機械スピンドルの高速化

Dec 21, 2023

駆動スピンドルは工作機械の技術的中核であり、当社の製品と世界を形作る切削工具を回転させるための動力を供給します。 5 軸ムーブメントに取り付けると、高度な CNC マシンが作成されます。 多関節アームロボットにスピンドルを取り付けると、精密ボール盤が完成します。 改良されたものを既存のマシンに接続すると、新しいアプリケーションが実現します。 幅広い用途にわたって、顧客はより耐久性、速度、そして無停電運転を実行するためのスマート性を備えたスピンドルを求めています。

スピンドルの創造的な使用の可能性は、今日のスピンドルがどれだけ速く、耐久性があり、よりスマートになっているかによってのみ制限されます。

イリノイ州ホフマン エステーツにある NSK アメリカ コーポレーションのシニア プロダクト マネージャー、グレッグ ノットーリ氏によると、顧客の要求はスピードと精度の向上から始まります。 NSKの専門分野の1つは、マイクロツール用の電動およびエア駆動スピンドルの提供です。 マイクロツールは、直径が 1/8 インチ (3.18 mm) 以下から最小で 0.001 インチ (0.025 mm) までのミルまたはドリル丸工具です。 「小径の工具は基本的に湿った麺のようなもので、非常に壊れやすいです。ドリルやミルを回転させるとき、工具の直径が小さいほど、効果を得るにはより速く回転する必要があります」とノットーリ氏は述べ、一方で剛性を維持しました。正確さのために。 多くの CNC マシンは、標準工具を 8,000 ～ 15,000 rpm で適切に回転させます。 Nottoli 氏によると、マイクロツールは 42,000 rpm まで上げる必要があることがよくあります。 「8,000rpmのスピンドルを備えたマイクロツールの使用は最適ではありません。チップを正しく真空にしておらず、適切な表面映像を取得できず、ツールを壊すだけだからです。私たちはこの特殊な市場のギャップを埋めるのです。」と彼は言いました。言った。

Nottoli 氏によると、NSK から入手可能なスピンドルは、CAT 40、50、または BT などの既存のツールホルダーを備えたあらゆる機械にポストフィットできます。 「これにより、エンドユーザーはより高い速度を得ることができます」と同氏は述べ、これらは真のスピンドルであり、既存のスピンドルの速度をより高いrpmに変換する速度増倍装置ではないと付け加えた。 スピードマルチプライヤは「歯車の付いた箱」だと彼は言う。 標準ツールでは最小限の電力損失で必要な速度と精度を提供できますが、振動や熱も発生します。 これらは、精度がサブミクロン単位で指定される微細加工にとって問題です。

「当社にはターニングセンターや研削盤用のスピンドル、または特別に構築されたロボット機械があります」とノットーリ氏は語った。 「マシニング センターの場合、私たちの主軸は機械の主軸 (空間) に上がり、独自の回転を​​提供します。」 マシニングセンタは軸の位置決めを行い、NSKスピンドルは動力を供給します。

空気圧式と電気式にはそれぞれ独自の用途がありますが、ノットーリ氏は電気式の利点にも言及しました。 「費用対効果が最も高いのは電動です。当社の電動モーターは閉ループ コントローラー内のブラシレス DC です。当社のコントローラーでは、速度が 1,000 rpm に設定されると、スピンドルはその速度に維持されます。 「切削工具がかみ合う。空気圧アタッチメントスピンドルの場合はそうではありません。部品にかみ合うと、通常、回転数が低下するからです」と彼は説明しました。 「レギュレータを使って制御することはできますが、制御するためのアクティブなフィードバックは実際にはありません。」

NSK の最新電動スピンドル iSpeed5 は、最大出力 350 W で最大 80,000 rpm の速度を誇ります。これは、モーター スピンドル、ストップ ブロック、空気圧スイッチ、および制御ユニットで構成される完全に工具交換可能なシステムです。 工作機械のスピンドルに取り付けられた電気機械式ストップ ブロックに係合すると、電力、冷却空気、および制御信号がスピンドルに提供されます。 セラミックベアリングがこのような高回転を可能にします。

イリノイ州エルクグローブの MC Machinery Systems, Inc. の国内プロダクト マネージャー兼アプリケーション マネージャーである William Gillcrist 氏は、新しいスピンドルではさらなる速度と出力が重要であることに同意し、同様に精度も強調しました。 「高精度のアプリケーションでは、工具が完全に正確に回転していることを確認する必要があるため、ベアリング技術が重要です」と彼は言いました。 「ハイテクベアリングを使用してスピンドルの振れと成長を最小限に抑えることが重要です」と彼は言いました。 つまり、rpm が 20,000 を超えるとセラミックまたはエア ベアリングが使用されることになります。 スピンドルの寿命が長いことも同様に重要です。 スピンドルは工作機械の中で最も高価なコンポーネントである可能性があり、それを消耗品のように扱うと収益に影響を与えます。

しかし、すべての新しいスピンドル技術が、小型ベアリングと長寿命で高速、低振れ、低振動を実現するわけではありません。 より低い回転数で高トルクと高い金属除去率を実現するスピンドルが依然として必要とされています。 これにより、ベアリングやコンポーネントに大きなストレスがかかります。 理想的には、1 つのスピンドルで高トルク/低回転数と低トルク/高回転数の両方を実現できます。 「私たちが目にしてきたのは、より多くのトルクと速度を備え、低速でもトルクを提供しながらも 30,000 をはるかに超える高い rpm に到達できる、より優れたスピンドルです。長寿命のスピンドルでは、高トルクと最高速度の組み合わせがほとんどの人の好みです」欲しいです」とギルクリスト氏は語った。 彼はまた、スピンドルの寿命を制限するのは高トルクであるという実用的なヒントも提供しています。

補償すべきもう 1 つの重要な要素は、熱による膨張です。 ラジアル振れを制御することは重要ですが、軸方向のスピンドルの成長も重要です。 「私たちが販売している機械で見られる主な機能の 1 つは、スピンドルの成長を制御または適応できる機能です」と Gillcrist 氏は説明しました。 「金型上の Z 深さを非常に厳密に保持しようとしている場合、スピンドルが変動することはあり得ません。」 彼の答えは、データを収集し、機械制御を通じて補正を行うことです。

ギルクリスト氏によると、紡錘体の成長を調整する最も一般的な 2 つの方法は、研究室で収集した曲線に対して温度と時間から紡錘体成長を数学的に推測するアルゴリズム手法と、直接ギャップ検出手法です。

直接法はセンサーの改良によりより実用的になってきています。 「一部のマシンにはリアルタイムギャップセンシングがあり、成長や変化がある場合、ツールが磨耗している場合、またはツールがまったく使用されていない場合にリアルタイムで[位置]を調整できます。アルゴリズムスタイルは次のようです。 「（今日は）それほど有利ではありません。しかし、5 軸環境で両方を使用するメーカーもあり、熱/時間の予測と実際のギャップに関する限りすべてを捉えることができます」とギルクリスト氏は述べました。

データが非常に重要になっている理由は、クローズドループの加工プロセスからスマートファクトリーのデータプールへのデータの供給まで、いくつかあります。 ただし、使用するにはデータを転送する必要があります。 「スピンドル技術の進歩において接続性は重要です」と、フランスのサンテティエンヌとオハイオ州メイソンに拠点を置き、オハイオ州ロレインのAbsolute Machine Toolsと提携しているPCI-SCEMMの北米事業開発マネージャー、マックス・ポーレット氏は述べています。 。 「誰もが、切削工具や切削部品のすぐ近くでデータを収集することで、機械をよりインテリジェントに、より自律的にしようとしていると思います。」

PCI-SCEMM は現在、エレクトロスピンドル (e-SPINDLE) を提供し、機械メーカーにこれらのオプションを提供しています。 北米では Absolute Machine Tools から購入できます。 Paulet 氏によると、e-SPINDLE システムは、スピンドルのさらに上ではなく、切削工具またはツールホルダーにセンサーを統合しています。 「センサーは切断領域または指定された測定領域に近いため、高品質のデータ収集と処理が保証されます」と同氏は述べた。 柔軟性があり、標準ツールを使用する場合、スピンドルは標準の非接続スピンドルとして機能します。 加速度計、エフォートゲージ、熱電対などのほぼあらゆる種類のセンサー、または圧電アクチュエータ、電気駆動装置、熱駆動装置などの運動生成デバイスを使用できます。

エンドユーザーにとって最も役立つセンサーは何ですか? Paulet 氏によると、振動、トルク、そして穴の穴あけやフライス加工の際には、穴の直径を測定するセンサーが使用されます。 「振動測定は私たちが始めたものであり、非常に強力です。振動によって測定および制御できる影響は数多くあります。」と彼は言いました。 制御下のプロセスでベースライン振動パターンを測定すると、その振動目標からの変動は問題を意味します。 部品とツールの間の接触が間違っている場合、ツールが破損しているか、アンバランスであるか、チャタリングしている場合、振動パターンはコントローラーに調整を促すか、最悪の場合はプロセスを停止してオペレーターに警告します。

「2 番目に一般的なセンサーはトルクです」とポーレット氏は言います。 トルクの変動は、問題が発生しているプロセスに関する有用な情報を再び提供します。 パターンの突然の変化は、材料の予想される変化だけでなく、びびりや工具の破損を検出する可能性があります。 「トルクと振動を組み合わせることで、プロセスをリアルタイムでより深く理解できるようになります」と彼は言いました。 同氏は、これは航空宇宙で一般的なアルミニウムや炭素繊維強化プラスチック（CFRP）などの異種材料を接合するための穴を開けるのに役立つと指摘した。 この制御は、アルミニウムから CFRP、さらにアルミニウムへと積み重ねられた材料を切断する際にドリルを調整するのに十分なほどスマートです。

ポーレット氏によると、3 番目に一般的なセンサーは、プロセス中の直径を測定するセンサーです。 同社はレーザーゲージを使用して、切削工具がシリンダーボア内にあるときに継続的に測定し、その瞬間の実際の直径が何であるかをコントローラーにデータを送信します。 「プロセス中の直径を測定することで、そのプロセスを調整し、どれだけの材料を除去するか、またはスピンドルを補正するかを知ることができます」とポーレット氏は説明しました。 「これにより、ミクロン単位での正確な穴あけとフライス加工が可能になります。」

ノースカロライナ州シャーロットにある Okuma Americas Corp. の製品専門セールスマネージャーである Wade Anderson 氏も、さらに優れた機械のパフォーマンス、信頼性、および機械の稼働時間に対する需要に言及しました。 オークマは工作機械を作るだけでなく、工作機械に組み込まれるスピンドルも作っています。 「パフォーマンス（の向上）の傾向に伴い、回転数と馬力が増加していることがわかります。これはトルクも増加することを意味します」とアンダーソン氏は語った。 「10 馬力 (7.46 kW) のスピンドル モーターを搭載したマシンを使用していたのは、それほど昔のことではありません。今では、30 馬力、40 馬力、60 馬力、さらには 75 馬力のスピンドル モーターを搭載したマシンが稼働しています。」 これは、22 ～ 56 kW の範囲に相当します。 これはスピンドルの改善だけではありません。 これらの改善は、機械やツーリング技術の改善と一致しています。 これにより、メーカーはこれまで以上に困難な材料を正確に切断できるようになります。

スピンドルからの出力が大きいほど良いです。 発生する熱はひどいです。 「あらゆる機械の中で最大の発熱源の 1 つはスピンドル モーターです。これは通常、工作機械で最大のモーターの 1 つです」とアンダーソン氏は説明しました。

大隈はその熱をどのように制御しているのでしょうか？ 「私たちは、機械の熱力学とライブのリアルタイム測定に多くの時間と注意を払っています」と彼は言いました。 「私たちはスピンドルの温度を測定し、サーマル マッピングを通じて必要に応じて機械の運動学をオフセットすることができます。私たちはこのシステムを TAS (サーモ アクティブ スタビライザー) と呼んでおり、当社独自のスピンドル冷却技術と組み合わせることで、スピンドルの温度を [作成] するために必要なツールを提供します。」入手可能な最も熱的に安定した機械プラットフォームの中で。」

信頼性とマシンの稼働時間はどうですか? アンダーソン氏は、通常の動作のサイクル タイムを計算するのは良いことですが、プロセス全体の効率、特に予期しないダウンタイムを特定して排除することに重点を置く必要があると警告しました。 「部品を非常に速く作ることができれば、機械を痛めつけてスピンドルを早々に引き裂いてしまう可能性があります」と彼は言う。 高トルクのアプリケーションでは、スピンドルの寿命に影響を与える可能性がある状況が発生する可能性があることに注意してください。 「機械やスピンドルの損傷により突然機械が停止した場合、サイクルタイムが遅くなるよりもはるかに大きな代償がかかります。」

ただし、サイクルが遅すぎるとコストもかかります。 サイクルタイムを最適化するにはどうすればよいでしょうか? データ、知識、判断力が必要です。 オークマは、センサーから取得したデータと人工知能 (AI) からの知識および判断を組み合わせて、金属切断プロセスを最適化する機能を提供します。 Anderson 氏によると、振動、馬力、トルク (フィンガープリントの作成) などの基本的な測定値の観点から、新しい機械のプロセスのベースラインを設定することは良い考えです。 コントローラーは指紋に基づいて、プロセスがベースラインから逸脱していることを検出できます。

その結果、機械工は、レッドラインに達したときに機械がアラームを送信し、致命的なダウンタイムを防ぐために自動的に介入することをより確実にしながら、高速サイクルを実行できます。 プロセスが最適化され、コストが抑制されます。 「故障が起こる前に故障を予測することは、製造プロセスの基準を引き上げます」と彼は言いました。

直観に反するように思えるかもしれませんが、旋盤加工では工具を回転させる能力が重要です。 旋盤は、定義上、ワークピースを回転させ、静的工具を使用してワークピースの円筒形状を切削します。 ただし、単純な旋盤で穴を開けたり、平らにカットしたりするには、機械工は旋盤から部品を移動し、CNC フライス盤で再設定する必要があります。

「ライブツーリングは機械のタレットドライブを使用します」とイリノイ州プロスペクトハイツのプラチナツーリング社社長、プレベン・ハンセン氏は語った。 ライブツールを備えた機械では、ワークピースが停止し、回転する切削工具がかみ合って穴が開けられたり、平面が削られたりします。 「それらは、スピンドルと呼ぶことができる機械のタレットによって駆動されます。私たちが提供するトランスミッション、つまり旋盤のタレット内のモーターを使用してライブツールを回転させる一連のギアとして考えてください。」 これらのライブ ツールは、アプリケーションが速度とトルクのどちらを必要とするかに応じて、ギア比を上下に調整できます。 Platinum Tooling は Heimatec のライブツールを提供しています。

顧客は何を求めているのでしょうか? 「スピードが最も重要な機能です。彼らはツールをより速く回転させたいと考えています」とハンセン氏は言います。 スピードはお金を意味するので、それは当然ですが、彼らが望んでいるのはそれだけではありません。 「同様に重要になりつつあるのは、監視にデータを使用できるようにするためのセンサーを備えたライブツールです。これは現在対処すべき大きな問題です。」 稼働時間、速度、湿度、温度を監視するライブツーリング用のスピンドルが必要です。 「熱はベアリングに悪影響を及ぼします。そのため、温度を監視して制御することは、ベアリングとスピンドルの寿命を延ばすことを意味します」とハンセン氏は述べています。 「湿気もデバイスに悪影響を及ぼします。湿気センサーが警報を発してデバイスを即座にシャットダウンし、致命的な故障を防ぐことができます。」

これらのセンサーベースのシステムの最終目標は何でしょうか? 「より高速な操作、切断操作のリアルタイム監視、そして最終的には消灯操作が可能になります」と彼は言いました。

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