スピードが必要ですか?

May 10, 2023

高速フライス加工 (HSM) を工場に統合することは、あらゆる規模の機械工場の生産性を向上させる効率的かつコスト効率の高い方法です。

HSM を使用して EDM 電極を製造したり、金型や金型を仕上げたりするメーカーなどの専門メーカーでも、この加工方法により生産コストが削減され、品質が向上し、生産時間が短縮されることがわかっています。

当初、HSM は主に金型業界で使用されていましたが、航空宇宙、自動車、微細加工、精密部品と一般機械加工の両方を含む他の業界でより広く使用されるようになりました。

HSM を最適に統合するには、HSM が何であり、どのように機能するかを完全に理解することが役立ちます。

HSM は、生産性を向上させ、表面品質を向上させるために高速と送りを重視した金属切削プロセスです。 HSM は、従来のフライス加工よりも高いスピンドル RPM を設定し、より小さな工具を使用し、より浅い切り込みを行います。 HSM は通常、15,000 RPM を超えるスピンドル速度に関連付けられますが、単にスピンドルが高速になるだけではありません。

ガイドウェイ設計の変更とコントローラ処理能力の向上は、機械の HSM 実行能力において重要な役割を果たします。

従来の工作機械は剛性を高めるためにボックスウェイ システムを使用するのが一般的ですが、多くの高速工作機械はリニア ガイドウェイを使用します。

リニアウェイシステムは摩擦を軽減し、一般的により正確でありながら、より軽い負荷にも対応します。

高度な先読みテクノロジーを備えたコントローラーにより、サイクル タイムも短縮されます。 先読みは単にその意味することを実行し、データを先読みし、部品の精度を損なうことなく可能な限り最高の送り速度を維持します。 それはあたかもオペレーターが、可能であれば送りを増やし、精度を維持する必要がある場合には送りを減らすために、毎秒何千回も送りオーバーライド ダイヤルを常に調整しているようなものです。

過去の基準によれば、現在、ほとんどの新しいマシニング センターは高速機械とみなされます。

技術の進歩により、スピンドル速度は 100,000 RPM 以上に達しました。 スピンドルの高速化に伴い、最新の制御システムの先読み機能が高速マシニング センターの可能性を高め続けています。 高速スピンドルを使用している場合でも、一部の機械は依然としてボックスウェイまたはその他のより従来型のガイドウェイ システムを使用しているため、高速フライス加工よりも重加工に適しています。

HSM の最も一般的な用途は次のとおりです。

HSM の主な利点は、従来の加工よりもはるかに速い加工速度が可能になることです。 これにより、特に大規模な生産の場合、大幅な時間とコストの節約につながります。 また、HSM は、より小さな DOC とより小さなステップオーバーを使用するため、従来の機械加工よりも高品質の仕上げを実現できます。

HSM は仕上げフライス加工でより一般的ですが、これらの技術を荒加工サイクルに適用すると、サイクル時間が短縮され、工作機械への応力と摩耗が軽減されます。 HSM は、硬化鋼、チタン、航空宇宙合金などの加工が難しい材料の加工によく使用され、非常に高品質の仕上げを行うためにも使用できます。

HSM は高速であるため、切削工具の摩耗が早くなり、プロセスの制御が従来の機械加工よりも難しくなる可能性があります。 さらに、HSM は特殊な機器やツールが必要なため、実装コストが高くなる可能性があります。

切削工具を高い RPM で動作させると、切削時に発生する熱が増加します。 ただし、実際には、刃先が材料内で費やす時間が大幅に短縮されるため、ほとんどの材料では特定の表面速度閾値で熱が減少します。

たとえば、非鉄金属では通常、切削温度が約 1,000 SFM まで上昇し、その後は温度が低下し始めます。 研究によると、切削抵抗も低下し、これが熱が少なくなる理由の 1 つです。

ただし、高速ではびびりのリスクが増加しますが、仕上げが粗くなり、工具の摩耗が加速する可能性があります。 これに対処するには、セットアップの共振周波数を特定し、チャタリングの可能性があるゾーンを特定するタップ テストなどの科学的アプローチを使用できます。

びびり問題を解決する簡単な方法は、焼きばめではなく油圧チャックやフライスチャックなどの振動減衰ホルダーを使用することと、カッターの高調波を分解する可変形状カッターを使用することです。

HSM には高度なツールパスも必要です。つまり、高度なスキルを持つプログラマと堅牢なソフトウェアの両方が必要です。 さらに、オペレーターは、実装されたプロセスが正常に機能しているかどうかを判断し、部品を廃棄したり工具や機械を損傷したりする前に欠陥を特定できるよう、細心の注意を払う必要があります。

HSM の実装コストが参入障壁となる可能性があります。 高度なプロセスを作成するには、すべてが調和して機能する高価な工作機械、付属品、切削工具が必要です。 機器が高価であるだけでなく、多くの場合、これらのプロセスを作成および実行できる機械工のコストも高くなる可能性があります。

高速機械には、従来の機械加工機械とは異なるいくつかの特徴があります。

HSM には、プロセスで使用される高速および送りに耐えられる特別なツールが必要です。

HSM のツーリングとワーク保持の要件は、従来の機械加工の要件よりも厳しいものです。HSM で使用される高速と送りによりワークピースのビビリが発生し、仕上げ品質の低下や工具の損傷につながる可能性があるためです。

HSM のツーリングとワークホールディングに関する主な考慮事項には、切削工具自体、ワークホールディング、およびツールホールディングが含まれます。

切削工具は、HSM で使用される高速と送りに耐えることができなければなりません。 コーティングされた超硬ソリッド工具は、HSM で使用される最も一般的なタイプのカッターです。 CBN 工具は耐摩耗性が非常に高く、部品の途中で工具を交換したり表面をブレンドしたりする必要がないため、より良い仕上げを実現できるため、CBN 工具も使用できます。

加工物保持具は、加工物が曲がったりびびったりしないように、加工物を所定の位置にしっかりと保持する必要があります。

コレット チャックや油圧チャックなどの工具保持技術は、振動を軽減するため、HSM に適しています。 振動を軽減し、精度を向上させるために、ホルダーは機械に入れる前にバランスをとる必要があります。

結局のところ、望ましい表面仕上げは、工具とワーク保持具の選択に影響します。 可能な限り最高の仕上げを実現するには、より軽い切削とより小さなステップオーバーが必要ですが、これは高いスピンドル速度で効率的に行われます。

工具やワークホールディングのコストも、HSM の使用を決定する際の主要な要素となる可能性があります。 HSM ツールは通常、従来の機械加工ツールよりも高価です。

HSM ツールパスは、切削工具がワークピースから材料を除去するときにたどるパスです。 ツールパスの設計は、完成品の品質と機械加工プロセスの生産性に大きな影響を与えます。

HSM では、さまざまなツールパスを使用できます。 一般的なものは次の 2 つです。

1. 一定のエンゲージメントツールパス。これらのツールパスは、切削工具とワークピース間の係合角度を一定に維持します。 このタイプのツールパスは、さまざまなジオメトリをブレンドする滑らかなサーフェスを作成するため、よく使用されます。

2. 高効率フライス加工 (HEM) ツールパス。これらのツールパスは、カッターの外周刃の長さにわたって一定のカッターの噛み合いを生み出すように設計されています。 一定の切りくず幅により均一な切削抵抗が生成され、工具の摩耗と表面仕上げが予測可能かつ一貫したものになります。

特定の用途に合わせたツールパスの選択は、加工される材料の種類、望ましい表面仕上げ、生産性要件などのいくつかの要因によって決まります。

HSM では、発生する高熱が熱衝撃や工具の早期摩耗を引き起こす可能性があるため、冷却剤に関して課題を抱えています。

高速加工には主に 3 つのクーラント戦略があります。水溶性クーラントの使用、MQL の採用、および乾式加工です。

水溶性クーラントの使用は難しい場合があります。 フラッドクーラントは多くの機械加工作業で一般的ですが、高いスピンドル速度を使用する場合には避けられることがよくあります。 これは、水溶性クーラントの熱伝導率が高く、工具を急速に冷却するためです。 ただし、冷却剤メーカーは、水ベースの冷却剤を HSM に使用できるようにする新しい技術を常に開発しています。

乾式加工は、工具の急速な冷却や熱衝撃の原因から生じる問題を回避できるため、ハードフライス加工でよく使用されます。 通常、カッターの先端にエアブラストを当てて熱を下げると同時に、切断領域から切りくずを除去します。

MQLはエア吹き込みによる微量の切削油を使用します。 MQL は、急速な冷却を引き起こすことなく表面に良好な潤滑を提供するため、優れた「中間点」として使用できます。

クーラント戦略の選択は特定の用途に応じて異なり、クーラントメーカーは材料、実行される加工の種類、および使用される切削工具に基づいてさまざまなクーラントを用意しています。

HSM は、加工パラメータが適切に設定されている限り、非常に滑らかな表面仕上げを生成します。 HSM によって生成される表面仕上げには多くの要因が影響します。

切削工具の形状は表面仕上げに大きな影響を与えます。 すくい角、ねじれ角、逃げ角などの形状はすべて、材料がどの程度きれいにせん断され、より滑らかな仕上げが得られるかを決定しますが、特定の材料を切断するときに工具がどの程度早く摩耗したり、場合によっては破損したりするかも決定します。

切削速度は、HSM によって生成される表面仕上げに影響を与える最も重要な要素の 1 つです。 切断速度が高くなると、一定の閾値を超えると切断抵抗が減少し、より滑らかな仕上げが得られます。

切りくず荷重（刃当りの送り）は表面仕上げに直接影響するため、送り速度を選択するときは慎重に検討する必要があります。 1 刃あたりの送りを大きくすると表面が粗くなりますが、工具の送りが遅すぎるとバニシングが発生して望ましくない仕上げが残り、工具の早期摩耗が発生する可能性があります。

前述したように、クーラントの使用は HSM によって生成される表面仕上げにも影響します。 クーラントは熱と振動を軽減し、どちらも仕上がりの向上に役立ちます。

Carl O'Brien は、オンタリオ州リッチモンドヒル、50 Vogell Rd.、Unit #1 にある MC Machinery Systems Canada のカナダ人セールス マネージャーです。 L4B 3K6、905-737-1265、www.mcmachinery.com。