JP2016087708A - テーパコレット用インナースリーブ及び切削工具ホルダ - Google Patents

Abstract

【課題】 切削工具を回転切削機械に締結するためのテーパコレットに使用され、被削ワークの加工精度を高め得るインナースリーブ及びこれを含む切削工具ホルダの提供。
【解決手段】 切削工具のシャンク部を把持するテーパコレットに挿入されるテーパコレット用インナースリーブである。かかるインナースリーブはスリットを設けた円筒状の制振合金からなる。また、切削工具ホルダは、コレットチャック本体と、テーパコレットと、上記のテーパコレット用インナースリーブと、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、切削工具を回転切削機械に締結するためのテーパコレットに使用されるインナースリーブ及びこれを含む切削工具ホルダに関する。

切削加工において、切削工具と被削ワークとの接触による、いわゆる「ビビリ」と呼ばれる継続振動（以下、「ビビリ振動」と称する。）が生じると、被削ワークの加工精度が低下し、切削不良を生じる原因となる。そこで切削工具を固定するためのチャックやこれに締結されるホルダの剛性を高めて振動の発生を防止する一方で、制振機能を有する部材を与えて振動を抑制しようとする提案がなされている。

例えば、特許文献１では、内径加工に用いられるボーリングバーを旋盤の刃物台等に装着するためのボーリングバー用ホルダ（保持具）について、制振合金からなる部材をボーリングバーとの間に挿入することを開示している。ボーリングバーは、そのシャンク部をホルダの内孔に差し込んでクランプねじによって該内孔の片側に押し付けて固定されるが、かかる押し付け面にアルミニウムや銅、亜鉛、真鍮、あるいは制振鋼板等からなる敷板部材を介在させるのである。切削加工時にスローアウェイチップの切刃に発生した振動はボーリングバーのシャンク部からホルダに伝播する前に制振性を有する敷板部材によって減衰し、振動が直接的にホルダに伝わることを防止し、ボーリングバーがホルダごと振動することを防止するとしている。

ところで、回転切削機械のチャックに締結される切削工具ホルダにエンドミルのような切削工具を取り付ける場合にあっては、中心から放射状に切込みを入れた略円筒状のコレットを用いることがある。特に、比較的小径の切削工具を取り付ける場合には、チャックでの締め付け寸法を大きく取り得るよう、切削工具側へ向けて径の大きくなるテーパを与えたテーパコレットを用いることがある。このようなテーパコレットを用いる場合にあってもビビリ振動を防止することが求められる。

例えば、特許文献２では、テーパコレットを用いた切削工具ホルダにおいて、高速回転の遠心力によって切削工具ホルダが膨張し、テーパコレットの締め付けナットの締め付け力が低下してビビリ振動が発生しやすくなることを述べている。その上で、ホルダ、テーパコレット及び切削工具の剛性を高めるべく、テーパコレットの締め付けナットの内部には、該テーパコレットを締め付ける方向に付勢する皿バネなどの付勢手段を設けることを開示している。

また、特許文献３でも、テーパコレットを用いた切削工具ホルダにおける高速回転時のビビリ振動の防止方法について述べている。ここでは、テーパコレットを切削工具側から締め付けナットで締め付けるのではなく、ドローバに接続したプルボルトを切削工具側に延長し、これにテーパコレットの先端部を螺合させることを開示している。ドローバの引っ張り力によって切削工具ホルダのコレットチャック本体の内周のテーパ部にテーパコレットを強固に引き込み、ビビリ振動を防止出来るとしている。

実開平０５−０８８８０４号公報 特開平０７−２７６１１６号公報 実開平０６−０６６９０１号公報

テーパコレットを用いた切削工具ホルダにおいてもその剛性を高めてビビリ振動の発生を防止する一方で、制振機能を有する部材を与えて振動を吸収することが考慮される。ここで制振機能を与え得る制振合金は、一般的に振動を内部摩擦の熱に変換してこれを吸収するため、工具鋼などと比べて剛性はそれほど高くはない。そこで、被削ワークの加工精度を高め得るよう、制振合金を用いた制振機能を有する部材の形状や配置を最適化することが求められる。

本発明はかかる状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、切削工具を回転切削機械に締結するためのテーパコレットに使用され、被削ワークの加工精度を高め得るインナースリーブ及びこれを含む切削工具ホルダを提供することにある。

本発明による切削工具のシャンク部を把持するテーパコレットに挿入されるテーパコレット用インナースリーブは、スリットが設けられた円筒状の制振合金からなることを特徴とする。

かかる発明によれば、テーパーコレットの締結部に嵌合する制振合金からなる円筒状のインナースリーブによって、切削工具に発生する振動を抑制し得て、結果としてビビリ振動を防止でき、被削ワークの加工精度を高め、特に加工面の表面粗さを改善し得る。

上記した発明において、前記スリットとして、円筒の長手方向の一方の第１端部から他方の第２端部にかけて貫通しないよう与えられた第１スリットと、前記第２端部から前記第１端部にかけて貫通しないよう与えられた第２スリットと、を交互に設けたことを特徴としてもよい。かかる発明によれば、テーパーコレットによる切削工具の確実な締結を維持しつつ切削工具に発生する振動を抑制し得て、被削ワークの加工精度を高め、特に加工面の表面粗さを改善し得る。

上記した発明において、前記第１スリット及び前記第２スリットの長さは、ともに長手方向の長さの１／２よりも大であることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、テーパーコレットによる切削工具の確実な締結を維持しつつ切削工具に発生する振動を効果的に抑制し得て、被削ワークの加工精度を高め、特に加工面の表面粗さを改善し得る。

上記した発明において、前記スリットとして、円筒の長手方向の一方の第１端部から他方の第２端部にかけて貫通する第３スリットを設けたことを特徴としてもよい。かかる発明によれば、テーパーコレットによる切削工具の確実な締結を維持しつつ切削工具に発生する振動を抑制し得て、被削ワークの加工精度を高め、特に加工面の表面粗さを改善し得る。

上記した発明において、さらに、前記テーパコレットに係合する係止部を円筒の長手方向の端部に有することを特徴としてもよい。かかる発明によれば、テーパコレットに対するインナースリーブの位置決めを確実に行い得て、テーパーコレットによる切削工具の確実な締結を維持しつつ切削工具を確実に把持でき、切削工具に発生する振動を抑制し得て、被削ワークの加工精度を高め、特に加工面の表面粗さを改善し得る。

上記した発明において、前記円筒の長手方向の中心位置における肉厚と、前記テーパコレットのテーパ部長手方向の中心位置における肉厚の比率が、５：９５〜９９：１であることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、切削工具に発生する振動を効果的に抑制し得て、被削ワークの加工精度を高め、特に加工面の表面粗さを改善し得る。

さらに、本発明による切削工具ホルダは、コレットチャック本体と、前記テーパコレットと、上記したテーパコレット用インナースリーブと、を備えたことを特徴とする。

かかる発明によれば、切削工具ホルダの剛性を高めつつ切削工具に発生する振動を抑制し得て、結果としてビビリ振動を防止でき、被削ワークの加工精度を高め、特に加工面の表面粗さを改善し得る。

本発明による切削工具ホルダの側断面図である。 切削工具ホルダに用いられるテーパコレットの（ａ）側面図及び（ｂ）正面図である。 本発明によるインナースリーブの（ａ）側面図及び（ｂ）正面図である。 本発明による他のインナースリーブの（ａ）側面図及び（ｂ）正面図である。 切削試験における切削方法を示す図である。 切削試験における（ａ）振動加速度の強度及び（ｂ）振動加速度のパワーを示すグラフである。 切削試験における（ａ）比較例及び（ｂ）実施例の表面粗さの測定結果を示すグラフである。

本発明による１つの実施例としての切削工具ホルダについて、図１乃至図４を用いて説明する。

図１に示すように、切削工具ホルダ１は、コレットチャック本体１０と、コレットチャック本体１０のチャック筒１３内に挿入されるテーパコレット２０と、テーパコレット２０をチャック筒１３内に押し付けるように固定するナット３０とを含む。テーパコレット２０の内周には、略円筒形状のインナースリーブ４０が挿入され、切削工具３のシャンク部５を把持することができる。

コレットチャック本体１０は、工作機械の図示しないスピンドルに装着される一端側のシャンク部１１と、他端側のチャック筒１３とその間のフランジ部１２とを有する。チャック筒１３はその内周に他端側に向けて径を大とするテーパ１４を有し、外周にナット３０を螺合させるねじ１５を有している。ナット３０は他端側の端面に内周側に突出する押圧部３１を備え、ねじ１５に締め付けることで押圧部３１によってテーパコレット２０をコレットチャック本体１０の一端側に向けて押圧する。これにより、テーパコレット２０は、その外周側のテーパ部２１（図２参照）をチャック筒１３の内周側のテーパ１４に押し付けられて径を縮小させる圧縮力を受ける。

図２を併せて参照すると、テーパコレット２０は、軸方向の中央部分にテーパ部２１を有する略円筒体からなる。テーパ部２１の径のより大である側には、ナット３０の押圧部３１によって押圧される肩部２２を有する。肩部２２の端面からは、さらに軸方向に延びる突き出し部２３を備え、その端部には肩部２２よりも径の小さいフランジ２４を備える。テーパ部２１の径のより小である側の端面には、軸方向に延びる平行部２５を有する。テーパコレット２０は、平行部２５のテーパ部２１側の端部近傍からフランジ部２４の端面まで貫通する６本のスリット２６を周方向に等間隔で有する。スリット２６はいわゆるすり割りであり、テーパ部２１をコレットチャック本体１０のテーパ１４に押し付けられたときにテーパコレット２０の径を縮小させ得る。

テーパコレット２０の内周側には、フランジ部２４側の端面からテーパ部２１の平行部２５側端部近傍まで連続する円柱表面に沿った形状の内周面２７を有し、これに段部２９を介して接続された大径部２８が平行部２５の端部まで延びている。なお、テーパコレット２０に使用する材料としては特に限定されないが、例えば、高炭素クロム軸受鋼、機械構造用炭素鋼、クロム鋼、クロムモリブデン鋼等を使用することができる。

さらに、図３を併せて参照すると、テーパコレット２０の内周に挿入されるインナースリーブ４０は、略円筒形状体からなる本体部４１の軸方向の一方の端部にテーパコレット２０の内周の段部２９（図２参照）に係合する鍔部４２を有する。鍔部４２によって、テーパコレット２０に挿入させたインナースリーブ４０は所定の位置で係止され、切削工具３を把持させる際のテーパコレット２０に対する位置決めを容易且つ確実にし、把持した切削工具３に発生する振動を抑制し得るよう切削工具３を安定して確実に把持し得る。

本体部４１はテーパコレット２０の内周面２７に当接させる外周面４１ａと、切削工具３のシャンク部５を把持する把持部としての内周面４１ｂとを有する。さらに、本体部４１には、鍔部４２側の端部から他端部に向けて軸方向に延びる第１のスリット４３を有する。すなわち、第１のスリット４３は鍔部４２を有する端部から他端部にかけて貫通しないよう与えられている。また、本体部４１には他端部から鍔部４２に向けて軸方向に延びる第２のスリット４４を有する。すなわち、第２のスリット４４は他端部から鍔部４２を有する端部にかけて貫通しないよう与えられている。第１のスリット４３及び第２のスリット４４は、それぞれインナースリーブ４０の軸方向の長さの１／２より長く形成され、円周方向に等間隔に交互に配置される。本実施例では、第１のスリット４３及び第２のスリット４４はそれぞれ２つずつ、計４本のスリットとして与えられている。これにより、インナースリーブ４０は、外周面４１ａをテーパコレット２０の内周面２７により押圧されたときに径を軸方向に一様に容易に縮小させ得るとともに、把持した切削工具３に発生する振動を抑制し得る。

ここで、インナースリーブ４０の軸方向中心位置の肉厚とテーパコレット２０のテーパ部２１の軸方向中心位置の肉厚との比率は、切削工具３に発生する振動を抑制させるための切削工具３を把持した状態での剛性と振動の吸収とを考慮して、５：９５〜９９：１の範囲内であり、好ましくは１５：８５〜４０：６０の範囲内である。また、切削工具３を確実に把持させる観点において、インナースリーブ４０は、テーパコレット２０の内周面２７のほぼ全長に当接するだけの軸方向の長さを有することが好ましい。

以上のようなテーパコレット２０及びインナースリーブ４０を備える切削工具ホルダ１によれば、切削工具３に発生する振動を抑制し得て、結果として切削工具３のビビリ振動を防止でき、被削ワークの加工精度を高め、特に加工面の表面粗さを改善することができる。なお、本実施例による切削工具ホルダ１では、テーパコレット２０の内径を２５ｍｍ以下とし、シャンク部５の径を３〜２４．５ｍｍとする比較的小さな切削工具３の把持において特に有効である。また、振動を抑制することで切削工具３の摩耗量を低減し得る。

さらに、図４に示すように、インナースリーブ４０の代わりにスリットを１本とするインナースリーブ５０を用いることもできる。インナースリーブ５０は、略円筒形状体の軸方向の一方の端部にテーパコレット２０の内周の段部２９に係合する鍔部５２を有する。鍔部５２によって、テーパコレット２０に挿入させたインナースリーブ５０は所定の位置で係止され、切削工具３を把持させる際のテーパコレット２０に対する位置決めを容易とし、切削工具３を安定して確実に把持し得る。

また、略円筒形状体の本体部５１はテーパコレット２０の内周面２７に当接させる外周面５１ａと、切削工具３のシャンク部５を把持する把持部としての内周面５１ｂとを有する。さらに、本体部５１には、鍔部５２側の端部から他端部まで連続する１本のスリット５３を有する。すなわち、スリット５３は鍔部５２を有する端部から他端部にかけて貫通しており、インナースリーブ５０の形状は正面視で略Ｃ字型である。これにより、インナースリーブ５０は、簡易に製作できる形状でありながら、外周面５１ａをテーパコレット２０の内周面２７により押圧されたときに径を軸方向に一様に容易に縮小させ確実に切削工具３を把持するとともに、把持した切削工具３に発生する振動を抑制し得る。

なお、インナースリーブ５０を用いた切削工具ホルダ１も、上記したインナースリーブ４０を用いた切削工具ホルダ１と同様に、切削工具３に発生する振動を抑制し得て、結果として切削工具３のビビリ振動を防止でき、被削ワークの加工精度を高め、特に加工面の表面粗さを改善することができるのである。

インナースリーブ４０に使用する制振合金は、その振動により自らを変形させて、振動エネルギーを熱エネルギーに変換して振動を吸収するものであり、例えば、Ｆｅ−Ｃｒ系、Ｆｅ−Ａｌ系、及び、Ｍｎ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｆｅ系の制振合金を用いることができる。これらの中でも、剛性が低く変形しやすい、しかも広い周波数範囲の振動について高い減衰能を有する双晶型のＭｎ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｆｅ系の制振合金を好ましく用いることができる。

上記したＭｎ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｆｅ系の制振合金としては、特に限定されないが、質量％で、Ｃｕ：１６．９〜２７．７％、Ｎｉ：２．１〜８．２％、Ｆｅ：１．０〜２．９％を含むとともに、Ｃ：０．０５％以下とし、残部をＭｎ及び不可避的不純物とした成分組成を有することが好ましい。ここで、かかる制振合金の各成分の組成範囲（いずれも質量％）について簡単に説明する。Ｃｕについては、１６．９％以上であれば双晶変形が生じやすいため好ましく、２７．７％以下であれば偏析が大きくならずに十分な制振特性を得やすいため好ましい。Ｃｕのより好ましい組成範囲は、１９．７〜２５．０％である。Ｎｉについては、主要元素であるＭｎ及びＣｕとともに第３元素として添加して制振特性を向上せしめ得る。かかる効果を効率よく得るためには、Ｎｉの組成範囲は２．１％以上８．２％以下とすることが好ましい。Ｆｅについては、Ｍｎ、Ｃｕ及びＮｉとともに、第４元素として添加することで制振特性をより向上せしめ得る。Ｆｅの組成範囲は、１．０％以上でかかる効果を得られやすいため好ましく、２．９％以下であればこの効果を飽和させず好ましい。Ｃについては、組成範囲が０．０５％以下であれば、Ｍｎの蒸発などによってＣの相対的濃度が上昇したときであっても、制振特性の劣化を防止できる。

また、制振合金としては、動的粘弾性測定（ＤＭＡ；Ｄｙｎａｍｉｃ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ）で測定したときのヤング率が６０〜９０ＧＰａであるものを好適に用いることができ、その一例として、上記した双晶型のＭｎ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｆｅ系の制振合金が挙げられる。

次に、図５乃至図７を用いて、上記したスリット数４本のインナースリーブ４０を用いた切削工具ホルダ１による切削試験の結果について説明する。

図５に示すように、コバルト高速度鋼からなる刃径６ｍｍの新品のエンドミル（三菱マテリアル株式会社製；２ＭＳＤ０６００）を切削工具３として切削工具ホルダ１を用いて図示しないフライス盤に取付ける。そして、略直方体の熱間ダイス鋼（ＪＩＳ ＳＫＤ６１）からなるワーク９に乾切削による肩削り加工を行って、切削中のワーク９の振動を加速度ピックアップ８によって加速度として測定し、切削面９１の加工精度として表面粗さを評価して、さらに切削工具３の摩耗量を測定した。

ここで、切削工具３はテーパコレット２０の先端から２５ｍｍだけ突出するように取付けられ、把持される部分の長さをインナースリーブ４０における本体部４１の軸方向の長さである２５ｍｍとした。切削条件としては、回転数を７０００ｒｐｍ、１パスにおける切込み深さを３．０ｍｍ、切削幅を０．３ｍｍ、切削送り速度を７００ｍｍ／ｍｉｎ、切削送り方向の１パスの距離を１６０ｍｍとして、１００パスの切削加工を行った。

なお、切削試験に用いたテーパコレット２０の全長は４５．０ｍｍ、内周面２７の内径は８ｍｍ、テーパ部２１の長さは３２．０ｍｍ、テーパ部２１の軸方向中心位置の肉厚は約７．２ｍｍである。また、インナースリーブ４０としては、質量％で、Ｃｕ：２２．４％、Ｎｉ：５．２％、Ｆｅ：２．０％、Ｃ：０．０１％を含むＭｎ基のＭｎ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｆｅ系制振合金を用いた。インナースリーブ４０は全長３７ｍｍ、本体部４１の外径８．０ｍｍ、内径６．０ｍｍであり、軸方向中心位置の肉厚は１ｍｍである。すなわち、インナースリーブ４０の軸方向中心位置の肉厚と、テーパコレット２０のテーパ部２１の軸方向中心位置の肉厚との比率は、およそ１２：８８である。

ところで、切削試験では、上記したインナースリーブ４０を用いた実施例の他に、インナースリーブを用いずに、テーパコレットに直接切削工具３を把持させた比較例についても同様の試験を行った。つまり、比較例においては、内周面の内径を６ｍｍとするテーパコレットを用いた。

振動の測定については、加速度ピックアップ８を切削送り方向側の端面に取り付けてワーク９の振動を振動加速度の波形として検出し記録した。比較例ではパス数の増加に伴い振動加速度の波形のピークが大きくなる傾向が現れ、実施例では１パス目から４０パス目近傍にかけて波形のピークが徐々に低下し、その後一定になる傾向が現れた。そこで、４０パス目〜５０パス目の波形のうち一部について高速フーリエ変換による解析を行い、実施例及び比較例の周波数毎の振動加速度の強度及び振動加速度のパワーを得て、それぞれ図６（ａ）及び（ｂ）に示した。

図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、１００００Ｈｚ程度以上の高周波域において、振動加速度で表される強度及びパワーともに比較例に比べて実施例の方が小さくなった。すなわち、テーパコレット２０とともにインナースリーブ４０を用いることで切削工具ホルダ１は切削工具３の振動を抑制している。

また、加工精度については、１００パスの切削加工後、すなわち累計の切削送り距離１６ｍにおいて、ワーク９のエンドミルの突出方向に平行な面である切削面９１（側面）の表面粗さを測定することで評価した。表面粗さの測定は、市販の表面粗さ測定器を用い、算術平均粗さ（Ｒａ）及び十点平均粗さ（Ｒｚ）を測定した。測定結果については、図７において（ａ）比較例及び（ｂ）実施例の結果を粗さ曲線とともに示した。

図７（ａ）に示すように、比較例としての表面粗さはＲａ：０．４９５１μｍであり、Ｒｚ：２．３７９２μｍであった。これに対し、図７（ｂ）に示すように、実施例としての表面粗さはＲａ：０．１６６４μｍであり、Ｒｚ：０．９０６５μｍとなり、比較例に比べて改善されていることが判る。すなわち、テーパコレット２０とともにインナースリーブ４０を用いることで加工精度を向上させ得る。

以上のように、インナースリーブ４０を用いた切削工具ホルダ１によれば、切削加工において切削工具３の振動を抑制して、結果として切削工具３のビビリ振動を防止し、被削材の表面粗さを改善させて、加工精度を向上させ得る。

また、実施例及び比較例について、上記した１００パスの切削加工の前後における切削工具３の逃げ面の摩耗量（欠け）の測定を顕微鏡観察によって行った。具体的には、底刃の逃げ面の顕微鏡写真から切削加工前後での摩耗量（摩耗面積）を算出した。その結果、比較例における摩耗量は３３０９μｍ^２であった。一方、実施例における摩耗量は２５３４μｍ^２であった。つまり、インナースリーブ４０を用いた切削工具ホルダ１によれば、切削工具３の振動を抑制しその摩耗量を低減し得るのである。

ここまで本発明による代表的実施例について説明したが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではない。当業者であれば、本発明の主旨又は添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、種々の代替実施例及び改変例を見出すことができるだろう。

１ 切削工具ホルダ
３ 切削工具
１０ コレットチャック本体
２０ テーパコレット
３０ ナット
４０、５０ インナースリーブ

Claims (7)

1. スリットが設けられた円筒状の制振合金からなることを特徴とする切削工具のシャンク部を把持するテーパコレットに挿入されるテーパコレット用インナースリーブ。
2. 前記スリットとして、
   円筒の長手方向の一方の第１端部から他方の第２端部にかけて貫通しないよう与えられた第１スリットと、前記第２端部から前記第１端部にかけて貫通しないよう与えられた第２スリットと、を交互に設けたことを特徴とする請求項１記載のテーパコレット用インナースリーブ。
3. 前記第１スリット及び前記第２スリットの長さは、ともに長手方向の長さの１／２よりも大であることを特徴とする請求項２記載のテーパコレット用インナースリーブ。
4. 前記スリットとして、円筒の長手方向の一方の第１端部から他方の第２端部にかけて貫通する第３スリットを設けたことを特徴とする請求項１記載のテーパコレット用インナースリーブ。
5. さらに、前記テーパコレットに係合する係止部を円筒の長手方向の端部に有することを特徴とする請求項１乃至４のうちのいずれか１つに記載のテーパコレット用インナースリーブ。
6. 前記円筒の長手方向の中心位置における肉厚と、前記テーパコレットのテーパ部長手方向の中心位置における肉厚の比率が、５：９５〜９９：１であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載のテーパコレット用インナースリーブ。
7. コレットチャック本体と、前記テーパコレットと、請求項１乃至６のうちのいずれか１つに記載のテーパコレット用インナースリーブと、を備えたことを特徴とする切削工具ホルダ。