JP6120201B2 - 切削加工用のフライス工具 - Google Patents

Description

本発明は、切削加工用の回転工具、特に、減衰要素が組み込まれたフライス加工用の工具に関する。

切削加工においては、最適な切削速度、最適な仕上げ面、最適な工具寿命を得るために、動的に安定した切削を行うことが重要である。考慮に入れる重要なことは振動の存在又はチャタリングであり、これらは、耳障りな音、劣悪な加工面、切れ刃の寿命低下を生じると共に、また、予期しない加工をもたらすことがある。振動は、機械、被削材、被削材のアタッチメント、工具クランプの仕様、切れ刃を有する工具を備えた切削システムにおいて発生する。長い工具、又は１つ以上の延長部材又はシャフトを有する工具の使用において、切れ刃側端部における振動は特に目立つものとなる。通常、振動の存在は、切り込み、半径方向における係合、送り速度及び切削速度などに支障や低下をもたらす。振動を抑制する可能な方法は、フライス工具における作用切れ刃の数を減らすことであるが、被削材を加工するのに長い時間を要するため、工具による加工効率を低下させる。いわゆる不等ピッチのフライスカッターは、転削インサートがカッターの外周の回りで様々なピッチで配置されるものであり、振動を防いだり、振動を抑制したりするのに用いられている。

アメリカ合衆国特許番号第6,595,727号 アメリカ合衆国特許番号第6,945,740号 国際公開第2008/002145号パンフレット

回転工具、特にフライス工具による加工において、振動の減少に関する従来技術には、工具本体の中心に配置されたダンパーを備えるものがある。一般に、ダンパーは粘弾性材料から作られ、工具に誘発された振動に抵抗して、振動を和らげる。この従来技術の問題は、減衰が特定の振動数又は振動域に限定され、ダンパー本体が工具の固有振動数に対して変化する。さらに、工具の安定性及び強度を考慮すると、中心に配置されるため、ダンパー本体の大きさと長さが制限される。中心にダンパーが配置されることは、工具の負荷質量の相対的大部分が除去されることを含むためである。

従って、上記問題を解決する減衰工具が要望されている。

本発明は工作機械用の減衰回転工具に関する。
また、本発明は改良されたフライス工具に関する。

本発明の一実施形態は回転切削加工用のフライス工具であり、回転軸を有する工具本体１０と、工具本体の一端に配置された個々の転削インサートを固定する複数のインサート座２０とを備える。さらに、工具１は、工具に誘発された振動を抑制し、工具本体の内側に配置された複数の減衰要素３０を備えている。減衰要素３０は、回転軸から半径方向に離れ、インサート座（２０）から離れると共に、一端に隣接して配置されている。

本発明によると、回転切削加工における工具の改良された振動の減衰と、異なる工具の幾何学形状に対するダンパーの組み込みと、適応性のある振動減衰を得ることができる。

本発明による振動減衰工具の一実施形態を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。 本発明による振動減衰工具の一実施形態の斜視図である。 図２の実施形態の分解図である。 図２の実施形態の部分断面図である。 本発明の振動減衰工具の追加の実施形態による分解図である。 本発明による工具の追加の実施形態による斜視図である。 図６の実施形態の分解図である。 本発明と従来技術との比較を示すグラフである。 本発明と従来技術との比較を示すグラフである。

図面では、同じ符号が対応する要素、又は類似の要素のために使用される。

一般に、本発明は、金属や合金の切削加工用の回転工具を含んでいる。工具は、工具のねじれ方向及び半径方向で、振動を減少するために半径方向に配置された複数の減衰要素を備える。回転加工によって、切削工具にはその回転軸に回転動作を与えられ、被削材又は工具が直線又は回転送り動作を行うと同時に動作する。本発明による工具は、１つ以上のフライスカッターであり、例えば、長い切れ刃を有するフライスカッター、コーナミル、エンドミル、シャンクエンドミル、螺旋形のフライスカッターである。

図１に示されている一実施形態によると、本発明は回転切削加工のフライス工具１である。工具１は、回転軸（図の上部において破線で示される）に沿って延びる延長部を有する工具本体１０で構成される。工具１は、回転軸に沿って連続的に配置される種々の延長部を備え、より深いプランジ切削を可能にする。更に、工具１は、工具本体１０の一端に配置され、個々の転削インサートを受ける複数のインサート座２０を備える。図１において、転削インサートを有する４つのインサート座２０が示されているが、２〜３又はそれ以上のインサート座２０を工具本体１０に配置することも可能である。例えば、本発明による工具は、３つ又はそれ以上のインサート座を備える。最後に、工具１は、工具本体１０の内側に配置された複数の減衰要素３０を備え、工具に誘発される振動を抑制する。これらの減衰要素３０は、工具１の回転軸から半径方向に離れ、インサート座２０からも離れ、前述した工具本体１０の一端に配置されている。減衰要素３０は、工具１の回転軸に平行に配置されることが適切であるが、必ずしもそうする必要はない。平行な配置からのずれについては、減衰要素と工具の回転軸との間の角度が１０゜を越えるべきでない。図１において、４つの減衰要素３０が示されているが、それより多い減衰要素３０又はそれより少ない減衰要素３０を等間隔に配置することも可能である。

中心に配置される減衰要素と比較される複数の半径方向に配置された減衰要素を使用する１つの利点は、より広い周波数領域で振動を抑制することができることである。この利点及び他の利点は、以下の例において、詳細に説明される。

工具本体の構造的安定性を損なわないダンパーの使用のために、個々の減衰要素の体積が工具の全体積（質量）によって制限される。これは、中心に配置されたダンパーの使用は、複数の半径方向に配置されたダンパーが使用されるよりも、減衰要素の質量について狭い制限をもたらす。例えば、約１．５ｋｇの質量を有するコーナーミル（直径６０ｍｍ）について、半径方向に配置された６個の減衰要素は全質量２２２ｇを有することができ、その一方、中心に配置された減衰要素は１９０ｇの質量を有するのみである（例は、二つのフライス工具において同一タイプの減衰要素を備える）。よって、複数の減衰要素を使用することによって、減衰要素の質量を中心に配置された減衰要素の質量より重くすることができる。

中心に減衰要素を組み込むことができない１つの工具のタイプがある。このタイプのフライス工具が特許文献１で示され、中心に配置されたロックねじを有し、転削インサートに対する冷却媒体及び潤滑剤を供給するために凹んでいる。類似するものが、特許文献２で開示されている、いわゆる傾斜しているフライス工具である。これらの工具は、中心に配置される減衰要素によって振動が減衰されるものではないが、これらの工具は、本発明によって、容易に振動が減衰され、良好な切削性を達成することができる。

本発明は、更に、減衰要素が中心軸から半径方向に離れて配置されるときに、ねじり振動がより効果的に減衰されるという効果を有する。これに加えて、周波数のスペクトルが得られると、減衰システムが動作し、振動の発生に対抗し、生じた振動を妨げたり、減少させたりする。更に、複数の同様の減衰要素を使用できるが、同じ工具で種々の異なる減衰要素を使用してもよい。異なる質量、減衰効果又は構造の異なる減衰要素によって、種々の異なる減衰要素を提供することもできる。

本発明の一実施形態によると、図２及び３に示すように、減衰要素３０は工具本体の一端の凹所に配置される。個々の凹所は、工具の回転軸に平行な長手方向の軸に沿って配置されている。凹所（及び減衰要素）は回転軸に対して対称的又は非対称的に配置される。

本発明の好ましい実施形態によると、減衰要素の数は工具本体のインサート座の数に対応し、インサート座は回転軸に対して対称に配置される。言い換えると、個々の減衰要素は、個々のインサート座に対応し、個々のインサート座の近傍に配置される。これは、減衰要素が振動が誘発する工具の部分、すなわち、転削インサートが被削材に係合する部分の近くに設けられることを意味する。この場合、一例として、インサート座の数と減衰要素の数は３つ又はそれ以上にしてもよい。

図３に示される実施形態において、減衰工具１は分解した状態で示されており、減衰要素は個々の凹所から取り外されている。図にはカバープレートが示され、カバープレートは減衰要素又は挿入物が誤って工具から外れないようにするために用いられる。この実施形態において、全ての減衰要素は同一要素であるが、異なる減衰周波数又は周波数間隔の要素を含んでもよい。言い換えると、異なる減衰要素が異なる減衰効果を有してもよい。

図４には、図２の実施形態が、工具内の減衰要素の向きを示すために断面図で示されている。図示された実施形態において、カバープレートが工具本体１０にねじで取り付けられているが、他の方法で取り付けてもよい。

上述したように、工具１内の減衰要素３０の全てが同じ種類である必要はない。図５の分解図には、２つの異なる種類の減衰要素が示されている。１つは、減衰要素の外側にねじれ溝を有する円柱状の挿入物であり、工具１内の冷却媒体を循環させる。他の１つは、互いに積み重なり、スぺーサ部材で間隔を開ける複数の球状の減衰要素を有する。これらの２つは単に例示であり、同様の解決手段を適用してもよい。

図６及び７に示すように、より好ましい追加の実施形態によると、工具１は工具本体１０に装着されるカバー１１を備える。カバーは、減衰要素と工具の端部の凹所を覆う。カバーは、転削インサートを受けるインサート座のアレイを備え、工具本体１０と協働して工具１を構成する。カバー１１は、ねじ又は他の等価の係合手段で工具本体１０に装着される。図６には、装着されたカバー１１を有する工具１を示し、図７はカバー１１が取り外された工具１を示す。工具内で第１のインサート列をもたらすカバーを備えたこの実施形態の利点は、減衰要素が工具の端部で終了することなく、工具本体の前側に配置される。これは、特に、ランピング加工において利点がある。

図６及び７に示すように、工具１は工具１の外周面に配置されたインサート座２０を備える。インサート座に装着された転削インサートは、端部に配置された転削インサートと協働し、より長い切れ刃を形成し、長い切れ刃のフライスカッターを提供する。

これまで説明してきたことによれば、減衰要素の数が工具の一端に配置されたインサート座の数に等しいということには利点がある。しかしながら、これは必ずしも必要なことではなく、減衰要素の数がインサート座の数と異なっていてもよい。実施形態のほとんどはフライス工具に関し、特に、長い切れ刃を有するフライスカッターに関する。

減衰要素（及び対応する凹所）が回転対称に配置されることは効果的である。しかしながら、これは、製造技術における１つの適用に過ぎず、他の幾何学的配置で減衰要素及び凹所を設けることもできる。更に、円柱状の凹所が示されているが、これは製造技術における１つの適用に過ぎない。工具、特には長尺の工具の減衰要素の構成において、振動が最も大きくなる位置の近くで減衰効果を高めることは効果的である。これは、多くの場合、特に、長尺の工具の一端において、切れ刃の近傍、すなわち、回転軸からできるだけ離れた位置で減衰効果を高めることが効果的である。したがって、円錐状の減衰要素及び凹所が効果をもたらされ、円錐の底面が工具の先端の近くに配置される。

更に、工具には冷却液通路が設けられている。本発明によると、減衰要素と凹所は冷却液通路の少なくとも一部と共に協働するように構成されている。これは、減衰要素が冷却液の循環をもたらすと共に、凹所が工具の冷却液通路と連通するように構成されている。

本発明の減衰要素は、特に、特許文献３で開示されているものに関係するが、他の減衰要素を適用することもできる。実施例では、減衰要素を異なる仕様の粘弾性体、例えば、球体、円柱体、円又はリング状のプレート、又はそれらの組み合わせとしてもよい。また、機械的、及び／又は流体機械的な作用をもたらす減衰要素を用いてもよい。

上述したように、中心に配置された１つのダンパーを使用する問題は、工具の減衰能力が特定の周波数に固定されるということと、減衰体が工具システムの特定減衰周波数に変更されなければならないということである。特定の機械に装着された工具のダンパーの調整は、うまく行われることがあるが、機械が変更されたときや、機械システムの固有周波数が変更された場合に問題を生ずる。異なる周波数に変更できる本発明による複数のダンパーの使用による利点は、システムがより広範囲の周波数スペクトルに対して減衰することができることである。図８に示すように、これは以下の試験結果で示されている。

図８は３つの異なる試験結果を示し、異なる伝達関数（レセプタンス）が３０００〜３３００Ｈｚの間の主要な共振周波数で抽出されている。簡単化のため、伝達関数の１つが図示されている。上のグラフは、周知の非減衰工具の結果を示す。真ん中のグラフは、同様のランダムな伝達関数での周知の１つのダンパーを有する工具の結果を示し、ダンパーは、周波数域の平均値、すなわち、５％のランダム分布で３１５０Ｈｚに調整され変更されている。下のグラフは、同様のランダムな伝達関数での本発明の好ましい実施形態による結果を示し、５つのダンパーは５％の個々のランダム分布で２３００〜４０００Ｈｚに調整されている。更に、５つのダンパーの合計質量は前記１つのダンパーの質量と同じである。グラフは、周知の１つのダンパを有する工具システム又は周知の非減衰工具システムと比較して、複数のダンパーを有する工具システムの伝達関数（レセプタンス）のピーク頂点が明らかに低いことを示す。

図９に示すように、減衰の効果を示すためにランダムな伝達関数が用いられ、代表的な工具の安定性限界を計算している。図における曲線の下側になるように、軸方向の切り込みとスピンドルスピードとの組み合わせを選択することによって、安定性の問題が回避される。代わりに、曲線の上側の組み合わせが選択される場合、振動レベルは増減し、制御不能となる。非減衰（ＵＤ）及び１つのダンパー（ＳＤ）と比較して、複数のダンパー（ＭＤ）は限界切り込みが増加する結果となることが明らかである。これによって、本発明は、単位時間当たりの被削材除去量高めることができ、加工効率を向上することができる。

上述したように、本発明によると、複数の異なる減衰要素を組み合わせることができ、工具の振動減衰効果の多様化を得ることができる。しかし、個々に適用可能である、複数の同一の減衰要素を配置することも可能である。減衰要素は特定の減衰レンジに固定されないが、作業中又は少なくともフライス工具の取り付け中に調整されることも可能である。

本発明は、特には、チタンやチタン合金、又は加工においてそれらと類似の負担を強いる材料群にふさわしいが、それらに制限されるものではない。

請求項によって規定される発明の範囲を離れることなしに、本発明によって変更や変形が成されることは当業者にとって明らかである。

１ 工具
１０ 工具本体
１１ カバー
２０ インサート座
２１ 転削インサート
３０ 減衰要素

Claims (15)

1. 回転切削加工用のフライス工具（１）であって、
   回転軸と、工具本体（１０）の一端に配置された個々の転削インサート（２１）を受ける複数のインサート座（２０）を有する工具本体（１０）と、を備えるフライス工具において、
   工具本体（１０）の内側に配置され、フライス工具（１）に発生する振動を抑制する複数の減衰要素（３０）を備え、減衰要素（３０）が、回転軸から半径方向に離れ、インサート座（２０）から離れて配置され、
   個々の減衰要素（３０）が振動減衰要素であり、
   複数の減衰要素（３０）が個々に適合される、種々の減衰周波数のための減衰要素であり、複数の減衰要素（３０）のうちの少なくとも１つが異なる減衰周波数に適合可能である
   ことを特徴とするフライス工具。
2. 工具本体が、個々の減衰要素（３０）が配置される複数の凹所を備える、ことを特徴とする請求項１に記載のフライス工具。
3. 複数のインサート座が、フライス工具（１）の一端において共通の平面に配置されると共に、フライス工具の包絡面に隣接する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のフライス工具。
4. 複数の減衰要素（３０）がフライス工具の回転軸に対して対称に配置される、ことを特徴とする請求項２に記載のフライス工具。
5. 複数の減衰要素（３０）がフライス工具の回転軸に対して非対称に配置される、ことを特徴とする請求項２に記載のフライス工具。
6. 減衰要素（３０）の数が複数のインサート座（２０）の数に等しい、ことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のフライス工具。
7. 減衰要素（３０）の数及びインサート座の数がそれぞれ少なくとも３つである、ことを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載のフライス工具。
8. 凹所がフライス工具の一端に開口する、ことを特徴とする請求項２に記載のフライス工具。
9. 凹所が、フライス工具の一端に配置されたカバー（１１）によって工具本体に完全に収容されるよう配置されている、ことを特徴とする請求項２に記載のフライス工具。
10. 複数の凹所が回転対称である、ことを特徴とする請求項２に記載のフライス工具。
11. 複数の凹所がフライス工具の一端に向かって円錐状に傾斜している、ことを特徴とする請求項２に記載のフライス工具。
12. フライス工具（１）が凹所と連通する複数の冷却液通路を備える、ことを特徴とする請求項２に記載のフライス工具。
13. フライス工具がチタン及びその合金のフライス加工に適用される、ことを特徴とする請求項１に記載のフライス工具。
14. フライス工具がフライスカッタである、ことを特徴とする請求項１に記載のフライス工具。
15. 減衰要素（３０）が回転軸に平行に配置されている、ことを特徴とする請求項１に記載のフライス工具。

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