(57)【要約】【課題】断続切削を行う切削工具の刃先に対して、サーマルクラックを避けながら効果的な冷却を行うことができる切削工具を提供する。【解決手段】被削材Ｍの断続切削を行う刃先１２が基部１１の先端に設けられた切削工具１０と、気体よりなる第一冷媒Ａを、基部１１の内部から、刃先１２の表面に供給する第一冷媒供給手段２０と、切削工具１０の表面に、第一冷媒Ａよりも冷却能力の高い第二冷媒Ｗを供給する第二冷媒供給手段３０と、を有する切削装置１とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被削材の断続切削を行う刃先が基部の先端に設けられた切削工具と、
気体よりなる第一冷媒を、前記基部の内部から、前記刃先の表面に供給する第一冷媒供給手段と、
前記切削工具の表面に、前記第一冷媒よりも冷却能力の高い第二冷媒を供給する第二冷媒供給手段と、を有することを特徴とする切削装置。
【請求項２】
前記第二冷媒は、水性の液体よりなることを特徴とする請求項１に記載の切削装置。
【請求項３】
前記第一冷媒は、前記第二冷媒以上の温度を有する空気よりなることを特徴とする請求項１または２に記載の切削装置。
【請求項４】
前記切削装置は、前記切削工具を軸回転させる回転駆動軸をさらに有し、
前記切削工具は、軸回転しながら断続切削を行う回転式の切削工具であり、
前記第一冷媒供給手段は、前記切削工具の前記基部の内部を通り、前記基部の表面に前記刃先の方を向いた開口部を有する管構造よりなり、
前記第二冷媒供給手段は、前記回転駆動軸に結合され、前記切削工具の外側に設けられたノズル部材よりなることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の切削装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、切削装置に関し、さらに詳しくは、被削材の断続切削を行う切削工具と、切削工具を冷却する冷却機構を備えた切削装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
フライス工具等、被削材を切削する切削工具において、切削に伴って工具の刃先（切刃）が加熱されると、刃先が摩耗されやすくなる。そこで、加工中の加熱を抑制するために、工具の刃先を含む領域に冷媒を接触させ、冷却を行うことが多い。冷媒としては、液体の水、霧状の水（ミスト）、空気等、種々のものが用いられている。冷媒を供給する方法としては、ノズル等を用いて工具の外側から供給する方法の他、特許文献１に記載されるように、工具の内部を通して供給する方法が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１７６４８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のように、種々の冷媒が切削工具の冷却に用いられているが、上記で列挙したうち、ミストや空気を用いる場合には、（液体の）水に比べて冷却能力が低いため、刃先の温度上昇を十分に抑制する観点から、冷媒の冷却能力に合わせて切削速度を抑える必要が生じる場合もある。一方、水は、大きな気化熱を有することで、非常に高い冷却能力を有するが、切削によって高温となった刃先を急激に冷却することにより、工具に温度振幅による亀裂（サーマルクラック）が発生する場合がある。特に、切削工具が、フライス工具のように、刃先が被削材に接触して切削を行っている状態と刃先が被削材に接触していない状態とが交互に繰り返される断続切削を行うものである場合には、刃先が大きな温度振幅に晒されることにより、サーマルクラックが発生しやすくなる。刃先が被削材に接触している部位では、刃先が被削材と接触した状態で運動することで、両者の接触部分から水が飛ばされて、刃先自体には冷たい水が接触しにくいため、サーマルクラックが起こりにくいものの、刃先が被削材に接触していない部位では、先立つ切削で高温になった刃先に低温の水が直接的に接触することで、サーマルクラックが起こりやすい。
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、断続切削を行う切削工具の刃先に対して、サーマルクラックを避けながら効果的な冷却を行うことができる切削工具を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明にかかる切削装置は、被削材の断続切削を行う刃先が基部の先端に設けられた切削工具と、気体よりなる第一冷媒を、前記基部の内部から、前記刃先の表面に供給する第一冷媒供給手段と、前記切削工具の表面に、前記第一冷媒よりも冷却能力の高い第二冷媒を供給する第二冷媒供給手段と、を有するものである。
【０００７】
ここで、前記第二冷媒は、水性の液体よりなるとよい。
【０００８】
また、前記第一冷媒は、前記第二冷媒以上の温度を有する空気よりなるとよい。
【０００９】
そして、前記切削装置は、前記切削工具を軸回転させる回転駆動軸をさらに有し、前記切削工具は、軸回転しながら断続切削を行う回転式の切削工具であり、前記第一冷媒供給手段は、前記切削工具の前記基部の内部を通り、前記基部の表面に前記刃先の方を向いた開口部を有する管構造よりなり、前記第二冷媒供給手段は、前記回転駆動軸に結合され、前記切削工具の外側に設けられたノズル部材よりなるとよい。
【発明の効果】
【００１０】
上記発明にかかる切削装置においては、高い冷却能力を有する第二冷媒を切削工具の表面に供給しながら切削を行うことで、切削に伴う切削工具の加熱、およびそれに起因する切削工具の摩耗を抑えることができる。この際、切削工具の刃先に、相対的に冷却能力が低い気体よりなる第一冷媒を供給し、第二冷媒に刃先から遠ざかる力を加えることで、第二冷媒が刃先に接触するのを避けることができる。これにより、刃先が第二冷媒に接触して急激に冷却され、サーマルクラックを生じるのを抑制することができる。高い冷却能力を有する第二冷媒によって刃先は直接的には冷却されないものの、第二冷媒によって冷却された基部からの抜熱の効率が高くなるため、刃先も間接的に高い冷却効率で冷却される。
【００１１】
ここで、第二冷媒が、水性の液体よりなる場合には、第二冷媒を安価に利用でき、かつ、水の気化熱により、高い冷却効率を得ることができる。この場合に、水性液体が高い冷却能力を有することにより、第二冷媒が刃先に接触することがあれば、刃先にサーマルクラックが発生しやすくなるが、上記のように、第一冷媒を併用することで、第二冷媒の高い冷却能力を享受しながら、サーマルクラックの発生を抑制することができる。
【００１２】
また、第一冷媒が、第二冷媒以上の温度を有する空気よりなる場合には、第一冷媒を安価に利用でき、かつ、刃先を急激な冷却から効果的に保護することができる。
【００１３】
そして、切削装置が、切削工具を軸回転させる回転駆動軸をさらに有し、切削工具が、軸回転しながら断続切削を行う回転式の切削工具であり、第一冷媒供給手段が、切削工具の基部の内部を通り、基部の表面に刃先の方を向いた開口部を有する管構造よりなり、第二冷媒供給手段が、回転駆動軸に結合され、切削工具の外側に設けられたノズル部材よりなる場合には、切削工具が回転する間、刃先を含む狭い領域に集中して第一冷媒が供給される状態を簡便に維持することができる。一方、切削工具の表面の広い領域に第二冷媒を供給し、刃先からの効率的な抜熱に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態にかかる切削装置について、切削工具近傍を示す上面図である。
【図２】図１中のＸ−Ｘ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、本発明の一実施形態にかかる切削装置について、図面を参照しながら説明する。図１に本発明の一実施形態にかかる切削装置１の切削工具近傍の構成を上面図にて示す。また、図２に、図１中のＸ−Ｘ断面を示す。
【００１６】
［切削装置の構成］
本切削装置１は、回転式の切削工具１０を備え、金属材料よりなる被削材Ｍの切削を行うものである。本切削装置１に備えられる切削工具１０は、切削装置１に取り付けられる工具本体としての基部１１と、基部１１の先端に設けられ、被削材Ｍを切削することができる刃先（切刃）１２と、を有している。刃先１２は、基部１１と一体または別体に形成されて基部１１に固定されており、基部１１の中心軸の周りに複数が軸対称に配置されている。切削工具１０は、ホルダ４０を介して、図示しない加工機工具主軸（回転駆動軸）に結合されている。加工機工具主軸は、モータ等の駆動源によって高速で回転し、基部１１の中心軸と一致する回転軸Ｒの周りに、切削工具１０を高速で軸回転させる。
【００１７】
本切削装置１においては、第一冷媒供給手段として、ホルダ４０および切削工具１０の基部１１の内部に埋没された管状構造をとって、内部供給路２０が設けられている。内部供給路２０の具体的な構成としては、例えば特許文献１に記載されている冷却水路３２のような構成を転用することができる。内部供給路２０は、切削工具１０の回転軸Ｒに中心を略一致させ、ホルダ４０の内部から切削工具１０の基部１１の内部まで直線状に貫通して設けられた主管部２１と、各刃先１２に対応して主管部２１の先端から枝分かれ状に設けられた枝部２２を有している。枝部２２の先端は、各刃先１２のすぐ近くまで延びているが、刃先１２には達していない。そして、枝部２２の先端には、埋没された管構造が基部１１の表面において開口した開口部２３が設けられている。開口部２３は、各刃先１２を向くように形成されており、主管部２１から枝部２２の先端に向かって押し出した気体を、刃先１２の表面に吹き付けられるようになっている。
【００１８】
内部供給路２０の主管部２１の基端側は、加工機工具主軸まで貫通して設けられており、図示しないエアコンプレッサに接続されている。これにより、加工機工具主軸によって切削工具１０が軸回転されている間に、主管部２１の基端から各枝部２２の先端に向かって空気を送り込み、開口部２３から刃先１２の表面に、吹き付けるようにして空気流Ａを供給することができる。
【００１９】
さらに、本切削装置１においては、図１に示すように、第二冷媒供給手段として、外部供給ノズル３０が備えられている。外部供給ノズル３０は、先端から水Ｗを噴出することができる装置である。外部供給ノズル３０の先端は、切削工具１０に向けられており、刃先１２および基部１１を含む切削工具１０の広い領域の表面に、噴射するようにして水Ｗを供給することができる。本実施形態においては、外部供給ノズル３０は、加工機工具主軸の回転軸Ｒを挟んで対称に、２つ設けられている。外部供給ノズル３０は、切削装置１の加工機工具主軸に結合されており、切削工具１０の軸回転に同期して回転軸Ｒの周りに回転される。これにより、切削工具１０の回転中も、その表面に水Ｗを供給し続けることができる。
【００２０】
本切削装置１は他に、被削材Ｍを固定する固定治具５０を有している。また、上記で説明した以外の部位の構成としては、フライス盤等、従来一般の切削装置と同様の構成を適用することができる。
【００２１】
［切削装置の運転］
上記で説明した切削装置１を用いて、被削材Ｍの切削加工を行う方法について説明する。
【００２２】
図１に示すように、切削に際し、被削材Ｍを固定治具５０で回転軸Ｒに対して固定し、刃先１２の１つを被削材Ｍに接触させる。そして、内部供給路２０の主管部２１に基端側から空気流Ａを供給する。また、外部供給ノズル３０から水Ｗを噴射する。この状態から、加工機工具主軸の回転を駆動し、図１中に矢印で示すように、切削工具１０を回転軸Ｒの周りに軸回転させる（図１中の方向Ｄ１）。切削工具１０の回転により、被削材Ｍが切削を受ける。軸回転と同時に、切削工具１０を被削材Ｍに対して並進運動させることで（図１中の方向Ｄ２）、被削材Ｍの所定範囲を切削することができる。切削中の各瞬間において、被削材Ｍに接触して実際に切削を行っている刃先１２は１つのみであり（図１の刃先１２ａ）、他の刃先１２（例えば刃先１２ｂ）は、被削材Ｍに接触していない。つまり、各刃先１２は、断続的に被削材Ｍに接触して、断続切削を行う。
【００２３】
切削の進行中、外部供給ノズル３０から水Ｗが供給されることで、切削工具１０の広い領域が常に液体の水Ｗに覆われた状態となる。切削工具１０の回転に伴う遠心力により、水Ｗは切削工具１０の表面に膜を作って纏い付いたような状態となる。
【００２４】
切削工具１０に設けられた内部供給路２０の先端の開口部２３から、各刃先１２に向かって空気流Ａが吹き付けられていることにより、その風圧で、刃先１２の表面に付着しようとした水Ｗが、刃先１２から離れる方向に力を受ける。その結果、切削工具１０において、内部供給路２０からの空気流Ａが刃先１２に対してエアカーテンのように作用し、刃先１２の表面が、実質的に水Ｗが接触しない状態、つまり、水Ｗが接触しない、あるいは基部１１に比較して水Ｗの接触量が少ない状態に維持される。
【００２５】
切削時には、各刃先１２は被削材Ｍとの摩擦によって熱を発生するが、大きな気化熱を有する水Ｗを、外部供給ノズル３０から切削工具１０の表面に冷媒として供給しながら切削を行うことで、切削工具１０の加熱を抑制することができる。これにより、発熱に伴う切削工具１０の摩耗を低減することができる。上記のように、刃先１２の表面は、実質的に水Ｗが接触しない状態に維持されるので、水Ｗによって直接冷却される訳ではないが、刃先１２と連続あるいは密着している基部１１が水Ｗによって冷却されることで、基部１１を介した刃先１２の抜熱が促進され、刃先１２の冷却効率も、水Ｗの使用によって高められる。
【００２６】
一方、内部供給路２０からの空気流Ａの供給によって刃先１２の表面を実質的に水Ｗが接触しない状態に維持することで、刃先１２におけるサーマルクラックの発生を抑制することができる。仮に、内部供給路２０からの空気流Ａの供給を行わないとすれば、刃先１２の表面も、基部１１と同様に、水Ｗで濡れた状態となる。切削時には、各刃先１２は被削材Ｍとの摩擦によって高温になるが、高温になっている状態の刃先１２の表面に、冷たい水Ｗが接触し、急激に冷却されると、その温度振幅（温度差）のために、刃先１２の表面にサーマルクラック（温度振幅に起因する亀裂）が発生する可能性がある。本切削装置１において、切削工具１０の各刃先１２は、回転軸Ｒを中心とした軸回転に同期して断続切削を行っており、ある回転位置において、複数の刃先１２のうち、被削材Ｍに接触している刃先（図１中の刃先１２ａ）は、被削材Ｍと接触した状態で被削材Ｍに対して運動している状態にあるので、刃先１２ａの表面に水Ｗが接触したとしても、その運動により、水Ｗが刃先１２ａの表面から瞬時に排除され、サーマルクラックは生じにくい。一方で、被削材Ｍに接触していない状態にある刃先（図１中の刃先１２ｂ）は、被削材Ｍに接触せずに空転している状態にあるので、水Ｗが刃先１２ｂに接触すると、刃先１２ｂの表面を濡らした状態に留まる。この刃先１２ｂは、先立つ切削によって高温に加熱されており、高温になった刃先１２ｂの表面に冷たい水Ｗが留まることで、サーマルクラックが発生しやすくなる。
【００２７】
実際には、上記のように、内部供給路２０から空気流Ａを供給し、刃先１２の表面を実質的に水Ｗが接触しない状態に維持することで、刃先１２の表面の温度振幅が小さく抑えられ、刃先１２の急激な冷却によるサーマルクラックの発生が抑制される。その結果、高速で切削工具１０を回転させながら切削を行う場合にも、水Ｗの高い冷却能力を利用して切削工具１０を冷却することで、高効率で切削を進めるとともに、サーマルクラックの影響による刃先１２の状態の変化を回避することで、被削材Ｍに対して良質な切削加工を継続的に実施することができる。また、サーマルクラックを回避することで、刃先１２の寿命を長くし、切削工具１０のメンテナンスに要するコストを抑制することができる。
【００２８】
内部供給路２０を用いて刃先１２の表面に空気流Ａを供給し、刃先１２を水Ｗで急激に冷却しないようにすることで、空気流Ａを供給しない場合と比較して、刃先１２の温度を極力低い温度に維持するという意味においての刃先１２の冷却効率は低くなってしまう。すると、高温での切削の継続によって引き起こされる刃先１２の摩耗は、抑制されにくくなってしまう。しかしながら、空気流Ａを刃先１２に供給することで、刃先１２に与えられる温度振幅を小さく抑えるという意味においては、刃先１２の冷却効率を高めることができる。その結果、サーマルクラックによる刃先１２の損傷を抑えることができ、サーマルクラックを起点とした刃先１２の摩耗を抑制することができる。このようにして、空気流Ａを水Ｗに併用することで、トータルとしての刃先１２の摩耗を低減することができる。つまり、内部供給路２０から刃先１２に供給する空気流Ａは、冷媒というよりは、水Ｗからの保護材として機能するものであり、刃先１２に与えられる温度振幅を小さく抑えるという観点から、むしろ空気流Ａの温度は高い方が好ましい。例えば、内部供給路２０の基端から、常温の空気ではなく、温風を供給するように構成するとよい。温風の温度は、水Ｗよりも高温で、かつ切削により加熱を受けた刃先１２よりも低温に設定すればよい。
【００２９】
上記では、第一冷媒供給手段である内部供給路２０から供給する第一冷媒として空気Ａを用い、第二冷媒供給手段である外部供給ノズル３０から冷却する第二冷媒として水Ｗを用いており、ともに安価でありながら、空気Ａは刃先１２を水Ｗの接触から保護する能力に優れ、水Ｗは高い冷却能力を有するという点で、優れた組み合わせである。しかし、具体的な冷媒の種類は、この組み合わせに限られるものではなく、第二冷媒を第一冷媒よりも高い冷却能力を有するもの、つまり単位質量あたりに対象物から奪う熱量が大きいものとして、種々の組み合わせを採用することができる。第一冷媒については、刃先１２の表面から除去できるだけの圧力を第二冷媒に対して与える必要があることから、気体とされるが、第二冷媒については、気体、液体、あるいは霧状のいずれであってもかまわない。しかし、高い冷却能力を提供する観点から、第二冷媒は、液体、特に水性の液体であることが好ましい。水性の液体とは、水および／または水溶性の物質を主成分としてなる液体であり、水以外に、種々の添加剤を加えた冷却液を使用することができる。
【００３０】
第一冷媒供給手段および第二冷媒供給手段の具体的な構成も、上記のものに限定されるものではない。しかし、第一冷媒供給手段を、上記の内部供給路２０のように、切削工具１０の基部１１の内部から刃先１２に向かって第一冷媒を供給できるように構成することで、刃先１２が高速で回転しても、刃先１２の表面のみ、あるいは刃先１２を含む極力狭い領域の表面に対して局所的に、第一冷媒を供給し、第二冷媒に刃先１２から離れる方向の圧力を与えることができる。第二冷媒による切削工具１０の冷却効率を高める観点から、第一冷媒が切削工具１０の刃先１２以外の領域に接触する面積は、小さい方が好ましい。一方、第二冷媒供給手段は、上記の外部供給ノズル３０のように、加工機工具主軸に結合されて切削工具１０と同軸で回転しながら、切削工具１０の外側から第二冷媒を供給するように構成されることで、切削工具１０の表面の広い範囲に第二冷媒を供給し、切削工具１０全体を効果的に冷却して、刃先１２からの抜熱を効果的に行わせることができる。第二冷媒供給手段も、第一冷媒供給手段としての内部供給路２０のように、切削工具１０の内部に設けることも可能ではあるが、第一冷媒供給手段と区画しながら切削工具１０の広い領域を冷却できるような第二冷媒供給手段を切削工具１０の内部に設けようとすると、構成が複雑になってしまう。
【実施例】
【００３１】
以下、実施例を用いて本発明をより具体的に説明する。
【００３２】
［試験方法］
上記実施形態にかかる切削装置において、内部供給路からの空気の供給と外部供給ノズルからの水の供給を併用することの効果を検証するために、図１，２に示したのと同様の切削装置を準備した。ここで、切削工具としては、コーテッド超硬合金よりなる刃先を軸対称に５個有するものを用いた。また、加工対象の被削材としては、固溶化熱処理したＳＵＳ３０４のブロックを用いた。
【００３３】
そして、図１に示したのと同様に、切削工具を軸回転させながら、被削材に対して一方向に並進運動させて、切削を行った。この際、切削条件は、以下のとおりとした。
・周速：１５０ｍ／ｍｉｎ
・送り：０．９ｍｍ／刃、６７１４ｍｍ／ｍｉｎ
・軸切り込み量：１ｍｍ
・径切り込み量：３０ｍｍ
・切削距離：３ｍ
【００３４】
上記条件での切削を、表１に示す冷却方法を適用してそれぞれ行った。ここで、内部供給路から供給した空気、外部供給ノズルから供給した水の温度は、それぞれ室温と同じとした。そして、それぞれの冷却方法を適用した場合について、工具摩耗量として、切削工具の逃げ面を顕微鏡で観察した際の摩耗痕の幅の最大値を測定した。また、５個の刃先のうち、サーマルクラックが発生していたものの数の割合を、サーマルクラック発生確率とした。サーマルクラックは、加熱を原因とする摩耗とは異なる特有の、幅が狭く深い亀裂構造として、顕微鏡にて確認される。
【００３５】
［試験結果］
各冷却方法における工具摩耗量と、サーマルクラック発生確率を、下の表１に示す。冷却方法の欄において、「空気」は、内部供給路からの空気の供給を示し、「水」は、外部供給ノズルからの水の供給を示している。また、「○」は、各冷媒を使用したことを示し、「×」は、各冷媒を使用していないことを示している。
【００３６】
【表１】
2017104927.tif 000003
【００３７】
表１の結果において、比較例１の冷却を行わない場合や、比較例２の空気のみで冷却を行う場合と比較して、比較例３の水冷を行うことで、工具の摩耗量が小さく抑えられている。これは、水冷によって工具の温度上昇が抑えられている結果である。しかし、サーマルクラックが１００％の確率で発生するようになっている。
【００３８】
これに対し、実施例１において、空冷と水冷を併用することで、サーマルクラックの発生がなくなっている。この結果は、効果的に工具の摩耗を低減できる水冷に、刃先の空冷を併用することで、刃先への水の接触が防がれ、サーマルクラックの発生が抑えられていることを示している。さらに、水冷に空冷を併用することで、工具の加熱自体による工具の摩耗量は大きくなるとしても、サーマルクラックを起点として刃先の逃げ面の一部が欠けるようにして発生する摩耗が抑えられ、トータルとしての工具摩耗量が小さく抑えられていると解釈される。
【００３９】
以上、本発明の実施形態および実施例について説明した。本発明は、これらの実施形態および実施例に特に限定されることなく、種々の改変を行うことが可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１                切削装置
１０              切削工具
１１              基部
１２              刃先
２０              内部供給路（第一冷媒供給手段）
２１              主管部
２２              枝部
２３              開口部
３０              外部供給ノズル（第二冷媒供給手段）
Ａ                空気（第一冷媒）
Ｍ                被削材
Ｒ                回転軸
Ｗ                水（第二冷媒）
【図１】
2017104927.tif 000004
【図２】
2017104927.tif 000005