アルミニウムは最も広く使用されている非鉄金属であり、その用途は拡大を続けています。アルミニウム製品は70万種類以上あり、建設、装飾、輸送、航空宇宙など、様々な産業に利用されています。本稿では、アルミニウム製品の加工技術と、加工中の変形を防ぐ方法について考察します。
アルミニウムの利点と特徴は次のとおりです。
- 低密度アルミニウムの密度は約 2.7 g/cm³ で、鉄や銅のおよそ 3 分の 1 です。
- 高い可塑性:アルミニウムは延性に優れているため、押し出し加工や延伸加工などの圧力加工法によってさまざまな製品に成形することができます。
- 耐腐食性:アルミニウムは、自然条件下または陽極酸化処理によって表面に保護酸化膜が自然に生成され、鋼鉄に比べて優れた耐腐食性を備えています。
- 強化が簡単：純アルミニウムは強度が低いですが、陽極酸化処理を施すことで強度を大幅に高めることができます。
- 表面処理を容易にします:表面処理はアルミニウムの特性を向上させたり、改良したりすることができます。陽極酸化処理は確立された技術であり、アルミニウム製品の加工において広く利用されています。
- 優れた導電性とリサイクル性：アルミニウムは電気の優れた伝導体であり、リサイクルも容易です。
アルミニウム製品加工技術
アルミ製品のプレス加工
1. コールドスタンピング
使用される材料はアルミニウムペレットです。これらのペレットは、押出機と金型を用いてワンステップで成形されます。このプロセスは、円柱状の製品や、楕円形、正方形、長方形など、延伸成形では実現が難しい形状の製品の製造に最適です。（図1：押出機、図2：アルミニウムペレット、図3：製品）
使用される機械のトン数は、製品の断面積と関連しています。タングステン鋼製の上型パンチと下型の間の隙間が製品の肉厚を決定します。プレスが完了すると、上型パンチから下型までの垂直方向の隙間が製品の上部厚さを示します（図4参照）。
メリット：型開きサイクルが短く、ストレッチモールドよりも開発コストが低い。デメリット：製造工程が長く、工程中の製品サイズの変動が大きく、人件費が高い。
2. ストレッチ
使用材料：アルミニウム板。連続成形機と金型を用いて、形状要件を満たすように複数の変形を行います。非柱状体（曲面アルミニウム製品）に適しています。（図5（成形機）、図6（金型）、図7（製品）参照）
利点:複雑で多変形の製品の寸法は製造工程中に安定的に制御され、製品表面はより滑らかになります。
デメリット:金型コストが高く、開発サイクルが比較的長く、機械の選択と精度に対する要件が厳しい。
アルミニウム製品の表面処理
1. サンドブラスト（ショットピーニング）
高速の砂の流れの衝撃によって金属表面を洗浄し、粗くするプロセス。
このアルミニウム表面処理方法は、加工対象物の表面の清浄度と粗度を向上させます。その結果、表面の機械的特性が向上し、耐疲労性が向上します。この改善により、表面と塗布されたコーティングとの密着性が向上し、コーティングの耐久性が向上します。さらに、コーティングの平坦化と美観も向上します。この処理は、Appleの様々な製品で広く採用されています。
2. 研磨
研磨加工法は、機械的、化学的、または電気化学的手法を用いてワークピースの表面粗さを低減し、滑らかで光沢のある表面を実現します。研磨工程は、機械研磨、化学研磨、電解研磨の3種類に大別されます。機械研磨と電解研磨を組み合わせることで、アルミニウム部品はステンレス鋼に匹敵する鏡面仕上げを実現できます。この加工法は、高級感、シンプルさ、ファッション性、そして未来的な魅力を醸し出します。
3. 伸線加工
金属伸線加工は、アルミ板にサンドペーパーを用いて線を繰り返し削り出す製造工程です。伸線加工は、直線伸線、ランダム伸線、螺旋伸線、糸伸線に分けられます。金属伸線加工は、微細なシルク模様を一つ一つ鮮明に表現できるため、マットな金属に繊細な毛のような光沢を与え、ファッション性とテクノロジーを兼ね備えた製品を生み出します。
4.ハイライトカット
ハイライトカットは、精密彫刻機を用いて、高速回転（通常20,000rpm）する精密彫刻機のスピンドルにダイヤモンドナイフを取り付け、部品を切断することで、製品表面に局所的なハイライト領域を生成します。切断ハイライトの明るさは、フライス盤のドリル速度の影響を受けます。ドリル速度が速いほど、切断ハイライトは明るくなります。逆に、切断ハイライトが暗いほど、ナイフマークが発生しやすくなります。高光沢カットは、iPhone 5などの携帯電話で特に一般的です。近年、一部の高級テレビの金属フレームには高光沢カットが採用されています。CNCフライス加工テクノロジー、そして陽極酸化処理とブラッシング処理により、テレビはファッション性とテクノロジーの鋭さに満ちています。
5. 陽極酸化処理
陽極酸化処理は、金属または合金を酸化させる電気化学的プロセスです。このプロセスでは、特定の条件下で特定の電解液に電流を流すと、アルミニウムおよびその合金に酸化膜が形成されます。陽極酸化処理は、アルミニウムの表面硬度と耐摩耗性を高め、耐用年数を延ばし、美観を向上させます。このプロセスはアルミニウム表面処理において不可欠な要素となっており、現在最も広く利用され、成功を収めている方法の一つです。
6. 2色陽極
二色陽極酸化とは、製品の特定の領域に異なる色を塗布する陽極酸化処理を指します。この二色陽極酸化処理は、その複雑さと高コストのため、テレビ業界ではほとんど採用されていませんが、二色のコントラストが製品の高級感と個性を高めています。
アルミニウム部品の加工変形には、材料特性、部品形状、製造条件など、いくつかの要因が関与します。主な変形の原因としては、ブランク内部の応力、加工時に発生する切削抵抗と熱、そしてクランプ時に発生する力などが挙げられます。これらの変形を最小限に抑えるには、具体的な工程対策と操作技術を導入することが重要です。
加工変形を低減する工程対策
1. ブランクの内部応力を軽減する
自然時効または人工時効、振動処理は、ブランクの内部応力を低減するのに役立ちます。また、前処理もこの目的に効果的な方法です。ヘッドが太く、耳が大きいブランクの場合、加工時に大きなマージンが生じるため、大きな変形が生じる可能性があります。ブランクの余分な部分を前処理し、各領域のマージンを減らすことで、後続加工時の変形を最小限に抑えるだけでなく、前処理後の内部応力も軽減することができます。
2.工具の切削能力を向上させる
工具の材質と形状パラメータは、切削力と熱に大きく影響します。部品の加工変形を最小限に抑えるには、適切な工具の選択が不可欠です。
1) ツールの幾何学的パラメータの適切な選択。
① すくい角：刃の強度を維持するという条件の下で、すくい角は適切に大きく選択されます。すくい角を大きくすることで、鋭い刃先を研削できると同時に、切削変形を低減し、切りくずの排出をスムーズにすることで、切削抵抗と切削温度を低減できます。負のすくい角を持つ工具の使用は避けてください。
②バック角度：バック角の大きさは、工具背面の摩耗や加工面品質に直接影響します。切削厚さはバック角を選択する上で重要な条件です。荒加工では、送り速度が大きく、切削負荷が大きく、発熱量も大きいため、工具の放熱条件を良好にする必要があります。そのため、バック角は小さく選択する必要があります。一方、微加工では、刃先を鋭くし、工具背面と加工面との摩擦を低減し、弾性変形を低減する必要があります。そのため、バック角は大きく選択する必要があります。
③ ねじれ角：フライス加工をスムーズにし、フライス加工力を減らすためには、できるだけ大きなねじれ角を選択する必要があります。
④主偏向角：主偏向角を適切に小さくすることで、放熱条件が改善され、処理領域の平均温度を下げることができます。
2) ツール構造を改善する。
フライスカッターの歯数を減らしてチップスペースを増やす：
アルミニウム材料は塑性が高く、加工中に切削変形が大きくなるため、より大きな切りくずスペースを確保することが不可欠です。つまり、切りくず溝底の半径を大きくし、フライスカッターの刃数を減らす必要があります。
カッター歯の微研削：
カッター歯の刃先粗さはRa = 0.4 µm未満である必要があります。新しいカッターを使用する前に、研磨工程で残ったバリや鋸歯状の微細な模様を取り除くため、カッター歯の前面と背面を目の細かい油砥石で数回軽く研磨することをお勧めします。これは、切削熱の低減だけでなく、切削変形の最小化にも役立ちます。
工具摩耗基準を厳格に管理:
工具が摩耗すると、ワークの表面粗さが増大し、切削温度が上昇し、ワークの変形が大きくなる可能性があります。そのため、耐摩耗性に優れた工具材質を選択し、工具摩耗が0.2mmを超えないようにすることが重要です。摩耗がこの限度を超えると、切りくずの生成につながる可能性があります。切削中は、変形を防ぐため、ワークの温度を通常100℃未満に保つ必要があります。
3. ワークピースのクランプ方法を改善する。剛性が低い薄肉アルミニウムワークピースの場合、以下のクランプ方法により変形を軽減できます。
① 薄肉ブッシング部品の場合、3爪セルフセンタリングチャックやスプリングコレットを用いてラジアル方向にクランプすると、加工後にワークを緩めた際に変形が生じる可能性があります。この問題を回避するには、剛性の高い軸方向端面クランプ方式を採用することをお勧めします。部品の内孔を位置決めし、貫通ねじを加工した芯金を内孔に挿入します。次に、カバープレートで端面をクランプし、ナットでしっかりと固定します。この方法は、外径加工時のクランプ変形を防ぎ、良好な加工精度を確保します。
② 薄肉板金ワークを加工する場合は、均一なクランプ力を得るために真空吸着カップの使用をお勧めします。また、切削量を少なくすることで、ワークの変形を防ぐことができます。
もう一つの効果的な方法は、加工剛性を高めるためにワーク内部に媒体を充填することです。例えば、硝酸カリウムを3～6%含む尿素溶融物をワークに注入します。加工後、ワークを水またはアルコールに浸漬して充填剤を溶解し、注ぎ出します。
4. プロセスの合理的な配置
高速切削では、大きな取り代と断続切削のため、フライス加工時に振動が発生することがよくあります。この振動は、加工精度と表面粗さに悪影響を及ぼす可能性があります。その結果、CNC高速切削加工一般的に、荒加工、中仕上げ、角削り、仕上げという複数の工程に分かれています。高精度が求められる部品の場合は、仕上げの前に二次的な中仕上げが必要となる場合があります。
荒加工後は、部品を自然冷却することをお勧めします。これにより、荒加工中に発生した内部応力が除去され、変形が低減されます。荒加工後に残る取り代は、予想される変形量よりも大きく、通常は1～2mmです。仕上げ加工では、仕上げ面の取り代を均一に保つことが重要です。通常、0.2～0.5mmです。この均一性により、加工中の切削工具の安定した状態が確保され、切削変形が大幅に低減され、表面品質が向上し、製品精度が確保されます。
加工変形を低減する運用スキル
アルミ部品は加工中に変形します。上記の理由に加え、実際の操作においては操作方法も非常に重要です。
1. 加工代が大きい部品の場合、加工時の放熱性を高め、熱の集中を防ぐため、対称加工を推奨します。例えば、板厚90mmの板を60mmまで加工する場合、片面を加工した後にもう片面を連続して加工すると、最終寸法の平坦度公差が5mmになる可能性があります。しかし、各面を最終寸法まで2回加工する「繰り返し送り対称加工」を採用すれば、平坦度を0.3mmまで向上させることができます。
2. シート部品に複数のキャビティがある場合、一度に1つのキャビティを処理するシーケンシャル加工法は推奨されません。この方法では、部品にかかる力が不均一になり、変形が生じる可能性があります。代わりに、層内の全てのキャビティを同時に加工してから次の層に進む、階層加工法を使用してください。これにより、部品にかかる応力が均一になり、変形のリスクを最小限に抑えることができます。
3. 切削抵抗と発熱を低減するには、切削量の調整が重要です。切削量の3つの要素のうち、バックカット量は切削抵抗に大きな影響を与えます。取り代が過剰で、1パスあたりの切削抵抗が高すぎると、部品の変形を招き、工作機械の主軸の剛性に悪影響を与え、工具の耐久性を低下させる可能性があります。
バックカット量を減らすと工具寿命は向上しますが、生産効率も低下する可能性があります。しかし、CNC加工における高速フライス加工は、この問題に効果的に対処できます。バックカット量を減らし、それに応じて送り速度と工作機械の回転速度を上げることで、加工効率を損なうことなく切削抵抗を低減できます。
4. 切削工程の順序は重要です。荒加工は、加工効率を最大化し、単位時間あたりの材料除去率を高めることに重点を置きます。通常、この段階ではリバースミリングが用いられます。リバースミリングでは、ブランクの表面から余分な材料を最高速かつ最短時間で除去し、仕上げ工程のための基本的な形状プロファイルを効果的に形成します。
一方、仕上げ加工では高精度と高品質が優先されるため、ダウンミリングが好まれる手法です。ダウンミリングでは、切削厚さを最大からゼロまで徐々に減少させます。この手法により、加工硬化が大幅に低減され、加工部品の変形を最小限に抑えることができます。
5. 薄肉ワークは加工中にクランプによる変形が生じることが多く、仕上げ工程でも課題が残ります。この変形を最小限に抑えるには、仕上げ工程で最終寸法に達する前にクランプ装置を緩めておくことをお勧めします。これにより、ワークは元の形状に戻り、その後、作業者の感覚でワークを固定する程度にクランプを軽く締め直すことができます。この方法により、理想的な加工結果が得られます。
まとめると、クランプ力は支持面にできるだけ近づけ、ワークピースの最も剛性の高い軸に沿って加える必要があります。ワークピースの緩みを防ぐことは重要ですが、最適な結果を得るためには、クランプ力を最小限に抑える必要があります。
6. キャビティのある部品を加工する際は、ドリルビットのようにフライスカッターが材料に直接食い込むようなことは避けてください。この方法では、フライスカッターが十分な切削スペースを確保できず、切削片の排出がスムーズに行えない、過熱、膨張、切削片の崩壊や部品の破損などの問題が発生する可能性があります。
代わりに、まずフライスカッターと同じサイズかそれより大きいドリルビットを使用して、最初のカッター穴を開けます。その後、フライスカッターを使用してフライス加工を行います。あるいは、CAMソフトウェアを使用して、この作業用のスパイラル切削プログラムを作成することもできます。
詳細やお問い合わせはお気軽にお問い合わせくださいinfo@anebon.com
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投稿日時: 2024年11月27日