CNC（コンピュータNC）ミリングは、さまざまな部品や製品を製造するための汎用的で正確な製造プロセスです。CNCミリング動作に顕著に影響する重要な要素の1つは、被加工材料の硬度である。材料硬度は加工パラメータ、工具摩耗、表面仕上げ度と全体効率を決定する上で重要な役割を果たしている。この記事では、材料の硬度がNCミリング操作にどのように影響するか、およびメーカーが異なる硬度レベルの材料を処理する際に考慮すべき要素を検討します。
材料の硬度とは？
材料硬度とは、材料が力を加えた下で変形、浸透、またはスクラッチに抵抗する能力を指す。これは、加工性、切削力、工具寿命に影響を与える重要な機械的性能です。硬度は通常、材料や用途に応じて、ブリネル硬度（HB）、ロックウェル硬度（HRC）、またはビッカース硬度（HV）などのスケールを用いて測定される。
硬度によって材料は大きく3つに分類される：
- 軟質材料：アルミニウム、プラスチック、真鍮など。
- 中硬材料：例えば、低炭素鋼、青銅、チタン合金。
- 硬質材料：例えば硬化鋼、工具鋼、高温合金。
材料の硬度がNCミリングにどのように影響するか
1.工具選択
材料の硬度によって、効果的に使用できる切削工具のタイプが決まります。
−軟質材料：アルミニウムやプラスチックなどの軟質材料は高速鋼（HSS）や硬質合金工具で加工することができる。これらの材料は切断しやすく、工具の摩耗が最小です。
−硬質材料：硬質材料には、窒化チタンやダイヤモンド状炭素などのコーティング付き硬質合金工具またはセラミック工具が必要である。これらのツールは、高温を処理し、硬い表面を切断することによる摩耗に抵抗することを目的としている。
2.切断速度と送り速度
材料の硬度は推奨切削速度と送り速度に直接影響する：
-軟質材料：軟質材料はより高い速度と送り速度で加工することができる。これにより、精度を維持しながら、より速い生産サイクルが可能になります。
-硬質材料：硬質材料は、工具の損傷や過度の発熱を防ぐために、遅い切削速度と低い送り速度を必要とする。適切に設定しないと、工具が破断したり、表面の品質が悪くなったりします。
3.工具摩耗と工具寿命
硬い材料は切削工具に大きな摩耗をもたらします。これは、切削刃が加工中により高い摩擦と熱を受けるためである。硬質材料を処理する際に、工具を頻繁に交換することと高い工具コストは一般的な課題である。適切な工具材料を選択し、適切な冷却方法を使用することで、工具の寿命を延長することができます。
4.表面処理
材料の硬度は実現可能な表面仕上げに影響する：
-軟質材料：これらの材料はミリング時により滑らかな表面仕上げをもたらすことが多い。ただし、過大な切削力による塗布や変形には注意が必要である。
-硬質材料：管理が適切でない場合、硬質材料を加工すると表面が粗くなることが多い。鋭いツール、低い速度、精密な仕上げプロセスを使用すると、より良い結果を得ることができます。
5.発熱
硬い材料は、摩擦や抵抗が大きいため、ミリング中により多くの熱を発生します。この熱は材料の性能に影響を与え、工具の寿命を短縮します。冷却液を正しく使用するか、乾式加工技術を使用することは、熱を効率的に管理するために重要である。
6.加工時間とコスト
材料の硬度は加工作業の時間とコストに直接影響する：
-軟質材料：加工が容易になり、サイクルタイムが短縮され、コストが削減されます。
-硬質材料：より注意深く正確な加工が必要であり、より長いサイクル時間とより高い生産コストをもたらす。
異なる硬度の材料をミリングする技術
軟質材料の場合：
ツールの選択
鋭いエッジ：切削力を最小限に抑え、材料の引き裂きを防ぐために、鋭利な切削刃と正面の角を持つ工具を選択します。
適切な材料：特定の軟質材料と必要な光沢度に基づいて、高速鋼（HSS）または硬質合金工具を選択する。
溝の設計：特に柔らかい材料の中で、より良く屑を排出するために、複数の溝を使用することを考慮します。
切断パラメータ：
高切削速度：工具にスタックエッジが形成されるリスクを低減するために、比較的高い切削速度で動作します。
低供給速度：低供給速度を使用して、過剰な切り屑除去を防止し、良好な表面品質を維持する。
軽量切削深さ：熱発生と工具摩耗を最小限に抑えるために、より小さな切削深さを使用します。
中硬度の材料の場合：
ツールの選択：
硬質合金工具：材料と必要な光沢度に基づいて、前角、螺旋角と溝数などの方面を考慮して、硬質材料のために設計されたコーティングを有する高品質硬質合金刃を選択する。
負の前角：硬質材料を加工する時、負の前角を選択することはより良い切屑制御と安定性を提供することができる。
鋭い切削刃：熱の発生と摩耗を最小限に抑えるために、工具が適切に鋭利であることを確保します。
切断パラメータ：
チップ負荷が低い：
熱や工具の摩耗を防ぐために、一貫性があり、相対的に低い切り屑荷重を維持します。
切断速度を最適化するには：
材料と工具の組み合わせに応じて切削速度を調整し、効率的な材料除去と工具寿命のバランスを実現します。
高い送り速度：
可能な場合には、より高い供給速度を使用して表面仕上げと切り屑除去を改善する。
硬質材料の場合：
ツールの選択
高品質硬質合金ブレード：ボタンやT溝などの堅固な幾何形状を持つ硬質合金ブレードを選択し、耐熱性の高い硬質材料に特化したグレードを選択します。
コーティング：耐摩耗性と放熱性を高めるためにTiN、TiAlNまたはCBN（立方晶窒化ホウ素）などのコーティングを選択する。
多溝：切り屑をよりよく排出するために、溝数の多い（4～8個）エンドミルを使用します。
負の前角：硬質材料を加工する時、負の前角は切削に抵抗し、工具の寿命を高めるのに役立つ。
切断パラメータ：
軽量切削：熱の発生を最小限に抑えるために、小さな切削深さと削減された切削幅（通常は工具直径の25～40%）を使用します。
1歯あたりの送り量が低い：切削刃が過大な応力を受けないように、低い送り速度を維持する。
高主軸速度：切屑除去率を高めるために、適切な場合にはより高い主軸速度を採用する。
異なる硬度材料の加工におけるNCミリングの使用
-軟質材料：アルミニウムはその軽量特性と加工性のため、航空宇宙、自動車、消費財業界に広く応用されている。
−中硬材料：チタンは医療用インプラント及び航空宇宙部品において一般的であり、その中で強度及び重量比は極めて重要である。
−硬質材料：硬化鋼は、耐久性及び耐摩耗性を必要とする工具製造、自動車部品及び重機用に使用される。
結論
材料の硬度はNCミリング操作における重要な要素であり、工具選択から加工パラメータ、最終部品品質の各側面に影響を与える。硬度がプロセスにどのように影響するかを理解し、メーカーが操作を最適化し、刃物の摩耗を減少させ、一致した結果を実現できるようにする。特定の材料硬度に基づいて工具、速度、送りをカスタマイズすることにより、CNCミリングはさまざまな業界やアプリケーションに精密な部品を提供することができます。軟質アルミニウムの加工にしても硬質鋼の加工にしても、綿密な計画と実行はNCミリングの成功の鍵である。