日本キスラーセミナー　平成22年12月9日(木)

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くにもとやまがた
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1 平成 23 年 9 月星技術研究所機械加工の振動解析最近の診断解析ツールと安定ポケット理論の実用星技術研究所所長豊橋技術科学大学名誉教授星鉄太郎 1. はじめに表 1 切削加工中に生じる振動の種類 I 強制振動切削加工に生じる有害な振動にはいろいろ発生の仕組みが異なるものがあります IA 力外乱形強制振動振動を防ぐにはそれが発生している仕組みを診断解析して正しく判定することが大切な最初の要件であります IA1 断続切削による振動 IA2 切屑生成の周期性に起因する振動診断解析の手順については永年普及に努めてきたところではありますがなおまだ産業界における実用は十分とは言えず加工現場では多くの問題が放置されているのが現状です近年現場向きの診断解析ツールが整備され CutPRO などのシステムが市販されるようになりました切削加工中に生じる振動問題は表 1 に示すようにいろいろな種類のものがありそれぞれ異なる発生の仕組みによって起こります最も良く見られる事例としていわゆるびびりと呼ばれる顕著な振動がありますこれは詳しくは再生びびりと分類される発生機構によっています星鉄太郎 (Hoshi Tetsutaro) 星技術研究所所長愛知県豊橋市富士見台 E-メールアドレス ;hoshirt@max.hi-ho.ne.jp IB II 変位外乱形強制振動 IB1 空転時そのままの振動 IB2 混合形振動自励振動 IIA 再生びびり IIB 摩擦形振動 [ 参考文献 1] 再生びびりの発生機構を説明する理論は 1960 年台に Tobias Tlusty らが提唱して形成されてきましたこの理論によれば主軸回転数が高い領域で安定ポケットと呼ばれるびびりの起こり難い加工条件のあることが予言されていました再生びびり理論の提唱者の一人であった故 Tlusty 教授が主導した多くの研究により安定ポケット理論を実用して従来にない高能率な切削加工を可能とする新しい技術が 2000 年以降に実用されるようになって来ております 1

まず機械加工の振動解析の技術を用いてどの種類であるかを判定し再生びびりであることが確かな場合にのみこの方法が補注 :NT エンジニアリング ( 株 ) 愛知県高浜市芳川 3 丁目 3-21 Tel:0566-52-0015 有効であります 2.

2 まず機械加工の振動解析の技術を用いてどの種類であるかを判定し再生びびりであることが確かな場合にのみこの方法が補注 :NT エンジニアリング ( 株 ) 愛知県高浜市芳川 3 丁目 3-21 Tel: 有効であります 2. 機械加工の振動解析ツール現在のところアルミ合金の高速ミリングに大きな効果を挙げておりますこれを鋼材鋳鉄などの鉄削りにどのようにして可能とするかが当面の課題でありますそのためのソフトウェアを工作機械の CNC に組み込みユーザーに加工条件の変更を提案したり自動的に調節する加工ナビというシステムが 2 年前からオークマ株式会社により商品化されてきています 2.1 振動の種類の判定決め手となる診断項目は加工面の観察加工時の振動信号の解析構造動特性の測定の三つであります加工面の観察工具大アウターモジュレーション X X ( t ) 0 前回切削時のびびり跡また筆者が協力して開発した工作機械に外付けの装置で加工中の振動をモニターして表示あるいは制御を行うリアルタイムびびり制御装置 ( 補注参照 ) も製品化されておりますインナーモジュレーション X (t) U: 切削厚さ今回切削時のびびり跡切削厚さの変動これらは安定ポケット理論を加工現場で容易に実施できることを目的として工夫されてきている新技術でありますチタン合金などの耐熱材料の切削加工に生じる振動をどのようにして防ぎ高能率加工を実現するかについても現在多くの努力が行われていますそれに適した工作機械の開発が鍵となるものと考えられます安定ポケット理論を適用できるほどの高い切削速度が使用できない場合が問題でありますこの状況においては不等ピッチあるいは不等リードカッターを用いることが有効であります本稿ではまず機械加工の振動解析の方法をご紹介した後安定ポケット理論の実用にかかわるこれらの新技術を中心に解説申し上げます図 1 再生びびりの起こる状況 1 再生びびりは自励振動ですので不安定条件が満たされる場合には図 1 に示すようなびびりの起こりやすい状態になるよう振動周波数が自然に微調節されて発生しますその結果図 2 に見るように送りの進むに連れてびびリマークが遅れて現れ結果として左上がりの傾きのマークになります図 2 再生びびりのマーク ( 外周旋削 )

マークの間隔のピッチから求めるあるいは一周あたりのマークの個数から次の計算で求めることができます周波数 (Hz)= 切削速度 (m/min)x1000 /(60x マーク間隔ピッチ mm) 周波数 (Hz)=( 一周のマーク個数 )x( 主軸回転数 rpm)/60 図 5 難削材特有の切りくず生成の周期性に起因する振動のマーク被削材 : アダマイト鋼直径 180mm, 外周旋削

3 被削材 :S45C 鋼直径 22mm V120m/min S0.05mm, 切り込み 0.4mm, 工具 :P15 超硬ノーズ R0.8mm 被削材 :SS41P 幅 360mm カッタ直径 457mm 18 枚刃ダウンカット S105rpm(V151m/min) 送り 0.32mm/tooth 切り込み 5mm 4 3 正面フライス削りで再生びびりが発生すれば旋盤削りと同様に送りの進むにつれて図 4 に見るようにマークが少しずつ遅れて現れます 2 マーク間隔のピッチ 1 0 マーク個数マーク個数 -1 マーク個数 -2 図 3 びびりマークから周波数を推定する手順観察したびびりマークから振動の周波数を計算しておきます図 3 に見るようにマークの間隔のピッチから求めるあるいは一周あたりのマークの個数から次の計算で求めることができます周波数 (Hz)= 切削速度 (m/min)x1000 /(60x マーク間隔ピッチ mm) 周波数 (Hz)=( 一周のマーク個数 )x( 主軸回転数 rpm)/60 図 5 難削材特有の切りくず生成の周期性に起因する振動のマーク被削材 : アダマイト鋼直径 180mm, 外周旋削 V10-30m/min, 送り 0.25mm/rev, 切り込み 1.5mm, 工具 P20 超硬ノーズ半径 0.4mm, 固有振動数 170Hz の振動しやすい片持ち梁に取り付けた工具による切削振動の発生が主軸の回転と同期する仕組みがまったく無い状況では振動マークの傾きは図 5 の例に見るようにまちまちとなり一定の方向にのみ傾くということが見られませんチタン合金以上の耐熱金属アダマイト鋼などの高硬度材料焼入れ鋼などの難削材料の切削加工では極低速極小送りの場合を除いては図 6 に見るように鋸歯状の切りくずが生成されることによって誘発される難削材特有の切削振動であります図 4 正面フライスにおける再生びびりこの種の振動の特徴は高い固有振動数で起こる刃先の切削方向の振動が原因である極低速極小送りでは起こらないなどの事が挙げられます

振動の周波数と工作物回転数との間に直接に比例する関係が成り立つのは主軸駆動に同期して発せられる強制振動の場合であります図

197mm, 長さ 968mm,S147-451rpm, 切り込み 0.5mm, 送り 0.

8mm 外径旋削強制振動の周波数がたまたま再生びびりを生じやすい固有振動数の近くにある時には

4 送り mm/rev, 工具 :P20 超硬ノーズ半径 6mm 穴の内面仕上げ加工時に生じて問題となった縞目模様の振動マークで工作物を回転させるテーブルの駆動系に組み込まれているある軸が一回転あたり 2 回の振動を生じていることに起因していたものであります図 6 難削材特有の鋸歯状切りくず振動の周波数と工作物回転数との間に直接に比例する関係が成り立つのは主軸駆動に同期して発せられる強制振動の場合であります図 7 の例は立て旋盤において図 8 混合形振動マークの例被削材 : 炭素工具鋼 SKD5(250Bhn) 直径 197mm, 長さ 968mm,S rpm, 切り込み 0.5mm, 送り 0.09mm/rev,P10 超鋼ノーズ半径 0.8mm 外径旋削強制振動の周波数がたまたま再生びびりを生じやすい固有振動数の近くにある時には空転時に生じている振動の振幅が切削中に増幅されたり減衰されたりして現れます図 8 は隣接する機械から伝わってきた外来振動が原因となってそのような混合形振動を生じた場合の例であります図 7 主軸駆動系に起因する変位外乱形強制振動のマーク被削材 : 特殊鋼板溶接構造の歯車材内径 980mm, 立て旋盤による内径面の仕上げ切削 V31-58m/min(S10-19rpm), 切り込み 0.1mm, 図 9 正面フライス加工の切削の断続による強制振動のマーク

5 被削材 ;SS41P, 幅 360mm, カッタ直径 457mm,18 枚刃ダウンカット S85rpm(V122m/min) 送り 0.41mm/tooth, 切り込み 5mm 切れ刃の断続周波数が固有振動数の極く近くにありいわゆる共振を起こした場合の振動マークの一例を図 9 に示します加工時の振動信号の収録と解析主軸頭に加速度ピックアップを取り付け切削加工時の振動を収録して解析する方法を紹介します CutPRO ソフトウェアシステムの MalDAQ という信号取り込み解析モジュールを使用しています図 10 上図は収録した信号の時間波形下図はその内の切削期間のみの信号をフーリエ解析して周波数成分の情報に変換した結果を示しています TPFreq( 工具通過周波数 )333Hz は主軸回転速度 (rpm)x 刃数 /60 で求められる切削の断続周波数を示しその 2 倍 3 倍など整数倍の高調波周波数を x2,x3 で示しています最も大きい周波数成分は 1166Hz にありそ Cut start Cut end D10 Ball End Mill: CutTest3 S10,000, F1,000 Axial depth of cut 1.5mm Radial depth of cut 1.0mm Chatter 1166Hz TPFreq 333Hz x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 x9 図 10 上図切削加実験工の振動測定により収録した加速度信号 S10,000rpm F1,000mm/min 軸方向切り込み 1.4mm 半径方向切り込み 1.0mm ボールエンドミル直径 10mm 刃数 2 突き出し長さ 150mm 被削工作 SKD61 焼き入れ材硬さ HRc45 下図フーリエ解析結果

の周波数が TPFreq の 3 倍と 4 倍の間にあることが判りますこのように最大成分の周波数が TPFreq の高調波周波数と一致しない場合は再生びびりが発生していることを示していますインパルスハンマー 2.1.

6 の周波数が TPFreq の 3 倍と 4 倍の間にあることが判りますこのように最大成分の周波数が TPFreq の高調波周波数と一致しない場合は再生びびりが発生していることを示していますインパルスハンマー構造動特性の測定一例として D80L450 のボーリングバー先端を測定する場合を紹介しましょうこの例では ShopPRO というソフトウェアのインパルステストモジュールを使用しています力検出センサーハンマーチップボーリングバー先端加速度計 ( ピックアップ ) 図 11 ボーリングバーのインパルステスト振動特性はボーリングバーそのものとそれを取り付けて使用する工作機械の主軸構造 ( 主軸の径長さと軸受け配置 ) によって異なるので実際の加工状況について機上で実測することが必要です工作機械の主軸に取り付けたボーリングバーの先端に図 11 に見るように加速度ピックアップを取り付けインパルスハンマを手に持って主軸先端を打撃するテストを行いますインパルスハンマの先端には圧電式の力センサが付いていてハンマがボーリングバーに加えた打撃力の信号を検出しますまた加速度ピックアップはその打撃によってボーリングバ - 先端に引き起こされた自由振動の信号を検出しますボーリングバー先端の振動加速度の時間波形インパルスハンマーからボーリングバー先端へ伝わった力の時間波形ハンマー先端の接触時間図 12 インパルステストによる信号波形コンプライアンスのゲインミクロン /N 固有振動数 184Hz 二つの信号は AD 変換装置を経てノートブックパソコンに入力され専用の信号処理ソフトウェアがコンプライアンス ( 力入力に対する振動変位出力の比 ) 伝達関数に変換して画面に表示します位相 deg 図 12 にパソコンに入力された力信号と加速度信号の時間波形を示しています図 13 コンプライアンス伝達関数のゲイン位相表示図 13 は専用の信号処理ソフトウェアによって計算されたコンプライアンス伝達関数のゲイン - 位相線図図 14 はそれを実部 - 虚部表示に切り替えた画面であります

N は安定ポケットの次数 ( 浮動少数点 ) Ni は安定ポケットの次数 ( 整数 ) 4 3 次 2 次 B N= Ni+1 Ni Ni-0.5 Ni-1 A Ni+0.

7 びびり周波数Hz 切り込5 この測定例では固有振動数が 184Hz と測定されましたコンプライアコンプライアンスの実部ンスの実部ミクロン /N ミクロン /N コンプライアコンプライアンスの虚部ンスの虚部ミクロン /N ミクロン /N 最大負実部, 1.57 ミクロン /N /N 以上に述べた加工面の振動マークから推定した振動の周波数加工中の振動を収録してフーリエ解析して把握した周波数構造動特性の測定を行って得られた固有振動数の 3 者が互いに近い値であることを確かめるておくことが診断解析の基本条件として必要であります図 14 実部虚部表示みmm プロセスダンピングによる低速安定範囲不等ピッチ / 不等リードの有効範囲 N は安定ポケットの次数 ( 浮動少数点 ) Ni は安定ポケットの次数 ( 整数 ) 4 3 次 2 次 B N= Ni+1 Ni Ni-0.5 Ni-1 A Ni+0.5 安定ポケット法の有効範囲 1 次安定ポケッ切削速度, mm/min 図 15 びびりの抑制方法として低速安定性の利用不等ピッチ / 不等リードカッターの使用安定ポケット法が有効の主軸回転速度範囲の説明図 3. 安定ポケット理論の実用 2000 年頃より実用化されてきている安定ポケット理論は右側の高速な範囲で1 次から 5 次までの安定ポケットが有効であります図 15 の説明図において左端の主軸速度が極めて低い範囲はびびりが起こったら切削速度を下げるしかないという古来の知識による安定範囲を示します両者に挟まれた中間の速度範囲では不等ピッチ或いは不等リード角のカッタが有効でありますこれは等ピッチカッターの場合には幅が狭くて使用できない高次の安定ポケットが不等ピッチ或いは不等リード角のカッ

8 タを使う場合には幅が広く有効に使用できる安定ポケットとなるものがあるためでありますなお一枚刃で行うボーリング或いは旋削の場合には主軸速度を常時連続的に上げ下げして同一箇所を続けて 2 回同じ速度で通過することがないようにする変動速度切削という方法がこれに対応します本稿ではまず最初に近年実用化された安定ポケット理論による再生びびり抑制の新しい方法とそれを行うために必要な CutPRO と呼ばれるソフトウェアツールを紹介させていただきます実際の加工工程に応用する場合主軸回転数の変動あるいは NC 指令による送り方向の変更によって起こる構造動特性 ( 固有振動数 ) の変化加工の進行に伴って形状が変化してゆく工作物の構造動特性の変化など時間の経過に伴う変動要因がありますこの変動をリアルタイムに追従して安定範囲を保つため主軸回転数の変更へフィードバックするリアルタイムびびり制御装置も開発されました安定ポケット理論の解説に続いてこのリアルタイムびびり制御装置についても紹介させて頂きます 3.1 安定ポケット理論とは再生びびりの安定限界線図に安定ポケットのあることは古くから理論的に知られてはいましたがそれを利用して実際にびびりを抑制する技術は近年の工作機械主軸の高速化と CBN を代表とする高速切削に適した工具の実用によって初めて可能となりましたこの新技術の実用はカナダのマックマスター大学 ( ) とそのあとアメリカのフロリダ大学 ( ) で活躍した故 G. トラステイ教授とその同僚教え子諸氏の多年にわたる研究によって実証され普及してきたものであります本稿で紹介する CutPRO ソフトウェアは G. トラステイ教授のマックマスター大学での活躍を支えた技術員であって現在カナダのブリテイッシュコロンビア大学で研究開発を続ける Y. アルテインタス教授が同大学が設置している Manufacturing Automation Laboratories 社 (MAL Inc) から製品化しているものであります一方 G. トラステイ教授がその後フロリダ大学で活躍したときの教え子たちが商品化している Manufacturing Laboratories 社 (MLI Inc.) のソフトウェア製品もあり MetalMAX の名で知られておりますまた同社からはリアルタイムびびり制御装置として Harmonizer という製品が商品化されていますこれらのソフトウェア製品を使うことにより工具側あるいは工作物側の振動特性を簡単に機上で測定すると直ちに安定限界線図を計算して表示しユーザはそれを見て主軸回転数をある特定の速さに調節することによりびびりのない加工を行うことが出来る新しい技術が実用されるようになりましたその効果は画期的でありまして 1990 年台の後半からアメリカカナダの航空機産業で実用されるようになり今日では高速高出力主軸 (20,000-30,000rpm kw) を備えた航空機機体構造部品加工用大形マシニングセンタによるアルミ合金の高速ミリングの実現を見るにいたっていますまた複雑形状のため突き出しの長い工具を必要とし工作物が難削材であるケーシングインペラインヂューサブリスクタービンノズルなどの航空機エンジン部品のマシニングセンタ加工にも必須の技術となっています航空機関連を除くわれわれに身近な加工状況であっても ( 長さ / 径 ) 比の大きなボーリング加工長いエクステンションアーバの先にカッタをつけて行う深彫りフライス加工などに顕著な効果を発揮します安定ポケット理論の実用によるびびり抑制のこの新しい

9 技術は今後金型加工にも威力を発揮できるものと考えられます 3.2 安定限界線図の見方先の図 13 あるいは図 14 のように構造動特性の測定結果が得られますと専用ソフトウェアは続いて安定限界線図を計算し図 16 のように画面に表示します図 16 の安定限界線図は古くから知られた Tobias あるいは Tlusty 等のびびり理論に大まかには合致する結果ではありますが細部では少し異なっています多年にわたり多くの研究者 ( アルテインタス教授達 ) がさらに詳細で込み入ったびびり理論を研究しその理論を数式化してコンピュータで綿密に計算したいわゆるバーチャルな専用ソフトウェアによる計算結果でありますこの図は主軸回転数に対してびびりを生じる限界切込みが変化する状況を示しており図の右の方には安定限界が部分的に高くなるいわゆる安定ポケットがいくつも並んでいますどのようなわけでこれらの安定ポケットが現れるのか以下に簡単に解説します先の図 1 は再生びびりが生じる状況を示しておりました前回切削時にびびりのために残された起伏 ( アウターモジュレーションという ) をそのつぎにはややずれて倣いながら削っていく現象であります後者にじる起伏をインナーモジュレーションといいます両モジュレーション間のずれを図中の位相角 φ で示し工具刃先に作用する切削力の瞬間変動分は刃先点における両モジュレーションの差に相当する瞬間切削厚さの変動分 u に比例するものとしています再生びびりは位相角 φ が約 4 分の 1 周期 ( 約 90 度 ) ずれる図 1 の状況でもっとも起こりやすいのですがもし主軸の回転速度を調節して位相角 φ が 0( ゼロ ) つまり両モジュレーションの時間的なずれがない状況を作り出すことが出来れば切削厚さは一定で変動がなくなり振動を起こそうとする変動力がなくなるからびびりは理論的におこらないはずでありますそのような状況はボーリングバーの場合主軸一回転当たりちょうど一周期の振動が生じるときに起こりうるのでそのような回転数を計算してみると例題のボーリングバーの固有振動数は 184Hz であるから 184Hz x 60/( 刃数 =1) = 11,040rpm 先の図 16 中ではこの値を中心速度として No.1 の安定ポケットのあることが示されていますただし刃数が 1 のボーリングバーの場合この速度はそのまま回転軸の固有振動数でありそれは危険速度であるためその近くの速度で主軸を回転さすことは極めて危険です決して行ってはなりません主軸回転速度を二分の一にして主軸一回転当たりちょうど二周期の振動が生じるようにしても同じ φ が 0( ゼロ ) の原理でびびりの起こり得ない状況となりますこれが No.2 の安定ポケットでその中心速度は 11,040/2=5,520rpm です同様に主軸一回転あたり三周期あるいは四周期の振動が生じるように調節すれば同じく φ が 0( ゼロ ) の状況が得られそれぞれ No3. No4 の安定ポケットがそれに対応しますさらに主軸一回転あたりの振動の回数が多くなると経験上この方法は効果が失われます No.4 までは効果があるが No.5 はやや薄れ No.6 以上ではびびり抑制が困難となりますその理由は安定ポケットの中心回転数にぴったり主軸速度をあわせておいてもびびりの起こる周波数がひとりでにわずか変化して従って一枚刃のボーリング工具であれば No.2, 3 および 4 の安定ポケットの中心回転数が推奨できる主軸回転数ですインナーモジュレーションアウターモジュレーション間の位相差 φ がびびりの起こりや

10 すい 90 度近くに自己調整されてしまうためであります旧来安定ポケット理論が実用できなかった理由は図 16 の左側に示したように切削速度が低く次数の高い安定ポケットが連なる領域で作業せざるを得なかったためであります 11,040rpm 不安定 No.3 不安定ローブ No.2 ローブ No.1 No.4 No.4 No.3 安定ポケット No.2 安定ポケット No Cutting Speed [m/min] 旧来の回転速度範囲 [1/4] 11040/4 =2760 rpm [1/3] 11040/3= 3680rpm [1/2] 11040/2= 5520rpm びびり抑制推奨回転速度 [1] 184Hzx60=11040rpm 危険速度に付き使用できない回転速度図 16 専用ソフトウェアによって計算された安定限界線図今日では工作物が鋳鉄であれば CBN 工具を使うことにより 1,500m/min までの高速加工が可能でありますから図 16 中の推奨回転速度のいずれかを選んで作業すればびびりなしの加工を行うことが出来ます通穴の仕上げ加工ができなかったものが No.4 ポケットの中心回転数 2,760rpm を採用することによりびびりを生じることなく高精度の仕上げ加工が行えるようになりました例題のボーリングバーは旧来はいかに工夫を重ねても強烈なびびりが発生して貫

11 4 3 No.2 安定ポケット No.1 117Hz x 60 /4 = 1755rpm 図 17 D80, L550 の 4 枚刃シェルエンドミルの安定限界線図 3.3 フライス加工の例 D80, 4 枚刃のシェルエンドミルをエクステンションバーにつけて突き出し長さ L550 とした工具をマシニングセンタ主軸に装着して機上でインパルステストを行った結果は固有振動数が 117Hz でしたびびり安定限界線図は図 17 に見るように計算され安定ポケット No.1 の中心回転数が 117Hz x 60 / ( 刃数 4) = 1755rpm にありこれは刃数 4 で割られているから主軸の危険速度ではありません No.2 はその 2 分の 1 の 878rpm No.3 は 3 分の 1 の 585rpm No.4 は 4 分の 1 の 439rpm でこれらが推奨回転数であります例題のカッタは従来やむを得ずびびりながら 6 時間かかって加工していた作業を 1755rpm で行うことによりびびりなしに 45 分で終了できるようになった事例でした 4. プロセスダンピング切削速度を極端に低くするとびびりが抑制できることは古くから知られておりその原因は刃先にプロセスダンピングと呼ばれる減衰力が作用するためであるといわれてきていますこのプロセスダンピングの現象に関してこれまでに行われた研究結果 [ 参考文献 2-7] をまとめることによってある限度以下に切削速度を下げるといかなる重切削においてもびびりが生じなくなる臨界切削速度 S as のあることが明らかとなっていますミリング加工の場合の臨界切削速度の値は次の (1) 式で与えられます 11

12 S as ( rpm) 120 ( 固有振動数 Hz) ( h h ) / ( 工具直径 mm) o av (1) Rotation of cutter h Engage Angle Disengage Angle EA(rad) θ h (cosθ) DA(rad) 図 18 ミリングの幾何学的関係 EA と DE はそれぞれエンゲージ角およびデイスエンゲージ角 ( ラジアン ) 平均実効切削厚さ hav が次の式で与えられます平均実効切削厚さで次の式で与えられます脚注 ) h av DA EA h (cos ) d DA EA d h (sin DA sin EA) ( DA EA) (2) 臨界切削速度 Sas に切削速度が近づくと図 19 に示すように無条件安定限界切り込み Amin が増大しますまた (1) 式中の γ は切削送り分力に対する主分力の比 ho は刃先力の等価切削厚さですただしミリング加工特有の図 18 に示すような幾何学的な関係から hav は脚注 ) ボーリング加工の場合は hav= 半径方向切り込みとなります

13 8 7 6 x Amin Amin x Sas(rpm) Fig.19 プロセスダンピングによる安定限界の増大数値例工具条件工具直径 20, 等ピッチカッタ 4 枚刃 (Z=4), すくい角 12 o, 逃げ角 12 o 切削条件 f = h = 0.05mm/tooth エンゲージ角 30 度 ( /6) デイスエンゲージ角 90 度 ( /2) 半径方向切り込み 5mm, ho=0.044 γ = h av : 0.05/ ( /3) = 0.05/1.05 = 0.047, 仮想的な固有振動数 1,000 Hz S as ( rpm ) (120 ( 固有振動数 Hz ) ( ho hav )) = 120 x 1000 x 2.25 x ( )/20 / ( 工具直径 mm ) =1,229rpm 以上が臨界速度以下に切削速度を下げるといかなる重切削においてもびびりが生じなくなるいわゆるプロセスダンピングの効果の原理であります

14 図 20 リアルタイムびびり制御装置の表示画面 5. リアルタイムびびり制御装置図 20 に示すリアルタイムびびり制御装置は CutPRO ソフトウェアを用いて加工条件を決定しても加工が開始されてからの時間経過にしたがって生起する変動要因に自動的に追随して制御するための装置であります加工機械のカバー内に設置したマイクロフォンで加工音の音圧信号をあるいは機械本体に取り付けたセンサで加速度信号をこの装置に取り込みフーリエ解析と識別を行いますフィードバック制御を行うためには加工機のオーバライド入力端とこの装置を接続し自動フィードバックのトグルボックスにチェックを入れておくことによりインターフェースを介して主軸速度と送り速度のオーバライド指令がリアルタイムに NC 制御装置に伝達されますトグルボックスにチェックを入れない場合には表示のみの使用となりますこの装置の制御モードを次の三つのいずれかにセットして使用します制御モード 1: 等ピッチカッターの使用このモードはアルミ合金や鋼などの通常材料を比較的高速度で加工する場合に安定ポケット理論を適用します制御モード 2: 不等ピッチ / リードカッターの使用制御モード 1 よりやや低い等ピッチカッターでは安定ポケット理論が有効ではない切削速度の場合に適当です制御モード 3: プロセスダンピング効果の使用

このモードは極端に大きな切込みに対して低速安定性を利用し切削速度を極めて低くして行う場合に適当です以下の各節に各制御モードでの使用方法を紹介しますチタン合金の粗加工の場合はわずかな振動マークが仕上げ面に残るものの許容できるものと考えられますただし極めて重切削を行う時は工具切れ刃の損傷を起こします仕上げ加工の場合には許容できません 5.

15 このモードは極端に大きな切込みに対して低速安定性を利用し切削速度を極めて低くして行う場合に適当です以下の各節に各制御モードでの使用方法を紹介しますチタン合金の粗加工の場合はわずかな振動マークが仕上げ面に残るものの許容できるものと考えられますただし極めて重切削を行う時は工具切れ刃の損傷を起こします仕上げ加工の場合には許容できません 5.1 制御モード1: 等ピッチカッターまたチタン合金以外の硬質の難削材では工具切れ刃のマイクロチッピングが起こるので普振動状況が現在次のいずれであるかが表示さ通はこの振動を防ぐことが必要ですれます 1. 強制振動この種類の振動を防ぐためには切れ刃直角 2. 再生びびり 3. 難削材特有の振動 1の強制振動と判定されている場合にはびびりは起こっていないので最良の状況にあります 2の再生びびりの場合にはそれを避けるよう安定ポケット内に移行するための主軸オーバライド指令が表示されます NC 制御装置との接続ができていて自動フィードバックのトグルボックスにチェックが入っている場合にはそのオーバライド指令が NC 制御装置に送られて自動的に制御が進行しますの切削厚さを小さく (0.05mm 以下 ) にするかまたは切削速度を低くします 5.2 制御モード 2: 不等ピッチ / リードカッタ不等ピッチ或いは不等リードのカッタを有効に使用するためには幅が広く有効に使用できる安定ポケットがどの主軸回転数で発生するかその中心回転数を CutPRO ソフトウェアのミリングシミュレータを使って把握しておくことが必要です再生びびりの判定結果が表示されて主軸速度のオーバライドが行われたにもかかわらず強制振動の表示に変化しないということを何度も繰り返す場合には NC プログラムに設定されている切込み量が大き過ぎるかまたは工作物の構造動特性が変化して大幅に不安定領域になっています加工を中断して調整しなおす必要がありますチタン合金耐熱鋼インコネルなどの難削材の場合には特有の振動が発生することがありますこの振動は難削材特有のもので再生びびりではありません先の表 1 にある IA2 切屑生成の周期性に起因する振動です先の図 6 にそのような切りくずの例を示しました不等ピッチ / 不等リードカッターに付いて安定限界線図を計算するのは CutPRO ソフトウェアだけができる独特に機能です詳細は別の取り扱い説明書を参照してください 5.3 制御モード 3: プロセスダンピング効果の使用インペラと呼ばれる部品の直線線素を持つブレード面に図 21 に見るように工具の側面を当てて加工する場合は軸方向切込みが大きくなるためびびりが極めて発生しやすい状況ですしかしこの場合でも 3 の難削材特有の振動と判定された場合には許容して加工を続けるかそれを防ぐように加工条件を変更するかの意思決定を行います 15

16 図 21 インペラの直線線素を持つブレード面の加工臨界速度は先の式 (1) に見るようにびびりを生じる固有振動数に比例するのであらかじめ加工状況に応じてびびりを生じるある仮想的な固有振動数に対応する臨界速度をユーザが与えておけば加工中にびびり周波数をリアルタイムに検出する本装置によって主軸回転数を適当な値に保ちびびりを抑制するのが制御モード 3 であります 6. まとめ切削加工に生じる振動問題のうち事例が多くまた有害なびびり ( 正確には再生びびり ) について現在知られている有効な手段にはプロセスダンピングによる低速安定性の利用不等ピッチ或いは不等リードカッターの使用ならびに安定ポケット理論の実用の 3 件があります本稿はそれらを実際の加工に応用するために役立つ CutPRO ソフトウェアならびにリアルタイムびびり制御装置の使い方を概説いたしましたこれまで成功例の多い航空機機体アルミ合金部品の高速ミリングのほかに最近増えてきているチタン合金やごく普通の鋼材航空機のエンジン部品金型の粗加工ならびに仕上げ加工などの低速ミリング ( アルミ合金の高速ミリングに対比して ) においても有効な加工状況は多く有ります現場ご担当者からのご相談と指導に無償で対応させていただいております遠慮無く次の連絡先に連絡してくださいホームページ E- メールアドレス hoshirt@paw.hi-ho.ne.jp) 参考文献 [1] 星鉄太郎機械加工の振動解析工業調査会 15, 1990 [2] M. K. Das and S. A. Tobias: The Basis of a Universal Machinability Index, Proc. 5th Int. MTDR Conf., (1964) 183. [3] M. K. Das and S. A. Tobias: Statistical Basis of a Universal Machinability Chart, Proc. 6th MTDR Conf., (1965) 719. [4] M. K. Das and S. A. Tobias: The Relation between the Static and the Dynamic Cutting of Metals, Int. J. MTDR, 7 (1967) 63. [5] T. Hoshi and K. Okushima, Cutting dynamics associated with vibration normal to cut surface, Annals CIRP 21/1, 1972, 101 [6] T. Hoshi and T. Takemura, Cutting Dynamics Associated with Vibration Normal to Cut Surface, Memoirs of Faculty of Engineering, Kyoto University, Vol. XXXIV, Part 4 (OCTOBER 1972) 373. [7] 竹村正京都大学博士学位論文, 1977 振動問題を診断し解析しこれらの手段を使いこなして解決に当たる担当者の養成が急務であります筆者は機械加工の振動解析をライフワークとして研鑽に努めてまいりました企業の現場担当者にそのノウハウと経験をお伝えすることに傾注しております 16

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<90E6925B89C18D488B5A6A8F70835A837E B> 先端加工技術セミナー平成 23 年 2 月 4 日 ( 金 ) 九州工業大学先端金型センター機械加工の振動解析最近の診断解析ツールと安定ポケット理論の実用星技術研究所所長豊橋技術科学大学名誉教授星鉄太郎. はじめに I 表切削加工中に生じる振動の種類強制振動切削加工に生じる有害な振動にはいろいろ発生の仕組みが異なるものがあります振動を防ぐにはそれが発生している仕組みを診断解析して正しく判定することが大切な最初の要件であります

日本キスラーセミナー 平成22年12月9日(木)

日本キスラーセミナー　平成22年12月9日(木)