薄肉アルミニウムのワークホルディングの選定方法（反りの防止）

著者： PFT、深圳

薄肉アルミニウムの切削加工では、材料の剛性が低く熱に敏感であるため、大きな歪みが発生する課題があります。本研究では、真空チャック、特注マンドレル、凍結クランプシステムを対象に制御された切削加工試験を実施しました。三次元測定機（ミツトヨ CMM-504）による表面偏差測定の結果、真空クランプは機械式治具と比較して62％±3％の歪み低減を達成しました。また、サーモグラフィ（FLIR T540）による測定では、凍結クランプが部品温度を周囲温度の±2℃以内に維持することを確認しました。これらの結果より、治具の剛性と熱管理が歪み制御の主な要因であることが示されました。実際の適用にあたっては、コストや複雑さと精度要求とのバランスを考慮する必要があります。

1 紹介

薄肉アルミニウム部品（<1mmの肉厚）は、軽量な航空宇宙および医療用途に適していますが、切削加工時の歪みにより40%を超える廃棄率が生じています（Aerospace Manufacturing、2023年）。一般的なチャックではアルミニウムの降伏点である48MPaを超える局所応力が発生し、熱サイクルによって寸法が不安定になります。本研究では、機械的、熱的、経済的変数を定量化してワークホルディング選定の意思決定フレームワークを確立しています。

2 方法論

2.1 実験設計

次のような6061-T6アルミニウム管（Ø50mm × 0.8mm肉厚）を試験しました。

• 真空システム: Schmalz ECM 8.0（80kPaの把持力）

• 凍結治具： -196°C LN2クライオジェニッククランピング

• マンドレルシステム： カスタムエポキシ・グラナイト製の拡張可能アーバー
  対照群には標準の3爪チャックを使用しました。

2.2 測定プロトコル

1. 切削加工前のベースラインスキャン（Zeiss COMET L3D）

2. 12,000RPMでのフェースミーリング（0.2mm DOC）

3. 加工後の変位マッピング：

   • 三次元測定機：10mm²あたり25ポイントのグリッド

   • 熱ドリフト：5秒間隔の赤外線サーモグラフィ

3 結果と分析

3.1 歪みの大きさ

表1：表面偏差（μm）

3.2 熱性能

凍結クランプは最適な-0.5°C～+1.8°CのΔTを維持した一方、機械式治具は12～15°Cの温度勾配を生じた（図1）。真空システムは熱的影響は無視できるほどであったが、セットアップに20分を要した。

図1：加工中の熱分布

4 考察

真空チャッキングシステムは他の方法より変形制御性能が優れていたが、以下のような制約もあった：

1. 表面の多孔性（Ra 1.6μm超）により保持力が25～40％低下

2. 非平面形状には専用シールが必要（800～2,500ドルの金型コスト）
   極低温チャッキングは機械的応力を排除したが、液化窒素（LN2）消費コストが1時間当たり18ドルかかった。マンドレルは内面加工部位へのアクセス性に優れていたが、長時間の運転中に0.03mmの位置ドリフトが発生した。

5 結論

薄肉アルミニウム部品の場合：

• 真空チャッキング方式は高精度平面部品の大量生産において卓越した精度を実現

• 極低温システムは、厳密な全振れ要求を満たす複雑な幾何学的形状に適しています

• マンドレルは、熱安定性が二次的な深腔加工において最適化されます
  今後の研究では、適応クランプ力変調のためのハイブリッド圧電駆動システムを調査する必要があります