およそ3 mm未満の工具が、8,000〜12,000 RPMの機械主軸が供給できる以上の切削速度を必要とするとき、増速スピンドルを取り付ける。歯車駆動ヘッド(通常1:4〜1:8の増速)は実際のフライス加工に最も多くのトルクを保ち、エアタービンヘッドは彫刻や微細仕上げのために非常に低いトルクで40,000〜80,000 RPMクラスに達し、電動高周波ヘッドは閉ループ速度制御と連続運転を最高のシステムコストで加える。最大RPMだけでなく、トルク要求と稼働率で選ぶ。
増速スピンドル(スピードインクリーサーまたは高速アタッチメントヘッドとも呼ばれる)は、機械主軸の回転を増倍または置換し、小径カッターが適切な切削速度に達せるようにする、ツールホルダー搭載のユニットである。その兄弟である直角ヘッドと同様、普通のマシニングセンタを、機械のコストではなくホルダーのコストで、より専門的なものに変える——しかし3つの増速ファミリーはトルク、デューティサイクル、工具交換装置との統合の仕方が大きく異なり、誤ったファミリーを選ぶことが、これらのユニットが棚に置かれる最も一般的な理由である。
なぜ典型的な8,000〜12,000 RPM主軸が3 mm未満の工具を飢えさせるか
工具刃先での切削速度は径とRPMで決まる。
vc = π × D × n / 1000(vcはm/min、Dは工具径mm、nは主軸速度RPM、回転工具のフライス加工と穴あけについて)
工具径が支配的な変数である。表面速度がそれに線形に比例するためである。10,000 RPMの1 mmエンドミルは約31 m/minしか得ないが、同じRPMの10 mm工具は約314 m/minで動く。 鋼でのコーティング超硬エンドミルは通常およそ100〜200 m/minを求めるため、1 mm工具は推奨速度のおよそ4分の1から3分の1で動いている。1 mmカッターで約120 m/minを回復するには約38,000 RPMを要する——ほとんどの汎用マシニングセンタの8,000〜12,000 RPMの上限をはるかに超える。
表面速度の飢餓による損害は、遅いサイクルタイムだけではない。推奨速度帯を下回ると、小径超硬工具はせん断する代わりにこすり、押しのける傾向がある——構成刃先を促進し、工具の小さな芯径に対して切削力を高め、故障モードを緩やかな逃げ面摩耗から突然の折損へ移す(摩耗モードの背景は工具寿命最適化を参照)。一般の現場経験では、約3 mm未満の工具が、標準的な8,000〜12,000 RPM主軸が鋼やより硬い合金で推奨表面速度にもはや到達できなくなる実用的な閾値である。 快削アルミニウムでは閾値はより小さくなる。推奨速度は高いが、達成可能な速度も高いためである。小径エンドミル選定では、速度差が通常最初に確認すべきパラメータである。
3つの増速ファミリー
増速スピンドルは3つのファミリー——機械式歯車駆動、エアタービン、電動高周波——に分かれ、動力がどこから来るか、そしてカッターでどれだけのトルクが残るかで区別される。
機械式歯車駆動の増速器
歯車駆動の増速器は機械主軸自体で駆動される。ホルダー本体内の遊星歯車列または歯車列が入力速度を増倍し、インライン式では通常1:4〜1:8である(直角オーバードライブヘッドは別の製品ファミリーで、通常2〜4x増速する)。機械主軸が動力を供給するため、歯車駆動の増速器は3つのファミリーで最も使用可能なトルクを保つ——メーカー仕様で通常出力1〜4 N·m——1〜3 mmエンドミルでの本格的な溝加工と輪郭加工に十分である。 本体は、主軸ノーズや面に当たる回り止めピンやストップブロックで回転を止められ、直角ヘッドで使われるのと同じ配置である。
エアタービンスピンドル
エアタービンヘッドは主軸駆動を増倍するのではなく置換する。工場エアが小さなタービンを回し、機械主軸は静止または向き決めをしたままである。エアタービンスピンドルは40,000〜80,000 RPMクラス(一部のモデルはメーカー仕様で100,000 RPMを超える)を占めるが、非常に低いトルク——通常0.1 N·m未満——を供給し、溝加工ではなく彫刻、微細穴あけ、仕上げに適する。 乾燥した濾過済みエアを、モデルに応じて通常0.35〜0.6 MPaかつおよそ50〜300 L/minで必要とし、単純なタービンは閉ループ制御がないため切削負荷が上がると速度が垂れる。
電動高周波ヘッド
電動高周波ヘッドは、ケーブルを通して外部の周波数変換器から給電される小さなモーターをホルダー本体に搭載する。速度は機械主軸から独立し、通常20,000〜60,000 RPM帯のどこにでも設定でき、閉ループ制御により負荷下でほぼ一定に保たれる。電動高周波ヘッドは、連続運転に一般的に定格される唯一の増速ファミリーであり、これが型と金型の作業で長い無人仕上げ運転を支配する理由である。 その代償はシステムの複雑さである。変換器、ケーブル管理、通常は手動装着である。
トルク、デューティサイクル、振れスタッキングの比較
| 要素 | 歯車駆動 | エアタービン | 電動高周波 |
|---|---|---|---|
| 最大速度(代表値) | 20,000〜50,000 RPM | 40,000〜80,000 RPM | 20,000〜60,000 RPM |
| カッターでのトルク(代表値) | 1〜4 N·m | <0.1 N·m | 0.1〜1.5 N·m、ほぼ一定 |
| デューティサイクル | 断続(通常20〜30分) | 連続(空冷) | 連続(S1定格が一般的) |
| 負荷下の速度 | 主軸に追従(わずかな損失) | 負荷で垂れる | 閉ループで保持 |
| 外部供給 | なし(主軸駆動) | 0.35〜0.6 MPaの乾燥エア | 周波数変換器 + ケーブル |
| 追加振れ(代表値) | 0.003〜0.010 mm | 0.001〜0.005 mm | 0.001〜0.005 mm |
振れはすべてのインターフェースを通してスタックする。機械テーパー、増速器本体、そして増速器自身の出力コレット(しばしばER8/ER11または独自のマイクロコレット)である。増速器は通常、入力テーパー自身の振れの上に0.003〜0.010 mm TIRを加え、10分の1ルールにより、振れ0.0001インチ(2.5 µm)ごとに工具寿命を約10%低減する——そのため1 mmカッターでの追加5 µmは、最初の切りくずの前に工具寿命のおよそ20%を費やしうる。総振れは増速器ノーズではなく工具先端で測定し、出力コレットを清浄かつ軽く負荷した状態に保つ(一般的なホルダー振れの規律はツールホールディング完全ガイドで扱っている)。
選定のヒント
ファミリーはまずトルク、次に速度で選定する。作業が実際の切りくずを生む——1〜3 mm工具での溝加工、ポケット加工、輪郭加工——なら、歯車駆動ユニットから始め、そのデューティサイクル限界を受け入れる。作業が彫刻、約1 mm未満の微細穴あけ、または研磨なら、エアタービンの低いトルクがボトルネックになることはまれであり、その高いRPMは純粋な利得である。
ATC対応、クーラント、回り止めストップブロック
歯車駆動の増速器は自動化が最も容易なファミリーである。ほとんどが、他のホルダーと同様に工具マガジンから装填され、主軸面に取り付けた回り止めストップブロックに位置決めする自動交換(ATC)版で提供される。 ストップブロックは歯車ハウジングのトルクを受け、一部のモデルでは合わせポートを通してユニットへエアやクーラントも送る——そのためブロックの位置と配管は、後ではなく増速器を発注するときに指定しなければならない。
エアタービンと電動ヘッドは、引きずるホースやケーブルのため、より多く手動装着である。ATC対応のエアユニットは存在する——装填時にストップブロックを通してエア供給を受ける——が、恒久的に配線された変換器ケーブルが電動ヘッドを3つの中で最もATC非対応にする。ほとんどの設置では、専用運転のためにオペレーターが装着する。クーラント供給も同じように計画する。ほとんどの増速器は外部ノズルやエアブラストに頼り、これらのユニットではツール貫通クーラントはまれであるため、深い微細穴は高圧フラッシングよりペックサイクルをなお好みうる。
入力インターフェースは他のホルダーと同じ論理に従う。DIN 69893準拠のHSKシャンクは、より高速のキャリアスピンドルでの増速器作業に好まれる。そのテーパーと面の二面接触が、約12,000 RPMを超えて標準Vフランジ工具を制限する遠心テーパー解放に抵抗するためである。HSK-A63は40番テーパークラスのマシニングセンタで最も一般的な増速器入力である。その二面接触を主流のマガジン互換性と組み合わせるためである(インターフェースのトレードオフはBT vs CAT vs HSK の比較で)。
増速器が外注や高速機の購入に勝るとき
経済性は稼働率駆動である。増速スピンドルは通常、小径工具作業が反復するが主軸時間の少数を占めるときに意味をなす——既存の機械を、ファミリーに応じて通常$2,000〜$15,000のプレミアムホルダースタックのコストでおおむね変換するのに対し、専用高速機は通常$150,000〜$500,000である。 小径工具のフィーチャーを外注することが勝るのは、それらがまれな一度限りのときだけである。同じ彫刻や微細フライスのフィーチャーが毎月反復するようになれば、部品が残りを切ったのと同じ機械にクランプされたままであるため、増速器は通常、節約したリードタイムと段取り替えだけで採算を取る。
✦ 増速アタッチメントに最適
- それ以外は通常速度で加工される部品上に反復する小径工具のフィーチャー
- 高RPMでの主軸時間の少数(時折の彫刻、微細穴あけ、微細仕上げ)
- 1つの段取りを保つ——小フィーチャーを同じ機械、同じクランプで切る
- 高速機の購入にコミットする前の試行能力
✦ 専用高速機に最適
- 作業負荷を支配する小径工具(主軸時間の多数)
- アタッチメントのデューティサイクルが流れを中断させる連続生産
- 高RPMでの完全な機械トルク、ツール貫通クーラント、プロービング
- 微細加工で最も厳しい振れと熱安定性の要件
よくある間違い
歯車駆動の増速器を生産主軸であるかのように運用すること。歯車ヘッドは通常断続運転に定格される——メーカー仕様で一般に20〜30分の切削に続く冷却期間——歯車列とグリス封入軸受が熱を蓄積するためである。1時間に及ぶ無人仕上げパスをそれを通してスケジュールすると軸受寿命を鋭く縮める。その作業負荷は電動ヘッドや専用機に属する。
限界:バランス、軸受寿命、デューティサイクル
すべての増速器は、速く回転する張り出した質量である。ISO 1940-1により、残留アンバランスは偏心と角速度の積で格付けされ、ISO 1940-1 G2.5は増速器組立体に要求すべきバランス等級である。その追加された張り出し質量が、アンバランス力が最も速く増大するまさにその速度で残留アンバランスを高めるためである——20,000 RPMを超えるホルダー、コレット、バランスの要件はそれ自体が1つの規律であり、他のどのホルダーと同じく増速器のキャリアホルダーにも適用される。
軸受寿命が静かな限界である。増速器の軸受は、その速度定格近くで動く小さなアンギュラコンタクトのセットである。メーカー仕様は通常、定格負荷下で寿命を数千運転時間台で記載し、入力を過速する、長い工具を横荷重する、冷却期間を無視することがその数値を大幅に縮める。公表された入力速度の上限を硬い一線として扱う。1:5の歯車ヘッドに定格8,000 RPM入力の代わりに12,000 RPMを送ると、生き延びるよう決して設計されていなかった出力軸受に60,000 RPMが要求されている。ほとんどの工場では、現実的な計画の前提は、増速器が装着して放置できるホルダーではなく、サービス間隔をもつ精密アクセサリーだということである——プリセッターの校正と同じように、再グリス注入や工場サービスを予算化する。
クイック選定表
| シナリオ | 増速ファミリー | 出力速度(代表値) | カッターでのトルク | 理由 |
|---|---|---|---|---|
| 鋼での1〜3 mmエンドミルによる溝加工/輪郭加工 | 歯車駆動、1:4〜1:5 | 24,000〜40,000 RPM | 1〜4 N·m | 主軸駆動の歯車列が実際の切りくず負荷のためにトルクを保つ |
| 1 mm未満の彫刻と微細穴あけ | エアタービン | 50,000〜80,000 RPM | <0.1 N·m | 最高RPMクラス;軽い切りくず負荷はトルクを必要としない |
| 型/金型鋼での長い無人仕上げ | 電動高周波 | 30,000〜60,000 RPM | 0.1〜1.5 N·m | 連続運転定格;閉ループが負荷下で速度を保つ |
| ATC生産セルでの反復する小フィーチャー | 歯車駆動、ATC型 | 20,000〜32,000 RPM | 1〜4 N·m | 回り止めストップブロックで自動交換可能;オペレーター介入なし |
| 表面速度を必要とし力が最小の研磨/バリ取り | エアタービン | 40,000〜80,000 RPM | <0.1 N·m | 連続空冷運転;ほぼゼロ負荷で速度垂れは無害 |
| 主軸時間の大半を消費する小径工具 | なし——専用高速機 | 30,000〜60,000 RPM(機械主軸) | 完全な機械トルク | 高稼働率ではアタッチメントのデューティサイクルと軸受寿命が不経済 |
増速ファミリーはトルク要求と稼働率で選ぶ:フライストルクには歯車駆動、最大RPMにはエア、連続運転には電動。
およそ3 mm未満の工具は、8,000〜12,000 RPM主軸で表面速度に飢える(10,000 RPMの1 mmエンドミルは約31 m/minしか得ない)。小径工具が実際の切りくずを切るときは歯車駆動の増速器(1:4〜1:8、通常1〜4 N·m、断続運転)を、彫刻や微細仕上げにはエアタービンヘッド(40,000〜80,000 RPMクラス、<0.1 N·m)を、運転が長く連続するときは電動高周波ヘッドを取り付ける。小径工具作業が主軸時間を支配するようになれば、アタッチメントの追加をやめて高速機を買う。
増速スピンドルはいつ必要ですか?
工具径がおよそ3 mm未満に下がり、主軸が8,000〜12,000 RPMで頭打ちになるときです。vc = π·D·n/1000により、10,000 RPMの1 mmエンドミルは約31 m/minしか達せず——鋼のコーティング超硬に通常推奨される100〜200 m/minのおよそ4分の1です。
歯車駆動、エア、電動の増速スピンドルの違いは何ですか?
歯車駆動ユニットは機械主軸の動力を4〜8x増倍し、フライス用に通常1〜4 N·mのトルクを保ちます。エアタービンは40,000〜80,000 RPMクラスに達しますが0.1 N·m未満を供給し、彫刻に適します。電動高周波ヘッドは閉ループ速度制御と連続運転定格で通常20,000〜60,000 RPMで動きます。
増速スピンドルは自動工具交換装置を通せますか?
歯車駆動の増速器は、マガジンから装填し主軸面の回り止めストップブロックに位置決めするATC版で広く提供されます。一部のエアユニットは0.35〜0.6 MPaの供給をストップブロックを通して受けます;電動ヘッドは変換器ケーブルを引きずり、通常手動装着です。
増速スピンドルはどれだけ連続運転できますか?
歯車駆動ヘッドは通常断続運転に定格されます——メーカー仕様で一般に20〜30分の切削に続く冷却——歯車列が熱を蓄積するためです。エアタービンと電動高周波ヘッドは一般に連続運転に定格され、これが電動ユニットが長い無人仕上げパスを扱う理由です。
増速器は振れと工具寿命にどう影響しますか?
増速器は通常、その歯車列と出力コレットを通して入力テーパー上に0.003〜0.010 mm TIRを加えます。10分の1ルールにより、振れ0.0001インチ(2.5 µm)ごとに工具寿命を約10%低減するため、追加5 µmは小径工具寿命のおよそ20%を費やしうります。
出典
- ISO 1940-1:2003 — Mechanical vibration: Balance quality requirements for rotors
- DIN 69893 — Hollow taper shanks (HSK)
- BIG DAISHOWA — Speed increasers and air power spindles
- BIG DAISHOWA — The One Tenth = 10% Rule and the effects of runout
- NAKANISHI (NSK Nakanishi) — High-speed air and electric spindle specifications
