CNC フライス加工チップの種類の識別

1.0 イントロダクション

さまざまな業界で利用される非回転、非円筒形のアイテムを作成するために使用される最も一般的な CNC 加工プロセスの 1 つはフライス加工です。フライス盤では高速フライスを使用して、加工物を必要な形状に成形します。カッターはワークピース上の金属から小さなチップを作ります。切断が完了すると、これらの切りくずはワークピースから除去されます。これらの切りくずは、ワークに使用されている材質、切削環境、作業中に発生した変形に応じて、さまざまな形状やサイズになります。得られるチップは、多くの場合、その形状に応じて、連続チップ、非連続チップ、ビルドアップエッジを有する連続チップ、および不均質チップに分類されます。

1.1 フライス盤の加工技術

フライス加工とは、工作物をフライスカッターで高速に接触させて、必要な形状とサイズに加工する技術です。このフライス加工の過程で、フライスカッターは工作物の表面の金属をチップに切断し、刃先の表面を押し広げることで、金属チップを加工面から分離します。作業量が増えるにつれて工作物の張力は着実に増加し、刃先との接触点の応力が最も大きくなります。これが刃の切削効果です。工作物上で張力が最も大きく集中している部分で、金属物質が最初に割れて分離します。

その結果、ブレードの切削作用により、最初に金属表面層材料がワークピースの金属基板から分離されます。工具とワークピースが相対的に動き続ける間に十分な機械力が適用されると、切断される金属はブレードの移動方向に沿って分割され、加工された表面が生成されます。切削層は、工具の前面の圧力の結果として弾性的および塑性的に変形し、最終的に工具の前面に沿って流れ出るチップを形成します。工具の前面では、これが押し出し効果です。

刃先の作用により、切断された金属は 4 つの変形領域を生成します。工具の前後、基本変形領域、工具前方の摩擦変形領域、ブレード前方の変形領域、および摩擦変形領域です。ツールの変形ゾーンの後ろ。 4 つの変形ゾーンでは、内部応力状態と変形状況の間に関係および相互作用があります。

2.0 切りくずの種類とその形成条件

工具の前の金属は、切削中にワークピースに深く入り込むにつれて収縮します。圧縮が大きすぎると、金属がワークピースから分離し、チップの形状で塑性流動します (せん断変形)。主なせん断により、金属はせん断面で流動します。工具の前の未切削面は、せん断面が上向きの角度で広がり始める場所です。せん断角度の値は、材料の種類と切削状況によって左右されます。せん断角度が小さい場合、せん断経路は長く、チップは厚くなり、切削力は大きくなります。その逆もまた真なりです。二次せん断は、チップがツールチップの面上を移動するときに摩擦によって発生します。摩擦の結果、チップは過熱し、フライス加工プロセスの動作温度が上昇します。

フライス盤で作成されるチップの主な 4 つのカテゴリは次のとおりです。連続チップ;構築されたエッジを備えた連続チップ。不均一なチップ。

2.1 不連続チップ

不連続な切りくずは不規則な形状をしており、繰り返しの破壊により変形することがよくあります。鋳鉄、真鍮、青銅は、硬くて繊細な金属のほんの一例であり、その加工物から不連続な切りくずが発生することが知られています。ワークピースと工具の間に大きな摩擦がある条件では、延性のあるワークピースによって不連続な切りくずが発生する可能性もあります。すくい角が短い工具、速い切削速度、材料の深い切り込みなどの要因により、不連続な切りくずが発生する可能性があります。

不連続な切りくずの形成により、脆性材料の表面仕上げを改善し、消費電力を削減できます。ただし、延性のある材料では、不連続な切りくずが発生すると、表面の研磨が平均以下になり、機械加工プロセスが長くなる可能性があります。

2.2 連続チップ

通常、鋼、銅、アルミニウムなどの展性のある金属を高い切削速度で加工すると、連続的な切りくずが発生します。切削プロセス中に、ツールチップと延性ワークピース間の温度差が増加します。除去された金属の連続層が溶接によって接合されると、長く連続した切りくずの流れが生成されます。次のような加工状況では、通常、連続的な切りくずが発生します。

• 最小の切込み深さ
• 広範囲のすくい角
• 高い切断率
• 潤滑剤または冷却剤を使用して工具とチップの摩擦を軽減する
• 鋭い刃先

連続チップにより、滑らかな表面品質が得られ、工具寿命が長くなり、電力使用量が削減されます。ただし、チップの種類によっては処分が難しい場合があります。廃棄条件を向上させるためにチップブレーカーが必要です。

2.3 構築されたエッジを備えた連続チップ

延性金属を切削する際、工具とチップ間の摩擦が大きいと、BUE を伴う連続チップが発生します。このような状況では、一部のチップ片が工具先端に付着する傾向があります。新しい刃先は、工具先端から離れるまで結合材料として成長し続けます。表面仕上げが悪くなるのは、分離プロセス中に蓄積された材料がチップとワークピース表面に結合したためです。BUE を形成するプロセスは、しばしば「チップ溶接」と呼ばれます。通常、次の状況では、BUE を伴う連続チッピングが発生します。

• すくい角が低い。
• 切断率が低い。
• 高い摩擦力。
• 大きな餌。

継続的な BUE チップは工具寿命に悪影響を及ぼし、消費電力が増加し、表面仕上げが標準以下になるため、これを回避することが重要です。

潤滑剤を使用して摩擦を低減し、工具コーティングを使用して金属同士の接触を回避し、冷却剤を使用して温度を下げるための措置を講じることにより、切りくず溶着の防止を強化できます。

2.4 鋸歯状チップ

鋸歯状のチップは、不均質チップとも呼ばれ、半連続です。低せん断ひずみ領域と高せん断ひずみ領域があるため、鋸歯状の外観をしています。これらのチップの製造に使用される材料は、通常、熱伝導率が限られているか、熱軟化の影響を受ける機械的強度があります。加工中に不均質チップを生成する可能性のあるワークピースに使用される材料には、ニッケル、オーステナイト系ステンレス鋼、チタン合金などがあります。不均質チップの原因の 1 つは、中程度の切削速度で硬い材料を切削するときに、ツールのチップ表面にかなりの量のひずみが形成されることです。

3.0 連続チップ、断続チップ、およびエッジが構築された連続チップの比較

以下の表は、連続チップ、非継続チップ、およびエッジが構築された連続チップを比較対照しています。

3.1 切りくず管理

鋼などの可鍛性金属を速い切削速度と大きなすくい角で加工すると、長く糸状の切りくずが発生します。機械作業者の安全が危険にさらされたり、工具に巻き込まれて製品が損傷したりする可能性があります。さらに、これらの高温で連続した鋭利な切りくずを除去するのは困難な場合があります。チップは扱いやすいサイズに分割する必要があります。切りくずは自己破壊または強制破壊によって分離できます。温度と流量の違いにより、延性材料の切断中に切りくずがカールすることがよくあります。カールした切りくずが自己破壊できる 3 つのさまざまな方法は次のとおりです。

• 自然破壊を引き起こす冷却によって引き起こされるひずみによって。
• ワークピースに衝撃を与えることにより、
• ツールに接触することによって。

チップブレーカの使用は、最も一般的な強制ブレーク技術です。

3.2 チップブレーカ

チップブレーカーの最も基本的な目的は、切りくずを他の方法よりもしっかりとコイル状にすることです。強制カール中に切りくずが工具やワークに当たると切断されます。チップブレーカーは切りくず処理を強化し、切削抵抗を低減することで加工効率を向上させます。

最新のチップブレーカーのほとんどは、切削工具上に溝または障害物として見られます。切りくずを容易に切り離せる張力を作り出す鍵は、チップブレーカーを設計する際に、特定の加工シナリオに適した形状を見つけることです。溝型チップブレーカは先端の切れ刃の後方に小さな溝が付いています。

チップの曲率半径は、曲線の形状によって決まります。障害物タイプのチップブレーカーの幾何学的デザインは独特で、階段状になっています。障害物は切削工具とは別個にあっても、切削工具に取り付けられていてもかまいません。「取り付けられた」タイプの場合、さまざまな加工状況に合わせて変更できます。

4.0 結論

フライス加工作業全体を通じて、物理学と材料科学が巧みに織り合わされています。フライス加工中にワークピースと切削工具の間で生じる応力の相互作用により、材料が除去されます。色とチップのサイズは、これらの接触力の性質によって決まります。チップには、切削エンジニアの研究と診断に役立つ情報が含まれています。ただし、チップが適切に処理されない場合、機械の生産性が低下する可能性があります。加工中に、セグメント化されたチップ、連続したチップ、BUE を伴う連続したチップの 3 種類のチップが現れることがあります。 

フライス加工のパラメータと材料の選択は、両方とも切りくずの形成に影響します。

全体的なフライス加工の効率​​を高め、機械の自動操作を計画する場合、チップの廃棄は考慮すべき重要な要素です。原則として、特定の加工状況下ではセグメント化されたチップや連続したチップが自己破断する可能性がある場合でも、フライス加工の設定ではチップブレーカーを使用する必要があります。

チップブレーカーによって切りくずが扱いやすい長さに分断されると、工具への切りくずの絡み合い、振動、工具の損傷がすべて回避されます。さらに、チップブレーカーは切削抵抗を軽減し、刃先の欠けや破損を防ぎます。チップブレーカを使用する際は、作業に適したブレーカを選択することが重要です。仕上げ加工、中加工、荒加工などの旋削加工ごとに適切なチップブレーカを選択する必要があります。目的の切込み量、送り速度、主軸回転速度、表面研磨量に適したブレーカを使用してください。