切削加工と剛性の関係「精度向上・刃持ちUP」

切削加工の基礎

剛性と精度

切削加工において剛性は精度そのもの、ふたつの関係を説明します

振動と精度

最も重要なのが振動の抑制と吸収

切削は材料と刃物がぶつかり合う加工

ぶつかり合う振動がツールホルダーを伝わり、主軸、ベアリング、鋳物に伝わります

そして床に伝わり、他の機械に伝わり、他の機械で削っている材料まで伝わるのです

振動は機械加工には悩みのタネ

伝達された振動はあらゆるところに悪さをします

加工に悪さする

材料と刃先に悪さする振動は、面粗さを悪くする

機械に悪さする

振動はベアリングのガタを大きくし、各部品の接続部を緩める

振動はネジをゆるめる

振動を減衰する

振動を伝達させないようにするためには、振動を吸収する必要があります

柔らかいモノは振動は吸収するが剛性が無く切削の力を支えることができません

そこで工作機械の多くは、機械本体の材料に鋳物を使っています

鋳物(ダクタイル鋳鉄)は組織中に球状の黒鉛を含み、鋳鉄を伝わる振動を球状黒鉛が吸収します

振動は軽くて硬いほど良く伝わる

釣りをする人ならご存じだと思いますが

特にルアーフィッシングは糸とロッド(釣り竿)とリールを通して水中をサーチします

操作しているルアーに魚が寄ったり、アプローチしているかを感じ取る必要があるからです

釣り人はロッド・ライン・リールを伝った振動を手で感じ取ることで水中を見ます

ロッドはカーボン素材で軽く硬いため、わずかな振動も手元に伝えます

ライン(糸)も伸びが少なく振動を吸収しにくい素材でできています

リールは一切ガタの無い高精度に加工された部品と、軽く硬い素材でできた本体は

高精度なベアリングで支持されています

剛性と精度

振動を抑制するために剛性を上げる

振動が発生する箇所の剛性を上げる必要があります

振動が発生する場所は、切削しているポイントです(フレやガタなどもある)

刃先と材料がぶつかり、衝撃を連続的に発生させています

ワーク剛性

ワークそのものが加工の衝撃で振動するのは、機械剛性とは別の問題です

ワークはできる限りテーブルに近い位置で、可能な限り設置する面積を大きくします

クランプ力は切削で発生する力に負けないようにし、傷がつかないようにやさしく抑える必要があります

工具剛性

加工方法にあった刃物を使用することは当然ですが、

切込みや加工深さにあわせ、必要最小限の有効長を選択します。

刃物の突き出しは必要最小限が基本です、1mmでも短く

工具たわみ量については過去に記事を参考にしてください

エンドミルは規則正しく配列された刃が安定したタイミングで材料にぶつかることで発生する共振という振動があります

共振を防ぐには「不等リードエンドミル」など、

刃先が当たるタイミングを振動(ビビり)を防止するモノもあります

ツーリングも剛性が高く精度の高いモノを使用します

刃物サイズや加工形状に合わせる必要はありますが、なるべく太いホルダーがベスト

そして最後はプルスタッドボルト

これは定期的に増し締めが必要です

ネジの原理を理解すれば当然です。

プルスタッドボルトは毎回相当な力で引かれています

高品質のモノを使用するのは当然ですが、定期的に交換するべきです。

剛性と工具摩耗

剛性が低いと最も感じられるのが工具摩耗(損傷)だと思います

工具が悪いわけでも材料が硬いわけでもなく、単に剛性が低い場合が多いです

剛性の低い機械(鋳物の体積が小さい機械)で、

プルスタッドボルトの引っ張り力も弱い機械では

高送りカッターなどの高効率工具は刃先摩耗は極端に早く進みます

突き出しが長すぎる工具の摩耗が早かったりかけたりするのも

工具自体の剛性が低いためです

剛性と面粗さ

剛性の低さは加工面の品質に直結します

振動がそのまま加工面に反映されます

剛性の低い機械・工具のセッティングでもあきらめる必要はありません

工具の進行方向は基本ダウンカットですが、

剛性の低い機械にはアップカットが有効です

工具摩耗が早くなるため、粗加工・中止上げはダウンカットで加工します

仕上げ代は微小にしてアップカットで仕上げれば加工面はきれいになります

まとめ

切削加工はどうやって剛性を保つか、剛性を上げるか

切削条件よりも重要なことです

高速加工や難削材加工は特に重要です

剛性が高いか低いかを判断するのは、音と振動で分かります

機械メーカーでも、振動に着目してセンサーで監視するオプションもあります

監視しても剛性を上げられるわけではなく、

状態に合わせた切削条件に変更するというものです

振動を抑制することは簡単ではありませんが、

一か所づづ剛性があるかどうかのチェック・判断で改善可能です。

  • ステンレスの切削、ビビり防止には日進工具のMSXシリーズを使ってください
  • 焼入れ鋼(HRC60)の切削には、三菱マテリアルのミラクルエンドミルシリーズを使ってください
  • 刃物突き出しは限界まで短くしてください
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