(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
切削時のびびり振動を抑制するための減衰用部材であって、
剛性体と粘弾性体とから構成され、
前記剛性体の一方の先端部近傍に前記粘弾性体を備え、
他方の先端部が切削工具のシャンクを把持する部分を支点として保持可能な形状を有し、
かつ前記剛性体の支点を中心に１方向にのみ自由度を持たせ、
前記粘弾性体を介して前記剛性体を前記シャンクに当接させることで切削時のびびり振動を抑制する切削工具の減衰用部材。
【請求項２】
前記剛性体が板状部材であり、
該部材が前記シャンクの軸線に対する弧形状を有する請求項１に記載の切削工具の減衰用部材。
【請求項３】
前記粘弾性体が前記シャンクの円周方向に亘って当接するように前記剛性体に配設された請求項１〜２いずれかに記載の切削工具の減衰用部材。
【請求項４】
剛性体と粘弾性体と切削工具のシャンクを担持するスリーブとからなる切削工具の減衰装置であって、
前記剛性体の一方の先端部近傍に前記粘弾性体を備え、
他方の先端部が前記スリーブに保持可能な形状を有し、
前記スリーブに前記剛性体を担持させ、
前記粘弾性体を介して前記剛性体を前記シャンクに当接させることで切削時のびびり振動を抑制する切削工具の減衰装置。
【請求項５】
前記剛性体が板状部材であり、
該部材が前記シャンクの軸線に対する弧形状を有する請求項４に記載の切削工具の減衰装置。
【請求項６】
前記粘弾性体が前記シャンクの円周方向に亘って当接するように前記剛性体に配設された請求項４〜５いずれかに記載の切削工具の減衰装置。
【請求項７】
前記剛性体と前記スリーブが前記シャンクの円周方向の相対運動を抑制するように互いに嵌合する形状を有し、
前記スリーブは前記剛性体を前記シャンクの径方向に押圧するための締付け機構を有する請求項４〜６いずれかに記載の切削工具の減衰装置。
【請求項８】
前記シャンクに対する前記剛性体の押圧荷重を調節可能な締付け機構を有する請求項４〜７いずれかに記載の切削工具の減衰装置。
【請求項９】
シャンク部と減衰用部材とを備える切削工具であって、
前記減衰用部材は剛性体と粘弾性体とから構成され、
前記剛性体の一方の先端部近傍に前記粘弾性体を備え、
他方の先端部が前記シャンク部と一体に構成され、
剛性体を固定せずに支点として１方向のみ自由度を持たせ、
前記粘弾性体を介して前記剛性体を前記シャンク部に当接させることで切削時のびびり振動を抑制する切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、切削加工の高能率・高精度化を妨げる要因である工具刃先でのびびり振動を効果的に抑制する減衰用部材、減衰装置及び切削工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
切削加工の高能率化・高精度化を妨げている要因の１つに、切削中に発生する工具刃先でのびびり振動がある。特に、旋盤の内径切削加工で用いられるボーリングバイトは、加工穴の内径によってシャンク径に制約を受けるため、加工穴が深くなると細長く突き出た片持ち梁構造となる。このためシャンクの剛性の低下が避けられず、切削時にびびり振動が発生し、加工能率の低下や仕上げ面の悪化、さらには工具寿命を短くすることが多い。
【０００３】
このびびり振動の多くは再生効果に起因した自励振動である。切削厚さの変動に応じて生じる切削力の変動が自励振動を引き起こす原動力となっているため、シャンクの剛性と振動減衰能がびびり振動の抑制因子として重要とされている。従来、びびり振動を抑制する手法として、シャンク部の高剛性化、高減衰能化が図られてきた。
【０００４】
シャンクの剛性を高める手法としては、シャンクの素材に弾性率の高い超硬合金を用いるのが一般的であるが、素材費が鋼製に比べて大幅に高価である。加えて、鋼に比べて加工も困難であるため、製造コストは大幅に増大する。
【０００５】
シャンクの減衰能を高める手法としては、制振合金をシャンク材に用いる例が存在する（特開２００４−２０２６４９号公報）。制振合金を用いることでびびり振動のエネルギーを熱に変換することができ、シャンクの減衰能を高めることができる。しかしながら、一般的に制振合金の弾性率は鋼材よりも低いため、シャンクの高剛性化には寄与しない。また、制振合金の価格は一般的な鋼材と比較して大幅に高価である。
【０００６】
上記の例はシャンクの素材に着目したものであるが、機構的な減衰装置を用いてびびり振動を抑制する手法も検討されている。例えば、パイプ状に刳り抜いたシャンク内部に高比重材の丸棒を挿入する技術が開示されている（特開２００５−２７９８１９号公報）。高比重材とシャンク内面とに隙間を設けることにより、びびり振動の方向に対して逆の方向に高比重材の丸棒が振動することで制振効果が発現する。また、切削刃を取り付ける側のシャンク内部に中空ポケットを設け、該中空ポケットにダンパーピース（ウエイト）を内蔵する技術も公開されている（特開２００２−７９４０５号公報）。この場合、びびり振動のエネルギーは中空ポケットに内蔵されたウエイトの滑り摩擦または衝撃エネルギーによって吸収される。
【０００７】
上記の内蔵型ダンパーに関する例は何れもシャンク内部に空洞を備えたものであり、空洞部においてシャンクの強度が低下するとともに加工コストが上がるという問題点がある。これに対し、シャンク内部に空洞部を設けない減衰装置として、外付け型ダンパーも存在する（特開平７−８０７０２号公報）。該外付け型ダンパーでは、振動を吸収するためのウエイトがバネの上に配置される構造が一般的である。ウエイトの軸心が切削合力の方向に向くようにダンパーがシャンク側面に設けられるが、内径切削加工時においては切りくずの排出空間が狭くなるため、シャンク側面に取り付けられたダンパーが切りくずの排出を阻害する。また、一定のバネとウエイトから構成されるダンパーが効果的な減衰機能を発揮できる対象は限定されてしまう。更に、ダンパーの取り付け位置等の調整も極めて困難である。
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−２０２６４９号公報
【特許文献２】特開２００５−２７９８１９号公報
【特許文献３】特開２００２−７９４０５号公報
【特許文献４】特開平７−８０７０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来の技術で切削時のびびり振動の抑制を行う場合、(1)素材の選定によってシャンク部の高剛性化、高減衰能化を図る手法、(2)シャンク内部に設けられた空洞にウエイト等を配置する手法、(3)シャンク側面にダンパー機構を取り付ける手法が存在する。(1)の場合は製品価格の大幅な増加が避けられず、(2)の場合はシャンクの強度が問題となる。また、(3)の場合は切削加工時における切りくずの排出が妨げられ、取り付け位置の調整等も困難である。
【００１０】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、シャンクの強度を低下させることなく切削加工で生じるびびり振動を効果的に抑制するとともに、切削加工時における切りくずの排出空間に影響を与えない、安価で効果的な減衰用部材、減衰装置及び切削工具を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の切削時のびびり振動を抑制するための減衰用部材は、剛性体と粘弾性体とから構成されている。剛性体の一方の先端部近傍には粘弾性体が備えられ、他方の先端部はシャンクの把持部を支点として保持可能な形状を有している。さらに、剛性体の支点を中心に１方向にのみ自由度を持たせ、粘弾性体を介して剛性体をシャンクに当接させることで切削時のびびり振動を抑制することができる。
【００１２】
本発明において、粘弾性体とはバネ要素と減衰要素とを有するものであり、非線形なバネ定数を有するものである。つまり、荷重を加えることによって粘弾性体を変形させた場合、該粘弾性体のバネ定数は荷重の大きさによって変化することになる。粘弾性体にはゴム等が含まれるが、金属材料からなるバネ等は含まれない。
【００１３】
剛性体は板状部材であることが好ましく、断面二次モーメントを大きくする観点から該部材がシャンクの軸線に対して弧形状を有することが好ましい。粘弾性体はシャンクの円周方向に亘って当接するように剛性体に配設されていることが好ましい。
【００１４】
本発明の切削工具の減衰装置は剛性体と粘弾性体とスリーブとから構成されている。剛性体の一方の先端部近傍には粘弾性体が備えられ、他方の先端部がスリーブに保持可能な形状を有している。スリーブに剛性体とシャンクを担持させ、粘弾性体を介して剛性体をシャンクに当接させることで切削時のびびり振動を抑制することができる。
【００１５】
剛性体は板状部材であることが好ましく、断面二次モーメントを大きくする観点から該部材がシャンクの軸線に対して弧形状を有することが好ましい。また、粘弾性体はシャンクの円周方向に亘って当接するように剛性体に配設されていることが好ましい。
【００１６】
剛性体とスリーブはシャンクの円周方向の相対運動を抑制するように互いに嵌合する形状を有しており、スリーブは剛性体をシャンクの径方向に押圧するための締付け機構を有していることが望ましい。また、該締め付け機構はシャンクに対する剛性体の押圧荷重を調節可能な構造を有していることが好ましい。
【００１７】
本発明の切削工具は本体部と減衰用部材とを備えている。本体部は切削刃を取り付けるためのシャンク部を有している。減衰用部材は剛性体と粘弾性体とから構成され、剛性体の一方の先端部近傍には粘弾性体が備えられ、他方の先端部がシャンク部と一体に構成されている。剛性体を固定せずに支点として１方向のみ自由度を持たせ、粘弾性体を介して剛性体をシャンク部に当接させることで、切削時のびびり振動を抑制することができる。
【００１８】
剛性体は板状部材であることが好ましく、断面二次モーメントを大きくする観点から該部材がシャンクの軸線に対して弧形状を有することが好ましい。また、粘弾性体はシャンクの円周方向に亘って当接するように剛性体に配設されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の切削時のびびり振動を抑制する減衰用部材、減衰装置及び切削工具は粘弾性体のバネ要素と減衰要素を利用した単純な原理を用いて切削加工時のびびり振動を抑制するものである。びびり振動が生じた際、粘弾性体を介してシャンク面に当接させた剛性体がびびり振動の振動エネルギーを打ち消す方向に振動することにより、びびり振動が抑制される。
【００２０】
剛性体の断面形状を扇型にし、該扇型の内径をシャンク径と同等のアール部にした構造とすることで、内径切削加工における切りくずの排出空間を広くするとともに剛性体自体の剛性を高めることができる。加えて、シャンクと剛性体との間に切りくずが入り込むことを防ぐ上でも有効である。また、粘弾性体はシャンクの円周方向に亘って当接するように剛性体に配設することにより、ねじり振動や触れ回り振動などのびびり振動を粘弾性体によって拘束し、効果的にびびり振動を減衰させることができる。
【００２１】
また、本発明の切削時のびびり振動を抑制する減衰用部材、減衰装置及び切削工具を用いた場合、シャンク内部に空間等を設ける必要がないため、切削刃を取り付けるシャンクの強度が低下することがない。加えて、比較的安価な素材を用いた単純な機構で構成されるため、製品コストを大幅に低減することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明に基づいた各実施の形態における切削時のびびり振動を抑制する減衰用部材、減衰装置及び切削工具について説明する。ここでは主として旋削加工用の切削工具およびフライス加工用の切削工具に用いる場合について説明するが、本発明はその他の切削加工用の切削工具に広く適用することができるものである。
【００２３】
まず、本発明を実施するための最良の形態を説明する前提として、従来のダイナミックダンパーと本発明の切削時のびびり振動を抑制する減衰用部材、減衰装置及び切削工具における減衰機構との原理的な差異を明確にしておく。切削工具のシャンクおよび本発明の減衰用部材は、図１に示すように梁構造を有している。この梁構造の振動形態（振動モード）は複数存在し、低い振動数から順に1次、２次、３次の振動モードと呼ぶ。これらの振動モードの中で、最も振動数が低く主たる振動となる１次の振動モードに着目して等価モデルを構築し、その第一段階として質点系のモデルを構築した（図２）。質点系のモデルでは、梁の先端に集中質量を置き、梁本体に質量は無く、剛性のみが存在するものとして１次の振動モードをモデル化している。
【００２４】
さらに、このモデルにおける梁本体の部分をバネおよびダッシュポットに置き換えて、同一振動数で上下するバネの等価モデルとして表現した（図３）。ここに記された質量ｍ、バネ定数Ｋ、減衰係数Ｃは、梁自身の持つ物性値そのものではなく、1次の振動モードを等価的に表現するバネモデルが持つ値であり、理論計算あるいは実測によって求められる値である。
【００２５】
本発明の減衰用部材をシャンクに取り付けた状態の構造は図４の様になっており、下部のシャンクならびに上部の剛性体がそれぞれ梁の構造を持っている。そのため、等価モデルとするためにそれぞれの梁を図５の様にバネモデルとして扱うこととした。それぞれの梁が粘弾性体を介して連結されていることから、全体的な等価モデルは図６の様なものとなる。
【００２６】
ここで、ｍＢ、ＫＢ、ＣＢ、ＸＢはそれぞれダイナミックダンパーの主系となるシャンクの等価質量、等価バネ定数、等価減衰係数、先端の変位を表し、ｍＰ、ＫＰ、ＣＰ、ＸＰは従系となる剛性体の等価質量、等価バネ定数、等価減衰係数、先端の変位を表す。主系と従系の間に装着された粘弾性体の質量は微小であるとして考慮せず、粘弾性体のバネ定数および減衰係数をＫＧ、ＣＧと置いた。またＦ（ｔ）は主系にかかる切削時の外乱振動である。
【００２７】
一般的なダイナミックダンパーは図７のような構造を有し、下部の主系に対して上部の従系が接地せずに自由振動するものが多い。本発明における減衰機構との相違の一つは、本発明の減衰機構においては従系も主系と同様に接地している点である。これは、本発明の減衰機構においては従系が梁であるという構造的な理由に起因するものである。
【００２８】
通常、ダイナミックダンパーにおいては従系のバネ定数や減衰係数を主系の振動状態に合わせて最適化を行う必要がある。一般的なダイナミックダンパーでは従系の最適条件が設計時に固定され、振動状態に合わせた動的な調整が困難である場合が多い。本発明における減衰機構の特徴は、剛性体の締め付け力を調節することができるネジ等を設け、粘弾性体のバネ定数や減衰係数が非線形であることを利用して、従系の調整が容易に行える点である。これにより、主系の部材や形状変更による振動状態の変化に対して従系を柔軟に対応させることが可能となる。
【００２９】
調節ネジ等の締め付けにより、剛性体がシャンクに押し付けられることになるが、等価モデルにおいては剛性体の全体（図８）がシャンク側へ押し付けられることになるため、等価モデル全体においては接地面間距離Ｌが短くなる（図９）。ここで、シャンクと剛性体に関しては、バネ定数ＫＢ、ＫＰや減衰係数ＣＢ、ＣＰが線形挙動を示すため、圧縮によってその値は変化しないが、粘弾性体のバネ定数ＫＧと減衰係数ＣＧは圧縮によりその値が非線形に変化する。その結果、剛性体と粘弾性体から構成される従系全体の条件が変化し、最適条件を調整することが可能となる。
【００３０】
図１０を参照して、本発明の切削時のびびり振動を抑制するための減衰用部材について説明する。本発明の切削時のびびり振動を抑制するための減衰用部材は、剛性体１００と粘弾性体１０２とから構成されている。剛性体１００は押圧による撓みを防止するため、ヤング率が高いものが望ましい。具体的にはヤング率が１５０ＧＰａ〜２１０ＧＰａの炭素鋼やその他の合金が好ましく、高比重材料の超硬合金、またはそれらを複合化してヤング率を２１０ＧＰａ以上にしたものがより好ましい。
【００３１】
切削工具本体と剛性体１００とのヤング率の比率は可能な限り大きくとる方が望ましく、鋼性シャンクに対しては超硬合金製剛性体（炭素鋼と超硬合金との複合も含む）、超硬合金製シャンクに対しては超硬合金製剛性体の断面二次モーメントを大きくして曲げ剛性を高めることが好ましい。
【００３２】
ダンパーを用いた減衰装置では、減衰効果を効果的に発揮するためにダンパーの微調整を行うことが多い。よって、非線形である粘弾性体１０２のバネ定数および減衰率の押圧による変化率が少ない方が望ましい。粘弾性体１０２のバネ定数は２０〜２００ｋＮ／ｍであることが好ましい。また、シャンク接触部において粘弾性体１０２が切削熱から受ける影響を少なくするため、シャンク軸円周方向および軸方向に上記バネ定数以内になる限度において粘弾性体１０２の体積を大きくし、粘弾性体１０２の熱容量を増加させることが好ましい。
【００３３】
図１１を参照して、本発明の切削時のびびり振動を抑制する減衰装置について説明する。本発明の切削時のびびり振動を抑制する減衰装置は剛性体２００と粘弾性体２０２とスリーブ２０４とから構成されている。剛性体２００の一方の先端部近傍には粘弾性体２０２が備えられ、他方の先端部がスリーブ２０４に保持可能な形状を有している。スリーブ２０４に剛性体２００と切削工具のシャンク２０６を担持させ、粘弾性体２０２を介して剛性体２００をシャンク２０６に当接させることで切削時のびびり振動を抑制することができる。剛性体２００とスリーブ２０４はシャンク２０６の円周方向の相対運動を抑制するように互いに嵌合する形状を有しており、スリーブ２０４は剛性体２００をシャンク２０６の径方向に押圧するための締付け機構２１０を有している。また、該締め付け機構２１０はシャンク２０６に対する剛性体２００の押圧荷重を調節可能な構造を有していることが好ましい。
【００３４】
剛性体２００は押圧による撓みを防止するため、ヤング率が高いものが望ましい。具体的にはヤング率が１５０ＧＰａ〜２１０ＧＰａの炭素鋼やその他の合金が好ましく、高比重材料の超硬合金、またはそれらを複合化してヤング率を２１０ＧＰａ以上にしたものがより好ましい。
【００３５】
シャンク２０６と剛性体２００とのヤング率の比率は可能な限り大きくとる方が望ましく、鋼性シャンクに対しては超硬合金製剛性体（炭素鋼と超硬合金との複合も含む）、超硬合金製シャンクに対しては超硬合金製剛性体の断面二次モーメントを大きくして曲げ剛性を高めることが好ましい。
【００３６】
剛性体２００に一方向のみの自由度を持たせることによってシャンク２０６に発生するねじり振動や振れ回り振動等の多自由度方向の振動を拘束しながら減衰させるため、剛性体２００とスリーブ２０４との嵌合精度は±０．０２ｍｍ〜±０．０５ｍｍとして、がたつきが無いように作製することが好ましい。
【００３７】
図１２を参照して、本発明の切削時のびびり振動を抑制する切削工具について説明する。本発明の切削時のびびり振動を抑制する切削工具は本体部と減衰用部材とを備えている。本体部は切削刃３０８を取り付けるためのシャンク部３０６を有している。減衰用部材は剛性体３００と粘弾性体３０２から構成され、剛性体３００の一方の先端部近傍には粘弾性体３０２が備えられ、他方の先端部がシャンク部３０６と一体に構成されている。粘弾性体３０２を介して剛性体３００をシャンク部３０６に当接させることで切削時のびびり振動を抑制することができる。
【００３８】
剛性体３００は押圧による撓みを防止するため、ヤング率が高いものが望ましい。具体的にはヤング率が１５０ＧＰａ〜２１０ＧＰａの炭素鋼やその他の合金が好ましく、高比重材料の超硬合金、またはそれらを複合化してヤング率を２１０ＧＰａ以上にしたものがより好ましい。
【００３９】
切削工具のシャンク部３０６と剛性体３００とのヤング率の比率は可能な限り大きくとる方が望ましく、鋼性シャンクに対しては超硬合金製剛性体（炭素鋼と超硬合金との複合も含む）、超硬合金製シャンクに対しては超硬合金製剛性体の断面二次モーメントを大きくして曲げ剛性を高めることが好ましい。
【００４０】
切削工具のシャンク部３０６と剛性体３００は一体に構成されていればその接合方法は問わず、ろう付け、溶接、ボルト等による機械的な接合はもちろんのこと、一つのバルク材を切削加工等によって削り出すことによって、シャンク部３０６と剛性体３００を一体に作製したものでもよい。この場合も、工作機械への取り付けに用いるスリーブで把持する際に、シャンク部だけでなく剛性体相当部分にも把持力が作用するように固定することが望ましい。
【実施例】
【００４１】
以下に本発明の実施例及び比較例を図面を参照して説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
実施例１
本発明の切削時のびびり振動を抑制する減衰装置を使用し、該切削時のびびり振動を抑制する減衰装置がシャンクの自由減衰振動波形および動剛性に及ぼす影響を実証した。実験に用いた切削時のびびり振動を抑制する減衰装置の外観を図１３に示す。切削時のびびり振動を抑制する減衰装置はシャンク径１０ｍｍ用であり、鋼板（剛性体）、鋼製スリーブ、直径２ｍｍのニトリルゴム球から構成されるカンチレバータイプである。鋼板の断面形状は扇型であり、鋼板の剛性を高めるとともに切くずの排出空間を極力広げる形状となっている。また、切削条件で変化する切削力の向きにも対応できるよう、鋼板をシャンクの円周方向に可動できる仕様としている。更に、鋼製スリーブに設けられたネジの締め付け力を調節することにより、鋼板の押し付け力を調節することができる。本実施例では、シャンクを固定する角型のスリーブ内に切削時のびびり振動を抑制する減衰用部材を保持するためのスリーブを備えている。ＣＮＣ／ＮＣ旋盤、タレット旋盤などのツールホルダーでは、この角型スリーブが丸型となる。
【００４２】
自由減衰振動波形の測定状況を図１４に示す。自由減衰振動波形の測定はシャンク先端に加速度センサーを取り付けた状態で主分力方向にインパクト加振して行い、鋼板の圧縮力はストレインゲージを用いて測定した。なお、シャンクの突出し長さは７５ｍｍである。図１５に鋼板の圧縮力（Ｆ）が０Ｎの場合における径φ１０ｍｍの鋼製シャンクの自由減衰振動波形、図１６に鋼板の圧縮力（Ｆ）が５Ｎの場合における径φ１０ｍｍの鋼製シャンクの自由減衰振動波形をそれぞれ示す。鋼板の圧縮力（Ｆ）が５Ｎの場合は０Ｎの場合と比較して短時間でシャンクの振動が小さくなっており、本発明の切削時のびびり振動を抑制する減衰装置の効果が明瞭に現れている。比較として、本発明の切削時のびびり振動を抑制する減衰装置を使用せず、径φ１２ｍｍの鋼製シャンクおよび径φ１２ｍｍの超硬合金製シャンクについて得た自由減衰振動波形を図１７および図１８にそれぞれ示す。測定に用いた全てのシャンクの中で、本発明の切削時のびびり振動を抑制する減衰装置を５Ｎの圧縮力（Ｆ）で装着した径φ１０ｍｍの鋼製シャンクが最も優れた振動減衰効果を有しているのが確認できる。
【００４３】
図１９に鋼板の圧縮力（Ｆ）がそれぞれ５Ｎと０Ｎの場合における径φ１０ｍｍの鋼製シャンクについて、インパルス応答法によって求められたコンプライアンスを示す（工具突出し長さ７５ｍｍ）。最大コンプライアンスの逆数は動剛性に相当し、その値が低下するほど動剛性が向上していることを意味する。本発明の切削時のびびり振動を抑制する減衰装置を５Ｎの圧縮力（Ｆ）で装着時の動剛性は、０Ｎの圧縮力（Ｆ）で装着時の動剛性よりも約９倍高い。また、半値幅法で求めた自由減衰振動減衰比（ζ）も約１５倍大きくなっており、本発明の切削時のびびり振動を抑制する減衰装置が有効に作用していることが確認できる。
【００４４】
図２０に鋼板の圧縮力（Ｆ）がそれぞれ５Ｎと０Ｎの場合における、径φ１０ｍｍの超硬合金製シャンクを用いた場合の切削仕上げ面の形状を示す。切削刃はスローアウェイチップ（Ｋ２０，ＴＰＧＨ１１０３０４Ｒ−ＳＤ）を使用し、被削材としてＳ４５Ｃを用いて外周旋削を行った。工具の送りは０．１ｍｍ／ｒｅｖで一定とし、被削材回転数は１２７０ｒｐｍ、切削速度は１６３ｍ／ｍｉｍ、切り込み量は０．１ｍｍとした。圧縮力（Ｆ）が５Ｎの場合の切削仕上げ面は圧縮力（Ｆ）が０Ｎの場合の切削仕上げ面と比較して明らかに滑らかであり、びびりマークが消滅している。
【００４５】
実施例２
本発明の切削時のびびり振動を抑制する減衰用部材、減衰装置及び切削工具の最適設計に指針を与えるため、等価モデルによるシュミレーションを行った。ここではシャンクを主系とみなし、これにゴム球のバネ要素と減衰要素とを付加した剛性板を従系とみなして、主系に強制振動が加わる場合の振幅比（｜ＸＢ／Ｘｓｔ｜）を求める。ＸＢは強制振動の振幅、Ｘｓｔは外力による静的変位をそれぞれ示す。図２１にゴム球のバネ定数（ＫＧ）を変数として、主系の振動数比（β）と振幅比との関係を解析した例を示す。
【００４６】
上記シュミレーションに用いるゴム球のバネ定数（ＫＧ）は、直径が２ｍｍのニトリルゴム球を実際に荷重試験に供して測定した。図２２にニトリルゴム球の加重−たわみ曲線を示す。該曲線から、各荷重Ｆ（０，１，３，４，５，６Ｎ）におけるゴム球のバネ定数（ＫＧ）を近似的に求めている。
【００４７】
図２３にゴム球の圧縮力（Ｆ）とシャンクの自由減衰振動減衰比（ζ）との関係を示す。本結果は本発明の切削時のびびり振動を抑制する減衰装置を超硬合金製のシャンクに取り付け、実際に測定した結果から得られたものである（工具突出し長さ７５ｍｍ）。切削時のびびり振動を抑制する減衰装置はシャンク径１０ｍｍ用であり、鋼板（剛性体）、鋼製スリーブ、直径２ｍｍのニトリルゴム球から構成されるカンチレバータイプである。鋼板の断面形状は扇型であり、鋼板の剛性を高めるとともに切くずの排出空間を極力広げる形状となっている。また、切削条件で変化する切削力の向きにも対応できるよう、鋼板をシャンクの円周方向に可動できる仕様としている。更に、鋼製スリーブに設けられたネジの締め付け力を調節することにより、鋼板の押し付け力を調節することができる。本実施例では、シャンクを固定する角型のスリーブ内に切削時のびびり振動を抑制する減衰用部材を保持するためのスリーブを備えている。ＣＮＣ／ＮＣ旋盤、タレット旋盤などのツールホルダーでは、この角型スリーブが丸型となる。
【００４８】
切削時のびびり振動を抑制する減衰用部材の鋼板は、鋼製スリーブに設けられた押し付け荷重調整用ネジ部から直径２ｍｍのニトリルゴム球までの距離を５５ｍｍとして、切削力の背分力方向に取り付けて測定を行った。シャンクの自由減衰振動減衰比（ζ）の測定は各分力方向について加速度センサーを工具側に取り付けてインパクト加振し、それぞれの応答加速度の減衰自由振動波形から求めている。なお、鋼板の圧縮力はストレインゲージを用いて測定した。
【００４９】
図２３から、圧縮力（Ｆ）が５Ｎの場合に主分力方向のシャンクの自由減衰振動減衰比（ζ）が最も高くなることが分かる。上述のシュミレーション結果（図２１）においても圧縮力（Ｆ）が５Ｎの場合に最も優れた減衰効果を示しており、実験結果とシュミレーション結果が良い一致を示している。これらの結果から、本発明の切削時のびびり振動を抑制する減衰用部材、減衰装置及び切削工具は優れた減衰効果を有し、その設計にあたっては等価モデルを用いた解析によって最適化が行えるということが明らかになった。
【００５０】
実施例３
本発明の切削時のびびり振動を抑制する減衰用部材を装着することによって生じる最小加工穴径の増大を考慮して、径φ１０ｍｍの鋼製シャンクに該減衰用部材を装着したもの（トータルの径φ：約１２ｍｍ）と、径φ１２ｍｍの鋼製シャンクならびに径φ１２ｍｍの超硬合金製シャンクを用いて切削試験を行った。本試験によって、同一の最小加工穴径を有するシャンク間でのびびり振動抑制効果を評価することができる。
【００５１】
切削試験で用いた切削時のびびり振動を抑制する減衰装置の外観を図２４に示す。切削時のびびり振動を抑制する減衰装置はシャンク径１０ｍｍ用であり、鋼板（剛性体）、鋼製スリーブ、φ２ｍｍのニトリルゴム製Ｏリングを１／４分割したものから構成されるカンチレバータイプである。鋼板の断面形状は扇型であり、鋼板の剛性を高めるとともに切くずの排出空間を極力広げる形状となっている。加えて、鋼板の質量を大きくするために超硬合金の丸棒（φ２ｍｍ）が銀ロウで鋼板に接合されている。また、切削条件で変化する切削力の向きにも対応できるよう、鋼板をシャンクの円周方向に可動できる仕様としている。また、切削中に鋼板がシャンク軸方向に動かないように、該鋼板と鋼製スリーブとの結合部をコの字型にして嵌合させている。更に、鋼製スリーブに設けられたネジの締め付け力を調節することにより、鋼板の押し付け力を調節することができる。本実施例では、シャンクを固定する角型のスリーブ内に切削時のびびり振動を抑制する減衰装置の鋼板を保持するためのスリーブを備えている。ＣＮＣ／ＮＣ旋盤、タレット旋盤などのツールホルダーでは、この角型スリーブが丸型となる。
【００５２】
被削材はＳ４５Ｃを用い、乾切削で試験を行った。工具突出し長さは７２ｍｍで一定とし、工具突出し比（工具突出し長さ／シャンク径）は本発明の切削時のびびり振動を抑制する減衰装置を装着した鋼製シャンクでは７．２、装着していないシャンクでは６とした。工具の送りは０．１ｍｍ／ｒｅｖで一定とし、被削材回転数は６３０ｒｐｍ〜１２７０ｒｐｍ、切削速度は８６ｍ／ｍｉｍ〜１６３ｍ／ｍｉｍ、切り込み量は０．１ｍｍ〜１．０ｍｍとした。
【００５３】
びびりの有無またはその大きさを定量的に調べるため、各切削条件の下で得られた切削仕上げ面の表面粗さ（中心線平均粗さ：Ｒａ）を測定するとともに、実体顕微鏡（ＣＣＤカメラ）を用いてびびり状態を観察した。また、取り付けによる切削工具の刃先心高さのずれを防止するため、ダイヤルゲージ付きハイトゲージを用いて該高さの差異が±０．０３ｍｍ以下になるように調節した。加えて、すくい角等の刃先形状も工具顕微鏡を用いて確認した。
【００５４】
切削速度８６ｍ／ｍｉｎにおける切り込み量と切削仕上げ面粗さ（Ｒａ）との関係を表１に示す。本発明の切削時のびびり振動を抑制する減衰装置を装着した径φ１０ｍｍの鋼製シャンクを用いた場合、切り込み量に関わらず小さなＲａ値を示している。これに対し、比較のために用いたバーは切り込み量が小さな領域で大きなＲａ値を示している。
【００５５】
【表１】
0005131826.tif 000002
【００５６】
切削速度１１３ｍ／ｍｉｎにおける切り込み量と切削仕上げ面粗さ（Ｒａ）との関係を表２に示す。本発明の切削時のびびり振動を抑制する減衰装置を装着した径φ１０ｍｍの鋼製シャンクを用いた場合、切り込み量に関わらず小さなＲａ値を示している。これに対し、比較のために用いたバーは切り込み量が小さな領域で大きなＲａ値を示している。また、切り込み量が０．５ｍｍ〜１．０ｍｍの領域で径φ１２ｍｍの鋼製シャンクのＲａ値が顕著に大きくなっているのに対し、本発明の切削時のびびり振動を抑制する減衰装置を装着した場合はＲａ値が明らかに小さい。
【００５７】
【表２】
0005131826.tif 000003
【００５８】
切削速度１６３ｍ／ｍｉｎにおける切り込み量と切削仕上げ面粗さ（Ｒａ）との関係を表３に示す。切削速度１６３ｍ／ｍｉｎにおいても、切削時のびびり振動を抑制する減衰装置を装着することによるびびり振動抑制効果が明瞭に確認できる。径φ１２ｍｍの鋼製シャンクのＲａ値と比較して、本発明の切削時のびびり振動を抑制する減衰装置を装着した径φ１０ｍｍの鋼製シャンクのＲａ値は明らかに小さい。なお、本条件に関しては径φ１２ｍｍの超硬合金製シャンクのびびり振動が大き過ぎたため、これらのシャンクに関してはＲａ値の測定を行っていない。
【表３】
0005131826.tif 000004
【００５９】
図２５に切削速度８６ｍ／ｍｉｎ、切り込み量０．３０ｍｍにおける表面粗さ（Ｒａ）の測定結果を示す。本発明の切削時のびびり振動を抑制する減衰装置を装着した径φ１０ｍｍの鋼製シャンクで切削した試料の表面は径φ１２ｍｍの鋼製シャンクで切削した試料の表面と比較して明らかに滑らかであり、径φ１２ｍｍの超硬合金製シャンクを用いて切削した場合と同程度である。
【００６０】
図２６に切削速度１１３ｍ／ｍｉｎ、切り込み量０．１〜０．３ｍｍにおける切削仕上げ面の観察例、図２７に切削速度１１３ｍ／ｍｉｎ、切り込み量０．５、１．０ｍｍにおける切削仕上げ面の観察例を示す。本発明の切削時のびびり振動を抑制する減衰装置を装着した径φ１０ｍｍの鋼製シャンクで切削した試料の表面は、他の比較シャンクを用いて切削した試料の表面よりも滑らかである。
【００６１】
びびりマークが消滅するＲａ値は、切削仕上げ面の観察結果から２μｍ以下であることが確認されている。本発明の切削時のびびり振動を抑制する減衰装置を装着した場合は、切り込み量や切削速度に関わらず、Ｒａの範囲が１〜３μｍ程度となり、他の比較シャンクを用いた場合よりも切削状態が安定している。
【００６２】
以上の結果から、本発明の切削時のびびり振動を抑制する減衰装置を装着した径φ１０ｍｍの鋼製シャンクでは、切り込み量が０．４ｍｍ以下の仕上げ切削条件において何れの比較シャンクを用いた場合よりも仕上げ面粗さ（Ｒａ）が小さく、びびり振動が抑制されていることが分かる。また、切り込み量が１．０ｍｍの中切削条件においても、シャンク径φ１２ｍｍの超硬合金製シャンクと同程度のＲａ値を示している。本発明の切削時のびびり振動を抑制する減衰装置を装着したものでは切り込み量や切削速度に関わらず、Ｒａ値の範囲が１〜３μｍとなっており、何れの比較シャンクを使用した場合よりも切削状態が安定していることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】梁構造の模式図である。
【図２】質点系のモデル図である。
【図３】同一振動数で上下するバネの等価モデル図である。
【図４】本発明の減衰用部材をシャンクに取り付けた状態を表す模式図である。
【図５】図４のバネモデル図である。
【図６】本発明の減衰用部材をシャンクに取り付けた状態を表す等価モデル図である。
【図７】一般的なダイナミックダンパーの等価モデル図である。
【図８】本発明の減衰用部材を構成する剛性体を表す等価モデル図である。
【図９】本発明の減衰用部材をシャンクに押し付けた状態を表す等価モデル図である。
【図１０】本発明に基づいた実施の形態における切削時のびびり振動を抑制する減衰用部材の斜視図である。
【図１１】本発明に基づいた実施の形態における切削時のびびり振動を抑制する減衰用装置を装着した切削工具の側面図である。
【図１２】本発明に基づいた実施の形態における切削時のびびり振動を抑制する切削工具の側面図である。
【図１３】本発明に基づいた実施の形態１における切削時のびびり振動を抑制する減衰用装置および該減衰用装置を装着した切削工具の写真である。
【図１４】自由減衰振動波形の測定状況を示す写真である。
【図１５】鋼板の圧縮力（Ｆ）が０Ｎの場合における鋼製シャンクの自由減衰振動波形である。
【図１６】鋼板の圧縮力（Ｆ）が５Ｎの場合における鋼製シャンクの自由減衰振動波形である。
【図１７】径φ１２ｍｍの鋼製シャンクの自由減衰振動波形である。
【図１８】径φ１２ｍｍの超硬合金製シャンクの自由減衰振動波形である。
【図１９】鋼板の圧縮力（F）が０Nと５Nの場合における鋼製シャンクの動剛性を示す図である。
【図２０】本発明に基づいた実施の形態１における切削表面の写真である。
【図２１】振動解析結果を示す図である。
【図２２】バネ定数の測定結果を示す図である。
【図２３】振動特性の実測値を示す図である。
【図２４】本発明に基づいた実施の形態３における切削時のびびり振動を抑制する減衰用装置および該減衰用装置を装着した切削工具の写真である。
【図２５】表面粗さの測定結果を表わす図である。
【図２６】本発明に基づいた実施の形態３における、切り込み量が０．１ｍｍ〜０．３ｍｍの場合の切削表面の写真である。
【図２７】本発明に基づいた実施の形態３における、切り込み量が０．５ｍｍおよび１．０ｍｍの場合の切削表面の写真である。
【符号の説明】
【００６４】
１００，２００，３００…剛性体
１０２，２０２，３０２…粘弾性体
２０４…スリーブ
２０６…シャンク
２０８，３０８…切削刃
２１０…締付け機構
３０６…シャンク部
【図１】
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【図２】
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【図３】
0005131826.tif 000007
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
0005131826.tif 000023
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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