JP6797913B2 - 極低温冷却されるボーリングツールの温度管理 - Google Patents

Description

この装置は、熱に関連した工作物の孔形状の歪みを抑えるための、極低温冷却されるボーリングツールの温度管理に関する。

極低温冷却剤を切削ツールに応用して切削縁部の摩耗を軽減することが、平削り、旋削、および他の金属切削工程において好都合であることが証明されている。極低温冷却される切削ツールをシリンダボーリングなどのボーリング作業に使用することは、ツールから大気に排出される冷却剤、およびツール内部の冷却剤流路からの極低温冷却剤の漏れにより、ツールからの極低温冷却剤がシリンダ壁部と接触することによって引き起こされる、孔の変形の原因となる場合があることが分かっている。ツール本体内部の冷却剤流路での漏れに関しては、切削挿入物を保持する調整可能カートリッジと切削機本体との間の界面を封止することは困難である。

冷却剤を孔内に排出しない、極低温冷却剤を使用するボーリング作業用切削ツールを作り出すことが、好都合なはずである。
ツール内部の冷却剤流路からの冷却剤の漏れが最小限にされる、極低温冷却剤を使用するボーリング作業用切削ツールを作り出すことが、好都合なはずである。

ボーリングツールの端面斜視図である。 工作物の円筒形の孔の中にある、図１のボーリングツールの側面図である。 切削ツール挿入物を保持するカートリッジの斜視図である。 切削ツール挿入物の下面の斜視図である。 挿入物の上面の斜視図である。 部分的に断面をとった、ボーリングツールの前部分の詳細斜視図である。 ボーリングツールの前部分の側断面図である。 図７に示されるセクション８の詳細図である。 図８に示される連結管の詳細図である。

図１は、参照符号１０で全体を示されるボーリングツールの、前端部の端面斜視図である。ボーリングツール１０は、概ね円筒形の外表面１２を有するツール本体１１と、ツールを回転駆動装置に連結するための軸柄端部１３と、工作物と係合する前端部１４とを有することができる。前端部１４は、複数の切削ツール挿入物１６を支持することができる。ボーリングツール１０は、ボーリングツール１０の軸柄端部１３から前端部１４まで延在して冷却剤を切削ツール挿入物１６に案内するツール本体の中の冷却剤送り通路１７を含む、ツール内部の冷却剤流路１５と、挿入物１６から軸柄端部１３まで冷却剤を戻すように案内するための複数の内部排出通路１８とを有してもよい。冷却剤流路１５は、ツール本体の中の径方向供給通路５２と、以下でより詳しく説明されるように切削ツール挿入物１６が取り付けられるカートリッジ３０の中の、カートリッジ供給通路５５も含む。

冷却剤送り通路１７は、ツールの回転軸２０に沿って配置されてもよく、内部排出通路１８は、送り通路１７とツールの外表面１２との間に配置されてもよい。内部排出通路１８は、ツール本体１１の外表面１２から間隔を空けて配置されて、ツール本体１１の外表面１２に対する、冷却剤の冷却効果を軽減することがきる。使用される冷却剤は、液体窒素（ＬＮ２）などの極低温冷却剤でも、産業上の機械加工作業で使用される他の任意の極低温冷却剤でもよい。冷却剤送り通路１７と内部排出通路１８はどちらも、プラスチックなどの極低温で共用可能な熱絶縁材料２１でライニングされてもよい。好ましい実施形態では、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の管またはライニングが使用されたが、他の材料が使用されてもよい。ボーリングツール１０は、ツールの前端部１４の外周部の周りに間隔を空けて配置される複数の切削ツール挿入物１６を有してもよい。各挿入物１６は、切削作業中に工作物と係合するアクティブ切削縁部３９を有してもよい。示されている実施形態では５つの切削ツール挿入物１６が存在しているが、必要に応じて、これより多い、または少ない切削ツール挿入物１６が提供されてもよい。

図２は、内燃機関などの工作物２３のシリンダ孔２４などの円筒形の孔の中にある、図１のボーリングツールの側面図である。それぞれの内部排出通路１８は、切削ツール本体１１の外表面１２に形成された排出ポート２６に連結される。排出ポート２６は、切削ツール本体１１の、切削ツール挿入物１６から離れたところに配置され、その結果、ツール本体１１の前部分の切削ツール挿入物１６のアクティブ切削縁部３９が、示されるようにシリンダ孔２４を貫通し、円筒形の孔２４から出た外側にあるとき、ポート２６は、円筒形の孔２４の外側にある。このように、ボーリングツール１０は、排出ポート２６と切削ツール挿入物１６のアクティブ切削縁部との間の軸方向距離２７が、ツール１０が使用されることになる孔２４の深さ２８よりも長くなるように設計される。

図３は、切削ツール挿入物１６を保持するカートリッジ３０の詳細図である。カートリッジ３０は、カートリッジ取付けボルト（図示せず）を受けてカートリッジ３０をツールの前端部１４に取り付けることができる１つまたは複数の取付け穴３１と、カートリッジ３０を屈曲させて、切削ツール挿入物１６のアクティブ切削縁部３９の位置を調整することによってツール１０の切削直径を調整する、径方向調整ねじ３５とを有してもよい。カートリッジ３０は、切削ツール挿入物１６を受けるポケット３２と共に形成されてもよい。切削ツール挿入物１６は、挿入物取付けボルト３４により、ポケット３２の後壁部３３に対して保持されてもよい。挿入物取付けボルト３４は、挿入物の上面３７と挿入物１６の下面３８との間に延在してもよい、挿入物取付けボルト穴３６を貫通することができる。

図４は、切削ツール挿入物１６の下面３８の斜視図である。下面３８は、挿入物１６の外縁部の周りに延在する、立てられた外側リム４１と、挿入物取付けボルト穴３６を囲む、立てられた内側リム４２とを有してもよい。立てられた外側リム４１と立てられた内側リム４２は、共通平面上にある。挿入物１６の立てられた外側リム４１と立てられた内側リム４２の間に、チャネル４３が形成されてもよい。切削ツール挿入物１６がカートリッジ３０に取り付けられるとき、挿入物の立てられた外側リム４１および立てられた内側リム４２はポケット３２の後壁部３３に当たり、以下でより詳しく説明されるように、チャネル４３と後壁部３３は冷却剤空洞４５を形成する。挿入物１６の２つの面に、挿入物排出ポート４７が形成されてもよい。挿入物排出ポート４７は、挿入物の下面３８に形成されるチャネル４３と通じ、挿入物１６がカートリッジポケット３２に取り付けられるとき、カートリッジ３０に形成されるカートリッジ排出通路４９と位置合わせされてもよい。

図５は、図４の切削ツール挿入物１６の上面３７の斜視図である。
図６は、部分的に断面をとった、ツールの前端部１４の上半分を示すボーリングツール１０の前面斜視図であり、図７は、ツールの前端部１４の上半分の側断面図である。カートリッジ３０は、ツール本体１１の前端部１４の座面５１に取り付けられ、切削ツール挿入物１６は、カートリッジ３０に取り付けられる。冷却剤流路１５は、ツール本体の中の軸方向冷却剤送り通路１７および径方向供給通路５２を含み、ならびにカートリッジ３０の中のカートリッジ供給通路５５を含む。ツール本体１１の中の径方向供給通路５２は、座面５１で終端する。径方向供給通路５２の上部分に供給伝達管５４が挿入され、径方向供給通路５２を、カートリッジ３０の中に形成されるカートリッジ供給通路５５と接合してもよい。以下でより詳しく説明されるように、カートリッジ供給通路５５は、挿入物１６の中の冷却剤空洞４５に冷却剤を送達することができる。供給伝達管５４は、カートリッジ３０の中に延在する部分６２を有してもよく、ツール本体１１の中にねじ込まれるねじ切り部分６０を有してもよい。

カートリッジ排出通路４９は、カートリッジ３０の中に形成され、ポケット３２からカートリッジ３０の底面５７まで延在してもよい。排出伝達管５８は、カートリッジ排出通路４９を、ツール本体１１の中に形成される、座面５１からツール本体１１の中に形成される内部排出通路１８まで延在する径方向排出通路５９と接合する。図１および図２に示されるように、内部排出通路１８は、ツールの軸柄端部１３に向かって、ボーリングツール１０に沿って軸方向に延在してもよく、排出ポート２６のうちの１つと通じていてもよい。内部排出通路１８は、極低温で共用可能な絶縁体でライニングされて、内部排出通路１８内の冷却剤とツール本体１１との間の熱伝達を最小限にすることができる。排出ポート２６は、図２に示されるようにツール本体１１が孔２４に完全に挿入されるとき、排出ポート２６が工作物２３の円筒形の孔２４の外側にとどまるように、ツール本体の外表面１２に配置されてもよい。

図８および図９において最もよく理解されるように、供給伝達管５４は、ねじ切り部分６０を有してもよく、ツール本体１１にねじ込まれてもよい。供給伝達管５４は、両端部にニップルを有してもよい。第１のニップル６１は、径方向供給通路５２をライニングする第１の絶縁管６６に圧入されてもよく、第２のニップル６２は、カートリッジ供給通路５５をライニングすることができる第２の絶縁管６７に圧入されてもよい。供給伝達管５４は金属で形成されてもよく、好ましい実施形態では、ステンレス鋼が使用された。他の材料または金属が使用されてもよい。第１の絶縁管６６および第２の絶縁管６７は、それぞれ、プラスチックやナイロンなどの、極低温で共用可能な熱絶縁材料から構成されてもよい。好ましい実施形態では、ＰＴＦＥ管が使用された。他の材料が使用されてもよい。

戻って図６および図７を参照すると、排出伝達管５８は、第１の端部でツール本体１１の径方向排出通路５９と通じ、第２の端部でカートリッジ３０の中に形成されるカートリッジ排出通路４９と通じることができる。排出伝達管は、金属で形成され、供給伝達管５４と同様の構成であってもよいが、異なるサイズで作られて、排出流の流量要件に対応してもよい。排出伝達管５８は、ねじが切られてもよく、ツール本体１１にねじ込まれてもよい。排出伝達管５８は、両端部にニップルを有してもよい。第１のニップル６３は、径方向排出通路５９をライニングする第３の絶縁管６８に圧入されてもよく、第２のニップル６４は、カートリッジ排出通路４９をライニングする第４の絶縁管６９に圧入されてもよい。第３の絶縁管６８および第４の絶縁管６９は、それぞれ、プラスチックやナイロンなどの極低温で共用可能な熱絶縁材料から構成されてもよい。好ましい実施形態では、ＰＴＦＥ管が使用された。他の材料が使用されてもよい。

冷却剤供給通路は、冷却剤送り通路１７から、切削ツール挿入物１６によって形成される冷却剤空洞４５まで延在してもよく、径方向供給通路５２と、供給伝達管５４の端部からカートリッジ３０を通ってカートリッジポケット３２の後壁部３３の供給出口７０まで延在するカートリッジ供給通路５５とを含んでもよい。供給出口７０は、挿入物１６の下面３８の立てられた外側リム４１と立てられた内側リム４２との間に形成される冷却剤空洞４５と位置合わせされる。

使用の際、極低温冷却剤は、外部供給源からツール本体１１の冷却剤送り通路１７に供給されてもよい。極低温剤は、冷却剤送り通路１７から、ツール本体１１の中に取り付けられる径方向供給ライン５２および供給伝達管５４に入ることができる。極低温剤は、供給伝達管５４から、カートリッジ供給通路５５に入ることができる。カートリッジ供給通路５５からの冷却剤は、挿入物１６の下面３８の冷却剤空洞４５に入ることができ、挿入物１６、特に、工作物２３と接触する挿入物の切削縁部３９を冷却する。冷却剤空洞４５内の極低温の冷却剤の気化分によって生じる排出物は、カートリッジ排出通路４９を通って切削ツール本体１１の中の排出伝達管５８、排出通路１８、そして冷却剤を大気に排出する排出ポート２６に送り出されてもよい。図２に示されるように、排出ポート２６は、工作物の孔２４の外側にあり、ポートからの極低温排出物の流れと工作物２３との間の大気バリアを保つ。

ツール本体１１の中の流路を通る極低温冷却剤の流れが、伝達管５４および伝達管５８の両端部と嵌合される絶縁管６６〜６９を含む、流路を形成する構成要素を冷却する。絶縁管６６〜６９の収縮は、金属の伝達管５４および伝達管５８の収縮より大きいので、絶縁管６６〜６９が収縮するとき、絶縁管６６〜６９は、第１の絶縁管６６および第２の絶縁管６７と供給伝達管５４との間、ならびに第３の絶縁管６８および第４の絶縁管６９と排出伝達管５８との間の封止を強める。伝達管５４および伝達管５８と接した絶縁管６６〜６９の収縮は、嵌合する部品の収縮率の差による漏れ防止用封止を生み出す。排出ポート２６をシリンダ孔２４の外側に配置すること、排出ポート２６を工作物材料２３から離すように向けること、ならびに冷却剤送り通路および内部排出通路の中の極低温剤が、これらの通路がツール本体１１とカートリッジ３０の間を横断する場所で漏れるのを防止することにより、極低温の冷却剤の孔２４に対する効果が軽減され、工作物内の円筒形の孔２４の真円度、直線性および円筒度が保たれる。

このように本発明を説明してきたが、当業者には、添付の特許請求の範囲によって定められる本発明の範囲に入ることが意図される、種々の修正および変更が明らかになろう。

Claims (14)

1. 冷却剤の漏れおよび冷却剤の排出によって生じる、工作物に対する極低温の冷却剤の効果を軽減する、極低温冷却されるボーリングツールであって、前記ボーリングツールが、
   切削ツール挿入物を保持するための少なくとも１つのカートリッジを有するツール本体と、
   前記切削ツール挿入物と、冷却剤を前記切削ツール挿入物から大気に案内するための前記ツール本体の内側にある少なくとも１つの内部排出通路とに、極低温冷却剤を供給するための前記ツール本体内部の冷却剤流路であって、
   前記切削ツール本体の中の供給通路と、前記カートリッジの中の供給通路とを備える、冷却剤流路と、
   前記切削ツール本体の中の前記供給通路を前記カートリッジの中の前記供給通路と連結するための供給伝達管と、
   前記切削ツール本体の中の前記供給通路の少なくとも一部をライニングする第１の絶縁管と、前記カートリッジの中の前記供給通路の少なくとも一部をライニングする第２の絶縁管とを備え、前記供給伝達管が、前記第１の絶縁管および前記第２の絶縁管の端部に圧入され、極低温冷却剤が前記冷却剤流路を通って流れるとき、前記供給伝達管ならびに前記第１の絶縁管および前記第２の絶縁管の収縮率により、前記絶縁管の前記圧入部の、前記絶縁管と前記供給伝達管の間の封止が強まり、前記冷却剤流路からの極低温冷却剤の漏れを防止する、極低温冷却されるボーリングツール。
2. 前記ツール本体の中の前記供給通路の少なくとも一部をライニングする前記第１の絶縁管に圧入される、前記供給伝達管の第１のニップルと、
   前記カートリッジの中の前記供給通路の少なくとも一部をライニングする前記第２の絶縁管に圧入される、前記供給伝達管の第２のニップルと
   をさらに備える、請求項１に記載の極低温冷却されるボーリングツール。
3. 前記供給伝達管に、ねじ切り部分をさらに備え、前記ねじ切り部分が、前記ツール本体にねじ込まれる、請求項２に記載の極低温冷却されるボーリングツール。
4. 前記切削ツール本体の中の冷却剤排出通路、および前記カートリッジの中のカートリッジ排出通路を備える前記内部排出通路と、
   前記切削ツール本体の中の前記冷却剤排出通路を前記カートリッジの中の前記カートリッジ排出通路に連結するための排出伝達管と、
   前記ツール本体の中の前記内部排出通路の少なくとも一部をライニングする第３の絶縁管と、
   前記カートリッジの中の前記カートリッジ排出通路の少なくとも一部をライニングする第４の絶縁管とをさらに備え、前記排出伝達管が、前記第３の絶縁管および前記第４の絶縁管の端部に圧入され、極低温冷却剤が前記冷却剤排出通路を通って流れるとき、前記排出伝達管ならびに前記第３の絶縁管および前記第４の絶縁管の収縮率により、前記絶縁管の前記圧入部の、前記絶縁管と前記排出伝達管の間の封止が強まり、前記内部排出通路からの極低温冷却剤の漏れを防止する、
   請求項１に記載の極低温冷却されるボーリングツール。
5. 前記ツール本体の中の前記内部排出通路の少なくとも一部をライニングする前記第３の絶縁管に圧入される、前記排出伝達管の第１のニップルと、
   前記カートリッジの中の前記カートリッジ排出通路の少なくとも一部をライニングする前記第４の絶縁管に圧入される、前記排出伝達管の第２のニップルと
   をさらに備える、請求項４に記載の極低温冷却されるボーリングツール。
6. 前記排出伝達管に、ねじ切り部分をさらに備え、前記ねじ切り部分が、前記ツール本体にねじ込まれる、請求項５に記載の極低温冷却されるボーリングツール。
7. 前記切削ツール挿入物を受けるために前記カートリッジに形成されるポケットと、前記ポケットに形成される後壁部と、
   前記切削ツール挿入物の下面に形成されるチャネルとをさらに備え、前記切削ツール挿入物が前記カートリッジに取り付けられるとき、前記挿入物の前記下面が、前記ポケットの前記後壁部に当たり、前記チャネルと前記後壁部が冷却剤空洞を形成して前記挿入物を冷却する、
   請求項４に記載の極低温冷却されるボーリングツール。
8. 前記冷却剤空洞に前記カートリッジの中の前記供給通路を連結するカートリッジ供給通路と、
   前記挿入物に形成され、前記カートリッジ排出通路に前記冷却剤空洞を連結する挿入物排出ポートとをさらに備え、前記カートリッジ供給通路からの冷却剤が、前記冷却剤空洞に入って前記挿入物を冷却し、前記冷却剤空洞の中の極低温の冷却剤の気化分によって生じる排出物が、前記内部排出通路を通って大気に送り出される、
   請求項７に記載の極低温冷却されるボーリングツール。
9. 前記内部排出通路から大気に極低温冷却剤を排出するための、前記ツール本体上の少なくとも１つの排出ポートと、
   前記切削ツール挿入物のアクティブ切削縁部とをさらに備え、前記少なくとも１つの排出ポートと前記切削ツール挿入物の前記アクティブ切削縁部との間の距離が、前記ボーリングツールが使用されることになる工作物の孔の深さよりも長くなるように、前記少なくとも１つの排出ポートが、前記ツール本体の、前記切削ツール挿入物から離れたところに配置され、それによって、前記ツール本体が前記孔に完全に挿入されるとき、前記少なくとも１つの排出ポートが、前記孔の外側にとどまって、前記少なくとも１つの排出ポートからの前記排出物の流れと前記工作物との間の大気バリアを保つ、
   請求項８に記載の極低温冷却されるボーリングツール。
10. 前記第１の絶縁管および前記第２の絶縁管が、ポリテトラフルオロエチレンの管から構成される、請求項１に記載の極低温冷却されるボーリングツール。
11. 前記供給伝達管が、金属で形成される、請求項１に記載の極低温冷却されるボーリングツール。
12. 前記供給伝達管が、ステンレス鋼で形成される、請求項１に記載の極低温冷却されるボーリングツール。
13. 前記第３の絶縁管および前記第４の絶縁管が、ポリテトラフルオロエチレンの管から構成される、請求項４に記載の極低温冷却されるボーリングツール。
14. 前記排出伝達管が、金属で形成される、請求項４に記載の極低温冷却されるボーリングツール。

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