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【CAM活用で起こる疑問】エンドミル仕上げの際のZ切り込み量はどう考えるべきか

FAQ

【CAM活用で起こる疑問】エンドミル仕上げの際のZ切り込み量はどう考えるべきか

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ここ最近、マシニング加工においては、CAMや対話システムが当たり前のように使えるようになり、かつてGコードプログラムや手動操作では、わずらわしかった加工方法が、今では不自由なく、簡単に実現できるようになりました。

 

そういった加工の一つに、エンドミル切削における仕上げ加工の際、Z切り込み量を細かく分割して切削するという手法があります。

Z切り込みのイメージ

 

例えば、工具径の2倍を超えるような、そこそこ深い立ち壁の仕上げ加工の場合、一回でZ深さを加工してしまうと、切削抵抗のため、下図のように工具がたわみ、切削面の直角度が確保できないことがあります。

細いエンドミルで深い立壁を切削加工

そこで、手動のハンドル送りで加工したり、Gコードプログラムで加工する場合は、Z切り込み量を細かくして、Z深さを何回かに分けて最終深さまで切削するわけですが、

同じXY平面上動作のプログラムを何度もコピーしたり、サブプロを作って念入りに確認したりと、

何かと面倒なこともあり結局、送り速度を下げ、一回か2回くらいに分けて、何とか倒れを最小限にするよう心掛けながら、無理やり加工するといったことがよくありました。

 

しかし、CAMを使ったり、マシニングに付属している対話システムを使うことが当たり前になってきた昨今、Z切り込み量を細かく分割して、切削負荷をかけない立ち壁の仕上げ加工が簡単にできるようになりました。

 

さて、ここで出てくる疑問が、

「じゃあ、何ミリずつ切り込むのが正しいの?」です。

 

立ち壁を細かなZ切り込み量で切削加工

 

結論から申しますと、使う工具の種類ごとに異なります。

その「工具の種類」とは、工具径や刃数、リード角などによるものです。

 

では、今回のテーマであるエンドミル側面を使った仕上げ加工時において、Z切り込み量を何ミリにするかを考えるにあたり、何を考慮すべきか。

 

考慮すべきこととして、切削抵抗に影響を与える「同時切削刃数」があります。

 

同時切削刃数とは、2枚刃、4枚刃、6枚刃など、複数の刃を持つエンドミルを使い、壁の側面を仕上げる際、同時に切削面に接触するエンドミルの刃の枚数のことです。

 

ストレート刃でない限り、一般的に使われるエンドミルの多くは、下図のように、刃にリード角があるものです。

リード角とは、エンドミルの側面刃にある「ねじれ」のことです。これによって、切削抵抗が分散される効果があります。

側面切削

http://jp.misumi-ec.com/maker/misumi/fs/tech/monoq/basic/detail/detail30.html

「ものづくりQ&A 基礎編 エンドミル加工 |  株式会社ミスミ」サイトより (最終閲覧日:2017年9月27日)

 

下図のイラストを見ると、切削面には同時に2枚から3枚の刃が、当たっているように見えます。

同時切削刃

これが、側面仕上げ加工における「同時切削刃」です。

ざっくり言えば、この同時切削刃が多いほど、切削抵抗は大きくなり、ビビリなどの振動・エンドミルの倒れなどが起こりやすくなると言えます。

 

ですから、せっかくCAMや対話システムを使って、簡単にZ切り込み量を細かく分割できるのであれば

  • 同時切削刃をできるだけ少なくする。
  • ただし、細かくし過ぎて加工時間が長くならないようにする。

この2つが両立する、Z切り込み量を選定すべきではないでしょうか。

 

加工時間を短くしたいために、Z切り込み量を多くとれば、同時に接触する刃の数が多くなるのは、容易に想像できると思います。

では、同時切削刃が起こらない、つまり1枚の刃で切削できる最大のZ深さは、どのように計算すればよいのでしょうか。

 

その計算は、エンドミルの直径1周分を1枚の平面に引き伸ばして考えます。

まずは、1枚の刃だけで考えてみますが、リード角がありますので、その平面の状態は、下図のようになります。

エンドミルの周長とリード角

これを、2枚刃と4枚刃、それぞれの状態で見てみると、下図のようになります。2枚刃・4枚刃のエンドミルの周長とリード角による平面図

最近使われることも多い、不等分割エンドミルではなく、等分割エンドミルの場合の図になりますが、前述した1枚刃の状態の図と比較して、図の中に同じ角度の線がそれぞれ、刃の枚数に応じて追加されています。

 

この追加された斜めの線が、2枚刃・4枚刃、それぞれ増えた分の刃の線になります。

1枚刃の図にあった斜めの線のすぐ右横にある線が、エンドミルが回転している際、次に切削面に接触する刃になるわけですが、例えば、上図左の2枚刃の場合、27.19ミリよりも深いZ切り込み量で、立ち壁の仕上げ切削を行うと、縦の一点鎖線が示すように、同時に2枚の刃が接触することになります。

 

上図右の4枚刃の方は、2枚刃に比べると4枚の刃の間隔が狭いため、さらにZ切り込み量が浅くなり、13.6ミリよりも深くなると、同時に2枚の刃が接触します。

 

ここから読み取れることは、例えば、

  • ワークやクランプの剛性により、切削振動が起こりやすい。
  • BT30のツールホルダーを使用しているなど、機械剛性があまり強くない。

といったような場合において、仕上げ加工をよりデリケートに行いたい場合には、上で示したZ切り込み量よりも浅く切削し、できるだけ刃数の少ないエンドミルを使った方がよいということになります。

 

逆に、刃数の多いエンドミルは、

  • 芯厚が太い。
  • 送り速度を上げられる。

といったことにより、加工生産性を高めることができますので、剛性・精度上の問題がなければ、積極的に使っていきたいところです。

 

さて、では次に工具径の違いによる、Z切り込み量の違いを見た場合の状態が、下図のようになります。

工具径の違いによるZ切り込み量の違い

上図のそれぞれを見てみると、φ10よりも、φ6エンドミルの方が、同時切削になるまでのZ切り込み量が浅いです。

 

ここから読み取れることとして、

  • やはり、工具径が大きい方が、同時切削刃にならないZ切り込み量が深い。

 

ということですから、そもそも工具径が太い方が倒れに対する剛性が強いということもあり、加工生産性を考えても、少しでも太い工具を使った方が、精度・工数削減の観点からも良い結果が得られるようです。

少しでも太い工具を使った方が、精度・工数削減の観点からも良い結果が得られる

 

 

では最後に、エンドミルのリード角の違いによる、同時切削刃までのZ切り込み深さの違いを見ていきたいと思います。

エンドミルのリード角の違いによる同時切削刃までのZ切り込み深さの違い

これを見ると、まず上図の真ん中と左の図の違いとして、同じ径のエンドミルでも、リード角の違いによって、同時切削刃になるZ切り込み量が異なってきます。

 

ここから読み取れることとして、

  • リード角が大きい方が、同時切削刃になりやすく、許容されるZ切り込み深さが浅くなる。

ということになります。

 

そもそも、リード角を大きくすることで、切削面に対する接触面を斜めにずらして、負荷を分散する効果を目的としていますので、その分、Z切り込み量を多く取れるのではないかとも考えることができます。

 

これについては、工具ごとの切削性能に大きく影響を受けると思いますので、ここではあくまで、よりデリケートに仕上げたい場合の考え方として、

  • リード角の大きい工具を選ぶ。
  • 同時切削刃にならないZ切り込み量を選ぶ。

という方向性がよろしいのではないでしょうか。

 

さらに、上図の真ん中とその右の図を比較すると、リード角が大きくても、やはり刃の数が多い4枚刃の方が、同時切削刃になるまでのZ切り込み量が浅くなります。

 

これを見ますと、一つの方向性として、

  • 切削抵抗の少ないリード角の大きなエンドミルを使う。
  • 送り速度を上げられる刃の数の多いエンドミルを積極的に使う。
  • その分、デリケートな仕上げ加工を行うならば、同時切削刃が少なくなるZ切り込み量を選定する。
  • ただし、Z切り込み量を細かくすると、同じ切削軌跡を加工する回数が増えるので、加工工数には充分に留意する。

ということが言えるでしょうか。

 

ただし、あくまでも、加工品質と加工工数は、相反するものですので、過剰品質にならないよう、充分にお気を付けください。

 

一歩先の加工技術者を目指す皆さんには、一つ一つの作業に「根拠」を持って取り組んでいただきたいと思っております。

 

もしよろしければ、参考にしてみてください。

 

 

※ 実際の加工においては、工具材種だけでなく、被削材の物性、機械剛性、工具の消耗状態、被削材のクランプ状態などの外的要因で、如何様にも状態は変化するため、実際の加工においては、自己責任のうえ、充分な確認・検証を行ったうえで、加工してください。

 

金型・部品加工業専門コンサルティング

技術コンサルタントshoei

代表コンサルタント:村上 英樹

 

 

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