JP4340145B2 - 防振工具ホルダ - Google Patents

Description

本発明は、工作機械によって切削加工を行う際の振動を抑制する防振機能を備えた防振工具ホルダに関するものである。

切削工具を用いた切削加工、例えば、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、その先端に旋削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、従来から種々の方式が提案されている。例えば、特許文献１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式が提案されている。特許文献２には、中ぐり棒の中空部内に配置されこの中ぐり棒と固有振動数の異なる分銅を備えた穴切削工具が開示されている。

特開昭５９−１１０号公報

特開２００１−６２６１２号公報

従来から提案されている防振工具ホルダのうち、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式は、いずれも工具ホルダ先端におけるばね定数、すなわち工具先端の単位長さを変位させるのに必要な荷重を大きくする方式である。これらの方式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。

一方、弾性支持された錘を工具ホルダに付加する方式は、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。これらの方式では、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ものである。動吸振器を格納する構造では、工具ホルダを中空構造にする必要があり剛性の低下を招く。工具ホルダの剛性が低下するとびびり振動が生じなくても、切削力による工具先端の変位は大きくなるので、例えばボーリング加工における穴径等、加工寸法の誤差を生じる。また中空構造によって工具ホルダ本体の強度も低下するため、長時間使用によって工具ホルダ本体の変形を生じ、例えばフライス工具等の回転工具の使用において刃先の振れ回りによってワークの表面粗さの悪化や工具損傷の原因となり得る。

また、特許文献２に記載の例のように、中ぐり棒及び本体に設けられた中空部が共に肩部（段差部）を有する場合、中ぐり棒と本体とが肩部で摩擦し、振動の速度が遅いときは摩擦が大きく、錘が本体と一緒に動いてしまって防振機能を発揮できない可能性が高い。

本発明の目的は、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のに適した防振工具ホルダを提供することにある。

本発明の１つの特徴として、工具ホルダ本体の中空部は、工具ホルダ本体の先端部側ほど大きくなるように断面積が軸方向に連続的に変化する形状となっている。より具体的には、中空部が少なくとも１°以上の角度を持つテーパ形状となっている。あるいは、中空部の断面積が、工具ホルダ本体の先端部からの距離が増すほど大きくなるように連続的に変化する非線形の形状となっている。これにより、工具本体の剛性を向上させることができるので、びびり振動が抑制される。

本発明の他の特徴として、工具ホルダ本体の中空部に保持された錘は、その重心が軸方向の中心よりも工具の先端側に存在する。より具体的には、錘の断面積が中空部の形状に対応して前記工具の先端部側ほど大きくなるように連続的に変化する形状である。あるいは、錘が少なくとも１°以上の角度を持つテーパ形状となっている。あるいは、錘の断面積が、工具ホルダ本体の先端部からの距離が増すほど大きくなるように連続的に変化する非線形の形状となっている。

これによって、錘の重心が工具先端側に近いため、錘の慣性による反力をより工具ホルダ先端側に加えることができ、回転振動に対する減衰効果を向上させて、びびり振動を抑制できる。

また本発明は、工具ホルダ先端側の弾性支持機構には大径のＯリングを用い、もう一方の弾性支持機構には小径のＯリングを用いることによって、工具ホルダ先端側の支持剛性を低くし、錘の慣性による反力をより工具ホルダ先端側に加えることによって動吸振器による減衰効果を向上することを特徴とする。

また本発明は、安定した減衰特性を得るために、工具ホルダ本体の１次固有振動のモード質量に対して少なくとも同等以上の質量を持つ錘を動吸振器に用いることを特徴とする。

また本発明は、弾性支持機構にゴム等の粘弾性体を使用し、そのプリロードによって弾性支持機構のばね定数を調整し、動吸振器の固有振動を調整することによって工具ホルダの振動特性を調整することを特徴とする。

本発明によれば、びびり振動を抑制し，高精度な加工を行うのに適した防振工具ホルダを提供することができる。

本発明によれば、加工精度を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態の一例を、図面を用いて説明する。
まず、図１は、本発明の第一の実施形態になる防振工具ホルダの一部を断面した側面図である。工具ホルダ本体１の先端側には、旋削工具やフライス等の回転工具の取付けを可能とするために工具取付け用キャップ１１が固定されている。工具ホルダ本体１内の先端側寄りに中空部１０が設けられており、この中空部内に、鉛やタングステン等の重金属を材質とし所定の質量を有する防振用の錘２と、この錘をその両端で工具ホルダ本体１に支持するための弾性体２１、２２が格納されている。一方、工具ホルダ１の他端部１２は、工作機械への取付けを可能とするためにテーパとなっている。なお、工具ホルダ１の外表面及び錘２の外表面はいずれも軸直角方向の断面が円形となっている。また、中空部１０の内表面も同様に、円形断面となっている。

中空部１０は、ホルダ本体１内の先端側ほど大きくなるように断面積が軸方向に連続的に変化する形状となっている。また、錘２は、断面積が中空部１０の形状に対応して工具の先端部側ほど大きくなるように連続的に変化する形状である。したがって、錘の軸方向の中心よりも実質的に工具の先端側に錘の重心が存在する。

すなわち、工具ホルダ本体１の先端部と他端部１２の中間部分、少なくとも中空部１０に対応する部分は、軸方向において外径が一定である。一方、その内側の中空部１０は、工具ホルダ本体１の先端側ほど断面積が連続的に大きくなるように、この例では、テーパ形状となっている。換言すると、工具ホルダ本体１の中間部分は、工具ホルダ本体１の先端側ほど肉厚が薄くなっている。工具ホルダ本体１の錘２も、工具ホルダ本体１の先端側に対応する側ほど、断面積が大きくなるように、この例では、テーパ形状となっている。なお、第一の実施形態では、中空部１０のテーパと錘のテーパは、同じ角度である。

弾性体２１、２２は、錘２と工具ホルダ本体１とを連結するための弾性部材であり、例えばＯリングやばね等で構成されている。弾性体の材料としては、錘及び工具ホルダ本体の構成材料よりも弾性係数が小さい。あるいは、後述するように、錘２と工具ホルダ本体１との間に減衰機能を有する粘性部材、例えば円筒状の粘弾性体を用いても良い。

切削加工時、切削工具すなわち工具ホルダ本体は、高速回転し、例えば６００ｒｐｍ程度、これに伴い、弾性体を介して工具ホルダ本体に保持された錘２も工具ホルダ本体と実質的に同一回転数で回転する。このとき錘２は本体に対して振り子振動しつつ、その慣性力により工具ホルダ本体に対して減衰効果を与える。

図２は、中空部１０の形状と工具ホルダ先端に加えた荷重と変位の関係を示したものである。ここでは、中空部の形状としては、本発明のように中空部及び錘がテーパ形状になっている場合と、参考例としての中空部および錘がストレート形状となっている場合とを比較する。このストレート形状、テーパ形状の各中空部の内容積は、同一とする。

先端に荷重Ｎを加えた場合の工具ホルダ各部における曲げモーメントＭは、図２の（ａ）に示すように、工具ホルダ本体の先端からの距離ＬAに比例する。（Ｍ＝Ｎ×ＬA） 。

一方、工具ホルダ各部におけるたわみδ、およびたわみ角θは曲げモーメントＭに比例し、断面２次モーメントＩに反比例する。従って、曲げモーメントＭの大きい部分では断面２次モーメントＩを大きくすると先端の変位Ｕを小さくできる。（図中、Ｏは錘の軸方向の中心、Ｇは重心を示す。）
本発明によれば、工具ホルダ本体の中空部を先端ほど断面積が大きくなるようにテーパ形状とすると、中空部の反先端側の断面２次モーメントＩが大きくなり、剛性を向上させることができる。

例えば、工具ホルダ本体の外径φをｄ_２とし、中空部の先端側１０−１の径をｄ_１１、中空部反先端側１０−２の径をｄ_１２（ｄ_１１＞ｄ_１２）とすると、Ｉ_１＝π（（ｄ_２）^４−（ｄ_１１）^４）／６４、Ｉ_２＝π（（ｄ_２）^４−（ｄ_１２）^４）／６４となる。つまり、中空部の先端側から遠く曲げモーメントＭが大きくなる反先端側の断面２次モーメントＩ_２が、先端側の断面２次モーメントＩ_１よりも大きくなる。

これにより、図２の（ｂ）に示すように、ストレート形状の場合に比べて、先端に加えた荷重Ｎが同じ場合の変位Ｕを小さくできる。すなわち、中空部１０に格納する錘２の体積、言い換えると錘２の質量を小さくしたり、錘２の振幅を小さくすることなく、工具ホルダ本体の剛性を向上させることが可能となる。

次に、図３、図４により、防振工具ホルダにおいて内部の錘から本体が受ける反力について説明する。まず、図３は、工具ホルダ本体の１次の固有振動モードを示したものである。振動振幅Ａは工具ホルダの先端ほど大きい。すなわち、振動振幅Ａの大きさは、工具ホルダ１の他端部からの距離ＬBの増加に伴って増大する。従って、弾性体２１のばね定数を弾性体２２のばね定数よりも小さくすることにより、防振性が向上する。

一方、錘２を支持している弾性体２１、２２のばね定数ｋ_２が同一である場合、図４に示したように、振動中に工具ホルダ本体１が錘２の慣性によって受ける反力Ｆは、錘支持部の変位量Ａに比例する。例えば、先端部側は、Ｆ_２１＝ｋ_２×Ａとなる。他端部側をＦ_２２とすると、錘から受ける反力Ｆは先端部ほど大きい。（Ｆ_２１＞Ｆ_２２）。また、工具ホルダ本体の振動変位によって錘に加わる加速度は先端ほど大きくなる。工具ホルダからの加速度によって錘が変位すると、錘が慣性力によって工具ホルダに加える反力は小さくなってしまうので、工具ホルダ本体に対する錘の相対変位は小さい方が良い。すなわち錘の重心Ｇの位置を錘の軸方向の中心Ｏよりもできるだけ工具ホルダ先端側とすることによって、工具ホルダ先端の加速度に対する錘の相対変位を小さくすることができ、防振効果を向上できるのである。

本発明の第一の実施形態によれば、工具ホルダ本体の中空部１０及び錘２が、同じ角度のテーパ形状になっている。そのため、工具ホルダ本体と錘との間のギャップは、軸方向に見てほぼ一定であり、図２〜図４で説明した効果を十分に発揮させることができる。

上記の通り、本発明の第一の実施形態では、中空部及び錘の断面積が軸方向に連続的に変化する形状になっている。この実施形態との比較のために、中空部及び錘の断面積が軸方向に不連続に変化する形状について、図１４で説明する。図１４は、中ぐり棒及び本体に設けられた中空部が共に肩部（段差部）を有する穴切削工具を示す例である。この例では、図１４の（ａ）に示すように、中ぐり棒と本体が肩部で摩擦することが考えられる。この場合、摩擦係数は振動の速度（周波数）によって変わるので、振動の速度が遅いときは摩擦が大きく、錘が本体と一緒に動いてしまう可能性が高い。また、図１４の（ｂ）に示すような動作モードも考えられる。このモードでは、錘の動きは単振でなくなる。すなわち、錘の角が本体に当たるたびに反力を受けて不安定な動きをするので、設計通りの防振特性は出ない。これに対して、本発明の第一の実施形態では、中空部や錘の断面積が軸方向に連続的に変化する形状になっているため、前記のような効果がある。

本発明の第二の実施形態として、工具ホルダ本体の中空部１０をテーパ形状とし、錘の外径を軸方向に一定としたものが考えられる。この実施形態によれば、図２の（ｂ）で説明したように、ストレート形状の場合に比べて、工具ホルダ本体の剛性を向上させることが可能となる。

本発明の第三の実施形態として、錘の外径をテーパ形状とし、工具ホルダ本体の中空部１０を軸方向に一定の径としたものが考えられる。この実施形態によれば、図３、図４で説明したように、錘２の重心Ｇが中心Ｏよりも工具ホルダ先端側になり、工具ホルダの曲げ剛性を高めることができる。

なお、参考までに述べると、中空部１０をテーパ形状とせず、途中で段差のある不連続な形状にすると、振動による繰返し応力により段差部に亀裂が入り工具ホルダ本体の破壊につながる。また、段差部の応力集中により工具ホルダ本体の塑性変形により振れ回りが発生する。また、錘をテーパ形状ではなく途中で段差のある不連続な形状にすると、工具ホルダ本体と錘との間のギャップの大きい部分を生じ、本体の剛性の低下に対して錘の重量を増加できず、図２〜図４で説明した効果を十分に発揮させることができない。

次に、本発明の第四の実施形態を図５、図６で説明する。まず、図５は、第四の実施形態になる防振工具ホルダの一部断面した側面図である。この実施形態において、錘２は大径かつ剛性の低いＯリング２１と小径のＯリング２２とを用いて工具ホルダ本体１に保持される。この実施形態によれば、工具ホルダ本体１の先端より離れた側の錘２の支持は小径のＯリング２２を用いて行うので、テーパ形状の錘２の運動はＯリング２２を中心とした振り子運動に近くなる。そのため、工具ホルダ先端側の錘２の変位は少量であり、かつ先端のＯリング２１の側はより錘２の重心Ｇに近いため、大きな反力を加えることが可能になるのである。

図６は第四の実施形態すなわち、中空部および錘をテーパ形状としなおかつ先端側を大径のＯリングとした場合と、比較例としての同一の内容積で中空部および錘をストレート形状とし両端に同一径、同一ばね定数のＯリングを使用したときの、コンプライアンス伝達関数を比較した結果を示したものである。（両者は先端部の断面積が同じである。） 図から、本発明の実施形態における固有振動モードにおける振幅は、比較例（ストレート形状）の場合と比較して減少していることがわかる。

ここで、本発明の各実施形態における中空部や錘のテーパ形状の望ましい範囲について、述べる。図７は、テーパの角度を変化させた時の工具ホルダ本体１のコンプライアンス伝達関数における振幅の最大値を実験等で求めた結果を示したものである。図７の例は、長さ３５０ｍｍの工具ホルダにおいて中空部の長さが１５０ｍｍの場合に中空部の体積が一定となるように角度を０°から約５°の範囲で変化させたときのものである。この図より、テーパ角度が３°から４°の範囲において振幅が最小となる領域が存在することがわかる。中空部の長さを変化させた場合でも少なくとも１°以上１０°以下の角度の範囲において振幅が最小となる領域が存在することがわかっている。

また、本発明の他の実施形態として、工具ホルダ本体の中空部１０及び錘２が、共にテーパ形状であって、錘のテーパ形状の角度よりも中空部１０テーパ形状の角度を大きくしたものが挙げられる。この例によれば、各テーパ形状の加工において若干の誤差があったとしても、中空部１０テーパ角度か錘のテーパ角度より小さくなる可能性が低く、軸方向全体に亘って、工具ホルダ本体と錘との間のギャップを必要最小値以上に保ち、安定した防振特性を確保することができる。

図８は、本発明の各実施形態において、弾性体のばね定数を一定にした状態で、錘に穴を設けて質量を変化させた場合のコンプライアンス伝達関数を示したものである。図８の結果より、錘の質量は工具ホルダ本体の１次固有振動におけるモード質量に対して、１：０．５以上、望ましくは１：１以上であれば、防振特性はある程度得られることがわかる。よって、錘の外径をさらに小さくして工具ホルダ本体の肉厚を増加し、さらに剛性を向上することも可能である。

さらに、本発明の他の実施形態として、先端の工具取付け部キャップ１１は工具ホルダ本体１に対してスペーサ１３を介して取付けられるため、スペーサ１３の厚みを調整することによって弾性支持機構であるＯリング２１のプリロードを調整することが可能である。図９に示したようにゴム等の粘弾性体のばね定数は非線形性をし、プリロードによる圧縮の度合いによってばね定数が異なるのでプリロードによってばね定数を調整することが可能である。すなわち、スペーサ１３の厚みを狭くする程プリロードが大きくなり、ばね定数は大きくなる。

図１０はスペーサ１３の厚みを変化させたときの、工具ホルダ先端のコンプライアンス伝達関数を示したものであり、スペーサ１３の厚みによって振動特性を最適な状態に調整することが可能なことを示している。本実施形態ではスペーサの厚みを０．８ｍｍから１．６ｍｍの範囲で変化させることにより、φ８の断面を持つＯリングを０．８ｍｍから１．６ｍｍの範囲で変形させた結果１．２ｍｍほど変形させた状態が最適であった。

実施形態の一例としてＯリングによって錘を弾性支持する方式を説明したが、本発明の他の実施形態として、図１１に示したように、円筒状の粘弾性体を用いても良い。あるいは、図１２に示したように、錘２と工具ホルダ内壁との隙間に粘弾性体を流し込んで封入しても良い。その際、封入した粘弾性体による弾性支持の振動特性を最適にするために、中空部の内壁と錘の外周の隙間は一定でなくても良い。

また錘の慣性力を有効に作用させるために、中空部や錘の形状はテーパでなくても良い。例えば、図１３に示したような、先端からの距離に対する多項式や対数曲線等の連続した非線形の形状であっても良い。あるいはまた、中空部と錘のいずれか一方をテーパとし、他方を連続した非線形の形状にしても良い。

本発明の実施の態様として、次のようなものも挙げられる。

（１）内部に質量，弾性支持機構，減衰機構等を備えて切削力による振動を減衰する工具ホルダにおいて，中空部テーパ形状となっており，少なくとも１°以上の角度を持ち，先端ほど大きくなるように連続的に断面積が変化する防振工具ホルダ。

（２）内部に質量，弾性支持機構，減衰機構等を備えて切削力による振動を減衰する工具ホルダにおいて，工具先端側の弾性支持部材の剛性を低くし，錘質量の慣性による反力を，より工具ホルダ先端側に加えることが可能な防振工具ホルダ。

（３）内部に質量，弾性支持機構、減衰機構等を備えて切削力による振動を減衰する工具ホルダにおいて，本体の１次固有振動のモード質量に対して同等以上の質量を持つ錘を内蔵した防振工具ホルダ。

（４）先端ほど大きくなるように連続的に断面積が変化する形状を持ち，重心が錘の長手方向の中心よりも先端側に存在する錘を内部に搭載した防振工具ホルダ。

（５）内部の質量をゴム等の粘弾性体によって支持することにより振動を減衰する防振工具ホルダにおいて，粘弾性体を固定するプリロードを調整することによって弾性支持におけるばね定数を変化させ，振動特性を調整することが可能な構造の防振工具ホルダおよび振動特性の調整方法。

本発明の一実施形態になる工具ホルダの縦断面を示す図である。 図１の工具ホルダの剛性を説明する図である。 図１の工具ホルダにおける振動の形態を説明する図である。 図１の工具ホルダにおける内部の錘から本体が受ける反力を説明する図である。 本発明の他の実施形態になる工具ホルダの縦断面を示す図である。 図５の工具ホルダの動特性を示す図である。 本発明の各実施形態における動特性を示す図である。 本発明の各実施形態における工具ホルダ本体の動特性を示す図である。 本発明の各実施形態の工具ホルダにおける弾性支持機構の非線形性について説明する図である。 本発明の各実施形態の工具ホルダの動特性を示す図である。 本発明の他の実施形態になる工具ホルダの縦断面を示す図である。 本発明の他の実施形態になる工具ホルダの縦断面を示す図である。 本発明の他の実施形態になる工具ホルダの縦断面を示す図である。 本発明の実施形態との比較のために示した他の方式の工具ホルダの説明図である。

符号の説明

１…防振工具ホルダ本体
２…錘
１０…中空部
１１…工具取付け部キャップ
１２…工作機械取付け部
１３…スペーサ
２１…弾性体、Ｏリング
２２…弾性体、Ｏリング
２３…粘弾性体。

Claims (9)

1. 工具を取付ける先端部を有する本体と、該本体内に形成された中空部と、該中空部内に配置された防振用の錘とを備えた防振工具ホルダであって、
   前記本体の中空部は、前記先端部側ほど大きくなるように断面積が軸方向に連続的に変化する形状となっており、
   重心が該錘の軸方向の中心よりも前記工具の先端側に存在する前記錘の両端を、一対の弾性支持部材により、前記本体に対して軸直角方向に相対変位可能に前記本体に保持し、
   該一対の弾性支持部材の剛性を、前記工具の先端部側の剛性が他端側の剛性よりも低くなるように設定した防振工具ホルダ。
2. 工具を取付ける先端部を有する本体と、該本体内に形成された中空部と、該中空部内に配置された防振用の錘とを備えた防振工具ホルダであって、
   前記本体の中空部は、前記先端部側ほど大きくなるように断面積が軸方向に連続的に変化する形状となっており、
   前記錘は、断面積が前記中空部の形状に対応して前記工具の先端部側ほど大きくなるように連続的に変化する形状となっているとともに、その両端を弾性支持部材により前記本体に対して軸直角方向に相対変位可能に前記本体に保持し、
   該一対の弾性支持部材の剛性を、前記工具の先端部側の剛性が他端側の剛性よりも低くなるように設定した防振工具ホルダ。
3. 工具を取付ける先端部を有する本体と、該本体内に形成された中空部と、該中空部内に配置された防振用の錘とを備えた防振工具ホルダであって、
   前記本体の中空部は、前記先端部側ほど大きくなるように断面積が軸方向に連続的に変化する形状となっており、
   前記錘の両端を前記本体に保持する一対の弾性支持部材を有し、
   該一対の弾性支持部材の剛性を、前記工具の先端部側の剛性が他端側の剛性よりも低くなるように設定した防振工具ホルダ。
4. 請求項１、２または３のいずれかに記載の防振工具ホルダであって、前記中空部が少なくとも１°以上の角度を持つテーパ形状となっている防振工具ホルダ。
5. 請求項１、２または３のいずれかに記載の防振工具ホルダであって、前記中空部の断面積が、前記先端部に近づくほど大きくなるように連続的に変化する非線形の形状となっている防振工具ホルダ。
6. 請求項１、２または３のいずれかに記載の防振工具ホルダであって、前記錘が少なくとも１°以上の角度を持つテーパ形状となっている防振工具ホルダ。
7. 請求項１または２に記載の防振工具ホルダであって、
   前記錘が少なくとも１°以上の角度を持つテーパ形状となっており、前記中空部が前記錘のテーパ形状よりも大きな角度を持つ防振工具ホルダ。
8. 請求項１または２に記載の防振工具ホルダであって、
   前記錘の質量を、前記本体の１次固有振動のモード質量に対して同等以上とした防振工具ホルダ。
9. 請求項１または２に記載の防振工具ホルダであって、
   前記錘を前記本体に支持する粘弾性体を有し、前記粘弾性体を前記本体に固定するプリロードを調整することによって弾性支持におけるばね定数を変化させ、振動特性を調整可能とした防振工具ホルダ。

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