JP5706662B2 - 複合材料の切削加工方法と、その切りくず処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械の切りくず処理装置に関し、特にＣＦＲＰ（炭素繊維強化複合材料）を切削する場合に発生する切りくずを吸引して飛散防止する切りくず処理装置に関する。

ＣＦＲＰは軽量、高強度、高剛性、良好な耐疲労性、寸法安定性、耐蝕性など優れた特性を持ち、近年、航空機分野、スポーツ分野、自動車の車体、産業用ロボットなどに広く使用されている。
しかしＣＦＲＰを切削加工した際、切りくずに含まれる炭素繊維は細かく、短くなった単繊維はフライや粉塵となり大気中に飛散し、作業者の皮膚や粘膜に突き刺さり、痛みやかゆみを生じやすい。さらに、作業者はその粉塵を吸い込まないようにすることが必要となる。
また、粉末化した切りくずが工作機械の摺動部に侵入すると、摺動面に摩耗が生じて工作機械を傷める可能性があり、炭素繊維は導電性を有するので、フライや糸くずが電気系統の短絡の原因になる危険もある。 さらに積層炭素繊維の剥離や被削面のケバ立ちといった難しさを伴う。

このような問題を解決するため、特許文献１では、工具後端から軸に沿って工具先端に至るエアー穴が本体部に設けられた穴あけ工具を用い、前記エアー穴に通した圧縮空気を前記工具先端から吐出させ、同時に前記空気により拡散させた粉状の切屑を前記穴あけ工具を覆う筒状カバーを備えた切屑吸引装置で吸引しながら行なう繊維強化複合材の穴あけ加工方法が提案されている。

さらに特許文献２では、刃具に包囲体を設けると共に、この包囲体の刃具先端側に刃具を包囲された筒部材を出入り自在に嵌挿してスプリングにより刃具先端側へ付勢された状態とし、吸引管を接続させて包囲体内を負圧にして、加工の際筒部材先端がワークに接近して刃具が筒部材開口から外方へ突出すると開口からの空気流入が制限されることにより包囲体内の負圧が上昇して筒部材がスプリングの弾力に抗して主軸側へ移動し、ワークから一定寸法離れた位置で釣り合い状態に保持されるとともに、刃具には軸方向の通気孔を設け圧縮空気供給管と接続させたことを特徴とする工作機械の切粉処理装置が提案されている。

特開２００９−１３６９６２ 特許第２７２５１５７号

特許文献１・特許文献２では、油穴付きの汎用なツイストドリル等の使用を前提としているが、難削材を含む複数種類の材料が積層されてなる複合材料は、切削抵抗が極めて大きく、切れ刃が摩耗しやすく、工具寿命は極端に短くなる。
そこで、工具メーカ各社が販売している複合材料（ＣＦＲＰ）用に標準用意された工具を使用するのであるが、一般に工具メーカが標準で用意しているＣＦＲＰ用の加工工具には油穴（エアー穴）を設けてあるものは少ない。
また一口にＣＦＲＰといっても、炭素繊維と熱硬化性あるいは熱可塑性のマトリックス樹脂との組み合わせからなるＣＦＲＰは、使用用途により実に様々な種類が存在する。そのため、ＣＦＲＰ用の加工工具は素材にあわせてテイラーメードされる場合が多く、工具そのものは比較的高額となる。特許文献１のような加工方法をＣＦＲＰ用の工具で実施しようとすると、経済的負担が高くならざるをえない。

また切削抵抗が極めて大きいＣＦＲＰでは、加工工具による高接触圧下の摺動摩擦や切りくずの巻き込みによって仕上がり穴精度や内周仕上げ面の精度が低下するとともに、摩擦熱によって発生する加工変質層が厚くなる欠点あるため、圧縮空気を供給して刃先を冷却し、切りくずを除去することが望ましい。
しかし特許文献１の方法では、例えば工具を取り付ける工作機械自体が主軸クーラントスルーに対応していない場合には、工具の設けられた油穴（エアー穴）へ圧縮空気を供給する機構を別途設けるかしなければならず、直接特許文献１の方法を採用することができない。
あるいは外部から刃先へ圧縮空気を供給するなどの方法を採用した場合、刃先へ供給された圧縮空気の方向と吸引される空気の流れる方向が逆であるため、切りくずの吸引力が弱まってしまい、集塵効率が下がってしまう。

そこで本発明は、既存の工作機械（主軸クーラントスルーであるなしにかかわらず）を改良することなく使用でき、切りくずの飛散を防ぎ、かつ工具先端を冷却できる切りくず処理装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成すべく本発明は次の技術的手段を講じた。
すなわち、本発明に係る切りくず処理装置は、回転する主軸の先端に脱着可能に取り付けられ、刃具が挿入される工具ホルダと、切削により生じる切りくずを吸引する筒状フードとを有する工作機械用切りくず処理装置であって、前記筒状フードは、内周部と外周部からなる二重構造を有しており、前記内周部と前記外周部の間の空間を吸引路となして、前記切りくずを含む排気が排気され、前記工具ホルダの外周には前記二重構造の筒状フードを装着する軸受けを有し、さらに、前記二重構造の筒状フードは、前後方向に摺動可能にして前記空間を伸縮させるスライドフードを刃具側に有することを特徴とする。

このようにすると、吸引される切りくずは内周部と外周部に囲まれた排出路を通るので、切りくずが刃具や工具側に付着せず、ベアリングなどの回転部に切りくずの噛みこみもなくなる。また筒状フードが二重構造になっているため、スライドフードが前後方向に移動する際、安定的に案内される。

本発明では、スライドフードの前面に、その中心に刃具を貫通させる刃具用口を設けるとともに、圧縮空気供給路からの圧縮空気を工具先端に噴出させるため前記刃具用口の周囲に１つ以上の噴出孔が設け、スライドフード前面の外周側に１つ以上の吸引口を設けることが望ましい。

このようにすると、噴出孔から供給される圧縮空気と吸引される空気とがぶつからず、効率的に刃具を冷却できるとともに、切りくずも排出できる。

さらに本発明では、スライドフードを、内周部の圧縮空気供給路から圧縮空気を供給するときは前方へ付勢されるように配設するとともに、切りくずを吸引するとき負圧となる排出路はスライドフードの前面がワークに接近すると排出路内の負圧が上昇し、スライドフードは前方への付勢力に抗して主軸側へ移動し、ワークから一定距離離れた位置で釣り合い状態を維持するようにするのが望ましい。

このようにすると、空気の正圧と負圧のバランスだけでスライドフードの摺動が行なわれ、シンプルで軽量なものとなる。

また、圧縮空気供給路が設けられたまわり止めブロックを主軸側に付勢して、工具ホルダが主軸にクランプされているとき、このまわり止めブロックが筒状フードのまわり止めを兼ねているのが望ましい。

このようにすると、必要な機能を一つの部材で兼ねることができ、部品点数も減り、構造を簡素化できる。

筒状フード６を二重構造にしたことにより、ＣＦＲＰの切りくずが効果的にスライドフード１１前面の外周側に設けた吸引口２５ｆに吸引され、かつ、細かい切りくずが工具ホルダ３の本体側に入りこむことを防ぐことができる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の切りくず処理装置の断面図である。主軸ヘッド１に備えられた回転軸中心に回転する主軸２の先端に把持される工具ホルダ３は、先端に刃具４が挿入されている。そして主軸ヘッド１には、主軸側吸引ブロック５が固設され、図示されない集塵器へ切りくずが吸引されて運ばれる吸引路Ｖ１と、刃具４の刃先へ圧縮空気を供給するための圧縮空気供給路Ｓ１を備える。

工具ホルダ３は主軸１に把持されるテーパ部３aと、自動工具交換される際に把持される把持部３ｂと、工具ホルダ本体３ｃからなり、工具ホルダ本体３ｃには筒状フード６が軸受７を介して非回転に取り付けられている。前記軸受７は、工具ホルダ３の把持部３ｂ側にスペーサ８を介して工具ホルダ本体３ｃに嵌装され、工具ホルダ本体３ｃ外周に刻設された雄ネジｇにロックナット９をネジ付けることにより、長手方向に軸受７を固定する。

前記筒状フード６は、前記工具ホルダ本体３ｃに嵌装された軸受７を介して非回転に取り付けられる基台１０と前記基台１０に前後方向の移動を案内されるスライドフード１１からなる。

前記基台１０は、前記軸受７の外周に嵌装される筒状の基台内周部１２と基台内周部中間部材１３と基台外周部１４とで構成されている。

前記基台内周部１２はシリンダ部１２aと外周側に出っ張るフランジ部１２ｂを有しており、そのシリンダ部１２aの外周に、同じくシリンダ部１３aと外周側に出っ張るフランジ部１３ｂを有する前記基台内周部中間部材１３を嵌装させ、前記フランジ部１３ｂを基台内周部１２のフランジ部１２a上に重ねる。さらに、シリンダ部１４aと内周側に出っ張るフランジ部１４ｂを有する基台外周部１４を前記中間部材１３のシリンダ部１３aに嵌装して、前記フランジ部１４ｂを中間部材１３のフランジ部１３ｂ上に重ね、前記３つのフランジ部（１２ｂ・１３ｂ・１４ｂ）をフランジ部１４ｂ側でネジ止めする。そして軸受７の外周に嵌装された基台１０の抜け止めとして、フランジ１２ｂ側に抜け止めのフランジ１５を装着してフランジ１２ｂ側からも前記３つのフランジ部をネジ止めする。

基台内周部のシリンダ部１２aとその外周に嵌装される基台内周部中間部材１３のシリンダ部１３aと、基台外周部のシリンダ部１４aの間には環状の空間１６となっており、これは吸引路の一部を構成する。

この吸引路としての環状空間１６を主軸側吸引ブロック５の吸引路Ｖ１と連通させるために、前記基台外周部１４のシリンダ部１４aの一部を切り欠き、方形で中空の連通用吸引ブロック１７を基台内周部のフランジ部１３ｂの外周に装着させ、前記フランジ部１３ｂと前記吸引ブロック１７で囲まれた空間１８となし、主軸側吸引ブロック５の吸引路Ｖ１と前記吸引路の一部をなす空間１６を連通させる。基台１０に設けられた空間１６と１８からなる空間を吸引路Ｖ２とする。

前記連通用吸引ブロック１７には、主軸用吸引ブロック５の吸引路Ｖ１とのつなぎ目にＶリング１９を介し、切りくずを含む排気漏れを防止する。

前記基台内周部１２と前記基台内周部中間部材１３の間には、前記シリンダ部１３aの一部壁を肉薄にして基台内周部１２のシリンダ部１２aとの間に環状隙間２０aを設け、また前記基台内周部中間部材１３のフランジ部１３ｂの一部壁も肉薄にして基台内周部１２のフランジ部１２ｂとの間に隙間２０ｂを設けており、これら環状隙間２０aと隙間２０ｂは前記圧縮空気供給路の一部を構成し、前記シリンダ部１２aのラジアル方向に設けられた貫通孔１２ｃと連通するようにされている。

そして基台内周部１２のフランジ部１２ｂには前記隙間２０ｂと連通するように長手方向に貫通孔１２ｄが設けられており、この貫通孔１２ｄ内には、中空ピン２１がスプリング２２によって主軸側に付勢するようにはめ込まれている。中空ピン２１の先端には、フード用まわり止めブロック２３が嵌着されており、前記まわり止めブロック２３には圧縮空気供給路として貫通孔２３aが設けられている。

工具ホルダ３のテーパ部３aが主軸２に把持されると、前記中空ピン２１に嵌着されているまわり止めブロック２３はスプリング２２の弾性力によって主軸側吸引ブロック５側に押し付けられ、前記まわり止めブロック２３の貫通孔２３aと圧縮空気供給路Ｓ１とが連通する。

基台内周部１２に設けられた圧縮空気供給路は、前記貫通孔２３a、前記中空ピン２１、前記隙間２０ｂ、前記環状隙間２０a、前記貫通孔１２ｃからなり、圧縮空気供給路Ｓ２とする。

ところで、前記まわり止めブロック２３は、側面視で階段状に段を有しており、前記工具ホルダ３が主軸２に把持されると、前記ブロック２３の下段部２３ｂが前記圧縮空気供給路Ｓ１に係合し、筒状フード６のまわり止めの役割を果たす。

さらに、前記工具ホルダ３が工具交換のため主軸２から離れると、前記まわり止めブロック２３はスプリング２２の力によって主軸側へ付勢され、前記ブロック２３の中段部２３ｃが工具ホルダ３の把持部３ｂに設けられている溝３ｄに係合し、筒状フード６のまわり止めの役割を果たす。

また、前記まわり止めブロック２３は、スプリング２２の力によって主軸側へ付勢されても、前記ブロック２３の上段部２３ｄが工具ホルダ３の把持部３の前端面３eにひっかかり、抜き止めの役割を果たす。

次に、前記基台１０に前後方向の移動を案内されるスライドフード１１は、スライド内周部２４とスライド外周部２５とで構成されている。

前記スライド内周部２４は、前記基台内周部１２のシリンダ部１２aの内壁上で前後方向に摺動可能に案内される筒部２４aと、工具ホルダ本体３ｃの前面を覆う前面部２４ｂを有している。前面部２４ｂの中心には、刃具４のための貫通孔２４ｃが設けられている。

前記スライド外周部２５は、前記基台外周部１４のシリンダ部１４aの内壁上で前後方向に摺動可能に案内される筒部２５aと、工具ホルダ本体３ｃの前面を覆う前面部２５ｂを有している。前面部２５ｂの中心には、刃具４のための貫通孔２５ｃが設けられている。さらに、貫通孔２５ｃの周囲には、刃具４に向けて圧縮空気を供給するための噴出孔２５ｄが３つ設けられている。この噴出孔２５ｄは貫通孔２５ｃの周囲に環状に配置されるが、１つ以上あるのが望ましい。

前記スライド内周部２４の前面部２４ｂの上に前記スライド外周部２５の前面部２５ｂを重ねてネジで止める。前記スライド内周部２４の前面部２４ｂの前面を一部肉薄にして、スライド外周部２５の前面部２５ｂの内壁との間に隙間２６が設けられて圧縮空気供給路の一部を構成し、前記噴出孔２５ｄと連通する。

さらに、前記スライド内周部２４の筒部２４aの前側から基台内周部１２のシリンダ部１２aの内壁上を摺動する範囲の筒壁を肉厚にして、この肉厚部に長手方向に１つ以上の圧縮空気供給路２４ｄを設ける。図１に示すように、スライドフード１１が前方向に移動していない状態の時は、前記圧縮空気供給路２４ｄは前記基台内周部１２のスライド部１２aにラジアル方向に設けられた貫通孔１２ｃと連通する。前記スライドフード１１が前方向へ移動したときは、図２に示すように、前記スライド内周部の筒部２４aの肉厚部を案内する基台内周部１２のシリンダ部１２aとの隙間２７が圧縮空気供給路の一部となる。

スライドフード１１内に設けられる前記隙間２７、圧縮空気供給路２４ｄ、前記隙間２６は、圧縮空気供給路Ｓ３を構成する。
また、スライド内周部の筒部２４aとスライド外周部の筒部２５aとで囲まれる空間を吸引路Ｖ３とする。

さらに、前記スライド外周部２５の筒部２５aの外周には溝２５eが設けられており、外周部１４のシリンダ部１４aに嵌着されたボールブランジャー２８が前記溝２５eに係合され、スライドフード１１全体の前後摺動がスムーズに行なわれるとともに、スライドフード１１の抜けが防止される。また、スライドフード１１全体を前後摺動させない場合には、前記溝２５eには、別途、ボールプランジャー２８によってスライドフード１１が前方向への移動が係止される溝が設けられている。

また、図３に示すように、スライド外周部の前面部２５ｂには、筒部２５aの内壁に沿って吸引口２５ｆが複数設けられている。前記吸引口２５ｆは、前記貫通孔２５ｃや圧縮空気を噴出する前記噴出孔２５dから離れた外周側に設けられており、圧縮空気の流出方向と、切りくずを含む排気の吸引方向とで、空気の流れが干渉しないようにされている。

ここで、切りくずを効果的に吸引するため、前記吸引口２５ｆの合計の断面積は、吸引路Ｖ中の断面積の中で最も小さくなるようにするのが望ましい。

次に、本発明の実施形態の使用例とその作用を説明する。
ドリルなどで穴あけ加工をする場合のように、刃具４がワークの表面から内部まで切削を進める場合には、ボールプランジャー２８と溝２５eとの位置を調整し、筒状フード６のスライドフード１１を前後方向に摺動可能な状態にしておく。

圧縮空気が圧縮空気供給路Ｓ１からＳ３を経て刃具４先端にむかって供給されると、図２に示すように、スライドフード１１は最前方へ移動する。さらに、図示しない集塵器が作動開始すると、スライドフード１１の前面の吸引口２５ｆから大気を吸い込み、吸引路Ｖ１からＶ３内の空気はわずかな負圧状態となり、圧縮空気による前方への付勢力に抗してスライドフード１１を主軸２側へわずかに引き寄せる。

さらに、前記スライドフード１１の前面が図示しないワークに近づくと、吸引路Ｖ内の負圧が上昇し、スライドフード１１はさらに主軸側へ引き寄せられる。ワーク加工中は、吸引路内の負圧と圧縮空気の前方への付勢力がバランスし、ワークとスライドフード１１前面との距離を一定に保った状態が維持される。

また、フライスなどの刃具４でワークを加工する場合は、スライドフード１１が前後方向へ摺動しないように、ボールプランジャー２８を溝２５eで係止させる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の取り得る具体的な態様は、これに限定されるものではない。

たとえば、筒状フード６には圧縮空気供給路Ｓ２・Ｓ３を設けず、別途外がけのノズルを設けて刃具４先端に圧縮空気を供給し、刃具４を冷却してもよい。

また、スライドフード１１の外周部２５にボールプランジャー２８を嵌着させているが、その他に、ネジなどを取り付け、スライドフード１１を任意の位置に固定させる手段を講じてもよい。

本発明に係る筒状フードの断面図である。 本発明に係る筒状フードの断面図で、スライドフードが前方へ移動している状態を示す。 本発明に係る筒状フードの正面図である。 本発明に係る筒状フードの外観図である。

１ 主軸ヘッド
２ 主軸
３ 工具ホルダ
４ 刃具
５ 主軸側吸引ブロック
６ 筒状フード
１０ 基台
（１２ 基台内周部 １３ 基台内周部中間部材 １４ 基台外周部）
１１ スライドフード
（２４ スライド内周部 ２５ スライド外周部）
２５ｄ 噴出孔
２５ｆ 吸引口
１７ 連通用吸引ブロック
２１ 中空ピン
２２ スプリング
２３ まわり止めブロック
Ｓ１・Ｓ２・Ｓ３ 圧縮空気供給路
Ｖ１・Ｖ２・Ｖ３ 吸引路

Claims (7)

1. 回転する主軸の先端に脱着可能に取り付けられ、刃具が挿入される工具ホルダと、
   切削により生じる切りくずを吸引する筒状フードとを有する工作機械用切りくず処理装置であって、
   前記筒状フードは、内周部と外周部からなる二重構造を有しており、前記内周部と前記外周部の間の空間を吸引路となして、前記切りくずを含む排気が排気され、
   前記工具ホルダの外周には前記二重構造の筒状フードを装着する軸受けを有し、
   さらに、前記二重構造の筒状フードは、前後方向に摺動可能にして前記空間を伸縮させるスライドフードを刃具側に有することを特徴とする工作機械用切りくず処理装置。
   
2. 回転する主軸の先端に脱着可能に取り付けられ、刃具が挿入される工具ホルダと、
   切削により生じる切りくずを吸引する筒状フードとを有する工作機械用切りくず処理装置であって、
   前記筒状フードは、内周部と外周部からなる二重構造を有しており、前記内周部と前記外周部の間の空間を吸引路となして、前記切りくずを含む排気が排気され、
   かつ、圧縮空気供給路が設けられており、
   前記工具ホルダの外周には前記二重構造の筒状フードを装着する軸受けを有し、
   さらに、前記二重構造の筒状フードは、前後方向に摺動可能にして前記空間を伸縮させるスライドフードを刃具側に有し、
   かつ、刃具先端に向けて圧縮空気を供給する圧縮空気供給路を具備することを特徴とする工作機械用切りくず処理装置。
   
3. 前記スライドフードは前面には、その中心に刃具を貫通させる刃具用口が設けられるとともに、前記前面の外周側に切屑を吸引する１つ以上の吸引口が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の工作機械用切りくず処理装置。
   
4. 前記スライドフードの前面には、その中心に刃具を貫通させる刃具用口が設けられるとともに、前記圧縮空気供給路からの圧縮空気を刃具先端に噴出させるため前記刃具用口の周囲に１つ以上の噴出孔が設けられ、前記前面の外周側に切屑を吸引する１つ以上の吸引口が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の工作機械用切りくず処理装置。
   
5. 前記スライドフードは、前記圧縮空気供給路から圧縮空気が供給されるときは前方へ付勢されるように配設されているとともに、切りくずが吸引されるとき吸引路内は負圧となり、前記スライドフードの前面がワークに接近すると前記吸引路内の負圧が上昇して、前記スライドフードは前方への付勢力に抗して主軸側へ移動し、ワークから一定距離離れた位置で釣り合い状態を維持することを特徴とする請求項２又は４に記載の工作機械用切りくず処理装置。
   
6. 前記スライドフードは、ワークから一定距離離れた任意の位置に固定できるようにされていることを特徴とする請求項１乃至４に記載の工作機械用切りくず処理装置。
   
7. 前記二重構造の筒状フードには、弾性力によって主軸側に付勢され、かつ圧縮空気供給路が設けられたまわり止めブロックが設けられており、
   前記まわり止めブロックは、工具ホルダが主軸にクランプされているときに前記二重構造の筒状フードのまわり止めを兼ねていることを特徴とする請求項２、４、５又は６のいずれか一つに記載の工作機械用切りくず処理装置。