JP2008307642A - 防振工具及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、工具本体の振動特性が変化しても、前記振動特性の変化ごとに、動吸振器の最適化をおこなうことなく、大きな振動抑制効果が得られる動吸振器を内蔵したため、動吸振器の最適調整時間を削減することができる防振工具及びその製造方法を提供する。
【解決手段】カバー１の中空部７に、錘２５と錘２５の両端に固定された低弾性ゴム２４から構成される動吸振器が、低弾性ゴム２４により中空部７の内部に支持されており、工具本体の振動特性が変化しても動吸振器の自励振動抑制効果が大幅に増減せず、安定した自励振動抑制効果が得られる動吸振器構造を有している。
【選択図】図６

Description

本発明は、特に圧縮機インペラの羽根部形状を切削加工する際に有効な防振工具及びその製造方法に関する。

エンドミルなどの防振工具を用いた切削加工による、深穴や深溝の切削加工において、深穴の奥面や深溝の側面の切削加工を行うためには、工具の突き出し長さが長い、長尺な防振工具を用いて被削材を切削する必要がある。しかし、工具の突き出し長さが長いと、工具剛性が低くなってしまい、切削加工中に工具に作用する切削力に対する工具剛性の不足から、工具の自励振動が発生し、加工面粗さの悪化や、工具欠損が生じ易くなる。このため、長尺工具を用いた切削加工では、工具自励振動を発生させないように、切込み量や送り速度といった加工諸元を低く設定せざるを得ないため、加工能率が低くなってしまう問題がある。
このような問題を引き起こす工具自励振動を抑制する手段として、従来、種々の抑制方法が提案されている。例えば特開2002-233903（特許文献１）に記すように、工具外周部に超硬素材からなる棒を固着させる方法や、特開2002-233911（特許文献２）に記すように、工具本体の外周部に超硬素材、セラミックなどの硬質材料を溶射する方法によって、工具剛性を高め、自励振動を抑制する方法がある。加えて工具本体の素材を一般的に用いられている鋼素材から超硬素材に変更し、剛性を高めた工具も市販されている。

この一例として、図１に工具の剛性を高めた場合の工具周波数応答の一例を示す。超硬素材といった硬質材料のヤング率は鋼の２倍程度を有しており、剛性は最大で２倍まで向上するため、一般に使用される鋼製工具の振動波形５０は、波形６０になり、振動の最大振幅が抑制される。

別の方法として、例えば特開2003-62735（特許文献３）や特開2006-305674（特許文献４）のように、工具内部に質量、バネ、減衰からなる動吸振器を内蔵する方法がある。この方法は、工具内部に内蔵された動吸振器を構成する、質量とバネにより決まる動吸振器の固有振動数を、動吸振器を内蔵させる工具本体の固有振動数に合わせて最適調整することで、動吸振器が工具本体（カバー）の振動の位相と逆位相で振動し、工具本体の振動を相殺することができる。加えて、動吸振器の錘を支持している減衰は、錘の振動を粘弾性体が受けて粘弾性体が歪み、振動エネルギーを熱エネルギーに変換し散逸することで、振動が収まるまでの時間を早めることができる。

このように、動吸振器を内蔵した前記防振工具は、前記動吸振器の固有振動数の調整と、減衰による振動エネルギーの散逸により、工具の振動を効果的に抑制する方法である。

この方法を用いた前記動吸振器を構成する部材として、質量は密度７８００ｋｇ/ｍ³以上の高密度材料であり、例えばヘビーメタル（密度１８０００ｋｇ/ｍ^３）などが用いられ、減衰はヤング率１００ＫＰａ以下、引っ張り強度１〜１００ＫＰa、伸び２００〜４００％の粘弾性体や、粘性流体（例えばシリコーンオイル）が用いられ、バネは機構に応じて金属やゴムを含む弾性体が用いられている。

図２に上記動吸振器を内蔵した防振工具の質点系振動モデルを示す。このモデルは、工具の持つ質量ｍ１，バネ定数ｋ１、減衰比ζ１と，動吸振器の錘質量ｍ２，バネ定数ｋ２、減衰比ζ２から構成されており、工具に加振力ｆが作用したときの、工具本体の振動振幅ｘ１を計算できるモデルである。

動吸振器を効果的に使用するためには，動吸振器の固有振動数を決定する因子であるバネ定数ｋ２と、動吸振器の減衰比ζ２を工具本体の振動特性ｍ１、ｋ１、に合わせて最適な値に設定する必要がある。動吸振器の最適設計値は、工具本体の質量m1と動吸振器の錘錘質量ｍ２の比である、質量比μが決まれば以下の式（１）、（２）により求められる。

ここで，ω１は工具本体の固有振動数，ω２は動吸振器の固有振動数である。従来の防振工具は、使用する工具本体の振動特性ｍ１、ｋ１を実験的または解析的に見積り，これを設計の入力値として式（１）（２）に代入し、工具本体に内蔵する動吸振器のバネ定数ｋ２と、減衰比ζ２の設定値を決定し、前記設定値になるように、動吸振器のバネ、減衰の調整作業を行い動吸振器の最適化を行うことが可能である。

図３は，カバー１に質量２１・バネ２２・減衰２３からなる動吸振器２aを内蔵した従来の防振工具３aを、コレットチャックＡと、別の種類のコレットチャックＢを介して、それぞれを工作機械４に取り付けて支持する使用形態の一例を示している。

この使用形態において，まず、コレットチャックＡに防振工具３aを取り付ける場合、コレットチャックＡの剛性が工作機械４の持つ剛性と比較し大幅に低下するため、カバー１を十分に固定支持する条件とはならず、カバー１の振動特性にコレットチャックＡの振動特性が影響を及ぼす。従来の防振工具３aは、常に同じコレットチャックＡを使用する場合であれば、この使用形態におけるカバー１の振動特性ｍ１，ｋ１から、式（１）（２）を用いて動吸振器２aの振動特性ｋ２、ζ２を最適値に設定し、大きな振動抑制効果が得られる。

図４に、式（１）（２）を用いて動吸振器のバネ定数ｋ２、減衰ζ２を最適化した場合の、錘質量ｍ２，バネ定数ｋ２、減衰ζ２から構成される従来の動吸振器２aを内蔵した防振工具３aの周波数応答の一例を示す。

例えばカバー１がｍ１＝０．２５ｋｇ、ｋ１＝３．０ｅ⁶Ｎ／ｍ、ζ１＝０．０１の振動特性を持つ場合、動吸振器２ａの質量をｍ２＝０．１ｋｇとすると、質量比μ＝０．４であるたのめ，式（１）（２）より動吸振器２aの最適なバネ定数と減衰比の設定値は、ｋ２＝６．１ｅ⁶Ｎ／ｍ、ζ１＝０．２３となる。

この結果を用いて動吸振器２aの振動特性k２、ζ２を最適化すると、前記動吸振器２aを内蔵した防振工具３aの振動波形は６１となり、従来防振工具３aは動吸振器２aを前記設定値に調整しておけば，動吸振器２aを内蔵していないカバー１のみの工具の振動波形５１の最大振幅を大幅に抑制可能である。

特開2002-233903号公報 特開2002-233911号公報 特開2003-62735号公報 特開2006-305674号公報

しかし、上記特許文献１や特許文献２の場合、超硬素材の材料費は、鋼の数倍高いため、工具の製造コストに対する自励振動抑制効果が小さい場合や、ヤング率の向上倍率と同等の自励振動抑制効果が得られず、所望の効果が得られない場合があるという課題がある。

また、特許文献３や特許文献４の場合、前記使用形態では、工具の突き出し長さＬｔや、工具径φＤ、または加工方法に応じて、使用するコレットチャックＡを、例えばコレットチャックＢに変更して使用するのが一般的である。

この一例を図３に合わせて示す。同図に示すように、コレットチャックＡに合わせて最適化された前記動吸振器２aを内蔵する前記防振工具３aをコレットチャックＢに取付けた場合、動吸振器２aを内蔵していないカバー１の波形５１は波形５２に変わり、これに伴い、防振工具３aの振動波形は、波形６１から波形６２のように変化し、波形５２の最大振幅を効果的に抑制できなくなる。

以上述べたように、工具を固定するために用いるコレットチャックにより、工具本体の振動特性が変化する図４の使用形態では、従来の質量・バネ・減衰からなる動吸振器では工具本体の振動特性の変化に柔軟に対応できず工具自励振動の抑制効果が著しく減少してしまい、製品加工時の加工能率が低下する課題があった。

さらに、従来防振工具を用いて振動抑制効果を得るためには、使用するチャック毎に再度最適調整が必要となり、調整にともなう作業時間の延長により、全体の製造コストが高くなってしまう課題があった。

本発明の目的は、上記課題を解決し、工具本体の振動特性が変化しても、前記振動特性の変化ごとに、動吸振器の最適化をおこなうことなく、大きな振動抑制効果が得られる動吸振器を内蔵した防振工具及びその製造方法を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決する手段として、工具本体に内蔵する動吸振器構造にランチェスタダンパ方式を採用することで、工具本体の振動特性が変化しても動吸振器の自励振動抑制効果が大幅に増減せず、安定した自励振動抑制効果が得られることを特徴とする動吸振器構造を有している防振工具である。

本発明によれば、加工面精度の低下や工具欠損の原因となる工具自励振動を抑制し、加工能率を向上するために、工具内部に中空部を設け、振動特性の変化ごとに動吸振器の調整を行うことなく大きな振動抑制効果が得られる動吸振器を備えることにより、工具本体の振動特性が変化しても、動吸振器の自励振動抑制効果が大幅に増減せず、安定した自励振動抑制効果が得られ、動吸振器の最適調整時間を削減することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。

まず、本実施例の動吸振器の特徴と、防振工具の構造を述べる。図５は、本実施例のランチェスタダンパ方式を採用した動吸振器を質点系振動モデルで表したものである。このダンパは図２のバネ定数ｋ２をｋ２<<ｋ１とすることで，錘質量ｍ２を減衰比ζ２のみで支えている振動モデルとなる。このダンパ方式は、制振対象（カバー１）の振動特性ｍ１、ｋ１が変化しても、動吸振器を最適調整することなく、大きな振動抑制効果が得られることを特徴としている。

図６は上記ダンパ方式を有する本実施例の防振工具の構造を示したものである。本実施例の防振工具３bに内蔵されている動吸振器２bは、両端に凹形状を有する錘２５と、前記錘２５の両端に設けられた凹形状に合う、凸形状を有する低弾性ゴム２４のような粘弾性体から構成されており、低弾性ゴム２４と錘２５の中心軸が一致する構造となっている。
錘２５はカバー１の軸方向に設けられた中空部に低弾性ゴム２４により支持された構造を有する防振工具であり、錘２５側面と中空部７の側面の間には、クリアランスＣが設けられている。

さらに、前記動吸振器２bは、カッター５とカバー１を連結するための固定具６により、工具中空部内に固定されており、固定具６を取り外すことで、内部の動吸振器２bを容易に取り出せる構造となっているため、防振工具３bの製造段階で、錘２５の長さＬ１と、低弾性ゴムの厚さＬ２をカバー１の振動特性に合わせて調整することが容易な構造となっている。

上記構造を有する本実施例の防振工具３ｂでは、切削加工中にカッター５が受ける切削力による工具自励振動が、固定具６、カバー１、低弾性ゴム２４を介して錘２５に伝わることで、錘２５がカバー１の振動と位相差をもって軸方向と垂直な平面内で振動し、低弾性ゴム２４がカバー１の軸方向と垂直な平面内で歪むことで、振動エネルギーを熱エネルギーに変換し散逸して振動を抑制するものである。このため、錘２５は十分に振動できるクリアランスＣが必要となる。本実施例ではクリアランスＣが０．５ｍｍ以上あることが好ましく、本実施例ではクリアランスＣを１．０ｍｍとしている。

次に、上記構造を有する本実施例の防振工具に用いる素材について説明する。
本実施例の動吸振器に用いる低弾性ゴム２４は、硬さがＪＩＳＫ６２５３に準じた試験で３０〜６０（タイプＡ）、伸びが５００〜９００％、静的せん断弾性率が０．３〜０．８ＭＰａ、反発弾性が２〜１３％のものが適しており、さらに好ましい低弾性ゴムとしては、内外ゴム株式会社製「ハネナイト」ＧＰ-３５Ｌ、ＧＰ-６０Ｌ、ＣＰ-４０Ｓ、ＣＰ−５５Ｓ、ＡＰ-３０、ＡＰ−５０、ＧＰ-４０ＨＢ、ＧＰ-５０Ｖが本実施例の実施形態に適している。この中で本実施例では、ＧＰ-３５Ｌが用いられている。
また、錘２５には、超硬材料、タングステン、銅-タングステン合金などの密度１３０００〜１９０００ｋｇ/ｍ³の高比重合金が適している。この中で本実施例では、銅-タングステン合金（密度１４０００ｋｇ/ｍ³）を用いている。

以上の構造、素材を用いた防振工具３ｂの工具自励振動の抑制効果を図７に示す。同図は動吸振器２bを内蔵した本実施例の防振工具３bを用いて、図５のコレットチャックＡと３２にそれぞれ取り付けた場合の、防振工具の振動抑制効果を周波数応答で示した一例である。コレットチャックＡを用いて、動吸振器を内蔵しないカバー１のみを支持した場合の振動波形５１が、本実施例の動吸振器２bを内蔵させることで、波形６３へと変化し、振動の最大振幅が抑制される。

また、コレットチャックＡをコレットチャックＢに変更した場合における、動吸振器を内蔵しないカバー１のみの振動波形５２は、本実施例の動吸振器２bを内蔵させることで、波形６４へと変化し、上記コレットチャックＡの振動抑制効果を持続できていることが分かる。
以上述べたように、本実施例の防振工具３ｂは、カバー１の振動特性の変化に柔軟に対応でき、且つ、カバー１の振動特性の変化ごとに、動吸振器２ｂを最適化しなくても、大きな工具の自励振動抑制効果が得られることが特徴である。

また、本実施例の防振工具３bは、図６の錘２５と低弾性ゴム２４において、予め用意された錘２５の長さＬ1が異なる複数の錘と、低弾性ゴム２４の厚さＬ２が異なる複数の低弾性ゴムとの組み合わせの中から、中空部の長さＬと一致するように、錘２５と低弾性ゴム２４の組み合わせを一つ選択し、制振ゴム２４の厚さＬ２を変えることで、動吸振器２bの減衰比ζ２を最適な値に設定することが可能である。最適化を行う際は、工具本体の質量ｍ１と動吸振器の錘質量ｍ２の比である、質量比μを用いて、下記の式（３）の減衰比になるよう、低弾性ゴムの厚さＬ２を調整すれば容易に最適化が可能である構造を有していることを特徴とした防振工具構造である。

上述の方法を用いた本実施例の防振工具３ｂのカバー１は、工具材料としてＳＣＭ４４０（降伏強度４１０ＧＰa）を用いられている。工具径φＤ＝１２〜８０ｍｍにおいてＬｔ/Ｄが１０以下であれば、降伏強度を満足するように中空部７を設計することが可能である。しかし、Ｌｔ/Ｄが７．５以下で工具径が１２ｍｍより小さくなると、中空部７を設ける際に降伏強度を満足できなくなり、これ以上小さな工具径で防振工具を製造できなくなる。

これに対し、本実施例ではφ１２ｍｍ以下でＬｔ/Ｄが１０以下となる防振工具を製作するために、カバー１の材料をＳＣＭ４４０から、降伏強度１０００ＧＰa以上となる超硬材料を用いて製造してもよい。また、上記材質の変更は、工具径φＤ＝１６〜８０ｍｍにおいてＬｔ/Ｄが１０以上となる防振工具を製作するために、カバー１に超硬材料（降伏強度１０００ＧＰa以上となる、ＪＩＳ規格の分類Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４、Ｅ５、Ｖ１０、Ｖ２０、Ｖ３０、Ｖ４０、Ｖ５０、Ｖ６０に属する材質）を用いてもよい。

本実施例の防振工具を用いることで、例えば長尺工具による圧縮機用インペラの羽根形成のための切削加工がの加工能率を向上することができる。以下、圧縮機用インペラの羽根切削加工における、本実施例の効果について述べる。

一般に、圧縮機用インペラは製造コストの増加を抑制するため、鍛造やプレスによって形成した羽根を軸に溶接することで製造されていた。インペラ性能を向上させるためには、羽根枚数を増やし、羽根の形状を、羽根高さが高い複雑な曲面を持つ３次元形状にする必要がある。しかし、従来の鍛造もしくはプレスによる羽根の形成だけでは、形状精度が悪いため、インペラの性能を向上させることが困難である。性能を向上させるためには、バルク材である鍛造素材から切削工具を用いて、羽根形状を切削加工て形成する方法が望ましい。

しかし、上述のように、羽根が羽根高さの高い３次元形状になっているため、切削加工に必要となる工具は小径で長尺な工具を用いる必要があるが、工具の持つ剛性が低くなり、工具の自励振動が発生しやすくなるため、切削加工による諸望の羽根の形状精度を得られない場合や、工具の刃先が欠損してしまい切削を続行することが不可能な状況になり易くなる。このため、小径で長尺な工具を用いた羽根の切削加工の加工能率を向上させることが非常に困難であった。

この問題は、従来の防振工具を適用することで改善することが可能であるが、圧縮機用インペラの羽根切削加工では、使用するコレットチャックが複数あるため、工具の支持条件が多数存在する。一方、従来防振工具は、上述したように、個々のコレットチャックで決まる、工具の支持条件に合わせて内蔵している動吸振器のバネ定数や減衰比を、最適化しなければ諸望の自励振動抑制効果が得られない。

しかし、最適化により諸望の抑制効果を得るためには、防振工具の調整に時間を要し、切削加工の遅延を招き、製造コストが高くなってしまうため、加工能率が向上しても、製造全体のコスト削減効果は小さくなってしまう可能性がある。このため、従来防振工具を用いた加工能率向上が困難であった。

本実施例は、多数のコレットチャックにより決まる工具の支持部条件に対して、振動抑制効果が大幅に変化しないため、支持部条件毎の調整作業が不要となり、調整にともなう切削加工の遅延を削減できる。

図８は、本実施例の防振工具３ｂを回転数Ｓで回転させながらツールパス８に沿って移動させ、鍛造素材１００から切削加工にて羽根１０１を形成し、圧縮機用インペラを製造する手法を示した一例である。

同図の加工で使用する工具が例えば４種類ある場合、すべての工具を従来防振工具にすると、調整に半日/本かかるため、すべてを調整するのに約２日かかる。一方、本実施例の防振工具は調整が要らないため、従来防振工具の調整にかける２日間で圧縮機用インペラを１台生産することができ、一月あたり１２台生産しているとすると、１３台生産できるようになり、生産効率を１０％向上できる。

従来用いられている工具自励振動の抑制方法の一例を示した図である。 従来用いられている防振工具を質点系振動モデルで示した図である。 工具を異なるコレットチャックを介して工作機械に取り付ける際の模式図である。 従来防振工具を異なるコレットチャックを介して工作機械に取り付けた際の、工具自励振動抑制効果を示した図である。 本実施例の動吸振器を質点系振動モデルで表した図である。 本実施例の実施形態になる工具内部にランチェスタダンパを内蔵した防振工具を示した図である。 本実施例による動吸振器を内蔵した振工具を、異なるコレットチャックを介して工作機械に取り付けた際の、工具自励振動抑制効果を示した図である。 本実施例の防振工具による圧縮機用インペラの羽根切削加工を示す図である。

符号の説明

1…工具本体、2a…従来の動吸振器、2b…本実施例による動吸振器、21…質量、22…バネ、23…減衰、24…低弾性ゴム、25…錘、3a…従来防振工具、3b…本実施例の防振工具、4…工作機械、5…カッター、6…固定具、7…中空部、8…ツールパス、100…鍛造素材、101…羽根。

Claims (8)

1. 本体内部の軸方向に設けられた中空部に、錘と粘弾性体から構成される動吸振器を、前記粘弾性体により支持する構造を備え、前記本体の軸方向に垂直な平面内における振動に対して、前記動吸振器が相対移動可能であることを特徴とする防振工具。
2. 請求項１に記載の防振工具において、前記粘弾性体が、低弾性ゴムであることを特徴とする防振工具。
3. 請求項２に記載の防振工具において、前記低弾性ゴムの硬さが、ＪＩＳＫ６２５３に準じた試験で３０〜６０（タイプＡ）、伸びが５００〜９００％、静的せん断弾性率が０．３〜０．８ＭＰａ、反発弾性が２〜１３％であることを特徴とする防振工具。
4. 請求項１に記載の防振工具において、前記錘が、超硬材料、タングステン、銅-タングステン合金などの密度１３０００〜１９０００ｋｇ/ｍ³の高比重合金であることを特徴とする防振工具。
5. 請求項１に記載の防振工具において、前記錘の側面と前記中空部の側面の間に、０．５ｍｍ以上のクリアランスＣを設けたことを特徴とする防振工具。
6. 請求項１に記載の防振工具において、前記動吸振器は、カッターとカバーを連結するための固定具により、前記中空部内に固定されており、前記固定具を取り外すことで、内部の前記動吸振器を取り出せる構造であることを特徴とする防振工具。
7. 本体内部の軸方向に設けられた中空部に、錘と粘弾性体から構成される動吸振器を備えた防振工具の製造方法であって、長さが異なる複数の錘と、厚さが異なる複数の粘弾性体との組み合わせの中から、前記中空部の長さと一致するように、前記錘と前記粘弾性体の組み合わせを一つ選択し、前記粘弾性体の厚さを変えることで、前記動吸振器の減衰比を設定することを特徴とする防振工具の製造方法。
8. 請求項７に記載の防振工具の製造方法において、前記防振工具本体の質量と前記動吸振器の錘質量の比である質量比を用いて、前記粘弾性体の厚さを調整することを特徴とする防振工具の製造方法。

Images