様々な材料の加工に適したPCDおよびCBN切削工具の選び方

機械加工は現代の製造業の基盤で、自動車、航空宇宙、電子機器、エネルギー産業等、材料を成形、切削等一系列の精密加工して精密な部品に仕上げる能力が、最終製品の品質と性能を決定づけます。機械加工の中に一番重要なのは、最も重要な要素の一つである切削工具です。工具材質の選択は、加工効率、工具寿命、表面仕上げ、そして全体的な生産コストに直接影響を及ぼします。

長年にわたり開発されてきた幅広い工具材料の中で、多結晶ダイヤモンド（PCD）と立方晶窒化ホウ素（CBN）切削工具は、最も先進的なソリューションとして台頭しています。これらは、従来の超硬合金やセラミック切削工具の代替品だけでなく、最も要求の厳しい加工用途向けに設計された高性能工具です。硬度を維持し、耐摩耗性を備え、極限条件下でも卓越した精度を発揮する能力により、生産性と信頼性の両方が求められる産業において不可欠な存在となっています。

この記事では、機械加工における切削工具の重要性について検討し、続いて PCD および CBN 切削工具、それらの特性、用途、および利点について詳しく説明します。

機械加工における切削工具の重要性

1. 切削工具の役割

切削工具は、機械とワークピースをつなぐ主要なインターフェースです。その役割は、単に材料を除去するのだけではなく、生産性、精度もを左右します。工具材料は、寸法精度と表面品質を確保するために、高温、高圧、摩擦に耐えながら、その形状を維持する必要があります。

2. 切削工具の影響を受ける要因

表面仕上げ：工具の切れ味と安定性は、加工面の品質に直接影響します。

工具寿命：耐摩耗性は、工具を交換せずにどれだけ長く使用できるかを決定し、ダウンタイムとコストに影響を与えます。

加工速度：高度な切削工具は、切削速度と送り速度を向上させ、サイクルタイムを短縮します。

コスト効率：工具寿命の延長と再研磨の必要性の低減により、全体的な生産コストが削減されます。

3. 切削工具材料の進化

従来の工具は高速度鋼（HSS）で作られていましたが、後に硬度と耐熱性を高めるために超硬合金やセラミックに置き換えられました。しかし、産業界ではより硬く、摩耗しやすい、特殊な材料の加工が求められるようになり、PCDやCBN等の超硬工具材料が開発され、性能の限界を押し広げました。

PCD切削工具

1. PCDとは？

多結晶ダイヤモンド（PCD）は、ミクロンサイズのダイヤモンド粒子を高圧高温（HPHT）下で焼結することによって製造される合成ダイヤモンド材料です。これらの粒子は、通常はコバルト等のメタルボンドで結合され、ランダムに配向したダイヤモンド結晶の緻密な構造を形成します。

PCDは、天然ダイヤモンドの硬度と耐摩耗性と、切削工具に必要な靭性を兼ね備えています。PCDは、天然単結晶ダイヤモンドに次いで最も硬い工具材料の一つです。

2. PCD切削工具の特性

* 極めて高い硬度：優れた耐摩耗性を発揮します。

* 高い熱伝導率：切削部から熱を放散します。

* 低い摩擦係数：切削抵抗を低減し、材質の粘りを防ぎます。

* 化学的安定性：非鉄金属および研磨材の切削において優れた性能を発揮します。

3. PCD工具の用途

PCD工具は主に非鉄金属および非金属材料の加工に使用されます。以下に挙げる用途が含まれます。

* 自動車産業：アルミニウム合金（エンジンブロック、シリンダーヘッド、トランスミッションハウジング）の加工。

* 航空宇宙産業：チタン合金および炭素繊維又はガラス繊維で強化された複合材料の加工。

* エレクトロニクス：シリコン、セラミックス、合成サファイアの精密加工。

* 木工及びプラスチック：MDF、パーティクルボード、繊維強化プラスチック等の材質に対する高い耐摩耗性。

4. PCD切削工具の利点

- 優れた工具寿命：PCD工具は、研磨材の加工において超硬工具の50～100倍の寿命を誇ります。

- 高い生産性：非常に高い切削速度より。生産性を上げます。

- 優れた表面仕上げ：鏡面仕上げを実現し、だいたい、二次研磨が不要になります。

- ダウンタイムの削減：工具交換回数が減るため、機械の稼働率が向上します。

CBN切削工具

1. CBNとは？

立方晶窒化ホウ素（CBN）は、ダイヤモンドに次いで2番目に硬い材料です。しかし、ダイヤモンドとは異なり、高温下で鉄系材料と接触しても化学的に安定しています。そのため、CBNは、硬化鋼や鋳鉄の加工に適しています。ダイヤモンド工具なら、化学摩耗によりダメになってしまいます。

CBNは通常、多結晶CBN（PCBN）として使われています。これは、CBN粒子が結合相（セラミックまたは金属）と共に焼結されたものです。この工具材料は、硬度、靭性、熱安定性を兼ね備えています。

CBN工具は高硬度鉄系金属の加工において主流を占めています。自動車製造において、硬化鋼製ギア、ベアリング、クランクシャフトの高速ハード旋削は、従来、煩雑で非効率的な研削加工に頼っていました。CBN工具の登場により、この状況は一変しました。CBN工具は研削加工を直接代替し、「旋削加工で研削加工を代替する」を実現することで、加工効率を大幅に向上させると同時に、研削加工に匹敵する精度を実現しています。データによると、硬化鋼製ギアのハード旋削にCBN工具を使用すると、効率が数倍向上し、工具寿命も大幅に延長することが示されています。

金型業界では、CBN工具は耐高温性と耐摩耗性に優れ、HRC45以上の硬度を持つ金型鋼の加工し適し、効率的な削り代と表面品質を確保します。CBN工具は、重機におけるチルド鋳鉄ロールや高クロム鋳鉄、航空宇宙産業における耐熱合金（インコネル等）を切削することができ、その強力な加工能力を発揮します。

2. CBN切削工具の特性

* 硬度：ダイヤモンドに次ぐ硬さですが、鉄系金属に適しています。

* 高温高硬度：1000℃を超える高温でも抜群な切れ味を発揮。

* 化学的安定性：高温でも鉄や鋼と反応しません。

* 耐摩耗性：連続切削及び断続切削において優れた性能を発揮します。

3. CBN切削工具の用途

CBN切削工具は、以下の硬質材料及び鉄系材料に最適です。

自動車：焼入れ鋼部品（ギア、シャフト、ベアリング）の加工。

工具・金型産業：高硬度工具鋼および金型の切削。

航空宇宙産業：インコネル等の超合金や耐熱鋼の加工。

鋳造産業：鋳鉄、チルド鋳鉄、耐摩耗合金の加工。

4. CBN切削工具の利点

* 焼入れ鋼における優れた性能：研削加工の代替としてハードターニング加工が可能です。

* 生産性の向上：セラミック切削工具に比べて高い切削速度を実現できます。

* 寸法精度：過酷な条件下でも公差を維持できます。

* コスト削減：二次研削や研磨の必要性を低減します。

PCD vs. CBN 

PCD工具とCBN工具の使用における課題

PCD工具とCBN工具には多くの利点があるにもかかわらず、チャレンジも存在します。

コスト：超硬工具やセラミック工具に比べて初期費用が高くなります。

専用設備：剛性良しの機械と安定したクランプが必要です。

再研磨：超硬工具に比べて加工能力に限界があり、操作に専門知識が必要です。

しかし、適切に適用すれば、生産性、ダウンタイムの短縮、品質向上による全体的なコスト削減は、初期投資をはるかに上回ります。

PCD及びCBN切削工具の開発は、機械加工技術における大きな飛躍を表しています。これらの工具により、産業界はより硬く、より摩耗しやすく、より複雑な材料を、高速かつ卓越した精度で加工することが可能になります。

PCD工具は、アルミニウム、複合材、セラミックス、非鉄金属等の加工において主流であり、比類のない工具寿命と表面仕上げを提供します。

CBN工具は、焼入れ鋼、鋳鉄、その他の鉄系合金の加工におけては最善策といっても過言ではなく、ハードターニングを研削加工の実用的な代替手段とする性能を備えています。

産業界が生産サイクルの高速化、公差の厳格化、そして高品質を求め続ける中で、高度な切削工具の役割はますます重要になります。PCD工具とCBN工具への投資は、生産性向上のための選択肢であるだけでなく、現代の製造業において競争力を維持するために不可欠なものです。