旋盤加工中のチャタリング振動を排除する効果的な戦略

旋削加工における一般的な故障の一つは振動です。旋盤が振動すると、プロセスシステムの正常な切削プロセスが乱され破壊され、加工表面品質が深刻に悪化するだけでなく、工作機械と切削工具の寿命も短縮されます。したがって、工作機械が発生する振動を減らまたは排除するための対策を講じる必要があります。

今日は、加工プロセスにおけるワークシステムと工具台システムの変形によって引き起こされる低周波振動の原因と排除対策を主に紹介します。

01 低周波振動の主な特徴

工作機械の回転部品と伝達システムの振動を除外した後、旋削振動の主なタイプは、旋削速度に変化しない自励振動です。

低周波振動の主な特徴は：

• 振動周波数が低い（50〜300Hz）、振動時の騒音が低い
• ワーク切削面に残る跡が深く広い
• 振動が激しく、工作機械部品（心押し台、工具台など）が緩み、超硬チップが破損することが多い

02 低周波振動の原因

旋削時の低周波振動では、ワークシステムと工具台システムが通常振動します（ほとんどの場合、ワークシステムの振動が大きく主導的役割を果たします）。これらは互いに離れたり近づいたりし、等しい大きさで逆方向の力と反力を生じます。振動プロセスにおいて、ワークと工具が離れるとき、切削力Fはワーク変位と同じ方向に分離し、正の仕事をします。ワークが工具に近づくとき、接近切削力Fがする仕事は負になります。

旋削中：

• 切りくずと工具すくい面の摩擦
• 工具がワークに切り込み・離脱する際に遭遇する金属の硬化度が異なる
• 振動プロセス中に工具の実際の幾何学角度が周期的に変化する
• 振動中、工具のワークに対する相対運動軌道が楕円形になり、切削断面が周期的に変化する
• 前回転でのワーク振動が残した跡が切削断面の周期的変化を引き起こす。これら5つの条件により切削力が周期的に変化し、f_phase_distance > f_approachとなります。こうして各振動サイクルで、切削力がワーク（または工具）にする正の仕事が常に負の仕事より大きくなり、ワーク（または工具）がエネルギー補給を得て自励振動を生成します。

03 低周波振動の排除対策

(1) 低周波振動では、Y方向の振動による切削力変化がf_phase_distance > f_approachを引き起こし振動を生じます。

主に以下の5つの対策を講じます。

① 工具主切込み角（μ、R角が大きいほど）を大きくするとFY力が小さくなり、振動が発生しにくくなります。したがって、工具主切込み角を適切に増やして振動を排除または減らします。

② 工具すくい角を適切に増やすとFY力を減らし振動を減らせます。

③ 工具逃げ角が大きすぎるか刃先が鋭すぎると、工具がワークに「食い込み」やすくなり振動を生じやすくなります。工具を適切にパッシベート（刃先鈍化）すると、後工具面が工具のワークへの「食い込み」を防止し、振動を減らまたは排除できます。

④ 旋削時に工具先端位置が低すぎる（ワーク中心より低い）か、旋盤で内径加工時に工具先端位置が高すぎると、工具先端の実際のすくい角が減少し逃げ角が増加し、振動を生じやすくなります。

⑤ 工具台システムに負の剛性があると、ワークに「食い込み」やすく振動を生じます。したがって、旋削時の工具台システムの負剛性による振動はできるだけ避けるべきです。

(2) 旋削プロセスで幅広く薄い切りくずが生成される場合、Y方向の振動が切削力の変化を引き起こします。切削断面が幅広く薄いとき、Y方向の振動は切削断面と切削力の激しい変化を引き起こし、振動が発生しやすくなります。例えば、縦送りカッターで旋削する場合、切り込み深さが大きいほど、送り量が大きいほど、主切込み角が小さいほど、切削断面が幅広く薄くなり、振動しやすくなります。したがって、旋削速度選択時、切削力が速度とともに減少する中速ゾーン（炭素鋼切削時、速度範囲30〜50m/min）を避け、同時に台車の切削力を減らし、送り量を適切に増やし切り込み深さを減らすことも振動抑制に役立ちます。

(3) ワークシステムと工具台システムの剛性不足が低周波振動の主な理由です。以下の対策で振動を排除または減らせます：

① 三爪または四爪チャックでワークをクランプする際、ワーク回転中心と主軸回転中心の同軸度誤差を最小限に抑え、ワーク傾斜による断続切削や不均一切削による切削力の周期的変化による振動を避けます。

② 変形・曲がり・振動しやすい細長ワークを加工する場合、弾性センターと補助支持を使用し、切削液を加えてワークを冷却し、熱膨張変形を減らします。

③ ワークをクランプする際、ワークの突き出しを長くしすぎないでください。剛性不足のワークには、合理的なセンターレスト、工具台レスト、センターなどの補助支持を使用してワーク剛性を高めます。

④ センターを使用する際、センターとセンターのテーパー穴がよく合うようにし、ジャッキング力が大きすぎてワークが曲がったり、小さすぎてワークが振れたりしないようにし、心押し台スリーブの突き出しが長すぎないよう注意してください。

⑤ 工作機械主軸ベアリングクリアランスは主軸の回転精度と剛性に直接影響します。使用中にベアリング摩耗でクリアランスが大きくなり剛性不足になる場合、ベアリングクリアランスを調整し予圧をかけてワークシステム剛性を高め、振動を排除します。

⑥ 中央鞍と大鞍、小刀台と中鞍の間のテールガイドレールの接触を定期的にチェックし、傾斜インサートを調整して適切な隙間を維持し、刀台移動時のクローリングによる刀台システム振動を避けます。

⑦ 角型工具台を回転させて工具を必要位置にするたびに、角型工具台を押さえて固定し、角型工具台の緩みによる刀台システム剛性低下と振動を防止します。