CNC加工における表面粗さ

表面粗さは、部品表面の微細な凹凸を測定する重要な指標であり、部品の耐摩耗性、嵌合性、疲労強度、シール性、外観に直接影響を及ぼします。数値制御加工においては、表面粗さを精密に制御することが加工品質の鍵となります。

I. コアコンセプト：RaとRz

最も頻繁に遭遇するパラメーターは次の 2 つです。

· Ra（算術平均偏差）：最も一般的に使用される指標です。これは、基準長さ内の輪郭線オフセットの絶対値の算術平均です。Ra値が小さいほど、表面は滑らかになります。

· 直感的な理解：Raは表面の「平均的な」高低差を表します。例：

· Ra 0.8 μm: 加工痕は目に見えるが、触ると滑らか（ 精密フライス加工と精密旋削).

・Ra1.6μm：わずかに加工痕が見える（微細加工の一般的な標準要件）。

・Ra3.2μm：加工痕が目視できる（中仕上げの一般的な値）。

・Ra6.3μm：ツールマークが明瞭に確認できます（荒加工後の状態）。

· Rz（最大高さ）：等高線上の山と谷の底の間の距離。表面の極端な山と谷を重視しており、シール性能などの性能にとってより重要です。

簡単に言うと、Raは「平均レベル」に注目し、Rzは「極端な状況」に注目します。一般的に 機械加工、Ra がより一般的に使用されます。

II. 表面粗さに影響を与える4つの主要な要因

表面粗さの制御は、本質的に切削工具とワークピースの相互作用を制御することを意味します。主な影響要因は以下の4点にまとめられます。

1. 切削パラメータ（CNCプログラムコア

· 切削速度（Vc）：仕上げを改善するには、通常、回転速度／線速度を上げることが最も効果的です。速度を上げることで構成刃先（BUE）の形成が低減し、切削工程がスムーズになり、より滑らかな表面が得られます。

· 送り速度 (F) ：これは粗さに最も大きな影響を与えるパラメータの一つです。送り速度を下げると、加工面に残る工具痕の高さを直接的に下げることができます（理論上の粗さは送り速度の2乗に比例します）。

· 切込み深さ（Ap）：通常、粗さへの影響は間接的です。切込み深さが大きすぎると、振動や工具の変形を引き起こし、表面品質を低下させる可能性があります。

2. ツールの選択

· 先端円弧半径（Re）：先端円弧半径を大きくすることは、表面粗さを向上させるためのもう一つの強力な手段です。円弧半径を大きくすることで、工具痕がより滑らかになり、理論上の粗さ値を大幅に低減することができます。

· 工具材質とコーティング：耐摩耗性に優れたコーティング（TiAlN など）とより硬い基材（超硬合金など）を使用すると、刃先の鋭さを維持し、摩耗による表面劣化を軽減できます。

・工具の摩耗：摩耗した工具は表面品質を最も損なう要因です。鈍くなった刃は材料を切るのではなく、むしろ圧迫し、バリ、裂け目、そして表面粗さの急激な増加を引き起こします。切削工具は定期的に点検し、交換する必要があります。

3. 工作機械とクランプ

· 工作機械の剛性/状態: メインシャフトベアリングに隙間がある古い工作機械は振動(フラッター)が発生しやすく、表面に明らかな振動の跡が残り、粗さに重大な損傷を与えます。

· ワークのクランプ剛性：ワークはしっかりとクランプする必要があります。わずかな揺れも加工面に反映されます。

· ツールのクランプ精度: 高品質のツールホルダー (ヒートシュリンクツールホルダーや油圧ツールホルダーなど) を使用すると、ツールの振れが低減され、すべての切削刃が均等に切削に参加し、一貫した表面仕上げを実現できます。

4. 材料特性

· 材料の硬度と靭性：粘性材料（アルミニウムやステンレス鋼など）は構成刃先が発生しやすく、切りくずが刃先に付着して加工面を傷つけます。一方、脆性材料（鋳鉄など）は、より良好な表面仕上げが得られる可能性が高くなります。

· 冷却と潤滑: 冷却剤を正しく使用することが極めて重要です。

アルミニウム合金などの材料の場合、十分なクーラントを使用すると切りくずを洗い流し、加工面の傷を防ぎ、温度を下げることができます。

ステンレス鋼、チタン合金などの材料の場合、油性クーラントや高圧クーラントを使用すると、潤滑が効果的に行われ、切削抵抗が低減し、構成刃先が抑制されます。

III. 実践的なスキルとソリューション

問題現象、考えられる原因、解決策

工作機械/ワーク/工具の表面に規則的な振動痕跡が見られます（フラッター）。1. クランプ剛性を確認し、強化してください。2. 切削パラメータを調整（回転速度または送り速度を微調整）して、振動周波数を変更します。3. 切削工具のオーバーハング長を短くし、代わりに厚い工具を使用してください。

工具表面には破断物やバリが付着しており、構成刃先もひどい。1.切削速度を上げる。2.研磨溝付きの鋭利な工具を使用する。3.クーラント濃度と流量を上げるか、潤滑性の高いクーラントに切り替える。

表面粗さの不均一性と工具の摩耗：1. 摩耗した工具を点検し、交換します。2. 工具がコーナーに長時間留まらないように、加工パスを最適化します。

目標Ra値に到達できません。パラメータの組み合わせが不適切です。1. まず、送り速度（F）を下げてみてください。次に、主軸回転速度（S）を上げてみてください。3. 先端半径（Re）の大きい工具に交換してください。

特定領域における粗さの違いを考慮した工具パスプログラミングの問題：1. 仕上げ加工時に、より小さなステップ距離（ステップ）を使用します（通常、工具径の10%未満）。2. 輪郭を仕上げ加工する際、ワークピースへの直接の貫通を避けるため、入口と出口に円弧を使用します。

IV. 典型的なパラメータ調整戦略（微細加工を例に）

より滑らかな表面（Ra 0.8 など）を得るには、次の優先順位で調整を行ってください。

第一選択：送り速度（F）を下げる。これが最も直接的で効果的な方法です。

2. 第二の選択肢：切削速度（Vc/S）を上げる。ただし、切削工具の定格回転速度と工作機械の能力を考慮する必要があります。

3. 再度：ナイフの先端の円弧の半径を大きくします（Re）。ツールとプログラムが許せば。

4. 最終手段：研磨刃工具を使用する。最新の切削工具の中には、特殊研磨された刃先を備えたものがあり、高い送り速度でも非常に低い表面粗さを実現できます。

最後に、忘れないでください:

· 測定: 肉眼と触覚だけに頼るのではなく、表面粗さ計を使用して結果を客観的に評価します。

· サプライヤーとのコミュニケーション: ツールサプライヤーは、特定の材料や処理タイプに対するパラメータの提案を提供できます。

· 実験と記録: 簡単な試行カットを実施し、成功したパラメータの組み合わせを記録し、独自の処理パラメータ ライブラリを確立します。

上記の要因を体系的に理解し、これらの技術を柔軟に適用することで、表面粗さを効果的に予測し、制御できるようになります。 CNC加工、より高品質な製品を生産します。