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1. JP2000502291 - 高速回転ツール

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

[ JA ]
【発明の詳細な説明】
高速回転ツール 発明の背景
本発明は、高速回転ツール、特に、回転ディスクを用いたスライスに関する。遠心力によって引き起こされる膨張(拡大)を抑制するために、ディスクの周リにバンドを用いた。
今日のスライスは、マシンツールに取り付けられるシャンクに連結される中実のボディーを持つように設計されている。このような設計は、回転速度が1分当たり10,000回転未満である多くの用途にとって魅力的である。高品質仕上げを維持したまま同時に効率を高めるためには、スライスを1分当たりO,000回転より上の回転速度で回転させることが望ましい。現在では、少なくとも1分当たり30,000回転の速度で効果的に動作するスライスを提供する必要がある。
市販されているスライスではこのような回転を行うことができない。これらのカッターは、比重の大きいスチール製である。スチール製のスライスの最終的な重さにより、高速動作では遠心力により変形が生じる。このことは、カッターインサート(複数)の位置合せのずれ及び機械製品の寸法の不均一性を生じる結果となる。
更に、切削動作の間にも振動してしまい、スチールの振動減衰能力は小さい。従って、この振動は有効に減衰されない可能性がある。
また、スチール製のスライスは過度の慣性を有し、この慣性はマシンツールの作動を妨げ、高速まで加速したり高速から減速したりするためにはより多くの時間を必要とする。また加速するには、より大きなパワーを有するマシンツールも必要となる。
”マシンツールのスピンドル(Spindles of Machine Tools)”と題した米国特許第5,018,915号は、熱硬化性樹脂をしみ込ませた巻線状カーボン又はグラスファイバからなるマシンツールのスピンドルであって、ツールのシャンクを収容するために使用されるスピンドルについて教示している。
更に、”エネルギ
貯蔵:パーフェクトなフライホイールの研究(”Energy Storage: Search for the Perfect Flywheel”from Popular Science Magazine,Vol.XX(DATE))”と題した記事は、様々な複合材料を用いた高速フライホイールの設計について教示している。
これらの参考文献のどちらも、スライスの設計については教示や提案を行っていない。少なくともl分当たり30,000回転の速度で使用するスライスが必要である。更に、ツール故障の可能性はこのような高速ではより重要となり、従って、スライスのラジアル膨張を制限し、故障した場合にスライスから緩んだパーツが外れるのを物理的に拘束するための、ある機構が必要である。
本発明の目的は、スライスの回転により生じる遠心力を最小にするために、重量が低減されたスライスを提供することである。
本発明の他の目的は、ラジアル膨張が抑制されたスライスを提供することである。
本発明のもう1つの目的は、スライスの本体の振動を減衰するための手段を提供することである。
本発明の更にもう1つの目的は、スライスが故障した場合に緩くなる可能性があるあらゆるパーツがスライス本体から外れてしまうのを物理的に拘束する拘束手段を提供することである。 発明の概要
本発明に従って、長手方向軸の周りを高速回転するマシンツールのスピンドルと結合可能な回転ツールが提供される。ツールは、スピンドルの中に取り付け可能なシャンク及びこのシャンクに接続されていて中心ハブ及び外面を有するディスクからなる。このディスクは長手方向軸の周りで対称となっている。ディスクの外周部には複数の切削インサートが均等パターンに取り付けられる。ディスクの外周の周りには、ディスク上にかかる遠心力による膨張を抑制するために、高靭性材料からなるバンドがある。ディスクは、振動を減衰し、及びディスクのパーツが本体から外れそうになる場合にこれらのパーツを拘束するために、シースに囲まれていてもよい。重量を低減するために、ディスクを貫通する通路及び中心ハブを貫通するハブポートを備えても良い。またシース材料は、これらの通路及びハブポートを突き通ってディスクの周りで自己連結されていてもよい。 図面の説明
図1は、本発明のスライスの等角図である。
図2は、図1の円で囲った部分を明確にするために逆さにした、詳細な等角図である。
図3は、図2と同じ図であるが、切削インサートを取り除いた詳細な等角図である。
図4は、拘束部材が加えられた本発明の第2の実施の形態の等角図を表わす。
図5は、図4の図を逆さにした本発明の切取内部等角図を表わす。
図6は、図5の円で囲った部分の詳細を表わす。
図7は、本発明の側面図を表わす。
図8は、本発明の底面図を表わす。 好適な実施の形態の記述
図1は、ディスク14に連結されるシャンク12を有する、本発明に従ったスライス10を表わす。シャンク12の設計は、例えばマッチングキー(図示せず)によって係合される2つの位置決めスロット16及びマシンツール(図示せず)の噛み合わせスピンドルによって係合される切頭台形の外周18を用いるHSK標準インターフェース設計のような標準設計である。
切削インサート20はディスク14の周囲に均等(対称的)に取り付けられる。切削インサート20はインサートラグ22を介してディスク14に連結されてもよい。一方、切削インサート20は、各インサート20の切削部分のみがディスク14から突き出るように、ディスク14の凹みの中に取り付けられても良い。
ディスク14から突き出した切削インサート20及びインサートラグ22をディスク14に導入することにより、オフセットマス(偏り質量)が生成され、本来均整のとれたディスク14のバランスを崩す。このような構成は動的にバランスをとってもよいが、遠心力によってインサートラグ22及び切削インサート20が半径方向外側にたわんでしまい、これによってインサートラグ22の位置でディスク14に正接するラインの周りに曲げモーメントが加わる。これは、各ラグ22の位置でディスクを上に曲げることにより、ディスク14をカッピングする(そらせる)作用がある。これはスライス10の構造的統一性に影響を及ぼす可能性があると共に、加工物に対する各切削インサート20の位置にも影響を及ぼしかねない。このような曲がりは、高速では大きくなるため望ましくない。
このため、ディスク14の反対側上において、釣り合い重みラグ24がディスク14上のインサートラグ22と同じラジアル方向位置でディスク14から延出する。各釣り合い重みラグ24は重心を有する。この重心は、インサートラグ22/切削インサート20の組み合わせの重心に縦方向に位置合わせされ、また、釣り合い重みラグ24が切削ラグ22/切削インサート20の組み合わせによって生成される力と反対方向のこれと等しい力を提供するように、ディスクの中心から長手方向軸に沿って等距離のところに配置される。このようにして、インサートラグ22及び切削インサート20の導入により生じる曲がりによるディスク14の変形は、取り除かれる。
回転によるラジアル方向膨張により引き起こされるラジアル方向偏向を抑制するために、各釣り合い重みラグ24及びインサートラグ22は中央ハブ28から延在するスポーク26に接続されてもよい。このようなスポークの高さはそれぞれのラグの高さの約半分であってもよい。
スライス10の質量を最小にするために、不要な材料をディスク14から取リ除いた。特に、対になっているラグの複数の対の間のディスク材料を取り除いて、ディスク14を貫通する通路30を画定した。更に、中央ハブ28から材料を取り除いてラジアル方向貫通孔即ちハブポート32を画定した。このように材料を除去することにより、スライスに関連する重量を減らすだけでなく、更にこの材料の除去により、そうでない場合にはスライスによって加えられる遠心力を助長するような質量を取り除く。
スチール以外の材料でディスクを製造することが可能であり、このような状況下では、重量の削減のために材料を取り除く必要性が少なくなる。
ディスク14及び中央ハブ28から材料を取り除いたとしても、残りのラジアル方向支持部材(複数の通路30の間に残るスボーク26及びディスク部材)が、スライス10の高速回転によりラジアル方向に膨張する可能性がある。このような膨張を封じ込めるために、強靭性材料からできたバンド34をディスク14の周辺に固定する。
強靭性材料は、剛性を提供するために高い引っ張り強度及び高い弾性率を有する。バンドは特に、樹脂で接着されたカーボングラファイトファイバ、又はある種のスチールなどの引張り強度の高い金属からなっても良い。このようにして、スライスから材料を取り除く利点を実現することができると同時に、バンド34の存在によって、構造的な支持が弱いという欠点が否定される。
図2及び図3は、図1の中で円で囲った切削インサート20及びインサートラグ22の更なる詳細を表わす。明確化のために、図2及び図3は、図1に表わされた向きとは逆さに表わされることに注意されたい。図2を見ると、インサート20が取り付けられたインサートラグ22がディスク14から突き出ている。インサート20は、ラグ22上の接合側面38(図3)に係合するリップ36を有するL字型の基体35からなる。更に、インサートは、ラグ22の接合正面44及び接合底面46にそれぞれ接合する裏面40及び底面42を有する。インサート20は、ラグ22に対してねじ48で固定されてもよい。このねじ48はインサートの中の中央開口50を通って延び、ラグ22の接合正面44の後ろのネジ穴52に係合する。
またインサート20は、インサート20をインサートラグ22にろう付けするなどの他の従来方法でインサートラグ22に固定されることもできる。
図1〜図3において、多くの場合において、表面同士の間の境目は、湾曲又は半径を持つように曲面にされることに注意されたい。多くのデザインにおいて、鋭い角は応力集中を生み出し、この応力集中は構造体中に弱点を導入しやすいことは良く知られている。このため、これらの領域における応力は、複数の表面間の境目を滑らかにすることによって低減することができる。各場合について示されてはいないが、好適な設計は、不連続的な各表面を調和するためになめらかな境目を伴う。
もう一度図1を見てみると、中央ハブ28の円周の周りに延在する環状スロット(溝)54があり、このスロットの上には第1フランジ56が、及びこのスロット54の下には第2フランジ58がある。第1フランジ56の目的はシャンク12をマシンツールのスピンドルの中に適切に位置決めすることであると共に、このフランジ56の厚み及びスロット54の存在は、自動ツール交換動作の間にスロット54に係合する機械的フィンガ(複数)の必要性によって全て決定される。
従って、環状スロット54、第1フランジ56及び残りのシャンク12は全て、膨大な数ある市販されているツール交換装置(自動又は手動)のいずれにも適合するように簡単に修正することができる。
シャンク12及びフランジ56及び58は典型的にはスチール又はスチール合金から作られる。しかし、ディスクを同一材料から作ってシャンク及びディスクをまとめて1ピースにしてもよいが、シャンク12を従来の材料で作製し、ディスクを高い平面(プレーナ)剛性などの好適な特性を有する他の材料で作製してもよい。
特に、シャンクはたいていスチールから作られるが、ディスクはスチールやチタン等の金属、又はファイバー強化複合材料などの密度が低く剛性の高い材料から作られても良い。現在ではこのような材料の多くが工業分野において使用されている。ボルトによって接続された2つの接合フランジなどの従来手段を用いて第1の材料からできたシャンク12及び第2の材料からできたディスク14を接合することは可能であろう。中央ハブ28の半径距離はディスク14の周辺までの半径距離に比べて小さいので、これらの接合構成要素にかかる遠心力はより小さい。
図1に表わされたように、バンド34はディスク14の外周部の溝60の中でディスク14に接合することができる。成いは、溝60を省いてバンド34をディスク14の外周に固定することができる。
切削インサート20は窪み64を有する基体35を有し、この窪み64の中に多結晶ダイヤモンド(PCD)チップ66をろう付けしても良い。これらの状況下において、壊れ易いPCDチップ66をきちんと支えるために、PCDチップ66と基体62との間に受け板68を含むことが好ましい。PCDチップ66を直接ラグに固定させることも可能であるが、このような状況下においては、チップ66は簡単に取りかえることができない。最後に、PCD以外の他の材料、例えばカーバイドや被覆されたカーバイド材料等から作製された切削チップを使用することが可能である。
これまで述べてきたのは、剛性のために構造的な変更を行い、及び質量及びこのような質量に関連する力を低減させるために材料を除去することによって可能となる、高速回転可能なスライスである。この設計は機能的であるが、全ての回転ツールと同じように、動作中に突発故障の可能性が常にある。
図4は、本発明の第2の実施の形態を表わし、この中では、図1〜図3に表わされたディスク14がシース80の中に囲まれている。シースは、突発故障の際の拘束部材として機能するためのものである。図4に表わされたように、シースの頂部82及びシースの側部84はディスク14の頂部及び側部を完全にカバーする。更に、図4及び図5に表わされたように、シースの底部86はスライスの底部の大部分をカバーする。
図4及び図5にも見られるように、シース部材はディスク14の中の通路30及び中央ハブ28の中のハブポート32を貫通する。この結果、シース部材はスライスのディスクを介して自己連結されており、これによって緩みそうなディスク14のあらゆるパーツを拘束するために最大限の能力を提供する。また、図5及び図6から分かるように、バンド34もまたシース部材によって囲まれる。
図4及び図6から分かるように、シース部材はディスク14を完全に囲み、切削インサート20を簡単に取りかえる能力に影響を与えない範囲で可能な限りインサートラグ22を囲むことを理解されたい。この特徴は、インサートがインサートラグ22に永久に取り付けられる場合、それ程重要ではない。
スライスは高速で動作されるものであるため、バランスをとることが非常に重要となる。スライスのシャンク12及びこれに関連するディスク14を切削インサート20とともに正確に動的にバランスをとることが可能であるが、シース部材の均一かつバランスのとれた配置の制御はあまり行わない。従って、スライスは補助的なバランス機構を必要とする可能性がある。この補助的なバランス機構は、入手可能な市販の数多くのバランス調整技術のうちのいずれかを用いて実施されてもよい。これは、ケンナメタル社(Kennametal Inc.)に譲渡された”回転ツールアセンブリのバランスをとるための方法及び装置(Method and Apparatus for Balancing a Rotary Tool Assembly)”と題した米国特許第5,074,723号に記載されたバランス調整リングを使用することができる。
シース部材は、外れてしまう可能性のあるディスク14のパーツを囲んで拘束することができるあらゆるタイプの弾性部材であってもよい。特に、シースはカーボンファイバ強化ポリマー(CFRP)、芳香性ポリイミドファイバ、またはカーボン−グラスファイバ強化ポリマーを含む、あらゆる数の材料から成っても良い。これらの材料は、その材料が通路30及びハブポート32を貫通し、シース80の頂部82及び底部86に広がるように、ディスク14の周りでモールド成形又は巻き付けされる。
最終的な構成は、ディスク14の緩んだパーツを収容することができるシース部材からなる連結された集合体となる。シース部材がこのようなパーツをその元の位置に保持する必要はない。従って、外れた場合、スライスにおいて大きなアンバランスが生じ、スライスが止まるまでシースはこれらのパーツを単に収容するだけである。
図6は、ディスク14の溝60の中のバンド34の断面の詳細を表わす。バンド34はディスク14の残りの部分と同じように、シース80によつて囲まれることに注意されたい。
図7は、本発明の第2の実施の形態の側面図を表わす。この中では、ディスク(図示せず)はシース80によって収容されている。これはシースがディスクを収容する能力だけでなく、図1に図示したかなり不連続的な形であるものにシースが流線形を提供する能力も示す。高い回転速度では、回転するパーツの凹凸は、空力乱流により生じるノイズ及びアンバランスを生じやすい。これらの理由により、シースはスライスの輪郭を流線形にすることにより、表面の凹凸により生じるノイズ及び振動を最小にする第2の利益を提供する。
最後に、スライスがどの程度バランス調整されようとも、あるレベルの振動は常に存在する。スライスの設計とは別に、このような振動は加工物の均一性の欠如によっても引き起こされ得る。このような振動は完全に制御することができないが、シース部材はスライスの中のこのような振動を効果的に減衰するようにシャンク12及びディスク14に作用することができる。これは有益である。なぜなら、幾つかの用途においてこのような振動減衰がない場合だと、図1に図示されたシースに収められていないスライスは、振動に影響されて切削インサート20が望ましくない変位を起こす可能性があるためである。
従って、シース80の利点は3つある。第1は、シースがスライスのパーツを収容及び拘束すること、第2は、シースがノイズ及び空力振動を最小にすること、第3は、シースがスライスの中の内部振動を低減するように作用することである。
図8は、スライスの底面図を表わし、シース部材を介して達成されるなめらかな輪郭を示す。
先述のように、回転ツールは高い剛性、安定した切削インサート、振動に対する抵抗性、及びスライスの故障により緩みそうなパーツを収容する容器を有さなければならない。
ツールのあらゆるパーツに使用することができるカーボンファイバのタイプは、高い剛性を有していなければならない。これらの材料の中には負の膨張率を有するファイバを含むアラミドファイバがある。このようなファイバは熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、及びポリイミド樹脂と組み合わせてもよい。
ファイバ強化複合材料を適用する方法には、直接フィラメント巻き付け、シート巻き付け及びロービング巻き付けが含まれる。
本発明は2つの好適な実施の形態に即して記載されたが、当業者には様々な変更、修正、及び追加が自明であろう。本明細書はスライスの設計に関して記載したが、この設計はこのようなスライスに限定することなく、シャンクに取り付けられ且つシャンクよりも大きな直径を有するディスクを用いたあらゆる他の回転ツールに適用することができる。このような変更、修正、及び追加の全ては本発明の範囲内に含まれ、本発明はここに添付された請求の範囲によってのみ制限されることが意図される。