JP2006102932A - 断続部分を有する被加工品を機械加工する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、切刃を有し且つ工具ホルダ（１５）に保持されており、任意にシム（１３）によって支持されている切削インサート（１２）で、断続部分を有することがある被加工品を切削する方法及び装置（１）を提供する。
【解決手段】本発明の方法及び装置では、液体窒素を含有することができる冷却材が、流路を通って、切刃の近くに配置された冷却流路（１６）に導入される。冷却流路は、切刃の下側、後側、又は下側且つ後側に配置することができる。冷却材は、切刃の近くの冷却流路の壁面に衝突し、部分的に蒸発し、それによって切削インサートを冷却する。
【選択図】図１

Description

本発明は、材料の機械加工に関し、より特に切削インサートを用いた旋削、面削り、中ぐり、フライス削り及び孔あけにおいて生じるような切削によって、断続部分を有する材料を機械加工するときに、切削工具寿命を長くする方法及び装置に関する。

断続部分は、単純な空孔、又は著しく異なる耐切削性を有する材料の部分であってよい。断続部分が材料中に存在する場合、切刃が断続部分を通り越すのに伴って、切削力は最大切削力のうちのわずかな割合まで、例えば最大切削力の５０％未満まで間欠的に低下する。（空孔の場合、切削力はゼロまで低下する）。断続部分のサイズは、工具に作用する力が断続的になるように、送り平面内の切刃の曲率に対して十分に大きくなければならない。

断続切削では、工具への衝撃波型の周期性の熱的及び機械的な負荷が存在するので、断続切削は難しい機械加工作業である。被加工品内の断続部分は、工具インサートの早期の破損をもたらす衝撃応力集中部分として作用する。切削工具及び／又は工具と被加工材料とが接触する全体的な領域に、「外部から」提供される従来のフラッド又は噴射タイプの冷却媒体を使用すると、材料断続部分の端部が冷却されて硬化し、インサートに対してより大きい衝撃力を与え、そしてそれによって通常は破断によって、工具の磨耗及び破損が加速される。高温での作業は、切刃及びインサートの受けの熱軟化及び化学的な磨耗を伴うので、冷却を行わないと切削工具の寿命が短くなる。従って結論としては、冷却を利用するか利用しないかにかかわらず、断続部分がない場合の切削と比べて、断続切削においては工具の寿命は大幅に短くなる。多くの場合には、断続切削作業を乾式で行うことによって、断続部分の端部の冷却及び硬化を防止し、また断続切削作業を低速で行うことによって、切削工具の熱軟化を防止している。

本明細書中に使用される「切削」という用語の例としては、旋削、中ぐり、分割、溝切り、面削り、平削り及びフライス削りが挙げられる。

特許文献としては下記の特許文献１〜１１を挙げることができる。断続切削に関して、工具寿命を長くする方法が必要とされている。

米国特許第２，６４１，０４７号明細書 米国特許第３，０７７，８０２号明細書 米国特許第３，５７１，８７７号明細書 米国特許第３，９７１，１１４号明細書 米国特許第４，８４８，１９８号明細書 米国特許第５，２３７，８９４号明細書 米国特許第５，７１６，９７４号明細書 米国特許第５，９０１，６２３号明細書 米国特許第６，６５２，２００号明細書 米国特許出願公開第２００２／０１８９４１３号 米国特許出願公開第２００３／０１１０７８１号

本発明は、断続部分を有する被加工品を、切刃を有し且つ工具ホルダに保持されている切削インサートによって切削する方法を提供する。この本発明の方法は、インサートの切刃を、断続部分を有する被加工品と接触させること；インサートの切刃の近くの１以上の流路内に冷却流体を導入して、切刃を冷却すること；及び切刃の前方の断続部分が使用済みの冷却流体によって実質的に冷却されない方向で、使用済みの冷却流体を１以上の流路から排出することを含む。

本発明はさらに、冷却流体の導入工程の後であって冷却流体の排出工程の前に、１以上の流路内において冷却流体の少なくとも一部を蒸発させることを含む方法を提供する。

本発明はさらに、工具ホルダと切削インサートとを有する被加工品切削装置であって、切削インサートが切刃を有しており、且つ工具ホルダに保持されており、この装置がさらに、切刃を冷却するために、切刃の近くの冷却流体用流路を有する、被加工品切削装置を提供する。

断続切削の場合に切削インサートの寿命が短いという問題を解決するために、本発明は、機械加工しようとする被加工品の断続部分の端部に実質的な熱効果を及ぼすことなしに切削インサートを冷却する冷却流体を用いる、冷却システムを使用する。冷却流体は、二酸化炭素、ヘリウム、窒素、アルゴン、又はこれらの流体の混合物、好ましくは窒素若しくはアルゴン、又は窒素とアルゴンとの混合物であってよい。冷却流体は極低温流体であってよい。

本発明の利点は、硬質材料の断続切削において特に明らかである。このような切削においては、高価な高破壊靭性の超硬質材料、例えば多結晶立方窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）、又は炭化ケイ素ホイスカーで強化されたアルミナ（ＳｉＣ_ｗ−Ａｌ_２Ｏ_３）が通常、機械加工作業中の寿命の予測可能性により、インサート材料として選択されている。本発明の方法及び装置を、断続切削のためにこれらのインサート材料と一緒に使用することができる。

当業者によって「セラミックインサート」、「アルミナインサート」又は「ブラックセラミック」と呼ばれる、安価な、単純アルミナインサート及び／又は炭化チタニウム又は炭素窒化チタニウム粒子と組み合わされたアルミナインサート（Ａｌ_２Ｏ_３−ＴｉＣ及びＡｌ_２Ｏ_３−ＴｉＣＮ）は、破壊靭性が低く、その結果予期できない突発故障が生じるので、硬質材料の断続切削には一般に用いられていない。「セラミックインサート」、「アルミナインサート」及び「ブラックセラミック」は、典型的には５重量％以上の酸化物セラミック相を有する酸化物含有セラミックインサートである。本発明の方法及び装置を使用する場合、これらの安価なアルミナインサートは、断続切削作業において有用であることが見いだされており、またいくつかの事例では、機械加工時間及び工具コストが低減されることによって、従来の方法において使用されている高価なＰＣＢＮ及び／又はＳｉＣ_ｗ−Ａｌ_２Ｏ_３インサートを凌ぐこともある。本発明は、断続切削作業のための効率的な冷却方法を利用する。硬化された又は軟質の被加工品を機械加工するために、商業的に入手可能な任意の切削工具インサートを、本発明において使用することができる。切削工具インサートは、比較的安価な、アルミナ、コーティングされていない又はコーティングされた炭化物工具インサート、又は比較的小さい破壊靭性を有する材料から形成されていてもよいその他の任意の標準的な工具インサート、並びにＰＣＢＮ、ＳｉＣ_ｗ−Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４及び／又はダイヤモンドから形成されたものを含む比較的高価なインサートを含む。

本発明は、切刃を有する切削インサートで、断続部分を有する被加工品を切削する方法であり、ここでこの切削インサートは、工具ホルダに保持されており、任意にシムによって支持されている。冷却流体は、導管を通して、切刃の近くに配置された冷却流路に導入される。冷却流路は、切刃の下側、後側、又は下側及び後側に配置することができる。「後側」とは、切削インサートの後部の方向にあることを意味する。「下側」とは、切削インサートの底部の方向にあることを意味する。冷却流路は、切削インサート内部、切削インサートとシムとの間、切削インサート内部、シムと工具ホルダとの間、工具ホルダ内部、又はこれらの場所の組み合わせに配置することができる。冷却流体の高速で運動する液滴又は液体スラグは、切刃の近くの冷却流路の壁面に衝突し、この場所で液滴及び液体スラグが部分的に蒸発する。本出願において使用されている機械加工用語は、多数の対象文献、例えば「Ｍｅｔａｌ Ｃｕｔｔｉｎｇ」、第ＩＶ版、Ｅ．Ｍ． Ｔｒｅｎｔ及びＰ．Ｋ． Ｗｒｉｇｈｔ著、Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ Ｈｅｉｎｅｍａｎｎ発行、Ｂｏｓｔｏｎ， Ｏｘｆｏｒｄ）の第１０、１２、１５及び１８頁に記載されているような、機械加工技術分野にとって標準的なものである。

図１〜８は、本発明の方法において有用な本発明の装置のいくつかの実施態様を示している。同様の部分は同様の符号を有している。図９及び図１０は、本発明に関する実験データを示すグラフである。

図１及び２は、本発明の方法を実施するのに適した装置又は切削工具１の１つの実施態様を示す２つの図である。装置１は、切削インサート１２と任意のシム１３とを支持するための工具ホルダ１５を有する。シム１３は、切削インサート１２の下側に配置されている。シムは任意ではあるが、一般には使用される。インサート１２及びシム１３は、当業者に知られた任意の好適な手段、例えばねじ又はクランプによって、所定の場所に保持することができ、図面では、クランプ１７によって所定の場所に保持されている。切削インサート１２の主逃げ面２３とすくい面２７との交差部に、被加工品（図示せず）と接触しこれを切削するようにされている切刃１４が配置されている。切削インサート１２の後部２９は、主逃げ面２３の反対側に配置されている。すくい面２７は、切刃１４と隣接している切削インサート１２の表面であり（且つ切削工具の表面であってよく）、チップ（機械加工プロセスによって被加工品から除去された被加工品片）を被加工品から離れる方向に導く。すくい面２７は完全に平らで面取りされていてよく、或いは、機械加工中のチップの流れ及び／又はチップ破断を制御するために、成形又はプレートの付加によって形成されたより複雑な三次元形状を有することができる。装置１は、旋盤及びフライス盤などを含む機械加工設備とともに使用するように構成されている。

シム１３は、切削インサート１２に隣接するように図示された冷却流路１６を形成するように成形されている。或いは、流路、例えば管又はその他の導管を、シム１３及び／又は切削インサート１２及び／又は工具ホルダ１５内の冷却流体の流路のために提供された空間に挿入することができる。シムは、予備成形又は機械加工することにより適切な形状にすることができる。冷却流路１６は、流路１６と流通するその入口１８、及び冷却流体が流路１６を出る出口１０で開いている。好ましくは、流路１６は多孔質材料を有さない。入口１８は、冷却流路１６及び任意の絞り１９、例えばノズル又はオリフィスと流通している。絞り１９は、（ａ）冷却流体を計量するのを助け、（ｂ）顕著な圧力低下を提供することによって、絞り１９の上流側の流路を通る冷却流体のより安定した流れを保証し、（ｃ）レーリー不安定をもたらすことによって、液相を液滴に分けるのを促進し、（ｄ）沸点を下げる圧力低下によって流入して来る冷却流体の蒸発霧化を促進し、そして液体内部に蒸気泡を生成し、ひいては液体をばらばらにし、そして（ｅ）下流側の極低温液体の沸点が比較的低い圧力の領域において比較的低くなることを利用して温度差を広げることによって、冷却された表面からの熱の除去をさらに促進することができる。絞りは、圧力を変化させる手段として作用することができる。図１に示されたように、絞り１９及び流路１６の少なくとも一部は、流入して来る冷却流体が最終的に接触空間３２を流通する前に、流入して来る流体をインサート１２の底部２１に対して垂直な方向に導くように配向されている。接触空間３２は、この実施態様の場合、流路１６の一部を形成するディスク形の空間３２である（別の実施態様では、接触空間は、冷却材と工具ホルダの一部との間の伝熱を増加させるのを可能にする任意の形状、例えばフィンを有する流路を有することができる。或いは、接触空間は所望の場合には、流路と同じ寸法を維持することができる。）図示のように、ディスク形接触空間３２は、流路１６内でインサート１２の底部に対して平行に、且つインサート１２の底部と接触するようにして配置される。絞り１９を通過した後、冷却流体はインサート１２の底部２１に衝突し、この底部が、冷却流体を分断して液滴又はスラグを形成することによって、底面２１上で形成され得る蒸気層を壊すのを助け、それによって伝熱を増大させる。冷却流体の分断は、減圧時の沸騰、流路壁上での沸騰、又は液体が絞り１９を通ることに伴う表面（レーリー）不安定性によって達成することができる。図示の流路１６内の絞り１９は、装置１内に配置されている。絞り１９は、工具ホルダ１５、シム１３、又はインサート１２内、或いは工具ホルダ１５とシム１３との間、インサート１２と工具ホルダ１５との間、又はインサート１２とシム１３との間に配置することができる。絞り１９は、流路１６での圧力低下を可能にする。これに代えて又はこれに加えて、流路１６は、流路１６を通って入口１８から出口１０に向かって圧力が低下するように成形されている圧力変化手段であってよい。

図２に示すように、冷却流路１６は、出口１０を有している。これらの出口は、シム１３のみを成形、例えば機械加工、切削、又は孔あけすることによって、或いは管又はその他の導管をシム内に挿入することによって形成される。出口１０は、被加工品から離れる方向に、或いは少なくとも、間もなく機械加工される被加工品の表面から離れる方向に、すなわち被加工品の表面、特に切刃の前方の断続部分の端部から離れる方向に、冷却材を導くように形成されている。

図２に示すように、流路は工具ホルダ１５及びシム１３の内部にあり、冷却流体によって達成される冷却は、切削インサート１２と直接的に接触することによって、しかし冷却流体と切削インサート１２の切刃４との間接的な接触を介して行われる。工具ホルダ１５内に供給される冷却流体のための入口１８は、工具ホルダの底部３５に設けられており、そして入口１８及び入口内の冷却材流の方向は、インサート１２の底部２１に対して垂直である。

シム１３は、当業者に知られた任意の好適な材料、例えば炭化タングステン−コバルト（ＷＣ−Ｃｏ）、工具鋼又は高速度鋼（ＨＳＳ）から形成することができる。工具ホルダ１５も、当業者に知られた任意の好適な材料から形成される。

図３で示す実施態様の場合、冷却流路１６はシム１３の内部にある。流路１６はまた、工具ホルダの内部にある。図１及び図２に示された実施態様と同様に、出口１０は側方に形成されており、これにより、装置１によって機械加工されるべき被加工品の表面から離れる方向に、冷却材を導いている。

図４で示す実施態様の場合、冷却流路１６は、シム１３に隣接して工具ホルダ１５内に形成されている。図４は、冷却流路１６の別の配置を示している。流路１６は、インサートの底部２１に対して平行であり、シム１３の底部４３によって部分的に画定されている（底部４３に対して開いていることによる）。流路１６の入口１８は、工具ホルダ１５の後部４４に配置されている。冷却材は流路１６内を流れ、そしてシム１３の底部４３と接触する。

図５で示す本発明の装置の実施態様の場合、冷却流路１６は工具ホルダ１５内に形成されている。図５に示すこの実施態様の場合、冷却流体によって提供される冷却は、シム１３に対して間接的に、そして切削工具１２に対して間接的に、また切刃１４に対して間接的に行われることになる。

図６で示す本発明の装置の実施態様の場合、冷却流路１６は、切削インサート１２の内部に少なくとも部分的に配置されている。この装置では、冷却流路１６は、すくい面２７の下側の切刃１４の近くに位置決めされている。切削インサートは、内部に冷却流路１６を有するように製造されている。切削インサート１２にではなく、シム１３又は工具ホルダ１５内に冷却流路１６を形成することの考えられ得る利点は、通常、多くのタイプの標準的な切削インサート１２と一緒に使用することができ、従って、特殊な溝付き又は中空のインサートが必要とされないことである。その一方で、インサート１２内に冷却流路１６を形成することの利点は、切刃１４と、流路１６の、冷却流体で湿らされた壁との間の距離が最小になり、このことが最良の冷却効果を保証することである。冷却流体が切刃１４に近接しているにもかかわらず、冷却は依然として間接的である。直接的な冷却は、切刃１４の外面に冷却流体を噴霧するか又はその他の形式で直接的に接触させることにより行われる。

図７で示す本発明の装置の実施態様の場合、シムは使用されていない。冷却流路１６は、切削インサートに隣接した状態で工具ホルダ１５内部に示されている。シムを取り除いた以外は、図７に示されている実施態様は、図１及び図２に示されている実施態様と同じである。

図８は、フライス盤、プランジャ又はドリルとして有用なインサートを備えた回転式又は定置式の切削工具である本発明の装置を示している。装置１１は、切削インサート１２と任意のシム１３とを支持する工具ホルダ１５を有する。シム１３は、工具ホルダ１５と切削インサート１２との間に配置されている。被加工品と接触してこれを切削するようにされた切刃１４が、切削インサート１２の一部として示されている。図示のように、冷却流体の流れのための入口１８を有する流路１６は、切削インサート１２の切刃１４とは反対側の切削インサート１２の表面と、冷却流体とが直接的に接触するように設けられている。冷却流路１６は、シム１３及び工具ホルダ１５を成形することにより形成された出口１０を有している。出口１０は、機械加工（切削）されるべき被加工品の表面とは離れる方向に、放出された冷却材を導くように形成されている。

本発明の任意の実施態様の別の変更形の場合、機械加工されるべき表面ではなく、既に機械加工済の被加工品表面に、放出された冷却流体を導くことができる。このような変更形において、放出された冷却流体は、望ましい工具の下方から、破損されたチップを除去するのを助けることができ、また、やはり望ましい既に機械加工済の表面において、残留引張り応力の発生を防止することもできる。

図示の実施態様のほとんどにおいて、出口１０は、切刃１４の側方に、使用済の冷却材を放出する。或いは、使用済冷却材のための出口は、工具ホルダ１５の底部に提供すること（流体をＵターンさせること）、又は任意の方向に形成することもできる。ただし、使用済冷却材の全てでなくても少なくともほぼ全てが、（切刃の前方の）機械加工されるべき被加工品の表面から離れるように導かれることが好ましい。切刃の前方の材料は、現在のパス又は次のいくつかのパスの間に切削されるべき材料である。切刃の後側の材料は、現在のパスの前又は現在のパス間に切削された材料である。加えて、使用済冷却流体のための出口は、冷却流体が流路の接触空間を通った場所、又は冷却流体が切削インサート、シム又は工具の他の部分と直接的に接触することによって切刃の温度に影響を与えた場所からの距離が短いことが好ましい。切刃の温度に対する影響は、流路１６における冷却流体の相変化に起因し得る。

装置の或る特定の実施態様は、標準部分に対して最小限の改変を加えることにより達成できる。図１及び２に示された実施態様では、切削インサート１２に対して加えられる改変はなく、冷却材のための流路１６を設けるために、工具ホルダ１５に小規模な改変だけが行われている。機械加工又は他の手段でシム１３を成形することによって、１以上の冷却流路１６と、流路１６から出た使用済冷却材を除去するための出口１０とを形成することができる。

減圧による温度低下を実現し、切刃１４と流路１６の冷却された壁との温度差を最大化するために、出口の総断面積は、絞り１９の断面積よりも大きくあるべきである。絞り及び出口のこのような相対サイズ設定は、（ａ）冷却流体を計量するのを助け、（ｂ）上流側で高い圧力を維持することによって、導管上流を通る冷却流体（例えば極低温流体）のより安定な流れを保証し、（ｃ）冷却流体中にレーリー不安定をもたらすことによって、液相を液滴に分けるのを促進し、（ｄ）沸点を下げる圧力低下によって流入して来る冷却流体の蒸発霧化を促進し、そして冷却流体の液体内部に蒸気泡を生成し、ひいては液体をばらばらにし、そして（ｅ）下流側の冷却流体（例えば極低温液体）中の液体の沸点が比較的低い圧力の領域において比較的低くなることを利用して温度差を広げることによって、冷却された表面からの熱の除去をさらに促進することができる。

本明細書の記載に関して、切刃が断続部分を通り越すときに切削力が最大切削力の５０％未満まで間欠的に低下する場合に、断続部分が被加工品材料内に存在するものとして定義される。（空孔の場合、切削力はゼロに低下する）。断続部分のサイズは、工具に作用する力が断続的になるように、送り平面内の切刃の曲率に対して十分に大きくなければならない。断続部分を有する材料の例は、スロット付き棒状体、真円以外のロール、キー溝又は穴を備えたリング、歯車、複合部品、例えばエンジンブロックで使用される鋳鉄とアルミニウムとの複合部品、共晶Ａｌ−Ｓｉマトリックス中の際立って大きいシリコン結晶を特徴とする超共晶Ａｌ−Ｓｉ合金、硬質の強化用粒子又は封入体のサイズが送り平面内の切削工具の曲率半径に匹敵するか又はこれよりも大きい金属又は非金属複合材料、多孔質粉末冶金部品、及びポリマー材料を使用して空孔が充填されている多孔質粉末冶金部品、並びに一次炭化物のサイズが送り平面内の切削工具の曲率半径に匹敵するか又はこれを上回るのに十分な大きさである或る種の等級の工具鋼を含む。本発明の範囲に含まれる断続切削の別の例は、工具が材料をかむ状態、すなわち切削深さ又は送り速度又はこれらの両方が各回転中に変動する、非軸方向の不規則に成形された被加工品の旋削を含む。

この方法はまた、インサート底部の近くにあるか又はこれと接触していてよい、インサートの切刃の近くの１以上の冷却流路内に、液体窒素を含む冷却流体を導入する工程を含む。冷却流路は、工具ホルダの内側ですくい面の下側にあってよい、切刃近くの１つ又は２つ以上の場所に配置することができる。流路及び／又は流路の接触空間は、（ａ）切削インサートとシムとの間、（ｂ）切削インサートと工具ホルダとの間、（ｃ）シムと工具ホルダとの間、（ｄ）切削インサート内部、（ｅ）シム内部、及び（ｆ）工具ホルダ内部に配置することができる。

冷却流体は、僅かに過冷却された冷却流体（例えば液体窒素）、又は好ましくは、冷却流体の飽和２相混合物（例えば液体窒素及び気体窒素）であってよい。僅かに過冷却された冷却流体（例えば液体窒素）は、任意の絞りを通過するときに、気体中で液滴又は液体スラグに分かれる。絞りは、液体冷却材（例えば窒素）を霧化して液滴又は液体スラグを形成する傾向がある。液体冷却材と気体冷却材とから成る２相混合物（例えば窒素）は、既に液滴又は液体スラグを含有している。減圧時の沸騰、流路壁上での沸騰によって、又は液体がノズル又はオリフィスを通るときの表面（レイリー）不安定性によって、液体を液滴又はスラグに分けることができる。液滴又は液体スラグは、冷却流路壁に衝突して伝熱を改善する。

熱を切刃から離れる方向に導くインサート及び任意のシムの熱慣性のため、被加工品の機械加工及びインサートの冷却を開始した後で冷却材流が定常状態に達するまで、冷却材（例えば液体窒素）供給時の流れ及び圧力の僅かな脈動は、許容可能な例えば５秒サイクルである。本発明の方法及び装置は、従来の乾式法又はフラッド式法を凌ぐように、断続切削（機械加工）における工具寿命を改善することができる。

本発明は、断続部分がない被加工品の機械加工にも使用することができる。（１）インサート及び／又は被加工品に冷却材のフラッド又はスプレーを外部から提供するノズルをチップが邪魔をする断続部分がない被加工品のために、本発明の方法及び装置を使用すること、或いは（２）冷却材の外部からのフラッド又はスプレーがチップを冷却し、このことが切削切欠き破損の深さを大きくする場合に、本発明の方法及び装置を使用することは有益である。非断続切削の場合、本発明の方法では、ここで参照して本明細書の記載に含める特許文献１０で教示されている切刃及び被加工品へのＬＩＮの噴射がなくてもよい。

接触空間であってよい１以上の冷却流路において、液体冷却材（例えば窒素）の少なくとも一部を蒸発させて、気体冷却材と液体冷却材とを含有する使用済みの冷却流体を形成する。流路のサイズが小さいことによって、液体冷却材の全てを蒸発させてはならない。冷却材（例えば液体窒素）が完全に蒸発すると、得られる冷却が不十分になるおそれがある。

適正な冷却材流量は、目視試験により見極めることができる。冷却材の流量は、供給圧及び過冷却の程度のうちの少なくとも一方を操作することによって、調節される。結果としてもたらされる冷却流体と呼ばれることもある符号１０の場所から出る使用済冷却材が透明である場合、これは、冷却流路内で蒸発が生じていないこと、及び冷却材流量が多すぎるか、又は冷却材（起寒剤）供給システムにおいて冷却材が過度に過冷却されていることを示す。符号１０の場所から出る使用済冷却材（結果としてもたらされる冷却流体）が白味を帯びた液体／気体混合物である場合、冷却流路において蒸発が起っており、冷却材の流量は満足のいくものである。符号１０の場所から出る使用済冷却材が液相を有さない場合、流量が少なすぎることがある。満足のいく流量条件を確認するために、スプラッシュプレートを使用することができる。符号１０の場所から出る使用済みの冷却流体を、金属スプラッシュプレートに衝突させる。所定の時間にわたる操作後に、液体冷却材（例えば起寒剤）が板上に集まって滴下するならば、その流量は申し分ない。適正な冷却材（極低温冷却材又は液体ＣＯ_２）流量が確立されたら、切削工具を機械加工のために使用することができる。

本発明における別の工程は、被加工品から実質的に離れる方向に使用済冷却材を排出して、断続部分の端部が使用済冷却材によって実質的に冷却されないようにする工程である。（使用済冷却材は、加圧下で大気に排出するか、又は所望の場合には、他の場所でリサイクル及び再使用するための捕集容器に排出することができる）。これは、材料の断続部分の端部が硬化するのを防止する。断続部分の端部が硬化する場合、インサートに対する衝撃力が高くなり、その結果、通常は破断によって、工具の磨耗及び破損が加速されることがある。一般には、機械加工済の被加工品の表面に起寒剤を放出することが、許容される。事実、これは、例えばフライス削り又は割出し可能なインサート孔あけにおいて、チップの除去の残留応力に関して役立つことがある。

下記実施例は、本発明の例示のために提供されるものであり、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。

実施例１
乾式の冷却されていないセラミックインサート及び冷却されているセラミックインサートを使用した断続切削
図９は、比較的安価なアルミナ工具、いわゆるブラックセラミック（Ａｌ_２Ｏ_３）インサートの切削時間に対する逃げ面磨耗を示している。ここでこの切削は、乾式切削条件下、及び本発明に基づく液体窒素（ＬＩＮ）による冷却条件下で行われる。液体窒素（ＬＩＮ）による冷却を伴う場合、冷却流路は、図１に示すようにシム内部に形成された。被加工品材料は５２１００軸受け鋼（５０〜５６ＨＲｃまで熱処理硬化）であった。被加工品内の断続部分は３／１６インチのスロットであった。切削深さは０．００７インチであり、送り速度は１回転当たり０．００５インチであり、そして速度は１分当たり１３００表面フィートであった。これは、硬質材料旋削産業の典型的な条件であった。乾式切削での逃げ面磨耗は、本発明によるＬＩＮ冷却よりも著しく大きかった。乾式切削条件下では、インサートは約２．２５分の動作でチッピングを発生させたのに対し、ＬＩＮ冷却条件下では、インサートは約４．５分でチッピングを発生させた。本発明のよる冷却を用いると、工具の寿命は約１００％延びた。

実施例２
乾式ＰＣＢＮ及びフラッドＰＣＢＮ、並びに冷却セラミックインサートを使用した断続切削
図１０は、断続（中断）部分の数に対する切削インサートの先端（ノーズ）磨耗を示すデータを表す。ここでは、比較的高価な多結晶立方窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）インサートを使用した乾式切削及びエマルジョンフラッド式切削の両方と、本発明によるＬＩＮ冷却を伴う安価なアルミナインサート（ＺＣ４）を使用した切削とを行う。（先端は切削インサートの一部であり、図１で符号３４を用いて示されている）。一般に断続機械加工操作のためには、ＰＣＢＮインサートが推奨されている。切削深さは０．００７インチであり、送り速度は１回転当たり０．００５インチであり、そして速度は１分当たり９００表面フィートであった。これは、硬質材料旋削産業の典型的な条件であった。被加工品材料は、実施例１と同じであった。被加工品内の断続部分は３／１６インチのスロットであった。エマルジョン、すなわち従来の乳化潤滑性切削用流体を用いたフラッド式切削に対して、乾式切削においてＰＣＢＮインサートの工具寿命が長くなった。このことは、断続部分の端部の冷却が、工具寿命に対して好ましくない影響を及ぼすことを示している。本発明によって冷却されたセラミックインサートの工具寿命は、同一切削条件下における乾式ＰＣＢＮ及びフラッド式ＰＣＢＮのいずれよりも著しく長かった。この試験が示すように、安価なアルミナ系セラミックインサートの破壊靭性はＰＣＢＮインサートよりも低いにもかかわらず、本発明による冷却を用いると、このアルミナ系セラミックインサートが、ＰＣＢＮインサートよりも長い工具寿命を有することができる。

本発明をいくつかの実施態様を参照しながら説明してきた。付加的な実施態様が当業者には明らかであり、特許請求の範囲に記載されている本発明の範囲に含まれる。

図１は、本発明の１つの実施態様を側方から見た状態で示す断面図である。ここでこの図は、切削インサートに隣接してインサート支持シム内に設けられた冷却流路を示し、冷却材は、工具ホルダ底部を通る流路を通して供給される。 図２は、図１に示された装置のシム及び冷却流路を、図１のＢ−Ｂ´線に沿って示す断面図である。 図３は、本発明の別の実施態様を側方から見た状態で示す断面図であって、シム内に設けられた冷却流路を示す。この図面は、ＰＣＢＮチップがろう付けされた複合工具インサートを示す。 図４は、本発明の別の実施態様を側方から見た状態で示す断面図である。ここでこの図は、シムに隣接して工具ホルダ内に設けられた冷却流路を示し、冷却材は、工具ホルダの後方を通る流路を通して供給される。 図５は、本発明の別の実施態様を側方から見た状態で示す断面図であって、工具ホルダ内に設けられた冷却流路を示す。 図６は、本発明の別の実施態様を側方から見た状態で示す断面図であって、切削インサート内に設けられた冷却流路を示す。 図７は、本発明の別の実施態様を側方から見た状態で示す断面図であって、シムを有さない状態で切削インサートに隣接して工具ホルダ内に設けられた冷却流路を示す。 図８は、本発明の別の実施態様を側方から見た状態で示す断面図であって、フライス盤、プランジャ又はドリルに有用なインサートを備えた回転式又は定置式切削工具を示す。 図９は、工具の寿命に対する本発明の効果を示すグラフである。 図１０は、種々のインサートの工具寿命及び作業条件を示すグラフである。

Claims (20)

1. 断続部分を有する被加工品を、切刃を有し且つ工具ホルダに保持されている切削インサートによって切削する方法であって、
   前記インサートの切刃を前記被加工品と接触させること；
   前記インサートの切刃の近くの１以上の流路に冷却流体を導入して、前記切刃を冷却すること；及び
   前記切刃の前方の前記断続部分が使用済みの前記冷却流体によって実質的に冷却されないような方向で、前記使用済みの冷却流体を前記１以上の流路から排出すること、
   を含む、断続部分を有する被加工品を切削インサートによって切削する方法。
2. 前記導入工程の後であって前記排出工程の前に、前記１以上の流路内において、前記冷却流体の少なくとも一部を蒸発させることを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記導入工程のために、前記１以上の流路が、前記切削インサートと前記工具ホルダとの間、前記切削インサート内部、及び前記工具ホルダ内部からなる群より選択される１以上の場所に配置されている、請求項１に記載の方法。
4. 前記工具ホルダがさらにシムを有し、且つ前記導入工程のために、前記１以上の流路が、前記切削インサートと前記シムとの間、前記シムと前記工具ホルダとの間、及び前記シムの内部からなる群より選択される１以上の場所に配置されている、請求項１に記載の方法。
5. 前記排出工程において、前記使用済みの冷却流体が、気体冷却材と液体冷却材とを含有している、請求項１に記載の方法。
6. 前記冷却流体が、窒素、二酸化炭素、アルゴン、及びこれらの混合物からなる群より選択される、請求項１に記載の方法。
7. 前記冷却流体が極低温液体である、請求項６に記載の方法。
8. 前記導入工程の前に、前記１以上の流路内の絞りを通して冷却流体を流すことを含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記冷却流体が、前記導入工程において前記排出工程よりも高い圧力を有する、請求項１に記載の方法。
10. 前記インサートが酸化物含有セラミックを含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記インサートが、多結晶立方窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）、又は炭化ケイ素ホイスカーで強化されたアルミナ（ＳｉＣ_ｗ−Ａｌ_２Ｏ_３）を含む、請求項１に記載の方法。
12. 工具ホルダと切削インサートとを有する被加工品切削装置であって、前記切削インサートが切刃を有しており、前記切削インサートが前記工具ホルダ内に保持されており、前記装置がさらに、前記切刃を間接的に冷却するための、前記切刃の近くに形成された冷却流体用流路を有することを特徴とする、被加工品切削装置。
13. 前記流路が、前記切削インサートと前記工具ホルダとの間、前記切削インサートの内部、及び前記工具ホルダの内部からなる群より選択される１以上の場所に配置されている、請求項１２に記載の装置。
14. 前記工具ホルダがさらにシムを有し、且つ前記流路が、前記切削インサートと前記シムとの間、前記シムと前記工具ホルダとの間、及び前記シムの内部からなる群より選択される１以上の場所に配置されている、請求項１２に記載の装置。
15. 前記冷却流体が前記流路内で少なくとも部分的に相変化するように、前記流路が前記流路内部に圧力低下手段を有する、請求項１２に記載の装置。
16. 前記圧力低下手段が絞りである、請求項１５に記載の装置。
17. 前記流路が入口と出口とを有し、且つ前記圧力低下手段が、前記入口の直径よりも大きい出口直径である、請求項１５に記載の装置。
18. 前記インサートが酸化物含有セラミックを含む、請求項１２に記載の装置。
19. 前記インサートが、多結晶立方窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）、又は炭化ケイ素ホイスカーで強化されたアルミナ（ＳｉＣ_ｗ−Ａｌ_２Ｏ_３）を含む、請求項１２に記載の装置。
20. 前記冷却流体が、窒素、二酸化炭素、アルゴン、及びこれらの混合物からなる群より選択される、請求項１２に記載の装置。

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