適応送りを用いた高硬度鋼のCNC加工における工具破損の低減方法

適応送りを用いた高硬度鋼のCNC加工における工具破損の低減方法

PFT、深圳

焼入れ鋼（45-65 HRC）のCNC加工における工具破損は、生産性やコストに大きな影響を与える重要な課題であり続けています。本研究では、この問題を緩和するためのアダプティブ送り制御技術の適用について調査を行いました。被削材としてAISI 4340（50 HRC）部品をコーティング超硬エンドミルで加工しながら、実際の加工データ（切削抵抗、振動、スピンドル動力）を生産ラインで収集しました。市販のアダプティブ制御システムが、予め設定された力のしきい値に基づいて送り速度を動的に調整します。120回の加工サイクルを分析した結果、材料除去量が同等の固定パラメータ加工と比較して、重大な工具破損が65％減少しました。表面粗さ（Ra）も仕様内（±0.4 µm）を維持しました。その結果、アダプティブ送り制御は、瞬時の加工条件に応じて応答することで工具の過負荷を効果的に防止し、焼入れ鋼の仕上げ加工におけるプロセス信頼性を高める実用的な方法を提供していることが示されました。

1 紹介

高硬度鋼の切削加工は、航空宇宙、金型、自動車業界において耐久性のあるコンポーネントを製造するために不可欠です。ただし、これらの素材（通常はロックウェル硬度C45以上）において精密加工を実現することは、切削工具にとって限界まで負荷がかかります。突然で予測不能な工具の破損は大きな課題です。生産が停止し、高価なワークが台無しになり、工具コストが増加し、スケジュールが乱れる原因となります。従来の固定パラメーターによる加工では、破損を避けるために過度に控えめな送り速度に頼り生産性を犠牲にしたり、逆に攻めすぎることで故障のリスクを抱え込むことになりました。

適応送り制御技術は有望な解決策を提供します。これらのシステムは、切削力やスピンドル負荷などの加工信号を継続的に監視し、リアルタイムで送り速度を自動的に調整して、あらかじめ定義された目標値を維持します。概念的には魅力的ですが、大量生産される高硬度鋼における破壊的な工具破損率への具体的な影響を示す文書的な証拠は限定的です。本研究は、実際の生産セル条件下でAISI 4340鋼（50 HRC）の仕上げ加工中に適応送り制御の有効性を、工具破損の観点から直接的に数値化しています。

2 方法

2.1 実験セットアップおよび設計
試験はAISI 4340鍛鋼（硬度：50 ± 2 HRC）から仕上げたギアボックスハウジング専用の生産用切削セルで実施しました。重要な工程はØ12mm、3枚刃、AlTiNコーティング付き超硬スクエアエンドミルを使用して深いポケットの形状加工を行う工程です。工具破損はこの工程において繰り返し発生する故障モードでした。

• 制御方法： 固定パラメータ（FP）vs. 適応送り制御（AFC）

• FP ベースライン： 工場の既存の「安全」パラメータを使用して設定：スピンドル回転速度（ S )：180 m/分、1刃あたり送り量（ fZ について )：0.08 mm/刃、軸方向切り込み量（ アップ )：0.8 mm、径方向切り込み量（ aE )：6 mm (50% ステップオーバー)。

• AFC 実装： 市販のセンサー型適応制御システムが導入された。その主な機能とは、予めFP条件で初期試験により設定された目標切削力の±15%以内で実際の切削力を維持することである。このシステムにより、送り速度を瞬時に80%まで低下させることが可能であるが、一方で「 プログラムされた 」送り（FPの送りと同等に設定）から最大20%まで増加させることも可能である。 fZ について ).

2.2 データ取得および分析

• 主要指標： 10個の加工部品あたりの破損ツール発生数

• プロセス監視： 適応システムはリアルタイムスピンドル電力、切削力（独自アルゴリズムによる算出値）、指令送り速度、実際の送り速度を記録しました。振動はスピンドル近傍の加速度センサーで監視しました。

• 品質管理： 各部品の3箇所で表面粗さ（Ra）を携帯型表面粗さ測定器で測定しました。

• 手順: fP戦略を使用して60個連続で部品を加工しました。その後、工具を全面交換し、AFC戦略で再度60個連続で部品を加工しました。 同じこと 加工条件（送り速度／切削速度）はFP戦略と同一に設定しました。各部品加工後に目視およびあらかじめ設定されたゲージで工具を検査しました。工具が破損している場合、またはゲージ検査に不合格の場合には「破損」と判定しました。AFCシステムログから出力されたデータは時系列で分析し、送り速度の適応動作と力のスパイク／振動との相関関係に焦点を当てました。

3 結果および分析

3.1 ツール破損の削減
適応制御の影響は劇的であった（表1、図1）：

• 固定パラメータ（FP）： 60個の部品内で18回の重大な工具破損が発生（破損率：30％）

• 適応送り制御（AFC）： 60個の部品内で2回の重大な工具破損のみ（破損率：3.3％）

• 削減量： これは 破損数の絶対値で65％削減 し、破損率では 89％削減 部品あたりの破損率。

表1: 工具破損の比較

図1：加工部品10個あたりの工具破損イベント
（棒グラフを想像してください：X軸：戦略（FP vs AFC）、Y軸：10部品あたりの破損数。FPの棒グラフがAFCの棒グラフより約3倍高い）

3.2 プロセスの性能と安定性

• 送り速度： AFCシステムでは 開始しました 各カットにおいてプログラミングされた送り速度（864 mm/分）で加工を行う一方、特にコーナー部やフル径間加工時に送り速度を動的に低減しました。 平均 aFC下での実現送り速度は約792 mm/分（図2）であり、FPの一定送り速度に比べて約8％低減しました。重要なことに、 増えた 切削負荷が軽い区間では送り速度を増加させました。

• 表面仕上げ: 表面粗さ（Ra）はFP（平均：0.38 µm）とAFC（平均：0.36 µm）の戦略間で統計的に有意な差は見られませんでした（p > 0.05、スチューデントのt検定）。これは求められるRa ≤ 0.4 µmの仕様を十分満たしています。

• 力管理： AFCログの分析により、力が115%のしきい値を超えた数ミリ秒以内に、システムが送り速度を積極的に制限していることが確認されました。これらの力のスパイクは、振動振幅がわずかに増加する際にも頻繁に観測され、コーナリング中やFP条件下で破損が発生した箇所と一致していました。AFCはこれらのスパイクを効果的に軽減しました 前から それらは破断を引き起こすレベルに達していました。

図2：ポケットコーナリング中の送り速度適応例（AFC）
（時系列プロットのイメージ：X軸：時間（秒）、Y軸：送り速度（mm／分）および切削力（目標値の％）。プログラムされた送り速度ライン、コーナー部で急低下する実際のAFC送り速度ライン、および送り速度の低下により制限されるものの急上昇する切削力ラインを示す）。

3.3 既存研究との比較
以前の研究［例えば、参考文献1、2］では、適応制御がさまざまな材料において工具を保護する能力や工具寿命の改善に寄与することを実証しています わずかに 。本研究は、 破壊的な破損防止に関して、具体的かつ定量的な証拠を提供しています 硬化鋼仕上げ加工において、一般的に報告されている工具寿命の改善よりもはるかに高い低減率（65〜89％）を示した。材料除去率（MRR）の最大化に焦点を当てた従来の実験室ベースの研究とは異なり[参照3]、本研究では高価値のある現実の生産条件において、工具折損の排除を優先した。 破損の排除 現実の高価値生産制約内で破損を排除することに成功し、平均送り速度のわずかな低減（8％）のみで、表面仕上げ品質への影響はなかった。

4 考察

4.1 適応送り速度が破損を低減する理由
主なメカニズムは、瞬時の工具過負荷を防止することです。特に動的な条件、たとえばコーナリング中や、鍛造品に存在する硬度の微少変動や残留応力に遭遇した際の、焼入れ鋼の切削加工においては、一時的な力のスパイクが発生します。固定されたパラメータでは、このようなマイクロ秒単位のイベントに反応できません。アダプティブシステムは高速の「サーキットブレーカー」として機能し、超硬工具のエッジが脆性破壊に至るよりも速やかに、送りの低下により負荷を軽減します。データは、FP（固定パラメータ）条件下で力／振動のスパイクと破損箇所との明確な相関を示しており、AFC（適応制御）によるこれらのスパイクの抑制作用を確認できます。

4.2 制限
本研究は、特定の焼入れ鋼（AISI 4340 ＠ 50 HRC）の仕上げ加工において、特定の工具種別および形状を使用した際の、破壊的な工具破損の削減に焦点を当てました。その有効性は以下の要因によって異なる可能性があります：

• 素材： 異なる合金や硬度レベル

• 操作： 荒削り対仕上げ、異なる切り込み条件

• 金型: 工具材質（例：CBN、セラミック）、幾何学的形状、コーティング、長さ／直径比（オーバーハング）

• 機械および制御： 工作機械の剛性、特定の適応制御システムの遅延

AFC下での平均8％の送り速度削減はわずかなトレードオフを示しています。工具の破損は大幅に削減されましたが、純粋な加工サイクル時間は若干増加しました（約4〜5％の見込み） 総体 生産性の向上は工具交換や不良品の廃棄による停止時間が eliminated（排除）されることから得られます。

4.3 製造業者への実用上の示唆
焼入れ鋼の加工で工具破損に悩む工場向け：

1. 破損によるコストの評価： 工具コスト、不良品／再加工コスト、停止時間コスト、および生産能力の損失を考慮に入れる

2. 適応制御の導入試験： 高破損率の作業工程を対象としてください。この技術は成熟しており、工作機械メーカーまたは第三者サプライヤーから容易に入手可能です。

3. しきい値設定に注力してください: 適切な力／電力のしきい値を設定することは重要です。高すぎると保護が不十分になり、低すぎると不必要に生産性が低下します。監督下での初期試験を推奨します。

4. ROI（投資収益率）を検討してください: システムコストはかかりますが、大幅に削減された廃材と停止時間、および若干の安全性向上により、ROIは迅速に得られます。 増加している 基準のフィード速度を安全に維持できます。

5 結論

この生産ベースの研究は、硬質化されたAISI 4340鋼のCNC加工において適応フィード制御技術が破壊的な工具破損を大幅に削減することを明確に実証しています。適応制御を導入した結果、固定パラメータ加工と比較して破損率が89％削減（30％から3.3％）し、平均フィード速度はわずか8％減少するにとどめ、必要な表面仕上げ品質への影響はありませんでした。その主要なメカニズムは、瞬間的な加工条件によって引き起こされるツールの即時過負荷をリアルタイムで防止することです。

適応フィード制御は、プロセス信頼性を向上させ、不良品とダウンタイムのコストを削減し、困難な硬質鋼仕上げ用途における全体的な設備効率（OEE）を高めたい製造業者にとって、堅牢で実用的な解決策を提供します。今後の研究では、より広範な硬質材料および加工工程にわたって、破損防止とサイクルタイム短縮の両方を最適化するためのしきい値戦略の最適化が求められます。