(57)【要約】【課題】耐びびり性に優れたツールホルダを得る。【解決手段】テーパシャンク部１を後端に有し、その拡大径端に設けたフランジ部２に接続されたツール保持部３を備えたツールホルダにおいて、ツール保持部３のツール取付側所定長さ部分をテーパシャンク部１より減衰能の高い材料で構成し、剛性Ｋと減衰比ζの積で表される耐びびり性αの向上を図る。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
後端にテーパシャンク部を有し、先端部にツール保持部が設けられたツールホルダにおいて、ツール保持部のツール取付側所定長さ部分をテーパシャンク部より減衰能の高い材料で構成したことを特徴とするツールホルダ。
【請求項２】
前記ツール保持部の所定長さ部分を、用いられる高減衰性材料の耐びびり係数が最大となる付近で、かつ剛性値が最大剛性値の略５０％以上の値となる長さに設定することを特徴とする請求項１に記載のツールホルダ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、エンドミル等の各種切削工具のびびり振動を減衰能の高い材料を用いて抑制するツールホルダに関する。
【０００２】
【従来の技術】
マシニングセンタの主軸に装着されるツールホルダは、一般にテーパシャンク部、フランジ部、及びツール保持部の構成部分から成る。使用する際は、テーパシャンク部を主軸端のシャンク挿入孔に挿入し、テーパシャンク部の後端部のプルスタッドを主軸内に組込まれているドローバによりシャンク挿入孔内に引き込み、テーパシャンク部の外周がシャンク挿入孔の内周に密着する一面拘束状態、又はシャンク挿入孔の内周に密着しかつフランジ部の後端面が主軸先端面に密着する二面拘束状態で取付けられる。
【０００３】
このようなツールホルダにより主軸に連結された切削工具に回転を与えて切削加工をする際に、切削抵抗によって切削工具が振動する場合があり、このような振動を抑制する対策が要望され、既に種々の提案がなされている。その一例として特許文献１の「ツールホルダ」が公知であり、このツールホルダは、「先端に切削工具が設けられるツールホルダであって、その材料が２３，０００ｋｇ／ｍｍ２  以上のヤング率を有する高ヤング率材料から成る」というものである。このツールホルダは、深彫り加工等でツールホルダの長さが長くなると、ツールホルダの剛性が低下することにより加工時の振動が大きくなり、工具の破損と加工品精度の低下が生じ易くなって切削能率を下げる必要が生じることに対処しようとするものである。
【０００４】
このため、上記特許文献１のツールホルダでは、所定以上のヤング率を有する高ヤング率材料を用いて、ツールホルダの重量を増加させることなく剛性を高くし、長さを長くしたことによる振動の増大を抑制するようにしている。この場合、高ヤング率材料としては、炭素鋼もしくは合金鋼中にヤング率２４，０００ｋｇ／ｍｍ２  以上の硬度粒子を５〜７０体積％含有しているものとされ、基地の炭素鋼もしくは高合金鋼として、構造用炭素鋼（ＪＩＳ  ＳＣ材）、ニッケルクロム鋼（ＳＣＮ材）、ニッケルクロムモリブデン鋼（ＳＮＣＭ材）、クロム鋼（ＳＣｒ材）、クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ材）、マンガン鋼（ＳＭｎ材）、マンガンクロム鋼（ＳＭｎＣ材）、炭素工具鋼（ＳＫ材）、高速度鋼（ＳＫＨ材）、合金工具鋼（ＳＫＳ、ＳＫＤ、ＳＫＴ材）、高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ材）などが挙げられている。
【０００５】
振動抑制対策を施した他の例として特許文献２の「工具ホルダ」が公知である。この工具ホルダは、切削工具の保持部（切刃取付部材）とシャンク部との間の本体部分を別部材とし、別部材は相互に合着一体化してホルダを構成し、合着状態では前後の別部材相互間又は前、中、後各部材相互間で固有振動数の異なりが生じるように合着部に別材の介材物を介設したというものである。この工具ホルダの目的は、高速回転、高速進行の作業時に切削工具（カッタ）付近で生じる共振（共鳴）的振動を防止することにあり、このため上記の別材の介材物を介設している。この介材物は、実際の例では半径方向に延びる板状又は軸方向に延びる筒状の防振スリーブが用いられている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−１９８３９号公報
【特許文献２】
特開２００１−７９７２５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、工具ホルダの振動を抑制するため、特許文献１のように、ツールホルダをクロムモリブデン鋼ＳＣＭにより形成してツールホルダの剛性を高めるようにしているが、特にびびり振動ではこのような対策だけでは十分抑制できない。マシニングセンタの主軸が高速回転された場合、あるいは深堀り加工のためツール保持部が軸方向に長い場合にはびびり振動が生じ易く、そのびびり振動により加工精度が低下し、工具寿命が短くなることとなる。従って、高い加工精度が要求される場合には、切削条件を下げる必要が生じ、加工効率が低下することとなる。
【０００８】
又、特許文献２の工具ホルダではシャンク部、本体部分、保持部の間に別材の介材物を挿置し、固有振動数が個々に相違するようにしているが、それぞれの部材の固有振動数が高速回転による工具の振動から外れていても耐びびり振動の対策とはならないから、このような対策もやはり不十分である。
【０００９】
従って、加工効率の向上を図るためにはびびり振動の発生を抑制することが求められており、本発明者らはびびり振動の生じ難さ（耐びびり性）は切削工具を含むツールホルダの剛性と減衰比の積に依ることに着目して種々研究の結果、ツールホルダのツール保持部材料に制振材料を用いることにより、剛性は低下するが、減衰能は高められ、結果として耐びびり性に優れたツールホルダを得ることを見いだした。
【００１０】
この発明は、上記の問題に留意して、切削工具のびびり振動を、耐びびり性に優れた材質の部材を用いることにより有効に抑制し得るツールホルダを提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記の課題を解決する手段として、後端にテーパシャンク部を有し、先端部にツール保持部が設けられたツールホルダにおいて、ツール保持部のツール取付側所定長さ部分をテーパシャンク部より減衰能の高い材料で構成したツールホルダとしたのである。
【００１２】
上記のように構成したツールホルダは、ツール保持部がテーパシャンク部の材料と異なる減衰能の高い材料部分とテーパシャンク部と同一の材料の部分から構成されることとなる。両部分の接続部は溶接等により一体に合着して所要長さのツール保持部が形成される。減衰能の高い材料の所定長さ部分は、高減衰能合金鋼材の耐びびり性が最大となる付近で、かつ剛性値が最大剛性値の略５０％程度以上の値となる長さに設定すればよい。
【００１３】
このように設定されるツールホルダは、ツール保持部の剛性は低下するが、減衰性が高められるため、結果として耐びびり性に優れたツールホルダを得ることができ、そのツールホルダに支持された切削工具ではびびり振動を効果的に抑制することができる。
【００１４】
上記減衰能の高い材料としては、代表的な例として銅Ｃｕ、マンガンＭｎを含む銅マンガン合金が挙げられるが、減衰能が同等で、かつ引張強度も一般の炭素鋼程度であれば他の合金鋼でもよい。
【００１５】
【実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は実施形態のツールホルダの概略形状を示す。図示のように、ツールホルダＡは工作機械の主軸端に形成されたシャンク挿入孔に挿入されるテーパシャンク部１と、このテーパシャンク部の大径端部に設けられたフランジ部２と、このフランジ部の先端面中央に設けられたツール保持部３とから成り、このツール保持部３の端には接続金具４を介して切削工具５が取付けられる。６は切刃である。ツール保持部３は、全長Ｌの長さの所定の中間接続部Ｐを境として、フランジ部寄りの基準保持部３ａと、所定長さで先端寄りに設けられる制振保持部３ｂとから成る。
【００１６】
基準保持部３ａと制振保持部３ｂは、中間接続部Ｐで溶接等により一体に合着されてツール保持部３が形成されている。制振保持部３ｂの長さｌｂは制振材料によって最適な長さがあり、それより長くすると剛性が劣化し、短くすると減衰効果が小さくなる。制振保持部３ｂを除く全体はＳＣＭ４１５等のクロムモリブデン鋼又はＳＫＤ６１等の合金工具鋼で一般に剛性の大きい材料が用いられるが、制振保持部３ｂは、図示の例では特に制振効果の高い高減衰能合金（以下Ｄ合金という。製品名Ｄ２０５２，大同特殊鋼（株）製）が用いられている。その化学成分、主な特性値、機械的性質は次の通りである。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
【表２】
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【００１９】
【表３】
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【００２０】
上記制振保持部３ｂの最適長さは、予めコンピュータにより有限要素法（ＦＥＭ）のプログラムで剛性と減衰比を求め、耐びびり性α（剛性Ｘ減衰比）に及ぼす長さｌｂの影響を解析して計算上の最適長さを設定し、最終的には後述する実験結果により決定する。計算方法の詳細については省略するが、最適長さ（計算モデル）は次のように設定する。まず、図２に示すように、計算対象のツールホルダモデルＭ０  を想定し、その寸法諸元を次のように設定する。
【００２１】
ツール保持部Ｌ  ：  ３６２ｍｍ（Ｌ）×４８φ（Ｄ２  ）
制振保持部Ｍ３ｂの長さｌｂ  ：  ０．９１、１８１  、２７１  、３６２  ｍｍ（５種類）
基準保持部Ｍ３ａの長さｌａ  ：  Ｌ−ｌｂ
テーパシャンクＭ１  の長さｌ１  ：  １０４．８ｍｍ
フランジ部Ｍ２  の長さｌ２    ：  ３５ｍｍ
フランジ部径の長さＤ１      ：  １００φｍｍ
断面積    ：  Ａ＝１．８０９６×１０−３ｍ２  
断面係数  ：  ＩＺ  ＝２．６０５８×１０−７ｍ４  
但し、解析の条件は次の通りである。
【００２２】
【表４】
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【００２３】
上記▲１▼、▲２▼について剛性Ｋ、減衰比ζに対する長さｌｂの影響を求めると図３、図４のようになる。図から分かるように、長さｌｂが長くなると剛性Ｋは低下し、減衰比ζは増加することが分かる。
【００２４】
さらに、耐びびり性α（びびり振動の生じ難さ）（＝Ｋ×ζ）に対する長さｌｂの影響を求めると図５のようになった。図中、ｌｂ＝０の場合をα＝１とする。図から、ｌｂ＝２７０ｍｍ近傍でαは最大となり、それより長くすると減少している。しかし、剛性低下が大きくなることを想定して、ｌｂ＝２００ｍｍとして後の試験は行われた。
【００２５】
試験の結果耐びびり性αが大幅に向上することが確認されたから、実施形態での高減衰能のＤ合金をツール保持部の一部長さに用いれば耐びびり性αが大幅に向上するが、その一部長さを設定する方法を要約すれば次の通りである。即ち、所定の高減衰能の合金を選定すると、その寸法諸元に基づいて剛性Ｋと減衰比ζ及び耐びびり性αを制振保持部の長さを種々に変化させて制振保持部長さの影響を求める。そして、耐びびり性αの最大となる長さと剛性Ｋの減少が略５０％となる長さとに留意してそのいずれかの長さを重視して制振保持部長さを設定する。
【００２６】
長さが長くなると一般に剛性Ｋは減少するが、選定される高減衰能の合金の特性として、耐びびり性αの最大となる長さでの剛性Ｋの減少が実際の使用時の加工状態に大きく影響を与えない程の絶対値を有する場合は、出来るだけ耐びびり性αが大きくなる長さに選定するのが好ましいが、剛性Ｋの減少の影響が実際の加工に影響を与える程であれば許容し得る剛性Ｋの最小値となる長さに設定することとなるからである。
【００２７】
【実施例】
上記構成のツールホルダの耐びびり性を評価するため、実施形態で設定された寸法諸元のツールホルダモデルＭ０  について剛性試験と減衰比の試験とを行った。
【００２８】
剛性試験では図６の試験装置を用いた。この試験装置はマシニングセンタのテーブル１０上に取付けられたクランプ治具１１によってツールホルダモデルＭ０  を支持し、マシニングセンタの主軸２０の先端にツールホルダモデルＭ０  の先端に荷重がかかるようにロードセル２１を取付け、テーブル１０を移動させることにより、ツールホルダモデルＭ０  の中心線に垂直な半径方向の荷重を与え、ツールホルダモデルＭ０  のツール保持部Ｍ３ｂの先端の変位と、クランプ治具１１の移動量を電気マイクロメータ２２、２３で測定するようにしている。
【００２９】
減衰比の試験は図７の試験装置を用いた。この試験装置は、マシニングセンタのテーブル１０上にクランプ治具１１を固定し、そのクランプ治具１１に形成されたテーパ孔１２にツールホルダモデルＭ０  のテーパシャンク部Ｍ１  を挿入し、このテーパシャンクＭ１  をボルト１３の締付けによってテーパ孔１２内に引き込むようにしている。このときツールホルダモデルＭ０  に付与される引張り力はロードセル１４から出力される信号をアンプ１５に取り込み、その表示により確認を行うようにしている。
【００３０】
又、クランプ治具１１に取付けられるツールホルダモデルＭ０  のツール保持部Ｍ３ｂの先端部外周に加速度センサ１６を取付け、その取付位置から１８０°位相がずれた位置にインパルスハンマ１７でインパルスを与え、加速度センサ１６から出力される信号をチャージアンプ１８で増幅し、インパルスと共にデータロガー１９で収録するようにしている。
【００３１】
剛性試験では図６に示すクランプ治具１１のテーパ孔１２内にテーパシャンク部Ｍ１  を挿入し、ボルト１３の締付けにより締付トルクＴｍ（２０Ｎｍ）を与えた後、テーブル１０を半径方向に移動させて主軸２０の先端部に取付けたロードセル２１にツール保持部Ｍ３ｂの先端を押付けて、その先端に荷重Ｗを与え、ツール保持部Ｍ３ｂの先端の変位とクランプ治具１１の移動量を電気マイクロメータ２２、２３で測定し、変位δと半径方向の荷重Ｗより剛性Ｋを求めた。図８はその測定結果による剛性Ｋの実測値である。図中ＳＣＭ４１５＋Ｄ２０５２の記号で示す値が、実施例のモデルＭ０  のものであり、同一寸法で材料の異なるものを比較例として示している。比較例として、ダイス鋼ＳＫＤ６１、ダクタイル鋳鉄ＦＣＤ６００、コンパクトパーミキュラ鋳鉄ＣＶ４００を用いた。なお、２つのグラフのうち、（ｂ）は実測データ、（ａ）はＳＫＤ６１鋼の値に基づいて（ｂ）のデータを正規化した値である。
【００３２】
一方、減衰比の試験に際し、図７に示すクランプ治具１１のテーパ孔１２内にテーパシャンク部Ｍ１  を挿入し、ボルト１３の締付けにより締付トルクＴｍ（２０Ｎｍ）を与えた。ツールホルダモデルＭ０  の先端にインパルスハンマ１７にて中心線に垂直なインパルスを与え、その衝撃を与えた位置から１８０°位相がずれた位置の加速度センサ１６により加速度を測定し、減衰比ζの値を算出した。図９はその測定結果による減衰比ζの実測値である。図中ＳＣＭ４１５＋Ｄ２０５２の記号で示す値が実施例のモデルＭ０  のものであり、同一寸法で材料の異なるものを比較例として示している。比較例の材料は図８の場合と同じである。
【００３３】
図１０は上述した減衰比の試験及び剛性の試験により得られた実測値に基づいて耐びびり性αについて算出し、グラフ化したものである。図８、９と同様に比較例についても算出して示している。この図から分かるように、モデルＭ０  の耐びびり性αはＳＫＤ６１製モデルと比較して１．９倍高くなった。但し、剛性は２２％低く、減衰比は約２．４倍に増大した。
【００３４】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、この発明のツールホルダはテーパシャンクに続くツール保持部である所定長さ部分をテーパシャンクより減衰率の高い材料で構成したから、耐びびり性がより優れたツールホルダを得ることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態のツールホルダの正面図
【図２】ツールホルダモデルの正面図
【図３】ツールホルダモデルの剛性に保持部長さが及ぼす影響のグラフ
【図４】ツールホルダモデルの減衰比に保持部長さが及ぼす影響のグラフ
【図５】ツールホルダモデルの耐びびり性に保持部長さが及ぼす影響のグラフ
【図６】ツールホルダモデルの剛性試験装置の一部切欠正面図
【図７】ツールホルダモデルの減衰比試験装置の一部切欠正面図
【図８】ツールホルダモデルの剛性試験の結果を示すグラフ
【図９】ツールホルダモデルの減衰比試験の結果を示すグラフ
【図１０】ツールホルダモデルの耐びびり性の結果を示すグラフ
【符号の説明】
１  テーパシャンク部
２  フランジ部
３  ツール保持部
４  接続金具
５  切削工具
６  切刃
Ａ  ツールホルダ
Ｍ０    ツールホルダモデル
Ｐ  接続部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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