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ブローチ加工は、ブローチと呼ばれる歯付き工具を使用して材料を除去する機械加工プロセスです。ブローチ加工には、直線ブローチ加工と回転ブローチ加工の2種類があります。より一般的なプロセスである直線ブローチ加工では、ブローチを工作物の表面に直線的に当てて切削します。直線ブローチは、ブローチ加工機（ブローチと略されることもあります）で使用されます。回転ブローチ加工では、ブローチを回転させながら工作物に押し付けて軸対称形状を切削します。回転ブローチは、旋盤またはねじ切り盤で使用されます。どちらのプロセスでも、切削はブローチの1回のパスで行われるため、非常に効率的です。
ブローチ加工は、特に特殊な形状の精密加工が必要な場合に使用されます。一般的に加工される表面には、円形および非円形の穴、スプライン、キー溝、平面などがあります。典型的な加工対象物には、小型から中型の鋳造品、鍛造品、ねじ切り加工部品、プレス加工品などがあります。ブローチは高価な場合もありますが、大量生産を行う場合は、通常、他の加工方法よりもブローチ加工が好まれます。[ 1 ]
ブローチは鋸に似た形状をしていますが、刃の高さが工具の長さに沿って増加します。さらに、ブローチには荒削り用、中仕上げ用、仕上げ用の 3 つの明確なセクションがあります。ブローチ加工は、送り機構が工具に組み込まれているため、特殊な機械加工プロセスです。加工面の形状は常にブローチの形状の逆になります。歯当たりの上昇量 (RPT)、または歯当たりのステップまたは送り量とも呼ばれる値は、除去される材料の量と切りくずのサイズを決定します。ブローチは工作物に対して移動することも、その逆も可能です。すべての機能がブローチに組み込まれているため、複雑な動作や熟練した作業員は必要ありません。[ 2 ]ブローチは、実際には、 1 つずつ順番に並べられた単刃切削工具の集合体であり、その切削はシェーパーの複数回のパスに似ています。
ブローチ加工の概念は1850年代初頭に遡り、最初の用途はプーリーや歯車のキー溝の切削に使用されました。第一次世界大戦後、ブローチ加工は銃身のライフリング加工に使用されました。1920年代と30年代には、形状研削盤とブローチ盤の進歩により、公差が厳しくなり、コストが削減されました。[ 3 ]
加工方法は、行うブローチ加工の種類によって異なります。表面ブローチ加工は非常に簡単で、ワークピースを固定された表面ブローチに押し当てるか、ワークピースを固定した状態でブローチをワークピースに押し当てるかのいずれかです。
内径ブローチ加工はより複雑です。まず、ワークをワークホルダーと呼ばれる特殊な保持治具に固定し、それをブローチ盤に取り付けます。ブローチ盤の昇降機（ブローチをワークホルダーの上に移動させる機械の部分）がブローチをワークを通して下降させます。ブローチがワークを通過すると、ブローチ盤のプーラー（基本的にはフック）がブローチのパイロットをつかみます。昇降機はフォロワーの上部を解放し、プーラーがブローチをワークから完全に引き抜きます。その後、ワークは機械から取り外され、ブローチは昇降機に再びかみ合うように持ち上げられます。[ 4 ]ブローチは通常直線的にしか移動しませんが、螺旋状のスプラインや銃身のライフリングを作成するために回転することもあります。[ 5 ]
切削油は、次の3つの理由で使用されます。
強化石油系切削油が最も一般的である。しかし、優れた冷却性、清浄性、不燃性のため、高機能水溶性切削油が使用されている。[ 6 ]
ブローチ加工はもともと、内部キー溝の加工用に開発されました。しかし、ブローチ加工は大量生産されるワークピースの他の面や形状の加工にも非常に有用であることがすぐに発見されました。各ブローチは1つの形状のみを切削するように特化しているため、ブローチをワークピースの形状に合わせて特別に設計するか、ワークピースを標準ブローチ形状に合わせて設計する必要があります。ブローチの製造には15,000ドルから30,000ドルの費用がかかるため、特注ブローチは通常、大量生産されるワークピースでのみ実現可能です。[ 7 ]
ブローチ加工の速度は毎分20～120表面フィート（SFPM）の範囲で変化します。これにより、完全なサイクル時間は5～30秒になります。時間の大部分は、戻りストローク、ブローチの取り扱い、ワークピースのロードとアンロードに費やされます。[ 8 ]
ブローチ加工の唯一の制限は、加工対象面の長さにわたって障害物がないこと、切削対象の形状が複数の平面で曲線を持たないこと、[ 9 ]および工作物が関係する力に耐えられるだけの強度があることです。特に内径ブローチ加工の場合、ブローチが入るように工作物に穴が開いている必要があります。[ 10 ]また、内径切削のサイズにも制限があります。一般的な内径穴は直径0.125～6インチ（3.2～152.4 mm）ですが、 0.05～13インチ（1.3～330.2 mm）の範囲も可能です。表面ブローチの範囲は通常0.075～10インチ（1.9～254.0 mm）ですが、実現可能な範囲は0.02～20インチ（0.51～508.00 mm）です。[ 11 ]
公差は通常±0.002 インチ（±0.05 mm）ですが、精密な用途では±0.0005 インチ（±0.01 mm）の公差を維持できます。表面仕上げは通常16～63マイクロインチ（μin）です が、8～125μinの範囲になることもあります 。[ 11 ]切断出口側に小さなバリが発生する場合があります。 [ 8 ]
ブローチ加工は、真鍮、青銅、銅合金、アルミニウム、グラファイト、硬質ゴム、木材、複合材、プラスチックなどの軟質材料に最適です。ただし、軟鋼や快削鋼でも良好な被削性があります。ブローチ加工では、被削性は材料の硬度と密接に関係しています。鋼の場合、理想的な硬度範囲はロックウェルC硬度16～24 （HRC）です。HRC 35を超える硬度では、ブローチがすぐに鈍くなります。ステンレス鋼やチタンなどの硬い材料ではブローチ加工はより困難ですが、それでも可能です。[ 12 ] [ 9 ] [ 13 ]
ブローチはさまざまな方法で分類できます: [ 5 ]
ブローチが十分に大きい場合は、組み立て式またはモジュール式構造を使用することでコストを削減できます。これは、ブローチを部品ごとに製造し、組み立てることを意味します。いずれかの部分が摩耗した場合は、ブローチ全体ではなく、その部分だけを交換すればよいのです。[ 14 ]
ほとんどのブローチは高速度鋼（HSS）または合金鋼で作られており、HSSには寿命を延ばすために窒化チタン（TiN）コーティングが一般的です。鋳鉄のブローチ加工の場合を除き、タングステンカーバイドは最初のパスで切削刃が割れるため、歯材としてほとんど使用されません。[ 14 ]
スラブブローチは最も単純な表面ブローチです。平らな面を切削するための汎用工具です。[ 9 ]
スロットブローチ（GおよびH）は、さまざまな寸法のスロットを高い生産速度で切削するためのものです。複数のスロットを加工する必要がある場合、スロットブローチ加工はフライス加工よりもはるかに高速です。これは、同じブローチ加工機で複数のブローチを同時に部品に通すことができるためです。[ 9 ]
輪郭ブローチは、凹面、凸面、カム、輪郭、および不規則な形状の表面を切削するように設計されています。[ 9 ]
ポットブローチは、内径ブローチとは逆の切削方法で、円筒形のワークピースの外径を切削します。ブローチが取り付けられるポットのような形状の治具にちなんで名付けられ、その治具はしばしば「ポット」と呼ばれます。ポットは、全長にわたって複数のブローチ工具を同心円状に保持するように設計されています。ワークピースがブローチ内を押し引きされる間、ブローチは固定されます。[ 15 ]これは、一部のインボリュート歯車や外側スプラインおよびスロットの切削において、ホブ加工に取って代わりました。 [ 9 ]
ストラドルブローチは、2つのスラブブローチを使用して、ワークピースの反対側の平行面を1回のパスで切削します。このタイプのブローチ加工は、2つの切削を独立して行う場合よりも厳しい公差を維持できます。[ 9 ]ブローチがワークピースの複数の側面を「またぐ」ことから、この名前が付けられました。[ 15 ]
ソリッドブローチは最も一般的なタイプで、1つの材料から作られています。摩耗が早いブローチにはシェルブローチが使用されます。これらのブローチはソリッドブローチに似ていますが、アーバーに取り付けるための中央に穴が開いています。シェルブローチは初期費用は高くなりますが、パイロットがマンドレルに付いているため、交換のたびに複製する必要がなく、ブローチを頻繁に交換する必要がある場合は全体的なコストを節約できます。[ 14 ]
モジュラーブローチは、大きな内径ブローチ加工によく使用されます。シェルブローチと同様に、複数の部品で構成されています。この設計は、製造と再研磨が安価で、ソリッド設計よりも柔軟性があるため使用されています。[ 14 ]
一般的な内径ブローチの種類はキー溝ブローチ（C & D）です。ブローチを支え、ブローチに対する部品の位置を正確に定めるために、ホーンと呼ばれる特殊な治具を使用します。 [ 9 ]
同心度ブローチは、小径とスプライン形状の両方を切削して正確な同心度を確保する特殊なタイプのスプライン切削ブローチです。 [ 9 ]
カットアンドリカットブローチは、薄肉ワークピースの切削に使用されます。薄肉ワークピースは、切削中に膨張し、その後収縮する傾向があります。このブローチは、まず標準的な荒削り刃でブローチ加工を行い、次にワークピースが収縮する際のガイドとして機能する「ブリージング」セクションを設けることで、その問題を克服します。「ブリージング」セクションの後の刃には、荒削り刃、中仕上げ刃、仕上げ刃が含まれます。[ 16 ]
ブローチの形状を定義するための内部形状を以下に示します。他のブローチの形状も同様であることに注意してください。
どこ：
ブローチの最も重要な特性は、歯当たりのライズ (RPT) であり、これは各歯で除去される材料の量です。RPT は、荒削りセクション ( t r )、中仕上げセクション ( t s )、仕上げセクション ( t f ) の各セクションごとに異なります。荒削り歯が材料の大部分を除去するため、必要な荒削り歯の数によってブローチの長さが決まります。[ 17 ]中仕上げ歯は表面仕上げを行い、仕上げ歯は最終仕上げを行います。仕上げセクションの RPT (t f ) は通常ゼロなので、最初の仕上げ歯が摩耗すると、後の仕上げ歯がサイジング機能を継続します。快削鋼の場合、RPT は0.006 ～ 0.001インチ (0.152 ～ 0.025 mm)の範囲です。表面ブローチ加工の場合、RPT は通常0.003 ～ 0.006インチ (0.076 ～ 0.152 mm)であり、直径ブローチ加工の場合は通常0.0012 ～ 0.0025インチ (0.030 ～ 0.064 mm)です。正確な値は多くの要因に依存します。切削が大きすぎると、歯と工作物に過度の応力がかかります。切削が小さすぎると、歯が切削する代わりに擦れてしまいます。応力を抑えながら RPT を増やす方法の 1 つは、チップ ブレーカーを使用することです。チップ ブレーカーは、切りくずを分割し、各歯によって除去される材料の総量を減らすように設計された歯の切り欠きです (上の図を参照)。[ 5 ]ブローチ加工を効果的に行うには、工作物には切削の最終寸法よりも0.020 ～ 0.025インチ (0.51 ～ 0.64 mm)多い材料が必要です。[ 8 ]
フック（α ）角は、切削される材料のパラメータです。鋼の場合は15～20°、鋳鉄の場合は6～8°です。バックオフ（γ）は、刃が工作物に擦れないようにするためのクリアランスで、通常は1～3°です。[ 5 ]
鍛造品や鋳造品など、刃ごとに深い切削が必要なワークピースをラジアルブローチ加工する場合、ローターカットまたはジャンプカット設計を使用できます。これらのブローチは、フリーエグレスまたはニブリングブローチとも呼ばれます。[ 9 ]この設計では、RPT は 2 列または 3 列の歯に指定されます。ブローチが機能するためには、そのクラスターの最初の歯に広いノッチまたはアンダーカットがあり、次に、次の歯に小さなノッチ (3 歯設計の場合) があり、最後の歯にはノッチがありません。これにより、応力、力、および動力要件を低く抑えながら、深い切削が可能になります。[ 5 ]
平面をブローチ加工する際に同じ目的を達成するには、2つの異なる方法があります。1つ目は、ローターカット設計に似ており、ダブルカット設計として知られています。この方法では、4つの歯が一列に並び、同じRPTを持ちますが、歯のノッチにより、各プログレッシブ歯は切削の一部のみを切削します（下の画像ギャラリーを参照）。もう1つの方法はプログレッシブブローチとして知られており、ワークピースの中心を完全に加工した後、ブローチの残りの部分がそこから外側に向かって加工されます。これらの設計はすべて、標準設計を使用する場合よりも長いブローチを必要とします。[ 5 ]
一部の円形ブローチでは、仕上げ歯の代わりに研磨歯が設けられています。これらは実際には歯ではなく、 0.001～0.003インチ（0.025～0.076 mm）オーバーサイズの丸いディスクです。これにより、穴が適切なサイズに研磨されます。これは主に非鉄金属や鋳鉄のワークピースに使用されます。[ 8 ]
ピッチは、ワークピースと接触する歯の構造、強度、および歯の数を決定します。ピッチは通常、ワークピースの長さから計算されるため、ブローチは常に少なくとも 2 つの歯がワークピースと接触するように設計できます。ピッチはブローチのすべての歯で一定です。ピッチを計算する 1 つの方法は次のとおりです。[ 17 ]
ブローチ盤は、ブローチを所定の速度で直線運動させ、ブローチを自動的に扱う手段を提供するだけでよいため、比較的単純です。ほとんどの機械は油圧式ですが、一部の特殊な機械は機械駆動です。機械は、水平方向の動きか垂直方向の動きかによって区別されます。機械の選択は、主に必要なストロークによって決まります。垂直ブローチ盤のストロークは、60インチ (1.5 m)を超えることはほとんどありません。[ 18 ]
垂直ブローチ盤は、プッシュブローチ、プルダウンブローチ、プルアップブローチ、または表面ブローチ用に設計できます。プッシュブローチ盤は、ガイド付きラムを備えたアーバープレスに似ています。一般的な容量は5～50トンです。2ラムプルダウン式ブローチ盤は、最も一般的なタイプのブローチ盤です。このタイプの機械は、テーブルの下にラムがあります。プルアップ式機械は、テーブルの上にラムがあり、通常は複数のラムを備えています。[ 19 ]表面ブローチのほとんどは、垂直機械で行われます。[ 9 ]
横型ブローチ盤は、プルブローチ加工、表面ブローチ加工、連続ブローチ加工、回転ブローチ加工用に設計されています。プル型機械は基本的に、ストロークが長い横置きの垂直機械です。表面型機械は、ブローチを固定したまま、ワークピースをコンベアシステムに取り付けられた治具に固定します。連続型機械は、表面型機械と似ていますが、内面ブローチ加工用に改良されています。[ 19 ]
かつては横型機械の方が縦型機械よりもはるかに一般的でしたが、今日では購入されるブローチ盤全体のわずか10%を占めるにすぎません。縦型機械の方が人気があるのは、場所を取らないためです。[ 9 ]
ブローチ加工は、最新のマシニングセンターや駆動旋盤と併用できるシステムでない限り、専用のブローチ加工機やキー溝加工機がないと不可能な場合が多い。これらの追加機器があれば、キー溝、スプライン、トルクスをワンヒット加工で製造できる可能性が開ける。[ 20 ]
ブローチの不規則な穴や外形を実現できる、やや異なる設計の切削工具は、ロータリーブローチまたはウォブルブローチと呼ばれます。このタイプのブローチ加工の最大の利点の1つは、ブローチ加工機を必要とせず、旋盤、フライス盤、[ 21 ]ねじ盤、またはスイス型旋盤で使用されることです。[ 22 ]
回転ブローチ加工には、ツールホルダとブローチという 2 つの工具部品が必要です。ブローチの先端 (切削) エッジは、目的の最終形状に一致する輪郭を持っています。ブローチは、自由に回転できる特殊なツールホルダに取り付けられます。ツールホルダが特殊なのは、ツールの回転軸がワークの回転軸に対してわずかに傾くようにツールを保持するためです。このずれの典型的な値は 1° です。この角度によって、ブローチがワークピースを切削するための回転エッジが生成されます。ワークピースまたはツールホルダのいずれかが回転します。ツールホルダが回転すると、ずれによってブローチが「ぐらついている」ように見え、これが「ウォブルブローチ」という用語の由来となっています。[ 22 ]
内径ブローチ加工では、ブローチの側面を内側に絞り込んで薄くします。外径ブローチ加工では、側面を外側に絞り込んでポケットを大きくします。この絞りによってブローチが詰まるのを防ぎます。絞りはミスアライメントの角度よりも大きくする必要があります。工作物が回転する場合、ブローチは工作物に押し付けられ、工作物によって駆動され、工作物と同期して回転します。ツールホルダが回転する場合、ブローチは工作物に押し付けられますが、ツールホルダによって駆動されます。[ 22 ]
理想的には、工具は切削速度と同じ速度で前進します。理想的な切削速度は次のように定義されます。[ 23 ]
切削速度が速すぎると工具が詰まってしまい、逆に遅すぎると断続切削やジグザグ切削が発生します。実際には、切削速度は理想的な速度よりもわずかに遅く設定され、工具の非切削刃にかかる負荷が軽減されます。
切削時に工具が螺旋状に回転するため、ワークピース下部の形状が、穴またはプロファイル上部の形状に対して回転する可能性があります。螺旋状の回転は、工具本体を拘束し、鋭利な切削を妨げるため、好ましくありません。この問題を解決するには、切削途中で回転方向を反転させ、工具を逆方向に螺旋状に回転させる方法があります。機械の回転方向を反転させることが現実的でない場合は、切削を中断するという方法も考えられます。
一般的に、回転ブローチはプッシュブローチやプルブローチほど精密な切削はできません。しかし、このタイプの切削工具を一般的な工作機械で使用できることは非常に大きな利点です。さらに、プッシュブローチやプルブローチは止まり穴には使用できませんが、回転ブローチは穴の底に切りくずを排出する十分なスペースがあれば使用できます。
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