Gr5チタン合金2mm薄肉キャビティカバープレートの精密加工技術の研究

のGr5 チタン合金薄肉キャビティ カバー プレートは、プロファイルの精度、平坦度、肉厚の均一性に高い要件が課される耐圧シールに使用されます。肉厚2mmのワークは構造剛性が低いのが特徴です。

チタン合金薄肉部品に関する現在の国内外の研究は、主に切削シミュレーション、びびり、残留応力の予測に焦点を当てています。この厚さ 2 mm のキャビティ カバー プレートを対象とした統合された精密機械加工プロセスの完全なセットは、高い工学研究価値をもたらします。

 

 

1. 部品の構造的特徴

研究対象は、焼きなました Gr5 チタン合金キャビティ カバー プレートであり、複雑な密閉キャビティを備えたプレート型コンポーネントです。キャビティの側壁の厚さは 2 mm です。ブランクはGr5チタン合金鍛造。形状公差、平坦度、肉厚均一性、表面粗さについては厳しい要件が設定されています。カバープレートの合わせ面はシールの役割を果たします。ビビリマーク、傷、局所的な崩壊は厳禁です。

 

2. 主要な加工上の困難

• 薄肉のスプリングバックと工具のたわみ：サイドウォールが2mmなので剛性が低い。フライス加工時に切削力がかかると弾性降伏し、切込み量が不足します。加工後のスプリングバックにより、壁厚とキャビティのプロファイル寸法が許容範囲外になります。
• 切削ビビリ: 構成部品の構造剛性が低く固有振動数が低いため、再生びびりが発生しやすく、側壁にびびりマークが発生し、表面品質が低下し、工具の摩耗が促進されます。
• 残留応力による変形：荒加工では大量の材料が除去され、切削による残留応力が発生します。治具を取り外した後に応力が解放されると、カバー プレート全体が反り、許容できない平坦度になります。
• 工具の構成刃先と摩耗: チタン合金は高温で高い化学活性を示します。工具先端に熱が集中し、構成刃先や刃先摩耗が発生しやすく、寸法安定性が悪くなります。
• 治具による変形: 従来のリジッドプレッシャープレートクランプでは、局所的な圧縮応力が発生します。薄肉部品はクランプ時に塑性変形し、アンクランプ時のスプリングバックにより寸法偏差が発生します。

 

 

1. プロセスルート

Gr5 鍛造ブランクにはまず応力除去焼鈍が施され、続いて基準面の予備フライス加工が行われます。キャビティは一定の高さの積層フライス加工によって片側の許容値 0.25 ～ 0.3 mm で荒加工されます。加工応力を解放するためにアンクランプと時効処理を行います。中仕上げでは再クランプを行い、片側0.08～0.1mmの均等な取り代を残します。仕上げ加工には輪郭オフセット外周フライスを採用。キャビティ側壁には対称積層加工を施し、2mmの薄肉化を実現。その後、バリ取り、超音波洗浄を実施し、三次元測定機、粗さ計による検査を行います。

 

2. 工具と治具

一次位置決めには真空チャックが使用され、周囲のストップブロックが横方向の切削力に耐えます。取り外し可能な樹脂/低融点サポートをキャビティ内に取り付け、仕上げ加工前に取り外します。ツーリングデータムは精密に研磨されています。位置決め誤差の抑制、ワーク剛性の向上、びびりや工具の振れの抑制を目的としたダイヤルゲージ調芯です。

 

3. 切削工具

不等ピッチ・不等ねじれのTiAlNコーティング超硬ソリッドエンドミルを採用しており、すくい角10度～15度と大きなねじれ角により振動低減と耐ビルトアップエッジ性能を実現しています。荒加工にはφ6工具、中仕上げ加工および仕上げ加工にはφ4仕上げエンドミルを使用します。

 

4. 切断パラメータと冷却

• 荒フライス加工: 切削速度 45 ～ 60 m/min、一刃当たりの送り 0.06 ～ 0.10 mm/z、切込み深さ 0.4 ～ 0.6 mm、半径方向の切込み幅は工具径の 20% ～ 30% です。
• 中仕上げフライス加工: 切削速度 40 ～ 50 m/min、一刃あたりの送り 0.04 ～ 0.07 mm/z、切込み深さ 0.2 ～ 0.3 mm。
• 仕上げフライス加工: 切削速度 30 ～ 40 m/min、一刃当たりの送り 0.03 ～ 0.05 mm/z、切込み深さ 0.05 ～ 0.1 mm、半径方向の切込み幅は工具径の 5% ～ 10% を占め、薄肉の弾性変形を軽減します。
• 冷却: 可溶性切削液と組み合わせた高圧内部冷却により、放熱と潤滑を行い、熱変形を軽減します。

 

 

• 積層対称ミリング: キャビティ側壁の Z 方向交互積層加工。薄壁に対する材料のサポートが維持され、切削力のバランスが取れ、たわみによる変形が軽減されます。
• 段階的なストレス解放: 荒加工後の応力解放のためにアンクランプ。荒加工と仕上げ加工を別々に行うことができます。ワークの反りを抑えるため、中仕上げ後、仕上げ加工前に放置してください。
• 均一許容量制御: 肉厚の偏差を避けるために、中仕上げまで一貫した仕上げ代を確保します。
• ビビリ抑制：可変ピッチカッターを採用。共振を避けるために、仕上げフライス加工における切削速度と切削の半径方向幅を低減します。剛性を高めるために補助サポートを配置します。
• 誤差補正: 薄肉のスプリングバックの大きさを事前にテストし、CAM プログラムでマイナーなプロファイル補正を適用して肉厚の精度を向上させます。

 

 

上記のプロセスは、Gr5 チタン合金の 2 mm 薄肉キャビティ カバー プレートの機械加工に適用されます。その結果、肉厚は2±0.02mmで安定して維持され、形状公差は仕様を満たし、平面度は0.03mm以下、内壁表面粗さRaは0.8μm以下で、びびり痕、傷、構成エッジはありません。アンクランプ後、72時間放置後の再検査での寸法変動は0.02mm未満であり、良好な残留応力制御性能を示しています。

• テストの結論：仕上げ加工時のわずかな工具摩耗により肉厚オフセットが発生します。量産に向けて定期的な刃先検査と工具交換の仕様を策定します。サポートの除去後にエッジのバリが発生する傾向があります。シール面を保護するために、柔軟なバリ取り手順を追加する必要があります。

 

参考文献

[1] 王同剛、程雷、楊松。チタン合金薄肉キャビティ カバー プレート部品の CNC 機械加工[J]。 CNC工作機械市場、2020年。

[2] 陳光、王建。チタン合金薄肉部品の加工変形制御に関する研究の進捗[J]。製造技術と工作機械。

[3] 李源。 TC4チタン合金薄肉部品のフライス加工ビビリと加工変形に関する研究[D]。瀋陽立功大学。

[4] 張皓。チタン合金薄肉部品の低温フライス加工における残留応力制御に関する研究[J]。製造技術と工作機械。

 

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