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高知県工業技術センター
島本 悟
１ はじめに
純チタン及びチタン合金（Ti-6Al-4V）のドリル加工を行い、工具寿命や加工穴径の変化、刃先の状態などから被削性を検討した。
２ 試験方法
試験装置を表１、加工条件を表２に示す。
表１ 試験装置
| 試験装置 | マシニングセンタ 安田工業㈱ YBM-640 ３次元測定機 ㈱ミツトヨ Bright Apex 1220 |
表２ 加工条件
| 被削材 | 純チタン (焼なまし材 HB149 φ80㎜) | Ti-6Al-4V (時効処理材 HV343 φ70㎜) |
| 使用工具 | TiCNコーテッド粉末ハイス φ2㎜ | TiAlNコーテッド超硬 φ2㎜ |
| コレット端面からの工具突き出し量 | 17.5 mm | 15 mm |
| 切削速度 | 20,40,60,80 m/min | 40,60,80 m/min |
| 送り | 0.05 mm/rev | 0.05 mm/rev |
| 加工深さ | 6 mm | 6 mm |
| ステップ | 無し | 無し |
| 切削油 | 水溶性（エマルション） | 水溶性（エマルション） |
実験は、それぞれの加工条件において、ドリルの折損または穴あけ個数200個で終了とした。被削性は、ドリル折損までの穴あけ個数、加工穴径の変化、工具刃先への切り屑の溶着から評価した。
純チタン、Ti-6Al-4Vとも加工条件によりステップ送り無しの加工で200個の穴あけが可能であったため、今回は、すべてステップ送り無しで加工実験を行った。
３ 試験結果
３．１ 純チタン
図１に純チタンをTiCN コーテッド粉末ハイスで加工した時の切削速度の変化と穴あけ個数の関係を示す。それぞれの条件で3回加工した。
切削速度が20m/min、40m/minではドリル折損までの穴あけ個数のばらつきが大きく、80m/minでは早い時期にドリルが折損し、60 m/minでは3回とも200穴加工でき、最も適しているという結果が得られた。
図２は、ドリル刃先の状態である。①は加工前の状態、②～④は切削速度20m/minで53穴目に折損したドリル、⑤～⑧は切削速度40m/minで200穴加工したドリル、⑨～⑪は切削速度60m/minで200穴加工したドリル、⑫は切削速度80m/minで13穴目に折損したドリルである。
①加工前 ②20 m/min 10穴 ③20 m/min 20穴 ④20 m/min 50穴
⑤40 m/min 20穴 ⑥40 m/min 50穴 ⑦40 m/min 100穴 ⑧40 m/min 200穴
⑨60 m/min 20穴 ⑩60 m/min 100穴 ⑪60 m/min 200穴 ⑫80 m/min 5穴
図２ 刃先の状態
切削速度が20m/min、40m/minでは刃先への切り屑の溶着が多く見られる。また、図２の⑥のようにドリルの溝に切り屑が溶着し、容易には剥がれない状態になることが多かった。切削速度60m/min、80m/minでは刃先への溶着も少なく、溝部の切り屑も容易に取り除くことができた。
図３に切削速度と穴径の変化を示す。横軸の括弧内はドリル折損までの穴あけ個数を示す。それぞれの穴径の図中の○印は第１個目の穴を測定したものである。
切削速度20m/min、40m/minでは、200穴加工できた試験の穴径は比較的ばらつきが小さいが、ドリルの折損が起こったときの穴径はばらつきが大きくなっている。特に20m/minでは約0.08mmの差が出るなど非常に大きなものとなっている。穴径のばらつきは徐々に大きくなっているのではないため、加工中に溶着や剥離を繰り返し、それが工具の摩耗や折損、穴径の精度に影響を与えていると考えられる。
切削速度60m/min、80m/minでは、第１穴以外の穴径はばらつきが小さくなっているため、刃先への溶着は少ないと考えられる。
これらの結果より、表２に示す条件で純チタンを加工した場合、切削速度40m/min以下では、切り屑の溶着の繰り返しによりドリルの折損が起こりやすいことが分かった。切削速度60m/min以上では、刃先への切り屑の溶着がほとんどなく、工具摩耗は切削速度の影響が大きいことが分かった。今回の実験では、切削速度60m/minの加工が切り屑の溶着や工具摩耗が少なく、最も良い結果となった。
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20m/min 20m/min 40m/min 40m/min 60m/min 60m/min 80m/min
(200穴) (52穴) (200穴) (23穴) (200穴) (200穴) (23穴)
図３ 切削速度と穴径の変化
３．２ Ti-6Al-4V
図４にTi-6Al-4V をTiAlN コーテッド超硬で加工した時の切削速度の変化と穴あけ個数の関係を示す。
切削速度40m/minでは200穴の加工が可能であったが、60m/min、80m/minではそれぞれ45穴目、21穴目で折損した。
図５は、ドリル刃先の状態である。①～④は切削速度40m/minで200穴加工したドリル、⑤～⑦は切削速度60m/minで44穴加工したドリル、⑧～⑩は切削速度80m/minで20穴加工したドリルである。純チタンの加工と比較して、刃先への切り屑の溶着がなく、逃げ面の摩耗が観察できる。
①40 m/min 1穴 ②40 m/min 10穴 ③40 m/min 100穴 ④40 m/min 200穴
⑤60 m/min 1穴 ⑥60 m/min 10穴 ⑦60 m/min 20穴
⑧80 m/min 1穴 ⑨80 m/min 10穴 ⑩80 m/min 20穴
図５ 刃先の状態
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40m/min 60m/min 80m/min
図６ 切削速度と穴径の変化
図６に切削速度と穴径の変化を示す。それぞれの穴径の図中の○印は第１個目の穴を測定したものである。純チタンの加工と比較して、穴径はばらつきが少なく精度良く加工されていることが分かる。
これらの結果より、表２の条件でTi-6Al-4Vを加工した場合、切削速度を大きくすると工具が摩耗しやすく、工具の折損が起こりやすくなるため、切削速度40m/minの加工が最も良い結果となった。
４ まとめ
純チタン及びチタン合金（Ti-6Al-4V）のドリル加工試験を行った結果、以下の結果を得た。
○純チタンの加工では、切削速度60m/min以上では切削速度の影響が大きいが、切削速 度40m/min以下では刃先への溶着の影響が大きくなった。
○純チタンの加工では、刃先に切り屑が溶着し、加工精度が悪化する。
○純チタンの加工では、切削速度60m/minでの加工が、切り屑の溶着や工具摩耗が少なく、穴あけ個数、穴径の精度とも最も良い結果が得られた。
○Ti-6Al-4Vの加工では、切削速度の影響が大きく、切削速度の小さい40m/minで最も良い結果が得られた。
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