フライス加工を成功させるための鍵

成功するフライス加工アプリケーションがどのようなものかについて同意を得るのは難しくありません。このアプリケーションは、ワークピースの材質と部品構成に適合した切削工具と治具を備えた有能な機械を特徴としており、望ましい表面仕上げ、工具摩耗、工具寿命を実現します。

しかし、どのショップにとっても、多くの競合テクノロジーの中から正しい選択をし、トレードオフを特定し、可能な限り最新の高度なテクノロジーとプログラミング戦略を組み込むことが課題となります。一部の大手テクノロジーサプライヤーがフライス加工プロセスとそれに関連する選択肢をどのように見ているかを次に示します。

最近の SME Advanced Manufacturing Now ポッドキャストで、Ceratizit USA (イリノイ州シャンバーグ) のセールスエンジニア兼切削工具の Chuck Somerville 氏が、彼が「フライス加工アプリケーションを成功させる 6 つの鍵」と呼ぶものの概要を説明しました。それらには次のものが含まれます。

考慮すべき点としては、ワークの複雑さ、工場のスキルレベル、機械オペレーター、プログラマー、セットアップ担当者間のコミュニケーションの必要性などが挙げられます。「全員が共通の知識を共有していない」とサマービル氏は語った。

「プログラマーはコードの生成方法を知っています。機械オペレーターは機械にロードしてボタンを押す方法を知っています。」と彼は説明しました。「しかし、多くの場合、プログラマーは、オペレーターがボタンを押して工具が切削を開始したときに何が起こるかを理解していません。」

だからこそ、マシンの柔軟性が非常に重要です。たとえば、Ceratizit の新しい MaxiMill 273 ツーリングシステムは、両側に正の逃げ角を持つ高精度の角柱状インサートを備えています。このインサートは、両側の切れ刃を使用できるネガインサートの利点と、切削抵抗が低いポジインサートの利点を組み合わせています。新しいツーリングシステムは、0.140 インチ [3.6 mm] 未満の材料除去を必要とするフライス加工ワークピースの大部分を対象としています。

MaxiMill 273 バージョン 2 は、各直径に最大数の歯を備えた特に狭いピッチを特徴とし、高い送り速度を可能にします。同氏が「フライス加工アプリケーションを成功させるための 6 つの鍵」と呼ぶものは、主に自動車向けの鋳鉄部品の大量生産に特に適しています。それらには次のものが含まれます。

MaxiMill 273 バージョン 2 は、各直径に最大数の歯を備えた特に狭いピッチを特徴とし、高い送り速度を可能にします。 Ceratizit 氏によると、これは、適度な切り込み深さで短い加工時間が必要とされる主に自動車の鋳鉄部品の大量生産に特に適しています。

テキサス州アーリントンにあるイスカル USA のフライス加工ナショナルプロダクトマネージャー、ブライアン・スタサック氏は、被削材の材料の硬度条件 (Rc) に大きく影響される被削性への取り組みの基本について概説しました。特定の被削材の材質と用途に応じて適切な切削工具の形状とコーティングを選択することが、成功には不可欠であると同氏は指摘しました。

切削工具は、加工硬化や切りくず形成時の過剰な熱を防ぐために、被削材の材料を「耕す」のではなく、せん断する必要があるとステュサック氏は説明しました。「安定した安全なプロセスのためには、ワークホールディングは強固でなければなりません。びびりや振動があると、部品の品質が低下し、切削工具の性能が低下する可能性があります。」と彼は付け加えました。

「工具寿命が最適化された高品質の部品を得るには、基本的なフライス加工アプリケーションの原則と戦略を CAD/CAM に組み込むことが不可欠です。特定のアプリケーション/材料では、潤滑剤として機能し、切りくずを排出し、切削ゾーンを冷却するクーラントが必須です。高圧クーラント (HPC) は、工作機械にこの機能が備わっている場合には常に推奨されます。HPC は、切削工具の境界面の切りくず/すくい面に対して油圧ウェッジとして機能し、少ない労力で切りくずを持ち上げて BUE を低減し、切削工具とワークピースへの冷却作用です」とステュサック氏は語った。

自動車、一般工学、医療などの多様な用途向けに、イスカルの刃先交換式フライス設計は、多用途ソリューションまたはアプリケーション固有のソリューションとして分類できます。ジョブショップの場合、カッターポケットの高い正の傾斜 (軸方向/半径方向) を備えた多用途フライスを使用すると、端面加工、肩加工、閉じた溝と開いた溝加工、ヘリカル補間、ランピング、倣い加工、コピーフライス加工などの作業が可能になるとステュサック氏は述べました。

同社によれば、イスカルの Heli3Mill 設計は、「長年」にわたって存在してきた従来の APKT スタイルのインサートに比べて利点があります。まず、このカッターは 3 つのヘリカル切れ刃を備えた真の 90° の切れ刃角度を備えており、2 コーナチップと比較して刃当たりのコストが削減されます。 Heli3Mill の V 字型ポケットは、ラジアル方向の 2 つの接触点でインサートを捕捉し、クランプ剛性を高めます。

「このカッターは、カッターの設計に高いアキシャルレーキ角が組み込まれているため、軽量機械に最適です」とステュサック氏は述べています。 Heli3Mill の三角形のインサート刃先形状は、多数の材種オプションとともに、5、7、10、15、19 mm の 5 つの IC サイズで利用できます。これらのインサートは、0.236 インチ～6.00 インチ (6 ～ 152 mm) の範囲のカッター本体直径で使用できます。

特定用途向けの加工向けに、イスカルは両面三角形または三角形状のインサートを備えた HELIDO H690 工具ラインを提供しています。これにより、実稼働環境のエッジあたりのコストが削減されると Stusak 氏は指摘しました。同氏は、重負荷の作業向けに、HELIDO H490 と HELITANG T490 は、重金属除去率 (MRR) の向上に向けて、より厚い断面を備えた 4 コーナインサートを備えていると述べました。

イスカルは最近、LOGIQ8TANG や NEODO S890 などの 8 コーナチップを導入しました。これは、「事前にコスト分析を実施して加工コスト、コスト/刃先、および工具寿命を比較した場合、あらゆる業界セグメントのニアネットシェイプの期待に応える」ためです。所定の申請があった」とステュサック氏は付け加えた。

同氏は、軽量な機械の人気にも言及した。「積層造形における材料除去の削減と、ほぼネットシェイプの鋳造/鍛造が一般的になりつつあります。仕上げ用途向けに設計されたエンドミル、つまりバレルミルは、従来のボールエンドミル設計と比較して、サイクル時間を 50 ～ 90% 短縮できます。」

イスカルのバレルミルには超硬ソリッドとマルチマスターがあります。浅い切込み深さで設計されたフライス用インサートは、このニーズにも対応します。イスカルのミニミル (NANMILL、Heli3Mill、および Heli4Mill) は、90° フライス加工用途に浅い切込み深さを提供します。より高速な MRR を実現するために、イスカルの刃先交換式ミニミル製品は、Micro3Feed および NANFEED などの高速送りにも拡張されています。

また、チップスプリッターを備えたエンドミルは、作業現場や生産環境では一般的になってきました。この技術により、ワークにかかる半径方向の切削抵抗が軽減され、切りくず処理が管理されます。

部品を加工して印刷を成功させるための最も重要な要素は、「文字通りすべて」から始まると、ウィスコンシン州ウォーキシャの Walter USA LLC の製品マネージャー、Brian Baker 氏は主張します。「適切な工作機械、つまり十分な大きさの機能を備えた工作機械から始める必要があります今日の最新の工具に適した作業範囲、適切な馬力、トルク、主軸速度が必要です。その後、プログラミングでは、材料にスムーズに転がり込むエンドミルやショルダーミルなど、適切なベストプラクティス方法を使用する必要があります。また、該当する場合は、はい、適切なクーラント量も必要です、圧力、配置、集中もすべて重要です」とベイカー氏はアドバイスしました。

「しかし、ツールを忘れてはなりません。アプリケーションに適したツールを持つことは間違いなく必須です」と Baker 氏は続けました。

「これらの領域のいずれかで欠陥があれば、不可能ではないにしても、機械加工を成功させるのは困難な戦いになります。この目的のために、ウォルターは、0.0157 から始まるマイクロソリッドカーバイドエンドミルを含む、あらゆる用途向けのフライス加工製品の幅広い選択肢を用意しています。」医療用 [0.4 mm]、チタン合金専用に設計された 7 枚刃のロングリーチエンドミル、考えられるほぼすべての用途に対応する挿入可能なミルの豊富な選択肢。

Walter の標準ツールの現在のカタログには 44,000 を超える品目があります。ベイカー氏によると、ツーリングの図面とモデルに関しては、ウォルターの標準製品の大部分にはすでに、PDF、DXF、STP、またはその 3 つすべてでフォーマットされた図面が同社の Web サイトでアクセス可能になっているという。 Walter の Xpress ソフトウェアを使用すると、セールスエンジニアは顧客サイトでいくつかの特別なツールを設計および見積もることができ、数分以内に見積、印刷、モデリングを提供できます。

ベイカー氏によると、このサプライヤーは、変化する要件を満たすために、より高速な機械速度と馬力に対応するための新しいアップグレードされたツールも開発中であるという。

「一例は、高速アルミニウム加工用の当社の M2131 ミルです。私たちは文字通り、各インサート座にキーを機械加工し、各インサートにキー溝を成形して、今日の高速スピンドルの遠心力から本体に固定し、最高速度で回転できるようにしました。」

また、ツールが対応しなければならない市場の大きな変化もあります。例えば自動車業界では、ベイカー氏は電気自動車、複合ボディパネル、アルミニウムフレーム、モーターハウジングへの「大規模な移行」を挙げた。「過去数十年に渡って90パーセントを占めていた鋼と鉄の組成は急速に消えつつあり、工具のニーズはそれを反映しています」と彼は続けた。「ウォルターは、自動車や航空宇宙向けのアルミニウムとチタンの機械加工、さらには金型やダイス向けの硬質材料の機械加工、そして同様の変革を遂げているエネルギー分野にも重点を置いています。」

機械設計のトレンドは、高速化、高生産性、高精度、リードタイムの短縮、コストの削減、環境に優しい運転を目指しています。これらはすべて、ポケットでのインサートの安定性、ポケットの精度、カッタボディの材質、振れによって工具設計で考慮されます。

ペンシルバニア州ラトローブの Kennametal Inc. のシニアグローバルプロダクトマネージャーである Gil Getz 氏によると、無駄のない製造や、汎用機械で生産される小ロットサイズのジョブショップを実現するには、効率が非常に重要です。

ジョブショップでは、材料の管理、材料の追跡と保管、生産リードタイムの増加、材料の流れの遠方化などのコストが高くなり、結果的に生産コストが高くなる可能性があるとゲッツ氏は説明しました。同氏によると、ケナメタルの焦点は、あらゆる材料やフライス加工要件に対応する「効率的で高性能なソリューション」を提供するフライス工具の広範な品揃えから始まるという。

ショップでは、いくつかの理由からカスタム設計ツールが必要になる場合があります。「部品には、長いリーチ、非常に厳しい公差、さらには特定のサイズなど、標準ツールでは実行できない特別なニーズがある可能性があります」とゲッツ氏は指摘しました。「ソリューションをカスタマイズする最も一般的な理由は、複数の操作を 1 つのツールに結合することです。これにより、多くの場合、複数のパス、ツール交換時間がなくなり、複数の操作を実行する必要がなくなり、サイクルタイムが大幅に短縮されます。

Getz 氏によると、カスタム設計ツールの主な利点はスピンドル時間の節約です。さらなる利点として、同氏はプロセスの簡素化を挙げた。「カスタムソリューションツールを導入すると、製造の複雑さがオペレーターやプログラマーからツールのメーカーに移ります。」と彼は続けました。「このツールには、作戦上の課題に対処するための機能がすでに装備されています。」

ゲッツ氏は、ツールの設計はその機能に大きく依存し、ツールの設計はその機能に大きく依存すると述べ、いくつかの要素を考慮する必要があり、そのうちのいくつかは大きな影響を与えると指摘しました。これらには次のものが含まれます。

ゲッツ氏によると、多くの店には多用途性も必要だという。これには、単一の被削材材料に対する多用途性だけでなく、1 つの工具で異なる材料を加工したり、1 つの工具で複数の操作を実行したりすることも含まれます。

「1 つの刃先交換式フライスで、ショルダー、ランプ、スロット、プランジ、ヘリカルミーリングなどの幅広い用途であらゆる材質に対応できます」と Getz 氏は説明しました。「同じカッターを使用することで、顧客は変更することなく異なるチップ形状をポケットに取り付けることができ、異なる材料を加工するために異なるチップグレードを取り付けることができるため、生産性が向上し、サイクルタイムと加工コストが削減されます。」

Kennametal のミル 4-15 シリーズは、複数の機能向けに設計されています。たとえば、Getz 氏は、「肩削り用途における優れた表面品質と高い切りくず除去率」、および「4 つの切れ刃を備えた両面チップにより、刃あたりのコストが確実に低くなる」と指摘しました。

ゲッツ氏は、ミル 4-15 を「決定的な変革者」と表現し、この機械は多くの操作が可能で、ほとんどの材料に対応できると述べました。新しい SGE-R インサート形状により、ランピング補間とヘリカル補間も追加され、ツールの汎用性がさらに高まりました。

もう 1 つの例は、KCFM45 フェースミルで、ゲッツ氏は、これは単一の被削材 (鋳鉄)、スマートなインサート、およびそのスペースに多用途性を提供する材種開発向けに設計されていると述べました。固定および調整可能なポケットシートを備えており、中仕上げ用途だけでなく精密仕上げ用途にもオプションを提供します。 Kennametal 氏によると、超硬、セラミック、PcBN インサートを備えたこのツールは、柔軟性があり、コスト効率が高く、使いやすいソリューションであり、あらゆるタイプの CNC マシニングセンターに最適です。超硬インサートは、より低い rpm での加工、または薄肉のワークピースや不安定な条件での加工に最適ですが、セラミックインサートは高い表面速度を提供し、結果として生産性が向上します。

オハイオ州ロレインの Absolute Machine Tools のアプリケーションエンジニアである Jason Lutch 氏によると、工場では高送りフライス加工アプリケーションを使用する傾向にあります。「その結果、多くの新しい機械を高送り能力でセットアップすることが求められています。これは、切込み深さ (DOC) を 0.020 インチから 0.036 インチ [0.5 ～ 0.9 mm] まで軽くすることを意味します。」 ]、半径方向のかみ合わせは 5 または 6 インチ [127、152 mm]、180 ～ 300 ipm、4.5 ～ 7.6 m/min の範囲で押します。金型業界、特に形状がますます複雑になる金型キャビティの場合、ダイナミックミーリングは高い金属除去率 (MRR) を達成し、キャビティからできるだけ多くの材料を除去してから仕上げ工具を使用します。」

たとえば、単純なポケット加工を施した真っ直ぐな壁のようなものでは、通常、動的フライス加工が最も速い除去速度を生み出す、とラッチ氏は述べた。「同じ原理を使用する他のアプリケーションにも遭遇します。ただし、DOC が 0.015 インチから 0.030 インチ [0.38 ～ 0.76 mm] または 040 インチ [1.02 mm] であるのではなく、次のようなサイドローダーが搭載されています。軸方向 DOC は 0.020 インチから 0.040 [0.5 ～ 1.02 mm] なので、0.5 インチのエンドミルを 1 インチと 4 分の 1 の深さで埋め込み、パスで 0.020 インチ [0.5 mm] を取得しますが、非常に高い回転数で行います。そして非常に高い送り速度。金型の傾斜や輪郭が異なる場合、深い DOC を使用することには欠点があります。 DOC は高送りカッターほど壁に沿って輪郭を描いていないため、仕上げパスにはもう少し多くの材料が残ります」と Lutch 氏は指摘しました。

「多くのダイナミックフライス加工および CAM ソフトウェアが、8,000 ～ 15,000 rpm 範囲のローエンドスピンドルに適応されています」と彼は言いました。「たとえば、Mastercam などの CAM ソフトウェアで実行できるダイナミックミーリングやトロコイドミーリングの多くでは、機械の馬力制約に従って送りと速度を制御できます。10 馬力であろうと 50 馬力であろうと、最大 MRR を調整できます。」マシンに過度の負担をかけないようにするためです。」

ラッチ氏によると、トロコイドまたはダイナミックフライス加工では、ポケット、ステップオーバー、DOC、およびカッターの噛み合いを維持して金属除去を最大化する回転数を選択することができます。

CAM ソフトウェアは、セットアップシートとデータシートに関して大きな進歩を遂げてきました。ラッチ氏は、高いMRRに関して言えば、今ではプログラマーが中心人物になっていると述べ、かつてはオペレーターがGコードを使って多くのことを制御し、機械でどのようにプログラムしていたのかを指摘した。「フライス加工の世界で私たちが発見したのは、フライス加工の世界が CAM ソフトウェアに移行しているということです」と彼は続けました。「ソフトウェアを使用してできることはたくさんあります。ツールテーブルと操作をセットアップできるため、CAM のフロントエンドをより簡単に行うことができます。

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