シャフト加工の専門家:材料、技術、設計戦略

メカニカルシャフトは機械設計の根幹です。これらのシンプルだが不可欠な回転コンポーネントは、機械の別の部分や別の機械全体など、ある場所から別の場所に動力や動作を伝達するために使用されます。

モーター、ギアボックス、ポンプ、その他多くの機械に使用されているシャフトは、回転時の強いねじれ力や高い曲げ荷重に耐えるように設計されています。つまり、自動車、工業製造、発電などの分野のエンジニアにとって、適切なシャフトの設計と製造が最優先事項であるということです。

この記事では、シャフト加工の基本について説明し、CNC 旋削などのプロセスを使用してあらゆる種類の用途に適した堅牢なシャフトを作成する方法を説明します。

シャフトとは何ですか?定義と機械的機能

では、シャフトとは一体何なのでしょうか？マグロウヒル工学辞典  は、次の「シャフト」の定義を提供しています。「動力や運動を伝達するために、プーリーやギアなどの回転機械部品を運ぶために使用される円筒形の金属片。」

メリアム・ウェブスターは、機械工学における「シャフト」の同様の定義を提示し、シャフトを「回転部品を支持したり、回転によって動力や動作を伝達したりするために使用される一般的な円筒形の棒」と説明しています。このシャフトの定義は、四角シャフトや六角シャフトなどの非円筒シャフトの存在を示唆していることに注意してください。

シャフトはどのように機能するのですか?

シャフトの多くの産業用途では、これらのコンポーネントがさまざまな方法で使用されます。ただし、シャフトは広範には同様に機能し、動力、トルク、回転運動を駆動装置 (エンジンやモーターなど) から別の機械コンポーネントに伝達します。

シャフトの主な機能は次のとおりです。

• 電力を必要とするコンポーネントに電源を接続して電力を伝送する
• 駆動コンポーネントから被駆動コンポーネントへのトルク (回転力) の伝達
• ギアやベアリングなどの回転部品をサポートし、回転中に所定の位置に保持する
• せん断応力、曲げ、ねじりなどの大きな力に耐える

一般的なタイプの工業用シャフト

さまざまな種類のシャフトは、機能または形状によって分類できます。このガイドでは、両方の区別について説明します。まず 3 つの重要な機能シャフト タイプについて説明し、次に使用できるさまざまなシャフトの形式について説明します。

トランスミッション シャフト

トランスミッション シャフトは、主要なシャフトのサブタイプの 1 つです。これらは、動力源と動力を吸収する被駆動機械との間で動力を伝達する手段として機能します。

トランスミッション シャフトの例にはライン シャフトが含まれます。  集中力を分散するためのカウンターシャフト  駆動シャフトと従動シャフト、 自動車のドライブシャフトを接続するもの  エンジンからディファレンシャルに動力を伝達します。

マシンシャフト

トランスミッション シャフトが別個のシステムを接続する場合、マシン シャフトは、内部で動力を伝達する機械内のコンポーネントです。

機械シャフトの例にはクランクシャフトが含まれます。  往復運動を回転運動に変換するカムシャフトです。  バルブの動きを制御します。

アクスル シャフト

車軸は別個のタイプのシャフトとみなされる場合があり、通常は自動車の車輪を駆動するために使用されます。  車両の重量に耐えます。

後輪駆動車では、車軸がディファレンシャルに接続されており、ディファレンシャルはドライブシャフトを介してエンジンから動力を得ます。

さまざまなシャフトの形状と形式

以下の表は、形状と設計によってさまざまなシャフト タイプを区別し、それぞれの主な利点と目的を示しています。

シャフト形状 断面 説明 丸（円筒）○最も一般的な軸。滑らかな回転、加工が容易、ベアリングとのフィット感が良好。ソリッドスクエア□キー溝なしでトルク伝達が良好。六角軸⬡トルク伝達が良好、工具の噛み合いが容易。キー付きシャフト⚆加工されたキー溝とキーを使用してハブやギヤにトルクを伝達します。スプラインシャフト⚙縦溝により高いトルク容量を実現します。Dシャフト（フラット）◖単純なハブの滑りを防止します。段付シャフト◎ベアリングとの位置決め面を提供し、歯車;テーパーシャフト◎先端に向かって徐々に径が小さくなり、長さ方向に径が変化します。ハブの強力なロック。偏心シャフト❍エンジンバルブを作動させるための卵型の「ローブ」が突き出たシリンダー。中空シャフト⊙丸シャフトと似ていますが、質量が軽いです。

シャフト加工用の材料の選択

標準シャフトの最も一般的な材料は軟鋼です。ただし、強度を高めるためにニッケルやチタンなどの他の材料を使用することもできます。以下のリストは、最適なシャフト素材とその主な利点を詳しく示しています。

• 炭素鋼 :炭素鋼、特に軟鋼は、シャフト用として最もコスト効率が高く、汎用性の高い金属です。優れた強度と機械加工性を備えています。
• ステンレススチール :海洋環境や食品加工など、さらなる耐食性が必要な用途では、ステンレス スチール シャフトが必要になる場合があります。
• アルミニウム :アルミニウム合金シャフトは軽量なので、自動車や航空宇宙など、優れた強度重量比が必要な用途に使用できます。
• チタン :チタン シャフトは、優れたレベルの耐食性、耐熱性、優れた強度重量比を備えているため、航空宇宙やその他の分野で役立ちます。
• ニッケル :耐食性、耐温度性、耐疲労性が最優先される場合、ニッケルおよびニッケル合金はシャフトの製造に使用される場合があります。
• 真鍮 :抗菌特性、低摩擦、優れた機械加工性が必要な場合は、真鍮シャフトを導入できます。

精密シャフトの機械加工と製造プロセス

シャフトの製造には通常、鍛造、押出、または圧延を行って細長い金属ストックを作成し、その後、CNC 旋削、CNC フライス加工、精密研削などの精密 CNC 加工プロセスを行って、最終的な機能と寸法を実現します。

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鍛造 :金属を加熱し、圧縮力を加えることでシャフトの基本形状が作成され、シャフトが優れた粒子構造を持ち、最大の強度が得られます

CNC 加工 :基本シャフトは、他の方法でフライス加工、旋削、または機械加工されて (以下のセクションを参照)、フィーチャーを作成します。たとえば、CNC 旋盤を使用してチャック内でシャフトを回転させ、一点切削ツールで材料を除去することにより、段付きシャフトを作成できます。

仕上げ :シャフトを調整して正確な公差を実現するには研削などのプロセスが使用され、シャフトの表面仕上げを調整するには研磨などの方法が使用されます。

熱処理 :シャフトの耐久性を向上させるために、硬化、焼き戻し、その他のプロセスが導入される場合があります。

CNC 旋削

CNC 旋盤または旋盤は、シャフトの製造中にさまざまな方法で使用されます。たとえば、荒削りと仕上げ旋削、段付きシャフトの作成、テーパー シャフトを製造するためのテーパー旋削、ねじ切り、溝の作成、突切りなどです。

CNC フライス加工

CNC フライスシャフトには、シャフトにフィーチャーを作成するか、その形状を調整することが含まれます。 CNC ミルは、キー付きシャフトのキー溝とスロットの機械加工、スプライン付きシャフトへの縦溝の切削、平面と輪郭の機械加工に使用されます。

CNC 研削

シャフト CNC 研削は通常、シャフトにフィーチャを作成するためではなく、微細な表面仕上げと厳しい公差を実現するために使用されます。研削は、熱処理によって生じた歪みを修正するためにも使用できます。

長軸加工:課題と高度な技術

多くのシャフトは比較的短くて硬いですが、長いシャフトの機械加工にはエンジニアリングと製造のさらなる課題が生じます。長いシャフトは通常、長さ対直径 (L/D) 比が高く、加工中にたわみ、振動、寸法が不安定になりやすくなります。機械加工用語では、10:1 ～ 20:1 の L/D 比は困難とみなされますが、30:1 を超えるもの (細いリード スクリューや製紙工場のローラーなど) は「超長」シャフトとして分類されます。

長いシャフトは一般的に次の用途に使用されます。

• 船舶推進システム
• 石油およびガス機器
• 工業用ローラー
• 電力伝送システム
• 航空宇宙コンポーネント

長いシャフトの加工における主な課題

たわみと曲がり

細い形状のため、長いシャフトは切削力を受けると曲がる可能性があります。工具圧力が小さい場合でも、測定可能なたわみが発生し、真円度や寸法精度に影響を与える可能性があります。

振動とチャタリング

L/D 比が高いと、旋削や研削時の振動の影響を受けやすくなります。びびりは表面仕上げに損傷を与え、工具寿命を縮める可能性があります。

熱膨張

加工サイクルが長くなると、熱の蓄積によって膨張が生じ、公差の偏差が生じる可能性があります。

真直度の維持

シャフト全長にわたって真直度を達成し、維持することは、特に正確な回転バランスが必要な用途において非常に重要です。

長いシャフトの加工に使用される技術

これらの課題に対処するために、メーカーはいくつかの特殊な技術を使用しています。

固定休符とそれに続く休符

CNC 旋盤は振れ止めまたはフォローレストを使用して旋削中にシャフトをサポートし、たわみや振動を最小限に抑えます。

心押台のサポート

中心間でシャフトを支えることで剛性が向上し、同心度が維持されます。

最適化された切削パラメータ

低い切削抵抗、適切な送り速度、鋭利な工具により、曲げ力が軽減されます。

複数ステップの荒加工と仕上げ

応力を最小限に抑えるために粗加工が段階的に実行され、その後、厳しい公差を達成するために精密仕上げが行われます。

真直性を高めるための精密研削

熱処理後、長いシャフトは多くの場合、歪みを修正し、厳しい真直度と真円度の公差を達成するために円筒研削を受けます。

ダイナミック バランシング

高速アプリケーションの場合、スムーズな回転を確保し、使用中の振動を軽減するために、長いシャフトの動的バランスが必要になる場合があります。

長いシャフトの材料に関する考慮事項

長いシャフトの加工では、材料の選択が特に重要です。合金鋼は、強度と耐疲労性が高いため、一般的に使用されます。重量が重要な用途では、アルミニウムまたはチタンを選択できますが、スチールに比べて剛性が低いため、追加の剛性対策が必要になる場合があります。

高度な治具、最適化された加工戦略、CMM 測定や真直度テストなどの精密検査方法を組み合わせることで、メーカーは、アライメント、バランス、耐久性に関する厳しい産業要件を満たす長いシャフトを製造できます。

ワークフロー例:段付きシャフトの CNC 回転

段付きまたは肩付きシャフトは、CNC 旋盤または旋盤が単純な棒材からどのようなものを作成できるかを示す良い例です。

このプロセスは、ステップ付きシャフトの長さ、直径、ショルダーの位置、フィレット、面取り、公差を定義する設計から始まります。 (通常、この設計は顧客が提供し、残りは 3ERP が処理します。) 次に、CAD モデルは CNC マシンの CAM ツールパスに変換されます。

選択した棒材の直径は最大直径またはショルダーよりわずかに大きい必要があり、材料の選択は最終用途に適している必要があります。 (必要に応じて、3ERP が材料の選択を支援します。) これらの決定が行われると、選択された金属棒が CNC ターニング センターのチャックまたはコレットにクランプされます。

端面のフェーシングが実行され、次に最初に最大直径、次に小さな直径の荒旋削が実行されます。次に、仕上げパスでシャフトを指定の形状に近づけ、きれいなショルダーを形成します。面取りとフィレットは、指定された場所にカットされます。

その後、シャフトが切り離され、必要なさらなる表面仕上げが行われ、CMM で適合性がチェックされます。完成したシャフトは顧客に届けられます。

製造のための設計 (DF) M) シャフトに関するヒント

機械式シャフトの設計では、DfM 原則に準拠する必要があります。これにより、シャフトが大きな力に耐え、接続コンポーネントとスムーズに相互作用するように設計されています。以下は、シャフトに関する基本的な DfM のヒントです。

• 最初に荷重とレイアウトを定義する :ギア、プーリー、ベアリングなどの回転部品を CAD 図面上に配置し、シャフトが耐えなければならない力とトルクに従ってシャフトの形状を構築します。
• 直径は力に任せます :シャフトとその上で押す力と引く力をスケッチし、ベアリングが何を担っているのかを把握し、直径を選択する前にシャフトが最も曲がる場所とねじれの量を確認します。
• 剛性と強度を考慮した設計 :特に重要な部分でのたわみやねじれ、最大応力を制限します。
• L/D 比 (細さ) に注目 :長くて細いシャフトはたわみが大きくなり、振動する可能性があるため、必要に応じてより大きな直径を使用するか、サポートを追加します。
• 応力集中を最小限に抑える :急な段差や深い溝を避けてください。代わりに、特にキー付きシャフトなどのパーツでは、フィレットとスムーズなトランジションを使用してください。
• ドン 精度を過剰に指定しないでください: 厳密な「正確なサイズ」制限を要求するのは、部品がぴったりと適合する必要がある場合（ベアリングやシールなど）のみです。コストを削減し、製造を容易にするために、他の部分では許容差を緩めることを許可します。
• トレードオフを考慮してマテリアルを選択する ：炭素鋼＝低コスト、合金鋼＝強度・疲労性、ステンレス＝耐食性、アルミニウム＝軽量。熱処理により強度は向上しますが、コストと歪みのリスクが増加します。

カスタム シャフト プロジェクトで 3ERP と提携する理由

金属試作および製造事業に 15 年以上携わってきた 3ERP は、シャフトの設計と製造において高いレベルの専門知識を持っています。当社と提携するメリットには、+/- 0.01 mm の公差、多軸 CNC 機能、部品の品質を保証する正確な CMM 検査、プロトタイピングから生産までの迅速な対応が含まれます。

次のシャフト加工プロジェクトについては、3ERP に見積もりをリクエストしてください。

よくある質問

シャフト加工とは何ですか?

シャフト加工は、旋削、フライス加工、研削、穴あけなどの CNC 技術を使用して、精密な回転シャフトを作成するプロセスです (通常は、別のプロセスで基本シャフトが形成された後)。

シャフト加工にはどの CNC 機械が使用されますか?

ほとんどのシャフトでは、丸いフィーチャーには CNC 旋盤が使用され、次にキー溝、フラット、穴などのフィーチャーには CNC ミルまたはミルターン センターが使用されます。

シャフトの厳しい公差はどのようにして達成されますか?

仕上げ旋削、精密研削、管理された治具、マイクロメーターまたは CMM による検査により、厳しい公差が実現されます。

一般的な機械加工されたシャフトの材質は何ですか ?

一般的なシャフトの金属には、強度、耐摩耗性、耐食性を考慮して選ばれた炭素鋼 (特に軟鋼)、合金鋼、ステンレス鋼、アルミニウムが含まれます。