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【発明の名称】 |
ツールホルダ |
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【氏名】大木 武博
【氏名】久田 建男 |
【課題】深彫り加工等における工具の振動を低減することにより、工具の破損と加工品精度不良の発生を抑制するとともに、加工能率を向上させることができるツールホルダを提供すること。
【解決手段】ツールホルダ（２）の材料として、ヤング率が２３０００ｋｇ／ｍｍ2 以上の高ヤング率材料、特に、炭素鋼もしくは合金鋼中にヤング率が２４０００ｋｇ／ｍｍ2 以上の硬質粒子を５〜７０体積％含有している材料を用いる構成とした。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 先端に切削工具が設けられるツールホルダであって、その材料が２３０００ｋｇ／ｍｍ2 以上のヤング率を有する高ヤング率材料からなることを特徴とするツールホルダ。
【請求項２】 前記高ヤング率材料は、炭素鋼もしくは合金鋼中にヤング率が２４０００ｋｇ／ｍｍ2 以上の硬質粒子を５〜７０体積％含有しているものであることを特徴とする請求項１記載のツールホルダ。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、切削、研削等に用いられる切削バイトやチップ等の工具を保持するためのツールホルダに関し、特に、金型の深彫り加工における工具の振動を低減することにより、工具の破損と加工品精度の低下を防止し、加工能率を向上させることが可能なツールホルダに関する。
【０００２】
【従来の技術】金型加工の分野においては、金型の原価低減指向は著しく、特に金型の高能率加工は、大きな課題である。特に、ＭＣ、ＮＣフライス、エンドミル等を用いた深彫り加工においては、工作機械から工具先端までの距離が長く、工具振動が大きいため、工具の破損や加工品精度の低下が生じやすく、工具の破損や加工品精度の低下を防止するためには、加工能率を低下せざるを得ないという問題があった。これらの問題を解決するために、工具の性能や加工機の剛性を高めたり、あるいは適切な切削条件を選定する等、各種の改善が進められている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、深彫り加工における加工能率を高めるために、ツールホルダ材質について検討が行われた例はない。
【０００４】図１は、フライス盤を用いてワークを加工する際のツールホルダの周辺部構成を示したものである。ツールホルダ（２）は、その上端をフライス盤の主軸（１）に所定形状のチャック（図示せず）により固定され、ツールホルダ（２）の先端には、その外周に切削チップ（４）が支持されたボディ（３）が固定されている。ワーク（５）を加工する際には、主軸（１）を回転させることにより、ツールホルダ（２）の先端に位置する切削チップ（４）を回転させ、これを所定の切り込み量となるようにワーク（５）に押し付けながら、ワーク（５）の切削加工を行うものである。この時、切削チップ（４）がワーク（５）から抵抗を受けるので、ツールホルダ（２）の先端に水平方向の力がかかることになる。
【０００５】ツールホルダを、直径Ｄ、長さＬの一端固定の片持ちはりと仮定すると、ツールホルダの先端に作用する水平方向の力Ｐと、ツールホルダの先端に発生する水平方向のたわみδとの間には、δ＝ＰＬ3 ／３ＥＩ（以下、第１式という）なる関係式が成り立つ。ここで、Ｅは、ツールホルダのヤング率である。また、Ｉは、ツールホルダの断面２次モーメントであり、Ｉ＝πＤ4 ／６４（以下、第２式という）で表される。
【０００６】そのため、例えば、長さＬのツールホルダにかかる力をＰ1 、長さ２Ｌのツールホルダにかかる力をＰ2 とし、両者に同一のたわみ量が発生したとすると、第１式より、Ｐ1及びＰ2の間に Ｐ2＝Ｐ1／８ なる関係が成り立つ。この結果は、ツールホルダの長さが２倍になると、同一たわみ量を発生させるのに１／８の力ですむ、すなわち、ツールホルダの剛性が１／８に低下することを示している。
【０００７】ここで、図２は、直径１０ｍｍの２枚刃のエンドミルについて、立フライス盤により正面切削を行った時のエンドミルの刃長（ｍｍ）と切削耐久長度（ｍｍ）との関係を示したものである。被削材としてロックウェル硬度（ＨＲＣ）３２〜３６のＳＫＤ６１を用い、切削条件は、回転数３４０ｒｐｍ、送り速度２５ｍｍ／ｍｉｎ、切り込み深さ５ｍｍとした。この図２より、刃長が１５ｍｍから３０ｍｍになると、切削耐久長度は、平均値で１７５０ｍｍから１７０ｍｍまで低下することがわかる。すなわち、切削耐久長度とは、「切刃が破損するまでに削れた長さ」を評価したものであるから、図２の結果は、刃長が２倍となり工具剛性が１／８になると、工具寿命はそれ以下の１／１０まで低下することを示している。
【０００８】また、表１は、フライス盤により側面加工を行う場合のエンドミルの刃長（ｍｍ）と、工具破損及び加工品精度不良を生ずることなく加工可能な適正なテーブル送り速度（ｍｍ／ｍｉｎ）との関係を示したものである。被削材としてＮＡＫ５５（本出願人会社のプラスチック金型用鋼の鋼種記号）を用い、工具は、直径２５ｍｍで２枚刃の溶製ハイス製エンドミルとし、切削条件は、切り込み深さ及び切り込み巾をともに１２．５ｍｍとした場合である。
【０００９】この表１より、刃長が５０ｍｍの場合の適正なテーブル送り速度は２２ｍｍ／ｍｉｎであるが、刃長が９０ｍｍの場合には、適正なテーブル送り速度は３ｍｍ／ｍｉｎであることがわかる。この結果は、刃長が１．８倍となり工具剛性が約１／６になると、テーブル送り速度をそれ以下の約１／７まで下げる必要があることを示している。すなわち、テーブル送り速度が小さいほど切削能率が低いことを示しているので、表１の結果は、切削条件を一定とした場合、エンドミルの刃長が長くなると、エンドミルの剛性が低下して被削面の倒れが大きくなり、被削面の粗さも悪くなるため、実際の加工においては、切削能率を下げて使用せざるを得ないことを示している。
【００１０】
【表１】
【００１１】図２及び表１は、エンドミルの刃長と工具寿命及び切削能率との関係を示したものであるが、ツールホルダの長さと工具寿命及び切削能率との関係も全く同様である。すなわち、金型の深彫り加工等、ツールホルダの長さが長くなると、ツールホルダの剛性が低下し、加工時の工具振動が大きくなるため、工具の破損と加工品精度の低下が生じやすくなり、これを回避するためには、切削能率を下げる必要があるという問題があった。
【００１２】一方、第１式より、断面２次モーメント（Ｉ）を大きくする、すなわち、第２式より、ツールホルダの直径Ｄを大きくすれば、ツールホルダに発生するたわみ量を小さくすることは可能である。しかしながら、ツールホルダの直径を大きくすると、ツールホルダの重量が増加し、作業性が低下するという問題があった。
【００１３】本発明が解決しようとする課題は、作業性の低下を伴うことなく、金型の深彫り加工等における工具振動を低減し、それにより工具破損と加工品精度不良の発生を抑制し、切削能率の向上を図ることが可能なツールホルダを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するために、本発明に係るツールホルダは、先端に切削工具が設けられるツールホルダであって、その材料が２３０００ｋｇ／ｍｍ2 以上のヤング率を有する高ヤング率材料からなることを要旨とするものである。
【００１５】上記構成を有するツールホルダによれば、ツールホルダとして従来から用いられているクロムモリブデン鋼（ＳＣＭ系）等、ヤング率が２００００〜２２０００ｋｇ／ｍｍ2の鋼材に代えて、ヤング率が２３０００ｋｇ／ｍｍ2以上の高ヤング率材料を用いることにより、ツールホルダの重量を増加させることなく剛性を高くすることができる。例えば、ヤング率２０５００ｋｇ／ｍｍ2 であるＳＣＭ材からなるツールホルダを、同一径及び長さを有するヤング率２７８００ｋｇ／ｍｍ2 である高ヤング率材料からなるツールホルダに代えたとすると、第１式より、ツールホルダに発生するたわみを２６．３％低減することが可能となる。これにより、金型の深彫り加工等の作業性を低下させることなく、工具振動を低減できるので、工具破損と加工品精度不良の発生を抑制でき、切削能率を飛躍的に向上させることが可能となる。
【００１６】ここで、上記した高ヤング率材料としては、炭素鋼もしくは合金鋼中にヤング率が２４０００ｋｇ／ｍｍ2 以上の硬質粒子を５〜７０体積％含有しているものであることが特に望ましい。
【００１７】ヤング率が高い合金として、例えば、超硬合金が知られているが、超硬合金は靱性に乏しいため、大きな力のかかるツールホルダに使用した場合に破損するおそれがある。また、比重が大きいために、作業性が悪く、しかも硬度が高いためにツールホルダ形状に切削加工することが不可能であるという欠点がある。
【００１８】これに対し、炭素鋼もしくは合金鋼中にヤング率が２４０００ｋｇ／ｍｍ2 以上の硬質粒子を５〜７０体積％含有しているものをツールホルダとして用いる場合には、ヤング率の高い硬質粒子の含有量を調節することによって材料全体のヤング率を任意に調節することが可能となる。また、基地となる炭素鋼もしくは合金鋼は、鋼種によっては、熱処理によって強度、靱性、硬度等の機械的性質を調節することが可能であるので、例えば、切削加工を行う必要があるときには、焼きなましによって基地を軟化させることができ、強度及び靱性を高める必要があるときには、焼き入れ焼き戻しによって基地を強化することが可能となる。これにより、最適なヤング率、被削性、強度、靱性、硬度等を備えたツールホルダを容易に得ることができる。
【００１９】前記高ヤング率材料の基地となる炭素鋼もしくは高合金鋼としては、構造用炭素鋼（例えば、ＪＩＳ Ｓ−Ｃ材、Ｓ−ＣＫ材その他）、ニッケルクロム鋼（例えば、ＪＩＳ ＳＣＮ材その他）、ニッケルクロムモリブデン鋼（例えば、ＪＩＳ ＳＮＣＭ材その他）、クロム鋼（例えば、ＪＩＳ ＳＣｒ材その他）、クロムモリブデン鋼（例えば、ＪＩＳ ＳＣＭ材その他）、マンガン鋼（例えば、ＪＩＳ ＳＭｎ材その他）、マンガンクロム鋼（例えば、ＪＩＳ ＳＭｎＣ材その他）、炭素工具鋼（例えば、ＪＩＳ ＳＫ材その他）、高速度工具鋼（例えば、ＪＩＳ ＳＫＨ材その他）、合金工具鋼（例えば、ＪＩＳ ＳＫＳ、ＳＫＤ、ＳＫＴ材その他）、高炭素クロム軸受鋼（例えば、ＪＩＳ ＳＵＪその他）などを用いることが可能であり、ＪＩＳで制定する化学成分に他の合金成分を適宜添加したり、成分組成を適宜変更したりしたものを使用することが可能である。
【００２０】また、前記炭素鋼もしくは合金鋼に含有させるヤング率が２４０００ｋｇ／ｍｍ2 以上の硬質粒子としては、周期律表第４Ａ族（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ）の炭化物、窒化物、同第５Ａ族（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ）の炭化物、窒化物、同第６Ａ族（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ）の炭化物、窒化物などが用いられ、そのほか、ほう化物、けい化物、硫化物、酸化物などが用いられ、これらの１種又は２種以上を適宜選択して採用することができる。
【００２１】硬質粒子のヤング率を２４０００ｋｇ／ｍｍ2 以上としたのは、硬質粒子のヤング率が低すぎると、これを炭素鋼又は合金鋼に含有させた場合に、ヤング率が２３０００ｋｇ／ｍｍ2 以上の高ヤング率材料とすることができない場合もあるからである。
【００２２】また、硬質粒子の含有量を５〜７０体積％としたのは、硬質粒子の含有量が５体積％以下では、通常の鋼材のヤング率は２００００〜２２０００ｋｇ／ｍｍ2程度であるので、ヤング率が２３０００ｋｇ／ｍｍ2 以上の高ヤング率材料を得ることができなくなるからである。また、硬質粒子の含有量が７０体積％以上では、炭素鋼もしくは合金鋼が少なくなりすぎるので、熱処理効果を得ることができなくなるからである。すなわち、硬質粒子含有量が７０体積％を越えると、材料全体の機械的性質は熱処理の効かない硬質粒子によって支配されるようになるので、材料を焼きなましすることによって硬さを低下させることにより、切削加工や研削加工を可能としたり、材料を焼入れ焼戻しすることによって強度及び靱性を向上させることが困難となるからである。
【００２３】本発明に使用する上記した高ヤング率材料は、種々の方法により製造できる。例えば、炭素鋼もしくは合金鋼の溶湯中に硬質粒子を添加、分散させた後、鋳造を行うことにより製造することができる。
【００２４】また、炭素鋼もしくは合金鋼の粉末に硬質粒子を加えて混合し、これを成形、焼結する粉末冶金的手法によっても製造することができる。この場合、焼結後に、熱間静水圧成形（ＨＩＰ処理）を行ったり、ＨＩＰ処理後にさらに熱間鍛造を行う等の後工程を加えると、焼結体中に残留する気孔を圧着することができるので、高ヤング率材料の機械的性質や信頼性をさらに向上させることが可能となる。また、炭素鋼もしくは合金鋼の粉末に硬質粒子を加えて混合し、これを金属製の缶に真空封入し、これをＨＩＰ処理して粉末から直接ブロック状の高ヤング率材料を製造することも可能である。
【００２５】さらに、固溶限度を超える高い合金元素を含有する高合金鋼の溶湯をアトマイズ法により噴霧して急冷することにより、合金鋼粉末中に微細な硬質粒子を析出させ、この粉末を直接、成形、焼結することによっても高ヤング率材料を製造することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
【００２７】（実施例１）表２に示すＡの組成の合金粉末を、アトマイズ法で製造した。この合金粉末を鋼製の缶に入れて脱気した後、缶を密封し、これを１２００℃ｘ１０００ｋｇ／ｃｍ2 ｘ１ｈｒの条件で熱間静水圧処理（ＨＩＰ）を行い、次いで鍛造を行って成形することにより、高ヤング率合金を作製した。
【００２８】
【表２】
【００２９】（実施例２）実施例１の合金粉末と体積率で１０ｖｏｌ％のＷＣ硬質粒子とを混合し、実施例１と同じＨＩＰ処理及び鍛造を行うことにより、高ヤング率合金を作製した。
【００３０】（実施例３）ＷＣ硬質粒子の体積率を２０ｖｏｌ％とし、その他は、実施例２と同じ合金粉末及び製造方法を用いて、高ヤング率合金を作製した。
【００３１】（比較例１）従来からツールホルダとして一般に使用されているクロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４４０）を比較例として用いた。その化学組成を表２のＢに示す。
【００３２】実施例１〜３及び比較例１の各材料の硬質粒子含有量及びヤング率を表３に示す。
【００３３】
【表３】
【００３４】得られた上記３種類の高ヤング率合金及び従来材のＳＣＭ４４０を用いて、長さ３５０ｍｍ、直径８３ｍｍのツールホルダを作製し、工具寿命と切削能率の評価を行った。被削材としてブリネル硬度（ＨＢ）１７８のＳＫＤ６１を用い、ＮＣフライス盤（商品名「ＭＯＲＩ ＭＶ４５」）により正面フライス加工を行った。ツールホルダ先端に取り付けるボディの直径Ｄを１００ｍｍとし、ボディ外周には、ＴｉＮコーティングを施した超硬合金製の切削チップが１枚取り付けられている。また、切削条件は、切削幅５０ｍｍ、切り込み３ｍｍとした。送り速度は、１５０ｍｍ／ｍｉｎ（１刃当たり０．１５ｍｍ／ｒｅｖ）を基準とし、ツールホルダ材質に応じて最高２９０ｍｍ／ｍｉｎまで送り速度を上げて工具寿命の評価を行った。工具寿命は、与えられた切削条件下において、横逃げ面摩耗が０．１ｍｍに達したときの切削長（ｍｍ）で表した。結果を表４に示す。
【００３５】
【表４】
【００３６】送り速度１５０ｍｍ／ｍｉｎの条件下では、従来材のＳＣＭ４４０からなるツールホルダ（比較例１）の工具寿命は、２１５０ｍｍであった。一方、実施例１、２及び３の材料からなるツールホルダの工具寿命は、それぞれ２９９０ｍｍ、３５７０ｍｍ及び５０２０ｍｍであり、材料のヤング率が高いほど工具寿命が長くなるという結果が得られた。
【００３７】また、実施例１、２及び３の材料からなる各ツールホルダについて、送り速度を漸次増加させて工具寿命を評価し、従来材のＳＣＭ４４０と同等の工具寿命（切削長２１５０ｍｍ）となった時の送り速度を求めたところ、それぞれ１８５ｍｍ／ｍｉｎ、２３０ｍｍ／ｍｉｎ及び２９０ｍｍ／ｍｉｎとなり、材料のヤング率が高いほど送り速度を速くできるという結果が得られた。
【００３８】以上の結果から、ツールホルダ材料のヤング率を高くするほど、工具寿命が延び、また、送り速度を速くすることができる、すなわち加工能率を向上させることができることがわかった。これは、ツールホルダ材料のヤング率を高くすることにより、工具の剛性が増加し、その結果、加工時の工具振動が抑制されたためと考えられる。上記実施例の場合、ヤング率が２０５００ｋｇ／ｍｍ2 である材料に代えてヤング率が２９５００ｋｇ／ｍｍ2 である材料をツールホルダとして用いることにより、工具寿命及び切削能率が、それぞれ２．３倍及び１．９倍に改善されることがわかった。
【００３９】なお、本発明は、上記実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。例えば、上記実施例では、粉末冶金的手法を用いた粒子分散型の高ヤング率合金をツールホルダ材料として用いているが、ヤング率の高い長繊維又は短繊維を炭素鋼もしくは合金鋼中に添加した、繊維強化型の高ヤング率合金を用いても、上記実施例と同様の効果が得られる。また、上記実施例では、フライス盤用のツールホルダについて評価しているが、フライス盤以外の他の工作機械用のツールホルダに応用しても、同様の結果が得られる。
【００４０】
【発明の効果】本発明によれば、ヤング率が２３０００ｋｇ／ｍｍ2 以上の材料を用いてツールホルダとすることにより、ツールホルダの重量を増大させることなく剛性を高めることができるので、作業性の低下を伴うことなく加工時の工具振動が低減される。その結果、工具の破損や加工品精度不良の発生が抑制され、切削能率が飛躍的に向上するという効果がある。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００３７１３
【氏名又は名称】大同特殊鋼株式会社
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| 【出願日】 |
平成９年（１９９７）７月２日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】上野 登
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| 【公開番号】 |
特開平１１−１９８３９ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）１月２６日 |
| 【出願番号】 |
特願平９−１９３２７６ |
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