高速加工：種類、用途、フライス盤センター

高速加工とは、従来の切削速度や送り速度よりもはるかに高速で加工する方法を指し、その速度は通常、従来の加工の5〜8倍以上です。高速加工は、従来の加工に比べて大きな利点がある高度な製造技術です。この記事では、高速加工について説明します。

高速加工とは？

高速加工 (HSM) は、高速回転する切削工具とワークピースの高速移動を利用して、高速で効率的な加工プロセスを実現する高度な製造技術です。これは、金属、プラスチック、複合材料など、さまざまな材料によく適用されます。HSM の鍵は、より高い切削速度と送り速度を採用して、より高速でより正確な加工を実現し、生産効率と部品の品質を向上させることにあります。

高速加工の歴史

高速加工技術は 1960 年代後半から 1970 年代前半に登場し、コンピュータ数値制御 (CNC) 技術の発展とともにさらに普及しました。当初は主に金型製造部門で使用されていましたが、工具材料、工作機械技術、CAD/CAM ソフトウェアの進歩により、幅広い製造業でその用途が拡大しました。今日、HSM は現代の製造業に不可欠なものであり、航空宇宙、自動車、医療機器、その他の重要な部門で広く使用されています。

高速加工の特徴

• 切削速度と送り速度を上げることで、材料除去率を大幅に向上させることができます。たとえば、さまざまな材料を超高速で切削する切削速度範囲は、アルミニウム合金では 1600 m/分を超え、鋳鉄では 1500 m/分など、従来の加工範囲をはるかに超えています。
• 高速加工の過程で切削抵抗が低減し、切削熱の影響も減少したため、加工精度とワークの表面品質が大幅に向上しました。同時に、切削速度の向上により、切りくずが奪う熱が増加し、ワークの熱変形と残留応力の低減につながります。
• 高速加工技術は、一部の難加工材料（チタン合金、ニッケル基合金など）に対して優れた加工性能を発揮し、従来の加工方法では解決が難しい問題を解決できます。

高速加工のポイント

高速加工 (HSM) では、加工プロセスを成功させ、安全に行うために、いくつかの重要な要素が不可欠です。ここでは、剛性、ツールのバランス、適切なクランプ方法という 3 つの主要なポイントについて説明します。

1. 剛性:
   • 工作機械の剛性: 高速加工には、振動や変形を最小限に抑えるために工作機械に十分な剛性が必要です。剛性が高いと切削力の伝達が改善され、工具とワークピースの安定性が維持されます。
   • ワーククランプ: ワークピースを機械に固定する場合、加工中の動きや振動を防ぐために、クランプ装置が適切な剛性を提供することが重要です。
2. ツールのバランス調整:
   • ツールの動的バランス: 高速回転工具は、激しい振動や加工品質の低下を避けるために動的バランスをとる必要があります。工具のバランス調整は通常、適切なバランスを確保するために専用の装置を使用して行われます。
   • ツールシステムのバランス: これには、ツールホルダー、切削工具、ツールシートが含まれ、高速操作中の過度の振動や騒音を防ぐために、すべてのコンポーネントのバランスが重要です。
3. 適切なクランプ方法:
   • クランプ力の均一な分布: ワークピースをクランプするときは、ワークピースの変形や動きを防ぐために、固定具またはクランプ システムがクランプ力を均等に分散していることを確認することが重要です。
   • 適切なクランプ技術の選択: ワークピースの幾何学的形状と材料特性に応じて、機械式クランプ、真空吸引、専用固定具などの適切なクランプ方法を選択します。

高速加工ツールの選択のヒント

高速加工ツールの選択は、加工効率、精度、ツール寿命を確保するために非常に重要です。以下は、高速加工ツールの選択スキルに関する具体的なポイントです。

ツール形状

ワークピースの材質、加工の種類、機械の状態に基づいて、適切な工具形状を選択します。たとえば、旋削工具、フライスカッター、ドリルなどのさまざまなタイプの切削工具は、刃先の形状と角度に関して独自の特性を持っています。刃先の鋭さ、前角、後角のパラメータが考慮されます。たとえば、鋳鉄の高速加工では、超硬工具を使用する場合、工具先端の半径は約0.2mmで、後角は約12°に選択すると、良好な切削性能が得られます。

素材構成

高速切削時に発生する高い切削力と高温に耐えられるよう、高硬度、高耐摩耗性を備えた工具材料を選択してください。たとえば、超硬合金、サーメット、非金属セラミック、CBNなどのコーティング材料です。工具材料が耐熱性に優れ、切削中の高温環境に耐えられることを確認してください。

ツールを短くする

高速時に短い工具によって発生する振動と遠心力は比較的小さくなります。これは、短い工具の方が軽量であるため、高速時に安定性を維持しやすいためです。振動と遠心力の低減は、工具の摩耗を減らし、工具寿命を延ばし、加工エラーを減らすのに役立ちます。

さらに、工具が短いほど制御も容易になります。つまり、加工プロセス中に、オペレーターは工具の位置と角度をより簡単に調整でき、より正確な加工が可能になります。

特別なツールを使用する

専用工具は特定の加工要件に応じて設計されており、特定の加工要件をよりよく満たすことができます。たとえば、フライスカッターは平面と輪郭の加工に適しており、ドリルは穴あけ作業に適しており、旋削工具は外円と内円の加工に適しています。専用工具の設計は特定の加工タスクに最適化されているため、専用工具を使用すると加工効率と品質が向上します。

高速機械クランプ機構

高速工作機械の保持機構は、高速回転時に工具が工作機械の主軸に安定して固定されることを保証するための重要な部品です。工作機械に合った高速クランプ機構を選択して、高速回転時に工具が工作機械の主軸に安定して固定されることを保証します。

バランスツール

工具の動作のバランスをとるためにバランシングマシンを使用するのは一般的な方法です。工具の重量配分を調整したり、バランスブロックを使用して工具のアンバランスをバランスさせることで、高速回転中に工具から発生する振動と騒音を大幅に低減できます。これにより、加工精度と表面品質が向上し、工具寿命が延びます。

石斑魚

切削エリアを定期的に清掃し、切りくずや油などの不純物を取り除き、切削エリアを清潔に保ちます。これにより、ツールの摩耗と加工エラーを減らすことができます。ツールが良好な動作状態であることを確認するために、ツールを定期的に清掃およびチェックします。ツールの摩耗、コーティングの状態などをチェックし、摩耗が激しいツールは適時に交換します。

高速加工技術

トロコイド加工

トロコイド加工は、工具パスが一連の円弧となるフライス加工技術です。この方法により、工具の摩耗が減り、切りくずの排出が改善され、効率的な切削が可能になります。特に高速加工で、一定の切削力を維持し、表面仕上げを向上させるのに効果的です。

用途: トロコイド加工は、ステンレス鋼やチタン合金などの難削材の荒加工によく使用されます。

ラジアルチップシンニング

ラジアルチップシンニングとは、カッターの形状と工具とワークピースの噛み合いにより、チップの厚さが薄くなる現象を指します。高速加工では、この効果を利用して、切削力を過度に増加させることなく送り速度を上げ、材料除去率を最適化します。

用途: ラジアルチップシンニングは、特に高精度と効率が求められるさまざまな金属材料の加工に広く使用されています。

サイドステップ

機械加工におけるサイドステップでは、連続するパス間で切削工具を横方向に動かして、工具の摩耗を均等に分散し、表面仕上げを最適化します。この技術は、熱の発生を管理し、寸法精度を維持するために高速機械加工で重要です。

用途：サイドステップは金型の加工によく使用されます。 空洞、その他複雑な形状のワークにも対応します。

コー​​ナリング

コーナリングとは、機械加工中にワークピースの鋭い角やエッジの周りで切削工具を操作することを指します。高速加工では、コーナリング技術は、工具のたわみを最小限に抑え、部品の形状と表面品質を維持しながら一貫した切削性能を確保することを目的としています。

課題: コーナーやエッジの加工は、これらの領域でしばしば不利な切削条件が発生するため、困難になる可能性があります。

ソリューション: ツールパス、切削パラメータ、ツール形状を最適化することで、コーナリング結果を効果的に改善し、精度と表面品質を高めることができます。

スマート加工

スマート加工には、リアルタイム監視、適応制御システム、データ分析などの高度なテクノロジーを統合して、加工プロセスを最適化します。このアプローチにより、リソースの効率的な使用が保証され、生産性が向上し、高速加工アプリケーションにおける全体的な加工品質が向上します。

プランジ荒削り

プランジ荒加工は、切削工具がワークピースの材料に直接突っ込み、大量の材料を素早く除去する加工戦略です。高速加工では、プランジ荒加工技術が最適化され、加工時間を短縮して効率を向上させながら、工具の摩耗と熱の発生を最小限に抑えます。

課題: プランジ荒加工は、冷却剤の供給と深い穴内の切りくずの排出が難しいため、難しい場合があります。

ソリューション: 特殊な切削工具、最適化された切削パラメータ、および加工戦略により、プランジ荒加工における切削条件を改善し、効率と品質を向上させることができます。

高速加工の利点

1. 生産効率の向上: 高速加工では、切削速度と送り速度が速くなり、加工サイクルが大幅に短縮されます。これにより、部品の生産が高速化され、工作機械の稼働率が向上し、全体的な生産性が向上します。
2. コストの削減: 加工時間の短縮と加工効率の向上により、生産コストが削減されます。加工サイクルを減らしてエネルギーを節約することで、HSM は部品あたりの製造コストを大幅に削減できます。
3. 精度と表面品質の向上HSM により、より正確な加工作業をより短時間で完了できるようになり、加工中に発生する可能性のあるエラーが削減されます。さらに、高速切削により、より滑らかで細かい表面仕上げが得られることが多く、その後の表面処理の必要性が最小限に抑えられるか、または不要になります。
4. 工具寿命の延長: 切削力と熱発生が大きくなるにもかかわらず、HSM での加工条件を最適化すると、工具寿命を大幅に延ばすことができます。高度な工具材料とコーティングを、効果的な工具管理およびメンテナンス戦略と組み合わせることで、工具の寿命と性能を最大限に高めることができます。
5. 複雑な部品や材料への適合性HSM は、金属合金、チタン合金、複合材、プラスチックなど、幅広い材料に適用できます。特に、航空宇宙部品、医療機器、自動車部品に見られる複雑な形状や入り組んだ構造の加工に効果的です。

高速加工で送りと速度を最適化するにはどうすればよいでしょうか?

高速加工における送りと速度の最適化は包括的なプロセスであり、具体的な最適化方法は次のとおりです。

機械とスピンドル

• 高速加工では、工作機械と制御装置が高速送り速度と高速切削速度の要件を満たす必要があるため、高剛性で強力な工作機械を選択してください。
• 高速 スピンドル スピンドル速度を上げることで工具の摩耗を減らし、加工面の品質を向上させる技術が導入されています。
• 適切なベアリングタイプと仕様の選択、スピンドル形状、材料選択、加工プロセスの最適化など、スピンドル設計を最適化して、スピンドルの剛性と安定性を向上させます。

材料とツール

• ダイヤモンド工具、立方晶窒化ホウ素工具など、加工材料の種類に応じて適切な工具材料を選択します。これらの工具は、さまざまな金型材料や作業条件に適しています。
• 適切なブレード グレードを選択して、ブレードが作業負荷に対応できるようにし、ツールの変更、スクラップ、およびやり直しを削減します。
• 三角形のブレードはリード角が低く、より薄いチップを生成できるため、適切なチップの厚さを維持するためにより高い送り速度が必要になるため、三角形のブレードの使用を検討してください。
• 適切なツール形状 (ツール角度やブレード設計など) とコーティング技術 (TiAlN コーティングや TiCN コーティングなど) を選択して、切削性能とツールの寿命を向上させます。

職業と楽器の種類

• 加工中にツールが安定して正確であることを確認するために、適切な固定具とツール保持システムを使用してください。
• 高速回転時の工具の振動や変位を抑えるために、高精度で剛性の高い HSK などの高速工具システムの使用を検討してください。
• エンドミルカッター、ボールカッター、T カッターなど、加工ニーズに応じて適切なツール タイプを選択し、ワークピースの形状と加工要件に応じて、最も適切なツール タイプとサイズを選択します。

切削深さ

• 高速加工では、より小さな切削深さ（通常は工具の直径の約 10%）を使用すると、切削力が減少し、切削温度が低下し、加工品質が向上します。
• 特定のワークピースとツールの要件に応じて、切削深さを調整し、最適な処理効率と品質のバランスを見つけます。

チップ負荷を計算し調整する

• 高速加工においては、切削片負荷が加工品質や工具寿命に影響を与える重要な要素の一つであるため、切削片負荷を正確に計算し調整する必要があります。
• プログラミングを行う際は、工具パスのスムーズな遷移に注意し、急激なパスの変更を避けて切削負荷の変動を抑えます。
• 急勾配、コーナーなどの位置では、過負荷や工具の損傷を避けるために、速度を適度に落とす必要があります。

プログラミングの最適化

ツールに対する非現実的な要求を回避するために、適切なプログラミングを通じて切断パスを最適化します。
プログラミングでは、スムーズな遷移と補助軌道遷移を使用して、隣接する 2 つのツール パスがスムーズでない状況に対処します。
プログラミングでは、適切な調整比率が設定され、高速工作機械の適切な負荷を維持するために切削パラメータが合理的に最適化されます。

プロセスの最適化

• 高速切削、大送り、高効率加工モードを選択すると、加工効率が大幅に向上します。
• さまざまなワークピースの材質に応じて、切削速度、送り速度、切削深さなどのパラメータの最適化を含む適切な切削プロセス計画が採用されます。

高速CNC加工材料

金属材料

• 鋼: 鋼は適度な硬度があり、加工が容易で、機械製造、自動車製造、航空宇宙などの分野で広く使用されているため、CNC 工作機械加工の主要材料の 1 つです。
• アルミニウム：アルミニウムは、高強度、軽量、耐腐食性の金属材料であり、航空、自動車、電子機器、建設などの分野でよく使用されます。CNC工作機械によるアルミニウムの加工は、部品の品質と生産効率を向上させることができます。
• 銅: 銅は延性と電気伝導性に優れており、電気製品製造、パイプ製造などの分野でよく使用されます。CNC 工作機械は、さまざまな銅部品を効率的に加工できます。
• 合金材料：アルミニウム合金、ステンレス鋼、チタン合金などの合金材料は、高強度、耐熱性、耐腐食性などの利点があり、航空、宇宙、エネルギー、化学産業などの分野に適しています。CNC工作機械は、さまざまな合金材料を正確に加工できます。

非金属材料

• プラスチック: プラスチックは軽量、耐腐食性、断熱性、絶縁性に優れた非金属材料で、電子機器、機械、自動車、建設などの分野で広く使用されています。 CNCマシン ツールはあらゆる種類のプラスチック製品を正確に加工できます。
• ゴム：ゴムは、弾力性、耐摩耗性、耐寒性に優れているなどの特徴があり、自動車製造、機械製造、ゴム製品などの分野でよく使用されます。CNC工作機械は、あらゆる種類のゴム製品を効率的に加工できます。

高速加工材料の選択において考慮すべき要素

高速CNC加工材料の選択において、考慮すべき主な要素には、材料の硬度、加工性能、熱伝導率、コスト、作業環境要件、および工具や工作機械との適合性が含まれます。硬度は切削速度と工具寿命に影響し、加工性能は切削のしやすさを決定し、熱伝導率は切削温度と工具の摩耗に影響し、コストは経済的な考慮事項であり、作業環境要件は材料の適用性を決定します。さらに、効率的で高品質の加工を実現するには、選択した材料が既存の工具や工作機械とうまく適合できることを保証する必要があります。

高速加工用機械

高速加工 (HSM) 操作では、適切なマシンを選択することが重要です。Mikron Mill-S-400-U や Matsuura LX-160 などの高性能マシンは、優れた高速加工機能、高精度、表面仕上げを備えた HSM 専用に設計されています。これらのマシンは、インテリジェントな温度管理システムと最適化された剛性構造を使用して、処理中の熱安定性と高精度を保証します。適切な HSM 操作戦略を選択することで、これらのマシンはさまざまな材料を効率的かつ正確に処理し、高品質で精密な部品を作成できます。

高速加工のための機械要件の選択

高速処理用の機械を選択する際には、スムーズな処理と効率的な出力を確保するために、いくつかの重要な要素を考慮する必要があります。

1. 高度なスピンドル技術：高速加工には、高速、高剛性、高精度のスピンドルが必要です。超高速加工のニーズを満たすには、スピンドルの最高速度が数万 RPM 以上に達する必要があります。
2. 堅牢な構造: 高速加工機には、高速加工中に発生する振動や衝撃に耐えられる堅牢な構造が必要です。ベッド本体、スピンドル、ガイド レールなどの主要コンポーネントには、機器全体の剛性と安定性を確保するために、高強度の材料と高度な製造プロセスが必要です。
3. 効率的なチップ除去システム: 効率的なチップ除去システムは、加工プロセスで生成されたチップを適時に排出し、加工品質や機械性能に影響を与えるチップの蓄積を回避します。
4. スピンドル駆動速度制御装置：スピンドル駆動速度制御装置は、さまざまな材料や加工条件のニーズを満たすために、広い速度調整範囲と安定した速度調整性能を備えている必要があります。広い速度範囲と安定した出力特性のため、DC スピンドル駆動は高速加工における一般的な選択肢となっています。
5. 静水および流体動力システム (通常は高速加工機とは直接関係ありませんが、特殊な用途や冷却要件が関係する場合は関係することがあります) : 高精度冷却や特殊な潤滑などの一部の特殊な用途では、静水および流体動力システムが重要な役割を果たすことがあります。これらのシステムは、プロセスの特定のニーズを満たすために、安定した流体供給と正確な制御を確保する必要があります。
6. HSK スピンドルテーパー: HSK スピンドルテーパーは、高速加工機に適した高精度、高剛性のスピンドルインターフェース規格です。
7. 高速工作機械のクランプ機構：高速工作機械のクランプ機構は、加工中のワークピースの安定性と精度を確保するために、高精度、高剛性、高速応答の特性を備えている必要があります。

CNC高速加工センターの設定のヒント

CNC 高速加工の構成のヒントでは、高速スピンドル、効率的な切削工具、高度な CNC システムの重要性が強調されています。高速スピンドルは、ダイレクト ドライブ スピンドルや電動スピンドルなど、高い回転速度と剛性を備えている必要があります。ツールは、多結晶ダイヤモンドや立方晶窒化ホウ素など、高速切削に適したものでなければならず、ツール構造の動的バランスに重点が置かれます。

高速 CNC システムには、堅牢なデータ処理能力と機能特性が必要であり、32 ビットまたは 64 ビットのプロセッサが望ましいです。プログラミング中は、切削パスの滑らかさに特に注意し、突然の方向転換やオーバーカットを避ける必要があります。CAM システムを使用してツール パスを最適化し、加工の効率​​と精度を確保する必要があります。GF+ などのブランドは高速加工に優れており、切削層への出入りを徐々に行い、安定した切削パラメータを維持するなどの戦略が推奨されます。

高速加工の応用

高速加工（HSM）は現代の製造業において幅広い実用化が進んでおり、その技術と方法は生産効率、加工精度、材料利用率を向上させるために、さまざまな業界や用途で使用されています。以下は、実際の用途における高速加工の典型的な例です。

• 航空宇宙産業: 航空宇宙産業では、航空機の構造、エンジン部品、航空宇宙機器など、高精度で軽量な部品が必要です。
• 自動車製造：エンジン部品、トランスミッション部品、ブレーキシステム部品などの主要部品の加工に高速加工技術を使用し、部品の精度と信頼性を向上させます。
• 医療機器製造: 医療機器製造には、人工関節、手術器具、インプラントなど、高精度で優れた表面品質を備えた部品が必要です。高速加工技術により、複雑な形状の精密加工が可能になり、医療グレードの部品の清潔さと滑らかさを維持できます。
• エネルギーおよび海洋産業: エネルギー産業では、高速加工を使用して高性能ベアリング、ターボ機械、ターボ機械発電機のコンポーネントを製造し、エネルギー変換効率と信頼性を向上させます。
• 電子・通信機器製造：機器の性能と信頼性を向上させるために、マイクロ電子部品、PCB 基板、精密光学部品を加工するために使用されます。

従来のフライス加工と高速加工の違い

機能	伝統的な製粉	高速加工（HSM）
切削速度	低速（通常 200 m/分未満）	高速（通常 > 200 m/分、最大数千 m/分）
送り速度	ロー	ハイ
切削深さ	一般的に大きい	S
表面品質	平均的、後処理が必要な場合が多い	高い、後処理はほとんど必要ないか、まったく必要ない場合が多い
工具寿命	限定的、すぐに消耗する	より長い（最適な条件下で）
材料除去率	ロー	ハイ
熱管理	熱が集中し、ワークピースの変形を引き起こす可能性がある	放熱性に優れ、ワークの変形を軽減
設備要件	標準工作機械	高剛性・高精度・高速機械
ワーククランプ	標準クランプシステム	振動を低減する高剛性クランプシステム
該当する材料	鋼鉄、鋳鉄などの一般的な金属	チタンやニッケル合金などの難削材を含むさまざまな材料
加工時間	長い	ショート
生産効率	ロー	ハイ
投資コスト	比較的低いです	高い（設備とツールの要件による）
振動制御	振動の影響を受け、表面品質と精度に影響を与える可能性があります	振動制御の向上、表面品質と精度の向上

高速加工の課題は何ですか?

高速加工の主な課題には、切削熱、工具の振動や共振による工具の摩耗、高性能な工具材料の必要性、適切な加工パラメータの選択オプションの欠如、優れた動的性能と効率的な冷却および潤滑システムを備えた工作機械の必要性などがあります。これらの課題は、高速加工の安定性と効率性を確保するために一緒に考慮する必要があります。これらの課題に直面して、高速加工の安定性と効率性を確保するために、材料の選択、切削パラメータの最適化、工作機械の性能向上、冷却および潤滑システムの改善など、複数の側面を考慮する必要があります。

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