カスタムCNCシャフトの製造プロセス

丁寧に加工されたカスタムシャフトは、精密なCNC（コンピューター数値制御）による製造作業の表れです。一見単純な円筒形に見えますが、シャフトは、エンジン、トランスミッション、ドライブシャフト、アクスル、ディファレンシャルで構成される自動車のパワートレインなどの複雑な機構の主要コンポーネントの 1 つです。それらはすべて、動力とトルクをホイールに伝達するために適切に設計されたシャフトを必要とします。ほぼすべての内燃車では、ドライブシャフトはエンジンと車軸の間の橋渡しの役割を果たしながら、車両全体の重量にも耐える必要があります。ディファレンシャルに関しては、コーナリング中に一部のホイールが異なる速度で回転できるように、そのシャフトが動力の供給を管理する必要があります。

CNC シャフトの製造プロセスでは、その複雑な機能を考慮して、綿密な計画と正確なプログラミングが最も重要です。初期のデザインコンセプトから表面仕上げに至るまで、ワークフローのすべてのステップでは、細部への徹底的な注意が必要です。

カスタムシャフト製造ワークフロー

CNC旋削加工 おそらくカスタム シャフトを製造する最も一般的な方法ですが、CNC 研削やより高度な EDM (放電加工) などの代替プロセスを使用することもできます。ただし、どのような方法であっても、目標は同じです。それは、あらかじめ決められた仕様に従って、最も効率的な方法で専用のカスタム シャフトを製造することです。どのメソッドも、多かれ少なかれ同じ基本的なワークフローに従います。

デザイン

CNC シャフトの製造プロセスは、仕様、製品の用途、動作条件、および社内レビュー チームまたは独立したサードパーティ組織 (必要な場合) による承認の要件を理解することから始まります。関係者全員による合意が形成されると、ワークフローの最初のステップは設計とプログラミングを中心に展開します。

機械工は、長さと直径を含む寸法と、選択する材料を決定する必要があります。設計ステップの一環として、エンジニアリング チームは仕様を記録して検証します。顧客が技術図面を提供しない場合、製造業者は作成するカスタム シャフトの CAD (コンピューター支援設計) ファイルを作成する必要があります。プロジェクトの要件によっては、設計者とエンジニアが協力して、コンピューター上で強度テストと故障解析のシミュレーションを実行する必要がある場合があります。

すべてが検証および承認されたら、次のステップでは、CAM (コンピューター支援製造) ソフトウェアを使用して CNC マシンのツール パスを生成します。パスは基本的に、CNC の動作方法を制御する機械可読な命令です。このような命令は、機械にデカルト座標系 (X、Y、Z 軸) 内での移動方法を指示する幾何学コードで構成されており、回転速度、移動順序、開始点、送り速度、停止点、角度、待機などが含まれる場合があります。機械工はコードを CNC コントローラーにロードします。

CNC マシンのセットアップ

ツールパスの生成とは別に、メーカーは機械自体を適切にセットアップする必要もあります。適切な種類の機械 (旋盤やフライス盤、切削工具など) を準備することより重要なことはほとんどありません。ワークピース (シャフトに変換される材料) は、適切な固定具にしっかりと固定される必要があります。メーカーが新しい切削工具を使用しない限り、機械工はすべての切削工具が可能な限り鋭利であるか、少なくともワークピースの形状を整えるのに十分な鋭さであることを確認する必要があります。

機械加工

CNC 旋削は、カスタム シャフト製造の標準オプションです。機械工または自動プロセスのいずれかが、ワークピースが機械に固定されていることを確認します。ワークピースが高速で回転すると、所望の形状が得られるまで、切削工具がワークピースから材料の設定部分を減算/除去します。さまざまな特殊な切削工具が連続して使用され、さまざまな点や角度からワークピースと接触します。

シャフト製造における CNC 旋削の最大の利点は、円筒部品の加工時の効率と精度が高いことです。そして、ほぼすべてのカスタム シャフトは、すでに円筒形の金属棒から作られています。 CNC 旋盤は実際に円筒形状のあらゆるワークピースを処理できるように設計されているため、連続的な精密切断は自然に簡単になります。正確なツールパスと正しい切削工具があれば、機械は 1 回のセッションで少なくともほぼ完全なカスタム シャフトを製造できます。品質を確保するには、切断プロセス全体を通じて常に監視する必要があります。

仕上げ

陽極酸化、不動態化、ビードブラストなどのいくつかの仕上げ方法 (カスタム シャフト用) が利用可能です。表面仕上げの主な目的は外観を改善することですが、同時に粗いエッジを滑らかにし、切断プロセスで残った材料を除去することで機能性も高めます。これらとは別に、仕上げでは、製造されたシャフトが要求された寸法に正確であることを最小ミリ単位で確認するための最終チェックも行われます。

CNCシャフトの製造方法

通常、推奨される方法は CNC 旋削ですが、メーカーが自由に使える唯一のオプションではありません。実際、複雑なデザインのカスタム シャフトは、高品質の表面仕上げと厳しい公差を実現するために、いくつかの異なるプロセスを使用して製造される可能性があります。最も一般的なシャフトの製造方法には次のようなものがあります。

CNC旋削加工

ワークの形状が円筒であれば、 CNC旋削加工 理想的なサブトラクティブ製造技術です。プロセス中、固体のワークピースのバーがチャックに固定され、高速で回転しながら、専用の切削工具がワークピースから不要な材料を正確に除去します。高速回転により、円筒状ワークの全周にわたって均一なカットが行われます。 CNC 旋削加工は、指定された直径と滑らかな仕上げを一度に実現する効率的な機械です。大量生産にも最適なオプションです。

CNC研削

CNC 旋削ではワークピースからかなりの量の材料を切削しますが、CNC 研削では砥石車を利用して材料を除去します。それ以外は、どちらの方法でも基本的なプロセスは本質的に同じです。品質の面でも同様に信頼できますが、生産速度の点では研削が少し遅れています。ほとんどの場合、CNC 研削は、すでに機械加工されたシャフトの表面仕上げ作業に使用されます。

CNC穴あけ加工

一部のシャフトは単なる円筒形の金属棒ではなく、歯車やその他の回転部品に取り付けることができるように穴と溝が付いています。 掘削 さまざまな深さと幅の溝を作成して、さまざまな寸法のギアにも対応します。溝の角度、形状、位置に応じて、加工されたシャフトまたは穴あけ工具のいずれかが回転したり移動したりする場合があります。

CNCフライス加工

機械加工されたシャフトの特定の位置にキー溝、スプライン、または平面が必要な場合、 CNCフライス加工 フィーチャーを作成するための頼りになるオプションです。切削/フライス加工ツールは高速で回転し、シャフトから材料を除去して目的の形状を作成します。プロセス中、シャフトは静止したままになるか、位置を調整するためにわずかに動いたり傾いたりすることがあります。

放電加工

EDM には切断、穴あけ、フライス加工のツールはありません。システム内では、ワークピースはプラス端子 (陽極) に固定されて接続され、「成形」ツールは陰極に配線されています。それらを互いに近づけると、生成された電流によって火花が発生します。火花によって発生する極度の熱により、ワークピースの材料が溶けて蒸発する可能性があります。 EDM は、機械加工されたシャフトに複雑な小さな切断が必要な場合に最もよく使用されます。

種類や用途に応じて、カスタムシャフトは2つ以上の加工方法を使用して製造される場合があります。冶金分析により、特定の材料にどの方法が最適であるかを判断できます。

カスタムシャフトの一般的な種類と用途

カスタム製造の背後にある主なアイデアは、さまざまな特定の目的に合わせてさまざまなタイプのシャフトをすべて製造することです。最も一般的なタイプとその用途は次のとおりです。

中空シャフト

名前が示すように、中空シャフトは本質的に円筒形のチューブで、空気、水、油、ワイヤー、その他のコンポーネント/物体の通過を可能にします。中心に空洞があるため、同じ直径と長さの固体の同等品と比較して軽量です。一般的な用途には、医療機器、コンベヤ システム、配管システム、ポンプなどがあります。高強度の材料で製造されている場合、中空シャフトは軽量化を図るために高性能車や航空機のコンポーネントの構築に使用される可能性があります。

スプラインシャフト

スプラインシャフトの特徴の 1 つは、長手方向の溝または長さに沿ったカットが特徴であることです。溝はギア、プーリー、またはその他の対応するコンポーネントに適合し、頑丈な接続を形成し、回転運動のスムーズな伝達を保証します。このようなアセンブリは、自動車のギアカップリングやトランスミッションなど、正確な位置決めが必要な用途で観察されます。

ねじ付きシャフト

一部のシャフトでは、ボルトやネジなどの他の機械部品との強力な接続を形成するために、雄ねじまたは雌ねじが必要です。ねじ付きシャフトは、複数の部品の簡単かつ安全な取り付けと取り外しが必要な用途に使用されます。

テーパーシャフト

自動車のプーリー システム、ホイール ハブ、ギアで最も一般的に見られるテーパー シャフトは、長さに沿って直径が徐々に小さくなるのが特徴です。一方の端ともう一方の端の直径の差により、シャフトによって架けられた機構の接続点のサイズが異なる場合でも、確実に取り付けることができます。

キー付きシャフト

キー付きシャフトの溝は他のコンポーネントのキー (または歯) に対応し、シャフトが位置からずれたり、単独で回転したりするのを防ぎます。通常、スプロケット、ギア、プーリーを備えた機構に見られます。キー付きシャフトは、ポンプやモーターなど、高トルク機構のコンポーネント間のしっかりとした接続を維持する必要がある用途によく使用されます。

CNCシャフト材質

CNC シャフト製造に最も一般的な材料はアルミニウムとステンレス鋼と思われますが、特定の目的には他の金属や合金も使用できます。

チタン

過酷な用途に使用される精密シャフトに最適な材料です。チタンシャフトは、その優れた耐食性と卓越した強度重量比のおかげで、高性能車や航空宇宙産業で最も頻繁に使用されています。

ステンレス鋼

おそらく CNC シャフト製造に最も広く使用されている材料であるステンレス鋼は、優れた耐食性、耐久性、強度を備えた万能で信頼性の高い金属です。この材料には、化学処理や医療機器から自動車分野や海洋環境に至るまで、幅広い用途向けに設計されたさまざまなグレードと品質があります。

炭素鋼

1045 グレードの炭素鋼は例示的な材料です。効率的な加工に十分な柔らかさを持ちながら、硬度を高めるための熱処理にも耐えることができます。炭素鋼はステンレス鋼ほど耐食性はないかもしれませんが、それでもモーターシャフトやポンプシャフトとしては優れた材料となります。

アルミニウム

アルミニウムは軽量で耐食性の高い金属であり、比較的柔らかいため、機械加工が容易です。意図した用途にとって軽量化が重要な場合、理想的なシャフト素材です。

合金鋼

まず最初に、合金鋼と合金鋼は2つの異なるものです。合金鋼の組成には、クロム、ニッケル、タングステン、バナジウム、マンガンなどの合金元素が約 5% 含まれています。耐食性と機械加工性が不可欠な場合、4340 または 4140 合金鋼よりも優れた材料はほとんどありません。

ニッケル合金

優れた耐食性と顕著な強度を備えたニッケル合金は、高温用途や頑丈なタービンで使用される精密シャフトに適した材料です。

シャフトの最終的な性能は、重量、耐食性、引張強度を含む少なくとも 3 つの異なる要素によって大きく影響されます。硬度も要因となりますが、ほとんどの金属は一般にあらゆる用途に十分な硬度を持っていますが、一部の金属は他の金属よりも展性や機械加工がしやすいものもあります。チタンや炭素鋼は、軽量化や強度・耐久性の点でアルミニウムやステンレス鋼に比べて優れていますが、高価でもあります。

エンドノート

CNC シャフトの製造には、初期の設計コンセプトから表面仕上げ、品質管理に至る一連の細部重視のプロセスが含まれます。したがって、プロジェクトの要件、作業条件、完成したシャフトの用途を最初によく理解することが最善です。これらは最終的に材料の選択、加工方法、完成品の全体的な品質に影響するからです。各素材には独自の長所と短所があり、どの加工方法にも長所と短所があることに留意してください。したがって、一般的な経験則は、品質と予算のバランスを適切に保つことです。