CNCワークホールディング技術：ワークピースを確実に固定して精密加工を実現

CNC加工部品を作る際、まずワークピースをどのようにロードし、保持するかを決めることが重要です。このステップは工具パスのプロットより前に来るもので、プロセスにおいて重要な役割を果たします。

ワークホールディングとローディングはCNC加工プロセスの重要な側面です。ワークピースの出来栄えは、マシンの作業面上でどれだけ安定して保持できるかにかかっています。そのため、機械技師とエンジニアはワークピースを安定させるための数多くの解決策を考案してきました。

この記事では、ワークホールディングの最も代表的な手法をいくつか取り上げ、それぞれの長所と短所を評価します。

Tスロット

ワークホールディングに不可欠なTスロットは、T字型の切り欠きを提供し、Tの横棒がテーブルの下側またはテーブル内部にあります。これによりナットがスロットにはまり、ボルトやクランプを挿入する可動位置を提供します。

クランプには多くの種類があり、それぞれ独自の長所と短所があります。

接着固定

作業テーブルにベークライトブロックを追加するのは、特に試作加工において人気のあるワークホールディング方法です。ワークピースをベークライトテーブルに簡単に接着でき、中国の多くの試作会社がこの方法を採用しています。

接着固定は依然として非常に簡単で人気のあるワークホールディングソリューションです。平らな材料にも不規則な形状の材料にも有用です。カーペットテープよりも高い強度が得られる可能性があり、ワークホールディングタブの必要性を排除できます。ベッドから部品を取り外すにはヘラや手作業での剥離が必要です。接着剤は特に試作加工とプラスチックに有用です。

適切に接着剤を塗布するには、ワークピースを水平に保つため均一な層を敷く必要があります。迅速、安価、効果的なワークホールディングオプションですが、使用材料によって挙動が異なります。例えば、ホットグルーは発泡材や木材から塊を剥ぎ取ってしまうことがあります。損傷を防ぐ最善の方法は、接着剤を選択的に塗布し、審美的・機能的に重要でない領域や、容易に除去できる薄い層に塗ることです。

同様に、接着剤は金属上ではより速く硬化します。金属加工時に接着剤が速く硬化しすぎるのを防ぐ一つの方法は、材料をベッドに固定した非金属の廃棄ボードの上に置くことです。材料を上に置くことで、接着剤が両面に接着する機会を得られ、単独で硬化するのを防ぎます。

メリット：複数のピースを一度にテーブルに接着できるため、オペレーターの手間が減ります。プラスチックやアルミニウムの試作に効率的な方法です。

デメリット：ワークピースが剥がれる可能性があります。取り外し時に部品を損傷する可能性もあります。

ボルト固定

ボルトは、T字型テーブルを直接使用してワークピースを加工のために固定する優れた方法です。実は、アルミニウムブロックを追加する方がさらに良いアイデアです。必要な場所にねじ穴を簡単に作れるからです。ねじ穴はクランプと相性が良く、より良いレベリングと安定性を実現します。

材料をボルトで固定するために使用されるアイテムには、Tナット、スタッド、フランジナットがあります。ボルトとナットは、ワーク面にTスロットではなくネジインサートがある場合に特に有用です。この場合、ボルトをインサートにねじ込んで様々な設計のクランプを固定し、それらを所定の位置に保持できます。

メリット：ボルト固定はワークピースを非常に安定して保持できるため、強力な切削が可能です。複雑な形状も保持に問題ありません。

デメリット：ボルト使用にはフレームとして追加材料が必要です。大型部品加工時の材料廃棄が深刻になる可能性があり、セットアップ時間も長くなります。フレームから部品を切り離す際、ヒンジ跡が問題になることがあります。

バイス

機械技師は頻繁にバイスをワークピース固定の標準的方法として使用します。バイスは通常、二つのジョーの間にワークピースを両端から挟み込み、工具が材料を加工します。直線的なエッジを持つ部品に特に有用ですが、丸みを帯びたエッジを持つ部品にも適応可能です。

バイスのタイプによっては、丸みを帯びたエッジの加工にソフトジョーの助けを必要とする場合があります。ソフトジョーはワークピースを支える形状にフライス加工できます。最新のバイスはクイックスイッチベースで設計されており、機械技師がCNCマシンからワークピースをロードできます。部品が完成したら、次のバッチを素早くロードできます。バイスは当社のCNCワークショップでも推奨オプションです。

メリット：バイスは高速切削を可能にし、リピート部品製造時のワークピース位置決めを容易にします。大量CNC部品製造の効率的な方法です。一つのCNCマシンに複数のバイスを設置し、異なる部品を同時に製造することもできます。

デメリット：部品は平行な面を持つ規則的な形状でなければなりません。そうでない場合、カスタムジョーが必要です。

クランプ

CNC加工中のワークホールディングに使用できるクランプにはいくつかの種類があります。コンビネーションクランプ、プライヤー、Cクランプなどが含まれます。

コンビネーションクランプまたは「ビルディングブロッククランプ」は、標準化された設計、異なる機能、異なる仕様とサイズを持つ一連のコンポーネントで構成されます。これらの工作機械クランプは、加工要件に応じてビルディングブロックのように組み立てられます。その性質上、コンビネーションクランプは設計と製造の面で非常に時間効率が良く、少量生産サイクルに適しています。また、高い位置決め精度、大きなクランプ柔軟性、繰り返し使用可能、省エネ・省資源、低コストといった利点もあります。やや複雑な形状を必要とする少量生産に適しています。

クランプのもう一つの利点は、ワークピースの特定要件に基づいて特定コンポーネントを改良・置換できることです。例えば、組み合わせ精密平プライヤーを使用すると、より汎用性が高く、標準化され、使いやすく、より信頼性の高いクランプが可能です。このタイプの精密平プライヤーは、迅速かつ容易な設置とクランプという利点があり、生産準備時間を短縮し、少量生産効率を向上させます。

Cクランプのようなシンプルなクランプは金物店で容易に入手できます。安価で使いやすいですが、そのシンプルさゆえに欠点もあります。材料の片側だけをクランプすると、反対側が浮き上がることがあるため、加工前に材料が平らであることを確認する必要があります。同様に、材料からピースや部品を切り出すのはトリッキーで、複数のクランプとおそらく他の固定手段も必要になります。より重いプロジェクトには、ワークフローを容易にする別タイプのクランプが好ましいです。

これらのクランプを改良する他の方法には、滑らかなクランプベースの使用や特殊磁性材料の使用があります。後者は電磁永久保持クランプに使用され、CNC工作機械とマシニングセンターの加工効率向上に役立ちます。従来のクランプの位置決めコンポーネントとクランプ要素は多くのスペースを取りますが、電磁永久クランプは材料固有の磁力を利用するため、これらの場所を取るコンポーネントが不要です。これにより様々な加工操作の手間を大幅に省き、工作機械の邪魔になる障害物を最小限に抑えられます。ただし、磁石の吸引力が切削力に耐えられるほど十分かどうか注意する必要があります。

油圧・空圧クランプは、追加の動力源を用いて油圧または空圧コンポーネントを通じてワークピースを適切に位置決め、支持、圧縮します。その結果、工作機械と切削工具のためにワークピースの相互位置を正確かつ迅速に決定し、調整できます。コンパクトな構造、多工程同時クランプ、高速重切削、自動制御といった他の利点もあり、これらすべてが材料処理を高速化します。これがCNC工作機械、マシニングセンター、フレキシブル生産ラインに最適である理由です。

バキュームテーブル

 

バキュームテーブルは、部品下の真空と上からの大気圧の差によって生じる保持力でワークピースを固定します。バキュームテーブルは、CNCルーターで行われる平板加工に最適なソリューションであることが多いです。

これらのテーブルは非常に精度が高く、柔軟で効率的です。幅広い材料に適応でき、クランプ不可能な材料（ハイテク複合材や先進合成材料など）に特に有用です。クランプや他のソリューションでは不可能な方法で障害物を最小限に抑えながら、セットアップとチェンジオーバーをはるかに効率化できます。

しかし、バキュームテーブルにも欠点があります。平らな材料に最適で、異なる形状の部品には追加の準備が必要です。特定の小さな部品は、真空で保持するのに十分な表面積を持たない場合がありますが、より均一または集中した下向きの吸引力を持つ高度なタイプのバキュームテーブルならこれらのアイテムを管理できます。

メリット：バキュームテーブルはロード時間が非常に速く、クランプ不可能な材料に適しています。

デメリット：ほとんどのバキュームテーブルはシンプルな平らな部品にのみ適しています。

マグネティックテーブル

マグネティックテーブルは、磁性ベースを使用して適切な金属で作られたワークピースを保持します。ほとんどの金型キャビティが鋼で作られているため、金型製造業界で人気のソリューションです。しかし、一般的なCNC加工操作でも鋼ワークピースに使用されます。

ほとんどのマグネティックテーブルは電磁式で、加工完了時に磁力を停止できます。物理的なクランプや他のデバイスが不要なため、迅速なセットアップが可能で、優れた切削工具アクセスを実現します。軽切削から重切削まで対応可能ですが、アルミニウムなど非磁性ワークピースには使用できません。

メリット：マグネティックテーブルは完全な切削アクセスを可能にし、迅速にセットアップできます。また、非常に安全で確実です。

デメリット：マグネティックテーブルは磁性金属にのみ使用可能で、アルミニウムが主流の製造分野での用途を制限します。

カスタム治具

大型部品をフライス加工する際、標準的なワークホールディング方法では不十分な場合があります。その場合、CNC加工のためにカスタム治具を製作する価値があります。量産時には数秒の短縮が大きな違いを生みます。

治具は工具パスをガイドし、製品品質を大幅に向上させますが、絶対的な安定性が必要な場合にのみ必要です。ワークピースは通常、治具に滑り込ませたり落とし込んだりし、1〜2個のクイッククランプで固定されます。

ワークホールディング用にカスタム治具を製作する明確な利点があり、様々な方法で製作できます。高剛性と厳しい幾何公差が必要な治具はCNC加工で製作するのが最適ですが、曲面部品に合わせた治具はFDMやSLS 3Dプリントで製作しやすい場合があります。

メリット：カスタム治具は特大または不規則なワークピースに合わせて調整でき、セットアップ時間を短縮し、安定性を保証します。

デメリット：納期が長くなり、コストが増加します。治具は他の一般的な部品には適合しません。

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