JP6791957B2 - 振動を除去するためのガイドを備えた面取り工具 - Google Patents

Description

本発明は、切削加工機、及び切削加工機の特に復活異常振動を低減する方法に関する。

切削加工機は、従来技術においては、管端部用の回転する工具ヘッドの形で十分に周知である。工具ヘッドは、例えば特許文献１に開示されている。

特許文献２には、手動で操作可能な、管端部の面取り用工具が開示されている。この工具は、少ない回転回数で操作される。この工具は、カッティングエッジを超えて伸びる放射状の外側部分と、回転自在の円盤が差し込まれたガイド手段とを備えている。

回転する工具ヘッドを備えた切削加工機は振動し得る物体であり、これを使って短く切られた管材が後処理される。特に管材端部に面取り部が備えられることが可能である。面取り部を形成するために、工具ヘッドは、管材長軸の延長方向に管材端部の上へと進み、工具ヘッドが回転し、及び工具ヘッドは１つ又は複数の切断プレートを備え、これを使って内部又は外部面取り部も、設計寸法も、管材端部上に備えられる。面取り部と設計寸法を備える際、管材端部が切削されて削りくずが出る。

この工具ヘッドは回転スピンドルの端部に備えられ、スピンドルと共に振動し得る物体である。基本的に、管材端部の外壁も内壁も、正確な円形には形成されていないため、切削過程時に負荷変動が生じる。負荷変動がスピンドルに取り付けられた工具ヘッドの固有振動数の範囲にあると、望ましくない異常振動が生じる。異常振動は切削加工機に負荷をかけるだけでなく、製作するべき管材端部が波状になり、品質低下が生じる。それどころか、場合によっては、加工した管材端部が使用できなくなる。異常振動の特殊な形が、いわゆる復活異常振動である。工具ヘッドの固有振動が、すでに生成された表面の波むらによって（この波むらは同じ切断工具によってすでに前処理された表面に形成される）、繰り返し起こされる。生じる異常振動はますます強くなる。

復活異常振動を防止するため、従来技術ではさまざまな解決法がある。

例えば複葉刃のミリング工具又は穴ぐり工具は、刃が互いに異なる間隔を空けて配置されているために、切断中に固有振動数が常に変動する。その結果、復活異常振動は理想的にはまったく生じない。当然ながら、一枚刃の工具では刃の間隔を変更することはできない。

回転する切断工具の回転数は常に急速に変化することは周知であるが、それによって振動数が高いと機械負荷も高くなりかねない。

その他、アクティブダンパシステムも知られており、振動が電気的に検出され、補助質量を使ってシステムの固有振動数が変えられる。その他にパッシブダンパシステムがあり、油圧式ダンパ又は追加のバネ質量システムが備えられ、いわゆる質量ダンパが共鳴振動数を十分に打ち消す。

しかし、復活異常振動を防止するための上述のシステムは、格段に高い費用がかかり、多くの整備作業を必要とする。

欧州特許第２１０６３１３号明細書 独国特許第２５４１４１４号明細書

従って、本発明の課題は、復活異常振動の少ない、好ましくはまったく生じず、及びその整備費用が高くならず、少なくとも格段に高くならない切削加工機を提供することであり、さらには、復活異常振動を低減するための単純な方法を提供することである。

第一の観点では、本課題は請求項１の特長を備えた切削加工機によって解決される。

本発明による切削加工機は、管材のための保持具と、その保持具に対して長軸の周りを回転可能な工具ヘッドを含み、かつ保持具内にある管材の管材端部を加工するための少なくとも１つの切削工具を備えている。管材は切削加工機の枠に対して保持具内で、特に切削中に、位置を定めて固定可能である。この保持具は好ましくは切削加工機の枠に対してその位置を定めて備えられている。

工具ヘッドは、特に切削の前後に、保持具に対して、保持具とその中に収容された管材の長手方向に前後に可動である。

工具ヘッドは機械式であり、好ましくは電気モーターによって駆動される。工具ヘッドは、枠に対して可動に形成されている。切削加工機は数秒という短い間隔で順々に多数の、好ましくは数十の、数百又はそれ以上の管材を加工する。切削加工機は、切削中は好ましくは床上に立っている。

本発明により、工具ヘッドには保持具の方向を指す支持部材が備えられており、この支持部材が支持部材に対して長軸周りを回転可能なリング部材を有しており、このリング部材は管材端部の管壁を偶然的に支持することを定められている。支持部材と切断材料、好ましくは切断プレートは、切削中に互いに相対的に回転しない。

支持部材は、復活異常振動を低減又は防止するための部材である。

支持部材は、特にマンドレルの形に形成され、リング部材は、支持部材がマンドレル仕様の場合に、好ましくはマンドレルの外側に回転可能に配置されており、その際リング部材の外径が、その横断面で長軸に対して垂直に、管端部の内径よりも小さいが、リング部材の外径のほうがマンドレル直径よりも大きく、すなわち、切削過程中に、管材端部内に案内されたマンドレルがそのリング部材と共に偶然的に管材端部の内壁に当接し、及びこの当接により、工具ヘッドの振動過程が中断されるようになっている。

管端部は、工具ヘッドに対してその少なくとも１つの切削工具と共に、回転される。その際、切削加工機の変形形態では、工具ヘッドはスペース内に固定され及び管材が回転され得るのに対して、他の変形形態では管材がスペースに固定され及び工具ヘッドが回転され得る。両方の変形形態を組み合わせることも考えられる。

工具ヘッドは少なくとも１つの切削工具を使って管材の壁を加工し、特に切削工具は内側及び外側面取り部及び設計寸法を管材端部に作り出す。

管材は特に金属製で、特にこの場合は鉄被削材又は鋼被削材である。しかし基本的に他の材料も考えられる。管はその全長にわたって好ましくは円形の外径又は内径を有している。しかしこの切削加工機は、正確に円形状ではない管端部の加工にも適しており、この場合基本的に円形状とは数学的に正確な円形と理解されるのではなく、数学的に正確な円形状からマイクロメータ範囲又はそれ以上のわずかな差異があっても円形状に含まれる。切削加工機及び特に本発明による方法も、このような正確ではない円形状の内径及び外径を有する管材の加工にも適している。

工具ヘッドは加工中に振動が励起される。この振動により、マンドレルも同様にその長軸から外れて運動し、リング部材は管材内壁に当たる。リング部材の外径は、管材内径よりもいくらか小さくなるように寸法決めされるため、リング部材を備えたマンドレルは基本的に接触することなく管材の終端に挿入され得る。リング部材が管材端部の内壁と接触することで、振動過程が妨害され、特に工具ヘッドの固有振動の励起の周期性が中断され、復活異常振動が生じない。

本発明の別の一実施形態では、本発明による切削加工機の工具ヘッドがブッシュとして形成された支持部材を備え、この場合リング部材が内部に、ブッシュ内で回転可能に配置されており、リング部材の内径が管材端部の外径より大きく、そのためにブッシュが外側から管材端部周りに案内され得る。しかし、復活異常振動を阻止するための原理はマンドレルを備えた実施形態と類似している。わずかな振動運動が励起された工具ヘッドがそのリング部材によって管材端部の外壁に当たり、工具ヘッドの振動挙動がそれによって中断される。振動が増大することはできない。

本発明による特に有利な一実施形態では、リング部材の支持面が（これはマンドレルの実施形態ではリング部材の外表面であり、又はブッシュの実施形態ではリング部材の内表面であるが）プロファイルを備えている。したがって、リング部材の支持面は、いずれの横断面でも長さ方向に沿って正確に円形状に形成されているわけではない。好ましくはこのプロファイルは、横断面で管壁から離れる方向に陥凹部を備えている。この下がり部又は陥凹部は、好ましくはリング部材の長手方向全体に沿って伸びている。陥凹部は、切削くずがリング部材と管壁との間にひっかかるのではなく、陥凹部を通って管内部へ又は外部に排出され得ることを可能にする。好ましくはプロファイルは横断面で蛇行形状を有している。その場合陥凹部はリング部材の長手方向に対して正確に平行に伸びることができるが、陥凹部がリング部材の長手方向に対して傾斜して伸びることも考えられる。しかしまた別のプロファイル形成も、例えば外周に沿って異なった幅のくぼみ又は陥凹部と、異なった幅の隆起部、正確ではない直線状に伸びる陥凹部及び／又は隆起だけでなく、波状の又は円錐形に広がった、又は先に行くほど細くなる隆起又は陥凹部が考え得る。

好都合には、リング部材は支持部材の玉軸受け内に支承される。これによってリング部材は回転自在に工具ヘッドの長軸回りに配置される。けれども、リング部材は振動運動、すなわち長軸に対して垂直の、支持部材又は工具ヘッドに対する運動を不可能にする。

好都合には、支持部材が取り外し可能なキャップを備えており、かつ直径がより大きい又はより小さいリング部材との交換が可能にすることにより、リング部材が交換可能である。

方法の観点から、本課題は請求項９の特長を備えた方法によって解決される。この方法は、上述の切削加工機を使用して行うために特に適している。

この方法は特に振動の低減、特に切削加工機の復活異常振動の低減のための方法である。切削加工機とは、ここでは特に管材端部を加工するための機械であると解釈できる。本発明により、管材は工具ヘッドに対して、少なくとも１つの切削工具によって回転される。工具ヘッドは、少なくとも１つの切削工具を使用して管端部壁を切削する。切削中、工具ヘッドは一般に振動が励起され、及び工具ヘッドが長軸周りを回転するリング部材を備えた支持部材によって管材壁で支持され、それによって振動励起が中断され、特に復活異常振動が防止される。

この方法の観点から、本発明は、周期的な励起によって発生する振動を、好ましくはマンドレルの形の、又はブッシュの形の支持部材を管材端部の中又は外に案内して振動過程を妨害することにより、阻止するという考えを使用する。すでに工具ヘッドの長軸から外れた振動が小さい状態で、支持部材がそのリング部材を使って管端部と接触し、それによって振動過程が中断され、振動運動が増大されない。

リング部材は回転自在に工具ヘッドに支承されているため、管材端部の壁と接触する際にリング部材の角速度が低減される一方で、工具ヘッドの回転数はリング部材が管端部の壁と接触することで変化しない。それによって、切削加工機にはほとんど、又は非常にわずかにしか負荷がかからない。なぜなら工具ヘッドを回転させるスピンドルの回転数変化が起こる必要がないからである。

本発明は、実施例を使用して６つの図で説明される。

本発明による工具ヘッドの側面図である。 図１の工具ヘッドの透視図である。 図２の工具ヘッドの正面図である。 図３の工具ヘッドの線矢視ＩＶ−ＩＶ断面図であり、本発明による工具ヘッドのマンドレルは追加的に管材端部内に差し込まれている。 図４に従った、管材端部なしの断面図である。 図４に従った、管材端部に差し込まれた工具ヘッドの透視図である。

図１に示された工具ヘッド１は、追加的に、例として特許文献１で公知の工具ヘッドから、工具ヘッドの長軸Ｌに沿って突出したマンドレル２を備え、その外側端部にリング部材３が回転自在に支承されている。リング部材３及びマンドレル２は、横断面で長軸Ｌに対して垂直に実質的に円形状に形成され、及び工具ヘッド１の長軸Ｌ回りに同心に配置されている。マンドレル２の反対側にある工具ヘッド１の端部には、スピンドル保持具４が備えられ、これを使って工具ヘッド１が制御されて回転する（図示していない）スピンドルに交換可能に固定され得る。

図１の工具ヘッド１は、４つの切断プレート６を備え、図１にはそのうちの３つが示されている。切断プレート６は、横断面が円形状の内径と円形状の外径を備えた管材端部４０を加工することを企図している。２つの切断プレート６は、管材端部４０に外側面取り部を施すことを、及びその他の２つの切断プレート６は管材端部４０に内側面取り部を施すことを企図している。管材端部４０は、好ましくは金属製であり、特に好ましくは鋼製であるが、他の材料でもよい。工具ヘッド１は、図１の実施形態と比べて切断プレート６の数が異なってもよく、特に１つ、２つ、３つ又はそれより多い数の切断プレート６を備えていてよい。

工具ヘッド１と管材端部４０は、図４に従い、長軸Ｌ周りを互いに相対的に回転し、管材端部４０はスペース内に工具ヘッド１に対して固定して保持され得る一方で工具ヘッド１は長軸Ｌ周りを回転するが、逆に工具ヘッド１がスペース内に固定して保持され、かつ管材端部４０が同じ長軸Ｌ周りを回転してもよい。回転過程中、切断プレート６は管材端部４０の外壁４１又は内壁４２を切削して削りくずが出る。

切削過程中、例えば外壁４１又は内壁４２が、現実では実際に常にそうであるように正確に円形状ではないことによって、切削力の負荷変動が生じる可能性があるため、切削された削りくずは実際の切削過程ではその厚みがわずかに異なり、理想的な円形状の管材端部４０でさえ負荷変動が生じるため、工具ヘッド１はまずわずかな振動運動で長軸Ｌから外れるが、これが工具ヘッド１と管材端部４０の持続的な相対回転運動で周期的に増大され得るため、いわゆる復活異常振動がもたらされる。

管材端部４０の外壁４１又は管材端部４０の内壁４２の波状性は、工具ヘッドに周期的に繰り返し同じ振動を励起する。通常、工具ヘッドは約５０００ｒｐｍで回転するが、他の回転数も考え得る。工具ヘッド１は、長軸Ｌに沿って配置されている、図示していない回転するスピンドル上に取り付けられており、長軸Ｌから外れて振動し得る。工具ヘッド１の振動挙動は、基本的にスピンドル上に取り付けられた工具ヘッド１の剛性ｃ、ダンパｄ及びスピンドルを加えた工具ヘッド１の質量ｍによって決まる。特に工具ヘッド１の固有振動数ｆ_{ｅｉｇｅｎ}は、これら３つのパラメータの関数であり、この場合固有振動数ｆ_{ｅｉｇｅｎ}は、スピンドル上に取り付けられた工具ヘッド１が長軸Ｌから外れて振動する固有振動数を意味する。本発明は、マンドレル２の長軸Ｌ周りを回転自在に支承されたリング部材３を備えたマンドレル２によって工具ヘッド１の固有振動を阻止するという考えを使用する。

図２は、図１の工具ヘッド１の透視図であり、横断面で円形状のマンドレル２の構成が、回転自在にマンドレル２に支承されたリング部材３と共に、いくらか明確に示されている。さらに、４つのうち２つの切断プレート６が確認できる。切断プレート６は、交換可能に工具ヘッド１に取り付けられている。本発明により、リング部材３の外側を取り囲む支持面２０は横断面で正確な円形状に形成されているのではなく、支持面２０は横断面で蛇行形状の形態を備えている。すなわち、横断面で正確な円形状が、半径方向に長軸Ｌに対して内側に向かう下がり部によって周期的に中断され、その結果長軸Ｌに沿って伸びる陥凹部２１がリング部材３の外壁に備えられ、長手方向の伸び全体にわたってリング部材３の長軸Ｌに沿って伸びている。

図３は、図１及び図２の工具ヘッド１の正面図であり、横断面で円形状のマンドレル２及びマンドレル直径にわたって半径方向に突出したリング部材３が確認でき、リング部材３の外側の支持面２０は、上述の、正確な円形状から逸脱した蛇行形状を備えている。図３の横断面では、リング部材３の半径方向に外側の隆起２２が、第一の、より大きい半径を備えた正確に円形状の範囲を形成しており、及びリング部材３の陥凹部２１が、第二の、より小さい半径を備えた正確に円形状の範囲を形成している。リング部材３の小さい方の半径も大きい方の半径も、それぞれマンドレル２の半径より大きい。

図４は本発明による工具ヘッド１の、目的に従った使用を示しており、マンドレル２は開いた管材端部４０に挿入され、管材端部４０の内径はリング部材３のどの直径よりも大きく、その結果リング部材３を備えたマンドレル２は、管材の長軸Ｌに沿って正確に挿入された場合に、管材端部４０の内壁４２に触れない。リング部材３は回転自在に玉軸受け４３によってマンドレル２に支承されているが、工具ヘッド１の長軸Ｌに対して半径方向に前後に可動ではなく、したがってリング部材３は回転自在に工具ヘッド１にのみ支承されている。マンドレル２は取り外し可能なキャップ４４を備えている。キャップ４４を取り外した後で、リング部材３は別のリング部材と交換可能であり、別のリング部材は特に別の大きさの半径を備えており、それによって別の内径の管材端部４０を加工するのに適している。

切削過程中、切断プレート６は管材端部４０の内壁４２又は外壁４１を切削して削りくずが出て、これによって内側面取り部４６及び外側面取り部４５が管材端部４０の縁に設けられる。切削過程中、工具ヘッド１が軽度に振動する可能性があり、それによってマンドレル２のリング部材３が管材端部４０の内壁４２と接触する。それによって工具ヘッド１の振動過程が妨害され、工具ヘッド１は周期的に固有振動を励起されない。しかし、リング部材３がマンドレル２に回転自在に支承されていることにより、まず本来の切削過程が中断されない。なぜならリング部材３は非常にわずかな摩擦しか内壁４２に生じさせないからである。さらには、内壁４２は損傷されない。なぜならリング部材３は内壁４２に沿って研磨するのではなく、その質量が工具ヘッド１と比べてわずかであるために、回転運動から直ちに停止に移行するからである。

図５には、管材端部４０なしで、本発明による図４の工具ヘッド１の模式的構造が示されている。特に回転自在なリング部材３は周りを取り巻く玉軸受け４３と共に図示され、及びマンドレル２のキャップ４４が、取り外し可能にマンドレル支持部５０上にねじ止めされ、それによってキャップ４４を取り外してリング部材３を交換することが可能になる。図４の左には、マンドレル２の反対側にあるスピンドル保持具４が確認できる。

図６は、稼働中の管材端部４０と工具ヘッド１であり、スピンドルは図示していないが、マンドレル２は隠れているがしかし管材端部４０に挿入されており、切断プレート６はすでに外側面取り部４５が確認でき、管材端部４０に設けられた内側面取り部４６は確認できない。管材は、図６に示された管材端部４０よりももっと長く長軸Ｌに沿って形成されている。

１ 工具ヘッド
２ マンドレル
３ リング部材
４ スピンドル保持具
６ 切断プレート
２０ 支持面
２１ 陥凹部
２２ 半径方向外側への隆起
４０ 管材端部
４１ 外壁
４２ 内壁
４３ 玉軸受け
４４ キャップ
４５ 外側面取り部
４６ 内側面取り部
５０ マンドレル支持部
ｃ 剛性
ｄ ダンパ
ｍ 質量
ｆ_{ｅｉｇｅｎ} 工具ヘッドの固有振動数
Ｌ 長軸

Claims (9)

1. 管材用保持具と、前記保持具に対して長軸（Ｌ）回りに回転可能な工具ヘッド（１）と、前記保持具にある管材の管材端部（４０）を加工するための少なくとも１つの切削工具（６）と、を備えた切削加工機であって、前記保持具の方向に向いている支持部材（２）を備え、該支持部材（２）が、支持部材（２）に対して長軸（Ｌ）の周りを回転するリング部材（３）を備え、該リング部材（３）が前記管材端部（４０）の管壁（４１、４２）を偶発的に支持するように設計され、
   前記リング部材（３）の支持面（２０）が、前記リング部材(３)の長手方向に沿って全長にわたって伸びる陥凹部（２１）を有する側面形状を備え、
   前記切削工具（６）は、外側面取り部（４５）及び内側面取り部（４６）を前記管材端部（４０）に設けることを特徴とする切削加工機。
2. 前記支持部材（２）がマンドレル（２）として形成されており、及び前記リング部材（３）が前記マンドレル（２）の外側に回転可能に配置されており、及び前記リング部材（３）の外径が横断面で前記長軸（Ｌ）に対して垂直に管材端部（４０）の内径よりも小さいことを特徴とする、請求項１に記載の切削加工機。
3. 前記支持部材（２）がブッシュとして形成されており、及び前記リング部材（３）がブッシュの内側に回転可能に配置されており、及び前記リング部材（３）の内径が前記管材端部（４０）の外径よりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載の切削加工機。
4. 前記側面形状が横断面で前記管壁（４１、４２）から離れる方向に陥凹部（２１）を備えていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の切削加工機。
5. 前記側面形状が横断面で蛇行形状を有していることを特徴とする、請求項１又は２に記載の切削加工機。
6. 前記リング部材（３）が玉軸受け（４３）内で前記支持部材（２）に支承されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の切削加工機。
7. 前記リング部材（３）が別の半径を備えた別のリング部材と交換可能であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の切削加工機。
8. 管材の切削加工方法であって、少なくとも１つの切削工具（６）を備えた工具ヘッド（１）に対して管材を回転し、前記工具ヘッド（１）が少なくとも１つの切削工具（６）を使って前記管材端部（４０）の壁（４１、４２）を切削し、前記工具ヘッド（１）が切削中に再生型びびりによる振動を励起し、前記工具ヘッド（１）が長軸（Ｌ）の周りを回転しているリング部材（３）を備えた支持部材（２）を使って、前記管材端部（４０）の前記壁（４１、４２）の１つを支持し、それによって振動の励起が中断され、
   前記リング部材（３）の支持面（２０）が、前記リング部材(３)の長手方向に沿って全長にわたって伸びる陥凹部（２１）を有する側面形状を備えることにより、切りくずの排出を容易にし、
   前記切削工具（６）が、管材端部（４０）に外側面取り部（４５）及び内側面取り部（４６）を形成することにより、前記管材端部（４０）に面取り部を施すこと
   を特徴とする管材の切削加工方法。
9. 前記リング部材（３）が、壁（４１、４２）と接触すると減少する角速度を有している一方で、工具ヘッド（１）の回転数が接触によって変化しないことを特徴とする、請求項８に記載の管材の切削加工方法。

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