JP2004154897A - 工具からの熱除去装置 - Google Patents

Abstract

【課題】切削加工等の際に生ずる熱を、外部からではなく工具の側から除去するようにして、主として冷却のために用いていた切削油の使用量を大幅に減少させ、該切削油の蒸気を作業者が吸引することによる作業者の健康への悪影響を防止すると共に、環境への負荷を著しく低減させる。
【解決手段】工具２のうち冷却が必要となる部分３の内部に流路２ｄを設け該流路２ｄに冷却媒体となる液体を通し、流路２ｄを通過して温度が上昇した液体を熱交換器を用いて冷却し、流路２ｄに環流させることで工具２から熱を除去するようにした構成を特徴とする。
【選択図】 図６

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工具からの熱除去装置に係り、特に切削加工等の際に生ずる熱を、外部からではなく工具の側から除去するようにして、主として冷却のために用いていた切削油の使用量を大幅に減少させ、環境への負荷を著しく低減させることができるようにした工具からの熱除去装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
切削加工を行う工作機械の一種である旋盤では、バイトを主な切削工具として用いるが、切削時にワークに当接するバイトの刃先部分は非常に高温になる。そのままでは工具寿命やワークに対して悪影響を及ぼすため、その熱を除去すべく、従来は切削油を使用することが通常行われていた。
【０００３】しかし切削油は、液体であるため冷却効果は高い反面、その冷却の際に一部が蒸気となって周囲に広がるため、該蒸気を作業者が吸引してしまうことによる人体への害が指摘され始めている。
【０００４】このため切削油を用いる代わりに加工部分に冷凍機により生成した−２０℃程度の冷風を吹き付けて工具の温度上昇を防止するようにした、冷風加工という加工法も提案されている。
【０００５】この冷風加工は、例えば一般のドライ切削加工よりも工具摩耗をはるかに少なくすることができ、切削油を使用しない点で環境にも優しい等、数多くのメリットが確認されているが、冷風として−２０℃程度の低温空気を作り出すための特殊な冷凍機が不可欠であり、また該冷凍機の運転のために多くの付加的なエネルギ（例えば電力）を必要とする点で、環境に優しいとは言い切れないものであった。
【０００６】ここで、加工部周辺からの熱伝達により取り除かれる熱流をＱ、熱伝達率をｈ、伝熱面積をＦ、加工面周辺温度をＴｗ、流体の主流温度をＴ∞とすると、ニュートンの冷却の法則により、Ｑ＝ｈＦ（Ｔｗ−Ｔ∞）という式が導かれるが、気体の熱伝達率と液体の熱伝達率とを比較すると、液体の熱伝達率の方がはるかに大きいため、液体と同様の冷却効果を得るためには、−２０℃という低温が必要だったのである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記した従来技術の欠点を除くためになされたものであって、その目的とするところは、工作物を工具により加工する際に該工具から生ずる熱を該工具の側から除去するように構成することによって、加工部位冷却用の切削油を不要にしたり又は使用する場合でもその量を大幅に少なくしたり、冷風を使用する場合には例えば−５℃程度の冷風で足りるようにすることであり、またこれによって環境負荷及びコストを低減させると共に、実用性を高めることである。
【０００８】また他の目的は、工具のうち冷却が必要となる部分に冷却媒体を通し、該要冷却部分から熱を除去するように構成することによって、切削油を不要又はその使用量を大幅に少なくできるようにすると共に、冷却媒体の冷却に要するエネルギも少なくできるようにすることであり、またこれによって作業者の健康への悪影響を防止すると共に、環境負荷の低減を図ることである。
【０００９】更に他の目的は、工具のうち冷却が必要となる部分の内部に流路を設け該流路に冷却媒体となる液体を通し、流路を通過して温度が上昇した液体を熱交換器を用いて冷却し、流路に環流させることで工具から熱を除去するように構成することによって、常温程度の液体を環流させるだけで、工具から熱を除去して十分に冷却できるようにすることであり、またこれによって熱交換器によって液体を冷却するために必要なエネルギを従来の冷風加工の場合よりもはるかに少なくて済むようにして、電力等の消費を少なく抑えることができるようにすることである。
【００１０】また他の目的は、工具のうち冷却が必要となる部分の近傍にヒートパイプの一端を固定し、該ヒートパイプの他端を熱交換器により冷却することで、該ヒートパイプにより要冷却部分から熱を除去することによって、熱伝達率の高いヒートパイプの特性を活用して、より効率的に工具の熱を除去できるようにして、加工時の切削油を不要又はその使用量を大幅に低減させることができるようにすることである。
【００１１】更に他の目的は、加工用のチップを取り付けるための取付け座が形成された工具ホルダにおいて、取付け座の近傍を通ると共に入口及び出口を有する流路が形成され、該流路に冷却媒体となる液体を通すことで取付け座に取り付けられたチップから熱を除去するように構成することによって、スローアウェイチップを使用する場合に、切削油を不要又はその使用量を大幅に少なくして加工を行うことができるようにすると共に、スローアウェイチップを本来の寿命まで使い切ることができるようにすることである。
【００１２】また他の目的は、上記工具ホルダにおいて、取付け座の近傍にヒートパイプの一端を嵌入固定可能に構成され、該ヒートパイプの他端を熱交換器により冷却しながら使用することで、チップから熱を除去するように構成することによって、スローアウェイチップを使用する場合に、加工時の切削油を不要又はその使用量を大幅に低減させることができるようにすることである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
要するに本発明装置（請求項１）は、工作物を工具により加工する際に該工具から生ずる熱を該工具の側から除去するように構成したことを特徴とするものである。
【００１４】また要するに本発明装置（請求項２）は、工具のうち冷却が必要となる部分に冷却媒体を通し、該要冷却部分から熱を奪って除去するように構成したことを特徴とするものである。
【００１５】また本発明装置（請求項３）は、工具のうち冷却が必要となる部分の内部に流路を設け該流路に冷却媒体となる液体を通し、前記流路を通過して温度が上昇した前記液体を熱交換器を用いて冷却し、前記流路に環流させることで前記工具から熱を除去するように構成したことを特徴とするものである。
【００１６】また本発明装置（請求項４）は、工具のうち冷却が必要となる部分の近傍にヒートパイプの一端を固定し、該ヒートパイプの他端を熱交換器により冷却することで、該ヒートパイプにより前記要冷却部分から熱を除去するように構成したことを特徴とするものである。
【００１７】また本発明工具ホルダ（請求項５）は、加工用のチップを取り付けるための取付け座が形成された工具ホルダにおいて、前記取付け座の近傍を通ると共に入口及び出口を有する流路が形成され、該流路に冷却媒体となる液体を通すことで前記取付け座に取り付けられた前記チップから熱を除去するように構成したことを特徴とするものである。
【００１８】また本発明工具ホルダ（請求項６）は、加工用のチップを取り付けるための取付け座が形成された工具ホルダにおいて、前記取付け座の近傍にヒートパイプの一端を嵌入固定可能に構成され、該ヒートパイプの他端を熱交換器により冷却しながら使用することで、前記チップから熱を除去するように構成したことを特徴とするものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下本発明を図面に示す実施例に基いて説明する。本発明の第１実施例に係る工具からの熱除去装置１は、図１から図６において、工具ホルダ２と、図示しない熱交換器とを備えている。以下、この冷却方式を、「ホルダ冷却方式」という。
【００２０】工具ホルダ２は、図１から図５に示すように、中央部に貫通穴３ａが形成された加工用のチップ３を取り付けるための取付け座２ａが形成され、該取付け座２ａの近傍を通ると共に、入口２ｂ及び出口２ｃを有する流路２ｄが形成されたものである。
【００２１】取付け座２ａには、チップ３を固定するねじ６が螺合するねじ穴８が形成されている。流路２ｄの入口２ｂは、例えば工具ホルダ２の側面２ｆに形成され、出口２ｃは、例えば工具ホルダ２の底面２ｇに形成されている。入口２ｂ及び出口２ｃには、図６に示すように、熱交換器と接続されたパイプ４，５が夫々接続されるようになっている。なお、必ずしも熱交換器を使用する必要はなく、例えば常温の水道水等を一方的に通すようにしてもよい。
【００２２】またどちらを入口２ｂとし、どちらを出口２ｃとするかは任意である。また図示の例では、流路２ｄは１本であるが、これに限るものではなく、複数本でもよく、また１本の流路２ｂを取付け座２ａの下方で蛇行させて形成してもよい。伝熱面積が増えれば、工具ホルダ２の熱をより効率的に除去できるからである。
【００２３】次に本発明の第２実施例に係る工具からの熱除去装置１２は、図７から図１２に示すように、工具ホルダ１３と、熱交換器１４と、ヒートパイプ１５、伝熱部材１６とを備えている。この冷却方式を「シート冷却方式」という。
【００２４】工具ホルダ１３は、中央部に貫通穴３ａが形成された加工用のチップ３を取り付けるための取付け座１３ａが形成され、該取付け座１３ａの近傍にヒートパイプ１５の一端１５ａを嵌入固定可能に構成されたものである。
【００２５】取付け座１３ａには、図８に示すように、伝熱部材１６がねじ１８により固定されるようになっており、このため取付け座１３ａには、ねじ１８が螺合するねじ穴１３ｂが、上下に貫通して形成されている。
【００２６】伝熱部材１６の材料には、例えば熱伝導率の高い銅系材料を用いており、また伝熱部材１６は、図８に示すように、ねじ１８が通される段付き穴１６ａが上下に貫通して形成された水平部１６ｂと、該水平部１６ｂの側方に一体的に形成されヒートパイプ１５の一端１５ａが螺合するねじ穴１６ｃが垂直に形成された垂直部１６ｄとから形成されている。
【００２７】取付け座１３ａは、図７から図９及び図１１に示すように、伝熱部材１６が適合するような形状に形成されており、またねじ１８にはねじ穴１８ａが同軸上に形成されているので、伝熱部材１６を取付け座１３ａに取り付けると、該伝熱部材１６上に、ねじ１９を用い、該ねじを貫通穴３ａに通してチップ３を取り付けることができるようになっている。
【００２８】ヒートパイプ１５の一端１５ａには、ねじ部１５ｂが形成されており、該ねじ部１５ｂが伝熱部材１６のねじ穴１６ｃと螺合するようになっている。なお、図９及び図１０に示すように、ねじ部１５ｂにロックナット２０を螺合させることにより、ヒートパイプ１５をねじ穴１６ｃに固定できるようになっている。ヒートパイプの他端１５ｃには、図１２に示すように、熱交換器１４が取り付けられている。
【００２９】本発明は、上記のように構成されており、以下その作用について説明する。まず、本発明の第１実施例についての作用について説明すると、図４に示すように、工具ホルダ２に対して、ねじ６をチップ３の貫通穴３ａに通して使用することにより、チップ３を固定することができる。このときチップ３は取付け座２ａに密着した状態となっているので、図５に示すように、流路２ｄがチップ３の近傍を通っていることになる。
【００３０】工具ホルダ２は、図６に示すように、旋盤の工具台（図示せず）に取り付けられ、流路２ｄの入口２ｂ及び出口２ｃにパイプ４，５が取り付けられる。そして図示しない熱交換器と工具ホルダ２との間で、冷却媒体である液体（図示せず）を環流させると、例えば液体はパイプ４内を矢印Ａ方向に進んで流路２ｄに入り、該流路２ｄから出た液体は、パイプ５内を矢印Ｂ方向に進んで、熱交換器に戻る。
【００３１】ワーク２１を矢印Ｃ方向に回転させながら、工具台を矢印Ｄ方向に送り、チップ３をワーク２１に切り込んで行くと、切屑２２が出て旋削が行われるが、流路２ｄを通る液体によってチップ３が常に冷却されているので、切削油（図示せず）の使用は少なくて済む。場合によっては全く切削油を使用しないで加工を行うことも可能である。またチップ３の摩耗量も適正なものとなり、本来の寿命まで使用することができる。
【００３２】熱交換器においては、例えば常温の水道水を用いて冷却している。冷却媒体に、気体と比較して熱伝達率の高い液体を使用しているので、その他の諸条件にもよるが、常温の水道水を通す程度で、チップ３の熱を十分に除去することが可能である。冷凍機等（図示せず）を用いる場合でも、あまり低い温度を必要としないため、電力等のエネルギ消費を少なく抑えることが可能である。
【００３３】次に本発明の第２実施例に係る工具からの熱除去装置１２の作用について説明すると、図９及び図１１に示すように、工具ホルダ１３の伝熱部材１６上に、ねじ１９を使用することにより、チップ３を固定することができる。
【００３４】またヒートパイプ１５は、一端１５ａを伝熱部材１６のねじ穴１６ｃに螺合させ、ロックナット２０により締め付けることで伝熱部材１６に直立状態で取り付けることができる。
【００３５】工具ホルダ１３は、図１２に示すように、旋盤の工具台（図示せず）に取り付けられ、ヒートパイプ１５の他端１５ｃに熱交換器１４が取り付けられる。熱交換器１４においては、ヒートパイプ１５の他端１５ｃを、第１実施例と同様に、例えば−５℃まで冷却している。
【００３６】ワーク２１を矢印Ｃ方向に回転させながら、工具台を矢印Ｄ方向に送り、チップ３をワーク２１に切り込んで行くと、切屑２２が出て旋削が行われるが、伝熱部材１６は熱伝導率が高い材料で製作されているので、チップ３とヒートパイプ１５との間の熱は効率よく伝達され、またヒートパイプ１５は非常に熱伝達率が高いので、加工中に生ずるチップ３の熱は、伝熱部材１６及びヒートパイプ１５を通じて非常に効率的に除去される。
【００３７】従って、第１実施例と同様に、加工中の切削油（図示せず）の使用は少なくて済む。場合によっては全く切削油を使用しないで加工を行うことも可能である。
【００３８】なお、上記構成においては、工具の一例として旋盤で用いるバイトを想定して説明したが、工具はこれに限るものではなく、ドリルやフライス等の加工の際に熱の除去が必要となる工具であれば、どのようなものであってもよい。また工具の一例として、チップ３を使用する工具ホルダ２，１３を挙げたが、これに限るものではなく、一体的に刃先が形成された通常のバイト（図示せず）でもよい。
【００３９】更に上記構成において、切削油や冷風等による外部冷却手段を設けてもよい。冷風については、従来の冷風加工のような−２０℃の冷風ではなく、例えば−５℃程度の弱冷風で足りるので、大がかりな冷凍機ではなく、例えば空気流によって熱い空気と冷たい空気とを分離可能な、市販のボルテックスチューブを利用して冷風を作るようにしてもよい。また冷凍機を使用する場合でも、−５℃程度の冷風ができればよいため、電力消費は少なくて済む。
【００４０】また上記第２実施例においては、ヒートパイプ１５を伝熱部材１６に取り付けるように構成したが、これに限られるものではなく、ヒートパイプ１５の取付け方は任意である。例えば伝熱部材１６を用いずに、ヒートパイプ１５を取り付けることができるようにねじ１９を加工し、該ねじ１９にヒートパイプ１５を取り付けるようにしてもよい（この冷却方式を、「ねじ冷却方式」という。）。
【００４１】
【発明の効果】
本発明は、上記のように工作物を工具により加工する際に該工具から生ずる熱を該工具の側から除去するように構成したので、加工部位冷却用の切削油を不要にしたり又は使用する場合でもその量を大幅に少なくしたり、冷風を使用する場合には例えば−５℃程度の冷風で足りるようにすることができる効果があり、またこの結果環境負荷及びコストを低減できると共に、実用性を高め得る効果がある。
【００４２】また工具のうち冷却が必要となる部分に冷却媒体を通し、該要冷却部分から熱を除去するように構成したので、切削油を不要又はその使用量を大幅に少なくでき、冷却媒体の冷却に要するエネルギも少なくできる効果があり、またこの結果作業者の健康への悪影響を防止し得、環境負荷を低減できるという効果が得られる。
【００４３】更に工具のうち冷却が必要となる部分の内部に流路を設け該流路に冷却媒体となる液体を通し、流路を通過して温度が上昇した液体を熱交換器を用いて冷却し、流路に環流させることで工具から熱を除去するように構成したので、常温程度の液体を環流させるだけで、工具から熱を除去して十分に冷却できるという効果があり、またこの結果熱交換器によって液体を冷却するために必要なエネルギを冷風加工の場合よりもはるかに少なくて済むようになり、電力等の消費を少なく抑えることができる効果がある。
【００４４】また工具のうち冷却が必要となる部分の近傍にヒートパイプの一端を固定し、該ヒートパイプの他端を熱交換器により冷却することで、該ヒートパイプにより要冷却部分から熱を除去するようにしたので、熱伝達率の高いヒートパイプの特性を活用して、より効率的に工具の熱を除去できる効果があり、また加工時の切削油を不要又はその使用量を大幅に低減させることができる効果がある。
【００４５】更には、加工用のチップを取り付けるための取付け座が形成された工具ホルダにおいて、取付け座の近傍を通ると共に入口及び出口を有する流路が形成され、該流路に冷却媒体となる液体を通すことで取付け座に取り付けられたチップから熱を除去するように構成したので、スローアウェイチップを使用する場合に、切削油を不要又はその使用量を大幅に少なくして加工を行うことができるという効果があると共に、スローアウェイチップを本来の寿命まで使い切ることができるという効果が得られる。
【００４６】また上記工具ホルダにおいて、取付け座の近傍にヒートパイプの一端を嵌入固定可能に構成され、該ヒートパイプの他端を熱交換器により冷却しながら使用することで、チップから熱を除去するように構成したので、スローアウェイチップを使用する場合に、加工時の切削油を不要又はその使用量を大幅に低減させることができる効果がある。
【００４７】
【実施例１】
上記したホルダ冷却方式、ねじ冷却方式及び冷却なし（以下、ドライという。）の場合について、普通旋盤を用いて、切削試験を行った。工具ホルダは型番ＳＣＬＣＲ１６１６Ｈ、チップは型番ＣＣＭＴ１２４０４−ＵＴｉ２０Ｔを使用し、切削速度は５７．０２乃至９３．３１ｍ／ｍｉｎ、送りは０．２ｍｍ／ｒｅｖ、切込みは１．５ｍｍとした。
【００４８】ホルダ冷却方式においては、直径φ２ｍｍの流路を工具ホルダに設け、該流路に水道水を流すようにした。
【００４９】ねじ冷却方式においては、直径φ３×１００ｍｍ長のヒートパイプを用い、該ヒートパイプ上部に熱交換器として水冷クーラを取り付けた。
【００５０】工作物にはＳＣＭ４３５材を長手方向に４００ｍｍ、工作物直径がφ５４ｍｍからφ３０ｍｍになるまで８回切削し、各方式によるチップ温度差、除去熱流、逃げ面摩耗幅、工作物仕上げ面の表面粗さの違いを測定した。ホルダ冷却方式における除去熱流は、冷却水の出入口温度差と質量流量の実測値の積に冷却水の比熱を乗じることにより求めた。
【００５１】なお、チップ温度は、チップ上面の所定の位置に直径φ０．０７６ｍｍのＣＡ熱電対を取り付けて測定した。チップ温度差とは、チップ定常温度からチップ初期温度を差し引いたものである。
【００５２】試験の結果、まずチップ温度差については、ドライと比較して、ねじ冷却方式では約５０℃低く、ホルダ冷却方式では約１００℃低くなった。最高チップ温度は、ドライで２０１．５℃、ねじ冷却方式で１５８．２℃、そしてホルダ冷却方式で９２℃であった。
【００５３】除去熱流については、切削距離に対してほぼ一定で、ねじ冷却方式では２５Ｗ、ホルダ冷却方式では４５Ｗ程度であった。切削動力に対する割合で示すと、ねじ冷却方式では３．１％、ホルダ冷却方式では５．６％となり、ホルダ冷却方式がねじ冷却方式の約２倍の熱除去が可能であることがわかった。
【００５４】逃げ面摩耗幅については、チップ温度差が小さいものほど少なくなり、ドライに比べてねじ冷却方式で約４／５、ホルダ冷却方式で約２／３に減少することがわかった。
【００５５】そして工作物仕上げ面の表面粗さについては、逃げ面摩耗と同様に、チップ温度差が最も低かったホルダ冷却方式の場合に最も良好な結果が得られた。
【００５６】以上の試験により、工具側から熱除去することにより、チップ温度は低下して寿命が延び、しかも工作物仕上げ面の状態が改善されたことから、その有用性が確認できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１から図６は、本発明の第１実施例に係り、図１は工具ホルダの斜視図である。
【図２】工具ホルダの下から見た斜視図である。
【図３】工具ホルダの流路の形状を示す部分破断斜視図である。
【図４】工具ホルダの分解斜視図である。
【図５】チップを取り付けた状態における工具ホルダの流路の形状を示す部分破断斜視図である。
【図６】工具からの熱除去装置を使用してワークを旋削している状態を示す斜視図である。
【図７】図７から図１２は、本発明の第２実施例に係り、図７は工具ホルダの斜視図である。
【図８】工具ホルダの分解斜視図である。
【図９】工具ホルダ、該工具ホルダに取り付けられるチップ及びヒートパイプの分解斜視図である。
【図１０】チップ及びヒートパイプが取り付けられた工具ホルダの斜視図である。
【図１１】取付け座に対する伝熱部材の取付け状態及び該伝熱部材に対するチップの取付け状態を示す工具ホルダの部分破断斜視図である。
【図１２】工具からの熱除去装置を使用してワークを旋削している状態を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 工具からの熱除去装置
２ 工具ホルダ
２ａ 取付け座
２ｂ 入口
２ｃ 出口
２ｄ 流路
３ チップ
１２ 工具からの熱除去装置
１３ 工具ホルダ
１３ａ 取付け座
１４ 熱交換器
１５ ヒートパイプ

Claims (6)

1. 工作物を工具により加工する際に該工具から生ずる熱を該工具の側から除去するように構成したことを特徴とする工具からの熱除去装置。
2. 工具のうち冷却が必要となる部分に冷却媒体を通し、該要冷却部分から熱を奪って除去するように構成したことを特徴とする工具からの熱除去装置。
3. 工具のうち冷却が必要となる部分の内部に流路を設け該流路に冷却媒体となる液体を通し、前記流路を通過して温度が上昇した前記液体を熱交換器を用いて冷却し、前記流路に環流させることで前記工具から熱を除去するように構成したことを特徴とする工具からの熱除去装置。
4. 工具のうち冷却が必要となる部分の近傍にヒートパイプの一端を固定し、該ヒートパイプの他端を熱交換器により冷却することで、該ヒートパイプにより前記要冷却部分から熱を除去するように構成したことを特徴とする工具からの熱除去装置。
5. 加工用のチップを取り付けるための取付け座が形成された工具ホルダにおいて、前記取付け座の近傍を通ると共に入口及び出口を有する流路が形成され、該流路に冷却媒体となる液体を通すことで前記取付け座に取り付けられた前記チップから熱を除去するように構成したことを特徴とする工具ホルダ。
6. 加工用のチップを取り付けるための取付け座が形成された工具ホルダにおいて、前記取付け座の近傍にヒートパイプの一端を嵌入固定可能に構成され、該ヒートパイプの他端を熱交換器により冷却しながら使用することで、前記チップから熱を除去するように構成したことを特徴とする工具ホルダ。

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