ツールバランシングについて真剣に取り組む時期が来ました

Aug 20, 2023

タイヤのバランスをとっていると思います。 そしてあなたの友人のほとんどもおそらくそうしているでしょう。 では、なぜこれほど多くの工場が切削工具と砥石のバランスをとらずに生産を開始するのでしょうか?

低速で走行しているからという理由ではないはずです。 結局のところ、高速道路を巡航しているとき、車のタイヤは 700 ～ 900 rpm でしか回転していません。 おそらく、あまりにも多くの製造専門家がツールのバランスをとることで得られる潜在的なメリットを過小評価していることが原因であると考えられます。 また、場合によっては、改善によってバランスをとることが簡単になることもあります。

では、なぜバランスを取るのでしょうか？ そしてどうやって？

イリノイ州ヴィラパークにあるハイマー USA の社長、ブレント ホールデン氏によると、バランスの取れたツーリングはあらゆる種類の加工にメリットをもたらします。なぜならそれが表面仕上げとスピンドルの寿命を最適化できる唯一の方法だからです。 逆に、実際の困難はツールのバランスが崩れている場合、オペレーターは表面仕上げや精度の問題を解決するために機械の速度を落とすことがよくあると同氏は観察しました。

実際、ホールデン氏は、ハイマーの最大の成功の一部は、比較的低速で退屈な作業を行う店舗にあると述べた。 彼は、そのような例の 1 つを思い出しました。顧客が 300 rpm まで速度を落とすと、ボーリング ヘッドの動きが過大な穴を生じてしまうためでした。 ツールのバランスを整えるだけで、同社は必要な精度を得ることができ、「4 倍の送り速度で 1,200 rpm でツールを動作させる」ことができたとホールデン氏は付け加えた。

ケースはアプリケーションに依存しますが、バランスが必要な状況や要因もあると、ドイツのエアランゲンにある MPM Micro Präzision Marx GmbH の創設者兼マネージング ディレクターであるディーター マルクス氏は述べています。 たとえば、すべての多結晶ダイヤモンド (PCD) 工具と同様に、4,000 rpm を超える回転で動作するすべての工具は必ずバランスをとる必要があると彼は主張しました。 一方、シングルフルートツールやシングルポイントツール（多くのボーリングヘッドを含む）は本質的にバランスが悪いため、マルクスによれば、これらもほとんどの場合「必須」です。

複雑なポーティングツールや、奇数の角度で複数のインサートを備えたツールも、バランスをとるための明らかな候補です。

オハイオ州マイアミズバーグのユナイテッド・グラインディング・ノース・アメリカ社の工具研削部門副社長のサイモン・マンズ氏は、非対称工具も、少なくとも高速で動作させるためにはバランスをとる必要があると付け加えた。 これには、可変ヘリックスと不等インデックスを備えたツール (高速で実行するときに発生する高調波に対処するために追加された機能) が含まれます。

マンズ氏は、奇数のフルートを備えた工具は、たとえ均等に割り出されていても対称ではないことを指摘しました。 「それはガッシングです。3 枚刃の工具の場合、通常は長い歯が 1 つと短い歯が 2 つあります。短い歯よりも長い歯の方が激しくガッシングされます。これにより、工具の端にアンバランスが生じます。」

サイズとスピードが重要だとマンズ氏は続けた。 「0.5 インチ、8 分の 5、4 分の 3 インチの工具になると、ガッシング用に端で除去する材料にかなりの違いが生じます。」

不思議なことに、ホールデン氏は、一見対称的な大径 2 枚刃超硬ソリッド エンドミルのバランスが著しく崩れているケースに遭遇したことがあると語った。 彼は、これは工具メーカーが完璧な刃先を実現することに重点を置き、同一の溝を研削することを無視したためであると考えました。

バランスを取ることは、一見無関係な問題の解決策になる場合もあります。 ホールデン氏は、エンジン製造用に厳密にバランス調整されたツールホルダー アセンブリを購入した自動車会社の事例を詳しく説明しました。 「彼らの印刷物には、ツールアセンブリが 15,000 rpm で G2.5 の品質グレードにバランスが取れた状態で納品される必要があると記載されていました。しかし、彼らには確認する方法がありませんでした。」

同社には 8,000 rpm を超える機械はありませんでしたが、生産中の計画外の工具交換率は 57% でした。

その後、自動車メーカーは、入荷する工具をチェックするためにハイマー バランサーを購入し、仕様を満たさない工具アセンブリは拒否しました。 その結果、計画外の工具交換時間はわずか 7% に減少し、6 か月の試用期間中に同社が 25 万ドルを節約できたとホールデン氏は述べました。

「彼らは、切削工具サプライヤーに責任を問うためのゴー/ノーゴーゲージとしてバランサーを購入しました。そして、それにより、彼らが抱えていることに気づいていなかった内部問題が解決されました。」と彼は付け加えた。

優れた切削工具メーカーは、工具を作成する際にバランスを考慮します。 たとえば、サウスカロライナ州ウェストミンスターにあるサンドビック・コロマント US では、設計マネージャーのラヌルフォ・ビエイロ氏によると、「設計によるバランス」アプローチを採用しています。 同社は、Siemens NX ソフトウェアを使用して 3D で刃先交換式工具を作成しました。これにより、サンドビックは工具の不均衡を分析し、それに応じて設計を調整できます。

これによりデザインは改善されますが、完全ではない可能性があります。

ツール本体が構築されると、ハイマー機械上でバランスがとられると Vieiro 氏は続けました。 約 90% の場合、G2.5 バランス品質レベルを満たすために体のバランスを整えるために、小さな材料の除去が必要です。 サンドビックは、インサートのない工具本体と、その目的のためにのみ使用されるマスターインサートを使用した完成したアセンブリを検査するだろうとビエイロ氏は語った。

超硬ソリッドカッターに関しては、工具のバランスを確保することにあまり注意が払われていないようです。 United Grinding の Walter ブランドと、ミシガン州ウィクソムに拠点を置く ANCA USA はどちらも、まさにそれを行うためのソフトウェアを提供しています。 これらのシステムは、3D ツールの形状を評価してアンバランスを予測し、ツールのバランスを整えるために重心を移動するオプションを提供します。

一般的なバランス調整方法の 1 つは、フルートをわずかに長くすることです。 多くの場合、これはほとんど目立たず、おそらくわずか 0.5 mm であるとマンズ氏は言います。

これらのテクニックは便利ですが、完璧ではありません。 また、密度が均一な工具に限定されます。ろう付けされた PCD 工具ではほとんどうまく機能しません。

バランスの取れた切削工具により、メーカーはアセンブリのバランスを再調整することなく、ホルダー内の工具を自由に交換できます。 しかし、本当に重要なのは組み立て完了です。チャックが狂っていてはバランスの取れたツールがあっても意味がありません。

バランスのとれたチャックにバランスのとれたツールを使用していても、プルスタッドのせいでバランスが崩れていることがわかるかもしれません。 Holden 氏は、ウェルドン ホルダーで刃物を動かす必要があったため、オペレーターが完璧にバランスの取れた刃物を研磨してしまったという残念なシナリオについて説明しました。 このような状況では、「バランスを取り直せ！」と叫ばれます。 マルクス氏は、単一のインサートを交換した後でも工具のバランスを再調整する必要があると主張しています。

砥石は研削作業のツールであり、部品の表面仕上げを最高にしながら砥石とスピンドルの寿命を最大限に延ばそうとする場合、バランスも同様に重要です。 一方、切削工具と同様に、これらの要素にあまりこだわりがなければ、やらなくても大丈夫です。

マンズ氏が言うように、バランサーを購入したことを後悔する人は誰もいません。 「一度見れば、そのメリットは明らかです。」

しかし、マンズ氏とサンドビック・コロマント社の上級プロセスエンジニアであるジャック・フーパー氏の両氏は、今日の工具研削砥石の品質は適切なドレッシングを行えば、バランスを取ることなく良好な工具を研削できるほどであると述べた。 最高のツールではありません。 しかし、良い道具。

マンズ氏によると、5 軸工具研削では事実上ホイールバランスが必要となるケースが 2 つあります。 1つ目は、極小工具の製作です。 「0.5ミリメートルの工具を破壊するには、ほんの少しの振動だけが必要です」と彼は説明した。

「ホイールが重要です。小さなツールではバランスが非常に重要です。」 ホイールバランス調整も、「これらの小さなツールで非常に優れたエンドジオメトリを正確に作成するためにほぼ必要です」。

2 番目のケースは、両頭スピンドルを備えた侵食機械での場合です。 この構成では、通常、片面に銅電極を使用して浸食し、もう一方の面を研磨します。 マンズ氏は、銅製のホイールは「バランスがかなり崩れている」ことが多いと語った。 侵食は非常に低い回転数で発生するため、これは要因ではありません。 ただし、研削に切り替えると、スピンドル全体が 4,000 rpm 以上で動作する可能性があります。 そのため、電極のバランスが崩れると研削作業に悪影響を及ぼします。

工具研削のバランスをとるためにもう 1 つ有力な投票があります。それは、スループットの最大化です。 OSG USAが7年前にイリノイ州ベントンビルで行った調査を引用し、ホールデン氏はこれを「おそらく当社の製品でこれまで見た中で最も簡単な回収だ」と述べた。

OSG は、ホイールバランス調整をプロセスに追加する前に、年間 100 万個の工具を研削しており、統計的に重要な研究ベースを提供していました。 10,000 rpm でホイールのバランスを G2.5 にすると、機械の消費電力が 18% 減少し、ホイール寿命が 20%、スピンドル寿命が 30% 延長され、表面仕上げが明らかに改善されました。

しかし、最大の利点は研削速度が 18% 向上したことです。 OSG は、ホイールのバランスを調整するだけで、年間生産量が約 120,000 個の工具を追加しました。

工具研削を超えて円筒研削や平面研削に移行すると、砥石が大きくて重くなり、バランスの重要性がさらに高まります。 Hooper 氏が説明したように、完成した切削工具の振れ許容値は 15 μm 程度であり、「工具ブランクの振れ許容値を十分に下回ることが最善です」とのことです。 ブランクの製造に使用される外径研削砥石は直径 300 mm 以上で、約 7,000 rpm で回転するため、「機械内で砥石のバランスを取ることが絶対に重要です」とフーパー氏は結論付けました。

スタンドアロン型バランシングマシンの市場リーダー 2 社は Haimer と MPM で、後者は米国では Rollomatic、Rush Machinery、Toolroom Solutions によって代表されています。 Haimer と MPM は、不均衡を 98% 削減し、G0.4 までの品質グレードを達成するという同じ優れた能力を主張していますが、両社は異なる電気機械的アプローチを採用しています。

ハイマーは「ツールホルダーアセンブリの回転時にスピンドルにかかる力を測定する遠心力センサーを備えたハードベアリング技術」を使用しているとホールデン氏は説明した。 対照的に、MPM は柔らかいベアリングを備えているため、スピンドルが少しぐらつく可能性があります。 加速度センサーは、不均衡なローターの回転によって引き起こされる振動変位を測定するとマルクス氏は述べています。

ホールデン氏によると、ハイマーのアプローチには 2 つの利点があります。 「1 つは、機械自体を校正できることです。特定のツールの校正は必要ありません」と同氏は説明し、(機械を移動しない限り) 再校正することなくアダプターとツールの種類の両方を切り替えることができると指摘しました。

第二に、機械は外部からの振動の影響を受けません。 「文字通り、スピンドルに加えられる回転力を測定しているだけです」とホールデン氏は言う。 「再現性があり、一貫した結果が得られます。」

ハイマー機械は1,200ポンドのミーハナイト鋳造ベースユニットであり、工作機械に使用される鋳物と同様のベースを備えているとホールデン氏は説明した。

MPM の観点から見ると、これは欠点です。 マルクス氏によると、競合他社のシステムはコストが高く（すべてが同じ場合）、フォークリフトで移動する必要があるが、MPM は手で運んでマシニングセンターの隣の頑丈なベンチに置くことができるという。 言い換えれば、MPM ユニットは店内に振動がある状況でもうまく機能するということです。 MPM 機械は、シフトの開始時やツールホルダの種類を変更するときなど、より頻繁に校正する必要がありますが、これは迅速かつ簡単なプロセスであるとマルクス氏は述べています。

MPM のアプローチのもう 1 つの利点は、別個のバランシング マシンが必要ないことです。 MPM は、任意の機械スピンドルに取り付けて、必要に応じて別の機械に移動できるポータブル システムを提供します。 このようなシステムは円筒研削盤で日常的に使用されています。

Hooper のサンドビック コロマント工場では、Reinecker ピール グラインダーは Elaso の競合システムを使用しています。

ANCA は、iBalance と呼ばれる自社の工具研削盤に同等のオプションを提供しています。 同社のMXおよびソフトウェア製品マネージャーのトムソン・マシュー氏によると、このプロセスは「非常に迅速」で、5、6分もかからないはずだという。

マシュー氏は、不均衡が生じる可能性があるため、グラインダーを含めるのは理にかなっていると付け加え、研削スピンドルやC軸の機構から「ホイールをスピンドルに取り付ける場所の機械的側面全体」まで、あらゆるものを挙げた。

「システム全体には、マシンの外側のホイールセットだけを測定するだけでは把握できない不均衡が生じる可能性があります」と彼は続けた。 マシュー氏によると、機械のバランス調整により、研削プロセスの特定の重要な位置でホイールをチェックすることも可能になるという。

マンズ氏は、グラインダーに工具を生産させずに、オフラインでホイールのバランスを調整する方が生産性が高いと反論した。

言及されたすべてのバランス システムには、特定の場所に重量を追加または削除することによって不均衡を修正する方法をオペレーターに指示するソフトウェアが含まれています。 たとえば、ANCA の iBalance は、ホイール アダプターの端にあるクランプ ナットのどこに重り付きネジ (または複数) を追加するかをオペレーターに示します。

このアプローチは、フランジの周囲にネジ穴があるツールホルダで一般的に使用されます。 ホールデン氏は、これを「素早く簡単に調整するのに適しています。唯一の制限は、移動させる膨大な量の重量がないため、大きなアンバランスを修正できないことです。」と述べました。 可動部品がなく、一般にバランスよく作られている焼きばめホルダに最適ですが、他のチャックには対応できない場合があります。

より困難な課題に備えて、ハイマーらは楕円形のリングを提供しています。 言い換えれば、リング自体のバランスが崩れており、バランサーはアセンブリ全体の不均衡を打ち消すためにリングを回転させる場所を指示します。 ほとんどのツールホルダーにはそのようなリングを取り付けるための表面が備わっていますが、常にそうであるとは限りません、とホールデン氏は言います。 MPM では、可動ウェイト付きのクランプ ナットを提供しています。 楕円形のリングを回転させるのではなく、ユーザーはトラックの周りでおもりをスライドさせてアセンブリのバランスをとります。

前述したように、より高度な不均衡は、ドリル加工またはフライス加工によってツールホルダーから重量を取り除くことで対処できます。 理想的には、これはホルダーの製造時に行われますが、最終的なツールアセンブリのバランスをこの方法で調整する必要がある状況もあります。 異なる用語が使用されている場合がありますが、Haimer マシンと MPM マシンを実行するソフトウェアは同じ技術をカバーしています。

では、バランスを取ることに真剣に取り組むべきでしょうか？ ホールデン氏は、気が進まない見込み顧客に対して、最も厄介なアプリケーションについて「すべてを試して髪を引っ張り、設備を調べ、スピンドルや機械を分析し、 」

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