CNC輪郭フライス加工とは？ 送り経路と切削条件の設計

CNC加工において、ワークに対する切削工具の位置点がたどる経路を「加工経路」と呼びます。加工経路の設計は、寸法精度や表面粗さに直接影響を与えます。適切な加工経路は、以下の4つの原則に従う必要があります：

1. 高い効率を維持しつつ、要求される精度と表面仕上げを実現すべきである。.
2. これにより、数値計算が簡略化され、プログラミング作業が軽減されるはずです。.
3. プログラムブロックと非切削時間を削減するため、実用的な範囲でできるだけ短くすべきである。.
4. これは、利用可能な在庫許容範囲および機械、工具、被加工物の剛性を反映したものでなければならない。.

リードイン、リードアウト、および工具径補正

輪郭フライス加工では、一般的にカッター半径の補正が必要となります。ツールパスでは、カッターがワークピースに接触する前に補正を設定し、カッターがワークピースから離れた後にのみその補正を解除する必要があります。.

プロファイルへの切り込みや切り出しの際、カッターは輪郭に接する直線または円弧に沿って進める必要があります。接線方向からの切り込みと切り出しを行うことで、法線方向からの直接的なアプローチによって生じがちな工具痕を回避し、仕上げられた輪郭を滑らかに保つことができます。.

簡単な方法として、カッターが点Sから輪郭線に向かって直線的に移動する間に半径補正を行うものがあります。 その後、カッターは直線的にS点へ戻り、戻り行程中は補正が解除されます。この直接的なアプローチは効率的ですが、カッターが輪郭に接触した箇所に目立つ接触痕が残る可能性があります。したがって、輪郭の精度要件が厳しくない場合に適しています。.

高品質な輪郭加工を行うため、完成したプロファイルに接触しない点Sからの直線移動中に、半径補正が設定されます。補正が有効な状態で、その後、円弧を描いてカッターを円形の輪郭に自然かつ接線方向に沿って導きます。輪郭加工が完了した後、退出シーケンスは逆順で行われ、最後の直線的な戻り移動中に補正が解除されます。.

外形輪郭のフライス加工が完了したら、カッターは輪郭の外側から接線方向に切り込み、加工完了後は接線方向に沿って引き抜くようにします。.

輪郭フライス加工の切削条件

軸方向および半径方向の切削深さ

フルートの長さ、すなわち側方切削刃の長さは、最大切削深さを決定します。実際には、Z方向の軸方向の切削深さ（a_p) は、カッター径の1.5倍を超えてはならない。半径方向の切削深さ（a_w) は、カッターの半径を超えてはならない。.

直径の小さいエンドミルでは、十分な剛性を維持するために、切削深さを浅くする必要があります。.

エンドミルで未加工面を荒加工する場合、工作機械と被加工物の組み合わせが許容するならば、重切削には鋸歯状の荒加工用エンドミルを使用することがあります。除去すべき余肉が大量にある場合は、直径が大きく、長さが短いエンドミルが適しています。.

この組み合わせにより、重切削時のカッターのチャタリングやたわみを防止できるほか、少なくともその両方の影響を最小限に抑えることができます。.

送り速度

作業条件が異なれば、送り速度も異なります。送り動作は、次の2種類に分類できます：

• 高速移動速度： 非切削移動に用いられる送り速度。.
• 加工送り速度： 送り込み、引き出し、および切断の際に使用される作業用送り。.

効率を向上させ、非切削時間を短縮するためには、早送り速度は実用上可能な限り速くすべきであり、通常は工作機械が許容する最大速度を用いる。.

加工送り速度（v_f) はカッターの速度（n), 歯の本数 (z)、および1本あたりの給餌量（f_z) は以下の通りです：

v_f = f_z · z · n      式（5-1）

ここで：

• v_f は送り速度です；;
• f_z は、1歯あたりの送り量であり、単位はミリメートル/歯（mm/歯）です；;
• z はカッターの歯数であり；そして
• n はカッターの回転速度です。.

1歯あたりの給餌量（f_z) は、主に被削材の機械的特性、切削工具の材質、および要求される表面粗さに基づいて選定される。.

ワークピースの強度や硬さが高まるにつれて、, f_z 減少するはずである。それらが減少するにつれて、, f_z 増加する可能性があります。超硬カッターは通常、同等の高速度鋼製カッターよりも1歯あたりの送り量を大きく設定できます。.

表面粗さの要件が厳しくなるほど、より小さな f_z. 剛性の低い被削材や、強度が限られている切削工具の場合も、より小さい値が必要となります。.

円弧上の送り速度

円弧補間中、切削点における実際の送り速度（v_T) は、カッター中心における選択された送り速度とは異なります（v_f) これは、アークの半径によるものです。.

外周アークの場合、切削点における実際の送り速度は次のとおりです：

v_T = RR + r · v_f

したがって： v_T < v_f

内側アークの場合、切削点における実際の送り速度は次のとおりです：

v_T = RR − r · v_f

したがって： v_T > v_f

もし R ≈ r, 、切削点における実際の送り速度が極端に高くなり、工具や被削材を損傷するおそれがあります。したがって、プログラムされた送り速度を選択する際には、アーク半径の影響を考慮する必要があります。.

その他にも、送り速度の選定に影響を与える特別な要因があります。例えば、輪郭加工では、加工システムの慣性や変形により、コーナー部分で送り超過や送り不足が生じることがあります。.

カッターが点Aから点Bに向かって高い送り速度で移動する場合、慣性によりコーナーBでオーバートラベルやオーバーカットが発生する可能性があります。その結果、コーナーから余分な材料が除去され、輪郭誤差が生じます。.

この問題には、送り速度を可変にすることで対処できます。コーナーに到達する前に送り速度を適切に下げ、カッターがコーナーを通過した後は徐々に送り速度を上げていきます。.

エンドミル用スピンドル回転数

鋼を加工する場合、インデックス式超硬エンドミルは、一般的に標準的なHSSカッターよりも高い主軸回転数で運転すべきである。.

超硬材の加工中に主軸回転数が上昇すると、切削刃と接触している鋼の温度も上昇します。これにより、その部分が局所的に軟化し、より良好な切削条件が生まれます。.

超硬カッターを使用する際の主軸回転数は、通常、標準的なHSSカッターの3～5倍です。インサート式超硬エンドミルを主軸回転数が低すぎる状態で使用すると、超硬材に欠けが生じたり、場合によっては破損したりする恐れがあります。.

しかし、高速度鋼用カッターの場合、主軸回転数が過度に高くなると、工具の摩耗が早まります。.

また、適切な切削速度表を参照することで、フライス加工速度を選択することもできます。.

[画像のプレースホルダー：フライス加工の切削速度に関する参考表]

図：フライス加工の切削速度に関する参考表

チャッターと切削条件の補正

エンドミルは、加工中にチャタリングを起こすことがあります。一般的な原因としては、工具の固定が不十分であること、ホルダーからのカッターのオーバーハングが大きすぎる場合、薄肉部を加工する際の切削深さや送り速度が過大であること、およびカッターのたわみなどが挙げられます。.

振動により、エンドミルの外周切削刃周辺で噛み合わせが不均一になります。その結果、実際の切削負荷が想定値を超えてしまい、加工精度や工具寿命が低下する恐れがあります。.

振動が発生した場合は、切削速度と送り速度の両方を下げてください。両方を40%の値まで下げてもなお著しい振動が残る場合は、切削深さを浅くしてください。.

それでもチャタリングが続く場合は、加工方法とセットアップの剛性を確認してください。.