特許 7712388 流体噴射ヘッド及び流体噴射装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-07-14

(45)【発行日】2025-07-23

(54)【発明の名称】流体噴射ヘッド及び流体噴射装置

(51)【国際特許分類】

   B23Q 11/00 20060101AFI20250715BHJP

   B23Q 11/10 20060101ALI20250715BHJP

   B23B 25/00 20060101ALI20250715BHJP

【ＦＩ】

B23Q11/00 L

B23Q11/10 A

B23B25/00 A

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2023563441

(86)(22)【出願日】2021-11-26

(86)【国際出願番号】 JP2021043360

(87)【国際公開番号】W WO2023095280

(87)【国際公開日】2023-06-01

【審査請求日】2024-06-13

(73)【特許権者】

【識別番号】390008235

【氏名又は名称】ファナック株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002103

【氏名又は名称】弁理士法人にじいろ特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】越智 伊

【審査官】山本 忠博

(56)【参考文献】

【文献】実開平０２－０６１５１０（ＪＰ，Ｕ）

【文献】実開昭６４－０５２６３７（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２０１６－１５９４０４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｑ １１／００，１１／１０；

Ｂ２３Ｂ １／００－５１／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ワークの内径加工時に発生する切粉を流体により排出するための流体噴射ヘッドにおいて、
前記流体の流路を内部に備えた軸部と、
前記軸部の一端に設けられ、前記軸部から供給される前記流体を、前記軸部の中心線に傾斜し且つ前記軸部の他端に向かう方向に噴射する円盤形状のヘッド部と、を具備し、
前記ヘッド部は、
前記軸部の一端に接続される円盤形状の底板と、
前記底板と対峙する位置に配置される円盤形状の拡散板と、を有し、
前記底板と前記拡散板との間に円環状の吐出口が形成され、
前記拡散板は、半径方向に沿って波形に起伏する表面を有する、
流体噴射ヘッド。

【請求項2】

前記波形は、前記拡散板の外縁が前記波形の山となるように形成されている、請求項１記載の流体噴射ヘッド。

【請求項3】

前記拡散板は、前記流体が放射状に拡散するのを補助するために円周方向に等間隔に配置された複数の仕切板を有する、請求項１又は２に記載の流体噴射ヘッド。

【請求項4】

前記仕切板は、前記拡散板の外周縁まで設けられている、請求項３記載の流体噴射ヘッド。

【請求項5】

前記仕切板は、前記拡散板の外周縁よりも内側の位置まで設けられている、請求項３記載の流体噴射ヘッド。

【請求項6】

請求項１乃至請求項５のうちいずれか一項に記載の流体噴射ヘッドと、
前記流体を圧縮して前記流体噴射ヘッドに供給する流体供給装置と、
前記流体供給装置から前記流体噴射ヘッドに供給される前記流体の流量及び流速のうち少なくとも一方を変化させるために、前記流体供給装置を制御する制御装置と、
を具備する、流体噴射装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、流体噴射ヘッド及び流体噴射装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、加工技術の向上に伴って、ワーク（被削材）に対する精密な切削加工が可能となっている。例えば、ワークの内径加工は、主軸のチャックにワークを固定し、刃物台に設置されたバイトの刃先をワークの内面に当て、主軸が回転することによって行われる。ワークの内径加工では、加工の際に発生する切粉がワークの内部に侵入してしまう。そのため、ワーク内径加工時に発生する切粉がワークの内部に侵入するのを防止したいといった要求がある。従来、このようなケースでは、図１２に示すように、ＮＣ旋盤加工機の主軸１１のチャック１２に固定されたワーク２００の内部、バイト１９の刃先よりも深い位置に、ゴム板、紙材などの汎用的な部材をシール部材３００として配置し、紙テープ４００で仮止めしながら目止めを行う必要がある。このような目止め作業は、細かく洗練された技術が必要であるため、自動化が難しく、ワークの内径加工の完全自動化を困難にさせている一因となっている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

内径加工が必要なワークの無人生産を実現するために、ワークの内径加工時にワーク内部に切粉が浸入するのを防ぐことが望まれている。

【課題を解決するための手段】

【0004】

本開示の一態様に係る流体噴射装置は、流体噴射ヘッドを有する。流体噴射ヘッドは、ワークの内径加工時に発生する切粉を流体により排出するために、流体の流路を内部に備えた軸部と、軸部の一端に設けられ、軸部から供給される流体を、軸部の中心線に傾斜し且つ軸部の他端に向かう方向に噴射する円盤形状のヘッド部と、を具備する。

【発明の効果】

【0005】

本開示の一態様によれば、ワークの内径加工時にワーク内部に切粉が浸入するのを防ぐことができ、内径加工が必要なワークの無人生産を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】図１は、本実施形態に係る流体噴射装置を備えるＮＣ旋盤加工機の一例を示す図である。

【図2】図２は、本実施形態に係る流体噴射装置の流体噴射ヘッドを示す側面図である。

【図3】図３は、図２の流体噴射ヘッドを斜め後方から見た斜視図である。

【図4】図４は、図２の流体噴射ヘッドの分解斜視図である。

【図5】図５は、図４の拡散板を示す平面図である。

【図6】図６は、図５のＡ―Ａ´の切断端面図である。

【図7】図７は、図２の流体噴射ヘッドの内部に流れる流体の向きを示す流体噴射ヘッド先端部の拡大縦断面図である。

【図8】図８は、本実施形態に係る流体噴射装置を使用した状態を示す側面図である。

【図9】図９は、図４の拡散板の第１変形例を示す平面図である。

【図10】図１０は、図４の拡散板の第２変形例を示す平面図である。

【図11】図１１は、図５，図９及び図１０の拡散板をそれぞれ使用したときの、ヘッド部の外周縁から噴射される流体の流量の位置変化、特定の位置における時間変化を示す図である。

【図12】図１２は、従来例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態に係る流体噴射装置を説明する。以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

【0008】

図１に示すように、本実施形態に係る流体噴射装置２０は、ワークの内径加工時に発生する切粉を流体により排出するための流体噴射ヘッド２１と、外部から供給された流体を圧縮して流体噴射ヘッド２１に供給する圧縮機２３と、圧縮機２３から流体噴射ヘッド２１に供給される流体の流量又は流速を変化させるために圧縮機２３を制御する制御装置２５と、を備える。典型的には、流体として空気又は切削液を使用することができる。

【0009】

流体噴射装置２０は、ワークの内径加工を行うことができる、例えばＮＣ旋盤加工機１に装備される。具体的には、図１に示すように、ワークを固定するチャック１２を備えるＮＣ旋盤加工機１の主軸１１に対峙する位置に所定の間隔を隔ててＺ方向に移動可能なステージ１６が設けられ、このステージ１６に流体噴射ヘッド２１が設置される。流体噴射ヘッド２１は、先端に外向きフランジを備える円管体のような外観を有し、その円管の中心線がＺ軸と平行になるようにステージ１６に固定される。ＮＣ旋盤加工機１には、ワークを切削するための複数のバイト１９が刃物台１４，１５に収容されている。刃物台１４，１５はＸ方向及びＺ方向の直交２軸もしくは直交３軸に沿って移動可能である。

【0010】

図２、図３に示すように、流体噴射ヘッド２１は、流体の流路を内部に備える軸部３０と、軸部３０の一端（先端）に設けられ、軸部３０から供給される流体を、外周縁から軸部３０の中心線ＣＬに傾斜し且つ軸部３０の他端（後端）に向かう方向に噴射する円盤形状のヘッド部４０とを備える。本実施形態では、軸部３０の一端側（先端側）に向かう方向を前方、軸部３０の他端側（後端側）に向かう方向を後方として適宜用いる。

【0011】

図４に示すように、典型的には、軸部３０は円筒形状の軸本体３１を有する。軸本体３１の内部中空は軸部３０における流体の流路に対応する。軸本体３１の後端には、流体を内部に導入する導入口３３が設けられる。

【0012】

ヘッド部４０は、円盤形状を有する底板５０と、円盤形状を有する拡散板６０と、拡散板６０を覆う円皿形状のカバー９０と、を有する。底板５０、拡散板６０、カバー９０は後方から順に、それらの中心位置が軸部３０の中心線ＣＬに一致するように配置される。底板５０は、軸本体３１の先端に一体的に形成されている。拡散板６０は、底板５０に対して所定の間隔を隔てて配置される。それにより生じた拡散板６０と底板５０との間の隙間はヘッド部４０における流体の流路に対応する。拡散板６０は、底板５０よりも若干大きくなるように構成されている。それにより生じた拡散板６０の外周縁と底板５０の外周縁との間の円環状の隙間はヘッド部４０に設けられた吐出口４５を構成する。吐出口４５は、後方に向かって開口されている。実際には、後述するように、拡散板６０の表面には外周縁まで到達する複数の仕切板６１が放射状に配置されているため、円環状の吐出口４５は仕切り板６１により放射状に仕切られている。

【0013】

底板５０の中央には、軸部３０の流路とヘッド部４０の流路とを連通するための複数の孔５５（吹出口５５）があけられている。複数の吹出口５５は、円周方向に沿って等間隔に配置される。底板５０の中央には、前方に向かって突出する円柱形状の仕切ブロック５４が一体的に形成されている。仕切ブロック５４の外周面は、吹出口５５を塞がないように横断面が半円形状の溝が前後方向に沿って形成されている。仕切ブロック５４の先端面の中央には仕切ブロック５４よりも径が短い円柱形状のネジ穴ブロック５１が一体的に形成されている。ネジ穴ブロック５１の外周面には、円周方向に沿って図示しない溝が切り欠かれ、その溝にＯリング５２が嵌め込まれている。Ｏリング５２により、ネジ穴ブロック５１の外周面とカバー９０の内周面とを密着させることができ、流体がネジ穴ブロック５１の外周面とカバー９０の内周面との間の隙間から漏れるのを防止することができる。ネジ穴ブロック５１の先端面には、ボルト１１０を受けるためのネジ穴５３が形成されている。ボルト１１０とネジ穴５３とにより、拡散板６０はカバー９０とともに、底板５０（つまりは底板５０が一体的に形成された軸部３０）に対して固定される。ボルト１１０とカバー９０との間には、ワッシャ１００が介在される。円盤形状を有する拡散板６０の中心位置には、底板５０に設けられた仕切ブロック５４を通すための孔６３があけられ、円皿形状のカバー９０の中心位置には、ネジ穴ブロック５１を挿通するための孔があけられている。拡散板６０及びカバー９０にあけられた孔は締結構造上必要なものであって、例えば、ヘッド部４０の全体を一体的に構成するのであれば不要なものである。本実施形態において、拡散板６０は円環形状に構成されるが、組み立てられた状態では仕切ブロック５４とともに円盤形状をなす。

【0014】

拡散板６０は、軸部３０から供給され、底板５０の吹出口５５から中心線ＣＬに沿って前方に向かって吹き出された流体を中心線ＣＬに直交する向きに流す機能だけではなく、流体を放射状に均一に拡散する機能と、外周縁に到達した流体を後方に向かって流す機能と、を有するように構成されている。

【0015】

具体的には、図４，図５に示すように、拡散板６０の表面には複数の仕切板６１が設けられる。拡散板６０の表面とは、底板５０に対峙する面をいう。複数の仕切板６１は、円周方向に沿って等間隔に配置される。つまり、複数の仕切板６１は放射状に配置される。仕切板６１は、拡散板６０の表面から底板５０の表面までの距離と同一の高さに構成される。仕切板６１は、内周縁（ネジ穴ブロック５１の外周面）から外周縁に到達する長さを有する。外周縁付近の仕切板６１の厚みは中央部分の部分の厚みよりも薄くなるように形成される。それにより、外周縁に形成される吐出口４５の円周方向の開口面積を出来るだけ確保することができ、外周縁の全周にわたって流体を均一に噴射させることができる。

【0016】

底板５０の表面中央に設けた仕切ブロック５４と、拡散板６０の表面に放射状に設けた複数の仕切板６１とにより、拡散板６０と底板５０との間の空間が放射状に仕切られる。つまり、複数の仕切板６１と仕切ブロック５４とによって、放射方向に沿ってテーパー状に広がる複数の流路を形成することができる。各流路には１つの吹出口５５が設けられる。複数の吹出口５５は軸部３０の中心線ＣＬを中心とした円上の等間隔に配置されるため、吹出口５５から吹き出される流体の流量はほぼ同量であり、吹出口５５から吹き出された流体は放射方向にのみ流れ、円周方向に沿って流れないため、拡散板６０により、軸部３０から供給された流体を放射状に均一に拡散することができる。

【0017】

また、図６に示すように、拡散板６０は、半径方向に沿って波形に起伏する表面を有する。拡散板６０の表面の起伏の山の位置と谷の位置とは、同心円状に配置される。拡散板６０により放射状に拡散された流体は、拡散板６０と底板５０との間の隙間が狭くなる波形の山の位置において加圧され、拡散板６０と底板５０との間の隙間が広くなる波形の谷の位置において減圧される。このように、拡散板６０の表面を放射方向（半径方向）に沿って波形に起伏させることで、拡散板６０により放射状に拡散された流体は、拡散板６０の表面に沿って加圧と減圧とを繰り返しながら、整流され、外周縁に到達する。拡散板６０の表面の形状も流体を放射状に均一に拡散することに寄与する。

【0018】

図６に示すように、拡散板６０の表面に半径方向に沿って起伏する波形は、拡散板６０の外周縁において山になるように形成されている。それにより、図８に示すように、拡散板６０の外周縁に到達した流体を、後方に向かって開口した吐出口４５から、後方に向かって中心線に傾斜した向きに吐出させることができる。しかも、拡散板６０の表面に形成された波形によって、拡散板６０の外周縁付近の流路（底板５０と拡散板６０との間の隙間）を拡散板６０の中央付近の流路（底板５０と拡散板６０との間の隙間）に比べて狭くすることができる。それにより、吐出口４５から噴射される流体の圧力を高くすることができ、ワーク内径加工時に生じる切粉を勢いよく、排出することができる。

【0019】

このように、拡散板６０に様々な機能を持たせることで、ヘッド部４０を底板５０，拡散板６０及びカバー９０の大きく３つの板状の部品によって構成することができ、ヘッド部４０を薄型化することができる。それにより、ワークの内径加工時において、ヘッド部４０がバイトの刃先に干渉するのを防ぎ、様々なワークの内径加工に使用することができる。

【0020】

以上説明した流体噴射ヘッド２１によれば、流体を以下の様に噴射することができる。すなわち、図７に示すように、軸部３０に導入された流体は、軸部３０の内部を前方に流れ、底板５０にあけられた吹出口５５から中心線ＣＬに沿って前方に吹き出される。底板５０の吹出口５５から中心線ＣＬに沿って前方に吹き出された流体は、拡散板６０により中心線ＣＬに直交する向きに放射状に拡散される。拡散板６０により拡散された流体は、拡散板６０と底板５０との間の隙間を通ってヘッド部４０の外周縁に後方に向かって開口した吐出口４５から、後方に向かって中心線ＣＬに傾斜した向きに吐出させることができる。すなわち、軸部３０の後方から内部に導入された流体は、軸部３０の内部を前方に向かって流れ、ヘッド部４０において折り返され、ヘッド部４０の外周縁から後方に噴射される。

【0021】

流体噴射ヘッド２１は、棒状の軸部３０の先端に円盤形状のヘッド部４０を設けた形状に構成することで、工具等の移動を阻害することなく、ワーク２００の穴に対して簡単に流体噴射ヘッド２１を挿し込むことができる。図８に示すように、ワーク２００の内径加工時には、流体噴射ヘッド２１は、その先端の円盤形のヘッド部４０がワーク２００の中空に挿し込まれ、さらに内径加工用のバイト１９の刃先よりも深い位置に配置されるように、ステージ１６によって移動される。そして、ワーク２００の内径加工の開始にあわせて、流体噴射ヘッド２１への圧縮された流体の供給が開始され、圧縮された流体は流体噴射ヘッド２１の先端のヘッド部４０の外周縁から後方に向かって、中心線ＣＬに傾斜する向きに噴射される。それにより、ワーク２００の内径加工時に発生する切粉２０１を流体により後方に向かって、ワーク２００の内部から外側に排出することができる。このように、本実施形態に係る流体噴射装置２０は、エアシール装置として機能し、ワーク２００の内径加工時に生じる切粉２０１がワーク２００の内部に浸入するのを防ぐことができる。また、流体噴射装置は、圧縮された流体を吹き出す非接触装置であるため、人手による目止め作業や官能検査が不要となり、内径加工が必要なワークの無人生産を実現することができる。

【0022】

本実施形態では、図５に示すように、拡散板６０の表面を半径方向に沿って起伏する波形に形成し、さらに拡散板６０の表面に放射状に複数の仕切板６１を設けた。それにより、図１１（ａ）に示すように、ヘッド部４０の外周縁から噴射される流体の流量を全周にわたって均一に、且つ特定の角度位置における流量の時間変化を小さくすることができ、ワークの内径加工時に発生する切粉をワークの内径の全周にわたって安定的に排出することができる。

【0023】

しかしながら、拡散板６０の構成は本実施形態に限定されない。例えば、図９に示すように、拡散板７０の表面に放射状に設けられた複数の仕切板７１は拡散板７０の外周縁まで設けられていなくてもよい。図９に示す拡散板７０を使用した場合、例えば、図１１（ｂ）に示すように、ヘッド部４０の外周縁から噴射される流体の流量の位置変化が、図５に示す拡散板６０を使用した場合に比べて大きく、外周縁の特定の角度位置における流体の流量の時間変化も大きくなる。しかしながら、このような拡散板７０の使用は完全に否定されない。同様に、図１０に示すように、拡散板８０は仕切板を有さなくてもよい。図１０に示す拡散板８０を使用した場合、例えば、図１１（ｃ）に示すように、ヘッド部４０の外周縁から噴射される流体の流量の位置変化と、外周縁の特定の角度位置における流体の流量の時間変化とが、図５及び図１０に示す拡散板６０、７０を使用した場合に比べて大きく、ランダムである。しかしながら、このような拡散板８０の使用は完全に否定されない。特に、図１０に示す拡散板８０は形状が単純であるため、ヘッド部４０を薄型にするという観点や製造コストという観点においては、図５に示す拡散板６０よりも優位かもしれない。

【0024】

底板５０にあけられた吹出口５５から中心線ＣＬに沿って前方に吹き出された流体を中心線に直交する向きに拡散するという観点だけであれば、拡散板６０は、その表面に波形が施されていない、仕切板６１を有さない、単純な円板であってもよい。

【0025】

本実施形態において、ヘッド部４０の外周縁から噴射される流体が全周にわたって均一であり、時間変化がないことを設計思想として、拡散板６０等を構成していた。しかしながら、ヘッド部４０の外周縁から噴射される流体の流量を時間変化させることで、流体の噴射強度に強弱ができ、それによりワークの内径加工時に発生する切粉を効果的にワークの内部から外側に排出できる可能性がある。流体の流量の時間変化は、制御装置２５による圧縮機２３の制御により実現可能である。

【0026】

ヘッド部４０の外周縁から噴射される流体の流量を外周縁の各位置において変化させることで、ヘッド部４０の全体として渦状等に流体を噴射させることができ、ワークの内径加工時に発生する切粉を効果的にワークの内部から外側に排出できる可能性がある。このような場合では、図９，図１０に示すような、ヘッド部４０の外周縁の位置によって流体の流量が変化する拡散板７０，８０を使用することも効果的である。

【0027】

本実施形態では、ヘッド部４０はワークに対して回転しないが、ワークに対してヘッド部４０が回転するように構成してもよい。例えば、ヘッド部４０を軸部３０に対してベアリング等で回転自在に設け、軸部３０またはヘッド部４０に内蔵されたモータによりヘッド部４０の回転を駆動することで、ヘッド部４０を軸部３０に対して回転させることができる。もちろん、ＮＣ旋盤加工機１において流体噴射ヘッド２１が設置されるステージ１６又はステージ１６の一部が軸部３０の中心線ＣＬ（図１におけるＺ軸）周りに回転できるように構成してもよい。このようにヘッド部４０を回転させることで、図９、図１０に示すような、ヘッド部４０の外周縁の角度位置によって流体の流量が変化する拡散板７０，８０を使用しても、その流体の流量が全周にわたって不均一であることのデメリットを解消することができる。また、あえて外周縁の角度位置によって流体の流量が異なる拡散板７０，８０を使用することで、前述したようにヘッド部４０の全体として渦状等に流体を噴射できるようになり、また、流体の噴射の強度（速度）に緩急をつけることができるため、ワークの内径加工時に発生する切粉を効果的にワークの内部から外側に排出できる可能性がある。

【0028】

本実施形態では、ワークの中空の断面形状に整合するように、ヘッド部４０を円盤形状に構成したが、ヘッド部４０の形状は円盤形状に限定されない。例えば、ワークの中空の断面形状が四角形状であれば、ヘッド部４０を四角形状としてもよい。この場合は、例えば、ヘッド部４０又は流体噴射ヘッド２１は、ワークの回転に同期して回転できるように構成される。

【0029】

本実施形態では、拡散板６０が流体を放射状に均一に流すための構造を有していたが、底板５０がその構造を有してもよい。この場合、底板５０の表面が半径方向に沿って起伏する波形に形成され、底板５０の表面に複数の仕切板６１が放射状に設けられる。また、流体を放射状に均一に流すための構造を底板５０と拡散板６０とに分散させてもよい。この場合、拡散板６０の表面が波形に形成され、底板５０の表面に複数の仕切板６１が放射状に設けられる。

【0030】

本実施形態では、拡散板６０を底板５０に比べてわずかに大きくすることで、底板５０の外周縁と拡散板６０の外周縁との間に隙間を生じさせ、この隙間を後方に向かって開口する吐出口４５とすることができた。しかしながら、拡散板６０によって中心線ＣＬに直交する向きに放射状に拡散された流体を、外周縁から後方に向かって噴射できるのであれば、吐出口４５の構成は本実施形態に限定されない。例えば、底板５０と拡散板６０とを箱体のように一体的に形成し、底板５０の外周縁に近い位置に底板５０の同心円状に沿って円環状のスリットをあけ、このスリットを吐出口４５としてもよい。

【0031】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【符号の説明】

【0032】

２１…流体噴射ヘッド、３０…軸部、３１…軸本体、３３…導入口、４０…ヘッド部、５０…底板、６０…拡散板、９０…カバー、１００…ワッシャ、１１０…ボルト。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】