JP5743116B2

JP5743116B2 - 防振部材及び切削工具

Info

Publication number: JP5743116B2
Application number: JP2013524705A
Authority: JP
Inventors: 和弥俣野; 倫平川下
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2011-07-15
Filing date: 2012-07-13
Publication date: 2015-07-01
Anticipated expiration: 2032-07-13
Also published as: KR20140004252A; US20140105701A1; EP2732913A1; CN103635287B; CN103635287A; EP2732913A4; JPWO2013011944A1; WO2013011944A1

Description

本発明は、工具に取り付けることによって振動を減衰させる防振部材、及びこの防振部材を備えた切削工具に関する。
本願は、２０１１年７月１５日に日本に出願された特願２０１１−１５６６０２号について優先権を主張し、その内容をここに援用する。

切削加工の際に加工対象の加工精度を悪化させる原因として、加工に伴う切削工具の振動がある。例えば、フライス加工の際、加工対象と切削工具との干渉を避けるために工具長を長く設定する場合では、工具突き出し量が増加により切削工具の強度が低下し、振動の発生が大きくなることが知られている。このような事情により、切削工具の振動を抑制するために様々な試みがなされている。

例えば、特許文献１には、工具内部の中空部分に粘弾性体によって支持された錘を設けることによって、加工時の振動を抑制する防振工具が記載されている。

特開２００８−３０７６４２号公報

ところで、上記従来の防振工具は、工具本体に中空部を形成した上でその内部に粘弾性体を介して錘を固定する必要があるなど構造が複雑であり、工具の製造コストの高騰を招くという問題がある。また、工具本体の内部に錘などの動吸振器を配置するため、切削加工の際の冷却に有効とされている内部給油による冷却に対応できないという問題がある。
さらに、上述したような構造であるが故に、工具そのものの強度が低下し、工具の寿命に悪しき影響を及ぼすという問題がある。

この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、単純な構造で、工具の強度を犠牲にすることなく、切削工具に減衰機能を付加することができる防振部材、及びこの防振部材を備えた切削工具を提供することにある。

本発明に係る防振部材は、天然ゴムまたは合成ゴムからなる部材本体を備え、工具本体の外面にその外面との摩擦力によって取り付け可能である。

本発明に係る防振部材によれば、切削時において、工具に発生する工具のたわみ及び捩れにより、ゴム弾性または粘弾性を有する部材本体が変形し、部材本体自体の減衰効果により、工具本体の振動を減衰させることができる。また、工具本体と部材本体との接触面に摩擦が生じ、工具本体と部材本体との境界面で摩擦抵抗が生じることによって振動を減衰させることができる。

前記防振部材は、中心軸孔を有する筒形状であり、前記中心軸孔に前記工具本体が挿入されるように構成されていてもよい。すなわち、前記部材本体が中心軸孔を有する筒形状であり、前記中心軸孔に前記工具本体が挿入されてもよい。
本発明に係る防振部材によれば、より単純な構造で、防振部材を作製することができる。また、工具本体により簡単に取り付けられる防振部材を提供することができる。さらに、既存の工具にも簡単に防振部材を取り付けることができるから、既存の工具を廃却することなく低振動化して使用することができる。

また、前記中心軸孔の内径は、前記工具本体の外形よりも小さくてもよい。
本発明に係る防振部材によれば、防振部材の中心軸孔と工具本体との間に締め代（しめしろ）が生じ、締まり嵌め（しまりばめ）により、所定の締結力で防振部材と工具本体とを嵌め合わせることができる。

また、前記防振部材には、前記部材本体の内周側及び外周側の少なくとも一方に、少なくとも１本のスリットが形成されていてもよい。
本発明に係る防振部材によれば、スリットにより防振部材の内部において摩擦する面積が増加し、より高い摩擦減衰効果を得ることができる。

また、ゴム弾性または粘弾性を有する前記部材本体に、繊維が添加されていてもよい。
本発明に係る防振部材によれば、切削工具が高速回転した場合に防振部材が遠心力によって変形するのを抑制することができる。

さらに、本発明は、前記防振部材と、工具本体とを備える切削工具を提供する。
本発明に係る防振部材によれば、切削工具の強度を犠牲にすることなく、工具に減衰機能を付加することができる。

本発明によれば、切削時において、工具に発生する工具のたわみ及び捩れにより、ゴム弾性または粘弾性を有する部材本体が変形し、部材本体自体の減衰効果により、工具本体の振動を減衰させることができる。また、工具本体と部材本体との接触面に摩擦が生じ、工具本体と部材本体との境界面で摩擦抵抗が生じることによって振動を減衰させることができる。

本発明の実施形態に係る工作機械の工具取付部の概観図である。第一の実施形態に係る防振部材の斜視図である。工作機械のチャック部の拡大側面図である。第二の実施形態に係る防振部材の斜視図である。第二の実施形態の別形態に係る防振部材の斜視図である。第二の実施形態の別形態に係る防振部材の斜視図である。第二の実施形態の別形態に係る防振部材の斜視図である。比較例１（防振部材なし）のタッピング試験結果である。実施例２−１（全長に亘る防振部材）のタッピング試験結果である。実施例２−２（全長の半分に亘る防振部材）のタッピング試験結果である。タッピング試験における周波数応答のグラフである。比較例３の表面粗度測定結果である。実施例３の表面粗度測定結果である。

以下、本発明の第一の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１に、本実施形態の防振部材が適用された切削工具を具備する横型マシニングセンタ１００（以下、工作機械と称する）の工具取付部の概観図である。
本実施形態の防振部材１は、工作機械１００のフライス（刃物）に適用されている。本実施形態では、フライスとしてエンドミル２を使用している。図１に示すように、本実施形態で使用される工作機械１００の主軸は水平方向に向いており、エンドミル２は、チャック部５１によって保持されている。

図２に示すように、防振部材１の部材本体１Ａは円筒形状をなし、軸方向に沿って中心軸孔３が形成されている。部材本体１Ａは粘弾性体からなり、より詳しくは、天然ゴム配合硬さ６５のゴムによって形成されている。なお、防振部材１の材質としては、ゴムに限らず、ゴム弾性または粘弾性を有する部材であればよい。これらの材料を用いることで、高い振動減衰効果が得られる。例えば、ゴム弾性を有する材料としては、天然ゴムや合成ゴムなどの網目状高分子、プラスチックなどの鎖状の合成高分子を採用することが出来る。また、例えば、粘弾性を有する材料としては、衝撃吸収力や圧力分散性能を備えたシリコーンを主原料とするゲル状素材（例えば、タイカ社のαゲル（登録商標）等）を採用することができる。

防振部材１の軸方向の長さは、エンドミル２の胴部を略覆う長さである。即ち、防振部材１は、エンドミル２の刃部及び保持部を除く、略全長に亘ってエンドミル２を覆う形状である。本実施形態の防振部材１は、長さが５０ｍｍ、外径が４０ｍｍ中心軸孔の直径は１３ｍｍとされている。

図３は、チャック部５１の拡大側面図である。
図３に示すように、防振部材１は、チャック部５１に保持されたエンドミル２に取り付けられている。エンドミル２は、チャック部５１に保持される保持部４と、刃部５と、保持部と刃部との間の胴部６とからなる。エンドミル２は、略円柱形状であり、胴部６も一定の直径を有する円柱形状である。防振部材１は、エンドミル２の胴部６に取り付けられている。

本実施形態においては、エンドミル２のチャック部５１からの突き出し量は、７９ｍｍであり、防振部材１は、エンドミル２の先端から１４．５ｍｍの位置に取り付けられている。また、エンドミルの胴部の直径は、１４ｍｍであり、防振部材１の中心軸孔の内径は、エンドミルの胴部の外径よりも１ｍｍ小さくされている。即ち、防振部材１とエンドミル２とは、締まり嵌めの関係により嵌め合わされている。

上記実施形態によれば、切削時において、エンドミル２に発生するエンドミル２のたわみ及び捩れにより防振部材１が変形し、防振部材１自体の減衰効果により、エンドミル２本体の振動を減衰させることができる。
また、エンドミル２と防振部材１との接触面に摩擦が生じ、エンドミル２と防振部材１との境界面で摩擦抵抗が生じることによって振動を減衰させることができる。

また、防振部材１は、単純な形状であるため、より低コストで、防振部材１を作製することができる。また、エンドミル２により簡単に取り付けられる防振部材１を提供することができる。さらに、既存の工具にも簡単に防振部材を取り付けることができるから、既存の工具を廃却することなく低振動化して使用することができる。
さらに、防振部材１の中心軸孔３とエンドミル２との間に締め代が生じるため、締まり嵌めにより所定の締結力で防振部材１とエンドミル２とを嵌め合わせることができる。

次に、第二の実施形態に係る防振部材について説明する。
図４は、第二の実施形態に係る防振部材１Ｂの斜視図である。図４に示すように、第二の実施形態に係る防振部材１Ｂの部材本体１Ａには、第一の実施形態の防振部材１の内周側に軸方向から見て、中心軸孔３から放射状（ラジアル方向）に形成された複数のスリット７が形成されている。複数のスリット７は、軸方向（アキシャル方向）に防振部材１Ｂの全長に亘って延在している。

上記実施形態によれば、スリット７により防振部材１Ｂの内部において摩擦する面積が増加し、より高い摩擦減衰効果を得ることができる。また、中心軸孔３が広げ易くなるため、防振部材１Ｂをエンドミル２に取り付け易くなる。

なお、スリット７はアキシャル方向に連続して形成されていなくてもよい。例えば、図５Ａに示すように、スリット７Ｃが部材本体１Ａの一部に断続的に形成されていてもよい。また、スリット７はアキシャル方向に直線的に設けられている必要はなく、図５Ｂに示すように、スリット７Ｄがスクリュー状に捩じれて形成されていてもよい。
また、図５Ｃに示すように、スリット７Ｅが部材本体１Ａの外周側に形成されていてもよい。スリットを内周側だけでなく外周側にも形成することによって、防振部材の剛性が下がり、構造減衰による減衰効果を期待することができる。

次に、防振部材が取り付けられたエンドミルの実施例と、防振部材のないエンドミルの比較例について、防振効果等を確認するための各種測定を行った。
検証は、チッピング量による比較、タッピング試験による比較、表面粗度による比較、工具損傷の検査による比較、の４つの観点から行った。

工作機械は、横マシニングセンタを用いた。エンドミルは、φ１４の６刃エンドミルを使用した。テストピースは、時効処理済みの角材（幅×高さ×奥行き＝１２２×１０９×７６（ｍｍ））とした。径方向と軸方向の切り込み、及び回転数は、実施例及び比較例で一定とした。

＜チッピング量による比較＞
実施例のエンドミルと、比較例のエンドミルとで、テストピースを加工し、加工後のチッピング量（摩耗量）を計測し、比較した。テストピースの加工は、２面加工を行った。

＜実施例１＞
実施例１は、防振部材を取り付けたエンドミルを用いて、表１に示す条件でテストピースを加工した。防振部材は、外径＝４０ｍｍ、内径＝１３ｍｍ、長さ＝５０ｍｍ、のものを用い、外径１４ｍｍのエンドミルに締まり嵌めにより嵌め合わせて固定した。

＜比較例１＞
比較例１は、防振部材を取り付けないエンドミルを用いて、表１に示す条件でテストピースを加工した。

表１にテストピースの端面を２面加工した後の、エンドミルのチッピング量を示す。チッピング量は、エンドミルの逃げ面、及び掬い面についてそれぞれ計測した。また、１面の切削距離は約２．６８ｍとした。
表１より、各切れ刃にチッピング量のバラつきはあるものの、２面加工の時点では、逃げ面の評価で平均４９％のチッピング量の低減が確認できた。掬い面の評価では、平均３１％のチッピング量の低減が確認できた。

＜タッピング試験による比較＞
防振部材の効果要因を確認するために、工具回転を停止した状態でタッピング試験を実施した。タッピング試験は、工具先端位置を加振入力位置とし、当該位置をインパクトハンマーで打点することにより実施した。振動の計測位置は、工具先端位置とした。

＜実施例２−１，２−２＞
実施例２−１として、エンドミルの胴部を全長に亘って覆う防振部材を用意した。実施例２−２として、エンドミルの胴部の約半分を覆う防振部材、即ち、実施例２−１と比較して約半分の全長を有する防振部材を用意した。

＜比較例２＞
比較例２は、防振部材を取り付けないエンドミルとした。

図６は、比較例１（防振部材なし）のタッピング試験結果である。図７は、実施例２−１（全長に亘る防振部材）のタッピング試験結果である。図８は、実施例２−２（全長の半分に亘る防振部材）のタッピング試験結果である。何れのグラフも水平方向の振動加速度を示すものである。
図６〜８に示すように、比較例１と比較して、実施例２−１及び実施例２−２の減衰効果が高いことがわかる。

図９は、周波数応答のグラフである。ハーフパワー法により算出した減衰比は、比較例２では約１．５％、実施例２−１では５．０％、実施例２−２では３．０％であり、防振部材の取り付けによる減衰効果があることを確認することができた。図９に示すように、比較例２、実施例２−１、２−２における工具の振動のピークは９００Ｈｚ付近と１，２００Ｈｚ付近であり、工具の回転数と刃数より算出される加振振動数は上述したピークから十分離れている。そのため、防振部材を取り付けたことによる効果は共振回避ではなく減衰によるものであると考えられる。また、実施例２−２は、エンドミルの胴部の約半分しか覆っていないため、防振効果がやや少ないものの、やはり防振効果を有することが示された。

＜表面粗度による比較＞
実施例のエンドミルと、比較例のエンドミルとで、テストピースを加工し、加工後の表面粗度を計測し、比較した。テストピースの加工は、５面加工を行った。

＜実施例３＞
実施例１と同様の条件とした。即ち、防振部材を取り付けたエンドミルを用いて、テストピースを加工した。

＜比較例３＞
比較例１と同様の条件とした。即ち、防振部材を取り付けないエンドミルを用いて、テストピースを加工した。

表２にツールパス（工具経路）方向の表面粗度の値を示す。また、図１０に比較例３の表面粗度測定結果を、図１１に実施例３の表面粗度測定結果を示す。図１０、及び図１１共、ツールパスの方向の表面粗度を示している。また、高さ方向の尺度は同一としている。

表２に示すように、ツールパス方向の表面粗度はＲａ：算術平均粗さ、Ｒｚ：最大高さ粗さ、Ｒｔ：最大断面高さの何れの数値も、実施例３が低い数値となった。特に、実施例３において防振部材を取り付けたことによって、最大高さ粗さＲｚが４．３μｍから３．７μｍに減少している。この要因として、工具振動の振幅の減少が考えられる。
また、図１０及び図１１に示すように、加工面を測定した形状を見ると、実施例３では、加工面が、周期の短い波形が連続した形状をなし、さらにその波形の高さが、個々の波形よりも長い周期で見た場合に規則的に増減する。即ち、振動が抑制されていることによって、波形がやや滑らかになっていることがわかる。これに対し、比較例３では、加工面の波形は不規則で、実施例３のような傾向を見ることができず、波形の外形が長い周期で増減する規則性を見取るのが難しい。即ち、振動の抑制が実施例３と比較して少ないことによって、細かい波形が不規則に並んでいることがわかる。

＜工具損傷の検査による比較＞
実施例１の防振部材を取り付けた切削工具について、蛍光浸透深傷試験と放射線試験を実施し、工具自体の損傷状態について確認した。
その結果、切削加工前、切削加工後（切削距離１３．４ｍ）ともに異常はなく、切削初期の段階でも工具シャンク部分に工具の損傷は確認されなかった。

以上の比較により、以下の結果を得た。
（１）エンドミルに防振部材を取り付けることにより、工具の減衰効果が高くなり、切れ刃のチッピングを低減する効果があることを確認できた。
（２）切れ刃のチッピング低減効果は、切削初期に有効であり、工具のプリセット時の振れよりも防振部材の取り付けによるチッピング低減効果の方が大きいことがわかった。

なお、本発明の技術範囲は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。例えば、以上で説明した各実施形態では、工作機械として横型マシニングセンタを用いているが、長尺形状の刃物を使用する工作機械であれば、これに限ることはない。例えば、防振部材をボール盤のドリルや旋盤のバイトに使用する構成としてもよい。

１…防振部材、
１Ａ…部材本体
２…エンドミル（工具本体）、
３…中心軸孔、
４…保持部、
５…刃部、
６…胴部、
７、７Ｃ、７Ｄ、７Ｅ…スリット

Claims

天然ゴムまたは合成ゴムからなる部材本体を備え、工具本体の外面にその外面との摩擦力によって取り付け可能である防振部材。
前記部材本体が中心軸孔を有する筒形状であり、前記中心軸孔に前記工具本体が挿入される請求項１に記載の防振部材。
前記中心軸孔の内径は、前記工具本体の外径よりも小さくされている請求項２に記載の防振部材。
前記部材本体の内周側及び外周側の少なくとも一方に、少なくとも１本のスリットが形成されている請求項３に記載の防振部材。
前記部材本体に、繊維が添加されている請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の防振部材。
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の防振部材と、工具本体とを備える切削工具。
請求項５に記載の防振部材と、工具本体とを備える切削工具。