JP3714267B2 - 制振工具 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被削材の切削加工時に発生する振動を抑制し得る制振工具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば鋼製アーバー等の工具本体に、スローアウェイチップが装着されたヘッド部を取り付け、工具本体を軸線回りに回転させつつ送りを与えることによって被削材を切削加工したり、ボーリングバー等の工具本体の先端にスローアウェイチップを装着して、軸線回りに回転させられる被削材を切削加工したりする。 このとき、工作機械の把持部で工具本体の基端を片持ち支持して、スローアウェイチップの切刃で被削材を切削加工すると、把持部から切刃までの突き出し長さ等に由来する工具の固有振動と、切削抵抗等により工具に加わる振動とが共振してビビリ振動が発生する。このビビリ振動は、工具本体の直径Ｄに対する突き出し長さＬの比Ｌ／Ｄが大きくなるにつれてひどくなっていき、被削材の加工面の面粗さが悪化したり、ひどい場合には工具自体が損壊したりすることがあるので、Ｌ／Ｄが３〜４程度で限界値となり、例えば金型の深堀加工やボーリングバーによる中ぐり加工のようにＬ／Ｄを大きくしたい場合にとくに問題となっていた。
【０００３】
このような問題を解決するために、例えば、特開平１１−１９８３９号公報に開示されているように、工具本体の材質を高ヤング率材料で構成したもの、あるいは、特開平９−９４７０６号公報に開示されているように、工具本体の外周部に、その軸線方向に沿って超硬部材をロウ付け固定したものがある。
これらのような工具は、工具本体の剛性を高めることによって、工具本体の固有振動数を上げて共振を生じにくくすることが狙われているものであるが、Ｌ／Ｄが大きくなるにつれてビビリ振動が大きくなってしまうので、根本的な解決には至らない。
【０００４】
他の解決手段として、例えば、特開昭５９−１１０６号公報に開示されているように、工具本体の内部に中空部を設け、この中空部内に、リング状をなす２つの弾性部材によっておもり部材を弾性支持しつつ収納し、かつ、中空部の内壁面とおもり部材との間に形成された隙間を埋めるようにシリコーンオイル等の粘性流体を封入したものがある。
図８は、このような構成を転削工具に用いた例を示している。工具本体１００に発生するビビリ振動は、弾性部材１０１，１０１に弾性支持されるおもり部材１０２の振動を励起させ、次いで、おもり部材１０２の振動が、このおもり部材１０２の周囲に充填された粘性流体１０３に伝わり減衰されることで工具本体１００のビビリ振動が抑制されることになる。すなわち、この工具本体１００は、質量要素をなすおもり部材１０２と、バネ要素をなす弾性部材１０１，１０１と、減衰要素をなす粘性流体１０３とからなる動吸振器を備えていて、この動吸振器によって工具本体１００の振動を減衰させて吸収するようにしたものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、動吸振器の減衰要素として用いられる粘性流体１０３は、熱による影響を受けやすく、その粘性が変化してしまうという欠点があり、切削時に発生する熱が粘性流体１０３に伝わってこの粘性流体１０３自体の温度が上昇すると、粘性が低下して減衰効果が低下し、ビビリ振動を抑制しきれないおそれがある。
しかも、このような粘性流体を工具本体の内部に密封してこぼれ出ないようにするための密封構造が必要になり、工具本体１００の構成が複雑にならざるを得ない。
さらに、おもり部材１０２が弾性部材１０１，１０１に支持された構成であるため、このような動吸振器を備える工具本体１００を転削工具として用いた場合には、工具本体１００の回転に伴いおもり部材１０２の偏心が生じてしまうので、回転速度を下げる必要が生じる必要があるなど、転削工具として用いるには不向きであるといった問題もある。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、切削加工時の熱による影響を受けることなく簡易な構成でビビリ振動を抑制することができ、工具本体の直径Ｄに対する突き出し長さＬの比Ｌ／Ｄをより大きくとることのできる制振工具を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決して、このような目的を達成するために、本発明は、先端部に被削材を加工する加工手段が設けられる工具本体の内部に中空部が形成され、該中空部の内壁面におもり部材の一端が連結されるとともに、前記おもり部材の連結部分を除く他の部分と前記中空部の内壁面との間に隙間が設けられ、かつ、この隙間のうち前記おもり部材の一端を除く外周面と前記中空部の内周面との間に粘弾性体が充填されており、前記おもり部材と前記粘弾性体とによって動吸振器が構成されて、前記工具本体の振動を減衰させて吸収するようにしたことを特徴とする。
このような構成としたことにより、被削材の切削加工時に工具本体にビビリ振動が発生すると、動吸振器の質量要素及びバネ要素をなすおもり部材が、中空部の内壁面に連結された一端を固定端として工具本体の振動に対して略逆位相の振動を行う。このおもり部材の振動は、おもり部材と中空部の内壁面との隙間に充填された減衰要素をなす粘弾性体に伝わって減衰され、最終的にはおもり部材の振動エネルギーが漸次熱エネルギーに変換されて散逸することでビビリ振動が抑制される。
ここで、動吸振器における減衰要素として粘弾性体を用いたことにより、粘性流体よりも少量で高い減衰効果を得ることができ、かつ、切削時に発生する熱による影響を受けるおそれがなく、設計段階での減衰性能を安定して維持でき、しかも、粘弾性体を密封するための密封構造が必要とならず、簡易な構成の動吸振器を得ることができる。
また、おもり部材の一端が中空部の内壁面に連結されて、工具本体と一体構造とされているため、本発明を転削工具に適用したとしても、質量が偏心したままの状態となるおそれがない。
【０００８】
このとき、前記おもり部材の一端は、前記中空部の先端側あるいは基端側の内壁面に連結されていることを特徴とする。
ビビリ振動は、工具本体の軸線に直交する方向の振動が主たる振動であることから、おもり部材が中空部の先端側あるいは基端側の内壁面に連結されることにより、軸線に直交する方向に振動しやすくなり、制振効果を増大することができる。
【０００９】
さらに、このとき、前記おもり部材の前記内壁面に連結された一端と反対側の他端も前記内壁面に連結されていることを特徴とする。
このような構成とすると、おもり部材が両端で工具本体に固定されることになり、この両端を固定端として中央部が振動の腹となる振動を行う。この振動モードは、固定された一端が振動の節となり、自由端が振動の腹となる振動よりも高次の振動モードであり、高い振動数のビビリ振動に共振して高次のビビリ振動を効果的に抑制する。
【００１０】
また、前記おもり部材の一端は、前記中空部の先端側の内壁面に連結され、かつ、前記おもり部材の前記内壁面に連結された一端と反対側の他端には、該おもり部材の内部をくり抜くようにして穴部が形成されていることを特徴とする。
このような構成とすると、中空部の先端側の内壁面に連結されたおもり部材の一端と反対側の他端に、その内部がくり抜ぬかれるように穴部が形成されているため、おもり部材の重心が、工具本体の先端側、すなわち、ビビリ振動の振幅の大きい工具本体の先端側に寄ることになるので、ビビリ振動を抑制する効果を高くすることができる。
また、一方で、おもり部材に穴部を形成することにより、穴部が形成されない同じ質量のおもり部材と比較して、その外周面の表面積が大きくなることになり、粘弾性体を充填する隙間を十分に確保できるので、減衰効果が足りない場合には、粘弾性体をより多く充填することでこれに対応できる。
【００１１】
このとき、前記工具本体は、前記穴部内まで到達する軸部を有していて、前記粘弾性体が、少なくとも、前記軸部と前記穴部との間に設けられる隙間の一部に充填されていることを特徴とする。
ビビリ振動に共振して振動するおもり部材の振幅は、連結された一端から離れるにしたがい大きくなるので、このように、振幅の大きいおもり部材の他端に形成された穴部に減衰要素をなす粘弾性体が充填されていると、熱に変換させられるビビリ振動の振動エネルギーが多くなるので、少量の粘弾性体でも高い制振効果を得ることが可能となる。
【００１２】
また、前記中空部は、前記先端部から前記工具本体の軸線方向に延在するように形成されていることを特徴とする。
このような構成とすると、ビビリ振動の振幅が大きくなる工具の先端部に、おもり部材及び粘弾性体からなる動吸振器を備えていることになり、工具本体の先端部で制振力が効果的に働くようにして、ビビリ振動を効果的に抑制することができる。
【００１３】
また、前記おもり部材の一端は、小径の軸部をなしていることを特徴とする。
このような構成とすると、おもり部材の一端である小径の軸部でたわみを生じて、おもり部材の振動が励起されやすくなり、しかも、動吸振器における固有振動数の設定を容易、かつ、広いレンジで行うことができ、さまざまな固有振動数を有する工具本体に本発明を適用することが可能となる。
【００１４】
また、前記工具本体が、前記中空部よりも基端側で着脱自在に分割可能とされていることを特徴とする。
このような構成とすると、動吸振器が内蔵された工具本体の先端側部分を取り外し、工具本体の基端側部分に直接加工手段を取り付けることで、突き出し長さの短い工具として利用することができる。
【００１５】
また、前記おもり部材が、高密度材料で構成されていることを特徴とする。
このような構成とすると、おもり部材の質量を確保したまま、その大きさを小さくすることが可能となるので、これに伴い、工具本体に形成すべき中空部の大きさを小さくすることができ、工具本体の剛性を高く保つことができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付した図面を参照しながら説明する。
図１（ａ）は本発明の第１実施形態による制振工具の一部破断側面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ線断面図である。
【００１７】
本第１実施形態による制振工具１０は、図１に示すように、例えば鋼からなり、その基端が工作機械の把持部に片持ち支持されて、軸線Ｏ回りに回転させられる略円柱状をなす工具本体１１と、ヘッド本体１２の先端外周に複数のスローアウェイチップ１３…が装着されたヘッド部１４（加工手段）とを主として構成される転削工具である。
ヘッド部１４は、図１に示すように、スローアウェイチップ１３…の切刃が制振工具１０の先端側及び外周側に突出するように、図示せぬ連結ねじによって、工具本体１１の先端部に軸線Ｏと同軸で着脱自在に取り付けられている。
【００１８】
このヘッド部１４が設けられる工具本体１１の先端部の内部には、この先端部から工具本体１１の軸線Ｏ方向に沿って延在するように略円柱状の中空部１５が形成されている。そして、中空部１５内には、工具本体１１と同じ鋼からなり、中空部１５の内径よりも小さい外径をもつ略円柱状のおもり部材１７が、中空部１５の内壁面１６と隙間を介して収納されており、かつ、おもり部材１７の軸線方向の一端１７Ａが、中空部１５の内壁面１６における先端側の内壁面１６Ａに連結されて、おもり部材１７が工具本体１１と一体構造となっている。なお、おもり部材１７は、その軸線が、工具本体１１の軸線Ｏと同軸となるように連結されている。
【００１９】
そして、おもり部材１７の内壁面１６Ａに連結される一端１７Ａの連結部分を除いた他の部分と、中空部１５の内壁面１６との間に形成される隙間の少なくとも一部に粘弾性体１８が充填されており、本実施形態においては、おもり部材１７と内壁面１６との間に形成された隙間すべてに粘弾性体１８が充填されている。
【００２０】
この粘弾性体１８の物性としては、ヤング率（速度５０ｍｍ／ｍｉｎ標準硬度品を使用）が１０００〔ｋＰａ〕以下、ＪＩＳ Ｋ ２２０７に規定される針入度（硬度）が２０〜３００〔１／１０ｍｍ〕、ＪＩＳ Ｋ ６２５１に規定される引張強度が１〜４０００〔ｋＰａ〕、ＪＩＳ Ｋ ６２５１に規定される伸びが５０〜８００〔％〕の範囲のものが適しており、より好ましくは、ヤング率が１００〔ｋＰａ〕以下、針入度が１００〜１８０〔１／１０ｍｍ〕、引張強度が１〜１００〔ｋＰａ〕、伸びが２００〜４００〔％〕の範囲のものが適している。そして、本実施形態においては、ヤング率が１３〔ｋＰａ〕、針入度が１５０〔１／１０ｍｍ〕、引張強度が３０〔ｋＰａ〕、伸びが３４０〔％〕である粘弾性体１８が用いられている。
【００２１】
ここで、中空部１５は、工具本体１１の先端から基端側に向けて軸線Ｏと同軸の穴が穿設され、かつ、粘弾性体１８が巻き付けられたおもり部材１７が取り付けられた基板１９を用いて、例えばネジ止めやロウ付け等によりこの穴を塞ぐことによって形成されるものである。したがって、工具本体１１は、おもり部材１７及び粘弾性体１８を内蔵した状態で単独に一体として取り扱えるようになっている。
このとき、基板１９のおもり部材１７に巻き付ける粘弾性体１８の厚みは、このおもり部材１７及び粘弾性体１８が中空部１５内に収納されたときに、おもり部材１７の外周面と中空部１５の内壁面１６との間に形成される隙間の厚みよりもわずかに大きくされている。すなわち、おもり部材１７及び粘弾性体１８が中空部１５内に収納されたときに、粘弾性体１８がわずかに圧縮されている状態となっている。
【００２２】
さらにまた、工具本体１１が、中空部１５よりも基端側に位置し、軸線Ｏに直交する分割面Ｐを境にして、中空部１５を含む先端側部分１１Ａと基端側部分１１Ｂとに分割可能かつ着脱自在となるように形成されている。先端側部分１１Ａの分割面Ｐには、軸線Ｏに直交する方向に断面方形のキー部ＰＡが形成されるとともに、基端側部分１１Ｂの分割面Ｐにはやはり軸線Ｏに直交する方向に上記キー部ＰＡが嵌合可能なキー溝ＰＢが形成されているものであり、先端側部分１１Ａは、キー部ＰＡをキー溝ＰＢに嵌合させた上で、例えば取付ボルトによって基端側部分１１Ｂに強固に一体化されている。
【００２３】
本第１実施形態による制振工具１０は、上述の構成を備えており、次にその作用を説明する。
ヘッド部１４が先端部に装着された工具本体１１は、その基端にて工作機械の把持部に片持ち支持される。ここで、おもり部材１７が工具本体１１に同軸で一体となるように片端固定されているため、工具本体１１を回転させても偏心したままの状態にはならず、切削加工時における制振工具１０の回転の際、安定した回転状態が維持される。
【００２４】
こうして、スローアウェイチップ１３…の切刃が被削材に向かって軸線Ｏ方向の先端側に向かう送りを与えられて切削加工を開始すると、切削抵抗により工具本体１１の軸線Ｏ方向に直交する方向にビビリ振動が発生してしまう。このとき、中空部１５の先端側の内壁面１６Ａに連結されたおもり部材１７が共振して、その連結された一端１７Ａを固定端として軸線Ｏに直交する方向に、工具本体１１の振動と略逆位相の振動を開始する。
【００２５】
そうすると、おもり部材１７の振動は、おもり部材１７と中空部１５の内壁面１６との間に充填された粘弾性体１８に伝わって減衰させられ、最終的には、このビビリ振動のエネルギーを漸次熱エネルギーに変換して散逸することで、工具本体１１のビビリ振動が抑制される。
すなわち、本第１実施形態においては、制振工具１０がその工具本体１１の内部に、質量要素及びバネ要素をなすおもり部材１７と、減衰要素をなす粘弾性体１８とによって構成される動吸振器を備えていて、この動吸振器によりビビリ振動を減衰させて吸収するようにしたものである。
【００２６】
ここで、上記のような動吸振器の設計に際しては、以下の式を満たすように調整される。
動吸振器の固有振動数ω（おもり部材の固有振動数）については、
ω／Ω＝１／（１＋μ）
Ω：工具本体の固有振動数
μ：等価質量比（＝ｍ／Ｍ）
Ｍ：工具本体の等価質量
ｍ：動吸振器の等価質量（おもり部材の等価質量）
を満たすように設定され、
また、動吸振器の減衰係数Ｃについては、
Ｃ＝Ｃｃ×（３μ／（８（１＋μ）3））1/2 （Ｃｃ＝２（ｍｋ）1/2）
ｋ：動吸振器のバネ定数（おもり部材のバネ定数）
を満たすように設定される。
動吸振器における固有振動数ω及び減衰係数Ｃの調整は、おもり部材１７の大きさ及び形状を変化させたり、粘弾性体１８の量を変化させることにより調整でき、上記の式を満たすように設計された動吸振器によれば、すべての外力に対して振動を効果的に抑制する働きをもつことができる。
なお、粘弾性体１８の減衰係数Ｃを大きくして減衰効果を高めるために、粘弾性体１８の厚みを増やしていったとしても、ある程度で飽和してしまうことになるので、粘弾性体１８の減衰係数Ｃを大きくして減衰効果を高める場合には、おもり部材１７に接触する粘弾性体１８の面積を増やすようにしていけばよい。
【００２７】
本第１実施形態の制振工具１０によれば、おもり部材１７が工具本体１１のビビリ振動と略逆位相の振動を行うとともに、粘弾性体１８がその振動を減衰させて吸収するので、ビビリ振動を抑制することができる。それゆえ、工具本体１１の直径Ｄに対する突き出し長さＬの比Ｌ／Ｄを大きくとったとしても、加工面の面粗さの悪化や、工具本体１１の損壊が生じることがなく、例えば、Ｌ／Ｄがより大きく設定される金型の深堀加工などでも不具合を生じることがない。
【００２８】
また、このビビリ振動は、工具本体１１の先端側に向かうにしたがい振幅が大きくなり、かつ、工具本体１１の軸線Ｏに直交する方向での振動が主たる振動であるが、これに対して、工具本体１１の先端部の内部に中空部１５が形成されて動吸振器が内蔵され、しかも、おもり部材１７の一端１７Ａが中空部１５の先端側の内壁面１６Ａに軸線Ｏと同軸に連結されて、軸線Ｏに直交する方向におもり部材１７が振動しやすくなっていることから、ビビリ振動の振幅の大きいヘッド部１４近傍（先端部）においてこのビビリ振動を効果的に抑制することができる。
【００２９】
そして、動吸振器における減衰要素として粘弾性体１８を用いたことにより、粘性流体よりも少量で高い減衰効果を得ることができ、かつ、切削加工時に発生する熱による影響を受けるおそれがないので、設計段階での動吸振器の減衰性能を安定して維持できることとなる。さらに、粘性流体を用いた場合のように、その酸化防止対策やこぼれ出ないようにするための密封構造が必要となることがなく、簡略な構成の制振工具１０を得ることができる。
【００３０】
また、おもり部材１７の一端１７Ａが中空部１５の先端側の内壁面１６Ａに工具本体１１と同軸に連結されて、おもり部材１７と工具本体１１とが一体構造となっているので、転削工具とされた第１実施形態による制振工具１０を軸線Ｏ回りに回転させたとしても、その遠心力によっておもり部材１７が偏心したままの状態にはならず、安定した回転状態を維持することができる。
【００３１】
さらに、本第１実施形態においては、工具本体１１が、分割面Ｐにて、中空部１５を有する先端側部分１１Ａと、基端側部分１１Ｂとに分割可能とされていて、それらが着脱自在となっていることから、Ｌ／Ｄを大きくとる必要がない場合には、中空部１５を有する先端側部分１１Ａ、すなわち、動吸振器を備える先端側部分１１Ａを取り外した後、基端側部分１１Ｂに対してヘッド部１４を直接装着することによって対応できる。これにより、工具本体１１の基端を工作機械の把持部から取り外すことなく、突き出し長さを変更することが可能となる。
なお、このような場合には、Ｌ／Ｄが大きくならないので、ビビリ振動が生じることがなく、動吸振器が備わっていなくても問題とはならない。
【００３２】
次に、本発明の第２実施形態を説明するが、上述した第１実施形態と同様の部分には同一の符号を用いてその説明を省略する。図２は、本第２実施形態による制振工具の一部破断側面図である。
第２実施形態による制振工具２０は、図２に示すように、おもり部材１７の一端１７Ａが、工具本体１１の軸線Ｏと同軸となる小径の軸部を呈しており、この小径の軸部を呈する一端１７Ａによって、おもり部材１７が中空部１５の先端側の内壁面１６Ａに連結されているものである。なお、この制振工具２０では、粘弾性体１８が、おもり部材１７の一端１７Ａを除く円筒状の外周面と中空部１５の内壁面１６との間に充填されているが、動吸振器の設計に応じて充填される量を減らしたり、他の隙間に充填してもよい。
【００３３】
このような制振工具２０によれば、おもり部材１７の一端１７Ａである小径の軸部でたわみを生じやすく、おもり部材１７の振動が励起されやすくなる。しかも、動吸振器における固有振動数ω、すなわち、等価質量ｍ及びバネ定数ｋの設定が容易、かつ、広いレンジで行うことができるので、さまざまな固有振動数Ωを有する工具本体１１に対して、ビビリ振動を抑制する効果を確保できることとなる。
【００３４】
次に、本発明の第３実施形態による制振工具について説明するが、上述の第１及び第２実施形態と同様の部分には同一の符号を用いてその説明を省略する。図３は、本第３実施形態による制振工具の一部破断側面図である。
第３実施形態による制振工具３０は、図３に示すように、おもり部材１７の一端１７Ａが小径の軸部を呈するとともに中空部１５の先端側の内壁面１６Ａに連結固定され、かつ、上記一端１７Ａと反対側の他端１７Ｂも小径の軸部を呈するとともに中空部１５の基端側の内壁面１６Ｂに連結固定されるているものである。ここで、おもり部材１７の他端１７Ｂは、おもり部材１７及び粘弾性体１８が基板１９とともに中空部１５内に挿入される際、基端側の内壁面１６Ｂに設けられた支持穴１６Ｃに嵌合挿入されるようになっている。
【００３５】
このような制振工具３０によれば、おもり部材１７の両端１７Ａ，１７Ｂが小径の軸部で構成されているとともに、この両端１７Ａ，１７Ｂにて工具本体１１と一体に連結固定されているので、工具本体１１にビビリ振動が発生したときには、これら両端１７Ａ，１７Ｂを固定端として中央部が振動の腹となるようにおもり部材１７の振動が励起される。
ここで、おもり部材１７は、その両端１７Ａ，１７Ｂでたわみを生じやすくなっていて振動が励起されやすい。
さらに、おもり部材１７に励起される振動モードは、固定された一端が振動の節となり、自由端が振動の腹となる振動よりも高次の振動モードであり、高い振動数のビビリ振動に共振して高次のビビリ振動を効果的に抑制することが可能となる。
【００３６】
次に、本発明の第４実施形態による制振工具を説明するが、上述の第１乃至第３実施形態と同様の部分には同一の符号を用いてその説明を省略する。図４（ａ）は本第４実施形態による制振工具の一部破断側面図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。
第４実施形態による制振工具４０は、図４に示すように、第２実施形態による制振工具２０とほぼ同様の構成をなしているものであり、その相違点は、おもり部材１７における、中空部１５の先端側の内壁面１６Ａに連結される一端１７Ａと反対側の他端１７Ｂに、その他端１７Ｂの内部がくり抜かれるようにして、略円柱状をなす中空の穴部１７Ｃが、工具本体１１の軸線Ｏと同軸に形成されていることである。なお、この制振工具４０では、粘弾性体１８が、おもり部材１７の一端１７Ａを除く円筒状の外周面と中空部１５の内壁面１６との間に充填されているが、動吸振器の設計に応じて充填される量を減らしたり、他の隙間に充填してもよい。
【００３７】
本第４実施形態の制振工具４０によれば、中空部１５の先端側の内壁面１６Ａに連結されたおもり部材１７の一端１７Ａと反対側の他端１７Ｂに、その内部がくり抜ぬかれるように穴部１７Ｃが形成されているため、おもり部材１７の重心が、工具本体１１の先端側、すなわち、ビビリ振動の振幅の大きい工具本体１１の先端側に寄ることになるので、ビビリ振動を抑制する効果を高めることができる。
【００３８】
また、上述したように、粘弾性体１８の減衰係数Ｃを大きくして減衰効果を高めるためには、粘弾性体１８の厚みを大きくするのではなく、おもり部材１７に接触している粘弾性体１８の量を増やす方が効果的なので、本第４実施形態のように、おもり部材１７に穴部１７Ｃが形成されていると、おもり部材１７の円筒状の外周面の表面積を大きく確保できることとなり、これにより、動吸振器の減衰効果が足りない場合には、粘弾性体１８をより多く充填させておもり部材の１７の円筒状の外周面に接触する面積を多くすることで対応できる。
【００３９】
次に、本発明の第５実施形態による制振工具を説明するが、上述の第４実施形態と同様の部分には同一の符号を用いてその説明を省略する。図５は、本第５実施形態による制振工具の一部破断側面図である。
第５実施形態による制振工具５０は、図５に示すように、工具本体１１が、その中空部１５の基端側の内壁面１６Ｂから、軸線Ｏと同軸に突出するとともに、おもり部材１７の他端１７Ｂに形成された穴部１７Ｃ内まで到達するような軸部１１Ｃを備えている。そして、少なくとも、この軸部１１Ｃと穴部１７Ｃとの間に設けられる隙間の一部に粘弾性体１８が備えられているものであり、本実施形態においては、この軸部１１Ｃの外周面と、穴部１７Ｃの内周面との間に設けられる隙間に粘弾性体１８が充填されている。
【００４０】
このような制振工具５０では、減衰要素をなす粘弾性体１８が、おもり部材１７の穴部１７Ｃ内にわずかに存在するのみである。しかしながら、ビビリ振動に共振して振動するおもり部材１７の振幅は、工具本体１１に連結された一端１７Ａから離れるにしたがい大きくなるので、振幅の大きいおもり部材１７の他端１７Ｂに形成された穴部１７Ｃ内に存在する粘弾性体１８は、その圧縮される割合が大きく、それゆえ、熱に変換させられるビビリ振動のエネルギーが多くなるので、本第５実施形態のように少量の粘弾性体１８でも十分な制振効果を得ることが可能となる。
【００４１】
次に、本発明の第６実施形態による制振工具を説明するが、上述の第１乃至第５実施形態と同様の部分には同一の符号を用いてその説明を省略する。図６は、本第６実施形態による制振工具の一部破断側面図である。
第６実施形態による制振工具６０は、図６に示すように、第２実施形態による制振工具２０とほぼ同様の構成をなしているものであり、その相違点は、おもり部材１７が、密度が７．９ｇ／ｃｍ3以上の高密度材料４１、例えば密度が１８ｇ／ｃｍ3程度とされるヘビーメタルによって構成されていることを特徴とする。
詳述すると、おもり部材１７が、鋼からなる小径の軸部４２の周囲に、ヘビーメタルからなる高密度材料４１を巻き付けたような構成をなすものであり、その小径の軸部４２で高密度材料４１が巻き付けられていない部分が、中空部１５の先端側の内壁面１６Ａに連結される一端１７Ａとなる。
【００４２】
このような制振工具６０によれば、おもり部材１７をすべて鋼で構成した場合と同様の質量を、これより小さい体積で実現することができるので、工具本体１１に形成すべき中空部１５の体積を小さくすることが可能となり、これにより、工具本体１１の剛性を高く保って、よりビビリ振動を生じ難くすることができる。
なお、この第６実施形態においては、第２実施形態による制振工具２０におけるおもり部材１７を高密度材料で構成するようにしたが、例えば、第１、第３、第４、第５実施形態におけるおもり部材１７を高密度材料４１で構成するようにしてもよい。
【００４３】
以上、第１乃至第６実施形態においては、本発明を転削工具に用いた場合について説明したが、本発明の第７実施形態として、本発明を旋削工具に適用した場合を説明する。なお、上述の第１乃至第６実施形態と同様の部分には同一の符号を用いてその説明を省略する。図７は、本第７実施形態による制振工具の一部破断側面図である。
【００４４】
第７実施形態による制振工具７０は、図７に示すように、例えば鋼からなり、その基端が工作機械の把持部に片持ち支持される略円柱状をなす工具本体５１と、ヘッド本体５２の先端角部にスローアウェイチップ５３が装着されたヘッド部５４（加工手段）とを主として構成される旋削工具である。
ヘッド部５４は、図７に示すように、スローアウェイチップ５３の切刃が制振工具７０の先端側に突出するように、図示せぬ連結ねじによって、工具本体５１の先端部に軸線Ｏと同軸で着脱自在に取り付けられている。
そして、このヘッド部５４が設けられる工具本体５１の先端部の内部には、上記第２実施形態と同様の構成をなすおもり部材１７及び粘弾性体１８からなる動吸振器が内蔵されているものである。
【００４５】
第７実施形態による制振工具７０は、上述の構成を備えており、回転する被削材に対してヘッド部５４に装着されたスローアウェイチップ５３の切刃で切込み切削を行うと、切削抵抗により工具本体５１の軸線Ｏ方向に直交する方向にビビリ振動が発生する。このとき、中空部１５の先端側の内壁面１６Ａに連結固定されたおもり部材１７が共振して、その連結された一端１７Ａを固定端として軸線Ｏに直交する方向に、工具本体５１の振動と略逆位相の振動を開始する。
そうすると、おもり部材１７の振動は、粘弾性体１８に伝わって減衰させられ、最終的には、このビビリ振動のエネルギーを漸次熱エネルギーに変換して散逸することで、工具本体５１のビビリ振動が抑制される。
【００４６】
ところで、第１乃至第６実施形態のように、本発明を転削工具に適用した場合には、その工作機械の把持部から切刃までの突き出し長さが常に同じ長さで用いられるが、この第７実施形態のように、本発明を旋削工具に適用した場合には、工作機械への取付状態において、工作機械の把持部から切刃までの突き出し長さが変化させられる場合がある。そうすると、工具本体５１の固有振動数が変化し、設計段階に想定された動吸振器の減衰性能を発揮できないおそれが生じるので、第７実施形態においては、例えば、図７の波線で示すように、工具本体５１に予め、突き出し長さを規定する止め部材５５を装着するようにしている。このような止め部材５５を用いると、旋削工具とされる制振工具７０において、その突き出し長さが変化させられることがなく、これにより、工具本体５１の固有振動数も変化することがないので、設計した通りの性能を有する動吸振器を備えた制振工具７０を得ることができる。
【００４７】
ここで、旋削工具とされた第７実施形態の制振工具７０においても、上記第１，３，４，５，６実施形態のように、略円柱状をなすおもり部材１７を用いたり、おもり部材１７の両端を固定したり、おもり部材１７における中空部１５の先端側の内壁面１６Ａに連結される一端１７Ａと反対側の他端１７Ｂの内部をくり抜いて穴部１７Ｃを形成した構造としたり、工具本体１１に軸部１１Ｃを形成して、軸部１１Ｃとおもり部材１７の穴部１７Ｃとの間の隙間に粘弾性体１８を充填したり、あるいは、おもり部材１７を高密度材料４１で構成したりしてもよいし、さらには、中空部１５よりも基端側の位置で工具本体１１を着脱自在に分割可能とする構成であってもよいことはもちろんである。
【００４８】
なお、以上の各実施形態においては、おもり部材１７の一端１７Ａが、中空部１５の先端側の内壁面１６Ａに連結される構成としたが、これに限定されることなく、おもり部材１７の一端１７Ａを、中空部１５の基端側の内壁面１６Ｂに連結してもよい。
また、加工手段における切刃は、スローアウェイ式に限定せず、ソリッド式、ロウ付けチップ等でもよい。また、ヘッド部を工具本体に着脱自在に設ける構成とせず、工具本体に切刃を設ける構成でも無論構わない。
【００４９】
さらに、以上の各実施形態では、工具本体の内部に、動吸振器を内蔵する構成としたが、ヘッド部に動吸振器を取り付け、ネジ止め、ろう付け等によって工具本体に固定する構成としてもよい。あるいはまた、動吸振器の収納されたカセット式の制振部を工具本体に交換自在に設ける構成としてもよい。
加えて、以上の各実施形態では、転削工具と旋削工具を例として示したが、動吸振器を内蔵することによって振動を抑制する構成は、被加工物の加工時に周期的な加振力が加わり振動を発生するような工具に対して全て適用できるものである。例えば、回転する研磨体を備えた研磨工具等にも有用であることは言うまでもない。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、被削材の切削加工時に工具本体にビビリ振動が発生すると、動吸振器の質量要素及びバネ要素をなすおもり部材が、工具本体の振動に対して略逆位相の振動を行い、そして、このおもり部材の振動が、減衰要素をなす粘弾性体に伝わって減衰され、最終的にはおもり部材の振動エネルギーを漸次熱エネルギーに変換して散逸することでビビリ振動が抑制されるので、Ｌ／Ｄが大きくなるような切削加工においても何ら不具合を生じることがない。
また、動吸振器における減衰要素として粘弾性体を用いたことにより、粘性流体よりも少量で高い減衰効果を得ることができ、かつ、切削時に発生する熱による影響を受けるおそれがないので、設計段階での減衰性能を安定して維持でき、しかも、粘弾性体を密封するための密封構造が必要とならず、簡易な構成の動吸振器を得ることができる。
さらに、おもり部材の一端が中空部の内壁面に連結された構造であるため、転削工具に適用したとしても、質量が偏心したままの状態になるおそれもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （ａ）は本発明の第１実施形態による制振工具の一部破断側面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図２】 本発明の第２実施形態による制振工具の一部破断側面図である。
【図３】 本発明の第３実施形態による制振工具の一部破断側面図である。
【図４】 （ａ）は本発明の第４実施形態による制振工具の一部破断側面図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。
【図５】 本発明の第５実施形態による制振工具の一部破断側面図である。
【図６】 本発明の第６実施形態による制振工具の一部破断側面図である。
【図７】 本発明の第７実施形態による制振工具の一部破断側面図である。
【図８】 （ａ）は従来の制振工具の一部破断側面図、（ｂ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ線断面図である。
【符号の説明】
１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０ 制振工具
１１，５１ 工具本体
１１Ｃ 軸部
１４，５４ ヘッド部
１５ 中空部
１６ 中空部の内壁面
１６Ａ 中空部の先端側の内壁面
１６Ｂ 中空部の基端側の内壁面
１７ おもり部材
１７Ａ おもり部材の一端
１７Ｂ おもり部材の他端
１７Ｃ 穴部
１８ 粘弾性体
４１ 高密度材料
Ｏ 軸線
【発明の属する技術分野】
本発明は、被削材の切削加工時に発生する振動を抑制し得る制振工具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば鋼製アーバー等の工具本体に、スローアウェイチップが装着されたヘッド部を取り付け、工具本体を軸線回りに回転させつつ送りを与えることによって被削材を切削加工したり、ボーリングバー等の工具本体の先端にスローアウェイチップを装着して、軸線回りに回転させられる被削材を切削加工したりする。 このとき、工作機械の把持部で工具本体の基端を片持ち支持して、スローアウェイチップの切刃で被削材を切削加工すると、把持部から切刃までの突き出し長さ等に由来する工具の固有振動と、切削抵抗等により工具に加わる振動とが共振してビビリ振動が発生する。このビビリ振動は、工具本体の直径Ｄに対する突き出し長さＬの比Ｌ／Ｄが大きくなるにつれてひどくなっていき、被削材の加工面の面粗さが悪化したり、ひどい場合には工具自体が損壊したりすることがあるので、Ｌ／Ｄが３〜４程度で限界値となり、例えば金型の深堀加工やボーリングバーによる中ぐり加工のようにＬ／Ｄを大きくしたい場合にとくに問題となっていた。
【０００３】
このような問題を解決するために、例えば、特開平１１−１９８３９号公報に開示されているように、工具本体の材質を高ヤング率材料で構成したもの、あるいは、特開平９−９４７０６号公報に開示されているように、工具本体の外周部に、その軸線方向に沿って超硬部材をロウ付け固定したものがある。
これらのような工具は、工具本体の剛性を高めることによって、工具本体の固有振動数を上げて共振を生じにくくすることが狙われているものであるが、Ｌ／Ｄが大きくなるにつれてビビリ振動が大きくなってしまうので、根本的な解決には至らない。
【０００４】
他の解決手段として、例えば、特開昭５９−１１０６号公報に開示されているように、工具本体の内部に中空部を設け、この中空部内に、リング状をなす２つの弾性部材によっておもり部材を弾性支持しつつ収納し、かつ、中空部の内壁面とおもり部材との間に形成された隙間を埋めるようにシリコーンオイル等の粘性流体を封入したものがある。
図８は、このような構成を転削工具に用いた例を示している。工具本体１００に発生するビビリ振動は、弾性部材１０１，１０１に弾性支持されるおもり部材１０２の振動を励起させ、次いで、おもり部材１０２の振動が、このおもり部材１０２の周囲に充填された粘性流体１０３に伝わり減衰されることで工具本体１００のビビリ振動が抑制されることになる。すなわち、この工具本体１００は、質量要素をなすおもり部材１０２と、バネ要素をなす弾性部材１０１，１０１と、減衰要素をなす粘性流体１０３とからなる動吸振器を備えていて、この動吸振器によって工具本体１００の振動を減衰させて吸収するようにしたものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、動吸振器の減衰要素として用いられる粘性流体１０３は、熱による影響を受けやすく、その粘性が変化してしまうという欠点があり、切削時に発生する熱が粘性流体１０３に伝わってこの粘性流体１０３自体の温度が上昇すると、粘性が低下して減衰効果が低下し、ビビリ振動を抑制しきれないおそれがある。
しかも、このような粘性流体を工具本体の内部に密封してこぼれ出ないようにするための密封構造が必要になり、工具本体１００の構成が複雑にならざるを得ない。
さらに、おもり部材１０２が弾性部材１０１，１０１に支持された構成であるため、このような動吸振器を備える工具本体１００を転削工具として用いた場合には、工具本体１００の回転に伴いおもり部材１０２の偏心が生じてしまうので、回転速度を下げる必要が生じる必要があるなど、転削工具として用いるには不向きであるといった問題もある。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、切削加工時の熱による影響を受けることなく簡易な構成でビビリ振動を抑制することができ、工具本体の直径Ｄに対する突き出し長さＬの比Ｌ／Ｄをより大きくとることのできる制振工具を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決して、このような目的を達成するために、本発明は、先端部に被削材を加工する加工手段が設けられる工具本体の内部に中空部が形成され、該中空部の内壁面におもり部材の一端が連結されるとともに、前記おもり部材の連結部分を除く他の部分と前記中空部の内壁面との間に隙間が設けられ、かつ、この隙間のうち前記おもり部材の一端を除く外周面と前記中空部の内周面との間に粘弾性体が充填されており、前記おもり部材と前記粘弾性体とによって動吸振器が構成されて、前記工具本体の振動を減衰させて吸収するようにしたことを特徴とする。
このような構成としたことにより、被削材の切削加工時に工具本体にビビリ振動が発生すると、動吸振器の質量要素及びバネ要素をなすおもり部材が、中空部の内壁面に連結された一端を固定端として工具本体の振動に対して略逆位相の振動を行う。このおもり部材の振動は、おもり部材と中空部の内壁面との隙間に充填された減衰要素をなす粘弾性体に伝わって減衰され、最終的にはおもり部材の振動エネルギーが漸次熱エネルギーに変換されて散逸することでビビリ振動が抑制される。
ここで、動吸振器における減衰要素として粘弾性体を用いたことにより、粘性流体よりも少量で高い減衰効果を得ることができ、かつ、切削時に発生する熱による影響を受けるおそれがなく、設計段階での減衰性能を安定して維持でき、しかも、粘弾性体を密封するための密封構造が必要とならず、簡易な構成の動吸振器を得ることができる。
また、おもり部材の一端が中空部の内壁面に連結されて、工具本体と一体構造とされているため、本発明を転削工具に適用したとしても、質量が偏心したままの状態となるおそれがない。
【０００８】
このとき、前記おもり部材の一端は、前記中空部の先端側あるいは基端側の内壁面に連結されていることを特徴とする。
ビビリ振動は、工具本体の軸線に直交する方向の振動が主たる振動であることから、おもり部材が中空部の先端側あるいは基端側の内壁面に連結されることにより、軸線に直交する方向に振動しやすくなり、制振効果を増大することができる。
【０００９】
さらに、このとき、前記おもり部材の前記内壁面に連結された一端と反対側の他端も前記内壁面に連結されていることを特徴とする。
このような構成とすると、おもり部材が両端で工具本体に固定されることになり、この両端を固定端として中央部が振動の腹となる振動を行う。この振動モードは、固定された一端が振動の節となり、自由端が振動の腹となる振動よりも高次の振動モードであり、高い振動数のビビリ振動に共振して高次のビビリ振動を効果的に抑制する。
【００１０】
また、前記おもり部材の一端は、前記中空部の先端側の内壁面に連結され、かつ、前記おもり部材の前記内壁面に連結された一端と反対側の他端には、該おもり部材の内部をくり抜くようにして穴部が形成されていることを特徴とする。
このような構成とすると、中空部の先端側の内壁面に連結されたおもり部材の一端と反対側の他端に、その内部がくり抜ぬかれるように穴部が形成されているため、おもり部材の重心が、工具本体の先端側、すなわち、ビビリ振動の振幅の大きい工具本体の先端側に寄ることになるので、ビビリ振動を抑制する効果を高くすることができる。
また、一方で、おもり部材に穴部を形成することにより、穴部が形成されない同じ質量のおもり部材と比較して、その外周面の表面積が大きくなることになり、粘弾性体を充填する隙間を十分に確保できるので、減衰効果が足りない場合には、粘弾性体をより多く充填することでこれに対応できる。
【００１１】
このとき、前記工具本体は、前記穴部内まで到達する軸部を有していて、前記粘弾性体が、少なくとも、前記軸部と前記穴部との間に設けられる隙間の一部に充填されていることを特徴とする。
ビビリ振動に共振して振動するおもり部材の振幅は、連結された一端から離れるにしたがい大きくなるので、このように、振幅の大きいおもり部材の他端に形成された穴部に減衰要素をなす粘弾性体が充填されていると、熱に変換させられるビビリ振動の振動エネルギーが多くなるので、少量の粘弾性体でも高い制振効果を得ることが可能となる。
【００１２】
また、前記中空部は、前記先端部から前記工具本体の軸線方向に延在するように形成されていることを特徴とする。
このような構成とすると、ビビリ振動の振幅が大きくなる工具の先端部に、おもり部材及び粘弾性体からなる動吸振器を備えていることになり、工具本体の先端部で制振力が効果的に働くようにして、ビビリ振動を効果的に抑制することができる。
【００１３】
また、前記おもり部材の一端は、小径の軸部をなしていることを特徴とする。
このような構成とすると、おもり部材の一端である小径の軸部でたわみを生じて、おもり部材の振動が励起されやすくなり、しかも、動吸振器における固有振動数の設定を容易、かつ、広いレンジで行うことができ、さまざまな固有振動数を有する工具本体に本発明を適用することが可能となる。
【００１４】
また、前記工具本体が、前記中空部よりも基端側で着脱自在に分割可能とされていることを特徴とする。
このような構成とすると、動吸振器が内蔵された工具本体の先端側部分を取り外し、工具本体の基端側部分に直接加工手段を取り付けることで、突き出し長さの短い工具として利用することができる。
【００１５】
また、前記おもり部材が、高密度材料で構成されていることを特徴とする。
このような構成とすると、おもり部材の質量を確保したまま、その大きさを小さくすることが可能となるので、これに伴い、工具本体に形成すべき中空部の大きさを小さくすることができ、工具本体の剛性を高く保つことができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付した図面を参照しながら説明する。
図１（ａ）は本発明の第１実施形態による制振工具の一部破断側面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ線断面図である。
【００１７】
本第１実施形態による制振工具１０は、図１に示すように、例えば鋼からなり、その基端が工作機械の把持部に片持ち支持されて、軸線Ｏ回りに回転させられる略円柱状をなす工具本体１１と、ヘッド本体１２の先端外周に複数のスローアウェイチップ１３…が装着されたヘッド部１４（加工手段）とを主として構成される転削工具である。
ヘッド部１４は、図１に示すように、スローアウェイチップ１３…の切刃が制振工具１０の先端側及び外周側に突出するように、図示せぬ連結ねじによって、工具本体１１の先端部に軸線Ｏと同軸で着脱自在に取り付けられている。
【００１８】
このヘッド部１４が設けられる工具本体１１の先端部の内部には、この先端部から工具本体１１の軸線Ｏ方向に沿って延在するように略円柱状の中空部１５が形成されている。そして、中空部１５内には、工具本体１１と同じ鋼からなり、中空部１５の内径よりも小さい外径をもつ略円柱状のおもり部材１７が、中空部１５の内壁面１６と隙間を介して収納されており、かつ、おもり部材１７の軸線方向の一端１７Ａが、中空部１５の内壁面１６における先端側の内壁面１６Ａに連結されて、おもり部材１７が工具本体１１と一体構造となっている。なお、おもり部材１７は、その軸線が、工具本体１１の軸線Ｏと同軸となるように連結されている。
【００１９】
そして、おもり部材１７の内壁面１６Ａに連結される一端１７Ａの連結部分を除いた他の部分と、中空部１５の内壁面１６との間に形成される隙間の少なくとも一部に粘弾性体１８が充填されており、本実施形態においては、おもり部材１７と内壁面１６との間に形成された隙間すべてに粘弾性体１８が充填されている。
【００２０】
この粘弾性体１８の物性としては、ヤング率（速度５０ｍｍ／ｍｉｎ標準硬度品を使用）が１０００〔ｋＰａ〕以下、ＪＩＳ Ｋ ２２０７に規定される針入度（硬度）が２０〜３００〔１／１０ｍｍ〕、ＪＩＳ Ｋ ６２５１に規定される引張強度が１〜４０００〔ｋＰａ〕、ＪＩＳ Ｋ ６２５１に規定される伸びが５０〜８００〔％〕の範囲のものが適しており、より好ましくは、ヤング率が１００〔ｋＰａ〕以下、針入度が１００〜１８０〔１／１０ｍｍ〕、引張強度が１〜１００〔ｋＰａ〕、伸びが２００〜４００〔％〕の範囲のものが適している。そして、本実施形態においては、ヤング率が１３〔ｋＰａ〕、針入度が１５０〔１／１０ｍｍ〕、引張強度が３０〔ｋＰａ〕、伸びが３４０〔％〕である粘弾性体１８が用いられている。
【００２１】
ここで、中空部１５は、工具本体１１の先端から基端側に向けて軸線Ｏと同軸の穴が穿設され、かつ、粘弾性体１８が巻き付けられたおもり部材１７が取り付けられた基板１９を用いて、例えばネジ止めやロウ付け等によりこの穴を塞ぐことによって形成されるものである。したがって、工具本体１１は、おもり部材１７及び粘弾性体１８を内蔵した状態で単独に一体として取り扱えるようになっている。
このとき、基板１９のおもり部材１７に巻き付ける粘弾性体１８の厚みは、このおもり部材１７及び粘弾性体１８が中空部１５内に収納されたときに、おもり部材１７の外周面と中空部１５の内壁面１６との間に形成される隙間の厚みよりもわずかに大きくされている。すなわち、おもり部材１７及び粘弾性体１８が中空部１５内に収納されたときに、粘弾性体１８がわずかに圧縮されている状態となっている。
【００２２】
さらにまた、工具本体１１が、中空部１５よりも基端側に位置し、軸線Ｏに直交する分割面Ｐを境にして、中空部１５を含む先端側部分１１Ａと基端側部分１１Ｂとに分割可能かつ着脱自在となるように形成されている。先端側部分１１Ａの分割面Ｐには、軸線Ｏに直交する方向に断面方形のキー部ＰＡが形成されるとともに、基端側部分１１Ｂの分割面Ｐにはやはり軸線Ｏに直交する方向に上記キー部ＰＡが嵌合可能なキー溝ＰＢが形成されているものであり、先端側部分１１Ａは、キー部ＰＡをキー溝ＰＢに嵌合させた上で、例えば取付ボルトによって基端側部分１１Ｂに強固に一体化されている。
【００２３】
本第１実施形態による制振工具１０は、上述の構成を備えており、次にその作用を説明する。
ヘッド部１４が先端部に装着された工具本体１１は、その基端にて工作機械の把持部に片持ち支持される。ここで、おもり部材１７が工具本体１１に同軸で一体となるように片端固定されているため、工具本体１１を回転させても偏心したままの状態にはならず、切削加工時における制振工具１０の回転の際、安定した回転状態が維持される。
【００２４】
こうして、スローアウェイチップ１３…の切刃が被削材に向かって軸線Ｏ方向の先端側に向かう送りを与えられて切削加工を開始すると、切削抵抗により工具本体１１の軸線Ｏ方向に直交する方向にビビリ振動が発生してしまう。このとき、中空部１５の先端側の内壁面１６Ａに連結されたおもり部材１７が共振して、その連結された一端１７Ａを固定端として軸線Ｏに直交する方向に、工具本体１１の振動と略逆位相の振動を開始する。
【００２５】
そうすると、おもり部材１７の振動は、おもり部材１７と中空部１５の内壁面１６との間に充填された粘弾性体１８に伝わって減衰させられ、最終的には、このビビリ振動のエネルギーを漸次熱エネルギーに変換して散逸することで、工具本体１１のビビリ振動が抑制される。
すなわち、本第１実施形態においては、制振工具１０がその工具本体１１の内部に、質量要素及びバネ要素をなすおもり部材１７と、減衰要素をなす粘弾性体１８とによって構成される動吸振器を備えていて、この動吸振器によりビビリ振動を減衰させて吸収するようにしたものである。
【００２６】
ここで、上記のような動吸振器の設計に際しては、以下の式を満たすように調整される。
動吸振器の固有振動数ω（おもり部材の固有振動数）については、
ω／Ω＝１／（１＋μ）
Ω：工具本体の固有振動数
μ：等価質量比（＝ｍ／Ｍ）
Ｍ：工具本体の等価質量
ｍ：動吸振器の等価質量（おもり部材の等価質量）
を満たすように設定され、
また、動吸振器の減衰係数Ｃについては、
Ｃ＝Ｃｃ×（３μ／（８（１＋μ）3））1/2 （Ｃｃ＝２（ｍｋ）1/2）
ｋ：動吸振器のバネ定数（おもり部材のバネ定数）
を満たすように設定される。
動吸振器における固有振動数ω及び減衰係数Ｃの調整は、おもり部材１７の大きさ及び形状を変化させたり、粘弾性体１８の量を変化させることにより調整でき、上記の式を満たすように設計された動吸振器によれば、すべての外力に対して振動を効果的に抑制する働きをもつことができる。
なお、粘弾性体１８の減衰係数Ｃを大きくして減衰効果を高めるために、粘弾性体１８の厚みを増やしていったとしても、ある程度で飽和してしまうことになるので、粘弾性体１８の減衰係数Ｃを大きくして減衰効果を高める場合には、おもり部材１７に接触する粘弾性体１８の面積を増やすようにしていけばよい。
【００２７】
本第１実施形態の制振工具１０によれば、おもり部材１７が工具本体１１のビビリ振動と略逆位相の振動を行うとともに、粘弾性体１８がその振動を減衰させて吸収するので、ビビリ振動を抑制することができる。それゆえ、工具本体１１の直径Ｄに対する突き出し長さＬの比Ｌ／Ｄを大きくとったとしても、加工面の面粗さの悪化や、工具本体１１の損壊が生じることがなく、例えば、Ｌ／Ｄがより大きく設定される金型の深堀加工などでも不具合を生じることがない。
【００２８】
また、このビビリ振動は、工具本体１１の先端側に向かうにしたがい振幅が大きくなり、かつ、工具本体１１の軸線Ｏに直交する方向での振動が主たる振動であるが、これに対して、工具本体１１の先端部の内部に中空部１５が形成されて動吸振器が内蔵され、しかも、おもり部材１７の一端１７Ａが中空部１５の先端側の内壁面１６Ａに軸線Ｏと同軸に連結されて、軸線Ｏに直交する方向におもり部材１７が振動しやすくなっていることから、ビビリ振動の振幅の大きいヘッド部１４近傍（先端部）においてこのビビリ振動を効果的に抑制することができる。
【００２９】
そして、動吸振器における減衰要素として粘弾性体１８を用いたことにより、粘性流体よりも少量で高い減衰効果を得ることができ、かつ、切削加工時に発生する熱による影響を受けるおそれがないので、設計段階での動吸振器の減衰性能を安定して維持できることとなる。さらに、粘性流体を用いた場合のように、その酸化防止対策やこぼれ出ないようにするための密封構造が必要となることがなく、簡略な構成の制振工具１０を得ることができる。
【００３０】
また、おもり部材１７の一端１７Ａが中空部１５の先端側の内壁面１６Ａに工具本体１１と同軸に連結されて、おもり部材１７と工具本体１１とが一体構造となっているので、転削工具とされた第１実施形態による制振工具１０を軸線Ｏ回りに回転させたとしても、その遠心力によっておもり部材１７が偏心したままの状態にはならず、安定した回転状態を維持することができる。
【００３１】
さらに、本第１実施形態においては、工具本体１１が、分割面Ｐにて、中空部１５を有する先端側部分１１Ａと、基端側部分１１Ｂとに分割可能とされていて、それらが着脱自在となっていることから、Ｌ／Ｄを大きくとる必要がない場合には、中空部１５を有する先端側部分１１Ａ、すなわち、動吸振器を備える先端側部分１１Ａを取り外した後、基端側部分１１Ｂに対してヘッド部１４を直接装着することによって対応できる。これにより、工具本体１１の基端を工作機械の把持部から取り外すことなく、突き出し長さを変更することが可能となる。
なお、このような場合には、Ｌ／Ｄが大きくならないので、ビビリ振動が生じることがなく、動吸振器が備わっていなくても問題とはならない。
【００３２】
次に、本発明の第２実施形態を説明するが、上述した第１実施形態と同様の部分には同一の符号を用いてその説明を省略する。図２は、本第２実施形態による制振工具の一部破断側面図である。
第２実施形態による制振工具２０は、図２に示すように、おもり部材１７の一端１７Ａが、工具本体１１の軸線Ｏと同軸となる小径の軸部を呈しており、この小径の軸部を呈する一端１７Ａによって、おもり部材１７が中空部１５の先端側の内壁面１６Ａに連結されているものである。なお、この制振工具２０では、粘弾性体１８が、おもり部材１７の一端１７Ａを除く円筒状の外周面と中空部１５の内壁面１６との間に充填されているが、動吸振器の設計に応じて充填される量を減らしたり、他の隙間に充填してもよい。
【００３３】
このような制振工具２０によれば、おもり部材１７の一端１７Ａである小径の軸部でたわみを生じやすく、おもり部材１７の振動が励起されやすくなる。しかも、動吸振器における固有振動数ω、すなわち、等価質量ｍ及びバネ定数ｋの設定が容易、かつ、広いレンジで行うことができるので、さまざまな固有振動数Ωを有する工具本体１１に対して、ビビリ振動を抑制する効果を確保できることとなる。
【００３４】
次に、本発明の第３実施形態による制振工具について説明するが、上述の第１及び第２実施形態と同様の部分には同一の符号を用いてその説明を省略する。図３は、本第３実施形態による制振工具の一部破断側面図である。
第３実施形態による制振工具３０は、図３に示すように、おもり部材１７の一端１７Ａが小径の軸部を呈するとともに中空部１５の先端側の内壁面１６Ａに連結固定され、かつ、上記一端１７Ａと反対側の他端１７Ｂも小径の軸部を呈するとともに中空部１５の基端側の内壁面１６Ｂに連結固定されるているものである。ここで、おもり部材１７の他端１７Ｂは、おもり部材１７及び粘弾性体１８が基板１９とともに中空部１５内に挿入される際、基端側の内壁面１６Ｂに設けられた支持穴１６Ｃに嵌合挿入されるようになっている。
【００３５】
このような制振工具３０によれば、おもり部材１７の両端１７Ａ，１７Ｂが小径の軸部で構成されているとともに、この両端１７Ａ，１７Ｂにて工具本体１１と一体に連結固定されているので、工具本体１１にビビリ振動が発生したときには、これら両端１７Ａ，１７Ｂを固定端として中央部が振動の腹となるようにおもり部材１７の振動が励起される。
ここで、おもり部材１７は、その両端１７Ａ，１７Ｂでたわみを生じやすくなっていて振動が励起されやすい。
さらに、おもり部材１７に励起される振動モードは、固定された一端が振動の節となり、自由端が振動の腹となる振動よりも高次の振動モードであり、高い振動数のビビリ振動に共振して高次のビビリ振動を効果的に抑制することが可能となる。
【００３６】
次に、本発明の第４実施形態による制振工具を説明するが、上述の第１乃至第３実施形態と同様の部分には同一の符号を用いてその説明を省略する。図４（ａ）は本第４実施形態による制振工具の一部破断側面図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。
第４実施形態による制振工具４０は、図４に示すように、第２実施形態による制振工具２０とほぼ同様の構成をなしているものであり、その相違点は、おもり部材１７における、中空部１５の先端側の内壁面１６Ａに連結される一端１７Ａと反対側の他端１７Ｂに、その他端１７Ｂの内部がくり抜かれるようにして、略円柱状をなす中空の穴部１７Ｃが、工具本体１１の軸線Ｏと同軸に形成されていることである。なお、この制振工具４０では、粘弾性体１８が、おもり部材１７の一端１７Ａを除く円筒状の外周面と中空部１５の内壁面１６との間に充填されているが、動吸振器の設計に応じて充填される量を減らしたり、他の隙間に充填してもよい。
【００３７】
本第４実施形態の制振工具４０によれば、中空部１５の先端側の内壁面１６Ａに連結されたおもり部材１７の一端１７Ａと反対側の他端１７Ｂに、その内部がくり抜ぬかれるように穴部１７Ｃが形成されているため、おもり部材１７の重心が、工具本体１１の先端側、すなわち、ビビリ振動の振幅の大きい工具本体１１の先端側に寄ることになるので、ビビリ振動を抑制する効果を高めることができる。
【００３８】
また、上述したように、粘弾性体１８の減衰係数Ｃを大きくして減衰効果を高めるためには、粘弾性体１８の厚みを大きくするのではなく、おもり部材１７に接触している粘弾性体１８の量を増やす方が効果的なので、本第４実施形態のように、おもり部材１７に穴部１７Ｃが形成されていると、おもり部材１７の円筒状の外周面の表面積を大きく確保できることとなり、これにより、動吸振器の減衰効果が足りない場合には、粘弾性体１８をより多く充填させておもり部材の１７の円筒状の外周面に接触する面積を多くすることで対応できる。
【００３９】
次に、本発明の第５実施形態による制振工具を説明するが、上述の第４実施形態と同様の部分には同一の符号を用いてその説明を省略する。図５は、本第５実施形態による制振工具の一部破断側面図である。
第５実施形態による制振工具５０は、図５に示すように、工具本体１１が、その中空部１５の基端側の内壁面１６Ｂから、軸線Ｏと同軸に突出するとともに、おもり部材１７の他端１７Ｂに形成された穴部１７Ｃ内まで到達するような軸部１１Ｃを備えている。そして、少なくとも、この軸部１１Ｃと穴部１７Ｃとの間に設けられる隙間の一部に粘弾性体１８が備えられているものであり、本実施形態においては、この軸部１１Ｃの外周面と、穴部１７Ｃの内周面との間に設けられる隙間に粘弾性体１８が充填されている。
【００４０】
このような制振工具５０では、減衰要素をなす粘弾性体１８が、おもり部材１７の穴部１７Ｃ内にわずかに存在するのみである。しかしながら、ビビリ振動に共振して振動するおもり部材１７の振幅は、工具本体１１に連結された一端１７Ａから離れるにしたがい大きくなるので、振幅の大きいおもり部材１７の他端１７Ｂに形成された穴部１７Ｃ内に存在する粘弾性体１８は、その圧縮される割合が大きく、それゆえ、熱に変換させられるビビリ振動のエネルギーが多くなるので、本第５実施形態のように少量の粘弾性体１８でも十分な制振効果を得ることが可能となる。
【００４１】
次に、本発明の第６実施形態による制振工具を説明するが、上述の第１乃至第５実施形態と同様の部分には同一の符号を用いてその説明を省略する。図６は、本第６実施形態による制振工具の一部破断側面図である。
第６実施形態による制振工具６０は、図６に示すように、第２実施形態による制振工具２０とほぼ同様の構成をなしているものであり、その相違点は、おもり部材１７が、密度が７．９ｇ／ｃｍ3以上の高密度材料４１、例えば密度が１８ｇ／ｃｍ3程度とされるヘビーメタルによって構成されていることを特徴とする。
詳述すると、おもり部材１７が、鋼からなる小径の軸部４２の周囲に、ヘビーメタルからなる高密度材料４１を巻き付けたような構成をなすものであり、その小径の軸部４２で高密度材料４１が巻き付けられていない部分が、中空部１５の先端側の内壁面１６Ａに連結される一端１７Ａとなる。
【００４２】
このような制振工具６０によれば、おもり部材１７をすべて鋼で構成した場合と同様の質量を、これより小さい体積で実現することができるので、工具本体１１に形成すべき中空部１５の体積を小さくすることが可能となり、これにより、工具本体１１の剛性を高く保って、よりビビリ振動を生じ難くすることができる。
なお、この第６実施形態においては、第２実施形態による制振工具２０におけるおもり部材１７を高密度材料で構成するようにしたが、例えば、第１、第３、第４、第５実施形態におけるおもり部材１７を高密度材料４１で構成するようにしてもよい。
【００４３】
以上、第１乃至第６実施形態においては、本発明を転削工具に用いた場合について説明したが、本発明の第７実施形態として、本発明を旋削工具に適用した場合を説明する。なお、上述の第１乃至第６実施形態と同様の部分には同一の符号を用いてその説明を省略する。図７は、本第７実施形態による制振工具の一部破断側面図である。
【００４４】
第７実施形態による制振工具７０は、図７に示すように、例えば鋼からなり、その基端が工作機械の把持部に片持ち支持される略円柱状をなす工具本体５１と、ヘッド本体５２の先端角部にスローアウェイチップ５３が装着されたヘッド部５４（加工手段）とを主として構成される旋削工具である。
ヘッド部５４は、図７に示すように、スローアウェイチップ５３の切刃が制振工具７０の先端側に突出するように、図示せぬ連結ねじによって、工具本体５１の先端部に軸線Ｏと同軸で着脱自在に取り付けられている。
そして、このヘッド部５４が設けられる工具本体５１の先端部の内部には、上記第２実施形態と同様の構成をなすおもり部材１７及び粘弾性体１８からなる動吸振器が内蔵されているものである。
【００４５】
第７実施形態による制振工具７０は、上述の構成を備えており、回転する被削材に対してヘッド部５４に装着されたスローアウェイチップ５３の切刃で切込み切削を行うと、切削抵抗により工具本体５１の軸線Ｏ方向に直交する方向にビビリ振動が発生する。このとき、中空部１５の先端側の内壁面１６Ａに連結固定されたおもり部材１７が共振して、その連結された一端１７Ａを固定端として軸線Ｏに直交する方向に、工具本体５１の振動と略逆位相の振動を開始する。
そうすると、おもり部材１７の振動は、粘弾性体１８に伝わって減衰させられ、最終的には、このビビリ振動のエネルギーを漸次熱エネルギーに変換して散逸することで、工具本体５１のビビリ振動が抑制される。
【００４６】
ところで、第１乃至第６実施形態のように、本発明を転削工具に適用した場合には、その工作機械の把持部から切刃までの突き出し長さが常に同じ長さで用いられるが、この第７実施形態のように、本発明を旋削工具に適用した場合には、工作機械への取付状態において、工作機械の把持部から切刃までの突き出し長さが変化させられる場合がある。そうすると、工具本体５１の固有振動数が変化し、設計段階に想定された動吸振器の減衰性能を発揮できないおそれが生じるので、第７実施形態においては、例えば、図７の波線で示すように、工具本体５１に予め、突き出し長さを規定する止め部材５５を装着するようにしている。このような止め部材５５を用いると、旋削工具とされる制振工具７０において、その突き出し長さが変化させられることがなく、これにより、工具本体５１の固有振動数も変化することがないので、設計した通りの性能を有する動吸振器を備えた制振工具７０を得ることができる。
【００４７】
ここで、旋削工具とされた第７実施形態の制振工具７０においても、上記第１，３，４，５，６実施形態のように、略円柱状をなすおもり部材１７を用いたり、おもり部材１７の両端を固定したり、おもり部材１７における中空部１５の先端側の内壁面１６Ａに連結される一端１７Ａと反対側の他端１７Ｂの内部をくり抜いて穴部１７Ｃを形成した構造としたり、工具本体１１に軸部１１Ｃを形成して、軸部１１Ｃとおもり部材１７の穴部１７Ｃとの間の隙間に粘弾性体１８を充填したり、あるいは、おもり部材１７を高密度材料４１で構成したりしてもよいし、さらには、中空部１５よりも基端側の位置で工具本体１１を着脱自在に分割可能とする構成であってもよいことはもちろんである。
【００４８】
なお、以上の各実施形態においては、おもり部材１７の一端１７Ａが、中空部１５の先端側の内壁面１６Ａに連結される構成としたが、これに限定されることなく、おもり部材１７の一端１７Ａを、中空部１５の基端側の内壁面１６Ｂに連結してもよい。
また、加工手段における切刃は、スローアウェイ式に限定せず、ソリッド式、ロウ付けチップ等でもよい。また、ヘッド部を工具本体に着脱自在に設ける構成とせず、工具本体に切刃を設ける構成でも無論構わない。
【００４９】
さらに、以上の各実施形態では、工具本体の内部に、動吸振器を内蔵する構成としたが、ヘッド部に動吸振器を取り付け、ネジ止め、ろう付け等によって工具本体に固定する構成としてもよい。あるいはまた、動吸振器の収納されたカセット式の制振部を工具本体に交換自在に設ける構成としてもよい。
加えて、以上の各実施形態では、転削工具と旋削工具を例として示したが、動吸振器を内蔵することによって振動を抑制する構成は、被加工物の加工時に周期的な加振力が加わり振動を発生するような工具に対して全て適用できるものである。例えば、回転する研磨体を備えた研磨工具等にも有用であることは言うまでもない。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、被削材の切削加工時に工具本体にビビリ振動が発生すると、動吸振器の質量要素及びバネ要素をなすおもり部材が、工具本体の振動に対して略逆位相の振動を行い、そして、このおもり部材の振動が、減衰要素をなす粘弾性体に伝わって減衰され、最終的にはおもり部材の振動エネルギーを漸次熱エネルギーに変換して散逸することでビビリ振動が抑制されるので、Ｌ／Ｄが大きくなるような切削加工においても何ら不具合を生じることがない。
また、動吸振器における減衰要素として粘弾性体を用いたことにより、粘性流体よりも少量で高い減衰効果を得ることができ、かつ、切削時に発生する熱による影響を受けるおそれがないので、設計段階での減衰性能を安定して維持でき、しかも、粘弾性体を密封するための密封構造が必要とならず、簡易な構成の動吸振器を得ることができる。
さらに、おもり部材の一端が中空部の内壁面に連結された構造であるため、転削工具に適用したとしても、質量が偏心したままの状態になるおそれもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （ａ）は本発明の第１実施形態による制振工具の一部破断側面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図２】 本発明の第２実施形態による制振工具の一部破断側面図である。
【図３】 本発明の第３実施形態による制振工具の一部破断側面図である。
【図４】 （ａ）は本発明の第４実施形態による制振工具の一部破断側面図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。
【図５】 本発明の第５実施形態による制振工具の一部破断側面図である。
【図６】 本発明の第６実施形態による制振工具の一部破断側面図である。
【図７】 本発明の第７実施形態による制振工具の一部破断側面図である。
【図８】 （ａ）は従来の制振工具の一部破断側面図、（ｂ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ線断面図である。
【符号の説明】
１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０ 制振工具
１１，５１ 工具本体
１１Ｃ 軸部
１４，５４ ヘッド部
１５ 中空部
１６ 中空部の内壁面
１６Ａ 中空部の先端側の内壁面
１６Ｂ 中空部の基端側の内壁面
１７ おもり部材
１７Ａ おもり部材の一端
１７Ｂ おもり部材の他端
１７Ｃ 穴部
１８ 粘弾性体
４１ 高密度材料
Ｏ 軸線
Claims (9)
- 先端部に被削材を加工する加工手段が設けられる工具本体の内部に中空部が形成され、
該中空部の内壁面におもり部材の一端が連結されるとともに、前記おもり部材の連結部分を除く他の部分と前記中空部の内壁面との間に隙間が設けられ、かつ、この隙間のうち前記おもり部材の一端を除く外周面と前記中空部の内周面との間に粘弾性体が充填されており、
前記おもり部材と前記粘弾性体とによって動吸振器が構成されて、前記工具本体の振動を減衰させて吸収するようにしたことを特徴とする制振工具。 - 請求項１に記載の制振工具において、
前記おもり部材の一端は、前記中空部の先端側あるいは基端側の内壁面に連結されていることを特徴とする制振工具。 - 請求項１または請求項２に記載の制振工具において、
前記おもり部材の前記内壁面に連結された一端と反対側の他端も前記内壁面に連結されていることを特徴とする制振工具。 - 請求項１に記載の制振工具において、
前記おもり部材の一端は、前記中空部の先端側の内壁面に連結され、
かつ、前記おもり部材の前記内壁面に連結された一端と反対側の他端には、該おもり部材の内部をくり抜くようにして穴部が形成されていることを特徴とする制振工具。 - 請求項４に記載の制振工具において、
前記工具本体は、前記穴部内まで到達する軸部を有していて、
前記粘弾性体が、少なくとも、前記軸部と前記穴部との間に設けられる隙間の一部に充填されていることを特徴とする制振工具。 - 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の制振工具において、
前記中空部は、前記先端部から前記工具本体の軸線方向に延在するように形成されていることを特徴とする制振工具。 - 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の制振工具において、
前記おもり部材の一端は、小径の軸部をなしていることを特徴とする制振工具。 - 請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の制振工具において、
前記工具本体が、前記中空部よりも基端側で着脱自在に分割可能とされていることを特徴とする制振工具。 - 請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の制振工具において、
前記おもり部材が、高密度材料で構成されていることを特徴とする制振工具。
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