アルミニウム合金の切削パラメータ：専門家の推奨
アルミニウム合金の機械加工が、なぜ夢にも悪夢にもなりうるのか、不思議に思ったことはないだろうか。この記事では、アルミニウム合金のユニークな特性を掘り下げ、滑らかな加工を実現する方法を説明します。
軽量金属がどのようにして現代世界を動かしているのか、不思議に思ったことはないだろうか。この記事では、アルミニウムについて掘り下げ、そのユニークな特性と多様な用途を探ります。航空機から宇宙ロケットまで、適切な切削工具の選択がアルミニウム・プロジェクトの成否を左右することを発見してください。この万能素材を扱う知識と技術を高める準備をしましょう！
密度が2.7g/cm³（鋼や銅の約3分の1）のアルミニウムは、優れた特性を兼ね備えています。高い延性と銅の約61%の電気伝導率を誇りながら、重量は銅の3分の1しかなく、一般的にコストパフォーマンスに優れています。
これらの特性により、アルミニウムは高圧送電線、ケーブル、エレクトロニクスおよび電気通信産業の部品など、数多くの電気的用途に理想的な素材となっている。
純アルミニウムの強度が比較的低いのに対し、アルミニウム合金は強度重量比や硬度の向上など、機械的特性が大幅に向上しています。この汎用性により、様々な分野で広く採用されています。
輸送業界では、アルミニウム合金は航空機の機体や構造体、自動車のボディパネルやシャーシ部品、高速鉄道車両、船舶の上部構造などに幅広く利用されている。軽量で高い強度を併せ持つアルミニウム合金は、燃費と性能の向上に貢献している。
さらに、航空宇宙分野では、宇宙ロケット、宇宙船、人工衛星の重要な部品に高度なアルミニウム合金が多用されている。これらの合金は、宇宙の過酷な条件に耐えるために必要な強度と熱安定性を提供する一方、密度が低いため打ち上げコストを最小限に抑えることができます。
アルミニウム用の適切な切削工具を選択することは、様々なアルミニウム合金材種の多様な切削要件を満たしながら、加工作業において高精度と優れた品質を達成するために極めて重要です。適切な工具の選択は、最適な性能を保証するだけでなく、製造工程全体の効率と費用対効果にも大きく影響します。
プロ仕様の切削工具を適切に選択することで、特定のプロジェクトのニーズに応じた正確な材料除去が可能になり、無駄を最小限に抑え、材料の損失や品質問題の可能性を防ぐことができます。この精度は、高価なアルミニウム合金や公差の厳しい部品を扱う場合に特に重要です。
信頼できるメーカーの切削工具を選ぶことで、加工プロセス全体を通じて一貫した効率的な性能が保証されます。これらの工具は、さまざまな切削条件下で信頼性の高い機能を発揮し、安定性を維持するように設計されているため、予期せぬ故障や安全上の問題が発生するリスクが大幅に軽減されます。また、プロ仕様の工具の使いやすいデザインは、操作を簡素化し、より合理的で心配のない生産工程を可能にします。
さらに、高品質な切削工具は、ビルドアップエッジの形成や発熱など、アルミニウム加工特有の課題に耐えるように設計されています。多くの場合、切屑排出性を高め、摩擦を低減し、工具寿命を延ばす特殊コーティングや形状が採用されています。
適切な切削工具に投資することで、製造業者は幅広い作業環境とアプリケーションの要求にわたって一貫した性能を確保することができます。この汎用性は、航空宇宙部品から自動車部品まで、多様なアルミニウム・プロジェクトを扱う工場にとって不可欠です。
以下のセクションでは、合金特性、切削パラメータ、生産要件などの要因を考慮し、特定のアルミニウム加工プロジェクトに最適な切削工具を選択するための包括的なガイダンスを提供します。
アルミニウムは、その卓越した軽量性と優れた耐食性で際立っています。この万能な金属は、様々な産業用途で貴重な存在となる、いくつかの特徴的な特性を持っています：
1.ハクソー
弓のこはフレームと刃からなる切断工具で、建設現場での木工作業でよく使われる。
2.航空スニップ
航空用スニップは丈夫な合金鋼製で、薄いものを切断するのに適しています。 板金アルミニウム、プラスチック、その他の素材に対応。左切り、右切り、直線切りなどの種類がある。スニップの品質は、刃の種類に影響する。
3.ニブラー
ニブラーは、模型製作でよく使われる機械工具で、プラスチックや金属を接続点で切断するため、手でひねるよりも時間と労力を節約できる。
ハサミのような形をしており、通常のハサミよりも頭が小さく厚く、ペンチの後ろ半分に似ている。ワイヤーを切断するために設計されたニブラーもあれば、ワイヤーストリップ機能を持つものもある。
1.丸鋸
丸鋸は、次のような用途に使用される歯の付いた工具である。 鋼の切断.メタル丸鋸は、従来のパイプで2×4材を切断するように、鋼材を簡単に切断できる。
以前の製品に比べ、丸鋸は独自の材料と歯の設計を採用し、より高速な金属切断、より優れた切りくず処理、切断プロセス中の熱伝導を可能にしている。
2.ジグソー
ジグソーは、刃がスライドガイド（またはローラー）に取り付けられ、軌道に沿って移動する鋸盤である。鋸引きは送り機構によって行われます。
3.バンドソー
バンドソーは、様々な金属材料を切断するための工作機械である。その構造によって横型と縦型に分類され、半自動、全自動、自動切断機などがある。 CNCタイプ それぞれの機能に応じて。
横型バンドソーは、さらにダブルコラム型とシザーズ型に分けられる。
4.CNCルーター
CNCルーターは、アルミ合金、銅、電気木材、木材、ヒスイ、ガラス、プラスチック、アクリルなどの素材に、浮き彫り彫刻、平面彫刻、中空彫刻などの作業を行うことができる。彫る速度および精密が高い。
1.高速度鋼（HSS）
高速度鋼は、タングステン、モリブデン、クロム、バナジウムなどの合金元素を添加した高合金工具鋼の一種です。高い強度と靭性、一定の硬度と耐摩耗性を持ち、様々な切削工具の要求に適している。
ハイス工具の製造工程は単純で、簡単に鋭利な刃先に研ぐことができる。
そのため、さまざまな新しいタイプの工具材料が登場したにもかかわらず、金属切削では依然としてハイス工具が大きな割合を占めている。非鉄金属や高温合金の加工に適している。
上記の特性から、ピストン加工における鋳造ライザー用フライスカッター、クロスグルーブ用フライスカッター、拡張溝用フライスカッターにはハイス材が使用され、ドリルビットにもハイス材が使用されている。
2.超硬合金
超硬合金は、溶けにくい金属炭化物（WC、TiC、TaC、NbCなど）と金属バインダー（Co、Niなど）から粉末冶金法で作られる。
超硬合金は高融点、高硬度、化学的安定性、熱的安定性に優れているため、超硬材料の硬度、耐摩耗性、耐熱性は非常に高い。
超硬合金の一般的な硬度は89～93HRAで、ハイス（83～86.6HRA）より高い。800～1000℃でも切削可能。540℃では82～87HRA、760℃では77～85HRAを維持できる。
そのため、超硬合金の切削性能はハイスよりもはるかに優れており、工具の耐久性も数倍から数十倍向上させることができる。耐久性が同じ場合、切削速度は4～10倍に向上する。
現在、当社では主にWC-TiC-Co系超硬工具のYG6、YGXを使用している。YT15をはじめとするWC-TiC-Co系超硬合金は、ピストン加工における粗加工、中仕上げ加工、一部の仕上げ加工に使用されています。
3. 多結晶ダイヤモンド（PCD）
ダイヤモンドは現在知られている鉱物の中で最も硬く、熱伝導率が最も高い。様々な金属や非金属材料との摩擦による摩耗は、超硬合金の1/50から1/800に過ぎず、切削工具の材料として理想的です。
しかし、天然の単結晶ダイヤモンドは、宝飾品や特定の非鉄金属の超精密加工にのみ使用されている。
人工大粒子単結晶ダイヤモンドの工業生産は、デビアス社や住友電工などによって実現されているが、まだ広く応用される段階には至っていない。
ダイヤモンド工具の刃先は非常に鋭く（これは非常に小さな断面の切りくずを切断するのに重要である）、刃の粗さは小さく、摩擦係数は低い。切削加工で切りくずの塊ができにくく、加工時の表面品質が高い。
非鉄金属を加工する場合 表面粗さ はRa0.012μmに達し、加工精度はIT5以上に達する。
ダイヤモンド工具には、天然単結晶ダイヤモンド工具、一体型人工多結晶ダイヤモンド工具、ダイヤモンド複合工具の3種類がある。
天然ダイヤモンドの工具は高価なため、実際の生産にはあまり使われていない。人工ダイヤモンドは、高温高圧下で合金触媒の作用によりグラファイトを変質させることで形成される。
ダイヤモンドコンポジットブレードは、厚さ約0.5～1µmのダイヤモンド層を焼結して形成される。 超硬合金 高温・高圧などの高度なプロセスを用いた基板。
この素材は 超硬合金 を基材とし、その機械的特性、熱伝導率、膨張係数は超硬合金と同様である。
基板上の人工多結晶ダイヤモンド砥粒のダイヤモンド結晶は不規則に配列されており、その硬度と耐摩耗性は全方向に均一である。
多結晶ダイヤモンド（PCD）は、選別された人工ダイヤモンド微結晶を高温高圧下で焼結することにより形成される。焼結過程では、添加剤の添加により、主にTiC、SiC、Fe、Co、Niからなるダイヤモンド結晶間に結合ブリッジが形成される。
ダイヤモンド結晶は、構造ブリッジによって形成された強固な骨格の中にしっかりと埋め込まれ、共有結合によって保持されているため、PCDの強度と靭性が大幅に向上している。
硬度は約9000HV、曲げ強度は0.21～0.48GPa、熱伝導率は20.9J/cm・sμ℃、熱膨張係数は3.1×10-6/℃。
現在使用されているPCD切削工具のほとんどは、PCDと超硬合金の複合基板で、超硬合金の基板上にPCDの層が焼結されている。
PCDの厚さは一般的に0.5mmと0.8mmで、PCD結合ブリッジの導電性により、様々な形状に切断し、様々な工具を作ることが容易であり、コストは天然ダイヤモンドよりもはるかに低い。
多結晶ダイヤモンド（PCD）は、アルミニウム、銅、マグネシウムおよびそれらの合金、超硬合金、繊維強化プラスチック、金属系複合材料、木質系複合材料など、さまざまな非鉄金属や極めて耐摩耗性の高い高性能非金属材料を加工できる。
PCD工具材料に含まれるダイヤモンド粒子の平均粒径は異なり、その性能に異なる影響を与える。
粒子径が大きいほど耐摩耗性が高い。同様の刃先加工量では、粒子径が小さいほど刃先の品質は向上する。
粒径10～25µmのPCD工具は、Si含有量12～18のシリコン-アルミニウム合金を500～1500m/分の速度で高速切削するのに使用でき、粒径8～9µmのPCDはSi含有量12%未満のアルミニウム合金の加工に使用される。
超精密加工には、粒径の小さいPCD工具を選択すべきである。PCDは700℃を超えると耐摩耗性が低下するが、これはその構造に金属Coが含まれており、ダイヤモンドがグラファイトに変化する「逆反応」を促進するためである。
PCDは破壊靭性に優れ、断続切削が可能です。Si含有量10%のアルミニウム合金を2500m/minの高速でエンドミル加工できる。
ダイヤモンド材料の高硬度、耐摩耗性、熱伝導性、低摩擦係数は、非鉄金属や耐摩耗性非金属材料の加工において、高精度、高能率、高安定性、高表面平滑性を実現します。
非鉄金属を切削する場合、PCD切削工具の寿命は、超硬合金の数十倍から数百倍です。
4. 立方晶窒化ホウ素（CBN）
立方晶窒化ホウ素（CBN）は、1950年代に開発された新しいタイプの人工合成材料である。高い硬度と優れた耐摩耗性を持ち、機械加工業界で広く使用されている。
多結晶立方晶窒化ホウ素（PCBN）は、CBN微粉末を少量の結合相（Co、NiまたはTiC、TiN、Al203）と触媒とともに高温高圧で焼結することで製造される。
高い硬度（ダイヤモンドに次ぐ）と耐熱性（1300～1500℃）、優れた化学的安定性、ダイヤモンド工具よりはるかに高い熱安定性（1400℃まで）と熱伝導性、低い摩擦係数を持つが、強度は低い。
ダイヤモンドと比較して、PCBNの優れた利点は、1200℃までの熱安定性（ダイヤモンドは700～800℃）がはるかに高く、より高速の切断に耐えることができることである。もう一つの優れた利点は、その優れた化学的不活性性であり、1200～1300℃で鉄金属と反応せず、鋼の加工に使用することができる。
そのため、PCBN工具は主に黒色難削材の効率的な加工に使用されている。
上記の特徴に加えて、PCBNツールには次のような利点もある：
(1) 硬度が高く、特にHRC50以上の焼入れ硬化鋼、HRC35以上の耐熱合金の加工に適している。 ねずみ鋳鉄 HRC30以下で、他の工具では加工が困難なもの；
(2) 超硬工具に比べて切削速度が速く、高速で効率的な切削が可能である；
(3) 耐摩耗性に優れ、工具の耐久性が高い（超硬工具の10～100倍）。
PCBN工具の欠点は、超硬工具に比べて耐衝撃性が劣ることで、使用する際には、加工システムの剛性を向上させ、衝撃切削を避けることに注意を払う必要がある。
PCBNは一体型ブレードまたは超硬合金と組み合わせた複合ブレードにすることができる。PCBN複合ブレードは、超硬合金基板上に0.5～1.0mm厚のPCBNを焼結した層があり、良好な靭性と高い硬度と耐摩耗性を兼ね備えています。
PCBNの性能は主に、CBNの粒径、CBNの含有量、バインダーの種類に依存する。
一つはCBN結晶が直接結合したもので、CBN含有量が高く（70%以上）、硬度が高く、耐熱合金、鋳鉄、鉄焼結金属の切削加工に適している；
もう1つは、セラミック・バインダー（主にTiN、TiC、TiCN、AlN、Al203など）によって焼結されたCBN結晶をベースとするもので、CBN含有量が低く（70%以下）、硬度が低く、焼入れ・焼戻し鋼の切削加工に適している。
立方晶窒化ホウ素工具は、ピストンリングがはめ込まれた鋳鉄製リング溝の旋削加工や、ピストンのソリッドコンタクト金型の加工に使用される。
5. セラミック
セラミック切削工具の主な利点は、常温硬度91～95HRCの高硬度と耐摩耗性、1200℃の高温で硬度80HRCの高耐熱性、高温条件下での曲げ強度と靭性の低下が少ないことである。
また、セラミックスは金属との親和性が低く、耐高温酸化性に優れ、溶融温度でも鋼と相互作用しないため、高い化学的安定性を示す。
そのため、切削工具の結合、拡散、酸化、摩耗が少ない。摩擦係数が低いため、切りくずが工具に付着しにくく、切りくずの巣が形成されにくい。
セラミック・ナイフの欠点は、もろさ、低強度、靭性で、曲げ強度は硬質合金の1/2～1/5しかない。
そのため、ブレードのチッピングや破損の原因となる衝撃荷重を避けるため、使用する際には適切な幾何学的パラメータと切削量を選択しなければならない。
さらに、セラミックナイフの熱伝導率は硬質合金の1/2～1/5と低く、熱膨張係数は硬質合金より10～30%高いため、耐ヒートショック性に劣る。
現在のところ、セラミック切削工具はアルミピストン加工には適用されていない。
1.高い硬度と耐摩耗性
硬度は、その基本的な特性である。 切削工具材料 を持たなければならない。ワークピースから切屑を切り出すには、工具の硬度がワークピースの材質よりも高くなければならない。金属の切削に使用される工具の刃先硬度は、一般的に60HRC以上である。耐摩耗性とは、材料が摩耗に抵抗する能力を指す。
一般に、切削工具材料の硬度が高いほど、耐摩耗性は向上する。組織中の硬度点（炭化物や窒化物など）は、硬度が高く、量が多く、粒子が小さく、分布が均一なほど耐摩耗性に優れる。
耐摩耗性は、材料の化学組成、強度、微細構造、摩擦部の温度にも関係する。耐摩耗性WRは式で表すことができる：
wr = kic0.5e-0.8h1.43
ここで、Hは材料の硬度（GPa）である。硬度が高いほど耐摩耗性に優れる。
KICは材料の破壊靭性（MPa・m½）である。KICの値が大きいほど、応力による材料の破壊が小さく、耐摩耗性に優れている。
Eは材料の弾性率（GPa）である。Eが小さいと、砥粒による微小ひずみによって生じる応力が小さくなり、耐摩耗性の向上につながる。
2.十分な強度とタフネス
切削加工中に大きな圧力や衝撃、振動を受けた際に、刃のチッピングや破損を防ぐためには、切削工具の材料に十分な強度と靭性が求められます。
3.高い耐熱性（熱安定性）
耐熱性は、切削工具材料の切削性能を測定するための主要な指標である。切削工具材料が高温条件下で一定レベルの硬度、耐摩耗性、強度、靭性を維持する能力を指す。
切削工具の材料は、高温での酸化、結合、拡散に耐える能力も必要であり、これは化学的安定性が高いことを意味する。
4.優れた熱物理特性と耐ヒートショック性
切削工具材料の熱伝導率が高ければ高いほど、切削熱が切削領域から拡散しやすくなり、切削温度を下げることができる。
断続切削や切削油剤を使用する場合、工具は激しいヒートショック（急激な温度変化）を受けることが多く、その結果、工具内部に亀裂が生じ、破損の原因となることがある。
ヒートショックに耐える材料の能力は、ヒートショック耐性係数Rで表すことができる：
R = λσb(1-µ)/Eα
ここで、λは熱伝導率、σbは引張強さ、μはポアソン比、Eは弾性率、αは熱膨張係数である。
熱伝導率が高いほど熱が逃げやすくなり、工具表面の温度勾配が小さくなる。
熱膨張係数が小さいと熱変形が小さくなり、弾性率が小さいと熱変形から生じる交番応力の大きさが小さくなるため、材料の耐ヒートショック性が向上する。
耐ヒートショック性に優れた切削工具材料が使用できる。 切削油剤 加工工程中
5.良好な加工性
工具製造を容易にするため、切削工具材料には、鍛造特性、熱処理特性、高温塑性変形特性、研削加工特性などの良好な加工性が要求される。
6.経済効率
経済効率は切削工具材料の重要な指標の一つである。高品質な切削工具材料は単価が高くても、寿命が長ければ部品単価が高くなるとは限らない。
したがって、切削工具の材料を選択する際には、その経済的影響を総合的に考慮する必要がある。
アルミ形材は、鋼に比べて硬度が低いという特徴があり、切断が比較的容易である。しかし、この特性は、切削工具に付着しやすいという性質でもある。きれいな切断を保証し、ブレードの寿命を延ばすには、歯数が多く（10インチのブレードで60～80歯）、フック角がマイナスの超硬チップ・ブレードを使用する。これらの特徴により、切りくずの溶着を防ぎ、バリの発生を抑えることができます。定期的にブレードを点検・交換し、切断効率と品質を維持する。
バリの発生を防ぎ、仕上げ面粗さを向上させ、工具の寿命を延ばすために、アルミニウムを切削する際には適切な潤滑が非常に重要です。専用のアルミニウム切削油、または高品質の合成潤滑剤を使用してください。最適な結果を得るには、過剰な無駄なく正確な潤滑剤の塗布ができる最小量潤滑（MQL）システムを検討してください。このアプローチは、切削品質を向上させるだけでなく、環境に優しい実践をサポートします。
産業用アルミ形材の切断のほとんどは垂直ですが、複雑な設計では、45度のミッターなど、角度の付いた切断が必要になることがよくあります。正確な角度制御には、ロータリーテーブルを備えたCNCソーイングマシン、またはデジタル角度表示付きの専用マイターソーをご利用ください。カットをプログラムする際には、寸法精度を確保するために、材料の厚みと刃の切り口を考慮してください。繰り返し角度をつけるカットの場合は、カスタム治具や治具を作成し、複数の部品で一貫性を保つことを検討してください。
生産における安全は、工場全体に及ぶ連帯責任である。そのためには、加工手順と原則の厳格な遵守、従業員への定期的な安全教育、不必要なリスクを軽減するための積極的な対策が必要です。
アルミニウムプロファイルはかなりの重量があるため、安全な取り扱いとスムーズな切断工程を確保するために、切断作業は少なくとも2人のチームで行う必要があります。このアプローチは、ひずみによる怪我のリスクを最小限に抑え、全体的な作業効率を向上させます。
MachineMFGの創設者として、私は10年以上のキャリアを金属加工業界に捧げてきました。豊富な経験により、板金加工、機械加工、機械工学、金属用工作機械の分野の専門家になることができました。私は常にこれらのテーマについて考え、読み、執筆し、常にこの分野の最前線にいようと努力しています。私の知識と専門知識をあなたのビジネスの財産にしてください。
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