JP2008093658A - 可変位置ノズルアセンブリおよび加工作業中の被加工物への冷却液の供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】既存の加工装置に取付可能で、プログラムに従って加工ツールの最適な目標位置に冷却液を流すことができる冷却装置を提供する。
【解決手段】可変位置ノズルアセンブリ（１０１）は、加工領域の目標位置へ冷却液を注入するようにノズルの位置決め可能である。静止ガイド（１０７）と調節プレート（１０９）の連動により旋回ノズル（１０５_n）を所望の方向へ調節し、冷却液を標的場所へ導く。取付けられたＣＮＣ加工装置の制御信号を利用したステップモータ（１１１）駆動により自動制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般的に加工機械切削液あるいは冷却システムに関する。より具体的には、本発明は切断機械の冷却液ノズルのスプレーパタンを変化させるノズルアセンブリに関する。

フライス盤や研削盤では加工時に特定の領域に向けて冷却液をかける必要がある。切削液あるいは冷却液は加工ツールの刃先や被加工物の冷却及び潤滑に使用される液体である。この液体は、旋盤、フライス盤、形削り盤、研削盤、のこ、などの機械の切断場所へポンプで送られる。

金属の切断作業ではツールと被加工物との間の摩擦により熱が発生する。発生した熱は材料が変形する際に失われたエネルギによるものであり、除去する必要がある。水は熱の導体であるが高温では不安定である。そのため水と油とのエマルジョンにして安定性を得る。

課題は被加工物を一定温度に保つこと、及びツールの加工先端の潤滑によりチップの融着を減らして切断ツールの寿命を最大化することにある。

加工先端部の冷却を確保するために、加工ツールが金属を除去しているポイントにめがけて冷却液流を当てる必要がある。手動装置においては、冷却液が狙った場所に当たって加工領域に注がれるように機械の操縦者が冷却装置を常に調整する必要がある。冷却ラインやノズルを調整するのは容易であるが、ツールを交換するたびに調節しなければならないのは能率的でない。また、スピンドルの回転中に作業者が機械に触ることは危険でもある。

目標位置に冷却液を保持できれば生産性に多大な貢献をなす。これにより、被加工物や加工ツールに障害を及ぼす蓄熱のリスクが最小化され、結果としてツール寿命を保持することができる。また、供給量や速度をより安全に最適化することができるし、削りくずやかけらを洗い流すことができる。

望まれるのは、既存のフライス盤や研削盤に適用できて、機械のプログラムによって切断ツールの最適場所に冷却液を狙って流すことができ、作業者が長期間に亘って機械の保守をしなくても済むような装置である。

発明者は、フライス盤や研削盤に対して、少なくとも１つのノズルが選択したツールの加工領域に冷却液を向けるように位置決めできる、可変位置ノズルアセンブリを備えることが望ましいことを見い出した。それぞれのツールは長さ、あるいは切断や研削する表面の幅が異なる可能性がある。ツールの動きや交換を指令するＣＮＣプログラムが、選択したツール及びそのツールが被加工物上を移動する動作位置に基づいて可変位置ノズルアセンブリの狙い位置を再調整する。

本発明の一態様は加工機械用可変位置ノズルアセンブリを提供することである。この態様に基づく可変位置ノズルアセンブリは、中心軸を規定する開口部を有するベースプレートと、このベースプレートに連結される少なくとも１つの旋回ノズルと、ベースプレート開口部に合致した開口部及び前記旋回ノズルの数と同数で、少なくとも１つの前記旋回ノズルが貫通する半径方向の溝を有する静止ガイドと、前記ベースプレート開口部に合致した開口部及び前記旋回ノズルの数と同数で、少なくとも１つの旋回ノズルが貫通する直線溝を有する調節プレートと、を備えている。前記調節プレートは前記静止ガイドと回転可能に連結され、前記直線溝は前記静止ガイドの半径方向の溝と連動してその回転位置に応じて、少なくとも１つの旋回ノズルを前記中心軸に向かう方向あるいは中心軸から離れる方向へ調節することができる。

本発明の１つまたは複数の実施例の詳細について、以下に図面と記述で説明する。本発明の他の特徴、目的、利点はこの説明、図面及び請求項から明らかになる。

本発明の実施例を付随する図面を参照しながら説明する。図面全体を通して同一要素は同一番号で表示してある。また、ここで用いている語法及び専門用語は説明目的のものであり、それによって制限を加えるものではない。ここで用いている「含む」、「備える」、「有する」及びその活用変化形は、その前に示されている部材及びその同等物、さらには追加部材、を包含することを示している。「取付けた」、「接続した」、「連結した」という語も広い意味で使われており、直接的及び間接的に取付けること、接続すること、連結すること、を包含している。更に、「接続された」「連結された」という表現は、物理的あるいは機械的接続、連結に限定されるわけではない。

本発明の実施例は、少なくとも１つのノズルを使用して、ツールの軸に沿った特定の場所に冷却液を当てる、フライス盤及び研削盤用の可変位置ノズルアセンブリを提供する。

図１に示すのが本発明による可変位置ノズルアセンブリ１０１である。本アセンブリ１０１は、ベースプレート１０３と、少なくとも１つの旋回ノズル１０５_n（ｎ＝１，２，３、...、Ｎ）と、静止ガイド１０７と、調節プレート１０９と、ウォームギア１１３をシャフトに連結したステップモータ１１１と、を備えている。ベースプレート１０３は、使用されている個々の旋回ノズル１０５_nの取付面および本発明品をフライス盤あるいは研削盤（非表示）に固定するための取付面となる。加工機械の回転部はアセンブリ１０１の中心軸に沿った中心開口部１１５を貫通する。静止ガイド１０７は、例えば押えねじあるいは小ねじなどの部品１１７を使用してベースプレート１０３に連結することができる。ベースプレート１０３及び静止ガイド１０７は通常円形形状をしている。しかし、特定の用途に合わせて別の形状を取ることも可能である。

好適な実施例においては４個の旋回ノズル１０５₁、１０５₂、１０５₃、１０５₄、を用いる。図２に旋回ノズル１０５_nを示す。それぞれの旋回ノズル１０５_nは中空ねじ溝部２０１と、六角形基部２０３と、ノズル付きのボールジョイント２０５と、を備えている。ボールジョイントによりノズル２０５は円錐状の弧θを動くことが可能である。弧θは３０°〜４５°の範囲を取りうる。旋回ノズル１０５_nの高さｈ₁は六角形基部２０３とノズル２０５のボールジョイントの長さで決まる。

ノズル１０５_nの所望数Ｎに対してベースプレート１０３は半径方向にＮ分割され、個々の旋回ノズル１０５_nは図３に示すように配置される。４個の旋回ノズル１０５₁、１０５₂、１０５₃、１０５₄、の場合には９０°ずつ離れて配置される。ノズル位置間の角度は均等である必要はなく、用途に応じて調整できる。

ベースプレート１０３のそれぞれの旋回ノズルの位置に、旋回ノズルの中空ねじ溝部２０１の外径及びねじピッチにあわせて穴あけし、雌ねじが切られている。ベースプレートは、旋回ノズル１０５_nのねじ溝部２０１がベースプレート１０３を貫通し、冷却液マニホールド（非表示）とベースプレート１０３の外側で連結できるような厚さとなっている。冷却液マニホールドとの連結には、圧縮管継手、スエージ（ｓｗａｇｅ）、爪つき管継手などを用いる。

図４Ａ，４Ｂには静止ガイド１０７が示されている。静止ガイド１０７は、取付られた旋回アダプタ１０５₁、１０５₂、１０５₃、１０５₄、を覆い、ベースプレート１０３に連結されている。静止ガイド１０７には旋回ノズル１０５_nの数に応じた半径方向の溝４０１_n（ｎ＝１，２，３、...、Ｎ）があり、旋回ノズル１０５_nは、中心ｃと長さｌ₁を有する溝４０１_nの各々を利用している。それぞれの静止ガイド溝４０１_nは、旋回アダプタ１０５_nの上での旋回アダプタが中心cに配置されるように位置決めされる。それぞれの静止ガイド溝４０１_nの長さｌ₁は一平面内でのノズル移動角θの最大幅を決める。静止ガイド１０７の内部深さｈ₂は旋回ノズルの高さｈ₁が納まる高さとなっている。よって、ｈ₂≡ｈ₁である。静止ガイド溝４０１_nは、ノズル１０５_nを半径方向で案内できるようにしている。

機械の運転中に旋回ノズル１０５_nの半径方向の位置を変えるために、肩付き押えねじつまり小ねじ１１９を使用して限定的に回転ができるように、静止プレート１０７の上に調節プレート１０９が取付けられている。調節プレートは図５Ａ，５Ｂ，５Ｃに示されている。

調節プレート１０９は、ステップモータ１１１のウォームギア１１３と係合するための外周歯車５０１と、旋回ノズル１０５_nと係合して方向を変えるための少なくとも１つの調節プレート直線溝５０３_n（ｎ＝１，２，３、...、Ｎ）と、複数の弓形溝５０５₁、５０５₂、５０５₃、５０５₄と、を備え、これらの複数の弓形溝は、調節プレートを静止ガイド１０７の上に配置しかつ中心軸１１５の周りに回転させるために、肩付きねじ部品１１９と共にガイドとして作用する。調節プレート１０９の直線溝５０３_nの端部は外側に向かって連続的に面取りされているか、丸み５０７がついている。

調節プレート１０９を図６Ａに示す第１のポジション６０１から図６Ｂに示す第２のポジション６０２へ回転すると、ガイドプレート溝４０１_nと調節プレート溝５０３_nの交点の移動によって旋回ノズル１０５_nの角度θが変化する。調節プレート溝５０３_nはカム作用をして、調節プレート１０９の円運動をノズル１０５_nの半径方向の位置変化へと変換する。図６Ａではノズルが中心軸から遠ざかる方向へ冷却液を吹き付けることを示し、図６Ｂではノズルが中心軸１１５の方向へ冷却液を吹き付けることを示している。

ステップモータ１１１及びウォームギア１１３は、制御信号（非表示）に応じて、第１のポジション６０１から第２のポジション６０２及び任意の中間ポジションへと、調節プレート１０９が回転する手段を提供する。このように旋回ノズル１０５_nの位置は、可変ノズルアセンブリを取付けている機械のＣＮＣシステムからステップモータ１１１への制御信号に応じてθだけ変化することができる。

ＣＮＣはコンピュータ数値制御（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ）の略であり、特にＧコード命令を受けて機械ツールを駆動するコンピュータ制御装置のことを言う。ＣＮＣによる自動化により、製造工程中の部品の扱いや、別の部品を製造するための機械変更に要する時間などに柔軟性をもたせることができる。実際の製造環境においては、一連のＣＮＣ装置がセルと呼ばれる一基のステーションに集約されて、いくつかの操作を必要とする部品を連続的に加工することがある。今日のＣＮＣ機械の殆どは、ＣＡＭ（コンピュータ支援製造）用のソフトウェアパッケージで作成されたファイルで直接的に制御される。従って、部品やアセンブリは、製造部品のための紙の設計図なしに設計から直接製造へ進むことができる。

ＣＡＭのソフトウェアでは、加工装置を選択し必要なパラメータ及び効率的なツールの使用手順の方策を決めて行くための、機械加工に関する知識と技術とを備えたオペレータが通常必要とされる。殆どのソフトウェアでは多面加工を施す。被加工物の材質と、使用できるソフトウェアに依るが、殆どの機械加工では粗加工、準仕上げ加工、仕上げ加工の順に進んでゆく。加工アルゴリズムの全ては、フライス盤が被加工物に対して妥当な切断箇所を見つけられるかどうかにかかっている。被加工物の切断箇所それぞれに対して、可変ノズルアセンブリ１０１は旋回ノズル１０５_nの位置を調節することができる。

ステップモータ１１１は、ＣＮＣプログラムと連動して、冷却液流の方向あるいは目標点を変えることができる。本発明では、機械の稼働中にステップモータ１１１を介してソフトウェアの命令に従って対応することができる。可変ノズルアセンブリ１０１は、加工機械の先端に連結されており、冷却液流がスピンドル中心線１１５と一致するように配置されている。このシステムは、いかなる複合工作機械にも標準の冷却ポンプで取り付けられる設計となっている。加工機械に既にある冷却ポンプを可変ノズルアセンブリ１０１に接続することも可能である。

ＣＮＣプログラムは、ツール交換を指示し、選択されたツールに基づいて可変ノズルアセンブリ１０１の目標位置を自動的に設定しなおす。可変位置ノズルアセンブリ１０１は、ＣＮＣの指示に応じて最適位置に冷却液を注ぐように位置調整を行う。その位置はＣＮＣプログラムに対応して、固定の場合もあるし変動する場合もある。

ＣＮＣ装置は、加工プログラム及び工具交換装置の中からどのツールを選択するかによって、別のノズル位置プログラムを引き出すことができる。ある特定のツールが加工機のスピンドルに取付けられれば、ＣＮＣプログラムは可変位置ノズルアセンブリ１０１に指示して、加工の進行に合わせて、冷却液の流れを特定の位置に向ける。

可変位置ノズルアセンブリ１０１は、加工の進行と共にＣＮＣプログラムに応じてリアルタイムで冷却液を切断ツールの特定位置へ向けることができる。例えば、可変位置ノズルアセンブリ１０１が縦フライス盤に連結されていて、ツールが被加工物の中に突入していく場合には、ノズルアセンブリはＣＮＣプログラムの指示に従ってそのツールの外部に出ている端部に冷却液の目標を保持する。６インチのドリルビットが使用されていてフライス加工が２インチの深さまで進行しているとすると、可変位置ノズルアセンブリ１０１はＣＮＣプログラムに従って、冷却の目標位置をドリルの先端からドリルビットが被加工物に入り込んでいる位置までドリルシャフト沿いに連続的に動かす。このようにツールが非加工物の中に深く入り込むにつれて、可変位置ノズルアセンブリ１０１はドリルビットが露出している位置まで冷却液のターゲットを動かし、入口の孔を冷却液で溢れさせて削りくずやかけらを除去する。もしもノズル位置がドリルビットの先端に向けられて固定されていれば、ドリルが被加工物の内部に入り込むと同時に、ドリル先端は被加工物によって隠れてしまい、冷却液の方向はもはやターゲット上にはない。加工が進むにつれ、冷却液の目標位置は入口孔から更に離れていってしまい、冷却液の集中する場所が入口孔から離れてしまうことになる。本発明の可変位置ノズルアセンブリ１０１は回転式および双腕式の工具交換装置にも対応できる。

本発明の一実施例の分解斜視図。 旋回ノズルの一例の側面図。 ベースプレートの一例の平面図。 静止ガイドの一例の平面図。 図４Ａの静止ガイドの４Ｂ−４Ｂの線に沿った横断面図。 調節プレートの一例の平面図。 図５Ａの調節プレートの５Ｂ−５Ｂの線に沿った横断面図。 図５Ａの調節プレートの側面図。 図１に示す本発明の第１位置における正面図。 図１に示す本発明の第２位置における正面図。

Claims (17)

1. 中心軸を規定するベースプレート開口部を有するベースプレートと、
   このベースプレートに連結された少なくとも１つの旋回ノズルと、
   前記ベースプレート開口部に合致した開口部、および前記旋回ノズルの数と同数で、少なくとも１つの前記旋回ノズルが貫通する半径方向の溝、を有する静止ガイドと、
   前記ベースプレート開口部に合致した開口部、および前記旋回ノズルの数と同数で、少なくとも１つの前記旋回ノズルが貫通する直線溝、を有する調節プレートと、
   を備え、
   前記調節プレートが前記静止ガイドと回転可能に連結され、前記直線溝は前記静止ガイドの半径方向の溝と連動して、少なくとも１つの旋回ノズルを調節プレートの回転位置に応じて前記中心軸に向かう方向または中心軸から離れる方向へ調節することを特徴とする可変位置ノズルアセンブリ。
2. 前記調節プレートの回転位置調節のためのステップモータを更に備えていることを特徴とする請求項１に記載の可変位置ノズルアセンブリ。
3. 前記調節プレートは、円形であることを特徴とする請求項２に記載の可変位置ノズルアセンブリ。
4. 前記調節プレートがその外周部分に歯車を更に備えていることを特徴とする請求項３に記載の可変位置ノズルアセンブリ。
5. 前記ステップモータは、前記調節プレートの外周歯車とピッチが一致しているウォームギアをシャフトに更に連結していることを特徴とする請求項４に記載の可変位置ノズルアセンブリ。
6. 前記ステップモータの作動は、制御入力信号に応じていることを特徴とする請求項５に記載の可変位置ノズルアセンブリ。
7. 前記制御信号は、ＣＮＣ（コンピュータ数値制御装置）プログラムからの出力であることを特徴とする請求項６に記載の可変位置ノズルアセンブリ。
8. 前記ＣＮＣプログラムは前記少なくとも１つの旋回ノズルを目標に対して調節することを特徴とする請求項７に記載の可変位置ノズルアセンブリ。
9. ベースプレートに旋回冷却ノズルを連結する工程と、
   前記旋回冷却ノズルを静止ガイドの溝に係合する工程と、
   前記旋回冷却ノズルを調節プレートの溝に係合する工程と、
   前記旋回冷却ノズルの方向を変化させるために前記調節プレートを回転させる工程と、
   を備えることを特徴とする加工作業中の被加工物への冷却液の供給方法。
10. 前記調節プレートへステップモータから回転を伝達する工程を更に備えることを特徴とする請求項９に記載の加工作業中の被加工物への冷却液の供給方法。
11. 前記ステップモータをＣＮＣプログラムからの命令で制御する工程を更に備えることを特徴とする請求項１０に記載の加工作業中の被加工物への冷却液の供給方法。
12. 前記ステップモータを制御する工程は、前記旋回冷却ノズルを目標に照準するためにＣＮＣプログラムに応じてノズルを調節する工程を更に含むことを特徴とする請求項１１に記載の加工作業中の被加工物への冷却液の供給方法。
13. 前記ＣＮＣプログラムは、前記旋回冷却ノズルに対して最適の目標を選択することを特徴とする請求項１２に記載の加工作業中の被加工物への冷却液の供給方法。
14. 前記最適の目標は、加工機械の刃先が被加工物に接しているところであることを特徴とする請求項１３に記載の加工作業中の被加工物への冷却液の供給方法。
15. 前記最適の目標は、加工機械の被加工物への入口孔であることを特徴とする請求項１３に記載の加工作業中の被加工物への冷却液の供給方法。
16. 前記旋回冷却ノズルの方向は、前記切断機械の回転軸から離れる方向または回転軸に向かう方向のいずれかに変化することを特徴とする請求項１３に記載の加工作業中の被加工物への冷却液の供給方法。
17. ベースプレートに旋回冷却ノズルを連結する工程と、
    前記旋回冷却ノズルの旋回部分を静止ガイドの半径方向の溝に係合する工程と、
    前記旋回冷却ノズルの前記旋回部分を調節プレートの直線溝に係合する工程と、
    前記旋回冷却ノズルの前記旋回部分を半径方向に変化させるために前記調節プレートを回転させる工程と、
    を備えることを特徴とする加工作業中の被加工物への冷却液の供給方法。

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