チタンは航空宇宙や医療、化学プラントなど多くの分野で使用される優れた金属ですが、加工が難しいことで知られています。適切な加工技術を用いないと、工具の摩耗や発熱、バリの発生、寸法精度の低下などの問題が生じるため、高精度な加工を実現するには特別な工夫が必要です。
今日は、チタン加工の難しさの要因を整理し、具体的な加工方法や注意点について詳しく解説します。
1. チタンの特性と加工の難しさ
チタンが加工しにくい理由を理解することが、適切な加工方法を選定する第一歩です。
(1) 低い熱伝導率
チタンの熱伝導率は鉄やアルミニウムに比べて極めて低いため、加工時に発生する熱が工具先端に集中し、摩耗を早めてしまいます。また、高温になると工具とチタンが化学反応を起こしやすく、溶着（工具にチタンが付着する現象）も発生しやすくなります。
(2) 高い加工硬化性
チタンは加工中に硬化しやすい特性を持っています。切削中の摩擦や熱によって表面硬化が進み、次の切削時に工具の負荷が増加して摩耗が進行します。これを防ぐためには、適切な切削条件を設定することが重要です。
(3) 高い弾性変形性
チタンは弾性変形しやすいため、加工中に逃げる（切削抵抗によって変形する）ことがあります。その結果、仕上げ寸法が安定せず、精度が低下する可能性があります。
2. チタン加工のポイント
チタンを効率的に加工するための具体的な対策について解説します。
(1) 工具の選定
チタン加工に適した工具を選ぶことで、工具寿命の向上と精度の安定を図ることができます。
- 超硬工具やCBN（立方晶窒化ホウ素）工具の使用
- コーティング工具（TiAlNやDLCコーティング）を活用して耐摩耗性を向上
- 刃先のシャープな工具を使用し、切削抵抗を低減
- 工具の剛性が高いものを選び、びびり（振動）を抑制
(2) 切削条件の最適化
- 適切な切削速度を設定する
- 速すぎると発熱が増え、工具の寿命が短くなるため注意が必要。
- 一般的には20～60m/min程度が推奨される。
- 適切な送り速度を設定する
- 送りが遅すぎると加工硬化が進み、逆に速すぎると工具に過剰な負荷がかかる。
- 適切な切り込み深さを設定する
- 浅すぎると加工硬化を促進し、深すぎると工具の負担が増大。
(3) 冷却・潤滑の徹底
チタンの加工では発熱を抑えることが非常に重要です。
- 高圧クーラントを使用し、切削熱を効果的に除去
- 油性切削油や水溶性切削油を適切に選択
- ミスト冷却やエアブローを活用し、熱蓄積を防ぐ
3. 加工時の注意点
(1) バリの発生を抑える
チタンは粘り強いため、バリが発生しやすいです。
- シャープな刃先の工具を使用し、切れ味を維持
- 適切な送り速度と切削条件を設定し、バリの発生を最小限に
- 加工後のバリ取り工程を考慮し、仕上げ作業を容易にする
(2) 工具寿命を意識する
- 摩耗が進んだ工具を使用し続けると精度が低下するため、定期的に交換する
- 摩耗を最小限に抑えるため、低速切削を心掛ける
(3) 加工変形を最小限に抑える
- ワークをしっかり固定し、弾性変形を抑制
- 薄肉加工の場合はバックアップを用意し、たわみを防止
- 低荷重での切削を意識し、仕上げ精度を向上
4. チタン加工の応用事例
(1) 航空宇宙分野
航空機部品では軽量で高強度な特性が求められるため、チタン合金が多用されます。特にエンジン部品や構造材には、精密な加工が必要です。
(2) 医療分野
人工関節やインプラントに使用されるチタンは、高い生体適合性を持ちます。これらの部品は非常に高い精度が要求されるため、微細加工技術が不可欠です。
(3) 化学プラント・海洋産業
耐食性に優れるチタンは、化学プラントや海洋産業でも利用されています。これらの分野では、溶接や精密な機械加工技術が求められます。
5. まとめ
チタン加工は難易度が高いものの、適切な工具選定や加工条件の最適化によって、精度を高めながら工具寿命を延ばすことが可能です。
- 熱対策として冷却・潤滑を徹底する
- 切削速度や送り速度を適切に設定し、加工硬化を抑える
- 高剛性の工具を使用し、びびりを防ぐ
- 加工後のバリ取りを考慮し、仕上げ工程を工夫する
これらのポイントを押さえることで、高品質なチタン加工を実現できます。チタン加工の効率を向上させたい方は、ぜひ参考にしてみてください。
