長年にわたる現場での実践的なデバッグ経験に基づいて、金属工具の切削原理から始まり、工具材料、切削パラメータ、ワイパーエッジ、リード角、加工方法、複合工具などの要素を組み合わせた6つの最適化手法が導入されています。切断コストを削減します。 生産効率の向上が目的。
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序文
我が国の製造業の急速な発展は、我が国、さらには世界に多大な経済的利益をもたらしました。 市場競争が激化する中、コスト削減と効率化があらゆる企業にとっての課題となっています。 効果的にコストを削減し、効率を高めるためには、生産コストの構成を分析する必要があります。 生産コストは、直接材料、直接労働力、製造間接費の 3 つの部分で構成されます。 直接資材とは、生産過程において半製品や完成品に加工される労働対象を指し、その後、その使用価値が別の使用価値となる。 直接労働とは、生産過程で消費される人的資源を指し、賃金や福利厚生費などから計算できます。製造費は、生産過程で使用される工場、機械、車両や設備などの設備、資材、副資材などを指します。 それらの消費の一部は減価償却費として原価に含まれ、残りの一部はメンテナンス、固定費、機械材料の消費、副資材の消費が原価に含まれます。 この記事では、いくつかの工具の使用方法を最適化して、工具の消費コストを削減し、加工効率を向上させ、工作機械の使用コストを節約する効果を実現します。
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工具材質を変更して加工効率を向上
一般的に使用される工具材料には、ハイス、超硬、セラミックス、CBN、PCD などがあります。 CBN と PCD は硬度が高く、耐摩耗性に優れていますが、材料は比較的脆いです。 ハイス鋼は靱性に優れていますが、硬度が非常に低く耐摩耗性に劣ります。
ハイス鋼は高炭素合金鋼です。 主な合金元素はタングステン、クロム、モリブデン、コバルト、バナジウム、アルミニウムなどであり、炭化物を多量に含んでいます。 ハイス鋼の切削工具は、靭性が高く、硬度が比較的低いです。 利点は、安価で可塑性が高く、ほぼすべての材料を加工できることです。 これらは初期の切削工具に使用される主な材料でした。 欠点は、オペレーターに対する要求が高く、手作業が必要なことです。 ハイス材が耐えられる研ぎ、切削速度は非常に遅いです。 例えば、被削材の材質が45鋼、硬度が250HBW、切削速度が30～60m/minであり、切削効率は低い。
現在、最も一般的に使用されている工具材料はコーティングされた超硬です。 コーティング超硬工具はハイス工具に比べて硬度、耐熱性に優れています。 切断速度は 100 ～ 300m/min の範囲で、より高速な切断速度に耐えることができます[1]。
鋼部品の外周旋削を例にとると、ハイス旋削工具の代わりに超硬旋削工具を使用すると、切削速度が50m/minから180m/minに向上し、効率が10倍以上向上します。 3倍、そして超硬工具もより高い切削工具を持っています。 人生。 刃先交換式の超硬旋削工具は刃を交換するだけで研ぐ必要がなく、作業者に研ぎのスキルは必要ありません。
切削工具はハイスや超硬のほか、セラミックス、CBN、PCDなどもあります。 これら 3 つの材料は、1000m/分以上の高い切断速度を持っていますが、その適用範囲は限られています。 セラミックスとCBNは通常、50HRCを超える高硬度の鋳鉄ワークピースや鋼ワークピースの加工に使用されます。 PCD は通常、アルミニウム、プラスチック、木材、超硬の加工に使用されますが、鋳鉄部品は加工できません [2]。
アルミニウム合金フライスを例にとると、ハイスフライスの切削速度は120～300m/minです。 Mapal ブランドの超硬フライス HP615 材質の推奨切削速度は 700m/min ですが、PCD 材質のフライスも使用できます。 切断速度は1500～2000m/minです。
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工具寿命と生産効率に対する切削パラメータの影響
加工効率と工具寿命を向上させるには、切削パラメータが妥当であるかどうかを判断し、各切削パラメータが工具寿命と効率に与える影響を分析する必要があります。 切削パラメータには、切削速度（線速度）、送り速度、背面切削量があり、切削の 3 要素とも呼ばれます。
3.1 切削速度vc
切削速度 vc と主軸速度の関係は vc=πDn/1000 です。D は工具/ワークの有効径 (単位: mm)、n は工作機械の速度 (単位: r/min) です。 ）。 切削速度が速すぎると逃げ面摩耗が増加し、ワークの面品位が低下します。 切削速度が非常に速い場合、インサートも塑性変形を起こします。 切削速度が工具寿命に及ぼす影響曲線を図 1 に示します。
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図1 切削速度が工具寿命に及ぼす影響曲線
3.2 送り速度vf
送り速度の計算式はvf=fZZnn、fZは工具送り（単位はmm/z）、Znは有効切れ刃数（単位は単位）、nは工作機械の速度（単位は単位）です。は r/min)。 送り速度が速すぎると切りくずが制御できなくなり、加工面品位が低下します。 切削能力が高く、切りくずが工具や加工面に衝突します。 送り速度が工具寿命に及ぼす影響曲線を図 2 に示します。
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図2 送り速度が工具寿命に及ぼす影響曲線
3.3 バックナイフapの量
背面切削量とは、未切削面と切削面との差を指します。 背面切削量が工具寿命に及ぼす影響曲線を図3に示します。
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図3 背面切削量が工具寿命に及ぼす影響曲線
切削の3要素のうち、切削速度、送り速度、戻り食い込み量はすべて工具寿命に影響を与えます。 バックカット量の影響が最も小さく、バックカット量よりも送り速度の影響が大きく、刃物の寿命に最も影響を与えるのは切削速度です。
最長の工具寿命を得るために、最適化パラメータの方向性は次のとおりです。バックエンゲージメントを最大化して工具パスの回数を減らします。 送り速度を最大にして切削時間を短縮します。 最高の工具寿命を得るには、切削速度を下げてください。
荒加工効率を向上させるには、まずバックカット量を最適化することから始めます。 工具経路が多い場合は、背面切削量を増やして工具経路を短くするか、背面切削量を増やして切削速度を下げ、工具寿命を向上させます。 、送り速度を上げ、加工効率を確保します。
3.4 応用例
自動車部品加工工場で生産されるフランジを図4に示します。既存の加工ソリューションは非効率であり、工具寿命と生産効率を向上させるには、さまざまな切削パラメータを最適化する必要があります。
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図4 フランジ
バックカット量を増やし、ツールパスを減らし、切削速度を下げることで、加工計画を最適化します。 最適化前は工具経路が多くて混沌としていましたが、図 5 と図 6 に示すように、最適化後は工具経路が明確になりました。最適化前後のパラメータを表 1 に示します。最適化後、工具寿命が延長されました。 15部から31部へ。
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図 5 フロントツールパスの最適化
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図 6 最適化されたツールパス
表 1 最適化前後のパラメータ
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刃の切断性能を測る要素は切断速度です。 CNC システムはスピンドル速度を読み取ります。 多くのプログラマは、プログラムを設計するときに速度だけを考慮し、直径係数を無視します。 ただし、実際の加工では直径係数の影響も大きくなります。 旋削加工を例にとると、ワーク直径Dが50mm、工作機械の回転速度nが1000r/minのとき、線速度vc=157m/minは次のようになります。 ワーク直径Dが100mm、工作機械の回転速度nが1000r/minのとき、線速度vc=314m/minは次のようになります。
工具サンプルによれば、切断速度は314m/minと非常に高速で、超硬刃が耐えられる限界に近い。 切削速度が速いと、工具の磨耗が促進され、工具の寿命が短くなる可能性があります。
このことから、工作機械の速度が同じで、ワーク径や工具の切削速度が異なる場合でも、工具寿命が低すぎる場合に、その原因が切削速度の速すぎであるかどうかを確認できることがわかります。
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ワイパーエッジが切削効率に及ぼす影響
ワイパーブレードの先端角は半径の異なる3～9個の円弧で構成されており、円弧半径は900mm以上に達する場合もあります。 工具先端フィレットと送り量と面品位の関係は、
Rmax＝fn²/8r(1)
Rmax (ワイピングエッジ)=Rmax/² (2)
式中、fnは送り量(mm/r)、 r は工具先端フィレット半径 (mm) です。 Rmaxは切削面の山と谷の高さの差(mm)です。
仕上げ旋削や中ぐり加工に適した工法です。 ワイパーツール自体には早送り機能はありません。 ただし、前の式によれば、ワイパー ツールの特性は次のとおりであると推測できます。加工パラメータが同じ場合、ワイパー ツールの表面品質は 1 倍向上します。 表面品質が同じ場合、ワイパーツールの送り速度を1倍にすることができます。 。
同じ表面品質が必要な場合は、ワイパー ツールを使用するときにより高い送り速度を使用できます。
効率化の例としてアウトプットシェル端面の加工を例に挙げますと、ワーク材質はQT500、表面粗さ値Raは1.6μm以下が必要となります。 サイクルタイムを向上させるために、ワイパーブレードを使用しました。 同等の面粗さの要求を満たすことを前提に、送り速度を0.36mm/rから0.5mm/rに高速化しました。 表面粗さの実測値はRa=1.33μmであり、ブレード寿命も同等であった。 通常の旋削インサートとワイパーインサートを使用した場合の各種加工パラメータを表2に示します。最適化後のアウトプットシェル端面を図7に示します。
表2 一般旋削チップとワイパーチップの各種加工パラメータ
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図 7 最適化された出力シェル端面
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切削効率に対する主偏向角の影響
歯当たりの送りについては、送り速度の概念についての以前の簡単な紹介で説明しました。 一部のブランドの工具サンプルでは、刃当たりの送りではなく、最大切りくず厚さの六角形を切削パラメータとして推奨しています。 送り量を決めるのは最大切りくず厚みhexと工具の進み角Krだからです。 変換式は hex=fzsinKr です。
主偏向角が 90 度、fz=hex の場合、工具の最大切りくず厚さは 1 刃あたりの送りと同じになります。 主偏向角が小さくなると、送り速度を速くすることができます。
直角肩削りフライス (図 8 参照) を例にとると、90 度直角肩削りフライスの刃数 ZN は 5 枚刃、n=1000r/min、hex=0.2mm です。 、fz=0.2mm/z、工作機械送り速度vf=0.2×5×1000=1000 (mm/min)。
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a) 四角肩フライス構造図
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b) 物理的オブジェクト
図8 90度直角肩削りカッター
45 度の進角正面フライスカッター (図 9 を参照) ZN には 5 つの刃があり、n=1000r/min、hex=0.2mm、fz=hex /sin45 度 {{8} }.282mm/z、すると工作機械の送り速度 vf=0.282× 5×1000=1410 (mm/min) となります。
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a) 正面フライスの構造図
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b) 物理的オブジェクト
図9 45度直角肩削りカッター
10 度の進角正面フライス カッター (図 10 を参照) ZN には 5 つの刃があり、n=1000r/min、hex=0.2mm、fz= hex/sin10 度 {{8} }.156mm/z、すると工作機械の送り速度 vf=1.156× 5×1000=5780 (mm/min) となります。
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a) 信号
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b) 物理的オブジェクト
図10 10度直角肩削りカッター
つまり、同じ種類のブレードの同じ回転速度では、主振れ角が小さいほど、より高い送り速度を使用できます。 90 度直角肩削りフライスは主にラジアル力を負担し、アキシアル力はゼロに近づくことに注意してください。 主振れ角が 10 度のフライスを例にとると、主振れ角が小さくなると、主に軸力がかかります。 ラジアル力は非常に小さいです。 主偏向角が小さいほど振動傾向が大きくなり、消費電力も高くなります。
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加工方法が切削効率に及ぼす影響
切削ツールパスも加工効率に大きな影響を与えます。 例えば、最近人気のダイナミックミーリング加工は、バックカット量が多く、切り込み幅が小さい効率の良いトロコイドミーリング加工法です。 従来のトロコイド ミーリングとの違いは、ダイナミック ミーリング プロセスが一定の切りくず厚さの六角形に厳密に準拠していることです。 高い金属除去率を誇ります。 ダイナミックミーリングは工具切削時の切削抵抗を一定に保つことができるため、加工速度が速く安定しています。
バルブ本体の外形のフライス加工を例として、加工方法が切削効率に及ぼす影響を説明します。 ワークピースはステンレス鋼製です。 問題は、工具の長さと直径の比率が直径の 4 倍に達し、加工中に振動が発生することです。 当初の計画ではインサート交換式四角肩フライスを使用していましたが、アスペクト比が大きいため切削振動が大きくなってしまいました。 正常に処理できません。 超硬エンドミル、大きな背面切削能力、小さな切削幅、ダイナミックミーリング方式の使用に最適化されています。 動的フライス加工ツール パス シミュレーションを図 11 に示し、比較パラメータを表 3 に示します。
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図 11 動的フライス加工ツール パスのシミュレーション
表 3 パラメータの比較
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複合工具で加工効率を向上
大量生産製品の場合、生産効率を向上させるために、面取りドリル、複合ボーリング工具などの複合工具が通常使用されます (図 12 を参照)。
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図 12 複合ボーリング工具
複合ツールは、1 つのツールを使用して複数の作業ステップを処理するため、処理効率が向上し、複数のツールのツール交換時間が節約されます。 複合切削工具にも多くの欠点があります。 最大の欠点は、それらが普遍的ではないことです。 切削工具は特定のワークピース用にのみ設計されており、他のワークピースに汎用的に使用することはできません [3]。
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結論
この記事では、切削工具を最適化する 6 つの方法を説明します。これは、生産効率の向上とコスト削減の指針となります。 ツールの最適化方法は柔軟である必要があり、実践ベースで行う必要があります。 最適化を行う前に、ボトルネックとなっているプロセスを分析し、目標を絞った方法でツールを最適化し、特定の生産条件に応じて問題を解決するための重要なポイントを把握する必要があります。
