十数年前、私が初めて非標準のカッター ヘッドのサプライヤーとして働き始めたとき、新人の機械工から「既製の部品が実績があり、調達が容易であるにもかかわらず、なぜ高速加工 (HSM) で非標準のカッター ヘッドを使用するのでしょうか?」という混乱した質問を受けました。当時、私もその不安とともにうなずいていたでしょう。顧客に仕事を説明し始めるまでは、カスタム切削工具に対する私の考え方は永遠に変わりました。
2016 年、デトロイトの精密航空宇宙部品工場では、高強度チタン合金から小さく複雑なタービン ブレードの根元をフライス加工する必要がありました。既製のカッターヘッドでは、ブレードをタービンディスクに取り付けるために必要な 0.002mm という厳しい公差に耐えることができず、純正工具は 12,000 RPM で非常にひどく振動し、予想される稼働時間の半分で摩耗してしまいました。私のチームは 3 週間かけて、可変フルート間隔、カスタムバランス溝、すくい角を変更した非標準の超硬カッターヘッドを設計して、びびらずにチタンを切削できました。 HSM センターを起動すると、18,000 RPM に達し、工具の故障を 1 つも発生させることなく、3 シフト連続で部品を稼働させ、すべて許容範囲内に収まりました。この仕事から、標準外のカッター ヘッドは単なる「あると便利」なものではなく、科学を正しく理解すれば HSM にとって大きな変革をもたらす可能性があることを学びました。
ここでのルールは交渉の余地のないものであるため、高速加工に実際に要求されるものから始めましょう。 HSM は単に「工具を速く動かす」だけではなく、切削速度が 10,000 RPM を超え、材料や工具によっては 30,000 RPM 以上に達することもあります。ここでの主な課題は、びびり、熱膨張、工具のバランス、および独特のワーク形状に適応する能力です。既製のカッターヘッドは汎用作業用に作られているため、ほとんどの標準的な工作機械ホルダーに適合し、アルミニウムや軟鋼などの一般的な材料を処理できるように作られています。しかし、珍しい合金 (チタン、インコネル、ハステロイ)、複雑な 3D 形状 (タービンブレード、医療用インプラント、金型など)、または非常に厳しい公差を扱う場合、標準部品では不十分です。そこで、非標準のカッターヘッドが登場します。
しかし、それはすべてのカスタム カッター ヘッドが HSM で機能することを意味するのでしょうか?絶対に違います。多くの新しいショップが犯す間違いは、「規格外」を単に「奇妙な形状」を意味すると考えることです。しかし、HSM ではあらゆる段階で精密なエンジニアリングが必要です。ここではバランスについては交渉の余地はありません。 20,000 RPM では、カッター ヘッドの 0.01 グラムの不均衡でも遠心力が発生し、機械が揺れ、工具がたわみ、さらにはスピンドルが損傷する可能性があります。標準のカッターヘッドは G6.3 または G2.5 の公差でバランスが取られていますが、HSM の場合、非標準のヘッドは G0.4 以上のバランスが取られている必要があります。このステップを省略するとツールの故障や部品の廃棄につながることがわかっているため、私たちはこの種のカスタム作業を定期的に行っています。
もう一つの大きな要因は工具の材質とコーティングです。 HSM の場合、高温 (刃先の摩擦は 1,000°C に達する場合があります) に対応でき、耐摩耗性を備えた工具が必要です。既製のヘッドは TiN などの一般的なコーティングを使用しますが、非標準のヘッドは材料に応じて AlTiN やダイヤモンド ライク カーボン (DLC) などの特殊なコーティングでカスタマイズできます。たとえば、顧客がドローンのコンポーネント用に炭素繊維強化ポリマー (CFRP) を機械加工する必要があるとき、当社は CFRP を剥離しない、非常に鋭いエッジを備えた非標準のダイヤモンド コーティングされたカッター ヘッドを設計しました。これは標準のヘッドでは 25,000 RPM で行うことができませんでした。
ちょっと待って、剛性はどうですか？ HSM では工具のたわみが大敵です。標準的なカッター ヘッドにはストレート シャンクが付いていますが、金型の深いキャビティを加工している場合、ストレート シャンクは高 RPM で曲がります。標準以外のヘッドは、不必要な重量を追加することなく剛性を高めるテーパーシャンクまたは強化コアを使用して設計できます。また、カッター ヘッドのインターフェースに適合するカスタム ピン シャフトなどの精密金属加工コンポーネントなど、ツール アセンブリ全体が確実に機能するように、他のカスタム金属部品とも連携しています。たとえヘッド自体が完璧であっても、カッターヘッドとスピンドルホルダー間の小さな不一致でも振動が発生する可能性があるため、これは重要です。
非標準のカッター ヘッドが HSM の問題をどのように解決するかを示す実際の事例について話しましょう。ある医療機器メーカーが、機械加工が難しいことで知られるコバルトクロム材料から小さくて複雑な膝インプラント部品をフライス加工する必要があると当社に相談に来ました。彼らは標準の 4 枚刃カッター ヘッドを使用していましたが、15,000 RPM でこのツールは粗い表面仕上げ (Ra 値が 0.8 μm (要件である 0.4 μm より高い)) を生成し、部品 50 個ごとに破損していました。当社は、可変ねじれ角、精密研磨コア、TiAlN コーティングを備えた非標準の 6 枚刃カッター ヘッドを設計しました。可変フルートがびびりを解消し、コアがたわみを低減し、コーティングがコバルトクロムの切削熱に耐えます。 17,000 RPM で同じカッターヘッドを使用して 200 個の部品を稼働させたところ、表面仕上げは 0.3μm で一貫していました。それが、HSM に合わせたカスタム カッター ヘッドの威力です。
しかし、一部の読者がこう考えていることはわかります。「コストはどうですか? 標準のカッター ヘッドは安いですが、非標準のカッター ヘッドははるかに高価に違いありません。それだけの価値がありますか?」これは当然の質問であり、私たちがすべてのお客様と話し合う質問です。計算してみましょう。標準的なカッター ヘッドの価格は 50 ドル、部品数は 50 個で、実行ごとに 10 個のスクラップ部品が発生します。非標準のカッター ヘッドの価格は 500 ドルで、部品数は 500 個で、廃棄部品はありません。時間が経つにつれて、非標準ヘッドはダウンタイムが減り、スクラップが減り、工具交換が少なくなるため、コストが安くなります。大量の HSM ジョブの場合、これはすぐに加算されます。少量で許容度の高いジョブ (航空宇宙部品や医療部品など) の場合、これがジョブを適切に実行する唯一の方法です。
ここで、よくある誤解を解いてみましょう。標準外のカッター ヘッドだからといって、既存の機械との互換性を放棄する必要があるわけではありません。当社は、当社が提供する精密金属加工コンポーネントなど、パートナーからのカスタム コンポーネントを使用して、すべての一般的なスピンドル インターフェイス (HSK、CAT、BT) に適合するようにヘッドを設計しています。また、ヘッドの寸法がお客様の機械のツール チェンジャーおよびクーラント システムと互換性があることも確認します。クーラントの供給も HSM にとって大きな問題です。高 RPM では、切りくずを洗い流して工具を冷却するために、クーラントが刃先に到達する必要があります。非標準ヘッドには、標準ヘッドではできない、ツールの形状に合わせた内部クーラント チャネルを設けることができます。また、シャフト スリーブ ブッシュなどの部品も使用して、工具がスピンドル内でスムーズに動作するようにし、工具と機械の両方の摩耗を軽減します。
待ってください。HSM 用の非標準カッター ヘッドに大きく依存している、私たちが協力しているもう 1 つの業界、ロックウールの生産についても言及しておく必要があります。ロックウールを 20,000 RPM 以上で回転させる遠心分離機と、繊維を成形するカッター ヘッドは、その速度に対応できるようにカスタム設計する必要があります。私たちは、ロックウール遠心分離機アセンブリのメインシャフトなどの部品を共同で開発し、振動を発生させずに高速でファイバーをトリミングできるカスタムカッターヘッドと組み合わせたプロジェクトに取り組んできました。これは、金型や航空宇宙関連の作業以外で HSM を使用するプロセスに非標準ツールがいかに不可欠であるかを示す完璧な例です。
もちろん、これは、非標準のカッター ヘッドがあらゆる HSM 作業の解決策であると言っているわけではありません。量産エンジン部品としてアルミニウムを 10,000 RPM でフライス加工する場合は、標準のカッター ヘッドで問題なく機能し、おそらくコスト効率が高くなります。ただし、厳しい公差、珍しい材料、複雑な形状、または高速での大量生産が必要な場合は、非標準が適しています。重要なのは、HSM 科学とカッター ヘッド設計の両方を理解しているサプライヤー、つまり部品を製造するだけでなく問題を解決するサプライヤーと提携することです。
多くのショップは今でも HSM について「標準の方が優れている」という考えを持ち続けていますが、それが彼らを妨げている考え方です。医療用インプラント、タービンブレード、さらにはロックウール遠心分離機のいずれであっても、カスタム カッター ヘッドに切り替えることで HSM のパフォーマンスをアップグレードする顧客が非常に多く見てきました。非標準ツーリングのテクノロジーは、複雑な形状を迅速に設計できる優れた CAD/CAM ソフトウェアと、標準部品と同じ精度で製造できる高度な機械加工ツールの登場により、過去 10 年間で大きく進歩しました。 HSM プロセスでびびり、工具のたわみ、表面仕上げ、または工具寿命に悩んでいる場合は、非標準のカッター ヘッドが、必要だとは思っていなかった解決策になる可能性があります。
現在、高速加工に関する課題に直面しており、非標準のカッター ヘッドが自社の作業に適しているかどうかを検討している場合は、当社がお手伝いいたします。当社のチームは、さまざまな業界にわたる HSM 用のカスタム切削工具の設計と製造に数十年の経験があり、初期設計からテスト、納品に至るまで、あらゆる段階でお客様と協力します。また、ツールアセンブリ全体がシームレスに動作することを保証する、レーザーカットされたステンレス鋼プレート、CNC 加工用のカスタムピンシャフト、シャフトスリーブブッシュなどの精密金属加工コンポーネントやカスタムパーツも提供しています。標準ツールに関する時代遅れの考えが HSM の生産性と品質を妨げないようにしてください。当社のチームに連絡してプロジェクトについて話し合い、ニーズに合った非標準のカッター ヘッド ソリューションを見つけてください。
参考文献
- YC シン、アーカンソー州ワトソン (2015)。高速加工の基礎と応用。 CRCプレス。
- スミス、GT (2018)。切断技術: 理論と実践。エルゼビア。
- 米国工作機械販売協会。 （2020年）。高速加工ツールとセットアップのガイドライン。 AMTDA出版物。
- Weck、M.、König、W. (2016)。工作機械と製造プロセスのハンドブック。スプリンガー。
- ASMインターナショナル。 （2019年）。高速工作機械用素材。 ASM ハンドブック、第 16 巻: 機械加工。