JP6625795B2 - 切削液噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械において切削工具に切削液を供給する切削液噴射装置に関し、特に、切削液を噴射するノズルの傾斜角度とノズルの長さが可変の切削液噴射装置に関する。

工作機械は切削液を使用した加工方法が一般的である。最近では切削工具の発達により、送り速度の高送り化が進んでいる。しかしながら、高速加工を行うには切削工具の冷却を如何に効率よく行うかが問題となる。
工作機械を用いて行う切削加工及び研削加工において、潤滑効果、冷却効果、切り屑除去効果などが見込める切削液を用いるケースが多い。専用のタンク等に貯蔵された切削液は、吐出ポンプ等の駆動手段を経て配管に至り、前記配管の延長線上にあるノズル先端から、切削点又は切削工具に向けて噴射される。

切削液の供給に用いるノズルは、一般的にはクーラントノズルと呼ばれ、切削点や切削工具に向けて切削液を供給するためにノズル先端位置を調整する必要がある。現在市場に出ている工作機械のクーラントノズルは手動で位置調整を行うものが多く、切削工具の長さが変わる度に調整を繰り返すため、時間を要する問題がある。また、クーラントノズルは、治具や被削材、予備工具などとの干渉を避けるため、切削工具や切削点からある程度の距離を保つ必要がある場合が多く、ノズルを切削工具から離せば離す程、切削液の供給位置が不明確となるため、一度の調整では位置が合わないことが多く、かつ工具先端に噴射出来ないために、潤滑効果、冷却効果、切り屑除去効果が激減する問題がある。

このような問題を解決するための手段として、特許文献１には複数軸の駆動手段を設け、自動的にクーラントノズルの位置調整を行う技術が開示されている。当該技術は穴あけ加工時に加工プログラムと連動して自動的にノズル角度を変更して干渉を避けながら切削点に切削液を供給する方法である。

特許第４０８０１４５号公報

しかし、特許文献１に開示される方法では、ノズルを切削点に近づけ過ぎると、ノズルが切削工具に干渉してしまう問題がある。
そこで、本発明の目的は、治具や被削材との干渉を避けることが可能で、尚且つ、穴あけ加工時にノズルを切削点へ近づけてノズル角度を加工プログラムに連動させても、ノズルが切削工具に干渉しない切削液噴射装置を提供することである。

本願の請求項１に係る発明は、工作機械の主軸の近傍に設けられ、前記主軸に把持された工具ホルダおよび工具に切削液を供給する切削液噴射装置において、前記工具ホルダの主軸方向の移動と一体化して移動し、噴射角度およびノズルの長さが可変で、前記切削液を前記工具によるワークの最初の切削点に向けて噴射する切削液噴射ノズルと、前記切削液噴射ノズルの噴射角度を変えて前記最初の切削点に前記切削液を噴射させるためのノズル角度調整用サーボモータと、前記切削液噴射ノズルの長さを変えて前記最初の切削点に前記切削液を噴射させるためのノズル長さ調整用サーボモータと、前記最初の切削点を切削したときの前記工具の位置からの前記工具の主軸方向の移動量と工具長さと工具半径とに基づいて、前記切削液噴射ノズルの角度とノズルの長さを求めるノズル位置計算手段と、前記ノズル位置計算手段によって計算されたノズル位置に基づいて前記工具の主軸方向の移動に追従して前記切削液噴射ノズルの角度およびノズルの長さを制御するノズル制御手段と、を有する切削液噴射装置である。
請求項１に係る発明により、ノズルを近づけて穴あけ加工をしても、ノズルが干渉することなく切削液を供給可能となる。

請求項２に係る発明は、前記切削液噴射ノズルの前記主軸の周方向の位置を変える切削液噴射ノズル走行軸と、前記切削液噴射ノズルの前記主軸の周方向の位置を変えて前記最初の切削点に前記切削液を噴射させるための切削液噴射ノズル走行軸用サーボモータと、を有する請求項１に記載の切削液噴射装置である。
請求項２に係る発明により、２軸に加えて主軸円周方向に走行する３軸目を設けることで、干渉物の回避が可能となる。

請求項３に係る発明は、前記切削液噴射ノズルから噴射される媒体は、前記切削液に替えてエアまたはオイルミストエアーである請求項１または２の何れかに記載の切削液噴射装置である。
請求項３に係る発明により、エアまたはオイルミストエアーを確実に切削点に供給することが可能となる。

本発明により、治具や被削材との干渉を避けることが可能で、尚且つ、穴あけ加工時にノズルを切削点へ近づけてノズル角度を加工プログラムに連動させても、ノズルが切削工具に干渉しない切削液噴射装置を提供できる。

工作機械の概略外観図である。 工具交換装置を備えた工作機械本体の概略正面図である。 工具交換装置を備えた工作機械本体の概略側面図である。 本発明に係る切削液噴射装置の機構部の外観斜視図である。 一軸目の伸縮方向を示す図である。 二軸目の傾斜方向を示す図である。 三軸目の走行方向を示す図である。 ワークへの穴開け加工直前のクーラント供給の状態を示す図である。 穴底でのクーラント供給の状態を示す図である。 ノズル伸縮幅を求める計算例である。 切削液噴射装置の構成を示す図である。 工作機械を制御する数値制御装置の概略構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１は工作機械の概略外観図である。図２は工具交換装置を備えた工作機械の概略正面図である。図２および図３に示される工具交換装置を備えた工作機械の本体は、図１に示される筐体内に格納されている。

まず、図１に示される工作機械の概略の外観を説明する。符号１０は固定カバー、符号１１はスライド式の前ドア、符号１２は電磁ロックスイッチ、符号１３は表示装置、符号１４は操作盤、符号１５は起動ボタン、前ドア１１は電磁ロックスイッチ１２をオフにすることで開けることができる。

表示装置１３は工作機械を制御する制御装置の表示装置であって、加工の状況や、加工で使用している加工プログラムが表示される。操作盤１４は工作機械を制御するための各種入力データの入力手段である。また、起動ボタン１５は、工具交換のために機械が一時停止にある状態から再度動作させ工具交換の動作を行わせる入力手段である。

図２は工具交換装置を備えた工作機械本体の概略正面図である。図２は図１で説明した外観構造を示す筐体内に配置されている工作機械である。符号２０はタレットである。タレット２０の表面に示されている符号Ｃ１〜Ｃ８番は、工具装着部１番から工具装着部８番の番号を表す。図２では工具装着部が８箇所備わっているが、その他の個数でもよい。切削工具６は、タレット２０の工具装着部に保持されている。加工プログラムにより指令された切削工具６が主軸位置でタレット２０から主軸側に渡される。

図３は工具交換装置を備えた工作機械本体の概略側面図である。ワーク（被切削材）２６を載置する基台２５の後方上部にコラム２３が立設している。タレットベース２１はコラム２３の上部に固定されたタレット支持機構２２によって支持されている。工具交換位置２０ａには、タレットベース２１に切り欠が設けられている。タレット２０に保持されている切削工具６で不要なものがあった場合、工具交換位置２０ａまで割り出し、作業員がその切削工具６を引き出す作業を行う。

タレット支持機構２２の下方でコラム２３に主軸頭２４が取り付けられている。主軸頭２４は主軸４を備えている。主軸４には切削工具６を装着する工具ホルダ５が取り付けられている。タレット２０から受け渡された切削工具６が主軸４に取り付けられた工具ホルダ５に装着されている。主軸頭２４はＺ軸方向（紙面上下方向）に移動可能である。本発明に係る切削液噴射装置ＪＭの機構部は、切削液噴射装置の設置部８に取り付けられる。切削液噴射装置ＪＭの機構部について図４を用いて説明する。

図４は本発明に係る切削液噴射装置の機構部の外観斜視図である。図４に示すように、切削液噴射装置ＪＭは、工作機械の主軸４に把持された工具ホルダ５、工具ホルダ５に把持された切削工具６、工具ホルダ５、または、切削点に切削液を供給するために、クーラントノズル一軸目伸縮軸１、クーラントノズル二軸目傾斜軸２、クーラントノズル三軸目走行軸３、および、取り付けユニット７を備えている。取り付けユニット７は、クーラントノズル一軸目伸縮軸１を回動するクーラントノズル二軸目傾斜軸２が取り付けられたクーラントノズル三軸目走行軸３を主軸頭２４に固定するための取り付け部品である。このため、切削液噴射装置の機構部は主軸頭の上下動と同様に上下動する。切削液噴射装置ＪＭは、さらに、クーラントノズル一軸目伸縮軸１のノズル先端から切削液が噴射されるように、クーラント配管、吐出ポンプが備えている（クーラント配管、吐出ポンプについては図示せず）。ここで述べた切削噴射給装置ＪＭは、クーラントとして切削液に替えて、エアーまたはオイルミストエアーを使用しても良い。なお、切削点については図８，図９を用いて説明する。

切削液噴射装置ＪＭの機構部であるところの、クーラントノズル一軸目伸縮軸１、クーラントノズル二軸目傾斜軸２、クーラントノズル三軸目走行軸３は、工作機械の主軸頭２４の主軸４の近傍に設けられる。そして、切削液噴射装置ＪＭの機構部は、主軸４を移動させるＺ軸が動作しても工具先端への切削液の供給が可能なように取り付けられている。

図５に示すように、クーラントノズル一軸目伸縮軸１は、ノズル軸方向に伸縮する伸縮軸とする（図中の矢印方向）。図６に示すように、クーラントノズル二軸目傾斜軸２は、主軸４と直交する方向を軸方向とする傾斜軸とする（図中の矢印方向）。また、図７に示すように、クーラントノズル三軸目走行軸３は、工作機械の主軸４の周方向に走行する走行軸とする（図中の矢印方向）。なお、図７は主軸４をＺ軸方向に下方から上方に見上げた図である。

図４〜図７に示すように、サーボモータを用いて、数値制御装置により制御および駆動出来るクーラントノズル軸を三軸設けることで、治具や被削材、切削工具との干渉を避けることが出来る。具体的には、工具長さ、工具径などの通常加工で使用するオフセットデータを用いることで、工具先端の位置情報が判るため、自動的に切削工具先端にノズルを位置決めすることが出来、切削液を確実に工具先端に供給することが出来る。また、主軸回りに走行する走行軸を設けることで、治具や被切削材、切削工具との干渉を確実に避けることが可能となる。

図８は、穴あけ加工時の供給例で、ノズル先端を工具先端に近づけて穴あけ加工を行う直前の状態を図示したものである。基台２５に載置されたワーク２６は治具２７によって基台２５に固定されている。ワーク（被切削材）２６を切削工具６により切削する箇所を切削点２８と称する。当然のことながら穴あけ直前の状態までは、切削液を切削工具６の工具先端に供給することが可能である。このときの主軸４とクーラントノズル一軸目伸縮軸１とのなす角度をθとする。

図９に示したのは、切削工具６が穴底まで達した例であるが、図８の状態（クーラントノズルの姿勢）でそのまま穴あけ加工を行うと、ノズル先端２９がワーク２６と干渉してしまう。例えば、特許文献１にあるように、穴深さや工具長さなどの数値データを用いて、穴あけ加工に連動してクーラントノズル二軸目傾斜軸２を傾斜させたとしても、ノズルを工具に近づけているため、図９に示すように切削工具に干渉してしまう（２点鎖線参照）。

この問題を解決する手段として、本発明の実施形態１では、クーラントノズル二軸目傾斜軸２とクーラントノズル三軸目伸縮軸３を穴あけ加工の切削工具６の動きに連動させて、図１０に示すように、クリアランス量Ｄ２を一定に制御することで、切削工具６との干渉を避けながら、切削点２８に切削液を確実に供給することが可能となる。なお、クリアランス量Ｄ２とは、切削工具６の表面とクーラントノズル三軸目伸縮軸３のノズル先端２９との最短距離を意味する。

クーラントノズルの伸縮幅を求める例として、図１０に示すように、三角関数を使用し、伸縮幅を求めることが出来る。工具半径Ｄ、クリアランス量Ｄ２、初期ノズル長さＬ１、ノズル伸縮幅Ｌ２、クーラントノズル一軸目伸縮軸１の回転中心９から主軸中心軸１６まだの距離Ｐ２、傾斜後のノズル長さＹ方向成分Ｐ３、穴深さＺ１、初期ノズル角度θ、ノズル傾斜角度θ２とすると、傾斜後のノズル長さＹ方向成分Ｐ３は数１式で表される。また、ノズル伸縮幅Ｌ２は数２式で表される。

図１１に示したのは切削液噴射装置の構造例である。構造については公知の技術を利用するのものとするが、ここでの例としては、第一軸目に取り付けられたモータが回転すると、図に示すようなギアの噛み合いにより第一軸目のノズルがノズル軸方向にスライドし伸縮可能となる。第一軸目のモータ（第１軸目サーボモータ４１）はクーラントノズル一軸目伸縮軸１を構成するユニットに固定する。第二軸目のモータ（第２軸目サーボモータ４２）はクーラントノズル二軸目傾斜軸を構成するユニットに固定されている。第二軸目のモータが回転すると、図に示すようなギアの噛み合いにより、第二軸目のユニットが主軸と直交する方向を軸（回転中心９）として回転可能となる。次に、第三軸目のモータ（第３軸目サーボモータ４３）が回転すると、第三軸目に取り付けられたギアと主軸円周方向に据え付けられたギアの噛み合いより、第一軸のモータと第一軸のモータ先端に取り付けられた第二軸目のユニットが主軸周方向に移動可能となる（主軸円周方向に取り付けられたギアは固定）。各軸サーボモータ４１，４２，４３を制御することにより、クーラントホース４０を介して図示しない切削液供給ポンプから供給される切削液を、工具ホルダ５、切削工具６、あるいは切削点２８に対して供給することができる。

図１２は、数値制御装置の概略構成を説明する。数値制御装置はプロセッサ３０を中心に構成されている。プロセッサ３０は、ＲＯＭ３１に格納されたシステムプログラムに従って数値制御装置全体を制御する。ＲＡＭ３２は一時的な計算データ、表示データ、入出力信号などが格納される。不揮発性メモリ３４には、電源切断後も保持すべきパラメータ、加工プログラム、工具補正データなどが記憶される。本発明の実施形態では、プロセッサ３０は、ノズルから噴射される切削液が切削点２８に供給されるように、クーラント一軸目伸縮軸１の伸縮量、クーラント二軸目傾斜軸２の傾斜角度、クーラント三軸目走行軸３の走行量を計算する。

表示装置付ＭＤＩ（表示装置付機械操作盤）３３は、例えば、数値制御装置の前面に配置され、データ及び図形の表示、データ入力、数値制御装置の運転に使用される。表示装置付ＭＤＩ３３に備えられたキーボード、ソフトキーなどの入力手段（図示省略）を用いて、不揮発性メモリ３４に格納された加工プログラムの中から、加工に使用する加工プログラムを選択することができる。後述する段取り作業中のツール交換モード（工具交換作業モード）をオン操作することも表示装置付ＭＤＩ３３を介して行うことができる。

軸制御回路３５は、プロセッサからの移動指令を受けて、軸の移動指令をサーボアンプに出力する。サーボアンプ３６は工作機械に結合されたサーボモータを駆動し、工作機械３９の工具とワークとの相対運動を制御する。また、切削液が切削点２８に供給されるように、切削液噴射装置ＪＭに備わった各軸のサーボモータ４１，４２，４３を軸制御回路３５により制御する。

ＰＭＣ３７は、プロセッサ３０からバス３８経由でＭ（補助）機能信号、Ｓ（スピンドル速度制御）機能信号、Ｔ（工具選択）機能信号などを受け取り、これらの信号をシーケンス・プログラムで処理して出力信号を出力し、工作機械のアクチュエータなどを制御する。また、工作機械３９内の機械操作盤（図１参照）のボタン信号、スイッチ信号を受けて、シーケンス処理を行い、バス３８を経由してプロセッサ３０に必要な入力信号を転送する。

本発明により、治具や被削材との干渉を避けることが可能で、尚且つ、穴あけ加工時にノズルを切削点へ近づけてノズル角度を加工プログラムに連動させても、ノズルが切削工具に干渉しない切削液噴射装置を提供できる。２軸に加えて主軸円周方向を走行する３軸目を設けることで、干渉物の回避が確実となる。また、エアまたはオイルミストエアーを確実に切削点に供給することが可能となる。

本発明に係る切削液噴射装置では、常に工具先端（穴加工時はワーク上面）を監視しての切削工具の位置に同期して噴射装置を動かす事が出来るため、切削工具の冷却や切粉除去の効率が良くなり、高精度・高送り加工に貢献出来る。

結果として、工具寿命の長寿命化や加工精度の向上が可能となり、更には工作機械用切削工具コストの削減（資源削減）にも繋がる。従来の工作機械のように、大容量吐出ポンプの採用やクーラントポンプの多数化に頼らず、小容量ポンプで一つの噴射装置のみで対応することが出来るため、環境問題にもやさしい装置と言える。

ＪＭ 切削液噴射装置

Ｃ１ 第１の工具装着部
Ｃ２ 第２の工具装着部
Ｃ３ 第３の工具装着部
Ｃ４ 第４の工具装着部
Ｃ５ 第５の工具装着部
Ｃ６ 第６の工具装着部
Ｃ７ 第７の工具装着部
Ｃ８ 第８の工具装着部

１ クーラントノズル一軸目伸縮軸
２ クーラントノズル二軸目傾斜軸
３ クーラントノズル三軸目走行軸
４ 主軸
５ 工具ホルダ
６ 切削工具
７ 取り付けユニット
８ 切削液噴射装置の機構部の設置部
９ 回転中心
１０ 固定カバー
１１ 前ドア
１２ 電磁ロックスイッチ
１３ 表示装置
１４ 操作盤
１５ 起動ボタン
１６ 主軸中心軸
２０ タレット
２０ａ 工具交換位置
２１ タレットベース
２２ タレット支持機構
２３ コラム
２４ 主軸頭
２５ 基台
２６ ワーク
２７ 治具
２８ 切削点
２９ ノズル先端

３０ プロセッサ
３１ ＲＯＭ
３２ ＲＡＭ
３３ 表示装置付／ＭＤＩ
３４ 不揮発性メモリ
３５ 軸制御回路
３６ サーボアンプ
３７ ＰＭＣ
３８ バス
３９ 工作機械
４０ クーラントホース
４１ 第一軸目サーボモータ
４２ 第二軸目サーボモータ
４３ 第三軸目サーボモータ

Claims (3)

1. 工作機械の主軸の近傍に設けられ、前記主軸に把持された工具ホルダおよび工具に切削
   液を供給する切削液噴射装置において、
   前記工具ホルダの主軸方向の移動と一体化して移動し、噴射角度およびノズルの長さが
   可変で、前記切削液を前記工具によるワークの最初の切削点に向けて噴射する切削液噴射ノズルと、
   前記切削液噴射ノズルの噴射角度を変えて前記最初の切削点に前記切削液を噴射させるためのノズル角度調整用サーボモータと、
   前記切削液噴射ノズルの長さを変えて前記最初の切削点に前記切削液を噴射させるためのノズル長さ調整用サーボモータと、
   前記最初の切削点を切削したときの前記工具の位置からの前記工具の主軸方向の移動量と工具長さと工具半径とに基づいて、前記切削液噴射ノズルの角度とノズルの長さを求めるノズル位置計算手段と、
   前記ノズル位置計算手段によって計算されたノズル位置に基づいて前記工具の主軸方向
   の移動に追従して前記切削液噴射ノズルの角度およびノズルの長さを制御するノズル制御
   手段と、
   を有する切削液噴射装置。
2. 前記切削液噴射ノズルの前記主軸の周方向の位置を変える切削液噴射ノズル走行軸と、
   前記切削液噴射ノズルの前記主軸の周方向の位置を変えて前記最初の切削点に前記切削液を噴射させるための切削液噴射ノズル走行軸用サーボモータと、
   を有する請求項１に記載の切削液噴射装置。
3. 前記切削液噴射ノズルから噴射される媒体は、前記切削液に替えてエアまたはオイルミ
   ストエアーである請求項１または２の何れかに記載の切削液噴射装置。