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、その用途範囲は拡大し続けています。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、さまざまな業界に対応しています。ここでは、アルミニウム製品の加工技術と、加工中の変形を回避する方法について説明します。
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、鉄や銅の約 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、押出、延伸などの加圧加工により様々な製品を得ることができます。
- 耐食性:アルミニウムは、自然条件下または陽極酸化によって表面に保護酸化膜を自然に生成し、鋼と比較して優れた耐食性を備えています。
- 簡単に強化：純アルミニウムは強度レベルが低いですが、陽極酸化処理を行うことで強度を大幅に高めることができます。
- 表面処理を容易にする:表面処理により、アルミニウムの特性を強化または変更できます。陽極酸化プロセスは確立されており、アルミニウム製品の加工に広く使用されています。
- 優れた導電性とリサイクル性:アルミニウムは電気伝導性に優れており、リサイクルが容易です。
アルミ製品加工技術
アルミ製品のプレス加工
1. コールドスタンピング
使用素材はアルミペレットです。これらのペレットは、押出機と金型を使用して単一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、延伸では実現が難しい形状の作成に最適です。 （図 1 は機械、図 2 はアルミニウムペレット、図 3 は製品）
使用される機械のトン数は製品の断面積に関係します。タングステン鋼製の上型パンチと下型の間のギャップ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面の厚みを示します（図4参照）。
利点: 型開きサイクルが短く、延伸型に比べて開発コストが低くなります。短所: 製造プロセスが長い、プロセス中の製品サイズの変動が大きい、人件費が高い。
2.ストレッチ
使用素材：アルミシート。連続成形機と金型を使用して、形状要件を満たすために複数の変形を実行するため、非円柱体（アルミニウムが湾曲した製品）に適しています。 (図 5 に機械、図 6 に金型、図 7 に製品を示します)
利点:複雑で多変形の製品の寸法が製造プロセス中に安定して制御され、製品の表面がより滑らかになります。
短所: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高い要件があります。
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）
高速の砂流の衝撃によって金属表面を洗浄し、粗面化するプロセス。
ワーク表面の清浄度と粗さを向上させるアルミニウムの表面処理方法です。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。この改良により、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、コーティングのレベリングと美的外観を促進します。このプロセスはさまざまな Apple 製品で一般的に見られます。
2. 研磨
この加工方法では、機械的、化学的、または電気化学的技術を使用し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。研磨工程は大きく「機械研磨」「化学研磨」「電解研磨」の3種類に分類されます。機械研磨と電解研磨を組み合わせることで、アルミ部品もステンレスと同様の鏡面仕上げが可能です。このプロセスにより、高級感、シンプルさ、ファッション性、そして未来的な魅力が生まれます。
3. 伸線
金属線引き加工とは、アルミ板をサンドペーパーで繰り返し線を削り出す製造工程です。伸線はストレート伸線、ランダム伸線、スパイラル伸線、スレッド伸線に分けられます。金属線引きプロセスは、すべての細かいシルクマークを明確に表示できるため、マットな金属に細かい毛の光沢があり、製品はファッションとテクノロジーの両方を備えています。
4. 高光カット
ハイライトカットは、精密彫刻機を使用して、高速回転（通常20,000rpm）精密彫刻機のスピンドル上のダイヤモンドナイフを強化して部品を切断し、製品表面に局所的なハイライト領域を作成します。切削ハイライトの明るさは、フライスドリルの速度に影響されます。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、切断ハイライトが濃いほど、ナイフ跡が発生する可能性が高くなります。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が採用されています。CNCフライス加工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シャープさに満ちています。
5. 陽極酸化処理
陽極酸化は、金属または合金を酸化する電気化学プロセスです。このプロセスでは、特定の条件下で特定の電解液に電流が流れると、アルミニウムとその合金に酸化皮膜が形成されます。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の重要な要素となっており、現在最も広く使用され、成功を収めている方法の 1 つです。
6. 2色陽極
2 色陽極とは、製品を陽極酸化して特定の領域に異なる色を適用するプロセスを指します。この 2 色陽極酸化技術は、その複雑さとコストの高さからテレビ業界ではほとんど採用されていませんが、2 色のコントラストが製品の高級感とユニークな外観を高めます。
アルミニウム部品の加工変形には、材料特性、部品形状、製造条件などのいくつかの要因が考えられます。変形の主な原因には、ブランクに存在する内部応力、切削抵抗と加工中に発生する熱、クランプ中にかかる力が含まれます。これらの変形を最小限に抑えるために、特定のプロセス対策と操作スキルを実装できます。
加工変形を軽減する加工対策
1. ブランクの内部応力を軽減する
自然または人工の時効処理と振動処理は、ブランクの内部応力を軽減するのに役立ちます。この目的のためには、前処理も有効な方法です。ヘッドが太く耳が大きいブランクの場合、マージンが大きいため加工中に大きな変形が発生す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、後続の加工時に発生する変形を最小限に抑えるだけでなく、前処理後に存在する内部応力の一部を緩和することができます。
2. 工具の切削能力の向上
工具の材質と幾何学的パラメータは、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) 工具の幾何学的パラメータの合理的な選択。
①すくい角：すくい角は、刃の強度を維持する条件下では、大きくなるように適宜選択される。鋭利な刃先を研削できる一方で、切削変形を低減し、切りくずの排出をスムーズにし、切削抵抗と切削温度を下げることができます。負のすくい角工具の使用は避けてください。
②バックアングル：バックアングルの大きさは、バックツール面の摩耗と加工面の品質に直接影響します。バックアングルを選択する場合、切断厚さは重要な条件となります。荒加工では、送り速度が大きく、切削負荷が大きく、発熱も大きいため、工具の放熱条件が良好であることが求められます。したがって、バックアングルは小さくなるように選択する必要があります。精密フライス加工では、刃先を鋭利にし、裏面工具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。したがって、バックアングルは大きくなるように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、フライス加工力を軽減するには、ねじれ角をできるだけ大きく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と、放熱状態が改善され、処理領域の平均温度を下げることができます。
2) ツール構造を改善します。
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:
アルミニウム材は塑性が高く、加工時の切削変形が大きいため、より大きなチップスペースを確保することが重要です。これは、切りくず溝底の半径を大きくし、フライスの歯数を減らす必要があることを意味します。
カッター歯の精密研削:
カッター歯の刃先の粗さの値は 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、細かいオイルストーンでカッターの歯の表と裏を数回優しく研ぎ、研ぎの過程で残ったバリやわずかな鋸歯状の模様を取り除くことをお勧めします。これにより、切削熱が軽減されるだけでなく、切削変形も最小限に抑えられます。
工具摩耗基準を厳密に管理:
工具が摩耗すると、ワークピースの表面粗さが増加し、切削温度が上昇し、ワークピースの変形が増大する可能性があります。したがって、耐摩耗性に優れた工具材料を選択し、工具摩耗が 0.2 mm を超えないようにすることが重要です。摩耗がこの限界を超えると、切りくずの形成につながる可能性があります。切断中は、変形を防ぐために、通常、ワークピースの温度を 100°C 以下に保つ必要があります。
3. ワークのクランプ方法を改善します。剛性の低い薄肉アルミニウムワークの場合は、次のクランプ方法を使用して変形を軽減できます。
① 薄肉ブッシュ部品の場合、ラジアルクランプに三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使用すると、加工後にワークが緩むと変形する可能性があります。この問題を回避するには、より剛性の高い軸方向端面クランプ方法を使用することをお勧めします。部品の内側の穴の位置を決め、ねじ付き貫通マンドレルを作成し、それを内側の穴に挿入します。その後、カバープレートを使用して端面をクランプし、ナットでしっかりと固定します。この方法により外周加工時のクランプ変形を防止し、良好な加工精度を確保します。
② 薄肉の板金ワークを加工する場合は、均一なクランプ力を実現するために真空吸着カップを使用することをお勧めします。また、切削量を少なくすることでワークの変形を抑えることができます。
また、ワーク内部に媒体を充填して加工剛性を高める方法も有効です。たとえば、3% ～ 6% の硝酸カリウムを含む尿素溶融物をワークピースに注入できます。加工後、ワークピースを水またはアルコールに浸してフィラーを溶解し、注ぎ出すことができます。
4. プロセスの合理的な配置
高速切削では、取り代が大きく断続的な切削となるため、フライス加工では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や表面粗さに悪影響を与える可能性があります。その結果、CNC高速切削加工通常、荒加工、中仕上げ、角洗浄、仕上げといういくつかの段階に分かれています。高い精度が要求される部品の場合、仕上げの前に二次中仕上げが必要になる場合があります。
荒加工段階の後は、部品を自然に冷却することをお勧めします。これにより、荒加工時に発生する内部応力が除去され、変形が軽減されます。荒加工後に残される機械加工の取り代は、予想される変形より大きくなければなりません (通常は 1 ～ 2 mm)。仕上げ段階では、仕上げ面に均一な機械加工代 (通常は 0.2 ～ 0.5 mm) を維持することが重要です。この均一性により、加工中に切削工具が安定した状態に保たれるため、切削変形が大幅に軽減され、表面品質が向上し、製品の精度が確保されます。
加工変形を軽減する操作スキル
アルミ部品は加工中に変形します。上記の理由に加えて、実際の運用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は、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。たとえば、厚さ 90 mm のシートを 60 mm まで加工する場合、片面の直後にもう一方の面をフライス加工すると、最終寸法の平面度公差が 5 mm になる可能性があります。ただし、各面を最終サイズまで 2 回ずつ加工する反復送り対称加工アプローチを使用すると、平面度を 0.3 mm まで改善できます。
2. シート部品に複数のキャビティがある場合、一度に 1 つのキャビティに対処する連続処理方法を使用することはお勧めできません。このアプローチでは、部品に不均一な力がかかり、変形が生じる可能性があります。代わりに、層内のすべてのキャビティが次の層に進む前に同時に処理される層状処理方法を使用します。これにより、部品上の応力が均一に分散され、変形のリスクが最小限に抑えられます。
3. 切削抵抗と熱を軽減するには、切削量の調整が重要です。切削量の３要素の中で、切削抵抗に大きな影響を与えるのは背面切削量です。取り代が過大で、1パス当たりの切削抵抗が高すぎると、部品の変形を引き起こしたり、工作機械の主軸剛性に悪影響を及ぼし、工具の耐久性を低下させたりする可能性があります。
バックカット量を減らすと工具の寿命は延びますが、生産効率も低下する可能性があります。ただし、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下げることができます。
4. 切断作業の順序は重要です。荒加工では、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いています。通常、この段階ではリバースミリングが使用されます。リバースミリングでは、ブランクの表面から余分な材料が最速かつ可能な限り短時間で除去され、仕上げ段階の基本的な幾何学的プロファイルが効果的に形成されます。
一方、仕上げでは高精度と品質が優先されるため、ダウンミーリングが好まれる技術となります。ダウンミリングでは、カットの厚さは最大からゼロまで徐々に減少します。このアプローチにより、加工硬化が大幅に軽減され、加工される部品の変形が最小限に抑えられます。
5. 薄肉のワークピースは、加工中のクランプにより変形することがよくありますが、この問題は仕上げ段階でも発生します。この変形を最小限に抑えるには、仕上げ加工中に最終サイズに達する前にクランプ装置を緩めることをお勧めします。これにより、ワークピースは元の形状に戻り、その後、オペレータの感覚に基づいて、ワークピースを所定の位置に保持するだけで十分な、ワークピースの再クランプが可能になります。この方法は、理想的な処理結果を達成するのに役立ちます。
要約すると、クランプ力は支持面のできるだけ近くで、ワークピースの最も強い剛性軸に沿って加えられる必要があります。ワークピースの緩みを防ぐことが重要ですが、最適な結果を確保するには、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ときは、ドリルビットのようにフライスが材料に直接突き刺さることを避けてください。このアプローチでは、フライス用のチップスペースが不十分になり、スムーズでない切りくず除去、過熱、膨張、潜在的な切りくずの崩壊やコンポーネント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作成します。その後、フライスを使用してフライス加工を行います。あるいは、CAM ソフトウェアを利用して、タスク用のスパイラル切断プログラムを生成することもできます。
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投稿日時: 2024 年 11 月 27 日