JP4090403B2 - 切削工具の冷却手段を備えた工作機械 - Google Patents

Description

本発明は、ドリルやエンドミルのように垂直な工具軸心の周りに回転駆動される切削工具の切削作用中の効果的な冷却方法を実施するのに好適な切削工具の冷却手段を備えた工作機械に関するものである。

近年、切削加工業界では、極めて固い難削材料を取り扱う機会が増えている。この難削材料に対して短時間で複雑な切削加工を施すことは、切削工具の短命化、延いては加工途中の工具交換による段取り時間の増大につながることになっているが、この大きな原因は、難削材料に対する切削作用時の工具の切削発熱による温度上昇を効果的に抑制できなかったことにある。従って、切削作用中の工具を如何に効果的に冷却できるかが課題となっているが、従来は、特許文献として具体的に開示することはできないが、切削作用中の工具の外表面に切削油を供給したり、冷却水を噴霧する方法がとられるに過ぎなかった。

上記のような従来の切削工具の冷却方法では、冷却効率は別にして切削工具を冷却することはできても、切削油や噴霧水が被加工物の切削箇所にかかってしまい、本来は切削発熱で軟化して切削し易くなっているはずの被加工物の切削箇所が冷却されて硬くなり、結果的には切削効率の低下を招くことになり、問題解決には至っていないのが実状である。

本発明は上記のような従来の問題点を解消し得る切削工具の冷却手段を備えた工作機械を提供することを目的とするものであって、その特徴を後述する実施形態の参照符号を付して示すと、切削工具８の内部に上端が開放する空洞部９が工具軸心と同心状に設けられると共に、この空洞部９と当該空洞部９の上端に接続された上端閉塞の内側筒状体１０とで冷媒封入用密閉空間１１が形成され、該冷媒封入密閉空間１１内にはその容積より少量の冷却用液体Ｃを封入され、この切削工具８を把持するチャック４には、前記内側筒状体１０が挿入される挿入孔部１４が設けられると共に、この挿入孔部１４の内側で前記内側筒状体１０を取り囲む冷却水ジャケット１３が設けられ、前記チャック４のコーン部７の上端小径部には、前記冷却水ジャケット１３と連通する蒸発水放散用開口１５が設けられ、前記チャック４が嵌装固定される回転駆動用主軸１の上端解放の中央空洞部２内を経由して前記冷却水ジャケット１３内に冷却水Ｗを供給する給水手段（主軸１の中央空洞部２、給水通路１６、給水ノズル１７、配管１９及び給水装置２０）が併設されたことにある。

上記の本発明に係る切削工具の冷却手段を備えた工作機械を実施するについて、前記冷却用液体Ｃとしては、通常の水、純水、エタノールなどの低沸点液体などが利用できるが、請求項２に記載のように、水（純水を含む）とエタノールなどの低沸点液体との混合物を使用するのが好ましい。

上記の本発明に係る切削工具の冷却手段を備えた工作機械を実施するについて、具体的には、請求項３に記載のように、切削工具８の上端には、前記内側筒状体１０を内包し且つチャック４の前記挿入孔部１４より若干小径の上端解放の外側筒状体１２を連設し、この外側筒状体１２と前記内側筒状体１０との間で前記冷却水ジャケット１３を形成することができる。この場合、請求項４に記載のように、前記冷却水ジャケット１３を形成する外側筒状体１２の上端外周には、チャック４の前記挿入孔部１４の内周面に当接する水封用シール２２を装着することができる。

又、請求項５に記載のように、切削工具８の上端に、チャック４の前記挿入孔部１４と切削工具８の上端との間を水封する水封手段２４を設け、チャック４の前記挿入孔部１４と前記内側筒状体１０との間で前記冷却水ジャケット１３を形成することも可能である。

更に、請求項６に記載のように、前記給水手段は、前記回転駆動用主軸１の中央空洞部２の上端開口内に冷却水Ｗを滴下供給する給水ノズル１７と、主軸１の前記中央空洞部２内から前記冷却水ジャケット１３内に冷却水Ｗを導入するためにチャック４の前記コーン部７の上端小径部に設けられた給水通路１６とから構成したり、又は、請求項７に記載のように、前記給水手段を、前記回転駆動用主軸１の中央空洞部２の上端開口部に設けられた同心環状の受水槽２５と、この受水槽２５に冷却水Ｗを供給する給水ノズル１７と、前記受水槽２５から前記冷却水ジャケット１３内に給水する給水用配管２６とから構成することも可能である。

請求項１に記載の本発明に係る切削工具の冷却手段を備えた工作機械によれば、使用状態での切削工具の発熱により当該工具内部に封入されている冷却用液体を加熱気化させ、その気化ガスを、前記冷却用液体を封入する密閉空間の上端側において冷却水ジャケット内の冷却水により冷却凝縮液化させる、という冷却用液体の加熱気化と冷却液化の循環から成るヒートパイプ作用を介して、使用状態での切削工具の発熱を冷却水ジャケット内の冷却水により吸収させ、当該冷却水の蒸発により外界に放散させることができる。

従って、冷却水ジャケット内の冷却水の蒸発水量分を給水手段により補給するだけで、切削工具の発熱による温度上昇を継続的且つ効率良く抑制することができる。勿論、切削工具の先端部のみを内部からヒートパイプ作用で冷却するのであるから、従来のように被加工物の切削箇所に冷却用液体をかけてしまうことがなく、被加工物の切削箇所は切削発熱で高温軟化させ、これを冷却により硬度の著しい低下を抑えた切削工具で切削することができるので、切削途中での工具交換回数（総段取り時間）を増大させることなく難削材料の高速切削加工も可能にすることができる。
又、本発明に係る切削工具の冷却手段を備えた工作機械によれば、切削工具、当該切削工具を把持するチャック、及びこのチャックのコーン部が嵌装固定される工作機械側の垂直な回転駆動用主軸によって、冷媒封入用密閉空間、冷却水ジャケット、この冷却水ジャケット内からの蒸発水分の外界への放散経路、及び前記冷却水ジャケット内への外界からの給水経路を構成し、これによって、上述のように、切削途中の切削工具の発熱を効率的に抑制し、切削工具の工具交換回数を増大させることなく高速切削加工を可能とする。

尚、上記本発明を実施するに際し、請求項２によれば、仮に不純物を含む通常の水を利用する場合でも、エタノールなどの低沸点液体の添加量の調整により冷却用液体の沸点を摂氏１００度又はそれ以下に保持させる一方、冷却水による冷却凝縮液化も確実に行わせて、所期通りのヒートパイプ作用による工具先端部の冷却を確実良好に行わせることができる。

尚、請求項３に記載の構成によれば、冷却水ジャケットを切削工具上端の内側筒状体とチャックの挿入孔部との間で形成させる場合と比較して、仮に切削工具上端の外側筒状体とチャックの挿入孔部との間の狭い環状の空隙内に冷却水が入り込む構成であっても、主軸から切削工具をチャックと共に取り外したとき、切削工具上端の外側筒状体内に収容されている冷却水はそのまま取り出すことができ、主軸側からその下方の被加工物設置ベット上に流出する冷却水量を少なくすることができる。又、チャックから取り外された切削工具の冷却用液体が封入された内側筒状体を外側筒状体が保護する構造となり、切削工具の取り扱いが容易になる。

この場合、請求項４に記載の構成によれば、切削工具上端の外側筒状体とチャックの挿入孔部との間の狭い環状の空隙内に冷却水が入り込むことまでも完全に防止することができるので、主軸から切削工具をチャックと共に取り外したときに下方の被加工物設置ベット上に冷却水が流出するのを実質的に無くすことができる。

又、請求項５に記載の構成によれば、冷却水ジャケットの外壁を完全にチャック側で構成することができ、切削工具側に必要な構成部品点数を削減してコストダウンを図ることができる。

更に、請求項６に記載の構成によれば、冷却水ジャケットへの冷却水の補給のための給水手段の構成が簡単で、安価に実施することができる。又、請求項７に記載の構成によれば、冷却水ジャケットに供給する冷却水が、例えばチャックのコーン部外周面と主軸の中央空洞部のない周面との間の環状空隙部に溜まることがなく、従って、主軸からチャックを取り外したときに主軸側から流出する冷却水を少なくするか又は皆無とすることができる。特に、請求項３又は４に記載の構成と組み合わせることにより、チャックや主軸から独立した切削工具側の冷却水ジャケット内にのみ冷却水を確実に補給することができるので、効果的である。

以下に本発明の具体的実施例を添付図図１〜図３に基づいて説明すると、１はマシニングセンター（工作機械）の主軸であって、その全長にわたって貫通し且つ下端にチャック位置決め用下広がりテーパー部２ａを備えた中央空洞部２が設けられ、機械フレーム３に垂直軸心の周りに自転のみ可能に支持され、図外の駆動手段により回転駆動される。４はチャックであり、従来周知のように回転切削工具を着脱自在に把持する周方向複数の工具把持爪５を外端側に備えると共に、内端側には、小径端から突出するドローバー連結部６を備えたコーン部７が突設されている。

而して、従来周知であるため詳細は図示していないが、切削工具（この図示例ではボールエンドミル）８を前記工具把持爪５で同心状に把持するチャック４は、そのコーン部７が主軸１の中央空洞部２の下端下広がりテーパー部２ａに密着するように嵌装されると共に、ドローバー連結部６に一端部が連結され且つ主軸１の中央空洞部２を貫通するドローバーの引き込み作用により、チャック４が主軸１の下端に同心状に固定される。係る状態で主軸１を回転駆動し、チャック４に把持された切削工具８をその垂直な工具軸心の周りに高速回転させた状態で、主軸１の下方に設置されたベット上に固定されている被加工物と前記主軸１（切削工具８）とを相対移動させることにより、被加工物を切削工具８で切削加工することになる。

以下、詳細構造を説明すると、図１及び図２に示すように、切削工具８の内部には、上端が開放する空洞部９が工具軸心と同心状に設けられると共に、この空洞部９に接続するように工具上端に同心状に突設された上端閉塞の内側筒状体１０と前記空洞部９とで冷媒封入用密閉空間１１が形成されている。又、切削工具８の上端には、前記内側筒状体１０よりも長くて外径が切削工具８の外径より若干小径の上端開放の外側筒状体１２が同心状に突設され、当該外側筒状体１２と内側筒状体１０との間に上端解放の環状の冷却水ジャケット１３が形成されている。前記冷媒封入用密閉空間１１内には、冷却用液体Ｃ、例えば水（純水であっても良い）にエタノールなどの低沸点液体を適量混同した冷却用液体Ｃが、この切削工具８の先端切削作用領域の上端レベルとほぼ同一レベルまで、従って、冷媒封入用密閉空間１１の容積の半分以下、図示例では１／３以下の量だけ封入されている。

一方、チャック４には、上記構成の切削工具８の軸心方向所定位置を工具把持爪５で把持させるとき、当該切削工具８の外側筒状体１２が完全に収納される深さの挿入孔部１４が同心状に設けられ、当該チャック４のコーン部７の上端小径部には、図１及び図３に示すように、前記挿入孔部１４の上端壁を上下方向に貫通する蒸発水放散用開口１５がドローバー連結部６の周囲に設けられると共に、前記挿入孔部１４の上端周壁を半径方向に貫通する給水通路１６が周方向複数箇所に設けられている。そして主軸１を支持する機械フレーム３には、主軸１の中央空洞部２における上端開口内部の周辺位置に下向きに位置する給水ノズル１７が支持部材１８を介して支持され、当該給水ノズル１７には配管１９を介して点滴状に給水する給水装置２０が接続されている。

尚、図１及び図２に示すように、切削工具８の外側筒状体１２の上端外周には、環状凹溝部２１が形成され、この環状凹溝部２１内に、チャック４の前記挿入孔部１４の内周面に圧接密着する環状水封用シール２２が嵌装されている。この環状水封用シール２２の取り付け方法は、環状凹溝部２１を使用するものに限定されない。

上記構成において、切削工具８がチャック４に取り付けられるとき、当該切削工具８の外側筒状体１２がチャック４の挿入孔部１４内に、その上端外周の環状水封用シール２２が挿入孔部１４の内周面に弾性に抗して圧接密着する状態で挿入される。このように切削工具８が取り付けられたチャック４は、先に説明した従来方法により主軸１の中央空洞部２の下広がりテーパー部２ａに嵌装固定される。切削開始に先立ち、給水装置２０より配管１９及び給水ノズル１７を経由して、主軸１の中央空洞部２の周辺位置に給水することにより、主軸１の中央空洞部２の内周面とチャック４のコーン部７の外周面との間の環状空隙部２３内に溜められる水が給水通路１６を通じてチャック４内の挿入孔部１４内に流入する。このチャック４内の挿入孔部１４内に流入した水は、環状水封用シール２２の存在により切削工具８側の外側筒状体１２と挿入孔部１４との環状の隙間に入り込むことはなく、内側筒状体１０と外側筒状体１２との間の冷却水ジャケット１３内に流入することになる。

冷却水ジャケット１３内に水、即ち、冷却水Ｗが充満するレベルまで、好ましくは外側筒状体１２の上端と給水通路１６との中間レベル辺りまで給水できたならば、給水装置２０からの給水を一旦停止し、主軸１を回転駆動して切削作用を開始する。被加工物に対する切削工具８による切削作用によって当該切削工具８には切削発熱（摩擦熱）が発生し、先端部は昇温する。この切削工具８の先端部の発熱により、その内側の冷媒封入用密閉空間１１内の冷却用液体Ｃが加熱され、沸点以上に昇温することにより沸騰気化する。その気化ガスは超高速で冷媒封入用密閉空間１１内を上昇するが、当該冷媒封入用密閉空間１１の上端側周壁、即ち、内側筒状体１０は、その周囲を取り囲んでいる冷却水ジャケット１３内の冷却水により冷却されているので、この冷却されている低温の内側筒状体１０に高温の気化ガスが接触することにより、当該気化ガスは急速に冷却され、再び内側筒状体１０の内周面上で凝縮液化し、下方に流下する。

以下、冷媒封入用密閉空間１１内での上記ヒートパイプ作用を繰り返すことにより、切削工具８の先端部の切削摩擦により発生する熱は、冷媒封入用密閉空間１１内の冷却用液体Ｃを経由して冷却水ジャケット１３内の冷却水Ｗに移行する。従って、切削工具８の先端部は発熱を抑えられて比較的低温に保たれる。一方、冷却水ジャケット１３内の冷却水Ｗは高温になってその上端界面より蒸発し、その蒸発水分は、蒸発水放散用開口１５から主軸１の中央空洞部２内を経由して外界に放出され、冷却水ジャケット１３内の冷却水Ｗは、その上端界面からの蒸発気化熱により冷却される。ここで、冷却水ジャケット１３内の冷却水Ｗは、その上端界面からの蒸発気化によって水量が漸次減少するので、この蒸発水分量だけ冷却水ジャケット１３に冷却水を補給するように、給水装置２０を作動させて給水ノズル１７より点滴状に連続給水させることにより、冷却水ジャケット１３内の冷却水量をほぼ一定に維持させる。而して、冷却水ジャケット１３内の冷却水Ｗは、その上端界面からの蒸発気化熱により冷却されることと、上記のように常温の水の流入とによりほぼ一定温度に保たれ、上記の冷媒封入用密閉空間１１内でのヒートパイプ作用が連続的に支障なく実行されることになる。

冷却水ジャケット１３の形成方法は、上記実施形態のもに限定されない。図４は、冷却水ジャケット１３の別の実施形態を示すもので、切削工具８の上端には、冷却水ジャケット１３を構成する外側筒状体１２は設けられておらず、切削工具８の上端に、当該切削工具８がチャック４に取り付けられた状態において、前記挿入孔部１４と切削工具８の上端との間を水封する水封手段２４が設けられている。この水封手段２４は、例えば環状水封用シール２２を備えた前記外側筒状体１２の極短いものを切削工具８の上端に同心状に取り付けることにより構成できる。而してこの実施形態によれば、チャック４の挿入孔部１４と内側筒状体１０との間で冷却水ジャケット１３を形成することになる。

図５は、更に別の実施形態を示すもので、この実施形態では、主軸１の上端に、中央空洞部２内に嵌合する状態で当該主軸１と同心環状の受水槽２５と、この受水槽２５からチャック４のコーン部７における上端小径部を貫通して前記冷却水ジャケット１３内に給水する給水用配管２６とが使用されている。前記受水槽２５に対する給水は、先に説明した実施形態における給水ノズル１７、配管１９、及び給水装置２０が使用されている。前記受水槽２５は、主軸１の上端に固定しないで、単に主軸１の上端に嵌合載置しただけのものであっても良い。この実施形態では、チャック４を主軸１の下端に嵌装固定した後、給水用配管２６の下端をチャック４の上端部に設けられた貫通孔２６ａに挿入して組み立てることが考えられるが、前記給水用配管２６の下半部となる硬質大径パイプをチャック４の上端から突設しておき、給水用配管２６の上半部となる可撓性のある軟質小径パイプを受水槽２５の底部から連設し、この可撓性のある軟質小径パイプをチャック４側の前記硬質大径パイプの上端に挿入するように、前記受水槽２５を主軸１の上端にセットすることにより組み立てられるように構成することもできる。

この図５に示す実施形態によれば、主軸１の中央空洞部２内に冷却水が溜められることがない。尚、何れの実施形態を採用する場合においても、冷却水が接触する可能性のある部分、例えば、主軸１の中央空洞部２の内面、チャック４のコーン部７の外面、チャック４の挿入孔部１４の内面などには、防錆処理を施しておくことができる。又、冷媒封入用密閉空間１１内には、製造時に冷却用液体Ｃを所要量封入すれば良いので、当該冷媒封入用密閉空間１１を形成する内側筒状体１０は、その下端を切削工具８の上端に溶接や接着などで取り外し不能に固着しても良いが、図２に示す内側筒状体１０と切削工具８の上端部との間の接合部２７をねじ接合などにして、必要に応じて内側筒状体１０を取り外せるように構成することもできる。この場合、外側筒状体１２が併設されているときは、当該外側筒状体１２切削工具８の上端部との間の接合部２８もねじ接合などにして、内側筒状体１０の着脱時に外側筒状体１２も取り外せるように構成するのが望ましい。

更に上記各実施形態では、内側筒状体１０と外側筒状体１２とを切削工具８の上端に連設するように説明しているが、加工が可能ならば、前記外側筒状体１２を含む全長と等しい長さの切削工具８を使用し、その上端からの中ぐり加工により外側筒状体１２を一体成形することもできる。この場合、引き続いて空洞部９が中ぐり加工により成形され、最後に内側筒状体１０が取り付けられる。又、冷却用液体Ｃの封入のために内側筒状体１０の上端に開口を設けておき、この開口から冷却用液体Ｃを封入した後、当該開口を閉塞することもできる。このような構成を採用するときは、上端解放の内側筒状体１０と外側筒状体１２とを切削工具８の上端側から一体に中ぐり加工で成形することも可能である。

第一実施形態を示す縦断正面図である。 切削工具の一部縦断正面図である。 チャックの平面図である。 第二実施形態を示す要部の縦断正面図である。 第三実施形態を示す縦断正面図である。

符号の説明

１ 切削工具の回転駆動用主軸
２ 主軸の中央空洞部
３ 機械フレーム
４ チャック
５ 工具把持爪
６ ドローバー連結部
７ コーン部
８ 切削工具（実施形態ではボールエンドミル）
９ 空洞部
１０ 上端閉塞の内側筒状体
１１ 冷媒封入用密閉空間
１２ 外側筒状体
１３ 冷却水ジャケット
１４ 挿入孔部
１５ 蒸発水放散用開口
１６ 給水通路
１７ 給水ノズル
２０ 給水装置
２２ 環状水封用シール
２４ 水封手段
２５ 環状受水槽
２６ 給水用配管
Ｃ 冷却用液体
Ｗ 冷却水

Claims (7)

1. 切削工具の内部に上端が開放する空洞部が工具軸心と同心状に設けられると共に、この空洞部と当該空洞部の上端に接続された上端閉塞の内側筒状体とで冷媒封入用密閉空間が形成され、該冷媒封入密閉空間内にはその容積より少量の冷却用液体を封入され、この切削工具を把持するチャックには、前記内側筒状体が挿入される挿入孔部が設けられると共に、この挿入孔部の内側で前記内側筒状体を取り囲む冷却水ジャケットが設けられ、前記チャックのコーン部上端小径部には、前記冷却水ジャケットと連通する蒸発水放散用開口が設けられ、前記チャックが嵌装固定される回転駆動用主軸の上端解放の中央空洞部内を経由して前記冷却水ジャケット内に冷却水を供給する給水手段が併設されている、切削工具の冷却手段を備えた工作機械。
2. 前記冷却用液体として、水とエタノールなどの低沸点液体との混合物を使用する、請求項１に記載の切削工具の冷却手段を備えた工作機械。
3. 切削工具の上端には、前記内側筒状体を内包し且つチャックの前記挿入孔部より若干小径の上端解放の外側筒状体が連設され、この外側筒状体と前記内側筒状体との間で前記冷却水ジャケットが形成されている、請求項１に記載の切削工具の冷却手段を備えた工作機械。
4. 前記冷却水ジャケットを形成する外側筒状体の上端外周面には、チャックの前記挿入孔部の内周面に当接する水封用シールが装着されている、請求項３に記載の切削工具の冷却手段を備えた工作機械。
5. 切削工具の上端には、チャックの前記挿入孔部と切削工具の上端との間を水封する水封手段が設けられ、チャックの前記挿入孔部と前記内側筒状体との間で前記冷却水ジャケットが形成されている、請求項１に記載の切削工具の冷却手段を備えた工作機械。
6. 前記給水手段が、前記回転駆動用主軸の中央空洞部の上端開口内に冷却水を滴下供給する給水ノズルと、主軸の前記中央空洞部内から前記冷却水ジャケット内に冷却水を導入するためにチャックの前記コーン部上端小径部に設けられた給水通路とから構成された、請求項１〜５の何れかに記載の切削工具の冷却手段を備えた工作機械。
7. 前記給水手段が、前記回転駆動用主軸の中央空洞部の上端開口部に設けられた同心環状の受水槽と、この受水槽に冷却水を供給する給水ノズルと、前記受水槽から前記冷却水ジャケット内に給水するための給水用配管とから構成された、請求項１〜５の何れかに記載の切削工具の冷却手段を備えた工作機械。

Images