タップテストで加工チャッターを防止：精度の高い安定性マップの構築

タップテストの原理と目的

タップテストでは、装置付きハンマーを使用して構造体を励振し、変換器（加速度計など）で振動応答を測定します。このテストの目的は、選択した機械構造の周波数応答関数（FRF）を特定することです。FRFが得られれば、安定性マップを算出でき、チャッターを発生させる主軸回転速度と軸方向切込み深さの組み合わせ（青い境界線の上）と、発生させない組み合わせ（境界線の下）を分離できます。これにより、試行錯誤なしで安定した加工パラメータを選択可能になります（図1参照）。

図1：フライス加工安定性マップ。出典（すべての図）：Tony Schmitz

FRF測定に必要な基本ハードウェア

注目コンテンツ

• 所望の周波数範囲（または帯域幅）全体で既知の力を入力する機構
• 必要な帯域幅を持つ振動測定用変換器
• 時間領域の力と振動入力を記録し、これらを所望のFRFに変換するダイナミック信号アナライザー

ダイナミック信号アナライザーには、時間領域の力と振動信号の入力チャネルがあり、これらの信号のフーリエ変換を計算して周波数領域に変換します。次に、周波数領域の振動信号と周波数領域の力信号の比を計算し、この比がFRFとなります。セットアップの概略図を図2に示します。これには、変位（x）、速度（ẋ）、加速度（ẍ）の形を取り得る時間領域の力と振動、およびそれぞれのアンプが含まれます。アンプは信号振幅を増幅するために使用されます。力と振動は時間において連続的なアナログ信号です。しかし、アナライザーでこれらを記録するには、小さな時間間隔でサンプリング、つまりデジタル化する必要があります。このプロセスはアナログ・デジタル変換器（ADC）を使用して完了します。これらのデジタル信号は、ダイナミック信号アナライザーによるFRF計算で使用されます。振動入力の種類に基づき、FRFは以下のように表現されます：

• レセプタンスまたはコンプライアンス – 変位と力の比
• モビリティ – 速度と力の比
• アセラランスまたはイナータンス – 加速度と力の比

図2：FRF測定セットアップの概略図。

力励振の3つの一般的なタイプ

• 固定周波数正弦波 – FRFを1周波数ずつ決定。所望の帯域幅内の各周波数で正弦波力を印加し、力入力への応答を短い時間間隔で平均化し、FRFを計算。これはサインスイープテストと呼ばれます。
• ランダム信号 – ランダム信号の周波数成分は広帯域（ホワイトノイズ）または限定範囲（ピンクノイズ）の可能性があります。再び固定期間での平均化が適用されますが、選択された帯域幅内のすべての周波数が単一テストで励振されます。
• インパルス – 短時間の衝撃で構造体を励振し、対応する応答を測定。このアプローチにより、広い周波数範囲を単一の短いテストで励振可能。通常、複数のテストを周波数領域で平均化してコヒーレンス、すなわち力と振動信号の相関を改善します。

力入力ハードウェアの2つの一般的なタイプ

• シェーカー – これらのシステムには調和駆動アーマチュアとベースが含まれます。アーマチュアは磁気コイルまたは油圧によってその軸に沿って駆動されることがあります。磁気コイル（電気力学）構成では、数十kHzの励振周波数と数十〜数千ニュートンの力レベルを提供可能（力が増すと通常周波数範囲は低下）。油圧シェーカーは静的プリロードの可能性（平均力がゼロでない）を伴う高い力を提供しますが、比較的低い周波数範囲です。いずれの場合も、力はスティンガー（細長いロッドで、軸方向の引張りと圧縮を支持するが曲げやせん断は支持しない）を通じて対象構造に印加されることが多く、これにより力が単一方向のみに印加されることを保証します。ロードセルがセットアップに組み込まれ、入力力を測定します（図3参照）。
• インパクトハンマー – インパクトハンマーは、金属、プラスチック、またはゴムのチップに配置された力変換器を備え、ハンマー打撃時の力入力を測定します。ハンマーが振動変換器とともに使用される場合、測定手順はタップテストと呼ばれます。構造体へのエネルギー入力はハンマー質量の関数であり、より大きな質量はより多くのエネルギーを提供します。したがって、多くのサイズが利用可能です。また、力入力の励振帯域幅は質量とチップ剛性に依存します。より硬いチップはより広い周波数範囲を励振しやすいですが、入力エネルギーをこの広い範囲に分散させます。より柔らかいチップはエネルギーを低い周波数範囲に集中させます。硬質プラスチックと金属チップは高い剛性を提供し、ゴムチップは剛性を低減させます。

図3：シェーカーのセットアップ。

振動変換器

振動変換器には非接触型と接触型の両方があります。非接触変換器（静電容量プローブ、レーザー振動計など）は構造ダイナミクスに影響を与えないため好まれますが、接触型（加速度計など）は実装がより容易なことが多いです。妥協案として、低質量加速度計を使用してテスト構造への影響を最小限に抑えることができます。これらは、ワックス、接着剤、磁石、またはネジ込みスタッドを使用して関心のある位置に取り付け、テスト完了後に取り外します。

図4：タップテストの主要要素。

図4はタップテストの主要要素を特定しています。左下の写真は、工具先端を叩くために使用されるハンマーと、工具先端にワックスで取り付けられた加速度計（振動応答を測定）を示しています。上段は力と振動の時間応答を表示しています。タップにより短時間の力入力が生成されることがわかります。この力により、工具は減衰により振幅が減衰しながら振動します。中段はこれらの信号の周波数領域への変換を示しています。タップは広い周波数範囲を励振します。下段はFRFを表示しています。このプロットから、各振動モードの固有周波数、剛性、減衰比を特定できます。