ツールバランシングの基本

Sep 10, 2023

アンバランスなツールは問題です。 振動が発生し、工具の破損、スピンドルの寿命の短縮、ワークピースの粗さの増大につながる可能性があります。

加工プロセスにバランシング プロトコルを実装すると、工作機械の保護に役立ちます。 バランスのとれた工具は振動を軽減し、44,000 rpm で切断する場合でも 3,000 rpm で切断する場合でも必要です。

多くのことと同様、ツールのバランス調整にも費用対効果の分析が必要です。 新しいテクノロジーはバランシングの実行方法と正当化方法に影響を与える可能性がありますが、分析の必要性は変わりません。

アンバランスの原因

工具の不均衡は、回転質量の重心が回転軸と一致していない場合に発生します。

ミシガン州ウィクソムにあるバランス・システムズ社のマネージャー、フランチェスコ・ダレッサンドロ氏は、「つまり、アンバランスとは、偏心を生み出す距離のことだ」と語る。 この偏心が振動を生むのです。

Tool Dynamic TD Comfort バランシング マシン (上) には、PC、キーボード、マウス、モニターが装備されています。 画像提供: Haimer USA

工具の回転中心から真の質量中心までの距離として定義される偏心は、工具の重量が中心からずれている程度を測定します。 偏心がミクロンで測定され、工具の質量がキログラムで測定される場合、これらの単位は不均衡を一般的な単位であるグラム ミリメートルで表します。

ニューハンプシャー州マンチェスターにある GTI スピンドル テクノロジー社のトーマス ホーニグ社長も、工具のバランスが非常に重要であることに同意しています。 バランスが崩れると、スピンドル ベアリングやその他のスピンドル コンポーネントが損傷します。 不均衡は、機械加工部品や研削部品にびびりの原因にもなります。 また、工具のバランスが崩れると、工具の境界面にテーパー損傷が生じ、工具の早期摩耗が発生します。

「工具のバランスはほぼ常に行うべきです」と彼は言いました。 「これが適用されないのは、タッピング穴や一部の遅い旋盤切削など、非常に遅い rpm の加工操作の場合だけです。3,000 rpm を超える加工操作では、バランスが重要です。」

しかし、イリノイ州ヴィラパークにあるハイマー USA LLC のブレント ホールデン社長は、多くの場合、ボーリング ヘッドやフェイスミル アーバー アセンブリなどの場合、バランス調整ツール アセンブリの最も劇的な利点の一部は低回転で見出されると述べています。

「私たちのアドバイスは、誰も解決方法を見つけられない課題を提示するアプリケーションを常に検討することです」と彼は言いました。 「おそらく彼らは治具や機械の状態、あるいは切削工具を検討したのでしょうが、それでも期待した性能は得られていません。バランスを検討したのでしょうか？そうでない場合は、今こそバランスを調査する時期でしょう。」

ホールデン氏は、今日の人々はサイクルタイムの短縮を望んでおり、これは工具交換の回数を減らすことを意味する可能性があると述べた。 工場が以前は部品を完成させるために荒加工、中仕上げ、仕上げ工具を使用していたが、現在は作業に 1 つの工具のみを使用することを好む場合、バランスに問題が発生する可能性があります。 また、ドリル、ザグリ、面取りを行うために特別なツールが設計されている場合もあります。 ポケットの位置が異なるため、高品質の仕様を実現するにはバランスにさらに注意を払う必要があります。

必要なバランス調整

「理論的に言えば、バランスをとることは常に必要だ」とダレッサンドロ氏は語った。 「ただし、スピンドルの回転数が非常に低く (3,000 rpm 未満)、ワークの仕上げ目標が不十分な場合は、工具のバランス調整がスキップされる可能性があります。」

とはいえ、最新の工作機械は、たとえばインコネルを加工する場合など、より大きな切削量を達成したり、高い切削速度要件を達成したりするために、スピンドル速度が高くなる傾向があります。

「これらの値の増加により、より優れたツールとホルダーに対する要求も高まっています。そのため、以前よりも頻繁に、より低い残留アンバランスでツールのバランスをとる必要があります」とダレッサンドロ氏は述べました。 「この現象を監視するには、B-Safe センサーなどの恒久的なスピンドル監視システムを機械に設置すると役立つ可能性があります。これにより、振動が高すぎるときにオペレーターに視覚的な補助と警告を与えることができます。」

Best Balance 1000 は、アンバランスによる回転部品の振動を測定および補正するためのポータブル装置です。 画像提供：Balance Systems

情報筋によると、企業は工具アセンブリのバランス調整を開始すると、生産性と工具寿命が平均して 15% ～ 25% 向上し、バランスが悪い状態から始めた場合はさらに向上します。 バランス調整によって切削プロセスのすべての問題が解決されるわけではありませんが、バランス調整によって機械加工の問題、特に決して消えないと思われる問題の少なくとも 3 分の 1 は解決できると推定されています。

ダレッサンドロ氏は、エンドユーザーがバランスシステムに問い合わせる前に経験する最も一般的な問題は、工具の破損とワークピースのビビリであると述べた。 分析により、これらの問題は主に工具の不均衡によって発生する振動が原因であることが判明することがよくあります。

「不均衡は目に見えず、手遅れになったときにのみ感じられるため、不均衡は卑劣です」と彼は言いました。 「このため、私はこれを工作機械のサイレントキラーと呼びたいと思っています。」

ホールデン氏は、顧客からの最も頻繁な質問は、少なくとも最初はバランスについてではないと語った。

「しかし、私たちの議論の中で、問題の解決に関連するため、バランスという話題が明らかに必要性として浮上しました」と彼は言いました。 「たとえば、当社の顧客から表面仕上げや工具寿命の問題について問い合わせがあった場合、検査の結果、振れの問題があると判断します。一方、その振れは、ツールプリセッターでの静的チェックや、工具の低速回転中には見えない可能性があります。機械の主軸で、工具が機械設定の rpm で動的に回転すると、ツールホルダ アセンブリのバランスが崩れると振れが増加します。その後、アセンブリのバランスをとるためのテストを実行し、一度バランスが取れると振れがなくなり、顧客は問題なく使用できることがわかりました。ハッピー。"

ホールデン氏によると、顧客も部品を加工するときに希望の速度や送りで動作できないと不満を抱いているという。

「状況を詳しく調べてみると、生産プロセスで使用されるツールホルダー アセンブリの一部にバランスが取れていないことがわかりました」と彼は言いました。 「その後、アセンブリのバランスを調整し、顧客は当初の計画どおりに適切な送りと速度で部品を機械加工できるようになります。」

ホーニグ氏は、バランス、位置ずれ、エンコーダの故障など、スピンドルの取り付けに関する問題が顧客から最も多く聞かれることだと述べた。

同氏は、「顧客がスピンドルを修理に出す場合、すべての回転部品が取り付けられていない状態で送られることが多い」と述べた。

プーリー、ロータリーユニオン、ハブ、ドローバーなどがさまざまな理由で残されます。 これらのコンポーネントが新しく再構築され、バランスが取れたスピンドルに取り付けられると、バランスと位置合わせが崩れる可能性があります。

「したがって、すべての部品を一緒に送ってバランスをとることが非常に重要です」とホーニグ氏は語った。

残念なことに、ほとんどのサービス技術者やエンドユーザーは、現場で必要な修正を実行するためのバランシング装置を持っていません。 通常、GTI スピンドル テクノロジーは、このような事態が発生した場合にサービス コールを実行する必要があります。

BVK3-10は円盤状部品用の汎用縦型バランシングマシンです。 画像提供：Balance Systems

バランスをとる方法

ツールのバランス調整プロセスは非常に簡単です。 市場にあるほぼすべてのツールには、ISO 規格に従って、G の後に数字が続くバランス グレードが示されています。 これは工具メーカーが宣言した基準です。 ユーザーがツール アセンブリの重量と回転数とともに情報をバランサーのソフトウェアに入力すると、バランシング中に達成すべき目標残留アンバランスが得られます。 次に、機械は、選択した工具寸法とバランス モードに基づいて機械的補正を指示します。A) 「スライド ウェイト」による、B) 「ネジの追加」による、C) 「偏心リング」の回転による、または D) 「フリー バランシング」による。

フライス加工時に振動が大きすぎると、ワークピースの最大の問題はびびりです。

ホーニグ氏は、バランスを取る際に特定の金属については注意が必要だと述べた。 一部の超硬工具は、バランスをとるために重量を取り除くために特別な砥石車を必要とします。 余分な重量が飛び散って損傷や怪我を引き起こす可能性があるため、高速工具の場合は常に重量を取り除くことをお勧めします。

彼は、工具のバランスをとる方法を理解する最良の方法は、振動アナライザー/バランサーを使用することであると述べました。 GTI スピンドル テクノロジーは、Apple の iPad 上で動作するワイヤレス バージョンを生成します。

ホールデン氏は、工場には工具アセンブリの状態をチェックするための社内のバランシングマシンが必要であると述べました。

「特殊な成形ツールをバランスよく注文したとしても、それが本当にバランスよく施設に届くかどうかはどうやってわかりますか?」 彼は言った。 「当社には、アセンブリのバランスが取れていることを毎回確認するために、単にバランシングマシンを合否ゲージとして使用している大規模な顧客もいます。」

ホールデン氏は、バランシングマシンは、工具アセンブリのバランスをとるために、重りを取り除くか移動するか、または重さを追加するかを指示するものであると述べました。 バランスを決定するには、ツール アセンブリの構成を確認することが重要です。 ホルダーを損傷することなく、ホルダーのすべての領域から材料を除去できますか? たとえば、冷却ポートや油圧チャンバーから物質が除去されるでしょうか? それともバランスリングを介して重量が移動する場合、ワークと干渉するのでしょうか？

「これらすべてを考慮する必要がある」と彼は言う。 「しかし、ほとんどの場合、これらの方法（重量の削除、追加、移動）のいずれかを利用して、ツールをバランスの取れた状態に持っていく良い方法があります。」

Haimer USA の最も人気のあるバランシング マシンは Tool Dynamic TD Comfort で、ホールデンはその使いやすさと精度に基づいてこれを推奨しています。

「私たちは、工作機械のスピンドルに保持されているかのようにツーリング アセンブリをクランプするスピンドルを使用しています。また、機械自体には、遠心力センサーを使用してツーリング アセンブリの不均衡を測定する頑丈なスピンドルが付いています。」と彼は言いました。 「使いやすさは、簡単な変更プロセスをユーザーにガイドするソフトウェアによってもたらされます。」

Balance Systems の製品は、機械工場、工作機械現場のメンテナンス、工具とホルダーの製造向けに提供されています。

ダレッサンドロ氏は、「工作機械のエンドユーザーにとって、現在この用途で最も人気のある機械は当社の BVK3-10 です。」と述べました。

同氏は、オペレーターが BVK3-10 にツールを配置し、関連するパート プログラムをロードしてガードを閉じると説明しました。 機械は初期アンバランスの測定を開始し、部品に適用する補正をオペレーターに指示します。

フィールドメンテナンスの場合、ダレスアンドロは、Best Balance 1000 などのポータブルバランシング装置をお勧めします。このモデルの主な利点は、ユーザーがスピンドルから工具を取り外してバランサーに工具を置く必要がないことです。 バランス調整プロセスは工作機械で直接実行できます。 同じ装置を使用して、研削盤などの他のタイプのスピンドルのバランスをとることもできます。

「工具や工具ホルダーのメーカー向けに、当社は特別な自動バランシングマシンである BVK4 も開発しました」と彼は言いました。 「当社には機械自動化における豊富な経験があり、これらの部品のバランスを自動的に調整できます。このモデルには、材料を非常に正確に除去する、つまりバランスを取る独自のタッチ検出システムが搭載されています。BVK4 は中量産から大量生産の場面で使用されます。」

GTI Spindle Technology の BalancePro for Field Balancing は、1 面および 2 面の回転機械のバランスをとるための iPad/iOS アプリです。 GTI スピンドル テクノロジーの加速度測定システムとタコメーターに接続することで、アプリは振動振幅と位相信号を利用して、補正用バランス ウェイトとその角度位置を自動的に計算します。 バランスジョブは、後で使用するために保存およびロードできます。

ツールのバランス調整は必ずしも必要なわけではありませんが、一般的には良い考えです。

「わかりやすく言うと、ホイールのバランスが崩れた状態で車を運転しても大丈夫な時代があると考えたことはありますか？おそらくそうではありません。」とホールデン氏は語った。

機械加工用途の回転サポートに使用されるシャフト。 研削において、砥石を取り付けるためのスピンドル。 フライス加工やその他の切削作業において、カッターを取り付けるためのシャフト。

すでに開けられた穴または中抜きされた穴を拡大すること。 一般的に、一点旋盤タイプの工具を使用して、事前に開けた穴をツルーティングする作業です。 ボーリング加工は基本的に内径旋削加工であり、通常は 1 点の切削工具で内部形状を形成します。 一部の工具は、切削力のバランスをとるために 2 つの切れ刃を備えています。

機械、ワーク、切削工具に関わる振動の状態。 この状態が一度発生すると、問題が解決されるまで自然に続くことがよくあります。 びびりは、ワークに一定の間隔で線や溝が現れることで識別できます。 これらの線や溝は、カッターの歯がワークピースの内外で振動するときに発生し、その間隔は振動の周波数によって異なります。

機械加工中に工具とワークピースの界面での温度上昇を軽減する液体です。 通常、可溶性または化学混合物（半合成、合成）などの液体の形をとりますが、加圧空気またはその他のガスの場合もあります。 水は多量の熱を吸収する能力があるため、冷却剤およびさまざまな切削コンパウンドの媒体として広く使用されており、水とコンパウンドの比率は加工作業によって異なります。 切削液を参照してください。 半合成切削液。 可溶性油切削液。 合成切削油。

パイロットによって誘導され、穴を一定の深さまで拡張するツール。

切削界面における工具またはワークピースの表面の接線速度。 切削速度 (sfm) の計算式は、工具径 5 0.26 5 主軸回転速度 (rpm) です。 刃当たりの送り（fpt）の計算式は、テーブル送り（ipm）/刃数/主軸回転速度（rpm）です。 主軸回転速度（rpm）の計算式は、切削速度（sfm）×5×3.82/工具径となります。 テーブル送り (ipm) の計算式は、刃当たりの送り (ftp) × 工具溝数 × 5 主軸速度 (rpm) です。

平面を切削するためのフライスです。

単一のアーバーに取り付けられた複数のカッターを使用した加工。通常は同時に切断します。

動力を与えられた砥石車、砥石、ベルト、ペースト、シート、コンパウンド、スラリーなどによって材料をワークピースから除去する機械加工操作。さまざまな形式があります。 円筒研削（外部円筒形およびテーパー形状、フィレット、アンダーカットなど）。 センタレス研削; 面取り; ねじ山と形状の研削。 工具とカッターの研削。 不用意な研磨。 ラッピングとポリシング（非常に滑らかな表面を作成するための非常に細かい粒子で研削）。 ホーニング; そしてディスク研磨。

鋸引き、フライス加工、研削、歯切り、ドリリング、リーマ、ボーリング、ねじ切り、フェーシング、面取り、溝入れ、ローレット加工、スピニング、突切り、ネッキング、テーパーカット、カムカット、偏心カットも可能な旋盤ステップターンと直進ターンとして。 手動から半自動、全自動までさまざまな形式があり、主な種類としてはエンジン旋盤、旋削・コンタリング旋盤、タレット旋盤、数値制御旋盤などがあります。 エンジン旋盤は主軸台と主軸、心押し台、ベッド、キャリッジ（エプロン付き）、クロススライドで構成されています。 ギア (速度) および送りセレクター レバー、刃物台、複合レスト、送りねじおよび逆転送りねじ、ねじ切りダイヤル、早送りレバーなどの機能が含まれています。 特殊な旋盤タイプには、スルーザスピンドル、カムシャフトおよびクランクシャフト、ブレーキドラムおよびローター、スピニングおよびガンバレル機械が含まれます。 工具室旋盤と卓上旋盤は精密作業に使用されます。 前者は工具と金型の作業や同様の作業に使用され、後者は小さなワークピース (機器、時計) に使用され、通常は給電がありません。 モデルは通常、「スイング」、つまり回転可能な最大直径のワークピースに従って指定されます。 ベッドの長さ、または中心間の距離。 そして発生する馬力。 旋盤を参照してください。

回転するカッターに力を加えて金属などを削り取る加工作業。 立型フライス加工では、切削工具が主軸に垂直に取り付けられます。 水平フライス加工では、切削工具はスピンドルまたはアーバーに直接水平に取り付けられます。 水平フライス加工は、さらに従来のフライス加工に分類されます。このフライス加工では、カッターが送り方向と反対に回転し、ワークピースに向かって「上向き」に回転します。 そして、カッターが送り方向に回転する上昇フライス加工、つまりワークピースに向かって「下降」します。 フライス加工には、平面または表面フライス加工、エンドミル加工、正面フライス加工、角度フライス加工、フォームフライス加工、およびプロファイリングが含まれます。

周囲に歯のあるタップで、タップ径よりも小さい直径の下穴にめねじを切る加工作業。 ねじ山は、タップとワークピース間の回転運動と軸方向の相対運動の組み合わせによって形成されます。 「タップ」を参照してください。

加工作業中に切削工具を固定します。 基本的なタイプには、ブロック、カートリッジ、チャック、コレット、固定、モジュラー、クイックチェンジ、回転などがあります。

イェセニア デュランは、シカゴを拠点とするフリー ジャーナリストで、切削工具やテクノロジーを取材しています。 彼女への連絡先は、[email protected] です。

バランスシステムズ株式会社248-308-3636www.balancesystems.com

GTI スピンドル テクノロジー株式会社888-473-9675www.gtispindle.com

ハイマー USA LLC630-833-1500www.haimer-usa.com