JP2002536198A - 切削工具用の積極的な制振システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 切屑を除去する機械加工用の切削工具は、締付け端部（２）を有しかつこれとは反対側の端部に機械加工用の要素（９）を有するシャンク（１）を含む。締付け端部（２）の付近の区域内には、曲げ振動および／またはねじり振動を制振するという目的を有するピエゾ素子（８）が存在する。シャンク上のピエゾ素子の作用は、抵抗素子を含む制御モジュール（１４）によって消極的に（または、論理制御回路によって積極的に）制御することが可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 発明の技術分野 本発明は、締付け端部を有しかつこれとは反対側の端部に機械加工用の要素を
有するシャンクを含むタイプの切屑を除去する機械加工用の切削工具に関する。 発明の背景 旋削加工または穿孔加工のように切屑を除去して機械加工する際には、特にシ
ャンクすなわち切削工具の長さがその直径よりも少なくとも４〜５倍長い場合に
、振動によって問題が生じることが多い。１つのタイプの振動が曲げ振動であり
、シャンクが前後に曲げられて曲げ変形を被る。中ぐり棒の形のシャンクが被加
工物に到達するために長くなければならないと同時に、その棒の直径が機械加工
が中で行われる穴の寸法によって制限されている、例えば旋削（特に内側旋削）
の際に、この現象は共通の問題を生じさせる。被加工物に対する距離が長いこう
した穿孔、旋削、およびフライス削りの作業中には、延長ユニットが使用され、
このことが曲げ振動を引き起こし、その結果として、被加工物のむらと寸法精度
の悪化だけでなく、フライスとその切削インサートまたはその機械加工要素の使
用寿命の低下ももたらされる。

【０００２】 別のタイプの振動はねじり振動であり、剪断歪みの発生中にシャンクの縦軸線
を中心としてシャンクが前後に回転させられるかまたはねじ曲げられる。こうし
た振動は、例えば、穿孔中に、特により高速での穿孔中に生じる。さらに、ねじ
り振動は、機械加工表面の品質の低下と、切削工具および切削インサートの使用
寿命の低下とをもたらす。さらに、重大な問題点は、甲高い騒音が回転中に生じ
させられることによるねじり振動を生じさせる作業環境上の問題である。 従来の技術 切屑を除去する機械加工用の切削工具における制振は、従来においては純粋な
機械的な制振によって行われており、例えば逆振動する重金属の塊が中に入れら
れた空洞を有するシャンクが形成されている。この場合には、特定の振動数範囲
内の振動を制振するように、その塊の重さと位置とが調整される。その次に、空
洞の中に例えば油のような粘性の液体が充填され、この空洞が密封される。しか
し、この方法は、シャンクの長さがその直径よりも約４〜１０倍長い場合にだけ
有効であるにすぎない。この制限に加えて、純粋に機械的な制振は、制振が有効
である振動数範囲が非常に限定されているので、明らかな欠点を有する。さらに
別の問題点は、シャンク内に形成される空洞のために生じる構造的強度の脆弱化
から成る。

【０００３】 全く異なった技術分野では、より効率的で適応的な制振方法が、特にピエゾ素
子の使用によって始められている。ピエゾ素子はほとんどセラミックタイプの材
料から成り、特定の方向すなわち分極の方向において圧縮または歪みを受ける際
にこの方向における電界を生じさせる。このピエゾ素子は、一般的には、分極方
向を備えた長方形の板の形状であり、この分極方向はこの板の主軸線に対して平
行である。制御モジュールを含む電気回路にピエゾ素子を接続し、分極方向にピ
エゾ素子を圧縮または伸長させることによって、電流が発生させられて電気回路
内を流れ、制御モジュール内に含まれた電気抵抗素子が公知の物理的現象によっ
て熱を放出する。そうすることによって、振動エネルギーが熱エネルギーに変換
され、それによって、振動に対する完全な打ち消し効果ではなく消極的な制振が
得られる。さらに、抵抗構成物と反応構成部いわゆる分流器との適切な組合せを
含む制御モジュールを形成することによって、選択された振動数が特に効果的に
制振されることが可能である。こうした振動数が、特に励振される物体である当
該対象物体の被爆固有モードのいわゆる「固有値」振動数であることが有利であ
る。

【０００４】 逆に、ピエゾ素子は、電圧をピエゾ素子に印加することによって、圧縮または
伸長することが可能であり、このピエゾ素子は制御装置または作動装置（アクチ
ュエータ）として使用できる。この場合に、ピエゾ素子は、作動装置の機械的応
力を外部機械的応力として逆向きに作用するように印加電圧の極性を選択するこ
とによって、積極的な振動減衰のために使用でき、従って、振動の発生が抑制さ
れ、例えば回転エネルギーのような他の運動エネルギーを振動エネルギーに転換
することできない。そして、効果を打ち消されなければならない外部機械的引張
りに対する印加電圧の同期化は、変形感知センサからのフィードバック信号を、
作動装置に印加される電圧をほぼ同時に制御するようにその信号が処理される論
理制御回路例えばプログラム可能マイクロプロセッサの形の制御手段に送り込む
ことによって行われる。この制御機能すなわちセンサからの入力信号と出力電圧
との間の関係は、非常に複雑なものにされる可能性がある。例えば、変化する状
態に対する適応のための自己学習システムが適している。センサは別個の変形感
知装置、例えば第２のピエゾ素子から成ってもよく、または、作動装置と共通で
あってもよい。

【０００５】 制振を目的とするピエゾ素子の使用に関するすでに実現されている応用例と現
在の開発領域とが、Mechanical Engineering, Nov. 1995, p76〜81に説明されて
いる。例えば、アルペンスキー用のスキー(K2 Four ski, K2 Corp., USA)には、
地面との接触を減少させる他にスキーヤーの安定し制御されたスキー滑走を妨げ
ることになる望ましくない振動を制振する目的で、ピエゾ素子が装着されている
。さらに、航空機の翼安定性の増大、自動車の乗り心地の良さの改善、ヘリコプ
ターのローターブレードとシャフトの振動の制振、たわみ製造のための機械加工
プラットフォームの制振、および、軍用兵器の命中精度の増大といった用途が言
及されている。Active Control eXperts (ACX) Inc., USA （ピエゾ素子の製造
会社）からの資料集には、スノーボードの制振も言及されている。 発明の目的と特徴 本発明は、冒頭で言及した切屑を除去して機械加工する公知の切削工具の欠点
に対処することと、制振が改善された切削工具を提供することとを目的とする。
したがって、本発明の主目的が、例えばシャンクの長さがその直径の３〜１５倍
の長さであり、好ましくはその直径の約４〜６倍の長さである場合に、広範囲の
振動数にわたって振動を効率的に制振する能力を有する頑丈な切削工具を提供す
ることである。公知の切削工具に比較して切削工具自体とその切削要素との使用
寿命が長い切屑を除去する機械加工用の切削工具を提供することも、本発明の目
的である。この切削工具の別の目的が、この切削工具の使用が、機械加工された
被加工物の表面品質の改善と、高周波数の騒音の削減による作業環境の改善とを
もたらすべきであるということである。

【０００６】 本発明によって、少なくとも主目的は、請求項１の特徴部分に定義されている
特徴によって実現される。本発明の好ましい実施態様は従属クレームでさらに定
義される。 一般的な変形事例の簡単な説明 図１〜７には、動揺または振動が生じることがある時の様々な変形の事例が概
略的に示されている。

【０００７】 図１には、切削工具すなわち切削工具シャンクから成ってよい細長い本体が示
されている。この本体１は締付け端部２と外側自由端部３とを有する。この本体
は外側表面４を有し、この外側表面４は、本体が円筒形である場合には包絡面か
ら成る。この本体は、さらに、例えば正方形のような多角形の横断面形状を有す
る場合には、複数の平らな表面を含んでもよい。本体１は任意の断面形状を有し
てよいが、ほとんどの場合には一般的に円形または正方形である。図１に、番号
５は、本体１が締め付けられる部分を表し、この本体はこの締付け部分から卓状
に延在する。図１では、本体１が、第１の曲げ固有モードで変形している時の状
態を示す。さらに、図２に示すグラフは、この場合、曲げモーメントＭ_bが本体
に沿ってどのように変化するかを示している。このグラフから見てとれるように
、最大の曲げモーメントすなわち最大の歪みは、締付け端部２においてまたはそ
の付近に発生する。これと同じことは、切屑を除去する機械加工用の切削工具が
曲げ振動する際に通常支配するエネルギーようなより低次元のモードにすべてに
当てはまる。図３には、図１の撓みによって変形させられた本体１の部分が締付
け端部の区域内に示されている。こうして、曲げ変形における歪みが本体の横断
方向においてどのように変化するかが図示されている（図解のために、歪みを極
めて強調した形で示してある）。この図から見てとれるように、最大の歪みが本
体の包絡面すなわち外側表面４において得られる。

【０００８】 図４には、第１のねじり固有モードで変形されられている細長い本体１が示さ
れている。さらに、図５には、この場合のねじりモーメントＭ_tが本体に沿って
どのように変化するかを示すグラフが示されている。このグラフに見てとれるよ
うに、最大のねじりモーメントすなわち最大の剪断歪みが、締付け部分５の最も
近くで発生する。これと同じことが、切屑を除去する機械加工用の切削工具がね
じり振動する際に通常支配的となるエネルギーのようなより低次のモードに全て
当てはまる。図６では、図４による本体１の円形横断面が示されており、剪断変
形における剪断歪みが横断面の直径に沿ってどのように変化するかを示す（図解
のために、剪断歪みを極めて強調した形で示してある）。図に見てとれるように
、最大の剪断歪みが包絡面４の最も近くで得られる。

【０００９】 図７には本体１の一部分が示されており、包絡面４上に加えられる２つの仮想
正方形面６、７のねじり応力の発生する際の変形を示し、この面６、７は、その
端縁が本体１の縦方向長さ沿ってかつ垂直に、並びに本体１の縦方向長さに対し
て４５°の角度に方向付けられている形に方向配置されている（図解のために変
形を極めて強調した形で示してある）。この図から見てとれるように、面６は剪
断歪みの際に菱形に変形させられ、一方、面７は長方形に変形させられるだろう
。曲げ変形する際に、曲げが面６、７の平面全体にわたって発生させられる場合
に、本質的に反対の関係が与えられ、すなわち、表面６は長方形に変形されられ
、一方、表面７は菱形に変形させられる。 発明の好ましい実施形態の詳細な説明 図８には、細長い切削工具すなわちシャンク１の基本設計が概略的に示されて
おり、この基本設計では、２つの平たい長方形のピエゾ素子８が、正方形の横断
面を有する形に形成されたシャンクの互いに反対側の縦方向の平面４上に締付け
固定されている。ピエゾ素子８は、シャンクの締付け端部２付近の区域内に配置
されている。このシャンクは、その外側端部３に、切削インサート９の形状の機
械加工用の要素を有する。したがって、ピエゾ素子８は、曲げ変形とねじり変形
とにおいて最大の応力が生じる区域内に位置している。この位置が好ましいが、
他の位置にも配置可能である。さらに、ピエゾ素子８は、その主面がシャンクの
平面表面４に対してほぼ平行であり、かつ、その主軸線がシャンク２の縦方向長
さに対してほぼ平行であるように方向付けられており、および、ピエゾ素子８は
、曲げ振動中に変形させられると同時に長方形の形状を保持し、一方、ねじり振
動中には菱形に変形させられるだろう（図７と比較）。平らな長方形のピエゾ素
子８の分極方向は、ここ説明、および後述の説明では、ピエゾ素子８の主軸線と
平行であると仮定されているが、分極の別の形状と別の方向とが適用可能である
。これによって、この場合にピエゾ素子が分極方向に沿って最大の平均変形を被
るので、ピエゾ素子は、その上述の方向配置において、曲げ振動を最も効率よく
制振する。

【００１０】 図８およびそれに続く図におけるピエゾ素子８の大きさとシャンクの大きさと
の間の関係を限定的なものとして理解してはならず、この関係は、単にピエゾ素
子の位置と方向配置の具体例を明瞭に示すためだけに選択されているにすぎない
。これらの図に示すピエゾ素子の数とその方向配置を限定的なものとして理解し
てはならず、むしろ単なる例示として理解しなければならない。シャンク上に形
成された複数のピエゾ素子が類似した方向配置、大きさ、形状または方向配置を
有する必要もない。ピエゾ素子の数は様々であってよいが、バランス上の理由か
ら少なくとも２つであるべきである。

【００１１】 図９には、フライス削り工具用を意図する円形横断面を備えた棒状延長部から
なる本体１の実施態様が示されている。この場合には、切れ刃の形の切削機械加
工用の要素９が、棒状延長部の自由端部３の切屑ポケット１０に隣接して形成さ
れている。ピエゾ素子８は、締付け端部２付近の区域内において棒状延長部の包
絡面４に取り付けられている。ピエゾ素子の主軸線は棒状延長部の長さに対して
平行である。したがって、この方向配置によって、ピエゾ素子９は、この場合に
も極めて効率的に曲げ振動を制振する働きをする。

【００１２】 図１０は、円形の横断面を有するシャンクといわゆるアダプタとを備えるドリ
ルからなる本体または切削工具１の実施形態を示す。ピエゾ素子８は、切削工具
の縦方向長さに対して約４５°の角度にある主軸線を有する形で、切削工具上に
取り付けられている。これによって、ピエゾ素子はねじり振動の制振のために最
も効率的に働く（図７と比較）。

【００１３】 曲げ振動とねじり振動とを同時に制振するためには、切削工具のシャンクが、
幾つかのピエゾ素子の長辺をシャンクの長さに対してほぼ平行であるように方向
配置しかつ他のピエゾ素子を約４５°に方向配置する複数のピエゾ素子を有する
形に形成されていることが有利である。あるいは、１つまたは複数のピエゾ素子
が、曲げ振動とねじり振動の両方に対する感度を個別に得るために、これらの方
向配置の中間に他の方向に配置する。

【００１４】 ピエゾ素子は一般的に壊れやすく、特にセラミックタイプのピエゾ素子は壊れ
やすい。したがって、過酷な環境においては、許容可能な使用寿命を得るために
ピエゾ素子に何らかの形の保護を施すことが必要である。図１１〜１３では、正
方形の横断面を有する切削工具シャンクが示されており、ピエゾ素子８はそれぞ
れに異なった仕方で装着されて保護されている。これらの場合すべてにおいて、
ピエゾ素子は締付け部分５の付近の区域内に配置されている（この締付け部分は
、切削工具が脱着自在に装着される従来通りの締付けから成ってよい）。図１１
では、ピエゾ素子８は凹み１１内に装着されており、例えばエポキシタイプの保
護被覆のような保護被覆で覆われていることが有利である。図１２では、ピエゾ
素子が皿穴の中に装着されかつ剛性の蓋１２によって覆われることが想定されて
いる。図１３では、ピエゾ素子８は、例えば接着剤によって固定される形で、シ
ャンクの外側に取り付けられている。これらの代案は図１１と図１２に示すもの
の単なる具体例にすぎないことを理解する必要がある。ピエゾ素子用の上述する
タイプの保護が切削工具シャンクの横断面形状とは無関係であることを理解する
必要がある。

【００１５】 本発明によって、ピエゾ素子は、そのピエゾ素子の電気的な制御すなわち操作
のための手段と協働してもよい。図１４と図１５には、こうした制御手段を有す
る形に切削工具をどのように形成したかに関する具体例を示してある。これらの
例では、切削工具はキャリヤ上に装着されている。図１５には、消極的な制振の
ための制御手段を、締付け端部２の付近に形成された制御モジュール１４と電気
接続１５との形で示し、２つのピエゾ素子８が、この電気接続１５を経由して、
それぞれのピエゾ素子を別個にまたは共通して制御するための制御モジュール１
４に接続されている。このモジュール１４は少なくとも電気抵抗素子を含む。制
御モジュール１４は、さらに、１つまたは複数のシャントを含み、選択された振
動数が特に効果的に制振されることが可能であることが好ましい。

【００１６】 図１４は、ピエゾ素子８に印加される電圧を（概略的に示す電気接続１５を経
由して）個別にまたは共通して制御するための、分離した論理制御回路１６（例
えば、プログラム可能マイクロプロセッサ）の形の積極的な制振のための制御手
段を示す。この場合に、電気接続１５は実際には収電器またはこの類似物を含ん
でもよい。図１４に例示する積極的な制振のための実施態様におけるピエゾ素子
８が同時に作動装置とセンサの両方として働く場合にさえ、これら２つの機能を
別々の作動装置とセンサとによって実現することも可能であり、センサはピエゾ
素子から成る必要はない。制御モジュール１４と論理制御回路１６との例示して
ある位置はそれぞれに好ましいが、他の位置も使用可能である。例えば、論理制
御回路１６と同様に、切削工具から分離した制御モジュール１４を形成すること
も可能である。制御モジュール１４を締付け端部の付近に配置することの利点は
、このモジュールをピエゾ素子に接続することが容易であると同時に、離れた位
置に配置された制御モジュールは、有害な機械的衝撃作用からの保護がより容易
になるということである。

【００１７】 本発明によって提供される切屑を除去する機械加工用の頑丈な切削工具は、広
範囲の振動数にわたって曲げ振動とねじり振動とに耐えるだけでなく、積極的に
制振する能力も有する。さらに、一方では、切削工具自体とその切削または機械
加工用の要素とのより長い使用寿命を実現し、もう一方では機械加工された被加
工物の表面品質の向上を可能にする切削工具が提供される。さらに、公知の切削
工具に比較して高周波数騒音を低減させることによって、改善された作業環境が
実現される。 発明の実施可能な改変 本発明は、上述し且つ図示した実施態様および用途だけには限定されない。例
えば、ピエゾ素子の積極的な制御によって、例えば切屑を破砕する際に、必要に
応じて振動を発生させたり増強することも可能である。切削工具の固有値振動数
の付近の振動数の振動を発生させたり増強するために、比較的大きな振幅を与え
ることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は、旋削加工する際の曲げ変形による切削工具シャンクの細長い本体形状
の略側面図である（第１共振振動数）。

【図２】 図２は、上記本体の曲げモーメントを示すグラフである。

【図３】 図３は、曲げ変形する際の本体内の歪みに比例する張力を示すための、締付け
端部に隣接した本体の横断面端部部分の側面図である。

【図４】 図４は、ねじり歪みまたは剪断歪みが生じる際の細長い本体の略側面図である
。

【図５】 図５は、上述の変形の際のねじりモーメントを示すグラフである。

【図６】 図６は、本体内の剪断歪みに比例した剪断歪みを示すための、図４にしたがう
本体の円形断面である。

【図７】 図７は、ねじり応力を受けた際の表面部の変形を示す本体の一部を示す図であ
る。

【図８】 図８は、本発明による切削工具シャンクの透過斜視図である。

【図９】 図９は、円形の横断面を有する形に形成されているフライス削り切削工具用の
棒状延長部品の斜視図である。

【図１０】 図１０は、本発明による穿孔切削工具の側面図である。

【図１１】 図１１は、様々な別の実施態様における正方形の横断面を有する切削工具シャ
ンクの斜視図である。

【図１２】 図１２は、様々な別の実施態様における正方形の横断面を有する切削工具シャ
ンクの斜視図である。

【図１３】 図１３は、様々な別の実施態様における正方形の横断面を有する切削工具シャ
ンクの斜視図である。

【図１４】 図１４は、受容部内に装着された積極的に制振させるための切削工具の斜視図
である。

【図１５】 図１５は、積極的に制振しない別の実施態様の切削工具の斜視図である。

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１３年３月２４日（２００１．３．２４）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 締付け端部（２）を有しかつこれとは反対側の端部に機械加
   工要素（９）を有するシャンク（１）を含む切屑を除去する機械加工用の切削工
   具であって、制振という目的を有する１つまたは複数のピエゾ素子（８）をシャ
   ンク中に含むことを特徴とする切削工具。
2. 【請求項２】 前記ピエゾ素子（８）は前記締付け端部（２）の付近の区域
   内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の切削工具。
3. 【請求項３】 前記ピエゾ素子（８）は、前記切削工具内に形成された凹み
   （１１）内に取り付けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の切
   削工具。
4. 【請求項４】 前記ピエゾ素子（８）は前記切削工具の外側表面上に取り付
   けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の切削工具
   。
5. 【請求項５】 前記ピエゾ素子（８）は、前記ピエゾ素子によって発生させ
   られる電圧を受け取ってこの電気エネルギーを熱エネルギーに変換するという目
   的を有する制御モジュール（１４）と協働することを特徴とする請求項１から４
   のいずれか一項に記載の切削工具。
6. 【請求項６】 前記ピエゾ素子（８）は、論理制御回路（１６）の形の制御
   手段によって外部電圧源からの電圧の印加を介して積極的に制御可能であること
   を特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の切削工具。
7. 【請求項７】 前記ピエゾ素子（８）は平らな形状でありかつ従属的な分極
   方向が中に位置している主面を有し、前記主面は前記切削工具の外側表面（４）
   に対してほぼ平行であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載
   の切削工具。
8. 【請求項８】 前記ピエゾ素子（８）の前記分極方向が、前記ピエゾ素子が
   主に曲げ振動を制振するように、前記切削工具のシャンク（１）の縦方向長さに
   ほぼ平行であることを特徴とする請求項７に記載の切削工具。
9. 【請求項９】 前記ピエゾ素子（８）の前記分極方向が、前記ピエゾ素子が
   主にねじり振動を制振するように、前記切削工具のシャンクの縦方向長さに対し
   てほぼ４５°の角度に延びることを特徴とする請求項７に記載の切削工具。