JP2010132714A

JP2010132714A - 機械加工用冷却液及び金属材の機械加工方法

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Publication number: JP2010132714A
Application number: JP2008283961A
Authority: JP
Inventors: Nobuaki Nishimura; 順昭西村; Akira Takenoshita; 明竹ノ下
Original assignee: SEIWA TEKKO KK
Current assignee: SEIWA TEKKO KK
Priority date: 2008-10-29
Filing date: 2008-11-05
Publication date: 2010-06-17

Abstract

【課題】製造が容易で冷却及び切屑除去性に優れた研削・切削液を安価に提供する。
【解決手段】この発明は、金属材の切削又は研削加工に際し、冷却や切屑の除去のために加工部に供給される機械加工用の冷却液であって、該冷却液が水を電気分解以外の方法によりアルカリ性で還元性を備えるように改質処理された水又は水溶液である。そして、改質処理された水又は水溶液は、ＰＨが９．０以上ＯＲＰが０．０ｍＶ以下であり、水又は水溶液に浸漬し又は接触することにより水又は水溶液をアルカリ性で還元性を付与する性質を備えた鉱物又はセラミック材からなる処理材に浸漬し又は接触させて処理した水又は水溶液である。
【選択図】図１

Description

この発明は歯車や機械部品等の切削加工や研削加工に際し、冷却や切削屑の除去のために用いられる機械加工用冷却液及び金属材の機械加工方法に関する。

従来上記のような機械加工では、冷却や切屑等の除去及び工具と加工面の摩擦防止のために用いられる油性又は水溶性加工油の代わりに、特許文献１，２に示すように高い還元力を備えた強アルカリ水が使用されることが知られており、ワークの腐食（錆）の抑制、油性のものより廃棄処理が容易であり且つ大量の使用が可能である等の利点がある。
また上記冷却液のほか、水道水を冷却液として用いた例も非特許文献１等に報告されており、水道水を用いた場合、工具の摩耗量が大きく（切削長さ５０ｍで０．３ｍｍ近い）実用上問題がある。
特開２００５−２５５７７０号公報特開２００２−１６７５９４号公報日本機械学会論文集（Ｃ編）第７１巻第７１２号（２００５−１２）論文Ｎｏ．０５−４３９

しかし上記特許文献１の発明はいずれも電気分解によって得られるアルカリ性で還元性（還元力）のある水を用いるもので、電解装置自体が過大な設備を要するほか、多量の電解水を得るためには大規模な装置を要する。そしてこれらの装置を加工装置に付属させる場合も費用やスペース及び管理等の面で実用性に欠けるという問題がある。また水道水を用いた場合は工具摩耗量が大きく実用性に乏しい。
この発明は上記の問題点を解消する金属材の切削又は研削等に用いる加工用冷却液と加工方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の機械加工用冷却液は、第１に、金属材の切削又は研削加工に際し、冷却や切屑の除去のために加工部に供給される機械加工用の冷却液であって、該冷却液が水を電気分解以外の方法によりアルカリ性で還元性を備えるように改質処理された水又は水溶液であることを特徴としている。

第２に、改質処理された水又は水溶液がＰＨが９．０以上ＯＲＰが０．０ｍＶ以下であることを特徴としている。

第３に、改質処理された水又は水溶液が、水又は水溶液に浸漬し又は接触することにより水又は水溶液をアルカリ性で還元性を付与する性質を備えた鉱物又はセラミック材からなる処理材に浸漬し又は接触させて処理した水又は水溶液であることを特徴としている。

第４に、改質処理された水又は水溶液が、貝殻類，天然ゼオライト，ガラス質材，鹿沼土，赤玉土，その他の粉状の鉱物質材の二以上のものを混合して焼成発泡した処理材で処理した水又は水溶液であることを特徴としている。

第５に、改質処理された水で水溶性加工油の原液を希釈混合してなることを特徴としている。

また本発明の機械加工方法は、第１に金属材の切削又は研削加工に際し、冷却や切屑の除去のために加工部に冷却液を供給する金属材の機械加工方法であって、上記冷却液が水を電気分解以外の方法によりアルカリ性で還元性を備えるように改質処理された水又は水溶液であることを特徴としている。

第３に、改質処理された水又は水溶液が、水又は水溶液に浸漬し又は接触することにより水をアルカリ性で還元性を付与する性質を備えた鉱物又はセラミック材からなる処理材に浸漬し又は接触させて処理した水であることを特徴としている。

第５に、改質処理された水で水溶性加工油の原液を希釈混合した冷却液を供給することを特徴としている。

本発明の冷却液は特許文献１，２に示す冷却水（クーラント）と略同等の冷却効果，工具摩耗の防止、切屑の除去及び廃棄した場合の環境汚染の防止等が容易に実現できる利点を保持しながら、電気分解のための労力や設備コストを必要とせず、製造が簡単であるほか加工機への付設も簡単で管理面やコスト面で有利であり、腐敗や変質が生じないので水や必要成分を補充する等により繰り返し使用が可能になるという利点がある。また本発明の冷却液中に水溶性加工油が添加混合された場合は、その成分の腐敗や変質が防止されるほか、水溶性加工油成分による機能上の利点も発揮できる。

図１〜図４は本発明の実施方法の４種類の具体例を示す装置の概念図で、装置はいずれの例もホブ盤，歯車形削り盤，歯車研削盤，ホブ溝研削盤，溝研削盤等からなる加工機１と、切削又は研削加工部に供給して加工部（ワーク及び工具）の冷却と加工屑の除去等を行う冷却液（水又は水溶液）８を収容するタンク２と、冷却液８をアルカリ性にし且つ還元力を付与する改質装置３と、該タンク２と加工機１の加工部（図示しない切削部又は研削部）との間に配管される供給配管５又は排出配管６を介して冷却液８を循環させる給液ポンプ４とを備えている。

そして図１，図２は供給配管５中又は排出配管６中に改質装置３を設けた例を示し、図３は改質装置３とタンク２との間に独自の循環配管９を設け、該循環配管９中に循環用ポンプ７を介設した例を示している。また図４は改質装置３を通水可能な構成にしてタンク２内の冷却液８中に浸漬させて配置した例を示している。図４の例ではタンク２自体に後述する改質処理材を収容して改質装置と兼用させることも可能である。

上記機構により、冷却液８はいずれの場合も供給配管５と排出配管６と給液ポンプ４によりタンク２と加工機１との間を冷却液８が循環して加工部に常時供給される。
そして図１〜図３の例では周壁が密閉されたカラム状の容器内に例えば１．０〜３０．０ｍｍ程度の径を有する粒体状に形成された鉱物又はセラミック等からなる処理材（図示しない）が収容されており、その内部に冷却液を流通させることにより、冷却液を処理材に接触させ又は同時に濾過してアルカリ化し還元力のある水に改質処理する。

これに対し図４に示す例ではタンク２内の冷却液に浸漬された改質装置３は、メッシュ状又はパンチングメタル等の通水性のある周壁を備えた容器中に前記処理材が収容されており、タンク２内を循環流通する冷却液８が処理装置３内の処理材に接触され又は濾過されることにより改質される。

上記タンク２，ポンプ４，７，改質装置３等の容器は加工機１が加工する対象物の種類や加工部の大きさ等に対応して適宜設定される。その他図１〜４に示す装置で研削盤のように砥粒が排出されるものや微細な切屑が多量に排出されるものでは、これらを濾過や吸引等により捕集する装置が必要になる。この場合も処理材は多孔質自体で濾過性に優れ、冷却液に浮遊・溶解している不純物を吸着する性質があるので、改質と濾過が同時にできる。

上記冷却液としては最も入手が容易で且つ品質が安定している水道水が用いられ、改質装置３内の（改質）処理材には既述のように粒状の鉱石類又はセラミック類若しくは両者が適宜混合されたものが用いられる。処理材は水を接触させることによりその水を例えばＰＨ（水素イオン濃度）９．０〜１４．０の範囲で、ＯＲＰ（酸化還元電位）０．０ｍＶ以下の還元力のある水に改質する材質であり、加工用ワークや装置の他の部分に悪影響を及ぼさないものであれば使用可能である。このアルカリ性や還元力は主として金属製品（ワーク）の錆の発生と冷却液の酸化等による腐敗や悪臭の発生を防止するものである。

上記処理材の例としては、貝殻類と天然ゼオライトを粉砕混合し、ベントナイトその他のセラミック材やバインダにより粒状にして焼成し又は塊状で焼成したものを粒状に粉砕したもの、あるいはマグネシウムセラミック等でもよい。

セラミック材は可搬性がよく、取扱いが簡単であるほか、少量で上記作用を満足させる利点があるほか、多孔質材に形成できるため鉄分等冷却液（切削液）に浮遊・溶解している不純物を吸着捕集させ易く、循環使用しても冷却液の当初の性質を保持し易いほか保守管理等も容易である。また冷却液の改質と濾過が同時にできる利点がある。

尚、ここで求められるアルカリ性と還元力は鉄・銅を中心とする金属の酸化を防止するほか、水又は水溶液の腐敗を防止するためである。さらに機械加工において切削液が直接加工部分に入ることは重要である。特に歯車加工においては、加工時に工具と被加工物の密着度が他の加工に比べて高く、切削液が加工部分及び近傍に入りにくい。通常水はいくつかの水分子が結びついてクラスターとよばれる集団を形成していると考えられる。そのクラスターがアルカリ性で還元性のある水は通常の半分以下といわれている。該水を使うことにより加工時に工具と被加工物の間に切削液が入り込みやすくなり、加工性が向上する。

次に本発明の冷却液の製造と冷却液内のＰＨ，ＯＲＰとその持続試験、冷却液による防錆実験、実際の歯車（ホブ）加工における工具の摩耗実験の内容とその結果について説明する。
この実験に用いた処理材は、特開２００７−７０１２５号に示す製法で作られたガラス発泡体からなるセラミックを５〜１５ｍｍ径の粒状体にしたもので、商品名「χ（カイ）セラミックＳタイプ」（島根県出雲市大津町株式会社イズコン製）である。
上記製品は重金属イオンの吸着，還元，イオン交換等によって水質浄化を行うためのもので、その製造方法は次のようなものである。

即ち、ガラス質材粉１００重量部、鹿沼土粉および赤玉土粉５０〜８０重量部、および発泡材粉１０〜２０重量部を採取混合して、８００〜１１００℃の炉中で焼成発泡させた後、粉体、粒体とし、ガラス質材粉を窓用板ガラス、コップ、ビン等とし、その粒子径を１〜１０００μｍの粉体、粒体としている。上記鹿沼土粉、赤玉土粉の粒子径を１〜１０００μｍの粉体、粒体とし、発泡材粉はあこや貝殻、ほたて貝殻、牡蠣殻等貝殻由来の炭酸カルシウム粉体とし、その粒子径を１〜１０００μｍの粉体、粒体とした。

また下記実験で「χセラミック」の「Ａタイプ」，「Ｓタイプ」とあるのは、それぞれ製法の違いにより吸着性能の小さいものと大きいものにタイプを違えたものである。
［実験１］セラミックを用いた冷却液の製造と経時変化
χ（カイ）セラミックＳタイプを２０リットルのポリタンク（改質装置）に充填し、貯水タンクに４００リットル貯留した水道水を循環用ポンプ（１１リットル／分）で上記水を平成２０年９月１１日〜１２日の約２０時間上記改質装置とタンク間を循環させ（蒸発分の水は順次補給）、１時間毎にアルカリ度（ＰＨ）測定をしたところ、当初ＰＨ７．９の水道水が、１時間後のＰＨが１１．２で２０時間後はＰＨが１１．７に僅かに上昇したものの概ね１１．２〜１１．７の間で安定していることが判明した。
また同様な実験をＡタイプのもので１０時間行ったが、ＰＨは９．３〜９．６に維持され、途中でセラミック量を倍増させても水のＰＨに変化は見られなかった。

［実験２］鉄製部品の錆実験
上記のようにして製造した冷却液４００ｃｃとＡタイプ，Ｓタイプそれぞれ別個に２００ｇとを容器に収容し、Ｓ４５Ｃの材料からなる自動車のステアリング用ピニオンを常温で６時間浸漬し、大気中で１５時間自然乾燥させた。この時の冷却液のＰＨはＡタイプ１１．９，Ｓタイプ１２．１であった。
その結果通常上記のような実験を水道水を用いて同一条件で行うと、部品表面全体に赤錆が発生するのに対し、この実験ではいずれも錆の発生は認められなかった。

［実験３］ホブ切加工による工具摩耗実験
本実験では従来の水溶性切削液と、χ（カイ）セラミックＡタイプで循環させて改質した水道水を用い、下記条件でホブ切加工を行った（但し、作業開始前の水道水のＯＲＰ約４００ｍＶ、作業開始時のＯＲＰ２５ｍＶ、作業中及び終了時のＯＲＰ−１６ｍＶ，同ＰＨ９．７）。
（１）ワーク諸元
モジール（ｍ）1.75、圧力角（PA）17.5°、歯数（Z）48、ねじれ角（β）21.46°、左ねじ（LH）、歯幅５０mm
（２）ホブ（工具）
４口（条）
（３）加工条件
１）切削速度 200ｍ/min
２）送り 2mm/rev
３）切込み量（歯丈方向） 5.783mm
４）クライム、1回切り、ホブシフト無
この実験の結果、いずれも５０個のワークの加工を行うことができたが、ホブ（工具）摩耗はいずれも０．１３ｍｍで、摩耗の面では本発明の冷却液と従来の水溶性加工油溶液との差は見られなかった。しかし、先の非特許文献１に示される通常の水道水を用いた場合に比しては約１．６倍の耐摩耗性を発揮したことになる。

尚、上記実施例では、セラミックを用いて水道水を改質した冷却液の例について説明したが、これ以外に例えば酸化カルシウム等のようにアルカリ性で還元力の得られる薬品や化学品等を直接水に添加混合することにより、同様な性質の冷却水を得ることができる。

また改質処理の対象は単なる水に限られず、先に述べた水溶性加工（切削）油原液を水で溶解させた水溶液であってもよく、さらに冷却液としては改質処理された水で水溶性加工油原液を添加して希釈混合されたものでもよい。

その他金属製品・部品の切削や研削加工の質を向上させるための他の添加物を混合した水溶液であっても、アルカリ性と還元力を付与する改質を妨げないものであれば本発明の適用は可能である。

特に水溶性加工油を併用した場合、加工油成分の酸化や腐敗及び悪臭の発生等を防止しながら水溶性加工油の利点を活かすことができる利点がある。

本発明の実施方法を示す全体装置の概念図である。同じく第２実施例を示す全体装置の概念図である。同じく第３実施例を示す全体装置の概念図である。同じく第４実施例を示す全体装置の概念図である。

符号の説明

１加工機
２タンク
３改質装置
４ポンプ
５供給配管
６排出配管
７ポンプ
８冷却液（冷却水，切削液，水溶液，研削液）
９循環配管

Claims

金属材の切削又は研削加工に際し、冷却や切屑の除去のために加工部に供給される機械加工用の冷却液であって、該冷却液が水を電気分解以外の方法によりアルカリ性で還元性を備えるように改質処理された水又は水溶液である機械加工用冷却液。
改質処理された水又は水溶液がＰＨが９．０以上ＯＲＰが０．０ｍＶ以下である請求項１の機械加工用冷却液。
改質処理された水又は水溶液が、水又は水溶液に浸漬し又は接触することにより水又は水溶液をアルカリ性で還元性を付与する性質を備えた鉱物又はセラミック材からなる処理材に浸漬し又は接触させて処理した水又は水溶液である請求項１又は２の機械加工用冷却液。
改質処理された水又は水溶液が、貝殻類，天然ゼオライト，ガラス質材，鹿沼土，赤玉土，その他の粉状の鉱物質材の二以上のものを混合して焼成発泡した処理材で処理した水又は水溶液である請求項３の機械加工用冷却液。
改質処理された水で水溶性加工油の原液を希釈混合してなる請求項１，２，３又は４の機械加工用冷却液。
金属材の切削又は研削加工に際し、冷却や切屑の除去のために加工部に冷却液を供給する金属材の機械加工方法であって、上記冷却液が水を電気分解以外の方法によりアルカリ性で還元性を備えるように改質処理された水又は水溶液である金属材の機械加工方法。
改質処理された水又は水溶液がＰＨが９．０以上ＯＲＰが０．０ｍＶ以下である請求項６の金属材の機械加工方法。
改質処理された水又は水溶液が、水又は水溶液に浸漬し又は接触することにより水をアルカリ性で還元性を付与する性質を備えた鉱物又はセラミック材からなる処理材に浸漬し又は接触させて処理した水又は水溶液である請求項６又は７の金属材の機械加工方法。
改質処理された水又は水溶液が、貝殻類，天然ゼオライト，ガラス質材，鹿沼土，赤玉土，その他の粉状の鉱物質材の二以上のものを混合して焼成発泡した処理材で処理した水又は水溶液である請求項８の金属材の機械加工方法。
改質処理された水で水溶性加工油の原液を希釈混合した冷却液を供給する請求項６，７，８又は９の金属材の加工方法。