(57)【要約】【課題】  円筒形状の被削材を旋盤加工する際に、被削材または切削工具におけるびびり振動の発生を抑制し、高精度の製品を高能率で切削加工を行うに適した切削工具及びそれを備えた切削加工機械を提供する。【解決手段】  切削工具の一方の切れ刃と他方の切れ刃とが被削材の同一の回転面内であって、互いにφの角度をなすように配置した。そして、被削材の回転軸に対する２つの切れ刃との距離が異なり、一方の切れ刃で切削した領域を他方の切れ刃が更に切削加工できるような位置関係に配置した。これにより、剛性の小さい被削材あるいは回転軸方向の領域は大きい被削材を安定に切削加工が可能になる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転する被削材の表面に押し当てて該被削材を切削加工するための切削工具であって、一対のシャンクに夫々取り付けられた切れ刃を備え、同一回転面内であって夫々の切れ刃によって形成される夫々の振動波面の位相差が１８０度なるときの角度で前記一対の切れ刃が連結されてなることを特徴とする切削工具。
【請求項２】
前記一対の切れ刃のうち、一方の切れ刃の先端が他方の切れ刃の先端よりも突き出ていることを特徴とする請求項１に記載の切削工具。
【請求項３】
前記一対の切れ刃のなす角度が６０度〜６６度の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の切削工具。
【請求項４】
被削材を把持して回転させる機構と、切削工具を固定するための工具ホルダと、該工具ホルダを前記被削材の回転軸方向及び半径方向に移動させるための送りガイド機構と該送りガイド機構を駆動するためのサーボモータと、該サーボモータを制御するための制御部を備え、前記切削工具を構成する一対の切れ刃を回転する前記被削材の同一平面内であって、前記一対の切れ刃の各々の切れ刃が形成する振動波面の位相差が１８０度なるときの角度で前記一対の切れ刃を配置したことを特徴とする切削加工機械。
【請求項５】
前記一対の切れ刃のなす角度が６０度〜６６度の範囲なるように各々の切れ刃を取り付けたシャンク同士を連結してなることを特徴とする請求項４に記載の切削加工機械。
【請求項６】
前記被削材の回転中心から前記一対の切れ刃の夫々の先端までの距離は異なり、その距離の差が前記一対の切れ刃の切り込み量であることを特徴とする請求項４に記載の切削加工機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械に取り付けられた切削工具を回転させた被削材に押し当てて被削材を所望の形状に切削加工するにあたり、被削材における加工精度の低下あるいは切削工具の破損を齎す切削工具のびびり振動を抑止して安定な加工を行う切削工具の構造及びそれを備えた切削加工機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
切削加工方法は、切削工具と被削材との相対的な移動によって被削材の一部を削り取る方法であり、機械部品などの製造方法として広く用いられている。
【０００３】
しかしながら、被削材の切削加工中に切削工具の切れ刃の摩耗が発生し、この磨耗は切削加工を継続的に行うに伴って増大する。そして、切れ刃の摩耗は被削材の表面粗さや寸法精度の劣化を誘発させるばかりでなく、切れ刃の突発的な破損という重大な事態を発生させる原因となる。
【０００４】
一般的に、切削工具の切れ刃の摩耗は切削速度が大きい場合や被削材に対する切れ刃の切込み量が大きい場合に生じやすい。このため、例えば焼き入れ処理を施した鋼などの高硬度材料や耐熱合金などの難削材料を切削加工する場合、一般的な被削材の場合に比較して被削材に対する切れ刃の切込み量を小さくして切削加工を行うことが必要である。従って、所望の領域（体積）を切削加工する場合には切削工具の送り回数を増大させなければならず、その結果として被削材の切削加工に多大な時間を必要とする切削加工上の問題があった。
【０００５】
一方、被削材の剛性が低い場合あるいは被削材が長尺であるような場合、切削工具の形状や被削材の硬さなどが原因となって切削加工中にびびり振動の発生する場合がある。このびびり振動とは切削工具と被削材との相対的な振動によって引き起こされ、びびり振動の伴った切削加工では被削材の表面粗さや寸法精度の著しい劣化を齎すことになる。
【０００６】
びびり振動を抑制する一般的な方法は、切削工具の切れ刃の切込み量を小さくして切削力を低減したり、被削材、切削工具、あるいは切削工具を取り付けた工作機械自身の剛性を高めることである。しかしながら、設計寸法を変更して被削材の剛性を高めることは不可能であり、また切削工具や工作機械の剛性を高めることも設備費の増大を伴うため、容易ではない。
【０００７】
上記したように、切削工具の切れ刃の摩耗あるいはびびり振動を抑制するためには被削材に対する切れ刃の切込み量を小さくしなければならないが、その反面、加工時間の増大という切削加工上の不都合が発生する。そこで、例えば特許文献１には２枚の切れ刃を被削材の回転軸方向に並列させて配置し、各々の切れ刃の切り込み量を同じくした方法が開示されている。これにより、一般的な１枚の切れ刃を用いて切削加工を行う場合に比較して加工時間を半減させることが可能になる。
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−６１９８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記した従来技術では一般的な１枚の切れ刃を用いて切削加工する場合に比較して被削材に大きな切削力が作用することになり、その結果として被削材にびびり振動が発生し易く、それが被削材の表面粗さや寸法精度の劣化や切削工具の欠損という重大な課題が未解決のままである。特に、切削工具や被削材の剛性が低い場合あるいは被削材が長尺であるような場合にはびびり振動が軽減されないという問題点を抱えていた。
【００１０】
本発明は被削材の切削加工中のびびり振動を抑制し、更に加工時間の短縮を可能とする切削工具を提供することであり、また、その工具を備えた切削加工機械を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するために、本発明では一対の切れ刃を被削材の同一の回転面内であって、一方の切れ刃が被削材の表面に形成した波面を示す領域を他方の切れ刃が切削加工する際に、この切れ刃自身が形成する波面との位相差が１８０度となるように一対の切れ刃を配置した。
【００１２】
そして、一方の切れ刃によって切削した領域を他方の切れ刃を用いて切削するためには、一対の切れ刃のうち、一方の切れ刃の先端が他方の切れ刃の先端よりも突き出るように配置することは必要である。そして、両者の切れ刃の先端位置の差、言い換えれば、被削材の回転中心から一対の切れ刃の先端までの距離の差が切れ刃の切り込み量になるように一対の切れ刃を配置する。
【００１３】
被削材の回転面内で一対の切れ刃を配置する具体的な角度は被削材の回転速度や各々の切れ刃の切り込み量に関係するが、概ね６０度〜６６度に設定すればよい。これによって切削加工中における被削材のびびり振動の増幅を抑制することが可能になる。
【００１４】
また、上記した切れ刃を有する切削工具を備えた切削加工機械は、被削材を把持して回転させる機構と、切削工具を固定するための工具ホルダと、該工具ホルダを前記被削材の回転軸方向及び半径方向に移動させるための送りガイド機構と該送りガイド機構を駆動するためのサーボモータと、該サーボモータを制御するための制御部を備えた構造とした。
【００１５】
そして、一対の切れ刃のなす角度が６０度〜６６度の範囲なるように各々の切れ刃を取り付けたシャンク同士を連結するようにした。
【発明の効果】
【００１６】
以上のように、本発明では被削材のびびり振動の発生を抑止し、しかも被削材に対して大きな切込み量で切削工具の切れ刃を装着することが出来るので、切削加工時間の短縮が可能になる。これにより、切削加工機械を安定的に、効率よく稼動させることが出来るので、その結果として高精度の切削加工製品を安価に製造することが実現した。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
先ず、本発明である切削工具の具体的な実施例を説明する前に、切削工具と被削材との相対的な振動によって引き起こされるびびり振動について説明する。
図１はびびり振動の機構を説明するための二次元切削概念図である。ここでは切削工具の切れ刃が１枚の場合について説明する。図１において、切削工具１は切れ刃１１と切れは１を取り付けたシャンク１２から構成されており、切れ刃１１を回転する被削材２の表面に押し当ることで切削が行われる。
【００１８】
被削材２の切削加工中に発生するびびり振動は切削工具１の切れ刃１１と被削材２が相対的に振動する現象である。図１において、波打っている実線は切れ刃１１によって引き起こされた被削材２が振動している様子を表し、破線は切れ刃１１が時刻（ｔ−Ｔ１）に位置Ｘ(ｔ−Ｔ１)にいたときに被削材２が振動していた様子を表している。このとき、切れ刃１１によって削られる被削材２表面の切取り厚さｈ（ｔ）は式（１）で表される。
【００１９】
【数１】
2009297820.tif 000003
【００２０】
ここで、ｈ０は振動が生じていない場合の切取り厚さ、ｘ（ｔ）は時刻ｔにおける切れ刃１１と被削材２の相対変位、Ｔ１は被削材２が１回転するのに要する時間であり、ｘ（ｔ−Ｔ１）は、１回転前の状態にある切削工具１の切れ刃１１と被削材２の相対変位を表している。
【００２１】
切削工具１の切れ刃１１が１枚の場合、切削工具１に作用する切削力Ｆ１１は式（２）で表される。
【００２２】
【数２】
2009297820.tif 000004
【００２３】
ここでＡ１１は切削工具１が除去する切削幅、Ｋは被削材２の材質と切削工具１との組合せによって決定される係数である。上記の式（２）のラプラス変換を行い、式（３）が得られる。
【００２４】
【数３】
2009297820.tif 000005
【００２５】
一方、被削材２がばね定数ｋ、減衰係数ｃを有する質量ｍの質点で支持されていると仮定し、その運動方程式（１自由度振動系）をラプラス変換すれば、式（４）が得られる。
【００２６】
【数４】
2009297820.tif 000006
【００２７】
ここで、Ｘ（ｓ）はｘ（ｔ）のラプラス変換である。また、被削材２に働く切削力Ｆ１１（ｓ）に対する相対変位Ｘ（ｓ）の伝達関数φ（ｓ）は式（５）で与えられる。
【００２８】
【数５】
2009297820.tif 000007
【００２９】
上記した式（１）〜式（５）の関係をブロック線図を用いて図２のように表すことが出来る。即ち、切削加工中において、切削工具１にはＦ１１なる大きさの切削力が作用し、これによって相対変位Ｘ（ｓ）が生じる。この相対変位Ｘ（ｓ）は時間Ｔ１経過後に切取り厚さの増加を齎すことになる。
【００３０】
ところで、切削加工時間の短縮を図るために、特許文献１に示されたように２枚の切れ刃を被削材２の回転軸方向に並列に配置した場合を想定する。この場合のブロック線図は図３のようになり、各々の切れ刃の作用が被削材２に対して並列的に働くことになる。図３において、Ｆ１１（ｔ）及びＡ１１は一方の切れ刃１１における切り込み量であり、Ｆ１３（ｔ）及びＡ１３は他方の切れ刃１３における切り込み量である。
【００３１】
図３のブロック線図から明らかのように、一方の切れ刃１１に作用する切削力Ｆ１１と他方の切れ刃１３に作用する切削力１３が同時に被削材２に対して作用するため、その振動変位は切れ刃が１枚の場合に比較して２倍化されることになる。また、一方の切れ刃１１及び他方の切れ刃１３と被削材２の相対変位は、被削材２が１回転する時間Ｔ１後に切取り厚さｈを増加させることになり、その結果として切れ刃が１枚の場合（図２参照）に比較してびびり振動に対する安定性が半減するという不都合が発生する。
【００３２】
次に、本発明である切削工具の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図４は被削材２に対して２つの切削工具１及び３を配置した状態を説明するための図である。図４において、（ａ）はその概観図であり、（ｂ）は被削材２の回転面内から見たときの２つの切削工具１及び３の配置を示した平面図である。
本発明の特徴は切削工具１の切れ刃１１と切削工具３の切れ刃１３とを被削材２の同一回転面内であって、角度θをもって切れ刃１１と切れ刃１３とを配置することである。このとき、切れ刃１１と切れ刃１３とがなす角度θは、最初に切削を開始する切削工具１の切れ刃１１が被削材２の表面に形成した波面を、次の切削工具３の切れ刃１３が切削を開始したときに切削工具３の切れ刃１３自身が形成する波面との位相差が１８０度になるように設定されている。
このとき、切れ刃１１と切れ刃１３のなす角度θが式（６）となるようにすることで実現できる。
【００３３】
【数６】
2009297820.tif 000008
【００３４】
切れ刃１１と切れ刃１３とがなす角度θの具体的な数値は後述するが、概ね６０度〜６６度が好適である。また、一対の切れ刃のうち、一方の切れ刃の先端が他方の切れ刃の先端よりも突き出ているようにした。即ち、被削材の回転中心から一対の切れ刃の夫々の先端までの距離は異なり、その距離の差が切れ刃の切り込み量となるように調整した。
【００３５】
この場合のブロック線図は図３と同様であるが、特許文献１の場合、即ち２つの回転工具を被削材２の回転軸方向に対して並列に配置した場合と比較して異なる点は切れ刃１１と切れ刃１３とが一体となった状態で常に同じ量だけ変位することである。具体的には、切削工具１の切れ刃１１の変位は時間Ｔ１（秒）の経過後に切れ刃１１の切取り厚さに変化を齎すと同時に、時間Ｔ２（秒）の経過後に同一回転面内で角度θだけ離して配置した切削工具３の切れ刃１３の切取り厚さにも影響を及ぼすことになる。
【００３６】
即ち、被削材２の回転速度をＳ（／分）としたとき、最初に切削を開始した切削工具１の切れ刃１１が切削した領域は式（７）で示された時間だけ経過した後に次の切削工具３の切れ刃１３によって切削加工されることになる。
【００３７】
【数７】
2009297820.tif 000009
【００３８】
図３のブロック線図に示したように、２つの切れ刃１１及び１３と被削材２との振動による相対変位ｘ（ｔ−Ｔ１）及びｘ（ｔ−Ｔ２）はそれぞれ切取り厚さに対して正のフィードバックを与えることになる。従って、切れ刃１１によって齎される相対変位ｘ（ｔ−Ｔ１）と切れ刃１１によって齎される相対変位ｘ（ｔ−Ｔ２）の符号を逆にすれば、言い換えれば両者の相対変位の位相差を１８０度となるようにすれば、振動に伴う切取り厚さへのフィードバック量を消滅させることが出来る。このようにすることによって切削加工時のびびり振動を増幅させることなく、安定した切削加工を行うことが可能になる。
【００３９】
前述のように、びびり振動は剛性が小さい被削材２を切削加工する場合に発生し易い。そこで、図５に示した鋼材を例にとり、図４で説明した切削工具を用いて切削加工することを試みた。
図５において、（ａ）は被削材２（鋼材）の切削加工前の状態を表し、これを（ｂ）のような形状に加工することを想定している。また、被削材２の直径は５０ｍｍ、長さ１４０ｍｍであり、全長にわたってφ２０ｍｍの中空が形成されている。そして、更に一方の端部には３０ｍｍの範囲でφ４０ｍｍの中空が形成され、この領域が切削加工機械の回転部に装着され、残りの領域（１００ｍｍ）が図４に示した切削工具１及び３を用いて図５（ｂ）の形状に切削加工される。このとき、被削材２を把持する切削加工機械のチャック爪の弾性変形も加わり、被削材２全体の剛性は極端に低下し、被削材２は切削工具１及び３に対して振動変位を発生し易い。
【００４０】
ばね定数ｋ＝２×１０７（Ｎ／ｍ）、固有振動数はωｎ＝６００（Ｈｚ）、減衰比はζ＝０．０７と仮定し、１自由度の質点ｍの振動系において、質量ｍ、ばね定数ｋ、固有振動数ωｎの間には式（８）の関係が成り立つ。また、減衰比ζと減衰係数ｃ、質量ｍ、ばね定数ｋの間には式（９）の関係が成り立つ。上記した式（８）及び式（９）から質量ｍ及び減衰係数ｃを求めることが出来る。
【００４１】
【数８】
2009297820.tif 000010
【００４２】
【数９】
2009297820.tif 000011
【００４３】
尚、被削材２の材質は鋼である場合、式（３）における係数Ｋは２０００×１０６（Ｎ／ｍ２）である。
【００４４】
図４に示したように切削工具１の切れ刃１１はシャンク１３に搭載されており、切削工具３の切れ刃１３は切れ刃１１に対してθの角度をなすようにシャンク１４に搭載されている。そして、シャンク１３とシャンク１４は機械的に連結されており、被削材２に対して切れ刃１１及び切れ刃１３とが一体となって変位する。また、ここでは被削材の回転中心から一対の切れ刃の夫々の先端までの距離は異なるが、その距離の差が切れ刃の切り込み量となるように調整してあるため、切れ刃１１及び切れ刃１３の切込み量は同じであって、共にＡとする。
【００４５】
図６は切削工具１の切れ刃１１と切削工具３の切れ刃１３とのなす角度がθ＝６６度とした時の被削材２が受ける変位の時間経過を示したものである。図６において、（ａ）は切削工具１の切れ刃１１及び切削工具３の切れ刃１３の切削幅Ａ＝１．２ｍｍの場合であり、（ｂ）は切削幅Ａ＝１．４ｍｍの場合を示している。何れの場合においても切削開始直後（図６（ａ）及び（ｂ）において、１秒後に時点が切削開始の時刻である）にはその変位はやや大きくなるが、その後の時間経過に対して一定であり、安定な切削加工が可能である。一方、図６（ｃ）に例示のように切削幅Ａ＝１．５ｍｍ以上にした場合、被削材２の受ける振動は切削時間の経過とともに著しく増大し、振動が発散状態にあることが分かる。
【００４６】
一方、図５に示した被削材２を従来最も一般的な１枚の切れ刃を用いて切削加工した場合、あるいは特許文献１に例示される２枚の切れ刃を被削材２の回転軸方向に併設して切削加工を行った場合、何れの場合においても図６（ａ）及び（ｂ）の条件では図６（ｃ）の場合と同様に大きなびびり振動が発生し、高速で、高精度の切削加工が困難であった。
【００４７】
図７は切削工具１の切れ刃１１と切削工具３の切れ刃１３とのなす角度がθ＝６０度とした時の被削材２が受ける変位の時間経過を示したものである。図７（ａ）は切削幅Ａ＝０．６（ｍｍ）の場合、（ｂ）は切削幅Ａ＝０．７（ｍｍ）の場合であって、切削開始後における切削材２が受ける変位は図６（ａ）または（ｂ）に比較して半減し、その後の切削時間経過に対しても振動が増大することなく、安定した切削加工が行われている。但し、図７（ｃ）に示したように切削幅を増大させた場合、例えば切削幅Ａ＝０．８（ｍｍ）以上では切削開始後時間の経過とともに振動変位が増大しており、びびり振動が発生していると言える。尚、従来方法では何れの場合でもびびり振動が発生し、安定な切削加工が困難であったということは言うまでもない。
【００４８】
以上に説明したように、切削工具１の切れ刃１１と切削工具３の切れ刃１３とを被削材２の回転軸方向に併設するのではなく、同一の回転面内に所定の角度を設けて配置することによって切削幅を大きくしてもびびり振動を抑制した状態で切削加工が出来、その結果として切削加工時間の短縮が可能になる。この効果は被削材２の剛性が小さい場合には極めて有効ということが出来る。特にアルミニウムなどヤング率が小さく，剛性が低くなる場合や被削材の突き出し長さが長い場合などに有効と言える。
【００４９】
ところで、図６及び図７に示した結果は被削材２が中空構造であるがゆえに被削材全体における剛性が小さい場合であったが、被削材２の材質が鋼材ではなく、例えばアルミニウム合金のように素材そのものの剛性が小さい場合であってもびびり振動を発生させることなく、安定な切削加工が行われる。また、被削材２の剛性は比較的大きいが切削加工すべき領域（切れ刃の送り長さ）が大きい場合にも本発明は極めて有効である。
【００５０】
図８は、本発明で対象としている切削加工を行うための切削加工機械の概要を示した図である。被削材２は切削加工機械の回転駆動部（図示せず）に連結されたスピンドル５１の先端に取り付けられたチャック爪５２に把持されており、チャック爪５２と共に回転する。切削工具１及び３は、Ｘ軸ガイド６１の上を走行する工具ホルダ５３の上に取り付けられており、Ｘ軸サーボモータ６２によりボールねじ６３を回転させることによって工具ホルダ５３はＸ軸方向に移動するようになっている。またＺ軸サーボモータ７２によってＺ軸ボールねじ７３を回転させることにより、切削工具１及び３を搭載した工具ホルダ５３がＸ軸ガイド６１とともにスピンドル５１の回転軸方向、即ち被削材２の回転軸方向にＺ軸ガイド上を移動するようになっている。これらのＸ軸サーボモータ６２及びＺ軸サーボモータ７２はそれぞれ切削加工機械の制御部１０１の指令によって制御される。
【００５１】
上記の工具ホルダ５３上に取り付けられた切削工具１及び３は図３に示した構造であって、両者は角度θを隔てて被削材２の同一回転面上に配置されている。
【００５２】
図５（ａ）に示した外径φ５０ｍｍなる鋼材を図５（ｂ）に示した外形寸法φ２６になるように切削加工を行う場合、従来の１枚切れ刃を用いた切削加工方法では加工中のびびり振動を抑制するためにはＺ軸方向における１回の切削送りに対して切削工具の切り込み量（回転半径方向）を少なくとも０．７ｍｍ以下にしなければならず、切削送りを１８回以上繰り返さなければならず、多大の切削時間を必要とした。一方、本発明の図４に示した切削工具（切れ刃１１と切れ刃１３とのなす角度６６度）を用いた場合、被削材の回転半径方向に対する切れ刃１１と切れ刃１３の切り込み量を１．４ｍｍ以上にしても被削材２が振動することなく、安定な切削加工が可能であった。このときの切削工具の切削送りは９回以下で済むため、極めて短時間に切削加工を完了させることが出来た。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
以上のように、本発明の切削工具及びこの切削工具を備えた切削加工機械を用いることにより、剛性の小さい被削材であっても高精度に、しかも高速で切削加工することが出来るため、種々の工業製品の製造分野において極めて大きな効果を奏することになる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】びびり振動の機構を説明するための二次元切削概念図である。
【図２】切れ刃が１枚の場合のびびり振動を説明するためのブロック線図である。
【図３】切れ刃が２枚の場合のびびり振動を説明するためのブロック線図である。
【図４】本発明の２枚の切れ刃を用いた切削加工を説明するための図であり、（ａ）はその概観図であり、（ｂ）は被削材の回転面内から見たときの２つの切削工具の配置を示した平面図である。
【図５】本発明の切削工具（２枚の切れ刃）を用いてその切削効果を検証するために用いた被削材の構造である。（ａ）は切削加工前の状態、（ｂ）は切削加工が終了したとこの状態を表している。
【図６】２つの切れ刃のなす角度を６６度にした場合、被削材が受ける変位と切削時間との関係を表す実験例である。（ａ）は２つの切削工具における切れ刃の切削幅が１．２ｍｍの場合、（ｂ）は１．４ｍｍの場合、（ｃ）は１．５ｍｍ以上の場合である。
【図７】２つの切れ刃のなす角度を６０度にした場合、被削材が受ける変位と切削時間との関係を表す実験例である。（ａ）は２つの切削工具における切れ刃の切削幅が０．６ｍｍの場合、（ｂ）は０．７ｍｍの場合、（ｃ）は０．８ｍｍ以上の場合である。
【図８】本発明の切削工具を備えた切削加工機械を説明するための概略図である。
【符号の説明】
【００５５】
１、３…切削工具、２…被削材、４…切削材の回転軸、１１…切削工具１の切れ刃、１２…切削工具１のシャンク、１３…切削工具２の切れ刃、１４…切削工具２のシャンク、４…被削材の回転軸、５１…スピンドル、５２…チャック爪、５３…工具ホルダ、６１…Ｘ軸ガイド、６２…Ｘ軸サーボモータ、６３…Ｘ軸ボールねじ、７１…Ｚ軸ガイド、７２…Ｚ軸サーボモータ、７３…Ｚ軸ボールねじ、１０１…制御部
【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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