積層造形フライス工具における効率的な切削液の供給

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急速に進化する製造分野では、効率、持続可能性、費用対効果の追求が画期的な研究と技術の進歩につながりました。 このような革新分野の 1 つは、切削工具の設計と製造における積層造形プロセスの適用です。

チタン合金製の航空宇宙構造部品など、要求が高く、機械加工が難しい材料や部品のフライス加工には、切削液 (クーラント、MWF) の使用が不可欠です。 高い供給圧力で切削液を使用する生産的なフライス加工は、製造業に経済的コストと環境コストを削減するという大きな課題をもたらします。 特に、工具寿命を延ばし、必要な切削液の使用量を減らすことは、ドイツにおける持続可能で資源を節約し、競争力のある製造に大きく貢献します。 従来の製造プロセスを使用した、プロセスごとに設計された複雑な内部冷却ツールの生産は、非常に複雑でコストがかかり、限られた範囲でのみ可能です。

積層造形プロセスの設計における幾何学的な自由度は、個別化、集中化された低損失の切削液の供給という点で大きな可能性をもたらします。 金属粉末材料を処理することにより、Laser Powder Bed Fusion (LPBF) プロセスを使用して、刃先交換式切削工具の切削液供給を再設計できます。 これらの可能性は、アーヘン工科大学工作機械・生産工学研究所 (WZL) のタコマ プロジェクト (AiF) で検討されました。 その目的は、工具の寿命とプロセスの信頼性を向上させるために、適切な切削液の供給に関して LPBF プロセスを使用して積層的に製造されるフライス工具の可能性を活用することでした。 接線インサートシートを備えた刃先交換式フライス工具の例を使用して、最適化された流体供給チャネルと焦点を絞ったノズル設計の可能性と限界が実証されました。 このプロジェクトは、フラウンホーファーレーザー技術研究所 ILT および工具製造、工作機械製造、アプリケーション、切削液周辺機器の分野の参加企業からなる広範なコンソーシアムとの協力のもと、3 年間の期間を経て、2023 年 3 月に終了しました。

タコマ研究プロジェクトでは、低損失で集中的な切削液供給を備えた単列および多列の刃先交換式フライス工具が開発され、LPBF プロセスを使用して製造され、加工実験で分析されました。 調査結果は、中小企業向けの設計ガイドラインや推奨事項に活用されました。 LPBF プロセスにおける低合金肌焼き鋼 18MnCrMoV4-8-7 の認定後、適切なチャネルとノズルの形状が流体機械的調査で特定されました。 設計の幾何学的な自由度を利用することで、体積流量損失を最大 21% 削減し、適合したノズル形状により切削液フリー ジェットをより集中的に形成することができました。

次に、その結​​果は、フライス工具に適合した流体供給システムの設計に使用されました。 この設計は、実験による検証前であっても性能能力について述べることができるように、数値 CFD シミュレーションによってサポートされています。 熱処理鋼 42CrMo4+QT およびチタン合金 Ti-6Al-4V の荒加工用積層フライス工具において、幾何学的複雑性と多様性が高いさまざまな供給バリエーションをテストすることにより、適切なバリエーションが抽出され、最適な切削液が判明しました。供給コンセプトが得られました。 高い機械的負荷と熱的負荷がかかる工具の刃先に集中的かつ低損失で切削液を供給することで、基準工具と比較して工具寿命が最大 70% 延長されました。 同時に、体積流量がほぼ半分になり、工作機械に必要な電力が大幅に削減されました。

使用時の効率と性能が大幅に向上するため、積層造形切削工具の製造プロセスにおける追加の経済的および環境的コストを補うことができます。 例示的なコスト計算では、積層造形ツールのツール価格は、従来の方法で製造された基準ツールよりもほぼ 50% 高いと推定されました。 工具の耐用年数全体を考慮すると、LPBF で製造された工具の運用コストは、最先端技術に従って計算された工具のコストよりも 39 パーセント低くなりました。 DIN EN ISO 14040/44 に準拠したライフサイクル評価の結果は、工具の使用中に環境への影響が低減される可能性も示しました。 工具寿命について計算された CO2 排出量は、切削液の使用効率が向上し、切削インサートの工具寿命が延長されたことにより、20% 削減されました。