JP2020006479A

JP2020006479A - 金属材の切削加工方法、並びに、ミスト加工用ミストオイル噴霧装置

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Publication number: JP2020006479A
Application number: JP2018129674A
Authority: JP
Inventors: 雄一御子柴; Yuichi Mikoshiba; 幸雄古賀; Yukio Koga; 祐介富田; Yusuke Tomita; 伊藤　学; Manabu Ito; 学伊藤; 井上　勤; Tsutomu Inoue; 勤井上
Original assignee: Fuji Bc Eng Co Ltd; Fuji BC Engineering Co Ltd
Current assignee: Fuji Bc Eng Co Ltd; Fuji BC Engineering Co Ltd
Priority date: 2018-07-09
Filing date: 2018-07-09
Publication date: 2020-01-16

Abstract

【課題】ミスト加工時の切削抵抗の一層の低減を図る。【解決手段】切削油タンク２内で切削油内に多数の微細気泡Ｂを生成し、切削油タンク２内から微細気泡Ｂを含む切削油を噴霧ノズル４に供給するとともに、切削油とは別に加圧されたミスト搬送ガスを噴霧ノズル４に供給し、噴霧ノズル４内におけるミスト搬送ガスのガス流に微細気泡Ｂを含有する切削油を吐出することにより噴霧ノズル４内で切削油を微粒化して微細気泡Ｂを含有する多数のオイル粒子Ａを生成し、該多数のオイル粒子を前記ミスト搬送ガスを用いて前記切削加工部位に供給する。【選択図】図１

Description

本発明は、ミスト加工、特にＭＱＬ（最少量潤滑）加工、において好適に用いることのできる金属材の切削加工方法、並びに、ミスト加工用ミストオイル噴霧装置に関する。

従来より、極微量のミスト状の切削油を圧縮エアとともに加工点に吹き付けて金属加工を行うＭＱＬ加工（セミドライ加工ともいう。）が知られている。

ＭＱＬ加工におけるミスト状の切削油（以下、「ミストオイル」という。）を生成する方法としては、ミスト発生装置内で直径約４μｍ以下程度の多数の微細オイル粒を生成し、この微細オイル粒からなるオイルミストを搬送ホースを介してノズルまで搬送し、ノズル内でオイル粒の粒径を１０〜１５μｍ程度まで大径化して、大径化された多数のオイル粒子からなるミストオイルをノズルから加工点に向けて噴霧する方法がある（例えば特許文献１，２又は３参照）。

なお、本明細書において、「オイルミスト」というときは、搬送ホース内面にも付着し難い程度に極微細な粒径（例えば４μｍ以下程度）の微細オイル粒により主構成されたものをいうものとし、一方、「ミストオイル」というときは、切削加工点への付着性を有する程度に上記オイルミストを大径化した直径１０μｍ〜１５μｍ程度の粒径のオイル粒子により主構成されたものをいうものとする。但し、オイルミスト内に１０μｍ以上の大きな粒径のものが若干量含まれていてよく、また、ミストオイル内に４μｍ以下の極微細オイル粒が含まれていてもよい。

別のミストオイル生成方法として、液状の切削油とエアとを別経路でノズルまで搬送し、加工点に噴射する直前で混合霧化する方法が知られている（例えば特許文献４参照）。

これらいずれのミストオイル生成方法でも、粒径１０μｍ程度の多数のオイル粒子からなるミストオイルを加工点に噴霧することで、ＭＱＬ加工を行うことができる。

再表９９／０６１１６３号公報特開２００２−１２６９７４号公報特開２００６−３４１３５３号公報特開２００６−２８９２７４号公報

公益社団法人精密工学会発行「精密工学会誌Ｖｏｌ．７６Ｎｏ．５２０１０」５１８〜５２１頁

ところで、ＭＱＬ加工の原理は近年解明されており、例えば非特許文献１に開示されている。同文献に開示されているように、ポリオールエステルなどのエステル系油剤を用いてＭＱＬ加工を行った場合、エステルは金属表面に吸着膜を形成し、潤滑効果を発揮することが知られている。特に、鋼の切削において、酸素が共存する場合、エステルと酸素との互いの影響による吸着挙動が観察されており、より強固な吸着による良好な潤滑膜が形成され、一層の潤滑効果が発揮されている。

しかし、本願出願人は、深掘り加工時などに切削抵抗が増大していくことを経験上知見している。その理由は、被切削材が鋼の場合、被切削材に噴霧された切削油は切削穴の奥部まで流れ込むことが可能であるが、キャリアガス中の酸素が十分に切削穴の奥部まで供給されず、上記潤滑膜を十分に形成できないことに起因するものと考えられる。

一方、被切削材がアルミニウム合金の場合には、供給する気体中の酸素が少ないほど切削抵抗が低下し、仕上げ面の観察結果においても酸素濃度が低いほど良好であったことが報告されている。その理由は、キャリアガス中の酸素とアルミニウムが結合して、高硬度材として知られている酸化アルミニウム膜が生成されてしまうことに起因すると考えられる。

本発明は、ミスト加工において、一層の切削抵抗の低減を図ることを目的とする。

本発明の金属材の切削加工方法は、微細な気泡を含有する多数のオイル粒子からなるミストオイルを切削加工部位に向けて噴霧しつつ金属材の切削加工を行うことを特徴とする。金属材は鋼であってもよく、アルミニウム合金であってもよい。オイル粒子は、エステル系油剤や、エステルなどの化学合成油からなるものであってよい。

上記本発明において、金属材が例えば鋼の場合には、酸素などの活性ガスを２０体積％以上、より好ましくは２５体積％以上、さらに好ましくは５０体積％以上含んでいる微細気泡をオイル粒子に含有させることができる。これにより、ミストオイルを金属材表面に付着させると、多数の微細気泡を含有する油膜が形成され、金属材表面の上記潤滑膜形成を一層促進できる。さらに、深掘り加工時においても、油膜が切削穴の奥部まで流れ込む際に、多数の微細気泡をも切削穴の奥部まで流入し、これにより切削穴の奥部においても鋼と酸素との強固な吸着による潤滑膜が円滑に形成され、切削抵抗を低減できる。なお、活性ガスが２０体積％未満である場合、ミスト搬送ガス（キャリアガス）として空気を用いた場合に空気中に含まれる酸素濃度が約２１％であるため、金属材の表面切削時の酸素濃度を大きく低減させてしまうこととなるため好ましくない。なお、本発明は、切削穴の加工時のみならず、小さなポケット加工等の適宜の深さ方向の加工時に好適に利用できる。

一方、金属材が例えばアルミニウム合金である場合には、微細気泡を、窒素などの不活性ガスからなるものとすることができる。これにより、ミスト搬送ガスとして空気を用いた場合でも、金属材表層部の酸素濃度を低減でき、酸化アルミニウム膜が金属材表面に形成されてしまうことを抑制できる。なお、ミスト搬送ガスとして微細気泡を構成するガスと同じものを用いることがより好ましい。

好ましくは、切削油タンク内で切削油内に多数の前記気泡を生成し、切削油タンク内から前記気泡を含む切削油を噴霧ノズルに供給するとともに、前記切削油とは別に加圧されたミスト搬送ガスを前記噴霧ノズルに供給し、前記噴霧ノズル内における前記ミスト搬送ガスのガス流に前記気泡を含有する前記切削油を吐出することにより前記噴霧ノズル内で前記切削油を微粒化して前記多数のオイル粒子を生成し、該多数のオイル粒子を前記ミスト搬送ガスを用いて前記切削加工部位に供給することができる。これによれば、微細気泡を搬送途中で消滅することを防止しつつ、微細気泡を含有する多数のオイル粒子を効率よく生成できる。すなわち、上記特許文献１〜３記載のミストオイル生成方法の場合、ミスト生成装置内で４μｍ以下程度の極微細オイル粒を生成して搬送ホースを介してノズルまで搬送するが、その際に極微細オイル粒に気泡を含有させることが困難であるとともに、たとえ含有させることができたとしてもノズルへ搬送する過程で気泡が破裂して消滅し易いという問題がある。一方、本発明のように、微細気泡を含有させた切削油を液状のままノズルまで供給するとともに、切削油とは別経路でミスト搬送ガスをノズルに供給して、ノズル内でのミスト搬送ガスのガス流を用いて切削油を微粒化することで、オイル粒子により確実に上記気泡を含有させることができる。

また、本発明のミスト加工用ミストオイル噴霧装置は、切削油タンクと、該切削油タンク内の切削油内に多数の微細気泡を生成する微細気泡生成装置と、噴霧ノズルと、前記切削油タンクから前記噴霧ノズルに前記微細気泡を含む切削油を供給する切削油供給管と、前記噴霧ノズルに加圧されたミスト搬送ガスを供給する搬送ガス供給管とを備えることができる。前記噴霧ノズルは、前記噴霧ノズル内における前記ミスト搬送ガスのガス流に前記気泡を含有する前記切削油を吐出することにより前記噴霧ノズル内で前記切削油を微粒化して前記微細気泡を含有する多数のオイル粒子が生成され、該多数のオイル粒子が前記ミスト搬送ガスとともに噴射されるよう構成できる。

上記本発明のミスト加工用ミストオイル噴霧装置において、前記微細気泡生成装置は、活性ガスを１０体積％以上含む前記微細気泡を生成するよう構成されていてもよいし、また、不活性ガスからなる前記微細気泡を生成するよう構成されていてもよい。

本発明によれば、ミスト加工時の切削抵抗の一層の低減を図ることができる。

本発明の一実施形態に係るミスト加工用ミストオイル噴霧装置の概略図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の一実施形態に係るミスト加工用ミストオイル噴霧装置１を示している。該装置１は、切削油タンク２と、タンク２内の切削油内に多数の微細気泡Ｂを生成する微細気泡生成装置３と、噴霧ノズル４と、タンク２からノズル４に微細気泡Ｂを含む切削油を液状のまま供給する切削油供給管５と、加圧されたミスト搬送ガスをノズル４に供給する搬送ガス供給管６とを備えている。なお、切削油としては、エステルなどの化学合成油や、エステルが配合されたエステル系油剤や、その他目的や用途に応じて適宜の油剤を用いることができる。

微細気泡生成装置３は、従来公知の、又は、将来開発される適宜の構成のものを採用できる。図示例では、微細気泡生成装置３がタンク２内に設置される例を示したが、タンク２の外に設置され、タンク２と循環配管で接続された微細気泡生成装置３であってもよい。微細気泡生成装置３は、例えば外気をフィルターを介して取り込んで、空気からなる微細気泡を切削油内に生成するものであってよい。切削すべき金属材が鋼の場合には、別途容易した酸素タンクから酸素の供給を受けて、酸素からなる微細気泡を切削油内に生成するものであってもよい。また、切削すべき金属材がアルミニウム合金の場合には、別途容易した窒素タンクから窒素の供給を受けて、窒素からなる微細気泡を切削油内に生成するものであってもよい。

ノズル４は、図示例では２本設けられており、各ノズル４毎に切削油供給管５及び搬送ガス供給管６が設けられている。これら供給管５，６としては可撓性ホースを用いてもよいし、固定された金属管により構成されていてもよい。

各切削油供給管５にはポンプＰが設けられており、多量の微細気泡Ｂを含有するタンク２内の切削油を微量ずつノズル４へ向けて定量吐出するようになっている。

各搬送ガス供給管６は、閉止バルブ１０、エアフィルタ１１及び電磁切換弁１２を介してエア源に接続されている。閉止バルブ１０とエアフィルタ１１との間には圧力計１３が設けられている。

エア源としては、外気を取り込んで所定圧力まで加圧するコンプレッサを用いることもできるし、加圧ガスを封入したガスタンクを用いることもできる。エア源の供給ガス圧は、大気圧の数倍程度、例えば０．４ＭＰａ〜０．８ＭＰａであってよい。金属材Ｓが鋼の場合、酸素タンクをエア源として用いることもできる。また、金属材Ｓがアルミニウム合金の場合には、窒素タンクをエア源として用いることもできる。

図示例では、ポンプＰとして空気圧ポンプを用い、ポンプＰの駆動動力としてもエア源からの供給ガス圧を利用している。具体的には、各ポンプＰがパルスジェネレータ８を介してエア源に接続されており、パルスジェネレータ８が出力する空気圧パルスによって各ポンプＰが駆動されるようになっている。

ノズル４は、ノズル４内におけるミスト搬送ガスのガス流に微細気泡Ｂを含有する切削油を吐出することによりノズル４内で切削油を微粒化して微細気泡を含有する多数のオイル粒子Ａを生成して、多数のオイル粒子Ａがミスト搬送ガスとともに噴射されるよう構成されているものであればよく、特定の構造のものに限定されない。

次に、上記ミストオイル噴霧装置１を用いてＭＱＬ加工を行う金属材の切削加工方法について説明する。

金属材Ｓを切削工具Ｄで切削加工する際に、切削加工点に向けてミストオイルを噴霧するように各ノズル４を設置する。好ましくは加工点の周囲に複数のノズル４を周方向に均等に配置することが好ましい。

次に、予め微細気泡発生装置３を作動させることにより、タンク２内の切削油内に十分な量の微細気泡を発生させておく。

閉止バルブ１０及び切換弁１２を開位置に切り換えると、ミスト搬送ガスがノズル４に供給されるとともに、多量の微細気泡を含有する切削油がノズル４に供給され、ノズル４から切削加工点に向けてミストオイルが噴霧される。このミストオイルは粒径１０〜２０μｍ程度の多数のオイル粒子Ａにより主構成されており、各オイル粒子Ａには、図中拡大図で示すように微細気泡Ｂが含有されることとなる。

なお、すべてのオイル粒子Ａに微細気泡Ｂが含有される保証はなく、切削抵抗削減効果が得られる程度に含有されていればよい。一実施例において、ミストオイルに含まれる粒径（直径）１０μｍ以上のオイル粒子の過半数に少なくとも１つの微細気泡Ｂが含有されていてよい。一実施例において、ミストオイルに含まれる粒径（直径）１０μｍ〜２０μｍのオイル粒子の過半数に少なくとも１つの微細気泡Ｂが含有されていてよい。一実施例において、ミストオイルに含まれる粒径１０μｍ〜１５μｍのオイル粒子の過半数に少なくとも１つの微細気泡Ｂが含有されていてよい。上記各実施例において、上記粒径のオイル粒子の過半数に、平均２以上の微細気泡Ｂが含有されていてもよい。

本発明は、ＭＱＬ加工に好適に利用することができるが、金属材表面が明確に濡れる程度にミストオイルを噴霧しつつ切削加工を行うミスト加工方法としても実施できる。また、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、適宜設計変更できる。たとえば、ミストオイルを構成する各オイル粒子の粒径は１５μｍ以上の大きさであってもよい。

Ａオイル粒子
Ｂ微細気泡
１ミストオイル噴霧装置
２切削油タンク
３微細気泡発生装置
４噴霧ノズル
５切削油供給管
６搬送ガス供給管

Claims

微細な気泡を含有する多数のオイル粒子からなるミストオイルを切削加工部位に向けて噴霧しつつ金属材の切削加工を行う、金属材の切削加工方法。
前記気泡は活性ガスを２０体積％以上含んでいる、請求項１に記載の金属材の切削加工方法。
前記気泡は不活性ガスからなる、請求項１に記載の金属材の切削加工方法。
切削油タンク内で切削油内に多数の前記気泡を生成し、切削油タンク内から前記気泡を含む切削油を噴霧ノズルに供給するとともに、前記切削油とは別に加圧されたミスト搬送ガスを前記噴霧ノズルに供給し、前記噴霧ノズル内における前記ミスト搬送ガスのガス流に前記気泡を含有する前記切削油を吐出することにより前記噴霧ノズル内で前記切削油を微粒化して前記多数のオイル粒子を生成し、該多数のオイル粒子を前記ミスト搬送ガスを用いて前記切削加工部位に供給する、請求項１，２又は３に記載の金属材の切削加工方法。
切削油タンクと、該切削油タンク内の切削油内に多数の微細気泡を生成する微細気泡生成装置と、噴霧ノズルと、前記切削油タンクから前記噴霧ノズルに前記微細気泡を含む切削油を供給する切削油供給管と、前記噴霧ノズルに加圧されたミスト搬送ガスを供給する搬送ガス供給管とを備え、
前記噴霧ノズルは、前記噴霧ノズル内における前記ミスト搬送ガスのガス流に前記気泡を含有する前記切削油を吐出することにより前記噴霧ノズル内で前記切削油を微粒化して前記微細気泡を含有する多数のオイル粒子が生成され、該多数のオイル粒子が前記ミスト搬送ガスとともに噴射されるよう構成されている、ミスト加工用ミストオイル噴霧装置。
請求項５に記載のミスト加工用ミストオイル噴霧装置において、前記微細気泡生成装置は、活性ガスを１０体積％以上含む前記微細気泡を生成するよう構成されている、ミスト加工用ミストオイル噴霧装置。
請求項５に記載のミスト加工用ミストオイル噴霧装置において、前記微細気泡生成装置は、不活性ガスからなる前記微細気泡を生成するよう構成されている、ミスト加工用ミストオイル噴霧装置。