JP7253157B1 - シャンクおよびこれを備えた切削工具 - Google Patents

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Abstract

【課題】全長が長い切削インサートを用いる場合にもヘッドのたわみや締結機構に作用するモーメント増大などによる影響を抑えてよりよい切削性能を実現可能とする。【解決手段】ヘッド交換式切削工具1のシャンク10であって、当該シャンク10の長手方向の先端部10tに形成された、ヘッド29を装着するための締結機構30と、ヘッド20に保持された切削インサート50の一部を収容して当該切削インサート50との干渉を避けるように先端部10tに形成された凹部16と、を備える。凹部16は、先端部10tにヘッド20を装着した状態で該ヘッド20に保持された切削インサート50の非使用部分を収容して当該切削インサートとの干渉を避けるように設けられていてもよい。【選択図】図7

Description

本発明は、シャンクおよびこれを備えた切削工具に関する。
インサートを保持するヘッドをシャンクの先端部に着脱可能に締結する構造のヘッド交換式の切削工具に関しては、シャンクを刃物台などの工作機械に取り付けた状態のままヘッドを取り外すための構造に関する技術や、ヘッドとシャンクの締結機構に関する技術などが提案されている。また、従来、ヘッド交換式の切削工具については、切削インサートの交換を迅速に行うこと可能にすることによる作業性の向上、工作機械から外した状態で刃先位置を測定し、段取り時間を短縮することによるコスト削減の実現、といった視点から着想された技術が提案されてもいる(例えば特許文献1~4参照)。
また、切削工具を使用するにあたっては、全長が長い切削インサート(チップ)が必要とされる場面があり、このような切削インサートを保持するための構造等に関する技術もまた提案されている(特許文献5,6参照)。
特開2020-28943号公報 特表2020-533188号公報 特表2014-524357号公報 特表2012-522651号公報 特開2007-203379号公報 特開平6-155110号公報
しかし、従来のヘッド交換式の切削工具においては、シャンクの長手方向におけるヘッド全長と締結機構(ヘッドをシャンクに着脱するための着脱用ピン)の長さの差(以下、「シャンクからのヘッドの突き出し量」という)よりもチップ全長(例えば一対の切れ刃を有する切削インサートであれば一方の切れ刃の先端から他方の切れ刃の先端までの長さをいう)が長い切削インサートを締結することが想定されていない。通常、幅の小さい小型の切削工具等では、締結機構をインサートから離す方向にシフトできないとインサートと締結機構が干渉してしまう。この点、従来技術では、締結機構と切削インサートが干渉しないように離す方法として、ヘッド有効長さを長くする以外になかった。別言すれば、上記のごとくチップ全長が長い切削インサートを用いようとした場合、従来の切削工具においてはシャンクからのヘッドの突き出し量を切削インサートの全長より長く設定する以外になかった。ところが、従来のヘッド交換式の切削工具では、刃物台にシャンクのみが当接し、ヘッドが受ける力を締結機構のみで受ける構成になっていることから、シャンクからのヘッドの突き出し量を増大させると、切削加工点と締結機構との距離が長くなり、締結機構が受ける力が切削性能に影響することから、切削性能に甚大な悪影響をもたらす。
そこで、本発明は、全長が長い切削インサートを用いる場合にもヘッドのたわみや締結機構に作用するモーメント増大などによる影響を抑えてよりよい切削性能を実現することができるようにしたシャンクおよびこれを備えた切削工具を提供することを目的とする。
本発明の一態様は、ヘッド交換式切削工具のシャンクであって、
当該シャンクの長手方向の先端部に形成された、ヘッドを装着するための締結機構と、
ヘッドに保持された切削インサートの一部を収容して当該切削インサートとの干渉を避けるように先端部に形成された凹部と、を備える、シャンクである。
上記のごときシャンクによれば、シャンクからのヘッドの突き出し量(すなわち、シャンク長手方向におけるヘッド全長と締結機構の長さの差)よりもチップ全長が長い切削インサートが取り付けられたヘッドを当該シャンクに装着することができる。すなわち、従来であればこのようなヘッドに保持された切削インサートの切れ刃の一部が締結機構やシャンクに干渉してしまっていたのに対し、本態様のシャンクによれば、そのような切削インサートの一部を凹部に収容することによって干渉が生じるのを回避することができる。したがって、従来であればシャンクからのヘッドの突き出し量を切削インサートの全長より長く設定するしかなかったのに対し、本態様によればそのような設定をすることなく、ヘッドをシャンクに装着することが可能である。このように、シャンクからのヘッドの突き出し量を増大させることなくヘッドをシャンクに装着できるということは、切削加工点と締結機構との距離を長くする必要がないということであるから、全長が長い切削インサートを用いる場合にもヘッドのたわみや締結機構に作用するモーメント増大などによる影響を抑えることが可能となる。
上記のごときシャンクは、
当該シャンクの長手方向に垂直な横断面形状が矩形状となる略直方体形状であり、
ヘッドを着脱するための機構であって、長手方向に略垂直な方向からヘッド着脱操作が可能な着脱操作部を有する締結機構が当該シャンクの長手方向の先端部に設けられていて、
凹部が、当該シャンクの側面のうち、着脱操作部がある操作面とは反対側の第1基準面に、当該第1基準面の幅よりも小さく、かつ、該第1基準面の幅の10%よりも大きい値の段差で当該第1基準面から凹む形状に設けられていてもよい。
上記のごときシャンクにおいて、凹部は、先端部にヘッドを装着した状態で該ヘッドに保持された切削インサートの非使用部分を収容して当該切削インサートとの干渉を避けるように設けられていてもよい。
上記のごときシャンクは、当該シャンクの側面のうち操作面がある側の面が段付きの形状であり、当該段付き形状を形成する段部が、第1基準面と凹部との間に形成される段部よりも長手方向に沿って基端部寄りに設けられていてもよい。
上記のごときシャンクにおいて、操作面が当該シャンクの全長に亘って連続して延びている平面であってもよい。
上記のごときシャンクは、操作面と第1基準面との間隔が、第1基準面の幅よりも大きいものであってもよい。
上記のごときシャンクにおいて、ヘッドを着脱するための締結機構のヘッド着脱用穴が、長手方向に延びる当該シャンクの中心軸よりも凹部から離間する方向にオフセットして配置されていてもよい。
上記のごときシャンクにおいて、凹部にリブが形成されていてもよい。
上記のごときシャンクにおいて、リブは、凹部のうち、第1基準面の幅方向両側の一方に形成されていてもよい。
上記のごときシャンクにおいて、リブは、凹部のうち、第1基準面の幅方向両側の双方に形成されていてもよい。
本発明の一態様にかかる切削工具は、上記のごときシャンクを備えたものである。
本発明の一実施形態における、切削工具が取り付けられた刃物台を示す斜視図である。 刃物台を別の角度から示す斜視図である。 シャンクからヘッドが分離した状態の切削工具を示す斜視図である。 シャンクにヘッドが装着された状態の切削工具を示す斜視図である。 図4に示す切削工具から切削インサートを外した状態の斜視図である。 シャンクを図3中のA方向から見た図である。 シャンクを図3中のB方向から見た図である。 シャンクを図3中のC方向から見た図である。 シャンクの先端部とそこから分離した状態のヘッドを拡大して示す斜視図である。 図3中のA方向から見たシャンクの先端部を示す図である。 図8に示すシャンクの先端部にヘッドが装着された状態を示す図である。 シャンクの先端部の凹部の一形状例を示す斜視図である。 シャンクの先端部の凹部の他の形状例を示す斜視図である。 シャンクの先端部の凹部のさらに他の形状例を示す斜視図である。 図7に示したシャンクの先端部にヘッドが装着された状態を示す斜視図である。 従来の切削工具の一例を図13との対比用の参考例として示す斜視図である。
以下、図面を参照しつつ本発明にかかるシャンク10およびこれを備えたヘッド交換式切削工具(以下、単に切削工具という場合がある)1の好適な実施形態について詳細に説明する(図1等参照)。
[第1実施形態]
ヘッド交換式切削工具1は、自動盤(図示省略)などでの加工時、切削インサート50の切れ刃52を送ることでワーク(図示省略)に切り込む工具として構成されている。ここで、自動で旋盤作業を行う自動盤においては、長尺のワークを所定の方向(本実施形態では、Z軸の方向とする)に送り出しつつ、切削工具1をこれと垂直な方向(本実施形態では、Z軸に垂直なこの軸を便宜的にX軸と呼ぶ)に沿って動かすことによって当該ワークを旋削し、3次元形状を削り出している(図1、図2参照)。また、刃物台200に複数種類のヘッド交換式切削工具1を「くし刃型」に配置し、旋削加工の態様に応じて刃物台200をX軸方向や、X軸方向およびZ軸方向の両者に垂直なY軸方向に動かし、切削インサート50を適宜に選択し移動して入れ替えながら所期の加工を行う場合もある(図1、図2参照)。
このような旋削加工に用いられる本実施形態の切削工具1は、シャンク10に対してヘッド20を着脱することが可能なヘッド交換式の切削工具であり、これらシャンク10とヘッド20、さらに、シャンク10にヘッド20を装着するための締結機構30を備える(図7等参照)。
シャンク10は、その被把持部(本実施形態のシャンク10においては、横断面が一定である本体部分)10hを把持された状態で刃物台200に取り付けられるように形成されている(図1~図3等参照)。一例として、本実施形態のシャンク10は、当該シャンク10の中心軸10X(図6B等参照)に沿った長手方向(上述のX軸方向に一致する方向)に垂直な横断面形状が矩形状となる略直方体形状である(図6A~図6C等参照)。
ここで、便宜上、本実施形態では、シャンク10の4つの側面のそれぞれを以下のように定義する。まず、図3中に符号Bで示す方向から見える面を「第1基準面」とし、符号11で示す(図3、図6B等参照)。この第1基準面11は、刃物台200にシャンク10を装着する際のZ方向の位置決めをする基準面(装着面)として機能する面である(図1、図2参照)。第1基準面11の幅(シャンク高さともいう)を符号SHで示す(図3、図6B等参照)。また、図3中に符号Aで示す方向から見える面を「第4面」とし、符号14で示す(図3~図6B等参照)。この第4面14とは反対側の面を「第2基準面」とし、符号12で示す(図6B等参照)。第2基準面12は、刃物台200にシャンク10を装着する際のY方向の位置決めをする基準面(装着面)として機能する(図1、図2参照)。さらに、第1基準面11とは反対側の面を「第3側面」として符号13で示すとともに、第3側面13が段部13Dを有する場合には、第3側面13のうち、固定ねじ40用のねじ穴13bが設けられている面を特に「操作面」と称し、符号13Sで示す(図6A等参照)。操作面13Sにおいては、当該操作面13S側から固定ねじ40を回してヘッド20を着脱するための操作が行えるようになっている(図8、図9参照)。ねじ穴13bは、シャンク10に対しヘッド20を着脱するための締結機構30の着脱操作部32の一部を構成する。
シャンク10の先端部10tには、装着部15と凹部16が形成されている(図3等参照)。装着部15は、締結機構30を用いてヘッド20を装着するための部分である。装着部15には、ヘッド20の着脱用ピン21を挿入可能なヘッド着脱用穴31が設けられている(図3等参照)。さらに、装着部15には、装着されるヘッド20の所定の凹部(図示省略)に嵌まることで当該ヘッド20の向きを一意的に画定させる凸部15tが設けられている(図3、図6A等参照)。
凹部16は、ヘッド20に保持された切削インサート50の一部を収容して当該切削インサート50との干渉を避けるようにシャンク10の先端部10tに形成されている(図4等参照)。例えば、一対の切れ刃52を有する切削インサート50を用いる本実施形態のヘッド交換式切削工具1における凹部16は、シャンク10の先端部10tにヘッド20を装着した状態で該ヘッド20に保持された切削インサート50の非使用部分(切削に使用されない切れ刃52を含む側)を収容して当該切削インサートとの干渉を避けるように設けられている(図4、図9等参照)。本実施形態の凹部16は、シャンク10の第1基準面11側の一部を切り欠くようにして段部11D(図6Aにおいて段部11Dの段差の大きさを符号DHで示す)によって形成されている(図6A参照)。凹部16の形状や段部11Dの段差DHは特に限定されるものではないが、本実施形態では、第1基準面11の幅(シャンク高さ)SHよりも小さく、かつ、第1基準面11の幅(シャンク高さ)SHの10%よりも大きい値の段差DHで当該第1基準面11から凹む形状となるように凹部16を形成している(図6A等参照)。すなわち、段差DHの大きさ(深さ)は、切削インサート50の幅全体を収容可能であるのが好ましいこと、ただ、10%以下では切削インサート50の幅の一部しか収容できない場合があること、その一方で、DHの値が大きすぎると切削インサート50を収容する目的としては過大となりシャンク10の剛性低下が懸念されること、等を考慮して適宜に設定される。
また、シャンク10は、上記のごとく第3側面13に段部13Dが設けられた段付き形状となっている(図6A等参照)。シャンク10の長手方向(中心軸10Xに沿った方向)における段部13Dの位置は特に限定されるものではないが、一例として、本実施形態では、第1基準面11と凹部16との間に形成される段部11Dよりも長手方向に沿って基端部10b寄りとなるように段部13Dを設けている(図6A等参照)。本実施形態のシャンク10は第2基準面12あるいは第4面14から見て先端部10t付近においてクランク形状になっているところ(図6A等参照)、上記のような位置に段部13Dを設けることで、クランク形状部分の途中で幅が極端に狭くなるようなことがなくなるため、シャンク10としての所要の剛性を確保しつつ先端部10t付近を所定のクランク形状などとすることができるようになる。
ヘッド20は、シャンク10の先端部10tに着脱可能に形成された部材である。本実施形態のヘッド20は、着脱用ピン21、インサート取付座22、抑え部23などを有する部材として構成されている(図7等参照)。着脱用ピン21は、シャンク10のヘッド着脱用穴31に挿入可能な長さLPのピンであり(図9参照)、ヘッド着脱用穴31に挿入された状態でその側部を固定ねじ40で押さえられることで固定される。インサート取付座22は切削インサート50を取付ねじ54で取り付けるための座であり、ヘッド20のうち、シャンク10の第1基準面11側を向く側部に設けられている(図7、図9等参照)。このインサート取付座22には、一対の切れ刃52を有する切削インサート50を取り付けることが可能である。抑え部23は、切削インサート50を抑えるようにインサート取付座22の近傍に設けられている(図7等参照)。本実施形態のヘッド交換式切削工具1におけるシャンク10からのヘッド20の突き出し量HEは、シャンク10の装着部15の先端面から抑え部23の先端部までの軸方向に沿った長さであり、別言すれば、ヘッド20の全長LHから着脱用ピン21の長さLPを引いた長さ(HE=LH-LP)である(図9参照)。なお、切削インサート50は様々なタイプに交換可能なので、ここではヘッド20に関する説明としている。
締結機構30は、シャンク10の先端部10tにヘッド20を装着するための機構であり、ヘッド20の着脱用ピン21、ヘッド着脱用穴31、着脱操作部32等で構成されている。ヘッド着脱用穴31は、ヘッド20の着脱用ピン21を挿入可能なように、シャンク10の先端部10tの装着部15に設けられている(図3等参照)。着脱操作部32は、ヘッド20を着脱する際に操作が行われる部分であり、具体的には、ねじ穴13bや、該ねじ穴13bに螺合させる固定ねじ40で構成される(図7等参照)。本実施形態のヘッド交換式切削工具1においては、シャンク10の長手方向(中心軸10Xの方向)に対して略垂直な方向から固定ねじ40を螺合あるいは外すための操作を行うことでヘッド20を着脱することができる。なお、ヘッド着脱用穴31の位置は特に限定されるものではなく、シャンク10の中心軸10Xと一致する位置に配置されていてもよいし、そこからずれた位置に配置されていてもよい。本実施形態では、中心軸10Xよりも凹部16から離間する方向(別言すれば操作面13Sに近づく方向)にオフセットした位置にヘッド着脱用穴31を配置している(図8等参照)。このようにヘッド着脱用穴31をオフセットさせた場合、シャンク10の先端部10tのうち凹部16に近い部分に余肉が生じることから、凹部16を形成することにより薄肉部が生じてしまうといった事象を回避しやすい。
上記のごときヘッド交換式切削工具1は、シャンク10、ヘッド20、さらに、シャンク10にヘッド20を装着するための締結機構30によって構成される構造体(アセンブリ)として使用されうるものであり、実際に使用するにあたっては、くし刃型等の刃物台200に治具にてシャンク10を固定し、締結機構30を用いてシャンク10にヘッド20を固定し、ヘッド20のインサート取付座22に切削インサート50を取り付けた状態とした後、回転するワーク(被削材)に切れ刃52を食い込ませて切削加工を実施する(図1、図2等参照)。
かかるヘッド交換式切削工具1ないしはそれを構成するシャンク10によれば、チップ全長(本実施形態のごとく一対の切れ刃52を有する切削インサート50であれば一方の切れ刃52の先端から他方の切れ刃52の先端までの、シャンク10の中心軸10Xに沿った長さであり、図9において符号LCで示す)が比較的に長い切削インサート50を用いる場合にもヘッド20のたわみや締結機構30に作用するモーメント増大などによる影響を抑えてよりよい切削性能を実現することが可能である。例えば、チップ全長LCの長い切削インサート50を用いる場合、従来技術のようにそれに対応させて単純にヘッド全長を長くして当該ヘッドに切れ刃の非使用部分を収容するための凹部を設けるとすれば、シャンクからのヘッドの突き出し量が大きくなり、それに伴って締結機構から切削加工点(切れ刃52)までの長さが増大してしまう結果、ヘッドのたわみや締結機構に作用するモーメントが増大してしまい、切削性能に影響が及びかねない(図14参照。なお、図14においては対応する符号の一部を、ダッシュ(’)を付けて示している)。この点、本実施形態のヘッド交換式切削工具1あるいはそのシャンク10によれば、ヘッド20にではなくシャンク10に凹部16が設けられた構成としたことから、その凹部16に切削インサート50の一部を収容することによって干渉が生じるのを回避することができる。したがって、従来であればシャンクからのヘッドのシャンク長手方向の突き出し量を切削インサートの全長より長く設定するしかなかったのに対し、本実施形態によればそのような設定をせずともヘッド20をシャンク10に装着することが可能であり、別言すれば、シャンク10からのヘッド20のシャンク長手方向に沿った突き出し量HEを増大させることなくヘッド20をシャンク10に装着することが可能である。これは、切削加工点と締結機構30との距離を長くする必要がないということであるから、全長が長い切削インサート50を用いる場合にもヘッド20のたわみや締結機構30に作用するモーメント増大などによる影響を抑えることが可能となる。ヘッド20等のたわみや締結機構30の負荷が低減されれば、ヘッド交換式切削工具1の剛性等に関する性能を、一体型(ヘッド交換式ではなく、チップ締結部を有する一様の金属部材で構成されている)切削工具の性能に近づけることが可能ともなる。
[第2実施形態]
本実施形態のヘッド交換式切削工具1においては、シャンク10の操作面13Sがシャンク10の全長に亘って連続して延びる平面により形成されており、かかる平面により形成される操作面13Sの全体がすなわち第3側面13として構成されている(図5、図6A中に示す仮想線参照)。別言すれば、本実施形態のシャンク10は、第3側面に段部(13D)が設けられていない形状となっている。また、本実施形態のシャンク10は、操作面13S(第3側面13)と第1基準面11との間隔(シャンク幅ともいう)SWが、第1基準面11の幅(シャンク高さ)SHよりも大きい(図6A、図6B参照)。第3側面13を上記のごとき平面とすると、シャンク10の断面積が増加するので剛性が向上する。ちなみに、第3側面13を上記のごとき平面とした場合には、第1基準面11に替えて当該第3側面13をZ軸方向(図1、図2参照)における位置決めの基準面とすることも考えられる。
[第3実施形態]
ヘッド交換式切削工具1におけるシャンク10の凹部16の形状は、切削インサート50のチップ形状(切れ刃52の形状)に基づき種々の形状や態様を採りうる。以下では、凹部16の別の態様例として、リブ18が形成されたものを第3の実施形態として説明する(図10~図12参照)。
切削インサート50の非使用側の切れ刃52が干渉しないことを条件として、凹部16にリブ18が形成されていてもよい。リブ18は、第1基準面11の幅方向(別言すればシャンク高さSHの方向であり、これは、シャンク10が刃物台200に装着された場合におけるY軸方向に一致する)の両側の双方に形成されていてもよいし(図10参照)、両側のうちの一方にのみ形成されていてもよい(図11、図12参照)。
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。
本発明は、切削工具用のシャンクあるいはそれを備えたヘッド交換式切削工具に適用して好適である。
1…ヘッド交換式切削工具(切削工具)
10…シャンク
10b…基端部
10h…被把持部
10t…先端部
10X…シャンクの中心軸
11…第1基準面(側面)
11D…(第1基準面と凹部との間に形成される)段部
12…第2基準面(側面)
13…第3側面(側面)
13b…ねじ穴
13D…(側面のうち、操作面がある側の面の)段部
13S…操作面(側面)
14…第4面(側面)
15…装着部
15t…凸部
16…凹部
18(凹部に設けられた)リブ
20…ヘッド
21…着脱用ピン
22…インサート取付座
23…抑え部
30…締結機構
31…ヘッド着脱用穴
32…着脱操作部
40…固定ねじ
50…切削インサート
52…(一対の)切れ刃
54…取付ねじ
200…刃物台
DH…第1基準面の段部16Dの段差の大きさ
HE…シャンクからのヘッドの突き出し量
LC…チップ全長
LH…ヘッドの全長
LP…着脱用ピンの長さ
SH…シャンク高さ(第1基準面の幅)
SW…シャンク幅(操作面と第1基準面との間隔)

Claims (10)

  1. ヘッド交換式切削工具のシャンクであって、
    当該シャンクの長手方向の先端部に形成された、ヘッドを装着するための締結機構と、
    前記ヘッドに保持された切削インサートの一部を収容して当該切削インサートとの干渉を避けるように前記先端部に形成された凹部と、
    を備え、
    当該シャンクの長手方向に垂直な横断面形状が矩形状となる略直方体形状であり、
    前記ヘッドを着脱するための機構であって、前記長手方向に略垂直な方向からヘッド着脱操作が可能な着脱操作部を有する締結機構が当該シャンクの長手方向の先端部に設けられていて、
    前記凹部が、当該シャンクの側面のうち、前記着脱操作部がある操作面とは反対側の第1基準面に、当該第1基準面の幅よりも小さく、かつ、該第1基準面の幅の10%よりも大きい値の段差で当該第1基準面から凹む形状に設けられている、シャンク。
  2. 前記凹部は、前記先端部に前記ヘッドを装着した状態で該ヘッドに保持された切削インサートの非使用部分を収容して当該切削インサートとの干渉を避けるように設けられている、請求項に記載のシャンク。
  3. 当該シャンクの側面のうち前記操作面がある側の面が段付きの形状であり、当該段付き形状を形成する段部が、前記第1基準面と前記凹部との間に形成される段部よりも前記長手方向に沿って基端部寄りに設けられている、請求項に記載のシャンク。
  4. 前記操作面が当該シャンクの全長に亘って連続して延びている平面である、請求項に記載のシャンク。
  5. 前記操作面と前記第1基準面との間隔が、前記第1基準面の幅よりも大きい、請求項に記載のシャンク。
  6. 前記ヘッドを着脱するための前記締結機構のヘッド着脱用穴が、前記長手方向に延びる当該シャンクの中心軸よりも前記凹部から離間する方向にオフセットして配置されている、請求項に記載のシャンク。
  7. 前記凹部にリブが形成されている、請求項に記載のシャンク。
  8. 前記リブは、前記凹部のうち、前記第1基準面の幅方向両側の一方に形成されている、請求項に記載のシャンク。
  9. 前記リブは、前記凹部のうち、前記第1基準面の幅方向両側の双方に形成されている、請求項に記載のシャンク。
  10. 請求項1からのいずれか一項に記載のシャンクを備えた切削工具。
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