iPhone 15のチタン合金フレームはなぜ加工が難しい素材なのでしょうか？
9月13日、AppleはiPhone 15シリーズの携帯電話を発売した。注目すべきは、スマートフォンにチタン合金フレームが登場したのはこれが初めてだということだ。
チタン合金は軽量、耐食性、高強度の素材です。スマートフォンに使用すると、電話機の全体的な強度、耐落下性、耐傷性が向上します。しかし、チタン合金は加工が難しい材料であり、チタン合金フレームの導入もCNC技術の課題となっています。
なぜチタン合金は加工が難しい材料だと思われるのでしょうか?関連する切削加工の特徴を学びましょう。
第一回：チタン合金の加工を難しくする「元凶」は「熱」
チタン合金を加工する際の切削抵抗は、同じ硬度の鋼に比べてわずかに高いだけですが、チタン合金の加工の物理現象は鋼の加工よりもはるかに複雑であり、チタン合金の加工は非常に困難に直面しています。
ほとんどのチタン合金の熱伝導率は非常に低く、鋼鉄の 1/7、アルミニウムの 1/16 に過ぎません。したがって、チタン合金の切削中に発生する熱は、すぐにはワークに伝わらず、あるいは切りくずによって奪われず、切削領域に集中します。発生する温度は 1000°C を超える場合があり、工具の刃先が急速に摩耗、亀裂、変形する原因となります。急速に磨耗する刃先であるビルトアップエッジは、切削領域でより多くの熱を発生させ、工具の寿命をさらに短くします。
切削プロセス中に発生する高温もチタン合金部品の表面の完全性を破壊し、部品の幾何学的精度の低下や疲労強度を大幅に低下させる加工硬化現象を引き起こします。
チタン合金の弾性は部品の性能に有益である可能性がありますが、切断プロセス中のワークピースの弾性変形は振動の重要な原因となります。切削圧力により「弾性」ワークピースが工具から遠ざかって反発し、工具とワークピースの間の摩擦が切削動作を上回ります。摩擦プロセスでも熱が発生するため、チタン合金の熱伝導率が低いという問題がさらに悪化します。
この問題は、変形しやすい薄肉部品やリング状部品を加工する場合にはさらに深刻になります。チタン合金の薄肉部品を期待どおりの寸法精度で加工するのは簡単な作業ではありません。工具で被削材を押し出すと、薄肉の局所的な変形が弾性範囲を超えて塑性変形するため、材料強度と刃先硬度が大幅に上昇します。このとき、当初決められていた切削速度が高くなりすぎて、さらに工具の摩耗が激しくなります。
第二弾：チタン合金の加工ノウハウ
チタン合金の加工メカニズムの理解と過去の経験に基づいて、チタン合金を加工するための主なプロセスのノウハウは次のとおりです。
(1) 切削抵抗、切削熱、ワークの変形を軽減するために、ポジティブアングル形状のチップを使用してください。
(2) ワークの硬化を避けるため、一定送りを維持してください。切削プロセス中、工具は常に送り状態でなければなりません。フライス加工時のラジアル工具噛み込み量 ae は半径の 30% としてください。
(3) 加工プロセスの熱安定性を確保し、過度の温度によるワーク表面の変形や工具の損傷を防ぐために、高圧および大流量の切削油を使用します。
(4) 刃先を鋭利に保ちます。鈍い工具は熱の蓄積と摩耗の原因となり、工具の故障につながりやすくなります。
(5) チタン合金は焼入れ後は加工が難しくなり、熱処理により強度が増し刃の摩耗が増加するため、できるだけ柔らかい状態で加工してください。
(6) 工具先端の円弧半径や面取りを大きくし、刃先をできるだけ深く切り込みます。これにより、あらゆる点で切削抵抗と熱が軽減され、局部的な破損が防止されます。チタン合金をフライス加工する場合、切削パラメータの中で切削速度が工具寿命 vc に最も大きな影響を及ぼし、次に半径方向の工具のかみ合い (加工深さ) ae が影響します。
3 番目: チタン加工の問題を解決するにはブレードから始めます
チタン合金加工時に発生する刃溝摩耗は、切り込み深さ方向の表裏の局部的な摩耗です。多くの場合、前の加工で残った硬化層が原因で発生します。 800℃を超える加工温度での工具と被削材の化学反応や拡散も溝摩耗の原因の一つです。
加工プロセス中に、ワークピースのチタン分子がブレードの前に蓄積し、高圧高温下でブレードに「溶接」され、構築刃先が形成されるためです。構成刃先が刃先から剥離すると、インサートの超硬コーティングも一緒に取り除かれるため、チタン加工には特殊なインサート材質と形状が必要になります。
4つ目：チタン加工に適した工具構造
チタン合金加工のポイントは熱です。熱を素早く除去するために、大量の高圧の切削液を素早く正確に刃先に噴射する必要があります。チタン合金加工専用のユニークな構造のフライスが市販されています。
