(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
切削剤を用いることなくワークを切削する切削装置における冷却方法であって、
切削用刃具を保持するための保持部と、前記保持部に連なる軸本体とを有するとともに前記保持部と前記軸本体とが同時に回転動作する軸部中の前記保持部の内部に熱−電気変換素子を前記切削用刃具から離間させて収容するとともに、前記軸本体中の前記保持部に対向する部位の内部に冷却室を設け、
前記軸本体の外部から導入され、前記冷却室を経由して前記軸本体の外部に導出されるように液体の冷却媒体を流通させ、
前記熱−電気変換素子に通電することにより、切削加工の際に切削箇所より発生し前記軸部に伝達される熱を、該熱−電気変換素子に生成される低温部に吸収させ、
前記熱を前記熱−電気変換素子に生成される高温部から前記冷却媒体を介して切削装置外へ放出させることを特徴とする切削装置における冷却方法。
【請求項２】
請求項１記載の切削装置における冷却方法において、
前記熱−電気変換素子の高温部に放熱部材を固着し、
前記熱−電気変換素子に通電することにより、該熱−電気変換素子に生成される高温部から放出される熱を前記放熱部材に伝達させ、
前記放熱部材に伝達された熱を前記冷却媒体に吸収させ、
前記冷却媒体に吸収された前記熱を前記切削装置外へ放出させることを特徴とする切削装置における冷却方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の切削装置における冷却方法において、
さらに、切削箇所に向けてエアを吹き付け、切削加工の際に発生する切り粉、切り屑を吹き飛ばすことを特徴とする切削装置における冷却方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の切削装置における冷却方法において、
超硬合金、または表面近傍にＷ−Ｂ−Ｃ−Ｎ若しくはＷ−Ｂ−Ｃ−Ｎ−Ｎｉを含有する超硬合金からなる刃具を用いて切削しながら冷却することを特徴とする切削装置における冷却方法。
【請求項５】
請求項２〜４のいずれか１項に記載の切削装置における冷却方法において、
断熱部材によって、放熱部材から放出される熱が他の部位へと伝達されることを阻止しながら冷却することを特徴とする切削装置における冷却方法。
【請求項６】
切削剤を用いることなくワークを切削する切削装置における冷却機構であって、
前記切削装置は、切削用刃具を保持するための保持部と、前記保持部に連なる軸本体とを有するとともに前記保持部と前記軸本体とが一体的に回転動作する軸部を備え、
前記冷却機構は、通電することにより高温部と低温部とが生じる熱−電気変換素子を有し、前記熱−電気変換素子は前記軸部中の前記保持部の内部に収容され、さらに、該熱−電気変換素子の低温部が前記切削用刃具から離間して切削加工時の発熱側に臨んで配置され、
該熱−電気変換素子の高温部は、前記軸本体中の前記保持部に対向する部位の内部に設けられた冷却室に臨み、かつ、前記軸本体の外部から導入され、前記冷却室を経由して前記軸本体の外部に導出されるように流通する液体の冷却媒体に臨むことを特徴とする切削装置における冷却機構。
【請求項７】
請求項６記載の切削装置における冷却機構において、
前記熱−電気変換素子の前記高温部に放熱部材が固着されていることを特徴とする切削装置における冷却機構。
【請求項８】
請求項６または７記載の切削装置における冷却機構において、
前記熱−電気変換素子はＢｉ2Ｔｅ3にＳｂがドープされたｐ型領域およびＳｅがドープされたｎ型領域を有するｐｎ接合素子であることを特徴とする切削装置における冷却機構。
【請求項９】
請求項６〜８のいずれか１項に記載の切削装置における冷却機構において、
前記冷却機構は切削箇所へエアを吹き付けるためのエア吹き付け機構を有することを特徴とする切削装置における冷却機構。
【請求項１０】
請求項７〜９のいずれか１項に記載の切削装置における冷却機構において、
切削に用いる刃具は、超硬合金、または表面近傍にＷ−Ｂ−Ｃ−Ｎ若しくはＷ−Ｂ−Ｃ−Ｎ−Ｎｉを含有する超硬合金であることを特徴とする切削装置における冷却機構。
【請求項１１】
請求項７〜１０のいずれか１項に記載の切削装置における冷却機構において、
前記放熱部材に対し断熱部材を設け、前記放熱部材から放出される熱が該切削装置の他の部位に伝達されることを阻止することを特徴とする切削装置における冷却機構。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、切削装置における冷却方法および冷却機構に関し、一層詳細には、切削剤を用いることなくワークの切削時に発生する熱を外部に放出しながらワークに対して切削加工を施すことを可能とした切削装置における冷却方法および冷却機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、金属、プラスチック等の切削のために切削装置が広く採用されるに至っている。
【０００３】
この切削装置における切削作用を観察すると、切削箇所では加工されるワークの金属結合等の結合力に抗してこれを破断する作用が継続的に営まれ、また、刃具とワークとの間に摩擦を生じることから、大量の熱が発生する事実が確認されている。このような切削加工では、適当な方法により前記熱の除去を行わないと、ワークや刃具の温度が上昇し、該ワークの変形、表面荒れ、加工精度の低下を生じさせ、また、刃具の寿命が低下するという不具合を来すことになる。このため、一般的には、前記刃具自体あるいはワークの切削箇所に切削剤を供給する。この切削剤の潤滑効果により摩擦熱の発生を抑制し、また、発生した熱を冷却除去するためである。なお、切削剤の供給は、摩擦による発熱源の１つである切り粉や切り屑を取り除く作用をも営む。この種の切削剤としては、水性切削剤や油性切削剤（切削油）が用いられている。
【０００４】
従来から、切削加工技術においては、この種の切削剤の性能を如何に向上させ、また切削時における切削剤の前記作用を如何に効果的に発揮させるかが課題とされ、高熱伝導率かつ高比熱を有する切削剤の開発等が行われている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、切削加工において切削油を使用する場合、膨大な量の切削油の管理を適正化し、また、環境対策から廃油の処理方法を考慮する必要がある。すなわち、昨今使用される切削油の中には水分を含有するものも多いことから、その廃油の処理が煩雑となり、また、廃油を焼却処理することは大量のＣＯ2 の発生を伴うために環境上好ましくないという不具合がある。さらに、切削油を使用した場合は、切削後にワークを代替フロン等により洗浄する工程が必要であるが、これも環境上好ましいものではない。また、切り粉や切り屑をリサイクルするためには煩雑な油切り工程が必要である。
【０００６】
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、切削剤を使用しないことから、切削後の洗浄等の後処理が簡略化され、例えば、切削油の管理や廃油の処理が不要であり、かつこのための付帯機器を設ける必要がなく、したがって、切削装置がコンパクト化されるとともに、切削性能が向上し、さらにまた切削装置の刃具の寿命を延長させることのできる切削装置における冷却方法および冷却機構を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る切削装置における冷却方法では、切削剤を用いることなくワークを切削する切削装置における冷却方法であって、
切削用刃具を保持するための保持部と、前記保持部に連なる軸本体とを有するとともに前記保持部と前記軸本体とが同時に回転動作する軸部中の前記保持部の内部に熱−電気変換素子を前記切削用刃具から離間させて収容するとともに、前記軸本体中の前記保持部に対向する部位の内部に冷却室を設け、
前記軸本体の外部から導入され、前記冷却室を経由して前記軸本体の外部に導出されるように液体の冷却媒体を流通させ、
前記熱−電気変換素子に通電することにより、切削加工の際に切削箇所より発生し前記軸部に伝達される熱を、該熱−電気変換素子に生成される低温部に吸収させ、
前記熱を前記熱−電気変換素子に生成される高温部から前記冷却媒体を介して切削装置外へ放出させることを特徴とする。
【０００８】
ここで、刃具を保持する軸部とは、本発明においては刃具を取着保持する構造のものをいう。
【０００９】
これにより、切削剤を用いることなくワークの切削加工時に発生する熱を除去することができるため、切削後の洗浄等の後処理が簡略化され、例えば、切削油の管理や廃油の処理が不要となり、かつこのための付帯機器を設ける必要がなく、したがって、切削装置がコンパクト化されるとともに、切削性能が向上し、また切削装置の刃具の寿命を延長させることができる。また、冷却媒体を用いて冷却する従来の切削装置に比べてコンパクト化され、かつ取り扱いも簡略化され、この結果、ＣＯ2 の発生や、代替フロンの使用を回避することができる。
【００１０】
また、本発明に係る切削装置における冷却方法では、前記熱−電気変換素子の高温部から放出される熱を放熱部材に伝達させる。そして、前記放熱部材に伝達された熱を放出するとともに該放熱部材を冷却媒体を用いて冷却している。これにより、一層冷却効果を向上させることができる。このとき、放熱部材として、アルミニウム等を材料とする放熱面積の大きな放熱板を用いると、さらに好適である。
【００１１】
また、本発明に係る切削装置における冷却方法では、さらに、エア吹き付け機構により切削箇所へエアを吹き付け、切削加工の際に発生する切り粉、切り屑を吹き飛ばす。
【００１２】
これにより、切削時に発生する切り粉、切り屑がエアにより取り除かれ、これら切り粉、切り屑と刃具やワークとの間の摩擦熱の発生が回避されるとともに、切削箇所がエアにより直接冷却されることから、切削時の発熱を効率的に抑制することができる。
【００１３】
また、本発明に係る切削装置における冷却方法では、超硬合金、または表面近傍にＷ−Ｂ−Ｃ−Ｎ若しくはＷ−Ｂ−Ｃ−Ｎ−Ｎｉを含有する超硬合金からなる刃具を用いると好適である。この種の材料からなる刃具を用いて切削しながら冷却することにより、刃具と切り粉、切り屑との間において発生する摩擦熱を小さくすることができる。
【００１４】
一方、本発明に係る切削装置における冷却機構によれば、切削用刃具を保持する軸部に熱−電気変換素子を設けている。この場合、当該素子の低温部を切削箇所に近づけて配置する。従って、前記熱−電気変換素子を付勢して切削箇所で発生した熱を高温部へと伝達させ、この高温部から伝達された熱を切削装置の外部へと放出することができる。結局、熱の放出を前記熱−電気変換素子の制御によって行うために、効率的かつ確実に熱放出作用を営むことができる。また、切削剤を使用しないために、例えば、切削油の管理や廃油の処理が不要となり、結果的に、刃具の寿命を延長させることができる。
【００１５】
しかも、切削剤を用いた場合のように、洗浄後の後処理が必要とされることなく、装置全体としてもコンパクト化され、かつ取り扱いも簡便である。
【００１６】
さらに、本発明によれば、前記熱−電気変換素子の高温部に放熱部材を固着している。従って、切削箇所から前記熱−電気変換素子の高温部に伝達された熱を放熱部材を介して外部へと放出することができる。この場合、前記放熱部材にさらに冷却媒体を併用すれば、より一層電気放熱部材からの熱を好適に外部へ放出することが可能となる。
【００１７】
さらに、この構成において、切削箇所に対してエア供給源に接続されたノズルを設けておくとよい。ワークを切削加工する際に発生する切り粉、切り屑を飛散させ、これによってワークのより一層正確かつ迅速な切削工程が営まれる。
【００１８】
本発明によれば、刃具自体をＷ−Ｂ−Ｃ−Ｎ若しくはＷ−Ｂ−Ｃ−Ｎ−Ｎｉを含有する超硬合金から構成しておくとよい。この種の超硬合金から刃具を構成しておくと、刃具と切り粉、切り屑との間において発生する摩擦熱を小さくすることができるからである。
【００１９】
しかも、本発明に係る冷却機構においては、放熱部材から放熱される熱の伝達を断熱部材によって阻止するように構成している。従って、ワークを切削加工する際に生ずる熱によって切削装置あるいはワークに対する熱の影響を可及的に少なくすることが可能となる。この結果、ワーク自体の品質が一層向上するという利点もある。
【００２０】
さらにまた、本発明の冷却機構によれば、熱−電気変換素子をＢｉ2 Ｔｅ3 にＳｂがドープされたｐ型領域およびＳｅがドープされたｎ型領域を有するｐｎ接合素子により構成しておくと、一層熱の伝達を効率的に行うことが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る切削装置における冷却方法について、それを実施する冷却機構との関係において好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２２】
本実施の形態に係る切削装置は、図１に示すように、ドリル機構１０と、エア吹き付け機構１２と、テーブル１４と、該テーブル１４上に固定されるクランプ機構１６とから構成される。
【００２３】
前記ドリル機構１０においては、平板状のワーク１８を切削するドリル（刃具）２０がホルダ２２に保持される。具体的には、該ホルダ２２はスピンドル部（軸部）２４に嵌合し、該スピンドル部２４は図示しない回転駆動源に連結されている。ここで、前記ドリル２０は超硬材料を用いているが、表面に本発明者等が開発したＷ−Ｂ−Ｃ−Ｎ−Ｎｉ（但し、Ｎｉは微量）系傾斜超硬材料を用いたものでもよく、その材質等には限定されない。
【００２４】
前記スピンドル部２４は保持部２５と後述する軸本体２７とを有し、保持部２５の図１における下面側には大径でかつ深い凹部２５ａが形成され、またその上面側にはこの凹部２５ａに対向して浅い凹部２５ｂが形成されている。前記保持部２５の凹部２５ａにはホルダ２２の端部が嵌合し、一方、凹部２５ｂには薄板状の熱−電気変換素子２６が設けられる。熱−電気変換素子２６の端部には図示しない電力供給用リードが接続される。前記熱−電気変換素子２６はＢｉ2 Ｔｅ3 からなり、該熱−電気変換素子２６のドリル２０側の面は、Ｓｅが過剰にドープされたｎ型領域として形成され、通電することにより低温となる。これに対して、該熱−電気変換素子２６の軸本体２７側の面は、Ｓｂが過剰にドープされたｐ型領域として形成され、通電することにより高温となる。すなわち、熱−電気変換素子２６は、ｐ型領域とｎ型領域とを有するｐｎ接合素子である。
【００２５】
前記熱−電気変換素子２６の高温部側には、アルミニウムからなる放熱部材２８が接合される。前記熱−電気変換素子２６と放熱部材２８とによって実質的に冷却機構が形成される。なお、図１から諒解される通り、軸本体２７は中空状であり、すなわち、その内部には水等の冷却液を流通させるための空間部３０が形成され、前記軸本体２７に該空間部３０に連通して冷却液用の入口３２および出口３４が設けられている。この場合、軸本体２７と保持部２５との間には前記放熱部材２８を周回するようにセラミックスからなる断熱部材３６が設けられ、該断熱部材３６により保持部２５と軸本体２７とが熱的に遮断されている。
【００２６】
前記エア吹き付け機構１２を構成するノズル３７は、切削加工中、前記ワーク１８を切削する箇所に冷却用のエアを吹き付けることが可能であり、図示しない移動機構により保持されている。
【００２７】
前記クランプ機構１６は、前記テーブル１４上に位置調整自在に配置される可動部材３８と、この可動部材３８から所定間隔離間した固定部材４０とから構成されている。前記可動部材３８は、クランプねじ４２によってテーブル１４に位置決めされる。
【００２８】
以上のように構成される本実施の形態に係る切削装置における冷却機構の作用について、その冷却方法との関係で以下に説明する。
【００２９】
先ず、ワーク１８をクランプ機構１６の可動部材３８と固定部材４０との間に置き、クランプねじ４２を締め付けることにより、前記ワーク１８を位置決め固定する。次いで、エア吹き付け機構１２を作動させて、前記ワーク１８の切削加工しようとする箇所にノズル３７から冷却用エアを吹き付け、かつ熱−電気変換素子２６を通電状態とする。これにより、前記熱−電気変換素子２６に低温部と高温部が生成される。具体的には、ドリル２０側（ｎ型領域）が低温部となり、一方、軸本体２７側（ｐ型領域）が高温部となる。例えば、前記熱−電気変換素子２６によれば、３０秒以内に前記低温部の温度は約−２０℃となる。なお、前記空間部３０には冷却用媒体、例えば冷却水（図示せず）を予め流しておく。次いで、前記ドリル機構１０の軸本体２７を前記ワーク１８の切削しようとする位置まで下降させ、前記ドリル２０により該ワーク１８を切削加工する。
【００３０】
切削加工が進行するのにつれて、前記ドリル２０と前記ワーク１８との間の摩擦により発生した熱は、前記スピンドル部２４へ伝達される。詳細には、前記熱−電気変換素子２６の低温部に至り、吸熱されて該熱−電気変換素子２６の高温部から放熱部材２８に伝達される。前記放熱部材２８に伝達された熱は、軸本体２７の内部を通る冷却水により熱変換され、最終的に、前記ドリル２０で発生した熱はこの冷却水により効率的に除去される。したがって、軸本体２７からドリル２０を回転する図示しないモータに前記熱が伝達されることはない。
【００３１】
以上説明したとおり、本実施の形態では、ドリル２０とワーク１８との間の摩擦等により発生した熱は、該ドリル２０からホルダ２２を経て熱−電気変換素子２６の低温部に至って吸収され、該熱−電気変換素子２６の高温部は冷却水により効率的に熱変換されるに至る。従って、切削箇所に熱が蓄積されて高温化することによる不具合、すなわち、該ワーク１８の変形、表面荒れ、加工精度の低下等が発生することが防止され、また、該ドリル２０の寿命が延長される。なお、この場合、ドリル２０の先端は勢いよく噴出するエアによって強制的に冷却され、これによっても熱の蓄積が一部回避される。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、切削剤を用いることなくワークを切削する切削装置の軸部に冷却機構が設けられている。前記冷却機構は、通電時に高温部と低温部とが形成される熱−電気変換素子を有し、該熱−電気変換素子の該低温部が切削加工の発熱側に向けて設けられており、切削加工の際に切削箇所より発生し軸部に伝達された熱を、熱−電気変換素子の低温部に吸収させ、前記熱を前記熱−電気変換素子の高温部から切削装置外へ放出させる。
【００３３】
このため、切削後の洗浄等の後処理が簡略化され、切削剤の管理や廃油の処理が不要であり、かつこのための付帯機器を設ける必要がなく、したがって、切削装置がコンパクト化されるとともに、切削性能が向上し、また切削装置の刃具の寿命を延長させることができる。また、冷却媒体を用いて冷却する従来の切削装置に比べて、コンパクト化されかつ取り扱いも簡略化される効果を奏する。
【００３４】
また、本発明によれば、前記熱−電気変換素子の前記高温部に放熱部材が固着され、該放熱部材に冷却部材が接合される冷却機構により、前記熱−電気変換素子の高温部から放出される熱を放熱部材に伝達させ、前記放熱部材に伝達された熱を該放熱部材を冷却する冷却媒体により熱交換した上で切削装置の外部へ放出させる。このため、より一層冷却効果を発揮することができる。
【００３５】
また、本発明によれば、冷却機構の前記熱−電気変換素子として、Ｂｉ2 Ｔｅ3 にＳｂがドープされたｐ型領域およびＳｅがドープされたｎ型領域を有するｐｎ接合素子を用いているために、より一層冷却効果を発揮することができる。
【００３６】
また、本発明によれば、さらに、エア吹き付け機構により、切削箇所へエアを吹き付け、切削加工の際に発生する切り粉、切り屑を吹き飛ばす。このため、切削時の発熱を効率的に抑制することができる。
【００３７】
また、本発明によれば、超硬合金、または表面近傍にＷ−Ｂ−Ｃ−Ｎ若しくはＷ−Ｂ−Ｃ−Ｎ−Ｎｉを含有する超硬合金からなる刃具を用いて切削しながら冷却することにより、刃具と切り粉、切り屑との間において発生する摩擦熱を小さくすることができる。
【００３８】
さらに、本発明によれば、前記軸部の内部の発熱部側と反発熱部側との間に断熱部材が設けられた構造により、前記熱が切削装置の他の部位に伝達されることを阻止しながら冷却する。このため、切削加工の際に発生する熱が他の部位へ伝達されることを防ぐことができ、例えば、切削装置の刃具で発生した熱が軸部から回転駆動源へ伝達されて悪影響を与える等の不具合を解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る切削装置の一部省略概略縦断面図である。
【符号の説明】
１０…ドリル機構                １２…エア吹き付け機構
１４…テーブル                  １６…クランプ機構
１８…ワーク                    ２０…ドリル
２２…ホルダ                    ２４…スピンドル部
２６…熱−電気変換素子          ２８…放熱部材
３６…断熱部材                  ３８…可動部材
４０…固定部材
【図１】
0004109378.tif 000002