JP2002536198A - 切削工具用の積極的な制振システム - Google Patents
切削工具用の積極的な制振システムInfo
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Abstract
Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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Mb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。
れている。さらに、図5には、この場合のねじりモーメントMt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。
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。
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。
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。
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
の略側面図である(第1共振振動数)。
端部に隣接した本体の横断面端部部分の側面図である。
。
本体の円形断面である。
る。
棒状延長部品の斜視図である。
ンクの斜視図である。
ンクの斜視図である。
ンクの斜視図である。
である。
Claims (9)
- 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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
。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。
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