加工中に発生した振動はどのように対処すべきか？

加工中の振動（チャタリング）は、工具とワークの間に発生する自己励起振動であり、表面仕上げの品質、寸法精度、工具寿命を損ない、場合によっては工作機械そのものを損傷することもあります。これを抑制するには、振動の発生源を特定し、システム全体の動的剛性を高めるための是正措置を講じる体系的なアプローチが必要です。

即時調査と発生源の特定

最初のステップは、発生しているチャタリングの種類を診断することです。強制振動は、不均衡なツールホルダー、摩耗したスピンドルベアリング、断続切削などの外部周期的要因によって引き起こされます。一方、より一般的なのは自己励起チャタリングであり、これは切削プロセスと機械・工具・ワークの構造的動特性との相互作用によって生じます。振動によってチップ厚さが周期的に変動し、その結果生じるフィードバックループが振動を強化してしまうのです。

まずはアクセスしやすい要素から確認します。すべてのクランプおよび固定具を確認・締め直ししてください。これにはワークピース、バイス、パレット、ツールホルダー内の工具が含まれます。支持が不十分なワークピースは太鼓の皮のように振動しやすくなります。薄肉部品や複雑形状部品では、真空チャックや低融点合金などの特殊治具を使用して全面支持を確保するのが効果的です。当社のワンストップサービスでは、試作段階から量産まで、最大の剛性を確保するために難加工部品向けのカスタム治具を設計しています。

是正措置：切削条件とツールパスの調整

最も迅速な対策の一つは、切削条件を調整することです。最も効果的なのは主軸回転数を変更することです。チャタリングは特定の共振周波数で発生するため、回転数を大きく上下させることで不安定領域から外すことができます。可能であれば、機械に備わっている「主軸速度変調」機能を使用して、速度を常に変化させ、共振サイクルを断ち切ることも有効です。

送り速度と切込み深さの調整も重要です。ラジアル方向の切込み（ステップオーバー）の削減は、軸方向切込みを減らすよりもチャタリング抑制に効果的であることが多いです。これにより工具のかみ込み角度が小さくなり、振動を励起する切削力を低減できます。逆に、送り速度をわずかに増加させて厚い切りくずを生成し、減衰効果を高めることが有効な場合もあります。多軸加工サービスを用いた複雑な部品加工では、トロコイド加工や動的ツールパスを採用することで、一定の工具接触を維持し、高い工具かみ込み角によるチャタリングをほぼ完全に回避できます。

工具およびツールホルダー戦略

工具選定は極めて重要です。剛性を最大化するため、常に可能な限り短い突出し長さと可能な限り大径の工具を使用します。ツールホルダーの選択も重要で、熱収縮ホルダーや油圧ホルダーは、標準的なコレットチャックに比べて優れた把持力と減衰特性を提供します。特に問題のある場合は、内部に質量-ばね系を備え、特定の周波数で振動を打ち消すよう設計された制振ホルダーの使用が推奨されます。

不等ピッチ設計や可変ねじれ角を持つ工具を選択することも有効です。これにより、各刃がわずかに異なるタイミングで材料に接触し、振動エネルギーの蓄積を防ぎます。これは、チタンやインコネルなどチャタリングが発生しやすい材料を扱う当社のCNCフライス加工サービスで標準的に採用している手法です。

ワークおよび機械剛性への対応

振動が依然として発生する場合、その原因はワーク材料または機械自体にある可能性があります。細長い形状を加工する場合、最終工程で削除される犠牲支持構造を追加することで、一時的な剛性を確保できます。さらに、高圧クーラントシステムによる効果的な冷却も重要です。これにより、再切削や振動を誘発するチップの再付着を防ぐことができます。

最後に、工作機械のスピンドルベアリングの摩耗や構造剛性の不足が原因である場合、対策は限られます。そのような場合は、切削条件をさらに下げるか、品質が最優先となる精密加工サービスのような工程では、より剛性の高い機械へ移行する必要があります。チャタリングによって発生した応力は、部品の寿命を損なう可能性があり、場合によっては応力を除去するためのCNC加工用熱処理や、振動による微細亀裂を防ぐためのPVDコーティングが必要となることもあります。