Exploring the Versatility and Manufacturing Technology of Five-Axis Heavy-Duty Cutting Crossbeam Slides

クロスビームスライドシートは工作機械の重要な部品であり、構造が複雑で種類も豊富です。クロスビームスライドシートの各インターフェイスは、クロスビーム接続ポイントに直接対応します。ただし、5軸ユニバーサルスライドから5軸重切削スライドに移行すると、クロスビームスライドシート、クロスビーム、ガイドレールベースも同時に変更されます。以前は、市場の需要を満たすために大型コンポーネントを再設計する必要があり、その結果、リードタイムが長くなり、コストが高くなり、互換性が低下していました。

この問題に対処するために、ユニバーサルインターフェイスと同じ外部インターフェイスサイズを維持するように、新しいクロスビームスライドシート構造が設計されました。これにより、クロスビームやその他の大きな構造コンポーネントを変更することなく、剛性要件も満たしながら、5 軸強力カッティングスライドの設置が可能になります。また、加工技術の向上により、クロスビームスライドシートの製造精度も向上しました。このタイプの構造最適化は、関連する処理方法とともに、業界内での推進と適用に推奨されます。

1. はじめに

5軸ヘッドの取り付け断面形状は、パワーやトルクの大きさに影響を受けることが知られています。ユニバーサル5軸スライドを備えたビームスライドシートは、リニアレールを介してユニバーサルモジュラービームと接続できます。しかし、高出力、高トルクの5軸重切削用スライドの取り付け断面積は、従来のユニバーサルスライドに比べて30％以上大きくなります。

その結果、ビームスライドシートの設計に改善が必要となります。この再設計における重要な革新は、ユニバーサル 5 軸スライドのビームスライドシートと同じビームを共有できることです。このアプローチにより、モジュール式プラットフォームの構築が容易になります。さらに、全体の剛性がある程度向上し、生産サイクルが短縮され、製造コストが大幅に削減され、市場の変化への適応が向上します。

従来のバッチ式ビームスライドシートの構造紹介

従来の5軸システムは、主に作業台、ガイドレール座、ビーム、ビームスライド座、5軸スライドなどの大型部品で構成されていました。ここでは、図 1 に示すように、ビームスライドシートの基本構造に焦点を当てます。2 セットのビームスライドシートは対称で、上部、中間、下部のサポートプレートで構成され、合計 8 つのコンポーネントになります。これらの対称ビームスライドシートは互いに向き合い、サポートプレートを一緒にクランプすることで、抱き込み構造を備えた「口」型のビームスライドシートが形成されます (図 1 の上面図を参照)。メインの図に示されている寸法はビームの進行方向を表しますが、左側の図の寸法はビームへの接続に重要であり、特定の公差を遵守する必要があります。

個々のビームスライドシートの観点から見て、加工を容易にするため、上部が広く中央が狭い「I」型接合部の上下6組のスライダ接続面を1つの加工面に集中させています。この配置により、微細な加工を通じてさまざまな寸法および幾何学的精度を確実に達成できます。サポートプレートの上部、中間、および下部グループは単に構造的なサポートとして機能するため、シンプルかつ実用的です。従来の包み込み構造で設計された5軸スライドの断面寸法は現状420mm×420mmです。また、5軸スライドの加工・組立時に誤差が生じる場合があります。最終的な調整に対応するには、上部、中間、下部のサポートプレートが閉じた位置にギャップを維持する必要があります。その後、射出成形でギャップを埋めて、硬化した閉ループ構造を作成します。これらの調整により、図 1 に示すように、特に包み込むクロスビームスライドシートに誤差が生じる可能性があります。1050 mm と 750 mm という 2 つの特定の寸法は、クロスビームとの接続に重要です。

モジュラー設計の原則によれば、互換性を維持するためにこれらの寸法を変更することはできません。これにより、クロスビームスライドシートの拡張と適応性が間接的に制限されます。この構成は、特定の市場では一時的に顧客の需要を満たす可能性がありますが、今日の急速に進化する市場のニーズには適合しません。

革新的な構造と加工技術のメリット

3.1 革新的な構造の紹介

市場への応用の推進により、航空宇宙処理に対する人々の理解が深まりました。特定の加工部品における高トルクと高出力への需要の高まりが、業界に新たなトレンドを引き起こしています。この要望に応え、5軸ヘッド対応のクロスビームスライドシートの断面を大きくした新製品を開発しました。この設計の主な目的は、高トルクと出力を必要とする重切削プロセスに伴う課題に対処することです。

この新しいクロスビームスライドシートの革新的な構造を図 2 に示します。ユニバーサルスライドと同様に分類され、2 セットの対称クロスビームスライドシートと 2 セットの上部、中間、および下部のサポートプレートで構成され、すべてが 1 つの構造を形成します。包括的な包み込み型構造。

新しいデザインと従来のモデルの主な違いは、クロスビームスライドシートとサポートプレートの向きが従来のデザインと比べて 90 度回転していることにあります。従来のクロスビームスライドシートでは、サポートプレートが主にサポート機能を果たします。しかし、新構造では、クロスビームスライドシートの上下支持板にスライダー設置面を一体化し、従来型とは異なり分割構造とした。この設計により、上部および下部のスライダー接続面を微調整および調整して、クロスビームスライドシートのスライダー接続面と確実に同一平面上にあるようにすることができます。

主な構造は 2 組の対称クロスビームスライドシートで構成されており、上部、中間、下部のサポートプレートが「T」字型に配置されており、上部が広く、下部が狭いことが特徴です。図 2 の左側の 1160mm と 1200mm の寸法は、クロスビームの移動方向に伸びていますが、主要な共通寸法 1050mm と 750mm は従来のクロスビームスライドシートの寸法と一致しています。

この設計により、新しいクロスビームスライドシートは、従来バージョンと同じオープンクロスビームを完全に共有することができます。この新しいクロスビームスライドシートに使用される特許取得済みのプロセスでは、射出成形を使用してサポートプレートとクロスビームスライドシートの間の隙間を埋めて硬化することにより、600mm x 600mm の 5 軸重切削スライドに対応できる一体型の包含構造を形成します。。

図2の左図に示すように、5軸重切削スライドを固定するクロスビームスライドシートの上下のスライダー接続面が分割構造になっています。潜在的な処理エラーにより、スライダの位置決め面やその他の寸法的および幾何学的精度の側面が同じ水平面上にない可能性があり、処理が複雑になります。これを考慮して、この分割構造の適切な組み立て精度を確保するために、適切なプロセスの改善が実施されました。

3.2 コプレーナ研削プロセスの説明

シングルビームスライドシートの中仕上げは、仕上げ代のみを残して精密フライス盤で仕上げます。ここでは説明が必要なので、仕上げ研削についてのみ詳しく説明します。具体的な研削工程は以下の通りです。

1) 2 つの対称ビームスライドシートを一体基準研削します。ツーリングを図 3 に示します。表面 A と呼ばれる仕上げ面は位置決め面として機能し、ガイドレールグラインダーにクランプされます。基準座面 B とプロセス基準面 C は、寸法および幾何学的精度が図面で指定された要件を確実に満たすように研削されます。

2) 上記の構造における非共面エラーを処理するという課題に対処するために、4 つの固定サポートの等高ブロックツールと 2 つの底部サポートの等高ブロックツールを特別に設計しました。 300 mm という値は、均等な高さを測定するために重要であり、均一な高さを確保するために、図面に示されている仕様に従って処理する必要があります。これを図 4 に示します。

3) 2 セットの対称ビームスライドシートが、特別な工具を使用して向かい合わせにクランプされます (図 5 を参照)。同じ高さの 4 組の固定支持ブロックが、取り付け穴を通してビームスライドシートに接続されています。さらに、同じ高さの 2 組の底部支持ブロックが基準座面 B とプロセス基準面 C に合わせて校正および固定されます。この設定により、対称ビームスライドシートの両方のセットが、軸受け面に対して同じ高さに配置されることが保証されます。プロセス基準面 C は、ビームスライドシートが正しく位置合わせされていることを確認するために使用されます。

共面加工が完了すると、両セットのビームスライドシートのスライダ接続面は共面になります。この処理は単一パスで行われ、寸法および幾何学的精度が保証されます。

次に、アセンブリを反転して、前に処理した表面をクランプして位置決めし、もう一方のスライダー接続表面を研磨できるようにします。研削プロセスでは、ツールによって固定されたビームスライドシート全体が 1 回のパスで研削されます。このアプローチにより、各スライダ接続面が望ましい共平面特性を達成することが保証されます。

ビームスライドシートの静剛性解析データの比較検証

4.1 平面加工力の分割

金属切削においては、CNCフライス旋盤平面フライス加工中の力は、工具に作用する 3 つの接線方向の成分に分割できます。これらの分力は工作機械の切削剛性を評価するための重要な指標です。この理論的なデータ検証は、静的剛性試験の一般原則と一致しています。工作機械に作用する力を解析するために、有限要素解析手法を採用し、実践的な試験を理論的な評価に変換することができます。このアプローチは、ビームスライドシートの設計が適切であるかどうかを評価するために使用されます。

4.2 平面重切削パラメータ一覧

カッター径(d)：50mm
歯数 (z): 4
主軸回転数（n）：1000rpm
送り速度 (vc): 1500 mm/min
加工幅 (ae): 50 mm
ミリングバック切削深さ (ap): 5 mm
1 回転あたりの送り (ar): 1.5 mm
刃あたりの送り (of): 0.38 mm

接線方向のミリング力 (fz) は、次の式を使用して計算できます。
\[ fz = 9.81 \times 825 \times ap^{1.0} \times af^{0.75} \times ae^{1.1} \times d^{-1.3} \times n^{-0.2} \times z^{ 60^{-0.2}} \]
これにより、力は \( fz = 3963.15 \, N \) になります。

機械加工プロセス中の対称および非対称のミリング係数を考慮すると、次の力が生じます。
- FPC (X 軸方向の力): \( fpc = 0.9 \times fz = 3566.84 \, N \)
- FCF (Z 軸方向の力): \( fcf = 0.8 \times fz = 3170.52 \, N \)
- FP (Y 軸方向の力): \( fp = 0.9 \times fz = 3566.84 \, N \)

どこ：
- FPCはX軸方向の力です
- FCF は Z 軸方向の力です
- FP は Y 軸方向の力です。

4.3 有限要素静的解析

2 つの切断 5 軸スライドはモジュラー構造を必要とし、互換性のある開口部インターフェイスと同じビームを共有する必要があります。したがって、ビームスライドシートの剛性は重要です。ビームスライドシートに過度の変位が生じない限り、ビームはユニバーサルであると推定できます。静的剛性要件を確保するために、関連する切削データが収集され、ビームスライドシートの変位に関する有限要素比較解析が実行されます。

この解析では、両方のビームスライドシートアセンブリに対して有限要素静的解析を同時に実行します。この文書では、ビームスライドシートの新しい構造の詳細な解析に特に焦点を当てており、元のスライドシート解析の詳細は省略しています。汎用5軸加工機は重切削には対応できませんが、受入試験では定角重切削検査やS字部品の高速切削受入が頻繁に行われることに注意してください。この場合の切削トルクと切削抵抗は重切削と同等です。

長年にわたる応用経験と実際の納入条件に基づいて、ユニバーサル 5 軸機械の他の大型コンポーネントは重切削耐性の要件を完全に満たしていると著者は信じています。したがって、比較分析の実行は論理的かつ日常的なものです。最初に、各コンポーネントは、メッシュ分割に影響を与える可能性のあるねじ穴、半径、面取り、小さな段差を削除または圧縮することによって簡素化されます。次に、各部品の関連する材料特性が追加され、モデルは静的解析用のシミュレーションにインポートされます。

解析のパラメータ設定では、質量やフォースアームなどの重要なデータのみが保持されます。一体型ビームスライドシートは変形解析に含まれますが、ツール、5 軸加工ヘッド、重切削 5 軸スライドなどの他の部品は剛性があるとみなされます。解析は、外力を受けたビームスライドシートの相対変位に焦点を当てています。外部荷重には重力が加わり、同時に工具先端に三次元的な力が加わります。ツールチップは、加工中に工具の長さを再現するための力負荷面として事前に定義する必要があります。その一方で、スライドが加工軸の端に配置されて最大のてこの作用が得られるようにし、実際の加工条件を厳密にシミュレートします。

のアルミニウム部品は「グローバルコンタクト（-joint-）」手法を使用して相互接続され、境界条件はライン分割によって確立されます。ビーム接続領域を図 7 に示し、グリッド分割を図 8 に示します。最大ユニットサイズは 50 mm、最小ユニットサイズは 10 mm で、合計 185,485 ユニットと 367,989 ノードになります。総変位雲図を図 9 に示し、X、Y、Z 方向の 3 つの軸方向変位をそれぞれ図 10 ～ 12 に示します。

の精密旋削部品「グローバルコンタクト（-joint-）」方式で相互接続し、線分分割により境界条件を確立します。ビーム接続領域を図 7 に示し、グリッド分割を図 8 に示します。最大ユニットサイズは 50 mm、最小ユニットサイズは 10 mm で、合計 185,485 ユニットと 367,989 ノードになります。総変位雲図を図 9 に示し、X、Y、Z 方向の 3 つの軸方向変位をそれぞれ図 10 ～ 12 に示します。

データを分析した後、雲図を表 1 にまとめて比較しました。すべての値は相互に 0.01 mm 以内にあります。このデータとこれまでの経験に基づいて、クロスビームには歪みや変形が発生せず、製造時に標準のクロスビームを使用できると考えられます。技術審査の後、この構造は製造が承認され、鋼鉄のテスト切断に合格しました。「S」試験片の精度試験はすべて要求基準を満たしました。