JP2005199391A - 防振工具ホルダ - Google Patents

Abstract

【課題】
動吸振器の減衰性能を向上させることによって、びびり振動に対する安定性を向上させ、高能率、高精度に加工することが可能な防振工具ホルダを提供する。
【解決手段】
先端にボーリング工具やフライス工具等を取付け防振工具ホルダにおいて、本体内部に、錘５３を弾性支持機構５１、５２と減衰機構５４によって支持することによって本体を含めて動吸振器が構成される。その本体はその一部（筒状部材）６１がＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）で構成されており、鋼と比較して軽量化が図られている。その結果、錘５３と本体との質量比が大きくなり、動吸振器の減衰性能が向上する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、工作機械によって切削加工を行う際のびびり振動を抑制し、高精度な加工を行うための防振工具ホルダに関するものである。

旋盤加工における内径ボーリング加工や、マシニングセンタによる中繰り加工、エンドミルやフライス加工による狭隘部、深穴部の加工では工具寸法に対して突出し量の大きい長尺ホルダを用い、その先端にボーリングバイトやフライス工具等を取付けて加工を行う必要がある。そのため工具ホルダが長くなるほど、ホルダ先端での剛性は低下し、びびり振動が発生しやすく、表面粗さや寸法精度の悪化、工具の破損等の悪影響を及ぼす。

このような長尺ホルダを用いた加工において、びびり振動を抑制する手段として、従来より種々の方法が提案されている。例えば、特開２００２−２３３９１１号公報（従来技術１）では、工具ホルダの外周部に超硬合金等のヤング率の高い材質を溶射することによって工具ホルダの剛性を向上する方法が提案されている。また、特開平７−２８５００２号公報（従来技術２）や特開２００２−２３３９０３号公報（従来技術３）には、内部、および外周部に設けた溝に超硬合金等の部材を挿入することによって工具ホルダの剛性を向上する方法が提案されている。

また、特開昭５９−１１０６号公報（従来技術４）には、工具ホルダの中空部にリング状の弾性部材によって支持された錘によって工具ホルダの振動をキャンセルする方法が提案されている。さらに、特開平０６−３１５０７号公報（従来技術５）には、錘を弾性支持する支持機構として棒状の部材を利用する方法等も提案されている。錘の配置は工具ホルダ内部だけでなく特開２０００−７９５３３号公報（従来技術６）のようにホルダ外部にリング状に配置する方法も知られている。

また、特開平７−２９０３０５号公報（従来技術７）には、長尺工具本体にＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）を用いて、軽量化によって固有振動数を向上し、なおかつ材料の振動減衰特性によって工具の振動を減衰させることによってびびり振動に対する安定性を向上する方法も提案されている。

特開２００２−２３３９１１号公報

特開平７−２８５００２号公報 特開２００２−２３３９０３号公報 特開昭５９−１１０６号公報 特開平０６−３１５０７号公報 特開２０００−７９５３３号公報 特開平７−２９０３０５号公報

従来より提案されている防振工具ホルダのうち、従来技術１〜３に記載された工具ホルダ本体に超硬合金等のヤング率の高い材質を付加する方法は、工具ホルダ先端におけるばね定数、すなわち工具先端を単位長さ変位させるのに必要な荷重を大きくする方法である。これらの方法では超硬合金等の材質を付加するための溝や穴を高精度に行う必要が生じる等、製造コストの増大を招く場合もある。また、ばね定数の向上によって固有振動数を変化させることは可能であるが、接合部の摩擦による減衰はほとんどなく、所望の防振効果が得られるとは限らない。

また、従来技術７に記載された防振工具ホルダ本体にＣＦＲＰのような材質を用いて工具本体の振動を抑制する方式では、減衰特性はあまり高くできず、減衰比で数パーセントから十パーセントほどである。

また、従来技術４〜６に記載された弾性支持された錘を工具ホルダに付加する方法は、慣性の大きい錘から工具ホルダの振動振幅に比例した反力を与えることによって動吸振器を構成し、振動を減衰するものである。この方法では、工具ホルダ本体は中空部材の固有振動モードを持っているが、動吸振器によってその固有振動モードを打ち消し、振動振幅を小さくする。この動吸振器による方法では比較的高い減衰比を得ることができ、びびり振動に対する安定性を向上するためには、最も適した方法と考えられる。しかしながら、従来技術４〜６に記載された発明では、十分なビビリ安定性が得られないものである。

本発明の目的は、ボーリングバー等による深穴加工や、フライス工具等による狭隘部の加工等において、びびり振動を抑制し、高能率かつ高精度に加工することが可能な防振工具ホルダを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、本体の内部に、錘、弾性支持機構及び減衰機構を備え、前記本体の一部を繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：Fiber-Reinforced Plastic）、特に炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：Carbon Fiber-Reinforced Plastic）で形成したことを特徴とする防振工具ホルダである。

また、本発明は、前記防振工具ホルダにおいて、前記繊維強化プラスチックの外周をステンレス等の硬質材料で被覆して構成したことを特徴とする。

また、本発明は、本体としての基部と工具を取り付ける先端部との間を繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）、特に炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）で形成した筒状部材で繋げ、該筒状部材の中空部内に両端を弾性支持機構で支持させた錘を設け、該錘と前記筒状部材との間に粘性流体を満たして減衰機構を形成したことを特徴とする防振工具ホルダである。

また、本発明は、本体としての基部と工具を取り付ける先端部との間を、密度が１.６×１０^３〜１．８×１０^３（ｋｇ／ｍ^３）で、ヤング率が１１０〜３１０（ＧＰａ）である材料で形成した筒状部材で繋げ、該筒状部材の中空部内に両端を弾性支持機構で支持させた錘を設け、該錘と前記筒状部材との間に粘性流体を満たして減衰機構を形成したことを特徴とする防振工具ホルダである。

また、本発明は、前記防振工具ホルダにおいて、前記錘は、棒状の錘で構成したことを特徴とする。

また、本発明は、前記防振工具ホルダにおいて、前記錘の質量ｍ２と前記本体のモード質量ｍ１との比μ＝ｍ２／ｍ１を１以上で３以下にしたことを特徴とする。

また、本発明は、前記防振工具ホルダにおいて、前記筒状部材の外周をステンレス等の硬質材料で被覆して構成したことを特徴とする。

また、本発明は、前記防振工具ホルダにおいて、動吸振器の減衰特性を０．３７５以上にしたことを特徴とする。

本発明によれば、本体にＦＲＰ、特にＣＦＲＰを用いて軽量化を図り、錘と防振工具ホルダ本体の質量比を大きくすることによって、動吸振器の減衰特性を向上させ、びびり振動の抑制と加工能率、加工精度の向上が可能となる。

以下、本発明に係る防振工具ホルダの実施の形態について図面を用いて説明する。

図１において、本発明に係る防振工具ホルダの先端側には、旋削工具やフライス等の回転工具３の取付けを可能とするために工具取り付け用キャップ（先端部）４が固定される。２は、工具３に取り付けられた切削用のチップである。他方、後端側の基部１には、工作機械への取り付けを可能とするためにテーパ部となった取り付け部１ａが形成される。これら工具ホルダの本体を形成する基部１及び工具が取り付けられる先端部４は、鋼で形成される。そして、工具ホルダの先端側（基部１と先端部４との間）には、タングステン等の重金属を材質とする例えば棒状の錘（質量）５３及びＯリング等の弾性支持機構５１および５２を格納するための中空部６３が設けられている。工具本体の中空部６３を形成する部分６１は、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）、特にＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）で形成されている。また、中空部６３と棒状の錘５３の間は油等の粘性流体５４で満たされており、振動時の速度に比例した粘性抵抗を錘５３に加える減衰機構となっている。即ち、本発明に係る防振工具ホルダは、本体の中空部６３を形成する部分６１も含めて、本体内部に、錘５３、該錘５３を支持する弾性支持機構５１、５２及び減衰機構５４からなる動吸振器が格納されて構成される。

即ち、防振工具ホルダにおいて、先端側に固定され、回転工具３を取り付ける工具取り付け用キャップ（先端部）４と、後端側の基部１との間は、中空部６３を形成するように、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）、特にＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）で形成された筒状部材６１で強固に繋げられている。筒状部材６１の後端側は、例えば、塞がれて、凸部６４が端部１の凹部と嵌合して強固に繋げられている。この繋ぎ方としては接着剤等で強固に繋げても良い。そして、中空部６３内に格納された錘５３の一端を、Ｏリング等の弾性支持機構５２を介して基部１に支持するように構成し、上記錘５３の他端（先端側）を、Ｏリング等の弾性支持機構５１を介して工具取り付け用キャップ４に支持するように構成する。筒状部材６１と錘（質量）５３との間に粘性抵抗が生じるように油等の粘性流体５４が満たされている。このように筒状部材６１と錘５３との間に油等の粘性流体５４を満たすことによって、ダンパとしての減衰機構が形成される。

以上説明したように本発明に係る防振工具ホルダにおいて構成された動吸振器では、本体（主として筒状部材６１）と錘５３のそれぞれの固有振動を最適にした最適同調時には、振動変位Ｘと、静荷重に対する変位Ｘｓｔの比である振動拡大率Ｘ／Ｘｓｔは、本体（主として筒状部材６１）のモード質量ｍ１、錘５３の質量ｍ２の比であるμ＝ｍ２／ｍ１の値を用いて、次にの（１）式で示される。

Ｘ／Ｘｓｔ＝√（１＋（２／μ）） ・・・（１）
ところで、本体の一部である筒状部材６１をＦＲＰ（繊維強化プラスチック）、特にＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）で形成することによって、図２に示したように、炭素繊維を用いたＣＦＲＰではヤング率は１１０ＧＰａ以上と鋼の２１０ＧＰａの約１／２以上確保できるにもかかわらず、密度は１．６〜１．８×１０^３ｋｇ／ｍ^３と鋼の７．８×１０^３ｋｇ／ｍ^３に対して約１／（４．３〜５）となり、剛性を確保しつつ軽量化することが可能となる。その結果、本体のモード質量ｍ１が小さくなることにより、質量比μを大きくして振動拡大率は小さくすることができ、防振効果が増大し、びびり安定性を改善することが可能となる。

なお、錘５３の質量ｍ２を大きくするために、錘５３の材質としては、タングステン等の重金属が用いられる。ところで、タングステンの密度は、図２に示すように、１６×１０^３（ｋｇ／ｍ^３）である。

また、ＣＦＲＰは図２に示した様にヤング率が１１０〜３１０Ｇｐａと鋼の約１／２程度である。従って、図７に示すように、本体の一部である筒状部６１’を、基部１と同じ鋼材料で製作した比較例と比較して、本発明に係るＣＦＲＰの筒状部材６１を同じ寸法で設計しても剛性が低下してしまうことになる。そこで、本発明に係る本体の一部である筒状部材６１を肉厚に設計することが必要となる。

次に、本発明に係る防振工具ホルダにおいて構成された動吸振器のモデルについて具体的に説明する。図３において、本体のモード質量ｍ１は基部（固定端）１に対してばね定数ｋ１で支えられる。錘５３の質量ｍ２は、ばね定数ｋ２（弾性支持機構５１，５２）とダンパ（筒状部材６１と錘５３との間隙及び満たされる粘性流体５４によって決まる粘性抵抗）ｃ２とで本体のモード質量ｍ１と接続される。

ところで、先端部におけるばね定数ｋ１および本体のモード質量ｍ１は、次に説明するように計算される。図４において、固定端からの距離ｚに位置する微小要素ｄｚに作用する曲げモーメントは、次の（２）式で示される。

Ｍ（ｚ）＝Ｆ（Ｌ−ｚ） ・・・（２）
また、微小要素ｄｚにおける断面二次モーメントは、外径をｄ１、内径をｄ２として、次の（３）式で示される。

Ｉ（ｚ）＝π（ｄ１^４−ｄ２^４）／６４ ・・・（３）
先端での荷重Ｆに対する変位Ｘ（ｚ）は、次の（４）式で示される。

Ｘ（ｚ）＝∫∫（Ｍ（ｚ）／ＥＩ（ｚ））ｄｚｄｚ ・・・（４）
ただし、
０≦ｚ＜ｚ１ Ｅ＝２１０（ＧＰａ）
ｚ１≦ｚ＜ｚ２ Ｅ＝１１０（ＧＰａ）
ｚ２≦ｚ≦Ｌ Ｅ＝２１０（ＧＰａ）
である。

以上の計算によって、先端におけるばね定数ｋ１は、次の（５）式にて計算可能である。

ｋ１＝Ｆ／Ｘ（Ｌ） ・・・（５）
一方、防振工具ホルダの１次の固有振動モードにおけるモード質量ｍ１は、次の（６）式によって計算される。

ｍ１＝∫ρ（ｚ）（Ｘ（ｚ）／Ｘ（Ｌ））^２ｄｚ ・・・（６）
ただし、ρ（ｚ）はｄｚにおける単位長さ当り質量である。

次に、防振工具ホルダを図３に示したような動吸振器にモデル化すると、本体のばね定数ｋ１およびモード質量ｍ１、また中空部に格納しうる錘５３の質量ｍ２に対して、動吸振器を最適同調するには、次の（７）式となるように錘５３を支持する弾性支持機構５１、５２のばね定数ｋ２を決定すれば良い。なお、質量の比μ（＝ｍ１／ｍ２）としては、１以上から３以下をとることが可能である。

√（ｋ１／ｍ１）／√（ｋ２／ｍ２）＝１／（μ＋１） ・・・（７）
錘５３を支持するばね５１、５２はゴム製のＯリングであり、Ｏリングのゴム硬度等を調整することによって上記（７）式を満たすようにばね定数ｋ２が決定されて、最適同調を実現することが可能となる。また、最適同調時には、減衰機構の減衰比ζ’は、次の（８）式で決まる所定の値（質量の比μで決まる値）となるように、油の粘度を調整して粘性抵抗ｃ２を調整すれば、最適同調が実現可能である。質量の比μが１の場合には、最適同調時における減衰機構の減衰比ζ’は０．３７５となり、質量の比μが３の場合には、最適同調時における減衰機構の減衰比ζ’は０．３９８となる。

ζ’＝３μ／√（８（１＋μ）^３）＝ｃ２／（２√（ｍ２ｋ２）） ・・・（８）
図５は、以上説明した本発明によって最適同調した際の、工具先端における力−変位の伝達関数を示したものである。（ａ）は、本体を鋼で構成し、外径がｄ１＝５０ｍｍ、内径をｄ２＝３３ｍｍ、中空部長さを（ｚ２−ｚ１）＝１４０ｍｍとした場合の伝達関数を示した比較例である。また、（ｂ）は、本発明により、本体の一部（筒状部材６１）をＣＦＲＰで構成し、外径がｄ１＝５０ｍｍ、内径をｄ２＝３０ｍｍ、中空部長さを（ｚ２−ｚ１）＝１１０ｍｍとした場合の伝達関数を示したものである。比較例である鋼の場合と先端のばね定数を同一にするために、本発明では内径の寸法ｄ２と中空部長さ（ｚ２−ｚ１）を小さくしてある。内部に搭載する錘５３はタングステン製であり、（ａ）では１．３ｋｇ、（ｂ）では０．９９ｋｇとなっている。図５に示す如く、比較例と比較して本発明は本体にＦＲＰ、特にＣＦＲＰを用いることによって軽量化し、最大振幅を約１５％低減することが可能なことを示している。なお、本発明に係る筒状部材６１の外径ｄ１としては４０〜６０ｍｍ程度、内径ｄ２としては、２０〜４０ｍｍ程度、長さとしては８０〜１５０ｍｍ程度が考えられる。また、錘５３の重量を例えば０，９９ｋｇよりも重くすることも可能である。しかし、重くすればするほど、最大振幅の減少の効果はさちることになる。

振動拡大率Ｘ／Ｘｓｔは減衰比ζを用いると、次の（９）式の関係を有する。

Ｘ／Ｘｓｔ＝１／（２ζ） ・・・（９）
そこで、図５の結果（Ｘ≒３．７Ｅ−０７，Ｘｓｔ≒３．０Ｅ−０７）からζを算出するとζ＝０．４となり、０．３７５以上の高い減衰比を得ることが可能となった。この結果、びびり安定限界を向上することが可能となり、工具突き出しが長い場合でも高能率な加工を行うことができるのである。

ところで、図６に示すように深穴加工を行う場合には、切りくずの排出ができ難くなる。その結果、堆積した切りくずと工具の摩擦によって本体のＦＲＰ部分６１が摩耗する。そのため、本発明の実施の形態ではＦＲＰ部分６１の外周に厚さ０．２ｍｍ程度のステンレス等の硬質な鋼板６２を強固に被覆している。その結果、切りくずとの摩擦による摩耗を防止することが可能となる。即ち、本体のＦＲＰ部分６１の外周にステンレス等の硬質材料６２を被覆させたことによって、切りくずの除去が難しい深穴加工や狭隘部の加工において、切削加工中の切りくずによる工具本体の損傷を防止し、ＦＲＰを用いた防振工具ホルダの耐久性を向上することが可能になる。

本発明に係る防振工具ホルダの一実施の形態を示す図である。 本発明に係る防振工具ホルダを構成する要素の材料の物性を示した図である。 本発明に係る防振工具ホルダにおける動吸振器のモデルを示す図である。 本発明に係る防振工具ホルダの設計計算のモデルを示した図である。 本発明の効果を示す図である。 本発明に係る防振工具ホルダを用いて深穴加工を行う場合の説明図である。 防振工具ホルダの比較例を示す図である。

符号の説明

１…基部、１ａ…取り付け部、２…チップ、３…工具、４…キャップ、５１…錘の弾性支持機構、５２…錘の弾性支持機構、５３…錘（質量）、５４…粘性流体（減衰機構）、６１…筒状部材（ＦＲＰ、特にＣＦＲＰ）、６２…ステンレス等の硬質な鋼板、６３…中空部。

Claims (7)

1. 本体の内部に、錘、弾性支持機構及び減衰機構を備え、前記本体の一部を繊維強化プラスチックで形成したことを特徴とする防振工具ホルダ。
2. 前記繊維強化プラスチックの外周を硬質材料で被覆して構成したことを特徴とする請求項１記載の防振工具ホルダ。
3. 本体としての基部と工具を取り付ける先端部との間を繊維強化プラスチックで形成した筒状部材で繋げ、該筒状部材の中空部内に両端を弾性支持機構で支持させた錘を設け、該錘と前記筒状部材との間に粘性流体を満たして減衰機構を形成したことを特徴とする防振工具ホルダ。
4. 本体としての基部と工具を取り付ける先端部との間を、密度が１.６×１０^３〜１．８×１０^３（ｋｇ／ｍ^３）で、ヤング率が１１０〜３１０（ＧＰａ）である材料で形成した筒状部材で繋げ、該筒状部材の中空部内に両端を弾性支持機構で支持させた錘を設け、該錘と前記筒状部材との間に粘性流体を満たして減衰機構を形成したことを特徴とする防振工具ホルダ。
5. 前記錘は、棒状の錘で構成したことを特徴とする請求項１又は３又は４記載の防振工具ホルダ。
6. 前記錘の質量ｍ２と前記本体のモード質量ｍ１との比μ＝ｍ２／ｍ１を１以上で３以下にしたことを特徴とする請求項１又は３又は４記載の防振工具ホルダ。
7. 前記筒状部材の外周を硬質材料で被覆して構成したことを特徴とする請求項３又は４記載の防振工具ホルダ。
   

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