JP5352357B2 - 防振工具 - Google Patents

Description

本発明は、切削加工中に発生する工具のびびり振動を抑制するための防振工具に関する。

エンドミルなどの転削工具を用いた切削加工による、深穴部の切削加工において、深穴の奥面や側面の切削加工を行うためには、工具の突き出し長さが長い、長尺な転削工具を用いて被削材を切削する必要がある。しかし、工具の突き出し長さが長いと、工具剛性が低くなってしまい、切削加工中に工具に作用する切削力に対する工具剛性の不足から、工具のびびり振動が発生し、加工面粗さの悪化や、工具欠損が生じ易くなる。このため、長尺工具を用いた切削加工では、びびり振動を発生させないように、切込み量や送り速度といった加工諸元を低く設定せざるを得ないため、加工能率が低くなってしまう問題がある。

このような問題を引き起こす工具びびり振動を抑制する手段として、例えば特許第3145706（特許文献１）や特開2006-305674（特許文献２）のように、工具内部に質量、バネ、減衰からなる動吸振器を1つ内蔵させる方法がある。この方法は、工具内部に内蔵された動吸振器を構成する、質量とバネにより決まる動吸振器の固有振動数を、動吸振器を内蔵させる工具本体の固有振動数に合わせて最適調整することで、動吸振器が工具本体の振動の位相と逆位相で振動し、工具本体の振動を相殺することができる。加えて、動吸振器の錘と工具本体、あるいは支持体との間に充填されている粘性流体が、錘の振動を受けて歪み、振動エネルギーを熱エネルギーに変換し散逸することで、振動が収まるまでの時間を早めることができる。

このように、動吸振器を1つ内蔵した前記防振工具は、前記動吸振器の固有振動数の調整と、減衰による振動エネルギーの散逸により、工具の振動を効果的に抑制する方法である。

この方法を用いた前記動吸振器を構成する部材として、錘には高密度材料（例えばヘビーメタル、密度１８０００ｋｇ/ｍ^３）などが用いられ、減衰は粘性流体（例えばシリコーンオイル）が用いられ、バネは機構に応じて金属やゴムを含む弾性体が用いられている。

図1に上記動吸振器を内蔵した防振工具の質点系振動モデルを示す。このモデルは、工具本体の長さLtの位置における等価質量ｍｔ、バネ定数ｋｔ、減衰比ζｔと，動吸振器の長さLwを有する錘の重心位置Lgにおける錘質量ｍｄ，バネ定数ｋｄ、減衰比ζｄから構成されており、工具に加振力ｆが作用したときの、工具本体の振動振幅ｘｔと動吸振器の変位ｘdを計算できるモデルである。

動吸振器を効果的に使用するためには，例えば（非特許文献１）のように、動吸振器の固有振動数を決定する因子であるバネ定数ｋｔと、動吸振器の減衰比ζｔを工具本体の振動特性ｍｔ、ｋｔに合わせて最適な値に設定する必要がある。動吸振器の最適設計値は、工具本体の質量mｔと動吸振器の錘質量ｍｄの比である、質量比μが決まれば以下の式により求められる。

ここで，ωｔは工具本体の固有振動数，ωｄは動吸振器の固有振動数である。従来の防振工具は、使用する工具本体の振動特性ｍｔ、ｋｔを実験的、または解析的に見積り，これを設計の入力値として式（１）（２）に代入し、工具本体に内蔵する動吸振器のバネ定数ｋｄと、減衰比ζｄの設定値を決定し、前記設定値になるように、動吸振器のバネ、減衰の調整作業を行い動吸振器の最適化を行うことが可能である。

しかし、前記使用形態では、以下の式に示した、質量比μによって決まる振動振幅の大きさよりも、質量ｍｔの振動振幅を小さくすることができず、防振性能を向上させることができない。

ここでXｔは動吸振器のバネ定数ｋｄ、減衰ζｄを上記数式（１）（２）を用いて最適同調させた際の周波数応答における最大振幅、Xｓｔは0Hzでの静的な振幅をそれぞれ表しており、Xstは1/ｋｔで現され、定数となるため、質量比μが決まると、動吸振器を取り付け場合の工具本体の振動振幅Xｔは決まってしまう。

このため、上記動吸振器を内蔵した防振工具は、上記理論式以下に振幅を抑えることができず、更なる防振工具の高性能化による加工能率の向上が困難である。すなわち、びびり振動を更に抑制し加工条件を向上させることが困難であり、切削加工の高能率化ができない問題があった。

特許第３１４５７０６号公報

特開２００６−３０５６７４号公報

従来の錘、バネ、減衰からなる動吸振器を１つ内蔵した防振工具では、動吸振器の錘質量と工具本体の質量の比によって、防振工具の振動抑制効果が決まってしまい、更なる高性能化が困難である課題があった。

本発明の目的は、上記課題を解決し、動吸振器を内蔵した防振工具の防振性能を向上させ、更に高能率な切削加工が可能となる防振工具を提供することである。

本発明では、上記課題を解決するために、防振工具本体の軸方向に、錘、弾性支持部材からなる動吸振器を複数個、直列に連結し、且つそれぞれの動吸振器の振動特性が異なった複数の動吸振器からなる多重動吸振器を内蔵した防振工具を提供する。

本発明によれば、加工面精度の低下や工具欠損の原因となる工具びびり振動を更に抑制し、高い振動抑制効果が得られる。

従来技術にかかる防振工具を質点系振動モデルで示した図である。 本発明の一実施例にかかる動吸振器を複数個内蔵した防振工具を質点系モデルで表した図である。 本発明の一実施例にかかる多重動吸振器を内蔵した防振工具の構造を示した図である。 本発明の一実施例にかかる多重動吸振器の構成を表した図である。 本発明の一実施例にかかる図３（a）に示した多重動吸振器の構造の一部を拡大した図である。 本発明の一実施例にかかる多重動吸振器を内蔵した防振工具と、従来防振工具と、動吸振器を内蔵しない鋼製工具の動特性を示した図である。 本発明の一実施例にかかる防振工具の振動モードを説明する図である。

以下、本発明を実施するため形態について図面を用いて説明する。

まず、本実施例の動吸振器の特徴と、防振工具の構造について述べる。図２は本実施例の動吸振器を３つ並べた多重動吸振器を内蔵した防振工具を、質点系振動モデルで表したものである。この多重動吸振器は、図１の動吸振器を複数個、工具本体に取り付けた振動モデルを示している。

このモデルでは、Lwi（ただし、iは１，２、３）は錘iの長さ、mdiは錘iの重心位置Lgiにおける錘質量、xdiは錘iの変位、ｋｄiは動吸振器iのバネ定数、ζdiは動吸振器iの減衰比である。ここで、図１の錘質量ｍdに対して、ｍdiの質量の総和はｍdと等しい。また、各動吸振器はそれぞれ独立して動作するようになっており、三つの錘のうち、中央のものが最も長く（重く）、先端側のものが最も短く（軽い）、奥側に二番目に長い（重い）ものが設けられており、さらに、ｍd1<ｍd3<ｍd2の関係になっている。加えて、√（ｋｄｉ／ｍdi)によって決まる各動吸振器の固有振動数ωiは動吸振器ごとに異なる値となっており、中央の錘質量md2の固有振動数が最も低く、次に奥側の質量md3が低く、先端の錘質量ｍｄ１が最も固有振動数が高い設定となっており、ω3<ω1<ω2の関係になっており、前記中央の錘質量よりも前記先端の錘が軽く、また前記中央の錘が奥側の錘より重いことで、図６に示すように，先端と奥側がそれぞれ中央の錘と逆位相で振動することができ、さらに、前記先端の錘の振動位相と前記奥側の錘の振動位相にずれる振動モードが発生することで、中央の錘の振動が本体に伝わった際の振動をより短時間で抑制可能な構造となり、かつ、すべての錘の振動位相が工具本体の振動位相に対して逆位相で振動するモードが発生することで、工具本体の振動も抑制できることから、従来動吸振器の質量ｍdと総質量が同じでも、高い振動抑制効果を得ることができることを特徴としている。

図３は上記３つの連結した多重動吸振器を内蔵した防振工具の構造を示したものである。また、図４(a)は上記多重動吸振器の構造を示した図である。本実施例の防振工具1において、工具本体３の先端には、加工工具を取り付けるためのキャップ４を有しており、工具本体３に設けられた中空部８に内蔵されている多重動吸振器２は、個々の動吸振器２a、2b、2cにより構成されており、前記各動吸振器は、径方向の大きさが同じであり、長さが違いにより質量の異なる錘5、錘6、錘7と、バネ定数が異なるバネ要素２１、２２、２３と、減衰を発生させるための粘性流体３０により構成されている。バネ要素２１、２２、２３は、断面形状が円形のリング状の弾性体が最も好ましく、例えばウレタンゴムが良い。

本実施例の動吸振器を構成する錘５、６、７の中央には、軸方向に貫通穴８０が設けられており、貫通穴８０に挿入される形で、シャフト４０と４１、シャフト４２と４３、シャフト４４と４５とが、前記各錘の貫通穴８０の内部でネジ部９０を介して、互いに軸方向への移動が可能な状態で連結された構造となっており、止めネジ５０をシャフト４１、４３、４５の中央に設けられた、貫通ネジ穴４６に挿入し、止めネジ５０をシャフト４０、４２、４４に押し当てて、各シャフトの軸方向への移動を固定することが可能な構造となっていることで、各シャフトの距離L１、L2、L3を自由に調整し、且つ調整後に固定できる動吸振器の構造になっている。

また、シャフト構造を用いることで、各動吸振器のバネ２１、２２、２３をそれぞれ独立して潰すことが可能となり、潰し量を調整することで、各動吸振器のバネ定数をそれぞれ調整し設定することができる構造となっている。

本実施例の各動吸振器を構成する錘の貫通穴８０と、シャフト側面と、円形のバネと、シャフトのフランジ部４７により形成される空間１１０には、粘性流体３０が内封されており、錘が工具本体３の軸方向と垂直平面内で振動した際に、シャフトと、錘の貫通穴８０との隙間１１０に偏りが生じ、粘性流体が移動することで、工具本体３から各動吸振器に伝わる振動エネルギーを熱に変換して散逸し、振動が収まるまでの時間を短縮することが可能な構造となっている。

図４(b)は、図４(a)に示した多重動吸振器の構造のA部を拡大した図である。本実施例の各シャフトのフランジ部４７の外径は、工具本体３に設けられた中空部８の内径よりも小さな径になっており、前記内径面と、前記シャフトのフランジ部外周面が密着するよう、前記シャフトフランジ部の外形には切り欠き１２０、１３０が設けられており、前記切り欠き部に納まるように市販のOリング１００が挿入されていて、Oリングの外径は、中空部８の内径と同等な外径を有しており、前記各動吸振器を中空部８の内径面に密着させて固定することができ、工具本体の振動をダンパに効率的に伝えることが可能であることを特徴としている。なお、本実施例の前記フランジ部きり欠き部を無くし、前記フランジ部外径を、前記中空部８の内径と同等にし、フランジ部４７と中空部８を直接接触させて、前記動吸振器２を中空部８に固定しても良い。なお、ネジ６０によりキャップ４に多重動吸振器２を固定することが望ましいが、固定しなくても良い。

本実施形態の前記各錘の外径は、工具本体３に設けられた中空部８の内径よりも小さく、クリアランスC1があり、本実施例では、C1は１-３ｍｍの間が良い。また、前記各錘の貫通穴８０の内径は、前記シャフト外周径より大きく、クリアランスC2があり、本実施例では、C２>C1の関係にすることで、使用中に錘が振動した際、シャフトと錘の接触を回避でき、シャフトの折損を抑制することが可能な構造を特徴としている。

本実施例では、多重動吸振器２の構造において、キャップ４の中央の貫通穴をネジ６０が通り、ネジ６０が、シャフト４０のフランジ部に設けられた凸形状７０の中央のネジ部７１と連結されることで、キャップ４に多重動吸振器２が取り付けられる構造になっており、切削加工中に工具本体３に設けられた中空部８の軸方向に不用意に移動してしまうことを抑制できる構造が特徴である。

本実施例の多重動吸振器２を構成する動吸振器２a、２ｂ、２ｃは、ネジ部６１を用いて互いに連結される構造となっていることがシャフト４０〜４５の剛性を高める上で好ましいが、ネジ部６１を無くし、互いに連結しなくてないも状態で、前記中空部８に挿入しても良い。

また、本実施例の前記多重動吸振器を構成する動吸振器の個数は、３個が望ましいが、２個以上であれば良い。

次に、上記構造を有する本発明の防振工具に用いる素材について説明する。

本実施形態の動吸振器に用いる弾性体は、硬さがＪＩＳ-Ｋ６２５３に準じた試験で２０〜７０、伸びがＪＩＳ−Ｋ６２５１に準じた試験で３００〜８００％のウレタンゴムが適している。

また、各動吸振器に封入される粘性流体は、例えば油が好ましいが、シリコーンオイルが本実施形態では最も好ましい。

さらに、本実施形態の錘５、６、７には、超硬材料、タングステン、銅-タングステン合金などの密度１３０００〜１９０００ｋｇ/ｍ³の高比重合金が適している。この中で本発明では、タングステン合金（密度１８０００ｋｇ/ｍ³）を用いている。

本発明の原理を説明する。従来の防振工具は、錘を一つだけ有しており、固有振動数は一つのみであった。そのため、動吸振器の固有振動数から離れた振動数では、振動の吸収が十分ではなかった。本発明では、固有振動数が異なる複数の動吸振器５，６，７を用いているので、振動吸収の効果が大きい振動数の範囲が広いため、固有振動数から離れており振動吸収が小さい振動数領域がなくなり、全体として振動が小さくなる。

また、前記中央の錘６が先端の錘５及び奥側の錘７より重いことで、先端の錘５と奥側の錘７が互いの位相の影響を受けずに自由に振動できることにより、振動吸収の効果が高くなる。これは、先端の錘５と奥側の錘７がほぼ中央の錘のみの振動の影響を受けており、それぞれ中央の錘６と同位相でも逆位相で振動することができるからである。仮に錘の重さを重い順に奥側の錘、中央の錘、先端の錘とすると、中央の錘と先端の錘は、最も重い奥側の錘に対して振動するが、先端の錘は、隣接し自身よりも重い中央の錘の振動の影響も受けるため、取りうる位相が限られてしまい自由に振動できず、動吸振の効果が小さくなってしまう。

また、固有振動数よりも振動数が小さい振動を吸収するように振動がずれることは可能なので、最も重い中央の錘６の固有振動数付近で錘６が吸収しきれないような振動が発生した場合、先端の錘５及び奥側の錘７もその振動を吸収するように振動するので、低振動数での振動吸収が向上する。

前記記載の構造、素材を用いて最適調整した防振工具１の工具びびり振動の抑制効果を図５に示す。図５は工具長さLｔが８００ｍｍ、工具直径Dｔが８０ｍｍ、錘直径が５７ｍｍ、錘の総長が２１０ｍｍの場合の、本実施例に記載した、多重動吸振器２を内蔵した防振工具１を用いた防振工具と、同じ工具本体の形状に、前記多重動吸振器の錘５、６、７の質量の総和と同じ質量の、１つ動吸振器を内蔵した従来防振工具と、動吸振器が内蔵されていない同形状の鋼製工具の動剛性を、それぞれ比較した一例である。なお、本実施例の多重動吸振器２の構成として、質量ｍｄ１の錘1は長さは５０ｍｍ、質量ｍｄ２の錘２の長さは１００ｍｍ、質量ｍｄ３の錘３の長さは６０ｍｍであり、従来の防振工具の錘の質量と同等に設定している。

本実施形態を用いることで、動吸振器を内蔵していない鋼製工具の波形140が、波形142になり、振動振幅の最大値を大幅に抑制できる。さらに従来防振工具の動特性の波形141と、本実施例の防振工具の動特性の波形142を比較しても、本実施例の防振工具は、最大振幅を小さくできており、工具びびり振動を、従来防振工具よりも抑制できている。１４２aが先端側動吸振器２aにより吸振された周波数域、１４２ｂが中央の動吸振器２ｂにより吸振された周波数域、１４２ｃが奥側動吸振器２ｃにより吸振された周波数域、１４１aが先端側動吸振器により吸振された周波数域である。なお、本実施例の防振工具１の動吸振器2a、2b、2cの固有振動数を最適に調整する際には、図５の波形１４２の各ピーク値１４４、１４５、１４６、１４７を揃えるように、動吸振器2a、2b、2cを構成する弾性体であるウレタンゴムの硬度を選定し、且つ弾性体の潰し量を、シャフト間の距離L1、L2、L3を変えることで前記各バネ定数を調整することで最適調整が可能である。

以上より、本実施形態の実施例に示す多重動吸振器２を内蔵した防振工具１は、従来の動吸振器を１つ内蔵した防振工具に比べ、動特性が向上し、びびり振動を抑制することができるため、高能率な切削加工を行うこと可能であることを特徴としている。

１・・・防振工具、２・・・動吸振器、２a・・・先端側の動吸振器、２b・・・中央の動吸振器、２c・・・奥側の動吸振器、３・・・工具本体、４・・・キャップ、５・・・先端側の錘、６・・・中央の錘、７・・・奥側の錘、８・・・中空部、２１・・・弾性支持部材、２２・・・弾性支持部材、２３・・・弾性支持部材、３０・・・粘性流体、４０・・・シャフト、４１・・・シャフト、４２・・・シャフト、４３・・・シャフト、４４・・・シャフト、４５・・・シャフト、６・・・ねじ部。

Claims (9)

1. 中空部を有する本体と、
   前記中空内に設けられた錘と、
   錘を前記本体の径方向に振動可能に弾性支持する弾性体である支持部材と、
   を有する防振工具において、
   前記本体の中空内で軸方向に並んだ第一乃至第三の前記錘を有し、
   前記第一乃至第三の錘は、それぞれ固有振動数が異なることを特徴とする防振工具。
2. 請求項１において、
   前記第二の錘は、前記第一の錘と第三の錘との間に位置し、
   前記第二の錘は、前記第一の錘及び第三の錘のいずれよりも重く、
   前記第一の錘と前記第三の錘とは、前記第二の錘を軸方向にはさんた位置にそれぞれ設けられていることを特徴とする防振工具。
3. 請求項２において、
   前記第二の錘の固有振動数は、前記第一の錘の振動数及び前記第三の錘の固有振動数よりも低いことを特徴とする防振工具。
4. 請求項２において、
   前記第一の錘は、
   前記第二の錘よりも、加工工具を接続する防振工具の先端側に設けられ、
   前記第二の錘及び前記第三の錘よりも軽いことを特徴とする防振工具。
5. 請求項４において、
   前記第一の錘の固有振動数は、前記第二の錘の固有振動数及び前記第三の錘の固有振動数よりも高いことを特徴とする防振工具。
6. 請求項１において、
   前記第一乃至第三の錘は、材料及び径が同じであり、長さがそれぞれ異なることにより、それぞれ重さが異なっていることを特徴とする防振工具。
7. 請求項１において、
   前記第一乃至第三の錘は、軸方向に貫通する貫通孔を有し、
   前記錘を前記支持部材を介して支持する支持構造を有し、
   前記支持構造は、錘の両側にそれぞれ設けられた二枚の鍔部と、
   前記貫通孔内を通り、前記二枚の鍔部を接続するシャフト部とを有し、
   前記支持部材は、前記錘を前記鍔部に支持していることを特徴とする防振工具。
8. 請求項７において、
   前記シャフト部が、その長さを調整可能であることにより、前記二枚の鍔部の間隔を調整可能であり、
   前記二枚の鍔部の間隔に基づいて、前記錘を支持する前記支持部材の潰し量を調整し、前記支持部材のばね定数を調整可能な構造を有することで、前記錘の固有振動数を調整可能であることを特徴とする防振工具。
9. 請求項７において、
   錘を支持する支持構造と、前記錘に隣接する他の錘を支持する支持構造とを接続する接続手段を有することを特徴とする防振工具。

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