大型で薄肉のシェル部品は、加工中に反りや変形が発生しやすい傾向があります。この記事では、大型で薄肉の部品を加工したヒートシンクケースを例に、通常の加工工程における問題点について考察します。さらに、最適化されたプロセスと治具ソリューションもご提供します。それでは早速始めましょう！
このケースはAL6061-T6材で作られたシェル部分です。正確な寸法は以下の通りです。
全体寸法: 455*261.5*12.5mm
サポート壁の厚さ: 2.5mm
ヒートシンクの厚さ: 1.5mm
ヒートシンク間隔: 4.5mm
さまざまなプロセスルートにおける実践と課題
CNC加工において、これらの薄肉シェル構造は、反りや変形など、様々な問題を引き起こすことがよくあります。これらの問題を克服するために、複数の加工ルートオプションをご用意しております。しかしながら、各加工プロセスには依然として特有の問題が存在します。詳細は以下の通りです。
プロセスルート1
工程1では、まずワークの裏面（内側）を加工し、くり抜いた部分を石膏で埋めていきます。次に、裏面を基準として、接着剤と両面テープを使って基準面を固定し、表面を加工していきます。
しかし、この方法にはいくつかの問題があります。裏面の空洞充填面積が大きいため、接着剤や両面テープではワークピースを十分に固定できません。その結果、ワークピースの中央部分が反り、加工時に材料が過剰に除去されます（オーバーカットと呼ばれます）。さらに、ワークピースの安定性の欠如は加工効率の低下や表面の刃先模様の不良にもつながります。
プロセスルート2
工程2では、加工の順序を変えます。まずは裏面（放熱面）から加工を始め、空洞部分を石膏で埋め戻します。次に、表面を基準に、接着剤と両面テープを使って基準面を固定し、裏面の加工を行います。
しかし、この工程の問題点は工程1と同様ですが、問題が裏面（内側）に移っています。裏面の空洞埋め戻し面積が大きい場合、接着剤や両面テープではワークピースの安定性が悪く、反りが生じてしまいます。
プロセスルート3
工程3では、工程1または工程2の加工シーケンスを使用することを検討します。次に、2番目の締結工程で、プレスプレートを使用して、ワークの周囲を押し下げて保持します。
しかし、製品面積が大きいため、プラテンは外周部分しかカバーできず、ワークピースの中央部分を完全に固定することができませんでした。
一方で、この加工方法では、ワークピースの中心部に反りや変形が残り、中心部の切削過多につながります。また、この加工方法は、薄肉CNCシェル部品の強度を過度に高めてしまいます。
プロセスルート4
工程4では、まず裏面（内側）を加工し、加工した裏面を真空チャックで取り付けて表面を加工します。
しかし、薄肉シェル部品の場合、ワークの裏面には凹凸構造があり、真空吸着を行う際にはこれらを避ける必要があります。しかし、これにより新たな問題が発生します。避けられた領域、特に最大プロファイルの円周上の四隅の領域では、吸着力が失われるのです。
これらの非吸収領域は表面（この時点での加工面）に該当するため、切削工具のバウンドが発生し、工具パターンが振動する可能性があります。そのため、この方法は加工品質と表面仕上げに悪影響を及ぼす可能性があります。
最適化されたプロセスルートと治具ソリューション
上記の問題を解決するために、当社は以下の最適化されたプロセスおよび治具ソリューションを提案します。
ネジ貫通穴の事前加工
まず、加工ルートを改善しました。新しいソリューションでは、まず裏面（内側）を加工し、最終的にくり抜く予定の箇所にネジ穴を事前に加工します。これは、後続の加工工程における固定と位置決めをより適切に行うためです。
加工する領域を丸で囲む
次に、裏側（内側）の加工面を加工基準として、同時に前工程で加工したオーバーホールにネジを通して治具プレートにネジ止めし、ワークを固定します。そして、ネジ止めされた箇所を加工箇所として円で囲みます。
プラテンによる連続加工
機械加工工程では、まず加工箇所以外の部分を加工します。加工が完了したら、加工箇所に定盤を置きます（加工面の潰れを防ぐため、定盤には接着剤を塗布する必要があります）。その後、工程2で使用したネジを外し、加工箇所の加工を続行し、製品全体を仕上げます。
この最適化されたプロセスと治具ソリューションにより、薄肉CNCシェル部品をよりしっかりと保持し、反り、歪み、オーバーカットなどの問題を回避できます。固定ネジにより、治具プレートをワークピースにしっかりと固定できるため、信頼性の高い位置決めと支持が得られます。さらに、プレスプレートを使用して加工領域に圧力をかけることで、ワークピースの安定性を維持できます。
徹底分析：反りや変形を防ぐには？
大型で薄肉のシェル構造の加工を成功させるには、加工プロセスにおける具体的な問題を分析する必要があります。これらの課題を効果的に克服する方法を詳しく見ていきましょう。
内側前加工
最初の加工工程（内面加工）では、材料は高強度のソリッド材です。そのため、この工程でワークに変形や反りなどの加工異常が発生することはありません。これにより、最初のクランプ加工時の安定性と精度が確保されます。
ロックとプレス方式を使用する
2番目の工程（ヒートシンクが取り付けられる箇所の加工）では、ロックとプレスによるクランプ方式を採用しています。これにより、クランプ力が高く、支持基準面上で均一に分散されます。このクランプ方式により、製品は安定し、工程全体を通して反りが生じません。
代替ソリューション：中空構造なし
しかし、中空構造がなければネジ貫通穴を作れないという状況に遭遇することもあります。そこで、代替案をご紹介します。
裏面加工時に予め柱状の加工部を設計し、タップ加工を行います。次の加工工程では、ネジを治具の裏面に通してワークを固定し、その後、第2平面（放熱面）の加工を行います。これにより、途中でプレートを交換することなく、第2加工工程を1パスで完了できます。最後に、3回のクランプ工程を追加し、加工柱を取り外して工程を完了します。
結論として、プロセスと治具ソリューションを最適化することで、CNC加工における大型薄肉シェル部品の反りや変形の問題を効果的に解決できます。これにより、加工品質と効率が確保されるだけでなく、製品の安定性と表面品質も向上します。