JP2010522096A - 旋削作業中に切削用インサートを回転させるための方法とアセンブリ及びそれに使用されるインサート - Google Patents

Abstract

軸を中心に回転される切削用インサートは、金属加工作業中に利用し、回転する工作物に適用して工具性能を高めることが可能である。ツールホルダに取り付けられた回転可能な切削用インサートを有するアセンブリを含む方法を利用して、この結果を達成することが可能である。

Description

本発明は、金属加工作業、より詳細には、金属加工作業中に切削用インサートを、その中心軸を中心に回転させるための方法及びアセンブリに関する。本発明はまた、切削用インサートそれ自体、ツールホルダとこのようなインサートとを有するアセンブリ、及びアセンブリの操作に関する。

固定した切削用インサートが回転する工作物に対し付勢（ｕｒｇｅ）される旋削作業のような金属加工作業中、工作物に作用するインサートの切削刃は、作業が完了するまで、又は切削刃がクレータ摩耗又は塑性変形のような故障メカニズムによって破損し始めるまで、工作物によって加熱される。このような故障モードを回避し、かつ切削用インサートのより効率的な動作を可能にするために、過去において、円形の切削用インサートが、その中心軸を中心に自由に回転できるようにツールホルダに取り付けられてきた。次に、特定の切削用インサートが、工作物に向けられ、例えば旋盤上にある工作物の回転運動により、切削用インサートに対しその接線方向に作用する力が付与されるように方向付けられた。工作物の運動が切削用インサートに対し作用することにより、工作物が機械加工されるのみならず、さらに、切削用インサートの切削刃を連続的に新たにする（ｒｅｆｒｅｓｈ）ように円形の切削用インサートが回転された。その結果、理想的な条件下で、切削刃のどの部分も、工作物に対し長時間にわたって露出されることがなかった。さらに、切削刃はより低い温度で操作され、これによって、切削力を高め、機械加工作業の効率を向上させることができた。

このタイプの回転するインサートは、驚くべき速度で著しく長い工具寿命を示すことが可能である。しかし、この回転するインサートは、切削条件がわずかに変わると、あるいは回転用に切削用インサートによって使用されるカートリッジ軸受部が劣化し始めると、同じように劇的に不具合になる可能性がある。

米国特許第４，１７８，８１８号明細書は、円形の切削先端を有する回転切削工具によって回転体を切削する方法に関する。切削用インサートは、ハウジング内部の軸受によって取り付けられるスピンドルに固定される。冷却剤がスピンドルを通って風力タービン（ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ）に導入され、これによって、切削用インサートの回転が行われる。しかし、切削用インサートの回転に資する切削力から生じるトルクは、切削用インサートの回転を付勢する冷却剤流によって発生されるトルクよりもはるかに大きい。切削用インサートの回転は、主に工作物との相互作用によって行われる。風力タービンの目的は、摩擦回転を行うために切削用インサートと工作物との間に接触がない中断した切削中でも、円形の切削用インサートが回転し続けるようにすることである。その結果、切削用インサートの設計では、切削用インサートを回転させるために、回転する工作物から接線方向の力を引き出すことに依存している。

米国特許第４，１７８，８１８号明細書

金属加工作業中に切削用インサートをそれ自体の軸を中心に回転させることができる方法及びアセンブリが必要とされ、この場合、回転速度及び回転方向は、工作物それ自体の回転によって決定されず、切削用インサートに作用する無関係の力によって決定される。

本発明の一実施形態は、切削用インサートを通って延びる中心軸を有する切削用インサートを備えるアセンブリである。切削用インサートが、頂面と、底面と、それらの間の少なくとも１つの側部と、この少なくとも１つの側部と頂面との交差部における切削刃とを有する本体を含む。アセンブリは、切削用インサートが取り付けられ、切削用インサートを、中心軸を中心に予め定められた回転速度で回転させるツールホルダを有する。

本発明の他の実施形態は、頂面と、底面と、それらの間の少なくとも１つの側部と、少なくとも１つの側部と頂面との交差部における切削刃と、頂面及び底面を通って延びる中心軸とを有する本体を含む切削用インサートによる機械加工方法である。中心軸が、回転する工作物の長手方向軸と一つの角度を形成するように切削用インサートを整列するステップと、切削用インサートの中心軸を中心に切削用インサートを回転させるステップと、切削用インサートを工作物に対し付勢して機械加工を開始するステップとを含む。

本発明の他の実施形態は、本体を通って延びる中心軸を有する本体であって、頂面と、底面と、頂面と底面との間の少なくとも１つの側部と、この少なくとも１つの側部と頂面との交差部における切削刃と、頂面から延びる少なくとも１つの突出部を備える切削用インサートである。少なくとも１つの突出部は、中心軸から半径方向に等距離に離間されて位置決めされかつ切削刃から内側に離間され、旋削作業に使用される切削用インサートがその中心軸を中心に回転されて、かつ回転する工作物に対し適用されるときにチップブレーカとして機能する。

回転する工作物で作動する回転可能なインサートを有するツールホルダの斜視図である。 回転するスピンドル及び旋盤上に位置決めされた工作物に取り付けられたツールホルダを示す概略図である。 ツールホルダ、及び切削用インサートのツールホルダへの固定に関連する部品の分解斜視図である。 図２の一部の拡大図である。 本発明によるインサートの頂面図である。 図３に示したインサートの側面図である。 周辺の切欠きを有しかつねじでツールホルダに固定された切削用インサートの斜視図である。 本発明の一実施形態による楕円形のインサートの斜視図である。 本発明の一実施形態による八角形のインサートの斜視図である。 切削用インサートとして機能するように成形された一体型端部を有するツールホルダの斜視図である。 ツールホルダ、及びツールホルダ内に嵌合可能な切頭円錐基部を有する切削用インサートの分解斜視図である。 インサートを通って延びる冷却剤ボアを有するインサートが取り付けられたツールホルダの切り開いた斜視図である。 チップブレーカ及び切頭円錐基部を有する切削用インサートの断面斜視図である。 切削用インサートを通って延びる冷却剤ボア及び切頭円錐基部を有する切削用インサートの断面斜視図である。 インサートを通って部分的に延びる冷却剤ボアを有するインサートが取り付けられたツールホルダの切り開いた斜視図である。 回転する工作物の端部から旋削作業用の回転インサートの向きを示した概略図である。 図１４に示した構成の平面図である。 回転する工作物及びねじ切り作業用の回転インサートの向きを平面から示した概略図である。 図１６に示した構成の端面図である。 ツールホルダ、及びツールホルダと嵌合可能な切頭円錐基部を有する切削用インサートの切り開いた側面図であり、切削用インサートはボアのフロアに対し位置している図である。 図１８のＸＩＸ−ＸＩＸで示した部分の拡大図である。

図１は、矢印２０で示した方向に中心線１５を中心に回転する工作物１０を示しており、例えば、工作物１０は旋盤上に取り付けられている。ツールホルダ５０には、切削用インサート１００が取り付けられている。切削用インサート１００は中心軸１０５を有する。切削用インサート１００は、ツールホルダ５０の回転が切削用インサート１００の回転に直接変換されるように、回転しないようにツールホルダ５０に固定されている。一例として、切削用インサート１００及びツールホルダ５０は、矢印１１０で示した方向に回転可能である。

アセンブリの一部は、中心軸１０５が切削用インサートを通って延びる切削用インサート１００から構成される。切削用インサートは、図２〜図４に示したように、頂面１１７と底面１１９と、これらの間の少なくとも１つの側部１２０とを有する本体１１５を有する。切削刃１２５は、少なくとも１つの側部１２０と頂面１１７との交差部において画定される。切削用インサート１００は、ツールホルダ５０に取り付けられ、ツールホルダ５０は、切削用インサート１００をその中心軸１０５を中心に、１０ＲＰＭから機械の能力の範囲、好ましくは６０〜２０，０００ＲＰＭ、より好ましくは２５０〜１０，０００ＲＰＭの範囲内の予め定められた回転速度で回転させるように適合される。この予め定められた回転速度は、工作物１０の回転速度よりも大きくても小さくてもよく、又は等しいことが可能である。切削用インサート１００の回転速度はまた、金属加工作業中に変更可能であってもよい。さらに、切削用インサート１００の回転速度は、工作物１０の回転速度に応じてもよく、工作物１０の回転速度に正比例してもよい。切削用インサート１００の回転速度はまた、工作物１０の回転速度とは完全に無関係でもよい。

手短に図１に戻ると、ツールホルダ５０は、スピンドル７５の内部に固定されてもよく、次に、スピンドル７５は、所望の方向にかつ所望の予め定められた回転速度でスピンドル７５を回転させることができる工作機械に取り付けられる。ツールホルダ５０は、回転工具の当業者に公知の任意の数の技術を使用してスピンドル内部に固定してもよい。しかし、図１に示したように、スピンドル７５は、ツールホルダ５０を受容する内部ボア７６を有し、内部ボア７６は、スピンドル７５の本体にねじ式に固定されかつツールホルダ５０をスピンドル内部に付勢するロックナット８０を利用してツールホルダ５０をスピンドル７５の内部に固定する。ツールホルダをスピンドル内部に固定するこの機構は、コレット又はロックスクリューを含む多くの異なる機構の１つでもよく、このような機構は回転工具の当業者には周知である。

図１Ａは、スピンドル７５の内部に固定されたツールホルダ５０を示している。スピンドル７５は、スピンドルドライバ７７によって駆動される。スピンドルドライバ７７からの閉ループフィードバックを使用して、コントローラ７８は、スピンドル７５の回転速度、結果としてツールホルダ５０の回転速度を観測しかつ制御する。

工作物１０は、チャック１２によって、工作物１０を予め定められた速度で回転させる旋盤１４に固定されてもよい。このような構成によって、工作物１０を予め定められた速度で回転させることができ、同様に切削用インサート１００を別個に予め定められた速度で回転させること、及び切削用インサート１００の回転を荷重下で当該速度に維持することができる。さらに、切削用インサート１００の回転を工作物１０の回転と同期させることができる。旋盤１４又は他の工作機械で工作物１０の回転速度を観測しかつ制御するために、閉ループフィードバックシステムを含むことは、標準仕様である。

本発明によるスピンドル７５を支持できる既存の工作機械には、３つのグループがある。これらのグループの工作機械の各々は、閉ループフィードバックコントローラを含み、したがって、スピンドルの回転速度を厳密に観測しかつ制御できる。第１のグループは、ツールホルダがスピンドルに固定されかつそれにより回転される４軸以上のマシニングセンタである。工作物は、Ｂ又はＣ回転軸によって回転され、ツールホルダは、Ｚ軸を有するこの回転軸の中央に配置される。ツールホルダは、工作物の直径を旋削するためにＹ軸に送られるか、又は工作物と対向するためにＸ軸に送られる。

第２のグループの工作機械は、旋削／フライス機械の組み合わせを含む。これらの機械の典型的な名称では、ツールホルダはスピンドルによって回転され、一方、工作物は主軸台のスピンドルによって回転される。次に、ツールホルダは、Ｘ軸を有する工作物の中心線に配置され、対向動作はＹ軸で実行される。工作物の直径は、Ｚ軸に送ることによって旋削される。

第３のグループの可能な工作機械は、インサートを回転させるためにスピンドルが後付け装着される従来の２軸旋盤を含む。このスピンドルは、主軸台の中心線及びＸ軸に対しほぼ直角に取り付けられ、対向はＸ軸運動によって実行され、一方、工作物の直径の旋削はＺ軸運動により実行される。

この後付け装着されたスピンドルは、様々な手段によって駆動することができる。電気サーボ駆動は、ＣＮＣ制御システムに容易に組み込めかつスピンドル回転速度を容易にプログラミングできるという利点を有し、一方、油圧式駆動は、より低コストであるという利点を有し、かつ工作機械筺体内の劣悪環境（冷却剤、切り屑、熱等）において非常に頑丈な構造を提供する。

図２〜図４を参照すると、切削用インサート１００は、回転しないようにツールホルダ５０に固定される。詳細には、切削用インサート１００の底面１１９は、そこから延びる１つ以上の突出部１３０を有し、これらの突出部１３０は、ツールホルダ５０の面５７の１つ以上の凹部５５と嵌合可能（ｍｅｔａｂｌｅ）である。インサートの突出部１３０がツールホルダの凹部５５に係合するように、切削用インサート１００をツールホルダ５０の面５７に対し付勢することにより、切削用インサート１００をツールホルダ５０に回転して固定するために切削用インサート１００とツールホルダ５０との間の確実な結合が提供される。

さらに、切削用インサート１００は、底面１１９の突出部１３０と同一でもよい１つ以上の突出部１３５を頂面１１７に含み、この結果、切削用インサート１００は反転可能であり、いずれの位置でツールホルダ５０によって確実に駆動され得る。

図５を参照すると、切削用インサート２００は、その底面２１９とツールホルダ５０の面５７との間の摩擦力だけでツールホルダ５０の面５７に固定されることが可能である。切削用インサート２００は、それを通して中心軸２０５に沿って延びるボア（図示せず）よりも大きなヘッド２３２を有する取り付けねじ２３０を利用して、ツールホルダ５０に対し摩擦により付勢されることが可能である。取り付けねじ２３０は、ツールホルダ５０にねじ式に固定される。このように、ツールホルダ５０の回転を切削用インサート２００に伝達するために、切削用インサート２００はツールホルダ５０に対し付勢されて、切削用インサート２００とツールホルダ５０との間の摩擦結合を生成する。

本発明による切削用インサートは、鋼、超硬合金、サーメット、セラミック、ＰＣＢＮ（多結晶窒化ホウ素）、ＰＣＤ（多結晶ダイヤモンド）及びダイヤモンドを含む金属加工作業に典型的に利用される任意の材料から製造することが可能であり、これらの材料の各々は性能を高めるためにコーティングを有しても又は有しなくてもよい。切削用インサート用に使用される材料及び／又はコーティングの選択は、工作物材料及び切削条件に左右される。

背景技術において前述したように、過去においては、自由に回転するインサートがツールホルダに取り付けられ、工作物の回転により、インサートに対し接線方向の力が付与され、この結果、工作物が回転されるときに、インサートは、固定されたツールホルダに対し回転し、これによって、機械加工作業中に切削用インサートが新たにされた。

本発明によれば、切削用インサート１００が固定されたツールホルダ５０は、工作物１０の回転とは無関係に回転される。回転する工作物に対し配置された自由に回転する切削用インサートの回転方向は、切削用インサートの向き及び工作物の回転速度及び回転方向によって全体的に決定されるが、本発明による構成はこれらの変数に左右されない。それとは反対に、本発明による構成は、中心軸１０５を中心に時計回り又は反時計回りにかつ所望の任意の予め定められた速度で、切削用インサート１００を回転させることができる。図１には、切削用インサート１００の回転方向が、反時計回り方向に回転するものとして矢印１１０で示されている。全体的に、切削用インサート１００の回転が矢印１１０で示した回転と反対になるように、ツールホルダ５０の回転方向を変更することができる。同様に、回転しないようにツールホルダ５０を保持することができる。

切削用インサート１００の回転方向を決定することによって、切削作業中における切削用インサートにわたる温度分布を管理することができる。例えば、切削用インサート１００が矢印１１０で示された反時計回り方向に回転している場合、切削刃１２５は、工作物を離れると、切削用インサート１００に最大の力及び最高の温度が生じるときである肩領域１４５に再度入るときまで冷却される。他方、切削用インサート１００が時計回り方向（矢印１１０で示した方向と反対）に回転されるべき場合、切削刃１２５は、肩部領域１４５の前の縮径部分１４３に沿って工作物と最初に接触し始め、切削作業の最も困難な部分のために肩部領域１４５に入る前に少なくとも部分的に加熱される。したがって、理解できるように、切削作業は、工作物１０に対する切削用インサート１００の回転方向に応じて変化する。

切削用インサート１０の連続的な予め定められた回転速度により、切削用インサートにわたる均一な熱分布が促進され、その結果、切削用インサートにわたる均一な熱分布が可能になり、インサート本体の内部の応力の一因となる温度勾配を最小にする。

これまで、円形構造を有する切削用インサート１００及び切削用インサート２００に関し述べてきた。このような切削用インサートは、ツールホルダ５０が工作物１０の中心軸１５に対し平行に移動される限り、円形断面を有する機械加工部分を製作する。しかし、非円形断面を有する切削用インサートを利用することがまったく可能である。

図６を参照すると、切削用インサート３００は、頂面３１７と、底面３１９と、頂面３１７と交差して切削刃３２５を画定する少なくとも１つの側部３２０とを有する本体３１５を有する。頂面３１７は、非円形であり、楕円形でもよい。切削用インサート１００（図１）が回転しないようにツールホルダ５０に固定されるのとまさに同様に、切削用インサート３００も回転しないようにツールホルダ５０（図１）に固定してもよい。楕円形の切削用インサート３００の形状を受け入れるために、ツールホルダ５０の前端の形状をわずかに変更すれば済むことが可能である。しかし、切削刃３２５に及ぼされる切削負荷に応じて、切削用インサート３００は、その底面３１９全体に沿って支持部を必要としてもよく又は必要としなくてもよい。にもかかわらず、作業中、楕円形の切削用インサート３００の回転を工作物１０の回転と同期させてもよく、このため、機械加工される工作物自体の断面は非円形であることが可能である。一例として、工作物１０の１回転毎に完全な１回転だけ、切削用インサート３００がその中心軸３０５を中心に回転されるべき場合、工作物１０の得られる機械加工部分は楕円形断面を有するであろう。他方、楕円形の切削用インサート３００の回転速度が工作物１０の回転速度の数倍である場合、機械加工される工作物１０の断面は、工作物１０の円形プロフィルの周りに複数の波形を有するであろう。このような構成は、急勾配のリードねじ山を有するボールねじを製作するために使用することができる。

図７は、同じく非円形の切削用インサート４００を示している。しかし、この設計では、切削用インサート４００は、全体的に八角形の頂面４１７を有する本体４１５を有する。頂面４１７及び側部４２０は交差して、ファセット４３０を有する切削刃４２５を画定する。切削用インサート４００のその中心軸４０５を中心とする回転速度は、例えば、装飾仕上げを有する工作物を提供するために、工作物１０の回転速度に対し制御することが可能である。この形状は、切屑制御にも有用であり得る。

特定の金属加工作業の条件に応じて、工作物１０から除去された材料から小さな切屑の形成を促進する特徴部を有する切削用インサートを設計することが望ましいことがある。詳細には、再び図５を参照すると、切削用インサート２００は、断続した切削部を工作物に提供するために、切削用インサート２００の周辺の周りの切削刃２２５を断続する少なくとも１つの切欠き２４０を有してもよい。そうすることによって、切欠き２４０は、形成し始めることがあり得る切屑を全て切断するか又はその切断を補助するように機能する。切削刃２２５の周辺の周りに複数の切欠き２４０を有することがまったく可能である。しかし、このような切欠き２４０の導入による切屑制御に提供される利点は、粗仕上げ作業にのみ適用可能であり、かつ工作物１０に対し比較的滑らかな表面仕上げが必要とされる場合、連続的な切削刃２２５を優先して、このような切欠き２４０を省略してもよいことを認識すべきである。

他の切屑制御特徴部を導入することによって、工作物１０から除去された材料によって形成される切屑の大きさを制御することもできる。再び図２〜図４を参照すると、切削用インサート１００の頂面１１７の突出部１３５も、切削用インサート１００の切削深さが、切削作業中に形成される切屑が突出部１３５の１つ以上に当たる程度に十分である限り、チップブレーカとして機能し得る。突出部１３５の半径方向長さが切削刃１２５に近づくように、突出部を延長することもできる。これらの突出部１３５は、ツールホルダの面５７に隣接して配置される場合、切削用インサート１００を回転しないようにツールホルダ５０に固定するように位置決めされるが、インサートの切削深さが小さい場合、金属加工作業中に切屑が形成されるように突出部１３５を半径方向外側に延長することが望ましいことがある。これらの半径方向に延びる突起１３５の１つ以上に切屑が当たることによって、突出部１３５は、ツールホルダ面５７に隣接しているときに確実な回転ロック機構として機能するのみでなく、ツールホルダ面５７に面していないときにチップブレーカとしても機能する。

一般に、切削用インサートは、回転工具の当業者に公知の様々な機構を使用して、回転しないようにツールホルダ５０に固定してもよい。このような一実施形態が、図２Ａに示されている。コレット８５は、ツールホルダ５０の内部で延びるボア８７に取り付けられ、切削用インサート１００はコレット８５によってツールホルダ５０に固定することが可能である。詳細に、また図２Ａに示した実施形態に関し、切削用インサート本体１１５は、中心軸１０５に沿って切削用インサートを通って延びるボア１３７を有する。ボア１３７は、内径Ｄ１（図２Ａ）を有する内壁１４０（図３）を有する。コレット８５は、中心軸１０５と整列され、回転しないようにツールホルダ５０のボア８７に固定されかつボア８７から突出する。コレット８５は、内部ねじ切りボア８９と、インサートボアの最大内径Ｄ１よりも小さい最大外径Ｄ２（図２Ａ）を有する外壁８６とを有することが可能である。ボルト９０は、コレットの内部ねじ切りボア８９にねじ式に固定可能である。したがって、コレット８５がツールホルダ５０のボア８７に取り付けられた状態で、切削用インサート１００はコレット８５の上に配置され、ボルト９０は切削用インサート１００のボア１３７を通して配置される。次に、このボルトは、コレット８５のねじ切りボア８９とねじ式に係合され、これにより、切削用インサート１００がコレット外壁８６上に取り付けられた状態で、インサートボア１３７はコレット外壁８６に嵌合する。次に、ボルト９０は締め付けられ、これによって、コレット８５を拡張させ、その外壁８６を切削用インサートのボア内壁１４０に対し固定させる。その結果、切削用インサート１００は、回転しないようにツールホルダ５０に固定される。

図２と図２Ａに示したコレット８５は、円形を画定するために一定の外径Ｄ２を有する。コレットの形状は円形に限定されず、非円形形状の他のコレットを受け入れるように、切削用インサート１００の内壁１４０を修正しなければならないことを理解して、様々な任意の非円形コレットを利用してもよいことを認識すべきである。しかし、このような受け入れに関する詳細は、回転工具の当業者には周知である。一例として、コレットは、楕円形の切削用インサートと一致するために楕円形の外面を有してもよい。

図２Ａでは、コレット８５は、取り外し可能にツールホルダ５０に固定されるが、コレット８５は、ツールホルダ５０の内部に永続的に取り付けられるか又はツールホルダ５０の一体部分であることが可能である。

図８に示されているように、ツールホルダ及び切削用インサート５００は、１つの一体部品である。ツールホルダ／切削用インサート５００は、前述したツールホルダ５０と同一の特徴をすべて有しているが、切削用インサートはツールホルダ５０の端部から分離しているのではなくこの端部に回転しないように固定されており、ツールホルダ５００は、交差して切削刃５２５を形成する頂面５１７と側部５２０とを有する切削端部５０２を有する。これらの状況下で、ツールホルダ５００の切削端部５０２を繰り返し研ぎ直すことが可能であり、これによって、予期しない損傷がない限り例外的に長い工具寿命を有する一体のツールホルダ／切削用インサート５００が提供される。

これまで述べてきた取り外し可能な切削用インサートは、ほぼ円盤形状であったが、インサートの頂面及び少なくとも１つの側部が本明細書で述べた特徴を含む限り、異なる形状のインサートを利用することができる。

詳細には、図９は、頂面６１７と、底面６１９と、頂面６１７と交差して切削刃６２５を画定する側部６２０とを有する柱状の切削用インサート６００を示している。切削用インサート６００は、ツールホルダ９００の内部の嵌合ボア６５０に嵌合して、支柱６３０と嵌合ボア６５０との間の摩擦嵌めを形成する切頭円錐（ｆｒｕｓｔｏ−ｃｏｎｉｃａｌ）形支柱６３０を有する。このような方法では、切削用インサート６００は、回転しないようにツールホルダ９００の内部に保持される。この構成は、機械加工作業中に切削用インサート６００に生じる力が切削刃６２５に作用して、ツールホルダの中心軸９５２に沿って成分を有する圧縮力を提供する場合に特に適している。

切頭円錐形支柱６３０は、ツールホルダ９００の切頭円錐嵌合ボア６５０と嵌合可能な切頭円錐部分６３２を画定する。その結果、切削用インサート６００の切頭円錐部分６３２は、ツールホルダ９００の切頭円錐ボア６５０と締まり嵌めを形成する。図９に示したように、切削用インサート６００の切頭円錐部分６３２は、ツールホルダ６５０の面６７５に当接するように適合された位置決め肩部６３４（ｌｏｃａｔｉｎｇ ｓｈｏｕｌｄｅｒ）を有する支柱６３０である。同様に、切削用インサート６００切頭円錐部分６３２の底面６１９は、ツールホルダ９００のボア６５０の内部のフロア（図示せず）に当接するように適合可能であることが可能であり、容易に想定され得る。これらの状況下では、位置決め肩部６３４は係合されないであろう。

背景技術において、回転しないインサートの工具故障モードは、インサートの切削刃の１つの特定箇所における温度及び力の集中の結果としてのクレータ摩耗及び塑性変形であると認識された。本発明による設計は、従来技術の金属切削条件のこれらの故障モードを最小にするが、熱を切削用インサートからツールホルダに非常に効果的に伝達する可能性を導くので、ツールホルダが過剰温度によって損傷を受ける可能性がある。したがって、ツールホルダ用の冷却機構を導入することが望ましいかもしれない。

図１０を参照すると、修正されたツールホルダ７５０は、その長さに沿って延びるボア７５５を有し、このボアを通して冷却剤を供給することが可能である。関連する切削用インサート７００は、ボア７５５に固定され、切削用インサートそれ自体は、ツールホルダ７５０の内部のボア７５５と同一直線上にあり得るボア７０５を有する。切削作業中にボア７５５を通して導入された冷却剤は、切削用インサート７００のボア７０５を通して移動し、切削領域付近に出る。このように、冷却剤は、切削領域を冷却すると共に、ツールホルダ７５０及び切削用インサート７００を冷却するためにさらに利用することが可能である。

切削用インサート７００の細部が、図１１に示されている。切削用インサート７００は頂面７１７及び側部７２０を有し、これらは交差して切削刃７２５を画定する。切削用インサート７００の長さに沿って延びるボア７０５は、ツールホルダ７５０のボア７５５（図１０）と流体連結される。チップブレーカ７４０は、インサート頂面７１７の幅にわたって延び、図３及び図４の突出部１３０、１３５と同様に金属加工作業中の切屑の形成を促進するために使用される。

図１０は、一定の直径を有するボア７０５を示している。実際の切削領域に冷却流体をより良く分散させるため、図１２に示したように、同様の切削用インサート８００はボア８０５を有し、そのボア８０５は、ボアが頂面８１７に近づくにつれて内壁８１２が外側に先細りする出口部分８１０を有してもよい。この全体的に円錐形の内壁８１２は、より幅広の噴射領域を通して冷却流体（ｃｕｔｔｉｎｇ ｆｌｕｉｄ）を効果的に分散させるように機能し、これによって切削領域がより効果的に冷却される。このように、切削作業によって発生され、ツールホルダに伝達される熱は、効果的に除去され、一方同時に、冷却流体は切削領域を冷却するように機能する。

ツールホルダを通って延びる冷却剤用のボアを設けることに加え、高温耐性であり得る材料のツールホルダを選択することも可能である。一例として、ツールホルダの材料は、インコネル、又は十分な構造的剛性を提供しかつ高温耐性の他の多数の材料のいずれかの材料でもよい。

乾式切削作業が必要とされ、かつ冷却剤が工作物に導入できない状況下では、図１３に示したように、部分的にのみツールホルダ８５０の長さに沿って延びるボア８５５を有するツールホルダ８５０を提供することができる。ボア８５５に導入される冷却剤は、加熱されると、他の冷却流体で循環されなければならないであろう。このような循環は、切削用インサート８００を高い位置に維持し、ボア８５５を通して冷却流体を噴射することによって達成することができ、次に、この冷却流体は重力によってツールホルダ８５０の反対側端部に戻るであろう。別の方法では、例えば、切削用インサート８００がアセンブリの最も低い部分である場合、冷却流体は、蒸発してボア８５５の反対側端部に移動し、ここで冷却されて液化されることができるであろう。

図１３には示されていないが、ツールホルダ８５０の長さ全体にわたってボア８５５を延長し、さらに、部分的に切削用インサート８００を通してボアを導入することがまったく可能であり、この結果、ボア８５５に導入される冷却流体はすべて、このインサートボアにも導入されて、ツールホルダ８５０及び切削用インサート８００の両方が冷却される。部分的にツールホルダ８５０を通って延びるボア８５５を有する構成と同様に、部分的に切削用インサートを通って延びかつツールホルダのボアと連通するボア８５５を有するこの構成により、ツールホルダの動きがその中の冷却流体を攪拌し、これによって、ツールホルダ８５０及び切削用インサート８００全体により均一に熱が分散され、熱放散を高める。同様に、図１３の切削用インサート８００と同様のインサートを利用して、図１０のツールホルダ７５０を通って延びるボアを「塞ぐ」ことができる。

図１４を参照すると、切削用インサート１００は、側部１２０を有する頂面１１７を有し、側部１２０は、頂面１１７と交差して切削刃１２５を画定し、切削刃１２５における頂面１１７と、工作物１０の軸１５から延びる放射状の線Ｒとの交差部に形成されたすくい角ＲＡが−１０°〜３０°、好ましくは−５°〜＋１５°となるように、工作物１０に対し方向付けられることが可能である。多くの場合、切削刃から内側に延びるランドがあり、このランドは、正、０、又は負のすくい角ＲＡで当該切削用インサートを予め配置するために角度が付けられる。これらの状況下で、すくい角ＲＡは、ランドの角度（すくい面角度）と切削用インサートの角度方向との組み合わせである。図１４に示したように、工作物１０は、軸１５を中心に矢印２０の方向に回転している。

図１５を参照すると、切削用インサート１００は、切削刃１２５における頂面１１７と工作物１０の軸１５との交差により、９０°未満、好ましくは０°〜３０°の軸角ＡＡが形成されるように、送り方向Ｆに対し方向付けることも可能である。表に示した次の例は、本発明によるアセンブリを利用する結果を示している。

１／２インチのＩＣを有する円形インサートを、本発明の図９の構成と同様にツールホルダに固定し、森精機（Ｍｏｒｉ Ｓｅｉｋｉ）のＭＴ２５３工作機械に取り付けた。この試験は乾燥状態下で実行した。切削用インサートは、コーティングされた超硬合金ＫＣ８０５０であった。このＫＣ８０５０等級は、ケンナメタル（Ｋｅｎｎａｍｅｔａｌ）によって作られた独占等級である。工作物は、１０４０炭素鋼から製造された約６インチの開始直径を有するログであった。

これまで述べてきたものは、スピンドルの回転がツールホルダの回転に変わり、これによって切削用インサートの回転に変わるように、スピンドル内部に回転しないように固定されるツールホルダである。しかし、この構成では、スピンドルを回転させることが必要である。しかし、固定スピンドルと、ツールホルダを固定スピンドル内部で回転させることができるスピンドルに取り付けられたモータのような補助駆動機構を利用することがまったく可能である。

図９は、切頭円錐嵌合ボア６５０に嵌合可能な切頭円錐形支柱６３０を有する切削用インサート６００の実施形態を示している。図１８と図１９は、切削用インサート１０００を通って延びる中心軸１０５を有する切削用インサートから構成されるアセンブリを有するさらに他の実施形態を示している。切削用インサート１０００は、頂面１０１７と底面１０１９とを有する本体１０１５から構成され、頂面と底面との間に少なくとも１つの側部１０２０を有する。切削刃１０２５は、少なくとも１つの側部１０２０と頂面１０１７との交差部に配置される。

アセンブリはツールホルダ１１００を含み、その上に、ツールホルダ１１００内にねじ式に係合される取付けねじ１１０５によって切削用インサート１０００が取り付けられる。ツールホルダ１１００は、切削用インサート１０００を、中心軸１０５を中心に予め定められた回転速度で回転させるように適合される。さらに、切削用インサート１０００は、ツールホルダ１１００の内部の切頭円錐ボア１１５０と嵌合可能な切頭円錐部分１０３２を有する。切削用インサート１０００の切頭円錐部分１０３２は、ツールホルダ１１００の切頭円錐ボア１１５０と締まり嵌めを形成する。図１９に示したような切削用インサート１０００の切頭円錐部分１０３２は、切削用インサート１０００の側部１０２０であり、切削用インサート１０００の底面１０１９は、ツールホルダ１１００のボア１１５０のフロア１１５５に当接するように適合される。

図１９に示したように、フロア１１５５は、その中に円周空洞１１５７を有し、ボア１１５０の壁部１１５２の半径方向の拡張を可能にする。

再び図１９を参照すると、切削用インサート１０００の切頭円錐部分１０３２は、中心軸１０５（分かりやすさのため移動）と共に、ツールホルダのボア１１５０の壁部１１５２とによって形成された角度ｂよりも大きな角度ａを形成する。切削用インサート部分１０３２の角度ａとボア壁１１５２の角度ｂとの差は、０．２°〜３．０°であり、好ましくは１．０°である。一実施形態では、切削用インサート部分１０３２の角度ａは７°である一方、ボア壁の角度ｂは６°である。

再び図１９を参照すると、ツールホルダ面１１５７に隣接するツールホルダ１１００の外壁１１１０は、旋削作業用の遊びを提供するために凹設される。図１９に示したように、凹部１１６０は、ツールホルダ１１００の周りの円周斜面である。

本発明の装置を利用することによって、工作物の重なり合う幅にわたって材料を除去する前述の旋削作業とは反対に、工作物を機械加工してねじ山を製作することもできる。図１６と図１７は、ねじ山を形成するために工作物が機械加工される構成を示している。このような形成は、インサートの送り速度と工作物の回転との密接な同期を必要とする。ツールホルダ５０に固定された切削用インサート１００は、切削用インサート１００の中心軸１０５が工作物１０の中心線１５と角度Ｚを形成するように方向付けられる。さらに、切削用インサート１００の中心軸１０５に対し直角の線は、工作物の中心線１５から延びる半径方向の線Ｒと逃げ角Ｙを形成する。

一例では、工作物１０は、４１４０合金鋼から製造される。逃げ角Ｙは７°であり、角度Ｚも７°である。１／２インチのＩＣの円形インサートであるインサート１００は、スピンドルの回転軸Ｂに対し直角に方向付けられる。工作物１０の回転速度は１００ＲＰＭであり、一方、インサート１００の回転速度はその速度の２倍、又は２００ＲＰＭである。インサート１００の送り速度は、ねじ山の所望のピッチに等しく、１回転当たり３インチである。切削深さは、０．０１０インチである。これらの状況下で、金属除去速度は６インチ^３／分である。

本発明の特定の実施形態について詳細に説明してきたが、それらの詳細に対する様々な修正及び代替形態を本開示の全体的な教示に鑑み発展させることができることが当業者によって認識されるであろう。本明細書に記載した本発明の好ましい実施形態は、例示目的のみであり、添付の特許請求の範囲及びそのすべてのあらゆる等価物の完全な幅が与えられるべき本発明の範囲に関して限定するものではないと意図される。

Claims (53)

1. ａ）中心軸を有する切削用インサートであって、前記切削用インサートは本体を含み、前記本体が、
   １）頂面及び底面と、
   ２）前記頂面と前記底面との間の少なくとも１つの側部と、
   ３）前記少なくとも１つの側部と前記頂面との交差部における切削刃と、
   を有する、前記切削用インサートと、
   ｂ）前記切削用インサートが取り付けられるツールホルダであって、前記切削用インサートを、前記中心軸を中心に予め定められた回転速度で回転させる、前記ツールホルダと、
   を備えるアセンブリ。
2. 前記ツールホルダに取り付けられたスピンドルをさらに含み、前記スピンドルが、前記切削用インサートを回転させる前記ツールホルダを回転させる、請求項１に記載のアセンブリ。
3. 前記スピンドルが、前記スピンドルを回転させることができる工作機械に取り付けられる、請求項２に記載のアセンブリ。
4. スピンドルドライバと、前記スピンドルドライバに接続されたコントローラとをさらに含み、前記コントローラが、前記スピンドルの回転速度を観測しかつ制御するための閉ループフィードバックを有する、請求項２に記載のアセンブリ。
5. 前記工作物の速度が前記スピンドルに直接関係する速度であるように、前記コントローラが工作物の回転を観測しかつ制御する、請求項４に記載のアセンブリ。
6. 前記ツールホルダの回転を前記切削用インサートに伝達するために、前記切削用インサートが前記ツールホルダに対し付勢されて、前記切削用インサートと前記ツールホルダとの間の摩擦結合を生成する、請求項１に記載のアセンブリ。
7. 前記切削用インサートの前記底面が前記底面から延びる突出部を有し、前記突出部が前記ツールホルダ内の凹部と嵌合し、前記切削用インサートを前記ツールホルダに回転可能に固定するために前記切削用インサートが前記回転可能なツールホルダに対して付勢されるときに、前記切削用インサートと前記ツールホルダとの間の確実な結合を提供する、請求項１に記載のアセンブリ。
8. 前記切削用インサートが、前記底面の前記突出部と同一の突出部を前記頂面にさらに含み、前記切削用インサートが反転可能でありかついずれの位置においても前記ツールホルダによって確実に駆動できる、請求項７に記載のアセンブリ。
9. 前記切削用インサートの前記頂面及び前記底面の少なくとも一方から延びる切屑制御突出部をさらに含む、請求項１に記載のアセンブリ。
10. 前記切削用インサートが、非円形断面を有する工作物を成形するために楕円形状を有する、請求項１に記載のアセンブリ。
11. 前記切削用インサートが、工作物を成形するために多角形状を有する、請求項１に記載のアセンブリ。
12. 前記切削用インサートが少なくとも１つの切欠きを有し、前記少なくとも１つの切欠きが、前記切削用インサートの周辺部の周りの前記切削刃を断続して、前記工作物に断続した切削部を提供する、請求項１に記載のアセンブリ。
13. 前記切削用インサートの中心を通って延びるボアをさらに含み、ねじ付きねじが、前記ボアを通って延びかつ前記ツールホルダのねじ付きボアと嵌合して、前記切削用インサートを前記ツールホルダに固定する、請求項１に記載のアセンブリ。
14. 前記ツールホルダから延びるコレットと、前記切削用インサートの中心を通って延びるボアとをさらに含み、前記切削用インサートを通って延びる前記ボア内に前記コレットを固定することによって、前記切削用インサートが前記ツールホルダに固定される、請求項１に記載のアセンブリ。
15. 前記ツールホルダが耐熱性材料から製造される、請求項１に記載のアセンブリ。
16. 前記切削用インサートが、回転可能なシャンクと一体化している、請求項１に記載のアセンブリ。
17. 前記切削用インサートが、前記ツールホルダを通って延びるボアと嵌合可能な切頭円錐側部を有する、請求項１に記載のアセンブリ。
18. 前記切削用インサートの前記側部が前記ツールホルダのボアと摩擦嵌めを形成する、請求項１７に記載のアセンブリ。
19. 前記切削用インサートの長さにわたって延びるボアが、冷却剤通路を形成する、請求項１７に記載のアセンブリ。
20. 前記切削用インサートの前記頂部における前記ボアが、工作物に冷却剤を分散させるために上方に拡張する円錐形テーパ部を有する、請求項１９に記載のアセンブリ。
21. 前記ツールホルダ内部に延びるボアが完全に閉鎖され、かつ流体が前記ボアを部分的に満たすことによって、前記ツールホルダの動きにより流体が攪拌され、前記ツールホルダ全体に熱が均一に分布され、熱放散を高める、請求項１に記載のアセンブリ。
22. 前記ツールホルダ内にコレットが取り付けられ、前記切削用インサートが前記コレットによって前記ツールホルダに固定される、請求項１に記載のアセンブリ。
23. ａ）前記切削用インサートの前記本体がボアを有し、前記ボアは前記中心軸に沿って延びて、内径を有する内壁を画定し、
    ｂ）前記コレットが前記長手方向軸と整列され、前記ツールホルダ内に回転しないように固定されて前記ツールホルダから突出し、前記コレットが内部ねじ付きボアと、前記切削用インサートボアの最大内径よりも小さな最大外径とを有し、
    ｃ）前記コレットの内部ねじ付きボア内に取り付けボルトがねじ式に固定可能であり、
    ｄ）前記切削用インサートが、前記切削用インサートボアの内壁内に延びる前記コレット外壁の上に取り付けられ、前記取り付けボルトが締め付けられて、前記コレット外壁を拡張して前記切削用インサートボアの内壁に対し固定する、
    請求項２２に記載のアセンブリ。
24. 前記コレットが、円形形状を画定する一定の外径を有する、請求項２３に記載のアセンブリ。
25. 前記コレットが、非円形形状を画定するため外径を変動する、請求項２３に記載のアセンブリ。
26. 前記コレットが、楕円形形状を画定するために外径を変動する、請求項２５に記載のアセンブリ。
27. 前記コレットが、前記ツールホルダ内に取り外し可能に固定される、請求項２２に記載のアセンブリ。
28. 前記ツールホルダが、固定したスピンドル内に回転しないように取り付けられ、前記スピンドルが、前記ツールホルダを回転させるための回転駆動装置を有する、請求項１に記載のアセンブリ。
29. 頂面及び底面と、前記頂面と前記底面との間の少なくとも１つの側部と、前記少なくとも１つの側部と前記頂面との交差部における切削刃と、前記頂面及び前記底面を通って延びる中心軸とを有する本体を含む切削用インサートによる機械加工方法であって、
    ａ）前記中心軸が、回転する工作物の長手方向軸と一つの角度を形成するように、前記切削用インサートを整列するステップと、
    ｂ）前記切削用インサートの前記中心軸を中心に予め定められた速度で、前記切削用インサートを回転させるステップと、
    ｃ）前記切削用インサートを前記工作物に対し付勢して、前記機械加工を開始するステップと、
    を含む、機械加工方法。
30. 前記切削用インサートが、前記工作物の回転速度以上の速度で回転される、請求項２９に記載の方法。
31. 前記切削用インサートが、前記工作物の回転速度未満の速度で回転される、請求項２９に記載の方法。
32. 前記切削用インサートが予め定められた速度で回転される、請求項２９に記載の方法。
33. 前記予め定められた速度が変更可能である、請求項３２に記載の方法。
34. 前記予め定められた速度が、前記工作物の回転速度とは無関係である、請求項３２に記載の方法。
35. 前記切削用インサートが、前記工作物の回転速度に直接関係する速度で回転される、請求項２９に記載の方法。
36. 前記切削用インサートが、前記工作物の回転速度に正比例する速度で回転する、請求項３５に記載の方法。
37. 前記切削用インサートの中心軸が前記工作物の外面の接線に対し非平行に方向付けられ、前記切削用インサートが、前記回転する工作物が前記切削用インサートを回転させる方向とは反対の回転方向に駆動される、請求項２９に記載の方法。
38. 前記切削用インサートの中心軸が、前記工作物の外面の接線に対し非平行に方向付けられ、前記切削用インサートが、前記回転する工作物が前記切削用インサートを回転させる方向と同一の回転方向に駆動される、請求項２９に記載の方法。
39. 前記切削用インサートの前記頂面が非円形であり、前記切削用インサートの回転を前記工作物の回転と同期させて、前記工作物に非円形断面を付与するステップをさらに含む、請求項２９に記載の方法。
40. 中心軸を有する本体を含む切削用インサートであって、前記本体が
    ａ）頂面及び底面と、
    ｂ）前記頂面と前記底面との間の少なくとも１つの側部と、
    ｃ）前記少なくとも１つの側部と前記頂面との交差部における切削刃と、
    ｄ）前記切削用インサートが旋削作業で使用され、前記中心軸を中心に回転されて、回転する工作物に対し適用されるときに、前記切削刃から内側に離間した前記頂面から延びてチップブレーカとして機能する少なくとも１つの突出部と、
    を有する、切削用インサート。
41. 前記少なくとも１つの突出部が、前記切削用インサートの中心線の周りに等角度で離間された少なくとも２つの突出部から構成される、請求項４０に記載の切削用インサート。
42. 前記切削刃が円の形状である、請求項４０に記載の切削用インサート。
43. ａ）中心軸を有する切削用インサートであって、前記切削用インサートは本体を含み、前記本体が、
    １）頂面及び底面と、
    ２）前記頂面と前記底面との間の少なくとも１つの側部と、
    ３）前記少なくとも１つの側部と前記頂面との交差部における切削刃と
    を有する、前記切削用インサートと、
    ｂ）前記切削用インサートが取り付けられるツールホルダであって、前記切削用インサートを、前記中心軸を中心に予め定められた回転速度で回転させる、前記ツールホルダを備え、
    ｃ）前記切削用インサートが、前記ツールホルダ内の切頭円錐ボアと嵌合可能な切頭円錐部分を有する、アセンブリ。
44. 前記切削用インサートの前記切頭円錐部分が、前記ツールホルダの前記切頭円錐ボアと締まり嵌めを形成する、請求項４３に記載のアセンブリ。
45. 前記切削用インサートの前記切頭円錐部分が、前記ツールホルダの面に当接するように適合された位置決め肩部を有する支柱である、請求項４３に記載のアセンブリ。
46. 前記切削用インサートの前記切頭円錐部分が前記側部であり、前記切削用インサート内の底部が前記ツールホルダの前記ボアのフロアに当接する、請求項４３に記載のアセンブリ。
47. 前記ボアが、前記ツールホルダの面に隣接する前記ボアの壁部の半径方向の拡張を可能にするために、円周空洞を内部に有するフロアを有する、請求項４３に記載のアセンブリ。
48. 前記切削用インサートの前記切頭円錐部分が、前記ツールホルダのボアの壁部と前記中心軸とによって形成された角度よりも大きな角度を前記中心軸と形成する、請求項４３に記載のアセンブリ。
49. 前記切削用インサート部分と前記ボア壁との差が０．２〜３．０°である、請求項４８に記載のアセンブリ。
50. 前記差が約１．０°である、請求項４９に記載のアセンブリ。
51. 前記切削用インサート部分が７°の角度を形成し、前記ボア壁が６°の角度を形成する、請求項４９に記載のアセンブリ。
52. 前記ツールホルダ面に隣接する前記ツールホルダの外壁が、旋削作業用の遊びを提供するための凹部を設ける、請求項４３に記載のアセンブリ。
53. 前記凹部が前記ツールホルダの周りの円周斜面である、請求項５２に記載のアセンブリ。

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