スタイラスの素材はより軽く、より硬く、より硬くなりました

Dec 08, 2023

三次元測定機 (CMM) や工作機械のスタイラスのカタログを参照すると、選択できるさまざまな材料が表示されます。 もちろん、ルビー ボール、超硬シャフト、ステンレス鋼ベースなどの古いスタンバイはまだ存在します。 しかし現在では、窒化ケイ素、ジルコニア、スチール、ダイヤモンド、カーボンファイバー、セラミック、チタンなどが見つかります。 このため、その仕事に最適な素材について多くの疑問が生じます。 この記事では、素材とそのメリットとデメリットについて説明します。

市場の進化に対応して、CMM と工作機械のスタイラスは軽量化、剛性化、耐摩耗性の向上が進んでいます。

現在、CMM または工作機械のプローブ用のスタイラスを選択する際には、材料の選択肢が数多く存在します。

特定の用途に最適な選択がわからない場合は、スタイラスの製造元に問い合わせてアドバイスを求めてください。

最初の CMM では、硬化鋼製の手動位置決めスタイラスが使用されていました。 当時、スタイラスのデザインは、スチール製のステムにろう付けされたスチール製のボール、スチール製のシリンダーの半分、そして中心点を素早く見つけるために穴に押し込まれるように設計されたスチール製のコーンに限定されていました。 オペレータはスタイラスを表面や端に当てて保持するか、穴に押し込み、フット スイッチを踏んでその位置を記録します。

プローブ システムは急速に改良され、スタイラスも同様に改良されました。 初期のタッチトリガープローブは、現在使用されているものと同様のボールスタイラスを使用していました。 ボールはスチール製で、シャフトにはネジがありませんでした。 ネジ山の代わりに、止めネジがシャフトを所定の位置に固定しました。 今日よく知られている、ボール、ステム、ネジ付きベースで構成される 3 ピースのスタイラスは、CMM や工作機械でのタッチ トリガー プローブ ヘッドの普及に伴って 1980 年代に登場しました。

ルビーは今でも、ほとんどの CMM および工作機械用途で選ばれるボール材料です。 ルビーボールは比較的安価で、耐摩耗性に優れています。 炭化タングステンは、その固有の剛性により、スタイラスのシャフトまたはステムに最もよく使用されます。 ステンレス鋼はねじベースの最も一般的な材料です。

では、新しい素材は一体何なのでしょうか？

測定およびプローブ システムが進化するにつれて、スタイラスの要件も進化しました。 今日のプローブ システムの多くは、スタイラスの長さと重量に制限を設けています。 これらの制限により、十分な剛性を備えた軽量化材料の必要性が生じます。 特定の CMM は工場現場で動作するように設計されています。 これらには、温度変動に強い工具が必要です。 手動式の CMM「アーム」は、今日の製造および検査分野で一般的です。 これらの手動 CMM には、手動での使用に耐えられる素材で作られた頑丈なスタイラスが必要です。

一方、工作機械のスタイラスには、いわゆる「メカニカルヒューズ」が組み込まれています。 ほとんどの工作機械のスタイラスは、機械やプローブ ヘッドの損傷を避けるために、衝突時に壊れるように設計されています。

医療部品や電子部品のサイズが縮小するにつれて、スタイラスも縮小します。 少し前までは、1.5 mm 未満のボールを備えたスタイラスは珍しいものと考えられていました。 それらは壊れやすく、調整が難しいと考えられていました。 今日ではそれらは当たり前のことになっています。 この拡大する分野に対応するために、直径 0.2 mm (0.008 インチ) のボールを備えたスタイラスが最近導入されました。これを考慮すると、0.2 mm のボールはこの文の最後にあるピリオドよりも小さいことになります。

これらの変化は、進化する要件を満たすために新しい材料の導入を引き起こしました。 ここでは、スタイラスの主要コンポーネントを構成する材料の概要を示します。1) ボール、2) ステム、3) ネジ付きベースです。

ボール

合成ルビー製のボールは業界標準です。 ルビーはダイヤモンドに次いで硬度が高く、耐摩耗性に優れています。 ルビーは摩擦係数が比較的低いため、連続接触プローブまたは「スキャン」を伴うアプリケーションに適しています。 ただし、未処理のアルミニウムをスキャンすると、ボールの表面にアルミニウムが蓄積する傾向があり、それ以上の使用には適さなくなります。 さらに、研磨面によりルビー ボールに平らな部分が摩耗する可能性があります。 このような用途には窒化ケイ素ボールをお勧めします。

窒化ケイ素は、主にボールベアリングに使用される非常に硬い工業用セラミックです。 窒化ケイ素ボールは球面精度に加えて高度に研磨されています。 欠点は、機械加工が難しく、スタイラスに使用するルビー ボールよりも高価になることです。 窒化ケイ素ボールスタイラスは、特に未処理のアルミニウムの場合、繰り返しのプロービングを伴う生産用途に適しています。 また、侵食加工 (EDM) によって生成された表面などの研磨面にも非常に適しています。 ほとんどの用途では、窒化ケイ素ボールはルビー ボールよりも長持ちします。 鋳鉄を除くほぼすべての材質に適しています。

ジルコニアは、鋳鉄をプローブする場合に最適なボール素材です。 ジルコニアは硬く、高度に研磨されたセラミックです。 ジルコニアの機械的特性は、鋳鉄での使用にルビーや窒化ケイ素よりも適しています。

場合によっては、スタイラスは導電性でなければなりません。 この場合は超硬球または焼入れ鋼球が必要となります。 鋼球は超硬球よりも幅広い直径で入手できることが多く、通常は安価です。 したがって、スタイラス全体に電流を流す必要がある場合には、多くの場合、硬化鋼球が最良の選択となります。

ボール直径が 8 ミリメートルを超えるセラミック (アルミナ) ボールが一般的です。 セラミックはスチールやカーバイドよりも軽いです。 高度に研磨されており、耐摩耗性があります。 直径が 8 ミリメートルを超えるセラミック ボールは、同等のルビー ボールよりも安価です。 ただし、セラミック ボールは、多くの場合、ルビー ボールよりも低いグレードの真球度で製造されます。 一般的な 10 mm のセラミック ボールはグレード 25 の真球度に研磨されますが、一般的なルビー ボールはグレード 10 になります。ただし、ルビー ボールの方が高価です。 これらの大口径ボールでは、価格と精度の間でトレードオフが生じます。

ダイヤモンドボールは約10年前に登場しました。 初期の製品はサイズが限られており、価格は驚くほど高かった。 もちろん、ダイヤモンドは既知の物質の中で最も硬い物質です。 ルビーと同様に、ラボラトリー グロウン ダイヤモンドはダイヤモンド ボールの作成に使用されます。 CMM などの接触測定装置で使用しても、ダイヤモンド ボールは摩耗しません。 ダイヤモンドのボールのサイズは少し大きくなりましたが、価格はルビーや窒化ケイ素に比べて依然として高価です。

幹

炭化タングステンは、スタイラスのステムに最も一般的に使用される材料です。 超硬は比較的加工が容易で剛性に優れています。 非常に小さな直径まで研削することができます。 ただし、重いため、スタイラスの重量に敏感な高性能プローブ システムと矛盾することがよくあります。 それにも関わらず、今日製造されているほとんどのスタイラスでは依然として超硬が選択される材料です。 直径 0.2 mm ～ 1.5 mm のボールを使用する場合、超硬が唯一の選択肢です。

スタイラスの重量が懸念される場合は、カーボンファイバーをお勧めします。 カーボンファイバーは軽量かつ剛性に優れています。 熱変動に対する耐性があり、製造現場では望ましい特性です。 カーボンファイバーは通常、非常に長いスタイラスに適しています。 ただし、カーボンファイバーの欠点は、長くて細いシャフトで発生する曲がりです。 このような場合、軽量化と剛性の向上を図るために、カーボンファイバーの代わりにセラミックステムを提案することがよくあります。

セラミックステムは工作機械のプローブシステムでよく使用されます。 セラミックステムは、衝突の際にスタイラスが最初に破損することを保証し、プローブヘッドや工作機械への損傷を防ぎます。 セラミックは軽くて硬くてもろい性質があります。 150 mm を超えるセラミックシャフトを使用したスタイラスは折れやすくなります。 150 mm を超える軽量ステムにはカーボンファイバーが最適です。

ステンレス鋼のステムは製造が簡単ですが、たわみやすいです。 たわみや曲がりは、通常、精密測定では許容できません。 ステンレススチールのステムは一枚の鋼材から機械加工されていますが、性能よりもスタイラスのコストが重要な場合を除き、お勧めしません。

一部のお客様は非磁性スタイラスを必要としています。 硬質陽極酸化アルミニウムのネジ山付きベースを備えたセラミックまたはカーボンファイバーのシャフトが必要です。 ただし、ベースがアルミニウムであるため、ネジのサイズには制限があります。

スレッドベース

ステンレス鋼はネジ付きベースとして最も一般的な選択肢です。 安価で加工が容易なため、コスト削減に貢献します。 しかし、ステンレス鋼はアルミニウムやチタンより重いため、重量に敏感なプローブシステムでの使用には望ましくありません。

チタン製スタイラスベースの需要が高まっています。 チタンはステンレス鋼よりも高価で機械加工が難しいため、スタイラスの価格が高くなります。 それにもかかわらず、チタンはネジ付きベースとしては優れた選択肢です。 軽量で耐摩耗性があり、熱的に安定しています。

アルミニウムはチタンやステンレスよりも軽いです。 安価で加工も簡単です。 しかし、アルミニウムは柔らかく、熱変動の影響を最も受けます。 アルミニウムベースは非常に柔らかいため、より大きなネジサイズに制限されます。 スタイラスの重量が問題であり、周囲温度が比較的安定している場合には、アルミニウムが適しています。

すべてを一緒に入れて

市場の進化に対応して、CMM と工作機械のスタイラスは軽量化、剛性化、耐摩耗性の向上が進んでいます。 現在、CMM または工作機械のプローブ用のスタイラスを選択する際には、材料の選択肢が数多く存在します。

特定の用途に最適な選択がわからない場合は、スタイラスの製造元に問い合わせてアドバイスを求めてください。 彼らは、どの材料が最も効果的で、どの材料を避けるべきかを知っています。 推薦を求めてください。

最後に、ユーザーからのフィードバックはメーカーにとって非常に役立ちます。 特定のスタイラスの性能が優れている場合は、その情報をそのスタイラスに伝えます。 スタイラスに過度の磨耗やその他の問題が発生している場合は、そのことについてもメーカーに知らせてください。

材料の物理的特性は 1 つのことです。 実際の経験はまったく異なるものになる可能性があります。 スタイラスのメーカーはお客様と協力して、測定プロセスの最適化を支援できます。 結局のところ、今は選択肢がたくさんあります。

マーク・オスターストックQ-Mark Manufacturing Inc. の社長です。詳細については、(949) 457-1913 に電話するか、[email protected] に電子メールを送信するか、www.cmms.com をご覧ください。