JPH02100802A - 高圧クーラントによる切削方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野　］ この発明は、機械加工、特に切削工具近傍にクーラント
を供給する切削加工方法に関するものである。さらに、
この発明は、主に切削バイトを使用した金属の切削加工
に関するものである。

［従来の技術　］ 一般的に、金属の切削加工においては、切削バイトが使
用されている。この種の工具を使用する場合には、工具
寿命を長くし、加工面仕上げを良好にするために切削箇
所付近にクーラントを供給する方法がとられている。こ
のクーラントは冷却特性とともに潤滑特性をも有するも
のであり、コスト面及び良好な熱伝導特性を有するため
水溶性オイルと水との混合剤が好んで使用されてきた。

また、時として、加工目的に応じて鉱物油又はその他の
クーラントが使用される場合もある。

文献等によれば、切り刃のエツジとワークピースとの接
触部に起こる現象の力学的原理に関して広範囲にわたっ
て研究されてきた。このことは、この切削工具及び切削
方法を改善することによって経済的に著しい効果をあげ
ることができるためである。近年における主な改良点は
、硬化合金鋼に代わって焼結金属カーバイトを使用する
ことにより工具寿命が延びたことである。しかしながら
、カーバイト工具は、未だ、経年変化によって質的に劣
化するため、この品質劣化を抑えることに大きな関心が
寄せられている。つまり、工具寿命を延長することがで
きれば、工具交換に要するコストが低減され、経済的に
非常に大きな効果をもたらすごとになる。この効果は、
工具の位置決め調整に要する休止時間及びそれによるコ
スト面、工具損傷が起きた場合に生じるワークピースへ
の損傷を回避できることにある。

一般的な切削においては、ワークピースからの切りくず
が切削工具のすくい面に衝突することにより工具温度が
上昇し、機械的な損傷を受けやすくなる。そこで、切り
くずによる衝撃を受は続けると、工具を新たに交換しな
い限り、いずれ加工中に破損してしまうこととなる。し
たがって、工具の切削刃及び切りくずが当たる上面の冷
却が最も重要視されており、例えば、リーに付与された
米国特許第２，７４４，４５１号に開示されているよう
に、すくい面及び切り刃口体にクーラントを放出すると
いう方法が採用されるに至った。

一般的に、このような”フラッドクーラント（ｒｌｏｏ
ｄ　ｃｏｏｌａｎｔ）”システムは、今日においても多
く採用されており、低圧ポンプにより約７０から１０５
ｋＰａの圧力でクーラントが循環するような構成になっ
ている。このフラッドクーラントシステムは、クーラン
ト槽からのクーラントの汲み出しを必要とし、ある程度
工具より上方に吸い上げてワークピースと切削刃付近に
放出する。ワークピースあるいは切削刃に放出されるク
ーラントは、多量に巻き散るため切削付近からのクーラ
ントの飛散を防止するように遮蔽板が使用されている。

さらに、通常、クーラントの放出点においては過剰な圧
力となるためにこのクーラントの飛散は好ましいもので
はない。したがって、クーラントの供給に使用する循環
ポンプを低圧ポンプとすることにより、高クーラントの
放出ノズル圧を低くすることが可能となった。事実、”
ミストクーリングは、空気及び水滴の流れを利用するも
のであり、それほど使用条件が過酷でない場合に通常使
用されている。

切り刃付近へのクーラントの供給により、工員損傷等を
ある程度回避可能であることは、約９０年程前より知ら
れていた。例えば、チョーツウーに付与された米国特許
第５２２，５８８号には、工具ビットのすくい而のチャ
ンネルに沿ってクーラントが放出される構成となってい
る。さらに最近においては、ビゴットに付与された米国
特許第２．６８３，３０３号に、マニホールドからフラ
イスのすくい面を直接横切るようにクーラントが向けら
れる方法が開示されている。オンスラッドに付与された
米国特許第２．５３４，２３２号においては、切り刃口
体に穴をあけて切り刃面の前方付近に液体を放出するチ
ャンネルによって切り刃面にクーラントが放出されるよ
うな方法が開示されている。ジェニングに付与された米
国特許第３．１７６．３３０号には、チャンネルを有す
るチップブレーカによって適所に設けられたカーバイド
インサートに関して開示されており、クーラントはチッ
プブレーカに供給されて、チャンネルを通して切り刃面
に対して放出される構成となっている。

［発明が解決しようとする課題　］ 上記した技術によれば、工具損傷に関して、ある程度の
効果を得ることはできるが、これらの技術には未だ問題
点が多く残されており、また、切り刃面にをチャンネル
を形成する構造は好ましいものではなく、切削工具と一
体的に設けられたノズルへのクーラントの供給は容易で
はなく、不便な点が多いために実際にはあまり広く普及
はしなかった。

この発明を完成するに当たって、まず、ジェニング特許
に開示されている方法を参考にして、低圧クーラントを
工具の切り刃面に対して放出するような特種な方法を試
みた。しかしながら、この種の方法によれば、チタン及
びニッケル合金でできた円筒体の外周に設けられる切削
溝の加工に必要な工具寿命は得られず、著しい損傷及び
永久的な破損が生じる結果となった。

したがって、この発明は、切削が困難な材料及び形状を
有する部材の切削を改善し、工具ビットの損傷を低減す
るとともにアンダーカット溝の切削における工具ビット
の特殊な破損を防止することを目的とする。

［課題を解決するための手段　］ 上記課題を解決するためにこの発明によれば、アンダー
カットシャンクを有するとともにす（い而と逃げ面との
交線において切り刃を形成する切削工具と金属部材との
相対運動によりアンダーカット溝を切削する切削方法に
おいて、前記工具ビットのすくい面に略平行で、かつ、
６９０ｋＰａ（１００ｐｓｉｇ）より大きい圧力を有す
る液体クーラントを前記溝内の刃先付近に放出し、切削
切りくずを裂断するととらに溝内から切りくずを排して
切りくずつまりを防止する高圧クーラントによる切削方
法が提供される。

［作　　用　　］ Ｌ記した課題を解決する手段は以下のように作用する。

高圧の液体クーラントが、ノズルから工員ビットのすく
い面に対して放出される。切り刃は、このクーラントに
より大きな力を受け、ワークピースの切削により裂断し
た切りくずが出る。

特に、アンダーカット溝の切削においては、この方法に
より工具の破損の起因となる延性を有する切りくずの溝
内での切りくずつまりが低減するようになる。

クーラントの圧力及び流量は重要な要素であり、所望す
る結果を得るためには幾分高くしなければならない。チ
タン合金にアンダーカット溝を切削する場合は、フラッ
ドクーリングで通常使用する圧力を越えて約６９０ｋＰ
ａまで上昇した時に損傷は低減する。しかしながら、未
だ、溝内において工具ビットの破損の原因となる連続切
りくずの切りくずつまりが発生する。圧力が１４００ｋ
Ｐａまで上昇してそれ以上になると、切りくずは連続的
に裂断して工具破損は減少する。高圧ニッケル合金を切
削する場合は、約２２００ｋＰａの高圧が必要であり、
クーラントは、質量、低粘度及び実用性の面から考慮し
て水溶性が好ましい。

［実施例］ 以下、添付図面に基づいてこの発明の詳細な説明する。

特に、ＡＭＳ４９２８　（重量パーセント６　：ＡＬ、
４　：Ｖ、残：Ｔｉ）として公知な工業用チタン合金の
切削、ガスタービンエンジンのコンプレッサロータのよ
うな円筒体の外周に切削したアンダーカプトタイプの円
周溝に関して記述する。以下に述べるように、この種の
形状の切削に関しては多くの問題があるが、この発明は
以下に記載する形状及び材料以外の部材に関しても十分
に適用できるものである。

第１図は、ホルダ２８に取り付けられた工具ビット２０
を示し、第２図は、この工具ビットを使用して半径Ｒを
有する円柱２４（部分断面図で示す）の外周に形成した
溝２６の切削方法を示す。図中において、工具ビットは
、アンダーカット加工された溝内に示しである。この工
具ビットはホルダ２８内に保持され、矢印２７の方向に
ワークを回転させる機構の縦型タレット旋盤（図示ぜす
）の横送り台２９内に取り付けられる。第４図は、この
発明に係る他の実施例であり、円柱体６６の円周切削に
使用する一般的な工具ビット５０を示す。

第１図において、Ｃ−４等級カーバイド工具ビット２０
は、クランプ３０（−船釣な取り付けに関する詳細につ
いては図示せず）によって工具ホルダ２８に保持されて
いる。このホルダは、工具ビットの下側に延びる保持部
３３を有しており、逃げ面４２とすくい而３６との交線
においては、７２面上で切削可能な弧状の切り刃３２が
形成されている。この工具ビットは、ゼロすくい角と約
７°の逃げ角を有している。断面形状が略長方形のチュ
ーブ３４は、出口３８から放出される切削液がＺ軸に沿
って直線的に設けられた切り刃３２に対して部分的に吐
出するようにトップ又はすくい面に沿ってクランプ３０
内に取り付けられている。

つまり、この工具ビットは、シャンク部４０の幅（Ｚ軸
方向）が切り刃を構成する切り刃部４１より実質的に狭
いためにアンダーカット溝の切削を可能としているもの
である。

次ぎに、第２図及び第３図について説明する。

円周溝２６は、最初、回転している円筒体に対して０．
０５ｘｘ／回転でＸ方向、すなわち、半径方向へ移動す
るプランジカットを施すことにより円筒体の外周に形成
される。ここに記載する総ての切削における工具ビット
の切削面速度は、約２．８ｉ／ｓであり、経験上見いだ
された経済的な最適切削速度である。Ｘ軸方向の切り込
みが所望深さに達すると、工具ホルダ及び工具ビットは
Ｚ゛方向０．０１３ｘｘ／回転の比較的低速度で荷の上
側へ所望する寸法が得られるまで移動する。次ぎに、工
具は、２一方向に同速度で移動し、所望する幅の溝を形
成４−る。さらに、工具は基本２輪切り込み位置に復帰
し、Ｘ−軸方向に引き下がる。

したがって、工具ビットは、切削方向と逆方向の力に抗
して切削することとなる。よって、第１に、切り込み中
に切り刃がワークに接触する時間が比較的長く、第２に
、側面を切削中にアンダーカットに起因する曲げモーメ
ントが存在することになる。工具ビットが万一溝内で破
損してしまうと、切削中に溝に対し損傷を与えてしまう
危険性があるために好ましいことではなく、航空機エン
ジン構成部品等においては、品質保証のためこのような
損傷の程度を調べる非常に精密な検査を必要としている
。

この発明が完成する以前においては、工具ビットは、上
記した作業中に破損してしまうことがあり、十分な保全
管理にもかかわらず、前記した２軸移動中に１１本中８
本程度の破損があった。

この破損原因に関しては、刃の送りがわずかなため解明
が困難であり、さらに、クーラント液が使用されていた
ため、破損情況等の確認も容易ではなかった。しかしな
がら、切削切りくずの中に圧縮された小さな固まりを発
見することができた。

また、この切りくずは４４に示す部分の研削中にアンダ
ーカット溝の４６で示す部分に蓄積することが推測され
た。この切りくずがつまると、工具ビットが破損する危
険性が高くなる。最も、切削条件等を変えることにより
これらの間層を解決しようと試みたが、延性を有するチ
タン合金ＡＭＳ４９２８においては、切りくずは連続的
となり、（このことは、切りくずが裂断せ「、実状は、
ワークから連続的に移動してすくい面を交差してスライ
ドすることを色味する。この時の切りくずの長さは１〜
３１１以上となるものもあるが、結局、切削部周辺にお
いて加工機に絡み合い折損する）通常このような情況の
もとでは、工具ビット上にチップブレーカを使用するの
が一般的であるが、工具形状はチップブレーカの取り付
けには適しておらず、ラバー、ワックス等を使用して研
削部４６を包み込むことも思案したが、あまり良い結果
は得られなかった。

この発明が完成される萌までは、従来方法によりクーラ
ントを使用する切削が行われていた。このクーラントと
しては、水溶性のオイルやホーカット３２１０　（Ｅ、
Ｆ、Ｈｏｕｇｈｔｏｎ　Ｃｏ、）が使用され、切削箇所
へ向けて設置されたノズルを介して天理に放出する方法
が採用されていた。冷却効果を高める目的で、第１図及
び第４図に示す方法で約１５ＩＩＩ”の断面積を有する
クーラントノズルを取り付けた工具のすくい面長手方向
にクーラントを放出するようにした。約６９０　ｋＰａ
の比較的高い圧力の圧力源を一般的な使用方法で用いた
（ここにおける、全圧力は油圧ポンプと工具ビット間の
供給ライン３４上で測定したゲージ圧である。実際にノ
ズルから放出される圧力は、指示されている圧力より幾
分低めとなる）。クーラントが切削に使用され始めても
、上記した切りくずつまり（バッキング）に関する問題
は依然として未解決であった。また、クーラントに関し
ては、従来技術において記載した米国特許第３，１７６
．３３０号に開示されているように改良がなされ、約１
４００ＫＰａ以上の高い圧力を用いることによって、工
具ビットの損傷が防止可能であることが確認された。連
続切りくずの裂断は、クーラントの液量及びその圧力に
起因しており、損傷の程度は、実質的に低減した。液量
に関する正確なデータを得るための実験は十分ではなか
ったが。、実験結果より非常に効果的であることが証明
された。

工具ビットの損傷は、切り刃の先鋭度の低下によってま
ず確認され、わずかなすくい面のへこみが発見された。

第５図は、切り刃、すなわち、逃げ面とすくい面との交
わりにおいて長さしの面取部の形成状態を示す。この寸
法は、折損しておらず欠けくずもない工具ビットで測定
された。

第６図及び第７図は、相対的な実験結果を示す。

第６図は、クーラント圧（合成圧）が増加するにつれて
工具ビットの損傷程度が減少する状態を示しており、例
えば、溝の切削においては、寸法りは０．１１１１を肩
から０．０５１１程度に減少した。

このことは、ジエニツクの特許等に開示されているよう
に予想可能な現象によるものであり、特にチタン合金に
おける工具ビットの冷却及びそれによる潤滑が工具寿命
を延長することを示している。

しかしながら、第７図における上記結果の圧力時には、
使用不能率はまだ高い値を示している。（この使用不能
状態は、損傷によって知り得ることが可能であり、現在
では公知となった切りくずつまりに起因するものである
。）しかし、第７図においても、損傷を防止するに必要
な圧力を実質的に越えたときには工具使用不能率は減少
している。

２７個のワークを上記条件で実際に研削してみた。

チタンにおいては、約１４００　ｋＰａの圧力で十分で
あることが確認され、たとえそれ以上の圧力を使用して
も効果は期待できないことが判明した。

なお、工業用ｌＮ−１００ニッケル耐熱合金に関するデ
ータも示す。この合金においても切りくずは連続的とな
るが、それはある程度の強度を有していることを示すも
のである。（ＡＭＳ４９２８は室内温度での約１０００
ＭＰａの最大張力と１３％から１５％の延びを有し、改
拵されたｌＮ１００は約１４００ＭＰａの張力と１２％
から１５％の延びを有する。しかしながら、ｌＮ−１０
０は高熱用の耐熱合金であり、ＡＭ９４９２８は耐熱合
金でないため相対的に低い耐熱強度を有している。切り
くずの実際の温度は不明であるが、おそらく６００℃程
度で、切削点での温度は事実上１０００℃程度と推定さ
れる）。同形状のアンダーカット溝の切削においては（
約１．３ｘ／Ｓの切削速度で底面をＣ−９カーバイドを
使用して切削する）約２２５０ｋＰａの高圧力が、切り
くずの裂断に必要とされ、Ｉ　Ｎ−１００タイプでの溝
内の切りくずつまりを防止することができる。

切りくず砕片の検査の結果、圧力によって使用不能率が
低下した条件では、連続切りくずは３１友から１２ｊＩ
Ｍ程度の不連続な切り（ずになることが判明した。面取
り部４８及びす（い而のクレータの減少から知り得るよ
うに、切りくずつまりは発生しなくなり、さらに、損傷
程度も減少した。

第１図に示すように、クーラントは、工具のｙ軸方向に
向けられる。したがって、プランジカット中に、切りく
ずを形成してすくい面を交差スライドする時、この切り
くずに直接衝撃を与えることとなる。しかし、工具ｌ軸
方向に切削する時は、切りくずはクーラントによって直
接衝撃的影響を受けないが、溝の形状、体積及びクーラ
ント圧に起因して、第２の衝撃によって切りくずを裂断
するようにクーラントに関する諸条件を変更する必要が
ある。したがって、第４図に示すような単純な形状の切
削バイトによる外周切削においては、幾分低めの圧力と
流儀であっても、効果的に連続切りくず６４を不連続な
裂断切りくず６４にすることができる。このような条件
においては、切りくずつまりは問題とはならないが、ク
レータの減少、切りくず処理及び切り刃損傷の低減に関
しては実益がある。

第１図に示すボートの形状は、長方形に限定されるもの
ではなく、種々の形状が考えられる。さらに、ボート数
を複数とすることも可能であり、切削条件を限定するこ
となく、切り刃の刃幅以上を切削する場合においても適
している。

ここで記載した使用圧力でのクーラントの流量は、約０
．６から０．”ｌＱ／ｓであり、アンダーカット工具ビ
ットの一般的なサイズは、切り刃部分４１が約７．３＊
ｚのＺ軸幅を有するとともにシャンク部分４０は約２．
５ｘｘの幅を有するらのである。また、クーラントは水
溶性のクーラントを使用している。この水溶性のクーラ
ントは、オイル等と比較して特有な比重と低粘性を有し
ているために適したものである。クーラントの運動量は
切りくずの裂断を引き起す要因であり、その値は流量及
びクーラントの流速によって決定されるため、クーラン
トの濃度に依存することになる（流速は放出圧力によっ
て決定される）。したがって、仮に、高濃度のクーラン
トを使用した場合においては、この発明による条件の範
囲内であれば、圧力を低くすることも可能である。した
がって、供給圧をさらに低圧とするような形状を有した
ノズルも十分に使用可能である。また、ここで記載した
切削材料は延性を有しているために、この発明の適用が
有用とされる研削においては、連続切りくずを形成する
傾向がある。延性の低い材料を研削する場合には、低い
供給圧で行うことも当然可能である。言い換えれば、も
し延性の高い材料の使用又は供給型（薄い切りくずとな
る）を多くする場合には、高圧力を必要とする。最後に
、この実施例においては、旋削に関して記載してきたが
、他の金属の切削においてもこの発明に係る原理を適用
することは可能である。

以上、この発明を好適実施例を参照して説明してきたが
、当業者であればこの発明をその概念から逸脱すことな
く種々の変形及び変更を加えて実施し得ることは明らか
である。

［発明の効果　］ この発明の特有の効果としては、クーラントを切削工具
のすくい面に沿って、アンダーカット溝を切削中の切り
刃先端付近に所定圧力で放出することにより、連続的に
連なる切りくずが裂断し、切削中の溝内での切り（ずつ
まりがなくなるとともに、それによる切削工具の摩耗等
の損傷が著しく低減して工具寿命が延びることにある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明に基づく工具の形状を示す図である
。 第２図は、アンダーカット溝を円筒体の外周面に切削す
る方法を示す図である。 第３図は、切削されたアンダーカプト溝内における工具
ビットを示す、第２図の部分詳細図である。 第４図は、この発明に基づく切削バイトによって円筒体
の外周面を切削する方法を示す端面図である。。 第５図は、切り刃の損傷面を示す説明図である。 第６図は、工具ビットの切り刃部の損傷がクーラント圧
及び流量の増加による相対的な改善程度を示す図である
。 第７図は、溝内の切りくずのバッキングに起因する工具
の損傷率が十分な圧力増加による低減程度を示す図であ
る。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）アンダーカットシャンクを有するとともにすくい
   面と逃げ面との交線において切り刃を形成する切削工具
   と金属部材との相対運動によりアンダーカット溝を切削
   する切削方法において、前記工具ビットのすくい面に略
   平行で、かつ、６９０ｋＰａ（１００ｐｓｉｇ）より大
   きい圧力を有する液体クーラントを前記溝内の刃先付近
   に放出し切削切りくずを裂断するとともに溝内から切り
   くずを排して切りくずつまりを防止することを特徴とす
   る高圧クーラントによる切削方法。
2. （２）前記金属部材は、ニッケル耐熱合金であることを
   特徴とする請求項第１項記載の高圧クーラントによる切
   削方法。
3. （３）前記クーラントは、水溶性クーラントであること
   を特徴とする請求項第１項記載の高圧クーラントによる
   切削方法。
4. （４）前記工具ビットは、弓形形状であることを特徴と
   する請求項第１項記載の高圧クーラントによる切削方法
   。