JP2010142889A - 工具保持具、工具保持具用切削液供給プレート及び切削加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 近年、マシニングセンタ等の工作機械による切削加工では生産性向上などを目的として機械の主軸回転数の高速化が図られている。主軸回転数が高速になると、工具を冷却し工具寿命を延ばすことを目的として供給される切削液が遠心力で広がり、切削液が加工部に確実に供給されないという課題がある。
【解決手段】 本発明の工具保持具は切削工具を回転軸に保持するとともに切削液を前記切削工具が切削する切削加工部に供給する工具保持具であって、前記切削液を通す切削液経路と、前記切削液経路の端に位置し前記切削液経路を通った切削液が噴出する切削液供給穴とを備え、前記切削液供給穴は前記回転軸からの距離が異なる２以上の切削液供給穴から構成されるようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、機械加工に使用するエンドミル、ドリル等の工具を保持する工具保持具に関するものである。より詳しくは、切削加工中に切削液を供給する切削液内部供給機能付きの工具保持具であり、高速回転で加工する際においても切削液を切削加工部に確実に供給し、工具を効果的に冷却可能な工具保持具に関するものである。

近年、マシニングセンタ等の工作機械による切削加工では、生産性向上などを目的として機械の主軸回転数の高速化が図られている。
切削加工の最中は、工具を冷却し工具寿命を延ばすことを目的として、切削液（クーラントともいう）が、切削加工部に供給される。
従来、切削液の供給方法としては、工具近傍の外部にノズルを設け、このノズルより加工部位に向けて切削液を噴出する外部給油方式、工具自体に切削液供給穴を設けてこの穴から切削液を供給する内部給油方式がある。内部給油方式には工具保持具に切削液供給用穴を設けこの穴から切削液を供給する方法、工具シャンク外周部に軸に平行な切削液供給用溝を設け切削液供給用溝から切削液を供給する隙間供給方法（隙間スルー方式やコレットスルー方式ともいう）などが開示されている（例えば、特許文献１〜３参照）。

実願平７−１２７３０号公報 実開平７−１７４５２号公報 特開平６−３１５２１号公報

加工深さが浅い場合は、主軸回転が高速であっても、外部給油方式による外部ノズル噴射によって工具に切削液を供給することが可能であった。しかしながら、加工深さが深い場合は、工具刃部に切削液が十分供給できなくなるという問題点があった。
一方、内部給油方式では加工深さが深い場合でも工具刃部に切削液を供給することが可能である。例えば、特許文献１のように工具先端部の切削液供給穴から供給する方法では、高速回転時においても切削液を供給可能である。しかしながら、小径工具φ３以下の標準ツールが少ないことから、工具自体がコスト高となる問題があった。また、小径工具の場合、切削時の切粉が切削液供給穴に詰まって切削液が供給されず、工具の欠損に繋がるという問題点があった。
また、特許文献２のように工具保持具に切削液供給用穴を設け、この穴から切削液を供給する方法では、高速回転時には、遠心力により切削液供給用穴からの切削液が広がるため、工具の刃部に切削液が供給されずに工具の欠損や寿命低下に繋がるという問題点があった。
また、特許文献３のように工具シャンク外周部に軸に平行な切削液供給用溝を設ける方法では、工具材質が高硬度材であるために溝加工が困難でコスト高となる問題があった。

この発明は係る課題を解決するためになされたものであり、工具自体に特別な加工を施すことなく、高速回転で加工する際においても切削液を切削加工部に確実に供給可能な工具保持具を提供することを目的とする。

この発明に係る工具保持具は、切削工具を回転軸に保持するとともに、切削液を前記切削工具が切削する切削加工部に供給する工具保持具であって、前記切削液を通す切削液経路と、前記切削液経路とつながり、前記切削液が噴出する切削液供給穴とを備え、前記切削液供給穴は、前記回転軸からの距離が異なる２以上の切削液供給穴から構成されるようにした。

この発明によれば、高速回転で切削加工する際であっても、切削液を切削加工部に供給することができるので工具を効果的に冷却することができ、工具の欠損および寿命の低下を防止できる。

実施の形態１．
以下、本発明に係る工具保持具の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１は、実施の形態１による工作機械で使用される工具保持具２を示す断面図である。図１において工具保持具２は内部にコレット３を備え、コレット３は回転軸上に工具Ｔを把持している。
図１に示すように、工具保持具２の中心部に設けられた切削液経路２２を通じて供給された切削液Ｃは、工具保持具本体２内に嵌着されたテーパ式コレットの溝（切削液経路２２）を通り、工具保持具本体２の先端部に固定された切削液供給プレート１１に開けられた切削液供給穴１２ａ、１２ｂから噴射される。なおこの切削液供給プレート１１は、工具の太さや形状に合わせて交換できるようになっている。

図２は実施の形態１の切削液供給プレート１１の外観図の一例である。図２（ａ）は切削液供給プレート１１を横方向からみた側面図の一例であり、図２（ｂ）は上方向からみた上面図である。
切削液供給プレート１１は図２（ｂ）のように円形をしており、その中心部分には回転軸上に保持されるエンドミルなどの工具Ｔを通す工具挿入穴２３が開けられている。工具挿入穴２３は、工具保持具２の工具回転軸を中心とした円の形状をなしている。
工具挿入穴２３は一般に工具Ｔの外径よりコンマ数ｍｍ程度大きく形成されており、工具挿入穴２３の内周２３ａと工具Ｔの外周とは若干隙間が開くように作られている。
また、工具挿入穴２３の内壁２３ｂには、切削液Ｃが流れる方向に沿って第１の切削液供給穴１２ａが周方向に等間隔又は、任意の位置に形成されている。

本発明の実施の形態１の切削液供給プレート１１は、第１の切削液供給穴１２ａが設けられた工具挿入穴２３の外側に、更に、第２の切削液供給穴１２ｂを備えている。つまり切削液供給プレート１１を上面からみて、回転軸から第１の切削液供給穴１２ａまでの距離よりも長い距離の位置に、第２の切削液供給穴１２ｂが設けられている。
図２（ｂ）では、工具挿入穴２３の外側にあって、工具挿入穴２３よりも径の大きい同心円（破線部）上の３箇所の位置に、第２の切削液供給穴１２ｂが開けられている。切削液Ｃは、第１の切削液供給穴１２ａと共にに、この第２の切削液供給穴１２ｂを通って工具Ｔに噴射される。
なお、図２（ｂ）の切削液供給プレート１１は、例えばプレート外周に設けられたねじきりなどによって、工具保持具２に固定される。

図４は従来から使用されている切削液供給プレート５１の一例を示した図である。回転軸を中心とした円形の工具挿入穴５３と、工具挿入穴５３の内壁に切削液Ｃが流れる方向に沿って形成された切削液供給穴５２とが形成されている。切削液Ｃは主にこの切削液供給穴５２を通過して、工具Ｔの切削加工部に噴射される。
このように従来から使用されている切削液供給プレート５１では、切削液供給穴５２は一つの円の周上に形成されているのみであり、本実施の形態のように径の異なる二重の円の周上に、第１の切削液供給穴１２ａと第２の切削液供給穴１２ｂが設けられたものではない。
なお、工具挿入穴５３と工具Ｔの外周との隙間から切削液Ｃが噴射することを防止するためにシール部材であるＯリングを挿入する場合もある。この場合は、切削液Ｃは切削液供給穴５２のみを通して工具Ｔに噴射される。

次に、本発明の工具保持具２を使用することにより切削液Ｃを切削加工部に確実に供給できることを、以下、図を用いて説明する。
図３は、実施の形態１の切削液供給プレート１１を使用し、切削液供給プレート１１に開けられた第１の切削液供給穴１２ａと第２の切削液供給穴１２ｂから切削液が噴射される際の、切削液の噴射の様子を表したものである。なお、ここでは、工具挿入穴２３と工具Ｔ外周との隙間から噴射される切削液Ｃは省略している。
一方、図５は、図４に示した従来の切削液供給プレート５１を使用し、切削液供給プレート５１に開けられた第１の切削液供給穴１２ａから切削液が噴射される際の、切削液の噴射の様子を表したものである。図３の例と同じく、工具挿入穴５２と工具Ｔ外周との隙間から噴射される切削液Ｃは省略している。

図３（ａ）は、実施の形態１の切削液供給プレート１１を使用し、工作機械の回転数が数千（rpm）程度の比較的低速回転時における切削液Ｃの噴射の様子を表したものである。低速回転時では、第１の切削液供給穴１２ａから噴射される切削液Ｃは回転による遠心力が作用してもそれほど広がらず、工具Ｔの刃先先端（加工部）に行き渡って、工具の潤滑、冷却、切屑の排出が行われる。このとき、切削液Ｃは第２の切削液供給穴１２ｂからも噴射されているが、低速回転であるためにさほど広がらず、加工部周辺に噴射される。

一方、図５（ａ）は従来の切削液供給プレート５１を使用した場合であって、同じく、工作機械の回転数が数千（rpm）程度の比較的低速回転時における切削液Ｃの噴射の様子を表したものである
このときは、第１の切削液供給穴５２から噴射される切削液Ｃは回転による遠心力が作用してもそれほど広がらず、工具Ｔの刃先先端（加工部）に行き渡って、工具の潤滑、冷却、切屑の排出が行われる。

図５（ｂ）は、従来の切削液供給プレート５１を使用した場合であって、工作機械が高速回転（例えば８０００（rpm）以上）となった時における切削液Ｃの噴射の様子を表したものである。
高速回転になると切削液供給穴５２から噴射される切削液Ｃに遠心力が働き、切削液Ｃが広がってしまう。この状態では、工具Ｔの刃先先端（加工部）に切削液Ｃが当たらず、工具の潤滑、冷却、切屑の排出が行われなくなって、刃先が欠損したり、工具の磨耗が早くなってしまう。

これに対し、図３（ｂ）は実施の形態１の切削液供給プレート１１を使用し、工作機械の回転数が高速回転（例えば８０００（rpm）以上）のときの切削液Ｃの噴射の様子を表したものである。
切削液供給プレートの外側に開けられている第２の切削液供給穴１２ｂから噴射される切削液Ｃには遠心力が働き、広がって噴射される。
しかしながら、内側の第２の切削液供給穴１２ｂから噴射される切削液Ｃは、外側の第２の切削液供給穴１２ｂからの切削液Ｃがカーテン状態となって遠心力の作用が軽減され、従来のように外側に広がらずに真直ぐ流動する。
このように、切削液供給穴を内側と外側の２重に形成し、内側と外側の両穴から切削液を供給することによって、高速回転時においても、内側の穴から噴射される切削液を真直ぐ流動させることができる。
これにより、高速回転時においても、工具Ｔの刃先先端（加工部）に切削液Ｃが行き渡って、工具の潤滑、冷却、切屑の排出を行うことができる。

図６は従来の切削液供給プレート５１を使用した場合と、本発明の切削液供給プレートを使用した場合において、切削加工が可能な領域を模式化したものである。
従来の切削液供給プレートでは、切削液吐出圧力を７(MPa)まで高くしても、主軸回転数が８０００（ｒｐｍ）より速くなると、切削液が広がり、切削加工をすることができなかった。これに対し、本発明の切削液供給プレートを使用した場合には、切削液吐出圧力を７(MPa)まで高めると主軸回転数が２００００（ｒｐｍ）であっても、安定した切削加工が可能であることを示している。

このように本発明の実施の形態１では、工具保持具本体の切削液噴射部に取り付けられる切削液供給プレートに、中心（主軸回転軸）からの距離が異なる内側と外側の２重の円周上に切削液供給穴を開け、内側と外側の両方の切削液供給穴から切削液を供給するようにした。
これにより、主軸回転を高速回転（例えば８０００(rpm)以上）とした場合であっても、内側の切削液供給穴から供給される切削液Ｃは真直ぐ流動させることが可能となり、切削液を切削加工部に確実に供給することが可能となる。

なお、本実施の形態では切削液供給プレート１１は図２のように平面板形状を有し、工具保持具２の先端に取り付けられる例を説明したが、プレートの形状及び工具保持具への取り付け方法はこれに限られるものではない。
図７は別の切削液供給プレート１１の例を示したもので、切削液供給プレート１１は中央部が厚く周辺の厚さが薄くなった段差を有した形態であり、中央部の厚い部分に第１の切削液供給穴１２ａと第２の切削液供給穴１２ｂが設けられている。
工具保持具２は図７（ｂ）に示すようなＬ字型の固定金具により、切削液供給プレート１１周辺の厚さの薄い部分をこのＬ字型の固定金具で押さえるようにして切削液供給プレート１１を固定しており、このような形状の切削液供給プレート１１であっても構わない。

また、別の切削液供給プレート１１の例として、図８に示すように、切削液供給プレート１１は周辺に傾斜部を有するものであってもよい。第１の切削液供給穴１２ａと第２の切削液供給穴１２ｂは切削液供給プレート１１の中央部の厚い部分に設けられている。工具保持具２は図８（ｂ）に示すような先が傾斜した固定金具により、切削液供給プレート１１の傾斜部分をこの固定金具で押さえるようにして切削液供給プレート１１を固定しており、このような形状の切削液供給プレート１１であっても構わない。

実施の形態２．
実施の形態１では工具保持具の切削液噴射口に切削液供給プレートが取り付けられ、切削液供給プレートには２重の切削液供給穴が形成される例について説明した。実施の形態２では、切削液供給プレートの無い一体形の工具保持具の例について説明する。なお、実施の形態１と同様の構成には同一番号を付し、説明を省略する。

図９は、実施の形態２の工具保持具の一例を表す図である。工具保持具２内にはテーパ式コレット２１が嵌着されており、テーパ式コレット２１は工具Ｔを把持して加工を行う。切削液Ｃは、工具保持具本体２とテーパ式コレット２１内の溝部（切削液経路）を通り、テーパ式コレット２１の先端部から噴射する。

図１０は、テーパ式コレット２１の先端部の形状を表した図である。図１０（ａ）は縦断面図、図１０（ｂ）は、テーパ式コレット２１の先端部の横断面図である（図１０（ａ）のＡ-Ａ’を含む面）。

図１０（ａ）において、テーパ式コレット２１の先端部には、第１の切削液経路２２ａと第２の切削液経路２２ｂが切削液Ｃが流れる方向に沿って形成されている。図１０（ｂ）はテーパ式コレット２１を下方向からみた下面図であり、第１の切削液供給穴１２ａ（第１の切削液経路２２ａにつながっている）とは別に、第１の切削液供給穴１２ａ内側に第２の切削液供給穴１２ｂ（第２の切削液経路２２ｂにつながっている）が開けられている。図１０（ｂ）の例では、第２の切削液供給穴１２ｂは工具挿入穴２３の内壁の一部に形成されている。
このように実施の形態２では、テーパ式コレット２１の先端部に直接、第１の切削液供給穴１２ａと第２の切削液供給穴１２ｂが形成されており、これらの穴は内部の切削液経路２２と連結されている。

図１１は、従来のテーパ式コレット５１の先端部に形成された切削液供給穴の形状を示した図である。従来のテーパ式コレット５１では、工具挿入穴５３の外側に切削液供給穴５２が円周上の３箇所に形成されている。
図１１で示した従来のテーパ式コレットを使用した場合、工作機械の工具回転数が数千（rpm）程度の比較的低速回転時においては切削液供給穴５２から噴射される切削液Ｃの広がりが少ないが、高速回転時においては遠心力により外側に広がる。

本発明の実施の形態２では、図１０（ｂ）のように第１の切削液供給穴１２ａの内側に、更に、工具挿入穴２３の内壁に沿って第２の切削液供給穴ｂを形成するようにした。
外側にある第１の切削液供給穴１２ａとその内側にある第２の切削液供給穴１２ｂの２重の円の周上に配置された切削液供給穴から切削液を供給して切削加工を行うと、外側の切削供給穴から噴射される切削液Ｃがカーテン状態となり、高速回転時であっても、内側のＶ字型第１の切削液供給穴１２ａから噴射される切削液Ｃは、真直ぐに流動する。

このように実施の形態２の工具保持具は、切削液供給プレートの無い一体式の工具保持具であり、工具保持具内のコレット等に２重の切削液経路２２ａ、２２ｂを設け、内側と外側の２重の円の周上に配置された第１の切削液供給穴１２ａと第２の切削液供給穴１２ｂから切削液Ｃを供給するようにした。
これにより、工具が高速回転して対象物を切削するにおいても内側の切削供給穴からは切削液Ｃが真直ぐに流動し、加工部に切削液を供給することができる。

なお、図１０の図では内側の第２の切削液供給穴１２ｂをＶ字形状としたが例えば半円形状であってもよく、切削液供給穴の形状自体には関係なく発明の効果を奏する。

実施の形態３．
実施の形態１、２では、内側に位置する切削液供給穴を工具挿入穴の内壁に沿って形成していたが、実施の形態３では、内側に位置する切削液供給穴を、工具挿入穴の内壁に沿ってではなく工具挿入穴の外側に形成する。
図１２は実施の形態３の切削液供給穴の配置例である。図１２において、切削液供給穴２３の外側の円の周上に第１の切削供給穴３１ａが設けられ、更にその外側の円の周上に第２の切削液供給穴３１ｂが設けられている。
この場合も、各切削液供給穴から切削液を供給して切削加工を行うと、第２の切削液供給穴３１ｂから噴射される切削液Ｃがカーテン状態となり、工具が高速回転になった状態であっても、第１の切削液供給穴１２ａから噴射される切削液Ｃは、真直ぐに流動し、効果的に切削加工部の工具を冷却することができる。
また切削液供給穴は、実施の形態１のように切削液供給プレートに開けられていてもよく、実施の形態２で示したように工具保持具内のコレットに開けられていてもよい。

実施の形態４．
実施の形態１〜３では、２重の円の周上に切削液供給穴が開けられていたが、３重の円の周上に切削液供給穴が開けられていてもよい。
図１３は実施の形態４の切削液供給穴の形状を示した図である。このように３重の円の周上に切削液供給穴が開けられていてもよい。
なお、３重に限らず、ｎ重（ｎ≧２）であれば同様の効果を奏する。

実施の形態５．
実施の形態１〜４では、各々の円の周上に開けられている切削液供給穴の数は同じとしたが、同一数に限られるものではない。
図１４（ａ）、（ｂ）は実施の形態５の切削液供給穴の形状を示した図である。このように、第１の切削液供給穴３１ａと第２の切削液供給穴３１ｂの数が異なるものであってもよい。図１４（ｂ）のように、周上の切削液供給穴の数が１であってもよい。

実施の形態６．
実施の形態１〜５では、切削液供給穴は各々の円の周上に配置するようにしたが、周上に限定されるものではない。
図１５は実施の形態６の切削液供給穴の配置を示した図である。実施の形態１〜５では各円の周上に切削液供給穴が開けられていたが、図１５のように必ずしも円周上にある必要はなく、工具の回転軸からの距離が異なり少なくとも内側と外側の２重であると判別される程度の回転軸からの位置に、各々切削液供給穴が開けられていればよい。
なお、２重に限られるものでもなく、ｎ重（ｎ≧２）であれば同様の効果を奏する。

実施の形態７．
実施の形態１〜６において、切削液供給穴の形状は円に限られず、矩形であってもよい。その他、楕円、Ｖ型溝、矩形などいずれにおいても同様な効果を得ることができる。

実施の形態１に係る工具保持具に工具を取り付けた状態の縦断面図である。 実施の形態１に係る切削液供給プレートの外形図である。 （ａ）低速回転時、（ｂ）高速回転時における、実施の形態１に係る工具保持具から出射する切削液の広がりを説明する図である。 従来の切削液供給プレートの外形図である。 （ａ）低速回転時、（ｂ）高速回転時における、従来の工具保持具から出射する切削液の広がりを説明する図である。 本発明の工具保持具の使用範囲を示す図である。 実施の形態１に係る他の切削液供給プレートを工具保持具に取付けた状態の一例である。 実施の形態１に係る他の切削液供給プレートを工具保持具に取付けた状態の一例である。 実施の形態２に係る工具保持具の縦断面図である。 実施の形態２に係るテーパ式コレットの縦断面図、テーパ式コレット先端に開けられた穴形状の一例である。 従来のテーパ式コレット先端の穴形状の一例である。 実施の形態３に係る切削液供給穴の配置を示した図である。 実施の形態４に係る切削液供給穴の配置を示した図である。 実施の形態５に係る切削液供給穴の配置を示した図である。 実施の形態６に係る切削液供給穴の配置を示した図である。

符号の説明

２ 工具保持具本体、１１ 切削液供給プレート、１２ 切削液供給穴、１２ａ 第１の切削液供給穴、１２ｂ 第２の切削液供給穴、１９ Ｌ字型固定金具、２１ テーパ式コレット、２２ 切削液経路、２３ 工具挿入穴、３０ａＬ 低速回転時に第１の切削液供給穴から供給される切削液、３０ｂＬ 低速回転時に第２の切削液供給穴から供給される切削液、３０ａＨ 高速回転時に第１の切削液供給穴から供給される切削液、３０ｂＨ 高速回転時に第２の切削液供給穴から供給される切削液、５０ ワーク、５１ 従来の切削液供給プレート、５２ 切削液供給穴、５３ 工具挿入穴、７０Ｌ 低速回転時に切削液供給穴から供給される切削液、７０Ｈ 高速回転時に切削液供給穴から供給される切削液、ｃ 切削液、Ｔ 工具。

Claims (6)

1. 切削工具を回転軸に保持するとともに、切削液を前記切削工具が切削する切削加工部に供給する工具保持具であって、
   前記切削液を通す切削液経路と、
   前記切削液経路とつながり、前記切削液が噴出する切削液供給穴とを備え、
   前記切削液供給穴は、前記回転軸からの距離が異なる２以上の切削液供給穴から構成されることを特徴とする工具保持具。
2. 前記切削液供給穴は、前記回転軸を中心とした径の異なる２以上の円の周上に配置されていることを特徴とする請求項１記載の工具保持具。
3. 前記切削液経路の端に交換可能な切削液供給プレートを備え、
   前記切削液供給穴は、前記切削液供給プレートに形成されていることを特徴とする請求項１、２いずれか記載の工具保持具。
4. 切削工具を回転軸に保持する工具保持具の内部に形成された切削液経路の片端部に取り付けられる工具保持具用切削液供給プレートであって、
   前記切削工具を挿入する工具挿入穴と、
   前記切削液経路を通った切削液が噴出する切削液供給穴と、
   を備え、
   前記切削液供給穴は、前記回転軸からの距離が異なる２以上の切削液供給穴から構成されることを特徴とする工具保持具用切削液供給プレート。
5. 切削工具を用い切削液を切削加工部に供給しながら切削加工する切削加工方法であって、
   前記切削工具の回転軸からの距離が異なる２以上の切削液供給穴から前記切削液を噴出しながら、前記切削工具が切削加工することを特徴とする切削加工方法。
6. 前記切削工具は８、０００（ｒｐｍ）以上の回転数で高速回転し切削加工することを特徴とする請求項５記載の切削加工方法。

Images