JP2015123536A - 加工工具のサポート具 - Google Patents

Abstract

【課題】加工工具による切削加工の精度を高める。
【解決手段】加工工具のサポート具１０は、サポート部１２の板状部材１６が、加工工具２４を固定している固定器具３０を避ける態様で、加工工具２４の先端近傍まで延びている。又、板状部材１６は、加工工具２４により加工する際に、少なくとも加工工具２４がたわむ方向から、加工工具２４の先端近傍の外周の一部に接触する。これにより、たわみの要因である切削抵抗を板状部材１６で受け、加工工具２４のたわみ・折損や加工振動を抑制することができるため、切削加工の加工精度を高めることができる。更に、板状部材１６は、加工工具の軸方向と直交する方向の厚みが、加工工具２４の直径以下である。このため、高Ｌ／Ｄの加工工具２４を用いて、幅が狭い深溝等を加工する場合でも、板状部材１６がワーク４０に接触することなく、加工工具２４をサポートすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、加工工具のサポート具に関するものである。

金型等の製作において、幅が狭い（例えば幅２ｍｍ以下）深溝等を加工する際、従来から、加工工具による切削加工ではなく、放電加工が用いられている。切削加工が用いられない理由について説明すると、深溝の加工には、Ｌ／Ｄ（加工工具の突き出し量と直径の比）が高い（以下、「高Ｌ／Ｄ」と称す）加工工具が必要となる。そして、この高Ｌ／Ｄの加工工具を用いた場合に、工具の折損・たわみや加工振動が発生し、加工精度が損なわれてしまうためである。なお、ここでの高Ｌ／Ｄとは、Ｌ／Ｄ＞３０である。工具の折損・たわみは、工具の軸方向と直交する方向に発生する切削抵抗に、加工工具の剛性が負けることで発生する。又、加工振動は、加工工具が回転工具の場合、切刃がワークから周期的に離れる断続切断となり、その上で、前述のたわみとたわみ戻りとが繰り返されることで、切刃がワークに対して、大きく離れることと食い込むこととが不規則に繰り返され、びびり現象として発生する。一方、びびり現象を抑制する発明として、エンドミル等の回転する加工工具をサポートする装置が開示されている（例えば、特許文献１、２参照）。

特開平８−２５７８２３号公報 特開２００３−１３６３２４号公報

しかしながら、上述した放電加工は、専用の放電加工機の操作に訓練が必要であり、又、専用設備へのワークの移動、電極製作等の段取り、実加工に時間を要し、コストも高額であった。
一方、高Ｌ／Ｄの加工工具を用いて、幅の小さい深溝等を高精度で加工するためには、加工工具のたわみの抑制、加工振動の抑制が必要になる。しかしながら、従来のサポート装置は、加工工具のびびり現象を抑制するものの、工具の折損・たわみを抑制するものではない。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、加工工具による切削加工の精度を高めることにある。

（発明の態様）
以下の発明の態様は、本発明の構成を例示するものであり、本発明の多様な構成の理解を容易にするために、項別けして説明するものである。各項は、本発明の技術的範囲を限定するものではない。そのため、発明を実施するための最良の形態を参酌しつつ、各項の構成要素の一部を置換し、削除し、又は、更に他の構成要素を付加したものについても、本願発明の技術的範囲に含まれ得るものである。

（１）工作機械の加工ヘッドの主軸に保持される加工工具のサポート具であって、前記加工ヘッドに固定されるベース部と、前記加工工具の先端近傍の外周の一部に接触する、少なくとも１つのサポート部とを含み、前記サポート部は、前記ベース部から前記加工工具の先端近傍まで延び、前記加工工具によりワークを加工する際に、少なくとも前記加工工具のたわむ方向に配置された、加工工具の軸方向と直交する方向の厚みが前記加工工具の接触部位の幅以下である、バックアップ部材を含む加工工具のサポート具（請求項１）。

（２）上記（１）項において、前記ベース部は、前記加工ヘッドの主軸に前記加工工具を固定している固定器具を内周に通す態様で、前記加工ヘッドに固定される環状部を含み、前記バックアップ部材は、少なくとも、前記加工工具によりワークを加工する際の前記加工工具の進行方向後方側に、前記加工工具の進行方向と平行に、前記固定器具を避ける態様で、前記ベース部から前記加工工具の先端近傍まで延びる、板状部材を含む加工工具のサポート具（請求項２）。

（３）工作機械の加工ヘッドの主軸に保持される加工工具をサポートするために、前記加工ヘッドに固定されるベース部と、前記加工工具の先端近傍の外周の一部に接触する、少なくとも１つのサポート部とを含む、サポート具を用いる加工工具のサポート方法であって、前記サポート部は、前記ベース部から前記加工工具の先端近傍まで延び、加工工具の軸方向と直交する方向の厚みが前記加工工具の接触部位の幅以下である、バックアップ部材を含み、前記加工工具によりワークを加工する際に、少なくとも前記加工工具のたわむ方向から、前記バックアップ部材を前記加工工具に接触させる加工工具のサポート方法。

本発明はこのように構成したので、加工工具による切削加工の精度を高めることが可能となる。

本発明の実施の形態に係る加工工具のサポート具の構成を示す概略図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は底面図である。 高Ｌ／Ｄの加工工具を用いて幅が狭い深溝を加工する様子を示す概略図である。 図１に示した加工工具のサポート具を、４軸加工機の加工工具に用いた例を示す概略図である。 片持ち梁のモデル図であり、（ａ）は加工工具のモデル図、（ｂ）はサポート部と加工工具とのモデル図である。 サポート部の概略的な断面図である。 加工工具の回転力を説明するための概略図である。 加工工具の回転による切削抵抗を考慮する場合の、サポート部の配置を説明するための概略図である。 図１と異なる形態の、加工工具のサポート具の構成を示す概略図であり、（ａ）は、環状部のみを（ｂ）のＡ−Ａ´断面で示した正面図、（ｂ）は底面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。ここで、従来技術と同一部分、若しくは相当する部分については、詳しい説明を省略する。
図１は、本発明の実施の形態に係る加工工具のサポート具１０を概略的に示している。図示のように、加工工具のサポート具１０は、図中左右両側から加工工具２４に接触する２つのサポート部１２と、サポート部２４を加工ヘッド２６に固定するベース部１８とを含んでいる。なお、図１の加工工具２４は、図２に示すような幅が狭い深溝等を加工する際に用いられる、高Ｌ／Ｄの加工工具であり、ホルダ３０ａ及びチャック３０ｂからなる固定器具３０により、加工ヘッド２６の回転主軸２８に固定されている。

サポート具１０のベース部１８は、図１の例では、環状部締付ボルト３２により加工ヘッド２６に固定される環状部２０と、サポート部１２の各々を環状部２０に固定している２つの固定部２２とを含んでいる。環状部２０は半割りの環状部材であり、外周の対向位置にある２つの環状部締付ボルト３２の締め付けにより、加工ヘッド２６の外周部に環状部２０の外壁２０ａの内周面が圧接されることで、加工ヘッド２６に固定されている。又、環状部２０の内周の空間部には、加工工具２４、固定器具３０、回転主軸２８が配置されている。又、固定部２２は、環状部２０の外壁２０ａから、内周方向へ突出した底部２０ｂの底面に、溶接等で固定された、ブロック状のブラケットである。

２つのサポート部１２の各々は、バックアップ部材１４を含んでおり、図１の例では、バックアップ部材１４が、第１の板状部材１６ａと第２の板状部材１６ｂとを含む、板状部材１６で構成されている。第１の板状部材１６ａは、サポート部固定ボルト３４により固定部２２に固定されており、又、第２の板状部材１６ｂは、中間ボルト３６により第１の板状部材１６ａに固定されている。すなわち、第１の板状部材１６ａと第２の板状部材１６ｂとは、加工工具２４の変更等の必要に応じて、取り替え可能となっている。又、板状部材１６は、図１（ａ）で確認できるように、固定器具３０を避けて、ベース部１８の環状部２０に固定された固定部２２から、加工工具２４の先端近傍に達するように、加工工具２４の軸心に向かって傾斜した形状を有している。又、第２の板状部材１６ｂは、厚み（図１（ｂ）における上下方向の厚み）が、加工工具２４の直径Ｄ（図２参照）以下（加工工具２４の直径Ｄが先端側に向けて縮小するような場合には、最細部の直径以下）に形成されている。一方、第１の板状部材１６ａは、第２の板状部材１６ｂのような厚みの制約は無く、第２の板状部材１６ｂを確実に保持するための、必要十分な厚みを有している。

又、サポート部１２は、板状部材１６の第２の板状部材１６ｂが、加工工具２４の先端近傍の外周の一部に接触するものである。第２の板状部材１６ｂの加工工具２４に対する接触面の形状は、加工工具２４の外周面に倣った形状とし、例えば、加工工具２４の直径Ｄが先端側に向けて縮小するようにテーパがつけられている場合は、テーパに沿って傾斜した曲面となる。又、第２の板状部材１６ｂの各々が、加工工具２４に接触する範囲は、加工工具２４が受ける切削抵抗等を考慮して、適切な範囲を設定できる。例えば、周方向の接触範囲は、加工工具２４の外周の半分程度としてもよく、この場合は、２つの第２の板状部材１６ｂが、加工工具２４の外周の略全周にわたって接触することとなる。又、第２の板状部材１６ｂは、例えば、ＤＬＣコートが施された超鋼合金製であり、加工工具２４への接触部位には、潤滑油が用いられる。

又、サポート部１２の板状部材１６は、加工工具２４によりワークを加工する際に、少なくとも加工工具２４のたわむ方向に配置されるものである。図１の例では、ワークを加工する際の、加工工具２４の進行方向後方側と前方側とに、加工工具２４の進行方向と平行な配置になるように、２つのサポート部１２が図中左右方向に配置されている。よって、本例は、加工の際に図中左方向又は右方向に加工工具２４がたわむ場合の、サポート部１２の配置例を示している。より詳しくは、図２に示すように、ワーク４０に加工工具２４の直径Ｄよりも僅かに大きい幅の深溝を形成する際に、加工工具２４を紙面手前方向と奥方向とに往復移動させて、図中下方向に徐々に深く（段階的に）溝を加工する。そして、加工工具２４は、紙面手前方向へ移動する加工の際に、紙面奥方向へたわむ傾向にあり、又、紙面奥方向へ移動する加工の際に、紙面手前方向へたわむ傾向にある。このため、図２の深溝を加工する場合には、図１に示す２つのサポート部１２が、図２の紙面手前方向と奥方向とに配置されるようにして、サポート具１０が加工ヘッド２６に設置される。又、図３の例のように、サポート具１０のサポート部１２は、加工工具２４がたわむ方向に応じて、１つのみの構成であってもよい。そして、４軸加工機の加工工具２４により、ワーク４０にインロー部等を加工する場合は、図３に示すように、加工工具２４がワーク４０に接触する方向と反対の方向に、サポート部１２の第２の板状部材１６ｂが配置されるように、サポート具１０が設置される。

次に、本発明の実施の形態に係る加工工具のサポート具１０により、加工工具２４を適切にサポートするための条件について、加工工具２４が回転工具であり、説明の便宜上、サポート具１０のサポート部１２が１つである場合を例にして説明する。
まず、加工工具２４を保持する工作機械の、送り速度をＦ（ｍｍ／ｍｉｎ）、ピックフィードをｐ（ｍｍ）、切込み量をｔ（ｍｍ）、１刃あたりの送り量をｆ（ｍｍ／刃）、回転速度をＳ（ｒｐｍ）とすると、〔数１〕のような関係になる。
又、切削加工能率ｋは、〔数２〕のように示される。
又、切削抵抗Ｐは、比切削抵抗をＫｃとすると、〔数３〕のように示される。

続いて、図４は片持ち梁のモデル図であり、図４（ａ）が加工工具２４単体のモデル図、図４（ｂ）がサポート具１０のサポート部１２と加工工具２４とのモデル図である。図４（ａ）において、加工工具２４の突き出し量をＬ、縦弾性係数（ヤング率）をＥｒ、断面２次モーメントをＩｒ、曲げモーメントをＭｒとすると、たわみδｒは、〔数４〕のように示される。
そして、ｘ＝Ｌ（点Ｂ）におけるたわみδｒは、〔数５〕のようになる。

又、図４（ｂ）において、点Ａから、サポート部１２の板状部材１６が加工工具２４に接する点Ｂまでの距離をａとし、点Ｂの反力をＷとすると、点Ｃでのつり合いより、
となり、変形すると、〔数７〕のようになる。
又、サポート部１２の板状部材１６の縦弾性係数（ヤング率）をＥｈ、断面２次モーメントをＩｈ、曲げモーメントをＭｈとすると、たわみδｈは、〔数８〕のように示される。
そして、点Ｂにおける板状部材１６のたわみδｂは、〔数９〕のようになる。
ここで、板状部材１６が弾性体で、点Ｂにおけるたわみが発生しないためには、δｂ≒０となればよいことから、例えば、δｂ＝０．０００００１とすると、〔数９〕から〔数１０〕のようになる。

一方、図５は、サポート部１２の板状部材１６の概略的な断面図を示しており、断面２次モーメントの関係から、
となる。そして、加工工具２４の直径以下に形成される、板状部材１６の厚みｂが、加工工具２４の直径と等しいと仮定すると、加工工具２４のサポートに必要なｈの大きさは、〔数１０〕と〔数１１〕とから、〔数１２〕のようになる。

他方、図４（ａ）におけるｘでのたわみδｒｘは、
となり、図４（ｂ）における点Ｂでの加工工具２４のたわみは、〔数１４〕のように示される。
従って、〔数１４〕の加工工具２４のたわみを考慮して、加工工具２４にサポート部１２を接触させることが好ましい。

続いて、回転工具である加工工具２４の回転力について考慮する。図６において、加工工具２４の半径をｒ、角速度をω、比重量をγとすると、円周部ｈｓの部分における遠心力Ｑは、〔数１５〕のように示される。
そして、ｈｓの部分の円周方向の垂直応力をσとして、ｙ軸方向について考えると、垂直応力σは、ｘ軸から角度θ傾斜した微小角ｄθの応力を合計した応力とつり合うため、〔数１５〕から、
となる。このため、円周速度をｖ（ｍｍ／ｓ）とすると、
となる。
ここで、円周速度ｖ（ｍｍ／ｓ）と回転速度Ｓ（ｒｐｍ）との関係は、〔数１８〕のようになる。

以上により、加工工具２４の回転による切削抵抗Ｐｒは、比切削抵抗をＫｒとすると、
となる。このため、サポート具１０を工作機械の加工ヘッド２６に設置する場合は、図７に示すＰとＰｒとの関係から、〔数３〕、〔数５〕、〔数６〕、〔数７〕の切削抵抗を、下記のＰ´に置き換えればよい。
更に、図７に示すように、切削抵抗Ｐ´をサポート部１２により受けるために、サポート部１２の第２の板状部材１６ｂを、
で求められる角度ηだけ、図中右方向の加工方向に対して傾けて、加工工具２４に接触させればよい。なお、このように加工方向に対して傾けて接触させる形態は、図２に示すような、加工工具２４の直径Ｄよりも僅かに大きい幅の深溝を加工する場合ではなく、図３に示すような、幅が極端に制限されない加工を施す際に適用するものとする。

次に、図８は、本発明の実施の形態に係る図１とは異なる形態の、加工工具のサポート具１０´を示している。図８のサポート具１０´は、図１のサポート具１０と比較すると、ベース部１８の環状部２０´のみが異なっており、他の部位は図１のサポート具１０と同様の構成である。このため、図８については、ベース部１８の環状部２０´のみの説明を行い、他の部位の説明は省略する。
図８におけるベース部１８の環状部２０´は、一体の円環状をなしており、環状部固定ボルト３８により、図８（ａ）の下側から、加工ヘッド２６に固定されている。又、図１の環状部２０と同様に、環状部２０´の内周の空間部には、加工工具２４、固定器具３０、回転主軸２８が配置されており、サポート部１２を固定するための固定部２２が、環状部２０´の底部２０ｂの底面に、溶接等で固定されている。

さて、上記構成をなす本発明の実施の形態によれば、次のような作用効果を得ることが可能である。すなわち、本発明の実施の形態に係る加工工具のサポート具１０、１０´は、図１、図８に示すように、加工ヘッド２６の回転主軸２８に保持されている加工工具２４に対して、２つのサポート部１２が、加工工具２４の先端近傍の外周の一部に接触することで、加工工具２４をサポートするものである。サポート部１２は、加工ヘッド２６に固定されるベース部１８から、加工工具２４の先端近傍まで延びる、バックアップ部材１４を有している。このバックアップ部材１４は、加工工具２４によりワーク４０（図２、図３参照）を加工する際の、少なくとも加工工具２４のたわむ方向に配置され、加工工具２４に接触する。これにより、特に高Ｌ／Ｄの加工工具２４を用いる際に発生するたわみの要因である、加工工具２４の軸方向と直交する方向に発生する切削抵抗を、バックアップ部材１４で受け、加工工具２４のたわみや折損を抑制することができる。更に、加工工具２４のたわみの抑制と供に、回転工具である加工工具２４の切刃がワーク４０から不規則に離れることが抑制されるため、切削加工の加工精度を高めることができる。

更に、本発明の実施の形態に係る加工工具のサポート具１０、１０´は、サポート部１２のバックアップ部材１４の、加工工具２４の軸方向と直交する方向（図１（ｂ）、図８（ｂ）の上下方向）の厚みが、加工工具２４の接触部位の幅以下となっている。すなわち、バックアップ部材１４の当該方向の厚みは、少なくとも加工工具２４の直径Ｄ以下である。このため、図２に示すように、高Ｌ／Ｄの加工工具２４を用いて、加工工具２４の直径Ｄよりも僅かに大きい幅の深溝等を加工する場合でも、加工工具２４をサポートしているサポート具１０、１０´のバックアップ部材１４が、ワーク４０に接触することはない。より詳しくは、加工工具２４に対するバックアップ部材１４の接触部位が、ワーク４０の加工開始前の表面（図２中上面）よりも深い位置に達した場合でも、それまでに加工した溝幅よりも小さい厚みを有するバックアップ部材１４が、ワーク４０に接触することなく、加工工具２４をサポートすることができる。これにより、従来は放電加工を用いていた幅が狭い深溝等の加工を、高Ｌ／Ｄの加工工具２４を用いて高精度で行うことが可能となるため、設備の省スペース化、加工時間の短縮、加工費の低減を図ることができる。

又、本発明の実施の形態に係る加工工具のサポート具１０、１０´は、ベース部１８の環状部２０、２０´が、加工ヘッド２６の回転主軸２８に加工工具２４を固定している固定器具３０を内周に通す態様で、加工ヘッド２６に固定されている。更に、バックアップ部材１４の板状部材１６が、固定器具３０を避ける態様で、ベース部１８から加工工具２４の先端近傍まで延びているものである。このように、固定器具３０に接触しない構造でありながらも、加工ヘッド２６に固定されたベース部１８から延びる板状部材１６が、加工工具２４の先端近傍に接触する。このため、加工時の加工工具２４の回転運動等を妨げることなく、加工工具２４をより確実にサポートすることが可能となる。

更に、本発明の実施の形態に係る加工工具のサポート具１０、１０´は、図２に示すような幅が狭い深溝の加工だけではなく、図３に示すような溝幅に限定されない加工に対しても有用なものである。又、図３に示すような溝幅に限定されない加工の際に、加工工具２４が回転工具である場合の回転力を考慮し、図７に示すように、サポート部１２の第２の板状部材１６ｂを、加工方向に対して傾けて加工工具２４に接触させることとすれば、加工工具２４に加わる切削抵抗Ｐ´の如何に関わらず、より安定してサポートすることが可能となる。
なお、図１及び図８では、加工ヘッド２６の主軸が回転主軸２８であり、加工工具２４が回転工具である例を示しているが、本発明の実施の形態に係る加工工具のサポート具１０、１０´は、加工ヘッド２６の主軸が固定主軸であり、加工工具２４が固定工具であってもよい。又、加工工具のサポート具１０、１０´は、第１の板状部材１６ａと第２の板状部材１６ｂとが一体化されていてもよく、更に固定部２２が加えられて一体化されていてもよい。

１０、１０´：加工工具のサポート具、１２：サポート部、１４：バックアップ部材、１６：板状部材、１８：ベース部、２０、２０´：環状部、２４：加工工具、２６：加工ヘッド、２８：主軸、３０：固定器具、４０：ワーク

Claims (2)

1. 工作機械の加工ヘッドの主軸に保持される加工工具のサポート具であって、
   前記加工ヘッドに固定されるベース部と、前記加工工具の先端近傍の外周の一部に接触する、少なくとも１つのサポート部とを含み、
   前記サポート部は、前記ベース部から前記加工工具の先端近傍まで延び、前記加工工具によりワークを加工する際に、少なくとも前記加工工具のたわむ方向に配置された、加工工具の軸方向と直交する方向の厚みが前記加工工具の接触部位の幅以下である、バックアップ部材を含むことを特徴とする加工工具のサポート具。
2. 前記ベース部は、前記加工ヘッドの主軸に前記加工工具を固定している固定器具を内周に通す態様で、前記加工ヘッドに固定される環状部を含み、
   前記バックアップ部材は、少なくとも、前記加工工具によりワークを加工する際の前記加工工具の進行方向後方側に、前記加工工具の進行方向と平行に、前記固定器具を避ける態様で、前記ベース部から前記加工工具の先端近傍まで延びる、板状部材を含むことを特徴とする請求項１記載の加工工具のサポート具。