表面粗さ 機械加工部品の表面の微細な幾何学的誤差を反映する重要な技術指標であり、機械加工部品の表面品質を検査するための主な基準です。それが合理的であるかどうかは、機械加工部品の品質、耐用年数、生産コストに直接関係しています。表面粗さは、表面テクスチャ上の細かい間隔の微細な凹凸を指し、 XNUMXつの要素：粗さ、うねり、形状。
コンピュータ数値制御 (CNC) 加工サービスでは、部品の許容誤差を制御できます。製造業の精度基準が高いほど、許容誤差の値は小さくなります。一方、許容誤差が大きいほど、必要な精度は広く低くなります。特定の表面粗さ値が必要な場合、後処理方法はほとんど使用されません。これは、これらのプロセスは管理が難しく、部品の寸法許容誤差に影響を与える可能性があるためです。
しかし、CNC 加工において表面粗さと許容レベルは互いにどのように相関しているのでしょうか? それを知るには、この関係性を探るために読み続けてください。先に進む前に、表面粗さの測定方法を知ることが重要です。
粗さを決定する方法
粗さ測定にはさまざまな装置が用意されています。しかし、ここでは、 2つの大まかなテクニック 粗さを決定します。
- 連絡先タイプ
- 非接触タイプ
これらのテクニックの詳細な分析に移りましょう。実験中に測定装置のコンポーネントが測定対象の表面に実際に接触する接触形式の解析。ただし、接触式測定では、鋭利なスタイラスの先端が表面、特に柔らかい表面を傷つける可能性があります。接触応力が試験対象の表面の硬度を超えないように、垂直荷重はこれらの測定に対して十分に低くなければなりません。現在、電子増幅機能を備えた接触型スタイラス機器が最も人気があります。国際標準化機構 (ISO) は、スタイラス技術が参照目的で一般的に使用されることを推奨しています。
1983 年に発明された 1985 ビーム光干渉法の原理に基づいた非接触光学プロファイラーは、現在エレクトロニクスおよび光学分野で滑らかな表面を測定するために一般的に使用されています。本質的に超低負荷で動作するナノプロファイラーである原子間力顕微鏡は、XNUMX 年に開発されました。表面粗さは、顕微鏡から原子スケールまで変化する横方向の分解能で測定できます。
この装置は、特にナノスケールの粗さなど、極めて高い横方向分解能の粗さを定量化するために研究でよく使用されます。研究室で実証されているが、商業的に導入されたことのない、または特殊な用途で使用されている他の手順がいくつかあります。関連する物理的原理に基づいて、さまざまな技術を次のように分類します。 XNUMXつのカテゴリー:
機械式スタイラス、光学、走査型プローブ顕微鏡 (SPM)、流体、電気、電子顕微鏡によるアプローチ。
では、表面粗さ測定ではこれらすべてのプロセスがどのように正確に機能するのでしょうか?これについて詳しく説明しましょう。
機械式スタイラス方式
この技術は、測定対象の表面上のスタイラスの垂直運動を一定速度で記録し、増幅します。この機器は、スタイラス先端を備えたスタイラス測定ヘッドと走査機構で構成されています。 YリードスクリューでY方向に5mステップしながら、X方向のXNUMX次元スキャンを取得します。サンプルの正確な位置決めに使用され、XNUMX 次元画像が得られます。
光学的方法
研究によると、表面粗さにはさまざまな光学的手法が使用されています。
全体的な評価は光学顕微鏡を使用して実行できますが、定性的なデータのみが得られます。幾何学的なアプローチと物理的なアプローチには 2 つのタイプがあります。 光学的方法。テーパーセクショニングとライトセクショニングは 2 つの幾何学的なアプローチです。鏡面反射と拡散反射、スペックル パターン、光学干渉は、物理的アプローチの例です。
走査型プローブ顕微鏡 (SPM) の方法
走査型プローブ顕微鏡 (SPM) は、走査型トンネル顕微鏡 (STM) と原子間力顕微鏡 (AFM) をベースにした一連の装置です。原子分解能で固体表面の 3 次元画像を取得するために使用される最初の技術は、走査型プローブ顕微鏡です。
走査型トンネル顕微鏡 (STM)
STM は単純な基盤で動作します。鋭い金属の先端 (トンネル接合の一方の電極) を、プローブする表面 (第 0.2 の電極) に十分近づけると、トンネル電流は 10 ～ 10 nA の範囲で変化します。これは、便利な動作電圧 (2 mV ～ 0.3 mV) で定量化できます。 Ⅴ）。 1 ～ XNUMX nm の距離で、チップと表面の間のトンネル電流を測定しながら、チップを表面上で走査します。
原子間力顕微鏡（AFM）
AFMはSTMとスタイラスプロファイラーの原理を組み合わせたものです。AFMで先端とサンプルの近さを感知するために、トンネル電流ではなく、サンプルと先端の間の力が感知されます。圧電スキャナを使用してサンプルを動かすと、カンチレバーの先端の鋭い先端がサンプル表面に接触します。 機能モード 「反発モード」または「接触モード」として知られています。原子間力顕微鏡は、非常に小さなサンプルを扱えるナノプロファイラーです。このアプローチは、顕微鏡レベルから原子レベルまでの横方向分解能で表面粗さを測定します。この方法は、ナノスケールの粗さなど、非常に高い横方向分解能で粗さを測定するために最もよく使用されます。
流動的な方法
これらの技術は主に、継続的な評価 (品質管理) 業務に使用されます。表面に触れずに作業できるため、非常に高速です。これにより、粗さと経験的に相関する可能性のある数値データが得られます。油圧式と空気圧式の計測方法は、最も広く使用されている 2 つの技術です。
電気的方法
この技術は、並列コンデンサの考え方に基づく静電容量アプローチを利用しています。2つの導電要素間の静電容量は、それらの面積と媒体の誘電率に関係しますが、それらの距離に反比例します。さまざまな決定論的モデルで、粗い表面と滑らかな表面のディスク間の有効静電容量を計算するのは比較的簡単です。これは、さまざまな高さにある多数の小さな要素領域の合計として考えられます。表面の粗さは、 キャパシタンス 滑らかなディスク表面と測定対象の表面との間の距離。この前提に基づいて、市販の機器が入手可能です。連続検査工程でも静電容量方式が採用されています。
電子顕微鏡法
反射電子顕微鏡法とレプリカ電子顕微鏡法の両方で、巨視的および微視的を明らかにできる可能性があります 表面特性。ただし、これらには 2 つの主な欠点があります。1 つは、定量化可能なデータを取得するのが難しいことです。第二に、それらの視野は本質的に限られているため、凹凸は少数しか表示されませんが、表面接触に関する重要な点は、相互作用する凹凸が膨大に存在することです。
最終的に選択される測定方法は、ユーザーのアプリケーションに大きく依存します。工程内検査には鏡面反射や拡散反射、スペックルパターンなどを利用した測定方法が用いられます。流体または電気技術は、最小限の情報を必要とする継続的な検査 (品質管理) 活動に使用できます。
CNC 加工公差に関する国家規格
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ばらつきは、部品の材質から使用される加工プロセスまで、さまざまな原因で発生する可能性があります。このため、設計段階を通じて部品には加工公差（部品の寸法の許容されるばらつきの量）が与えられます。
では、加工公差とは何ですか?また、なぜそれが重要なのでしょうか? CNC 加工に関連する原則である公差の選択方法については、引き続きお読みください。
コンポーネント上のすべてのフィーチャにはサイズと幾何学的形状があります。部品の機能には、サイズおよび幾何学的属性 (形状、方向、配置) の変化に関する制約が含まれており、それを超えると、この機能が損なわれます。ほとんどの検査官は、最小ゾーン ソリューションを使用して計算します。 形状公差これにより、データ ポイントと参照フィーチャ間の最大誤差が最小限に抑えられます。
アメリカ国家規格協会 (ANSI Y14.5M-1982) は、幾何寸法および公差 (GD&T Y14.5 標準) として知られる寸法および公差に関する国家規格の標準化されたアプローチを確立しました。コミュニケーションツールとしての公差仕様の使用を増やすために、エンジニアリング図面に公差標準を示すための標準化されたアプローチが確立されています。
すべての機能のサイズと形状の側面が確実に規制されるようにするには、図面上の公差が完全である必要があります。つまり、何も仮定したり、作業場や検査部門の判断に任せたりしてはなりません。一般的なサイズおよび幾何公差を使用すると、この要件が満たされていることを確認することが容易になります。
派生フィーチャからのポイントは直接サンプリングできないため、形状公差標準は派生アイテムを規制するために使用されます。これらのポイントは、外部からサンプリングされたポイントを使用して計算する必要があります。しかし、CNC 加工の公差はどのように選択すればよいのでしょうか?
幾何学的寸法と公差 (GD&T Y14.5 標準) は、設計者と製造業者が公差情報を伝達するのに役立ちます。残念ながら、現時点では検証するための基準はありません。 公差仕様.
前述のように、異なる材料や加工プロセスにはさまざまな許容差が必要です。つまり、加工許容差は厳密に「標準」というわけではありません。ただし、一部のメーカーは特定の用途向けにルールを定めています。
一部の機械工場では顧客に公差を要求しており、公差が提供されない場合、部品の加工を拒否するか、たとえば ±0.005 インチ (0.127 mm) の標準公差を使用します。許容誤差は 0.005 より大きい場合も小さい場合もあります。
ISO 2768 許容幾何公差
耐性に関する注意事項
したがって、CNC 加工において考慮すべき公差に関する注意事項は何ですか?公差を計算する際には、考慮すべき重要な側面が数多くあります。これらについては以下で説明します。
- 材料: 2 つの材料に同じものはなく、他の材料よりも扱いやすいものもあります。許容範囲を定義するには、材料の熱安定性、硬度、剛性、および研磨性を調べることが重要です。
- 機械加工技術: 特定の手順は他の手順よりも正確であるため、使用される機械加工の種類は最終出力に大きな影響を与える可能性があります。
- 仕上げとめっき: めっきと仕上げ中に部品の表面に少量の材料が追加されるため、別の公差が必要になる程度に部品の寸法が変化する可能性があります。
- コスト: 許容差を厳しく制限すると、この手法のコストは高くなります。コスト効率を維持するには、正確な許容差を維持することが重要です。許容差は正確であることが重要ですが、過度に正確であってはなりません。
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許容範囲の種類
ASME が機械加工目的のさまざまな種類の公差を分類していることをご存知ですか?
幾何学的寸法と公差 (GD＆T) は、一般的に次の 5 種類の公差を指定します。
- 形状の許容差: 部品の形状を規定する基本的な幾何公差。
- プロファイルの許容値: サーフェスの構成要素が含まれる必要があるサーフェスの周囲に境界を設定します。
- 方向の許容範囲: 参照に対するフォームの方向を決定します。
- 位置許容差: 参照に対するフィーチャの位置を示します。
- ランアウト: 部品を軸上で回転させた場合、ターゲットのフィーチャのランアウト変動が指定されます。
CNC加工用の表面粗さ
プロジェクトに適した表面粗さを選択する際には、さまざまな要素を考慮する必要があります。製品の用途、必要な耐久性、アイテムを研磨するか塗装するか、正確な寸法の重要性、プロジェクトの予算に応じて、粗さの平均 (Ra) を高くしたり低くしたりする必要がある場合があります。
同じ寸法公差でも、CNC 加工部品の表面粗さの要件は機械によって異なります。これは、協力の安定性の問題です。機械部品の設計と製造では、さまざまな種類の機械の機械部品の設計と製造において、加工部品の安定性と互換性の基準が異なります。
しかし、機械加工にはどのような種類があり、どのように始めればよいのでしょうか。この拡大する分野について見てみましょう。既存の機械部品設計マニュアルには、次の 3 つの種類が示されています。
CNC 加工における表面粗さは、作成されたオブジェクトが周囲とどのように相互作用するかに影響します。一般的な「加工されたままの」CNC 加工仕上げは、平均的な粗さ (Ra3.2) で手触りが滑らかですが、切削工具からの加工線が目立ちます。ほとんどの部品はこの程度の粗さで作ることができますが、場合によってはより滑らかな表面が必要になります。スライド部品を開発する場合、より滑らかな表面は部品間の摩擦を減らし、摩耗性能を向上させるため有利です。
1 つ目は、高いレベルの嵌合安定性が要求される精密機械に主に使用されます。使用中または継続的な組み立て後は、機械加工部品の摩耗限界を超えてはなりません 10% 部品の寸法公差のこと。これは主に、シリンダーの内面、精密工作機械の主軸ネック、三次元ボーリング盤の主軸ネック、および非常に特殊な要件に適合するより精密なビットなど、非常に重要な機械加工部品の摩擦面に使用されます。
もう 1 つは、高い嵌合安定性、機械部品の摩耗制限が以下を必要とする一般的な精密機器に使用されます。 25% 機械加工部品の寸法精度と非常に密接な接触面が重要です。機械、工具、転がり軸受で動作する表面、テーパーピンホール、非常に高速で移動する接触面などはすべて、その応用例です。
3 番目のタイプは主に、機械部品の摩耗限界を超えてはいけない一般機械で使用されます。 50% 寸法公差値の範囲内で相対的に移動する部品の接触面、同様にタイト面、キー、キー溝の作業面、相対移動速度が低い接触面、ブラケット穴、ブッシング、ホイールシャフト用の穴がある作業面、減速機など。
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粗さと公差の関係
では、コンピュータ数値制御 (CNC) 加工において粗さと公差はどのような関係にあるのでしょうか?
公差に適合する表面粗さが最も一般的に使用されます。
機械部品の寸法精度要件が小さい場合は、機械部品の表面粗さの値を小さくします。ただし、通常の状況では、それらの間に確立された機能的なリンクはありません。たとえば、一部の機械や器具には非常に滑らかな表面が必要です。ハンドル、ハンドル、衛生機器、食品機械、表面が変化した機械部品など。
これは、表面粗さの要件は高くても、寸法公差の要件は低いことを意味します。一般的な状況では、寸法公差要件のある CNC 加工品の公差レベルと表面粗さの値には合理的な関係があります。
一部の機械部品の設計マニュアルやモノグラフによれば、多くの計算式が利用可能です。機械部品の表面粗さと寸法公差の関係を表します。フォーミュラリストを読んで選択できます。
実際に読んでみると。同じ経験式が異なる値で使用されていることがわかります。この分野に関する知識が非常に限られている人にとっては混乱を引き起こす可能性があります。同時に、機械部品の加工における表面粗さの選択がより複雑になります。
CNC 機械の公差原則の選択
コンピューター数値制御 (CNC) 加工では、極めて高い精度が要求されます。この職業では、たとえ数ミリでも大きなミスにつながる可能性があります。残念ながら、常に 100% の精度を保証できるマシンはありません。
したがって、CNC 加工にはどのような基本公差原則を採用する必要がありますか?一緒にこのことを調べてみましょう。
ご存知のとおり、公差は CNC 機械加工部品の精度を管理するものです。ねじ、カット、パイプなどの CNC 加工品には標準公差があります。さまざまな用途の数値制御された機械加工部品には標準公差が必要です。顧客が公差レベルを選択しない場合、ほとんどの CNC フライス加工サービスは ±0.1 mm を提供します。これは、機械エンジニアが指定する一般的な CNC 機械加工コンポーネントの公差標準でもあります。 CNC 加工公差を設定する最も頻繁な世界標準機関は、(ISO) 国際標準化機構、(ASME) 米国機械学会などです。それでは、それらについて詳しく話し合ってください。
基本的には、国際標準化機構 (ISO 2768) 規格は 2 つの部分に分かれており、各部分は一般規則として精度レベルを確立することで図面を簡素化することを目的としています。
- 一般公差: そのレベルは、直線寸法と角度寸法について、f-細かい、m-中、c-粗い、v-非常に粗いとして表されます。
- 幾何公差。公差クラス H、K、および L は、さまざまな精度レベルのフィーチャの幾何公差を確立します。
例として、図面を国際標準化機構として指定することができます。 ISO 2768-mKつまり、パート 1 の「中」およびパート 2 の「K」公差クラスの許容差限度に準拠する必要があります。ISO 2768 仕様を含めることで図面を簡素化し、各寸法およびフィーチャの許容差を指定する必要がなくなります。
部品の寸法には ISO 2768 で定義されているものよりも厳しい公差が必要な場合があるため、規格は一般的なガイドラインで構成されています。このような事態はよくあることです。したがって、図面の表題欄で一般的な公差要件を確認し、特別な事項があればメモしてください。部品の仕様やプロジェクトの要件。
一方、米国機械学会(ASME Y14。 5) 規格は、幾何寸法と公差の記号、定義、および規制を規定しています。この規格の目的は、機械部品の設計および製造プロセス全体にわたって詳細な情報が明確に提供されるようにすることです。
これは基本的に、部品の各規制機能がどの程度正確で正確である必要があるかを製造担当者と装置に伝えます。工学図面およびコンピューター生成の 3 次元ソリッド モデルでは、幾何公差および寸法公差 (GD&T) では、公称幾何学形状とその許容誤差を表す記号言語が使用されます。
公差は製造プロセスに応じて選択されます。通常、許容差が大きいほど、コストは低くなります。過剰 公差の選択 将来および実際のパフォーマンスの低下、サービスの低下、機能上の望ましくないもの、および外観の低下のリスクを伴います。 限界公差 最も実用的で広く使用されています。これにより、一連の測定の公差を任意に選択でき、良好な適合性が保証されますが、製造コストは考慮されていません。
公差を決定する標準的な方法は、コストと公差を直接最大化するものではありません。彼らの主な焦点は、 公差の定義 設計が最初に機能し、できれば最も安価になるようにするためです。
ボトムライン
では、CNC加工における表面粗さと公差レベルとの関係は一体どのようなものになるのでしょうか？
部品の表面の平均的な質感は、表面粗さによって測定されます。公差レベルに適合する表面粗さが最も一般的に使用されます。機械部品の寸法精度要件が小さいほど、機械部品の表面粗さ値は低くなりますが、通常の状況では、それらの間に永続的な機能リンクはありません。
国際標準化機構 (ISO) とアメリカ機械学会 (ASME) は、CNC 機械加工の許容誤差を決定する最も一般的な 3.2 つの国際標準組織です。一般的な「機械加工された」CNC 機械加工仕上げは、平均的な粗さ (Ra0.005) で、手触りが滑らかです。これらが利用できない場合は、標準許容誤差として ± 0.127 インチ (XNUMX mm) が使用されます。
