CNCアルミ加工変形「大決戦」～正確な加工を支える実践スキル～

CNC アルミニウム機械加工のプロセスでは、偶発的な変形がよくある厄介な問題です。 変形はアルミ製品の寸法精度や外観品質に影響を与えるだけでなく、製品が設計要件を満たせなくなったり、場合によってはスクラップにつながる可能性があります。 これは生産企業に多大な経済的損失をもたらし、製品の生産効率や市場競争力にも影響を及ぼしました。

たとえば、一部の精密機器や電子製品の製造では、アルミニウム部品の寸法精度が非常に高くなります。 加工中に予期せぬ変形が発生すると、部品が正常に組み立てられず、製品全体の性能や信頼性に影響を与える可能性があります。 また、変形によりアルミニウム製品の表面に凹凸や歪みなどが生じ、製品の外観品質が低下し、消費者の購買意欲に影響を与える可能性があります。

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ブランク残留応力

ブランク残留応力は、主に、焼入れプロセスおよび異形材の押し出し中の不均一な変形によって引き起こされる応力の重畳によって形成されます。 焼入れプロセス中に、アルミニウム合金には大きな残留熱応力と構造応力が形成されます。 同時に、押出プロセスでは、各部品の不均一な応力により、応力も発生します。 これらの応力が重なってブランク残留応力が形成されます。

ブランクの残留応力は加工に大きな影響を与えます。 ブランク内部の応力により、機械加工プロセス中に材料が切断によって除去されると、応力が再分布され、ワー​​クピースの変形が生じます。 この変形は部品の寸法精度や表面品質に影響を与える可能性があり、部品が設計要件を満たせなくなる場合もあります。

処理ストレス

加工ストレスの主な原因は以下の通りです。：

1. 切削加工における非対称性 ：切削加工における非対称性は切削力の不均一につながり、ワークの変形を引き起こします。 例えば、取り代が大きいと材料除去速度が速くなり、加工応力が大きくなります。 また、加工間隔が短いため残留応力が解放されず、全体形状の残留応力のバランスが崩れ、ワークの変形を引き起こします。
2. ワーク剛性が悪い ：ワークの剛性が低いと、切削力やクランプ力が不均一になり、変形が発生します。 アルミ薄肉シェル部品など、肉厚が薄く剛性の低い一部の部品では、切削加工時に変形が発生しやすくなります。
3. 異なる処理シーケンス : 加工順序が異なると残留応力が非対称に解放され、ワー​​クピースの変形が発生します。 たとえば、ある部品を最初に加工し、次に別の部品を加工すると、応力分布が不均一になり、変形が生じる可能性があります。

ツールの最適化

CNC アルミニウム加工では、正しい工具パラメータを選択し、工具の摩耗を制御することで、部品の変形を効果的に軽減できます。 具体的には以下のような観点から最適化することができます。：

1. スパイラルアングル : スパイラル角度はできるだけ大きくする必要があります。これにより、フライス加工の安定性が向上し、フライス加工力が軽減されます。 例えば実際の加工では、ねじれ角が大きいほど切削加工が安定し、過度の切削力による部品の変形を軽減できます。
2. フロントアングル : フロントアングルの合理的な構成により、刃の強度を維持し、鋭利な刃先の摩耗を軽減し、スムーズな切りくず除去を保証し、それにより切削抵抗を軽減します。 マイナスのフロントアングル工具を使用することは、一般に推奨されません。マイナスのフロントアングルは切削力を増加させ、部品が変形する危険性を高めるためです。
3. バックアングル : バックアングルのサイズは、加工品質とバックツール表面の摩耗に重要な影響を与えます。 荒加工では切削速度が速く、切削負荷が大きく、工具の放熱条件も良好なため、バックアングルは小さく設定する必要があります。 精密フライス加工の場合、刃先を鋭くし、工具と加工面の間の摩擦を減らし、弾性変形を減らすために、バックアングルを大きく選択する必要があります。
4. 偏向角 : 偏向角を小さくすると、放熱が向上し、平均加工温度を下げることができます。 適切な偏向角度により、加工中の熱分布が改善され、熱の蓄積による部品の変形が軽減されます。
5. 工具摩耗管理 ：工具の摩耗によりワークの表面粗さが増大し、ワークの温度が上昇し、部品の変形を引き起こします。 したがって、耐摩耗性に優れた工具を使用し、結節の形成を避けるために工具の摩耗の程度が 0.2 mm を超えないようにする必要があります。 同時に、新しい工具を使用する前に、ナイフの歯のバリと鋸歯状パターンを細かい砥石で優しく研ぐことができ、工具の刃先の粗さがRa=0に達することができます。4μm、切断変形の可能性を最小限に抑えます。

適切な処理方法

部品の変形のリスクを軽減するには、次の加工技術を使用できます。：

1. 対称処理 : 対称加工により、アルミニウム合金の CNC 加工中に熱が効果的に放散され、部品周囲の過度の熱蓄積が防止され、熱変形の可能性が低減されます。 加工代が大きい部品については、対称加工を行うことで加工時の放熱状態が良くなり、熱の集中を避けることができます。 例えば、厚さ90mmの板を60mmまで加工する必要がある場合、最終寸法まで片面2回加工する繰返し対称加工を使用する場合、1枚で加工する場合に比べて、より高い平面度を確保できます。最終的なサイズまでの処理に時間を費やすことで、変形を効果的に軽減できます。
2. レイヤードテクノロジー処理 : 複数のキャビティを持つ部品の場合、プレートの不均一な力により歪みが発生しやすいため、積層技術を使用して加工できます。 部品はまずいくつかの層に分割され、次に層ごとに必要なサイズに加工されます。 このようにして、アルミニウム合金の CNC 機械加工プロセスで加えられる力はより均一になり、部品を直接加工する場合よりも変形の危険性が低くなります。
3. 事前穴あけとフライス加工 : キャビティのある部品は、フライス加工段階で不均一な切りくず、部品の膨張変形や工具の破損につながる発熱などの問題が発生する可能性があります。 これらの問題は、事前に穴を開けてからフライス加工することで解決できます。 フライスよりわずかに大きい工具で穴を開け、切削材料のためのスペースを確保し、切りくずをブランクのアルミニウムから均等に除去し、最後にフライス加工します。
4. さまざまなフライス加工方法を使用する : アルミニウム合金 CNC 加工には荒加工と仕上げ加工の 2 つの方法があります。 荒加工では、材料除去率と加工効率を重視し、最速の切断速度でブランクを最短時間で切断します。仕上げ加工には、フライス加工品質を重視した、より精密な機械加工と表面品質が必要です。 これら 2 つの方法を適切に実行すると、部品の変形率が大幅に変化する可能性があります。

合理的な切断パラメータ

適切な切削パラメータを選択すると、切削力と切削熱を軽減し、過度の切削力や過度の熱による部品の変形を回避できます。 切削パラメータの３要素のうち、背面切削量は切削抵抗に大きな影響を与えます。 取り代が大きすぎると工具の切削抵抗が大きくなり、部品を変形させるだけでなく、工作機械主軸の剛性に影響を及ぼし工具の耐久性が低下します。 したがって、高速ミーリングの方法を使用すると、同時に背面切削工具の量を削減し、送り速度と機械速度を向上させ、それによって切削抵抗を低減し、加工効率を確保することができます。 例えば、切削速度は250～300m/min、送り速度は300～400mm/min、荒加工のバック切り込み量ap=0.5mm、精密加工のap=0.1～0.2mmで制御できます。

クランプ方法が適切である

薄肉アルミニウム部品を加工する場合、不適切なクランプ方法では肉厚変形が発生しやすくなります。 このリスクを軽減するには、最終フィーチャが完成する前にプレスされたパーツを緩めて圧力を解放し、パーツを元の形状に戻してから再度圧力を加えます。 2 番目に加えられる圧力は支持面に作用する必要があり、その方向は最も剛性の高い方向である必要があり、その力は加工中のワークピースの安定性を維持するのに十分である必要があります。 薄肉シャフト スリーブ部品の場合、ラジアル内穴クランプ方法を使用して、部品の雌ネジの位置を特定し、ネジ付きシャフト ジャーナルを作成し、部品の雌ネジを挿入し、カバー プレートで内穴を押してから、ネジで締め付けます。外周加工時のクランプ変形を防ぐためのナットです。 薄肉シートワークの場合は、真空吸着カップを使用することでクランプ力の均一な吸着が得られ、少ない切削量で加工したり、硝酸カリウム3%～6%を含む尿素溶融物を注入する充填法も可能です。ワークの加工剛性を向上させるためにワークにフィラーを注入し、加工後にワークを水またはアルコールに浸漬してフィラーを溶解させます。

CNC アルミニウム機械加工のプロセスでは、偶発的な変形は細心の注意を必要とする問題です。 変形の原因を分析し、それに対応する予防措置を講じることにより、アルミニウム加工における偶発的な変形を効果的に回避できます。

まず、アルミニウムの加工変形の主な原因は、ブランク残留応力と加工応力です。 ブランク残留応力は主に、焼入れおよび押出時の不均一な変形によって生じる応力の重畳によって形成されます。 加工応力は、非対称な切削、低いワーク剛性、異なる加工順序などの要因によって発生する可能性があります。 これらの原因を理解することは、的を絞った予防策を講じるのに役立ちます。

第二に、工具の最適化、適切な加工方法、合理的な切断パラメータ、および適切なクランプ方法の側面から、アルミニウムの変形のリスクを効果的に軽減できます。 工具の最適化に関しては、適切なねじり角、前方角、後方角、たわみ角を選択し、工具の摩耗を制御することで、切削力と切削熱を低減し、部品の変形を減らすことができます。 加工方法に関しては、対称加工、積層技術加工、プレドリリングとフライス加工、異なるフライス加工方法などのスキルの使用により、加工がより安定し、変形の発生を軽減できます。 切削パラメータを合理的に選択し、切削力と切削熱を軽減し、過剰な切削力と熱変形による部品を回避します。 クランプ方法に関しては、薄肉アルミニウム部品の場合、適切なクランプ方法を採用することで壁変形のリスクを軽減できます。

つまり、CNC アルミニウム加工における偶発的な変形を回避することは、製品の品質を向上させ、生産コストを削減し、企業の競争力を高める上で重要な実用的価値を持っています。 実際の生産においては、状況に応じてこれらの方法を総合的に活用し、アルミニウム加工の安定性と信頼性を確保するために常に探究と革新を行う必要があります。