JP4313482B2

JP4313482B2 - 切削工具

Info

Publication number: JP4313482B2
Application number: JP27808899A
Authority: JP
Inventors: 義治澤田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-09-30
Filing date: 1999-09-30
Publication date: 2009-08-12
Anticipated expiration: 2019-09-30
Also published as: JP2001096403A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、中ぐり加工、旋盤、溝入れ、ねじ切り加工時などのびびり振動や過度のしなりを防止することができる切削工具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、工具機械で中ぐり加工、すなわち、すでに工作物に空けられた穴を、切削工具を用いて所望の寸法に拡げる加工において、シャンク部（柄）の先端側に切刃部を備えた棒状体をなす切削工具が使用されている。中ぐり加工用の切削工具のシャンク部を構成する素材として合金鋼、超硬合金が用いられるが、加工穴直径に比べて穴が深い加工の場合には切削工具を細長形状とし、工具機械本体から切削工具の切刃部先端までの突き出し量Ｌを大きくする必要がある。そのため突き出し量Ｌ／加工径Ｄの比（Ｌ／Ｄ）が大きくなるので、シャンク部全体を合金鋼または超硬合金で構成する場合、次のような問題点があった。
【０００３】
まず、合金鋼は剛性が低い（ヤング率が２００ＧＰａ程度）ので、切削工具が細長形状の場合、びびり振動や過度のしなりが生じやすく、加工面が粗くなったり或いは所望の加工精度を得難かったりする。
【０００４】
また、超硬合金は合金鋼に比べて剛性が非常に大きく（ヤング率が４００〜７２０ＧＰａ程度）、切削工具が細長形状であっても、びびり振動やしなりが生じにくい一方、この素材は脆くて衝撃に弱いので破損しやすく、加えて、材料単価が高く、製作コスト高であった。
【０００５】
他方、合金鋼製のシャンク部に防振機構を付加した次のような切削工具が提案されている。
【０００６】
まず、特開平７−２８５００２号の発明は、図２に示すように、合金鋼製のシャンク部２１の軸線方向に設けたテーパー穴２２に超硬合金からなるテーパー状の軸体２３を挿入し、該軸体２３を後端からワッシャ２４を介して押込ねじ２５により装着するよう構成した切削工具２０に関するものである。この切削工具２０によれば、超硬合金製の軸体２３の周囲に高耐衝撃性の合金鋼（シャンク部２１）を配したので、超硬合金の脆さが補強される。さらに、合金鋼製のシャンク部２１の内部に高剛性の超硬合金からなる軸体２３を挿入したことにより、合金鋼の剛性が補強される。加えて、軸体２３とシャンク部２１を圧接状態としたことで、このような効果を長期的に維持することが記載されている。
【０００７】
次に、補強材として超硬合金を一切用いず、前記問題点を改善しようとする試みとして特開平８−１９７３１０号の発明は、図３に示すように、合金鋼製のシャンク部３１の後端から先端側に向けて設けた有底穴３２に、複数個の鉛又は鋼製の球体３３を一列に充填し、複数個の球体３３からなる列の後端をスプリング３４により弾支する構成とした切削工具３０に関するものである。この切削工具３０によれば、補強材として超硬合金を一切用いないので高耐衝撃性を有する。
【０００８】
さらに、前記球体３３とスプリング３４とからなる機構を備えることによって、防振効果を奏することが記載されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前記特開平７−２８５００２号の発明に係る切削工具２０は、防振性能、加工精度が全体を合金鋼製としたものと比べて改善されている。しかしながら、全体を超硬合金製としたものと比べると防振性能、加工精度ともに大きく劣っていた。
【００１０】
その原因として、前記切削工具２０は補強材としての超硬合金をシャンク部２１の軸部に配し（前記軸体２３）ているが、外周部分に比べて切削時の曲げモーメントが小さなシャンク部２１の軸部を高剛性の超硬合金を嵌合しているため剛性補強が効果的でなく、その結果、シャンク部全体を超硬合金製としたものと比べると防振性能、加工精度ともに大きく劣る。
【００１１】
次に、特開平８−１９７３１０号の発明に係る切削工具３０は、防振性能がシャンク部全体を合金鋼製としたものと比べて改善されたが、しなりが大きくなり加工精度はかえって悪くなっている。さらに、シャンク部全体を超硬合金製としたものと比べると防振性能は大きく劣る。
【００１２】
これは、前記切削工具３０にはシャンク部３１の剛性を高める効果がないのに加え、防振効果があるのは加工条件が低い場合に限られるためである。すなわち、前記切削工具３０では、剛性が非常に低い鉛や、鋼からなる球体３３をシャンク部３１の軸部分に配しているので、シャンク部３１の剛性は全体を合金鋼製としたものより劣る。したがって、切削時の曲げモーメントによってシャンク部が大きくしなり加工精度はかえって悪くなる。
【００１３】
さらに、この従来技術では、加工振動に対してスプリングと球体が振動（揺動）し、加工振動を打ち消そうとする反作用振動を生じせしめるが、使用するスプリングの最大荷重は最大でも２．１８４ｋｇｆと小さいので上記反作用振動も小さい。したがって、加工条件が低い時は加工振動を打ち消す効果があっても、加工条件を厳しくした場合には加工振動も大きくなるので、その結果、防振効果がほとんど無くなるという大きな欠点も有していた。
【００１４】
以上のように前記従来技術は、高剛性、高防振性能、高加工精度、並びに十分高い耐衝撃性を兼備しておらず、近年の、加工径の小径化および加工能率の高度化という要求に十分に対応できるものではなかった。
【００１５】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたもので、その課題とするところは、シャンク部全体を超硬合金製としたものに匹敵する剛性、防振性能、加工精度と、十分高い耐衝撃性とを兼備した切削工具を提供するにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上記課題を解決するために、次のような手段を講じた。
【００１７】
すなわち、工作機械本体に取り付けるためのシャンク部の先端側に切刃部を備えた棒状の合金鋼製工具本体に、後端から先端側に向けて有底穴を設け、該有底穴内に弾性体およびヤング率が２７０ＧＰａ以上の素材からなる軸体の順に挿入させるとともに前記弾性体に圧縮荷重が印加されており、前記軸体および前記弾性体はいずれも、中空状をなし、貫通溝を形成している、又は、前記軸体および前記弾性体のいずれも、中実の本体の外周に先端から後端まで連なる溝を有していることを特徴としている。
【００１８】
また、本発明は、前記軸体が前記有底穴の穴壁に圧着している点に特徴がある。
【００１９】
さらに、本発明は、前記弾性体が皿バネである点に特徴がある。
【００２０】
【作用】
本発明の切削工具は、有底穴内に弾性体およびヤング率が２７０ＧＰａ以上の素材からなる軸体の順に嵌装するとともに、弾性体に圧縮荷重が印加されていることを特徴とする。この構造では弾性体の大きな反発力で、シャンク部の外周部分に軸方向の強力な引っ張り応力が発生する。
【００２１】
メカニズムは明らかではないが、この引っ張り応力は、合金鋼製シャンク部の耐衝撃強度を損なうことなく、高剛性軸体により大幅に補強されたシャンク部の剛性をさらに補強する。この結果、本発明の切削工具は、十分高い耐衝撃性に加えて、シャンク部全体を超硬合金製としたものに匹敵する剛性、防振性能、加工精度を兼備するものとなる。
【００２２】
また、前記軸体を前記有底穴の穴壁に圧着することにより、軸体の周囲のシャンク部にも放射方向に拡がろうとする応力が発生する。そして、そのメカニズムは明らかでないが、切削加工の振動がこの部分を伝播しようとする時に、その応力は上記振動を減衰する。その結果、防振性能が一層向上する。
【００２３】
更に、前記弾性体を弾性力の大きな皿バネで構成したことにより、皿バネは狭い空間でも大きな弾性力を発揮することができるので、シャンク部の剛性を補強する前記効果を十分大きなものとすることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
【００２５】
図１において、１は旋盤などの工作機械本体に取り付けられて切削加工を行う切削工具、２は該切削工具１が備える工具本体、９は該工具本体２が備えるシャンク部、３は工具本体２が備える切刃部、４は工具本体２に穿設した有底穴、５は該有底穴４に嵌装した軸体、６は有底穴４に嵌装した弾性体、８は有底穴４を封止する埋栓である。
【００２６】
各部材の材質は、工具本体２と弾性体６が合金鋼により構成され、軸体５がハイス、超硬合金やサーメット等のヤング率２７０ＧＰａ以上の高剛性材により構成される。また、埋栓８はアルミニウムなどの軟質金属で構成することができる。前記工具本体２と弾性体６を構成する合金鋼の材種は、クロム・モリブデン鋼、ニッケル・クロム鋼、ニッケル・クロム・モリブデン鋼等の合金鋼や、鉄にＣ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｐ及びＳの５元素が入った炭素合金鋼をベースにクロム、タングステン、マンガン、モリブデン、バナジウムなどを添加した合金鋼などがある。
【００２７】
棒状体の工具本体２は、不図示の工作機械本体に取り付けるためのシャンク部９と該シャンク部９の先端側に切刃部３とを備える。該切刃部３には、スローアウェイチップ７が着脱自在に取り付けられる。また、工具本体２には後端から先端側に向けて有底穴４が穿設され、該有底穴４内に弾性体６と軸体５とを順次挿入させている。前記有底穴４の入口部はその穴径が若干大きくなっており、穴を封止するべく埋栓８を圧入するよう構成されている。
【００２８】
弾性体６は、軸体５と有底穴４の穴底４ａとの間にあって圧縮状態で保持されている。前記弾性体６として、たわみ量１．８ｍｍ程度の皿バネを複数個重ねたものを図１に例示するが、この他、弾性体６はコイルバネなど任意の形態とすることができる。皿バネは径が小さくても弾性力が大きく、したがって、径の小さな切削工具１の場合でも大きな弾性力を発揮できるので、弾性体６として好適である。
【００２９】
前記弾性体６は、１０ｋｇｆ以上の圧縮荷重が印加されていることが重要である。弾性体６に印加される圧縮荷重値が１０ｋｇｆ未満では、シャンク部９の軸方向への引っ張り応力が小さく、シャンク部９の剛性を補強する効果が不十分となる。その結果、シャンク部９の剛性を補強する効果が不十分となり、ビビリ振動が発生して被切削物表面の面状態が滑らかでなくなったり、シャンク部のしなりのため加工精度が不良となる恐れがある。なお、前記圧縮荷重値は、１００ｋｇｆ以上であることがさらに望ましい。
【００３０】
弾性体６の圧縮荷重値は、前記軸体５を固定する前に軸体５で弾性体６を押圧する際の圧縮荷重値を測定することにより求めることができるが、他方、既に軸体５を固定してしまっている完成品からこれを確認するには、エンドミル等により工具本体２の一部を切削除去し、軸体５を単独で取り出し、弾性体６が保持されていたところの幅と同一幅まで弾性体６を圧縮することにより、前記圧縮荷重値を測定することができる。
【００３１】
前記軸体５は、弾性体６を常時押圧する状態で有底穴４内に嵌挿されている。
【００３２】
そのように軸体５を嵌挿するには、焼き嵌め法を用いることができる。
すなわち、工具本体２を予め高温に熱して有底穴４を拡げ、この有底穴４内に弾性体６挿入した後、軸体５を油圧プレス機により後側より押し込み、工具本体２の熱が冷めて有底穴４が収縮し、軸体５が有底穴４の穴壁４ａに圧接固着するまでその状態を保持する。以上のような方法でもって、弾性体６に常時圧縮荷重が印加された状態で軸体５を有底穴４内に嵌挿することができる。この他、軸体５と有底穴４の穴壁との間に接着材を介在させる方法や、軸体５の後側の有底穴４内にセメントを充填する方法や、押し込みねじなど、任意の方法や部品により軸体５を有底穴４内に嵌挿すれば良い。
【００３３】
前述のように、軸体５はハイス、超硬合金、サーメット等のヤング率が２７０ＧＰａ以上の高剛性材により構成されることが重要である。ヤング率が２７０ＧＰａ未満の場合、軸体５自身の剛性が小さく、その結果、シャンク部９の剛性を補強する効果が不十分となり、ビビリ振動が発生して被切削物表面の面状態が滑らかでなくなったり、シャンク部のしなりのため加工精度が不良となる恐れがある。なお、上記ヤング率としては、被切削物表面の面状態を滑らかにする点で５５０以上であることがさらに好ましい。
【００３４】
図１において、前記軸体５および弾性体６は、いずれも中空状となっている。
【００３５】
これは、前記軸体５により弾性体６を有底穴４の穴底４ｂの方向に押圧し、その状態で有底穴４内に軸体５と弾性体６を保持する作業の際に、穴底４ｂ側の圧縮空気を抜くために中空状とし、前記圧縮空気の排出路を備えるようにしたものである。中空状とする代わりに、同じ目的を達成するため、中実の軸体５および弾性体６を外周に先端から後端に連なる溝を設けても良い。このように、軸体５および弾性体６を中空状としたり、或いは、それらに外周溝を設けることの利点として、形成された貫通溝や外周溝を切削油供給路として利用できる。
【００３６】
上述のように構成される前記切削工具１は、超硬合金などヤング率が２７０ＧＰａ以上の素材からなる高剛性の軸体５によって、合金鋼製のシャンク部９の剛性が大きく補強される。
【００３７】
また切削工具１は、有底穴４の穴底４ｂ側に弾性体６且つ入口側に軸体５を嵌装し、加えて前記弾性体６に１０ｋｇｆ以上の圧縮荷重を印加したことにより、弾性体６の大きな反発力で穴底４ｂと軸体５が相半方向に押圧される。この内圧により、シャンク部９の外周部分に軸方向の強力な引っ張り応力が発生する。この引っ張り応力は、合金鋼製のシャンク部９の耐衝撃強度を損なうことなく、高剛性の軸体５により大幅に補強されたシャンク部９の剛性を、さらに補強する。
【００３８】
この結果、前記切削工具１は、十分高い耐衝撃性に加え、シャンク部全体を超硬合金製としたものに匹敵する剛性を兼備する。
【００３９】
なお、切削工具１は、前記軸体５を有底穴４の穴底４ｂ側且つ前記弾性体６を入口側に嵌挿したものであってもよい。
【００４０】
また、前記軸体５を前記有底穴４の穴壁４ａに圧着することにより、軸体５の周囲のシャンク部９にも放射方向に拡がろうとする応力が発生する。そして、切削加工の振動がこの部分を伝播しようとする時に、その応力が上記振動を減衰する。これにより切削工具１の防振性能を向上させることができる。
【００４１】
以上、本発明の実施形態例を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、発明の目的を逸脱しない限り任意の形態とすることができることは言うまでもない。例えば、本発明の切削工具１は旋盤に用いられるもののみではなく、フライスに取り付けられ軸線回りに回転するエンドミルタイプの切削工具でも良い。また、本発明はスローアウェイチップ７を取り付ける切削工具１のみでなく、切刃片（ブレード）をロウ付けするものや、一体的に切刃を形成したソリッドタイプのものであっても構わない。
【００４２】
実験例１
図１に示す切削工具１を実施例品として工具機械本体（旋盤）に装着し、突き出し量Ｌ／加工径Ｄの比（Ｌ／Ｄ）を７とし、内径切削加工を行った。そして、次に、加工後の被切削物表面を観察し、仕上面の面状態、加工精度について評価した。
【００４３】
加工条件は以下のとおりである：
Ｖ（切削速度）＝１００ｍ／ｍｉｎ
ｄ（切り込み）＝０．５／１．０ｍｍ
ｆ（送り）＝０．１ｍｍ／ｒｅｖ
湿式加工
ワーク材質：ＳＣＭ４１５
軸体素材のヤング率：５７６ＧＰａ
弾性体の圧縮荷重値：１００ｋｇｆ
また比較例として、前記実施例品と外径形状がほぼ等しい４種の比較例品、すなわち、合金鋼製で且つシャンク部を中実状とした切削工具（比較例品１）、図３に示すように、合金鋼製のシャンク部３１の後端から先端側に向けて設けた有底穴３２に、複数個の鋼製の球体３３を一列に充填し、複数個の球体３３からなる列の後端をスプリング３４により弾支する構成とした切削工具３０（比較例品２）、シャンク部全体を超硬合金で構成した切削工具（比較例品３）および図２に示すように、合金鋼製のシャンク部２１の軸線方向に設けたテーパー穴２２に超硬合金からなるテーパー状の軸体２３を挿入し、該軸体２３を後端からワッシャ２４を介して押込ねじ２５により装着するよう構成した切削工具２０（比較例品４）を用い、全く同様の加工および観察・評価を行った。
【００４４】
これらの結果を表１に示す。
【００４５】
【表１】

【００４６】
表１から明らかなように実施例品はビビリ振動は発生せず、仕上面の面状態が極めて良好であり、かつ加工精度も±０．０３ｍｍの範囲に入り良好であった。
【００４７】
これに対して、比較例品２，４はビビリ振動が発生して、仕上面の面状態が悪く、また、加工精度も±０．４ｍｍとなり不良であった。更に比較例３は加工途中でシャンク部に欠損が発生し、短時間で使用不可となってしまった。
【００４８】
実施例２
次に、前記実施例品においてヤング率の異なるいくつかの素材で軸体を構成し、前記加工条件により前述の実施例１と同様の加工および観察・評価を行った。
【００４９】
これらの結果を表２に示す。
【００５０】
【表２】

【００５１】
表２から明らかなように、軸体素材のヤング率が２７０ＧＰａ未満の試料１はビビリ振動が発生して、仕上面の面状態が悪く、また、加工精度も±０．３ｍｍとなり不良であった。これに対してヤング率が２７０ＧＰａ以上の試料２乃至５はビビリ振動は発生せず、仕上面の面状態が良好であり、かつ加工精度も±０．０３ｍｍの範囲に入り良好であった。特に、ヤング率が５５０ＧＰａ以上の試料３乃至５は仕上面の面状態が極めて良好であった。
【００５２】
実施例３
次に、前記実施例１の実施例品において、弾性体に印加する圧縮荷重を表３のように違え、前記加工条件により前述の実施例１と同様の加工および観察・評価を行った。
【００５３】
これらの結果を表２に示す。
【００５４】
【表３】

【００５５】
表３から明らかなように、圧縮荷重値が１０ｋｇｆ未満の試料６はビビリ振動が発生して、仕上面の面状態が悪く、また、加工精度も±０．３ｍｍとなり不良であった。これに対して、圧縮荷重値が１０ｋｇｆ以上の試料７乃至試料１０はビビリ振動は発生せず、仕上面の面状態が良好であり、かつ加工精度も±０．０３ｍｍの範囲に入り良好であった。特に、圧縮荷重値が１００ｋｇｆ以上の試料８乃至１０は仕上面の面状態が極めて良好であった。
【００５６】
【発明の効果】
本発明は、上述のように、工作機械本体に取り付けるためのシャンク部の先端側に切刃部を備えた棒状の合金鋼製工具本体に、後端から先端側に向けて有底穴を設け、該有底穴内に弾性体およびヤング率が２７０ＧＰａ以上の素材からなる軸体の順に挿入させるとともに前記弾性体に圧縮荷重が印加されていることを特徴とするものであるから、切削工具の剛性がシャンク部全体を超硬合金で構成した切削工具に略匹敵する程度まで高められる。したがって、防振性能が高く、切削加工振動が軽減され、加工精度も向上するとともに、超硬合金からなる軸体の脆さは鋼性の工具本体によって補強されるので、加工中の衝撃等によって折損することがなく耐久性が大きい。加えて、前記軸体および前記弾性体はいずれも、中空状をなし、貫通溝を形成している、又は、前記軸体および前記弾性体のいずれも、中実の本体の外周に先端から後端まで連なる溝を有していることを特徴とするものであるから、圧縮空気の排出が可能であったり切削油供給路を確保したりすることができる。
【００５７】
また、高価な超硬合金の剛体からなる軸体は、軸芯部のみであるから、材料費を節約でき、安価な切削工具を得ることができる。
【００５８】
本発明は、前記軸体を前記有底穴の穴壁に圧着することにより、軸体の周囲の工具本体に放射方向へ拡がろうとする応力が発生し、振動がこの部分を伝播しようとする時に、この応力がその勢いを減衰することができる。したがって、防振効果をより一層高めることが可能である。
【００５９】
そして、前記弾性体を弾性力の大きな皿バネで構成することにより、前述の防振効果を十分大きなものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の切削工具の側面図である。
【図２】従来の切削工具の側面図である。
【図３】従来の別切削工具の側面図である。
【符号の説明】
１切削工具
２工具本体
３切刃部
４有底穴
４ａ穴壁
４ｂ穴底
５軸体
６弾性体
７スローアウェイチップ
８埋栓
９シャンク部

Claims

工作機械本体に取り付けるためのシャンク部の先端側に切刃部を備えた棒状の合金鋼製工具本体に、後端から先端側に向けて有底穴を設け、該有底穴内に弾性体およびヤング率が２７０ＧＰａ以上の素材からなる軸体の順に挿入させるとともに前記弾性体に圧縮荷重が印加されており、
前記軸体および前記弾性体はいずれも、中空状をなし、貫通溝を形成している、又は、前記軸体および前記弾性体のいずれも、中実の本体の外周に先端から後端まで連なる溝を有している切削工具。
前記軸体が前記有底穴の穴壁に圧着していることを特徴とする請求項１記載の切削工具。
前記弾性体が皿バネであることを特徴とする請求項１または２記載の切削工具。