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工具柄③

鏃ユ湡;2019-07-22  鏉ユ簮锛毼粗  浣滆咃細admin

  工具柄③_材料科学_工程科技_专业资料。(54) 【发明的名称】工具柄 (57) 【摘要】 【课题】得到有优良耐振纹性的工具柄 【解决手段】工具柄后端有锥形杆部 1,且配备连接到其扩大径 端设计的法兰盘部 2 的工具持有部 3。 工具持有部

  (54) 【发明的名称】工具柄 (57) 【摘要】 【课题】得到有优良耐振纹性的工具柄 【解决手段】工具柄后端有锥形杆部 1,且配备连接到其扩大径 端设计的法兰盘部 2 的工具持有部 3。 工具持有部 3 的工具安装 侧所定长度部分,由比锥形杆部 1 阻尼能高的材料构成,谋求刚 度 K 与阻尼比ξ的积表示出的耐振纹性α的提高。 【选择图】图 1 【专利请求的范围】 【请求项 1】 工具柄后端有锥形杆部,前端部设计了工具持有部。工具持有部 3 的工具安装侧所定长度部分,由比锥形杆部 1 阻尼能高的材料 构成。以此为特征的工具柄。 【请求项 2】 上述工具持有部的所定长度部分,设定长度为:所用高阻尼性材 料的耐振纹系数最大值附近, 且刚度值为最大刚度值的大概 50% 以上。以此为特征的请求项 1 记载的工具柄。 【发明的详细说明】 【0001】 【发明所属的技术领域】 本发明与工具柄相关, 工具柄使用阻尼能高的材料抑制立铣刀等 各种切削工具的振纹振动。 【0002】 【以往的技术】 加工中心的主轴上安装的工具柄,一般由锥形杆部、法兰盘部、 工具持有部构成。 使用时, 把锥形杆部插入主轴端的杆部插入孔; 通过编入主轴内的拉杆, 把锥形杆部后端部的预启动引入杆部插 入孔内;锥形杆部外围,靠紧杆部插入孔的内围面呈一面约束状 态,或者紧靠杆部插入孔的内围,且法兰盘部的后端面紧靠主轴 前端面,呈两面约束状态,进行安装。 【0003】 用这样的工具柄使连接到主轴的切削工具旋转并进行切削加工 时,切削工具可能由于切削抵抗而振动,我们希望提出抑制振动 的对策,已经有了各种提案。其中一例,专利文献 1 的“工具柄” 众所周知,此工具柄, “工具柄前端设计了切削工具,材料是由拥 有 23,000kg/m ㎡以上杨氏模量的高杨氏模量材料制成” 。此工 具柄可以处理:深雕加工等中工具柄的长度变长,导致工具柄的 刚度下降,加工时振动变大,容易发生工具的破损和加工品精度 下降,必须要降低切削能率的问题。 【0004】 上述专利文献 1 的工具柄, 使用拥有所定以上的杨氏模量的高杨 氏模量材料,既不增加工具柄的重量又提高了刚度,从而抑制延 伸长度带来的振动增大问题。这时,作为高杨氏模量材料,碳素 钢或合金钢中含有 5~70%体积的杨氏模量 24,000kg/m ㎡以上 的硬度粒子。作为基地的碳素钢或高合金钢,可以例举出:构造 用碳素钢 (JIS SC 材料) 、 镍铬钢 (SCN 材料) 、 镍铬钼钢 (SNCM 材料) 、铬钢(SCr 材料) 、铬钼钢(SCM 材料) 、锰钢(SMn 材料) 、锰铬钢(SMnC 材料)、碳素工具钢(SK 材料) 、高速度 钢(SKH 材料) 、合金工具钢(SKS、SKD、SKT 材料) 、高碳 素铬轴承钢(SUJ 材料) 。 【0005】 实施振动抑制对策的另一例是众所周知的专利文献 2 的“工具柄” 。 此工具柄,把切削工具的持有部(切刃安装材料)和杆部之间的 本体部分作为其他材料,其他材料互相连合形成整体构成柄部。 为了使连合状态下前后的其他材料相互间或者前、中、后各材料 相互间产生固有振动数上的差异, 在连合部位设计其他材料的媒 介物。此工具柄的目的是在高速旋转、高速运行的作业时,防止 切削工具(刀具)附近产生共振(共鸣)的振动。为此,设计了 上述其他材料的媒介物。这种媒介物,实例为使用半径方向上延 伸的板状或轴方向上延伸的筒状防振套筒。 【0006】 【专利文献 1】 特开平 11-19839 号公报 【专利文献 2】 特开 2001-79725 号公报 【0007】 【发明想要解决的课题】 如上所述所,为抑制工具柄的振动,如专利文献 1 中,用铬钼钢 SCM 形成工具柄,并致力于提高工具柄的刚度,但特别在振纹 振动方面,仅靠这样的对策是不能充分抑制的。加工中心的主轴 高速旋转时, 或者说为了进行深挖加工使用的工具在轴方向上较 长时,很容易产生振纹振动,振纹振动会导致加工精度低下,工 具寿命变短。同时,要求高精度加工时,必须降低切削条件,导 致加工效率低下 【0008】 又,专利文献 2 的工具柄,为使固有振动数各不相同,在杆部, 本体部分,持有部之间插入媒介物,但各材料的固有振动数由于 高速旋转会偏离工具振动,所以不可以作为耐振纹振动的对策, 这样的对策还是不够充分。 【0009】 为使加工效率提高,在寻求抑制振动发生的方法,发明人们着眼 于不易产生振纹振动(耐振纹性)取决于包含切削工具的工具柄 的刚度和阻尼比的积。研究结果表明,工具柄的工具持有部材料 使用制振材料的话,虽刚度下降但阻尼能提高,结果得到了优化 了耐振纹性的工具柄。 【0010】 本发明,留意了上述问题,课题为:使用材质上耐振纹性优良的 材料,提供能有效抑制切削工具的振纹振动的工具柄。 【0011】 【解决课题的手段】 本发明, 解决上述课题的手段, 是如下工具柄: 后端有锥形杆部, 前端设计有工具持有部, 工具持有部的工具安装侧所定长度部分, 由比锥形杆部阻尼能高的材料构成。 【0012】 上述构成的工具柄, 工具持有部由与锥形杆部的材料不同的高阻 尼能的材料,和与锥形杆部同样的材料两部分构成。两部分的接 合部通过焊接等方法连合形成整体, 形成所要长度的工具持有部。 高阻尼能材料的所要长度部分设定为: 高阻尼能合金钢材的耐振 纹性最大值附近,且刚度值为最大刚度值的大概 50%以上。 【0013】 这样设定的工具柄, ,工具持有部的刚度低下但阻尼性提高,所 以可以得到耐振纹性优良的工具柄, 且此工具柄安装的切削工具 能有效抑制振纹振动。 【0014】 上述阻尼能高的材料,代表性的例子是含有铜 Cu、锰 Mn 的铜 锰合金,但如果其他材料由同等阻尼能,且拉伸强度与一般碳素 钢持平,也可以采用。 【0015】 【实施的形态】 以下,参照图纸对本发明实施形态进行说明。图 1 展示了实施形 态的工具柄的概略形状。如图所示,工具柄 A 由:插入到工作机 械主轴端形成的杆部插入孔内的锥形杆部 1、设计在此锥形杆部 大径端部的法兰盘部 2、设计在此法兰盘部前端面中央的工具持 有部 3 形成,切削工具 5 通过连接五金安装到工具持有部 3 端。 6 为切刃。 工具持有部 3 以全场 L 长度的所定的中间连接部 P 为 界限,分为靠近法兰盘部的基准持有部 3a,和在所定长度上靠 近前端设计的制振持有部 3b。 【0016】 基准持有部 3a 和制振持有部 3b, 通过在中间连接部 P 进行焊接, 连合成整体,形成工具持有部 3。制振持有部 3b 的长度 1b 是制 振材料最适宜的长度,再长则刚度劣化,再短则阻尼效果下降。 制振持有部 3b 之外,整体使用 SCM415 等的铬钼钢或 SKD61 等的合金工具刚这类一般来说刚度较大的材料。制振持有部 3b 在图例中特别使用制振效果高的高阻尼能合金 (以下称 D 合金。 制品名 D2052,大同特殊钢社制) 。其化学成分,主要特性值, 机械性质如下。 【0017】 【表 1】 化学成分(单位 wt%) Mn Ba1. 【0018】 Cu 22.3 Ni 5.1 Fe 2.0 【表 2】 物性值 杨氏模量 热传导率 比热 热膨胀率 密度 【0019】 【表 3】 机械的性质(常温) 耐 力 拉伸强度 N/m ㎡ 延长率% 冲 击 值 (J/c ㎡) 70GPa(<70K) 10W/mK(300K) 512.7J/KgK(300K) 22.4*10-6/deg(300K) 7250kg/m? (0.2%) N/m ㎡ 退火状态 300 500 35 80 【0020】 上述制振持有部 3b 的最适宜长度,设定为:通过预算电脑使用 有限单元法(FEM)程序求刚度和阻尼比,分析长度 1b 对耐振 纹性α(刚度*阻尼比)的影响,得出计算上的最适宜长度。最终 由后述实验结果决定。首先,如图 2 所示,设想确定计算对象的 工具柄模型 M0,其尺寸等诸要素设定如下。 【0021】 工具持有部 L : 362mm(L)*48Φ(D2) 制振持有部 M3b 的长度 1b:0.91、181、271、362mm(5 种 类) 基准持有部 M3a 的长度 1a:L-1b 锥形杆部 M1 的长度 1?:104.8mm 法兰盘部 M2 的长度 1?:35mm 法兰盘部径长 D1:100Φmm 截面积:A=1.8096*10-3 ㎡ 截面系数:Iz=2.6058*10-7m? 但,解析条件如下 【0022】 【表 4】 材质 杨 氏 模 量 泊松比 (GPa) ① SCM 205 0.3 0.3 7840 7250 0.01 0.1 密度 kg/m? 阻尼比 ② D 合 金 70 ( CuM n) 【0023】 上述 1,2 方面,长度 1b 对刚度 K、阻尼比的影响如图 3 图 4 所示。 明显可以看到, 长度 1b 变长则刚度 K 降低, 阻尼比增加。 【0024】 进而图 5 得出长度 1b 对耐振纹性α (不易产生振纹振动) (=K*ξ) 的影响。图中 1b=0 时α=1。图示,1b=270mm 附近时α最大, 长度再加长则α减小。但是,设想假定刚度低下程度变大, 1b=200mm 时进行了以下试验。 【0025】 试验的结果确认了耐振纹性α大幅提高,那在实施形态下的高阻 尼能的 D 合金使用在工具持有部的部分长度上,耐振纹性α会大 幅提高,部分长度的设定方法概括如下。即选定所定高阻尼能的 合金, 则根据其尺寸等因素, 刚度 K 和阻尼比ξ及耐振纹性α使制 振持有部的长度产生各种变化, 求制振持有部长度的影响。 并且, 留意耐振纹性α的最大长度和刚度 K 减少约 50%的长度, 重视其 中任意一方,设定制振持有部长度。 【0026】 长度变长, 则一般刚度 K 减少, 但作为选定的高阻尼能合金特性, 有这样的绝对值:在耐振纹性α最大的长度下,刚度 K 的减少对 实际使用时的加工状态大致没有很大影响。这时,最好选定耐振 纹性α尽量大的长度,但如果刚度的减少对实际加工造成影响的 话,可以设定为可容许刚度 K 最小值的长度。 【0027】 【实施例】 为评价上述构成的工具柄的耐振纹性, 对实施状态下设定的尺寸 等因素的工具柄模型 M0 进行了刚度实验和阻尼比试验 【0028】 刚度试验使用图 6 的试验装置。此试验装置是:加工中心的工作 台 10 上安装的夹具 11 安装工具柄模型 M0,安装测压仪向加工中 心主轴 20 前端和工具柄模型 20 的前端施加负载,移动工作台 10 来施加工具柄模型 M0 的中心线垂直半径方向的负荷,工具 柄模型 M0 的工具持有部 M3b 的前端变位, 使用电气千分尺 22、 23 测定夹具 11 的移动量。 【0029】 阻尼比试验使用图 7 的试验装置。此试验装置为:加工中心的工 作台 10 上固定夹具 11,在夹具 11 形成的锥形孔 12 内插入工 具柄模型 M0 的锥形杆部 M1, ,通过紧固螺栓 13 把锥形杆部 M1 引入锥形孔 12 内。 这时, 给予工具柄模型 M0 的拉伸力从测 压仪 14 把输出信号收入放大器 15。 通过这样的显示方式进行确 认。 【0030】 又, 夹具 11 上安装的工具柄模型 M0 的工具持有部 M3b 的前端 部外围,安装加速度感应器 16,在安装位置偏离 180°相位的位 置处,用力锤 17 给予冲量,加速度感应器 16 输出的信号通过 放大器 18 进行增幅,与冲量一起收录在数据记录器 19 内。 【0031】 刚度实验中,在图 6 所示夹具 11 的锥形孔 12 内插入锥形杆部 M1,用紧固螺栓 13 给予紧固扭矩 Tm(20Nm)后,使工作台 10 在半径方向上移动, 把工具持有部 M3b 按压向主轴 20 的前端部 上安装的测压仪 21,给予前端负荷 W,用电气千分尺 22、23 测定工具持有部 M3b 的前端变位和夹具 11 的移动量, 通过变位 δ和半径方向的负荷 W 求刚度 K。 图 8 是测定结果的刚度 K 实测 值。途中 SCM415+D2052D 的记号表示的值,是实施例的模型 M0 的值,作为同一尺寸但材料不同的比较例。作为比较例,使 用冲模钢 SKD61,可塑铸铁 FCD600,小型千分铸铁 CV400。 2 图表中, (b ) 是实测数据, (a ) 是基于 SKD61 钢的值, 把 (b ) 的数据正规化之后的值。 【0032】 一方面,进行阻尼比实验时,夹具 11 的锥形孔 12 内插入锥形 杆部 M1,用紧固螺栓 13 给予紧固扭矩 Tm(20Nm)。用力锤 17 给予工具柄模型 M0 前端垂直于中心线的冲量。在冲量位置偏离 180°相位的位置处,用加速度感应器 16 测定加速度,算出阻尼 比ξ的值。图 9 是测定结果的阻尼比ξ实测值。图中 SCM415+D2052 的记号表示的值,是实施例的模型 M0 的值, 作为同一尺寸但材料不同的比较例。比较例的材料与图 8 一样。 【0033】 图 10 是根据上述阻尼比的实验和刚度试验得到的实测值,算出 耐振纹性,并表格化。图 8、9 一样,也展示了算出的比较例。 由图可见,模型 M0 的耐振纹性α与 SKD61 制的模型相比高出 1.9 倍。但,刚度低 22%,阻尼比增大至 2.4 倍。 【0034】 【发明的效果】 如以上的详细说明, 本发明的工具柄使锥形杆部连接的工具持有 部。所定长度部分由比锥形杆部阻尼率高的材料构成。所以可以 有效优化工具柄的耐振纹性。 【图纸简单的说明】 【图 1】实施形态的工具柄正面图 【图 2】工具柄模型的正面图 【图 3】持有部长度影响工具柄模型的刚度的图表 【图 4】持有部长度影响工具柄模型的阻尼比的图表 【图 5】持有部长度影响工具柄模型的耐振纹性的图表 【图 6】工具柄模型的刚度实验装置的一部分切槽正面图 【图 7】工具柄模型的阻尼比实验装置的一部分切槽正面图 【图 8】显示工具柄模型的刚度实验结果的图表 【图 9】显示工具柄模型的阻尼比实验结果的图表 【图 10】显示工具柄模型的耐振纹性结果的图表 【符号的说明】 1 2 3 4 5 6 锥形杆部 法兰盘部 工具持有部 接合配件 切削工具 切刃 A M0 P 工具持有部 工具柄模型 接合部


 
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