JP7231305B2 - モジュール式回転切削工具 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、米国特許法第１２０条に従って、２０１７年８月２１日に出願された米国特許出願番号第１５／６８１，８１１号の優先権を主張し、当該出願の全内容はここに引用することにより組み込まれる。

本発明は、概ね回転切削工具に関し、具体的には、切削ヘッドおよび切削ヘッドを収容するための支持体を備える、モジュール式回転切削工具、例えばドリルなどに関する。

回転工具の一つのタイプは、二つの連結部品、即ち、支持体および切削ヘッドを備えるモジュール式回転工具である。切削ヘッドは、支持体のポケット構造に交換可能に取り付けられる。残念ながら、これらの設計では、特に不均一または傾斜した面でドリル加工作業中に発生する半径方向および軸方向の力は、ポケット構造の過度の弾性変形または最終的な塑性変形を引き起こす可能性があり、ピーク負荷と破損につながる可能性がある。

本発明の実施形態は、回転切削工具の中心長手方向軸に対して傾斜した挟持面を設けることにより、ポケット構造の過度の応力と変形に関連する問題に対処することに関し、それにより、ドリル加工作業中の支持体内の切削ヘッドの望ましくない動きを防ぐ。本発明によって対処される別の問題は、切削ヘッドの重要な領域の応力の低減にある。

本発明の一態様では、回転軸に沿って軸方向に延在する回転工具用の切削ヘッドは、前方切削部と、外周面を有する連結ピンであって、連結ピンは、ピン前部とピン後部とに分割され、ピン前部は周方向溝を有し、連結ピンは、ピン後部に形成されたトルク面と、ピン前部に形成された挟持面とを有する、連結ピンと、軸方向に有効な軸方向の抜け防止のための停止面と、を備え、挟持面は、前方切削部の方向に半径方向内側に向かってにテーパ状である。

本発明の別の態様では、一対の対向する支持構造体を備える支持体を有する回転軸に沿って軸方向に延在する回転工具が提供される。各支持構造体は、連結ピン受け部を画定する内周面を有し、内周面は前部受け部と後部受け部とに分割され、後部受け部は周方向溝を備え、前部受け部は挟持面を備え、後部受け部は停止面を備える。回転工具は、支持体の連結ピン受け部に収容されることができる切削ヘッドをさらに備え、切削ヘッドは、前方切削部と；外周面を有する連結ピンであって、連結ピンはピン前部とピン後部とに分割され、ピン前部は周方向溝を有し、ピン後部はトルク面を備え、ピン前部は挟持面を備える、連結ピンと；軸方向に効果的な軸方向の抜け防止のための停止面と；を備え、支持体の挟持面と切削ヘッドは、前方切削部の方向に半径方向内側に向かってテーパ状である。

本発明のさらに別の態様では、一対の対向する支持構造体を備える支持体を有し、回転軸に沿って軸方向に延在する回転工具が提供される。各支持構造体は、連結ピン受け部を画定する内周面を有し、内周面は前部受け部と後部受け部とに分割され、後部受け部は周方向溝を備え、前部受け部は挟持面を備え、後部受け部は停止面を備え、切削ヘッドは支持体の連結ピン受け部に収容されることができる。切削ヘッドは、切削直径Ｄを規定する前方切削部と、外周面を有する連結ピンであって、連結ピンはピン前部とピン後部とに分割され、ピン前部は周方向溝を備え、ピン後部はトルク面を備え、前部ピン部は挟持面を備える、連結ピンと、軸方向に効果的な軸方向の抜け防止のための停止面と、を備え、支持体および切削ヘッドの挟持面は、回転軸に対してゼロではない、２．５度～６．０度の第二の傾斜角α２で、前方切削部の方向に半径方向内側に向かってテーパ状であり、支持体の停止面と切削ヘッドとの間にギャップが存在し、ギャップの距離は、支持体によって規定される直径Ｄのゼロパーセントより大きく約１パーセントまでである。

本発明のこれらおよび他の態様は、本明細書および図面を検討することにより、より完全に理解される。

本発明の様々な実施形態が例示されているが、示される実施形態は、特許請求の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更および修正を行うことができると予想される。

図１Ａは、本発明の実施形態による、支持体および切削ヘッドを備える回転工具の一部の斜視分解立体図である。 図１Ｂは、切削ヘッドが支持体中に挿入された場合の図１Ａによる回転工具の一部の斜視図である。 図２Ａは、本発明の一実施形態による切削ヘッドの斜視図である。 図２Ｂは、図２Ａによる切削ヘッドの底面図である。 図２Ｃは、互いに対して９０°回転した図２Ａによる切削ヘッドの側面図である。 図２Ｄは、互いに対して９０°回転した図２Ａによる切削ヘッドの側面図である。 図３Ａは、本発明の実施形態による、図１Ａおよび１Ｂに記載される回転工具について、図２Ａ～２Ｄによる切削ヘッドを収容するための支持体の斜視図である。 図３Ｂは、図３Ａによる支持体の上面図である。 図３Ｃは、図３Ｂの交差線Ｃ－Ｃに沿った断面図である。 図４Ａは、本発明の一実施形態による回転工具の拡大上面図である。 図４Ｂは、図４Ａの交差線４Ｂ－４Ｂに沿った断面図である。 図４Ｃは、図４Ｂから切り取った、支持体の停止面と切削ヘッドの停止面と間のギャップの拡大図である。 図５は、本発明の実施形態の支持体の切削ヘッドおよび連結ピン受け部上の様々な位置におけるギャップ距離対応力のシミュレーション結果を示すグラフである。 図６は、本発明の実施形態の支持体の切削ヘッドおよび連結ピン受け部上の様々な位置における挟持面角対応力のシミュレーションの結果を示すグラフである。 図７は、挟持セグメントおよびトルクセグメントの両方が軸方向に対して比較的大きな傾斜角で形成される従来の切削ヘッド上の様々な位置における挟持面角対応力のシミュレーションの結果を示すグラフである。

ここで図１Ａおよび１Ｂを参照すると、本発明の実施形態による回転工具２が示されている。回転工具２は、回転軸６に沿って軸方向に延在する。回転工具２は、通常動作中は回転軸６を中心に回転方向に、周方向８に回転する。

例示の実施形態では、回転工具２は、支持体１０と、支持体１０に交換可能に取り付けることができる切削ヘッド１２とを備えるモジュール式回転ドリル切削工具を備える。しかし、本発明は、モジュール式回転ドリル切削工具の用途に限定されない。回転工具はまた、例えば、フライス工具または別の種類の回転工具、例えばリーマー、タップなどであってよい。

図１Ａ～２Ｄを参照すると、切削ヘッド１２は、前方切削部１３と、前方切削部１３から軸方向に離れて延在する（したがって、軸方向後方に）連結ピン１４とを有する。切削ヘッド１２の前方切削部１３は、切削直径ＤＣを画定する（図２Ｄを参照）。その周囲に、切削ヘッド１２は、切削ヘッド１２に始まり、支持体１０に配置される機能的に適合性のある溝に連続的に合体する、対向する溝１６によって中断される外周面１５を有する。例示的な実施形態では、溝１６は形状が実質的に螺旋状である。しかし、別の実施形態では、溝１６は真っ直ぐであってもよいことが理解されよう。

以下、本明細書で使用する場合、支持体１０上の要素は文字「ａ」で、切削ヘッド１２上の要素は文字「ｂ」で識別される。

図３Ａ～３Ｃを参照すると、支持体１０の前側は、溝１６によって分断される二つの対向する支持構造体１８を有する。図３Ｂに示すように、支持構造体１８は、約４５度～約６０度の角度範囲にわたって円周方向に延在する。各支持構造体１８は、前部接触面２２ａを備え、これらの面２２ａは、回転軸６に実質的に垂直な共通の水平面上に配置されている。前部接触面２２ａは、共通の水平面に対してある角度で形成される平坦または円錐状のいずれかであることができる。

図３Ａに見られるように、支持構造体１８の内周面２４ａは、切削ヘッド１２の連結ピン１４を受け入れるための連結ピン受け部２０を画定する。連結ピン受け部２０は、水平方向に、すなわち回転軸６に垂直に延在するベース２５ａを備える。センタリング穴２６ａは、ベース２５ａ内に配置され、回転軸６と実質的に同心である。さらに、好ましい実施形態では、回転工具２は、支持体１０内に配置される一つまたは複数の冷却剤チャネル２８ａを備えてよく、この冷却剤チャネル２８ａはベース２５ａを通って出て、切削ヘッド１２内に配置される対応する冷却剤チャネル２８ｂと流体連通する。回転工具２はまた、溝１６を通って出る冷却剤チャネル２８ａ、２８ｂの一方または両方から延在する補助冷却剤チャネル２９（図３Ｂ）を備えることができる。

連結ピン受け部２０は、二つの部分、すなわち前部受け部４０ａと後部受け部４２ａに分割される。図３Ａに示すように、支持体１０の内周面２４ａは、トルク面３０ａと挟持面３２ａとを備える。図３Ｃに示すように、トルク面３０は、中心の回転軸６に実質的に垂直である同じ平面内にはない。図３Ａに示すように、後部受け部４２ａは、そこに形成される周方向溝３６を備える。前部受け部４０ａと後部受け部４２ａとの間には、停止面３８ａが形成されている。

再び図２Ａ～図２Ｄを参照すると、切削ヘッド１２の連結ピン１４は、前方切削部１３に対して軸方向後方に延在する。連結ピン１４は、外周面１５から半径方向内側にずれている。支持体１０の連結ピン受け部２０の内周面２４ａに対応して、連結ピン１４はトルク面３０ｂおよび挟持面３２ｂが形成された外周面２４ｂを有する。支持体の面３０ａ、３２ａと同様に、切削ヘッド１２のトルクおよび挟持面３０ｂ、３２ｂは、周方向８に互いに対してずれている。

切削ヘッド１２はまた、前方切削部１３と連結ピン１４との間の移行部に形成される二つの水平ヘッド軸受面２２ｂを備える。一実施形態では、ヘッド軸受面２２ｂは、共通の略水平面に配置され、溝１６によって分離されている。

支持体１０の連結ピン受け部２０と同様に、切削ヘッド１２の連結ピン１４は、二つの部分、すなわちピン前部４０ｂとピン後部４２ｂとに分割される。例示の実施形態では、ピン前部４０ｂは、溝１６が介在する部分的な周方向溝３７を備える。ブレンドＲ部２３ｂは、周方向溝３７とヘッド軸受面２２ｂとの間の移行部として形成される。換言すると、ブレンドＲ部２３ｂは、ピン前部４０ｂとヘッド軸受面２２ｂとの間に延在する。

また、挿入ピン２６ｂ（例えば、形状が略円筒形）は、連結ピン１４から延在しており、回転軸６に対して同心円状に形成される。挿入ピン２６ｂは任意であり、支持体１０に（例えば、図１Ａに示すようにセンタリング穴２６ａに）取り付けられる場合、切削ヘッド１２の第一のセンタリング補助として用いるためにのみ形成される。切削ヘッド１２は、支持体１０に取り付けられる場合、挟持面３２ａおよび３２ｂによっても中心に置かれることに留意されたい。

ここで、切削ヘッド１２の図２Ｂおよび２Ｃならびに支持体１０の図３Ｂを参照すると、切削ヘッド１２の連結ピン１４および支持体１０の連結ピン受け部２０は、略矩形の形状である。つまり、トルク面３０ａ、３０ｂは、矩形の長辺上に形成され、挟持面３２ａ、３２ｂは、トルク面３０ａ、３０ｂから約９０度をなしている矩形の短辺上に形成される。

例示的な実施形態では、ヘッド１２および支持体１０のそれぞれにおける上記の「二つの部分」（すなわち、ピン前部４０ｂおよびピン後部４２ｂ、ならびに前部受け部４０ａおよび後部受け部４２ａ）は、二つの機能ゾーンまたは機能面を形成する。例示の実施形態では、ピン前部４０ｂは、ピン後部４２ｂよりも半径方向内側にある。さらに、ピン前部４０ｂは、ピン後部４２ｂに対して軸方向にずれている。挟持面３２ａおよび３２ｂは前部４０ａ、４０ｂ内に形成され、トルク面３０ａ、３０ｂは後部４２ａ、４２ｂ内に形成される。換言すると、支持体１０の挟持面３２ａは前部受け部４０ａ内に形成され、支持体１０のトルク面３０ａは後部受け部４２ａ内に形成される。同様に、切削ヘッド１２のトルク面３０ｂはピン後部４２ｂ内に形成され、切削ヘッド１２の挟持面３２ｂはテーパ状のピン前部４０ｂ内に形成される。

図２Ｃおよび２Ｄを参照すると、小さなブレンドＲ部３９ｂは、停止面３８ｂと周方向溝３７との間の移行部として配置されている。連結ピン１４は、ピン後部４２ｂの直径Ｄ１と、テーパ状のピン前部４０ｂの最小直径ｄ１とを画定する。図３Ｃに示すように、支持体１０は外径Ｄを有する。一実施形態では、最小直径ｄ１の支持体１０の外径Ｄに対する比は、約０．６０～約０．８０の範囲内にある。換言すると、０．６０≦ｄ１／Ｄ≦０．８０である。また、最小直径ｄ１のピン後部４２ｂの直径Ｄ１に対する比は、約０．６０～約０．９５であり、換言すると、０．６０≦ｄ１／Ｄ１≦０．９５である。さらに、直径Ｄ１の支持体１０の外径Ｄに対する比は、約０．６５～約０．９５の範囲にある。換言すると、０．６５≦Ｄ１／Ｄ≦０．９５である。

比ｄ１／Ｄが０．６０未満の場合、連結ピン１４がより弱く、また冷却剤穴の利用可能空間がより少なくなり、一方、比が０．８０を超える場合、連結ピン１４により多くの断面空間を想定する必要があるため、支持体１０がより弱くなる可能性があることが分かった。同様の考察が、ｄ１／Ｄ１の比に当てはまることが分かった。したがって、比が０．６０未満の場合、連結ピン１４はより弱くなり、比が０．９５より大きい場合、支持体１０はより弱くなる。

さらに、比ｄ１／Ｄ１が０．６０未満の場合、連結ピン１４が弱くなり、それにより切削ヘッド１２の強度を大きく損ない、一方、比が０．９５を超える場合、ブレンドＲ部２３ｂと３９ｂに利用可能な空間を損ない、軸方向の支持のための表面積が不十分になることが分かった。

切削ヘッド１２のピン前部４０ｂは、ヘッド軸受面２２ｂと停止面３８ｂとの間の距離によって規定される回転軸６に沿った方向にピン前部長さＬ１を有する。同様に、支持体１０の前部受け部４０ａは、ピン前部４０ａの軸方向長さＬ１にほぼ等しい軸方向長さを有する。

切削ヘッド１２のピン後部４２ｂは、停止面３８ｂとベース面２５ｂとの間の距離によって規定される回転軸６に沿った方向に延在するピン後部長さＬ２を有する。同様に、支持体１０の後部受け部４２ａは、ピン後部４２ｂの軸方向長さＬ２にほぼ等しい軸方向長さを有する。

一実施形態では、ピン前部の長さＬ１とピン後部の長さＬ２はほぼ等しい。別の実施形態では、ピン前部の長さＬ１とピン後部の長さＬ２は、好ましくは約３０パーセント～５０パーセント異なる。換言すると、ピン前部の長さＬ１は、ピン後部の長さＬ２の約０．３０倍～約０．５０倍異なる。図２Ｃおよび図４Ｂに示すように、ピン前部の長さＬ１および後ピン後部の長さＬ２を組み合わせて、ピン全長Ｌ３を定義する。図３Ｃに示すように、ピン全長Ｌ３の支持体１０の外径Ｄに対する比は、約０．３０≦Ｌ３／Ｄ≦０．４５の範囲内である。ピン全長Ｌ３の直径Ｄ１に対する比はまた、０．３５≦Ｌ３／Ｄ１≦０．７０の範囲内とすることができる。さらに、トルク面３０ｂ間の距離ｄｘの支持体１０の直径Ｄに対する比は、約０．４０≦ｄｘ／Ｄ≦０．６５の範囲内である。同様に、トルク面３０ｂ間の距離ｄｘの直径Ｄ１に対する比は、約０．４５≦ｄｘ／Ｄ１≦０．８０と表すことができる。例えば、直径Ｄが約１６ｍｍの支持体を備える回転工具の場合、連結ピン１４のトルク面３０ｂ間の距離は約６．４ｍｍ～約１０．４ｍｍの範囲とすることができ、ピン全長Ｌ３は約４．８ｍｍ～約７．２ｍｍの範囲とすることができる。

比ｄｘ／Ｄの値が０．４０未満の場合、連結ピン１４が弱くなり、一方、比が０．６５を超える場合、半径方向で測定したトルク面３０ａ、３０ｂの長さが短くなり、支持体１０のトルク面３０ａの後方の材料の量が大幅に減少するため、支持体が弱くなることが分かった。同様の考察は、ｄｘ／Ｄ１の比に当てはまることが分かった。したがって、ｄｘ／Ｄ１の比の値が０．４５未満の場合、連結ピン１４はより弱くなり、一方、値が０．８０を超える場合、トルク面３０ａ、３０ｂは不十分に小さくなり、支持体１０はより弱くなる。

さらに、比Ｌ３／Ｄが０．３０未満の値の場合、トルク伝達のための表面積が小さすぎ、過剰な接触圧力をもたらすことが分かった。また、挟持表面積が減少し、挟持動作およびセンタリング動作が損なわれる可能性がある。比が０．４５よりも大きい場合、重大な欠点は、（支持体１０の）柔軟性が過剰になり、その結果、あまり効果的に切削ヘッド１２を所定の位置に保持できない。同様の考察は、比Ｌ３／Ｄ１に当てはまることが分かった。したがって、比Ｌ３／Ｄ１が０．３５未満の値の場合、トルクの伝達および挟持のための面積はより小さくなり、比が０．７０よりも大きい場合、支持体１０の柔軟性は過剰となる。

さらに、連結ピン受け部２０は、連結ピン受け部長さＬ４を有する。例示の実施形態では、ピン全長Ｌ３と連結ピン受け部の長さＬ４は実質的に等しく、ヘッド軸受面２２ｂが前部接触面２２ａに接触し、ピンベース面２５ｂが支持体１０のベース２５ａに接触する。別の実施形態では、ピンベース面２５ｂが支持体１０のベース面２５ａに接触しないように、ピンの全長Ｌ３は連結ピン受け部長さＬ４よりも短い。

ここで図４Ｂおよび４Ｃを参照すると、停止面３８ａ、３８ｂは、回転軸６に対して第一の傾斜角α１で形成される。第一の傾斜角α１は、好ましくは約４５度～約８５度の範囲であり、最も好ましくは約６０度～約７５度の範囲である。例示的な実施形態では、第一の傾斜角α１は約７０度である。あるいは、停止面３８ａ、３８ｂは、回転軸６に実質的に垂直な水平方向（すなわち、回転軸６に対して約９０°）に延在してもよい。

図４Ｃを参照すると、停止面３８ａおよび３８ｂは、支持体１０の直径Ｄに応じて、回転軸６を横断する方向に長さ数ミリメートル延在する。一例では、停止面３８、３８ｂは、支持体１０の直径Ｄが約１６ｍｍの回転ドリル切削工具の場合、約０．５ｍｍ～約１．５ｍｍ延在する。

一実施形態では、回転軸６方向の様々な側面３０ａおよび３０ｂ、３２ａおよび３２ｂの、隣接する面２２ａおよび２２ｂ、３８ａおよび３８ｂ、２５ａおよび２５ｂへの移行領域は、丸みを帯びているかまたはテーパ状である。

図４Ｂを参照すると、本発明の一態様では、連結ピン１４および連結ピン受け部２０は、機械加工作業中に支持体内に切削ヘッド１２を確実に保持するのに十分な挟持力を生成する自動ロック機能を備える。具体的には、自動ロック機能は、支持体１０の挟持面３２ａおよび切削ヘッド１２の挟持面３２ｂをそれぞれ備え、前方切削部１３の方向に、半径方向内側にテーパ状のダブテール設計を有する。例示の実施形態では、挟持面３２ａ、３２ｂは、回転軸６に対してゼロではない第二の傾斜角α２で形成される。換言すると、挟持面３２ａ、３２ｂは、円錐台または円錐部を形成し、その中で母線は第二の傾斜角α２で回転軸６と交差する。第二の傾斜角α２は、好ましくは約２．０度～約６．０度の範囲である。一実施形態では、第二の傾斜角α２は約２．５度～約５．０度の範囲である。例示的な実施形態では、第二の傾斜角α２は約２．８５度である。第二の傾斜角α２の目的は、機械加工作業中に回転切削工具２に生じる応力を低減することであり、以下の図５～図７でさらに説明する。

切削ヘッド１２を支持体１０に組み立てるために、切削ヘッド１２および連結ピン１４は、連結ピン受け部２０内に軸方向に（すなわち、回転軸６に沿って）挿入される。この位置では、切削ヘッド１２は、図１Ａおよび図１Ｂに示される位置に対して約９０度回転する。支持体１０に最初に挿入される場合、切削ヘッド１２の挿入ピン２６ｂは、支持体１０に対して切削ヘッド１２を位置決めするためのセンタリング機能を提供する。ベース面２５ａ、２５ｂを相互に接触させ、切削ヘッド１２全体を連結ピン受け部２０内の回転軸６の周りを周方向８とは反対の方向に回転させる。

ベース面２５ａ、２５ｂの初期接触と終端位置との間のこの中間位置では、停止面３８ａおよび３８ｂは、確実な後方への把持力を形成して、切削ヘッド１２の軸方向の引き抜きを防止する。挟持面３２ａおよび３２ｂは、圧力嵌めを形成し、切削ヘッド１２を旋回点４４（図４Ｂ）の周りに旋回させて、切削ヘッド１２を支持体１０に挟持する。この中間位置では、半径方向の挟持力は、支持構造１８の挟持面３２ａから連結ピン１４の挟持面３２ｂ上に加えられる。切削ヘッド１２を支持体１０に対してさらに回転させることができない終端位置では、対応するトルク面３０ａおよび３０ｂが互いに接触する。作動中、支持体１０によって加えられる力は、トルク面３０ａ、３０ｂを介して切削ヘッド１２に伝達され、前部接触面２２ａおよびヘッド軸受面２２ｂを介して伝達される。

一実施形態では、図４Ｃに示すように、ヘッド１２と支持体１０との間に力を分散させるために、停止面３８ａと３８ｂとの間にギャップ４６が存在する。さらに、ギャップ４６により、切削ヘッド１２を支持体１０に容易に組み付けることができる。ギャップ４６は、支持体直径Ｄのゼロパーセントより大きく、約１パーセントまでの範囲とすることができる。換言すると、０＜ギャップ≦０．０１Ｄである。例えば、約１６ｍｍの支持体直径Ｄを有する回転ドリル切削工具の場合、ギャップ４６は、０．０ｍｍより大きく約０．１６ｍｍまでの範囲とすることができる。テーパ状の挟持面３２ａおよび３２ｂが合計１：１０の勾配（つまり、各辺２．８５度または１：２０）を有する場合、切削ヘッド１２がポケットから押し出されるならば、直径で測定した切削ヘッド１２と支持体１０の連結ピン受け部２０との間の最大のさらなる干渉は、停止面３８ａ、３８ｂが接触するまで、ギャップ４６の約１０パーセントであり、したがって連結ピン受け部２０の位置における過度な応力は防止され、または最小化される。

図５は、連結ピン１４および連結ピン受け部２０の様々な位置での応力の関数として、ギャップ４６の距離のシミュレーションの結果を示している。図５では、図３Ａに示す支持体１０の後部受け部４２ａの溝３６内を走るブレンドＲ部３５ａにおける応力は、四角形で表される。図２Ｃに示す溝３７と切削ヘッド１２の停止面３８ｂとの間に配置される小さなブレンドＲ部３９ｂにおける応力は、菱形で表される。図２Ａに示す溝３７と切削ヘッド１２のヘッド軸受面２２ｂとの間に配置されるブレンドＲ部２３ｂにおける応力は、網掛け三角形で表される。図１Ａに示す切削ヘッド１２の冷却剤チャネル２８ｂにおける応力は、Ｘで表される。図３Ｃに示す溝３６と支持体１０の停止面３８ａとの間に配置されるブレンドＲ部３７ａ（図３Ｃのように、面でもよい）に位置する応力は、白抜き三角形で表される。すべての値は、ギャップ４６の距離ｍｍの関数としてプロットされる。

シミュレーションの結果は、ギャップ４６の距離が約０．０５ｍｍである場合、停止面３８ａに隣接するブレンドＲ部３７ａ（図３Ｃ）で応力が最小となるという予期しない結果である。ギャップ４６の距離が小さくなるにつれて、溝３７と切削ヘッド１２の停止面３８ｂとの間の小さなブレンドＲ部３９ｂにおける応力、および支持体１０のブレンドＲ部３７ａにおける応力が増加し、このことは停止面３８ｂにおける過度な接触力を示している。ギャップ４６の距離が大きくなるにつれて、ブレンドＲ部３７ａでの応力、およびブレンドＲ部３５ａでの応力が増加し、このことは切削ヘッド１２が連結ピン受け部２０内で過度に移動していることを示し、軸方向の抜け防止が無効であることを示している。

上記のように、軸方向の種々の機能ゾーンに分離される機能面、すなわち、トルク面３０ａおよび３０ｂならびに挟持面３２ａおよび３２ｂ、ならびに前方切削部１３に向かって半径方向に内向きのテーパ状の挟持面３２ａ、３２ｂと組み合わせた停止面３８ａおよび３８ｂの形態の軸方向抜け防止面、を含む本明細書に記載の設計により、切削部１２と支持体１０との間に非常に信頼性の高い連結が実現される。

加えて、挟持面３２ａ、３２ｂのダブテール設計は、ドリル加工作業中に軸方向の力を増加させながら挟持力を増加させる効果を有する。挟持面３２ａと３２ｂとの間の締まり嵌めにより、ヘッドが取り付けられるとポケット支持体壁１８が外側に変形し、面２２ａが元の位置から外れ、支持体１０の外径に近い面２２ａと２２ｂとの間に僅かな隙間が形成される。機械加工作業中、結果として生じる軸方向の力は、支持体１０の内径に近接する領域の面２２ａと２２ｂとの間で伝達され、支持体壁１８にさらなる挟持力を切削ヘッド１２に加える点４４の周りに曲げモーメントを生成する。結果として、ドリル加工作業中の連結ピン受け部２０の変形および応力が最小化され、それにより、支持体１０と切削ヘッド１２との間の連結が強化される。

テーパ状の挟持面３２ａ、３２ｂは、溝３６および軸方向の支持体３８ａ、３８ｂとの組み合わせで設計に利点を提供する。挟持面３２ａ、３２ｂの比較的小さなテーパ角度は、横負荷を発生させる条件下でドリル加工する場合に切削ヘッド１２に安定性を与え、高い応力と破損の傾向があるヘッドと受け部の重要な領域への過負荷を防ぐ。より具体的には、ヘッドのブレンドＲ部２３ｂおよび３９ｂと受け部のブレンドＲ部３５ａによって画定される移行領域は、ねじり負荷と曲げ負荷の組み合わせによって引き起こされる高い応力を受ける。これらのブレンドＲ部２３ｂおよび３９ｂは可能な限り大きくすることが望ましいが、挟持面３２ａと３２ｂとの間に利用可能な空間が小さく、軸方向支持面３８ｂを形成する必要があるため、ブレンドＲ部３９ｂはより小さくなり、より重要になる。ブレンドＲ部２３ｂは、ブレンドＲ部３９ｂより実質的に大きくすることができる。テーパ状の挟持面３２ａ、３２ｂは、負荷のかなりの部分を支え、より小さいブレンドＲ部３９ｂに過度な応力をかけることを防止する。より高い側面負荷の下でも、軸方向支持面３８ａおよび３８ｂは、切削ヘッド１２がその位置にとどまることを保証し、それにより、安定した信頼性のある連結を提供する。

本明細書で広く考えられた設計によれば、テーパが挟持と保持の両方を提供する従来のダブテール設計とは異なって、支持体１０の重要な領域への応力は側面負荷下でも最小化され、許容レベルに保たれる。従来のダブテール設計では、切削ヘッドが変位して壁１８を外側に押すと、ポケット内の応力が側面負荷の下で非常に増加する。本明細書に記載の別の利点は、ダブテール形状の挟持面３２ａ、３２ｂと溝３６の組み合わせはより柔軟な支持構造体１８を形成することである。これにより、支持構造体１８の弾性変形が機械加工作業中の完全な表面接触を保証するので、連結ピン受け部２０の挟持面３２ａおよび切削ヘッド１２の挟持面３２ｂに同じテーパ角を用いることができる。

図６は、本発明の挟持面３２ａ、３２ｂのダブテール設計で行われたシミュレーション試験の結果を示す。図６では、図３Ａに示す後部受け部４２ａの溝３６内を走るブレンドＲ部３５ａにおける応力は、四角形で表される。図２Ｃに示す溝３７と停止面３８ｂとの間に配置される小さなブレンドＲ部３９ｂにおける応力は、菱形で表される。図２Ａに示す溝３７とヘッド軸受面２２ｂとの間に配置されるブレンドＲ部２３ｂにおける応力は、三角形で表される。図１Ａに示す切削ヘッド１２の冷却剤チャネル２８ｂの内面における応力は、Ｘで表される。すべての値は、第二の傾斜角、α２度の関数としてプロットされる。

図６に示すように、三角形で表される溝３７とヘッド軸受面２２ｂとの間に配置されるブレンドＲ部２３ｂにおける応力は、α２の関数として概ね一定である。さらに、Ｘで表される切削ヘッド１２の冷却剤チャネル２８ｂにおける応力は、第二の傾斜角α２の関数として増加する。

（図６に関連する）シミュレーション試験の結果は、挟持面３２ａ、３２ｂの第二の傾斜角α２が０．０度から約＋５．０度に増加する場合、連結ピン受け部２０のブレンドＲ部３５ａにおける最大応力は概ね一定であるという予期しない結果を示している。予想されるように、ヘッドの横方向の動きを防ぐダブテール作用により、挟持面３２ａ、３２ｂの第二の傾斜角α２が０．０度から増加するにつれて、連結ピン１２の小さなブレンドＲ部３９ｂにおける応力は連続的に減少する。第二の傾斜角α２を最大化して、ドリル加工作業中の切削ヘッド１２の望ましくない動きを防ぐことが望ましいが、第二の傾斜角α２が大きくなり、その結果としてテーパ状のピン前部４２ｂの断面直径ｄ１が小さくなると、冷却剤チャネル２８ａ、２８ｂにかかる応力は限界を超える可能性がある。冷却剤チャネル２８ａ、２８ｂは、例えば研削作業から生成されるのではないため、全体的に粗面を有し、よってより低い応力限界が観察されるに違いない。さらに、約６度より大きい角度の場合、ブレンドＲ部２３ｂにおける応力は、ブレンド３９ｂにおける応力よりも大きくなる。本明細書で広く考えられるように、第二の傾斜角α２は、約２．５度～約６．０度の範囲内であり、連結ピン受け部２０の変形および応力ならびに切削ヘッド１２のブレンドＲ部２３ｂおよび３９ｂにおける応力を最小化する有益な効果を最大化するのに役立ち、可能な限り、ドリル加工作業中の切削ヘッド１２の望ましくない動きを防止する。

図７は、挟持面およびトルク面の両方が（溝および抜け防止面なしに）連続し、回転軸６に対する傾斜角で配置されている従来の切削ヘッド上の様々な位置における挟持面角対応力のシミュレーションの結果を示すグラフである。傾斜角は２度から２０度の範囲である。通常、従来の切削ヘッドの挟持面とトルク面は、１０度～２０度の傾斜角で形成され、ドリル先端の方向にテーパ状である。

図７に見られるように、破損が最も発生しやすい壁と床との間のブレンドの位置でポケットにはるかに高い応力（２０００ＭＰａ対１５００ＭＰａ）が発生する。さらに、ダブテールと挟持面との間のインサートコーナーブレンドにおける応力は、挟持面角度の関数として急速に増加し、（本発明の少なくとも一つの実施形態によれば、）本明細書に広く考えられている回転工具よりも約５０％高い。その結果、（図７で説明される）従来の切削ヘッドの設計は、応力の最小化に関して最適化できない。さらに、冷却剤チャネル上の応力は、本明細書で広く予見される回転工具の冷却剤チャネル上の応力と比較して非常に高い（６００ＭＰａ対４００ＭＰａ）。

本明細書で言及される特許および刊行物は、参照により本明細書に組み込まれる。

現在、好ましい実施形態を説明したが、本発明は、添付の特許請求の範囲内で別の方法で実施されることができる。

Claims (21)

1. 回転軸に沿って軸方向に延在する回転工具用の切削ヘッドであって、前記切削ヘッドは、
   前方切削部と、
   外周面を有する連結ピンであって、ピン前部とピン後部とに分割され、前記ピン前部は、前記ピン後部よりも半径方向内側にあり、前記ピン前部は周方向溝を備え、前記連結ピンは、前記ピン後部に形成されるトルク面と、前記ピン前部に形成される挟持面とを備える、連結ピンと、
   前記軸方向に効果的な、軸方向の抜け防止のための停止面と、を備え、
   前記挟持面は、前記ピン後部よりも半径方向内側に位置し、前記前方切削部側を下底面、前記ピン後部側を上底面とする円錐台を形成することにより、前記上底面が前記停止面となり、前記前方切削部の方向に半径方向内側に向かってテーパ状である、切削ヘッド。
2. 前記切削ヘッドは距離ｄｘを規定する一対のトルク面を備え、前記連結ピンの前記ピン後部は直径Ｄ１を規定し、
   前記距離ｄｘの前記直径Ｄ１に対する比は、０．４５～０．８０の範囲内である、請求項１に記載の切削ヘッド。
3. 前記連結ピンはピン全長Ｌ３を規定し、前記連結ピンの前記ピン後部は直径Ｄ１を規定し、および、
   前記ピン全長Ｌ３の前記直径Ｄ１に対する比は、０．３０～０．７０の範囲内である、請求項１に記載の切削ヘッド。
4. 前記停止面は、前記回転軸に対して３０度～８５度の範囲内の第一の傾斜角α１で形成される、請求項１に記載の切削ヘッド。
5. 前記挟持面は、前記回転軸に対してゼロではない、２．５度～６．０度の範囲内の第二の傾斜角α２で形成される、請求項１に記載の切削ヘッド。
6. 前記ピン前部は前記軸方向にピン前部長さＬ１を有し、前記ピン後部は前記軸方向にピン後部長さＬ２を有し、
   第一のピン部の長さＬ１は、第二のピン部の長さＬ２と等しい、請求項１に記載の切削ヘッド。
7. 前記ピン前部はピン前部長さＬ１を有し、前記ピン後部はピン後部長さＬ２を有し、
   前記ピン前部長さＬ１は、前記ピン後部長さＬ２の約０．３０倍～約０．５０倍異なる、請求項１に記載の切削ヘッド。
8. 前記連結ピンの前記ピン後部は直径Ｄ１を規定し、前記連結ピンの前記ピン前部は最大直径ｄ１を規定し、
   前記最大直径ｄ１の前記直径Ｄ１に対する比は、０．６０～０．９５の範囲内である、請求項１に記載の切削ヘッド。
9. 回転軸に沿って軸方向に延在する回転工具であって、前記回転工具は、
   対向する一対の支持構造体であって、各支持構造体は、連結ピン受け部を画定する内周面を有し、前記内周面は前部受け部と後部受け部とに分割され、前記後部受け部は周方向溝を備え、前記前部受け部は挟持面を備え、前記後部受け部は停止面を備え、外径Ｄを規定する、支持構造体、を備える支持体と、
   前記支持体の前記連結ピン受け部内に収容されることができる切削ヘッドであって、前記切削ヘッドは、
   切削直径ＤＣを規定する前方切削部と、
   外周面を有する連結ピンであって、ピン前部とピン後部とに分割され、前記ピン前部は、前記ピン後部よりも半径方向内側にあり、前記ピン前部は周方向溝を備え、前記ピン後部はトルク面を備え、前記ピン前部は挟持面を備える、連結ピンと、
   前記軸方向に効果的な、軸方向の抜け防止のための停止面と、を備える、切削ヘッドと、を備え、
   前記支持体の前記挟持面は、前記ピン後部よりも半径方向内側に位置し、前記前方切削部側を下底面、前記ピン後部側を上底面とする円錐台を形成することにより、前記上底面が前記停止面となり、前記前方切削部の方向に半径方向内側に向かってテーパ状である、回転工具。
10. 前記切削ヘッドは、距離ｄｘを規定する一対のトルク面を備え、前記距離ｄｘの前記支持体の前記外径Ｄに対する比は０．４０～０．６５の範囲内である、請求項９に記載の回転工具。
11. 前記連結ピンはピン全長Ｌ３を規定し、前記ピン全長Ｌ３の、前記支持体の前記外径Ｄに対する比は０．３０～０．４５の範囲内である、請求項９に記載の回転工具。
12. 前記支持体の前記停止面および前記切削ヘッドは、前記回転軸に対して３０度～８５度の範囲内の第一の傾斜角α１で形成される、請求項９に記載の回転工具。
13. 前記支持体の前記挟持面および前記切削ヘッドは、前記回転軸に対して２．５度～６．０度の範囲内の第二の傾斜角α２で形成される、請求項９に記載の回転工具。
14. 前記ピン前部は前記軸方向にピン前部の長さＬ１を有し、前記ピン後部は前記軸方向にピン後部長さＬ２を有し、第一のピン部の長さＬ１は第二のピン部の長さＬ２と同じである、請求項９に記載の回転工具。
15. 前記ピン前部はピン前部長さＬ１を有し、前記ピン後部はピン後部長さＬ２を有し、前記ピン前部長さＬ１は、前記ピン後部長さＬ２の約０．３０～約０．５０倍異なる、請求項９に記載の回転工具。
16. 前記支持体の前記停止面と前記切削ヘッドとの間にギャップが存在し、前記ギャップの距離は、前記支持体の前記外径Ｄのゼロパーセントより大きく、約１パーセントまでである、請求項９に記載の回転工具。
17. 前記連結ピンの前記ピン前部は最大直径ｄ１を規定し、前記最大直径ｄ１の、前記支持体の前記外径Ｄに対する比は０．６０～０．８０の範囲内である、請求項９に記載の回転工具。
18. 回転軸に沿って軸方向に延在する回転工具であって、前記回転工具は、
    支持体であって、対向する一対の支持構造体であって、各支持構造体は、連結ピン受け部を画定する内周面を有し、前記内周面は前部受け部と後部受け部とに分割され、前記後部受け部は周方向溝を備え、前記前部受け部は挟持面を備え、前記後部受け部は停止面を備え、前記支持体は外径Ｄを規定する、支持構造体、を備える支持体と、
    前記支持体の前記連結ピン受け部内に収容されることができる切削ヘッドであって、前記切削ヘッドは、
    切削直径ＤＣを規定する前方切削部と、
    外周面を有する連結ピンであって、前記連結ピンは、ピン前部とピン後部とに分割され、前記ピン前部は、前記ピン後部よりも半径方向内側にあり、前記ピン前部は周方向溝を備え、前記ピン後部はトルク面を備え、前記ピン前部は挟持面を備える、連結ピンと、
    前記軸方向に効果的な、軸方向の抜け防止のための停止面と；を備える、切削ヘッドと、を備え、
    前記支持体の前記挟持面は、前記ピン後部よりも半径方向内側に位置し、前記前方切削部側を下底面、前記ピン後部側を上底面とする円錐台を形成することにより、前記上底面が前記停止面となり、前記前方切削部の方向に半径方向内側に向かってゼロではないテーパ状であり、第二の傾斜角α２は、前記回転軸に対して２．５度～６．０度の範囲内にあり、
    前記支持体の前記停止面と前記切削ヘッドとの間にギャップが存在し、前記ギャップの距離は、前記支持体の前記外径Ｄのゼロパーセントより大きく、約１パーセントまでである、回転工具。
19. 前記切削ヘッドは、距離ｄｘを規定する一対のトルク面を備え、前記連結ピンの前記ピン後部によって規定される距離ｄｘと、前記支持体の前記外径Ｄの比は０．３０～０．４５の範囲内である、請求項１８に記載の回転工具。
20. 前記連結ピンはピン全長Ｌ３を規定し、前記ピン全長Ｌ３の、前記支持体の前記外径Ｄに対する比は０．３０～０．４５の範囲内である、請求項１８に記載の回転工具。
21. 前記連結ピンの前記ピン後部は直径Ｄ１を規定し、前記連結ピンの前記ピン前部は最大直径ｄ１を規定し、前記最大直径ｄ１の、前記直径Ｄ１に対する比は０．６０～０．９５の範囲内である、請求項１８に記載の回転工具。
    
    

Images