CN105562746A - 用于锥形夹头的内套筒和切削工具保持件 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于锥形夹头的内套筒，包括含有阻尼合金的筒部，在该内套筒上设有狭槽，本发明还涉及包括夹头卡盘主体、锥形夹头和用于锥形夹头的内套筒的切削工具保持件。

Description

用于锥形夹头的内套筒和切削工具保持件

技术领域

本发明涉及用于将切削工具紧固到旋转式切削机的锥形夹头的内套筒，还涉及包含所述内套筒的切削工具保持件。

背景技术

在切削操作中，当由于切削工具与要切削的工件之间的接触产生连续振动，即所谓的“振刀(chattering)”(下文称为“颤振(chattervibration)”)时，要切削的工件的机加工精度降低，从而导致切削质量差。为应对该问题，除了提出增加用于固定切削工具的卡盘或紧固到卡盘的保持件的刚度外，还提出通过提供具有减振功能的元件来减少振动，由此防止产生振动。

例如PTL.1公开了将在内径机加工中使用的钻杆安装到机床等的刀具保持件上的钻杆保持件(保持工具)，其中在钻杆保持件和钻杆之间插入由阻尼合金制成的元件。通过将钻杆的柄部插入保持件的内孔并利用夹紧螺钉将柄部推到内孔的一侧而固定钻杆。由铝、紫铜、锌、黄铜或阻尼钢板制成的板条元件安放在推动面上，以插置在柄部和内孔之间。利用具有减振特性的板条元件，使得在切削操作期间废切屑的切削边缘中产生的振动在从钻杆的柄部扩散到钻杆保持件之前就得到减少，由此防止振动直接传递到钻杆保持件并防止钻杆与钻杆保持件一起振动。

在例如立铣刀等切削工具安装到紧固至旋转式切削机的卡盘上的切削工具保持件的情况下，往往使用具有从中心沿径向形成的切口的基本为筒状的夹头。具体而言，在安装具有相对小直径的切削工具的情况下，往往使用设有具有朝切削工具侧直径增加的渐缩部的锥形夹头，从而在卡盘中可以获得大的紧固尺寸。即使在使用这种锥形夹头的情况下，也需要防止颤振。

例如PTL.2描述了在使用锥形夹头的切削工具保持件中，切削工具保持件借助高速旋转的离心力而扩张，锥形夹头的紧固螺母的紧固力减小，容易产生颤振。然后，PTL.2公开了在锥形夹头的紧固螺母的内侧设置用于施加沿紧固锥形夹头的方向的偏压的偏压装置例如蝶形弹簧，以增加保持件、锥形夹头和切削工具的刚度。

此外，PTL.3描述了防止使用锥形夹头的切削工具保持件在高速旋转时产生颤振的方法。PTL.3公开了不从切削工具侧通过紧固螺母紧固锥形夹头，而是将连接到拉杆的对拉螺栓(pullbolt)延伸到切削工具侧，并利用对拉螺栓将锥形夹头的顶端拧紧。锥形夹头借助拉杆的张力被牢固地牵拉在切削工具保持件的夹头卡盘主体的内周渐缩部中，由此可以防止颤振。

PTL.1:JP-UM-A-H05-088804

PTL.2:JP-A-H07-276116

PTL.3:JP-UM-A-H06-066901

发明内容

人们认为，在使用锥形夹头的切削工具保持件中也一样，除了通过提高保持件的刚度来防止产生颤振之外，还通过提供具有减振功能的元件来吸收振动。提供减振功能的阻尼合金一般将振动转化为内摩擦的热量并吸收该热量，因此，阻尼合金的刚度与工具钢等的刚度相比不是很高。因此，需要优化由阻尼合金制成的具有减振功能的元件的形状和构造，以提高要切削的工件的机加工精度。

考虑到上述情况作出本发明，本发明的目的是提供一种用于将切削工具紧固到旋转式切削机的锥形夹头中并能够提高要切削的工件的机加工精度的内套筒，本发明的目的还在于提供包括所述内套筒的切削工具保持件。

为实现所述目的，本发明提供用于锥形夹头的内套筒，该内套筒用于插入到将切削工具的柄部抓持住的锥形夹头中，该内套筒包括含有阻尼合金的筒部，该筒部上设有狭槽。

根据本发明，利用安装到锥形夹头的紧固部上的含有阻尼合金的筒状内套筒，可以减少在切削工具中产生的振动，从而可以防止颤振、提高要切削的工件的机加工精度、特别是可以改进机加工表面的表面粗糙度。

在本发明中，优选的是所述狭槽包括第一狭槽和第二狭槽，所述第一狭槽形成为从所述筒部的纵向上的第一端部朝所述筒部的第二端部延伸而不贯穿所述第二端部，所述第二狭槽形成为从所述第二端部朝所述第一端部延伸而不贯穿所述第一端部，并且所述第一狭槽和所述第二狭槽交替设置。根据该实施例，可以减少在切削工具中产生的振动，在利用锥形夹头保持切削工具的可靠紧固的同时减少在切削工具中产生的振动，可以提高要切削的工件的机加工精度，特别是可以改进机加工表面的表面粗糙度。

在本发明中，优选的是所述第一狭槽和所述第二狭槽中每一者的长度大于所述筒部的纵向长度的1/2。根据该实施例，可以在利用锥形夹头保持切削工具的可靠紧固的同时有效地减少在切削工具中产生的振动，可以提高要切削的工件的机加工精度，特别是可以改进机加工表面的表面粗糙度。

在本发明中，优选的是所述狭槽包括第三狭槽，所述第三狭槽从所述第一端部贯穿至所述第二端部。根据该实施例，可以在利用锥形夹头保持切削工具的可靠紧固的同时减少在切削工具中产生的振动，可以提高要切削的工件的机加工精度，特别是可以改进机加工表面的表面粗糙度。

在本发明中，优选的是内套筒还包括位于所述筒部的纵向端部上的锁定区段，所述锁定区段与所述锥形夹头接合。根据该实施例，可以稳当地执行将内套筒相对于锥形夹头定位的处理，可以在利用锥形夹头保持切削工具的可靠紧固的同时稳当地抓持切削工具，可以减少在切削工具中产生的振动，提高要切削的工件的机加工精度，特别是可以改进机加工表面的表面粗糙度。

在本发明中，优选的是所述锥形夹头包括渐缩部，并且所述筒部的纵向中部位置处的厚度与所述渐缩部的纵向中部位置处的厚度的比是5:95至99:1。根据该实施例，可以有效地减少在切削工具中产生的振动，可以提高要切削的工件的机加工精度，特别是可以改进机加工表面的表面粗糙度。

此外，本发明提供了包括夹头卡盘主体、锥形夹头和本发明的用于锥形夹头的内套筒的切削工具保持件。

根据本发明，可以减少在切削工具中产生的振动，同时提高切削工具保持件的刚度，由此可以防止颤振，可以提高要切削的工件的机加工精度，特别是可以改进机加工表面的表面粗糙度。

附图说明

图1是根据本发明的切削工具保持件的侧部剖视图。

图2示出在切削工具保持件中使用的锥形夹头，(a)是侧视图，(b)是正视图。

图3示出根据本发明的内套筒，(a)是侧视图，(b)是正视图。

图4示出根据本发明的另一内套筒，(a)是侧视图，(b)是正视图。

图5是示出切削试验中的切削方法的视图。

图6A是示出在切削试验中振动加速度的强度的曲线图。

图6B是示出在切削试验中振动加速度的功率的曲线图。

图7A是示出在切削试验中比较例的表面粗糙度的测量结果的曲线图。

图7B是示出在切削试验中实例的表面粗糙度的测量结果的曲线图。

具体实施方式

下面结合图1至图4描述根据本发明一个实例的切削工具保持件。

如图1所示，切削工具保持件1包括夹头卡盘主体10、插入夹头卡盘主体10的卡盘筒体13中的锥形夹头20以及固定成将锥形夹头20推入卡盘筒体13中的螺母30。基本为筒状的内套筒40插入锥形夹头20的内周内，以抓持切削工具3的柄部5。

夹头卡盘主体10在一端侧具有安装在机床的主轴(未示出)上的柄部11，并具有位于另一端侧的卡盘筒体13与柄部之间的凸缘部12。卡盘筒体13的内周上具有直径朝另一端侧增加的渐缩面14，卡盘筒体13的外周上具有与螺母30旋紧在一起的螺纹15。螺母30具有位于另一端侧的端面处的在内周侧凸出的按压部31，并且当紧固到螺纹15时，按压部31朝夹头卡盘主体10的一端侧按压锥形夹头20。因此，锥形夹头20的外周面侧的渐缩部21(见图2)被推压在卡盘筒体13的内周侧的渐缩面14上，由此锥形夹头20受到使直径缩小的压缩力。

也参考图2，锥形夹头20包括具有位于轴向中部的渐缩部21的基本为筒状的主体。锥形夹头20在渐缩部21的沿轴向的大直径侧具有肩部22，该肩部被螺母30的按压部31按压。锥形夹头20设有从肩部22的端面沿轴向进一步延伸的突出部23，在突出部23的端部还设有直径比肩部22的直径小的凸缘24。锥形夹头20还具有从渐缩部21的小直径侧的端面上沿轴向延伸的平行部25。锥形夹头20沿周向以相等的间隔还设有六个狭槽26，各狭槽从渐缩部21侧的平行部25的端部附近贯穿到凸缘24的端面。狭槽26是所谓的开口槽，并且可以在渐缩部21推压在夹头卡盘主体10的渐缩面14上时缩小锥形夹头20的直径。

锥形夹头20的内周侧具有内周面27，该内周面具有沿从凸缘24侧的端面连续至渐缩部21的平行部25侧的端部附近的圆筒表面形状，并且锥形夹头20还具有通过台阶部29连接到内周面27的大直径部28，该大直径部延伸到平行部25的端部。锥形夹头20中使用的材料不具体限定，但可以使用例如高碳铬轴承钢、用于机器构造的碳钢、铬钢、或铬钼钢。

此外，还参考图3，将要插入锥形夹头20的内周中的内套筒40具有由基本为筒状的主体形成的主体部41以及位于主体部41的一个轴向端部处的与锥形夹头20的内周的台阶部29(见图2)接合的凸缘部42。插入锥形夹头20中的内套筒40被凸缘部42锁定在预定位置。在抓持切削工具3时，凸缘部42使得内套筒40相对于锥形夹头20的定位容易且可靠，因此，内套筒40可以以稳定的方式稳当地抓持切削工具3，使得可以减少在所抓持的切削工具3中产生的振动。

主体部41具有与锥形夹头20的内周面27接触的外周面41a以及作为将切削工具3的柄部5抓持住的抓持部的内周面41b。主体部41还具有从凸缘部42的端部沿轴向朝主体部的另一端部延伸的第一狭槽43。也就是说，第一狭槽43设置成不从具有凸缘部42的端部贯穿到该另一端部。主体部41还具有从该另一端部沿轴向朝凸缘部42延伸的第二狭槽44。也就是说，第二狭槽44设置成不从该另一端部贯穿到具有凸缘部42的端部。第一狭槽43和第二狭槽44形成为大于内套筒40的轴向长度的1/2，并沿周向以相等的间隔交替设置。第一狭槽43的长度和第二狭槽44的长度是相互独立的且优选地为内套筒40的轴向长度的65％至95％，更优选地为75％至85％。在该实例中，设有两个第一狭槽43和两个第二狭槽44，总共四个狭槽。借此，当外周面41a被锥形夹头20的内周面27按压时，内套筒40可以均匀地且容易地沿径向缩小直径，并且另外还可以减少在所抓持的切削工具3中产生的振动。

在抓持切削工具3以减少切削工具3中产生的振动的状态中，考虑到刚性和振动吸收，内套筒40的轴向中部位置处的厚度与锥形夹头20的渐缩部21的轴向中部位置处的厚度的比优选在从5:95至99:1的范围，更优选在从15:85至40:60的范围。此外，从稳当地抓持切削工具3的观点出发，优选的是，内套筒40的轴向长度与锥形夹头20的内周面27的近似整个长度接触。

根据设有如上所述的锥形夹头20和内套筒40的切削工具保持件1，可以减少在切削工具3中产生的振动，从而可以防止切削工具3颤振，可以提高要切削的工件的机加工精度、特别是可以改进机加工表面的表面粗糙度。在抓持相对小的切削工具3的情况下，例如在锥形夹头20的内径是25mm或更小并且柄部5的直径是3至24.5mm的情况下，根据该实例的切削工具保持件1特别有效。通过抑制振动可以减小切削工具3的磨耗损失。

如图4所示，可以代替内套筒40而使用具有一个狭槽的内套筒50。内套筒50具有由基本筒状的主体形成的主体部51以及位于主体部51的一个轴向端部处的与锥形夹头20的内周中的台阶部29接合的凸缘部52。插入锥形夹头20中的内套筒50被凸缘部52锁定在预定位置。在抓持切削工具3时，凸缘部52使得内套筒50相对于锥形夹头20的定位容易且可靠，因此，内套筒50可以以稳定的方式稳当地抓持切削工具3。

主体部51具有与锥形夹头20的内周面27接触的外周面51a以及作为将切削工具3的柄部5抓持住的抓持部的内周面51b。主体部51还具有从凸缘部52处的端部延伸至主体部的另一端部处的一个狭槽53。也就是说，狭槽53从具有凸缘部52的端部贯穿到另一端部，并且在正视图中内套筒50的形状基本为C形。借此，虽然内套筒50具有可以容易地制造的形状，但当外周面51a被锥形夹头20的内周面27按压时，内套筒50均匀地并容易地沿径向缩小直径，由此稳当地抓持切削工具3，并可以减少在所述抓持的切削工具3中产生的振动。

与使用内套筒40的切削工具保持件1类似，使用内套筒50的切削工具保持件1可以减少在切削工具3中产生的振动，从而可以防止切削工具3的颤振、提高要切削的工件的机加工精度、特别是可以改进机加工表面的表面粗糙度。

作为在内套筒40和50中使用的阻尼合金，可以使用能够因其振动而自身发生变形以将振动能转变成热能来吸收振动的阻尼合金。阻尼合金的实例包括Fe-Cr基阻尼合金、Fe-Al基阻尼合金和Mn-Cu-Ni-Fe基阻尼合金。在这些阻尼合金中，可以优选使用具有低刚性并由此容易变形且还在宽频率范围上具有高减振功能的孪晶型Mn-Cu-Ni-Fe基阻尼合金。

虽然不受具体限定，但Mn-Cu-Ni-Fe基阻尼合金优选具有如下质量百分比的组成：16.9％至27.7％的Cu、2.1％至8.2％的Ni、1.0％至2.9％的Fe和0.05％以下的C，其余为Mn和不可避免的杂质。这里将简要描述阻尼合金各组分的组成范围(每者组分的质量百分比)。关于Cu，当含量是16.9％以上时，容易形成孪晶，这是优选的。当含量是27.7％以下时，可防止偏析变大并且容易获得足够的减振特性，这是优选的。Cu更优选的组成范围是19.7％至25.0％。关于Ni，Ni作为第三元素与作为主元素的Mn和Cu一起添加，可以改善减振特性。为了有效地展现这种效果，优选的是，Ni的组成范围是2.1％以上且8.2％以下。关于Fe，Fe作为第四元素与Mn、Cu和Ni一起添加，可以进一步该减振特性。优选地，当Fe的含量是1.0％以上时，容易展现这种效果，当该含量是2.9％以下时，这种效果不会过大，这是优选的。关于C，当含量是0.05％以下时，即使在通过Mn等的升华而增加C的相对浓度时也可以防止减振特性的降低。

可优选将在利用动态粘弹性测量(DMA：动态机械分析)法进行测量时具有60至90GPa的杨氏模量的合金用作阻尼合金，该合金的一个实例包括上述孪晶型Mn-Cu-Ni-Fe基阻尼合金。

下面结合图5至图7B描述通过使用具有4个狭槽的内套筒40的切削工具保持件1执行的切削试验的结果。

如图5所示，使用切削工具保持件1将由钴高速钢制成的具有6mm刀片直径的新的立铣刀(由MitsubishiMaterialsCo.,Ltd.(三菱综合材料株式会社)制造，型号：2MSD0600)作为切削工具3安装在铣床(未示出)上。然后，利用干切削法对由基本为矩形的热作模具钢(G4404(2006))形成的工件9进行肩铣(shouldermilling)，利用加速度测量仪8测量工件9在切削过程中的振动作为加速度，并且评估表面粗糙度作为切削面91的机加工精度。此外，测量切削工具3的磨耗损失。

切削工具3安装成使得从锥形夹头20的顶端仅伸出25mm，要被抓持的部分的长度是25mm，这是内套筒40中主体部41的轴向长度。作为切削条件，转速设定为7000rpm、一次走刀的切削深度设定为3.0mm、切削宽度设定为0.3mm、切削进给速度设定为700mm/min、沿切削进给方向一次走刀的距离设定为160mm，并且对100次走刀中的每一次都这样执行切削。

在切削试验中使用的锥形夹头20总长度为45.0mm、内周面27的内径为8mm、渐缩部21的长度为32.0mm、渐缩部21的轴向中部位置处的厚度为约7.2mm。如下质量百分比的Mn基Mn-Cu-Ni-Fe基阻尼合金用作内套筒40：该阻尼合金包含22.4％的Cu、5.2％的Ni、2.0％的Fe和0.01％的C。内套筒40总长度为37mm，主体部41的外径为8.0mm、内径为6.0mm且轴向中部位置处的厚度为1mm。也就是说，内套筒40的轴向中部位置处的厚度与锥形夹头20的渐缩部21的轴向中部位置处的厚度的比是约12:88。

在切削试验中，不同于实例使用内套筒40，在不使用内套筒而由锥形夹头直接抓持切削工具3的比较例中执行相同的试验。也就是说，在比较例中，使用内周面的内径为6mm的锥形夹头。

关于振动的测量，在切削进给方向侧的端面上安装加速度测量仪8，并且检测工件9的振动作为振动加速度的波形并进行记录。在比较例中观察到这样的趋势：振动加速度的波形的峰值随着走刀次数的增加而增加；而在实例中观察到这样的趋势：从第1次走刀至第40次走刀附近，波形的峰值逐渐减小，然后变得恒定。因此，对于从第40次走刀至第50次走刀的波形，利用快速傅立叶变换对所述波形的一部分进行分析，以相对于实例中和比较例中的每个频率获得振动加速度的强度和振动加速度的功率，并且在图6A和图6B中分别示出结果。

如图6A和图6B所示，与比较例相比，在约10000Hz以上的高频区域中，实例中以振动加速度表示的强度和功率较小。也就是说，切削工具保持件1通过与锥形夹头20一起使用内套筒40减少了切削工具3的振动。

通过测量工件9的切削面91(侧面)的表面粗糙度来评估机加工精度，所述切削面是在100次走刀切削(即累计切削进给距离为16m)之后与立铣刀的突出方向平行的表面。通过使用可购买的表面粗糙度测量仪器测量算术平均粗糙度(Ra)和十点平均粗糙度(Rz)来执行表面粗糙度的测量。图7A和图7B分别示出比较例和示例的测量结果以及粗糙度曲线。

如图7A所示，比较例中的表面粗糙度是Ra:0.4951μm和Rz:2.3792μm。另一方面，如图7B所示，实例中的表面粗糙度是Ra:0.1664μm和Rz:0.9065μm。因此，可以看出，与比较例相比，实例中的表面粗糙度改进了。也就是说，通过与锥形夹头20一起使用内套筒40可以提高机加工精度。

如上所述，根据使用内套筒40的切削工具保持件1，在切削操作中减少了切削工具3的振动，从而可以防止切削工具3的颤振并提高要切削的工件的表面粗糙度，由此提高机加工精度。

在实例和比较例中，通过使用显微镜观察来执行在100次走刀的切削操作之前和之后切削工具3的后刀面的磨耗损失(剥落)的测量。具体而言，基于端部切削刃的后刀面的显微图像计算切削操作之前和之后的磨耗损失(磨耗面积)。结果，比较例中的磨耗损失是3309μm²。另一方面，实例中的磨耗损失是2534μm²。也就是说，根据使用内套筒40的切削工具保持件1，减少了切削工具3的振动，并且减小了切削工具的磨耗损失。

在上文中描述了本发明的代表性实例，但本发明不是必须限于此实例。本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神或所附权利要求书的情况下设想各种替代例和变型例。

本发明基于2014年10月29日提交的日本专利申请No.2014-220788，该申请的内容通过引用并入本文。

参考标记和符号的描述

1：切削工具保持件

2：切削工具

10：夹头卡盘主体

20：锥形夹头

30：螺母

40、50：内套筒

Claims (7)

1.一种用于锥形夹头的内套筒，所述内套筒用于插入到将切削工具的柄部抓持住的锥形夹头中，所述内套筒包括含有阻尼合金的筒部，所述筒部上设有狭槽。

2.根据权利要求1所述的用于锥形夹头的内套筒，

其中，所述狭槽包括第一狭槽和第二狭槽，所述第一狭槽形成为从所述筒部的纵向上的第一端部朝所述筒部的第二端部延伸而不贯穿所述第二端部，所述第二狭槽形成为从所述第二端部朝所述第一端部延伸而不贯穿所述第一端部，并且

所述第一狭槽和所述第二狭槽交替设置。

3.根据权利要求2所述的用于锥形夹头的内套筒，

其中，所述第一狭槽和所述第二狭槽中每一者的长度大于所述筒部的纵向长度的1/2。

4.根据权利要求1所述的用于锥形夹头的内套筒，

其中，所述狭槽包括第三狭槽，所述第三狭槽从所述筒部的纵向上的第一端部贯穿至所述筒部的第二端部。

5.根据权利要求1所述的用于锥形夹头的内套筒，

还包括位于所述筒部的纵向端部上的锁定区段，所述锁定区段与所述锥形夹头接合。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的用于锥形夹头的内套筒，

其中，所述锥形夹头包括渐缩部，并且

所述筒部的纵向中部位置处的厚度与所述渐缩部的纵向中部位置处的厚度的比是5:95至99:1。

7.一种切削工具保持件，包括夹头卡盘主体、锥形夹头和根据权利要求1至6中任一项所述的用于锥形夹头的内套筒。