ツーリングに対するスピンドル回転数の制限について

質問

BT40のマシンです。
ハイドロチャックのホルダーに先端チップタイプの超硬シャンクφ20突出し長さ160でくわえた状態で、主軸回転の暖気を行いました。
暖気運転はS5000～S20000まで行われます。
S16000あたりで、ツールが大きく振れてしまったのか、ホルダーごと破損してしまいました。
（主軸自体も変な音がするようになってしまいました。）

この突出し長さの物を、こんなに高回転で回してはいけないということはわかりましたが、これって常識なのでしょうか？（まわりから散々言われました。）

でも、ホルダー自体は3万回転OKだし。シャンクや突出しに対しての、
回転数に対する制約はカタログ等確認してみましたが、載っていません。

気を付けるにしても、どのように気を付ければ良いのでしょうか？
工具径、突出し量に対する限界回転数の目安みたいなものは存在するのでしょうか？
それとも、経験から判断するしかないのでしょうか？

スピンドル回転数を上げる事がとても不安に感じるようになってしまいました・・・

アドバイスいただければ嬉しいです。

回答No.11

noname#230359

ふう
突き出し長くったって
心が出てれば回るよ
ってことなんだが

30000rpmだって回りますよ

突き出し100でR2のボール30000rpmで回し加工は普通にしてましたよhttp://www.sodick.co.jp/product/machining/hs430l.html#FEATURE

その言い回しだと
突き出しが長い　＝　高回転回らない　と言ってるも同然です

問題になってるのはバランスと高回転
バランス崩れていれば突き出し短くても壊れるよ

そして高回転による自己崩壊も考えないとね

お礼

ご回答ありがとうございます。
加工条件はやっぱり奥が深い・・・

回答No.10

noname#230359

揚げ足を取るわけではないですが...

＞では質問者の16000rpmは
＞PI()*20*16000/1000＝10054m/minとなります

計算間違い　上記の場合切削族度vc1,005m/min
となります。

＞こんな早い周速使いません
＞ここがぼろくそ言われた理由（加工知らないでしょ）

流石にvc10,0054m/minは常用で使用することは無謀であるが、
実験研究レベルでは実現しています。
（φ50で64,000min-1＝vc10,048m/minを聞いたことがあります）

また、アルミの加工であれば、
・φ25の超硬ソリッドエンドミルで30,000min-1 → vc2,355m/min
・φ50の刃先交換式カッタで30,000min-1 →　vc4,710m/min
といった恐ろしい切削加工が日常的に行われています。

また、刃先交換式のcBNボールエンドミル+超硬シャンクであれば、
鋳鉄の仕上げ加工において16,000min-1は十分あり得る回転速度です。
ここで問題になるのはやはり突き出し長さであり、これは実機で
適否を確認することが肝要と考えます。

書き間違いしました

誤）流石にvc10,0054m/minは常用で使用することは無謀であるが
正）流石にvc10,005m/minは常用で使用することは無謀であるが

失礼いたしました。

＞コスト削減を求められる世の中。
＞このような条件が主流となってくるのでしょうか・・・

上記例は些かエキセントリックかもしれません。
航空機のアルミ部品加工は、素材からの削りだしなので、
超高回転速度による超高能率加工が不可欠です。

一方で、素材のニアネットシェープ化も進み、さらに工作
機械の省エネ化も注目されていると感じています。
マシニングセンタ主軸の高回転速度化や高出力化も一息つい
ているかと。

わざと怪しい文章を認める回答者さんには一寸苛っとさせられます。

お礼

ご回答ありがとうございます。
すごい条件ですね・・・
一度見てみたい。
コスト削減を求められる世の中。
このような条件が主流となってくるのでしょうか・・・

回答No.9

noname#230359

>>※ＣＤをぶん回すときにバランスはとってあるのかな？？

振れによる破壊ではなく遠心力に取る破壊

周速の一例

>>ホルダー自体は3万回転OKだし。シャンクや突出しに対しての
ここの疑問についての回答

ウイルス引っ掛かる前に読んだもの
地球の回転数って知ってますか
1RPDAYです

1日一回転です
RPMになおすと
1/24/60=0.000694444rpmです
非常に遅いと思うと思う人もいますが

これを周速に直すと別です

地球の半径は6,378,137m
赤道の周長は40075km
24時間で一回転なので
1669.791km/hです
とても速いですね

地球は球形なので
極点から1km（わかりやすく）の場合
周長は3.14km
です
速度は
0.13km/hになります

おなじ回転数でも
周速は径によって変わります

さて、工具メーカが出している加工条件は
周速で出しています

オペレータは工具径から回転数を求めます

樹脂あたりで300m/min　～600m/min
で
φ20φの工具では
1000*300/(PI()*20)=4774.648293rpm
です

http://www1.ocn.ne.jp/~fukono/mcservice/sesaku.html

では質問者の16000rpmは
PI()*20*16000/1000＝10054m/minとなります

こんな早い周速使いません
ここがぼろくそ言われた理由（加工知らないでしょ）

振れについてはちゃんと出せばいいので
かりにちゃんと出したら
16000rpmで回してもいいことになってしまいます

>>ホルダー自体は3万回転OKだし
http://www.jpo.go.jp/shiryou/s_sonota/hyoujun_gijutsu/cutting_tool/ct_4_2.html

超鋼での加工条件100m/minに仮定すると
φ20で
1000*100/(PI()*20)=1591.549431rpm　（実際にはコーティングとか様々されて3000RPMぐらいが主流だと思う）
です

φ10　で　3000rpm
φ5　で　6000rpm
です

ではもっと小さい径ではどうでしょう
φ1で30000rpmです

↑周速は（ほぼ）一定です

>>ホルダー自体は3万回転OKだし

微細加工では
φ1のエンドミルをつかうこともあるので
もちろん3万rpmでも回せる仕様になってます

回答No.8

noname#230359

お呼びがあったようなので　回答 4)再出です。
別に読み飛ばしていた訳ではございません。

＞先端チップタイプの超硬シャンク

　この刃物が良く分からなかった・・・

ボーリングのバイトならホルダーが？

超硬シャンクのチップ式エンドミルか？
ならば16.000rpmで破損も単純に回転だけでの問題でも無いのでは？

加工中の負荷で破損なら納得もできようが

突き出し長さに関しては下記のURLに長い軸のスピンドルがある

http://www.aundesu.jp/employee/index.php?action_employee_article002=true

★突き出し長さ 600mm　軸径 40mm 回転数 約8.000rpm

材質は吟味してあるが、それほど特別な素材ではありません。
振れ精度や共振には細心の注意が払われるが実際の加工は見事なもの
対象ワークは工作機械のスピンドル内径加工
他社ではトンボして両側からの加工後ホーニング仕上げの工程を
片側から内研

定説・常識を持ち出せば旋盤のボーリングと同じく径の５倍までが安定領域と言われるが

現実に作った者勝ち

この会社の社長とお話して 目から鱗がぼろぼろと落ちた思いをしました。
物造りに対する拘りは別格に値する。

ちなみに
内研の砥石軸用モーター2.2Kw-2p　このモーターで
平ベルト用アルミプーリー φ270(60Hz用)を回転させる

270*3.14*3100/1000/60→43.8m/s(2.628m/min)

アンバラスでなければ回転や突き出し長さだけで容易には壊れません

今回の 超硬 φ20だと
20*3.14*16000/1000/60→16.8m/s(1.008m/min)

間違いなく ホルダーのほうが先に限界がくる

※ＣＤをぶん回すときにバランスはとってあるのかな？？

回答No.7

noname#230359

海外出張していたので参戦が遅れました。

各々の回答者さんが色々なアプローチで回答されており素晴らしいです。
小生も昔々15,000回転でツールを吹っ飛ばして、同様の経験をしました。

先ずは回答(6)さんの書かれている通り、人的災害が無かったことが
何よりです。

＞主軸自体も変な音がするようになってしまいました

これは、事故により主軸ベアリングまたは主軸テーパが痛んだ可能性
が考えられます。現象が酷くなるようであれば、残念ながらメーカに
判断してもらった方が良いでしょう。

さて、ツールホルダや切削工具に記載されている許容最高回転速度
は、単体でアンバランスの無い理想的な状態における値と考えて下
さい。

ツールホルダに切削工具を取り付けたときのアンバランスや突き出し
長の影響、ツールホルダ+切削工具を機械主軸に取り付けたときの回転
系全体のアンバランスを考慮すると、許容回転速度は自ずとメーカの
記載する許容値よりも低くなります。
また、マシニングセンタのツールホルダと切削工具は、加工していない
状態では片持ちになりますので、他の回答者さんがご指摘されている
通り、特に突き出しが長い場合は、遠心力の影響で大きな振動を生じ
る恐れがあります。
BT40ですと、主軸のツールホルダ把握力もそれほど大きくないので影響
を受けやすいと考えます。

また、機械構造物には固有振動数が存在しており、ツールホルダ+切削工
具の質量やゲージラインからの突き出し長によって、変化します。
時には、主軸の仕様回転速度内に固有振動数が生じることもあり、この
場合、共振現象により、大きな振動が生じます。

質問者さんは、回転速度による危険を身を以て体験されたので、これか
らは使用される工具の使用回転速度に応じて、適否をチェックされる
ことをお勧めします（低い回転速度から徐々に回転速度を上げて振動や
騒音を確認します）。

なお、航空機アルミ部品加工業界では、20,000回転以上+長い突き出し
でφ50のカッタを使ったりしますが、ツールホルダ+カッタでバランス
を調整しています（つりあい良さの規格でG2.5～G6.3が目安）。
時には、機械主軸に取り付けた状態で、さらにバランスを調整します。
超高回転速度では、主軸に取り付けた時の求心性が優れるHSKインター
フェースを用いることが主流です。

長文をお許しください。

お礼

ご回答ありがとうございます。
確かに、以前　大きな工具でも2万回転くらい回して、
ガンガン加工しているデモ加工を見たことがありました。
アンバランスな状態で高回転にすれば大きな遠心力がかかることは良くわかります。
ですが、実際にそういった事（大径工具の高回転）が可能なんだーという気持ちがどこかにあったのかもしれません。

やはり、バランスを整えるなどの条件を付加してやっていたのかなー。って思います。

回答No.6

noname#230359

まず周速というのがわかってんじゃいと思います
φ20のものなんか
回しても10000RPMまでです

ここがわかってないからぼろくそ言われたんだと思います

スローアウェイなのかな　チップが飛んで死人が出なかったのが幸いです

回転には遠心力がかかります
>>周速と破壊の関係資料も探したが砥石に関するものがほとんど
有名なのはこれ
http://gigazine.net/news/20070323_spin_cd/

>>　長年機械加工していれば自然に身につくもので

いや理屈を知らないと使えないやつになるだけ

突っ込みところが多すぎて説明しきれんので
とりあえず周速からはじめてください

お礼

ご回答ありがとうございます。
すごい動画ですね。こっぱみじん・・・
とりあえず、周速からはじめます。

回答No.5

noname#230359

先端チップタイプの超硬シャンクφ20は側面が平にカットされていなかったですか？　シャンクの断面がＤの形をしていたのではと思います。　シャンクのバランスが悪くて遠心力に耐え切れずに超硬のシャンクが折れたのだと思います。

断面の形状を測定してアンバランスの重さを計算して、Ｓ１６０００のときの遠心力を計算してみれば折れるかどうかわかるかと

折れる直前に主軸が「ブーン」と振動していなかったですか？

１０００回転までしか使わない加工でも、暖機運転時には最高回転まで回ることもあるので、高回転で使うとあぶないツールは暖機運転では使わないようにする事も必要かと。

お礼

ご回答ありがとうございます。
実際には、暖気運転プログラムをかけてマシンから離れてしまっていたので、
その時の音を良く聞けていなかったところもあります。
暖気運転時のツールに対しては、必ず対応したツールを選択するようプログラム変更を行いました。

回答No.4

noname#230359

一つの見方として
仮にエンドミルのような形状で振れ精度が良好なら

Ｌ／Ｄ 　160/20＝8　となり　問題ない領域となるが

偏芯した物なら論外と言わざるを得ない

＞これって常識なのでしょうか？（まわりから散々言われました。）

　長年機械加工していれば自然に身につくもので
　初心者に突っ込むのは酷と思う。

＞工具径、突出し量に対する限界回転数の目安みたいなものは存在するのでし　ょうか？
　それとも、経験から判断するしかないのでしょうか？

　探してみたら参考になる資料がありましたよ。
　資料 2.3　切削条件　　
　読み進むと径に対する突き出し長さと振れのグラフがあります。

振れ精度が加工に影響が大きいのはご存知の通り

φ10で 0.005mmの精度なら問題ないとして
φ2 で同じ精度を求めるなら　0.001mmとなる計算

周速と破壊の関係資料も探したが砥石に関するものがほとんど

研削で使う砥石の周速は m/s　対して切削の場合は m/min
周速30m/sなら　180m/min

切削ならＣＢＮの刃物ぐらいの速度（被削材やコーティングでも違うが)
当然アンバラスはＮＧで　加工に顕著に影響する

内研の砥石スピンドルならベルト駆動でMAX50.000rpmていど
高周波モーター組み込みだと 100.000rpmとか当たり前の世界

軸強度の問題もあるが 少しの アンバラス で軸(クイル)はぶっ飛びます。

参考URL：

http://www.osg.co.jp/products/technical/pdf/t-8_endmill_0710_0806.pdf#search='エンドミル周速'

お礼

ご回答ありがとうございます。
私も条件的に、
＞Ｌ／Ｄ 　160/20＝8　となり　問題ない領域となるが
が問題ないのでは？
と単純に思ってしまったところもあります。
振れに対する良い経験となりました。

回答No.3

noname#230359

> この突出し長さの物を、こんなに高回転で回してはいけないということはわかりましたが、
> これって常識なのでしょうか？（まわりから散々言われました。）
実際に見ていないのですが、常識だと考えます。
チャックより遠い処に重心があると、より大きなモーメントがチャックに掛かります。
そして、いくらチャックの精度がよくても、チャックより遠い処に重心があると、軸芯のズレ
も大きくなる危険が高くなります。
軸芯のズレが大きいチャックへの負荷も増加します。
また、チャックのくわえ長さが短いと、チャックへの負荷は増加します。
以上のことから、チャックより遠い処に重心があればあるほど、加速度的に大きな力が
チャックに加わる等で破損すると、まわりの方は理屈や経験から知っているのでしょう。

> でも、ホルダー自体は3万回転OKだし。シャンクや突出しに対しての、回転数に対する
> 制約はカタログ等確認してみましたが、載っていません。
事実であるなら、製造物責任があるので問題です。
予想ですが、間接的に書かれているか、それ相当の記述をしていると考えています。
例えば、ホルダーの最高回転数の表示は3万回転以上の表示ですが、取扱説明書の何処かに
＊ チャックの加え長さは極力長くして使用ください　　とか、
＊ チャックより遠い処に重心がある工具の使用は極力控えてください　　とか、
　 回転数を落として使用ください　　　とか
のような記述があると思います。

取扱説明書に、工具径、突出し量に対する限界回転数の目安みたいなものの表示は見たこと
がありませんね。
同じ工具径でも、種類によっては重量は重心位置が異なるのでが理由です。
先輩に聞いてみるか、M/Cメーカーに聞いてみるかして貴殿の基準を作成した方がよいでしょう。
M/Cメーカーは、一般的なことしか云いませんし、発言責任等がない条件でなら、
色々な資料を出してくれる親切なメーカーもありますので。

元々は、そんな工具セット状態でしか加工できない図面を描いた設計が悪いのかもしれません
がね。

お礼

ご回答ありがとうございます。
確かに注意書きとしては間接的な書かれ方をしているのかもしれません。
やはり自分の中で、徐々に限界値を探していく方が現実的なようです。
これを良いきっかけとして、会社としての基準を設けたいと思います。

回答No.2

noname#230359

機械に携わる者なら、高速での運転は慣性の影響が大きくなるため、回転つり
合い(バランス)が必要なことは常識と言えます。たとえば半径ｒの位置に質量
ｍのチップを置いて角速度ω(定速度)で運転した場合、質点には遠心力
Ｆ１=ｍｒω＾2が作用します。つまり、質量ｍを速度を2倍で運転すると４倍
の力が発生します。また加速減速時には慣性モーメントＪはＪ=ｍｒ＾2ですか
ら、トルクＴ＝Ｊ(ｄω/ｄｔ)が発生します。
この場合は質量ｍを突出し寸法ｒを2倍で運転すると4倍のトルクが発生しま
す。さらに質量ｍを棒材(長さｒ)で支えるとｍに作用する力Ｆにより、棒材
根元にはモーメントＭ=Ｆ2・ｒが加わります。根元応力はＭに比例しますか
ら、加減速時にはＦ2がＴに比例するとすれば、結果としてｒの3乗で弱くなる
ことになります。これらのことを考えても、高速ではその速度と突出しの寸法
が重要な因子であることがわかります。

お礼

ご回答ありがとうございます。
このような計算を正しく行っていけば、
ある程度の目安を立てることができるかもしれません。

いずれにしても様子をうかがいつつという所だと思いますので、
少しずつ経験していきたいと思います。