防振機能を備えた回転切削工具

【課題】
工具の刃先において回転軸方向に生じる工具の振動を効果的に減衰し、切削加工中に工具振動を生じずに高い能率で切削加工することができる回転切削工具を提供する。
【解決手段】
円盤状の本体１１に切れ刃１３を取り付けた回転切削工具において、前記円盤状の本体１１の端面側に円環状の溝を形成し、当該溝に、粘弾性体２１を介してリング状の錘３１を設け、工具本体の回転軸方向に前記錘３１が前記本体１１と相対的に移動可能に構成する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転する切削工具を走査することで被削材を切削加工する場合、その加工精度の低下や切削工具の破損などの不具合を生じる工具の振動を抑制する技術に関する。また、切削工具を用いて良好な表面粗さ、寸法精度で加工するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転する切削工具を用いた切削加工において、被削材や工具の動剛性が低い場合、あるいは切削工具と被削材の間に作用する切削力が大きい場合に、切削工具と被削材の間に相対的な振動が生じる。そして発生した振動により加工面にうねりが生じ、また、その表面粗さが増大し、所望の加工精度を得ることが出来なくなる。さらにまた、上記した振動が大きくなると切削工具自身の切れ刃が欠損する、あるいはその摩耗が増大するなどの不具合が生じ、最終的には切削工具自身が寿命にいたることになる。
【０００３】
深い溝や穴などを切削加工する際は、直径や幅などに比較して突出しの長い長尺工具が用いられる。長尺工具では、長手方向に垂直方向の剛性が低く、加工中は工具先端では長手方向垂直面内で振動変位しやすい。このような長尺切削工具で加工を行うと、加工中の工具先端の振動によって表面粗さや工具寿命の悪化を生じてしまう。このような場合における対応策としては、従来は切込み量を小さくするなど、加工条件を低下させて工具に作用する切削力が小さくなるようにして、振動を抑制する方法しかなかった。しかしこの方法では加工条件を低下させるため、切削加工に要する時間が増大し、生産性を悪化させてしまうという問題がある。
【０００４】
このような場合における対応策として、弾性体などを介して錘を工具本体に対して相対運動可能な状態で取付け、ダイナミックダンパを構成することで工具本体の振動を抑制する方法が提案されている。例えば、特許文献１には、旋削加工用のバイトの外部に錘を取付けてバイト本体の振動を減衰させ、切込み量を減少させずに高い加工能率で切削する方法が提案されている。また特許文献２には、工具を回転させて被削材を切削する場合において、長尺工具に設けた中空部に錘を取付ける事で本体の振動を減衰させ、切込み量を減少させずに高い加工能率で切削する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−７９５３３号公報
【特許文献２】特願２００８−１００３３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記した特許文献１では、旋削用バイト本体のたわみ振動を抑制するために、バイト本体の外側に錘を配置してダイナミックダンパを構成し、バイト本体の振動を減衰する構造が提案されている。この方式では、錘はバイト本体に対してばね、減衰器を介して接続されており、バイトがその長手方向に対して垂直面内で変位すると、錘はバイト本体に反力を加えることで振動を抑制することが可能になっている。この方式ではバイト本体の外側に錘を配置しているので、バイト本体よりも大きな錘を取付けることができ、ダイナミックダンパの減衰性能を高めることができるという利点がある。しかし、たとえば穴や溝などの狭い部分の加工を行う場合、錘に関しては被削材との干渉を生じない程度の大きさとする必要がある。
【０００７】
また、上記した特許文献２では、長尺回転工具のたわみ振動を抑制するために、工具の内部に設けた中空部に錘を配置してダイナミックダンパを構成し、長尺回転工具本体の振動を減衰する構造が提案されている。この方式においては、錘は長尺工具本体に対して、ばね、減衰器を介して接続されている。長尺回転工具は、回転軸に対して垂直な面内、すなわち工具回転面内で振動しやすい。長尺工具本体が振動変位すると、内蔵された錘が長尺工具本体に対して反力を加えることで振動を抑制することが可能になっている。長尺工具は穴やポケットなど、狭い部分の加工に用いられるが、本方式では錘は工具本体に内蔵されており、加工時に被削材との干渉は生じない。しかし、工具内部に錘を内蔵する必要があるので、錘の大きさには制約が生じる。
【０００８】
これらの、錘を内蔵してダイナミックダンパを構成し、切削加工中の工具本体の振動を抑制する方法としては、従来は主として長尺工具のたわみ振動を減衰させる構造が用いられてきている。
【０００９】
しかし一方で、切削加工中に工具と被削材の間に相対的な振動を生じやすい場合として、回転切削工具において、工具長さに対して工具直径が大きい場合がある。このような場合、切削工具の取付け部を中心にした振り子運動や、工具本体の弾性変形によって切削工具の刃先部分では回転軸方向に振動変位が大きくなる。このため、回転軸と垂直面内で工具と錘が相対運動する従来の方式では、効果的に刃先での振動を抑制することができないという課題がある。
【００１０】
そこで本発明は、これらの課題を解決し、工具の刃先において回転軸方向に生じる工具の振動を効果的に減衰し、切削加工中に工具振動を生じずに高い能率で切削加工することができる回転切削工具を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するために、本発明では回転切削工具の端面側に錘を配置し、錘が工具本体に対して回転軸方向に相対運動可能な状態で取り付けられていることで、刃先での工具回転軸方向の振動を減衰させることを特徴としている。
【００１２】
この発明の一つの態様では、円盤状の本体に切れ刃を取り付けた回転切削工具において、前記円盤状の本体の端面側に円環状の溝を形成し、当該溝に、粘弾性体を介してリング状の錘を設け、工具本体の回転軸方向に前記錘が前記本体と相対的に移動可能に構成する。
【発明の効果】
【００１３】
上記したように、回転切削工具の端面側に、錘が工具本体に対して回転軸方向に相対運動可能な状態で取り付けられていることで、加工中に生じる刃先と被削材の相対振動を減衰させ、加工面の表面粗さや寸法精度の悪化、工具の欠損などを生じることなく、良好な状態で切削加工することが可能になった。また、切込み量など加工条件を大きくしても、工具と被削材の相対振動を生じずに加工でき、高い効率で切削加工することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施例の防振機構を備えた回転切削工具の構造を説明した図である。
【図２】本発明が適用される回転切削加工の一例を説明した図である。
【図３】切削工具を取付けたアーバが長い場合に、切削加工時に生じる工具振動の方向を説明した図である。
【図４】工具突出し長さに比べて工具直径が大きい場合に生じる工具振動の方向を説明した図である。
【図５】切削工具と座標系の関係を説明した図である。
【図６】従来の切削工具において、ｘ方向に加振した場合の、ｘ，ｙ，ｚそれぞれの方向の変位の応答を示した図である。
【図７】従来の切削工具において、ｚ方向に加振した場合の、ｘ，ｙ，ｚそれぞれの方向の変位の応答を示した図である。
【図８】工具直径方向に切削力が作用した場合に生じる、切削工具の本体の振動変位を説明した図である。
【図９】回転軸方向に切削力が作用した場合に、たわみ変形による切削工具の本体の振動を説明した図である。
【図１０】本発明の実施例の防振機構を内蔵した回転切削工具の概要を説明した図である。
【図１１】本発明の実施例の防振機構を備えた切削工具の断面図である。
【図１２】本発明の振動系のモデルを説明する図である。
【図１３】工具本体と錘の振動状態を解析した図である。
【図１４】工具本体と錘の振動状態を解析した図である。
【図１５】工具本体と錘の振動状態を解析した図である。
【図１６】本発明の防振機構を内蔵した回転切削工具の周波数応答を説明した図である。
【図１７】本発明の他の実施例の回転切削工具の構造を説明した図である。
【図１８】本発明の他の実施例の回転切削工具の構造を説明した図である。
【図１９】本発明の他の実施例の防振機構を備えた回転切削工具の構造を説明した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
【００１６】
大形の部品を製造するために、回転する切削工具を被削材に切込みながら相対的に移動させることで、被削材を除去して、設計形状、寸法に加工することが行われる。例えば、図２に示したように、切削工具１は、回転しながら工作機械のｘ軸（テーブル移動軸）５１、ｙ軸（水平移動軸）５２、ｚ軸（上下移動軸）５３の駆動によって移動し、テーブル上に取付けられた被削材３を加工する。この際に、図３に示したように、工具１の直径Ｄに対して、アーバ（取付け部）２の長さＬが長い状態では、加工中に被削材３から受ける切削力によってアーバ２にたわみが生じ、図中に示した矢印の方向、すなわち回転工具１の回転面内での振動が生じやすい。加工中に回転面内で工具１の振動が生じると、加工表面の粗さの劣化、寸法精度の劣化、および切れ刃の損傷が生じることになり、良好な状態での切削ができない。一方で、図４に示したように、アーバを用いずに工具の突出し長さＬが短い状態で切削加工する場合においても、工具１１の直径Ｄが大きい場合には、切削加工中に被削材３から受ける切削力によって、図中の矢印の方向、すなわち工具回転軸方向の振動が生じやすい。
【００１７】
図５はこのような直径の大きい工具の形態を説明した図である。切削工具の本体１１には、複数の切れ刃、すなわちインサート１３が取付けられている。図５において、この回転切削工具１１の回転軸方向をｚ軸とし、ｘおよびｙ軸で決定する平面内で工具は回転する。工具本体１１は例えば直径が２５０ｍｍで、厚さが５０ｍｍの円盤状になっている。この図５において、インサート１３に、図中に示したｘ軸方向にインパルス波形の切削力を加えたときの、計測する位置１５におけるｘ、ｙ、およびｚ軸方向のコンプライアンス（振動変位と加振力の比）の周波数応答を図６に示している。ここで、計測する位置１５において、ｘ軸方向は半径方向を、ｙ軸方向は接線方向を示す。図６の結果より、ｘ軸方向に切削力を加えているものの、ｘ軸方向よりもｚ軸方向のコンプライアンスの方が大きくなっている。
【００１８】
図７は、図５においてインサート１３に図中のｚ方向のインパルス波形の切削力を加えたときの、計測する位置１５におけるｘ，ｙ，ｚ軸方向のコンプライアンスの周波数応答を示したものである。この結果より、ｚ軸方向に切削力を加えたことにより、ｚ軸方向に最も大きな変位を生じていることがわかる。
【００１９】
図８に示したように、工具突出し長さと比較して工具直径が大きい場合、工具１１の外径に工具直径方向に力Ｆが作用することにより、図中のＡ点を中心に工具全体が振り子運動すると仮定する。このときに工具の突出し長さと半径が同じであれば、図中に示したように工具中心における工具半径方向すなわちｘ方向の変位δｘと、工具軸方向の変位δｚは等しくなる。工具の突出し長さよりも工具半径の方が大きい場合には、δｚの方が大きくなるため、切削加工によって工具の半径方向、すなわちｘ方向に切削力が作用しても、切れ刃先端においては工具の回転軸方向、すなわちｚ方向に振動変位が大きくなってしまう。一方で図９に示したように、工具の最外径部分に回転軸方向すなわちｚ方向の切削力が作用した場合、本発明で対象としている形状の切削工具では直径が２５０ｍｍ、厚さが５０ｍｍと薄いので、上記の振動変位に加えて工具の本体１１がたわみ変形することによって切れ刃はｚ方向に振動してしまう。このように突出し長さと比較して、直径の大きな工具によって被削材を切削加工すると、切れ刃部分においては回転軸の方向に振動が生じやすくなる。
【００２０】
そこで本発明では、図１０に示したように切削工具の本体１１の端面側に溝が設けられており、その内部に錘３１が配置されている構造とすることで、本体１１の回転軸方向の振動を減衰することを可能にしている。錘３１は本体１１に対して内蔵されているので、加工中に錘３１が被削材と干渉することなく切削可能になっている。
【００２１】
図１１は、図１０の断面図を示している。この図に示したように、切削工具の本体１１には切れ刃（インサート）１３が取り付けられている。工具本体１１の端面側には円環状の溝が設けられている。この溝の内部には、リング状の錘３１が配置さており、ボルト２２、および粘弾性体のリング２１を介して工具本体１１に取付けられている。工具本体１１は直径２５０ｍｍ、厚さ５０ｍｍの円盤状であり、端面側の溝は直径１９０ｍｍ、深さ３０ｍｍとなっている。錘３１は直径１８０ｍｍ、厚さ２５ｍｍの円盤状である。錘の質量を大きくすることで、高い減衰性能を得ることが可能であるために、材質は鉄系材料の約２倍の比重を持つタングステン焼結体（比重１５）を用いている。また、粘弾性体は直径２２ｍｍ、厚さ５ｍｍのリング状であり、ヤング率１０００ｋｇｆ／ｍｍ^２、減衰比０．３の防振ゴムを用いている。
【００２２】
図１に示したように錘３１には同心円上に４か所の穴およびざぐりが設けられており、ざぐりの内部にリング状の粘弾性体２１を挿入し、ボルト２２によって錘は本体１１に取付けられる。この際に、錘３１のざぐりの直径と、粘弾性体のリング２１の外径は等しくなっており、また粘弾性体のリング２１の内径とボルト２２の直径は等しくなっているので、錘３１は工具本体１１と同じ回転軸となるように配置される。このことによって、錘の中心位置のずれによるアンバランスを生じることなく錘を工具本体１１の内部に設置することができ、工具回転時の振動を小さくすることができる構造となっている。また、同心円上に設けた４か所をボルト２２で固定する際に、粘弾性体２１を変形させて締め込むことで、工具本体１１、粘弾性体２１、錘３１、ボルト２２には適切な与圧が作用し、変形した状態となっている。すなわち、錘３１が工具の回転軸方向の一方に移動すると、一方の粘弾性体リングは錘に圧迫されて圧縮し、反対側の粘弾性体リングは圧迫が開放されて伸長することになるが、双方の粘弾性体リングともにボルト２２によって予め圧縮された状態であるために、錘の移動によって錘３１、粘弾性体２１、工具本体１１の接触が分離することはない。
図１２は、工具本体１１、錘３１および粘弾性体からなる振動系のモデルを示す。以上の構造となっていることにより、工具本体１１と錘３１の振動のモードは図１２に示したようになっている。工具本体１１は図中のｘ−ｚ平面内で点Ａを中心に振り子運動するモードで振動する。錘３１は、工具本体１１に対して両側でばね２５、減衰器２７を介して接続されている。一方のばね２５および減衰器２７が伸長すると、もう一方のばね２５と減衰器２７は圧縮する振動モードとなることで、錘３１が本体１１と逆の位相で振動する。この作用によって工具本体１１の振り子運動の振動モードを減衰させることができるようになっている。
【００２３】
図１３、図１４、および図１５は、有限要素法によって工具本体１１と錘３１の振動状態を解析した図である。１３００Ｈｚの周波数において、図１３に示したように工具本体１１の上端がｚ＋方向に移動したときに、錘３１の上端はｚ−方向に移動して、工具本体の運動に対して反対の力を及ぼしている。図１４は振動の中間状態を示しており、図１５は図１３と反対方向に工具本体１１と錘３１が移動した状態を示している。これらの図に示してあるように、本体１１が振動するときに、錘３１は工具本体１１とは逆の位相で振動し、本体の変位に対して反対方向の力を及ぼすことによって振動を減衰することができるのである。
【００２４】
図１６は、直径２５０ｍｍの回転切削工具について、以上に説明した防振機構を内蔵したことによる、工具回転軸方向、すなわちｚ軸方向のコンプライアンスを示したものである。従来の切削工具では固有振動数１３００Ｈｚにおいて、コンプライアンスは約６×１０^−８ｍ／Ｎであったが、防振機構を内蔵したことで、コンプライアンス最大値は２×１０^−８ｍ／Ｎと、１／３に小さくすることができている。これにより動剛性を約３倍に向上することができており、切削加工時の切込みを３倍に向上することが可能になったのである。
【００２５】
以上に説明した実施例においては、錘３１はタングステン焼結体を直径１８０ｍｍのリング状に加工したものを用いている。一方で、さらに工具本体の直径が大きい場合には、防振性能を確保するために錘も直径の大きなものを用いる必要が生じる。しかし、大径の焼結体を製作するには、成形金型や、焼結の炉にも大きな寸法のものを用いる必要が生じる。このため、工具本体の直径を大きくすると、錘の製作に関わるコストが増大してしまう課題がある。これを解決するために、本発明では、図１７に示したように、錘を分割して製作し、組立て時に一体化することも可能である。本実施例では、中心角９０°となるように４分割した錘３３をタングステン焼結体で製作し、錘取付け板３４に取付けて図１８に示したように一体化している。一体化に当っては、それぞれの接続面を接着しているが、ボルトでの取付け、ロウ付けなどでも構わない。この構造を採用することにより、大きな寸法の錘であっても安価に製造することが可能となるのである。
【００２６】
また、本発明の他の実施形態では図１９に示したように粘弾性体のプレート２３を切削工具本体１１と錘３１の間に挿入して用いている。この方法においても、錘３１は工具本体１１に対して相対的に振動することが可能であり、本体の振動を吸収できる構造となっている。この実施形態では粘弾性体のプレート全周が錘と接しているので、振動特性の異方性が少なく、工具回転時の振動抑制効果の安定性が高い。
【００２７】
また、先の実施形態では、４か所のボルトで錘を固定しているが、これに限られるものではなく、例えば、工具の回転軸に設けた１つの固定具で、粘弾性体を介して固定するようにしてもよい。
【００２８】
また、複数のボルトで錘を固定する場合には、複数のボルトを同心円上において等間隔に設けるのが、振動特性からみて、好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明によれば、長さに対して比較的直径の大きい回転切削工具を用いて、工具の端面側で切削加工を行う際に、工具本体の端面に設けた中空部に、工具回転軸方向に工具本体と相対運動可能な状態で錘を内蔵することで、工具切れ刃において工具回転軸方向の振動を減衰させ、振動を抑制し、効率良く、かつ安定して切削加工する工具を提供することができ、その結果として製品のコスト低減や加工精度の向上、および製造に関わる消費エネルギの低減に寄与することが可能であって、工業産業利用上に貢献するものである。
【符号の説明】
【００３０】
１切削工具
２アーバ
３被削材
１１切削工具本体
１２切削工具の取付け部
１３インサート
１５周波数応答を計測する位置
２１粘弾性体Ｏリング
２２ボルト
２３粘弾性体プレート
２５ばね
２７減衰器
３１錘
３３分割した錘
３４錘取付け板
５１工作機械のｘ軸
５２工作機械のｙ軸
５３工作機械のｚ軸

【特許請求の範囲】
【請求項１】
円盤状の本体に切れ刃を取り付けた回転切削工具において、
前記円盤状の本体の端面側に、粘弾性体を介してリング状の錘を設け、工具本体の回転軸方向に前記錘が前記本体と相対的に移動可能に構成した回転切削工具。
【請求項２】
請求項１記載の回転切削工具において、
前記円盤状の本体の端面側に円環状の溝を形成し、当該溝に、前記リング状の錘を配置したことを特徴とする回転切削工具。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の回転切削工具において、
工具突き出し長さと比較して工具直径が大きいことを特徴とする回転切削工具。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか一つに記載の回転切削工具において、
前記リング状の錘を、同心円上に設けた複数のボルトによって、前記本体に取り付けたことを特徴とする回転切削工具。
【請求項５】
請求項４に記載の回転切削工具において、
前記複数のボルトのそれぞれに、粘弾性体のリングを介在させたことを特徴とする回転切削工具。
【請求項６】
請求項１乃至請求項４の何れか一つに記載の回転切削工具において、
前記粘弾性体を、リング状のプレートとしたことを特徴とする回転切削工具。
【請求項７】
請求項１乃至請求項３の何れか一つに記載の回転切削工具において、さらに、
前記リング状の錘に穴とざぐりを設け、該ざぐりの内部にリング状の粘弾性体を設け、穴に貫通させたボルトで前記粘弾性体を締め込むことで、前記錘および前記粘弾性体を適切な与圧で固定するように構成したことを特徴とする回転切削工具。
【請求項８】
請求項１乃至請求項３の何れか一つに記載の回転切削工具において、
複数個に分割された部材を取付け板に接続することで一体のリング状の錘を形成することを特徴とする回転切削工具。

【図１】