機械加工におけるチャタリングの理解と防止

びびりは、フライス加工、旋削加工、穴あけ加工において、機械工が遭遇する最も一般的な課題の一つです。この不要な振動は、 表面仕上げ寸法精度が低下し、工具と機械の寿命が短くなります。

機械工、エンジニア、製造業者のいずれであっても、機械加工のチャタリングとは何か、その原因は何なのか、そしてそれを防ぐ方法を理解することは、効率を向上し、コストを抑えるために不可欠です。

この記事では、チャタリングとは何か、その主な種類、その影響について概説し、チャタリングを軽減または排除するための実用的な手順を示します。

機械加工におけるチャタリングとは何ですか?

機械加工におけるびびりとは、切削工具とワークが互いに接触する際に発生する不要な振動を指します。この振動は、回転ごとに切削力を変化させ、部品表面にノイズや波状の跡として現れます。機械工は、切削中にびびりを「ブーン」という音や「ガラガラ」という音として聞き取ります。また、金属、プラスチック、複合材などの部品に現れる小さな隆起や波紋として目視で確認することもできます。

びびり振動を簡単に説明すると、工具が材料に「食い込む」と、ワークを一方方向に押します。その後、工具はわずかに持ち上がり、再び接触してワークを押し戻します。工具や部品に柔軟性がある場合、このような往復運動が蓄積される可能性があります。時間の経過とともに振動が増大し、刃先が表面をスムーズに切削するのではなく、スキップしたり跳ねたりするようになります。

チャッターが重要な理由

機械加工におけるびびりは、生産サイクルのあらゆる段階に悪影響を及ぼします。振動により、刃先がワークに不均一に当たるため、工具寿命が短くなります。また、びびりは機械のベアリングやガイドの摩耗を早め、修理費用とダウンタイムを増加させます。びびりは完成品に目に見える波紋を残し、公差が範囲外になることもあります。

チャタリングが発生すると、チームは送り速度を落としたり、調整のために機械を停止させたりせざるを得なくなります。チャタリングは不良率を高め、全体的な効率を低下させる可能性があります。また、作業場の騒音を増加させ、オペレーターの疲労やストレスの原因となることもあります。そのため、ほとんどすべての工場において、チャタリングは時間、費用、そして品質の損失につながります。

チャタリングの主な種類

機械加工におけるチャタリングは、共振チャタリングと非共振チャタリングの 2 つの主な形式で発生します。

共鳴するおしゃべり

共振びびりは、切削システムが工具・ホルダー・ワークピースアセンブリの固有振動数で振動するときに発生します。この共振により、主軸速度が臨界値に達すると振動が急速に増大します。

非共鳴チャタリング

非共振びびりは、工具の鈍化やワーク表面の凹凸などの不規則性によって増大します。非共振びびりは通常、一定の振幅で推移し、工具の曲がりやベアリングの摩耗といった機械的な問題に起因することがよくあります。

チャタリングの発生源：工具とワークピース

加工時のびびりは、その発生源に基づいて、工具起因のびびりとワーク起因のびびりの2つのカテゴリーに大別されます。それぞれの種類によって発生の仕方が異なり、異なる解決策が必要となる場合があります。

チャタリングタイプ	どのように発生するか	これが発生した場合
ツールビビリ	切削工具自体は負荷がかかると振動し、その振動をワークピースに伝えます。	大量の材料を除去する切削中。
ワークのびびり	ワークピースは固定具上で移動したり曲がったりして振動し、切断プロセスに戻ります。	壁が薄い場合や、しっかりと固定されていない部品の場合。

1. ツールによるチャタリング

工具のチャタリングは、切削力によって工具が振動することで発生します。工具は振動をワークピースに伝え、工具の長さや径によってセットアップの剛性が低下すると、振幅が増大する可能性があります。振動によって工具がワークピース表面に対して滑り、通過するベーンごとに振動エネルギーが増加します。

一般的な原因は次のとおりです。

• 簡単に曲げられる長くて細いツール
• 切れ味が鈍い、または不均一に摩耗した刃先
• ツールホルダーの剛性が低い

2. ワークピースによるチャタリング

ワークのチャタリングは、ワークがしっかりと保持されていない、または肉厚が薄い場合に発生します。ワークは切削力によってたわみ、そのたわみが工具に伝わります。保持装置によって支持されていない部分が残ったり、クランプが不均一だったりすると、振動が悪化する可能性があります。

一般的な原因は次のとおりです。

• 不適切なクランプまたは固定具
• 薄いまたは柔軟なワークピース
• 不適切な加工方向

チャッターを無視した場合の結果

チャタリングを放置すると、連鎖的に悪影響が生じます。以下では、振動が効率、品質、そして費用対効果を低下させる主な要因について説明します。

工具寿命の短縮

チャタリングの繰り返しの衝撃により、刃先が削られてしまいます。 CNCマシンオペレーター 工具の摩耗は摩擦だけによるものだと考える人もいるかもしれませんが、振動によるハンマーのような打撃は、刃先をはるかに早く鈍らせます。工具が破損したり、微小な亀裂が生じて突然破損することもあります。

機械の摩耗の加速

この 機械スピンドル振動がシステムに入ると、ベアリングやスライドはすべて余分なストレスにさらされます。時間の経過とともに、ベアリングに遊びが生じ、スライドの精度が低下し、リニアモーションシステム全体の早期交換またはオーバーホールが必要になる場合があります。機械のメンテナンスにかかる隠れたコストは、廃棄部品の原価をはるかに上回る場合があります。

表面粗さと視覚的欠陥

チャタリングは、フライス加工された木材や金属の表面に、しばしば「チャタリングマーク」と呼ばれる特徴的な波模様を残します。 回転部品これらのパターンは表面粗さの数値を悪化させ、次のような二次仕上げ工程が必要になる場合があります。 研削, ホーニングまたは 研磨 仕様を満たすために、追加の作業ごとに労力、時間、コストが増加します。

寸法精度の低下

工具がコースから外れると、様々な箇所で切削が深すぎたり浅すぎたりすることがあります。プログラムされたパスからの逸脱は、寸法公差外につながります。その結果、オペレーターは生産を行う代わりに、不良品の測定や機械のトラブルシューティングに時間を費やすことになります。

チャタリングを減らすにはどうすればいいですか?

CNC機械加工店 チャタリングを抑制するには、プロセス調整、ハードウェアの選択、メンテナンス手順を組み合わせることができます。以下に、実証済みの6つの方法をご紹介します。

ワーク保持装置の選択と配置

• 固定具を使用する: 頑丈なバイス、精密油圧チャック、またはしっかりとした造りの 治具 プレートはセットアップの柔軟性を低下させます。オペレーターは、すべての クランプ、ボルト、または真空パッドが均一な圧力を加えます。
• 薄壁をサポート: 長尺または薄尺のワークピースの場合、低密度フォームや金属シムなどの充填材を追加して壁面を補強することができます。テールストックまたは移動振れ止めは、長いワークピースの支持力を高め、自由端のバタつきを防ぎます。
• 位置合わせを確認してください: あらゆる工作機械は時間の経過とともに摩耗します。オペレーターは、治具とスピンドル軸が直角になっていることを確認する必要があります。わずかなずれでも、不要なモーメントが発生し、振動が悪化する可能性があります。

効果的なツールパスの計画

• ダウンカットミリングを優先: ダウンカット（ダウンカット）ミリングでは、切削力がワークを治具に押し付けます。このアプローチにより、ワークの安定性が向上し、ワークの浮き上がりや振動の可能性が低減されます。
• ステップオーバーとステップダウンを最適化します。 CAMソフトウェア 生成できる ツールパス 一定の噛み合い角を維持するトロコイド加工や高効率フライス加工戦略を採用する必要があります。これにより、カッターは一度に薄い材料片のみを切削し、一定の力を維持します。
• 急激な方向転換を避ける: 急なコーナーや急激な送り反転は振動を引き起こす可能性があります。加工者は、小さなフィレット加工やランピング加工などにより、加工経路を滑らかにする必要があります。

適切な機械のセットアップとメンテナンスの確保

• 機械を水平にして固定する: 作業場の床は、ひび割れのない平らでしっかりとしたコンクリートでなければなりません。技術者は機械の水平調整を行い、必要に応じて床アンカーにボルトで固定する必要があります。
• スピンドルベアリングの検査: スピンドルの緩みや摩耗は、チャタリングの問題を悪化させます。メンテナンスチームはベアリングの振れを確認し、劣化する前に交換する必要があります。
• ボールねじとウェイの潤滑： スライド面が乾燥したり汚れたりすると、摩擦が増加し、動きが不均一になります。メンテナンススケジュールには、メーカー推奨のグリースまたはオイルによる定期的な潤滑を含める必要があります。
• 振動の傾向を監視する: 現代の工場では、スピンドルやツールホルダーに加速度計やプローブ式振動センサーを設置しています。メンテナンス管理者は、振動レベルを経時的に追跡し、チャタリングが深刻化する前に予防的な修理計画を立てることができます。

切削パラメータの最適化

プロセス エンジニアは、パラメータの最適化を通じてチャタリングを削減する主な役割を担います。

• 主軸速度エンジニアは、工具・ホルダー・スピンドルシステムの共振点に達する速度を避けるべきです。エンジニアは速度を±5%変化させて、振動が減少するかどうかを確認できます。また、最新のCAMパッケージの可変速度制御を使用して、共振領域をスキップすることもできます。
• 送り速度: エンジニアは、各切れ刃の接触時間を短縮するために、回転あたりの送り量を増やす必要があります。エンジニアは、送り量と仕上げの要件のバランスを取る必要があります。
• 切り込みの深さ切削幅を狭めると安定性に大きな影響が出るため、エンジニアはまず半径方向の切削深さを減らす必要があります。機械のトルクが許す限り、軸方向の切削深さを高く保つことができます。

下の表は、フライス加工における一般的な材料のスピンドル回転数と送り量の目安を示しています。ご使用の機械の出力と剛性に応じて調整してください。

材料	カッター径	スピンドル速度（RPM）	歯当たりの送り量（mm/歯）
アルミニウム合金	10 mm	8,000	0.02
鋼（HRC 30）	10 mm	4,000	0.01
ステンレス鋼	10 mm	3,500	0.008
鋳鉄	10 mm	5,000	0.015
真鍮	10 mm	10,000	0.03

適切な切削工具の選択

ツールの選択もチャタリングに影響します。

• ツールジオメトリ: 工場長は、被削材に適した形状のカッターを指定する必要があります。カッターの形状は、スムーズな切削片排出を促進し、切削抵抗を最小限に抑える必要があります。
• ツールコーティング: エンジニアは、摩擦を低減し、刃先を保護するために、TiN、AlTiN、DLCなどのコーティングを使用する必要があります。コーティングは工具の鋭利性を長く維持し、振動のピークを抑えます。
• 工具長さ対直径比: プランナーは、この比率を可能な限り低く抑える必要があります。プランナーは、アセンブリの剛性を維持するために、切断部に到達する最短の工具を使用する必要があります。
• ツールのメンテナンス: 作業者は各作業の前に工具の摩耗を点検しなければなりません。工具が鈍くなっている兆候が見られた場合は、交換または再研磨する必要があります。

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まとめ：

機械加工におけるびびりは、工具寿命から機械の健全性、最終的な表面品質に至るまで、工場のパフォーマンスのあらゆる側面に影響を及ぼします。びびりの根本原因（再生型または強制型）を理解することで、加工者は切削パラメータ、工具選定、機械のセットアップについて適切な判断を下すことができます。定期的なメンテナンス、慎重なワーククランプ、そして適切なCAM設定は、不要な振動の防止にさらに役立ちます。

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