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2011年02月02日

純銅加工

 銅合金の加工は案外やらしい。銅合金の中でも真鍮などは比較的切削性が良いがそれでも快削黄銅(C3604)と比べて普通の真鍮(C2801)はちょっと削りにくくなる。ベリリウム銅などは銅合金の中でも比較的切削性が悪いと言われる。
 それでも銅“合金”であればまだ良い。厄介なのは純銅の方。銅に限らず純某(なにがし)の類は総じて被削性が悪い。

 純銅の被削性の悪さにはいくつかの理由が考えられる。

 1つは強度が無く粘いので、比切削抵抗が大きい事。銅合金全般に言えることだが、特に純銅は切屑が厚くなる傾向がある。これは切屑が生成される時のせん断角が他の金属と比べてかなり小さい事を意味する。せん断角が小さいとせん断領域が大きくなり、それが切削抵抗の増加として現れる。

 2つ目は純銅の持つ化学的な性質によるもので、純銅加工時の工具摩耗は化学的な拡散摩耗が顕著に現れる。これが実に厄介で、アブレッシブな機械的摩耗であれば硬質皮膜によってある程度防ぐ事ができるのに対し、化学的な摩耗では被削材と工具材種との化学反応を防ぐ必要がある。皮膜の硬さは殆意味を成さない。
 数ある硬質皮膜の中で純銅との相性の良い物はCrNくらいしか見当たらない。しかしながらCrNコーティングの施された工具はそう多く無い。金型では放電用の電極材として無酸素銅を使われる事が多いので、電極加工用のエンドミルとしては各社から販売されているが、ドリルや旋削工具ではCrNコーティングの工具はまず見かけない。これは単純に純銅加工が市場としてニッチであり、メーカーとして商売にならない為と言われた。

 以上の2点が純銅加工の際に特に気をつけなければならない点として挙げられる。以下にその対策を考えてみる。


 まず1つ目の切屑厚みの問題であるが、これはとにかく、出来る限り切屑を薄くするよう努める他無い。その方法としては
  • スクイ角を大きくし、刃先のシャープな工具を使う
  • 送り速度を遅くする
  • 切り込み角を小さくする
  • 潤滑性の高い切削油を使う
  • 切削速度を上げる

 が考えられる。

 スクイの強い、シャープな刃先の工具と言えばアルミ加工用の工具があるが、工具形状としてはそれで良い。但しアルミ加工用の工具はノンコートの超硬が主流であるが、ノンコートでは拡散摩耗に耐えられないので注意が必要となる。DLCは多少効果はあるが期待した程ではない。Ti系に至ってはほぼ無意味だ。エンドミルであればCrNコーティングが純銅用としてベスト。だがドリルや旋削用には無い。まぁ細かい事は後述する。

 送り速度を遅くする、或いは切り込み角を小さくするのは、被削材に食い込む「切り取り厚み」を浅くする事で相対的に切屑の厚みを薄くしようという事である。切り込み角を小さくすると壁際が加工出来なくなるのと、背分力が大きくなるのでワークの撓みには別途注意する必要が出てくる。
 送り速度を遅くすると加工能率が悪化するが、その分は切込み量を大きく取るなどして対処する。分厚い切屑が出る条件では突発的に大きなせん断を生じたりして事故が起きやすいので禁物。

 潤滑油は出来るだけ潤滑性の高い物が望ましいが、だからと言って極圧添加剤にも注意が要る。最近は非塩素系しか無くなりつつ有るが、その代わりに硫黄系の添加剤を入れた物があり、硫黄系は銅の変色を引き起こすので使用できない。もし間違って使用してしまった場合は出来るだけ早くに酸洗いすると黒ずみが回復する。酸洗いはきちんと工業用の物を使うべきだが、やむを得ない場合にはサンポールでも良い。

 切削速度に関しては注意が必要。一般的には高速切削のほうが切屑厚みは減少する傾向にあるが、高速切削では刃先温度の上昇が避けられない。化学反応速度は温度上昇に伴って急激に早くなる性質があるので拡散摩耗の進行を助長してしまう。従って拡散摩耗に対する対策が万全で無い場合には切削速度を高くする事は出来ない。


 そこで2つ目の拡散摩耗に対する対策を考える。まず一般的に知られている純銅に有効なコーティングはCrN以外に無い。従ってCrNコーティングの工具が使える場合にはこれを採用する。φ12以下のソリッドエンドミルなら一般的に流通しているので特別考える必要は無い。
 問題となるのは旋削加工と穴あけ加工だが、穴あけ加工の場合には特注でCrNを施すかあるいはダイヤモンド工具を使う手もある。ただしダイヤモンド工具は非常に高価なのでそう易々とは使えない。一般のドリルを使う場合には能率には目を瞑って低速低送りで加工するのが無難。くれぐれも送りは上げない事。

 旋削加工では工具メーカーとしてはダイヤモンドを使用する事を推奨している。確かにワンユースの安価なダイヤモンドチップもあるので比較的取っ付き易い。それでもダイヤモンドは超硬チップと比べればコーナー単価としてはかなり割高なので、荒取りから使用するのは少々気が引ける。

 これについて1つだけいい物を見つけた。Seco ToolsのDuratomicシリーズのチップだ。DuratomicはAl2O3をベースとしたコーティングで、それ自体は他社からも古くからある物であるが、Duratomicが他と違う点はまぁ工具メーカーの資料を読んでください。

 とにかく理由はハッキリしないのだが、手元にあったチップを片っ端から使ってみた結果SecoのTM2000だけが驚くほど摩耗しなかった。同じαアルミナである住友のAC610MやサンドビックのGC4225でもノンコートやTiAlN系、TiCN系とそれ程変わらずに摩耗してしまったのに対して、何故かTM2000だけは全くと言っていい程摩耗しない。他のチップではワーク1個(加工時間で5分程)でワンコーナーが死んでしまうのに、10個以上加工した後に顕微鏡で観察しても、表面にわずかに銅の付着物が見られるだけでコーティングは至って正常なままだった。
 それならばとそれまで周速70〜150[m/min]で加工していたものを一気に500[m/min]まで上げてみても同様に摩耗が見られない。結局その時は20個程のワークをワンコーナーで加工しおえてしまった。

 内径加工用にはTM2000のチップを持っていなかったので同じDuratomicシリーズのスチール用に当たるTP2500を使用してみたが、こちらも同様に殆摩耗しなかった。どうもDuratomicシリーズ全般が純銅加工に使えるようである。

 ただしTPシリーズは基本的にスチール用なのでチップブレーカが純銅には合わない。スクイ角が小さくホーニング幅が大きいので切れ味が悪いからだ。従ってステンレス用の比較的シャープでスクイ角の大きなブレーカのあるTMシリーズの方がまだ純銅には適している。と言っても本来ならもっとシャープである方が望ましいのだが、元々非鉄など考慮していない製品だから仕方無い。
 またSECOのポジチップはチップブレーカのバリエーションが少なく、切屑処理性の良い条件を探すのは容易ではない。それでもこの抜群の耐摩耗性は他に代えがたいものがある。

 勿論精密仕上げには切れ味が不足するので、最終仕上げにはダイヤモンドを使う。

 因みにダイヤモンドであっても純銅加工では摩耗する。その摩耗のメカニズムは、まず切削熱によって銅が酸化して酸化銅となる。その酸化銅がダイヤモンドに還元されて再び銅に戻る。この時銅と結びついていた酸素がダイヤモンドの炭素と結びついて二酸化炭素となり、ダイヤが摩耗していく。従って酸素を遮断した環境ならばダイヤの摩耗を防ぐ事が出来る。酸素を遮断するには窒素ブローが有効。もしそういう装置が利用出来る場合には試してみる価値があるだろう。
 また還元反応も化学反応であるから、刃先温度を下げる事も摩耗の進行を遅らせるのには有効となるが、それよりはちゃっちゃと仕事を片付けてしまった方が却って安上がりな気がする。

 他にはダイヤモンド自体の物性として天然ダイヤが良い。ダイヤモンドの刃先が摩耗してくるとそこから微小なクラックを生じ、チッピングに至る。高純度な人工ダイヤは格子欠陥が少ないのでその機械的強度は天然ダイヤよりも高いのだが、天然に含まれる微量な窒素がクラックの進展を止める役割を果たすようで、窒素を殆含有しない高純度な人工ダイヤではクラックの進展を抑えられないからであると言われている。逆に窒素を多く含んだ黄色い人工ダイヤはそもそも機械的強度不足。天然石は絶妙なバランスにあるという事だろう。

 同じαAl2O3コーティングでも全く性能が違うのも、ちょっとしたバランスや結晶構造の違いにあるのかも知れない。

 純銅加工はあまり一般的とは言えず、情報もそれ程多くない。工具メーカーも市場が小さすぎてあまり相手にしていないようであるが、意外な所に使えるものが転がっているかも知れない。
posted by antec at 20:54 | Comment(27) | TrackBack(0) | 工具 | このブログの読者になる | 更新情報をチェックする
この記事へのコメント
 日立金属のS-MAGICっていう工具鋼、摩擦面にダイヤモンドを自己形成させて潤滑性能を高める材料らしい。銅の加工工具にもきっと向いていると思う。
Posted by 油屋 at 2012年06月24日 06:59
>油屋様
 ダイヤモンドを自己形成???あり得ないと思いますよ。
 http://www.hitachi-metals.co.jp/rad/pdf/2005/vol21_r03.pdf
 日立金属の資料では未固溶炭化物と言っていますね。この『炭化物』とはM3C、M6C、M23C6などの、炭素と合金金属との化合物であってダイヤモンドではありません。より具体的には、ダイス鋼の様な高炭素高クロム鋼だとFe3CやCr23C6が代表的です。
 こういった炭化物が析出するのはなにもSLD-MAGIC特有の物ではなく、高合金鋼では極普通の事です。ただしSLD-MAGICの場合その析出の仕方に特徴があるというだけです。

 炭化物が純銅加工に有効であれば、超硬なんかはWC(炭化タングステン)の塊なのでそれで十分な筈ですが、実際にはそうではありません。

 またもう1つ重要な点としては耐熱性が挙げられます。切削加工時の刃先温度は数百℃に達しますが、冷間ダイス鋼はあくまで冷間で使う事を前提としている為、高温硬度の性能は重視されていません。この点がハイス(高速度鋼)との最も大きな違いです。そしてそのハイスですら耐えられない温度域にて使用可能なのが超硬です。
 もちろん切削速度をかなり落とせば削れなくはないでしょうけど、生産性を落としていたら意味がありません。

 以上の事から、恐らく勝負にならないでしょう。
Posted by antec at 2012年06月24日 11:27

加工の世界にも都市伝説ってやつははびこるものなのですね。

若い人よりも、歳がいった人たちのほうが都市伝説がまかり通ってる印象です。
Posted by ヨシア機 at 2012年06月25日 22:09
僕が書いてる事も都市伝説みたいなものですけどねw
「自分なりの理解」というのは得てしてそんなもの。
妄想で終わらないように、可能な限りは検証するよう心がけてはいますが、果たして何処まで出来ているのやら。

ただ、「S-MAGIC ダイヤモンド」でググってみると何件かヒットするんですが、ほぼ全部同じ人w
自分のブログで妄想垂れ流すくらいなら許されるでしょうが、あちこちに撒き散らすのはどうかと思います。
Posted by antec at 2012年06月26日 08:32
これのことですね。


日本鉄鋼協会 第164回 秋季講演大会

創形創質工学
9月17日9会場
トライボロジー
9:20〜10:20 座長明石透[新日鐵]
181鋼板のホットスタンピングにおける熱伝達特性
横国大 Yokohama National Univ. ○松田大樹, 横国大 Yokohama National Univ. 小豆島明, 横国大
Yokohama National Univ. 田中雄大, 横国大 Yokohama National Univ. 宇田紘助
・・・1035

182クラスターロールにおけるロール表面性状の変化機構
東北大 Tohoku Univ. ○柴田雅俊, 東北大 Tohoku Univ. 藤田文夫・・・1036

183自己潤滑型高強度工具鋼のトライボロジー特性の評価★新型合金設計による自己潤滑性に及ぼす熱処理・表面状
態の影響
日立金属 Hitachi Metals ○久保田邦親, 日立金属 Hitachi Metals 大石勝彦, 日立金属 Hitachi Metals
田村庸・・・1037
Posted by ダイヤモンドエンジン at 2012年07月23日 10:21
よしあ様

 SKD11系統の材料の勉強が必要かもしれませ
ん。
Posted by ダイヤモンドエンジン at 2012年07月27日 19:15
> SKD11系統の材料の勉強が必要かもしれません。

多分そこじゃないです。
Posted by antec at 2012年07月31日 17:05
だけど超硬はアブレッシブ摩耗には強いが、アドヘッシブにどれだけ有効かというのは疑問が残ります。アルミの場合は後者で、凝着とか焼付きとかかじりとかいって、分りにくい分野になっています。いろいろ書いている人がいますが、実験をせずにネットの情報や痕跡で、物事を判断するのは危険ですね。
Posted by トライボロジスト at 2012年10月11日 19:19
 凝着や酸化などへの対策でしたらコーティングでかなり改善できますよね。
 アルミの場合ならDLC、ZrN、TiB2などが実用されていますし、銅であればCrNが有効。また超硬工具による高速加工でもコーティング無しには実現不可能でしょう。
 一方、熱伝導率や高温硬度などの特性はコーティングではどうにもならない所もあって、WCに変わる工具材種がなかなか現れてこないのはその辺りの性質に依る所が大きいんじゃないでしょうか。
Posted by antec at 2012年10月13日 10:12
 日立金属が開発した新型工具鋼 S-MAGIC,は微量な有機物の表面付着により、金属では不可能といわれていた自己潤滑性能を実現した。この有機物の種類は広範囲で生物系から鉱物油に至る広い範囲で駆動するトライボケミカル反応であると。潤滑機械の設計思想を根本から変える革命というものもある。
 このトライボケミカル反応にもノーベル物理学賞で有名になったグラフェン構造になるようになる機構らしいが応用化の速度には目を見張るものがある。
Posted by グリーンスチールイノベーション at 2012年10月16日 12:46
表面処理にインパクトを与えている新理論ですね。
Posted by 超硬 at 2015年03月01日 17:08
 そのメカニズムはCCSCモデル(炭素結晶の競合モデル)といって、すべりの良さばかりでなく、摩擦試験データのバラツキが信頼性工学で言うバスタブ曲線になることや、極圧添加剤の挙動、ギ酸による摩擦特性の劣化挙動など色々と説明ができそうなトライボロジー理論らしいですね。トライボロジー関連の機械の損傷の防止、しゅう動面圧の向上設計を通じた摩擦損失の低減、新規潤滑油の開発など様々な技術的展開が広がっていきそうですね。
Posted by オイルマン at 2015年07月01日 18:41
 さすが精密工学会の方のコメントですね。
Posted by 物理機械系 at 2015年07月04日 20:57
なるほどさっぱり分かりませんが事はそう単純ではないという事ですね。

コーティングも有る時から極端に性能が変わってる事があって、メーカーさんに確認するとプロセスをちょっと調整してたりするようですが、本来の場面以外で使ってると密かに調子良かった物が、あるロットから全然ダメになってたりして、しかもメーカーとしては想定外の使い方なので元に戻してとも言えず、また新たな工具探索が始まる訳です。
良い刃物探すのも仕事の内と割りきっていますが。
Posted by antec at 2015年07月17日 19:35
 名古屋砥泥会では、油で研ぐことが重要だということが認識できました。有難うございます。
Posted by フリクション at 2016年03月03日 22:02
ここに濃密な情報が集積されていました。

https://www.researchgate.net/profile/Kunichika_Kubota/researchfeedback
Posted by 自動車技術ファン at 2016年05月08日 19:37
ただリンク貼るだけでは不親切だと思いますので解説を求めます。

あとそもそも投稿先としてここが適当かどうかについても考えて頂きたいです。
Posted by antec at 2016年05月09日 12:44
 ここは三菱の文字がなかったので書いたんじゃないかな。この著書群を見ますと、「ダイヤモンド神話の崩壊」ということになりそうです。
Posted by アンチドライ派 at 2016年05月15日 10:49
すみません。やっぱり何が言いたいのか良く理解出来ません。

「ダイヤモンド神話」とは一体何でしょうか?
もし純銅の切削において、ダイヤモンドよりSLD-MAGICの方が工具として優れているというお話でしたら、実際に削って比べたデータを出して頂けると分かりやすいかと思います。

Posted by antec at 2016年05月16日 08:23
 能動的に調べることが出来ないことが露見しましたね。銅とも仲良くしたかったのですが摺動部材といしてはアルミの優先順位を上げないといけませんね。
 金属材料同志で小競り合いしていて、樹脂材料のトライボロジー特性に脚光が浴びているのが見えない。しかし全体的に見ると圧倒的に多いのは油による潤滑機械の境界潤滑で問題が生じている。これは樹脂には解決できない。
 潤滑油ベースで銅系の摺動部材の接点は鉄鋼材料とは無縁ということでよろしいですね。
Posted by 新日鉄住金 at 2016年11月19日 23:13
えーっとですね、基本的にスレちだと思うのですよ。
私がこのブログでしたいのは「純銅上手く削りたい」という話であって、潤滑の話ではないのです。
Posted by antec at 2016年11月20日 06:09
勉強になりました。
こちらの情報を踏まえ、近々、窒化クロムコートのインサートとduratomicのインサートで磨耗比較してみようと思います。
duratomicのチップで周速500で加工したとの記載がありますが、窒化クロムで同程度の実績はございますでしょうか。
Posted by ayukawa at 2016年12月09日 13:42
執筆時よりだいぶ時間が経っていますので、工具メーカー様のコーティングにも改良が加えられている事と思いますが、それによって過去出来ていた事が出来なくなってしまった事も経験しており(日立ツールのCSコート等)、現在に於いても同様の結果が得られるのか、正直自信がありません。
またエンドミル関係ではCrNコーティングはよく使いますが、旋削用インサートでは市販されている物を知りませんので、私自身は旋削では使ったことが有りません。
従って周速500m/minが可能かどうか定かではありませんが、普通CrNはPVDのコーティングだと思うので膜厚もそれほど厚く無いと思いますし、耐熱性の問題もあるでしょうから、CVDのアルミナコーティングのような無茶は出来ないんじゃないでしょうか。
尤も耐熱温度については1000℃を謳う物も中にはあるようですが。

以上、憶測です。
Posted by antec at 2016年12月09日 20:14
うるせーよばか
Posted by i222-150-255-106.s30.a048.ap.plala.or.jp at 2017年09月11日 12:51
何か辛い事でもあったの?
Posted by antec at 2017年09月12日 13:04
>うるせーよばか

きっしょ死ねよガイジ
Posted by softbank060134050107.bbtec.net at 2017年11月29日 16:08
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