JP5745503B2 - 回転切断ツールの間接冷却 - Google Patents

Description

本発明は、海軍によって授与された契約番号Ｎ００４２１−０４−Ｐ−０５４７及びＮ６８３３５−０６−Ｃ−００６９に基づいて政府の支持で作成された。政府は、本発明の特定の権利を有する。

回転切削ツールのツールチップインタフェースのための冷却システムは、チタン合金と低熱伝導率を持つ他の先進材料の高速加工を可能にする低温流体によってカッター縁部の間接的冷却及び直接的冷却の双方を使用する。

切削流体は、切削ツール及びワークピースの加工ゾーンに直接クーラントを噴霧することによって潤滑性を高めるために長年にわたって機械加工工程で使用されている。これは、チップとツールとの間の摩擦を減少させる効果を有し、ツールの温度を低下させ、ツール寿命を増加させ、部品の品質を向上させる。これらの利点は、特定の欠点が付属する。大容量の加工作業では、加工コストの少なくとも１６％は、切削流体の調達、保守、廃棄に関連付けられている。このコストは、労働者がこれらの流体を使用する際にさらされている健康上のリスクを考慮しない。切削流体またはその霧に触れると、皮膚炎や呼吸器疾患などの病気を引き起こす可能性がある。皮膚炎や呼吸器疾患などの病気を引き起こす可能性があります。切削液の一部の添加剤は発がん性の可能性がある。

近年、これらの問題のため、大容量の加工業界は、切削液の使用を削減または除去するためにドライ加工に移動している。しかしながら、より大きく、より強力なマシンは滑らかでない材料を処理するために必要とされるため、ドライ加工は、化石燃料消費とエネルギーコストを増加させる。また、ドライ加工は、多くの切削ツールを消費して、より多くの加工時間を必要とすることで部分ごとのコストを増加させる。
その問題は、ツールチップのインタフェースで発生する熱が材料自体によってインタフェースから離れて容易に導かれないために、チタン及び他の低熱伝導率の材料を加工するときに悪化させる。さらに、ドライ加工は、新しいマシンのための資本が頻繁に利用できない場合、比較的小さなお店の場所には適していない。
過去の研究活動と特許は、高圧冷却剤及び液体窒素によって冷却された切削ツールインサートの上部のカップのような貯蔵器の一体化を使用して、液体窒素を加工ゾーンに噴霧して切削ツールホルダーを内的又は外的に冷却することに焦点を当てている。
内部的及び外部的に切削ツールを冷却することは、実験的にヒートパイプを使用してテストされている。冷却のある程度は達成され、設計の熱伝達効率が非常に低い。切削ツールの側面の摩耗の減少の測定は、ベンチトップでのシステムのパフォーマンスの低下のせいで可能性がない。

ツールの磨耗を低減するために冷却剤の高圧ジェットの使用も検討されている。このようなアプローチが効果的にツールの摩耗を減らしはするが、いくつかの欠点がある。第１に、ジェットは、プロセスのコストと環境負荷を増大させる電力を消費する大規模なコンプレッサーを使用して加圧した冷却剤を必要とする。第２に、ジェットは、切削ツールインサート上の特定の場所に適用される必要がある。これは、切削ツールインサートに対して小口径の高圧ジェットの正確で再現性のある位置決めを必要とする。このアプローチは、高圧液体ジェットの管理に伴うオーバーヘッドが迅速に加工時間とコストを上げる生産環境では不可能である。第３に、高圧ジェットは、本明細書に開示されているように間接的にツールチップのインタフェースを冷却するよりも一乃至三桁の大きい液体の流量を必要とする。この事実は、劇的にコストと高圧ジェットを使用する環境負荷を増加させる。
他の一つのアプローチは、切削ツールインサートの上部に、液体窒素で冷却されたカップのような貯蔵器の一体化を含み、これは、ツールが固定する旋盤回転動作に対するツールの磨耗を減少させることが示されている。このアプローチは、比較的低い熱伝達効率は、本設計より大きい二乃至三桁の寒剤の流量を必要とする。貯蔵器は、切削ツールインサートの上に位置しているため、デバイスは、生産環境で使用することは困難である。旋盤回転中にインサートを割り出しする又は変更するために、オペレータは、極めて低温にある貯蔵器を、取り除きそして再接続する必要がある。これらの操作は、特別なトレーニングを必要とし、コストを増加させ、オペレータへの健康リスクを増加させる。これらの理由から、そのようなシステムが生産環境で使用されることはほとんどない。

ツールチップインタフェースへの低温流体の供給は、チタン合金の高速加工、セラミックマトリックス複合材料の高速加工、アルミニウム金属マトリックスの高速加工及び従来の切削油を使用せずに一般的な材料の環境に優しい加工を含む多くのアプリケーションに有用であると判断されている。本明細書中に使用されるように、用語低温又は寒剤は、約１１０Ｋ（−１６０℃）以下の温度で沸騰し、非常に低温を得るために使用される液体窒素（ＬＮ_２）などの液体を指す。このアプリケーションで極低温の液体を使用する主な利点は、ツールチップのインターフェースから熱を除去する手段として、冷媒の蒸発潜熱の使用である。単相流体による熱のゲインが温度上昇を伴う顕熱伝達とは対照的に、潜在的な熱伝達は、熱を吸収する手段として、蒸気の飽和液から蒸気への等温相変化を使用する。

効果的な冷却に必要な冷媒の量は、加工中のツールへの熱伝達率の関数である。機械加工動作に関連付けられた体積発熱

は、以下のように表される。

ここで、

、

及び

は、主剪断帯として知られている、加工中のひずみ速度、材料の流動応力、及びひずみ材料の量である。定数

は、顕熱として消費される変形エネルギーの割合を表す。金属の場合は、この定数の値は０．８以上である。主剪断帯で発生したエネルギーは、機械加工後又はツールに伝達される最終的なチップの発熱として現れることができる。ツールに流入する熱の割合は、ツール形状、材料、加工条件、および他の変数の関数である。確立された方法（分析及び計算）は、ツール

上の各切削縁部への最大熱伝達率を推定するために使用された。機械加工の高度な材料に関連する条件の大半については、熱伝達率は、切削縁部あたり２００Ｗの最大であった。大気圧下で、液体窒素（ＬＮ_２）の蒸発潜熱は、約１８０ジュール／グラムである。これは、切削縁部のすぐ近くに供給される場合、液体窒素（ＬＮ_２）の０．０７Ｌ／分（又は１．１グラム／秒）だけが切削縁部ごとに熱エネルギーを放散するために必要とされることを意味する。気体窒素（ＧＮ_２）の約１０倍の流量が、１０Ｋの温度差で熱の同量を除去するのに必要とされる。従って、ＬＮ_２の使用は、全体的な冷却材流量の要件を最小限に抑える。

寒剤は、ツールに達する前に固定源から真空断熱チューブを通り、加工ツールスピンドル内に取り付けられた他のハードウェアを通じて供給される。寒剤は、固定源を離れてツールに流れる際に飽和状態にある。飽和状態は、寒剤が流れる際に寒剤への熱のある入力が水蒸気に液体のいくつかの気化をもたらすことを意味する。ツール自体の上流にあるコンポーネントの重要な要素は、寒剤への熱漏れとして知られている環境から寒剤への熱伝達の最小化である。熱の漏れがゼロであることが行われることはなく、従って、寒剤が固定源を離れた後の流れは、液体と気体が同時に存在する二相流として知られている。寒剤への熱の漏れを最小限にすることは、二相流の液体分を最大にし、切削縁部での潜熱伝達量を増加し、効果的な冷却に必要な全体の流量を低減する。

寒剤は、回転ツールホルダー内に加工されたチャンネルに供給され、切削縁部からの効果的な熱除去を容易にする。寒剤は、これらのチャンネルを通じて切削要素の背面に形成されたキャビティに移動し、切削要素の切削縁部近くを効果的に冷却することができる。寒剤の合計流量が低い（切削縁部あたり０．０８Ｌ／分より低い）場合、流体は、インサートの背面のキャビティから安全に大気に排出され、その結果として、特別なクーラントリカバリー又は通気装置を必要としない。現在の見積もりに基づいて、最大で切削縁部あたり０．０７Ｌ／分が潜熱伝達に使用され、同時に、切削縁部あたり０．１Ｌ／分が上流の熱の漏れを吸収する。従って、切削縁部に流入する二相流の蒸気のクオリティーは、約０．１３である。寒剤の大きな流量（＞１Ｌ／分）を使用する必要性及びその関連した通気装置は、従来技術に関連して大幅な制限がある。上述のように、用語の寒剤は、ツールを介してクーラントの流れを説明するために使用される。本明細書に記載されたシステムに対し、用語の寒剤は、二相流であると理解される。
本発明は、標準のエンドミル及びその他の回転切削ツールを使用するように設計され、その結果として、容易に現在の製造業務と統合することができる。

図１は、エンドミル及び切削ツールインサートの作業端部の詳細図である。 図２は、図１に示されたインサートの後面を示す。 図３は、ツールチップインタフェースの直接的寒剤冷却及び間接的寒剤冷却の双方を有するエンドミルを示す。 図４は、インサートが除去された図３のエンドミルを示す。 図５は、寒剤を収容するキャビティを有するインサートの背面図である。 図６は、寒剤を収容するキャビティを有するインサートの前面図である。 図７は、一体的に形成されたフィンをもつキャビティを有するインサートの背面図である。 図８は、異なるツールの潤滑と冷却技術を使用してツール寿命に及ぼす表面速度の影響を示すグラフである。 図９は、回転ツールのツール寿命を示すグラフである。

図１は、概ね参照符号１０によって示されたエンドミルなどの回転切削ツールの端部を示す。インサート１２は、ねじ１３によってツール本体１１の端部のポケット１４に固定される。インサート１２は、インサートの隅部の周りを囲む切削縁部１５を有する。図示の特定のミルカッターは、互いに１８０度配置された二つのインサート１２を収容するための二つのポケット４を有するが、他の数のインサートを収容するポケットを有するエンドミルが当技術分野で知られている。また、インサートを有しないがワークピース又はカッター本体にろう付け又は取り付けられる切削要素を切削するための一体形成された溝を有する溝付きエンドミルが当該技術分野でもよく知られている。これらの加工の技術分野での実践は、本明細書中に記載された間接切削システムが一体の又は取り付けられた切削エッジを有するあるいはインサートを有するあらゆる回転ツールに適用されることができることを理解されるであろう。

図１に示すように、インサート１２は、後述するようにインサートの後面に適用された寒剤を有することにより間接的に冷却される。
寒剤は、スピンドル、又は、エンドミル１０が取り付けられたツールホルダーに連結する回転クーラントホルダー（図示せず）によって、回転切削ツール１０に供給される。チャンネル１７がエンドミル１０に形成され、クーラントをポケット１４のアウトレット１８に供給し、クーラントは、インサート１２の後面１６まで供給される。排出アウトレット１９がインサート１２の前部に形成され、気化した冷媒（ガス）が大気に放出されるのを許容する。

図２は、図１のインサート１２の背面を示す。キャビティ２１が、放電加工（ＥＤＭ）又は他の加工方法によって切削縁部１５と反対にあるインサートの後面１６に形成される。後面１６のキャビティ２１の位置は、インサートの切削縁部１５に近接して寒剤を供給する。インサート内のキャビティ２１によって作られた拡張された表面積は、インサートとアウトレット１８からキャビティに供給される寒剤との間の熱伝達を向上する。排出ポート２２は、キャビティ２１に形成され、インサートの前部に示された排出アウトレット１９と連通する。

使用時には、ツールのポケット１４の所定の位置にあるインサート１２で、寒剤は、チャンネル１７を通じて、寒剤がインサートの後面に形成されたキャビティ２１に入るアウトレット１８に供給される。寒剤は、インサートから熱を取り除き、熱の除去は、寒剤がキャビティ２１に入るアウトレット１８に隣接するインサートの切削縁部１５の領域で最も著しい。気化した寒剤（ガス）は、インサートの前部の排出ポート２２によってキャビティ２１から排出される。液体窒素の場合では、必要とされるクーラントの流れは、毎分１５リットルの流量の従来のクーラントを使用する流水冷却と比較して各切削縁部に対して約０．０８Ｌ／分である。

図３及び図４は、直接冷却ポート及び間接冷却ポートの双方の使用を通じて冷却する切削ツールを示すエンドミル２５の別の実施形態の詳細図である。エンドミル２５は、３つのインサート２６を収容するために３つのポケットを有する。寒剤は、適当な供給源からエンドミル２５の内部断熱チャンネル２７を通じて直接冷却チャンネル２８と間接冷却チャンネル２９とを形成するように流れを分割するツールの切削チップの方に流れる。インサート２６の一つだけに対する冷却チャンネルが示され、同様のチャンネルが他のインサート２６に対して提供される。直接冷却チャンネル２８は、ツールチップインターフェースに直接的に寒剤のストリーム３５を噴射するインサート２６から離間配置されたエンドミルのジェット開口３１に終端する。間接冷却チャンネル２９は、図１及び図２に関連して上述されたインサート２６の背面にクーラントを導くためにツールポケット３２に配置されたアウトレット３３にクーラントの流れを導く。

図５及び図６は、その一方だけが一度に使用される二つの切削縁部３７を有するインサート３６の後部３９及び前部４３をそれぞれ示す。インサート３６は、それらの後面３９に形成された二つの概ね矩形のキャビティ３８を有する。各キャビティ３８は、切削縁部３７に密接に隣接されるようにインサート３６に配置され、インサートの後部に適用される寒剤の冷却効果を最大にする。排出ポート４１がインサートの後面３９の各キャビティ３８に形成され、図６に示されたインサートの前面４３の排出アウトレット４２に導き、キャビティ３８からの温かくなった寒剤を大気中に排出する。

図７は、インサートの後面４７に形成された各キャビティ４６は一体フィン４８を含むインサート４５の別の形態を示す。フィン４８は、寒剤とインサート４５との間の増加した表面領域接触を提供し、インサートから寒剤への熱伝達をさらに強化する。各キャビティ４６は、排出ポート（図示せず）を含み、寒剤がインサートの前部に形成された排出アウトレットを通じて大気中に排出されるのを許容する。

テスト結果
加工が、従来の流水冷却を有する回転切削ツールと、図１及び図２に示された間接冷却システムを使用するインサート１２を有する回転切削ツールとを使用して行われた。各切削ツールの形状は、チタンのテストブロックで連続して四つのスロットを加工するために使用された。試験後、インサート１２は、取り除かれ、ツール摩耗を調べられた。逃げ面摩耗痕の平均程度を測定し、ツール寿命は、ツールを交換しなければならなかった前に許容される摩耗量として摩耗の０．３ｍｍの業界標準を使用して予測した。このテストは、流水冷却インサートに比べて、図１及び図２に示された間接冷却されたインサートに対するツール寿命が４７８％の増加を示す。

間接冷却を有する回転ツールに対するツール寿命テストの結果は、図３及び図４に示された実施形態に対して図８にプロットされた。テストは、２．５４ｃｍ（１．０インチ）の幅で０．０６２５の切削深さで切削する図３に示された三つのインサート２．５４ｃｍ（１インチ）エンドミルを使用して行われた。プロットは、標準的な合成クーラントの最大１５リットル／分を要求する従来の流水冷却をもつツールと比較して、２００ｆｔ／分近くの表面速度で、０．２３リットル／分の流量（３つの縁部に対する切削縁部あたり約０．０８Ｌ／分）でインサートの間接冷却を有するツールのツール寿命の増加は、上記表１に示されたツール摩耗結果と関連して示されたツール寿命の増加と同じであることを示す。この性能の改善は、従来のクーラントに比べて、ツールの寿命を短くしないで増加した切削速度を可能にすることによって加工コストを直接的に減少させる。この結果は、インサートの切削縁部近くの局所的な熱抵抗の重要性を示す。表面強化特徴を使用しないで図２又は図５に示されたインサートのシンプルなキャビティを加工することにより、ツール寿命は、実質的に改善される。

機械加工部品の表面粗さ、硬さ、及び残留応力の測定がツール寿命試験に使用するスロット付きチタン試料に対して行われた。表面粗さに関して、テストは、寒剤の０．１６リットル／分の流量（２つの縁部に対する切削縁部あたり約０．０８Ｌ／分）をもつ図１に示された実施形態に対応する切削ツールは、加工面粗さの条件で従来のクーラントの流れの１５リットル／分の流量での流水冷却の性能に少なくとも等しいことが証明された。間接インサートツールを有する切削ツールは実際にはより高い切削速度で加工部分の表面状態を改善し得ると考えられる。

表面硬度は、加工したスロットの幾何学的中心においてロックウェル試験機で測定した。テストされた加工面のすべてについては、ロックウェルＣ硬さは、未使用の無応力な材料より以下の約３ＲＣユニットであった。これは、結果の硬さと切削ツールの冷却方法論には相関がないことを示唆する。その結果、間接的なインサートツールを有する切削ツールは、ワークピースの材料の微細構造には予期しない影響を与えなかった。

残留応力分布は、Ｘ線回折を使用して測定した。残留応力は疲労寿命の指標である。間接インサート冷却を有する切削ツールに対する結果は、間接冷却は、従来の流水冷却と比較した場合に加工部品表面付近の残留応力分布上又はその部品の疲労寿命への悪影響を有していないことを示す。

テストのチタンブロックは、図３及び図４に示された実施形態の有効性を実証するために加工した。その加工は、二つの平行な深いポケットが垂直ＣＮＣ加工センターを用いて加工された公称６．９８５×２０．３２×５３．３４ｃｍ（２．７５×８×２１インチ）であるミル焼きなましＴｉ６Ａ１４Ｖのブロックで行われた。そのポケットの各々は、６．３５×９．０１７×５２．３２４ｃｍ（２．５×３．５５×２０．６インチ）の寸法を有する。このテストの目的は、間接的冷却ツールの性能を実証するため及びチタン疲労試験サンプルを作成するためであった。チタンブロックの外側は、６面全てにスキム切削された。証明中、加工は、インサートを交換する前に１６０分間（８分ごとに２０通過）間接冷却ツールを使用して行った。比較して、流水冷却を有する標準的なツールを用いて加工すると、加工は、インサートが間接的に冷却されるのと同じポイントまでインサートが摩耗される（０．３ｍｍの逃げ面摩耗）前に４６分間（２．２分で２１通過）実行された。これは、インサートの間接冷却が従来の流水のクーラント及び標準インサートよりもほぼ３．５倍のツール寿命を増加することを示す。疲労試験結果は、間接的なインサートの冷却法を用いて加工された切り取り試片は、従来の流水の冷却を使用して加工されたものと同等の疲労強度を有していることを確認した。

図９は、間接冷却システムを有する図３に示された回転ツールのツール寿命は、従来の流水冷却よりもほぼ６００％長いことを示す。ツール寿命は、０．３ｍｍの平均逃げ面摩耗に達する前に加工時間の量として計算される。０．３ｍｍの逃げ面摩耗の測定は、業界で受け入れられているツール寿命の基準とツール摩耗の測定を定義するＡＮＳＩ／ＡＳＭE Ｂ９４．５５Ｍ−１９８５（１９９５年を再確認）のセクション７と一致する。

図９は、流水冷却を有する標準的なインサートと、間接冷却システムを有する変更されたインサートとを使用して切削時間に対する平均逃げ面摩耗のプロットである。図９は、間接冷却システムを有する変更されたインサートが流水冷却を有する変更されていないインサートよりもはるかに摩耗が少ないことを示す。流水クーラントインサートが０．３ｍｍの逃げ面摩耗寿命の限界である時点（約３分）で、シンプルな正方形のキャビティのインサートを有する間接冷却システムは、０．０５ｍｍの逃げ面摩耗である。シンプルな正方形のキャビティのインサートを有する間接冷却システムを使用するさらなる加工は、９分後にそれを示し、間接冷却インサートは、０．３ｍｍの逃げ面摩耗寿命の限界の半分だけ達することを示す。

チタン合金を加工するための間接切削ツール冷却システムのアプローチは、実質的に切削ツールの温度を下げ、それによって、処理速度の大幅な増加を可能にする。間接的な切削ツールの冷却システムは、大幅にチタン要素の市場性を向上させ、他のアプリケーションでのチタンの使用増加につながる。

設計は、チタンすなわち、切削縁部の高速加工のために最も必要である冷却を導く。そうすることで、前述のように間接的な冷却が不必要に加工される部分を冷却することなく、切削ツールの温度を低下させる。最終的な結果は、処理速度の劇的な改善であり、処理コストを著しく減少させる。

従って、本発明を説明したが、様々な変更や修正が当業者に生じ、様々な変更や修正は、添付の特許請求の範囲に画定された発明の範囲内にある。

Claims (10)

1. ツール本体及び切削要素を有する回転ツールのための冷却システムであって、
   切削要素を取り付けるためのツール本体上の少なくとも一つの特定の領域と、
   極低温のクーラントと、
   切削要素の後面に対する周囲の温度よりも低い温度である、クーラントを導くためのツール本体の間接チャンネルと、
   間接チャンネルからクーラントを受け入れるための切削要素の後面に形成されたキャビティであって、キャビティのクーラントが切削要素を冷却するキャビティと、
   キャビティの排出ポートと、切削要素の後面の排出ポートに連結された排出アウトレットと、を備え、
   それによって、キャビティの中に流れるクーラントは、排出アウトレットを通じて大気に排出され、
   冷却システムは、同じワークピースを加工するときの従来の流水クーラントに必要とされる１５Ｌ／分の流量の１０パーセントよりも少ない流量を使用し、
   クーラントは、二相流であり、切削要素から熱を取り除くためにクーラントの蒸発潜熱を使用する、冷却システム。
2. 請求項１記載の冷却システムにおいて、
   キャビティに形成された複数のフィンを更に備え、
   それによって、複数のフィンは、切削要素からクーラントへの熱エネルギーの伝達を高める、冷却システム。
3. 請求項１記載の冷却システムにおいて、
   クーラントは、同じワークピースを加工するときの従来の流水クーラントに必要とされる１５Ｌ／分の流量の２パーセントよりも少ない流量を使用してワークピースを加工するときの切削要素の温度を減少することができる、冷却システム。
4. 請求項１記載の冷却システムにおいて、
   インサートにクーラントを噴射するためのツール本体上にある開口と、
   開口にクーラントを導くためのツール本体の直接冷却チャンネルと、を更に備え、
   それによって、切削要素は、切削要素に噴射されるクーラントによって及び切削要素の後面に適用されるクーラントによって冷却される、冷却システム。
5. 請求項１記載の冷却システムにおいて、
   切削要素は、切削ツールインサートである、冷却システム。
6. 請求項５記載の冷却システムにおいて、
   切削要素は、ツール本体にろう付けされる又は永久的に取り付けられる、冷却システム。
7. 請求項１記載の冷却システムにおいて、
   切削要素は、ツール本体と一体である、冷却システム。
8. 請求項５記載の冷却システムにおいて、
   インサートを収容するためにツール本体に形成された少なくとも二つのポケットと、
   各ポケットに取り付けられたインサートと、を更に備え、
   各ポケットは、インサートの後面にクーラントを導くための間接冷却チャンネルを有し、
   それによって、ツール本体の各インサートは、間接冷却によって冷却される、冷却システム。
9. 請求項８記載の冷却システムにおいて、
   ツール本体に取り付けられると共にインサートから離間された少なくとも二つのジェット開口と、
   ジェット開口にクーラントを供給するために各ジェット開口に連結された直接冷却チャンネルと、を更に備え、
   それによって、ジェット開口は、インサートにクーラントを直接噴射してインサートを冷却し、同時に、インサートは、インサートの後面のキャビティに供給されるクーラントによって間接的に冷却される、冷却システム。
10. 請求項３記載の冷却システムにおいて、
    クーラントの流量は、各切削縁部に対して０．０８Ｌ／分である、冷却システム。

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