チタン部品の高い疲労強度を確保するための加工工程とは？

チタン部品の高い疲労強度を確保するためには、表層およびその直下の材料の完全性を最優先にする加工哲学が不可欠です。疲労亀裂は必ず表面から発生するため、製造プロセス全体を通じて、応力集中部・微小亀裂・引張残留応力のない完璧な表面を形成するよう設計する必要があります。そのためには、段階的かつ体系的なアプローチが求められます。

戦略的な加工シーケンスと応力除去

疲労強度に優れた部品は、荒加工段階から設計されます。荒加工では多量の材料を除去するため、大きな残留応力が発生します。この応力が部品を歪ませ、仕上げ加工の基盤を不安定にすることを防ぐために、重要な中間応力除去熱処理が必須です。この工程はCNC加工用熱処理の重要な一部であり、荒加工後に材料内部に閉じ込められた応力を緩和します。仕上げ加工の前に部品の幾何形状を安定化させることで、最終寸法の安定性を確保し、あらかじめ応力を持った状態での切削を防止します。これにより、疲労特性のばらつきを防ぐことができます。

表面完全性を維持するための制御された仕上げパラメータ

仕上げ工程は、表面に圧縮残留応力状態を生成するよう厳密に制御する必要があります。そのためには、鋭利な工具、高送り、浅い切込みを使用します。鋭い工具は材料をクリーンにせん断し、高送りはより大きな工具ノーズ半径を効果的に活用して機械的に有益な圧縮応力を誘発します。逆に、鈍った工具や不十分な送りは表面をこすり、摩擦熱を発生させて引張応力を生じさせ、疲労寿命を大幅に低下させます。このような精密制御は、寸法精度だけでなく表面完全性を最優先する当社の精密加工サービスの特徴です。

ツールパス戦略と工具状態管理

ツールパス設計も極めて重要です。一定のチップ負荷を保ち、応力集中を避けるために、常にクライムミリングを用いるべきです。トロコイドミリングやダイナミックミリング戦略は、一定の工具接触を維持し、熱変動やビビりを最小化するのに最適です。さらに、厳格な工具寿命管理方針は不可欠です。工具は保守的な寿命基準で交換されるか、摩耗監視によって表面品質の低下を防止します。これらの戦略はすべて、最適な工具姿勢と連続的な切削経路を実現できる当社の多軸加工サービスで統合的に実行されています。

非伝統的加工およびバリ取り

従来の切削工具でアクセスしにくい形状には、放電加工（EDM）のような非伝統的加工法が使用されることがあります。ただし、EDMで生成される白層／再凝固層は脆く、疲労強度に極めて悪影響を与えます。そのため、この層はCNC部品のバリ取り・研磨や手仕上げ研磨などの後処理によって完全に除去する必要があります。同様に、鋭いエッジやバリも徹底的に除去しなければなりません。これらは疲労亀裂の発生源となるためです。

最終表面強化処理

加工後には、疲労特性をさらに向上させるための仕上げ工程を実施できます。電解研磨は非常に効果的で、表面を陽極的に溶解させ、切削工具によって残された微細な粗さ・微小亀裂・押し潰された金属層を除去します。これにより、応力集中源の少ない金属学的にクリーンな表面が得られます。航空宇宙分野のような最高性能を要求される部品では、ショットピーニングが用いられ、表面に深く安定した圧縮応力層を意図的に形成します。この層は、使用中に発生する引張応力を打ち消すことで亀裂の発生を防ぎます。