マイクロツールの挑戦と約束

Jun 28, 2023

直径わずか1ミリメートル以下の切削工具を作るのは難しい。 このようなツールを使用するのも困難です。 しかし、方程式の両側が正しく行われると、顕微鏡なしでは完全に認識できないような小さな特徴という驚くべき結果が得られます。 そしてアプリケーションも増え続けています。

フロリダ州セーフティハーバーにある Mastercut Tool Corp. の新規事業開発マネージャーである Uwe Heinrich 氏は、「マイクロツールはあらゆる業界で非常に重要な役割を果たしている」と述べています。 プリント基板、医療用、歯科用の機器、インプラントなどの明らかな例に加えて、ハインリッヒ氏は、ガラスの切断というよりも、部品の製造に必要な小さな金型の作成に使用される光学について指摘しました。

ドイツのバルツハイムに拠点を置くCeratizit Groupの研究開発マネージャー、Oliver Rapp氏は、Ceratizitの顧客は主に医療、機械製造、宝飾品業界でマイクロツールを使用していると述べた。 ニューヨーク州マーシーに本拠を置くアドバンスト・ツール社の社長兼最高経営責任者（CEO）シェリー・デペルノ氏は、自動車および航空宇宙向けの燃料ノズルと安全ファスナーが同社のマイクロツール市場の大きな部分を占めていると述べた。

ミシガン州ブルームフィールドヒルズにある ARCH Cutting Tools の戦略アカウントシニアマネージャーでソリッド丸工具の国内製品スペシャリストであるブレント・ブロデリック氏もこれに同意した。 同氏は、航空宇宙におけるインコネルとステンレス鋼のファスナーも重要な用途であると付け加えた。 ブロデリック氏はまた、マイクロドリリングが「ほぼ最大化」しているため、エンドミルは最も急速に成長している工具タイプであるとも述べた。 さらに、「ますます多くの企業がエンドミルを穴あけ工具として使用し始めています。」 ザグリ付き小穴などの加工については、工具技術や工作機械の進歩により、専用のエンドミルを使用してザグリと組み合わせた穴の打ち込み補間が可能になったと説明。 ハインリッヒ氏は、フライス加工はドリル加工よりも正確な穴を作ることもできると付け加えた。 もちろん、スレッド化は、これらのツールのもう 1 つの重要な操作です。

この簡単な調査は、医療用インプラントのチタンやクロムモリブデンから航空宇宙ノズルのインコネルまで、それぞれの固有の用途に合わせて工具の形状と材料を最適化する方法という工具メーカーにとっての重要な課題を示しています。

ハインリッヒ氏が説明したように、「機械加工の鍵は、常に特定の材料の機械加工特性を理解することです。たとえば、アルミニウムはかなり柔らかいため、かなり簡単なはずです。しかし、機械加工の特性により、通常は肉盛などの問題が発生します。実際に切りくずがフルートの一部に付着し、時間が経つと刃先の切れ味が失われます。」 これにより、部品の表面仕上げが損なわれ、すぐに工具の破損につながります。

ハインリッヒはこれを、弾性率が低いチタンと対比させました。 「チップ内で熱が排出されていないため、振動が多く、通常は 3 倍の熱量が発生します。そのため、振動を低減する形状とシールドできるコーティングを備えた、非常に頑丈なマイクロツールが必要です。過度の暑さ対策に。」

つまり、ハインリッヒ氏は、高品質のマイクロツールの作成には 4 つの重要なパラメーターがあると考えています。 まず、ワークの加工特性に合わせた幾何学的設計が必要です。 次に、最適な超硬グレードを特定する必要があります。 第三に、可能な限り最良の表面で工具を研磨します。 そして最後に、「適切なコーティングで仕上げる」。 ジルコニアで作られた歯科インプラントの場合、最良のコーティングは「CVDを使用して炭化物基板上に炭素結晶（つまりダイヤモンド）を成長させる」ことであると同氏は付け加えた。 金属切断用途では、まったく異なる PVD ​​コーティングが施される場合があります。

この分野の大手企業はすべて標準製品を持っていますが、カスタマイズが一般的になってきています。 Broderick 氏は、深さ 0.020 インチ (0.5 mm) のフィーチャを切削する必要がある例を示しました。「たとえば、長さ 2 ミリメートルの標準工具と比較して、切削長が 25 または 30 分の 1 の工具を設計します。」ブロデリック氏は、「すべての条件が同じであれば、特定の直径の場合、切削長が長い工具は強度が弱くなるからです。また、マイクロ工具は本質的に「優しくて脆い」ものです。アプリケーションでは、多くの場合、標準的な既製製品よりも大幅に優れたパフォーマンスを発揮できます。」

デペルノ氏も同意した。 「コストを節約し、性能を向上させる最も速くて簡単な方法は、使用中に切削工具がどのように磨耗するかに基づいて、形状、基材、およびコーティングを変更および最適化することです。形状への 1 つの小さな変更が、性能に大きな影響を与える可能性があります。」 そのため、アドバンスト ツールでは、切削工具の形状を改善するために「刃先の磨耗と故障の 21 点の検査」を使用しています。これにより、顧客がエンドミルをどのように使用しているか、どのくらいの量のミルを使用しているか、何が機能しているか、何が機能しているかを正確に知ることができます。ない。"

Advanced Tool の COO 兼製造およびエンジニアリング担当ディレクターである Rob DePerno 氏が詳しく説明します。 高倍率でユーザーが「進入時にコーナーを爆破している」ことがわかった場合、そこにコーナー半径を設定したり、すくい角やねじれ角を小さくしたりすることがあります。分析には 21 のステップがあり、さらに多くのことを行います。エンドミルで変更できます。適切な計算式を組み立てるだけです。」 これは、プロセスに対する他の変更を推奨することを意味する場合もあります。 「工具が破壊されていなければ、振れと摩耗を確認できます。そして、十分な振れがあれば、振れが工具自体にあるのか、ホルダーにあるのかを測定できます。… 不均一な摩耗が見られ、工具が次のように見える場合は、同心円状になるように、他のことをする前にホルダーやスピンドルの作業をするように言います。」

そうは言っても、DePernos は、自社の摩耗分析により、特定の測定値と長年の経験に基づいて予測可能な改善が得られると述べていますが、多くの場合、次の段階でテストするために最大 4 つの新しい構成を顧客に提供します。 なぜ？ 非常に多くの要因が関係している場合、何が最も効果的かを確信するのは難しいからです。 そして、ツールが小さくなるにつれて、特別な幾何学的特徴をツールに適用し、その有効性を測定することがますます困難になります。

振動を減衰したり性能を向上させたりするための取り組みにより、工具メーカーは可変螺旋、不等割り出し、偏心逃げなどの難解な幾何学的特徴を標準サイズの切削工具に導入するようになりました。 しかし、そのような機能をどこまでマイクロツールに適用できるか、また適用すべきかは疑問です。 ブロデリック氏は、ARCH の KEO マイクロ ツール部門では、標準形状で直径 0.005 インチ (0.1 mm) までのエンドミルを製造しており、「高性能形状のいくつかの側面を検討している」と述べた。 私たちは進歩するにつれて、可変ヘリックスや可変インデックスなどのハイテクノロジーを使用し始めるでしょう。」

ロブ・デペルノ氏は懐疑的な見方を示した。 Advanced Tool では、可変ねじれとインデックスを備えた 0.015 インチ (0.381 mm) の設計図エンドミルを定期的に製造していますが、そのような工具の摩耗分析の依頼はそれほど多くありません。 35 thou の切削長を持つ [つまり 0.015 インチ] の工具を使用した場合、そのパスに沿ってどの程度螺旋を変化させることができますか?」 それでも、シェリー・デペルノ氏は、顧客はそのような機能を備えたツールを注文していると報告した。 「人々が購入しているので、明らかに機能しています。しかし、標準的な形状でも同様に機能するのではないかと時々自問します。実際にはテストされていません。」

Mastercut Tool Corp.の自動生産ディレクターであるYlli Hysenlika氏が説明したように、最も小さなツールに関しては、これらの機能の一部を追加することは不可能ではないにしても物理的に困難になります。 たとえば、アルミニウムを切断するために鋭いすくい角を作成する取り組みを見てください。 「溝加工プロセスの性質上、小さくするほど角度は大きくなります。しかし、50 μm の範囲に近づくと、ツールに多くの機能を適用することが非常に困難になります。一般的な機能が増えるほど、これらの小さな直径は、大きなすくいを備えたフルートと、ギャッシュとおそらくエンドレリーフだけを備えた端面です。非常に小さなマイクロツールを使用する場合、選択肢ははるかに少なくなります。」

おそらく、今日の最小のツールの作成を可能にした最大の要因は、Rollomatic の Nano ツール グラインダーの導入でした。 Hysenlika 氏は、この技術により表面仕上げが 10 倍向上したと考えています。 「それらは完全に静圧的であり、フローティングワークヘッドを備えています」と彼は説明しました。 「これにより、ほとんどの場合、振れが 1 µm 未満の完璧な V ブロック振れ止めシステムを使用できるようになります。」

これらのマシンは優れていますが、Nano を購入して「接続するだけで、突然マイクロ ツーリングの世界のチャンピオンになれる」わけではないと、ハインリッヒ氏は急いで付け加えました。 研削では、超硬粒子とそれが工具の機能にどのように関係するかを理解し、各サイズの粒子を研削する最適な方法を組み合わせます。 Hysenlika 氏は、「工具の形状、コーティング、砥石車のドレッシングと準備の方法を理解する必要があります。」と述べました。

Mastercut Tool Corp. の技術アプリケーション担当の Don Babinsky 氏は、冷却剤と冷却剤の濾過に関する考慮事項も役割を果たすと述べました。 「クーラントをアップグレードすることで、研削仕上げが劇的に改善されました。」 ハインリッヒ氏は、表面仕上げの改善により工具にかかる切削抵抗が軽減され、性能が向上し、コーティングの密着性も向上すると付け加えた。

クーラントもこれらのツールの最終用途に含まれており、直径 0.8 mm ほどのマイクロツールでは、多くの場合、内部クーラント チャネルが特徴です。 ラップ氏は、研削盤は現在、光学センサーを使用して、これらの信じられないほど小さなクーラント穴に自動で向きを合わせるのがうまくなっていると述べた。 そして、グラインダーからは隠れていますが、超硬ブランクメーカー（Ceratizitを含む）は、ツールシャンク（通常直径3 mm）に大きなチャンバーを組み込むことでクーラントの供給を強化しており、そこから小さなチャネルが切削直径に現れます、と彼は付け加えました。 。

ハインリッヒ氏は、研削装置、QC、コーティングなどプロセスに関わるものであれば、マイクロツールメーカーは多額の投資を行い、競争力を維持するためにあらゆる細部を把握し続ける必要があると結論付けた。 「一度後手に回ってしまうと、戻るのは非常に難しいか、文字通りアウトです。この分野で成功したい人は、規律と長期的な将来へのコミットメントを持たなければなりません。なぜなら、あなたには必要があるからです」成功するためには、あらゆる面に積極的に取り組み、取り組む必要があります」と彼は言いました。

Mastercut の Babinsky 氏は、「直径が 1/8 インチ (3.175 mm) ほどの比較的大きな直径の工具であっても、小径工具を使用して犯す最も一般的な間違いは、単純に十分なスピンドル速度が不足していることです。」と述べました。 1 分あたりのフッテージでは、「構築されたエッジとワーク材料の引きずりの問題が発生することになります。 回転数を 2 倍または 3 倍にできれば、ほとんどの人の問題は劇的に解決します。」

マイクロツールの直径を考慮すると、この数字は劇的になります。 「一例として、エンドミルは特定の材料では 200 sfm に最もよく反応する可能性があります」と Babinsky 氏は説明しました。「また、表面フッテージは直径 0.005 インチ (0.127 mm) の工具にとっても 4 分の 1 と同じくらい重要です。同材質の1インチエンドミル。 しかし、必要な回転数のばらつきは想像を絶するものです。1/4 インチのエンドミルでは 200 sfm で 3,056 rpm と計算されますが、0.005 インチのエンドミルではなんと 152,800 rpm と計算されます。これは、専用の機械や専用のスピンドルの価値を示しています。マイクロツールを適切に駆動するために 100,000 rpm 以上を付与できるオプション。」

バビンスキー氏によると、2番目に重要な注意点は、「TIRをチェックし、刃先ではなくシャンクから工具を指示する必要がある。キャリパーやジルコニウムの先端で超硬刃先に触れないようにすることだ」と述べた。それを避けることができれば、それは特にマイクロツールに当てはまります。」 光学式プリセッターが最適だろう、と彼は言いました。

おそらく言うまでもないことですが、マイクロツールではツールホルダーが可能な限り剛性が高く、振れや不均衡が最小限に抑えられていなければなりません。 Babinsky 氏は、「熱焼きばめホルダーは、より良いアプローチの 1 つを提供する可能性があります。さらに、業界では現在、振れ 3 μm の油圧チャックや、フロントノーズで 1 μm のコレット チャックが利用可能になりつつあります。赤血球は約 10 μm です。」

ARCH の Broderick 氏は、マイクロツールでは潤滑が不可欠であり、空気と冷却剤を組み合わせた最小量潤滑 (MQL) が好ましいと述べました。 フラッドクーラントも別のオプションです。 しかし、高圧冷却剤は悲惨な結果をもたらすだろうと彼は説明した。 「5,000 や 10,000 のエンドミルに高圧クーラントがかかると、折れてしまいます。」 しかし同様に、十分なクーラントや MQL がない場合、「切りくずを再切断してマイクロツールを折るのにそれほど時間はかかりません。」

ブロデリック氏は、冷却剤チャネルの詰まりを防ぐために、冷却剤を十分に濾過する必要があると付け加えた。 Ceratizit の Rapp 氏は、「フィルタリング レベルは 30 µm 以下であるべきです。必要に応じて、良好な切りくず排出を実現するために、切削値を加工設定に適合させます。貫通穴がある場合は、コンポーネントを離れる前に送り速度を 50% 下げます」と提案しました。プロセスの安定性を高めるためです。」

Broderick 氏は、ツールだけでなくツールパスもシミュレートできる CAD/CAM の進歩を称賛しました。 「切りくず負荷を計算することもできます。また、フルートの形状がわかれば、工具が必要な切り込み深さを確保できることを確認できます。」 バビンスキー氏は、このようなソフトウェアは高効率フライス加工（HEM）技術を実現するためにも使用できる可能性があると示唆したが、「HEMは回転数の大幅な増加とさらに軽いラジアルステップオーバーを重視しているが、このような小さな直径ではどちらもすでに課題となっている」と強調した。

ブロデリック氏は、「工作機械、工具ホルダー、基板、コーティング、加工される小型部品の技術進歩」がすべて、マイクロツールの需要拡大に寄与すると予測した。 ラップ氏は、「おそらく切削深さが増し、切削直径が減少し、事態はさらに困難になるだろう」と述べた。 しかし同氏は、最先端の準備をさらに改善する可能性のある「潜在的な新技術」があるとも述べた。 同氏は詳細については明らかにしなかったが、その適用は「より安定した切削プロセス」と工具寿命の延長に貢献すると述べた。 バビンスキー氏は、「より洗練された PVD ​​ナノ複合コーティングが登場し、より速い回転数ではなく、むしろ工具寿命の目標を目標とする」と考えています。

Advanced Tool の Sherry DePerno 氏は、「ますます複雑な形状がより小さなスケールに移行していく。問題を解決するには創造性を発揮することが重要です。これには、お客様が直面する可能性のあるあらゆる課題を解決する複雑な形状や形状が含まれます。」と構想しています。

この方針に沿って、バビンスキー氏は、「5 軸加工とテーパーバレル、サークルセグメントカッターの使用における劇的な成功」が、最終的にはマイクロツーリングにも導入されるだろうと予測しました。 「バレルカッターによる金属除去率の向上には感銘せずにはいられません」と彼は言う。 「標準的なボールエンドミルは最終的には寿命を迎えることになると思います。はるかに小さな直径のセグメントカッターが導入されると思います。」

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