精密CNC加工細いシャフト: たわみを制御する方法 (狂うことなく)
正直に言いましょう。製造現場の機械工に、最も稼働を嫌う部品は何かと尋ねると、複雑な 5- 軸の航空宇宙用インペラとは答えないでしょう。おそらくシンプルに見える細身のシャフトを指すことになるでしょう。
つい先月、お客様が本物のホラーショーの一部を持ち込んできました。シャフトには316Lステンレスシャフトを使用しました。機械加工された部品というよりは、スパゲッティに似ていました。長さ-と-の直径（L/D）の比率は 35:1 に達していました。
L/D 比が 10 または 12 を超えると、剛性が欠如し、金属が濡れた麺のように動作することを意味します。サプライヤーに適切なスキルが欠けている場合、テーパー付きの部品、粗い仕上げ、および機械加工後に曲がる部品が得られる可能性があります。購入者が私たちに助けを求めに来るのを見てきました。最後の低価格サプライヤーは、バナナのようなシャフトを 2,000 本出荷しました。-
ここでは、製造現場で何が機能するかを明確に示します。細い部品を加工する際のたわみ、振動、熱膨張を軽減します。教科書的な理論はありません-実際の現場の修正だけです-。
細いシャフトはなぜ頻繁に故障するのでしょうか?頭痛の背後にある物理学?
それはすべて物理学に帰着します。超硬切削工具を長くて支えのない金属片の上で引きずり出すと、一度に 3 つの大きな課題に直面することになります。
1. 放射状のたわみ (「弓」効果)
旋削中、切削工具はワークピースの長さに沿って移動する軸方向の力を生成します。また、部品の側面を押す半径方向の力も発生します。シャフトは細くて長いため、その半径方向の圧力に耐えるビームの剛性がありません。文字通りツールから遠ざかるように曲がります。
結果？このツールが切断する材料は、シャフトの端よりもシャフトの中央の方が少なくなります。最終的には、樽型または「ドラム型」の形状になります。-中央が厚く、端が薄くなっています。正しくサポートしていなければ、物理学は常に勝利します。
2. 叫び声 (ハーモニック・ヴァイブレーション)
機械工場で時間を過ごしたことがある人なら、その音をご存知でしょう。 -甲高い鳴き声は、工具が材料をスライスするのではなく、材料に跳ね返ることを意味します。
剛性が低いと、高周波の調和振動が発生します。{0}このビビリによって表面仕上げが損なわれ、醜いトラ-縞模様の跡が残ります。また、高価な超硬インサートを数分以内に欠けさせることもできます。
3. 熱膨張 (サイレントキラー)
金属は高温になると成長します。長いシャフトを切断すると、大量の摩擦と熱が発生します。
たとえば、長さ 500 mm のアルミニウムは、触れて温かくなっただけで簡単に数千分の 1 インチ伸びることがあります。剛性のチャックと剛性の心押し台がシャフトをしっかりとロックすると、余分な長さは行き場がなくなります。バックルを締めて外側に反らなければなりません。
究極の解決策: スイス式 CNC 加工
直径が 32 mm (約 1.25 インチ) 未満の細いシャフトを使用すると、L/D 比が高くなる可能性があります。その場合、通常のCNC旋盤は使用しません。私たちは仕事をスイス型 CNC マシン (Citizens や Tsugamis など) に直接移します。-
率直に申し上げます。スイスマシニングはスレンダーシャフトの究極のチートコードです.
なぜ？それはすべてガイドブッシュに関するものです。
ワークピースがチャックから伸びる従来の旋盤とは異なり、スイスの機械は逆の方法で動作します。高精度のガイドブッシュが生の棒材を送り込みます。切削工具はブッシングのすぐ隣に固定されており、-通常はわずか 1 ～ 2 ミリメートル離れたところにあります。材料がスライドして出てくるので、ツールが材料をスライスします。
サポートのすぐ横で工具が切れるので、カットポイントでの L/D 比はゼロに近い. Deflection disappears completely. Chatter is dead.
スイス式機械加工により、±0.005 mm (0.0002 インチ) という厳しい直径公差と Ra 0.4 仕上げを維持しています。
他店で見積りを断られている部品でも当社では対応させていただきます。さらに、平面のフライス加工、十字穴の穴あけ、ねじ山タップのすべてを 1 つのセットアップで行うことができるため、エラーが大幅に処理されます。
従来の旋盤のヒント (ワークピースがスイス人にとって大きすぎる場合)
スイスの機械は素晴らしいですが、特定の直径で最大になってしまいます。顧客が直径 50 mm、長さ 800 mm のカスタム ポンプ シャフトを送ってきた場合、スイスの旋盤には適合しません。従来のものに頼らなければなりませんCNC旋削加工センター。
大きくて細い軸がバナナになるのを防ぐ方法は次のとおりです。
1. 固定休符と従動休符
カットの真ん中をサポートする必要があります。
· オペレーターが修正する安定した休息機械のベッドへ。ツールが他の場所を切断している間、シャフト上の 1 つの特定の場所を保持します。長いシャフトの端の穴あけには最適ですが、長い旋削パスには最適ではありません。
· A フォロワーレストツールキャリッジにボルトで固定します。切削工具とともに移動し、切削力と直接反対側で常にシャフトをサポートします。これは効果的ですが、新しい切断面を傷つけないように従動レストローラーを設定するには専門の機械工が必要です。
2. 逆送り旋削（テンショントリック）
通常、心押し台の端から切削を開始し、工具をチャックに向かって送ります。これにより、細いシャフトが圧縮状態になります。悪い考えだ。
代わりに、チャック付近から開始して心押し台に向かって後方に切断するように機械をプログラムします。これにより、シャフトに引っ張り張力がかかります。ギターの弦をきつく引っ張るようなものだと考えてください。-弦は自然に完全に真っすぐに保とうとします。
3. 双-砲塔のピンチ旋回
ツインタレット CNC 旋盤でジョブを実行する場合は、ピンチ ターニングを使用します。{0}上部ツールと下部ツールを同時にプログラムして、互いに向かい合って切断します。
1 つのツールは荒加工パスを実行し、もう 1 つのツールは仕上げパスに向けてわずかに追跡します。半径方向の押す力は完全に打ち消し合います。シャフトは誰かが押したことさえ知りません。
4. スプリング-搭載のライブセンターと心押し台の圧力
先ほど述べた熱膨張に対抗するために、デッドソリッドセンターは決して使用しません。当社では心押し台にスプリングを内蔵したライブセンターを使用しています。
激しい荒加工中にシャフトが加熱されて成長すると、スプリングが余分な長さを占めます。保持圧力を一定に保ち、部品の座屈を防ぎます。
また、心押し台の油圧を下げることも重要です。 10 mm シャフトに圧力をかけすぎると曲がってしまいます。これは、ツールが接触する前に発生する可能性があります。
ツーリング形状の秘密: 私たちが実際に購入するインサートとは
世界最高のマシンを所有することはできますが、間違った超硬インサートを細いシャフトに当ててしまうと、ひどい目に遭うでしょう。これらの作業に使用する工具箱は次のようになります。
· 小さなノーズ半径: 標準インサートのノーズ半径は 0.8 mm または 0.4 mm であることがよくあります。細いシャフトの場合、それを 0.2 mm (0.008 インチ) または 0.1 mm まで下げます。半径が大きいと除雪車のように機能し、大きな半径方向の圧力が発生して部品を押しのけます。鋭く小さな半径はメスのように機能し、切削抵抗を低減します。
·ハイポジすくい角: 重いネガすくいすくい荒加工チップを廃止します。-当社では、材料をきれいに切断するために、ハイ-カミソリのように鋭い-アルミニウム-切削インサートを、場合によっては鋼材にも使用します。破れの防止に役立ちます。
· ワイパーインサート (フィニッシュハック): 通常、ノーズ R が小さいと、表面仕上げ。送り速度を最高に遅くしない限り。
これを修正するために、「ワイパー」インサートを使用します。こてのように機能する第 2 の平らなエッジがあり、送り跡を滑らかにします。これにより、低圧力で小さな半径を実行しながら、適切な速度で研磨仕上げを行うことができます。
細径シャフトの材質選定ガイド
金属を伸ばしたり切ったりすると、金属はそれぞれ異なる動作をします。材料を選択しているエンジニアの場合は、まずこれをお読みください。
· 304 / 316 ステンレス鋼:正しく対処しなければ悪夢です。加工すると急速に硬化します。-工具が切れるのではなくこすると、表面がガラスのように硬くなり、部品はすぐに曲がります。{3}}非常に鋭利な工具とフラッドクーラントが必要です。
· 17-4 PH ステンレス鋼:実際、ロングシャフトの場合は300シリーズよりもはるかに優れています。焼きなましされた状態で美しく機械加工され、驚くほどまっすぐなままです。
· チタン (グレード 5):ゴム状なので熱が伝わりにくいです。熱は切削ゾーンに留まり、工具が燃え上がり、シャフトが押しのけられます。非常に低い切削速度と、刃先に高圧クーラントを噴射する必要があります。-
· 冷間圧延鋼-（例: 1018 CR）:最も一般的なトラップ。冷間圧延では、バーの外皮に膨大な内部応力がかかります。外皮を機械加工する際に応力が不均一に解放され、機械から離れるとすぐにシャフトが歪んでしまいます。長いシャフトの場合は、常に熱間圧延または応力緩和-を指定してください。
エンジニアに尋ねる簡単な DFM のお願い
これを読んでいる設計エンジニアの皆さんへ: 私たちはあなたのコンポーネントを作るのを楽しんでいます。長くて薄いシャフトを指定する場合は、次の簡単な製造容易性設計 (DFM) のヒントを念頭に置いてください。これにより、部品の加工が大幅に安くなり、より早く加工できるようになります。
1.真ん中を緩める：チャックとセンターがシャフトの端をしっかりと保持します。厳しい公差を維持するのが簡単です。
中央はお辞儀をしたい部分です。中間セクションがベアリング、プーリー、またはシールに適合しない場合は、そこに緩めの公差を使用してください。たとえば、±0.01 mm の代わりに ±0.1 mm を使用します。マシンと何時間も格闘する必要がなくなり、お金の節約にもなります。
2.キー溝を観察してください:長いシャフトに沿って深くて長いキー溝をフライス加工することで、内部応力が解放されます。到達すると一気にワープできるフライスセンター。長いキー溝が必要な場合は、応力緩和のバランスをとるために、両側に 1 つずつ、2 つの対称キー溝を設計します。
または、追加の矯正やストレス軽減の熱治療にお金を払うことも計画してください。{0}
3.死点でのねじ山を避ける:単一点ねじ切りでは、部品に大きな側圧がかかります。-ネジ部は剛性が最も高いシャフトの端近くに配置するようにしてください。
実際の-ケーススタディ: 医療機器プロジェクトの保存
この理論をすべて現実に当てはめてみましょう。
· その部分:内視鏡器具のシャフト。
· 材料：316L ステンレス鋼。
・仕様：直径4mm、長さ150mm（L/D比37.5：1！）。
· 問題：顧客の前のサプライヤーは部品の 40% 近くを廃棄していました。厳密な 0.02 mm 真直度の要求を満たすことができませんでした。ビビリマークにより、部品は生物学的洗浄の検証に不合格となりました。
· 私たちの修正:私たちはすぐにこのジョブを 5 軸の Citizen Swiss 旋盤に投入しました。最終切断中のチップのわずかな調和振動を止めるために、2,000 PSI 冷却ラインを調整しました。
正確な切断ゾーンに狙いを定めました。これにより、熱膨張が減少しました。また、カスタムの-グランド ハイ-ポジティブ レーキ ワイパー インサートに交換しました。
· 結果：1週間後に2,000個のバッチを出荷しました。弊社の光学式 CMM からの検査レポートではテーパーがゼロであることが示されました。クライアントの組み立てラインの歩留まりは 100% でした。
結論
Dazao の現場で何年も働いてきた私が言えることが 1 つあります。物理学を尊重しないと、長くて細いシャフトを加工すると、すぐに謙虚になってしまいます。
生の冷延鋼板を標準的な旋盤に投入し、緑色のボタンを押して、真っすぐに出てくることを祈ることはできません。{0}それは単に機能しません。物理学はその戦いに毎回勝つでしょう。
Dazao では、まさに悪夢のような仕事を処理することで、大きな評判を築き上げてきました。私たちはあらゆる小さな変数を積極的に管理することでそれを実現します。私のスタッフがたわみを取り除くためにハイエンドのスイス製機械を使用してあなたの仕事を実行するかどうかは、運には依存しません。{2}}
双砲塔のピンチカットを選択するかどうかは、運には依存しません。-
または、工具を鋭い半径 0.1 mm のインサートに交換してびびりを防ぎます。{0}
私たちは結果を運任せにすることは決してありません。私たちは金属がどのように動きたいかを知っており、その前に金属を止めます。
しかし、これらの部品の設計と調達がどれほどイライラするかを私は知っています。私は毎週、うんざりしたエンジニアやバイヤーと話をしています。-同社のサプライヤーは、曲がったシャフトの別のバッチを出荷したところです。
そのため、同じような具体的な、身の毛もよだつような質問が何度も繰り返し出てきます。{0}それでは、クリックして離れる前に、私がよく見かける細軸頭痛に対する本当の答えを見ていきましょう。
製造現場のよくある質問: 難しい質問に答える
Q1: 心押し台を使用し、チャックで完璧に測定した場合でも、細いシャフトを機械から外した後、なぜ歪んでしまうのですか?
A1:内部ストレス。あれは殺人者だ。
冷間圧延鋼を加工する場合、製鋼所は外層に応力を閉じ込めます。-皮膚を剥がすとストレスから解放されます。チャックを外した瞬間、部品が手の中でしなります。
修理：長い部品に冷間圧延素材を使用するのはやめてください。{0}熱間圧延、焼きなましを行った-材料を使用するか、事前に応力緩和された材料を購入してください。--
Q2: シャフトの真ん中を回すときの恐ろしいビビリを止めるにはどうすればよいですか?
A2:びびりは、ラジアル工具の圧力がシャフトの剛性を上回っていることを意味します。まず、インサートのノーズ半径を 0.1 mm まで下げます。小さな半径により、ラジアル圧力が大幅に低下します。
次に、工具が正確に中心の高さにあることを確認します (外旋の場合は中心の髪の毛よりも上にあります)。それが失敗した場合は、「セグメント旋削」を試してください。
シャフトを短く、完全な深さの部分にプランジして切断します。-チャックに向かって移動します。パーツ全体に長く浅いパスをかけないでください。
Q3: ステディレストがひどいトラックマークを残し、路面にスコアを付けてしまいます。どうすれば修正できますか?
A3:切りくずが標準の金属ローラーの下に引っかかるか、クランプ圧力が高すぎると感じられる可能性があります。
修理：まずは滑らかで少し大きめのトラックを回してみてください。次に、その場所を真鍮のシムストックの層で包みます。その後、ローラーをかみ合わせます。非常に繊細な仕上げの場合は、スチール製ローラーをカスタムのブロンズまたはテフロン (PTFE) チップに交換してください。
Q4: 細いシャフトの答えは常にスイス機械加工ですか?
A4:いいえ。スイスのマシンは素晴らしいですが、サイズとセットアップ時間という 2 つの欠点があります。
最大で約32mmから38mmになります。また、スイス人向けのガイド ブッシュと工具のセットアップは複雑で時間がかかります。-
3 つの部品からなる小さなプロトタイプの実行のみが必要な場合、スイスの機械セットアップは過剰です。時間もお金もかかります。
代わりに、経験豊富な従来の機械工を使用してください。しっかりとした従動台を備えた標準的な旋盤を稼働させます。
Q5: ステディレストやスイスがない場合、プログラミングのトリックだけでたわみを修正できますか?
A5:ある程度はそうです。前に説明した逆送りトリックとは別に、G- コードで SSV (スピンドル速度変動) を使用できます。切削中に約 10 ～ 15% 増減するように主軸をプログラムすることで、びびりの原因となる共振を遮断します。機械が動くと奇妙に聞こえますが、まるで魔法のように機能します。
Q6: ドリルビットで瞬時に曲げることなく、小さな 3 mm シャフトに中心穴を開けるにはどうすればよいですか?
A6:ぶら下がっている小さなワイヤーにセンター ドリルを押し込むだけでは済みません。{0}それを完璧にサポートしなければなりません。スイスの機械を使用していない場合は、カスタムの分割真鍮ブッシュが必要になります。
中心の穴を見つけながら、スピンドルに置き、先端を完全に固定した状態に保ちます。ガイドがないと、ドリルが部品を脇に押しのけて破損してしまいます。
Q7: クーラントは長いシャフトにとってそれほど重要ですか、それとも工具寿命だけですか?
A7:寸法安定性にとっては完全に重要です。 500mm のステンレス鋼は、触れて温かくなっただけで簡単に 0.1mm 成長します。中心間で固定すると、その成長により強制的に横に曲がることになります。
ツールチップには高圧、大容量のフラッド クーラントが必要です。{{0}これにより、カット中ずっとシャフトのコアが完全に凍結した状態に保たれます。
Q8: 旋削後に細いシャフトを研削して厳しい公差を維持することはできますか?
A8:はい、強くお勧めします。センタレス研削は、細いシャフトの二次加工に最適です。-調整ホイールと作業ブレードが全長に沿って部品をサポートするためです。
部品が砥石車を通過するときに曲がることはありません。新たなストレスを引き起こすことなく、いかにして鏡-のような仕上げとミクロン-レベルの精度を実現するか。
