フェースフライスとショルダーフライスの比較ショルダーミル加工プロファイルミル加工早送りフライス加工：包括的な比較とツールガイド

はじめに

フライス加工は金属加工の要であり、航空宇宙、自動車、金型製造などの産業において精密な部品の製造を可能にしている。この記事では、一般的な4つのフライス加工技術を比較する。フェースフライス, ショルダーフライス, プロファイル加工そして 早送りフライス-その特徴、用途、加工パラメータ、適切な工具に焦点を当てる。具体的なパラメータと市場で入手可能な工具を探求することで、本ガイドは、プロフェッショナルがそれぞれのニーズに最適なフライス加工を選択できるよう支援することを目的としています。

フライス加工

定義と原則

フェイスミル加工 多歯のフェースミルを使い、カッターの回転軸をワークに対して垂直にし、平らな面を作る。大きな平滑面を高い能率で加工するのに適している。

技術的特徴

• 切断方向:被削材表面に垂直で、主にZ軸に沿った切削力。
• 加工効率:大径・多歯カッターによる高い材料除去率(MRR)。
• 表面品質:低表面粗さ（Ra 0.8～3.2μm）を実現し、中仕上げおよび仕上げ加工に最適。
• 工具の種類:大径フェースミル ミリングインサート.

代表的な加工パラメータ

注:パラメータは、直径50mm、歯数4～6枚、湿式切削条件を想定しています。

共通ツール

• 刃先交換式インサート:
  • サンドビック・コロマント:R245-12T3（45°リードアングル、鋼鉄および鋳鉄に汎用）。
  • ケナメタル:SEKN1203AFTN (角型インサート, ステンレス鋼用).
  • マパル: エスピーケーエヌ1204EDR（ワイパーエッジ付き、アルミニウムの表面仕上げに優れています。）
• 超硬ソリッド/ソリッド工具:
  • ケナメタル:KSSM 45°フェースミル(APKT1604チップ対応、荒加工に最適)
  • トルマック:38mmシェルミル（経済的で、鉄やアルミに適している）。
• ツールの特徴:均等な切削力のための多歯設計で、高送り速度に対応（fz 0.08-0.3 mm/z）。

アプリケーション

• 鋳物や鍛造品（工作機械のベッドなど）の表面平坦化。
• 風力タービンのベースや船舶部品の大きな平面。
• 高い平坦度と表面仕上げを必要とする部品。

メリットとデメリット

• メリット:高効率、優れた表面品質、大量生産に適しています。
• デメリット:複雑な形状への適応性に限界がある。

肩のフライス加工

定義と原則

肩のフライス加工 は、エンドミルやサイド・アンド・フェース・カッターを使用して垂直壁や水平ベースを加工し、直角または直角に近い形状を高精度で形成します。

技術的特徴

• 切断方向:多軸（X、Y、Z）、直角形状に適しています。
• 加工精度:直角フィーチャーの厳しい公差（±0.01mm）。
• 工具剛性要件:切断力が大きいため高い。
• 工具の種類:スクエアショルダエンドミルまたは刃先交換式フライスカッター。

代表的な加工パラメータ

注:パラメータは、直径20mm、歯数4、乾式または最小潤滑量（MQL）のカッタを想定しています。

共通ツール

• 刃先交換式インサート:
  • サンドビック・コロマント:R390-11T308（90°リードアングル、スチールおよびステンレススチールに最適）。
  • ケナメタル: エーピーケーティー11T308（アルミニウムとスチールに汎用）。
  • インガソール:LNMT110408（工具鋼用高強度）。
• 超硬ソリッドエンドミル:
  • ケナメタル:HARVI I TE（4-6枚刃、ステンレスとチタン用の高性能）。
  • マパル:OptiMill-Shoulder (3-5枚刃, 鋼と鋳鉄に最適).
• ツールの特徴切削角度は90°で、切削幅は0.2～2mmと小さく、高精度加工に適しています。

アプリケーション

• 直角の特徴を持つ金型キャビティ。
• 機械部品の溝、段差、側壁。
• 精密な直角構造を必要とするギアボックスのハウジング。

メリットとデメリット

• メリット:高精度で、複雑な直角形状に適しています。
• デメリット:切削抵抗が高く、工具摩耗が早い。

プロファイル加工

定義と原則

プロファイル加工 複雑な3Dサーフェスやプロファイルに最適です。正確なツールパスはCNCプログラミングに依存します。

技術的特徴

• カッティング・パス:複雑で、正確なCNCプログラムのためのCAMソフトウェアを必要とする。
• 加工精度:高い幾何学精度（±0.005 mm）、複雑な表面に適しています。
• 加工効率:複雑な経路のため低く、少量生産に最適。
• 工具の種類:ボールノーズまたはラジアスエンドミル、刃先交換式丸駒チップ。

代表的な加工パラメータ

注:パラメータは、2-4フルート、湿式切削、高精度CNCと10ミリメートルボールノーズカッタを想定しています。

共通ツール

• 刃先交換式インサート:
  • サンドビック・コロマント:RCMT10T3MO（円形チップ、曲面の粗加工に最適）。
  • ケナメタル:RDMT1204MO（スチール、チタンに対応。）
  • マパル:RDMX1003（航空宇宙材料用高精度）。
• 超硬ソリッドエンドミル:
  • ケナメタル:HARVI III ボールノーズ（2-4フルート、チタンと複合材に最適）。
  • サンドビック・コロマント:コロミルプラボールノーズ（金型表面用高精度）。
• ツールの特徴:円形またはボール状の切れ刃が切削力を低減し、多軸加工に適しています。

アプリケーション

• 航空宇宙部品（タービンブレードなど）。
• 複雑な金型キャビティと曲面。
• 医療用インプラント（整形外科用部品など）。

メリットとデメリット

• メリット:複雑な3次元形状に対する高い柔軟性、優れた精度。
• デメリット:複雑なプログラミング、効率の低下、高い工具と機械要件。

早送りフライス

定義と原則

高速送りフライス加工 (高送りフライス加工とも呼ばれる）は、高い送り速度と浅い切り込み深さを使用して、材料の除去量を最大化するもので、硬い材料の荒加工に最適です。

技術的特徴

• 切削パラメータ:高送り速度(Vf 4000-12000 mm/min)、浅い深さ(ap <1 mm)。
• 加工効率:非常に高い MRR (>100 cm³/分)、大量の荒加工に適しています。
• 工具寿命:低い切削抵抗と最適化された熱分布により、切削時間を延長。
• 工具の種類:専用チップ形状の高送りフライスカッター。

代表的な加工パラメータ

注:パラメータは、直径25mm、4枚歯、ドライまたはMQL、高出力スピンドルを想定しています。

共通ツール

• 刃先交換式インサート:
  • サンドビック・コロマント:HNGX06（リード角が小さく、高送りに最適。）
  • ケナメタル:SDMT1204 (工具鋼用).
  • インガソール:HNGJ0905（チタン用低切削力）。
• 超硬ソリッドエンドミル:
  • ケナメタル:ミル4-11ハイフィード（4枚刃、鋼とステンレス鋼に適しています。）
  • マパル:OptiMill-HighFeed (3-5枚刃、硬質材料に最適)。
• ツールの特徴:リード角が小さく（10～15°）、切り屑を薄くする効果があり、高送り（fz 0.4～1.5mm/z）に対応。

アプリケーション

• 工具鋼やチタン合金の粗加工。
• 自動車金型や航空宇宙構造物における迅速な材料除去。
• 仕上げ加工前の荒加工を高効率で行う。

メリットとデメリット

• メリット:優れた効率性、長い工具寿命、硬い材料に最適。
• デメリット:表面品質が悪い（Ra 6.3～12.5μm）ため、その後の仕上げが必要。

比較分析

技術パラメーター

加工効率

• 材料除去率:100cm³/分以上の高速送りのフライス加工がトップで、次いでフェースフライス加工が続き、ショルダーフライス加工とプロファイルフライス加工はその下となる。
• 処理時間:早送りフライス加工が最も速く、プロファイルフライス加工が最も遅い。

表面品質と精度

• 表面粗さ:フェイスミル加工が最適（Ra 0.8～3.2μm）、次にショルダーミル加工、プロファイルミル加工は様々、早送りミル加工は最も悪い。
• 精密:プロファイルとショルダーのフライス加工は最高レベル、フェースフライス加工は中程度、荒加工用の早送りフライス加工。

素材と形状の適合性

• 材料:
  • フェースフライス加工：アルミニウム、スチール、鋳鉄
  • ショルダーフライス：鋼, ステンレス鋼, 工具鋼.
  • プロファイル加工：チタン、複合材料、ステンレス鋼
  • 高速送りフライス加工：工具鋼、チタン、鋳鉄
• ジオメトリー:
  • フェースフライス大型平面
  • ショルダーフライス：直角フィーチャー、スロット
  • プロファイル加工：複雑な輪郭、3Dサーフェス
  • 早送りフライス加工：あらゆる形状の粗加工

コストと必要機材

• 工具費用:早送りチップは高価だが長持ちする。プロファイル・フライス工具は摩耗が早く、フェース・フライスやショルダー・フライスは控えめである。
• 設備:輪郭フライス加工には高精度のCNCが必要で、早送りフライス加工には高出力のスピンドルが必要です。

ツール選択ガイド

• インサート:コストパフォーマンスに優れ、刃先交換式で大量生産に最適。
• 超硬ソリッドエンドミル:高精度で、仕上げ加工で一般的な小径や複雑な形状に適しています。
• 考察:
  • 500～1000分の加工ごとに、チップの摩耗を点検してください。
  • ソリッドエンドミルには剛性の高いツールホルダーを使用し、振動を最小限に抑えます。
  • 材質に応じてコーティングを選択する（高温合金にはTiAlN、鋼鉄にはTiCNなど）。

選考ガイドライン

• 大きな平面:R245-12T3やKSSMフェースミルのような工具で、フェースフライス加工（Vc 150-600 m/min、ap 2-6 mm）を行うと、効率と表面品質が向上する。
• 右アングルの特徴:R390-11T308チップまたはHARVI I TEエンドミルを使用したショルダーミル（fz 0.05-0.2mm/z、ap 2-10mm）を選択すると、精度が向上します。
• 複雑な輪郭:RCMT10T3MOチップまたはCoroMill Pluraボールノーズミルによるプロファイル加工（Vc 40-300 m/min、ae 0.05-0.5 mm）を柔軟に選択できます。
• 高効率ラフィング:HNGX06チップを使用した早送りミーリング（Vf 4000-12000mm/min、ap 0.2-1mm）、または高硬度材用のMill 4-11ハイフィードミルを選択できます。

ケーススタディ

• ケース1:大型金型平面を加工する自動車金型工場では、R245-12T3チップを使用した正面フライス加工（Vc 200m/min、fz 0.15mm/z、ap 4mm）を行い、高能率と平坦度を実現した。
• ケース2:タービンブレードの輪郭を加工する航空宇宙施設では、HARVI IIIボールノーズミルを使用したプロファイルミル加工（Vc 60 m/min、fz 0.05 mm/z、ae 0.1 mm）が採用され、高い精度が確保された。
• ケース3:工具鋼の金型荒加工では、HNGX06チップを使用した早送りフライス加工（Vf 8000 mm/min、ap 0.5mm）が行われ、仕上げ加工ではR390-11T308を使用したショルダーフライス加工が行われた。

結論

フェースミル加工は効率と面品位に優れた平面加工を、ショルダーミル加工は直角形状の精密加工を、プロファイルミル加工は複雑な輪郭加工に柔軟性を、そして早送りミル加工は荒加工効率を最大化します。工具の選択は、刃先交換式チップ（R245-12T3、HNGX06など）であれ、超硬ソリッドエンドミル（HARVI III、Mill 4-11など）であれ、被削材、形状、加工機の能力に合わせて行う必要があります。加工パラメータを最適化することで、性能とコスト効率が向上します。インテリジェント加工技術やハイブリッド加工技術の進歩に伴い、これらの加工技術は進化を続け、より高い精度と生産性の要求に応えていくでしょう。

参考文献

• サンドビック・コロマント(2023). フライス技術ハンドブック.
• ケナメタル(2023). 超硬ソリッドエンドミルカタログ.
• マパル。(2023). NeoMill フライス加工プログラム.
• ISO 13399：切削工具データの表現と交換
• サンドビックコロマントの粉砕知識