加工チャッターのマスター：原因、防止、最適化

加工チャッターはほぼすべての製造プロセスで発生します。製造に使用される重機械が大量の振動を生成し、不良表面仕上げと寸法精度低下を招きます。

機械技師は、CNC旋削、フライス加工、ドリル加工などのさまざまなプロセスでこの望ましくない振動に対処しなければなりません。しかし、加工チャッターとその原因を理解し、回避方法を知ることは、ビジネスにとって悪影響のあるダウンタイムを防ぐために役立ちます。

この記事では、チャッターの定義、チャッタータイプ、結果、回避方法について説明します。

加工チャッターとは？

加工チャッターは、部品切削またはドリル加工時に発生する望ましくない振動です。チャッターは、ワークピースと工具が互いに対して繰り返し移動する振動アンバランスが原因です。加工部品と切削工具が反対方向に動くとき、加工工具の単位回転あたりの切削負荷が変動し、振動が発生します。

これは製造のための不適切な設計や不十分な工具が原因である可能性があります。チャッターは通常、大きな騒音と加工コンポーネント表面に見える波状パターンを生み出します。加工チャッターは2つの形態があります：

• 共振振動
• 非共振振動

非共振振動は、不均等に摩耗した工具をワークピースに使用した結果発生します。この振動は加工サイクル全体で一定であり、検査容易な機械的原因によることが多いです。

一方、共振振動は、凹コーナー加工など、工具パスの特定段階で発生します。

加工におけるチャッタータイプ

CNC加工で遭遇する2つの主要なチャッタータイプがあります。これらには以下が含まれます：

工具チャッター

一般的に、CNCフライスカッターは切削操作中に振動します。ワークピースに様々な特徴を追加しながらトリミングを開始し、振動をワークピースに伝達します。結果として、工具とワークピースが互いに滑り始め、チャッターが大幅に増加します。

ワークピースチャッター

ワークピースをフライス盤ワークテーブルに正しく固定しない場合、オフセットと振動が生じることがあります。結果として、ワークピースの薄壁が振動し始め、切削工具に伝達されます。

一部のチャッターは避けられないことがあることに注意が必要です。加工中に発生する振動が100µmを超える場合、ワークピース表面に傷がつく可能性があります。しかし、製品品質のために工具とワークピースチャッターについて対策を講じることを検討すべきです。以下でチャッター回避方法を説明します。

加工チャッターの結果

加工チャッターが制御されない場合、加工効率低下などさまざまな悪影響をもたらす可能性があります。いくつかを紹介します：

工具寿命短縮

切削工具は、工具がワークピースにチャッターする振動衝撃を処理できません。これらの衝撃は切削工具をチッピングさせ鈍らせ、切削部品の表面品質を損ないます。また、工具寿命と切削効率を減らし、工具交換は高コストです。

機械寿命短縮

さまざまな加工コンポーネントで使用される工作機械は、振動があると同じ周波数で振動する様々な部品で構成されています。スピンドルと動きの異なる軸を生成するその他の重要な部品が、想定より速く摩耗し始める可能性があります。結果として、機械チャッターは機械コンポーネントに過度なストレスをかけ、放置すると加工効率低下とダウンタイムを引き起こす可能性があります。

不良表面仕上げ

加工チャッターはワークピースの美的特性に影響し、極端な状況では公差を損なう可能性があります。機械チャッターの最も顕著な結果の一つは不良表面粗さです。チャッターが表面に見える波状模様を生み出し、部品の品質と耐久性を損ないます。

寸法精度低下

切削工具がCNC加工中にチャッターすると、CAM起動パスから逸脱します。この逸脱により、部品が不適合になる可能性があります。これらの部品は、不正確な寸法によりきつすぎる、長すぎる、短すぎる、緩すぎる可能性があります。

製造企業は、加工操作でのチャッターを最小限に抑え、ワークピースと切削工具の両方を良好な状態に保つためにさまざまな方法を採用しています。CNC加工中のチャッター低減手順をいくつか紹介します：

加工戦略の最適化

カッターがワークピースに噛み合う度合いは従来フライス加工で変化します。過剰な力がフライスカッターに定期的に作用します。したがって、チャッターを減らす最良の方法は、規則的な噛み合い工具パスを達成することです。代替として切削深さを減らすことができます。

また、スピンドル構成の再考を試みてください。例えば、共振チャッターが加工振動の原因である場合、機械RPMを5%増減させると、発生する共振振動を最小限に抑えられます。一部のCAMソフトウェアには、スピンドル速度を一貫して変化させる機能があります。ほとんどのメーカーはその汎用性からこの機能を採用しています。

適切なワークホールディングの採用

バランスの取れた工作機械はより良い調整を特徴とします。不正確な位置と固定などのいくつかの要因が、CNC加工でのチャッターの主原因です。しかし、端面とテーパー接触の工具ホルダーは、加工中の最大剛性を確保します。結果として、最低RPMでも部品表面品質が損なわれません。

機械バイス、真空テーブル、チャック、その他のワークホールディングデバイスが、ワークピースをしっかり固定するために適切な圧力をかけているか確認する必要もあります。

ジグと治具を使用して必要なクランプ圧力をかけることを検討する際、しかし、延長された薄いワークピースの片端のみをクランプしないでください。薄肉部品が衝撃を吸収するのはかなり困難です。結果として、充填材が全体剛性を高め、チャッターを減らします。テールストックまたは類似の安定したレストフレームが、そのようなコンポーネントにとって理想的な選択肢です。

適切な切削工具の使用

適切な切削工具を使用することで加工振動を回避できます。一部の切削工具は他より多くの振動を生成します。工具チャッターをワークピースのもののように排除するのは容易ではありません。結果として、選択するあらゆる工具で以下の要素を考慮すべきです：

• 工具コーティング
• 正しい基板形状
• 工具アスペクト比

機械技師とエンジニアは、技術仕様を満たす場合、よくフィットする最大の工作機械を利用します。カッターがより固体であればあるほど、チャッターしにくくなります。長いまたは薄い工具はたわみやすいです。したがって、最大直径の短い工具を選択することを検討してください。

しかし、様々な溝形状の工具を組み合わせることが、加工チャッターを最小限に抑える最も効果的な方法です。また、ホルダーから突出する工具を減らし、しっかり固定することを検討してください。これを行った後、機械チャッターが発生しにくくなります。

CNCフライス盤の切削力を最小限に抑える鋭い刃を持つカッターを確保してください。加工環境の安定性とカッターの迅速なメンテナンスを常に考慮してください。同様に、チップ負荷が規則的になるよう適切で一貫した工具圧力を適用することが重要です。

理想的な工具パスの決定

CNCフライス操作は上向きフライスと下向きフライスの2タイプです。クランプ方向と同じ方向に切削力を加えると、曲げ部品のチャッターを減らせます。これは切削で考慮すべき重要な側面です。

一般的に、CNCフライス盤には効率と精度を助けるプリインストールボールねじがあります。結果として、垂直加工センターを使用して切削プロセス中のチャッターを防止できます。

機械設定とメンテナンス

予想通り、CNC機械はひび割れ、変形、不連続性のないコンクリート床に設置すべきです。機械配置が加工中のチャッター最小化に重要な役割を果たすことを知っておくべきです。

弾性、柔らかい、または損傷した床はCNCエンティティの震えを増加させる可能性があります。したがって、アンカーと調整脚を使用してCNCユニットをしっかり安定させ、チャッターを最小限に抑えることを検討すべきです。

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チャッターのような加工操作での様々な小さな問題を避けることは常に困難で、最終結果に影響を与える可能性があります。それがCNC加工専門家がそれに対処するのを助ける必要があるときです。

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結論

チャッターは生産性を大幅に低下させる加工効果です。機械性能、ワークピース品質、切削工具、工作機械寿命に影響します。機械設置場所から工具パスまで、様々な要因が発生に寄与します。

しかし、激しい振動を経験したときは、発生を徹底的に検査してください。工具とワークピースが正しく保持され、設定された加工オプションが正しいことを確認し、このチャッターを効率的に軽減してください。

FAQs

加工におけるチャッターマークとは？

研削で回転が狂ったホイールや、旋盤で長いワークピースを旋削する際の加工振動による規則的なマークによって残される不規則な表面欠陥です。

加工操作でのチャッター原因は？

工作機械が過度摩耗している場合、切削中に生成される切削力が大幅に増加します。切削力増加は通常、硬い基板切削時にチャッターを引き起こします。

回転装置での振動原因は？

回転装置でのチャッターまたは振動の最も一般的な原因には、芯出し不良、アンバランス、摩耗、緩みが含まれます。回転コンポーネント内の重い領域のアンバランスが、機械軸を中心にアンバランス重量が回転するとき中心力を生成し、振動を引き起こします。

加工チャッターをどう特定するか？

CNC機械チャッターは通常聴覚可能です。したがって、経験豊富な機械オペレーターはその独特な音を使ってチャッター発生をうまく特定できます。また、加工チャッターはワークピース表面に見える波状マークを作ります。