JP5548530B2 - 工具、および工作機械 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械に対して高荷重が付加された場合に、荷重から各部品を保護する保護機能を備えた工具、およびこの工具を備えた工作機械に関する。

従来、２つの部材を接合する方法として、先端に突起状のプローブがあるツールを高速回転させながら２部材の接合箇所に押し込み、これらの２部材を摩擦熱により軟化、攪拌させて接合する摩擦攪拌接合（FSW：Friction Stir Welding）が知られており、この摩擦攪拌接合を利用して部材を接合する工作機械が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。

この特許文献１に記載の装置は、攪拌用モーターの出力軸に回転ピンが固定され、出力軸は、アンギュラベアリングにより軸受されている。
ところで、このような特許文献１のような装置は、摩擦攪拌接合を実施するための専用装置であり、ワークに対してその他の加工作業を実施することができず、汎用性に乏しいという問題がある。

これに対して、特許文献２に記載の摩擦攪拌接合装置では、支持フレーム内の駆動軸に接続される回転基台に回転ツール装着具が装着され、この回転ツール装着具には、摩擦攪拌部を有する回転ツールが装着された回転ツール保持具が保持されている。そして、この摩擦攪拌接合装置では、駆動軸を回転させることで、摩擦攪拌部が回転され、この摩擦攪拌部を接合箇所に押し付けて回転ツールを回転させることで、摩擦攪拌接合を実施することが可能となっている。また、この摩擦攪拌接合装置の支持フレームは、上下にスライド移動可能な支持筐体を備え、この支持筐体と回転基台との間にボールベアリングで構成される軸受部が設けられている。
この特許文献２の摩擦攪拌接合装置では、回転ツール保持具や回転ツールの着脱が可能であり、例えば、ドリルなどのその他の工具に取替えが可能な構成となっている。

特開２００５−１１１５３５号公報 特開２００９−１９００３８号公報

ところで、特許文献２のような摩擦攪拌接合装置では、軸受部としてボールベアリングが用いられているが、この軸受部に、特許文献１に記載のようなアンギュラベアリングを用いることで、駆動軸のスラスト方向およびラジアル方向の双方に対して、大きな荷重が加わった場合でも、駆動軸への影響を弱めることができる。
しかしながら、この特許文献２に記載の摩擦攪拌接合装置では、高荷重が付加される回転ツールから離れた回転基台と支持筐体との間にベアリングが設けられている。このため、駆動軸への高荷重付加の影響は抑えられるが、回転ツールや回転ツール保持具は、荷重付加の影響を受ける。したがって、例えば、回転ツール保持具と回転基台との接続部に荷重が集中して接続が外れたり、回転軸がはずれたりする場合がある。

本発明は、上述のような問題に鑑みて、高荷重が付加された場合でも、荷重の影響を低減できる工具、およびこの工具を備えた工作機械を提供することを目的とする。

本発明の工具は、フレームに回転可能に保持される主軸を備えた工作機械の、前記主軸に着脱可能な工具であって、前記主軸に接続される回転体と、前記回転体を回転可能に保持し、かつ、前記フレームに固定されるケーシングと、前記回転体、および前記ケーシングの間に設けられ、前記主軸のスラスト方向およびラジアル方向の荷重を受ける軸受部と、を備え、前記回転体は、前記主軸に着脱可能な主軸装着部と、ワークを加工する替刃と、を備え、前記回転体の回転軸を通る平面で断面した断面視において、前記軸受部と前記回転軸との間を通り、前記回転体を冷却する冷却媒体を導入可能な流体流路が設けられ、前記流体流路は、前記回転体のうち前記主軸装着部に設けられて、前記冷却媒体が導入される流体導入路と、前記流体導入路から前記替刃に向かって延びた後、前記軸受部に対応する位置から前記主軸側に折り返す主軸側冷却部と、この主軸側冷却部から前記軸受部に対応する位置よりも前記替刃側に伸びる替刃側冷却部と、を備えることを特徴とする。

この発明では、工具は、主軸に着脱可能であり、主軸に取り付けられた状態では、主軸の回転駆動により工具も回転される。また、この工具は、回転体と、ケーシングとを備え、これらの回転体とケーシングとの間にスラスト方向およびラジアル方向の双方に対する荷重を受けることができる軸受部が設けられている。
このため、ワークを加工する際、例えば工具をワーク側に押圧などすることで、工具および主軸にスラスト方向の荷重が加わった場合でも、軸受部からフレーム側にその荷重を逃がすことができる。また、工具を回転軸に対して交差する方向に移動させるなどして、工具にラジアル方向の荷重が加わった場合でも、軸受部からフレーム側にその荷重を逃がすことができる。したがって、主軸や、工具および主軸の接続部位に直接高荷重が加わることがなく、荷重の影響を低減することができる。よって、主軸の回転駆動部分の焼きつきなどの不都合や、工具が主軸から抜け落ちる不都合、主軸の回転軸と工具の回転軸とがずれる軸ズレなどの不都合などを回避することができる。

また、この発明では、軸受部と、回転体の回転軸との間に冷却媒体が流動する流体流路が設けられている。
このため、回転体が回転し、回転体とワークとの間に摩擦熱などの熱が発生した場合でも、摩擦熱の軸受部の熱伝達を冷却媒体により抑制することができる。したがって、軸受部が熱変形することがなく、荷重を受ける機能が低下しない。よって、工具を長期使用し、摩擦熱が発生する場合であっても、軸受部により、主軸および工具の接続部や、主軸へ荷重を低減させることができ、工具の性能を長期維持することができる。
さらに、この発明では、流体導入口から導入された冷却媒体は、まず主軸側冷却部により回転体の主軸側を冷却し、その後、替刃側冷却部により回転体の替刃側を冷却する。回転体において替刃側は、例えば摩擦攪拌接合を実施するなど、主軸側よりもはるかに高熱となる場合が多い。ここで、替刃側を先に冷却すると、冷却媒体にその熱が伝達され、主軸側での冷却効率が低下したり、回転体の主軸側や軸受部に熱を伝えてしまったりするおそれがある。これに対して、回転体の主軸側および軸受部を先に冷却することで、主軸への熱の伝達を確実に防止することができ、かつ、主軸側を冷却した冷却媒体を替刃側に送った場合でも、上記のように替刃側はより高温となっているため、送られた冷却媒体で十分に替刃側を冷却することができる。
また、主軸側冷却部は、流体導入路から替刃に向かって延びた後、軸受部に対応する位置から前記主軸側に折り返す２重構造となっており、より確実に主軸側および軸受部を冷却することができる。

本発明の工具では、前記回転体は、前記主軸に着脱可能な主軸装着部と、ワークを加工する替刃と、前記主軸装着部および前記替刃を連結する連結部と、を備え、前記流体流路は、前記主軸装着部および前記連結部に沿って前記冷却媒体を流動可能に形成されることが好ましい。

ここで、替刃とワークとの間に摩擦熱を発生させ、この摩擦熱を用いてワークを加工する工具がある。例えば、摩擦攪拌接合用の工具では、替刃によりワークを摩擦して軟化させ、軟化されたワークを攪拌することで接合する。
このような工具では、替刃が冷却媒体により過度に冷却されると、ワークの摩擦効率が低下し、加工効率が低下してしまう。
これに対して、本発明では、流体流路は、主軸装着部と連結部とに沿って冷却媒体が流動可能な状態に流体流路が形成されている。なお、この冷却媒体が流動可能な状態に流体流路が形成されるとは、替刃に沿って流体流路が形成されない構成に加え、替刃に沿って流体流路が形成されるが、その流体流路の替刃に沿う替刃対応位置には、冷却媒体が導入されていない場合、または替刃対応位置に冷却媒体はあるが、流動していないため、冷却効果をほぼ有さない場合を含むものとする。このような場合では、冷却媒体により替刃が冷却されないため、替刃とワークとの摩擦効率を低減させることがないため、加工効率も低下しない。したがって、工具による加工効率を維持した状態で、軸受部の過熱を防止でき、主軸に加わる荷重の低減、主軸および工具の接続部分に加わる荷重の低減を、長時間持続させて図ることができる。

本発明の工具では、前記回転体は、ワークを加工する替刃を備え、前記替刃および前記ケーシングの間に、エアーを導入可能なエアー導入路が設けられることが好ましい。

この発明では、エアーにより替刃を冷却することが可能となる。上述したように、摩擦攪拌接合などのように、替刃とワークとの間に摩擦熱を発生させる場合、替刃が直接冷却されると、加工効率が低下する場合がある。一方、エアーによる冷却では、加工効率を低下させることがなく、工具や主軸を熱から守ることが可能となる。

本発明の工具では、前記回転体は、ワークを加工する替刃を備え、この替刃は、基部と、この基部から前記回転体の回転軸上に突出する摩擦攪拌ピンと、を備えることが好ましい。

このような、工具では、摩擦攪拌ピンを例えば接合したい２つのワーク間に挿入して回転駆動させることで、ワーク同士を摩擦攪拌接合することができる。このような摩擦攪拌接合用の工具では、ワークに高圧力で押し付ける必要があり、スラスト方向に大きな荷重が加わる、また、接合部分に沿ってワークまたは工具を相対移動させる場合では、ラジアル方向に対しても大きな荷重が加わる。このように、摩擦攪拌接合を実施する工具では、特に、スラスト方向およびラジアル方向に対する荷重が大きくなるが、上記発明と同様に、回転体と、ケーシングとの間に軸受部を設けることでその荷重の影響を低減させることができる。

本発明の工作機械は、回転駆動可能な主軸と、この主軸を回転可能に保持するフレームと、前記主軸に着脱可能な上述したような工具と、を具備したことを特徴とする。

この発明では、上記発明と同様に、工具の回転体およびケーシングの間にスラスト方向およびラジアル方向に対して応力を受けることができる軸受部が設けられている。このため、工具および主軸の接続部分、および工作機械の主軸の双方に加わる荷重を低減させることができる。

本発明に係る一実施形態の工作機械の一例を示す概略図。 本実施形態の工作機械に装着可能な摩擦攪拌用の工具を示す断面図。 他の実施形態の摩擦攪拌用の工具を示す断面図。

以下、本発明に係る一実施形態について、図面に基づいて説明する。

〔１．工作機械の構成〕
図１は、本実施形態の工作機械の一例を示す概略図である。
図１において、工作機械２０は、門型工作機械であって、左コラム２２、右コラム２３、および、横桁２４を含んで構成され、これらが機械的な剛性を高めるよう鋳物にて一体に構成されている。
横桁２４には、主軸頭２５がサーボモータ等によりＸ軸として図で左右方向へ移動可能に組み付けられている。主軸頭２５には、ラム２６により、フレーム３０がＺ軸として図で上下方向へ移動可能に組み込まれている。また、このフレーム３０の内部には、スピンドル３１が設けられ（図２参照）、スピンドル３１は、連続回転、および、Ｃ軸（Ｚ軸と平行な回転軸）として回転位置決めもできるよう、回転位置検出されるサーボモータを有して構成される。
左コラム２２および右コラム２３の間のベッド２９の上面には、ワークを載置するテーブル２８がＹ軸として図で前後方向（図１における紙面に直交する方向）へ移動可能に設けられている。従って、ワークを載置するテーブル２８と主軸を構成するスピンドル３１とは、図示省略の相対移動機構により、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向の三次元方向へ移動可能に構成されている。

テーブル２８の一部には、図示しない工具マガジンや自動工具交換装置が付設されている。工具マガジンには、主軸であるスピンドル３１に装着される摩擦攪拌接合用の工具１０や、その他の多数の加工用工具が収納されている。自動工具交換装置は、工具マガジンに収納された各工具の中から指定されたいずれかの工具を主軸であるスピンドル３１に装着するとともに、スピンドル３１に装着されている工具を工具マガジンに回収するよう動作される。つまり、工具マガジンと主軸であるスピンドル３１との間で工具交換を行う。

〔２．摩擦攪拌接合用工具の構成〕
図２は、摩擦攪拌接合用工具１０の概略構成を示す図であり、回転軸に沿って当該摩擦攪拌接合用工具１０を断面した断面図である。
図２に示すように、摩擦攪拌接合用工具１０は、主軸装着部１１、連結部１２、替刃１３、ケーシング１４、および軸受部１５を備えている。ここで、主軸装着部１１、連結部１２、および替刃１３により、本発明の回転体が構成されている。

〔２−１．主軸億着部の構成〕
主軸装着部１１は、一般のドリルやカッターなどの切削用の刃を有する加工工具と同様に、工作機械のスピンドル３１に装着可能になっている。具体的には、主軸装着部１１は、スピンドル３１に挿入されるテーパシャンク１１１と、このテーパシャンク１１１の小径部側に設けられたチャック用トップ１１２と、テーパシャンク１１１の大径部側に設けられた工具把持リング部１１３と、テーパシャンク１１１の大径部側に連続して設けられる連結胴部１１４と、を備えている。

また、主軸装着部１１は、回転軸に沿う、軸孔１１５を備えている。この軸孔１１５は、チャック用トップ１１２を装着する第一軸孔部１１５Ａと、第一軸孔部１１５Ａと連通する本発明の流体流路の一部を構成する第二軸孔部１１５Ｂと、第二軸孔部１１５Ｂに連通する連結装着孔１１５Ｃと、連結装着孔１１５Ｃに連通する替刃装着孔１１５Ｄと、を有して構成されている。
第一軸孔部１１５Ａには、チャック用トップ１１２が装着されており、このチャック用トップ１１２には、回転軸に沿って、流体導入路１１２Ａが設けられている。この流体導入路１１２Ａは、スピンドル３１に設けられた図示しない流体導入手段、および第二軸孔部１１５Ｂに連通している。
第二軸孔部１１５Ｂは、上記のように、チャック用トップ１１２の流体導入路１１２Ａに連通するとともに、後述する連結部１２の内部流路孔１２１に連通する。
連結装着孔１１５Ｃには、連結部１２が固定されており、この連結部１２に替刃１３が固定されている。また、替刃装着孔１１５Ｄには、連結部１２に固定された替刃１３が挿通する。

主軸装着部１１の連結胴部１１４には、外周面のテーパシャンク１１１側の一端側に、周方向に沿って凹状となる第一環状凹部１１４Ａが形成されている。また、主軸装着部１１の連結胴部１１４の他端側、より具体的には、軸孔１１５に替刃装着孔１１５Ｄが形成される部分のうちの、上部側（テーパシャンク１１１側）には、外周面に、周方向に沿って凹状となる第二環状凹部１１４Ｂが形成されている。
第一環状凹部１１４Ａは、後述のケーシング１４との間で、本発明の流体流路の一部であり上部環状流路１１７Ａを形成する。
また、主軸装着部１１には、断面がコ字状で、かつ第二環状凹部１１４Ｂの全周を覆う環状の固定部材１１４Ｃが固定されている。そして、第二環状凹部１１４Ｂの溝内、および固定部材１１４Ｃの内周枠内により、本発明の流体流路の一部である下部環状流路１１７Ｂが形成される。
また、主軸装着部１１は、第一環状凹部１１４Ａおよび第二環状凹部１１４Ｂの間に、軸受部１５を固定するための固定段差１１６が形成されている。そして、この固定段差１１６と、固定部材１１４Ｃとに挟持されることで、後述する軸受部１５が主軸装着部１１に固定されている。

そして、主軸装着部１１の連結胴部１１４の壁内、すなわち、連結装着孔１１５Ｃと外周面との間の壁内、および替刃装着孔１１５Ｄと外周面との間の壁内には、回転軸と平行して、本発明の流体流路の一部を形成する第一流路１１８Ａおよび第二流路１１８Ｂが形成されている。第一流路１１８Ａは、連結胴部１１４のテーパシャンク１１１側の一端部において、連結装着孔１１５Ｃに連通し、第二環状凹部１１４Ｂの形成位置で、外周側の下部環状流路１１７Ｂに連通する。また、第二流路１１８Ｂは、第二環状凹部１１４Ｂの形成位置で、外周側の下部環状流路１１７Ｂに連通し、第一環状凹部１１４Ａの形成位置で、外周側の上部環状流路１１７Ａに連通する。
なお、本発明の流体流路に関する説明は後述する。

〔２−２．連結部の構成〕
連結部１２は、図２に示すように、略円柱状部材であり、円柱端部１２Ａ，１２Ｂが円柱中央部１２Ｃよりも径大に形成されている。また、円柱端部１２Ａ，１２Ｂには、連結装着孔１１５Ｃの内周面との間に、パッキンなどの防水リングが装着されている。したがって、連結部１２の円柱中央部１２Ｃの外周面と、連結装着孔１１５Ｃとの間には、微小隙間寸法の空間（流路空間１２３）が形成されている。
また、連結部１２は、第二軸孔部１１５Ｂ側の端面から、軸心（回転軸）に沿って内部流路孔１２１が形成されている。この内部流路孔１２１は、第二軸孔部１１５Ｂ側の端面から、連結部１２の円柱軸方向長さの例えば略半分程度の長さ位置（内部流路端部１２１Ａ）まで形成されている。また、連結部１２は、円柱中央部１２Ｃの替刃１３側の外周面から、内部流路端部１２１Ａまで延びる流路分岐孔１２２を複数（例えば２つ）備えている。

〔２−３．替刃の構成〕
替刃１３は、連結部１２に固定され、替刃装着孔１１５Ｄを挿通して配設されている。ここで、この工具１０における替刃１３は、摩擦攪拌接合用の替刃であり、したがって、図２に示すように、円筒形状の基部１３１と、基部１３１から回転軸に沿ってワーク側に突出する摩擦攪拌ピン１３２とを備えている。このような替刃１３では、摩擦攪拌ピン１３２を、例えば２つのワークの接合部分に対して高荷重で押圧し、例えば２０００ｒｐｍなどの速度で高速回転されることで、ワークの接合部分を軟化させ、かつ軟化された接合部分を攪拌させて接合させることが可能となる。

〔２−４．ケーシング及び軸受部の構成〕
ケーシング１４は、図２に示すように、工作機械２０のフレーム３０に固定され、主軸装着部１１を回転可能に保持する第一ケーシング１４１と、第一ケーシング１４１のスピンドル３１とは反対側（テーブル２８側）に固定される第二ケーシング１４２と、を備えている。
第一ケーシング１４１は、筒状に形成され、筒内周面のうち上部側（主軸側）には、主軸装着部１１の第一環状凹部１１４Ａに対向して、内周円筒形状の流路形成面１４３が設けられ、これらの第一環状凹部１１４Ａおよび流路形成面１４３により、上部環状流路１１７Ａが形成されている。また、この流路形成面１４３の上下端部には、それぞれ防水金具１４３Ａが嵌合されている。これらの防水金具１４３Ａは、円筒状に形成され、円筒外周壁が流路形成面１４３に密着固定されており、円筒外周壁から内周側に突出するリング状の突出片１４３Ａ１の先端部が連結胴部１１４の外周面に押圧され、上部環状流路１１７Ａの防水性が確保されている。また、第一ケーシング１４１は、第一環状凹部１１４Ａの一部から、第一ケーシング１４１の外周側に連通する吐出路１４４が形成されている。
第一ケーシング１４１の下部側には、段差部１４５が形成され、この段差部１４５と主軸装着部１１との間に、軸受部１５が設けられている。
また、第一ケーシング１４１の上端面には、回り止め部材１４９が固定されている。そして、第一ケーシング１４１は、この回り止め部材１４９を介して、工作機械２０のフレーム３０に固定されている。

第二ケーシング１４２は、第一ケーシング１４１に例えばネジ止めなどにより、固定される。この時、第二ケーシング１４２、軸受押え部１４６を介して第一ケーシング１４１に固定される。ここで、軸受部１５は、この軸受押え部１４６および第一ケーシング１４１に設けられる段差部１４５により挟持されることで、ケーシング１４に固定される。
また、第二ケーシング１４２は、回転軸を中心とした替刃挿通孔１４７を備えている、この替刃挿通孔１４７は、替刃１３の基部１３１の断面系寸法よりも径大に形成され、基部１３１との間にエアーが流通可能な隙間が形成されている。

そして、ケーシング１４には、第二ケーシング１４２と、主軸装着部１１との間、より具体的には、主軸装着部１１の連結胴部１１４のうち、替刃装着孔１１５Ｄが形成されている部分の外周面と、第二ケーシングとの間に形成されるエアー流通空間１４８Ｄに、エアーを流通させるエアー供給路１４８が形成されている。このエアー供給路１４８は、第一ケーシング１４１の外周部に形成されるエアー供給口１４８Ａ、エアー供給口１４８Ａに連通し、第一ケーシング１４１の内部に形成される第一エアー流路１４８Ｂ、軸受押え部１４６および第二ケーシング１４２に形成され、第一エアー流路１４８Ｂおよびエアー流通空間１４８Ｄに連通する第二エアー流路１４８Ｃ、エアー流通空間１４８Ｄ、および第二ケーシング１４２と替刃１３の基部１３１との間に形成される隙間１４８Ｅにより形成されており、基部１３１を冷却する。

軸受部１５は、上述したように、固定段差１１６および固定部材１１４Ｃにより挟持されることで、主軸装着部１１に固定されるとともに、第一ケーシング１４１の段差部１４５および軸受押え部１４６により挟持されることで、ケーシング１４に固定される。この軸受部１５は、工具１０の回転軸に沿うスラスト方向の荷重、および回転軸に対するラジアル方向の荷重の双方を受け、これらの荷重をケーシング１４およびフレーム３０に逃がして、工具１０の主軸装着部１１とスピンドル３１との接続部分、およびスピンドル３１への荷重付与を軽減させるものである。従って、軸受部１５としては、スラスト方向およびラジアル方向の双方への荷重を受けることが可能なアンギュラベアリングを用いることが好ましい。
なお、本実施形態では、図２において、外輪と内輪との間に、錐体形状の回転体が設けられ、外輪と内輪の対向面がラジアル方向に対して傾斜する角度に形成されるアンギュラベアリングを例示するが、これに限定されず、球体状の回転体を外輪および内輪に間に挟持させる構成としてもよい。また、複数のアンギュラベアリングを組み合わせた複列アンギュラベアリングを用いてもよい。
さらには、スラスト方向の荷重を受けるスラストベアリングと、ラジアル方向の荷重を受けるラジアルベアリングとを、それぞれ別体として装着してもよい。

〔２−５．工具の冷却構造〕
本実施形態の工具１０では、上述したように、冷却媒体を導入可能な流体流路１６が形成されている。具体的には、この流体流路１６は、チャック用トップ１１２の流体導入路１１２Ａ、第二軸孔部１１５Ｂ、連結部１２の内部流路孔１２１、流路分岐孔１２２、流路空間１２３、第一流路１１８Ａ、下部環状流路１１７Ｂ、第二流路１１８Ｂ、上部環状流路１１７Ａ、吐出路１４４により形成され、この順に、冷却媒体が導入可能となっている。ここで、流体導入路１１２Ａ、第二軸孔部１１５Ｂ、連結部１２の内部流路孔１２１、流路分岐孔１２２、および連結部１２と連結装着孔１１５Ｃとの間の流路空間１２３により、本発明の主軸側冷却部が構成され、第一流路１１８Ａ、下部環状流路１１７Ｂ、および第二流路１１８Ｂにより本発明の替刃側冷却部が構成されている。
これにより、スピンドル３１側に設けられる図示しない冷却媒体導入手段から、冷却媒体（クーラント）が導入されると、上記流体流路にクーラントが流通し、工具１０を冷却する。これにより、熱がスピンドル３１側に伝達されてスピンドル３１であるスピンドル３１などの部材に影響を与える不都合を回避できる。
この時、第一流路１１８Ａおよび第二流路１１８Ｂは、それぞれ、図２に示すように、軸受部１５の内側を通るように形成されている。これにより、軸受部１５への熱伝達を効果的に抑制することができ、軸受部１５の熱による変形や、熱の影響による荷重分散効率の低下を抑制している。

また、本実施形態では、第一流路１１８Ａおよび第二流路１１８Ｂにおいて、下部環状流路１１７Ｂとの連通部部分よりも先端側（替刃１３側）の部分にも冷却媒体が導入可能となっている。しかしながら、この先端部分では、冷却媒体の流動がほぼなく、冷却効果をほとんど有さない。したがって、この先端部分に導入された冷却媒体により替刃１３を積極的に冷却することはない。
すなわち、摩擦攪拌接合用工具１０では、替刃１３を回転させてワークに押し付けることで摩擦熱を発生させてワークを摩擦熱により軟化させる必要がある。このため、ワークの接合部分が冷却されてしまうと、接合効率が著しく低下してしまう。また、ワーク近傍である替刃１３の冷却媒体を導入した場合、冷却による結露により水滴がワーク上に付着する場合があり、好ましくない。工具１０では、以上のような理由により、上記のように、替刃１３の外周側に位置する第一流路１１８Ａおよび第二流路１１８Ｂでは、冷却媒体を流動させず、熱交換による冷却を抑制している。そして、熱源である替刃１３およびワークの近傍では、エアー供給口１４８Ａから冷却用のエアーを導入することで、替刃１３のみが冷却されるように構成されている。

〔３．本実施形態の作用効果〕
上述したように、上記実施形態の工作機械２０では、回転駆動可能なスピンドル３１、およびスピンドル３１を回転可能に保持するフレーム３０を備え、このスピンドル３１には、ワーク同士を摩擦攪拌接合するための工具１０が着脱可能に設けられている。
この工具１０は、主軸装着部１１を備え、この主軸装着部１１に連結部１２が固定され、この連結部１２に替刃１３が固定されている。また、工具１０は、この主軸装着部１１を回転可能に保持するケーシング１４を備え、ケーシング１４は、フレーム３０に固定されている。そして、これらのケーシング１４および主軸装着部１１の間には、アンギュラベアリングで構成される軸受部１５が設けられている。
このため、摩擦攪拌接合を実施するために、工具１０をワーク側に強く押圧した際に発生するスラスト方向への荷重、工具１０をワークに押圧した状態で、工具をテーブルの面方向に沿って相対移動させた際に発生するラジアル方向への荷重を、軸受部１５で受けることができ、工作機械のスピンドル３１や、スピンドル３１および工具１０の接続部分に、大きな荷重が加わらない。このため、スピンドル３１が荷重により破損することがなく、また、摩擦攪拌接合中に、工具１０が抜け落ちたり、回転軸がずれたりする不都合もなく、効率よくワークを加工（摩擦攪拌接合）することができる。

また、冷却媒体が流通する流体流路１６は、軸受部１５と回転軸との間を通って形成される第一流路１１８Ａおよび第二流路１１８Ｂを含んで形成されている。
したがって、これらの第一流路１１８Ａおよび第二流路１１８Ｂに冷却媒体が流通することで、軸受部１５への熱伝達を効果的に抑制することができ、熱による軸受部１５の変形や、変形に伴う耐荷重機能の低下を防止することができる。

また、本実施形態の流体流路１６は、軸中心にクーラントを導入するセンタースルータイプであり、主軸装着部１１のチャック用トップに形成される流体導入路１１２Ａから、第二軸孔部１１５Ｂ、連結部１２の内部流路孔１２１、流路分岐孔１２２、連結部１２と連結装着孔１１５Ｃとの間の流路空間１２３、第一流路１１８Ａ、下部環状流路１１７Ｂ、第二流路１１８Ｂ、上部環状流路１１７Ａ、吐出路１４４に到って形成されている。
上記のような構成では、吐出路１４４にクーラント吐出用のカプラやチューブなどを接続するだけの簡単な構成、および簡単な操作で、工具１０を冷却することができる。また、センタースルータイプであるため、工具の中心軸を効果的に冷却することができ、工具１０からスピンドル３１への熱の伝達を効果的に防止することができる。

また、流体導入路１１２Ａ、第二軸孔部１１５Ｂ、連結部１２の内部流路孔１２１、流路分岐孔１２２、および連結部１２と連結装着孔１１５Ｃとの間の流路空間１２３により構成される本発明の主軸側冷却部で、工具１０の主軸であるスピンドル３１に近接する側を確実に冷却した後、第一流路１１８Ａ、下部環状流路１１７Ｂ、および第二流路１１８Ｂで構成される本発明の替刃側冷却部で工具１０の替刃１３側を冷却する。このため、スピンドル３１への熱の伝達を確実に防止することができ、かつ、スピンドル３１側を冷却した冷却媒体を替刃側に送った場合でも、上記のように替刃１３側はより高温となっているため、送られた冷却媒体で十分に替刃１３側を冷却することができる。

また、工具１０のケーシング１４には、エアー供給路１４８が形成され、ケーシング１４および主軸装着部１１の替刃１３近傍に形成されるエアー流通空間１４８Ｄに冷却用のエアーを供給する。このため、エアー冷却により、摩擦攪拌接合の接合効率を低下させることがなく、工具１０や、スピンドル３１を熱から守ることができる。

〔その他の実施の形態〕
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

例えば、上記実施形態において、クーラントの導入方式として、スピンドル３１から主軸装着部１１の中心軸にクーラントを導入するセンタースルータイプを例示したが、図３に示すように、外部からクーラントを導入するアウターインタイプのクーラント導入方式としてもよい。
この場合、例えば、図３に示すように、主軸装着部１１の外周には、第一環状凹部１１４Ａと同様の第三環状凹部１１４Ｄが設けられ、この第三環状凹部１１４Ｄには、第二軸孔部１１５Ｂに貫通する孔部１１４Ｅが形成されている。また、第一ケーシング１４１には、第三環状凹部１１４Ｄに対応した流路形成面１４３Ｂを形成するとともに、第三環状凹部１１４Ｄおよび流路形成面１４３Ｂの間で形成される第三環状流路１１７Ｃに連通するクーラント導入口１４４Ａを形成する。
これにより、クーラント導入口１４４Ａから、第三環状流路１１７Ｃ、孔部１１４Ｅ、第二軸孔部１１５Ｂ、連結部１２の内部流路孔１２１、流路分岐孔１２２、流路空間１２３、第一流路１１８Ａ、下部環状流路１１７Ｂ、第二流路１１８Ｂ、上部環状流路１１７Ａ、吐出路１４４に至る流体流路１６が形成される。

また、上記実施形態では、ケーシング１４が第一ケーシング１４１および第二ケーシング１４２により形成される例を示したが、これらの第一ケーシング１４１および第二ケーシング１４２が一体形成されたものを用いてもよい。
さらに、回転体として、主軸装着部１１、連結部１２および替刃１３により構成される例を示したが、例えば、主軸装着部１１に直接替刃１３が固定される構成などとしてもよい。

さらに、上記実施形態では、摩擦攪拌接合用工具１０に本発明を適用する例を示したが、これに限定されず、例えば、ワークに孔を開けるドリルなどにおいても、本発明を適用することができる。この場合、上記実施形態の替刃３をワークに穴を形成するためのドリル用替刃に変えることで、穴あけ時のスラスト方向の応力、および振動等によるラジアル方向への応力を軸受部からフレームに逃がすことが可能となる。

その他、本発明の実施の際の具体的な構造および手順は、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造などに適宜変更できる。

本発明は、テーブルと主軸とが三次元方向へ相対移動可能な工作機械に利用できる。

１０…工具、１１…回転体を構成する主軸装着部、１２…回転体を構成する連結部、１３…回転体を構成する替刃、１４…ケーシング、１５…軸受部、１６…流体流路、２０…工作機械、３０…フレーム、３１…主軸であるスピンドル、１３１…基部、１３２…摩擦攪拌ピン、１４８…エアー供給路。

Claims (5)

1. フレームに回転可能に保持される主軸を備えた工作機械の、前記主軸に着脱可能な工具であって、
   前記主軸に接続される回転体と、
   前記回転体を回転可能に保持し、かつ、前記フレームに固定されるケーシングと、
   前記回転体、および前記ケーシングの間に設けられ、前記主軸のスラスト方向およびラジアル方向の荷重を受ける軸受部と、
   を備え、
   前記回転体は、前記主軸に着脱可能な主軸装着部と、ワークを加工する替刃と、を備え、
   前記回転体の回転軸を通る平面で断面した断面視において、前記軸受部と前記回転軸との間を通り、前記回転体を冷却する冷却媒体を導入可能な流体流路が設けられ、
   前記流体流路は、前記回転体のうち前記主軸装着部に設けられて、前記冷却媒体が導入される流体導入路と、前記流体導入路から前記替刃に向かって延びた後、前記軸受部に対応する位置から前記主軸側に折り返す主軸側冷却部と、この主軸側冷却部から前記軸受部に対応する位置よりも前記替刃側に伸びる替刃側冷却部と、を備える
   ことを特徴とする工具。
2. 請求項１に記載の工具において、
   前記回転体は、前記主軸に着脱可能な主軸装着部と、ワークを加工する替刃と、前記主軸装着部および前記替刃を連結する連結部と、を備え、
   前記流体流路は、前記主軸装着部および前記連結部に沿って前記冷却媒体を流動可能に形成された
   ことを特徴とする工具。
3. 請求項１または請求項２に記載の工具において、
   前記回転体は、ワークを加工する替刃を備え、
   前記替刃および前記ケーシングの間に、エアーを導入可能なエアー導入路が設けられた
   ことを特徴とする工具。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の工具において、
   前記回転体は、ワークを加工する替刃を備え、
   この替刃は、基部と、この基部から前記回転体の回転軸上に突出する摩擦攪拌ピンと、を備えた
   ことを特徴とする工具。
5. 回転駆動可能な主軸と、
   この主軸を回転可能に保持するフレームと、
   前記主軸に着脱可能な請求項１から請求項４のいずれかに記載の工具と、
   を具備したことを特徴とする工作機械。

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