ホイールアーバーがグラインダーの性能に与える影響

Jan 27, 2024

精密研削加工は、円筒外面研削（OD）、内面研削（ID）、平面研削、クリープフィード研削など、厳しい公差の寸法と低 Ra 表面仕上げ要件を必要とするすべての用途に対応します。 これらの作業に使用される砥石は、さまざまな形状やサイズの従来の酸化アルミニウムまたはセラミック砥石が使用される傾向がありますが、用途に応じて超砥粒ダイヤモンドや cBN 砥石も使用できます。

これらの用途では、スピンドルの延長として研削クイルまたはホイール アーバーも必要になる場合があります。 ホイール アーバーを使用すると、機械のセットアップの柔軟性が向上し、多くの場合、ワークピース上のさまざまなフィーチャにホイールが到達する能力が向上します。 ホイール アーバーは高度にカスタマイズ可能で、公差が厳しいため、適切に設計されたホイール アーバーは剛性が高く、バランスが取れている必要があります。 アーバーは精密研削盤のセットアップにおける最も基本的なコンポーネントの 1 つであり、正しく設計されていれば、精密研削性能を向上させるためのコスト効率の高いソリューションとなることがわかります。

ほとんどのエンジニアはその重要性を理解していますが、ホイール アーバーが研削プロセスの最適化に与える影響を認識している人はほとんどいません。 誤った研削プロセスを修正しようとする場合、または単に結果を改善したい場合、ほとんどのエンジニアは速度、スループット、砥石および材料を再評価します。 多くの新しい用途では、ホイール アーバーは見落とされがちな振動源であり、ワークピースの品質低下の一因となる可能性があります。 この記事では、ホイール アーバーが精密グラインダーのパフォーマンスにどのような影響を与える可能性があるか、また改善のためにどのような手順を実行できるかを説明します。

精密研削用途では、最適な性能と結果を得るために機械の剛性が不可欠です。 剛性が不十分な場合、研削される材料の表面にビビリマークが発生する可能性があります。 機械の剛性が高くなると、送り速度が速くなり、サイクルタイムが短縮され、研削ゾーンの安定性が向上します。 これにより、ホイールの寿命、精度、生産性が向上します。

機械コンポーネントの剛性には 2 つのタイプがあります。 静的剛性は N/mm で計算され、ほぼ静的な荷重下でのコンポーネントの剛性を表します。 動的剛性も N/mm で計算され、剛性を減衰と質量の効果に関連付けます。通常、固有振動数または最も弱い振動モードで最小になります。 この結果は通常、静的剛性の 1/4 ～ 1/2 です。

研削システムの剛性を左右する主なコンポーネントは、機械、部品、治具、砥石です。 しかし、システムの剛性は最も弱いコンポーネントと同程度であり、一部の研削プロセスではホイール アーバーがワークピースの形状に到達するまでに長くする必要があるため、ホイール アーバーが最も弱い部分になる傾向があります。 ホイール アーバーの主な性能要素は、材質、直径、長さの 3 つです。

ホイール アーバーは、用途に応じて、次の 3 つの材料のいずれかで作られる傾向があります。

多くの場合、長いホイール アーバーは内径研削に関連付けられていますが、一部の OD およびクリープフィード研削プロセスでは、クリアランスの問題に対処するために延長アーバーを使用し始めています。 ID 研削では通常、最長の長さ対直径の比率が必要です。 部品のクリアランスに応じて、より小さな直径の超砥粒ホイールを使用すると、より大きな直径のアーバーの使用が可能になります。 また、超砥粒ホイールの摩耗率と寿命は従来の砥粒の摩耗率と寿命を上回る傾向があるため、部品ごとの全体的なホイール寿命は同等に保つことができます。 クーラントの用途によって最適化されたアーバーの長さおよび/または外径が制限される場合は、スピンドルまたは部品治具を介したクーラントの供給が役立ちます。

経験豊富なオペレーターや製造エンジニアは、アーバーが短いほど研削が向上することを知っていますが、どれほど優れているかを知ると驚くかもしれません。 長さ 50 mm のアーバーは 100 mm のアーバーの 2 倍の剛性があると思われるかもしれませんが、実際には、ホイール アーバーの剛性は長さまたは外径とともに指数関数的に変化します。 アーバーの外径を 10% 増やすと静的剛性は 46% 増加し、長さを 10% 減らすと静的剛性は 37% 増加します。 直径 25 mm、長さ 100 mm のシャフトを備えたスチール アーバーの静的剛性は 12,000 N/mm、長さ 50 mm のシャフト = 96,000 N/mm です。つまり、短いアーバーの方が 8 倍剛性が高くなります。

ホイール アーバーの剛性とそれに関連するビビリの問題を軽減するには 3 つのオプションがあります。 最も簡単で費用対効果の高いオプションは、ホイール アーバーを短くしてみることです。 回避策が可能な場合もありますが、短いアーバーの方が最適である場合に、便宜上既存のアーバーを使用する場合があります。 必要なアーバーの剛性と長さを計算すると、正しいサイズのアーバーが使用されていることを確認できます。

アーバーの長さと直径の最大推奨比率は 5:1 です。 それより大きい比率は、作動ホイール速度に達する前にアーバーの固有振動数に達する危険性があります。 アーバーが短くなり剛性が高まると、機械の固有振動数が主軸速度に近づく可能性が減り、ワークピースにびびりとして現れる固有振動数の振動が発生しにくくなります。

アーバーの重量を減らすと動的剛性の周波数も変化しますが、これはさらに問題となる可能性があります。 外形サイズを変えずに固有振動数を変更することが目的の場合、アーバーの中心に外径の 50% の穴を開けると、動的剛性を高めることができます。 これは重量を 25% 減らすことで達成されますが、静的剛性は 10% 低下するだけです。

最後の手段として、アーバーの材質を変更することで剛性を向上させることができますが、コストが高くなり、必要な結果が得られない可能性があります。 たとえば、ホイールアーバーをスチールから超硬に切り替えると、静的剛性が最大 3 倍増加します。 ただし、カーバイドの重量増加と減衰特性の低下により、動的剛性が鋼製アーバーの正味増加がほとんどなくなるまで低下する可能性があります。 カーボンファイバーやスチールなどの軽量の新しい素材は、静的剛性と動的剛性の両方を向上させるため、より良い選択肢になる可能性がありますが、このソリューションにはより高いコストがかかります。 アーバーの長さが推奨される最大の 5:1 比まで増加すると、エキゾチック材料の増加した剛性は減少します。

グラインドアーバーの長さと直径の比率の最適化は、エンドユーザーがグラインダーに行える数少ない変更の 1 つであり、比較的低コストで静的および動的剛性を高め、研削性能を向上させます。

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