JP2009214186A - 電着工具の強制冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】超硬、チタン合金、ニッケル合金などの難削材料の研削加工に際して生産性を高めるのに効果的な電着工具の強制冷却システムを提供する。
【解決手段】電着工具４の本体５の内部に、本体５の取付け用端部５ｂの側が開放する軸方向の空洞部８を設け、この工具本体５の取付け用端部５ｂが工作機械の工具駆動主軸１に装着された状態において、前記空洞部８の奥端部８ａに冷媒を供給する冷媒供給手段（冷媒供給管９、水滴下ノズル１１）を設け、この空洞部８の奥端部８ａから熱交換後の冷媒を、前記空洞部８を経由させて工具外に排出するように構成されたシステム。
【選択図】図１

Description

本発明は、難削材料の研削加工に際して生産性を高めるのに効果的な電着工具の強制冷却システムに関するものである。

最近、金型材料として超硬（超硬合金）、航空機関連材料としてチタン合金やニッケル合金など、難削材料の研削加工の要求が多くなってきている。これらの材料が難削である理由は、超硬が工作物の場合は、非常に硬く、ダイヤモンドや立方晶窒化ホウ素（Cubic
Boron Nitride、以下、ＣＢＮと略称する）の工具しか刃が立たない状況であるが、生産性を上げようとすると工具温度が上昇し、ダイヤモンドやＣＢＮの本来の強度と硬さが維持できなくなるためである。又、チタン合金やニッケル合金が工作物の場合は、それ自身の熱伝導率が極めて低く、研削加工で発生した熱の多くが工具に流入するため、ここでも工具温度が上昇し、ダイヤモンドやＣＢＮの本来の強度と硬さが維持できなくなるためである。一方、ダイヤモンド又はＣＢＮを砥粒とした電着工具を使用したＮＣ制御の加工が、加工時間及び加工コストの点から有利と考えられ、現場作業としてこの加工が頻繁に要求されている。この工具温度の上昇問題を解決するために、特許文献１などに記載されるように、研削工具の本体内に軸方向に沿ってヒートパイプを内蔵させると共に、当該ヒートパイプの放熱領域を冷却する冷却手段を併設する工具の冷却システムが考えられている。
特開２００５−４０９２５号公報

上記のヒートパイプ内蔵の工具を使用する冷却システムでは、工具本体に直接冷媒を接触させて熱交換させる直接冷却方式と比較して冷却効率が低いばかりでなく、工具自体の大幅なコストアップを免れず、実用面で十分な効果が期待できない。勿論、直接冷却方式とも言える従来の湿式研削方法のように、工具の外表面に冷却油剤を直接滴下接触させる冷却方法を採用することも考えられるが、加工時以外の空転時は工具を多少冷却することができるものの、加工時には工具の冷却対象部位である工具先端の加工作用部は工作物によって隠れてしまい、冷却油剤が工具先端の加工作用部に全くかからない状態になってしまう。又、仮に高速回転している工具に冷却油剤をかけることができたとしても、工具は高速回転しているので当該工具表面上の遠心力で冷却油剤が飛散してしまい、滴下された冷却油剤の多くは工具先端の加工作用部まで達することはない。即ち、従来の湿式研削方法では、所期の冷却効果は殆ど期待できないのが実情である。

本発明は上記のような従来の問題点を解消し得る電着工具の強制冷却システムを提供することを目的とするものであって、請求項１に記載の電着工具の強制冷却システムは、後述する実施形態の参照符号を付して示すと、電着工具４の本体５の内部に、本体５の取付け用端部５ｂの側が開放する軸方向の空洞部８を設け、この工具本体５の取付け用端部５ｂが工作機械の工具駆動主軸１に装着された状態において、前記空洞部８の奥端部８ａに冷媒を供給する冷媒供給手段（冷媒供給管９、水滴下ノズル１１）を設け、この空洞部８の奥端部８ａから熱交換後の冷媒を、前記空洞部８を経由させて工具外に排出するように構成される。

上記構成の本発明を実施するについて、具体的には請求項２に記載のように、前記冷媒供給手段は、前記空洞部８内に差し込まれた冷媒供給管９から構成し、この冷媒供給管９から冷媒としての水を、前記空洞部８の奥端部８ａで略全量が熱交換により気化する程度の流量で供給し、蒸気が前記空洞部８と冷媒供給管９との間の空隙を経由して工具外に排出するように構成することができる。

又、請求項３に記載のように、前記電着工具４は、その工具本体５の取付け用端部５ｂが工作機械の垂直向きの工具駆動主軸１の下端に装着されるものであって、前記冷媒供給手段は、垂直向きの前記空洞部８の上端開放部（開放端８ｂ）から当該空洞部８内に冷媒としての水を滴下する水滴下ノズル１１から構成し、この水滴下ノズル１１から水を、前記空洞部８の奥端部８ａで略全量が熱交換により気化する程度の流量で滴下供給し、蒸気が前記空洞部８を経由して工具外に排出するように構成することができる。

前記電着工具４は、請求項４に記載のように、前記空洞部８を備えた工具本体５を、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金などの熱伝導率の高い材料から成形したものが望ましい。更に、請求項５に記載のように、前記電着工具４は、前記空洞部８を備えた工具本体５の表面に砥粒６を、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金などの熱伝導率の高い鍍金材料（鍍金層７）によって電着したものが望ましい。

上記請求項１に記載の本発明に係る電着工具の強制冷却システムによれば、工作機械の工具駆動主軸に装着された電着工具の本体先端部、即ち、電着工具の加工作用部をもって工作物を研削加工するとき、当該工具本体に設けられた空洞部の奥端部、即ち、電着工具の加工作用部の内側に冷媒供給手段により冷媒を供給し、この冷媒と電着工具の加工作用部との間で熱交換作用を行わせ、熱交換後の冷媒を、前記空洞部を経由させて工具外に排出するものであるから、重力又は送給圧力で液相又は気相の適当な冷媒を前記空洞部の奥端部に供給しさえすれば、電着工具の加工作用部で発生する熱を確実に前記冷媒に伝播吸収させ、熱交換後の当該冷媒の工具外への排出により、電着工具の加工作用部で発生する熱を確実に除去することができる。

即ち、従来のヒートパイプ内蔵の工具を使用する冷却システムと比較して、電着工具の加工作用部を内側から冷媒により直接強制冷却することができるので、その冷却効率は格段に高くなる。又、冷却油剤を工具の外側にかける湿式研削方法に頼る場合と比較して、極めて確実に且つ効率良く電着工具の加工作用部を冷却することができる。従って、先に説明したような難削材料を電着工具で研削加工する際の問題点、即ち、ダイヤモンドやＣＢＮなどの砥粒の本来の強度と硬さが工具温度の上昇により維持できなくなるという問題点を解消し、本発明システムの電着工具を使用して超硬（超硬合金）、チタン合金、ニッケル合金などの難削材料の研削加工を行うことにより、加工時間の短縮や加工コストの低減を図ることができ、延いては電着工具の耐用寿命の大幅な延長効果が期待できるに至ったのである。しかも本発明によれば、電着工具側には、工具本体の遊端部側が開放する空洞部を工具本体の軸方向に形成するだけで良く、ヒートパイプ内蔵の工具を使用する冷却システムを採用するときのように、電着工具自体の大幅なコストアップを伴うこともない。

尚、本発明は、冷却したエアーなどの適当な気相の冷媒や、エタノールなどの低沸点の適当な液相の冷媒を工具本体の空洞部の奥端部に、例えば当該空洞部内に差し込まれた冷媒供給管を通じて強制的に送給することによっても実施可能であるが、請求項２に記載の構成によれば、水を使用して本発明を極めて安価に実施することができるだけでなく、熱交換後の高温の水を工具本体内から回収するのではなく、供給した水の略全量を前記空洞部の奥端部で気化させて放出させるのであるから、供給する水量を、その略全量が前記空洞部の奥端部で気化し得る最大量に設定することにより、気化熱による最大の冷却効果を発揮させて、極めて高い強制冷却効果を得ることができる。

又、工具本体に形成する前記空洞部を、当該空洞部内に向けて上から滴下させた水滴を当該空洞部の奥端部（下端部）まで到達させることができる程度の内径とすることができる場合には、請求項３に記載の構成を採用して、工具本体の前記空洞部内に差し込まれる冷媒供給管を無くし、システムの構成をシンプルにして、本発明を一層安価に実施することができる。勿論、この請求項３に記載の構成は、電着工具の本体遊端部側が工作機械の垂直向きの工具駆動主軸の下端に装着されるものであって、前記空洞部が上端開放の垂直向きになる場合に限定されるが、請求項２に記載のように、前記空洞部内に差し込まれる冷媒供給管を使用する構成では、電着工具が水平横向きにセットされるような工作機械においても本発明を適用実施することができる。

尚、本発明は、ステンレス鋼から成る工具本体にダイヤモンドやＣＢＮをニッケルにより電着した従来の電着工具に対しても適用することができるが、電着工具そのものも、請求項４や請求項５に記載のように改善することが望ましい。即ち、上記のような従来の電着工具では、砥粒のダイヤモンドやＣＢＮは熱伝導率が極めて良く、ヒートシンク特性が優れているにもかかわらず、工具本体のステンレス鋼と電着材料であるニッケルの二材料が電着工具の冷却特性を著しく損ねる結果となっていた。然るに、請求項４や請求項５に記載の構成によれば、工具本体の材料や電着材料に、ステンレス鋼やニッケルと比較して熱伝導率の高い銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金などを使用するのであるから、電着工具のヒートシンク特性そのものを高め、請求項１〜３に記載の本発明の構成と相俟って、研削加工で発生した熱を効率よく放散させ、工具先端の加工作用部が高温になることを確実に防止することができる。

尚、ステンレス鋼やニッケルと比較して、上記銅などの熱伝導率の高い材料は基本的に機械的強度が低いものであるが、問題は、実際の研削加工時にこれら材料で構成された工具本体や電着層が降伏応力に達するか否かである。この点に関しては、後述するように、実際の研削加工時の実用的な切込み深さに照らして全く問題ないことが確認されている。又、基本的には請求項４と請求項５に記載の構成を同時に採用して、工具本体の材料と電着材料の両方に銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金などの熱伝導率の高い材料を使用するのが好ましいが、砥粒がダイヤモンドの場合、電着材料としては従来同様にニッケルを使用するのが好ましいことも確認できた。

以下に本発明の具体的実施例を添付図に基づいて説明すると、本発明の第一実施形態を示す図１において、１は工作機械の垂直向きの工具駆動主軸であって、この工具駆動主軸１の下端部に、従来周知のように、先端にコレットチャック２を備えたスピンドル３が工具駆動主軸１と同心状に取り付けられ、このスピンドル３の下端部に電着工具４がコレットチャック２により同心状に取り付けられる。電着工具４は、図３及び図４にも示すように、一例を挙げると、例えば外径 6mm程度の円柱状の本体５の一端を突曲面状に成形すると共に、この突曲面状先端から軸方向所要領域（例えば15mm程度）の外周面全体にダイヤモンド又はＣＢＮから成る砥粒６を鍍金層７により電着して加工作用部５ａを構成し、内部には、適当な内径（例えば直径3.3mm程度）の空洞部８を、その奥端部８ａが加工作用部５ａの内側に位置するように、本体５の取付け用端部５ｂの端面から同心状に穿設したものである。従って空洞部８は、本体５の取付け用端部５ｂ側に開放端８ｂを有する。

上記構成の電着工具４は、その本体５の取付け側端部５ｂにおいて、スピンドル３の下端部にコレットチャック２により同心状に取り付けられる。スピンドル３の内端部には、工具取付け孔３ａと連通する貫通孔部３ｂが同心状に設けられており、工具駆動主軸１のスピンドル取付け孔１ａも上端側が開放されている。従って、工具駆動主軸１におけるスピンドル取付け孔１ａの上端開放部からスピンドル３の貫通孔部３ｂ及び工具取付け孔３ａを経由して、当該スピンドル３に取り付けられている電着工具４の空洞部８内に、当該空洞部８の内径より適当に小径（例えば直径 2mm程度）で撓み剛性の大きな例えばステンレス鋼から成る直線状の冷媒供給管９を差し込むことができる。而して、電着工具４の空洞部８内に冷媒供給管９を、その先端が空洞部８の奥端部８ａ近傍に達するように差し込んだならば、好ましくは当該冷媒供給管９が空洞部８の内壁面に接触しないように、例えば工具駆動主軸１を支承している工作機械のフレームに当該冷媒供給管９を適当な支持具を介して固定し、この冷媒供給管９を流量の微調整可能なミスト装置１０に接続する。

工作物に対する上記電着工具４による研削作業は従来周知の方法で行われるが、この研削作業に際して、前記ミスト装置１０から適当な流量で冷媒としての水を冷媒供給管９に連続的に供給すると、冷媒供給管９の先端から流出する水は、工具本体５の空洞部８の奥端部８ａ内に供給され、この空洞部８の周壁から、研削加工作用により発生した加工作用部５ａの熱を直接受けて加熱されて気化し、その気化熱による冷却作用により、空洞部８の奥端部８ａの周壁、即ち、加工作用部５ａを直接冷却することになる。水の気化により発生した蒸気は、冷媒供給管９と空洞部５の内壁面との間の空隙を経由して上昇し、スピンドル３の工具取付け孔３ａ及び貫通孔部３ｂから工具駆動主軸１におけるスピンドル取付け孔１ａを経由してその上端開放部から外界に自然放出される。空洞部８の奥端部８ａ内で従って、ミスト装置１０から冷媒供給管９に連続的に供給する水の流量を、その水の全量が空洞部８の奥端部８ａ内で気化して液相で残らない最大流量に設定することにより、工具本体５の加工作用部５ａに対する内側からの水の気化熱冷却効果を最大に高め、極めて効率良く工具本体５の加工作用部５ａを冷却することができる。

図２に示す本発明の第二実施形態では、ミスト装置１０に接続された冷媒供給管９を工具本体５の空洞部８内に挿入せず、当該冷媒供給管９の先端に水滴下ノズル１１が取り付けられ、この水滴下ノズル１１から滴下する水が工具本体５の空洞部８内に、その上端の開放端８ｂより流入するように、当該水滴下ノズル１１が位置決め保持されている。図示例では、水滴下ノズル１１がスピンドル３の工具取付け孔３ａ内に位置決めされているが、工具駆動主軸１におけるスピンドル取付け孔１ａ内や、工具駆動主軸１のスピンドル取付け孔１ａより上方に水滴下ノズル１１を配設し、水滴下ノズル１１から滴下する水が、スピンドル３の貫通孔部３ｂから工具取付け孔３ａを経由して工具本体５の空洞部８内に滴下流入するように構成しても良い。水滴下ノズル１１の位置決め固定は、工作機械のフレームに取り付けた支持具で水滴下ノズル１１を直接保持できるときはそのようにし、図示の構造のように水滴下ノズル１１を直接保持できないときは、前記支持具で冷媒供給管９を保持して水滴下ノズル１１を位置決めすれば良い。

本発明の電着工具の冷却システムは以上のように実施することができるものであるが、更に好ましくは、空洞部８を備えた工具本体５は、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金などの、ステンレス鋼と比較して熱伝導率の高い材料によって製造し、この工具本体５に砥粒６を電着する鍍金層７には、ニッケルと比較して熱伝導率の高い、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金などを使用する。このように素材を特定して構成された電着工具４によれば、工具本体５の加工作用部５ａによる研削加工に伴って発生した熱は、熱伝導率の高い鍍金層７から本体５へ、そして熱伝導率の高い本体５から空洞部５の内壁面に接する水へと極めて効率良く伝達されて放熱され、加工作用部５ａが高温になるのを効果的に抑制できる。

尚、図５は、本発明システムの一実施形態において研削加工実験を試みたときの強度面での影響を示している。即ち、工具本体５と鍍金層７に銅を使用して構成した電着工具４を図１に示す本発明システムに採用して、超硬Ｖ10の工作物を研削した際の、切込み深さ（mm）と工具本体５及び鍍金層７における最大応力（MPa）の関係を有限要素法シミュレーションで解析した結果を、図５に示している。この図から明らかなように、工具本体５と鍍金層７を構成している銅の降伏応力は86.3MPa であるが、切込み深さが 0.3mm（300μm）までは降伏応力に達していない。換言すれば、実用的な切込み深さは、5μm程度であるから、ステンレス鋼と比較して機械的強度が低い銅を工具本体５と鍍金層７に使用しても、強度的に全く問題ないことが明らかである。

図６は、同図中に示す同じ加工条件の元で超硬Ｖ10の研削加工を行ったときの工具寿命、即ち、研削により母材から除去できた総量である総研削量（mm³）の比較結果を示しており、同図中、Ａは、工具本体に空洞部８が設けられていない従来の中実工具本体から成る電着工具を、一切の冷却システムを利用しない環境で研削加工に供した場合の総研削量を示し、Ｂは、特許文献１に記載されるように、工具本体内にヒートパイプを内蔵させると共に、当該ヒートパイプの放熱領域を冷却する冷却手段を併設した従来の冷却システムを利用した場合の総研削量を示し、Ｃは、上記のように工具本体５と鍍金層７に銅を使用して構成した電着工具４を図１に示す本発明システムに採用した場合の総研削量を示している。この図６からも明らかなように、上記のように工具本体５と鍍金層７に銅などの熱伝導率の高い材料を使用して構成した電着工具４を本発明システムに採用することにより、上記のような従来システムと比較して、電着工具に対する極めて大きな冷却能力を得ることができ、難削材料である超硬、チタン合金、ニッケル合金などの研削加工の際に、厳しい加工条件にしても工具を低温に維持できるため、工具寿命を大幅に延長させて、生産性の向上に寄与できる。

本発明の第一実施形態を示す要部の縦断側面図である。 本発明の第二実施形態を示す要部の縦断側面図である。 電着工具の縦断側面図である。 図３のＡ部の拡大図である。 本発明の一実施形態に係る電着工具の機械的強度に関する実験データを示すグラフである。 従来システムと本発明の一実施形態に係るシステムとにおける工具寿命に関する実験データを示すグラフである。

符号の説明

１ 工具駆動主軸
１ａ 工具駆動主軸のスピンドル取付け孔
２ コレットチャック
３ スピンドル
３ａ スピンドルの工具取付け孔
３ｂ スピンドルの貫通孔部
４ 電着工具
５ 工具本体
５ａ 工具本体の加工作用部
５ｂ 工具本体の取付け用端部
６ 砥粒
７ 砥粒電着用鍍金層
８ 工具本体の空洞部
８ａ 空洞部の奥端部
８ｂ 空洞部の開放端
９ 冷媒供給管
１０ ミスト装置
１１ 水滴下ノズル

Claims (5)

1. 電着工具の本体内部に、当該工具本体の取付け用端部側が開放する軸方向の空洞部を設け、この工具本体の取付け用端部が工作機械の工具駆動主軸に装着された状態において、前記空洞部の奥端部に冷媒を供給する冷媒供給手段を設け、この空洞部の奥端部から熱交換後の冷媒を、前記空洞部を経由させて工具外に排出するように構成された、電着工具の強制冷却システム。
2. 前記冷媒供給手段は、前記空洞部内に差し込まれた冷媒供給管から成り、この冷媒供給管から冷媒としての水を、前記空洞部の奥端部で略全量が熱交換により気化する程度の流量で供給し、蒸気が前記空洞部と冷媒供給管との間の空隙を経由して工具外に排出するように構成された、請求項１に記載の電着工具の強制冷却システム。
3. 前記電着工具は、その工具本体の取付け用端部が工作機械の垂直向きの工具駆動主軸の下端に装着されるものであって、前記冷媒供給手段は、垂直向きの前記空洞部の上端開放部から当該空洞部内に冷媒としての水を滴下する水滴下ノズルから成り、この水滴下ノズルから水を、前記空洞部の奥端部で略全量が熱交換により気化する程度の流量で滴下供給し、蒸気が前記空洞部を経由して工具外に排出するように構成された、請求項１に記載の電着工具の強制冷却システム。
4. 前記電着工具は、前記空洞部を備えた工具本体が、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金などの熱伝導率の高い材料から成形されている、請求項１〜３の何れか１項に記載の電着工具の強制冷却システム。
5. 前記電着工具は、前記空洞部を備えた工具本体の表面に砥粒が、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金などの熱伝導率の高い鍍金材料によって電着されている、請求項４に記載の電着工具の強制冷却システム。

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