切削加工:設計変更による「ピン角」の回避

切削加工:設計変更による「ピン角」の回避

切削加工とピン角

切削加工とは、素材を削り取って形状を作りだす加工方法の総称です。基本的にはフライス系(汎用フライス、NCフライス、マシニングセンタ)と旋盤系(汎用旋盤、複合旋盤等)に分かれます。フライス系は主にブロック状のがっちりした形状に良く使われます。旋盤系は、基本的には同心形状の部品加工に使われます。

フライス系の代表格であるマシニングセンタによる切削加工では、刃物や加工プログラムの組み合わせ方で様々な形状を実現する事が可能です。その柔軟性と精密な加工を可能にする正確さで、航空機の構造部品や、医療、半導体など、様々な分野の精密部品にも、マシニングセンタで削った部品がそのまま使われたりします。

切削加工のできないピン角の例
図1:切削加工のできないピン角の例

しかし、万能に見える切削加工にも、実現が非常に難しかったり、不可能な形状があります。その代表例が、内角部の「ピン角」です。

ピン角とは、丸みのないエッジが尖った角部のことです凸形のピン角は特に問題ありませんが、切削加工は凹形のピン角を加工できません。

例えば、図1のような形状です。左の2つは2面に囲まれた内角部分です。右の例は自由曲面同士の境界ラインになります。理由は次の通りです。切削加工は、エンドミルを”回転”させて、任意の形状に動かす事で素材を削り取っていきます。エンドミルは横から見て先端が丸かったり、四角かったりします。しかし、これを上から見た場合、どんなエンドミルを使っても必ず円形に見えます。

何故かというと、”回転”しているからです。詳しくは「切削加工のできること、できないこと」をご参照。

設計変更によりピン角を回避

さて、ピン角はどうしても必要な場合と、設計変更により回避可能な場合とで対処が変わってきます。ここでは、設計変更により、ピン角を回避する方法を述べます。

ピン角の回避を考える場合、次の状況が考えられると思います。
 ① 勘合部品がなく、比較的隅アールを任意に設定できる場合
 ② 勘合部品があり、制限はあるが隅アールを許容できる場合
 ③ 勘合部品があり、隅アールが許容できない場合

勘合部品がなく、比較的隅アールを任意に設定できる場合

勘合部品がなく、比較的隅アールを任意に設定できる場合は、できるだけ大きく隅アールを設定して下さい。

アールの向きは、他の加工部位との関連で設定すると更にコストを下げられる可能性があります。例えば輪郭や穴などその他の特徴的な形状の向きと、アールの方向を揃える事で、いわゆる段取り替えをせずに加工をする事で工程短縮することができます。

下の図2を見て下さい。
一見同じように見えますが、輪郭の形状と隅アールのつく向きが異なります。左側の形状は1度の加工で輪郭も隅アールも同時に加工できません。輪郭を加工した後、隅アールのつく掘込を上に向けてから加工し直す必要があります。右側の形状は、輪郭も、隅アールも1度に加工できます。

どちらがコストが高くなるか、すぐにお分かりいただけるかと思います。

 ※ 加工段取りについては、別記事にて解説。

切削加工:隅アールの向き
図2:隅アールの向き

 

勘合部品があり、制限はあるが隅アールを許容できる場合

勘合部品があり、制限はあるが隅アールを許容できる場合は、隅アールの大きさは加工する深さの1/10以上として下さい。

1/10よりも隅アールが小さいと、刃物がビビったり、折損する可能性が高まります。”ビビリ”が発生すると、壁面がざらついたり、抉れたりします。1/10よりも隅アールを大きく取れない場合は、③の対処を参考にして下さい。

切削加工:隅アールと切削深さ
図3:隅アールと切削深さ

隅アールのある深さをL、隅アールの大きさをRで表現すると、切削加工の一応の限界は、L/R < 10となります。切削加工業者と調整する際には、この制約を常に頭に入れておいて頂けると、話がスムーズに進むと思います。

勘合部品があり、隅アールが許容できない場合

勘合部品があり、隅アールが許容できない場合は、ニガシ形状を検討してみて下さい。

例えば、図4のような形状です。本来の壁面から更にエンドミルの半径分だけ、外側に抉る形状とします。このときのエンドミルの半径は、上述の通りL/R < 10で設定して下さい。

切削加工:ニガシ形状の例
図4:ニガシ形状の例

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