JP2587538B2 - 振動切削装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明はドリルやエンドミル、タップなどの回転す
る切削刃物に、切削に有効な振動を与えるようにした切
削装置に関する。

〔従来の技術〕

第７図は一般の切削工具の刃先による切削状態を示す
ものであり、ａは金属材料からなるワーク、ｂは平均的
に図の左方に移動している刃先、ｃは切削により生じた
切屑である。

上記切屑ｃは刃先ｂにより圧縮剪断された微少ブロッ
クｃ′で構成されており、圧縮と剪断を繰返す毎に刃先
ｂは矢印のように断続的に前後後退を繰返しながら移動
している。

この前進後退運動により生ずる振動が切削による自励
振動であり、一般的にはきわめて微小な振動であるが、
広義の振動切削ともいえる。しかし、その振幅が、何ら
かの切削条件の変化によって、ある大きさになるとびび
り振動となる。

第８図のＩは上記の一般的な従来の切削工具による切
削状態の振幅波形を示すもので、きわめて不規則であ
り、小さい振幅の部分は発熱し易く、大きい振幅の部分
はワークに大きな掻傷を残し、面粗度が悪くなる。

従来では、この有害な大きい振幅の部分の振動を減じ
るために、できるだけ剛性の大きい工具取付構造を採用
していた。

しかし、剛性を大きくすればする程、逆に振幅の小さ
い前者の部分は、ますます振幅が小さくなって、切屑及
び刃先の温度が高くなり、構成刃先の成長等によって切
削性が悪化する。

したがって有効な切削性を得るためには、大きい振幅
は比較的小さく、反対に小さい振幅は比較的大きくし
て、全体に第８図IIに示すような均一化された振動を作
り出す必要がある。

この目的のために、切削刃物を外部振動源によって強
制的に振動させ、第８図のIIに示すような均一な波形の
振動を強制的に刃物に与えて切削を行なう振動切削装置
がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記のような強制的振動切削装置は、公知の通り切削
性において優れた特徴を有している。

しかし、起振装置として、発振器で励磁された電わい
型や磁わい型の振動子が多く用いられており、その他に
も電磁振動型、電気−油圧型、機械−油圧型などが提案
されているが、これらは複雑な電気回路、機構が必要な
ものや、工作物取付台を振動させる油圧シリンダ形式の
ものなどの大形で高価な装置を必要とし、かつ適当な刃
先の振幅を得るために共振作用を利用しているので、一
定の周波数でのみ使用可能であって、切削途中の条件変
化に対応することができない問題がある。

そこでこの発明の課題は、上記第８図Ｉのような刃先
の不規則な振動を、上記のように複雑で高価な上に適用
範囲の狭い強制的振動装置を使用しないで、例えばボー
ルのような可動子とばねのような抵抗と止めねじのよう
な振幅調整部材からなる簡単な構造の振動ユニットによ
り、切削条件の変化にもかかわらず、第８図IIに示すよ
うに均一な振幅を安定して得ることができる切削装置を
提供することである。

〔課題の解決手段〕

上記の課題を解決するため、この発明においては、工
作機械の主軸により駆動される入力軸と刃物取付部を有
する出力軸とを少くとも周方向に移動可能に連結する機
構と、前記入力軸と出力軸のいずれか一方に設けられた
凹部と、これに対応して他方に設けられた孔と、少なく
とも前記凹部との間に一定の間隙を有し、かつ前記凹部
と孔との間にまたがって取り付けられ前記凹部にばねで
押圧され、周方向の移動が前記間隙の範囲で制限された
可動子と、この可動子の前記ばねを圧縮する方向の移動
を制限するストッパとによって振動切削装置を構成した
のである。

また、前記ばねの押圧力を調整するアジャストリング
を設けることができる。

〔作用〕

この発明は上記の構成であり、入力軸を工作機械の回
転主軸に固定し、この回転主軸とともに入力軸を回転
し、かつ前進させて刃物取付軸に固定した切削刃物をワ
ークに押し付けて切削を開始する。

上記の切削プロセスにおいて、切削力の変動により切
削刃物の刃先に不規則な微小振動が発生する。

上記の刃先に発生する振動は、従来の入力軸と出力軸
が一体となった切削装置では、第８図のＩの振幅変動の
ようにきわめて不規則なものであるが、入力軸と出力軸
の移動が許されていて、かつ一定の変動範囲に制限され
るこの発明の場合には、第８図IIのように振幅が均一化
される。なお、第８図において、横軸は時間、縦軸は振
幅を示している。

いま、刃先がワークに切り込むと、入力軸から出力軸
へ、凹部と孔にまたがって配置されかつ凹部にばねで押
し付けられた可動子を介して回転力が伝達される。

このとき、切削力の変動幅が小さい場合は、回転力伝
達のねじり剛性は、主として前記ばねによって決定され
るので小さく、刃先の振動はあまり制限されないので、
従来の一体型切削装置に比較して振動の振幅は大きい。

また、刃先の切削力の変動幅が大となり、これにとも
なって前記ばねの圧縮量が大きくなると可動子の位置が
変化し、ストッパに当接する。これによって、入力軸
は、前記ばねには無関係に出力軸を直接的に回転駆動す
るので、入力軸と出力軸とのねじり剛性は、従来の一体
型切削装置の場合に近い大きな値となり、刃先の振幅を
制限する。

このように、刃先の振幅は、第８図のＩに示すような
従来の一体型切削装置に比べて、小さい振幅は比較的大
きく、大きい振幅は比較的小さくなって、全体的に第８
図IIのように均一化する。

〔実施例〕

第１図ないし第６図に示す実施例において、１は入力
軸、２は出力軸であり、入力軸１の後部はストレートシ
ャンク３となり、その前部にフランジ４が一体に形成さ
れている。

前記入力軸１の中心孔５には、前記出力軸２の後部の
小径軸部６が回転自在にはまっており、その後端外周に
小径段部７が形成されている。

前記中心孔５の中間部内周には、突部９が形成されて
おり、この突部９の外側には、スラストベアリング10が
取付けられ、ストップボルト11の後端の大径頭部がスラ
ストベアリング10に支承され、同ボルト11は、突部９内
を回動自在に貫通して、上記小径軸部６の後部の小径ね
じ孔12にねじ込まれている。

また、上記小径段部７と突部９の前側間に、多数のス
チールボール13がはめられている。

上記フランジ４の前面には、第１図ないし第３図のよ
うに、多数の凹部15が入力軸１の中心と同芯の円周上に
設けられている。

また、フランジ４の前面の内側には、全周にわたって
凹部17が形成され、この凹部17と、出力軸４の大径部16
の後面内周寄に全周にわたって設けられた凸部19の間
に、多数のスチールボール20がはめられている。

上記出力軸２の大径部16には、第１図ないし第４図に
示すように、前後方向に貫通する多数の貫通孔21とねじ
孔22が、出力軸２の中心と同心の円周上に設けられてい
る。この各貫通孔21とねじ孔22は、前記フランジ４の凹
部15に対応している。そして、上記ねじ孔22は、複数の
貫通孔21毎に１個の割合で設けてある。

上記の各貫通孔21およびねじ孔22には、それぞれスチ
ールボールからなる可動子23が、可動的にはめ込まれ、
かつフランジ４の凹部15にも可動子23の一部がはまり込
んでいる。

前記各孔21には、それぞればね26がはめ込まれ、ねじ
孔22には止めねじ27がねじ込まれて、その先端面と可動
子23の間に微少間隙が設けられている。さらに、その前
側には前端には、ローラピン29を有する止めねじ30がね
じ込まれている。そしてピン29は、大径部16の前面に突
出している。

前記出力軸２の大径部16の前側には、リング31が摺動
自在に嵌合している。このリング31は、各ローラピン29
がはまる孔32を有している。

上記リング31の前面には、第５図のように、リングの
中心と同心の複数の円弧状溝33が設けられている。この
溝33は、第６図に示すように、一端から他端へと次第に
深くなるように傾斜しかつ円弧状の横断面となってい
る。

前記リング31の前面には、アジャストリング34が取り
付けられている。このリング34の後面には、スチールボ
ール35がはまる複数のくぼみ部36が設けられ、このボー
ル35は前記溝33にはまるようになっており、さらに、リ
ング34の外周後部には、リング31の外側にはまるスカー
ト部37が一体に設けられ、前記大径部16の前面外周に
は、前記スカート部37の先端がはまる段部39が設けられ
ている。

上記アジャストリング34には、半径方向の複数のねじ
孔40が設けられ、このねじ孔40にねじ込んだ止めねじ41
の内端を、出力軸２の外周の複数の係合凹部42の何れか
に係合させて、リング34を出力軸２に固定するようにな
っている。

上記出力軸２の前端の刃物取付部46の外周には、雄ね
じ43が設けられ、内周には、前部が拡大したテーパ孔44
が同心に設けられている。

前記テーパ孔44には、コレット51がはめ込まれ、前記
雄ねじ43にねじ込んだ締め付けねじ54によって締結する
ようになっている。

第９図は他の実施例を示す。図示のように、止めねじ
27の先端をねじのない軸部とし、ねじ部を出力軸２に固
定した受リング28のねじ孔にねじ込んである。また凹部
15は円錐状になっている。その他の構造及び機能は、第
１図の実施例と同様であるから、同一の符号をつけて詳
細な説明は省略する。

ここで、この発明の特徴をなす振動ユニットとは、第
１図、第６図、第９図、第10図、第11図に示す構成部分
で、入力軸１のフランジ４の凹部15と、出力軸２の大径
部16の貫通孔21及びねじ孔22と、前記凹部15と貫通孔21
又はねじ孔22の先端部に遊嵌された可動子23と、ばね26
と、止めねじ27、30より成るものである。

次に、上記実施例の作用を説明すると、ストレートシ
ャンク３を利用して工作機械の主軸に入力軸１を固定
し、出力軸２の刃物取付部46には、コレット51などを利
用してドリルなどの切削刃物55を固定する。

最初は、第10図Ａ、第11図Ａに示すように各ばね26の
弾性によって、各可動子23はフランジ４の各凹部15に押
圧され入力軸１の出力軸２を結合しているから、入力軸
１の回転が出力軸２に伝わって切削加工が始まる。

切削加工が始まると、第10図、第11図に示す振動ユニ
ットにおいて、入力軸１と一体のフランジ４が矢印方向
に回転している場合、ばね26で押圧れた可動子23が同図
Ｂ、Ｃに示すように、凹部15と貫通孔21の先端部内周面
を結合しているため出力軸２にトルクが伝達される。

こうして切削刃物55の刃先がワークに切り込むと、切
削刃物55の刃先に不規則な微小振動が発生し、この切削
振動は、出力軸２を通じて振動ユニットに伝達され、第
10図、第11図に示す可動子23には、微小な繰り返し変位
が生じる。この場合の繰り返し変位即ち振動は、極めて
小さな転がり振動が主体であって、常に可動子23は凹部
15の曲面に接しており、可動子23の中心位置の移動振幅
は、たかだか数10μｍの値であって、可動子23とばね26
が凹部15から離れて数mmも反発、跳躍するような振動は
生じない。勿論ストッパである止めねじ27がそれを許容
しない。

上記のように、可動子23が貫通孔21の先端部内周面を
押すとき、ばね26が圧縮されるが、切削力の変動幅が小
さいときは、第10図、第11図のＢに示すように、振動ユ
ニットの回転力伝達のねじり剛性は、主としてばね26に
よって決定されるので比較的い小さく、従って刃先の振
動はあまり制限されないので、刃先の振幅は、切削効果
の大きくなる範囲で、従来の一体型切削装置の場合に比
較して大きくなる。

また、刃先の切削力の変動幅が大きくなり、これにと
もなってばね26の圧縮量が大きくなると、第10図、第11
図のＣに示すように、介在する可動子23の相対位置が変
って、入力軸１と出力軸２との回転力伝達の関係も変化
する。即ち、可動子23と貫通孔21の内周面及び止めねじ
27の先端面が当接するため、出力軸２は、ばね26とは無
関係に、可動子23を介して入力軸１と直接的に結合さ
れ、駆動されるので、振動ユニットの総合的なねじり剛
性は、従来の一体型切削装置に近い大きな値となる。こ
のため、刃先の振幅は、切削効果の大きい範囲で縮少、
制限される。

上記の作用によって、刃先の過大な振幅は抑制され、
反対に振幅の小さい振動は、従来の一体型切削装置より
大きくなって、第８図のIIに示すような均一化された振
幅となる。

なお、上記アジャストリング34の各止めねじ41を弛
め、リング34を出力軸２に対して回転すると、リング34
と共に転動するボール35が溝33内を移動して、リング31
を第２図のように軸方向に移動させ、ばね26による可動
子23の押圧力を変化させることができる。

こうして止めねじ27の位置とばね26の強さを調整した
のち、止めねじ41をねじ込んで所定の凹部42に係合させ
ることにより、切削刃物の振幅幅及び振動数を切削に有
効な値に調節することができる。

なお、前記実施例においては、振動ユニットを軸方向
に設けた例、即ち入力軸１の端面に凹部15を設け、可動
子23を出力軸２の軸方向に設けた貫通孔21に挿入したば
ね26で押圧し、止めねじ27もこの貫通孔21内に挿入した
例を示したが、振動ユニットを半径方向に設けても同様
の作用効果が得られる。例えば、前記凹部15を出力軸２
の外周に設け、これに対応して入力軸１に半径方向の貫
通孔21を形成して、この貫通孔21内に挿入したばね26で
可動子23を凹部15に押圧するのである。勿論止めねじ27
もこの半径方向貫通孔21内に挿入する。

さらに、凹部15とばね26とを前記第１図の実施例とは
逆にそれぞれ出力軸２と入力軸１に設けてもよい。

〔効果〕

この発明によれば、以上のように、入力軸と出力軸を
互いに周方向に移動可能に連結し、入出力軸の一方に設
けた凹部と他方に設けた孔との間に可動子を取り付け、
これを凹部にばねで押し付けることによって回転力を伝
達するようにし、かつ可動子の移動を周方向とばねを圧
縮する方向に一定範囲に制限したので、従来の一体型切
削装置の場合に生ずる不規則な刃先の振動のうち、小さ
い振幅の部分は、入力軸と出力軸の回転力伝達のねじり
剛性が、主として前記ばねによって決定されるので小さ
いため、刃先の振動はあまり制限をうけないので大きく
なり、大きい振幅の部分は、前記可動子の移動が制限さ
れて入出力軸間のねじり剛性が大きくなるため、刃先の
振幅が小さくなり、全体的に刃先の振幅が均一化され、
結果的に切削力の変動幅そのものも均一化する。

その上、切削条件の変化に対しても、振幅の均一化の
変化は変らない。

これによって、従来の一体型切削装置に比較して、切
削送り速度や回転数を速くすることができるので生産性
が向上し、切削後の工作物の仕上げ面粗度が向上し、工
具刃先寿命が長くなる。

さらに、強制振動切削装置に比較して、複雑で大形か
つ高価な装置が必要でなく、外観形状は従来の一体型の
切削装置とほとんど変らないので、調整、取扱いが簡単
である。

そのほか、振動周波数の広い範囲で、適用が可能であ
る等の数々の利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の切削装置の一実施例を示す縦断側面
図、第２図は同上のトルク低減状態の要部縦断側面図、
第３図は第１図Ａ−Ａ線の横断面図、第４図は第１図の
Ｂ−Ｂ線の横断面図、第５図はリングの正面図、第６図
は可動子の作用を示す展開拡大断面図、第７図は刃先に
よる切削状態を示す拡大断面図、第８図Ｉ、IIは各刃先
の振動状態を示す波形図、第９図はこの発明の他の実施
例を示す一部縦断側面図、第10図Ａ、Ｂ、Ｃおよび第11
図Ａ、Ｂ、Ｃは振動ユニット部の各実施例の作用を示す
拡大断面図である。 １……入力軸、２……出力軸、 ４……フランジ、15……凹部、 16……大径部、21……貫通孔、 23……可動子、26……ばね、 31……リング、 34……アジャストリング、 46……刃物取付部、55……切削刃物。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 若野 福男 大阪府大阪市東成区神路４丁目11番５号 日本ニューマチック工業株式会社内 (72)発明者 井田 勝啓 大阪府大阪市東成区神路４丁目11番５号 日本ニューマチック工業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−68304（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】工作機械の主軸により駆動される入力軸と
   刃物取付部を有する出力軸とを少なくとも周方向に移動
   可能に連結する機構と、前記入力軸と出力軸のいずれか
   一方に設けられた凹部と、これに対応して他方に設けら
   れた孔と、少なくとも前記凹部との間に一定の間隙を有
   し、かつ前記凹部と孔との間にまたがって取り付けられ
   前記凹部にばねで押圧され、周方向の移動が前記間隙の
   範囲内で制限された可動子と、この可動子の前記ばねを
   圧縮する方向の移動を制限するストッパより成る振動切
   削装置。
2. 【請求項２】前記可動子を上記凹部に押し付けるばねを
   受ける進退自在のリングと、このリングの前側にあっ
   て、同リングの前後位置を調整するアジャストリングを
   設けたことを特徴とする請求項（１）記載の振動切削装
   置。