マシニングセンタの基礎講座
5-1 主軸の性能(基底回転数)
マシニングセンタのカタログや取扱説明書を見ると色々な細目について記載されています。この中で主軸の性能は切削工具の選定や切削条件の設定の基準になる大変重要な情報です。たとえば図のように、電動機(30分/連続)15/11kW、トルク(25%ED、連続)45.7/31.3N・mと記載されていたとします(数値は一例です)、
動力とトルクの表記
電動機(30分/連続) | 15/11kW |
トルク(25%ED/連続) | 45.7/31.1N・m |
表記の見方として、電動機は動力(主軸を回転させるために必要なエネルギ)を表しており、この電動機(モータ)の場合、30分であれば15kWの動力、連続運転であれば11kWの動力で使用できるという意味を示します。
トルクは主軸を回転させるための力で、EDは「負荷時間率」といい、1サイクルあたりの運転時間(通電時間)を百分率で表したものです。例のように「25%ED」という記載では、たとえば1サイクル5分の場合、1分は停止しなければいけないという意味になります。つまり、この例では25%EDの条件では45.7N・mまで使用でき、連続運転であれば31.3N・mまで使用できるという意味を示します。
ED(負荷時間率)
EDは負荷時間率といい,1サイクルあたりの運転時間(通電時間)を百分率で表したもの
ED=(t1/t0)x100
(例)t1=5秒、t0=20秒なら25%EDとなります。
%ED=(5/20)×100=25
次に、主軸特性を示すグラフの見方です。動力は回転数が高くなると上昇し、一定の回転数に達すると安定することがわかります。動力が安定する回転数を「基底回転数」といいます。大前提として、1分間あたりの切りくず体積と切削動力は相関関係にあるため、切削条件(回転数、送り速度、切り込深さ)を設定する場合には、連続運転が可能な動力未満になるように考慮することが大切です。また、たとえば、正面フライスを使って平面加工する場合、大径の正面フライスでは回転数が低くなるため、使用できる動力も低くなりますが、小径の正面フライスでは回転数が高くなるため、使用できる動力も高くなります。つまり、小径の正面フライスを使ったほうが1分間あたりの切りくず体積を大きくすることができることがあります。切削工具の大小だけで1分間あたりの切りくず体積を考えてはいけません。
一方、トルクは回転数が基底回転数未満で安定し、基底回転数を越えると徐々に減少することがわかります。ボーリング加工など大径の切削工具を使う場合には、切削トルクが主軸の所有するトルク未満になるようにしなければ、加工中主軸が停止してしまいます。トルクは大径の切削工具が使用できることを換言したもので主軸剛性の指標となります。
動力とトルクの関係
『マシニングセンタの基礎講座』の目次
第1章 マシニングセンタの基礎知識
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1-1マシニングセンタとは?私たちの身の回りには色々な「もの(モノ)」が溢れています。
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1-2NCフライス盤とマシニングセンタの違いボール盤や旋盤、フライス盤、研削盤などは人の手でハンドルを回し、操作する工作機械です。
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1-3マシニングセンタの基本的な構造私たちの人間は体幹を鍛えることによって運動能力を高めることができます。
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1-4マシニングセンタの構造と種類マシニングセンタは主軸の向きや構造、駆動する軸の数によって、(1)立て形、(2)横形、(3)門形、(4)5軸の4つに大別されます。
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1-5直線軸とは?(右手の法則その1)マシニングセンタは切削工具(主軸)や工作物の位置を座標値(NCプログラム)で指令して操作するため、マシニングセンタを操作する場合には座標値の軸となる座標系について知っておかなければいけません。
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1-6回転軸とは?(右手の法則その2)マシニングセンタはX軸、Y軸、Z軸の直線3軸によって工作物の面に対して直角や平行な加工(たとえば平面加工、溝加工、穴あけ加工など)を行うことはができますが、斜めや曲面の加工を行うことはできません。
第2章 マシニングセンタの装備
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2-1自動化の仕組み:ATC(オートマチック ツール チェンジャ、自動工具交換装置)ATCはAutomatic Tool Changerの頭文字を取った略称で、自動工具交換装置のことです。
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2-2自動化の仕組み:APC(オートマチック パレットチェンジャ、自動パレット交換装置)APCはAutomatic pallet Changerの頭文字を取った略称で、自動パレット交換装置のことです。
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2-3切りくず回収の仕組み:チップコンベア機械加工は工作物の不要な箇所を削り取り、目的の形状をつくる加工法です。削り取った箇所は切りくずとなって排出されるため、視点を変えると、機械加工は切りくずをつくっているといっても過言ではありません。
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2-4回転テーブルのしくみ回転テーブルは電子レンジや中華料理のテーブルのように円形で1軸の回転機能を持つテーブルです
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2-5ツーリングとは?ツーリングは主軸と切削工具を繋ぐインタフェイスですから、マシニングセンタの主軸との締結剛性、切削工具との締結剛性の両方が大切です。
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2-6ツーリング(シャンクの種類:BT、BBT、HSK、CAPTO)正面フライスやエンドミル、ドリルなど切削工具は工作機械(マシニングセンタ)の主軸に直接取り付けることはできず、ツーリングを介して主軸に取り付け付けます。
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2-7ツーリング(ホルダの種類)ツーリングは主軸と切削工具を繋ぐインタフェイスですから、マシニングセンタの主軸との締結剛性、切削工具との締結剛性の両方が大切です。
第3章 マシニングセンタを動かすソフトウエア
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3-1NCプログラム(インクレメンタルとアブソリュート)マシニングセンタを動かすためのプログラムをNCプログラムといいます
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3-2NCプログラム(機械原点とワーク原点)マシニングセンタを自動で動かすためにはNCプログラムを作成する必要があります
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3-3工具長補正と工具径補正マシニングセンタは自動工具交換機能(ATC)を備え、正面フライスやエンドミル、ドリル、タップなど加工目的に応じた色々な切削工具を使い分けながら加工を進めます。
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3-4NCプログラムの構成図にNCプログラムの例を示します。NCプログラムの先頭と最後には「%」を入力します。
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3-5NCプログラムの各種機能マシニングセンタなどNC工作機械を動かすためのプログラムを「NCプログラム」といいます。
第4章 マシニングセンタの要素技術
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4-1主軸の駆動方式マシニングセンタは切削工具(刃物)を取り付けた主軸を高速に回転させることによって工作物を削ります.
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4-2主軸の軸受マシニングセンタの主軸の性能は主軸を支える軸受が大きく影響します
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4-3直線運動の駆動方式マシニングセンタのテーブル,サドル,コラム,主軸頭の運動部の駆動方式は主として,(1)ACサーボモータとボールねじの組み合わせと,(2)リニアモータの2種類に大別されます.
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4-4案内方式の種類(すべり案内,転がり案内,静圧案内)マシニングセンタのテーブル,サドル,コラム,主軸頭などの運動部の案内方式は主として?すべり案内,?転がり案内,?静圧案内の3種類があります.
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4-5構造の空間精度を向上させる「きさげ加工」マシニングセンタの本体構造であるベッド(土台)とコラム(支柱)は多くの場合,ねじ(ボルト)で締結されて固定されています.
第5章 マシニングセンタの特性と関連知識
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5-1主軸の性能(基底回転数)マシニングセンタのカタログや取扱説明書を見ると色々な細目について記載されています.
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5-2運動軸の制御方式近年のマシニングセンタは0.001mmや0.0001mmの単位まで座標値を指令することができますが,指令した座標値と実際の座標値がホントに一致しているのか疑問に思ったことはないでしょうか?
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5-3象限突起とスティックスリップマシニングセンタで円を加工すると,象限が変わる際にボコッと小さな突起が発生することがあります.
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5-4加速度と加加速度主軸頭やテーブルなど運動体の切削送り速度が速いほど加工時間が短くなるため生産性が向上します.切削送り速度の最高速度はマシニングセンタに求められる重要な性能で,切削送り速度が速いほど「俊敏性が良い」と表現されます.
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5-5母性原理マシニングセンタは高速に回転する切削工具で,工作物の不要な部分を除去し,所望の形状を創製する工作機械です.
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5-6地耐力家を建てるとき,地面にコンクリートの基礎をつくります.基礎は家の重みを均一に分散さえることによって,地面が沈下し,家が傾かないようにするための働きをします.
第6章 マシニングセンタを使用する際の基礎知識
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6-1暖機運転私たちは運動する前,準備運動を行い,血液の循環を良くし,身体を温めます(ほぐします).一方,準備運動を行わず急に身体を動かすと,本来の運動能力を発揮できないばかりか,怪我の原因にもなります.
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6-2荒加工,中仕上げ加工,仕上げ加工機械加工(工作機械を使った加工)は図面に指示された範囲内に寸法精度(寸法許容差),表面粗さ,幾何精度(平面度,直角度,平行度,同心度など)を仕上げなければいけません.量産加工では加工精度の安定性(バラツキが小さいこと)も必要です.
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6-3潤滑油の種類と性能マシニングセンタは電源を入れると,ボールねじや各部(テーブル,サドル,コラム,主軸頭)の摺動面(すべり面)に自動で潤滑油が供給される仕組みになっています.
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6-4切削油剤の役割と求められる性能機械加工は切削工具で金属(工作物)の不要な部分を切りくずとして除去しますが,切りくずには大きな変形が生じます.
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6-5切削油剤の種類その1(不水溶性切削油剤)切削油剤の種類は原液のまま使用する「不水溶性切削油剤」と,水に希釈して使用する「水溶性切削油剤」の2つに大別されます.
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6-6切削油剤の種類その2(水溶性切削油剤)水溶性切削油剤は水に希釈して使用するため冷却性に優れ,発火の危険性がなく,無人・自動運転に適しています.
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6-7水溶性切削油剤の管理夏の暑い時期になると生産現場に切削油剤特有の匂いが漂うことがあります.この匂いは水溶性切削油剤に含まれる添加剤が微生物(バクテリア)の栄養源になり,水溶性切削油剤が劣化・腐敗することによって生じます.