チタン合金の加工特性、工具、治具、切削パラメータに基づくチタン合金加工プロセスの分析、および表面完全性制御技術の紹介
シニアエンジニア 黄 強
1. はじめに
近年、航空機製造業界におけるチタン合金の需要が著しく増加しています。チタン合金は大型航空機に広く使用されています。航空機やエンジンの優れた製造材料として、チタン合金は高い構造強度、軽量性、優れた耐食性を特徴としています。チタン合金材料の被削性は、加工後にワークピースの表面完全性が損なわれることがよくあります。以下では、航空宇宙用チタン合金の加工方法と表面完全性制御技術を、加工特性、切削工具、治具の選定、切削パラメータの観点から紹介します。
2. チタン合金の特性と用途
航空業界では、チタン合金は主にエンジンコンプレッサーディスク、中空ファンブレード、タービンディスク、ケーシングシェルなどのコンポーネント、および大型航空機の着陸装置、外翼セクション、胴体外板、ドア、油圧システム、後部胴体セクションなどの構造部品の製造に使用されています。現在、航空業界におけるチタン合金の使用割合は、6%から15%以上に増加しています。ボーイング777は7%～9%のチタン合金部品を使用しています。燃料消費量を20%削減するために、ボーイング787の開発に約20億人民元が投資され、航空機の特定の部品でアルミニウム合金をチタン合金に置き換える研究が行われ、ボーイング787の機体におけるチタン合金含有率は15%になりました。国内の大型航空機プロジェクトでは、チタン合金の使用量は、リージョナルジェットARJ21の4.8%から、幹線旅客機C919の9%以上に徐々に増加しています。
航空分野における構造の軽量化と高強度化の要求により、チタン合金への依存度が高まっています。強度と高温性能に基づいて、チタン合金は、αチタン合金、βチタン合金、α+βチタン合金、およびチタンアルミニウム金属間化合物に分類でき、その中でα+βチタン合金（Ti6Al4Vなど）が最も広く使用されています。αチタン合金は、優れた熱溶接性と強い耐酸化性を持ちますが、平均的な靭性しかありません。βチタン合金は、より優れた鍛造性、冷間成形性、および熱処理強化能力を持っています。α+βチタン合金は、優れた靭性を持ち、溶接可能で、熱処理によって強化でき、優れた疲労強度を持っています。
Ti6Al4Vの材料組成は、主にTi、Al、V、Fe、O、C、Si、Cu、および少量のN、H、B、Yで構成されています。チタン合金は、優れた総合的な機械的特性、低密度、および優れた耐食性を備えています。高強度合金材料として、航空エンジンおよび航空業界での使用が継続的に促進されています。しかし、チタン合金の加工中の高温と高い切削力は、加工表面に激しい加工硬化を引き起こし、工具の摩耗を悪化させ、被削性の低下につながります。これらの要因は、良好な表面品質の達成を妨げ、チタン合金部品の耐用年数とエンジンの性能に影響を与えます。以下では、Ti6Al4Vを研究対象とし、生産実践で蓄積された経験を組み合わせ、チタン合金部品の切削性能、加工方法、および表面検査技術を紹介します。
3. チタン合金の加工方法
3.1 工具の選定
チタン合金の加工に使用する工具材料は、優れた靭性、高温硬度、放熱性、および耐摩耗性などの特性を備えている必要があります。さらに、工具は、鋭い切削エッジと滑らかな表面などの要件を満たす必要があります。チタン合金材料の加工では、優れた熱伝導性と高強度を備えた超硬工具が好ましく、小さなすくい角と大きな逃げ角が特徴です。工具先端の欠けや破損を防ぐために、先端の切削エッジは丸みを帯びた移行部を持つ必要があります。切削エッジは、適時に切りくずを除去し、切りくずの付着を避けるために、加工中に鋭く保つ必要があります。
チタン合金の加工では、工具基材/コーティングとチタン合金との親和性反応を防ぎ、工具の摩耗を加速させるために、チタン含有超硬工具およびチタンベースのコーティング工具は一般的に避けられます。長年の生産実践により、チタン含有超硬工具は付着や摩耗を起こしやすいものの、優れた耐拡散摩耗能力を備えていることがわかりました。特に高速切削では、その性能はYG型超硬工具よりも大幅に優れています。
主要な世界の工具メーカーは、チタン合金部品の加工に特化した切削インサートを導入しています。工具材料とコーティング材料の継続的な改善により、チタン合金材料の切削効率が向上し、チタン合金業界の発展が促進されています。たとえば、ISCARのIC20インサートは、鋭い切削エッジを備え、チタン合金ワークピースの仕上げに適しています。そのIC907インサートは、耐摩耗性を効果的に向上させ、荒加工および半仕上げに適しています。SECOのチタン合金加工用CP200およびCP500は、物理蒸着（PVD）技術を使用した高硬度、超微細粒インサート材料です。WalterのWSM30、WSM20、およびWAM20は、TiCN、TiAlN、TiN、およびAl₂O₃コーティングを使用しており、変形と摩耗に対する強い耐性を提供します。チタン合金加工によく使用される工具とコーティングを表1に示します。
統計によると、航空機製造部門は主に輸入工具に依存しており、チタン合金などの難削材ではその依存度が高くなっています。したがって、国産工具とコーティング材料の開発と適用を促進することは、中国におけるチタン合金加工の問題を根本的に解決するための効果的な方法です。
3.2 工具の摩耗と対策
チタン合金を高速切削および大きな切り込み深さで加工すると、最高の切削温度の点で、すくい面にクレーター摩耗（逃げ面摩耗）が発生し、クレーターと切削エッジの間に明確なランドが形成されます。摩耗が進むにつれて、クレーターの幅と深さが徐々に拡大し、切削エッジの剛性が低下し、工具を使い続けると欠けが発生する可能性があります。インサート摩耗の電子顕微鏡写真を図1に示します。
a) 欠け現象を伴うクレーター摩耗。 b) 逃げ面摩耗
c) 構成刃先
チタン合金加工中、インサートとワークピース間の激しい摩擦により、切削エッジ付近の逃げ面に摩耗が発生し、逃げ角がゼロの小さな摩耗ランドが形成され、これは逃げ面摩耗として知られています。さらに、チタン合金の加工硬化により、小切刃の工具ノーズでの切削厚さが徐々に減少し、切削エッジが滑り、これも逃げ面に著しい摩耗を引き起こします。
工具摩耗が発生した後、切りくずの形状と色、および工作機械の力、音、振動を観察することにより、切削速度や送り速度などの切削パラメータを調整して、異常なすくい面摩耗を制御できます。正のすくい角インサート形状を使用し、耐摩耗性インサート材料またはコーティングを選択することで、工具寿命を向上させることができます。
構成刃先（BUE）は、チタン合金加工中に形成されやすくなります。BUEが安定すると、切削エッジとして機能することにより、工具を保護できます。ただし、BUEが一定の程度まで成長すると、その上部が切削エッジを超えて伸び、実際のすくい角が増加します。BUEの蓄積と剥離は、加工精度に直接影響します。チタン合金の加工面に付着したBUEの破片は、硬い点やバリを形成し、表面品質に影響を与えます。BUEの不規則な剥離と再生は、切削力の変動を引き起こし、びびりを引き起こし、工具寿命に影響を与えます。チタン合金切削におけるBUEの形成を減らすまたは回避するための生産実践における一般的な方法には、切削速度の増加、最適な切り込み深さへの徐々の増加、PVDコーティングインサート材料の使用、高圧冷却システムの採用などがあります。
切削作業では、チタン合金の可塑性が低いため、切りくずとすくい面の接触面積が小さく、工具摩耗は主に旋削工具のすくい面に発生します。したがって、切削インサートは、小さなすくい角、通常0°から5°を選択する必要があります。小さなすくい角は、切りくずとすくい面の接触面積を効果的に増やし、切削エッジ付近に集中した熱を放散するのに役立ちます。逃げ角5°から10°を選択すると、工具と部品間の摩擦を減らすことができます。インサートベースと工具ホルダ間のV字型接触面組み合わせを選択し、堅牢なクランプ構造設計を採用することで、工具ホルダのクランプ剛性を効果的に向上させ、工具の振動をなくし、加工されたチタン合金ワークピースの表面品質を向上させることができます。
3.3 治具の選定
チタン合金ワークピースの位置決めとクランプを行う場合、治具のクランプ力とワークピースの支持力の相互作用により、自由状態で応力変形が発生する可能性があります。チタン合金加工中の切削抵抗は大きいため、プロセスシステムは十分な剛性を持っている必要があります。ワークピースの位置決め構造と寸法を分析し、安定した信頼性の高い基準点を選択し、必要に応じて補助サポートを追加するか、過剰拘束を使用して部品の剛性を高める必要があります。チタン合金は変形しやすいため、クランプ力は過剰にすべきではありません。必要に応じてトルクレンチを使用して、安定したクランプ力を確保できます。さらに、治具を使用してチタン合金部品を位置決めおよびクランプする場合は、治具の位置決め面とワークピースの位置決め面の間の良好な適合を確保し、治具のクランプ力とワークピースの支持力をバランスさせます。比較的大きなクランプ面の場合は、集中圧による変形を避けるために、可能な限り分散クランプ方法を使用する必要があります。治具クランプのクランプポイントは、チタン合金切削中に発生する振動を減らすために、ワークピースの加工面にできるだけ近づける必要があります。
チタン合金加工には、鉛、亜鉛、銅、スズ、カドミウム、または低融点金属を含む治具、測定ツール、またはさまざまな仮設工具の使用は固く禁じられています。チタン合金に使用する機器、治具、および工具は、清潔で汚染されていない状態に保つ必要があります。チタン合金ワークピースは、加工後に速やかに洗浄し、鉛、亜鉛、銅、スズ、カドミウム、低融点金属などの残留物がチタン合金表面に付着しないようにする必要があります。チタン合金ワークピースの移動と取り扱いには、他の材料のワークピースとの混合と保管を避けるために、特別な輸送コンテナを使用する必要があります。精密加工されたチタン合金表面の検査と洗浄を行う場合は、油の汚染や指紋を防ぐために、清潔な手袋を着用してください。これらは、応力腐食割れを引き起こし、チタン合金ワークピースのサービス性能に影響を与える可能性があります。
3.4 切削パラメータ
チタン合金の主な切削パラメータは、切削速度、送り速度、および切り込み深さであり、切削速度がその被削性に影響を与える主な要因です。チタン合金ワークピースの一定回転速度切削と一定表面速度切削の比較試験では、一定回転速度切削は一定表面速度切削よりも性能が低いことが示されています。チタン合金の場合、切削速度vc = 60 m/min、送り速度f = 0.127 mm/rev、切り込み深さap = 0.05～0.1 mmの場合、チタン合金表面に硬化層がほとんど見られません。
硬化層は主に仕上げ加工後にワークピース表面に現れるため、仕上げ加工中の切り込み深さは大きすぎないようにする必要があります。そうしないと、大きな切削熱が発生します。切削熱の蓄積は、チタン合金表面の金属組織構造の変化を引き起こし、部品表面に硬化層を容易に生成します。切り込み深さが小さすぎると、ワークピース表面に摩擦と押し出しが発生し、加工硬化につながる可能性があります。したがって、チタン合金ワークピースの加工中、仕上げ加工の切り込み深さは、工具のホーニング（エッジ準備）のサイズよりも大きくする必要があります。
チタン合金の送り速度の選択は適度である必要があります。送り速度が小さすぎると、工具は加工中に硬化層内で切削され、摩耗が速くなります。送り速度は、さまざまな工具ノーズ半径に基づいて選択できます。仕上げ加工では、一般的に小さな送り速度を選択します。これは、大きな送り速度が切削力を増加させ、工具が加熱されて曲がったり欠けたりする原因となるためです。表2は、さまざまなタイプと材料の工具を使用したチタン合金の切削に関する一般的なパラメータを示しています。
3.5 冷却システム
チタン合金切削における切削液の要件は、ミストが少ないことです。チタン合金加工には、高圧冷却工具を選択する必要があります。配合机床高压泵、冷却压力可达(60～150) × 10⁵ Pa（約60～150 bar）。高圧冷却工具を使用してチタン合金を加工すると、切削速度を2～3倍に高め、工具寿命を延ばし、チタン合金の切りくず形状を改善できます。チタン合金加工中に切削液を適用すると、チタン合金の乾式切削と比較して、切削力が5%～15%減少し、半径方向の力が10%～15%減少し、切削温度が5%～10%減少し、加工されたチタン合金の表面形態は、大規模な付着が少なく、より良好であり、より高い表面品質を得るのに役立ちます。
現在使用されているTrim E206化学エマルジョンは、8%の濃縮液と92%の純水から混合され、濃度は7%～9%であり、チタン合金材料の加工において良好な加工結果を達成し、旋削、フライス加工、研削作業に使用できます。Trim E206には、構成刃先の形成を効果的に制御する特別な添加剤が含まれています。切削液には微細な乳化分子が含まれており、切削液の安定性を向上させ、加工中の持ち出しを減らし、切削液が切削ゾーンに入りやすくなっています。さらに、Trim E206は耐油性に優れており、切削液からの残留物は水と作動液に容易に溶解し、機器と加工部品表面の清浄度を維持するのに役立ちます。
4. チタン合金の表面完全性
4.1 チタン合金鍛造品の微細構造検査
チタン合金の微細構造検査には、エッチングされたチタン合金部品の表面を電子顕微鏡で検査して、材料の微細構造の形態学的特性、分布などを観察し、チタン合金の金属組織構造が関連規格および図面仕様に準拠しているかどうかを確認するために使用されます。チタン合金鍛造品の微細構造検査の手順は次のとおりです。鍛造品の荒加工→表面研磨→表面エッチング→洗浄→乾燥→顕微鏡検査。Ti6Al4Vチタン合金の顕微鏡検査を図2に示します。
a) 表面研磨 b) 表面エッチング
c) 水ですすぐ d) 顕微鏡検査
鍛造品の荒加工の目的は、αケースを完全に除去することです。チタン合金表面は、粒度400#～800#のアルミナサンドペーパーを使用して研磨し、表面粗さはRa = 0.025 μm以上のグレード要件に達する必要があります。エッチングには、2% HF、4% HNO₃水溶液として調製されたKroll試薬を使用します。適切な量のKroll試薬を研磨されたチタン合金表面に塗布し、目的の明確な構造が得られるまで塗布し、水ですすいで乾燥させます。ハンドヘルド電子顕微鏡を使用して、チタン合金表面を検査します。構造には、10%～50%の一次αが含まれている必要があります。図3に示すTi6Al4Vチタン合金の微細構造形態は、合格した金属組織構造を表しています。
a) β-変態マトリックス中の一次α b) β粒界での不連続α
c) β粒中のラメラα
4.2 チタン合金の青色陽極酸化腐食検査
チタン合金加工中、工具の逃げ面摩耗が発生すると、工具の耐衝撃性が徐々に低下し、押し出しと過熱によりチタン合金の加工面に加工硬化が発生します。青色陽極酸化腐食法は、硬化やその他の欠陥を検出するために一般的に使用されます。青色陽極酸化腐食後のチタン合金ワークピースの表面を図4に示します。陽極酸化されたチタン合金ワークピースの後処理溶解後、合格した酸化膜の色は均一な淡青色である必要があります（図4aを参照）。加工硬化されたチタン合金ワークピースは、腐食検査後、濃い青色の表面（図4bを参照）または局所的に濃い領域（図4cを参照）を示し、さまざまな領域で不均一な色分布を示します。
a) 均一な淡青色 b) 濃い青色 c) 局所的な濃い青色
青色陽極酸化腐食後、加工硬化を示す部品については、チタン合金の加工に切削工具材料、コーティング、切削角度を調整し、工具パスと切削パラメータを最適化するなどの方法を使用して、加工硬化を制御および除去できます。
4.3 チタン合金の表面仕上げ
チタン合金コンプレッサーディスク、ハブ、インペラー、シャフト、およびロータースペーサーから表面欠陥を除去し、部品の耐用年数を向上させるために、チタン合金ワークピースのすべての機械加工操作が完了した後、手動フラップディスク仕上げを使用して表面仕上げを行うことができます。フラップディスク仕上げには、図5に示す仕上げ工具が必要です。ロータリーエアツール（速度18,000 rpm）、研磨マンドレル、およびアルミナまたは炭化ケイ素研磨布（仕様10mm × 20mm、粒度120#）。
a) ロータリーエアツール b) 研磨マンドレル c) 研磨布
チタン合金ワークピースの内部溝仕上げを図6に示します。良好な仕上げ結果を達成するには、次の方法を使用できます。
アルミナ研磨布を長手方向に折り、研磨マンドレルの前端のクランプスロットにしっかりと挿入します。マンドレルの回転方向とは逆の方向に締め付けます。各ワークピース表面領域の仕上げ後、新しい研磨布に交換します（図6aを参照）。
回転する研磨布は、チタン合金表面を1〜2サイクル往復させる必要があり、各サイクルは10〜30秒続き、往復速度は約1.57 mm/sです（図6bを参照）。
チタン合金ワークピースのさまざまな表面を仕上げる場合は、サイクル間で研磨布を交換します。手動仕上げ中は、適切なストップレンチまたは機械的深さストップデバイスを使用して、回転する研磨布の通過を制御します。a) 研磨布の取り付け b) ロータリー研磨
5. 結論
チタン合金は、典型的な難削材です。加工中の高い切削力、高い切削温度、および激しい工具摩耗により、適切な工具材料とインサート形状を選択することが、チタン合金加工における主な課題です。Ti含有超硬工具は、優れた耐拡散摩耗性能を備えています。切削中、工具表面に安定したチタン合金付着層が形成され、摩耗を抑制できます。国産工具の開発に伴い、チタン合金の加工効率が徐々に向上し、加工コストを削減し、エンジンの全体的なローカライゼーションを実現する上で積極的な役割を果たしています。生産実践では、チタン合金加工は、技術、設備、管理、コストに関する既存の企業の条件に基づいている必要があります。合理的な位置決め治具を選択し、企業の情報データプラットフォームを使用して切削パラメータを最適化し、経験と類推のみに基づいてパラメータを選択する広範な加工概念から徐々に脱却する必要があります。
チタン合金鍛造品の微細構造検査を実施することにより、おおまかに加工されたチタン合金の金属組織構造を比較および評価できます。仕上げ加工は、チタン合金表面の加工および材料欠陥を効果的に除去し、ワークピースの耐用年数を向上させることができます。青色陽極酸化腐食検査は、チタン合金加工中に発生する加工硬化などの欠陥を効果的に特定できます。加工されたチタン合金の表面完全性を効果的に制御することは、チタン合金加工品質を安定させ、チタン合金ワークピースの耐用年数を向上させる上で非常に重要です。
この記事は、金属加工（冷間加工）、2021年第7号、1～5ページに掲載され、AECC Xi'an Aero-Engine Ltd.の黄強が執筆し、元のタイトルは「航空宇宙用チタン合金の加工方法と表面完全性制御技術」でした。
