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深孔ドリルの高圧冷却システムで必ず学ぶべきポイント
深孔ドリルによる高圧冷却システムを用いた加工対象は、全長105 mm、穴径φ6 + 0.12 mm、肉厚2 mm、表面粗さRa3.2 μm、深径比17:1のノズル部品であり、材料はGH4169で、加工が非常に困難である。
公開日:
2022-04-29
深孔ドリル用高圧冷却システム 加工総長105 mm、穴径φ6 + 0.12 mm、肉厚2 mm、表面粗さRa3.2 μm、深径比17:1のノズル部品は、深孔加工の一環であり、材料はGH4169で、加工が非常に困難である。一般的な鋼材の切削加工と比較すると、この高温合金の穴加工用工具の寿命は50%以下にとどまり、加工効率が低く、コストも高くなる。高温合金の穴加工における主な難点は、切削力が大きく工作機械の消費電力が大きいこと、穴加工が半閉鎖状態での切削であるため高い切削熱が発生し、切りくずの排出が遅れて工具先端から遠ざかり、工具の摩耗が著しくなり、一般のドリリング手法では高温合金の穴に対する精度要件を満たすことが難しい点である。高温合金の穴加工では、工具の摩耗速度が一般鋼材に比べてはるかに速いため、優れた切削性能を有する工具材料が必要となる。上述の課題を解決するためには、このような深孔を加工する際、適切な加工設備および工具を選定し、部品の加工精度を確保しなければならない。
二、 深孔ドリル用高圧冷却システム プロセス設計と分析
部品の深孔加工を手がける企業では、従来のドリリング方式を採用する場合、ハッタードリルを長尺化し、さらにチップブレーキ加工を施す必要があります。しかし、こうした手法では加工精度が低く表面粗さも悪いため、加工効率が低下し、作業者の労働負荷が大きくなる上、品質保証が困難になるだけでなく、チップの詰まりやドリルの折損を招きやすく、結果としてより大きな影響を及ぼす加工上のトラブルにつながりやすいという課題があります。そのため、工具としては深孔加工専用の工具を選定することが望ましいです。設備の選定にあたっては、当社の製品設計の種類が多岐にわたり、深孔加工対象の市場構造にも大きなばらつきがあり、しかも生産ロットが小規模であることを考慮し、深孔加工専用の工作機械を導入することは現実的ではありません。そこで、深孔加工の精度要件をより確実に満たすため、中国の工場における実情に即して適切な加工・処理設備を選定し、深孔加工に求められる技術管理要件を満たすようにしています。
1. 切削工具の選択
深孔加工用の工具には、ガンドリル、インジェクションドリル、スリーブドリル、超硬合金製回転式深孔ドリル、内部放電ワイヤー式深孔ドリル、サブドライ深孔加工システムなど、多種多様なものが存在する。
上述の各種深孔加工用工具を比較検討し、当社の実情に照らして、深孔ドリルによる高圧冷却方式での加工を採用することとした。その基本構成は、超硬合金製ドリルビット、ドリルロッドおよびツールホルダーからなる。ドリルビットの冷却・潤滑性能を向上させ、切粉の円滑な排出を確保するため、ガンドリルのビット先端には油路が設けられている。また、基材には靭性および耐振動性に優れた超硬合金を採用し、さらにビット表面にはTiCまたはTiNをコーティングすることで、ビットの硬度と耐摩耗性を向上させる。ドリルロッドとしては通常、40Cr製の継目なし鋼管が用いられる。ドリルロッド後部の中間孔から高圧油を注入し、腰形孔を通って切削領域に到達した後、切粉が切削液とともにV字溝と工作物孔壁との間の空間を通って排出されるようになっている。この種の深孔は、一般に製造時に前角を0°として穴を開ける。本発明では、ドリリングポイントが軸線からずれており、ドリリング工程中にドリリングポイント前方に小さな円錐状の形状が形成されることで、切粉がドリリングポイントで二つに分かれ、排出が容易になる。
2.設備
ドリルは、回転するワークの中心に穴を開けるために使用されます。加工中は通常、ワークが回転し、ドリルが直線的に送り込まれます。特に高圧クーラントシステムを備えたマシニングセンターや旋盤、立形工作機械、ならびに工具またはワークが回転する加工条件に適しています。ガンドリルの適用状況および当社の既存設備を踏まえ、この部品の加工にはターニング・ミリング複合加工センターを選定しました。同機は部品の回転が可能で、高圧内部クーラントシステムを装備しているため、ガンドリルの適用条件にも対応できます。また、ドリル加工も実施可能です。
3. ガンドリルによるガイド穴の加工
ガンドリルは非平衡型のドリルであり、不均衡な溝形状により切削力が不均一に作用する。ドリル先端周辺における径方向の切削力を低減するためには、ガイドブッシュまたはガイド穴による負担分担が必要である。一般的なガンドリル用工作機械にはガンドリル用ガイドブッシュが装備されているが、本研究で選定したターニング・ミリング複合加工センターはガンドリル専用の制御工作機械ではなく、ガイドブッシュも装備されておらず、さらに専用の治具も存在しないため、設計上のガイドブッシュを実現することはできない。したがって、筆者は主としてドリル加工によるガイド穴の形成によってガンドリルの切削力をバランスさせる手法を検討した。多数の関連実験結果データを解析した結果、ガンドリル用ガイド穴の深さはガンドリルの直径の1～2倍とし、穴径についてはガンドリルのドリル先端径よりも0.004～0.012 mm大きい方が適切であることが明らかとなった。
4. 工芸試験と分析
深孔加工の工程図は図3のとおりである。軟式三爪により車両端面のガイド穴を位置決めし、クランプする。ガイド穴をドリル加工する際には、メーカーごとに異なる切削条件が設定される。深孔加工では、ISCAR製のドリルビットを選定し、各種の加工手法および切削条件を採用している。
以上が、深孔ドリルの高圧冷却システムについて必ず押さえておきたいポイントです！さらに詳しくお知りになりたい場合は、いつでもお気軽にお問い合わせください。当社は長年の実績を有しており、皆さまのご参加を心よりお待ちしております。
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