JP6354070B2 - 切屑除去装置および切屑除去方法 - Google Patents

Description

本発明は、フライス切削等の切削加工において、加工物上に乗った切屑を送風により除去する切屑除去装置および切屑除去方法に関する。

フライス加工で平面切削を行った場合、加工物の水平面上に切屑が堆積する。加工物上の切屑は、切削油剤などの液体により洗い流すのが一般的である。切屑の除去に液体が使用できない環境、例えば、加工物を冷却できない、或いは、液体循環設備を設けることができないといった環境では、切屑を吸引して回収する方法や、圧縮空気噴射ノズルや送風機（ファン、ブロア）を使用して切屑を吹き飛ばす方法が用いられる。なお、液体が使用できない環境としては、熱間でのフライス加工が挙げられる。

特許文献１には、切削刃物の周辺に、吹出口と、この吹出口に送風を行う送風装置を設けた切屑除去装置が開示されている。

また、特許文献２には、加工工具による板材の切削部に向けて圧縮空気噴射ノズルから空気を噴射し、切屑を切削部から排除する切削除去装置が開示されている。

実開平５−４９３０９号公報 実願平５−５６３４５号公報

特許文献１では、送風開始後、一定時間が経過すると、加工物の加工面上に切屑が滞留してしまうという問題がある。また、切削対象が鉄系の材料である場合には、滞留した切屑を飛ばすために非常に大型の送風装置が必要となるが、切屑除去装置を設置する寸法が制約されるという問題もある。

また、特許文献２で提案された方法の場合では、圧縮空気噴射ノズルにより送風を行っているため、吹出口から遠方になると急激に風速が低下して、切屑を飛ばすために必要な風速を得ることが困難である。

本発明は、このような問題に対してなされたものであり、加工面上の切屑を効率よく排出することができる切屑除去装置および切屑除去方法を提供することを目的とする。

本発明は、上述の目的を達成するために、以下のような特徴を有している。
［１］ 加工物を切削する際に発生する切屑を除去する切屑除去装置であって、
加工物の水平面上の一端から他端に向って主送風を行う送風手段Ａと、
送風手段Ａとは別の角度から補助送風を行う送風手段Ｂと、を備え、
送風手段Ａの流れ場と送風手段Ｂの流れ場の少なくとも一部が交差する切屑除去装置。
［２］ 送風手段Ｂの送風は、加工物に対して垂直方向に送風を行う垂直成分を有する［１］に記載の切屑除去装置。
［３］ 送風手段Ｂの送風は、加工物に対して水平方向に送風を行う水平成分を有する［１］又は［２］に記載の切屑除去装置。
［４］ 送風手段Ａは、ファン又はブロアであり、
送風手段Ｂは、ファン、ブロア又は圧縮空気噴射ノズルである［１］乃至［３］のいずれかに記載の切屑除去装置。
［５］ 送風手段Ｂがファン又はブロアの場合には、該ファン又はブロアの送風を絞って加工物上に送るダクトを設ける［４］に記載の切屑除去装置。
［６］ 送風手段Ｂは、加工物を切削する切削刃が取付けられた主軸の回転部に設けられた羽根である［２］に記載の切屑除去装置。
［７］ 送風手段Ｂは、加工物を切削する回転する切削刃に設けられた羽根である［２］に記載の切屑除去装置。
［８］ ［４］に記載の切屑除去装置であって、
送風手段Ｂは、さらに、加工物を切削する切削刃が取付けられた主軸の回転部に設けられた羽根又は加工物を切削する回転する切削刃に設けられた羽根を有する切屑除去装置。
［９］ 送風手段Ａの送風の中心軸と送風手段Ｂの送風の中心軸は交わらない［１］乃至［８］のいずれかに記載の切屑除去装置。
［１０］ 加工物を切削する際に発生する切屑を除去する切屑除去方法であって、
加工物の水平面上の一端から他端に向って水平方向に主送風を行うと共に、該主送風とは別の角度から補助送風を行い、該２方向からの送風の流れ場の少なくとも一部を交差させる切屑除去方法。
［１１］ ２方向からの送風の中心軸は交わらない［１０］に記載の切屑除去方法。

本発明に係る切屑除去装置および切屑除去方法によれば、効率よく切屑を排出することができる。

加工物の加工面近傍に切屑が滞留する様子を示す図である。 切屑の滞留が連鎖的に発生する様子を示す図である。 切屑の排出方向と送風手段の風向きが順方向である場合を示す図であり、（ａ）は送風手段から送風を開始した直後の様子を示す図であり、（ｂ）は一定時間経過したときの様子を示す図である。 切屑の排出方向と送風手段の風向きが逆方向である場合を示す図であり、（ａ）は送風手段から送風を開始した直後の様子を示す図であり、（ｂ）は一定時間経過したときの様子を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る切屑除去装置の平面図である。 本発明の実施の形態１に係る切屑除去装置の側面図である。 本発明の実施の形態１に係る切屑除去装置をフライス加工装置の移動方向から見た図である。 本発明の実施の形態１に係る切屑除去装置の送風手段の送風方向を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る切屑除去装置の効果を示す図であり、切屑除去装置を側面から見た図である。 本発明の実施の形態１に係る切屑除去装置の効果を示す図であり、切屑除去装置を上から見た図である。 本発明の実施の形態１に係る切屑除去装置の変形例を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る切屑除去装置の平面図である。 本発明の実施の形態２に係る切屑除去装置の側面図である。 本発明の実施の形態２に係る切屑除去装置をフライス加工装置の移動方向から見た図である。 本発明の実施の形態２に係る切屑除去装置の切削刃周辺を拡大した図である。 本発明の実施の形態２に係る切屑除去装置の変形例を示す図であり、切削刃周辺を拡大した図である。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

発明者らは、加工面上に切屑が滞留する原因について検討を行った。

図１に示すように、加工物１の加工面に、送風手段３から水平方向に送風を行うと、加工面近傍に境界層２が発生する。境界層２では、送風手段３からの送風の速度が低下しており、切屑１ａが滞留する。図２に示すように、一度切屑１ａが加工物１上に滞留すると、滞留した切屑１ａの風下で風力不足となり、切屑１ａの滞留が連鎖的に起こる。

さらに、別の観点から検討した切屑１ａが滞留する原因を、図３および図４を用いて説明する。図３および図４は、加工物１を上から見た図である。加工物１は、時計回りに回転する切削刃４によって切削されている。切削刃４によって切削された直後の加工物１の切屑１ａは、紙面左側から右側に排出される。

切屑１ａの排出方向に対して、送風手段３の送風方向が順方向および逆方向とで、切屑１ａが滞留する様子を説明する。なお、切屑１ａは、切削条件により様々な形状となるが、ここでは、切屑１ａの形状は、螺旋形状であるとする。

図３は、送風手段３が切削刃４の左側に配置され、送風手段３の風向きが紙面左側から右側の場合、すなわち、切屑１ａの排出方向と送風手段３の風向きが順方向である場合である。

切屑１ａの排出方向と送風手段３の風向きが順方向である場合には、送風手段３が送風を開始した直後は、図３（ａ）に示すように、切屑１ａが紙面左側から右側へ流れはじめるが、図３（ｂ）に示すように、送風開始後、一定時間が経過すると、切屑１ａは、送風手段３から風を受ける面積が最小の状態、すなわち、切屑１ａの螺旋の中心軸が送風方向に揃った状態で、送風の流れ場上に滞留する。

図４は、送風手段３が切削刃４の右側に配置され、送風手段３の風向きが紙面右側から左側の場合、すなわち、切屑１ａの排出方向と送風手段３の風向きが逆方向である場合である。

切屑１ａの排出方向と送風手段３の風向きが逆方向である場合、送風手段３が送風を開始した直後は、図４（ａ）に示すように、切屑１ａが紙面右側から左側へ流れはじめる。そして、図４（ｂ）に示すように、送風開始後、一定時間が経過すると、切屑１ａは、送風手段３から風を受ける面積が最小の状態、すなわち、切屑１ａの螺旋の中心軸が送風方向に揃った状態で、送風の流れ場上に滞留する。

発明者らは、切屑１ａが境界層２に滞留するという問題に対しては、加工物に対して垂直方向に送風を行って境界層２を乱すことで、境界層２から切屑１ａを排出し、送風手段３の流れ場に入れることで境界層２に滞留する切屑１ａを除去できると考えた。

また、切屑１ａの螺旋の中心軸が送風方向に揃った状態で、送風の流れ場上に滞留するという問題に対しては、送風手段３とは別の角度から、送風を行うことで、切屑１ａの向きを変化させて、送風手段３からの送風を受けやすくし、切屑１ａを除去できると考えた。

そして、上述のような２つの原因による切屑１ａの滞留を低減させるためには、送風手段３とは別の送風手段によって、水平方向に送風を行う水平成分と垂直方向に送風を行う垂直成分を有するように、斜め上方から送風を行うことで効率的に切屑１ａを除去できると考えた。

［実施の形態１］
図５乃至図７は、本発明に係る切屑除去装置を、門型の汎用フライス加工装置（切削加工装置）に設置した例を示している。図５は、本発明の実施の形態１に係る切屑除去装置の平面図であり、図６は、その側面図であり、図７は、フライス加工装置の移動方向から見た図である。

フライス加工装置１００は、レール１２上を移動することにより、水平に置かれた加工物１の上面をＸ方向に移動する門型フレーム１３と、門型フレーム１３に設置されＹ方向に移動するクロスヘッド１４と、クロスヘッド１４に設置されＺ方向に移動する主軸１５で構成されている。主軸１５の先端には、切削刃１６が取り付けられている。

本発明に係る切屑除去装置は、主送風を行う送風手段１７と、送風手段１７とは別の角度から補助送風を行う送風手段１８とを有している。

送風手段１７は、門型フレーム１３のＹ方向の一端に固定され、門型フレーム１３のＸ方向の移動に追従して移動する。送風手段１７は、加工物１の上面を、Ｙ方向の一端から他端に向かって水平方向に送風を行う。送風手段１７は、Ｙ方向の一端から他端に向かって切屑１ａを排出する。送風手段１７は、Ｙ方向の一端から他端に向かって切屑１ａを運び出すため、所定の風力が必要となる。例えば、送風手段１７は、送風機（ファン又はブロア）によって構成することができる。一般に、ファンは、圧縮比が１．１以下のものをいい、ブロアは、圧縮比が１．１〜２．０程度のものをいう。

送風手段１８は、クロスヘッド１４に設置され、クロスヘッド１４のＹ方向の移動に追従して移動する。送風手段１８は、送風手段１７の流れ場と送風手段１８の流れ場の少なくとも一部が交差するように送風を行う。ここで、「流れ場の少なくとも一部が交差する」とは、互いの流れ場が影響し合う領域を有することをいう。ただし、両者の流れ場は、互いの流れを邪魔しないよう、主流である送風手段１７の流れ場の垂直断面において、送風手段１８の流れ場と交差する断面積が、全体の断面積の３０％以下であることが好ましい。なお、送風手段１７と送風手段１８が同程度の風量で、両者の流れ場の中心軸同士が交差する場合には、主流である送風手段１７の風向きが送風手段１８の送風によって変わってしまうため、本発明の排出効果が小さくなる。

送風手段１８は、加工物に対して斜め上方から送風を行う。

送風手段１８は、境界層を乱す、若しくは切屑１ａの向きを変えられることができればよいため、送風手段１７よりも風力の小さいものを用いることができる。例えば、送風手段１８は、ファン、ブロアの他、圧縮空気噴射ノズルを用いることができる。

図８は、本発明の実施の形態に係る切屑除去装置の送風手段の送風方向を示す図である。図８（ａ）および（ｂ）は、送風手段１７の送風方向と送風手段１８の送風方向との関係を示す概要図であり、図８（ａ）は、送風手段１７の送風方向と送風手段１８の送風方向との関係を上から見た図であり、図８（ｂ）は、送風手段１７の送風方向と送風手段１８の送風方向との関係を側面から見た図である。

図８（ａ）に示すように、送風手段１７と送風手段１８を上から見た場合、送風手段１７の中心軸と送風手段１８の中心軸とのなす角をθ_１とすると、｜θ_１｜が２０°〜１６０°となるように、送風手段１８を配置することが好ましい（斜線部分の範囲）。このように送風手段１８を配置することで、効率よく切屑１ａの向きを回転させることができる。なお、送風手段１８は、送風手段１７と同じ方向の送風成分を持たせることで、換言すれば｜θ_１｜を９０°以下とすることで、より大きな風力で、切屑１ａをＹ方向に排出することができる。

図８（ｂ）に示すように、送風手段１７と送風手段１８を側面から見た場合、送風手段１７の中心軸（水平方向）と送風手段１８の中心軸とのなす角をθ_２とすると、θ_２が２０°〜１６０°となるように、送風手段１８を配置することが好ましい（斜線部分の範囲）。これにより、効率よく境界層から切屑１ａを排出することができる。

なお、上述のようなθ_１の範囲と、θ_２の範囲は、いずれか一方のみを満足するように送風手段１８を配置してもよく、両方を満足するように送風手段１８を配置してもよい。

また、送風手段１７と送風手段１８は、送風の中心軸が交わらないように配することが好ましい。このように、送風の中心軸をオフセットするような向きに配置することで、互いの送風を邪魔せずに、それぞれの作用を阻害せずに済み、少量の風力で効率的に切屑１ａを除去することができる。

次に、このように構成された切屑除去装置の動作について説明する。

切削加工により発生した切屑１ａは、本発明に係る切屑除去装置により、以下の順序で除去される。
（１）大部分の切屑１ａは、送風手段１７からの風力によりＹ方向（図５の紙面下方から上方）に移動し、加工物１の上面から吹き飛ばされる。
（２）切屑１ａは、送風手段１７からの送風により発生する境界層に堆積するが、送風手段１８の垂直成分の送風を受けることにより、この境界層が乱されて、切屑１ａが境界層の外に追い出される。
（３）また、切屑１ａの一部は、送風手段１７の風向と切屑１ａの螺旋形状の軸方向が一致したところで送風手段１７からの送風の影響が小さくなり、一度は加工物１の表面に堆積するが、送風手段１８により螺旋形状の軸方向が、送風手段１７の風向とは異なる方向に回転させられる。
（４）境界層の外に追い出された切屑１ａおよび送風手段１７の風向とは異なる方向に回転させられた切屑１ａは、送風手段１７の風力を受けるようになり、送風手段１７の送風によってＹ方向に移動する推進力を受け、加工面から吹き飛ばされる。

なお、図５乃至７では、送風手段１７は、切削刃から切屑が排出される側に設置したが、門型フレームのＹ方向反対側に設置してもよい。また、Ｙ方向の両端に送風手段１７を設置し、切削方向やＹ方向の切削位置に応じて、両端の送風手段１７を切替えて使用してもよい。

このように構成された切屑除去装置の作用について説明する。図９および図１０は、本発明の効果を示す概要図である。

図９に示すように、送風手段１７から送風を行うことにより、加工物１の上面には、境界層が形成されるが、加工物１に対し送風手段１８から垂直成分の送風を行うことにより、切屑１ａを境界層から浮かすことができる。そして、境界層２から浮き上がった切屑１ａを、送風手段１７によって、加工面から排出することができる。

また、図１０に示すように、送風手段１７から送風を行うことにより、加工物１上に、切屑１ａの向きが送風手段１７の送風方向に揃って滞留するが、加工物１に対し送風手段１８から水平成分の送風を行うことにより、切屑１ａの向きを変化（回転）させることができる。そして、向きが変わった切屑１ａを、送風手段１７によって、加工面から排出することができる。

また、本発明では、２つの送風手段（送風手段１７と送風手段１８）を設置することにより、１つの送風手段を設置するよりも、それぞれの送風手段を小型化することができ、低コスト化、コンパクト化することができる。

本発明は、上記の実施の形態に限られず、種々の設計変更を行うことができる。例えば、上述の説明では、送風手段１８は、加工面の斜め上方から送風を行うとして説明したが、送風手段１７と別の角度であれば、垂直方向のみ若しくは水平方向のみに送風を行うように構成してもよい。

また、送風手段１８を、図１１に示すように、送風機（ファン又はブロア）１８Ａと、送風機１８Ａの吹出口に設置された先細のダクト１８Ｂにより構成してもよい。圧縮空気噴射ノズルよりも風力の大きい送風機１８Ａと、送風機１８Ａの吹出口に設置された先細のダクト１８Ｂを用いることで、十分な風力を得ると共に、ダクト１８Ｂにより送風手段１７の気流を邪魔しないような方向から風力を絞って送風することにより、任意の方向から送風することができる。

また、送風手段１８として圧縮空気噴射ノズルを使用してもよい。圧縮空気噴射ノズルを使用すれば、気流の圧力源を、配管等で別の場所に設置することができるというメリットがある。圧縮空気噴射ノズル自体は小型であるため、Ｚ方向に昇降する主軸１５に取り付けることが可能となる。主軸１５に取り付けた圧縮空気噴射ノズルは、切削刃１６と一体となって移動するため、常に加工物の表面に気流を当てることができる。ファン又はブロアといった送風機に比べると、圧縮空気噴射ノズルは、送風面積が小さくなるため、切削刃１６の近傍でスポット的に切屑１ａを浮き上がらせる場合により効果的である。

［実施の形態２］
図１２乃至１５は、本発明の実施の形態２に係る切屑除去装置を示す図である。実施の形態２では、実施の形態１の送風手段１８の代わりに、送風手段１９が設けられている。なお、他の構成については、実施の形態１とほぼ同一であるため、同一符号を付すことによりその説明を省略する。

図１２乃至図１５は、本発明の実施の形態２に係る切屑除去装置を、門型の汎用フライス加工装置（切削加工装置）に設置した例を示している。図１２は、本発明の実施の形態２に係る切屑除去装置の平面図であり、図１３は、その側面図であり、図１４は、フライス加工装置の移動方向から見た図である。また、図１５は、切屑除去装置の切削刃周辺を拡大して示した図である。

実施の形態２では、切削刃１６が取付けられる主軸１５の回転部１５ａに、複数の羽根を取り付けたものを、送風手段１９としている。送風手段１９は、加工物１に対して垂直方向から補助送風を行う。送風手段１９は、主軸１５に設置され、主軸１５のＹ方向の移動に追従して移動する。送風手段１９は、送風手段１７の主送風の流れ場と送風手段１９の補助送風の流れ場とが立体的に交差するように送風を行う。

送風手段１９は、境界層を乱す、若しくは切屑１ａの向きを変えられることができればよいため、送風手段１７よりも風力の小さいものを用いることができる。送風手段１９の風力は、切削工具の回転数、羽根の形状、角度、枚数により適宜設定することができる。

たとえば、切削工具の回転数は切削条件で決まるため、送風手段１９の風力を小さくするために、羽根の枚数を減らして、羽根の水平面に対する角度を小さくすればよい。

送風手段１９の羽根は、回転時に切削刃１６が偏心しないよう、２枚以上を回転部１５ａに等間隔に設置させることが好ましい。
送風手段１７と送風手段１９は、送風の中心軸が交わらない（オフセット）ように配することが好ましい。このように、送風手段１７と送風手段１９の送風の中心軸をオフセットするように配置することで、互いの送風を邪魔せずに、それぞれの作用を阻害せずに済み、少量の風力で効率的に切屑１ａを除去することができる。

送風手段１９の送風中心は、主軸１５と同一であるため、送風手段１７の主送風の中心軸を主軸１５の中心からずらすことで、送風手段１７と送風手段１９の中心とをオフセットさせることができる。

次に、このように構成された切屑除去装置の動作について説明する。

切削加工によって発生した切屑１ａは、本形態の切屑除去装置により、以下の順序で除去される。
（１）大部分の切屑１ａは、送風手段１７からの風力によりＹ方向（図１２の紙面下方から上方）に移動し、加工物１の上面から吹き飛ばされる。
（２）切屑１ａは、送風手段１７からの送風により発生する境界層に堆積するが、送風手段１９の垂直成分の送風を受けることにより、この境界層が乱されて、切屑１ａが境界層の外に追い出される。
（３）また、切屑１ａの一部は、送風手段１７の風向と切屑１ａの螺旋形状の軸方向が一致したところで送風手段１７からの送風の影響が小さくなり、一度は加工物１の表面に堆積するが、送風手段１９の垂直成分の送風を受けることにより螺旋形状の軸方向が、送風手段１７の風向とは異なる方向に回転させられる。
（４）境界層の外に追い出された切屑１ａおよび送風手段１７の風向とは異なる方向に回転させられた切屑１ａは、送風手段１７の風力を受けるようになり、送風手段１７の送風によってＹ方向に移動する推進力を受け、加工面から吹き飛ばされる。
なお、図１２乃至１４では、送風手段１７は、切削刃１６から切屑が排出される側に設置したが、門型フレームのＹ方向反対側に設置してもよい。また、Ｙ方向の両端に送風手段１７を設置し、切削方向やＹ方向の切削位置に応じて、両端の送風手段１７を切替えて使用してもよい。

図１６は、本発明の実施の形態２の変形例を示す図である。図１６では、送風手段１９の羽根が、切削刃１６に取付けられている。このように、送風手段１９は、切削刃１６自体に取付けるようにしてもよい。

なお、補助送風を行う送風手段として、実施の形態１の送風手段１８と実施の形態２の送風手段１９を組み合わせて用いてもよい。具体的には、主送風を行う送風手段１７と、補助送風を行う送風手段１８（図１５）および送風手段１９（図１６）を設けるように構成してもよい。

１ 加工物
１ａ 切屑
２ 境界層
３ 送風手段
４ 切削刃
１２ レール
１３ 門型フレーム
１４ クロスヘッド
１５ 主軸
１６ 切削刃
１７ 送風手段
１８ 送風手段
１８Ａ ファン又はブロア
１８Ｂ ダクト
１９ 送風手段
１００ フライス加工装置

Claims (7)

1. 加工物を切削する際に発生する切屑を除去する切屑除去装置であって、
   加工物の水平面上の一端から他端に向って主送風を行う送風手段Ａと、
   送風手段Ａとは別の角度から補助送風を行う送風手段Ｂと、を備え、
   送風手段Ａの流れ場と送風手段Ｂの流れ場の少なくとも一部が、前記加工物の加工面で交差し、
   前記送風手段Ｂの送風は、加工物に対して水平方向に送風を行う水平成分を有し、前記送風手段Ａと送風手段Ｂを上から見た場合に、前記送風手段Ａの中心軸と送風手段Ｂの中心軸とのなす角をθ _１ とすると、｜θ _１ ｜が９０°以下となるように前記送風手段Ａおよび送風手段Ｂが配置される切屑除去装置。
2. 送風手段Ｂの送風は、加工物に対して垂直方向に送風を行う垂直成分を有する請求項１に記載の切屑除去装置。
3. 送風手段Ａは、ファン又はブロアであり、
   送風手段Ｂは、ファン、ブロア又は圧縮空気噴射ノズルである請求項１または２に記載の切屑除去装置。
4. 送風手段Ｂがファン又はブロアの場合には、該ファン又はブロアの送風を絞って加工物上に送るダクトを設ける請求項３に記載の切屑除去装置。
5. 送風手段Ａの送風の中心軸と送風手段Ｂの送風の中心軸は交わらない請求項１乃至４のいずれかに記載の切屑除去装置。
6. 加工物を切削する際に発生する切屑を除去する切屑除去方法であって、
   加工物の水平面上の一端から他端に向って水平方向に主送風を行うと共に、該主送風とは別の角度から前記水平方向に補助送風を行い、該２方向からの送風の流れ場の少なくとも一部を前記加工物の加工面で交差させ、
   前記主送風と前記補助送風を上から見た場合に、前記主送風の中心軸と前記補助送風の中心軸とのなす角をθ _１ とすると、｜θ _１ ｜が９０°以下となるように前記主送風および前記補助送風を行う切屑除去方法。
7. ２方向からの送風の中心軸は交わらない請求項６に記載の切屑除去方法。

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