JP2013543797A

JP2013543797A - 機械加工方法と、深冷冷却を有する装置

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Publication number: JP2013543797A
Application number: JP2013534360A
Authority: JP
Inventors: ロートマン、フレデリック; キンタール、ジャック; リシャール、フレデリック; トルョ、シャルル
Original assignee: レール・リキード−ソシエテ・アノニム・プール・レテュード・エ・レクスプロワタシオン・デ・プロセデ・ジョルジュ・クロード
Priority date: 2010-10-22
Filing date: 2011-10-06
Publication date: 2013-12-09
Also published as: CN103180093A; FR2966371A1; WO2012052650A1; FR2966371B1; EP2629931A1; EP2629931B1; CN103180093B; US20130209186A1; ES2531848T3

Abstract

この発明は、機械加工の間に加熱されそうな少なくとも機械加工範囲の一部、または、前記機械加工工具が、前記機械工範囲または前記工具に液体窒素が分配されることによって冷却される、機械加工工具を用いて機械加工されるべき部分の機械加工のための方法に関する。固体CO₂微粒子は、前記機械加工範囲に分配される。この発明は、前記方法を実行するための装置にも関する。
【選択図】図１

Description

この発明は、機械加工範囲が液体窒素と固体二酸化炭素の微粒子の深冷混合物によって効果的に冷却される、特に穴あけまたは切削工具の機械加工によって機械加工されるべき部分の機械加工のための工程と、この工程を実行するための装置に関する。

金属部分の機械加工の実施の間、例えば、機械的な切削または穴あけ作業と、抵抗と、摩擦動作と、機械加工範囲から発生する熱または加熱範囲は、しばしば、機械加工された金属部材の効果的な潤滑及び／または冷却の導入を要求する、頻繁な問題である。

これを行うために、例えば一般的に水または油である、冷却及び／または潤滑混合物は、機械加工された範囲または加熱範囲に供給され接触し、機械加工工具の寿命を向上するためと、寸法精度を向上するためと、及び／または機械加工された物の表面粗さを減少するために、多かれ少なかれこの範囲を効果的に冷却するだけでなく潤滑することを可能とする。

冷却及び／または潤滑混合物という言葉は、接触する部分または構成要素、つまり物質と工具とを冷却しかつ任意に潤滑することを可能とするいずれかの物質であると理解され、それゆえ、検討中の部分または構成要素の温度を減少すると理解され、例えば、水または蒸気と、油と、気体となどである。

冷却混合物との接触によってもたらされる温度の低下は、また、機械加工限界（machining parameter）の向上を可能とし、それゆえ、機械加工作業による総合的な有効な（productive）生産を増加することを可能とする。

しかしながら、結局、通常の冷却及び／または潤滑混合物は、例えばステンレス鋼のようないくつかの硬い物質の高い機械加工速度（rate）での機械加工中に、これらを効果的に冷却できるため実際上（effective）十分ではない、なぜならば、これら硬い物質上の工具の摩擦動作によって生成される熱は、通常の混合物では、効果的に吸収されるには、大きすぎる。

そういうわけで、このことは、物質の過度な温度上昇に起因する大いに減少された工具の寿命という結果になり、それどころか、すなわち、機械加工欠陥という結果である。

そのうえ、例えば化学的な分野で用いられる部品の機械加工などのいくつかの応用に対し、いずれの化学的な潤滑剤も、表面汚染の問題により、禁止されている
最終的に、環境的な理由により、化学的な潤滑剤は、次第に少なくなっている。

化学的な潤滑剤の使用の代わりの一つは、ドライ（dry）機械加工である。しかしながら、発生した根通の不十分な除去は、高いドライ機械加工の処理量を妨げる。

そのうえ、文献EP-A-35145によって、機械加工中に化学的な潤滑剤と液体二酸化炭素との混合物（mixture）を用いることが提案されている。しかしながら、そのような混合物は、利用することは実用的ではない。

同様に、文献US-A-3971114は、冷却ガスとしてフレオン１２を用いることについて（for）提供している。この解決方法は、理想的ではない、なぜなら、ここで再び、フレオンの冷却能力は限られており、さらにその上、フレオンは、環境的な問題をもたらしかねない。

一方、文献EP-A-1 580 284は、機械加工中に、潤滑と冷却流体として、液体二酸化炭素に代えて、液体ヘリウムまたは液体アルゴンを用いることについて提供している。実際、特に液体ヘリウムを用いる場合、発生する重大な損害（cost）と、生じる実現性の困難さとの結果によって、この種の解決が実現性がなく、さもなければ産業的にとても限定されていることは、直ちに理解される。

加えて、機械加工中の潤滑及び冷却流体として、液体窒素を大気圧中で用いることが、文献EP-A-1580284と、文献WO-A-9960079と、文献EP-A-2155451と、文献EP-A-1775064とによっても、提案されている。

これはなぜなら、大気圧において、液体窒素は、おおよそ−１９６℃であり、その冷却貢献は顕著であり、それは、その他の供給されるガスに比べて、顕著に良い解決となる。

例として、水や油のような標準の潤滑剤に代えて大気圧で液体窒素を用いると、１００ｍ／minの割合でステンレス鋼を切るために用いられるタングステンカーバイド（tungsten carbide）がコーティングされた切削工具の寿命は、３〜４倍大きくなる。

しかしながら、液体窒素は、液体窒素より温かい（warmer）部分、つまり−１９６℃より高い温度に接触するようになると加熱層を形成することが知られている。部分が温かくなるほど、加熱層はより重大になる。

この点は、特に機械的な機械加工動作の間に著しい、なぜなら、液体窒素と機械加工されるべき部分との間の温度差は、例えば、５００℃から１０００℃に変動するためである。

この加熱層は、液体窒素から生じている（originating）冷却の寄与を制限する気体の熱的遮断物を液体窒素と機械加工される範囲との間に形成する気体の窒素から構成される。

実際には、より不十分な冷却の寄与は、機械加工により生成される熱の除去を制限し、事実上の総合的な有効な生産を制限する、なぜなら、冷却及び／または潤滑は、結果として、より効果的でなくなるためである。

それゆえ、液体窒素の使用は、加熱層の存在によって、理想的ではない。

さらに、文献EP-A-1044762とWO-A-2006/065869は、気体状の窒素に混合した固体の二酸化炭素が開示されている。

加えて、EP-A-1580284は、工具の作業面を形づくる（shaping）間、工具の作業面（working surface）に液体窒素を噴射することによってこの表面を向上するための方法に関連している。

そこから、この問題は、物質の機械加工作業の間、特に、炭素鋼（carbon steel）と、ステンレス鋼（stainless steel）と、アルミニウムとその合金と、または、クロミウム（chromium）及び／またはニッケル（nickel）またはチタン（titanium）をベースとする合金などのような硬い物質の穴あけまたは切削の間の液体窒素による冷却を向上することを可能とする。

この提供される解決は、機械加工工具で機械加工される部分を機械加工するための方法であり、その中で機械加工範囲のうち少なくとも過熱しかねない部分が、その部分または機械加工工具の機械加工の間、その範囲またはその工具とに液体窒素を供給することによって冷却される方法であって、加えて、固体状の二酸化炭素の微粒子がその機械加工範囲に供給されることを特徴とする。

言い換えると、この発明に関し、設備（provision）は、気体の窒素を熱い要素に接触させてそれゆえ液体窒素の単独の使用に比べて機械加工範囲の冷却及び／または潤滑を著しく向上して、液体窒素の蒸発気体によって形成されえる加熱層の一部または全てを破壊するために、機械加工範囲と任意に工具とが液体状の深冷流体に混合される固体の微粒子つまり一般的に−１９６℃程度の液体窒素に接触されるようになるおかげで、機械加工範囲及び／または機械加工工具、つまり厳密に機械加工の間過熱される要素の冷却を実行するように形成される。

注目すべきは、この発明の状況では：
−“分配すること（to dispense）”という言葉は、“噴射すること（to inject）”、“送ること（to send）”、または、“供給すること（to deliver）”という言葉と完全に同じと考える。

−“機械加工範囲”と“過熱範囲”という言葉は、お互いに関して区別することなく、機械加工特有の結果によって過熱されえる機械加工される部分の範囲を示す。

−液体窒素は、液化した状態の窒素（化学記号：N₂）、つまり、大気圧（１気圧）で一般的にほぼ−１９０℃から２００℃、特に−１９６℃との温度である。この液体窒素の純度は、一般的に少なくとも９９体積パーセントであり、つまり、窒素が必然的に不純物を備える可能性を除外していない。

−固体形状のCO₂の微粒子は、二酸化炭素の結像であり、一般に“ドライアイス”として知られている。

場合によっては、この発明の方法は、以下の特徴の一つ以上を備えることができる：
−固体形状のCO₂の微粒子は、液体窒素と混合される、
−固体形状のCO₂の微粒子は、分配される、
−液体窒素と１０〜７０重量パーセントの固体形状のCO₂の微粒子で形成される冷却噴射は分配される、
−液体窒素と固体微粒子から形成される冷却噴射は、１と４００バール（bar）の間の圧力である、
−液体窒素と固体微粒子との混合は、そのままの状態で、分配と同時に、または、分配の直前に実行される、
−液体窒素と固体微粒子とは、一つ以上の分配ノズルを経由して分配される、
−機械加工は、穴あけまたは切削である、
−機械加工される部分は、金属、セラミック（ceramic）、合成物、または、プラスチック材（plastic material）である、
−機械加工される部分は、炭素鋼と、アルミニウムとその合金と、ステンレス鋼と、ニッケル及び／またはクロミウムの合金と、チタンとその合金とから選ばれる金属材料で形成される、
そのうえ、この発明は、また、機械加工工具と液体期間において冷却流体源と接触する少なくとも１つの分配ノズルとを備え、その冷却流体源は、液体窒素と固体CO₂とから形成される混合物をノズルに送るように設計されて給送が可能であることを特徴とする。

この発明は、添えられた図面を参照してより詳細に説明される、この中で、
−図１は、この発明の第１の実施形態を表しており、
−図２は、この発明の第２の実施形態を表している。

図１は、この発明の機械加工方法の第１の実施形態を明示している。

見えるように、例えば金属部分またはプラスチック部分の機械加工される部分２は、ミリングカッタ（milling cutter）のような例えば回転または揺動工具の機械加工工具１によって、穴あけ、切削、または他の動作などの機械工加工動作下にある。

機械加工の継続時間の間、部分２と工具１との間で生じる摩擦動作などの結果として、工具１によって機械加工される部分２の範囲（region ）または範囲（area）５は、過熱を受けている。

この過熱を軽減するために、過熱されえる機械加工範囲５の部分または全ては、この機械加工範囲５と任意に工具１にも液体窒素を分配することによって冷却される。

第１の実施形態では、固体形状のCO₂の微粒子に混合される液体窒素で形成され、一般的に１０〜７０重量パーセントの固体形状のCO₂の微粒子を備える液体窒素の混合物、つまりドライアイスの形状の単一の噴射６が機械加工範囲５に送られる。

この液体窒素／固体CO₂混合物は、単一の噴射６を送る（deliver）分配ノズル３内、または、このノズル３の上流、例えば一方が固体CO₂源に連結され、他方が液体窒素源に連結される混合チャンバ内でそのままの状態で製造される。

図２は、図１の発明と類似の発明を明示しており、しかし、その中で、液体窒素と固体CO₂の微粒子の噴射は、噴射ノズル３，４を用いることに代えており、例えばこの場合は、第１のノズル３は垂直に配置され、第２のノズル４は、水平に配置される。

この第２の実施形態において、２つのノズル３，４は、各々、液体窒素／固体CO₂混合物の分配可能である。

代えて、ノズル３，４のうち一つが液体窒素を分配可能であり、他方が固体CO₂微粒子を分配可能であり、それらの混合がそのままの状態で冷却されるべき機械加工範囲５内で行われる。

また、２つのノズル３，４のうち一つによって液体窒素と固体CO₂の混合物を分配し、他方のノズルを液体窒素また固体状のCO₂の単独の分配に用いることを想定することも可能である。

一般的に、もちらレルCO₂の微粒子は、深冷温度であり、つまり一般的に−１５０℃より低く、しかし、温度がほぼ−７８℃を越えると直ぐに気体状になり、それゆえ、環境温度ではなおさら（fortiori）である。

本質的に、CO₂は、液体窒素の温度である−１９６℃でほぼ０．０５W/（m.K）程度の熱伝導を有しており、それゆえ、明らかに同じ温度での気体状の窒素の熱伝導すなわち０．０１４５W/（m.K）より大きい。

この発明（図１，２）の関連で、固体CO₂は、液体窒素と部分２の表面の間の界面に形成される加熱層を破壊する役割に加えて、サーマルブリッジ（thermal bridge）効果を有し、熱を引かせ（withdraw）、機械加工範囲を冷却することも可能としている。

加えて、CO₂は、その研磨剤効果（abrasive effect）の低さの結果により、除去されなければならない二次的な廃物（waste）を創造せず、また、適切な機械加工製法に伴う損害または干渉もない。

むしろ、ドライアイス形状のCO₂と液体窒素との混合済みのものは、機械加工範囲５への噴射の前に製造される。これらの状態において、固体CO₂の微粒子は、おおよそ−１９６℃、つまり固体CO2と液体窒素とが発見される液体窒素の温度に冷却される。

実験的な試験は、２０℃に加熱された鋼の全部部分（bulk part）を、液体窒素に浸すことによって与えられた−１９０℃程度に下げる冷却が、液体窒素と３０重量パーセントのCO₂とから形成される混合物を用いて同様の冷却を得るために必要な時間の５０パーセント増の冷却時間を要求することを示した。

この結果、機械加工のための冷却／潤滑流体として、ドライアイス／液体窒素混合物を用いることの利点は、直ちに理解できた。

明らかに、試験の間、固体CO₂の微粒子は、冷却されるべき部分に接触する液体窒素によって形成される加熱層の効果を徹底的に制限することが立証され、それは熱の伝達を向上する。

この発明に係る液体窒素／固体CO₂混合物は、重大なCO₂効果を得るために１０重量パーセントより大きい（more than）CO₂を備えなければならず、噴射工程と両立する混合物の粘性を維持するためにせいぜい７０重量パーセントのCO₂を備えなければならない。

深冷液体窒素／固体CO₂深冷混合物の流れは、図１に示すように、垂直に噴射が可能なでだけなく、水平、または、水平と垂直との間の所定角度に沿うことが可能である。定められた機械加工に対して最も適切な噴射角度は、例えば特に部分及び／または工具の配置の作用である、得るべき冷却の有効性の個々の土台などに基づいて、経験的に容易に決定される。

加工されるべき、かつ、冷却されるべき部分２は、ステンレス鋼、チタンまたはその合金、または、インコネル（inconel）のようなクロミウム（chromium）またはニッケルをベースとする合金、のような鉄を含むまたは含まない金属材料から形成され、または、特に高い延性を有する種のプラスチック（PPS，PI，PAIなど）のようなプラスチックポリマー材料である非金属材料で形成され、または、セラミックで形成される。

優先的に機械加工範囲５が冷却されるが、同時に工具１の全てまたは部分を液体窒素／固体CO2混合部によって同時に冷却することが可能である。

Claims

部分（２）または機械加工工具（１）との機械加工の間に過熱される機械加工範囲（５）の少なくとも一部が、前記機械加工範囲（５）に液体窒素が分配されることによって冷却される、前記機械加工工具（１）によって機械加工されるべき前記部分（２）の機械加工のための方法であって、加えて、少なくとも前記機械加工範囲（５）に固体形状のCO₂微粒子が分配されることを特徴とする方法。
前記固体形状のCO₂微粒子は、前記液体窒素に混合されることを特徴とする先行する請求項に記載の方法。
前記固体形状のCO₂微粒子が分配されることを特徴とする先行する請求項のいずれか一方に記載の方法。
液体窒素と１０〜７０重量パーセントの固体形状のCO₂微粒子で形成される冷却噴射が分配されることを特徴とする先行する請求項の一つに記載の方法。
液体窒素と固体微粒子で形成される前記冷却噴射は、１と４００バールとの間の圧力であることを特徴とする先行する請求項の一つに記載の方法。
液体窒素と固体微粒子との前記混合は、そのままの状態で、それらの前記分配と同時にまたはそれらの前記分配の直前に実行されることを特徴とする先行する請求項の一つに記載の方法。
前記液体窒素と前記固体微粒子とは、一つ以上の分配ノズル（３，４）を経由して分配されることを特徴とする先行する請求項の一つに記載の方法。
前記機械加工は、穴あけ、切削、平削り、または、丸削りであることを特徴とする先行する請求項の一つに記載の方法。
前記機械加工されるべき部分（２）は、金属、プラスチック、合成物、または、セラミック材料で形成されることを特徴とする先行する請求項の一つに記載の方法。
前記機械工されるべき部分（２）は、炭素鋼と、アルミニウムまたはその合金と、ステンレス鋼と、ニッケル及び／またはクロミウムの合金と、チタンとその合金とから選択される金属材料で形成されることを特徴とする先行する請求項の一つに記載の方法。
機械加工工具（１）と流体期間において冷却流体源に接触する少なくとも１つの分配ノズル（３，４）を備える機械加工装置（１）であって、前記冷却流体源は、前記ノズル（３，４）に液体窒素と固体CO₂微粒子で形成される混合物を供給するように設計されて供給可能であることを特徴とする機械加工装置（１）。