(57)【要約】【課題】工具の曲げ固有角周波数と工具および工具ホルダからなる系全体の固有角周波数が異なる場合においても、同時に振動減衰効果が得られるようにする。【解決手段】工具１１の曲げ固有角周波数に対しては、工具１１の中空孔１１ａに挿入された工具内蔵部材１７と第１緩衝部材１８が動吸振器として振動減衰効果を得る。さらに、工具１１および工具ホルダ１２からなる系全体の固有角周波数に対しては、工具内蔵部材１７のフランジ部１７ａを介して工具１１の後端部に押圧されている第２緩衝部材１９が材料減衰部材として振動減衰効果を得ることできる。このため、加工外乱による工具１１の曲げ固有角周波数の振動と、工具１１および工具ホルダ１２からなる系全体の固有角周波数の振動による加工面品位の劣化とを共に防止することができ、加工面品位を良好な状態に安定維持することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方側に切刃を有し、他方側に円筒側面を有し、軸方向に中空孔が設けられた工具と、
主軸の先端部に着脱自在なシャンク部を有し、前記工具の前記円筒側面を把持する工具取付部を有する工具ホルダと、
前記工具の前記中空孔内に挿入され、かつ前記工具の後端部に当接するフランジ部を有する工具内蔵部材と、
前記工具の前記中空孔内側と前記工具内蔵部材とに接触するように設置された第１緩衝部材と、
前記工具内蔵部材の前記フランジ部に当接するように設置された第２緩衝部材と、
前記工具ホルダ内に設けられて、前記第２緩衝部材を前記工具内蔵部材の前記フランジ部に押圧させる固定ネジと、
を備えたことを特徴とする工具保持装置。
【請求項２】
前記工具内蔵部材の１次曲げ固有角周波数を、前記工具ホルダの前記工具取付部により把持されていない前記工具の切刃側露出部における１次曲げ固有角周波数近傍の周波数に設定し、
前記第１緩衝部材を減衰要素として、前記工具の前記切刃側露出部の１次曲げ固有角周波数における振動を減衰させることを特徴とする請求項１記載の工具保持装置。
【請求項３】
前記工具内蔵部材に、前記工具の一方側に位置する端面から単一あるいは複数の微小幅のスリットを設け、
前記スリットは、前記工具内蔵部材を半径方向に横断させ、かつ前記工具内蔵部材の軸方向において前記工具ホルダの前記工具取付部付近まで延在させることを特徴とする請求項１記載の工具保持装置。
【請求項４】
前記工具ホルダの内部における前記工具取付部に隣接する位置に空洞部を形成し、
前記空洞部に少なくとも初期的には流動可能な振動減衰材料を充填し、
前記固定ネジを前記振動減衰材料の封止部材として兼用することを特徴とする請求項１記載の工具保持装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械の主軸に加工工具を取り付けるための工具保持装置に関し、特に、加工外乱による工具および工具ホルダからなる系の振動減衰を促進する必要のある工具保持装置に適用される。
【背景技術】
【０００２】
従来の工具保持機構として、主軸の先端部に着脱自在なシャンク部と切削工具を保持する機構とを有するアーバ部からなる工具ホルダにおいて、アーバ部のフランジ部の端面にリング状の溝を設けて空洞部を形成し、この空洞部に、切削加工中の切削振動に対する減衰特性が得られるような充填率で振動減衰材料を封入して、空洞部の溝を蓋部材で閉じるようにした構成のものがある。このように構成したことにより、工具および工具ホルダからなる系全体を、１つの振動系とみなして振動減衰を図るようにしている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図５は特許文献１に記載された従来の工具保持機構を示す一部断面図である。
【０００４】
図５において、１０２は工具ホルダの本体を構成するアーバ部である。このアーバ部１０２の先端部には、工具取付部１０４が設けられており、切削工具１０６が工具取付部１０４に挿着されて図示しないボルトを用いて固定される。アーバ部１０２は、シャンク部１０７とフランジ部１０８を有しており、アーバ部１０２のフランジ部１０８の端面には、リング状の溝１０８ａが形成されており、このリング状の溝１０８ａを蓋１１０で密封することにより、砂などの振動減衰材料が封入される空洞部１１２が形成されている。
【０００５】
切削工具１０６による切削の過程では、切削抵抗などにより振動が発生し、その振動は切削工具１０６からアーバ部１０２に伝達してアーバ部１０２を振動させる。この振動により空洞部１１２に封入された振動減衰材料である砂の粒子は、運動を始めて粒子同士衝突し合ったり、空洞部１１２の壁に衝突したりして、これにより振動エネルギーが熱エネルギーに変換されることにより振動減衰が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３９９８９５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記従来の構成では、工具および工具ホルダからなる系全体を１つの振動系とみなして、振動減衰材料や該振動減衰材料を封入する空洞部形状を決定するため、加工に問題となる１つの周波数に対しては効果的な振動減衰が可能である。
【０００８】
しかし、工具の曲げ固有角周波数と工具および工具ホルダからなる系全体の固有角周波数が異なる場合、同時に振動減衰効果を得て、加工面品位を向上するということが困難であるという課題を有している。
【０００９】
本発明は、前記従来の課題を解決するものであって、工具の曲げ固有角周波数と工具および工具ホルダからなる系全体の固有角周波数が異なる場合においても、同時に振動減衰効果を得て、加工面品位を向上させることができる工具保持機構を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の工具保持装置は、一方側に切刃を有し、他方側に円筒側面を有し、軸方向に中空孔が設けられた工具と、主軸の先端部に着脱自在なシャンク部を有し、前記工具の前記円筒側面を把持する工具取付部を有する工具ホルダと、前記工具の前記中空孔内に挿入され、かつ前記工具の後端部に当接するフランジ部を有する工具内蔵部材と、前記工具の前記中空孔内側と前記工具内蔵部材とに接触するように設置された第１緩衝部材と、前記工具内蔵部材の前記フランジ部に当接するように設置された第２緩衝部材と、前記工具ホルダ内に設けられて、前記第２緩衝部材を前記工具内蔵部材の前記フランジ部に押圧させる固定ネジとを備えた構成にしている。
【００１１】
本構成によって、工具の曲げ固有角周波数に対しては、工具の中空孔に挿入された工具内蔵部材と第１緩衝部材が、動吸振器として振動減衰効果を得ることできる。さらに、工具および工具ホルダからなる系全体の固有角周波数に対しては、工具内蔵部材のフランジ部を介して工具の後端部に押圧される第２緩衝部材が、材料減衰部材として振動減衰効果を得ることができる。
【発明の効果】
【００１２】
以上のように、本発明の工具保持装置によれば、工具の曲げ固有角周波数に対しては、工具の中空孔に挿入された工具内蔵部材が、第１緩衝部材を介して工具と反共振することにより振動減衰効果を得ることでき、さらに、工具および工具ホルダからなる系全体の固有角周波数に対しては、工具内蔵部材のフランジ部を介して工具の後端部に押圧される第２緩衝部材が、材料減衰部材として振動減衰効果を得ることできる。
【００１３】
したがって、本発明の工具保持装置によれば、加工外乱による工具の曲げ固有角周波数の振動と、工具および工具ホルダからなる系全体の固有角周波数の振動による加工面品位の劣化とを両方共に防止することができ、加工面品位を良好な状態に安定維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の工具保持装置の実施形態１における要部を示す断面図
【図２】本発明の工具保持装置の実施形態２における動吸振器の力学モデル図
【図３】本発明の工具保持装置の実施形態３における要部を示す断面図
【図４】本発明の工具保持装置の実施形態４における要部を示す断面図
【図５】従来の工具保持装置における要部を示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１６】
（実施形態１）
図１は本発明の工具保持装置の実施形態１における要部を示す断面図である。
【００１７】
図１において、工具１１には、先端側に切刃が露出する切刃露出部２１が設けられ、後端側に保持用の円筒側面２２が設けられ、軸方向に中空孔１１ａが設けられている。該工具１１の円筒側面２２は工具ホルダ１２の工具取付部１３に焼き嵌め固定されている。
【００１８】
工具ホルダ１２のシャンク部１４は、主軸１５の先端部にテーパ結合され、かつ主軸１５の内部に構成されたクランプ機構１６により主軸１５の後方に引き込み力が加えられている。
【００１９】
前記工具１１には中空孔１１ａ内に工具内蔵部材１７が挿入され、工具内蔵部材１７のフランジ部１７ａが工具１１の後端部に当接するように位置決めされている。
【００２０】
工具１１の中空孔１１ａと工具内蔵部材１７との両方に接触するように第１緩衝部材１８が工具内蔵部材１７に設けられている。また、第２緩衝部材１９が、工具内蔵部材１７の後端部に対して固定ネジ２０によって押圧されている。固定ネジ２０は、工具ホルダ１２の内部に設けられたメネジ部１２ａに螺合されている。
【００２１】
かかる構成によれば、工具１１の曲げ固有角周波数に対しては、工具１１の中空孔１１ａに挿入された工具内蔵部材１７が、第１緩衝部材１８を介して工具１１と反共振するため振動減衰効果を得ることできる。さらに、工具１１および工具ホルダ１２からなる系全体の固有角周波数に対しては、工具内蔵部材１７のフランジ部１７ａを介して工具１１の後端部に押圧されている第２緩衝部材１９が、材料減衰部材として振動減衰効果を得ることできる。このため加工外乱による工具１１の曲げ固有角周波数の振動と、工具１１および工具ホルダ１２からなる系全体の固有角周波数の振動による加工面品位の劣化とを、両方共に防止することができ、加工面品位を良好な状態に安定維持することができる。
【００２２】
（実施形態２）
本発明の実施形態２の基本構成は、図１に示す実施形態１と同一である。しかし、実施形態２では、工具１１の曲げ固有角周波数に対して、工具内蔵部材１７の第１緩衝部材１８を介した工具１１との反共振を最も効果的に実現し、より大きな振動減衰効果を得ることができるような構成にしている。
【００２３】
このため実施形態２では、工具内蔵部材１７の１次曲げ固有角周波数を、工具１１の切刃側露出部２１、つまり工具ホルダ１２の工具取付部１３で把持されていない部位の１次曲げ固有角周波数近傍の周波数に設定し、第１緩衝部材１８を減衰要素として、工具１１の切刃側露出部２１の１次曲げ固有角周波数における振動を減衰させるようにしている。
【００２４】
図２は実施形態２における動吸振器の力学モデル図であり、工具１１の切刃側露出部２１を制御対象として、工具内蔵部材１７の振動系を動吸振器として扱う方法を考える。
【００２５】
まず、切刃露出部２１の１次の曲げ固有角周波数ω１は、工具１１の材料や形状が決定されれば、有限要素法を用いた数値計算により求めることができる。工具内蔵部材１７の振動系の１次の曲げ角周波数ω２は、片持ち梁と考えると容易に計算することができる。
【００２６】
工具１１の切刃露出部２１の質量をｍ１、工具内蔵部材１７の振動系の総質量をｍ２とすれば、動吸振器の定点理論によって、
μ＝ｍ２／ｍ１                                                ・・・（１）
ζａ＝ｃ２／（２ｍ２ω２）                                      ・・・（２）
ζａ：減衰比、
ｃ２：第１緩衝部材１８の減衰係数
とした場合、
ω２／ω１＝１／（１＋μ）                                    ・・・（３）
ζａ＝（３μ／（８（１＋μ）））１／２                          ・・・（４）
となるように、工具内蔵部材１７の振動系の１次の曲げ角周波数ω２と第１緩衝部材１８の減衰比ζａを決定することができる。
【００２７】
かかる構成によれば、工具１１の曲げ固有角周波数に対して、工具内蔵部材１７を動吸振器として機能させ、第１緩衝部材１８を介した工具１１との反共振を最も効果的に実現して、より大きな振動減衰効果を得ることが可能となる。さらに、工具１１および工具ホルダ１２からなる系全体の固有角周波数に対しては、工具内蔵部材１７のフランジを介して工具１１の後端部に押圧されている第２緩衝部材１９が材料減衰部材として振動減衰効果を得ることできるため、加工外乱による工具１１の曲げ固有角周波数の振動と、工具１１および工具ホルダ１２からなる系全体の固有角周波数の振動による加工面品位の劣化との両方を共に防止することができ、加工面品位を良好な状態に安定維持することができる。
【００２８】
（実施形態３）
図３は本発明の工具保持装置の実施形態３における要部を示す断面図である。
【００２９】
図３において、図１に示す実施形態１の構成要素と同じ構成要素については同じ符号を用い、詳しい説明を省略する。
【００３０】
実施形態３では、寸法や材料などの制約によって、工具１１の曲げ固有角周波数に対して、式（３）および式（４）を十分には満足させることができず、工具内蔵部材１７の第１緩衝部材１８を介した工具１１との反共振効果がやや小さい場合においても、工具１１の曲げ固有角周波数に対する振動減衰効果を得ることができるような構成にしている。
【００３１】
図３において、工具内蔵部材２１７は、工具１１の中空孔１１ａ内に挿入され、工具内蔵部材２１７のフランジ部２１７ａは工具１１の後端部に当接するよう位置決めされている。第１緩衝部材１８は、工具１１の中空孔１１ａと工具内蔵部材１７との両方に接触するように構成されており、第２緩衝部材１９は、工具内蔵部材１７の後端部に固定ネジ２０によって押圧されている。
【００３２】
さらに、工具内蔵部材２１７は、工具１１の先端側の端面から単一あるいは複数の微小幅のスリット２２３が設けられている。このスリット２２３は、工具内蔵部材２１７の半径方向に横断し、かつ軸方向には工具ホルダ１２の工具取付部１３付近まで延在している。
【００３３】
このため、工具１１による加工時に主軸１５に回転力が付勢されて、図３に示した構成要素が全て回転するとき、工具内蔵部材２１７にスリット２２３が設けられているため、スリット２２３が設けられている工具内蔵部材２１７の部位は、遠心力によって半径方向に拡がり、工具１１の中空孔の内周面に押圧される。工具内蔵部材２１７における工具１１の中空孔１１ａ内周面への押圧圧力は、回転数の２乗に比例して増大するため、回転数が高いほど、工具内蔵部材２１７と工具１１間の摩擦力が増大することになる。
【００３４】
かかる構成によれば、工具１１の曲げ固有角周波数に対して、工具１１と工具内蔵部材２１７との間には摩擦減衰が作用し、特に高速回転加工ほど、より大きな振動減衰効果を得ることが可能となる。さらに、工具１１および工具ホルダ１２からなる系全体の固有角周波数に対しては、工具内蔵部材２１７のフランジ部２１７ａを介して工具１１の後端部に押圧されている第２緩衝部材１９が材料減衰部材として振動減衰効果を得ることできるため、加工外乱による工具１１の曲げ固有角周波数の振動と、工具１１および工具ホルダ１２からなる系全体の固有角周波数の振動による加工面品位の劣化とを、両方共に防止することができ、加工面品位を良好な状態に安定維持することができる。
【００３５】
（実施形態４）
図４は本発明の工具保持装置の実施形態４における要部を示す断面図である。
【００３６】
図４において、図１に示す実施形態１の構成要素と同じ構成要素については同じ符号を用い、詳しい説明を省略する。
【００３７】
実施形態４では、工具ホルダ１２の内部における工具取付部１３に隣接する位置に空洞部３２４を形成し、この空洞部３２４に少なくとも初期的には流動可能な振動減衰材料３２５を充填し、固定ネジ２０が振動減衰材料３２５の封止部材として兼用される構成にしている。
【００３８】
かかる構成によれば、まず、実施の形態１と同様に、工具１１の曲げ固有角周波数に対しては、工具１１の中空孔１１ａに挿入された工具内蔵部材１７が、第１緩衝部材１８を介して工具１１と反共振するため振動減衰効果を得ることできる。さらに、工具１１および工具ホルダ１２からなる系全体の固有角周波数に対しては、工具内蔵部材１７のフランジ部１７ａを介して工具１１の後端部に押圧されている第２緩衝部材１９が、材料減衰部材として振動減衰効果を得ることできる。
【００３９】
さらには、空洞部３２４内に、樹脂系材料や粉末材料や流動材料などの材料減衰効果の高い物質からなる振動減衰材料３２５を封入しているため、高周波数範囲において、より大きな振動減衰効果を得ることできる。このため加工外乱による工具１１の曲げ固有角周波数の振動と、工具１１および工具ホルダ１２からなる系全体の固有角周波数の振動による加工面品位の劣化とを、両方共に高度に防止することができ、加工面品位を良好な状態に安定維持することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、工具の曲げ固有角周波数に対しては、工具の中空孔に挿入された工具内蔵部材が、第１緩衝部材を介して工具と反共振するため振動減衰効果を得ることでき、さらに、工具および工具ホルダからなる系全体の固有角周波数に対しては、工具内蔵部材のフランジを介して工具後端部に押圧されている第２緩衝部材が材料減衰部材として振動減衰効果を得ることできるため、加工外乱による工具の曲げ固有角周波数の振動と、工具および工具ホルダからなる系全体の固有角周波数の振動による加工面品位の劣化とを、両方共に防止することができ、加工面品位を良好な状態に安定維持できる工具保持装置として有効である。
【符号の説明】
【００４１】
１１  工具
１１ａ  中空孔
１２  工具ホルダ
１３  工具取付部
１４  シャンク部
１５  主軸
１６  クランプ機構
１７，２１７  工具内蔵部材
１７ａ，２１７ａ  フランジ部
１８  第１緩衝部材
１９  第２緩衝部材
２０  固定ネジ
２１  切刃露出部
２２  円筒側面
２２３  スリット
３２４  空洞部
３２５  振動減衰材料
【図１】
2011121121.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2011121121.tif 000006
【図５】
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