JP2008535934A - 極低温の流体組成物 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2004年12月13日に出願された、発明の名称「METHOD,PROCESS,CHEMISTRY AND APPARATUS FOR SELECTIVE THERMAL CONTROL,LUBRICATION AND POST−CLEANING A SUBSTRATE」の、米国仮特許出願番号60/635,399の利益を主張する。
本発明は全般的には機械加工プロセスに関する。特に本発明は、旋盤加工、ボード切断、ウェーハダイシングおよびアクティブ電子部品の温度サイクルの間に選択的な温度管理および/または潤滑を要する機械加工プロセスに関する。本発明は、ターニング、フライス加工、フェイシング、ネジ切り、ボーリングおよびグルービングのような操作のための金属加工および機械加工流体として使用しうるものであり、特に高速でインサート時間が長い金属加工操作のための方法および装置に、特にフラッドクーラント/潤滑剤システムの、または従来の超低温液体スプレーの直接的代替品として使用しうるものである。
大半の機械加工操作は、ホルダと、一つ以上の切削エッジに終端する表面を各々が有する一つ以上の切削インサートとを含む切削ツールにより行われる。ツールホルダは、内部の適当な位置に切削インサートを固定したソケットを伴って形成される。インサートの切削エッジは、ワークピースに接触し、そこから素材を、典型的には切削片の形で取り除く。切削片は、薄い略長方形の形状の素材セクションを含み、インサートによってワークピースから分離される際にはそれらのセクション同士が、せん断面に沿って互いに摺動する。切削片形成時のこうした薄い素材セクション同士の連動したせん断ムーブメントによってかなりの熱が発生し、それは、インサートの切削エッジとワークピースとの接触により生まれる熱と合わさると、華氏1500度から華氏2000度にもなりうる。
本発明は、クーラント、潤滑剤、輸送剤およびそのいずれかの組み合わせの用途の極低温複合流体を含む。本発明は、特定の機械加工で必要とされる特殊な冷却能力、潤滑性、スプレー圧および温度、密度、粘度、および他の有益な物理化学的性質を示す機械加工用スプレー組成物を作るために使用されるものである。かかる極低温複合流体は、クーラント相、希釈剤相および任意の添加剤相を含むことが好ましい。クーラント相は、潤滑剤、輸送剤および熱除去剤としての役割をはたす昇華性の固体炭酸を含むことが好ましい。希釈剤相は、固体クーラントおよび添加剤を切削ゾーンに選択的に送達する物理的推進力および輸送流体としての役割と、他の組成物成分の効果を選択的に希釈する希釈剤としての役割、および温度調整剤としての役割を果たす多様な有機および無機の液体、固体および気体から得られることが好ましい。添加剤相は、有機液体、有機気体および固体を各種混合したものを含み、それがクーラントおよび希釈剤相を選択的に是正し、粘度調整、塗膜コンシステンシの変更、腐食抑制および潤滑性の修正等のクーラントおよび潤滑剤の機能強化を提供する。
本発明による機械加工複合流体またはスプレーは、図1中の30に大まかに表示されているとおり、クーラント相Fc、希釈剤相Fdおよび添加剤相Faの分画濃度を混合して形成される。複合機械加工流体30の分画位相成分が次の等式により定義されるように、各相Fc、FdおよびFaが混合される:
Σ(Fc+Fd+Fa)=100%
結果として得られる機械加工流体30は、質量、密度、湿り度、乾き度、冷たさ、熱さ、潤滑性の選択的特性および他の機械加工流体の性質、例えば理想的衝突時速度、流速、圧力およびスプレーコンシステンシを示す。
被加工面の質を検査し、従来のフラッドクーラントと比較するために機械加工テストを実施した。実施した機械加工プロセスは、ステアタイトの部分224、エポキシの部分226および鉄/ニッケル合金(合金52)の部分228を有するステンレススチール−ステアタイト−エポキシ物品の粗研削および仕上げ研削である。機械加工プロセスは、20,000rpmで作動したTsugamiモデルMA3 HMCのダイヤモンド研削ツールを用いて行った。本発明から得られた極低温機械加工流体は、固体二酸化炭素をクーラントFcとして、圧縮空気を希釈剤Fdとして、さらにイソプロピルアルコールを添加剤Faとして、Fc:Fd:Fa比率18:80:2で含む複合スプレー組成物であり、それを希釈剤の圧力620kpa(90psi)で使用し、複合スプレー温度を約240K(華氏−30度)とした。複合スプレーを、下に示されるアングル45度の同軸スプレーノズルを用いて、切削ゾーン内のダイヤモンド研削ツールと被加工物品の内側表面との間の接触ポイントに導いた。
カーバイドドリルバイトでドリルしたステンレススチールシートの表面品質を調べるために機械加工テストを行った。0.64cm(0.25インチ)のステンレススチール基材を、Ryobi製ボール盤型番DP100を用いて、3600rmpのドリルスピードでドリルした。三種のスプレー組成物を生成した。従来技術を代表する第一のスプレー組成物は希釈剤としての冷却・圧縮空気のみからなり、クーラントまたは添加剤相なしで、Fc:Fd:Fa比率は0:0:100であり、希釈剤の圧力550kPa(80psi)および57リットル/分(2cfm)で使用し、複合スプレー温度は約283K(華氏50度)となった。第二のスプレー組成物は、固体二酸化炭素をクーラントとして、圧縮空気を希釈剤として含み、さらに添加剤相は含まず、Fc:Fd:Fa比率は大体30:70:0であり、希釈剤の圧力550kPa(80psi)、温度373K(華氏212度)で使用し、複合スプレー温度は約240K(華氏−30度)となった。第三のスプレー組成物は、固体二酸化炭素クーラント、希釈剤として圧縮空気、添加剤として大豆メチルエステルを含み、Fc:Fd:Fa比率が大体29:70:1であり、それを希釈剤の圧力550kPa(80psi)および温度373K(華氏212度)で使用し、複合スプレー温度が約240K(華氏−30度)となった。
電源60ワットの、波長約940nmで稼働したIRダイオードレーザを用いてフライス加工したブチルゴムの表面品質を、ガスアシスト冷却を用いた場合と比較して調べるために機械加工テストを行った。0.64cm(0.25インチ)のブチルラバーの基材を、IRレーザ出力調整装置と光ファイバ出力レーザモジュール型番OPC−OPC−02を備えたOpto Power社製レーザシステム型番H01 D060 MMM FCMSを用いてフライスした。Janome直交座標ロボット型番JR2203を用いて自動の長方形スキャンパターンを実施した。レーザ焦点は約2.54cmの距離であり、プランジの深さ(レーザ焦点距離)は約0.5mmであり、ロボットスキャンの速度は10mm/秒に設定した。ビーム直径は約1mm、レーザパワーは25ワットに調整した。1.0cmx0.5cmほどの長方形のパターンが各スプレーをテストした各サンプル表面にフライスされた。
電源60ワットの、波長約940nmで稼働したIRダイオードレーザを用いてフライス加工したフルオロシリコーンゴムの表面品質を調べるための機械加工テストを行った。0.64cm(0.24インチ)のフルオロシリコーンゴムの基材を、IRレーザ出力調整装置と光ファイバ出力レーザモジュール型番OPC−OPC−02を備えたOpto Power社製レーザシステム型番H01 D060 MMM FCMSを用いてフライスした。Janome直交座標ロボット型番JR2203を用いて自動の長方形スキャンパターンを実施した。レーザ焦点は約2.54cmの距離であり、プランジの深さ(レーザ焦点距離)は約0.5mmであり、ロボットスキャンの速度は10mm/秒に設定した。ビーム直径は約1mm、レーザパワーは25ワットに調整された。1.0cmx0.5cmほどの長方形のパターンが各スプレーをテストした各サンプル表面にフライスされた。
40,000rpmで稼働した高速ロボットスピンドルを用いてフライス加工したアクリルプラスチックの表面品質を調べるための機械加工テストを行った。0.64cm(0.25インチ)のアクリルプラスチックの基材を、エアタービンスピンドル・モデル600を用いてフライスした。Janome直交座標ロボット型番JR2203を用いて自動の長方形スキャンパターンを実施した。1/8インチルータビットを使用し、プランジの深さは約0.5mm未満であり、ロボットスキャンの速度は10mm/秒に設定した。スピンドルの速度は調整不可であり、40,000rpmで稼働された。1cmx1cmほどの長方形のパターンが各スプレーをテストした各サンプル表面にフライスされた。
Claims (13)
- 機械加工プロセス中に基材を処理するための極低温複合流体であり、前記極低温複合流体は、
固体二酸化炭素の粒子を含む昇華性クーラント相と、
不活性ガスから誘導される希釈剤相と
を含み、各相を混合して得られる前記極低温の複合流体は、機械加工プロセス中に冷却目的、加熱目的、潤滑目的またはそのいずれかの組み合わせの目的のために使用されうる、極低温複合流体。 - 前記クーラント相が粒径およそ0.2ミクロンから500ミクロンの間の固体二酸化炭素の粒子を含む、請求項1に記載の極低温複合流体。
- 0.01MPaから100MPaの間の衝撃応力を提供することができる、請求項1に記載の極低温複合流体。
- 前記クーラント相が二酸化炭素ガス、液体二酸化炭素または超臨界二酸化炭素から誘導される、請求項1に記載の極低温複合流体。
- 有機または無機の固体、液体または気体の化合物を含み、前記クーラント相または前記希釈剤相のいずれにも混合しうる添加剤相をさらに含む、請求項1に記載の極低温複合流体。
- 前記添加剤相が油類、グリース類、ドライ潤滑剤類、アルコール類、エーテル類、エステル類、または合成炭化水素類を含む、請求項5に記載の極低温複合流体。
- 前記添加剤相が植物ベースの油類、大豆油、ヒマシ油、綿実油、菜種油またはカノーラ油を含む、請求項5に記載の極低温複合流体。
- 前記添加剤相が有機炭化水素ガスを含む、請求項5に記載の極低温複合流体。
- 前記添加剤相がHFC 134aまたはブタンを含む、請求項8に記載の極低温複合流体。
- 前記添加剤相がポリテトラフルオロエチレン、グラファイト、二硫化モリブデンまたは窒化ホウ素を含む、請求項5に記載の極低温複合流体。
- 前記添加剤相がジエチレングリコールモノブチルエーテルまたはブチルジグリコールを含む、請求項5に記載の極低温複合流体。
- 請求項1に記載の極低温複合流体をレーザ加工プロセスにおいて使用する方法であって、前記極低温複合流体がレーザビームを通過しても前記レーザビームを減衰させない方法。
- 請求項5に記載の極低温複合流体をレーザ加工プロセスにおいて使用する方法であって、前記極低温複合流体がレーザビームを通過しても前記レーザビーム減衰させない方法。
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