のインサート21における垂直すくい角αを制御可能に構成されていてもよい。垂直すくい角αは、例えば切削工具2の姿勢又は被削材の姿勢を変更することで制御できる。 Note that the control unit 5 may be configured to be able to control the vertical rake angle α of the insert 21 of the cutting tool 2 . The vertical rake angle α can be controlled, for example, by changing the orientation of the cutting tool 2 or the orientation of the work material.

[1-2.切削方法]
次に、切削装置1を用いた切削方法について説明する。
本開示の切削方法は、切削工具2により被削材を切削する工程を備える。
[1-2. Cutting method]
Next, a cutting method using the cutting device 1 will be described.
The cutting method of the present disclosure includes a step of cutting a work material with a cutting tool 2 .

<切削工程>
本工程では、インサート21における垂直すくい角αが-55°以上-10°以下となるように制御しながら、被削材を切削する。垂直すくい角αのより好ましい範囲は、上述したとおりである。垂直すくい角αの制御は、工具ボディ24の形状によって行ってもよいし、制御部5で行ってもよいし、それ以外の方法で行ってもよい。
<Cutting process>
In this step, the work material is cut while controlling the vertical rake angle α of the insert 21 to be −55° or more and −10° or less. A more preferable range of the vertical rake angle α is as described above. The vertical rake angle α may be controlled by the shape of the tool body 24, by the controller 5, or by other methods.

また、本工程では、切削工具2の切削速度を1.2・V(m/min)以上とする。切削速度のより好ましい範囲は、上述したとおりである。切削速度の制御は、制御部5により行われる。 Moreover, in this step, the cutting speed of the cutting tool 2 is set to 1.2·V (m/min) or higher. A more preferable range of cutting speed is as described above. The cutting speed is controlled by the controller 5 .

[1-3.効果]
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
(1a)インサート21における垂直すくい角αを-55°以上-10°以下とすることにより、Ni基合金、チタン合金等の耐熱合金を例えば1000m/min以上の超高速領域でも安定して切削加工することができる。
[1-3. effect]
According to the embodiment detailed above, the following effects are obtained.
(1a) By setting the vertical rake angle α of the insert 21 to −55° or more and −10° or less, heat-resistant alloys such as Ni-based alloys and titanium alloys can be stably cut even at ultra-high speeds of 1000 m/min or more. can do.

(1b)インサート21を回転させることで、インサート21の摩耗が分散する。そのため、インサート21の寿命を延ばすことができる。 (1b) Wear of the insert 21 is dispersed by rotating the insert 21 . Therefore, the life of the insert 21 can be extended.

(1c)切削速度を1.2・V(m/min)以上とすることにより、従来よりも高速の領域でNi基合金、チタン合金等の耐熱合金の切削を安定して行うことができる。また、インサート21の摩耗量の低減によりインサート21の寿命を延ばすこともできる。 (1c) By setting the cutting speed to 1.2·V (m/min) or higher, it is possible to stably cut heat-resistant alloys such as Ni-based alloys and titanium alloys in a higher speed range than conventional cutting speeds. Also, the life of the insert 21 can be extended by reducing the amount of wear of the insert 21 .

[2.他の実施形態]
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。
[2. Other embodiments]
Although the embodiments of the present disclosure have been described above, it is needless to say that the present disclosure is not limited to the above embodiments and can take various forms.

(2a)上記実施形態の切削装置1において、切削工具2の構成は一例である。つまり、切削工具2を構成する各部材(ボルト22、回転体23、工具ボディ24等)の形状は、適宜変更が可能である。 (2a) In the cutting device 1 of the above embodiment, the configuration of the cutting tool 2 is an example. In other words, the shape of each member (bolt 22, rotating body 23, tool body 24, etc.) constituting the cutting tool 2 can be changed as appropriate.

(2b)上記実施形態の切削工具2において、インサートは、必ずしも従動的又は能動的に回転可能に支持される必要はない。また、インサートの形状も特に限定されない。そのため、切削工具2は、例えばインサートが固定されたバイトであってもよい。 (2b) In the cutting tool 2 of the above embodiment, the insert does not necessarily have to be rotatably supported passively or actively. Also, the shape of the insert is not particularly limited. Therefore, the cutting tool 2 may be, for example, a cutting tool with a fixed insert.

(2c)上記実施形態の切削装置1において、インサート21における垂直すくい角αが-55°以上-10°以下である場合は、必ずしも切削速度を1.2・V(m/min)以上とする必要はない。 (2c) In the cutting apparatus 1 of the above embodiment, when the vertical rake angle α of the insert 21 is −55° or more and −10° or less, the cutting speed must be 1.2 V (m/min) or more. No need.

(2d)逆に、上記実施形態の切削装置1において、切削工具2の切削速度を1.2・V(m/min)以上とする場合は、必ずしもインサート21における垂直すくい角αを-55°以上-10°以下とする必要はない。 (2d) Conversely, in the cutting device 1 of the above embodiment, when the cutting speed of the cutting tool 2 is set to 1.2 V (m/min) or higher, the vertical rake angle α of the insert 21 must be -55°. It is not necessary to set the angle above -10° or below.

(2e)上記実施形態における1つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を1つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。 (2e) The function of one component in the above embodiments may be distributed as multiple components, or the functions of multiple components may be integrated into one component. Also, part of the configuration of the above embodiment may be omitted. Also, at least a part of the configuration of the above embodiment may be added, replaced, etc. with respect to the configuration of the other above embodiment. It should be noted that all aspects included in the technical idea specified by the wording in the claims are embodiments of the present disclosure.

[4.実施例]
以下、本開示の効果を確認するために行った複数の試験とそれらの結果について説明する。
[4. Example]
A plurality of tests conducted to confirm the effects of the present disclosure and their results will be described below.

(試験1)
インサートにおける垂直すくい角を変えながら、複数の切削を行い、それぞれの切削による材料除去体積を測定した。材料はインコネル(登録商標)718を用いた。また、切削装置として、オークマ社製のマシニングセンタ「MILLAC(登録商標)415V」と、DMG森精機社のマシニングセンタ「NV5000」とに、インサートとして日本特殊陶業社の「SX7」(サイアロン系セラミック)を備えた切削工具を装着したものを用いた。上記マシニングセンタは、図1における切削動力機構4と、制御部5とを備える装置である。この結果を図7に示す。なお、切削はミリングで行った。
(Test 1)
Multiple cuts were made while varying the vertical rake angle on the insert and the volume of material removed by each cut was measured. Inconel (registered trademark) 718 was used as the material. In addition, as cutting equipment, Okuma's machining center "MILLAC (registered trademark) 415V" and DMG Mori Seiki's machining center "NV5000" are equipped with NGK SPARK PLUG CO., LTD.'s "SX7" (SiAlON ceramic) as inserts. A cutting tool equipped with a cutting tool was used. The machining center is an apparatus including the cutting power mechanism 4 and the control unit 5 shown in FIG. This result is shown in FIG. In addition, cutting was performed by milling.

図7中、白丸はMILLAC(登録商標)415Vを用いて工具欠損に至らなかったもの、黒丸はNV5000を用いて工具欠損に至らなかったものである。また、細いクロスマークは、MILLAC(登録商標)415Vを用いてすくい面に欠損が生じたもの、太いクロスマークは、NV5000を用いてすくい面に欠損が生じたものである。欠損が生じたものは、欠損が生じた時点の除去体積を示している。また、欠損に至らなかったものは、プロットされた除去体積からさらに加工の継続が可能である。 In FIG. 7 , the white circles indicate the cases where MILLAC (registered trademark) 415V was used without leading to tool breakage, and the black circles indicate the cases where NV5000 was used and did not lead to tool breakage. Further, thin cross marks are caused by chipping on the rake face using MILLAC (registered trademark) 415V, and thick cross marks are by chipping on the rake face using NV5000. Those with defects indicate the removed volume at the time when the defect occurred. In addition, those that did not lead to chipping can be further processed from the plotted removed volume.

図7のグラフの横軸は、インサートの刃先のテーパ角度を表しており、角度の記載のないものは0°である。インサートが固定されるカッターボディは、垂直すくい角が7°減少するようにインサートを保持する。従って、インサートのテーパ角度が0°のとき垂直すくい角は-7°、20°のとき垂直すくい角は-27°、45°のとき垂直すくい角は-52°となる。 The horizontal axis of the graph in FIG. 7 represents the taper angle of the cutting edge of the insert, and the angle is 0° if not shown. The cutter body to which the insert is fixed holds the insert such that the vertical rake angle is reduced by 7°. Therefore, when the taper angle of the insert is 0°, the vertical rake angle is -7°, when it is 20°, the vertical rake angle is -27°, and when it is 45°, the vertical rake angle is -52°.

図7からわかるように、従来の工具では、10ccから20cc程度の材料除去体積で工具欠損に至っている。一方で、垂直すくい角を-52°及び-27°とした工具では、材料除去体積が35cc程度となっても欠損が生じておらず、加工が継続できることが示された。 As can be seen from FIG. 7, with the conventional tool, tool breakage occurs at a material removal volume of about 10 cc to 20 cc. On the other hand, the tools with vertical rake angles of −52° and −27° did not cause chipping even when the volume of material removed was about 35 cc, indicating that machining could be continued.

また、上述の試験において計測した比切削抵抗(切削断面積と切削力との比例係数)と、累積工具移動距離との関係を図8に示す。図8に示されるように、垂直すくい角を-52°とした(つまりテーパ角度を45°とした)工具では、初期の切削動力が他の工具よりも高くなった。したがって、垂直すくい角をさらに小さくすると、切削動力が過大となって加工精度が低下することが予測される。 FIG. 8 shows the relationship between the specific cutting resistance (proportional coefficient between cutting cross-sectional area and cutting force) measured in the above test and the cumulative tool movement distance. As shown in FIG. 8, the tool with a vertical rake angle of −52° (that is, a taper angle of 45°) had a higher initial cutting power than the other tools. Therefore, if the vertical rake angle is further reduced, it is predicted that the cutting power will become excessive and the machining accuracy will decrease.

(試験2)
インコネル(登録商標)に対し、同じインサートを用いて切削速度を変えながら複数の切削を行い、それぞれの切削後におけるインサートの摩耗の変化を確認した。その結果を図9A,9B,9Cに示す。なお、切削はミリングを模擬した断続旋削で行った。
(Test 2)
A plurality of cuts were performed on Inconel (registered trademark) while changing the cutting speed using the same insert, and the change in wear of the insert after each cut was confirmed. The results are shown in FIGS. 9A, 9B and 9C. Cutting was performed by intermittent turning simulating milling.

図9Aは、切削速度が800m/minであり、48ccの材料を除去した後のインサートの刃先の状態である。同様に、図9Bは切削速度2000m/minで45ccの材料を除去した後、図9Cは切削速度2400m/minで45ccの材料を除去した後のインサートの刃先の状態である。 FIG. 9A shows the state of the cutting edge of the insert after removing 48 cc of material at a cutting speed of 800 m/min. Similarly, FIG. 9B shows the state of the cutting edge of the insert after removing 45 cc of material at a cutting speed of 2000 m/min and FIG. 9C after removing 45 cc of material at a cutting speed of 2400 m/min.

これらの写真から、800m/minよりも高速の2000m/min及び2400m/minで切削を行ってもインサートの摩耗は増大せず、逆に摩耗が減少していることが看取できる。 From these photographs, it can be seen that cutting at high speeds of 2000 m/min and 2400 m/min, which are higher than 800 m/min, did not increase the wear of the insert, but conversely reduced the wear.

インコネル(登録商標)718の融点は、1260℃から1336℃であり、本試験の切削工具では、切削速度1000m/min程度で切削点温度が融点に到達する。つまり、本試験の基準切削速度Vは1000m/minである。したがって、本試験の結果から、切削速度を1.2・V=1200m/min以上とすることで、Ni基合金、チタン合金等の耐熱合金製の被削材の切削を安定して行うことができると共に、インサートの摩耗量が低減されることが示された。 The melting point of Inconel (registered trademark) 718 is from 1,260° C. to 1,336° C. With the cutting tool of this test, the cutting point temperature reaches the melting point at a cutting speed of about 1000 m/min. That is, the standard cutting speed V of this test is 1000 m/min. Therefore, from the results of this test, by setting the cutting speed to 1.2 V = 1200 m/min or more, it is possible to stably cut work materials made of heat-resistant alloys such as Ni-based alloys and titanium alloys. It was shown that the amount of wear of the insert was reduced while the amount of wear of the insert was reduced.

1…切削装置、2…切削工具、3…回転動力機構、4…切削動力機構、5…制御部、
21…インサート、22…ボルト、23…回転体、24…工具ボディ。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Cutting device, 2... Cutting tool, 3... Rotary power mechanism, 4... Cutting power mechanism, 5... Control part,
21... Insert, 22... Bolt, 23... Rotating body, 24... Tool body.

Claims (2)

耐熱合金製の被削材をミリングする装置であって、
セラミック製のインサートを有する切削工具と、
前記切削工具と前記被削材との間の相対的な切削速度を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記インサートの切削速度ベクトル及び切れ刃稜線に直交する直線と、前記インサートのすくい面とがなす垂直すくい角を、-55°以上-27°以下とし、
切削点温度が前記被削材の融点となる、前記切削工具と前記被削材との間の相対的な最小切削速度を基準切削速度V(m/min)としたとき、前記制御部は、予め記録された前記基準切削速度Vを用いて前記切削速度を1.2・V(m/min)以上に設定する、ミリング装置。
A device for milling a work material made of a heat-resistant alloy,
a cutting tool having a ceramic insert;
a control unit that controls the relative cutting speed between the cutting tool and the work material;
with
The control unit sets a vertical rake angle formed by a straight line perpendicular to the cutting speed vector and the cutting edge ridgeline of the insert and the rake face of the insert to -55° or more and -27° or less,
When the relative minimum cutting speed between the cutting tool and the work material at which the cutting point temperature becomes the melting point of the work material is defined as a reference cutting speed V (m/min), the control unit: A milling apparatus, wherein the cutting speed is set to 1.2·V (m/min) or more using the reference cutting speed V recorded in advance .
耐熱合金製の被削材をミリングする方法であって、
セラミック製のインサートを備えた切削工具により前記被削材を切削する工程を備え、
前記切削する工程において、前記インサートの切削速度ベクトル及び切れ刃稜線に直交する直線と、前記インサートのすくい面とがなす垂直すくい角を、-55°以上-27°以下とすると共に、切削点温度が前記被削材の融点となる、前記切削工具と前記被削材との間の相対的な最小切削速度を基準切削速度V(m/min)としたとき、予め記録された前記基準切削速度Vを用いて前記切削工具と前記被削材との間の相対的な切削速度を1.2・V(m/min)以上に設定する、ミリング方法。
A method of milling a work material made of a heat-resistant alloy, comprising:
cutting the work material with a cutting tool having a ceramic insert;
In the cutting step, the vertical rake angle formed by the cutting speed vector of the insert and a straight line orthogonal to the cutting edge ridge line and the rake face of the insert is set to -55 ° or more and -27 ° or less, and the cutting point temperature is the melting point of the work material, and the relative minimum cutting speed between the cutting tool and the work material is the reference cutting speed V (m / min), the reference cutting speed recorded in advance A milling method, wherein V is used to set a relative cutting speed between the cutting tool and the work material to 1.2·V (m/min) or more.
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