CAMプログラミングにおける金型のCNC加工パラメータの決定

ご存知の通り、CAMソフトウェアを用いたCNCプログラミングの過程において、, プロセスパラメーターその選定は非常に重要であり、これは加工対象となる部品の品質に多大な影響を与えるだけでなく、工作機械の性能発揮や安全な生産活動の円滑な推進をも左右し得る。本稿の筆者は、金型部品の特性に基づき、金型部品のCNCフライス加工プログラミングにおける加工パラメータの選択が加工品質に及ぼす影響を分析し、実際の状況と照らし合わせながら、金型CNC加工におけるCAMプログラミング時の加工パラメータの設定方法と原則について解説する。

一、はじめに

金型製造業界において、CNC加工技術は広く活用されており、CNCフライス加工、中ぐり加工、 旋削、ワイヤカット、放電加工などが挙げられます。中でもCNCフライス加工は、複雑な金型部品の主要な加工方法であり、CNC設備は精密で複雑な部品の加工に不可欠な基盤を提供しています。しかし、期待される加工効果を達成するためには、 高品質なCNCプログラムを作成することは不可欠である。その理由は、CNC加工プログラムが部品の加工工程だけでなく、工具の形状や寸法、切削条件、および切削経路などの加工情報を包含しているからである。単純な金型部品については、一般的に手動プログラミングが採用されますが、複雑な金型構造部品については、Pro/EやUGなどのCAMソフトウェアを利用して加工プログラムを作成することがよくあります。手動によるプログラミングであれ、コンピュータ支援によるプログラミングであれ、CNC加工プログラムを作成する過程において、適切な加工パラメータを選択することは、高品質な加工プログラムを作成するための基本条件である。

二、工具の選定

金型のキャビティにおけるCNCフライス加工において、切削工具の選定は金型部品の加工品質に直接影響を与えるだけでなく、加工効率や加工コストにも影響を及ぼすため、適切な工具の選定は極めて重要である。金型のフライス加工において、一般的に使用される切削工具には、平先エンドミル、角丸エンドミル、ボールノーズエンドミル、テーパーエンドミルなどがあり、図1に示されている通りである。

図1 工具の定義

金型のキャビティ加工において、切削工具の選定は以下の原則に従うべきである：

1. 加工対象の形状に応じて、切削工具の種類を選択する

凹面加工においては、半仕上げおよび仕上げの段階では、球頭エンドミルを選択すべきである。これにより優れた表面品質が得られる。しかし、荒加工時には、平端エンドミルまたは角丸エンドミルを使用するのが望ましい。これは、球頭エンドミルでは切削条件が劣るためである。凸面の場合、荒加工では通常、平端立銑盤または角丸立銑盤が選択されますが、仕上げ加工では角丸立銑盤が適しています。これは、角丸立銑盤の幾何学的条件が平端立銑盤に比べて優れているためです；抜き勾配のある側面には、テーパーエンドミルを使用するのが適している。平端エンドミルを用いて補間加工を行うことで傾斜面を加工することも可能だが、加工経路が長くなり加工効率に悪影響を及ぼすほか、工具の摩耗が増大し、加工精度にも影響を与える。

2. 大きいものから小さいものへと順に選んでいく

一般的に、複数の曲面から構成される金型のキャビティの場合、加工中に通常は1本の工具だけで部品全体の加工を完了させることはできません。

荒加工であれ仕上げ加工であれ、できるだけ大径の切削工具を選ぶべきです。その理由は、切削工具の直径が小さければ小さいほど加工経路が長くなり、その結果、加工効率が低下するからです。同時に、切削工具の摩耗によって加工品質に顕著な差が生じることになります。

3. 型面の曲率に応じて切削工具を選択する

仕上げ加工を行う際、使用する最小工具の半径は、加工対象部品の内側輪郭の丸み半径以下でなければならない。 特にコーナー加工を行う際は、コーナー部の丸み半径よりも小さい半径の工具を選択し、円弧補間方式で加工を行う必要がある。これにより、直線補間による過切削現象を回避できる。荒加工を行う際は、可能な限り大径の工具を使用するという原則に基づき、通常は工具の半径を大きく設定する。この際、考慮すべき点は、荒加工後に残された余肉が、半仕上げ加工や仕上げ加工用の工具に過大な切削負荷をもたらすかどうかである。 大径の工具は部品の輪郭のコーナー部分に多くの余肉を残すため、これが仕上げ加工工程における切削力の急激な変化を引き起こし、工具の破損や工具の食い込みの直接的な原因となることが多い。

4. 粗加工の際は、可能な限り丸み付きエンドミルを選択する

一方、ラウンドエンドミルは切削時に、刃先とワークが接触する0°から90°の範囲内で、比較的連続的な切削力の変化をもたらす。これは加工品質の向上に役立つだけでなく、工具寿命を大幅に延ばすことにもつながる。他方、荒加工において丸先エンドミルを採用すると、ボールノーズエンドミルと比較して良好な切削条件が得られ、平先エンドミルと比較して比較的均一な仕上げ余留を残すことができます（図2参照）。これは、その後の加工において非常に有利です。

図2 丸先エンドミルと平先エンドミルによる荒加工後の残材の比較

3. 送り方式と切削方式の決定

送り方式とは、加工工程における工具の軌跡の分布パターンを指すものである。切削方式とは、加工時に工具がワークに対して行う運動の方法を示すものである。CNC加工において、切削方式および送り方式の選択は、金型部品の加工品質および加工効率に直接影響を与える。その選定の原則は、被加工部品の表面形状に基づき、加工精度を確保した上で、切削時間を可能な限り短縮し、切削工程において工具にかかる力を安定した状態に保つことである。

1. 切削方式

金型加工において、一般的に用いられる切削方式には、図3に示すように、一方向切削、往復切削、および環状切削の3種類がある。そのうち、図3aは一方向送り方式であり、加工中に切削方向が一定に保たれるため、順切りまたは逆切りの一貫性を確保できる。しかし、工具の引き上げや空送りが増加するため、切削効率は低くなる。荒加工では、切削量が比較的多いため、通常は一方向送りを選択し、工具への荷重の均一性と切削プロセスの安定性を確保する。図3bは往復送り方式であり、加工工程中に工具を引き上げることなく連続切削を行うため、加工効率は高いが、順切りと逆切りが交互に行われるため、加工品質は劣る。一般的に、荒加工においては切削量が大きいため往復送り方式の採用は適さないが、半仕上げや表面品質の要求が厳しくない仕上げ加工においては、往復送り方式を選択することができる。図3cは環状切削経路であり、その工具経路は一連の閉じた環状曲線で構成されている。加工過程において工具を浮かせず、順切りまたは逆切りの切削方式を採用するもので、キャビティ加工で頻繁に使用される切削経路の一つである。

図3 切削経路

2. フライス加工方法

フライス加工方式の選択は、加工面の品質に直接影響を与えるだけでなく、工具の耐用年数や加工プロセスの安定性にも影響を及ぼします。円周フライス加工を行う場合、加工余量の大きさや表面品質の要求に応じて、順切りと逆切りを適切に選択する必要があります。一般的に、荒加工では切削余量が大きいため、工作機械の振動を抑えるために逆切り加工方式を選択すべきである。一方、仕上げ加工では、精度および表面粗度の要求を満たすために、順切り加工方式を選択すべきである。端面フライス加工を行う際は、加工材料の特性に応じて異なる切削方式を選択する必要がある。一般に、高硬度材料を加工する場合は対称フライス加工を選択すべきである。 通常の炭素鋼や高強度低合金鋼を加工する場合は、非対称逆切り加工を選択すべきである。これにより工具の寿命を延ばし、結果として良好なワーク表面品質が得られる。高塑性材料を加工する場合は、工具の耐久性を高めることを目的として、非対称順切り加工を選択すべきである。

4. 工具の切り込みと切り出し

金型キャビティのCNCフライス加工を行う際、その複雑さを考慮すると、金型部品の加工を完了させるには、しばしば異なる工具を何度も交換しなければならないことが理解できる。荒加工の際、加工を行うたびに、残材によって形成される形状が変化していることが分かる。次回の切り込み時に、切り込み方法の選択が適切でなければ、工具の破損事故を引き起こしやすくなる。仕上げ加工においては、切り込み時および切り出し時の切削条件の変化が、加工表面の品質に差異をもたらすことが明らかである。したがって、切削工具の切り込み・切り出し方法を適切に選択することは、極めて重要な意義を持つ。一般的なCAMソフトウェアが提供する切り込み・切り出し形式には、工具がワークピースに垂直に切り込む・切り出すもの、工具が斜めに切り込むもの、 工具が螺旋軌跡に沿ってワークに切込み、工具が予備加工穴を利用してワークに切込み、および工具が円弧を描いてワークに切込み・切り出すといった形式があります。

このうち、工具をワークに垂直に切込む方法は、最も単純かつ一般的な手法であり、ワークの外側から切込み可能なパンチ類のワークの荒加工に適しているほか、同種のワークの仕上げ加工や、金型キャビティの側壁の仕上げ加工にも適している。工具が斜めにワークに切入する方法。これは比較的軟らかい材料の荒加工によく用いられる。また、工具が螺旋状にワークに切入する方法も、同様に比較的軟らかい材料の荒加工によく用いられる。予備加工された工程穴を通じてワークに切入する方法。これは型腔の荒加工でよく用いられる切入方法である；ワークに円弧状に切込みを入れる。この方法は切り込み跡を解消できる。同様に、ワークから円弧状に切り出すことも切り込み跡を解消できるため、ワークへの円弧状の切込みおよび切り出しは、曲面の仕上げ加工によく用いられる。ここで説明しておく必要があるのは、キャビティの荒加工において、一方向送り（Zig）という方式を採用する場合、通常、CAD/CAMシステムが提供する切り込み方式は、加工操作の開始時の切り込み方式であり、加工プロセスにおける各切り込み方式を定義するものではないということである。 この問題は、工具やワークの破損を招く主な原因となることがあります。この問題を解決する一つの方法は、リング切削や双方向切削を採用することです。もう一つの方法は、加工のステップオーバー（Step-over）を縮小し、それによってバックカット量をフライスの半径より小さくすることです。

5. 切削条件の制御

加工品質、加工効率、および工具の耐用年数に直接影響を与えるのは、切削パラメータの選択である。CAMソフトウェアにおける切削に関連するパラメータとしては、主に主軸回転数（spindle speed）、送り速度（cut feed）、工具の切り込み時の送り速度（lead-in feed rate）、ステップ幅（step-over）、さらに切り込み深さ（step depth）などがあります。

1.主軸回転数

主軸回転数は通常、切削速度に基づいて計算され、特定の計算式があります。その式は、n＝1000×Vc÷πd です。この式において、dは工具の直径（単位：mm）を指し、Vcは切削速度（単位：m/min）を指します。切削速度の選定は、工具の耐用度と密接に関連している。被削材、工具材、および構造が確定した後、切削速度は工具の耐用度に影響を与える最も主要な要因となる。切削速度が低すぎても高すぎても、工具の耐用度は急激に低下する。金型の加工、特に金型の仕上げ加工においては、加工品質を高く保つために、加工途中の工具交換を可能な限り避けるべきである。したがって、工具の耐用度を考慮し、慎重に切削速度を選定する必要がある。

2.送り速度と工具の切り込み送り速度

金型部品の加工精度および表面粗さは、送り速度の選択によって直接影響を受けます。その計算式は F=nzf であり、ここで n は主軸回転数（r/min）、 zはフライスの歯数、fは1歯あたりの送り量（mm/歯）である。1歯あたりの送り量の選定は、被削材の力学特性、切削工具の材質、およびフライスの構造によって決定される。被削材の硬度と強度が高いほど、1歯あたりの送り量は小さくなる。 超硬製ミリングカッターは、同種の高速度鋼製ミリングカッターに比べて1歯あたりの送り量が大きい。加工精度や表面粗さに対する要求が高い場合は、送り量を低く設定する必要があり、工具の切り込み送り速度は切削送り速度よりも小さくすべきである。

3. 切削量

工作機械、被削材、切削工具の剛性などの要因は、切り込み量の大きさに主要な制限要因となります。その選定原則としては、加工要件を満たし、かつ加工システムの剛性が許容する範囲内で、加工効率を高めるために可能な限り大きな切り込み量を選択することです。加工精度と表面粗さを確保するために、 0.2～0.5mmの仕上げ加工用余肉を残す必要がある。荒加工では、余肉の除去に層切り法がしばしば採用される。CAMプログラミング時には、各層の切削深さと最大ステップ幅を設定する必要があり、実際のステップ幅は通常、ワークの形状と関連している。

仕上げ加工を行う際、切り込み量の選定は表面粗さと関連しています。CAMソフトウェアでは、一般的に表面粗さを制御するための2つのパラメータ、すなわち「ステップ幅（）」と「残留高さ（）」が指定されます。ステップ幅を用いて表面粗さを制御する場合、ステップ幅が小さければ小さいほど表面粗さは小さくなりますが、加工経路や加工時間が大幅に長くなるため、ステップ幅をあまり小さく設定することは適していません。 実務においては、半仕上げと仕上げの切削経路（両者は直交関係にある）を変更することで表面品質を改善することが可能です。残高を用いて表面粗さを制御する場合、ステップ幅はワーク形状に応じて自動的に調整されます。

6. その他のパラメータ

金型のCNC加工プログラミングを行う際には、前述のパラメータ設定に加え、ワーク座標系（Work）の設定、工具の高速移動平面（Rapid Plane）の指定、加工安全平面（Plane）の値の設定などを行う必要があります。 さらに、加工余量パラメータ（）の確定値もこのように規定し、ポストプロセッサパラメータなども設定する必要があります。ワーク座標系を設定する際は、一般にワークの加工基準と一致させる必要があります。工具の高速移動平面および加工安全平面の選択は、ワークの形状と治具の構造を考慮し、安全性を確保した上で、空走距離を可能な限り短縮する必要があります。 加工余量の選択に関しては、小さすぎても大きすぎてもいけません。小さすぎると荒加工時に過切削を引き起こしやすく、大きすぎると仕上げ加工の品質に影響を及ぼします。ポストプロセッシングパラメータは、CNC工作機械制御システムの特徴を踏まえて設定する必要があります。要するに、金型部品のNCプログラミングには極めて高い柔軟性がある。上記の加工パラメータを正しく理解し、実践の中で継続的に経験を積み重ねてこそ、高品質な加工プログラムを作成し、ひいては高品質な金型部品を加工することができるのである。