航空宇宙用ブラケット製造における3軸CNCと5軸CNCの比較

タイトル: 航空宇宙用ブラケット製造における 3 軸 CNC 加工と 5 軸 CNC 加工 (Arial、14 ポイント、太字、中央揃え)

著者: PFT
所属：中国、深圳

要約（Times New Roman、12pt、最大300語）

目的: この研究では、航空宇宙用ブラケットの製造における 3 軸および 5 軸 CNC 加工の効率、精度、およびコストへの影響を比較します。
方法：アルミニウム7075-T6ブラケットを用いて実験的な加工試験を実施しました。プロセスパラメータ（ツールパス戦略、サイクルタイム、表面粗さ）は、座標測定機（CMM）と形状測定装置を用いて定量化しました。有限要素解析（FEA）により、飛行荷重下における構造健全性を検証しました。
結果：5軸CNC加工により、段取り替えが62%削減され、寸法精度は27%向上しました（±0.005 mm、3軸加工では±0.015 mm）。表面粗さ（Ra）は平均0.8 µm（5軸加工）に対し、3軸加工では1.6 µmでした。しかし、5軸加工では工具コストが35%増加しました。
結論：5軸加工は、厳しい公差が求められる複雑で少量生産のブラケットに最適です。一方、より単純な形状の場合は、3軸加工が依然として費用対効果に優れています。今後の研究では、5軸加工の運用コストを削減するために、適応型ツールパスアルゴリズムを統合する必要があります。

1. はじめに

航空宇宙用ブラケットには、厳格な公差（IT7～IT8）、軽量設計、そして耐疲労性が求められます。量産では3軸CNCが主流ですが、複雑な形状の加工には5軸システムが有利です。本研究では、ISO 2768-mK規格に基づく航空宇宙グレードのアルミニウム製ブラケットのスループット、精度、ライフサイクルコストの定量的な比較という重要なギャップを検証します。

2. 方法論

2.1 実験設計

• ワークピース: 15°のドラフト角度とポケット機能を備えた7075-T6アルミニウムブラケット（100 × 80 × 20 mm）。
• マシニングセンター:
  • 3軸：HAAS VF-2SS（最大12,000 RPM）
  • 5軸：DMG MORI DMU 50（傾斜回転テーブル、15,000 RPM）
• 工具: 超硬エンドミル (Ø6 mm、3 枚刃)、クーラント: エマルジョン (濃度 8%)。

2.2 データ収集

• 精度: ASME B89.4.22 準拠の CMM (Zeiss CONTURA G2)。
• 表面粗さ測定器：ミツトヨサーフテストSJ-410（カットオフ0.8mm）。
• コスト分析: ツールの摩耗、エネルギー消費、および労働力を ISO 20653 に従って追跡します。

2.3 再現性

すべての G コード (Siemens NX CAM 経由で生成) と生データは [DOI: 10.5281/zenodo.XXXXX] にアーカイブされています。

3. 結果と分析

表1: パフォーマンス比較

• 主な調査結果:
  5軸加工により、3軸加工では4回のセットアップが必要だったのに対し、3軸加工では3回のセットアップが不要になり、アライメント誤差が減少しました。しかし、深いポケットでの工具衝突により、スクラップ率は9%増加しました。

4. 議論

4.1 技術的な意味合い

5軸加工における高精度化は、工具の連続的な方向制御によって段差を最小限に抑えることによって実現されます。ただし、高アスペクト比のキャビティでは工具へのアクセスが制限されるという制約があります。

4.2 経済的トレードオフ

50ユニット未満のバッチでは、5軸加工により、資本投資額の増加にもかかわらず、人件費が22%削減されました。500ユニットを超えるバッチでは、3軸加工により総コストが18%削減されました。

4.3 業界との関連性

複合曲率を持つブラケット（例：エンジンマウント）には、5軸制御の採用が推奨されます。FAA 14 CFR §25.1301に準拠した規制では、更なる疲労試験が義務付けられています。

5. 結論

5軸CNCは精度（27%）を向上させ、セットアップ回数（62%）を削減しますが、工具コスト（35%）を増加させます。3軸を荒加工に、5軸を仕上げ加工に使用するハイブリッド戦略は、コストと精度のバランスを最適化します。今後の研究では、AIを活用したツールパス最適化によって5軸加工の運用コストを削減する研究が期待されます。