グラファイトは一般的な非金属材料で、黒色で、耐高温・耐低温性、良好な電気・熱伝導性、良好な潤滑性、安定した化学的特性を備えています。良好な電気伝導性は、放電加工の電極として使用できます。従来の銅電極と比較して、グラファイトは耐高温性、放電消費量が少ない、熱変形が小さいなど多くの利点があります。精密で複雑な部品や大型電極の加工に優れた適応性を示し、徐々に銅電極に取って代わり、電気火花として主流となっています[1]。さらに、グラファイト耐摩耗材料は、潤滑油なしで高速、高温、高圧の条件下で使用できます。多くの機器で、グラファイト材料のピストンカップ、シール、ベアリングが広く使用されています。
現在、グラファイト材料は機械、冶金、化学工業、国防などの分野で広く利用されています。グラファイト部品の種類は多く、部品構造は複雑で、寸法精度と表面品質に対する要求も高いです。しかし、国内におけるグラファイト加工に関する研究は十分には進んでおらず、国産のグラファイト加工用工作機械も比較的少ないのが現状です。海外のグラファイト加工は主にグラファイト加工センターによる高速加工が主流となっており、これが現在、グラファイト加工の主要な発展方向となっています。
この記事では、主に以下の観点からグラファイト加工技術と加工工作機械を分析します。
①グラファイト加工性能の解析
② 一般的に用いられる黒鉛加工技術対策
③ グラファイト加工でよく使われる工具と切削パラメータ
グラファイト切削性能分析
グラファイトは不均質構造の脆性材料です。グラファイト切削は、グラファイト材料の脆性破壊により不連続な切削片粒子または粉末を生成することで実現されます。グラファイト材料の切削メカニズムについては、国内外の学者が多くの研究を行ってきました。海外の学者は、グラファイト切削片の形成プロセスは、おおよそ、工具の切れ刃がワークに接触し、工具の先端が押しつぶされて小さな切削片と小さなピットが形成され、亀裂が発生し、それが工具先端の前面と底面にまで広がり、破断ピットを形成し、工具の前進によりワークの一部が破損して切削片が形成されると考えています。国内の学者は、グラファイト粒子が非常に細かく、工具の切れ刃が大きな先端円弧を持っているため、切れ刃の役割は押し出しに似ていると考えています。工具の接触領域にあるグラファイト材料-ワークは、すくい面と工具の先端によって圧迫されます。圧力がかかると脆性破壊が生じ、チッピングチップが形成される[3]。
グラファイト切削加工においては、ワークの丸みを帯びた角やコーナー部の切削方向の変化、工作機械の加速度の変化、工具の切削方向や角度の変化、切削振動などにより、グラファイトワークに一定の衝撃が加わり、グラファイト部品のエッジ部にコーナー脆化や欠け、工具摩耗の激化などの問題が発生します。特に、コーナー部や薄肉・細溝のグラファイト部品を加工する場合、ワークのコーナー部や欠けが発生しやすく、これもグラファイト加工の難点となっています。
グラファイト切断工程 
グラファイト材料の従来の加工方法には、旋削、フライス加工、研削、鋸引きなどが含まれますが、これらの方法では形状が単純で精度の低いグラファイト部品しか加工できません。グラファイト高速加工センター、切削工具、および関連技術の急速な発展と応用により、これらの従来の加工方法は徐々に高速加工技術に置き換えられてきました。実践では、グラファイトの硬くて脆い特性により、加工中の工具摩耗がより深刻になることが示されています。そのため、超硬合金またはダイヤモンドコーティングされた工具の使用が推奨されています。
切削工程対策
グラファイトの特殊性のため、グラファイト部品の高品質加工を実現するためには、対応するプロセス対策を講じる必要があります。グラファイト材料を荒加工する場合、工具は比較的大きな切削パラメータを使用してワークピースに直接送り込むことができます。仕上げ加工時のチッピングを回避するために、耐摩耗性に優れた工具を使用して工具の切削量を減らすことがよくあります。また、切削工具のピッチが工具径の1/2未満であることを確認し、両端を加工する際に減速処理などのプロセス対策を実行します[4]。
切削加工時には、切削経路を合理的に配置することも必要です。内側の輪郭を加工する場合は、周囲の輪郭を可能な限り利用して、切削部の力がかかる部分を常に厚く強くし、ワークの破損を防ぐ必要があります[5]。平面や溝を加工する場合は、可能な限り斜めまたは螺旋状の送りを選択し、部品の作業面に島が生じないようにし、作業面でワークが切断されないようにする必要があります。
さらに、切削方法もグラファイト切削に影響を与える重要な要素です。ダウンミリングでは、アップミリングよりも切削振動が少なく、工具の切削厚さは最大からゼロまで減少するため、工具がワークに食い込んだ後のバウンド現象も発生しません。そのため、グラファイト加工ではダウンミリングが一般的に選択されます。
複雑な構造を持つグラファイトワークピースを加工する場合は、上記の考慮事項に基づいて加工技術を最適化することに加えて、特定の条件に応じていくつかの特別な対策を講じ、最良の切断結果を達成する必要があります。
投稿日時: 2021年2月20日