JP7076355B2 - 内部冷却空洞を有する回転切削工具 - Google Patents

Description

本出願は、２０１４年１月３１日に出願された「Ｒｏｔａｒｙ Ｃｕｔｔｉｎｇ Ｔｏｏｌ Ｗｉｔｈ ａｎ Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｃｏｏｌｉｎｇ Ｃａｖｉｔｙ」と題された米国仮特許出願第６１／９３４，２５７号に対する優先権を主張し、その開示の全体が参照によって本明細書に組み込まれその一部とされる。

本発明は、流路の形状が工具の外形に追従し、ワークピースから離れた場所において工具から冷媒が排出される、極低温に冷却される工具のための冷却流路設計に関する。

インコネル、チタニウム、コバルトなどの六方格子構造を有するワークピース材料は、極低温の流体がその材料の表面に与えられると強靱化し加工がより困難になる。このため、このような材料の加工の際には、極低温冷媒を使用するにあたり、極低温の冷媒をワークピースに噴霧するよりも、内部から切削工具を冷却するのが有利である。

切削刃に対する冷却を増やすと、切削速度の増大が可能になる。例えば、チタニウム材料において切削速度が１００％増大すると、熱は３０％増大する。これは、切削刃の熱を３０％減少させると、本来の動作温度を超過することなく、切削刃を２倍の切削速度で動作させ得るということを意味する。本来の切削速度の２倍の切削速度で動作する工具は、同じ量の材料を半分の時間で切削することができる。

切削工具の分解側面断面図である。 切削工具のコア及びコアに取り付けられたブッシングの透視図である。 組み立てられた切削工具を図示する側面図である。 図３の線４－４に沿った断面図である。 図３の線５－５に沿った断面図である。 ドリル本体及びドリル本体に取り付けられたブッシングの側面図である。 組み立てられた図６のドリル本体及びブッシングの側面図である。 図７のドリル本体及びブッシングの端面図である。 図７の線９－９に沿った断面図である。 図７の線１０－１０に沿った断面図である。 図８の線１１－１１に沿った組み立てられたドリル本体及びブッシングの透視図である。 捩れたフルートを有するドリルの透視図である。

図１は、切削工具５０の分解側面断面図である。切削工具５０は、概して円筒形の本体５４を備え、円筒形本体５４は、その長手軸に沿って後方面５６から前方面５８に近接する位置まで延在する中央止まり穴５５を有する。低温流送達路は、円筒形本体５４の前方面５８に近接して形成され得て中央穴５５と交差し得る半径方向穴５２によって形成される。低温流送達路は、前方面５８に配置され得る切削刃に近接するように配置される。長手方向溝５９は、円筒形本体５４の外面の前方部分６０に沿って半径方向穴５２から後方面５６に向かう位置まで形成され得る。長手方向溝５９は、半径方向穴５２によって形成される低温流送達路の下流にあり、極低温冷媒のための帰還路を形成する。長手方向溝５
９は、前方部分６０の外周の周りに成された排出マニホルド溝６１と交差し得る。図示された実施形態において、長手方向溝５９は、円筒形本体５４に形成された肩部分６２において終わり得る。肩部分６２は、長手方向溝５９が形成された円筒形本体５４の前方部分６０の径よりも大きな径を有する。ブッシング６４は、ブッシング６４の後方面６５が肩部分６２に当接するまで、円筒形本体５４の前方部分６０の上に挿入され得る。ブッシング６４は、円筒形本体５４の前方部分６０の上に密接に嵌合することを可能にするような内径を有する穴６６を有し得る。排出口６８は、穴６６の内部に、ブッシング６４の後方面６５に近接して形成され得る。ブッシング６４の長さは、切削工具５０の前方部分６０の長さにほぼ等しくてよい。ブッシング６４が定位置にあると、長手方向溝５９は、円筒形本体５４の前方部分６０の半径方向穴５２からブッシング６４の後方面６５に近接して形成された排出口６８に至る長手方向の流れ路を形成する。円筒形本体５４及びブッシング６４は、高速度鋼、工具鋼、カーバイド又は切削工具装置の製造に通常使用される任意の他の材料から作られてよい。

図２は、円筒形本体５４の前方部分６０及びブッシング６４の透視図である。長手方向溝５９は、前方部分６０に沿って半径方向穴５２から肩部分６２まで形成され得る。半径方向穴５２は長手方向溝５９と交差し、長手方向溝は排出マニホルド溝６１と交差する。

図３は、組み立てられた切削工具５０を図示する側面図である。貫通通路７６を有する断熱材料７０のスリーブは、中央の長手方向止まり穴５５に設置され得る。断熱材料７０のスリーブは長手方向穴５５内に位置し、穴５５の盲端に、切削工具５０の前方面５８に近接して前方冷媒空洞７２を形成する。半径方向穴５２は、冷媒空洞７２を長手方向溝５９に結合する。断熱スリーブ７０は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）又は他の適切な断熱材料からなり得る。断熱スリーブ７０は、スリーブ７０を通って前方冷媒空洞７２へと送達される冷媒による熱利得を妨げて、冷媒の極低温の維持を助ける。ブッシング６４の端部の排出口６８は、工具５０の切削部分の端部に、排出マニホルド溝６１から大気に至り、冷媒がワークピースを冷却して強靱化することを防止するために冷媒をワークピースから離間させる方向へ送る出口穴を形成する。切削工具５０は、切削工具５０が従来の方法で主軸に設置され得るように工具保持部７５に取り付けられ得る。少なくとも１つのフルート５７は、切削工具の前方面５８に形成され得、図４に図示されるように、切削刃７８は、フルート７７の外縁に形成され得る。

図３に図示される切削工具５０を組み立てるために、前方部分６０は、長手方向溝５９を形成するために加工され得、半径方向穴５２が、溝５９を前方冷媒空洞７２に接続するために形成され得る。明確にするために、長手方向溝５９は直線状のものとして示されているが、もしも最終的な切削工具が螺旋状のフルートに形成された螺旋状の切削刃を備えるならば、螺旋状の溝が用いられることは理解されよう。次いで、ブッシング６４がコアの前方部分６０の上に嵌合され得る。次いで、組み立てられた本体５４及びブッシング６４は、互いに融着するように焼結され得る。円筒形本体５４及びブッシング６４の前方面５８は、フルート５７を形成するために加工され得、次いで、ブッシング６４の外面は、フルート７７を形成するために加工され得る。切削刃７８を形成するために、工具の表面のフルート５７は研がれ得、工具の外側円筒形面のフルート７７は研がれ得る。或いは、切削刃７８は、フルート５７及び７７の端部にろう付け又は他の方法で固定されてもよい。次いで、断熱スリーブ７０が、本体５４の止まり穴５５に嵌入される。他の組み立て方法が使用されてもよい。

図４は、図３の線４－４に沿った断面図である。半径方向穴５２は、止まり穴５５の端部に形成された冷媒空洞７２から本体の前方部分６０に形成された長手方向溝５９への通路を提供する。半径方向穴５２は、切削工具の前方面５８に形成され得るフルート５７と位置が揃い近接する位置にある。長手方向溝５９は、ブッシング６４の外面に形成された
フルート７７及び切削刃７８と位置が揃い近接する位置にある。半径方向穴５２及び長手方向溝５９内の冷媒は、工具の前方面５８の切削刃及び工具の外周の切削刃７８から熱を除去することに有効である。単純化のために、図３及び図４のフルート７７は、直線状のものとして図示されたが、螺旋状のフルートも用いられてよい。フルート７７が直線状のものとして図示されているので、長手方向溝５９も直線状のものとして図示されているが、螺旋状のフルートを有する切削工具においては、溝がフルートの経路に追従するように螺旋状の溝も用いられてよいことは理解されよう。

図５は、図３の線５－５に沿った断面図である。長手方向溝５９は、フルート７７の最も外側の末端部の近くで、工具本体の前方部分に形成された切削刃７８の隣に位置する。長手方向溝５９は、工具保持部及び主軸に向かって後ろ方向に開口し、排出口６８を介して大気に開口する。排出口６８は、工具の前部から離間させる方向へ冷媒を送り、ワークピースを冷却して強靱化することを防止する。

使用に際しては、冷媒源が、切削工具５０の後方面５６及び断熱材料７０のスリーブに形成された通路７６に結合される。冷媒は、工具５０の後方面５６から止まり穴の端部に形成された冷媒空洞７２へと流れ、冷媒空洞７２の端部から半径方向穴５２を通って工具の前方部６０に形成された長手方向溝５９の端部に流入する。冷媒は、長手方向溝５９に沿って工具の前方面５８から後方面５６に向かって流れ、排出口６８に到達する。排出口６８は、大気への冷媒の出口穴を形成し、ワークピースから離間させる方向へ冷媒を送る。使用される冷媒は、－１９６℃の温度を有する液体窒素などの極低温冷媒でよく、又は他の極低温冷媒が使用され得る。非極低温冷媒も使用され得る。半径方向穴５２及び長手方向溝５９内の冷媒は、工具の面５８のフルート及び切削刃５７に対して、及び工具の長さ方向に沿った切削刃７８に対して、冷媒空洞７２内の冷媒よりも著しく近くにあり、切削刃がより低い温度で動作することを可能にする。

工具５０の外面のフルート７７は、本明細書において説明される設計から逸脱することなく、右回り、左回り、可変性、ジグザグ状、又は直線状であり得る。冷媒空洞内の冷媒の冷却効果を最大化するために、冷媒空洞及び冷媒のための流れ路の内側形状は、工具の外形に密接に追従しなくてはならない。このようにして、熱源である工具の切削刃とフルート７７内の冷媒との間の距離は最小化され、結果として空洞内の冷媒によって最大限に熱が吸収される。

図示された装置は、穴加工工具、ドリル、リーマ、エンドミル、ねじフライス削り、ねじ切り工具、プレス超硬インサート（ｐｒｅｓｓｅｄ ｃａｒｂｉｄｅ ｉｎｓｅｒｔ）に適用できる。

回転工具によって生じる遠心力は、冷媒を冷媒空洞７２から半径方向穴５２の最も外側の端部へと移動させ、次いで長手方向溝５９を通って排出口６８へと移動させる。
図６から図１１は、ドリルなどの切削工具に冷却が施された装置の実施形態を示す。図６は、ドリル本体８０及び以下により完全に説明されるドリルを作り出すためにドリル本体８０の前端部８４に嵌合するブッシング８２の側面図である。ドリル本体８０の前端部８４は、ブッシング８２に形成された止まり穴８６に嵌入するための縮径部分８５を有する。ブッシング８２の止まり穴８６は、ドリル本体８０の縮径部分８５の上に密接に嵌合する寸法である。ドリル本体８０は、図７に図示されるようにドリル本体８０の端部９１から本体の前端部８４の縮径部分８５まで延在する軸方向止まり穴８８を、軸端部９０に有する。交差ドリル孔９２は、縮径部分８５に、縮径部分８５の外面から以下により完全に説明されるドリル本体の止まり穴８８の端部に形成された冷媒空洞８９まで形成される。溝９４は、以下により完全に説明される完成したドリルにおける冷媒のための通路を提供するために、縮径部分８５の長さ方向の一部分に沿って形成され得る。溝９４は、Ｕ字
形路９３に沿って工具８０の切削部の開始部分の交差ドリル孔９２から縮径部分８５の先端部９５まで延在した後、工具の切削部分の端部に向かって戻るように延在し得る。各Ｕ字形路９３は、低温流送達路９６と、クロスオーバー部分９７と、帰還路９８とを備え得る。各低温流送達路９６は、交差ドリル孔９２と連通し得、各帰還路９８は、ブッシング８２の端部９９とドリル本体８０の軸端部９０に形成された肩部１００との間に形成された排出間隙１０１と連通し得る。

図７及び図１１は、組み立てられたドリル本体８０及びブッシング８２の側面図である。ＰＴＦＥなどの断熱材料のスリーブ８７は、ドリル本体８０からの熱利得から極低温冷媒を断熱するために、止まり穴８８に挿入され得る。冷媒空洞８９は、工具の中央で、スリーブ８７の端部と止まり穴８８の端部との間に形成され得、交差ドリル孔９２は冷媒空洞８９と交差し得る。ブッシング８２の外面は、図８及び図９から最もよくわかるように、ドリルフルート１０２を形成するために加工され得、フルート１０２は、切削刃１０４を形成するために研がれ得る。低温流送達路９６は、工具の軸１０３に沿って冷媒空洞８９から工具の先端部１０６まで延在する。クロスオーバー流路９７は、工具の先端部１０６に配置され、帰還路９８は、工具の先端部１０６から工具の軸端部９０まで延在する。

図８は、図７のドリル本体８０及びブッシング８２の端面図である。ブッシング８２は、ブッシングの長さ方向に沿って２つのフルート１０２を形成するために加工され得るが、所望によって、他の個数のフルートがブッシング８２に形成されてよい。切削刃１０８を有する尖った先端部１０６が、２つのフルート１０２の合併によって形成され、動作中には、尖った先端部１０６を包囲する切削刃１０８が、穿孔動作中に最も多い量の材料を除去する。その結果、切削刃１０８及び尖った先端部１０６は、切削動作中に、ドリルの他の部分よりも熱くなり、したがって、ドリルのこの部分は冷却から最も大きな恩恵を受ける。低温流送達路９６は、切削工具の外周のフルート１０２の切削刃１０４に近接して位置し、帰還路９８は、フルートの後縁１１０に隣接する。各Ｕ字形路９３のクロスオーバー部分９７は、低温流送達路９６を帰還路９８に接続し、尖った先端部１０６の切削刃１０８に近接する。ブッシング８２は、当技術分野において周知であるように、３つ以上のフルートを形成するために加工されてもよい。

図７～図１１の組み立てられたドリルを製造するために、まずブッシング８２がドリルの本体部分８０の縮径部分８５の上に嵌合される。次いで、ブッシング８２及び縮胴部分８５が、互いに融着するように焼結される。次いで、フルート１０２がブッシング８２に形成され、フルートは、フルートの研がれた刃１０４を形成するために仕上げ研削される。フルートの研がれた刃１０４がドリル本体８０の縮径部分８５に形成された低温流送達路９６と尖った先端部１０６の切削刃１０８とに隣接するように、フルート１０２はブッシング８２の外面に形成される。次いで、断熱材料のスリーブ８７が、本体部分８０の止まり穴に挿入される。

使用に際しては、冷媒は、断熱スリーブ８７を通ってドリル本体８０に進入し、断熱スリーブ８７の端部と止まり穴８８の端部との間に形成された冷媒空洞８９に集まる。冷媒空洞８９内の冷媒は、交差ドリル孔９２を通って低温流送達路９６へと流れ、低温流送達路９６からクロスオーバー部分９７を通って帰還路９８へと流れ、帰還路９８から排出マニホルド溝１０１、排出口９９及び大気へと流れる。低温流送達路９６は、冷媒をドリルの研がれたフルート１０４のできる限り近くに位置させ、クロスオーバー部分９７は、冷媒をドリルの先端部の切削刃１０８のできる限り近くに位置させて、ドリルのこれらの領域から冷媒によって除去される熱を最大化する。帰還路９８は、冷媒が大気へ排出されてワークピースから遠ざけられ得るように、ドリルの先端部１０６から離れた工具の切削部分の端部に配置された排出間隙１０１に、冷媒を送る。これによって、極低温冷媒がワークピースに影響を及ぼして強靱化することが防止される。使用される冷媒は、－１９６℃
の温度を有する液体窒素などの極低温冷媒でよく、又は他の極低温冷媒が使用され得る。非極低温冷媒も使用され得る。

図１２は、捩れたフルートを有するドリル１１２の透視図である。図示されるドリル１１２は、捩れて螺旋を形成する２つのフルート１１４を有する。フルート１１４は、尖った先端部１１６で終わっている。図６～図１１に関連して示され、説明された構成は、図１２に図示される捩れた２つフルートを有するドリルに適用され得る。当業者には理解されるであろうように、捩れたフルートを有するドリルは、３つ以上のフルートが形成されてもよい。

上記のように装置について説明したが、様々な修正及び改変が当業者には思い浮かぶであろう。これらの修正及び改変は、添付の特許請求の範囲に規定される装置の範囲内にある。

Claims (20)

1. 極低温冷媒によって内部から冷却される回転切削工具であって、
   円筒形本体であって、
   前記円筒形本体の長手方向軸に沿って延在する中央穴と、
   前記中央穴と流体連通する半径方向穴によって形成されるとともに、前記中央穴から半径方向外側に延在する複数の低温流送達路と、
   前記長手方向軸に沿って延在し、前記円筒形本体の外面に沿って形成されるとともに、前記半径方向穴と流体連通する長手方向溝と、を有する円筒形本体と、
   前記円筒形本体の外面に密接に嵌合する内径を有するブッシングであって、前記円筒形本体および前記長手方向溝の上に密接に嵌合して、前記半径方向穴から前記ブッシングの後方面に近接して前記ブッシング内に形成された１以上の排出口まで延在する長手方向の流れ路を形成するブッシングと、
   複数のフルートであって、それぞれワークピースを切削する切削刃を前記ブッシング上のフルートの外縁または端部に有する複数のフルートと、
   を備える回転切削工具。
2. 前記円筒形本体は、前記ブッシングとともに焼結されている、請求項１に記載の回転切削工具。
3. 前記長手方向溝は、前記低温流送達路の下流にあり、極低温冷媒のための帰還路を形成する、請求項１に記載の回転切削工具。
4. 前記長手方向溝は、前記切削刃に近接する、請求項１に記載の回転切削工具。
5. 前記半径方向穴は、前記円筒形本体の前方面に近接して形成される、請求項１に記載の回転切削工具。
6. 前記円筒形本体の前方部分の外周の周りに形成され、前記長手方向溝と交差する排出マニホルド溝をさらに備える、請求項１に記載の回転切削工具。
7. 前記円筒形本体は、肩部分と前方部分とを含み、前記肩部分は、前記前方部分よりも大きい直径を有する、請求項１に記載の回転切削工具。
8. 前記ブッシングは、前記円筒形本体の前記前方部分に挿入され、前記ブッシングの後方面が前記肩部分に当接するまで軸方向に移動されている、請求項７に記載の回転切削工具。
9. 前記切削刃は、前記フルートにろう付けされている、請求項１に記載の回転切削工具。
10. 前記中央穴内に配置された断熱材料のスリーブをさらに備える、請求項１に記載の回転切削工具。
11. 極低温冷媒によって内部から冷却される回転切削工具を製造する方法であって、
    略円筒形本体を準備するステップであって、前記円筒形本体は、前記円筒形本体の長手方向軸に沿って延在する中央穴を有する、準備するステップと、
    前記中央穴と流体連通する、半径方向外側に延在する複数の低温流送達路を形成するステップと、
    前記長手方向軸に沿って延在するとともに、前記低温流送達路と流体連通する長手方向溝を、前記円筒形本体の外面に沿って形成するステップと、
    ブッシングを準備するステップであって、前記ブッシングは、前記円筒形本体の外面に密接に嵌合する内径を有し、前記円筒形本体の上に密接に嵌合して、これにより少なくとも部分的に前記長手方向溝から形成され、かつ前記低温流送達路から前記ブッシングの後方面に近接して前記ブッシング内に形成された１以上の排出口まで延在する長手方向の流れ路を形成する、準備するステップと、
    それぞれが前記ブッシング上のフルートの外縁または端部にワークピースを切削する切削刃を有する、複数のフルートを形成するステップと、
    を備えた回転切削工具を製造する方法。
12. 前記円筒形本体を、前記ブッシングとともに焼結するステップをさらに含む、請求項１１に記載の回転切削工具を製造する方法。
13. 前記長手方向溝を形成するステップにおいて、前記長手方向溝を前記低温流送達路の下流に配置して、これにより極低温冷媒のための帰還路を形成する、請求項１１に記載の回転切削工具を製造する方法。
14. 前記長手方向溝を形成するステップにおいて、前記長手方向溝を前記切削刃に近接して配置する、請求項１１に記載の回転切削工具を製造する方法。
15. 前記低温流送達路を形成するステップにおいて、前記円筒形本体の前方面に近接して前記低温流送達路を形成する、請求項１１に記載の回転切削工具を製造する方法。
16. 前記円筒形本体の前方部分の外周の周りに、前記長手方向溝と交差する排出マニホルド溝を形成するステップをさらに備える、請求項１１に記載の回転切削工具を製造する方法。
17. 前記円筒形本体上に肩部分と前方部分とを形成するステップをさらに備え、前記肩部分は、前記前方部分よりも大きい直径を有する、請求項１１に記載の回転切削工具を製造する方法。
18. 前記ブッシングの後方面が前記肩部分に当接するまで、前記ブッシングを前記円筒形本体の前記前方部分に挿入するステップをさらに備える、請求項１７に記載の回転切削工具を製造する方法。
19. 前記切削刃を前記フルートにろう付けするステップをさらに備える、請求項１１に記載の回転切削工具を製造する方法。
20. 前記中央穴内に断熱材料のスリーブを挿入するステップをさらに備える、請求項１１に記載の回転切削工具を製造する方法。

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