JP2003053622A - 高効率冷却用ダクトを備えたツール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 高速加工を可能にする加工用ツールを提供す
る。 【解決手段】 チップ形成式機械加工用ツール１０はそ
の内部に冷却用流体循環のための通路１５を有する。該
通路は表面が非直線のコースで延びる壁を備えるダクト
を具備する。特に、該壁表面の該非直線の延長部は溝及
び／又はリブの列を有する。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は特に、高動作速度（high
operatin speeds）用、すなわちいわゆるエイチエスエ
ム（HSM）｛高速度機械加工（High Speed Machinin
g）｝型の、機械加工用ツールに関する。 【０００２】 【従来の技術】最近の機械工具（machine tools）の本
来の性能により、毎分２０００−３０００ｍにも及ぶ機
械加工速度の大幅な増加が可能であろう。残念ながら、
速度のこの様な増加による普通のツールに発生する温度
はこれらの高速度の達成を実際は不可能にしている。 【０００３】チップ形成式（chip-forming）機械加工
中、主熱源は該ツール面上の該チップの摺動で代表さ
れ、熱発生領域は該鋭利部分に限定されない。該切削領
域上に高圧の潤滑／冷却流体のジェットがスプレーされ
るシステムと、該冷却流体用通路を内部に備えたツール
とが共に提案されて来た。 【０００４】高速度機械加工に関する限り、遠心力の効
果に依る、第１の解決策には高圧力ポンプの使用が含ま
れるが、それは該機械工具操作では概して第２の重要性
に過ぎない様なシステムへのコスト負担と重要条件化に
帰着する。加えて、機械加工自体が多量の冷却剤を要す
るものであり、関係する流量を考慮すると、乳化剤（em
ulsifying agents）及び／又は切削流体（cutting flui
ds）の重要な量が周囲雰囲気内に分散されるであろうこ
とは非常に推定される。加えて、油と繊維（fiber）の
間の不親和性（incompatibility）のために冷却剤のジ
ェットは複合材料の分野には適用出来ない。 【０００５】ツール内の冷却用流体の循環は上記議論の
解決策の問題を解消するが、該ツール内の空間が比較的
限定され、従って必然的に少ない流量しかないこともあ
り、通常比較的低効率をこうむる。 【０００６】 【発明が解決しようとする課題と課題を解決するための
手段】本発明の一般的目的は高冷却効率、従って高機械
加工速度を可能にする、冷却用流体の内部循環を有する
チップ形成式機械加工ツールを提供することにより上記
欠点を解消することである。 【０００７】本発明の上記目的を考慮して、冷却剤循環
用通路を内部に有するチップ形成式機械加工用ツールが
考えられたが、そこでは該通路はその表面が非直線コー
スで延びる(extend in a non-linear course)壁を備え
たダクトを具備する。 【０００８】本発明の革新的原理とそれが公知の技術を
凌駕して提供する利点をより良く説明するために、前記
原理を適用する可能な実施例が、付属する図面の助けを
借りて例によりこの後説明される。 【０００９】 【実施例】図面を参照すると、本発明の原理を適用する
チップ形成式機械加工用ツールの例が図１に示されてい
る。１０により一般に識別され、そこに示された該ツー
ルは回転型である。それは該機械スピンドル（machine
spindle）に設置するためのシャンク１１と、切削エッ
ジ１３を備えたヘッド１２とを具備する。該切削エッジ
はことによると硬質材料（hard material）のインサー
ト又はビット（bit）１４を具備してもよい。 【００１０】該ツール内には冷却用流体又は冷却剤の循
環用通路１５（鎖線により線図的に示される）がある。
該ダクトの配分は実質的に種々のツールタイポロジー
（tooltypologies）用に公知のものとすることが出来
る。 【００１１】本発明に依れば、該流体循環用通路は、壁
が直線状のコースと共に直線状である（rectilinear wi
th a linear course）（例えば、スムーズな壁を有する
円形断面のダクト）、すなわち、明らかに、２つのダク
ト間の交点に於ける場合を除くが、それらのコースを変
えることが無い、公知の技術の従来のダクトに相対し
て、その表面が非直線のコース（a non linear cours
e）を有して延びる壁を有するダクトを備える。 【００１２】その壁が非直線のコースを有するダクトは
ツール冷却で効率を驚く程高めることが確かめられた。
詳しくは、溝の列（sequences of grooves）を含む内側
ダクト壁の溝付き延長部は非直線延長部として特に有利
と分かった。 【００１３】直線の溝付きコースを仮定して、変数は高
さ、長さ、傾斜そして溝（或いは相補的に等価的仕方
で、２つの溝間のリブ）の断面である。 【００１４】溝の傾斜（groove inclination）（ダクト
軸線に対する）はゼロ傾斜（該軸線に平行な溝）から横
断的傾斜（transverse inclination）（円周状溝又は軸
線に対し横断的な溝）まで変わり得る。該２つの端部傾
斜間で、該溝は該軸線の周りに螺旋型の延長部を有す
る。 【００１５】該溝高さの該ダクト直径へのリンキング
（Linking）が有利と分かったので、溝は該溝高さのダ
クト直径との比が少なくとも０．０２程に高い、好まし
くは０．０４より小さくない様な高さで作られる。該比
の上限は０．１５を超えるべきでなく、好ましくは０．
１より高くなくすべきことが有利であることも見出され
た。０．０４から０．０７の比の範囲が満足すべきもの
と判断された。 【００１６】溝間の間隔に関しては、溝間隔と該ダクト
直径の比も又有利に固定された。有利な比の値は少なく
とも０．０４程の高さで、好ましくは０．０８より小さ
くないのがよい。有利なのは、該上限は０．２を超えて
はならず、好ましくはそれは０．１より高くてはならな
い。満足すべき比の範囲は０．０８と０．０９の間に含
まれる。該溝幅と該リブ幅との比は０．０１から１００
の間で変化してもよく。０．１から１０の比範囲が特に
有利と分かり、好ましい値は１の近傍にある。 【００１７】断面に関しては、長方形断面及び３角形断
面が特に有利と考えられる。３角形断面を考える時、該
リブが鋸歯状形状を有するのが有利である。 【００１８】図２及び３で（長方形及び鋸歯状形状の）
該溝に対し横断的な２つの好ましい断面のプロフアイル
が示されるが、そこでは上記パラメーターの幾つか（Ｅ
＝高さ、Ｄ＝リブ幅、Ｐ＝リブ間隔）がマーク付けされ
ている。 【００１９】本発明の原理を適用すると、従来のスムー
ズなダクトを備える同様なツールに比較して、他の条件
は同じであるとして、該ツールの表面温度は２５−３５
％低減されることが見出された。例により、機械加工に
使用された切削エッジの２０ｍｍの側部長さ、２８００
０ｒｐｍの回転速度、水の毎分１２リットルの冷却用流
れ、６ｍｍの公称ダクト直径で、軸方向ダクトを有する
円筒型のテストツールの外面上の温度分布を示すグラフ
が図４に複写されている。図４では、従来のスムーズな
ダクト（鎖線の曲線）と本発明のダクト（実線の曲線）
を有するツールの場合が示される。該例では本発明のダ
クトは軸方向溝のみを有する種類である。 【００２０】見られる様に、最高温度｛ｘ＝０、すなわ
ち切削エッジの頭部端部（head extremity）に於ける｝
は最初の場合で７１６°Ｋ、第２の場合で５３６°Ｋで
あり、１８０°Ｋの減少とより緩やかな勾配を有する。 【００２１】本発明の原理の応用が真に驚くべき結果へ
導くことは明らかである。 【００２２】該効率の向上は特に、本発明に依り作られ
た該ダクト内で流れる流体内での乱れの増加のためであ
る（例え排他的でなくても）と考えられる。斟酌される
べき更に進んだ要素は該流体との接触面積の増加であ
る。 【００２３】冷却での効率の向上に加えて、第２の有利
な効果が見出され得る。事実本発明のダクト（とりわけ
円周状リブを有する）を用いると該ツール自身の構造的
抵抗性を損なうことなく該ツール直径の２５％までも該
ダクトの公称直径を増加され得ることが確かめられた。
かくして該供給圧力が同じでありながら、より高い流量
（flow rate）が達成され得る。 【００２４】この点で意図された目的は達成されたこと
は明らかである。本解決策により、該ツール温度は低減
され得て、該ツールの寿命時間（tool duration of lif
e）は延長され得る｛それは硬質合金（hard metal）製
のツール及び／又はコーテッドツール（coated tool）
の場合とりわけ重要である｝。 【００２５】加えて冷却効率の向上は材料への伝達熱を
大幅に減少させ、それにより最終製品のより良い品質を
保証する。これは機械加工が熱に敏感な材料、又はその
機械的特徴が加工により無差別に熱処理された場合低下
する材料、に係わる時特に重要である。 【００２６】本発明の原理を適用するツールを用いると
添加物の無い水を使用して効率的冷却が達成出来るが、
それは、例えば、油が無いことが勧められる適用品では
とりわけ有用である。 【００２７】又水のみの使用は重要な経済的利点を有
し、環境保護用にも有用である。関係流量は４バー（ba
rs）で毎分約１３ｌの桁であってよい。又これらのツー
ルは乾式又は半乾式の条件（dry or semi-dry conditio
n）での複合材料（composite materials）のルーテイン
グ（routing）の様な機械加工動作の場合でも適用され
る。 【００２８】冷却の高効率のために、冷却が本発明に依
るツールを用いて、例え毎分２０００−３０００ｍの桁
での高加工速度も到達され得る。かくしてエイチエスエ
ム型の効率的ツールが作られ得る。 【００２９】従来のダクトに比べてダクトへの比較的簡
単な幾何学的変型は、コスト増加を本発明のダクトの達
成により受け入れ可能にする。ツール製造を容易化する
ために、それらは、チップ形成を伴い機械加工された及
び／又は金属カーバイド（metal carbides）又は同様品
の焼結（sintering）による幾つかの部品から組み立て
られ得る。 【００３０】本発明の革新的原理を適用した実施例の上
記説明は単なる例示により示されており従ってここに請
求される本発明の範囲を限定するものと考慮されるべき
でないことは明らかである。例えば、該リブは（例え
ば、該ダクトに沿って分離されたフインを形成するよう
に）中断されることが可能であり、或いは種々のツール
領域の特定の冷却要求に従って、非直線の変形のコース
を有する表面を備えた該ダクト長さが該ダクト内に配分
されてもよい。該ツールは種々の種類とすることが出来
て、必ずしも回転式ツールでなくてもよい。要求に依り
幾つかの異なるダクト通路が提供され得る。 【００３１】本発明の特徴及び態様を示せば以下の通り
である。 【００３２】１．冷却用流体の循環用通路を内部的に有
するチップ形成式機械加工用ツールに於いて、該通路が
表面が非直線のコースを有して延びる壁を備えるダクト
を具備することを特徴とするチップ形成式機械加工用ツ
ール。 【００３３】２．上記１のツールに於いて、非直線のコ
ースを有するそれらの延長用の前記表面が溝及び／又は
リブの列を有することを特徴とするツール。 【００３４】３．上記２のツールに於いて、該溝は実質
的に直線の延長部を有することを特徴とするツール。 【００３５】４．上記３のツールに於いて、該溝は該ダ
クト軸線に対し勾配を有して該ダクト表面内に延びてお
り、該勾配は該軸線と平行な方向と該軸線に対する横断
方向との間に含まれることを特徴とするツール。 【００３６】５．上記４のツールに於いて、該溝は該ダ
クトの円周上に延びることを特徴とするツール。 【００３７】６．上記２のツールに於いて、該リブ及び
／又は溝は実質的に長方形断面を有することを特徴とす
るツール。 【００３８】７．上記２のツールに於いて、該リブは実
質的に鋸歯状の断面を有することを特徴とするツール。 【００３９】８．上記２のツールに於いて、該溝高さの
該ダクト幅に対する比は少なくとも０．０２程に高く、
好ましくは０．０４以上であるのがよいことを特徴とす
るツール。 【００４０】９．上記２のツールに於いて、該溝高さの
該ダクト幅に対する比は０．１５を超えず、好ましくは
０．１以下であるのがよいことを特徴とするツール。 【００４１】１０．上記２のツールに於いて、該リブ間
隔の該ダクト幅に対する比は少なくとも０．０４程に高
く、好ましくは０．０８以上であるのがよいことを特徴
とするツール。 【００４２】１１．上記２のツールに於いて、該リブ間
隔の該ダクト幅に対する比は０．２を超えず、好ましく
は０．１以下であるのがよいことを特徴とするツール。 【００４３】１２．上記２のツールに於いて、該溝幅と
該リブ幅の間の比が０．０１と１００の間に、特に０．
１と１０の間に含まれることを特徴とするツール。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の原理に依り作られたツールを示す。 【図２】該ツール内の冷却用ダクトの表面の２つの可能
な延長部を示す。 【図３】該ツール内の冷却用ダクトの表面の２つの可能
な延長部を示す。 【図４】該ツール内の温度分布を示すグラフである。 【符号の説明】 １０ ツール １１ シャンク １２ ヘッド １３ 切削エッジ １４ ビット １５ 循環用通路 Ｄ リブ幅 Ｅ 高さ Ｐ リブ間隔

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 冷却用流体の循環用通路を内部的に有す
   るチップ形成式機械加工用ツールに於いて、該通路が表
   面が非直線のコースを有して延びる壁を備えるダクトを
   具備することを特徴とするチップ形成式機械加工用ツー
   ル。