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Updated..: 1/9/21
By: Chris Rogers
この記事の前置きとして、私はこの分野の専門家ではないことを申し上げておきます! 多くの高価な切削工具が、アルミニウムの加工に「使用」している間に、その役割を終えてしまったのです。 インターネット上には、アルミニウムの切削加工に関する、機械工の世界からの優れた情報が山ほどあります。 そのほとんどは、本物の金属フライスやマシニングセンタを使ってのものです。 かなり小ぶりなメタルミルでも、ヘビーデューティなルーターよりずっと頑丈で、振動も少ないです。
今まで持っていた様々なルーターで、アルミの切削で苦労した5つの大きな課題。
- 合金の選択
- マシンの剛性
- ツールパス/戦略の選択
- フィードと速度
- チップクリア/冷却
- 固定
これらのそれぞれを解決することは、成功において大きな違いです！
安全について
まず最初に、安全について少し説明します – 金属の切断には、木材やプラスチックの切断時にはない、いくつかの本当の心配事がありますから! 商業用金属マシニング センターに筐体があるのはそのためです。 切粉やクーラントが飛び散ると大変なことになるし、オペレーターにも危険が及ぶ。 インターネット上には、機械がバイザーから部品をはじき出し、カッターのブレーキが外れて飛んでいく動画があふれています。 金属加工では、切りくずはより重く、より鋭く、より高温になります。 アルミの加工中は、常に安全眼鏡を着用しましょう
材料をしっかりと保持することは非常に重要です。 アルミの強度と切削力の増大により、小さな部品や切り落としが勢いよくチャッキングされることがあり、超怖いです。 盾や幕を装備して身を守るのも無理はありません！
合金の選択。
アルミニウムは、特定の特性を高めるために、他の金属と合金化されることが最も多いのです。 概要はこちらでご覧になれます。 アルミニウム合金101」を参照してください。 一般的に、最高の機械加工用合金は6xxxシリーズです。 彼らは非常に一般的で、入手が容易であるため、これは良いことです。 ほとんどの押出材は6xxx合金です。 xxx」は、6シリーズのアルミニウムに多くのサブタイプがあることを意味します。 6061は非常に一般的で、機械加工には良い選択肢です。 私は5xxxシリーズの板材を加工したことがありますが、一度、お客さんが持ってきたとき、ルーターで加工すると大変なことになったんです。 非常にガタつきやすく、カッターに負荷がかかりやすいのです。 これは教訓だ。
熱処理（それが有効な合金の場合）は、材料の硬度にも影響します。 熱処理は、「6061-T6」のように、文字「T」の後に数字で示されます。 一般的に熱処理された合金は、機械加工に適しています（より硬く、よりゴツくない）。 非熱処理材は「T3」「T4」、熱処理（または熟成）材は「T5」「T6」と指定されますので、他の条件が同じであれば、機械加工する場合は、熱処理材を入手するようにしましょう。 熱処理を施した材料は強度も少し上がります。 金属を売っている人なら、私よりもずっと詳しく知っているでしょうから、買う前に聞いてみてください。
機械加工するものを選ぶとしたら、汎用品なら「6061-T6」、安定性が必要なものや初期材が平らであることが有利なものなら「Mic-6」鋳造板でしょうかね。 Mic-6はアルコアの製品名ですが、「クリネックス」や「ゼロックス」のように、単に「鋳造板」という意味で使われることが多いようです。 押し出し成形ではなく、シート状に鋳造されているため、内部応力が小さく、加工時に反ることがない。
切削負荷
ダイヤルインジケータを入手して、ヘッド付近のどこかの軸のたわみを読み取るように設置すれば、マシンがどれだけ（非）硬いかをテストすることが可能だ。 主軸を外した状態で機械を持ち、思いっきり引っ張ります。 よほど頑丈な機械でない限り、かなり動くはずです。 私の持っていた機械は、とてもきれいに正確に木を削ることができましたが、手で圧力をかけるだけで、0.06インチ（1.5mm）たわんでしまいました。 実は、正しい方法で加工していれば、通常の加工を行うカッターの機械への負荷は、思っているよりもずっと小さいのです。 このことと、加速度を優雅に制御するように設計された機械制御のソフトウェアを組み合わせれば、かなりバタバタした機械でも、非常に正確なカットを行うことができます。
木材 (密度は最大 50 ポンド/立方フィート) からアルミニウム (約 170 ポンド/立方フィート) に切り替えた場合、その 4 倍の密度を持つものを切ることになります。 同じカッターを同じ速度で使えば、さすがに切削負荷は大幅に上がります。
軽作業機でのアルミニウム加工についての詳細は、NYCCNC のこの素晴らしいビデオをご覧ください: Shapeoko Feeds & Speeds and Machining Tips!
Cutting Strategies
軸方向の切込み (カッターのフルートがどれだけ深くかみ合ったか) も重要です。 回転数の多い低出力スピンドルを使用している場合、「Adaptive」スタイルの切削戦略で、速く動いても切り込み深さを浅くする方が良いと分かるかもしれません。 切り屑の排出が容易になり、わずかな速度の代償としてプロセスの信頼性を高めることができます。
仕上げ加工、特にボールエンドミルによる 3D 加工の場合、「プレフィニッシング」アプローチは、最終的なサーフェスを美しく仕上げるのに非常に有効です。 これを行うには、仕上げのパスと同じで、少し (0.02″ / 0.5mm) の材料を残し、2 ～ 4 倍の大きなステップオーバーを使用する一連の操作を作成するだけです。 これらのパスでは、最終的な仕上げ処理で除去するマテリアルの層が非常に均一になります。 コーナーでは、除去する必要がある材料の量を減らし、カッターに不均一な負荷をかける可能性のある荒削りパスの段差をなくすことができます。 仕上げ用カッターで段差のある荒削りな仕上げをしようとすると、ビット（または機械）がたわみ、荒削りの段差が完成品に伝わります。
3D マシニングの基本アプローチについての詳細は、私の記事を参照してください。 INTRODUCTION TO CNC MACHINING SURFACES
Feeds and Speeds
ある材料である工具に対して、正しい切削パラメータの範囲を計算する公式があり、機械加工者は「フィードとスピード」の計算に多くの労力を費やしています。 ほとんどの工具メーカーは具体的なガイドラインを用意しており、これは非常に役に立ちます。 以下に、これを支援する良いリソースをいくつか紹介します：
- Harvey Tool Blog: Speeds and Feeds 101
- NYC CNC: Speeds & CNC マシンのためのフィードのチュートリアル! WW164
ここでは、あなたの状況に適した送り速度と回転数を選択するために知っておくべきことを簡単に説明します（すみません、メートル法はまだありません！） :
Surface Feet per Minute（SFM）（1分間の表面速度）。 これは、表面上の点 (たとえば工具のフルートの先端) が 1 分間に移動する距離のことです。 定規の横で工具を転がすと想像してください。 SFMは、1分間に工具がどこまで転がるかを表しています。 これは計算するものではなく、「どのくらいの速さで削っているのか」を表す指標です。 工具メーカーが提供する表や、材料の大まかなガイドラインを参考にするとよいでしょう。 アルミニウムの超硬工具の場合、600～1500程度で、仕上げ用には高く、荒削り用には低くなります。 ステンレス鋼やその他の重切削材では、理想的なSFMは100を下回ることがあります。
1分あたりの回転数（RPM）:Revolutions per Minute。 これは、工具が回転している速さである。 時計の秒針が1回転するのが1RPMです。 お使いの工具がより高速であればよいのですが。 ルーターは通常、十分な回転数範囲を持ちますが、低速トルクはあまりないため、おそらく 8,000 ～ 25,000 RPM の範囲で最適になるでしょう。 アルミニウムの場合、少ないほどよい。 また、クーラントを使用しないシートカットや荒削りには、シングルフルートカッターは最適です。 (
役に立つ計算をするために、まずアルミニウムの標準を1000 SFM、工具の直径をDとします。 例えば、1/4インチの2枚刃の超硬アップスパイラルカッターを使用するとします。
この式を使って、使用する回転数を計算します。
RPM = (3.8 x SFM) / D
15200 = (3.8 x 1000) / .25
これで、理論回転数がわかりました！
この式を使って、回転数を計算します。
Chip-load Per Tooth (CPT)という2つの変数を使って、どのくらいの速度で機械を動かすかを計算することができます。 これは、プログラムされた送り速度で各歯がどれだけ噛み合うかを表します。 一般に1000分の1インチで表され、たとえば、1/4インチの超硬カッターは、0.002インチのCPTでうまく機能する場合があります。
1分あたりのインチ数（IPM）。 これは切削速度で、スピンドルが材料を通過する速さです。
そこで、回転数、歯当たりチップ荷重（CPT）、および工具の歯数（T）から、送り速度（IPM）を計算できます：
IPM = RPM x CPT x T
15,200 RPMで0.60.8 =15200 x 0.002 x 2
送り速度は 60.8 インチ/分です！
これは良いスタートで、おそらくうまくいくでしょう。 SFMとチップロードに関するメーカーの公開データを確認することで、より具体的な数値を使用でき、より良い結果を得ることができます。 この例で使用している0.002インチのチップ負荷は、1/4インチ工具での荒加工では低い方で、問題なく送り速度部門をかなり上げることができるかもしれません。
物事をうまく進めるために、本当に遅くするのはやめましょう! これは速すぎるのと同じくらい悪いことで、カッターをすぐに壊す代わりに、こすって熱を発生させ、ガムを付けてしまい、そして壊れることになります。 スピードを落としたいという誘惑に負けないでください。 切り口から出る切りくずが、実際の切りくずであることを確認したい。 ノギスで測ってみてください。理想的には、「太い方」の厚みが、選んだ歯当たりのチップ負荷に近い値であるべきです。
また、CAM ソフトウェアのオプションで、デフォルトで「登り切り」になっているはずです。 これは、チップの厚い部分を最初に取り、摩擦や熱の発生を避けるためです。
カッター
カッターの選択は、特にクーラントの使用に制限がある場合、大きな違いを生み出します。 多くの標準カッターは、密閉されたマシニングセンターでクーラントを使用して使用するために最適化されています。 クーラントを使用しないか、エアブラストを使用する場合は、擦れた金属やグミのような金属でカッターに負荷がかからないように注意する必要があります。 2枚以上のフルートを持つものは避けてください。 仕上げ加工をする場合は、3枚刃のボールエンドでも良いですが、負荷がかかりやすくなります。
ルーターでアルミニウムを加工する場合、1枚刃の工具が非常に役に立ちます。
1枚刃の工具は、ルーターでアルミニウムを加工する際に大きな助けとなります。通常、主軸回転数は十分ですが、剛性があまりなく、切り屑の除去が問題になります。 シングルフルート工具は、このシナリオに「ベストフィット」します。 これを見てください。2枚刃はガムが付着し、1枚刃は見事に機能しました！
また、工具の「突出し」を最小限に抑えたいと思うことでしょう。 どの程度の深さをカットする必要があるかを把握し、それを衝突させないように、0.125″/3mm ほどのマージンを追加します。 短い「スタブ長」工具は素晴らしい！
Clearing Chips and Cooling
一度、妥当な「送り速度」と「速度」で操作すると、次の問題に行き着きます – どのようにして切削から切粉を取り除くのか、そしてどのようにしてカッターを冷やすのでしょうか？ 理想的な世界では、切りくずはきれいに切り落とされ、切削工程で発生するすべての熱を奪って、切口の外に投げ出されるでしょう。 しかし、選択肢はあります！
最も面倒なオプションは圧縮空気で、切り口を吹き飛ばし、ツールをクリアにしておくことです。 空気自体はあまり熱を吸収しないので、これは深いポケットのない軽い切削にのみ有効です…理想的には、シングル フルート カッターまたはシングル パス スロット加工を伴わない加工戦略で使用します。 Vortecなどの「コールドエアーガン」はよく働きますが、スロットル式の集中的な送風なら何でも大丈夫です。
空気だけからステップアップして、クーラントミストや「最小限の潤滑」システムを使用できます。 Fogbuster、Koolmist、および他の多くの製品は、CNC ルーターへの一般的なアドオンです。 リザーバーとノズル、そしてスピンドルエリアへの圧縮空気ラインが必要なだけです。 いくつかの潤滑性を提供し、熱を引っ張って蒸発させるために十分なクーラントがあります。 これは、切り屑を除去するための空気と組み合わされます。 面倒ですが、通常、重要な動作部分や電気部品に液体がかからないように、ある種の排水システムを装備することができます。 最小限の潤滑油システムは、空気を軽くし、切り口に潤滑油を供給することに重点を置き、切り屑の除去はあまり行いません。 用途によっては、これで十分かもしれません。
ヘビーデューティーなマシンをお持ちで、それを扱えるようにセットアップされている場合は、フラッドクーラントが優れています。 これは一般的な金属のフライス加工の標準であり、いくつかのルーターは、余分なクーラントをテーブルからクーラントポンプに戻すフローを処理することができます。 軽～中程度のアルミ加工では、おそらく必要ないでしょう。 ルーターの場合、一般的に重切削に耐えるほど強力でも硬くもないため、致命的な問題にはならないでしょう。
固定方法
どのように固定するのですか？ マシンとクーラントおよび切り屑処理オプションの選択によりますが、たくさんの方法があります…
上の写真は、最も簡単なオプションです – 加工しない場所に穴を開け、合板のシートにねじ止めします！
このような方法で、マシンを固定します。 ここでは、マシンのMDFベッドを保護するためにビニールシートも敷いています。 これは製品化できるものではありませんが、もしお昼までに完成させなければならないのであれば、試してみる価値はあると思います。 小さな部品を固定するために、タブ（おそらくCAMソフトウェアのオプション）を使用する必要があるかもしれません。
機械にバキューム テーブルがある場合、シートをどんどん切り抜くときにシートを押さえるのに十分なバキューム容量があれば、それは良いオプションです。 バキュームは、ガスケット付きの固定具をセットして、切り開かない部分のみを保持するような、生産的な切断には最適です。 アルミニウムは高価で、ずれたシートのインデックスを付け直すのは非常に難しいので、「ベルトとサスペンダー」方式で、真空に加えて、大きな（特に薄い）シートを固定ストップに機械的に固定したり、インデックスを付けるとよいかもしれません。
私が好む方法（可能であれば）は、ある種のストラップクランプの配列で実際に材料を固定することです。 これは厚い材料にはより効果的です。 下の写真は、テーブル用の厚いアルミ板がある機械で、3/8インチの板を切断しているところです。 このテーブルには数センチおきにタップ穴が開いているので、ストラップクランプが使える。 最高です。 テーブル。 最高の。 機械工場にあるような標準的な金属製のクランプと、自作のMDF製のクランプが見えますが、これはリーチが長く、振動も減衰させることができます。
上の写真には、他にもいくつか奇妙なものが見えますが、まず、ペンキの撹拌棒が、1フィートごとにプレートの下にスライドしています。 これらは、アルミニウムの機械テーブルに切り込みを入れることなく、ワークピースを切り抜くことができるのです。 また、切り抜くときに切りくずをスロットから落とすのにも役立ちます。 もうひとつ不思議なのは、鉛のレンガにビニールテープが貼ってあることです。 ビニールテープは鉛に触れないようにするためで、鉛はプレートの振動を減衰させるためにあるのです。 オペレーターはこれを動かしてカッティングヘッドから離さなければなりませんが、特に大きな部品はタブで固定されている部分を除いてほとんど自由にカットされるので、シートがビリビリするのを防いでいます。
マシニングセンターのようにバイザーを使うこともできます。 私は（ごくまれに）一対のバイザーをテーブルにボルトで並べて、機械加工のために押し出しを保持するのに使ったことがあります。 他の人はいつもやっているし、私もうまくいったのですが、私の経験は限られています。
Conclusions
これで、私が知っていることがわかりましたね。 これは包括的なものではありませんが、手始めとして、カッターの破損やその他の頭痛の種を避けることができればと思います
リンク：
- NYC CNC: Shapeoko Feeds & Speed and Machining Tips!
- ハービーツール。 アルミニウムを攻撃する。 加工ガイド
- Harvey Tool Blog: Speeds and Feeds 101
- NYC CNC: Speeds & CNCマシンのためのフィードのチュートリアル！
- Harvey Tool: Attacking Aluminum: Machining Guide! WW164
注意：
この記事は私の意見を反映した情報を含んでいます – 私はその有用性について約束するものではありません！
この記事は私の意見を反映した情報を含んでいます – 私はその有用性について約束するものではありません。 また、私の限られた経験に基づく偏見を含むかもしれません。 もし、ここに書かれていることに同意できない場合は、ご連絡ください。 これは私が知っていることを共有するためだけでなく、他の人から学ぶためでもあるのです。 読者が「正しい」答えの多様性をより認識できるように、私は喜んで追加情報や異なる意見を挿入します！
Change Log:
Updated: 12/5/19 ・熱処理とMic6、登り切り、スロー警告、計算ミスの修正
更新しました。 1/9/21・カッター、攻略本、リンクを追加しました
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