機械加工の生産性向上に欠かせないツールホルダー
Fagersta, November 2019 - 精密な工作機械と高度な切削工具が一体となって、優れた金属切削の生産性を実現します。しかし、その生産性を十分に発揮するためには、切削工具と機械のスピンドルの間のリンク、つまりツールホルダーが重要です。工具メーカーは様々なスタイルの工具ホルダーを提供しており、それぞれが特定の加工用途で最適な性能を発揮するように設計されています。Fagersta, November 2019 - 精密な工作機械と高度な切削工具が一体となって、優れた金属加工の生産性を実現します。しかし、その生産性を十分に発揮するためには、切削工具と機械のスピンドルの間のリンク、つまりツールホルダーが重要です。工具メーカーは、様々な種類の工具ホルダーを提供しており、それぞれが特定の加工用途において最適な性能を発揮できるように設計されています。そのため、加工現場では、生産する部品や作業内容に応じてツールホルダーを選択する必要があります。しかし、最先端の機械技術や切削工具の材料を手に入れようとする一方で、生産現場のニーズに合ったツールホルダーの選択、使用、メンテナンスはあまり重要視されていません。
すべてのホルダーは同じではありません
すべての用途に適した工具保持方法はありません。高速仕上げ加工用に設計されたツールホルダーは、例えば鋳造品の深みのある荒加工に効果を発揮するには、剛性や強度が不足します。逆に、荒加工用のホルダーは、仕上げ加工での高速走行を可能にするバランス性に欠けることが多くあります。また、荒加工用のホルダーは、頑丈な設計でかさばるため、細かい部分や深い部分の加工には限界があります。丈夫なワークピースの素材には、強度と剛性を高めたツールホルダーが必要です。さらに、ツールホルダーの振動減衰機能やクーラント供給機能も重要な選択基準となります。
適切でないツールホルダーを使用すると、寸法の誤差や部品の廃棄、工作機械のスピンドルの過剰な摩耗、工具寿命の短縮、工具折損の増加などの問題が発生します。重要でない仕事では、価格の安いツールホルダーでも満足のいく結果が得られるかもしれません。しかし、再現性のある精度が要求される作業では、特に高価なワークピースを廃棄することで部品の利益率が低下するような場合には、アプリケーションに特化した最高品質のツールホルダーへの投資は、そのような予期せぬ損失に対する低コストの保険となります。
一部の工場長にとって、様々な用途で使用される長いバージョンのツールホルダーは、コスト削減のための有効な戦略です。しかし、常に可能な限り短いホルダーを使用することで、剛性を最大限に高め、表面劣化の原因となる振動を最小限に抑え、工具の寿命を保つことができます。
ツールホルダーは、製造コスト全体の2％未満に過ぎません。このコストを半分にしても、ごくわずかな節約にしかなりませんが、ワークのスクラップやツールの破損は、測定可能な経済的効果をもたらします。プレミアムツールとホルダーを使用すれば、金属加工の生産率が向上し、ツールへの投資がすぐに回収できます。特に、加工プロセスの安定性が最重要視される航空宇宙部品製造業などでは、多くのメーカーが、不良品の生産や、トラブルシューティングや生産停止による時間の浪費を避けるために、高級工具の導入を何よりも重視しています。航空宇宙メーカーでは、新しいホルダーのコンセプトを検証してから、生産のための認証を行うまでに長い時間を要します。
ホルダーの選択に影響を与えるワークピースの要因
ツールホルダーの選択に影響を与える要因としては、各ジョブにおけるワークピース材料の加工性、最終部品の構成などがあり、これらによって特定の輪郭や形状に到達するために必要なツールホルダーの寸法が決まることがあります。しかし、ツールホルダーは、オペレーターのミスの可能性を最小限にするために、できるだけシンプルで使いやすいものでなければなりません。
どのような工具保持技術を採用するにしても、工作機械の剛性、主軸のパワー、そして厳しい公差を生み出す能力によって、実現可能な作業が決まります。例えば、摩耗した機械でミクロン単位の公差を出そうとするのは時間の無駄です。
工作機械の基本的な要素は、リニアガイドを備えた高速機であれば、高速加工用に設計されたツールホルダーを最大限に活用できますし、ボックスウェイを備えた機械であれば、重切削にも対応できます。また、複合加工機であれば、旋削加工とミーリング/ドリリング加工の両方に対応したツールホルダーの機能を最大限に活用することができます。
また、ツールホルダーの選択には、使用する加工方法が影響する。例えば、切り込み量の少ない高速切削（HSC）や、出力は十分だが速度が制限されている機械で高い切り屑排出量を実現する高性能切削（HPC）では、生産性を最大限に高めるために工具を選択することができます。
低くて再現性のある振れは、常に工具の噛み合いを保証し、それによって振動を減らし、工具寿命を最大限に延ばすことができます。バランスは非常に重要であり、高品質のツールホルダーは、G2,5-25000rpmの品質（1g.mm）で微調整されるべきです。加工工場は、独自の調査を行い、工具メーカーと相談して、生産ニーズを満たす費用対効果の高いツールホルダーシステムを決定することができます。
ホルダーにはそれぞれ特性がある
単純なウェルドン型、コレット型、熱収縮型、機械式、油圧式など、ツールホルダーは特定の操作要件に合わせる必要があります。例えば、ウェルドンシャンクの工具用のシンプルなエンドミルホルダーは、剛性が高く、使いやすく、高トルクを伝達でき、安全で強力なクランプと強力なプルアウト防止機能を備えています。重い荒加工には適していますが、正確な同心性には欠けています。一般的に、これらの工具は本質的にアンバランスであり、高速回転を使用する用途には生産的に適用できません。
コレットチャックと交換式コレットは、丸型工具の保持技術として最も一般的な形態です。コストパフォーマンスに優れたERスタイルは、幅広いサイズが用意されており、信頼性の高い軽めのフライス加工やドリル加工に十分なグリップ力を発揮します。高精度のERコレットホルダーは、低ランアウト（工具先端で5µm未満）と対称的なデザインを特徴としており、高速加工のためにバランスをとることができます。また、重切削加工用に強化されたバージョンもあります。ERホルダーは、迅速な切り替えが可能で、さまざまな工具径に対応しています。
熱収縮チューブホルダーは、強力なクランプ力、3xDで3µmの同心度、優れたバランス性を備えています。小型でシンプルなノーズ形状により、狭い部品形状へのアクセスが容易です。
強化タイプは、中～重切削が可能ですが、把持力はツールシャンクとホルダーの内径公差に依存します。焼きばめ工具は、専用の加熱装置を購入する必要があり、コレットを交換するよりも加熱・冷却の工程の方がセットアップ時間が長くなります。
メカニカルチャックは、多列のニードルベアリングにより強力な把持力と高いラジアル剛性を実現しています。重切削や素早い工具交換が可能ですが、コレットシステムに比べて振れが大きくなることがあります。一般的にメカニカルチャックは他のツールホルダーに比べてサイズが大きいため、部品の形状によっては工具の使用が制限される場合があります。
油圧で把持力を発生させる油圧チャックは、機械式チャックに比べて内部の部品点数が少ないため、比較的スリムな形状となっています。油圧チャックは振れが少なく、高速回転でのリーマー加工、ドリル加工、ライトミーリング加工に有効ですが、大きなラジアル荷重には弱いという欠点があります。
ホルダが切削工具を固定する方法と同様に重要なのが、工作機械のスピンドルへの取り付け方です。ツールホルダーのスピンドルまたはテーパーエンドは、トルク伝達能力を決定し、ツールのセンタリング精度を確立します。従来のBT、DIN、CATなどの工具テーパは、小型の工作機械には有効ですが、高速性には限界があります。ホルダーのテーパ部とフェース部の両方で接触するタイプは、特にロングオーバーハングの場合に、剛性と精度が向上します。大きなトルクを確実に伝達するためには、より大きなテーパサイズが必要です。例えば、HSK-E32のホルダーでは、重切削でのHSK-A125Aの代わりにはなりません。
ホルダーのテーパー形状は、地域によって異なることが多い。HSKは、5軸加工機が普及した1990年代半ばにドイツで生まれた。アメリカではCATテーパーが主流ですが、アジアではBTシャンクが人気で、テーパーと面接触のタイプが多いようです。
5軸加工ではHSKが一般的です。PSC（多角形クランプシステム：Capto）とKMの接続は、主に複合加工機で使用されており、現在ではISO標準となっている。KMもCaptoもモジュラーシステムであり、エクステンションやレデューサーを重ねることで、異なる長さの特定のツールを組み立てることができる。また、複合加工機の普及に伴い、1つの治具で旋削・加工・穴あけが可能なツールホルダーが人気を博しています。
独自のホルダーやコレットを革新的な方法で使用して素晴らしい結果を出す独自のツールホールドシステムがありますが、ショップはそのメリットを計算しなければなりません。これらのシステムは、一般的にコストが高く、単一のサプライヤーから提供されるツールの選択肢が限られています。
コストとその他の検討事項
油圧式や機械式のホルダーは、コレット式や焼きばめ式のホルダーに比べて基本的なコストは高いが、焼きばめ加熱装置の費用や工具交換に要する時間などがかかります。また、コレットチャックホルダーシステムでは、コレットを交換するだけで異なる径に対応できるのに対し、シュリンクフィットホルダーでは、それぞれの工具径に合わせてホルダーを用意する必要があります。
また、工具ホルダーをうまく活用するには、機械オペレーターや工具のメンテナンス担当者も重要な役割を果たす。工作機械やその他の製造装置と同様に、ツールホルダーの利点を最大限に生かし、その能力を発揮させるためには、正しい使い方とメンテナンスが必要です。例えば、作業者は、工具のシャンクをホルダーに完全に挿入しなければなりません。なぜなら、不適切な装着は、精度を損なう振動や工具の飛び出しにつながるからです。工具の組み立て仕様に従うことも重要です。チャックを締めるときに、延長ハンドルを使って過剰なトルクをかけてはいけません。
工具のメンテナンスも重要であるが、しばしば無視される。作業者は、使用前に必ずホルダーを洗浄し、工作機械のスピンドルも点検してください。ホルダは清潔で乾燥した状態で保管し、工具のテーパーを保護するためのキャップを付けてください。油圧チャックの液圧は定期的にチェックしてください。
結論
工作機械メーカーは、加工システムにおけるツールホルダーの重要性を認識し、それぞれの工作機械、加工方法、ワークに適したツールホルダーを適切に組み合わせることで、生産性の向上とコストの削減が可能になることを学ぶ必要があります。一方で、ツールホルダーメーカーは、個々の加工ニーズに対応したホルダー（サイドバー参照）をより広範囲に提供しています。
今後は、ホルダーのハードウェアだけでなく、ソフトウェアやRFIDタグを利用したツールマネジメントも重要になってきます。ソフトウェアとRFIDタグを使った工具管理は、データベースの製造の要素であり、より一般的になりつつあります。ツールホルダー技術の進歩は、ホルダーにかかる力をリアルタイムでモニターできるセンサー付きのホルダーにも及びます。収集されたデータは、オペレータによる加工パラメータの調整や、機械制御ユニットと連携した人工知能（AI）による自動調整を可能にします。これらの技術やその他の新技術は、ツールホルダーが加工作業にもたらす生産性の向上に貢献します。
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あらゆるニーズに応えるホルダー
Seco Toolsは、顧客の特定のニーズを満たすために、提供するツールホルダーの範囲を拡大する方法を常に模索している。2000年、Seco Toolsは、ツールホルダー、ボーリングヘッド、ダンピングツールホルダーの設計・製造で豊富な経験を持つフランスのツールホルダーシステム会社EPBを買収しました。EPBのリソースにより、Seco Toolsは特定の加工アプリケーションに対応するように設計された多種多様なホルダを提供することができます。
例えば、Seco Toolsは、様々なゲージ長とノーズプロファイルを特徴とする様々なシュリンクフィットツールのオプションを提供しています。HDシュリンクフィットチャックは、重い荒加工用に設計されており、DINシュリンクフィットチャックは、品質が優先される高速切削加工での中仕上げや仕上げ用の第一選択肢です。M&D(Mold and Die)シュリンクフィットチャックは、金型や航空宇宙産業でよく見られるような深いキャビティでの仕上げ加工や準仕上げ加工用に設計されています。
同様に、Seco ToolsはERとHPコレットチャックの両方を供給しています。人気があり汎用性の高いERチャックは、1つのチャックに異なるサイズのコレットを装着することで、様々な工具径をクランプすることができます。HPコレットチャックは、高速仕上げ加工や軽度の荒加工で良好な加工面を得るために設計されています。また、コレットと工具を交換するだけで、すぐに加工を再開できるので、工具折れにも強くなります。
Seco Toolsのプリバランス・パワー・ミーリング・チャックは、重切削加工において高い切り屑処理能力を発揮し、シュリンクフィットやウェルドンホルダの代替品となります。Seco Toolsのプリバランス・パワー・ミーリング・チャックは、高い切り屑処理能力を持ち、焼きばめやウェルドンホルダーに代わる製品です。ハイドロエキスパンションチャックは、エクスパンションスリーブにより工具保持の多様性を提供し、3xDで5μm以下の振れ幅を持ち、高速切削アプリケーションのためのファインバランスを実現します。一体型のオイルリザーバーは、表面品質を最適化するためのダンピング剤として機能します。
Secoの技術営業スタッフは、ツールホルダーの特徴、機能、アプリケーションに関して十分なトレーニングを受けており、地域の専門家による追加サポートも可能です。知識と経験のあるテクニカルサポートは、お客様の特定の部品、設備、加工方法に最適なホルダを選択するのに役立ちます。Secoのカタログには、ユーザーが最も生産的で費用対効果の高い選択をするための詳細なテクニカルガイドも掲載されています。
