JP2007038310A

JP2007038310A - 切削工具

Info

Publication number: JP2007038310A
Application number: JP2005222184A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Watabe; 剛渡部; Tetsuya Kikuchi; 哲也菊地
Original assignee: Caterpillar Mitsubishi Ltd; Shin Caterpillar Mitsubishi Ltd
Current assignee: Caterpillar Japan Ltd; Caterpillar Mitsubishi Ltd
Priority date: 2005-07-29
Filing date: 2005-07-29
Publication date: 2007-02-15

Abstract

【課題】構造が簡単で、かつ加工中の振動を効果的に抑制できる切削工具を提供する。
【解決手段】工作機械の主軸12に装着するアーバ13に、５枚の切刃を備えたカッタヘッドを取付ける。カッタヘッドを取付けるアーバ13のカッタヘッド取付軸部21は、鋳鉄製である。５枚の切刃は、不等ピッチ間隔で配置し、基準となる切刃36aに対しボーリング回転方向と反対方向に順次隣接する他の切刃が、ボーリング進行方向と反対方向に漸次後退する軸方向段差と、径方向に漸次拡径する径方向段差とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械の主軸に嵌着される切削工具に関する。

マシニングセンタなどの工作機械に用いられる切削工具のうち、深溝加工用の切削工具は、工作機械の主軸位置から工具先端までの突出し長さが大きいので、ワークを加工する際に振動が発生しやすく、このため、工具寿命が短い、加工精度の向上が困難であるなどの問題がある。

そこで、工具本体の基端から先端に向けて保持孔を穿設し、この保持孔に超硬質材料の中空部材を埋込み、この中空部材の中空部にゲル状のダンパー物質を充填し、そして、減衰効果のある中空部材とダンパー物質とを組合せることによって、工具本体の先端に取付けられた切刃の振動を抑制するようにした切削工具がある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−１１３６０３号公報（第３頁、図２）

この従来の防振切削工具は、工具本体、超硬質材料の中空部材およびゲル状のダンパー物質の３重構造であり、構造が複雑になる問題がある。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、構造が簡単でありながら、加工中の振動を効果的に抑制できる切削工具を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、工作機械の主軸に装着されるアーバと、このアーバに取付けられ複数の切刃を備えたカッタヘッドとを具備し、アーバは、カッタヘッドを取付ける鋳鉄製のカッタヘッド取付軸部を備えた切削工具である。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の切削工具における複数の切刃を、５枚としたものである。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の切削工具における複数の切刃が、不等ピッチ間隔で配置されたものである。

請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか記載の切削工具におけるカッタヘッドが、ボーリング加工に用いられるものであり、複数の切刃は、基準となる切刃に対しボーリング回転方向と反対方向に順次隣接する切刃がボーリング進行方向と反対方向に漸次後退する軸方向段差と、基準となる切刃に対しボーリング回転方向と反対方向に順次隣接する切刃が径方向に漸次拡径する径方向段差とを備えた配置構成としたものである。

請求項５記載の発明は、請求項４記載の切削工具における切刃として、フライス加工用のチップカッタを用いたものである。

請求項１記載の発明によれば、アーバのカッタヘッド取付軸部を鋳鉄製とすることで、構造が簡単でありながら、優れた振動減衰率が得られ、加工中の振動をスチール製のカッタヘッド取付軸部よりも効果的に抑制できる。

請求項２記載の発明によれば、切刃を５枚とすることで、加工中の振動を４枚刃のカッタヘッドよりも効果的に抑制できる。

請求項３記載の発明によれば、不等ピッチ間隔で配置された切刃により、加工中の振動を等ピッチ間隔の切刃のカッタヘッドよりも低減できる。

請求項４記載の発明によれば、カッタヘッドが回転しながらボーリング進行方向に軸方向移動するにしたがって、軸方向段差を介してボーリング進行方向と反対方向に漸次後退するとともに径方向段差を介して径方向に漸次拡径したトルネード配置の複数の切刃が、スラスト方向の切削抵抗を各切刃ごとの径方向段差分で全体的にバランス良くかつ安定して分担するので、軸方向段差および径方向段差のない複数の切刃を有するカッタヘッドよりも加工中の振動を低減できる。

請求項５記載の発明によれば、フライス加工用のチップカッタは、切削抵抗をスラスト方向へ分散するのに適しているので、上記のトルネード配置に適する。

以下、本発明を図１乃至図４に示された一実施の形態を参照しながら詳細に説明する。

図１に示されるように、切削工具11は、マシニングセンタなどの工作機械の主軸12に装着されるアーバ13と、このアーバ13に取付けられ切刃を備えたカッタヘッド14とを具備している。

アーバ13は、工作機械のクランプ機構15によりクランプされるプルスタッド部16と、主軸12のテーパ穴に嵌着されるテーパシャンク部17と、自動工具交換装置の工具交換アーム（図示せず）と係合可能なクリップ溝18を有するフランジ部19と、チャックホルダ部20と、このチャックホルダ部20により一端側を保持されるとともに他端側にカッタヘッド14を取付けるカッタヘッド取付軸部21とを備えている。

アーバ13のカッタヘッド取付軸部21は、鋳鉄製の鋳物であり、ＪＩＳ−ＦＣＤ４５０、ＦＣＤ５００などの高強度鋳鉄を材質とする鋳造品である。

このカッタヘッド取付軸部21は、先端側にカッタヘッド14を位置決めする位置決め凸部22が突設され、この位置決め凸部22の左右両側に、カッタヘッド14の回転を係止する１対の回転係止ボルト23が螺着されている。位置決め凸部22の中心部には、螺合穴24が設けられている。

一方、カッタヘッド14は、スチール製のヘッド本体31の中心部に軸方向にヘッド取付穴32と、上記位置決め凸部22と嵌合する位置決め凹部33が穿設され、また、ヘッド本体31の直径方向に上記回転係止ボルト23と係合する回転係止溝34が設けられている。

そして、カッタヘッド取付軸部21の位置決め凸部22にカッタヘッド14の位置決め凹部33を嵌合するとともに、カッタヘッド取付軸部21の回転係止ボルト23とカッタヘッド14の回転係止溝34とを係合した状態で、カッタヘッド14のヘッド取付穴32から挿入したヘッド取付ボルト35を、カッタヘッド取付軸部21の螺合穴24に螺入することにより、カッタヘッド取付軸部21の先端部にカッタヘッド14を同軸状に位置決めして一体的に締着することができる。

図２および図３に示されるように、カッタヘッド14には、５枚の切刃36a，36b，36c，36d，36eが、不等ピッチ間隔で配置され、取付けられている。これらの切刃36a，36b，36c，36d，36eとしては、フライス加工用のチップカッタを用いるとよい。

カッタヘッド14は、ワークに予め穿設された下穴を拡径するように切削加工するボーリング加工に用いられるものであり、複数の切刃36a，36b，36c，36d，36eは、基準となる切刃36aに対しボーリング回転方向と反対方向に順次隣接する切刃36b，36c，36d，36eが、図３に示されるようにボーリング進行方向と反対方向に漸次後退する軸方向段差37と、基準となる切刃36aに対しボーリング回転方向と反対方向に順次隣接する切刃36b，36c，36d，36eが、図２に示されるように径方向に漸次拡径する径方向段差38とを備えた配置、すなわちトルネード配置で構成されている。

すなわち、切刃36a，36b，36c，36d，36eのトルネード配置は、軸方向の突出量が大きいものほど径方向の突出量が小さく、軸方向の突出量が小さいものほど径方向の突出量が大きい。

図２に示されるように、ヘッド本体31の中心部に前記ヘッド取付穴32が穿設され、このヘッド取付穴32の周囲に５つの切刃取付体嵌着溝41が設けられ、これらの切刃取付体嵌着溝41の直角状の内角部において複数の切刃取付体42がそれぞれ位置決めされるとともに、全厚を順次変化させたシムなどの径方向調整板43を介して、図３および図４に示される径方向固定ねじ44により各切刃取付体42がそれぞれ固定されている。

図３および図４に示されるように、各切刃取付体42の上半部には回転方向側面を切欠いて設けられた押え爪固定部45が形成され、さらに、この押え爪固定部45の上部には、Ｖ形の切刃嵌着溝46がそれぞれ設けられ、これらの切刃嵌着溝46に３角形状の切刃36a，36b，36c，36d，36eがそれぞれ嵌着され、これらの切刃36a，36b，36c，36d，36eが、切刃固定ねじ47により切刃取付体42の押え爪固定部45に締着された切刃押え爪48によりそれぞれ押圧固定されている。

切刃取付体42は、径方向固定ねじ44を弛めると軸方向に移動調整できるように径方向固定ねじ44と嵌合する長穴（図示せず）を有し、また、図３に示されるように各切刃取付体42の底面には軸方向調整ねじ49が螺合され、その頭部49aが切刃取付体嵌着溝41の底面に係合されている。軸方向調整ねじ49の頭部49aの周側面には、ねじ回動用の工具係合穴49bが複数穿設されている。

シムなどの径方向調整板43の全厚が角度によって異なるので、複数の切刃36a，36b，36c，36d，36eは不等ピッチ間隔で配置されている。これらの不等ピッチ間隔を顕著にする場合は、複数の切刃取付体嵌着溝41を不等ピッチ間隔で形成してもよい。

次に、上記実施の形態の作用を説明する。

ヘッド本体31と切刃取付体42との間に挟まれるシムなどの径方向調整板43の枚数および板厚を調整することで、各切刃取付体42の径方向位置を調整して、複数の切刃36a，36b，36c，36d，36eの間に、基準となる切刃36aに対しボーリング回転方向と反対方向に順次隣接する切刃36b，36c，36d，36eが径方向に漸次拡径する径方向段差38をそれぞれ設定する。

径方向固定ねじ44を弛めたまま、軸方向調整ねじ49の頭部49aを、その工具係合穴49bに係合した工具（図示せず）により回動することで、切刃取付体42の軸方向位置を調整して、複数の切刃36a，36b，36c，36d，36eの間に、基準となる切刃36aに対しボーリング回転方向と反対方向に順次隣接する切刃36b，36c，36d，36eがボーリング進行方向と反対方向に漸次後退する軸方向段差37をそれぞれ設定する。軸方向段差37を調整設定した後は、各径方向固定ねじ44を締めて切刃取付体42を固定する。

切刃36a，36b，36c，36d，36eに磨耗、損傷が生じたときは、切刃固定ねじ47を弛めて切刃押え爪48を切刃36a，36b，36c，36d，36eから外し、切刃取付体42の切刃嵌着溝46から切刃36a，36b，36c，36d，36eを取外して新品と付け替え、再度、切刃固定ねじ47により切刃押え爪48を介して切刃36a，36b，36c，36d，36eを固定する。

そして、カッタヘッド14を回転しながら、ワークに穿設されている下穴内に同心状に挿入し、ボーリング進行方向に軸方向移動させると、先ず、基準となる最小径の切刃36aが、パイロット刃として、スラスト方向の切削抵抗を受けながら、下穴を僅かに拡径するように切削加工を行ない、続いて、軸方向段差37を介してボーリング進行方向と反対方向に漸次後退するとともに径方向段差38を介して径方向に漸次拡径したトルネード配置の後続する各切刃36b，36c，36d，36eが、スラスト方向の切削抵抗を受けながら、径方向段差38分ずつ下穴を拡径するように順次切削加工を行なう。

次に、図１乃至図４に示された切削工具11の効果を、図５乃至図１２に示されたグラフを参照しながら説明する。なお、検証に用いたアーバ13のカッタヘッド取付軸部21は、鋳鉄ＦＣＤ４５０製の鋳物であり、ワークは、下穴径φ５５．４ｍｍから加工径φ６３ｍｍに仕上げるものとする。

図５は、切削工具のアーバ材質と切削加工中の振動波形との関係を示し、（ａ）は、アーバ13のカッタヘッド取付軸部21をスチール製とした場合であり、（ｂ）は、アーバ13のカッタヘッド取付軸部21をスチール材とするとともにスチール材の基端から先端に向けて超硬質材料を埋込んだ場合であり、（ｃ）は、アーバ13のカッタヘッド取付軸部21を防振バーとした場合であり、（ｄ）は、本発明に係るアーバ13のカッタヘッド取付軸部21を鋳鉄製の鋳物とした場合である。

これらを比較すると、鋳鉄製の場合（ｄ）は、スチール製の場合（ａ）、超硬質材料を埋込んだ場合（ｂ）および防振バーの場合（ｃ）のいずれの場合よりも振動が小さいことが分かる。

これにより、アーバ13のカッタヘッド取付軸部21を鋳鉄製とすることで、構造が簡単でありながら、優れた振動減衰率を得ることができ、加工中の振動をスチール製などの場合よりも効果的に抑制できることが確認できる。

図６は、切削工具の刃数およびアーバ材質と時間当たりの切削量との関係を示すもので、２枚の切刃を有するカッタヘッドをスチール製のアーバに取付けた切削工具と、５枚の切刃を有するカッタヘッドをスチール製のアーバに取付けた切削工具と、５枚の切刃36a，36b，36c，36d，36eを有するカッタヘッド14を鋳鉄製のアーバ13に取付けた切削工具11とを比較すると、同じスチール製のアーバを用いた切削工具でも、２枚刃のカッタヘッドより、５枚刃のカッタヘッドの方が、時間当たりの切削量が多くなり、切削効率が良いとともに、同じ５枚刃のカッタヘッドでも、スチール製のアーバを用いた切削工具より、鋳鉄製のアーバ13を用いた切削工具11の方が、切削条件を上げても振動が少ないため、時間当たりの切削量が多くなることが分かる。

図７は、切削工具の切刃取付パターンと切削加工中の振動波形との関係を示し、（ａ）は４枚の切刃を等ピッチ間隔で配置した場合、（ｂ）は５枚の切刃36a，36b，36c，36d，36eを等ピッチ間隔で配置した場合、（ｃ）は５枚の切刃36a，36b，36c，36d，36eを不等ピッチ間隔で配置した場合であり、これらを比較すると、（ａ）と（ｂ）に示されるように、５枚の切刃36a，36b，36c，36d，36eの場合は、４枚の切刃の場合よりも、加工中の振動を著しく減少させて、振動を効果的に抑制でき、また、（ｂ）と（ｃ）に示されるように、５枚の切刃36a，36b，36c，36d，36eを等ピッチ間隔で配置するよりも、不等ピッチ間隔で配置する方が、加工中の振動を抑制できることが分かる。

図８は、切削工具の切刃取付パターンと切削抵抗（主軸抵抗）との関係を示し、４枚の切刃を等ピッチ間隔で配置した場合よりも、５枚の切刃36a，36b，36c，36d，36eを等ピッチ間隔で配置した場合と、不等ピッチ間隔で配置した場合の方が、主軸12に作用する回転方向の切削抵抗である主軸抵抗（電流値）を軽減できることが分かる。

図９は、切削工具の切刃取付パターンと切削抵抗（送り負荷）との関係を示し、５枚の切刃36a，36b，36c，36d，36eを等ピッチ間隔で配置した場合よりも、不等ピッチ間隔で配置した場合の方が、主軸軸方向に作用する切削抵抗である送り負荷を軽減できることが分かる。

図１０は、軸方向段差37および径方向段差38の有無と振動の大きさとの関係を示し、（ａ）は、５枚の切刃36a，36b，36c，36d，36eを同径位置にフラットに配置することで軸方向段差37および径方向段差38を設けない段差なし工具（以下、この段差なし工具を「通常工具」という）で切削加工した場合の振動波形であり、（ｂ）は、５枚の切刃36a，36b，36c，36d，36eを0.5mmの軸方向段差37と、0.9mmの径方向段差38とを介して順次配置したトルネード工具で切削加工した場合の振動波形であり、トルネード工具は通常工具よりも振動を大幅に抑制できることが分かる。

すなわち、カッタヘッド14が回転しながらボーリング進行方向に軸方向移動するにしたがって、軸方向段差37を介してボーリング進行方向と反対方向に漸次後退するとともに径方向段差38を介して径方向に漸次拡径したトルネード配置の５枚の切刃36a，36b，36c，36d，36eが、スラスト方向の切削抵抗を各切刃ごとの径方向段差分で全体的にバランス良くかつ安定して分担するので、軸方向段差37および径方向段差38のない通常工具よりも加工中の振動を低減できる。

フライス加工用のチップカッタは、切削抵抗をスラスト方向へ分散するのに適しているので、上記のトルネード配置の切刃36a，36b，36c，36d，36eとしては、フライス加工用のチップカッタが適する。

図１１は、切削工具11の１回転当たりの送り量と切削抵抗（主軸抵抗）との関係を示し、１回転当たりの送り量が同一のときは、トルネード工具は通常工具よりも主軸抵抗（電流値）を低減できることが分かる。

図１２は、切削工具11の１回転当たりの送り量と切削抵抗（送り負荷）との関係を示し、１回転当たりの送り量が同一のときは、トルネード工具は通常工具よりも送り負荷を低減できることが分かる。

このように、切削加工中の切削工具11の振動を効果的に抑制できるので、加工精度の向上、切削抵抗の低減、切削速度の向上、作業性の向上も図れる。

本発明は、ワークに開けられた下穴を所定径にボーリング加工する切削工具に利用できる。

本発明に係る切削工具の一実施の形態を示す一部を切欠いた正面図である。同上工具のカッタヘッドを示す平面図である。同上工具のカッタヘッドを示す正面図である。同上工具の切刃取付体を示す正面図である。切削工具のアーバ材質と切削加工中の振動波形との関係を示すグラフであり、（ａ）はスチール製の場合、（ｂ）は超硬質材料を埋込んだ場合、（ｃ）は防振バーの場合、（ｄ）は本発明に係る鋳鉄製の場合を示す。切削工具の刃数およびアーバ材質と時間当たりの切削量との関係を示すグラフである。切削工具の切刃取付パターンと切削加工中の振動波形との関係を示すグラフであり、（ａ）は４枚の切刃を等ピッチ間隔で配置した場合、（ｂ）は５枚の切刃を等ピッチ間隔で配置した場合、（ｃ）は５枚の切刃を不等ピッチ間隔で配置した場合を示す。切削工具の切刃取付パターンと切削抵抗（主軸抵抗）との関係を示すグラフである。切削工具の切刃取付パターンと切削抵抗（送り負荷）との関係を示すグラフである。（ａ）は軸方向段差および径方向段差を設けない工具で切削加工した場合の振動波形を示し、（ｂ）は軸方向段差および径方向段差を設けたトルネード工具で切削加工した場合の振動波形を示すグラフである。切削工具の１回転当たりの送り量と切削抵抗（主軸抵抗）との関係を示すグラフである。切削工具の１回転当たりの送り量と切削抵抗（送り負荷）との関係を示すグラフである。

符号の説明

12 主軸
13 アーバ
14 カッタヘッド
21 カッタヘッド取付軸部
37 軸方向段差
38 径方向段差

Claims

工作機械の主軸に装着されるアーバと、
このアーバに取付けられ複数の切刃を備えたカッタヘッドとを具備し、
アーバは、カッタヘッドを取付ける鋳鉄製のカッタヘッド取付軸部を備えた
ことを特徴とする切削工具。
複数の切刃は、５枚である
ことを特徴とする請求項１記載の切削工具。
複数の切刃は、不等ピッチ間隔で配置された
ことを特徴とする請求項１または２記載の切削工具。
カッタヘッドは、ボーリング加工に用いられ、
複数の切刃は、
基準となる切刃に対しボーリング回転方向と反対方向に順次隣接する切刃がボーリング進行方向と反対方向に漸次後退する軸方向段差と、
基準となる切刃に対しボーリング回転方向と反対方向に順次隣接する切刃が径方向に漸次拡径する径方向段差とを備えた配置構成である
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の切削工具。
切刃は、フライス加工用のチップカッタを用いる
ことを特徴とする請求項４記載の切削工具。