金型と金型の究極のスープ

Jun 24, 2023

金型業界を広範または広範囲に及ぶと表現することは、スイスアーミーナイフを高級ドライバーと呼ぶようなものです。 順送スタンピング金型、プレスブレーキ工具、ブロー金型、ダイカスト金型、鍛造金型などは、地元の職業技術機関で工具金型の資格を取得する際に学習できる機械加工製品のほんの一部です。 （もっと多くの若者が追求すべきです）、文明の車輪を回し続けるのに役立つ場所です。

この記事のタイトルにもかかわらず、ツール作成についての包括的な内容とは程遠いです。 それには何百ページものページと数十人の業界専門家からの意見が必要になります。 ただし、プラスチック射出成形金型に見られる複雑な 3 次元形状の背後にある機械加工技術についての洞察と、これらの洗練されたアセンブリの設計、シミュレーション、最適化に必要なソフトウェアに関するガイダンスが提供されます。

さらに、ここで説明する内容の多くは、自動車のボディパネルの成形に使用されるスタンピング金型や、昨晩の車での帰りのテイクアウトディナーを温かく保ってくれた熱成形パッケージの金型など、他の工具製造用途にも同様に当てはまります。 これらの高精度で多くの場合自由曲面を作成するために使用される切削工具、CNC 機械、CAM ソフトウェアも同様であり、これらはすべて、航空宇宙や医療などの業界で見られるコンポーネントを製造するのに同様に必要です。 そこで疑問になるのは、金型の作業の何がそんなに特別なのかということです。

Makino Inc. の金型市場セグメントマネージャーである Sean Shafer 氏は、いくつかのアイデアを持っています。 オハイオ州メイソンの機械製造会社はこの業界での存在感がよく知られており、シェーファー氏は製品マーケティングマネージャーのデイブ・ウォード氏とともに、多くの読者が運転免許証を取得するよりも長く同社に勤務している。 業界のベテランは、複雑さから始めて、このタイプの加工と他のタイプの加工の主な差別化要因をいくつか挙げました。

「最近、テスラとイドラ・グループのギガ・プレスについて多くのことが書かれているが、それは氷山の一角にすぎない」とシェーファー氏は語った。 「自動車業界全体が、複数の構造コンポーネントを単一のダイカストに組み合わせる価値を認識しています。これにより、取り付け時間が短縮され、重量が削減され、車両の構造剛性が高まります。」

しかし、ウォード氏が指摘したように、これらの部品の製造には以前よりも大きくて深い金型が必要であり、従来の 3 軸マシニング センターでは生産性が低くなります。 「工具を過度に突き出すことなく、最も効果的なアタック角度を実現し、これらの深いフィーチャーに到達するには、スピンドルを傾ける機能が必要です。このアプローチにより、工具寿命と表面仕上げが向上するだけでなく、金属除去率も大幅に向上します」料金。」

彼らは、あらゆる種類のショップの部品製造方法を変えるテクノロジーである 5 軸 CNC マシニング センターについて話しています。 マキノは最近、「大型の金型および金型部品専用にゼロから構築された」2 台のマシン V100S と D2 を導入して、この分野での製品提供を拡大しました。 同社はまた、統合ロボティクスおよびパレット交換システムの形で自動化を提供し続けています。 ウォード氏は笑いながら、「私たちは多くの店舗を訪問していますが、現在は 3 つの主要なトレンドがあります。5 軸、5 軸、自動化です。」と述べました。

3 軸フライスでの加工は、カッターが常にワークピースに対して垂直に向けられることを意味するとウォード氏は指摘しました。 これは、穴あけ、正面フライス加工、その他の一般的な機械加工作業には問題ありませんが、通常ボールエンドミルを使用して仕上げ加工される金型キャビティの場合、多くの場合、工具先端が切削の大部分を行います。 残念ながら、この「ヌルポイント」に近づくほど表面速度はゼロに近づき、金属除去率が大幅に低下します。

「5 軸加工機のようにエンドミルを斜めに傾けることができれば、ボールの外周を使って切削することになります」とシェーファー氏は言います。 「1 つではなく 6 つの有効な溝が得られる可能性があります。これにより、はるかに優れたせん断動作が生成され、工具を切り詰めることができるため、振動が排除され、はるかに積極的な送りが可能になります。このような利点が 5 軸マシニング センターの製造に貢献しています。」多くの金型工場で好まれている工作機械です。作業の規模に関係なく、これが唯一の手段です。」

皮肉なことに、5 軸によりボールノーズ ユニットの必要性が減り始めています。 Ward 氏と Shafer 氏は、顧客と「5 軸、5 軸、および自動化」について話し合うとき以外は、円セグメント切断、別名バレル フライス加工に関する質問に答えていることに同意しました。 カリフォルニア州コスタメサにある三菱マテリアル USA (MMUS) の金型チームのテクニカル アプリケーション マネージャーである拓郎 "タク" 佐藤氏も同様です。MMUS は、同社の Moldino ブランドの切削工具を代表するグループです。

佐藤氏は、刃先交換式の超硬ソリッド円錐バレルカッター、GP1LB、GF2T、GF3L、GS4TN を多数挙げました。 推奨される用途には、スタンピング金型、ダイカストおよびプラスチック射出成形金型、ブリスク、インペラ、タービンブレード、タイヤ製造に使用される金型、およびいわゆるバスタブ金型が含まれます。

これらはすべて、同社のサークル セグメント ツールの Gallea シリーズの一部であり、そのようなすべてのカッターと同様に、同等のサイズのボール エンド ミルよりもはるかに大きい 1 つまたは複数の精密研磨された円弧セグメントを含むフルートを備えています。 これにより、金型キャビティ壁でのより大きなステップダウンが可能になり、「レンズ」タイプのバレルカッターの場合は、キャビティ床でのより大きなステップオーバーが可能になります。 その結果、仕上げが速くなり (場合によっては最大 70%)、ボールノーズ カッターで可能なものよりも滑らかな表面仕上げが可能になります。

バレルミルの半径、形状、サイズ、メーカーは多種多様であるため、どれを選択するかは混乱を招く可能性があります。 佐藤氏は、バリエーションの多くは、この画期的な加工技術の多様な用途に由来すると説明しました。 前述したように、航空宇宙メーカーはタービンブレードやインペラの切断にこれらを使用していますが、整形外科用インプラントを製造しているメーカーは日常的に複雑な骨の形状をバレルミルで加工しています。

ただし、現在ボールエンドミルで加工されている実質的にすべての自由曲面は、コニカルバレルミリングの候補となる可能性があります。 重要なのは、適切なツールを見つけて、正しいツールパスを生成することです。 「万能ではありません」と佐藤氏は警告する。 「たとえば、金型メーカーのニーズに応えるために、当社は一部の競合他社よりも半径を小さくしました。半径が小さいほど、工具の圧力とビビリの可能性が軽減されるため、この業界で使用される硬質材料にとってはより良い選択です。」

どのツールがアプリケーションに最も適しているかは、最終的にはプログラマー次第である、と彼は付け加え、Jesse Trinque 氏もこの意見に同意しました。 コネチカット州トーランドに本拠を置き、Mastercam のメーカーである CNC Software LLC のセールスおよびアプリケーション エンジニアである彼は、円セグメントの切断について多くのことを語っています。まず、それが万人向けではないという事実から始めます。

金型に関して言えば、バレル カッターは、サイズに比べて曲率が大きく変化しない表面で最も効果的であると彼は言いました。 「したがって、表面が大きく曲率が小さいほど、より良いアプリケーションセットが得られます。言い換えれば、プリングルチップの型にはうまく機能しますが、波紋のあるものにはあまり適していません。」

プリングルが実際に超大型の車のドアである場合、それは特に当てはまります。 トリンケ氏は、これらの大きく緩やかな曲面は加工時間が最もかかる傾向があり、円セグメント カッターに明確な利点を与えていると指摘しました。 それでも、すべての顧客に適しているわけではないと同氏は警告した。 佐藤氏が先に示唆したように、これらをプログラミングするには、適切な工具、機械、CAM ソフトウェアと、少なからず機械加工の知識が必要です。

「自分のマシンとそれがどのように動くのかを理解することが重要であり、その一歩を踏み出す前に、実際には 5 軸プログラミング技術をしっかりと理解することが重要です」と Trinque 氏は付け加えました。 「歩くことを学ぶ前に走りたくはありません。サークルセグメントツールは間違いなくその役割を果たしますが、人々をすぐに間違った道に導き、イライラさせて二度目のチャンスを与える可能性は低いです。」

使用する切削工具に関係なく、歩くことを学ぶことは機械にも当てはまります。 「機械の理解」と 5 軸技術について尋ねられたとき、Trinque 氏は、CNC プログラムは画面上ではまったく問題なく見えるかもしれないが、さまざまなスタイルの 5 軸マシニング センターでは異なる動作をする可能性があると指摘しました。 メーカーによっては、ヘッド-ヘッド、テーブル-ヘッド、テーブル-テーブルの構造があり、それぞれがパフォーマンスやプログラミングのアプローチに影響を与える独特の運動学を持っています。

「何を加工する場合でも、装置の長所と短所を理解し、後者をできるだけ避けることが重要です」とトリンケ氏は主張しました。

CNC プログラマーなら誰でも、Mastercam が円セグメントのツールパスを生成するだけではないことを知っています。 Autodesk Inc. の Fusion 360 および PowerMill 製品も同様で、どちらも金型および金型セグメント (およびその他) で強い支持を得ています。

しかし、Hanno Van Raalte 氏がすぐに指摘しているように、この業界での成功は、高品質の工作機械、カッター、CAD/CAM システムの使用をはるかに超えています。 また、デジタルツインへの依存度も高まっています。 「最近の変更に迅速に対応できることがますます重要になってきており、プラスチック設計、金型、さらには成形プロセスのデジタルツインは大きな利点をもたらします」と同氏は述べた。

Van Raalte 氏は、カリフォルニア州サンフランシスコに本拠を置く Autodesk 社が「設計と製造のためのプラスチック射出および圧縮金型のシミュレーション」と表現するソフトウェア ツールである Moldflow の製品マネージャーです。 これを使用すると、工具メーカーはアートから部品、さらにはそれ以降に至るまでの成形プロセスをシミュレーションできると同氏は述べました。

「新しいシリーズの掃除機用のハウジングを設計したとします。成形可能とはどういうことですか? 壁の厚さは適切ですか? 部品の取り出しを妨げたり、反りを引き起こしたりする特徴はありますか? Moldflow を使用すると、ユーザーは次のような分析を行うことができます。これらおよび他の多くの設計ルールに基づいて、最初のツールパスが生成されたりチップが作成されたりするずっと前に、賢明な決定を事前に行うことができます。」

Autodesk シミュレーション ビジネス マネージャーの Mark Hennebicque 氏は、成形性は出発点にすぎないと述べました。 プロセスの早い段階でデジタル ツインを構築することで、金型メーカーは材料の流れと熱特性の FEA シミュレーションを実行し、この情報を使用して金型設計を最適化できます。 その後、仮想金型を 2 台の成形装置に設置し、射出圧力と材料温度の最適な設定を決定します。 そうすることでサイクル タイムが削減され、コストが削減されると同時に、バリ、ヒケ、寸法のばらつきなどの一般的な問題を排除するのに役立ちます。

この最後の問題は業界全体で共通の悩みの種だとヘネビック氏は語った。 「金型メーカーは常に精度とコストの改善を目指していますが、設計プロセス中に特定の前提を置く必要があるため、これは困難な場合があります。同時に、生産現場、または場合によっては下請け業者が決定を下す可能性があります。事後的にはもっと早くに説明されるべきだった。」

いずれにせよ、デジタル ツインを使用したシミュレーションは、設計と製造プロセス全体を網羅する反復的で協調的なアプローチを提供します。 また、これらのプロセスに関連するすべてのデータもキャプチャします。6 か月後に事故が発生し、工場で金型キャビティを再加工したり、新しいインサートを製造したりする必要がある場合でも、車輪を再発明する必要はありません。 「オリジナルのツールを再現するために必要なものはすべて、この双子の中に含まれている」と彼は結論づけた。

ファン・ラールテ氏も同意した。 「金型製造を含む多くの業界で、デジタルツインは企業のビジネスのやり方を変えています。デジタルツインにより、より良い製品を作ることができます。自信が高まり、リスクが下がり、誰もが自分の時間を使ってより多くのことができるようになります。そのため、ツインは多くのメーカーにとって急速に必須アイテムになりつつあります。」

Hexagon Manufacturing Intelligence の David Hill 氏も、デジタル ツインに関してほぼ同じアドバイスを提供しています。 同社のカナダ商業部門のディレクターである彼は、ロードアイランド州ノースキングスタウンに本拠を置くヘキサゴン社が、競合する設計およびエンジニアリングツールを提供しており、金型製造やその他の業界の人々がその計り知れない能力を活用することを奨励していると語ります。 しかし、この記事では、ヒル氏は金型製造のもう 1 つの重要な要素である計測学について説明しました。

「製品とCAMのシミュレーションと成形解析における最近の進歩に関する以前の発言に心から同意しますが、計測学の観点から見ると、今日最も重要なテクノロジーの1つは、製造場所を測定する機能です。」と彼は言いました。

明らかに、機械内プロービングとスキャンにより、定期的に検査室に行く必要がなくなり、それによって全体的な装置の効率レベルが向上し、加工エラーによる部品の廃棄の可能性が減ります。 これらの利点はすべての製造プロセスにとって重要ですが、多くの金型や成形金型のようにワークピースの重量が数百ポンド、場合によっては数千ポンドになる場合、機械内での検証が利益と損失を分ける可能性があります。

スピンドルに取り付けられたタッチ プローブは新しいものではありません。 レーザーや構造化光によるスキャンも、生産現場ではますます一般的になってきています。

あまり一般的ではありませんが、これらのテクノロジーを使用して数百万のデータ ポイントを迅速に収集し、そのデータを使用して Hexagon などが提供するようなソフトウェアで生成されたシミュレーションを検証することはありません。 これにより、ツールメーカーやエンジニアは、工程中の寸法値を CAD ファイルと比較し、スプリングバックを分析し、主要なデータムが最適に適合することを確認し、懸念のある領域のトラブルシューティングを行うことができ、費用のかかる再カットや不適合を排除できます。

しかし、精度についてはどうでしょうか？ まともな機械工であれば、板金に誰のロゴが貼られていても、重要な測定は決して CNC マシニング センターで実行すべきではないことを知っています。 右？

そうかもしれませんが、ヒル氏が指摘したように、今日のハイエンド工作機械は多くの測定機能に対して十分な精度を備えています。ポータブル レーザーおよび構造化光システム (同社の HP-L-10.10、AS1 レーザー スキャナー、Structured など) が使用できるという事実は気にする必要はありません。 Light Systems) は 5 ミクロンの精度レベルに近づくことができます。

「確かに、機内計測やポータブル計測が CMM (座標測定機) に完全に置き換わることは決してありません。しかし、この業界の多くの人は、これらのテクノロジーが競争上の優位性をもたらしていることに気づいています」とヒル氏は述べています。 「リバース エンジニアリング、コンポーネントの検査、機械加工プロセスの微調整、その他多くの用途に非常に適しており、これらはすべてワークピースを移動させることなく迅速かつ簡単に実行できます。製造業では時間は非常に重要であり、私はそんなことは嫌いですが、ありきたりな表現を使うかもしれませんが、これらのソリューションは状況を一変させます。」

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