JP2012086358A - 工具ホルダおよび工具ホルダの振動を抑制する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】工具ホルダの振動を抑制する
【解決手段】工具ホルダは、外側面を有する本体部分と、本体部分の外側面に装着された動的アブソーバとを含む。動的アブソーバは、剛性サポート部材と、カバー部材と、剛性サポート部材とカバー部材とによって形成された空洞内に配置されたアブソーバマスとを含む。第１の弾力性サポート部材は、剛性サポート部材とアブソーバマスとの間に配置され、第２の弾力性サポート部材は、カバー部材とアブソーバマスとの間に配置される。動的アブソーバは、剛性サポート部材に対しカバー部材を移動させることによって調整される。工具ホルダの振動を抑制する方法は、工具ホルダの外側面に動的アブソーバを外部装着することを含む。
【選択図】図１

Description

金属切削作業中、切削工具と被加工物との間のいかなる振動も、拙劣な表面仕上げ及び許容範囲外の仕上りの被加工物など、望ましくない切削結果をもたらす可能性がある。さらに、このような振動は、切削工具又は関連の工作機械の破損を引き起こす恐れがある。

この振動を低減するために、切削速度を下げることができる。しかし、この方法は、金属除去速度を低減させ、これによって、生産性に悪影響が及ぼされる。

他の方法は、アブソーバマスをシャンクの空洞内の内側に装着することである。一設計では、弾力性サポートが、空洞内にアブソーバマスを浮かせるように当該アブソーバマスの各々の端部を取り囲む。圧力板が弾力性サポートに隣接して位置決めされ、各々の弾力性サポートをアブソーバマスに対し圧縮するために、長手方向軸に沿って移動可能である。アブソーバマスの位置を移動させて、弾力性サポートの剛性を変更し、工具ホルダの動的応答を変化させるために、移動可能な圧力板を長手方向軸に沿って変位させるため、調整ねじが使用される。

シャンクの空洞内にアブソーバマスを位置決めすることにより振動が抑制されるが、シャンクの空洞内にアブソーバマスを装着する要件により、工具ホルダの全体的な剛性が低減され、好ましくない。さらに、アブソーバマスのサイズは、空洞のサイズに限定され、したがって、振動アブソーバは、より大きなアブソーバマスを必要とする、より大きな工具ホルダ設計には使用できない可能性がある。

工具ホルダの全体的な剛性を低減することなく、工具ホルダの振動を抑制する問題は、アブソーバマスを従来の工具ホルダにおけるようなシャンクの空洞の内側に装着するよりも、むしろ動的アブソーバ（ＤＹＮＡＭＩＣ ＡＢＳＯＲＢＥＲ）を工具ホルダの外側面に外部装着することによって解決される。理想的には、動的アブソーバは、工具ホルダの振動振幅が最大である箇所で工具ホルダに装着される。

一形態では、工具ホルダは、外側面を有する本体部分と、本体部分の外側面に装着された動的アブソーバとを備える。

他の形態では、工具ホルダの振動を抑制する方法は、工具ホルダの外側面に動的アブソーバを外部装着することを含む。

切削工具、例えばフライス用の本発明の実施形態による動的アブソーバが外部装着された工具ホルダの断面図である。 図１に示した動的アブソーバが外部装着された工具ホルダの部分拡大断面図である。 図１に示した動的アブソーバが外部装着された工具ホルダを使用したシミュレーションによる周波数応答関数のグラフ図である。 図１に示した動的アブソーバが外部装着された工具ホルダを使用したシミュレーションによる周波数応答関数の他のグラフ図である。 本発明の実施形態による工具ホルダの後部において動的アブソーバが外部装着された工具ホルダの断面図である。 図５に示した動的アブソーバが外部装着された工具ホルダを使用したシミュレーションによる周波数応答関数のグラフ図である。

本発明の様々な実施形態が例示されているが、図示した特定の実施形態が特許請求の範囲を限定すると解釈されるべきでない。本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更及び修正をなし得ることが予想される。

ここで図１と図２を参照すると、本発明の実施形態による工具ホルダ１０が概略的に示されている。図示した実施形態では、工具ホルダ１０は、切削工具１２、例えば工具ホルダの一方の端部のフライスと一緒に使用される。しかし、工具ホルダ１０は、金属加工作業用の任意の望ましい切削工具、例えばエンドミル等と一緒に使用することができることが認識されるであろう。

工具ホルダ１０は、フライス１２に近位の前端１６と、フライス１２に遠位の後端１８とを有する実質的に円筒状の本体１４を含む。工具ホルダ１０は、後端１８から前端１６まで本体部分１４の全長にわたって延在しかつ冷却剤を切削工具１２に送達するための冷却剤通路として機能する内部空洞２０を所望により含んでもよい。本体部分１２は、環境に露出された外面又は外側面２２と、中央の長手方向軸２４とを含む。

本発明の一形態は、工具ホルダ１０が、工具ホルダ１０の外面又は外側面２２に装着された、３０で概略的に示した動的アブソーバを含むことである。図示した実施形態では、動的アブソーバ３０は、工具ホルダ１０の前端１６に近位の外側面２２に装着されかつ切削工具１２に近位の環状リングの形態である。

動的アブソーバ３０は、剛性サポート部材３２とカバー部材３４とを含む。図示した実施形態では、剛性サポート部材３２は、剛性サポート部材３２が、工具ホルダ１０の長手方向軸２４に沿った方向に軸方向に移動しないように、外面２２に装着される。さらに剛性サポート部材３２の軸方向移動を防止するために、外面２２は、剛性サポート部材３２に当接するレッジ５６を含むことが可能である。剛性サポート部材３２は、外面２２にねじ込んでもよい。カバー部材３４を長手方向軸２４を中心に回転させることによって、カバー部材３４を剛性サポート部材３２にねじ込むことができるように、剛性サポート部材３２及びカバー部材３４の両方が、ねじ山３６を含む。剛性サポート部材３２及びカバー部材３４の寸法は、カバー部材３４が剛性サポート部材３２に対し移動することを可能にするために、部材３２、３４の両方の間に遊び間隙（ｃｌｅａｒａｎｃｅ ｇａｐ）３５があるような寸法である。剛性サポート部材３２とカバー部材３４との間の相対運動は、カバー部材３４を工具ホルダ１０の長手方向軸２４を中心に回転させることによって達成される。カバー部材３４が回転されるとき、カバー部材３４は、回転方向に応じて、矢印３８の方向に工具ホルダ１０の長手方向軸２４に沿って移動する。例えば、カバー部材３４は、（前端１６から見て）時計回り方向に回転されるときに（図２の右矢印で示したように）右に移動してもよく、また（前端１６から見て）反対の反時計回り方向に回転されるときに（図２の左矢印で示したように）左に移動する。

動的アブソーバ３０はまた、剛性サポート部材３２及びカバー部材３４によって形成された空洞４２内に配置されたアブソーバマス４０を含む。アブソーバマス４０は、第１の端部４４と第２の端部４６とを有する。第１の弾力性サポート４８は、アブソーバマス４０の第１の端部４４の近位にあり、かつ空洞４２内にアブソーバマス４０を浮かせるように、カバー部材３４とアブソーバマス４０の傾斜面５２との間に位置決めされる。第２の弾力性サポート５０は、アブソーバマス４０の第２の端部４６の近位にあり、かつ空洞４２内にアブソーバマス４０を浮かせるように、剛性サポート部材３２とアブソーバマス４０の傾斜面５４との間に位置決めされる。

工具１０は、工具ホルダ１０の長手方向軸２４に沿っていずれかの方向に、剛性サポート部材３２に対しカバー部材３４を移動させることによって精密に調整することができる。カバー部材３４が（図２で見たときに）右に移動するとき、カバー部材３４は、第１の弾力性サポート４８に対しより大きな圧力を及ぼす。次に、アブソーバマス４０は、第２の弾力性サポート５０に対しより強く付勢され（ｕｒｇｅｄ ｍｏｒｅ）、次に、第２の弾力性サポート５０が剛性サポート部材３２に対しより強く付勢されて、第１の弾力性サポート４８及び第２の弾力性サポート５０の両方のアブソーバマス４０に対するより大きな圧縮が生成される。反対に、カバー部材３４が（図２で見たときに）左に移動するとき、カバー部材３４は、第１の弾力性サポート４８に対しより小さな圧力を及ぼす。次に、アブソーバマス４０は、第２の弾力性サポート５０に対しより弱く付勢され、次に、第２の弾力性サポートが剛性サポート部材３２に対しより弱く付勢され（ｕｒｇｅｄ ｌｅｓｓ）て、第１の弾力性サポート４８及び第２の弾力性サポート５０の両方のアブソーバマス４０に対するより小さな圧縮が生成される。剛性サポート部材３２及びカバー部材３４は、従来の設計に共通に見られる圧力板及び調整ねじの必要性を排除し、これによって、より単純な、より費用効果的な設計を提供する。

図３と図４は、本発明の動的アブソーバ３０が外部装着された工具ホルダ１０のシミュレーションによる周波数応答関数のグラフ図である。図３と図４から理解できるように、その結果によれば、それぞれ、標準の１％及び２％の減衰比を有する工具ホルダと比較して、動的アブソーバ３０が外部装着された工具ホルダ１０がより優れた結果を提供することが示されている。

実装する上で、アブソーバマス４０は、減衰効果を最大にできるように、振動振幅が最大である箇所で工具ホルダに位置決めすべきである。例えば、フライス用の工具ホルダ１０の振動の最大振幅は、工具ホルダの前端１６の近位に配置され得る。他の例では、エンドミルカッタ用の工具ホルダの振動の最大振幅は、後端の近位に配置され得る。

上述のように、外部装着された動的アブソーバ３０の原理は、異なる多くの工具ホルダ設計に適用することができる。次に図５を参照すると、エンドミルカッタ用の外部装着された動的アブソーバ３０を有する工具ホルダ１０が示されている。

先の実施形態と異なり、図５に示した工具ホルダ１０は、工具ホルダ１０の前端１６に取り付けられたシャンク５８を含む。さらに、工具ホルダ１０は、工具ホルダ１０の本体部分１４の一部分の円周方向に配置されたスリーブ６０を含む。スリーブ６０は、金属、プラスチック等のような剛性材料から製造される。スリーブ６０は、工具ホルダ１０の振動振幅（すなわち、変位）が最大である箇所に動的アブソーバ３０を配置するための位置を創出する目的を有する。この特定の例において、従来の内部の動的アブソーバが使用される場合、振動振幅が工具先端（関心箇所）における振幅よりもはるかに小さいエンドミルの背後に、又は工具ホルダの中央に動的アブソーバを配置しなければならない。工具ホルダ１０の一部にのみ接続されるスリーブ６０を使用することによって、アブソーバマス４０が配置される箇所でスリーブ６０が自由に振動するようにさせる旋回点が創出される。この場合、スリーブ６０は、工具ホルダ１０の後端１８に近位のスリーブ６０の背部部分が、シャンク５８と反対方向に、しかしより高い振動振幅で移動するように、「シーソー」のように動作する。この結果、スリーブ６０は、動的アブソーバと関連して、同一の軸方向位置に内部装着された動的アブソーバである従来の中実の工具ホルダと比較して改良された減衰能力を提供する。

スリーブ６０は、フライス用の工具ホルダ１０の先の実施形態に使用することができ、他の工具ホルダタイプも使用され、また本発明が、図示した実施形態の工具ホルダ１０におけるスリーブ６０の使用に限定されないことが認識されるであろう。

図６は、動的アブソーバ３０が後部に外部装着されたエンドミル用の本発明の工具ホルダ１０のシミュレーションによる周波数応答関数のグラフ図である。その結果によれば、動的アブソーバ３０が後部に外部装着された工具ホルダ１０が、動的アブソーバなしの中実の工具ホルダと比較してより優れた結果を提供することが示されている。さらにその結果によれば、振動振幅が最大である箇所にアブソーバマス４０が配置され、かつ適切な周波数に適切に調整された場合、スリーブ６０の振動振幅は大幅に最小限に抑えられ、したがって、シャンク５８の振動が低減されることが示されており、このことは本発明の主な目的の１つである。

動的アブソーバ３０の１つの利点は、一般に、工具ホルダ１０の剛性の低減がないことである。この理由は、アブソーバマス４０が工具ホルダの内部空洞に配置されないからである。内部空洞への配置は、断面の慣性モーメントの低減を必要とする。図６では、なお工具ホルダ１０の外径を維持しつつ、スリーブ６０を付加するために本体の直径が僅かに低減されたときに、固有周波数が約８５０ヘルツから約６００ヘルツに移動するときの中実の工具ホルダ１０の剛性の低減に注目することができる。図５に示した工具ホルダ１０はまた、被加工物（図示せず）との遊びが問題であり得るときに同一の有効な長さを維持するために細長かった。剛性の低減によっても、図５に示した工具ホルダ１０は、中実のエンドミルホルダ又は収縮嵌めホルダよりもはるかに高い動的剛性を有する。工具ホルダ１０の動的剛性の利得は、１％の減衰を有する標準工具ホルダと比較して約１０〜２０倍、２％の減衰を有する標準工具ホルダと比較して、約５〜１０倍である。さらに、本発明の外部装着された動的アブソーバ３０は、工具ホルダ１０の全体的な剛性を低減することなく、より大型の切削工具のためにアブソーバマス４０のサイズを最適化することを可能にする。

他の利点は、本発明の動的アブソーバ３０は、アブソーバマスが工具ホルダ内に内部装着される従来の設計と異なり、異なる多くの工具ホルダタイプに適用できることである。例えば、本発明の動的アブソーバ３０では、小さな変更で、シェルミル工具ホルダに調整可能な質量の適用が可能である。本発明の動的アブソーバ３０は、振動減衰が劣っていることが知られているエンドミルアダプタ、溝切りカッタ、収縮嵌め工具ホルダ等にも適合できる。さらに、本発明の原理は、モジュール式工具の延伸及び短縮に適用できる。

本発明の好ましい実施形態について説明してきたが、本発明は、添付の特許請求の範囲内で異なる方法で具体化することが可能である。

１０ 工具ホルダ
１２ 切削工具
１４ 本体
１６ 前端
１８ 後端
２０ 内部空洞
２２ 外面又は外側面
２４ 長手方向軸
３０ 動的アブソーバ
３２ 剛性サポート部材
３４ カバー部材
３５ 遊び間隙
３６ ねじ山
３８ 矢印
４０ アブソーバマス
４２ 空洞
４４ 第１の端部
４６ 第２の端部
４８ 第１の弾力性サポート
５０ 第２の弾力性サポート
５２ 傾斜面
５４ 傾斜面
５６ レッジ
５８ シャンク
６０ スリーブ

Claims (10)

1. 外側面を有する本体部分と、
   前記本体部分の外側面に装着された動的アブソーバと、
   を備える工具ホルダ。
2. 前記動的アブソーバが、剛性サポート部材と、カバー部材と、前記剛性サポート部材と前記カバー部材とによって形成された空洞内に配置されたアブソーバマスとを含む、請求項１に記載の工具ホルダ。
3. 前記動的アブソーバが、前記剛性サポート部材と前記アブソーバマスとの間に配置された第１の弾力性サポート部材と、前記カバー部材と前記アブソーバマスとの間に配置された第２の弾力性サポート部材とを含む、請求項２に記載の工具ホルダ。
4. 前記カバー部材が、前記剛性サポート部材に対し前記工具ホルダの長手方向軸に沿って移動するように構成される、請求項３に記載の工具ホルダ。
5. 前記カバー部材が第１の方向に移動すると、前記カバー部材が前記第１の弾力性サポートに対し圧力を及ぼし、前記アブソーバマスが前記第２の弾力性サポートに対し付勢され、次に、前記第２の弾力性サポートが前記剛性サポート部材に対し付勢されて、前記第１の弾力性サポート及び前記第２の弾力性サポートの両方の前記アブソーバマスに対する圧縮が生成され、
   前記カバー部材が第２の方向に移動すると、前記カバー部材が前記第１の弾力性サポートに対しより小さな圧力を及ぼし、前記アブソーバマスが前記第２の弾力性サポートに対しより弱く付勢され、次に、前記第２の弾力性サポートが前記剛性サポート部材に対しより弱く付勢されて、前記第１の弾力性サポート及び前記第２の弾力性サポートの両方の前記アブソーバマスに対するより小さい圧縮が生成される、請求項４に記載の工具ホルダ。
6. 前記本体部分の外側面の一部に配置されたスリーブをさらに備える、請求項１に記載の工具ホルダ。
7. 前記動的アブソーバが前記工具ホルダの前端の近位にある、請求項１に記載の工具ホルダ。
8. 前記動的アブソーバが前記工具ホルダの後端の近位にある、請求項１に記載の工具ホルダ。
9. 工具ホルダの外側面に動的アブソーバを外部装着することを含む、工具ホルダの振動を抑制する方法。
10. 前記工具ホルダの振動振幅が最大である箇所に前記動的アブソーバを位置決めすることをさらに含む、請求項９に記載の方法。

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