高速切削技術: CNC カスタム加工の変革力

1931 年に、Dr. ドイツのカール・サロムが高速ジェット加工の理論を提唱して以来、高速切削技術は長い歴史を経て発展してきました。 理論研究・探索段階から応用基礎研究探索段階、そして応用研究段階を経て、現在は開発・応用段階に入っています。

開発の過程では、主要なテクノロジーが絶えず開発されています。 例えば、高速主軸技術では、1982年の第11回日本国際工作機械ショーで高速切削工作機械が登場して以来、高速工作機械の台数は年々大幅に増加しています。 主軸回転数は当初は10000r/min以上でしたが、現在では100000r/min以上にまで成長しています。 高速主軸のキーテクノロジーであるセラミック軸受構造とオイルミスト潤滑。 現在、工作機械の主軸システムの dn 値は 1 を超えています。5×10⁶はほぼセラミックベアリングです。

送り系の高速化・高加速化も著しい。 大型リードスクリューの適用とリニアモーターのダイレクトドライブモードの登場により、高い位置決め精度、繰り返し位置決め精度、動的応答速度など、ゼロドライブ工作機械の送り系性能のニーズに応えます。

高速切削技術は、CNC カスタム加工のさまざまな段階で異なる開発特性を持っています。 初期段階では理論的な検討が主でしたが、技術の進歩とともに徐々に実用化の面でメリットが現れてきました。 今日、高速切削技術は航空宇宙、自動車、金型加工などの業界で広く使用されており、CNC カスタム加工の分野でもますます重要な役割を果たしています。

高速スピンドルは、セラミックベアリングや静圧ベアリングなどの先進技術を使用して、技術の進歩を続けています。 セラミックベアリングは、高硬度、高圧縮強度、良好な熱伝導性、耐摩耗性の特性を備えており、高速スピンドルの寿命と負荷容量を効果的に向上させることができます。 現在、dn 値が 1 以上の工作機械主軸システム。5×10⁶はほぼ全てセラミックベアリングを採用。 さらに、空気静圧スピンドルと磁気浮上式ベアリングサポートスピンドルの開発も、高速スピンドルに新たなブレークスルーをもたらしました。 たとえば、日本の東芝機械株式会社が製造する ASV-40 マシニング センターは、スピンドル速度 80000r/min の空気静圧スピンドルを使用します。日本の森精機が製造する高速マシニングセンターは、リニアベアリングで支持された高速スピンドルを使用しており、その速度は40000r/minに達します。 これらの先進の主軸技術により主軸速度と精度が大幅に向上し、高速切削を強力にサポートします。

継続的な革新構造の高速送りシステム、高速リードボールねじ、リニアモーターおよびその他の先進的な構造の使用により、送り速度と加速が大幅に向上します。 高速リードボールねじの送り速度は60m/min程度、一般的なものでは20～30m/min程度となります。 リニアモータの応用により、高速送りシステムに革新的な変化がもたらされました。 リニアモータは機械伝動系のすきまや弾性変形をなくし、伝動フリクションを低減し、逆すきまがほとんどありません。 リニアモーターは高い加減速特性を持ち、加速度は従来の駆動装置の10～20倍の2gに達し、送り速度は従来の4～5倍となります。 リニアモーター駆動のため、単位面積当たりの推力が大きく、高速動作が容易で、メンテナンスが不要な機械構造であるという明らかな利点があります。 これらの技術の適用により、工作機械の高速移動と正確な位置決めの要件が​​満たされ、高速切削の信頼性が保証されます。

高速切削においては切削工具が重要な役割を果たします。 切削速度の向上に伴い、工具本体の材質、幾何学的パラメータ、構造は大きく変化しました。 現在、一般的に使用されている高速切削工具の材質は、多結晶ダイヤモンド（PCD）、立方晶窒化ホウ素（CBN）、セラミックス、Ti（C,N）系セラミックス、コーティング工具（CVD）、超微粒子超硬などです。 これらの工具材料は、高い耐熱性、耐熱衝撃性、優れた高温機械的特性、および高い信頼性を備えています。 同時に、高速切削のツールシステムは、良好な幾何学的精度、高いクランプ繰り返し位置決め精度、クランプ剛性、良好なバランス状態、高速動作時の安全性と信頼性の要件を満たさなければなりません。 工具本体の質量を可能な限り減らすことで、高速回転による遠心力を軽減し、高速切削の安全要件を満たし、工具のクランプモードを向上させます。

高速切削のプロセスパラメータの最適化は、高速切削の適用を制限する重要な技術の 1 つです。 高速切削は新しい切削モードであるため、参考となる応用例や実用的な切削パラメータ、加工パラメータのデータベースが不足しています。 したがって、高速主軸の動力特性曲線に合わせて切削データを作成し、CNC高速切削のメリットを最大限に発揮させるための新たなプログラミング手法を検討・採用する必要があります。 高速切削技術の開発と応用は、高速主軸、高速送りシステム、高速切削工具などのキーユニット技術の総合開発にかかっています。 高速切削の高能率・高精度・高信頼性は、さまざまな技術の連携によって初めて実現できます。

高速切削技術は、アルミニウム合金キャビティシェルの CNC 高速フライス加工において多くの利点をもたらします。 まず、加工効率が向上します。CNC 高速切削により、従来の切削よりも 5 ～ 10 倍高い送り速度を使用でき、単位時間あたりの材料除去率を 3 ～ 6 倍に高めることができます。 これはアルミニウム合金キャビティ部品の CNC 加工にとって非常に重要であり、加工時間を大幅に短縮できます。 2つ目は加工品質の確保であり、従来の切削に比べ高速切削時の切削抵抗を30％以上低減でき、加工変形を低減できます。 高速切削加工は高速で、切削熱が95％以上と非常に少なく、温度上昇による部品の反りや膨張変形が少なく、特に熱変形しやすい部品の加工に適しています。 加工ツールと送り速度の選択に関して、アルミニウム合金部品を加工するための超硬エンドミル全体の切削速度は、一般に 1000m/min に達することがあります。 D8エンドミルを使用する場合、主軸回転速度は18000r/min、荒加工送り速度は6000mm/min、仕上げ送り速度はエンドミルの剛性を考慮して2000～3000mm/minとなります。キャビティシェルワークピースと部品の表面品質要件。 工作機械の性能が高ければ、切削速度や送り速度を適切に高めることができます。

実際の生産現場では、高速加工技術が幅広く応用されています。 典型的な荒加工例では、5 インチ TiAIN コーティングインサート端面フライスを初めて使用し、主軸速度 450 ～ 500 rpm、送り速度 150 ～ 175 ipm、切込み深さ 0.050 インチで、大量の切りくずが飛び散って加工しました。 荒加工後、ワークの大部分は熱処理のために屋外に送られます。 中仕上げ加工は、ワークピースが返されるとすぐに開始されます。通常、2 インチのボールエンドミルを 2000 rpm、送り速度 125 ～ 150 ipm で使用します。 往復フライス加工パターンに従ったプロファイル切断の場合、トラック間隔は 0.125 インチ以内です。 ジグザグ切断の場合、同様の速度と送り速度、0.020 ～ 0.050 インチの切込み深さ、および直径 2.5 インチの小さなヘッドを使用できます。 さらに、小さな工具を使用して面取りを接続することもできます。

高速切断には、CNC システムに特別な要件があります。 高速切削工作機械の主軸速度とカッター送り速度は大幅に高速化されているため、CNC システムには十分な高速な計算速度とデータ処理能力が要求されます。 送りサーボ機構は、低速から高速まで広い範囲で任意の調整を実現でき、送りサーボ速度が速い場合にシステム追従誤差が大きくなるという矛盾を克服できる必要があります。 CNCシステムには、加工軌跡のモニタリング機能を持ちながら、サーボ周期の短縮化と高分解能化が求められています。 曲線補間機能。

現在、高速切削の CNC システムにはいくつかの問題があります。 まず、アーキテクチャが閉じているため、システムのスケーラビリティと互換性が制限されます。 第 2 に、CAM との統合が不十分なため、プログラミングと処理がスムーズで効率的ではなくなります。 さらに、CNC システムの補間装置と送りコントローラーには制限があります。 補間精度を向上させ、フィードフォワード機能や多数の高度なプログラムセグメントを使用する必要があります。 さらに、NURBS補間、反動加速、スムーズ補間、ベル加減速などの輪郭制御技術も使用できます。 送りコントローラーは、高速切削の高加速と高速応答の要件に適切に対応する必要があります。

ステンレス鋼部品は高速切削の過程で加工硬化の傾向に直面しており、加工に多くの問題をもたらします。 ステンレス鋼の種類が異なると、機械的特性や化学組成が異なるため、CNC 切断の難易度は同じではありません。 高い熱強度と靭性は、CNC高速切削中に切断されにくく、切削変形中に消費される仕事量が非常に大きくなります。 加工硬化層の深さは数十ミクロンから数百ミクロンに及び、前の切削で生じた加工硬化現象は次の切削に悪影響を及ぼし、加工硬化層の硬度が高いため工具に特に履きやすいこと。

加工硬化の問題を解決するには、切れ味を重視した刃先形状など、適切な工具を選択することができます。切れ味が良いと、ワークとの摩擦による発熱が軽減され、加工硬化を防ぐことができます。 同時に、最適な加工条件と最適なクーラント設定を設定する必要があります。

高速切削技術の適用には、強い切りくず付着や低い熱伝導性などの課題もあります。 CNC切削加工では、工具先端やブレードに切削粉が付着・溶解しやすく、切りくず腫瘍が形成され、ワー​​ク加工面の面粗度が悪くなるとともに、切削加工時の振動が増大します。そして工具の摩耗も加速します。 また、大量の切削熱を時間内に逃がすことができず、切削によって発生した熱さえもチップ全体に伝えることができず、その結果、通常の炭素鋼よりも入ってくる工具の総熱が大きくなり、刃先が高温になると切削能力が低下します。

また、新しい切削モードである高速切削については、参考となる応用例や実用的な切削パラメータ、加工パラメータのデータベースが不足している。 そのため、実際のアプリケーションでは常にテストと探索を行う必要があり、処理コストと時間が増加します。

高速切削技術は、高速、高精度、高表面品位を実現し、生産効率の向上に大きな可能性を秘めています。 まず、高速切断により生産サイクルが大幅に短縮されます。 たとえば、自動車製造業界では、高速切断技術によりエンジン ブロックやトランスミッション ハウジングなどの主要コンポーネントを迅速に加工できるため、加工時間が大幅に短縮され、生産効率が向上します。 関連統計によると、高速切断技術の採用後、自動車部品の加工時間は 30% ～ 50% 削減できます。 第二に、高速切断技術により加工コストを削減できます。 高速切削により荒加工、中仕上げ、仕上げ加工が行えるため、工程や工具の使用量が削減され、生産コストが削減されます。 金型の製造を例にとると、高速切断技術により、放電加工の使用量が削減され、加工コストが削減され、金型の精度と表面品質が向上します。 さらに、高速切断技術により製品の品質も向上します。 高速切削時に切削抵抗が小さく振動が小さいため、非常に精密な部品の加工が可能であり、面粗さも1～2レベル低減され、現代の製造業の高精度製品のニーズに応えます。

高速切削技術の開発は、機械製造業の高効率、高精度、高柔軟性、グリーンの方向への発展を促進します。 一方で、高速切削技術の応用は機械製造業の技術進歩を促進します。 高速切削技術には、高速切削工作機械、高速切削工具、高性能数値制御システムなどの多くの先端技術が必要であり、これらの技術の発展が全体の技術レベルを押し上げます。機械製造業。 例えば、高速切削工作機械の研究開発には、高度な主軸技術、送りシステム技術、構造設計技術が必要であり、これらの技術のブレークスルーにより、機械製造業界におけるより高度な加工装置が提供されます。 一方、高速切削技術の推進は機械製造業の競争力向上につながります。 世界の製造業における競争がますます激化する中、高速切断技術は製品の品​​質を向上させ、生産コストを削減し、生産サイクルを短縮し、企業にとって市場競争上の優位性を獲得することができます。 航空宇宙製造業を例にとると、高速切断技術はアルミニウム合金やチタン合金などの軽量材料を加工し、航空機の性能と安全性を向上させ、国際市場での企業の競争力を強化します。

今後、高速切断技術のキーテクノロジー研究は、より高速、より高精度、よりインテリジェントな方向に発展していきます。 高速切削工作機械については、主軸速度や送り速度のさらなる向上を図るとともに、工作機械の剛性や安定性を向上させるため、主軸系や送り系の高度化を図る。 たとえば、磁気浮上技術と空気静圧技術を使用したスピンドル システムは 100,000 RPM 以上に達することができます。リニアモーターとグレーティングスケールフィードバック技術を使用した送りシステムは、最大5gの加速が可能で、位置決め精度はミクロンレベルに達します。 高速切削工具では、工具材料やコーティング技術の開発が進み、工具の硬度、耐摩耗性、耐熱性が向上します。 例えば、ナノコーティング技術を利用した工具の硬度は2～3倍、耐摩耗性は5～10倍向上します。 数値制御システムに関しては、数値制御システムの計算速度とデータ処理能力を向上させるために、より高度なプログラミング技術と制御アルゴリズムが開発されます。 例えば、人工知能技術やビッグデータ解析技術を活用した数値制御システムにより、加工材料や工具の特性に応じて切削条件を自動的に最適化し、加工効率と品質を向上させることができます。

アプリケーションレベルでは、高速切断技術は今後も応用分野を拡大し、より幅広い用途を実現していきます。 一方で、高速切断技術は従来の製造業でより広く使用されるでしょう。 例えば、機械製造、自動車製造、航空宇宙製造の分野では、高速切削技術が徐々に従来の切削技術に取って代わり、主流の加工方法となるでしょう。 一方、高速切削技術は新興製造業に応用されることになる。 たとえば、3D プリンティング、マイクロおよびナノ製造、バイオメディカル製造などの分野では、高速切断技術を他の高度な製造技術と組み合わせることで、複雑な形状の部品の高精度加工を実現できます。 さらに、高速切断技術はグリーンマニュファクチャリングの方向に発展します。 たとえば、ドライ切削技術と微量潤滑技術を使用すると、切削液の使用量を削減し、環境汚染を軽減し、グリーン製造を実現できます。