UGに基づくポンプ本体部品の5軸プログラミングおよび加工技術

航空宇宙、自動車、医療機器などのハイエンド製造業の急速な発展に伴い、複雑かつ精密な部品の機械加工に対する需要は着実に増加している。

業界背景と5軸CNC加工の役割

このような背景のもと、5軸CNC加工技術は、多軸補間機能と、複雑な表面加工を1回の段取りで完了できる能力のおかげで、高精度かつ高効率な製造を実現するための重要な技術として徐々に台頭してきた。

これは、深い空洞、不規則な表面、高精度な穴パターンなどを持つ複雑な部品を扱う場合に特に当てはまります。

複数の段取りを必要とする従来の3軸加工方法は、位置決め誤差を増加させるだけでなく、現代の製造業が求める精度と効率という二つの要求を満たすのに苦労する。

• ポンプハウジング部品の構造的複雑性

流体システムの主要構成要素であるポンプ本体は、複雑な構造統合、深い空洞、交差する多方向の穴パターンに加え、曲率が変化する表面や不規則なブレードスロットなどの複雑な特徴を備えているため、加工の難易度が著しく高くなります。

図1に示す特定のポンプハウジングモデルを例にとると、それは下部ハウジング、渦巻きケーシング、および上部カバーの3つの部分から構成されています。

下部ハウジングは複雑な構造をしており、対称加工のために多軸回転位置決めが必要であり、また、5軸同時加工を必要とする6つの非円形ブレードスロットが含まれているため、工具刃長に厳しい要件が課せられる。

さらに、深穴加工や5軸固定角度穴あけ加工が必要となり、極めて高い加工精度が求められ、リーマ加工も必要となります。上部カバーは薄肉の透かし彫り構造で、多数の曲面と複雑な空間角度を有しており、表面品質と幾何学的精度（例えば、φ(73±0.025) mm、平行度0.015、表面粗さRa 0.8 μmなど）に厳しい要求が課せられます。

さらに、使用されている材料は6061アルミニウム合金であり、軽量で加工しやすい反面、変形しやすい性質があるため、クランプ工程において大きな課題となる。

• 既存の研究における限界と技術的課題

現在、研究者たちは5軸で一定の成果を上げている。 CNC機械加工プロセス 計画、ツールパスの最適化、治具設計は行われているものの、ポンプ本体一体型多機能複合部品に関する体系的なプロセス研究は依然として不十分である。

特に、マルチプロセス遷移、プログラミング戦略の最適化、シミュレーション検証といった分野には、大幅な改善の余地がある。

• 研究目的とイノベーション

本論文では、UGソフトウェアプラットフォームをベースとし、ポンプ本体部品を研究対象として、部品構造解析、工程計画、プログラミング実装、シミュレーション最適化から実際の加工に至るまでの全工程を網羅する包括的なソリューションに焦点を当て、5軸CNC加工工程の解析およびプログラミング手法について体系的に研究を行った。

この研究は、ツールパスの最適化、座標系の設定、切削パラメータの設定、治具の設計といった主要な技術的側面を網羅しており、複雑な構造部品の5軸加工における変形、クランプの困難さ、低精度といった問題に対処することを目的としている。

本論文の革新点は以下のとおりです。第一に、複数の特徴を持つ部品に対して効率的なツールパス計画を実現するために、構造的特徴認識に基づく5軸加工プロセス計画手法を提案したこと。第二に、5軸プログラミングワークフローを最適化するためにUG CAMモジュールを統合し、プログラミング効率と加工精度を向上させたこと。第三に、シミュレーションと実際の加工検証を通じて、再現性と拡張性に優れた5軸加工プロセスソリューションを開発したこと。

本研究の成果は、同様の複雑な部品のCNC加工に関する理論的裏付けと実践的な指針を提供し、ハイエンド製造業における5軸CNC技術の応用促進に重要な実践的意義を持つ。

ポンプハウジング構成部品の構造と技術要件の分析

• 底部ハウジングの構造特性

ポンプハウジングの底部シェルは、上部カバーとウォームギアの組み立てに使用されます。

図1(b)に示すように、組み立て時に高い位置決め精度が求められ、複雑な幾何学的形状を特徴としています。

複数の領域において、5軸回転位置決めによる対称加工が必要であり、高い寸法精度が不可欠である。

不規則な形状の刃溝が6つあり、これらは5軸同時加工を必要とするため、切削工具の刃先長さに特別な要件が課せられる。

空洞部における深穴加工が2件、5軸固定角度深穴加工が4件あります。

これらの穴は高い精度が求められるため、リーマ加工が必要です。

したがって、下部ハウジングの特性を分析した結果、このプロセスには高精度加工装置と、柔軟で適応性の高い5軸ツールパスが必要となる。

そのため、このプロセスでは、下部ハウジングを機械A（デュアルタレット式5軸加工センター）で両側からそれぞれ2つの別々の工程に分けて加工するようにスケジュールする。

• トップカバーの構造的特徴と加工上の課題

図1（a）に示すポンプハウジングカバー部分は、インペラを固定し、吸込口のバランスを取るために使用されます。

この部品は、高い動的バランス要件、複雑で精度が求められる表面、複数の表面、不規則な穴、深い空洞（深さ18.2mm）、薄い壁（最小壁厚2.1mm）、円形遷移部（R4/R6）、複数のC0.5面取りなどの可変断面形状を含む複雑な構造を備えているため、多軸同時加工が必要です。

幾何学的精度と位置精度に関する要求は厳しく、寸法公差は通常±0.05mm以内に管理され、表面粗さはRa0.8μm以下であることが求められる。

アルミニウム合金を使用すると、放熱性が悪く、強度が低く、変形しやすいという欠点があり、機械加工が困難になる。

• プロセス最適化の要件と研究の焦点

従来のクランプおよび位置決め方法では加工要件を満たすことができず、加工効率の低下や、荒加工、仕上げ加工、検査など複数の工程や作業ステーション間での調整が必要となる複雑な加工経路につながる。

したがって、加工工程の調査と最適化、クランプおよび位置決め方法の改善、加工効率の向上と品質確保のためのプログラミングパラメータの最適化は、これらの問題を解決するために不可欠かつ重要である。

図1に示すウォームギアは、組立部品としてのみ使用される機械加工された標準部品であり、本稿ではその加工工程分析は含まない。

ポンプハウジング加工の工程計画

ポンプハウジングは3つの部品と標準ベアリングで構成されています。

プロセス分析と最適化は以下のとおりです。

（１）ウォームギアは組立部品としてのみ使用される標準部品であり、既に量産されている。

（２）ポンプ本体下部ハウジングは、図２（ａ）に示すように主要構成部品である。

高精度な主設備Aは、生産スケジューリングを処理する。

まず、5軸CNC加工によってポンプ本体の底面を仕上げる。

次に、部品を分解して再配置し、前面に5軸CNC加工を施す。

部品は組み立てられたままの状態であり、上部カバーの内面を機械加工した後、生産が再開される。

（３）機械Bは、図２（b）に示すように、エンドカバーの内面を加工する。

（４）内部加工が完了した後、上部カバーを取り外し、M６ボルトを使用して機械Aのポンプ本体に組み立てます。

再センタリングは発生しません。上部カバーの外部加工をすべて完了するには、高さデータを設定するだけで済みます。

（５）上部カバーの外部加工の90％が完了したら、M5ネジでポンプ本体に固定し、M6ボルトを取り外して残りの10％の加工を完了します。

図2(c)に示すように、上部カバーの加工全体は約20分で完了し、生産効率が大幅に向上します。

ポンプハウジングの加工順序計画

• 底部ハウジングの機械加工プロセス

底部ハウジング部品の原材料は、90mm×90mm×60mmのアルミニウム合金ブロックである。加工には、Linakシステム搭載のデュアルターンテーブル式5軸マシニングセンタである機械Aが選定された。

まず、ハウジング底面に60mm×60mmの正方形のプラットフォームを加工し、八角形の外周、皿穴、およびマーキングも加工します。

空洞部への深穴加工を2回、5軸固定角度深穴加工を4回実施する。

次に、鋭利なエッジのリーマ加工と面取りを行います。その後、部品を取り外し、反転させて、60mm×60mmの正方形のプラットフォーム位置に固定します。底面を中央に配置して位置合わせを行い、ワークピース座標系の原点を底面に設定します。

図3に示すように、この工程では底部シェル前面の形状の機械加工が完了し、6つのブレードスロットとM4ネジに重点が置かれます。

• 上部カバー内部加工

上部カバー部分の原材料は、75mm×75mm×25mmのアルミニウム合金ブロックである。

機械Bとして、デュアルタレット式5軸加工センターが選定された。

D12フラットボトムエンドミルは、固定輪郭フライス加工と深さ輪郭フライス加工を用いて、上部の内側および外側の輪郭の荒加工を行います。次に、D6フラットボトムエンドミルは、深さ輪郭フライス加工と底面壁フライス加工パスを用いて、底面と壁の仕上げ加工を行います。

4.2 mmドリルビットでM5パイロット穴を開け、M5タップでねじ山を切り、D6面取りカッターで全ての鋭利なエッジをC0.5に面取りし、最後にR3ボールエンドミルでエンドキャップの内側の曲面を仕上げます。上部カバー内部の加工時間は合計約15分で、加工結果を図4に示します。

工程完了後、部品を分解して装置Aに取り付け、M6ボルトを使用してポンプ本体に固定する。

このプロセスではセンタリングは不要です。組み立て後の全体の高さを測定し、それを座標系に入力して補正を行います。

ワークピースの底面にワークピース座標系が既に定義されており、プログラミング座標系と一致しているため、図5に示すように次の加工ステップに進むことができます。

• 組み立て後のトップカバーの外部加工

組み立てと位置決めが終わったら、D12フラットボトムエンドミルを選択し、固定輪郭フライス加工と深さ輪郭フライス加工を使用して、トップカバーの外表面を荒加工します。

プログラミングを行う際は、M6ボルトを避け、底面の加工を完了させてください。M5ねじ穴の面取りには、D6面取りカッターを使用してください。

次に、D10R1 丸端エンドミルを使用してエンドキャップの外側の曲面を仕上げ、次に D6 平底エンドミルを使用して固定輪郭フライス加工で 6 つの通常角度の不規則な穴を荒削りおよび仕上げ、次に M5 ネジを取り付けてトップカバーをポンプ本体に固定し、M6 ボルトを取り外し、M6 ボルト部分を荒削りおよび仕上げます。

ツールパスをプログラミングする際は、ツールの切り替え処理に注意してください。最後に、φ8穴の位置を面取りして、トップカバーのすべての加工工程を完了します。

UGベースの5軸ツールパス計画およびプログラミング技術

• 底部シェル部品の背面加工

（１）D12フラットエンドミルによる深溝加工の荒削り戦略

荒削りにはD12フラットボトムエンドミルを使用します。「キャビティミーリング」ツールパスを選択し、切削深さを51mmに設定し、「輪郭追従」切削モードを選択し、ステップサイズを工具長の60%に設定し、最大切削距離を3mmに設定します。

（２）多角度面取りの輪郭フライス加工および５軸輪郭仕上げ

次に、「アウトラインミーリング」ツールパスを選択し、「壁」を指定して、-1 mm の補助底面を自動的に生成します。駆動方法として「輪郭ミーリング」を選択し、ツール軸として「自動」を選択して、ツールパスの回転とコピーを使用して、他の 4 つの 45° 面取りの固定軸加工を完了し、ツールパスをコピーして選択を「壁」に変更し、0 mm の補助底面を自動的に生成して、34° 面取りの 5 軸輪郭仕上げを完了します。

（３）深穴加工

5軸ドリル加工のツールパスを選択し、フィーチャ形状を指定して4つの45°角度の穴を選択し、5.5mmのドリルビットを選択し、ツールパスループを「深穴切り屑破砕」モードに設定して、4つの5軸固定角度深穴加工を実行します。

次に、2つの空洞の深穴加工とリーミング加工を完了します。

（４）底面仕上げ戦略

図6に示すように、「底面フライス加工」ツールパスを選択します。

切削領域の底面を指定し、工具軸を「第一面に垂直」に設定し、切削領域の空間範囲として「底面」を選択し、切削モードとして「輪郭に沿って」を選択します。

ツールパスのコピー、変換、およびパラメータ調整を使用して、部品のその他の底面の仕上げを完了します。

（５）外形仕上げおよびエッジ処理

図7に示すように、「深輪郭フライス加工」ツールパスを選択します。「部品側面許容値」と「部品底面許容値」のパラメータを調整します。

加工対象の表面に応じて、工具軸に異なる「ベクトル」を割り当てる。

ツールパスのコピーと変換、パラメータ調整、その他の操作によって、部品の外形仕上げを完了します。

最後に、鋭利な角を面取りします。

• 底部ハウジング部品の前面加工

（１）D12フラットエンドミルによる深溝加工の荒削り戦略

図8に示すように、φ68ブレードスロットの周囲に面取り加工を行います。R3ボールエンドミルをロードし、「固定輪郭フライス加工」ツールパスを選択し、駆動方式を「エリアフライス加工」に設定し、非急傾斜切削モードとして「輪郭追従」を選択し、ツールパス方向を「内向き」、切削方向を「シーケンシャル」、ステップサイズを「一定」に設定し、最大距離を0.1mmに設定するなど、その他のパラメータ設定を行います。

（２）図９に示すように、ブレードスロットの壁面の加工を完了します。工具としてカスタムボールエンドミルを選択します。5軸「輪郭フライス加工」ツールパスを選択します。

パラメータ設定で、壁を指定し、ブレードスロットの壁を選択し、駆動方法として「輪郭フライス加工」を選択し、工具軸として「自動」を選択し、その他のパラメータを設定します。

切削以外の動作パラメータを必ず設定してください。送りタイプを「直線」に設定し、早送り距離を工具径の200%に設定してください。

部品の安全距離を3mmに設定し、安全設定で「エンベロープ」を選択し、安全距離を3に設定します。

ツールパスシミュレーションを使用して、ツールの安全な経路を確認し、衝突を回避してください。

• 上部カバーの機械加工

（１）上部カバーの内部粗加工

上部カバーの内側を粗加工する場合は、「固定輪郭フライス加工」を選択してください。

駆動方法として「曲面領域」を選択し、切削モードとして「らせん状」を選択し、パス数を50に設定します。

表面オフセットのために0.2mmの余裕を持たせてください。ツール軸を投影ベクトルとして選択し、アプローチタイプとして半径50%の円弧（ツール軸に平行）を選択してください。

加工面から1mm上の位置にアプローチ位置を設定し、上から下への螺旋状の加工経路を使用します。

図10に示すように、このツールはスムーズに動作し、加工効率も高い。

（２）変形制御と面取り戦略

上部カバーが外部加工中に変形しないようにし、その構造的完全性を維持するため、この工程では、通常の方向を向いた6つの不規則な穴の内部加工は行わない。

ただし、0.5mmの面取りを施す必要があります。5軸可変輪郭フライス加工を選択してください。

駆動方式については「表面積」を選択し、工具位置については「接線」を選択し、切削モードについては「一方向」を選択し、ステップ数については「0」を選択し、投影ベクトルについては「工具軸」を選択します。

工具軸を「駆動本体に対する相対位置」に設定し、すくい角を0°、側面角を-45°に設定します。

切削動作以外の動作パラメータについては、アプローチタイプを「プランジ」、アプローチ位置を「距離」、高さを工具長の200%に設定してください。

「共通安全設定」オプションで「球体」を選択し、図11に示すように先端半径を40に設定します。

（３）ポンプ本体に上部カバーを取り付けます。

座標系の高さを設定した後、D12フラットボトムエンドミルを選択し、固定輪郭ミーリングツールパスを選択して、サーフェス曲線駆動方式を使用します。

切断モードを「ヘリカル」に設定し、0.2mmの材料残量を残し、パス数を50に設定します。

投影ベクトルとして「ツール軸」を選択し、図12に示すように、下から上への螺旋状の経路を使用して荒加工を行い、エンドキャップシェルから余分な材料を除去します。

（４）多機能穴加工（荒加工および仕上げ加工）

非円形の穴6個を荒削りする。D6フラットボトムエンドミルを使用する。

「5軸可変輪郭フライス加工パス」を選択し、駆動方法として「表面積」を選択し、内部パラメータ「表面オフセット」を0.2 mmに設定し、駆動設定で切削モードとして「ヘリカル」を選択し、パス数を8に設定します。ツール軸として「サイドエッジ駆動ボディ」を選択し、サイドエッジ方向が外側であることを確認し、線種として「グリッドまたはトリム」を選択し、サイド傾斜角を0°に設定します。

ツールパスパラメータを設定した後、ツールパス変換を使用して「ポイントを中心に回転」を選択し、図13に示すように、ツールパスを360°間隔で6回コピーして、残りの非円形穴の荒加工を完了します。

（５）６つの通常角度スロット仕上げのための送り速度最適化戦略

図14に、6つの通常角度スロットの仕上げを示します。

D6フラットボトムエンドミルを選択し、荒削りツールパスをコピーしてパラメータを変更します。

引き続き「5軸可変輪郭ツールパス」を使用し、駆動方法として「表面積」を選択し、内部パラメータ「表面オフセット」を0.2mmに設定し、駆動設定を切削モードの「ヘリカル」に設定し、ステップ数を0に設定します。その他の設定は変更しません。

しかし、「送り速度」と「送り速度」のパラメータは最適化できる。

「その他」オプションで、「送り速度」を切削速度の50%に、「初回切削速度」を切削速度の20%に調整してください。

これにより、送り速度によって生じる衝撃力が大幅に低減され、エンドキャップワークピースの変形の可能性が最小限に抑えられます。

同様に、ツールパスのパラメータを設定した後、ツールパス変換機能を使用して「ポイントを中心に回転」を選択し、ツールパスを360°間隔で6回コピーして、他の非円形穴の仕上げを完了します。

（６）最終表面仕上げおよび完成

D10R1ラウンドノーズエンドミルを選択し、固定輪郭ツールパスを使用してエンドキャップの外側の曲面を仕上げます。

加工経路はM6ボルトを避けるように設定する必要があります。加工が完了したら、M6ボルトを取り外し、M6ボルトがあった部分の荒削りと仕上げ加工を行います。

ツールパスをプログラミングする際は、ツールの切り替え処理、曲面領域の切削方向の選択、および駆動方法に注意してください。最後に、φ8穴の位置を面取りします。

図15に示すように、エンドキャップ部品はすべての機械加工工程を完了しました。

結論

本論文では、ポンプハウジング部品の5軸加工における課題を体系的に検討し、プロセス分析と設計、治具位置決め戦略、ツールパス計画、プログラミング技術に関する研究を行い、以下の主要な成果を達成した。

（１）工程およびクランプの最適化による精度保証

5軸加工技術は、クランプ工程の回数を削減することで、加工方法とクランプ方法の両面から精度を確保します。

組み立てとデバッグを通じて統一座標系を確立し、プログラミング基準点をワークピースの座標系に合わせ、繰り返し発生する位置決め誤差を排除し（位置決め精度≤0.01mm）、位置精度を確保します（幾何公差および位置公差≤0.02mm）。

このアプローチは、座標変換エラーがツールパス精度に与える影響を発生源で最小限に抑え、「単一クランプ、多方向加工」という効率的なプロセスロジックを確立します。

（２）プログラミング戦略の最適化と効率改善

UG 12.0ソフトウェアをベースに、複雑な曲面加工における典型的なツールパスをモジュール化されたパッケージにカプセル化し、ツールパス変換（回転、ミラーリング）によって再利用することで、類似部品のプログラミングサイクルを40%以上短縮します。

革新的な「3+2」方向加工後処理設定と5軸同時仕上げ加工戦略を組み合わせることで、ポンプハウジングカバーの加工時間を35分（従来プロセスと比較して35%短縮）に最適化し、加工効率とコストの二重最適化を実現しながら、精度を確保しました。

（３）高度なツールパス設計と加工安定性の向上

ツールパス設計における技術革新：固定輪郭フライス加工や5軸可変輪郭フライス加工などのツールパスタイプを柔軟に活用する。

工具軸の柔軟な制御パラメータを調整して最適化し（工具軸ベクトルの連続変動誤差≤0.5°）、さらに工具傾斜角制御（干渉を避けるため5°～15°の範囲内）を組み合わせることで、深い空洞、透かし彫り、薄肉形状の加工における課題を克服しました。

アルミニウム合金部品の表面粗さはRa 0.8μm以下であり、薄肉部の変形は0.05mm以下である。

さらに、層状材料均質化（各層の材料許容量を0.1mm以下）、コーナー部での送り速度低減（30%低減）、および局所的な主軸回転速度のマッチング（曲線コーナー部での主軸回転速度を20%低減）を実施することにより、切削安定性と表面品質をさらに向上させました。

本論文では、「プロセス－プログラミング－ツールパス」の体系的な最適化を通じて、複雑なポンプハウジング部品の5軸加工のための包括的な技術ワークフローを確立し、多機能加工におけるボトルネックを克服し、類似部品に再利用可能なソリューションを提供する。

本論文は、手動による介入と経験的なパラメータ設計に依存する現在のツールパス最適化の限界に対処するため、デジタルツイン仮想検証とAIアルゴリズム駆動型自動最適化へのアップグレードの方向性を示し、スマートマニュファクチャリングの文脈におけるCNC加工のインテリジェントな開発のための実践的な指針を提供する。