JP2903249B2 - ウォータジェット式切削装置用切削ヘッド - Google Patents

ウォータジェット式切削装置用切削ヘッド

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JP2903249B2
JP2903249B2 JP2158530A JP15853090A JP2903249B2 JP 2903249 B2 JP2903249 B2 JP 2903249B2 JP 2158530 A JP2158530 A JP 2158530A JP 15853090 A JP15853090 A JP 15853090A JP 2903249 B2 JP2903249 B2 JP 2903249B2
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    • B24C5/02—Blast guns, e.g. for generating high velocity abrasive fluid jets for cutting materials
    • B24C5/04—Nozzles therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B15/00—Details of spraying plant or spraying apparatus not otherwise provided for; Accessories
    • B05B15/14—Arrangements for preventing or controlling structural damage to spraying apparatus or its outlets, e.g. for breaking at desired places; Arrangements for handling or replacing damaged parts
    • B05B15/18—Arrangements for preventing or controlling structural damage to spraying apparatus or its outlets, e.g. for breaking at desired places; Arrangements for handling or replacing damaged parts for improving resistance to wear, e.g. inserts or coatings; for indicating wear; for handling or replacing worn parts
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    • Y10T83/00—Cutting
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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Perforating, Stamping-Out Or Severing By Means Other Than Cutting (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、加工片を切削するための高速流体ジェット
を形成する切削ヘッドを有する流体ジェット式切削装置
に係り、更に詳細には研摩材を含むウォータジェットを
形成する切削ヘッドに係る。
［従来の技術］ 研摩材を懸濁状態にて含むウォータジェットを使用し
て加工片を切削することは既に知られている。流体ジェ
ット式切削装置は水の圧力を60000psi（4200kg/cm2）程
度の範囲に増圧する増圧装置として知られたポンプを有
している。超高圧水は水の高速流を有するジェットを形
成する小さいオリフィスを有する宝石ノズルに通され
る。ウォータジェットの切削力を増大させるべく、ジェ
ット流には従来の研摩材が添加されている。研摩材は宝
石ノズルのオリフィスより下流側にて混合領域に導入さ
れることにより水に添加され、混合領域に於て水ジェッ
トに捕捉される。研摩材を含むジェットは混合領域を通
過し、混合領域よりジェットを加工片へ向けて導く細長
いノズルを経て流出する。
混合ノズルの寿命を長くするためには、内部通路は研
摩材を含むジェットと実質的に同心でなければならない
ことが知られている。混合ノズルの構成材料が早く浸食
されるので、ノズルは早く摩耗し、非効率的になる。従
って同心性及び整合性を確保することが困難である。ま
た宝石の欠陥によりウォータジェットの経路が偏向され
る。宝石の組込みによりウォータジェットが更に混合室
の長手方向軸線及びノズルの通路より偏向されることが
ある。また切削ヘッドの構成部材の製造公差によりウォ
ータジェットの経路や混合室及びノズルの通路の長手方
向軸線が変化されることがある。かかる問題を解消する
一つの方法は、流体ジェット及び研摩材ジェットがノズ
ルの内部通路と同心になるよう調節構造を設けることで
ある。宝石及びそのオリフィスのための調節構造の一例
が米国特許第4,817,874号に記載されている。
［発明の概要］ 本発明は流体ジェット式切削装置のための切削ヘッド
に関するものである。本発明の切削ヘッドはオリフィス
要素のオリフィス及びジェットを加工片へ向けて導くノ
ズルの通路と同心の水流の軸線の如き流体流の長手方向
軸線を有している。また切削ヘッドは長手方向軸線及び
超高圧水を受ける比較的大きい上流側の水導入室を有す
る本体を含んでいる。比較的小さい孔、即ちオリフィス
を有するオリフィス要素が長手方向軸線と整合され、室
に開口している。オリフィス要素は長手方向軸線と整合
されオリフィスと連通する出口通路を備えたホールダに
装着される。ホールダは本体に設けられた先細状の円錐
形のリセスと共働してオリフィスを本体の長手方向軸線
と整合させる円錐面を有している。本体は長手方向軸線
と整合された研摩材混合室を有するインサート体を受入
れる横断方向の孔を有している。長手方向軸線と整合さ
れた通路を有する細長いノズルがインサート体の下流側
にて本体に装着されている。コレットがノズルを把持し
てノズルを本体に保持している。本体はコレットのテー
パ面と係合してノズルの通路を本体の長手方向軸線と整
合させる下流側へ面する円錐面を有している。本体及び
コレットの円錐形面は、それらが本体の長手方向軸線に
対し同心になるよう精密加工されている。ノズルの通路
が長手方向軸線に整合されるよう、ノズルはその内周面
を基準に心出しされる。オリフィス要素及びホールダは
一つのユニットとして本体より交換される。ホールダ及
び本体の互いに共働する円錐面によりオリフィスが本体
の長手方向軸線と整合される。ノズルが交換される場合
には、コレット及び本体の円錐面によりノズルの通路が
長手方向軸線と整合した状態に位置決めされる。ノズル
が長手方向軸線と整合されることにより、ノズルの内部
通路が均一に且同心に摩耗し、これによりノズルの寿命
が長くされる。オリフィスとノズルの通路の入口との間
の距離が比較的短いので、水の流れがコヒーレントに維
持され、水の流れとノズルの通路との角方向の非整合が
低減される。オリフィス要素がそれに通常の摩耗が生じ
たことにより新しいオリフィス要素と交換される場合に
も、研摩材の流れの位置及びオリフィスの整合性が変化
されることはない。本体はカップリングのパイロット面
に係合し、これにより角方向の非整合及び平行な非整合
が低減される。
以下の添付の図を参照しつつ、本発明を実施例につい
て詳細に説明する。
［実施例］ 第１図に符号13にて全体的に示された切削ヘッドより
発射される研摩材を含む超高圧のジェット12にて金属、
プラスチック、セラミック等の物質よりなる加工片11を
切削するウォータジェット式切削装置10が図示されてい
る。ウォータジェット式切削式装置には他の種類の液体
や混合液体が使用されてもよい。25000psi（1760kg/c
m2）の如き超高圧水が増圧装置14により発生され、切削
ヘッド13へ供給される。ポンプ16が増圧装置14を作動さ
せるべく流れ方向を逆転可能なソレノイド弁17を経て増
圧装置へ加圧された水を供給するようになっている。通
常の圧力の水18が増圧装置14へ供給され、増圧装置によ
り水の圧力が上昇され、増圧された水がアキュームレー
タ22に連通する導管19及び21へ吐出される。パイプ23が
60000psi（4200kg/cm2）又はそれ以上の如き超高圧の水
をアキュームレータ22より切削ヘッド13の入口へ供給す
るようになっている。
切削ヘッド13は加工片11より所望の部材を切出すべく
加工片に対し相対的に駆動される。切削ヘッド13に連結
されたＸ−Ｙ制御装置24により、ジェット12の切断経路
を設定するコンピュータプログラムの制御に応答して切
削ヘッド13が駆動されるようになっている。
切削ヘッド13は横方向に延在するニップル26を有して
おり、該ニップルは細長いホース28により粉粒状の研摩
材を貯容するホッパ27に接続されている。ホース28はニ
ップル26より過剰の研摩材を排出させるオーバフローチ
ューブ29に隣接してニップル26に嵌合している。ホッパ
27は研摩材供給ユニット34の上方に配置された実質的に
直立したタンク31を有している。供給ユニット34に接続
された空気供給源36よりの空気により、研摩材がホース
28を経てニップル26内へ、更には切削ヘッド13内へ空気
と共に流されるようになっている。研摩材は一様な物理
的、化学的、微細組織の性質を有する粉砕されたアルマ
ディンガーネットである。この物質は環境に対する影響
が小さい天然鉱物である。
第２図に於て、切削ヘッド13は水導入室38を有する実
質的に直立した本体37を有している。カップリング43が
パイプ23を本体37に接続している。本体37の上端に雌ね
じ41を有するスリーブ39がカップリング43の雄ねじを有
する端部42を受入れている。カップリング43は超高圧水
が室38へ供給されるよう室38に開口する通路44を有して
いる。通路44の上端はパイプ23の端部とシール係合する
シールプラグ46を受入れている。パイプ23はカップリン
グ43の上端に設けられたスリーブ47内にねじ込まれてい
る。スリーブ47はパイプ23の雄ねじを受入れる雌ねじ48
を有している。プラグ46はパイプ23の通路よりカップリ
ングの通路44に連通する通路49を有している。第２図及
び第３図に示されている如く、カップリング43の他端は
本体37に設けられた円筒形のリセス52に嵌合する円筒状
のボス51を有している。ウォータジェットの出口の位置
を正確に整合させることができるよう、ボス51は通路44
を室38の長手方向軸線35と整合させるようなっている。
第２図に示されている如く、軸線35は本体37の長手方向
軸線でもあり、また本体37及びこれに取り付けられたノ
ズル87内の水通路の軸線でもある。
第４図及び第５図に於て、一対の環状シール53及び54
を含むフェースシール組立体がリセス52の下端に配置さ
れており、ボス51の下端に係合して本体37とカップリン
グ43との間をシールしている。第５図に示されている如
く、環状シール53及び54はボス51の下端56と本体37のリ
セス52の底面57との間にて圧縮された状態でこれらにシ
ール係合している。シール54はシール53の内側に配置さ
れたＯリングである。シール53はＯリングのための圧縮
されたバックアップ要素として作用する環状のプラスチ
ック部材である。このフェーズシール組立体は静的なク
ラッシュシールに比して低いシールトルクしか必要とし
ない。フェースシール組立体によれば、ボス51とリセス
52を囲繞する円筒壁55とが金属間接触することが可能で
あり、これによりノズルの整合が正確に達成される。円
筒壁55は本体37がカップリング43と長手方向に整合され
ることを可能にする長手方向軸線35と同心のパイロット
面である。本体37をカップリング43より取外し、カップ
リングに対し本体の長手方向の整合状態を補正すること
なく本体を交換することが可能である。このことにより
水の排出流が水供給系に対し適正に位置決めされる。
第６図及び第７図に示されている如く、本体37は室38
のベース部に円筒壁58を有している。壁58は横断方向の
円筒孔61に開口する下流方向へ先細状をなす円錐壁59に
接続されている。円筒壁58及び円錐壁59は本体37の長手
方向軸線35と同心である。本体37は円錐壁59が本体37の
長手方向軸線35と正確に同心関係をなすよう精密加工さ
れている。ホールダ62がルビーや他の硬質の材料よりな
る円筒形のオリフィス要素63を支持している。オリフィ
ス要素63は本体37の軸線35及び通路44と長手方向に整合
された小さい孔、即ちオリフィス64を有している。オリ
フィス要素63はホールダ62の上端に設けられた円筒形の
ポケット66内に配置されている。オリフィス要素63の円
筒形の外面はポケット66の円筒壁と締嵌めにて嵌合して
おり、これによりオリフィス要素63がホールダ62上に保
持されている。ホールダ62は第８図に示されている如く
オリフィス要素63の下方に配置されオリフィス64と軸線
方向に整合された通路67を有している。またホールダ62
は本体37の円筒壁58内へ図にて下方へ延在する円筒壁68
と、本体37の円錐壁59に嵌合する下流側方向に先細状を
なす円錐壁69とを有している。ホールダの円錐壁69は軸
線35に対し正確に同心に位置決めされるよう研削されて
いる。オリフィス要素63はホールダ62に予め装着され、
オリフィス64がホールダの軸線と長手方向に整合された
状態にあるか否かが検査される。圧縮可能な材料よりな
るＯリング71が壁58を囲繞し、これによりホールダ62を
本体37上に保持している。第７図に示されている如く、
Ｏリング71はホールダ62の上端の周りに形成された溝状
溝内に圧縮された状態にて嵌込まれている。
第２図、第７図、第９図に示されている如く、横断方
向の円筒孔61内には円筒形のインサート体72が配置され
ている。インサート体72は本体が摩耗しないよう超硬合
金の如き耐摩耗性に優れた物質にて形成されている。イ
ンサート体72の両端には一対のＯリング73及び74が円筒
孔61とシール係合した状態にて配置されている。インサ
ート体72はその一端に横断方向の溝76を有し、該溝はイ
ンサート体72を円筒孔61内にて回転し位置決めするため
に使用されるブレードやドライバの如き工具を受入れる
ようになっている。円筒孔61の他端はインサート体72を
本体37より押出したりそれを新しいオリフィスと交換す
るための工具を受入れる孔77を有している。
インサート体72の中央部はホールダの通路67及び本体
37の下端に設けられた孔86に開口する横断方向の室78を
有している。また第２図に示されている如く、インサー
ト体72は室78へ研摩材を供給するニップル26を受入れる
通路に開口する横方向の通路79を有しており、室78内に
於て研摩材が第２図に於て矢印102にて示されている如
く室78内を流れる高速水流と混合されるようになってい
る。インサート体72の下端は室78の下端を囲繞する平坦
部81を有している。
インサート体72はねじ82により本体37に保持されるよ
うになっている。第２図に示されている如く、ねじ82は
本体37の側面に設けられたねじ孔83にねじ込まれてい
る。ねじ82の前端はインサート体72の側面に設けれたリ
セス84に嵌入し、これにより室78を軸線35及びオリフィ
ス要素63のオリフィス64と長手方向に整合された位置に
位置決めし且維持している。室78の中央へ流れる高速の
水の流れは室78に於て研摩材をピックアップし、研摩材
を水内に捕捉する。室78内を流れる高速の水の流れはそ
の流れの周りに低圧の領域を形成し、該領域は研摩材を
水内への引込み、研摩材は水によりノズル87の通路88内
へ搬送される。研摩材は高速の水の流れの周りに環状に
供給される研摩材の供給態様を実質的に変化させること
なくインサート体を浸食して室78を拡大する。
長手方向通路88を有する細長い円筒形のノズル87は、
室78の軸線35及びオリフィス要素63のオリフィス64と長
手方向に整合された状態にて本体37に装着されている。
ノズルの一つの実施例に於ては、通路88は僅かにテーパ
状をなす細長い内壁を有し、該内壁の下流側部分は吐出
口89を有する円筒形をなしている。耐摩耗性を有する超
硬合金よりなるノズルの一例が米国特許第3,419,220号
に記載されている。切削ヘッド13には他の型式のノズル
が使用されてもよい。ノズル87は超硬合金の如き耐摩耗
性に優れた材料よりなる円筒形のチュープである。ノズ
ル87に他の硬質で耐摩耗性に優れた材料が使用されても
よい。ノズル87の図にて上端はインサート体72の底面に
係合した状態にて配置されている。オリフィス要素63は
ノズル87の通路88の入口より比較的短い長手方向の距離
にて隔置されている。この短い距離により、ノズル87に
対するオリフィス要素63の角方向の非整合が低減され、
また室78内を流れる水の流れのコヒーレント性が維持さ
れる。ノズル87は本体37の図にて下方へ延在するボス90
を貫通して延在している。ボス90はキャップ96に螺合す
る雄ねじ91を有している。またボス90は図にて上方へ孔
86まで延在する上流側方向に先細状をなす内壁92を有し
ている。Ｏリング95が内壁92のベース部に於てノズル87
を囲繞して孔86をシールしており、これにより空気が通
路88内へ流入することが防止され、また室78内が減圧状
態に維持されるようになっている。ノズル87は環状の分
割型のコレット93により本体37の軸線35と整合した状態
に保持されている。コレット93の外面はテーパ状をなす
フィンガ94を有し、ボス90のテーパ状をなす内壁92と面
接触した状態にて嵌合している。内壁92は上流側方向に
先細状をなし軸線35と同心の円錐面を有している。また
内壁92はそれが軸線35と正確に同心になるよう精密加工
されている。第11図に示されたコレット93は周方向に互
いに隔置された複数個のフィンガ94を有し、これらのフ
ィンガは一端に於て互いに連結されることによりコレッ
ト93を形成している。またフィンガ94は円弧状の内面を
有し、各内面はノズル87の外面と密に面接触している。
第２図及び第12図に示されている如く、キャップ96はコ
レット93の底面に係合する底壁97及びノズル87を受入れ
るための孔98を有している。キャップ96がボス90に対し
ねじ付けられると、コレット93のフィンガ94は周方向に
互いに近付くことによりノズル87を強固に把持する。内
壁92はノズル87が軸線35及びオリフィス要素63のオリフ
ィス64と軸線方向に整合された状態を維持する。ノズル
87を新しいノズルと交換し得るよう、コレット93を本体
37より取外すことができるようになっている。内壁92の
クリアランスは０であるので、新しいノズルの通路は軸
線35と長手方向に整合された状態に維持される。
使用に際しては、第２図に示されている如く、25000p
si（1760kg/cm2）の如き超高圧水がパイプ23を経てカッ
プリング43へ供給され、更に通路44を経て本体37の室38
へ供給される。矢印102にて示された水の高速の連続的
な流れがオリフィス64より流出し、インサート体72の室
78内へ導かれる。室38は第６図及び第７図に示されてい
る如くオリフィス64の断面積に比して大きい断面積を有
しているので、水の流れのコヒーレント性が維持され
る。研摩材は矢印101にて示されている如くニップル26
の通路を流れ、室78を流れる水の流れと混合する。ウォ
ータジェット内の水及び研摩材の混合物はノズル87の通
路88内へ搬送される。水に捕捉された研摩材は水を加速
し、研摩材を含むウォータジェット12として吐出口89よ
り吐出される。第１図に示されている如く、ジェット12
は加工片11を切削する。加工片11の下方に配置されたコ
レクタ103がジェット12及び加工片11より切削された材
料を捕捉する。コレクタ103に蓄積した材料はホース104
を経て図には示されていない固液分離装置へ供給されて
よい。
切削ヘッド103の長手方向軸線35に対し切削ヘッドの
構成部材を整合し直したり調整したりすることなく切削
ヘッドの構成部材を取外して新しい部材に交換すること
ができる。キャップ96をボス90より緩めることによりノ
ズル87が取り外される。次いでコレット93が取外され
る。コレットが取外されると、ノズル87は本体37より図
にて下方へ引抜かれ得るようになる。次いで新しいノズ
ルがコレット93内に挿入され、コレットによりノズルが
把持され、キャップ96により所定の位置に保持される。
テーパ状の内壁92に対し作用するコレット93はノズル78
7の通路88が軸線35及びオリフィス要素63のオリフィス6
4と長手方向に整合された状態にノズルを整合し、その
整合状態を維持する。
ねじ82を緩めてノズル87を図にて下方へ移動させるこ
とによりインサート体72を本体37より取外すことができ
る。パンチの如き工具が孔77に挿入され、インサート体
72が円筒孔61より押出される。新しいインサート体が円
筒孔61内へ孔77へ向けて押込まれる。溝76と共働する工
具により、室78がオリフィス64及び通路88と整合するま
でインサート体が回転される。第２図に示されている如
く、リセス84に嵌入するねじ82によりインサート体72が
その整合された位置に保持される。オリフィス要素63及
びこれを担持するホールダ62はそれらを一つのユニット
として本体37より取外すことができるようになってい
る。本体37は端部42より取外される。インサート体72は
円筒孔61より取外される。次いでホールダ62が室38内へ
図にて上方へ駆動され、更に室38より取外される。次い
で新しいインサート体が円錐壁59と係合した上体に配置
され、Ｏリング71によりその位置に保持される。円錐壁
59はオリフィス要素63のオリフィス64を室78の長手方向
軸線35及びノズルの通路88と長手方向に整合させる。
以上に於ては本発明を特定の実施例について詳細に説
明したが、本発明はかかる実施例に限定されるものでは
なく、本発明の範囲内にて他の種々の実施例が可能であ
ることは当業者にとって明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明による切削ヘッドを有する研摩材を含む
ウォータジェット式切削装置を示す概略構成図である。 第２図は第１図の線２−２に沿う拡大縦断面図である。 第３図は第２図の線３−３に沿う拡大断面図である。 第４図は第２図の線４−４に沿う拡大断面図である。 第５図は第４図に示されたカップリングと本体との間の
シールを示す拡大断面図である。 第６図は第２図の線６−６に沿う拡大断面図である。 第７図は第６図の線７−７に沿う断面図である。 第８図は第２図の線８−８に沿う拡大断面図である。 第９図は第２図の線９−９に沿う拡大断面図である。 第10図は第２図の線10−10に沿う拡大断面図である。 第11図は第２図の線11−11に沿う拡大断面図である。 第12図は第２図の線12−12に沿う拡大断面図である。 10……切削装置,12……ジェット,13……切削ヘッド,37
……本体,38……水導入室,43……カップリング,44……
通路,62……ホールダ,63……オリフィス要素,64……オ
リフィス,72……インサート体,78……室,87……ノズル,
88……通路,93……コレット,94……フィンガ
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−267198（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−212099（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−298466（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−108000（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−22300（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−311300（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−50698（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭63−166399（ＪＰ，Ｕ) 欧州公開221236（ＥＰ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) B24C 5/04 B26F 3/00

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ウォータジェト式切削装置用切削ヘッドに
    して、長手方向軸線と加圧された水を受ける水導入室と
    を有する本体と、前記長手方向軸線と整合され前記室に
    開口し水の高速流を吐出するオリフィスを有するオリフ
    ィス要素と、前記オリフィス要素を支持するホールダ
    と、前記ホールダは前記長手方向軸線と整合された出口
    通路を有していることと、前記本体は前記室に開口し軸
    線が前記本体の前記長手方向軸線と整合された下流側方
    向に先細状をなす円錐形のリセスを有していることと、
    前記ホールダは前記円錐形のリセスに嵌合して前記オリ
    フィスを前記長手方向軸線と整合させるよう構成された
    円錐面を有していることと、前記ホールダを前記本体上
    に保持する装置と、軸線が前記長手方向軸線と整合され
    た室を有する装置と、前記長手方向軸線と整合された通
    路を有し前記水の高速流を受けそれをウォータジェット
    として吐出する細長いノズルと、前記ノズルの前記通路
    が前記長手方向軸線と整合された状態にて前記ノズルを
    前記本体上に保持するコレット装置と、前記本体は軸線
    が前記本体の前記長手方向軸線と整合された下流側に末
    広がり状をなす円錐壁を有していることと、前記コレッ
    ト装置は前記本体の前記円錐壁に係合して前記ノズルの
    前記通路を前記長手方向軸線と整合させる面を有してい
    ることと、前記コレット装置を前記本体上に保持する装
    置とを含む切削ヘッド。
  2. 【請求項２】ウォータジェット式切削装置用切削ヘッド
    にして、長手方向軸線と各加圧された水を受ける水導入
    室とを有する本体と、前記軸線と整合され前記室に開口
    するオリフィスを有するオリフィス要素と、前記オリフ
    ィス要素を支持するホールダと、前記ホールダは前記長
    手方向軸線と整合された出口通路を有していることと、
    前記本体は前記室に開口し軸線が前記本体の前記長手方
    向軸線と整合された下流側方向に先細状をなす円錐形の
    リセスを有していることと、前記ホールダは前記円錐形
    のリセスに嵌合して前記オリフィスを前記長手方向軸線
    と整合させるよう構成された円錐面を有していること
    と、前記ホールダを前記本体上に保持する装置と、前記
    本体はその内部に設けられた室を有していることと、前
    記長手方向軸線と整合された通路を有する細長いノズル
    と、前記ノズルの前記通路が前記長手方向軸線と整合さ
    れた状態にて前記ノズルを前記本体上に保持するコレッ
    ト装置と、前記本体は軸線が前記本体の長手方向軸線と
    整合された末広がり状の円錐壁を有していることと、前
    記コレット装置は前記本体の前記円錐壁に係合して前記
    ノズルの前記通路を前記長手方向軸線と整合させる面を
    有していることと、前記コレット装置を前記本体上に保
    持する装置とを含む切削ヘッド。
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