真空クランプシステム

真空クランプシステムの水平方向の保持力、すなわち加工中のせん断力に抵抗する力は、次の3つの要因によって決まります。

Fh = A × Δp × μ

• A: ワークに接している、真空到達している面積
• Δp: 真空度、すなわちクランプ面と周囲環境との間の圧力差
• μ: クランプ装置とワーク間の、ワークに依存する摩擦係数

圧力差が100 mbar増えるごとに、約1 N/cm²の垂直方向の保持力が生じます。材質や表面の組み合わせにもよりますが、一般的な摩擦係数は約0.2から0.5の範囲です。

実際には、加工力は主にワークピースの表面に対して平行に作用するため、真空クランプシステムの設計においては、一般的に水平方向の保持力が重要となります。これは、垂直方向の保持力にそれぞれの摩擦係数を乗じて算出されます。

例:
吸着可能面積が600 cm²のアルミ製ワークを、滑り止めゴム (μ = 0.25) を備えたマトリックスプレートに、800 mbarの真空度で固定します。 その結果、水平方向のクランプ力は1,200 Nとなり、これは加工時の切削速度が約400 cm³/minである場合に十分な値です。

記載されている値はあくまで参考であり、実際に実現可能な加工性能は大きく異なる場合があります。工具の状態、送り速度、または切削パラメータによって、加工力は大幅に変化する可能性があります。

真空クランプシステムは、真空生成、分配、およびモニタリングを行うために、相互に連携した複数の要素から構成されています。

真空クランプ部品は、ワークとの直接的な接点となります。用途に応じて、例えばマトリックスプレート、真空パッド、あるいは真空吸着式のクランププレートなどが使用されます。

真空生成は、電気式または空圧式で行われます。アプリケーションやプロセスの要件に応じて、高真空圧タイプや高吸込量を実現するシステムが採用されます。場合によっては、真空発生器にセパレータやエネルギーセービング用コントローラが備わっていることもあります。

このシステムには、位置決め・ストッパー部品、真空状態のモニタリング装置、配管部品、真空分配用部品などのアクセサリや追加要素も含まれています。

真空クランプシステムは、十分に滑らかで平坦な接触面を持ち、安定した真空を可能にするワークピースに適しています。この方法は材質を選ばず、幅広いアプリケーションに対応しています。

特に木材やガラスの加工において、その有効性が実証されています。ガラスを加工する場合、均一な保持力により、材質の脆さゆえに微細なひび割れや破損につながる可能性のある局所的な負荷集中が防止されます。

木工加工においては、局所的な機械的な固定による損傷を回避できます。真空による比較的低い保持力でも多くの木材には十分であり、セットアップ時間の短縮と柔軟なワークピースの搬送を可能にします。

プラスチック加工のプロセスでは、力が均一に分散されるため、変形を防ぎ、デリケートな表面を圧痕から保護します。

木工分野では、コンソールテーブル、グリッドテーブル、ネスティングテーブルシステムにより、例えば家具製造において、大面積のパネル材を迅速かつ柔軟にクランプすることが可能になります。セットアップ時間の短縮と高い柔軟性は、多様なワーク形状を扱う際に利点となります。

真空クランプは、アルミやその他の非鉄金属製の薄肉または大面積の金属ワークピースに対しても利点をもたらします。ワークピースを歪ませることなく、また、工具へのアクセスを妨げる水平方向のクランプ部品や、変形を引き起こす局所的なクランプ力が生じることなく、確実に固定することができます。

得られる保持力は、システム全体の気密性に依存します。ワークとクランプ面との間に十分な気密性が確保されて初めて、必要な真空度を実現し、加工中にそれを一定に維持することができます。

わずかな漏れや隙間であっても圧力損失につながり、その結果、全体の保持力が低下します。これは、高い加工力や動的荷重が発生する場合、プロセスの信頼性に特に悪影響を及ぼします。

通気性の高いワーク、特に粗い表面、または吸着可能面積が非常に小さい場合、十分な真空度を構築するための設計上の制約がさらに厳しくなる可能性があります。したがって、表面の凹凸や不規則性が約0.1 mmを超えるワークでは、十分な保持力を実現するために、通常、通移住性に優れたシールリップ付きの吸着面や特殊な吸着面が必要となります。

真空技術において、漏れ率は l/min 単位の流量として規定されます。わずかな漏れであっても、実現可能な真空度をクランプに必要な最低値以下に低下させる可能性があります。

その結果、真空クランプだけでは不十分な場合は、加工方法を調整する必要があります。例えば、加工力を低減したり、後の段階でブランクからワークを切り出すなどして、有効なクランプ面積を増やしたりする方法があります。

あるいは、機械的なストッパーや追加クランプ要素を用いて、固定をさらに補強することも考えられます。

機械式クランプシステムとは異なり、真空クランプシステムは局所的な力を加えるのではなく、表面全体に均一な保持力を発生させます。これは、局所的な負荷によってワークの反り、寸法誤差、または表面損傷が生じる恐れがあるワークを扱う場合に特に有利な点です。

さらに、水平方向のクランプ部品が不要なため、ワークの表面全体にアクセスができます。これにより、1回のセットアップで5面加工が可能となり、プロセスの作業数を削減できます。

また、力が均一に分散されることで、振動のダンパー効果も得られます。これにより、特にアルミやプラスチック製の薄板や非磁性ワークにおいて、加工品質を向上させることができます。

さらに、真空クランプシステムは、さまざまなワークのサイズに柔軟に対応できます。これにより、特に小ロット生産において、セットアップ時間の短縮とコスト効率の高い生産が可能になります。

磁気クランプシステムとは異なり、真空クランプは強磁性体に限定されません。木材、ガラス、プラスチック、アルミ、その他の非鉄金属など、損傷がなく歪みの少ないクランプが求められるあらゆる場面で使用可能です。