JP2020146786A

JP2020146786A - 加工用クーラント供給機構、および、加工用クーラントの供給方法

Info

Publication number: JP2020146786A
Application number: JP2019044890A
Authority: JP
Inventors: 茂樹毛利; Shigeki Mori; 剛渡辺; Takeshi Watanabe; 亮高田; Akira Takada
Original assignee: Nippon Tungsten Co Ltd
Current assignee: Nippon Tungsten Co Ltd
Priority date: 2019-03-12
Filing date: 2019-03-12
Publication date: 2020-09-17
Anticipated expiration: 2039-03-12
Also published as: JP7165079B2

Abstract

【課題】切削や研削加工時に供給すると、加工能率が上がる十分な量のウルトラファインバブル、マイクロバブルの両方を加工用クーラントに含有させ、それを工具と被加工材間に供給する機構を提案する。【解決手段】ウルトラファインバブルの寿命は数日以上と非常に長いのに対して、マイクロバブルの寿命は、数分程度と非常に短いことを見出し、十分にウルトラファインバブルを含有させた加工用クーラントに、加工の直前にマイクロバブルを追加する方式の加工用クーラント供給機構とした。【選択図】図１

Description

本発明は、切削加工機、研削加工機等に使用する加工用クーラント供給機構に関する。また、加工用クーラントの供給方法に関する。

直径が１００μｍ以下の気泡を工作機械用の切削油剤に含有させることにより、加工能率を上げる方法は、現在までに複数提案されている。

例えば、特許文献１には研削加工に用いるクーラントにウルトラファインバブルおよびマイクロバブルを含有した研削液を工作物と研磨パッドとの間に供給することにより、半導体ウエハ等の固体基板の研磨の高能率化と研磨パッドなどの部材の寿命向上が実現できることが開示されている。

また、特許文献２には無数の微小な渦を含む切削液を、工作物と砥石などに供給して加工することにより、砥石などの冷却効果を高め、工作物の歪みを防止したり、切りくずの排出を容易にしたりできると開示されている。

特開２０１６−２２１６４０号公報特開２００７−３３１０８８号公報

マイクロバブルやファインバブル等については、その大きさごとに確立された呼び方は無く、様々な呼称が存在している。本明細書内では、直径が１００μｍ以下のバブルを全て包含して「ファインバブル」、「ファインバブル」のうち、直径が１μｍ以上のものを「マイクロバブル（１〜１００μｍ）」、観察できる下限値から１μｍ未満のものを「ウルトラファインバブル」と呼称して説明する。

ファインバブルが研削加工や切削加工に効果があることは複数の報告から判明しているが、いずれの大きさのバブルが、どのような加工に効果があるか、またどの程度の気泡とそれによる効果が持続するかは明らかにされていない。

本発明者らは、その点について研究を行った結果、以下の知見を得た。

研削加工に効果・・・ウルトラファインバブル、マイクロバブルの双方とも大きく寄与する
切削加工に効果・・・ウルトラファインバブルの効果が相対的に大きく、マイクロバブルは補助的に寄与する

工具と工作物の間には、いずれの加工方法についても、ウルトラファインバブル、マイクロバブルの両方を含有した加工用クーラントを用いることが好ましい。

ウルトラファインバブルとマイクロバブルは、発生装置の種類によってどちらを主として発生させるかを選択可能である。また、いずれのバブルも発生させる装置も選択可能である。このうち、マイクロバブル発生装置は、その発生機構上、多くの量のウルトラファインバブルを短時間で発生させるのは困難である。他方で、マイクロバブルは短時間で多量に発生させることが容易である。

ところで、発明者らは、ウルトラファインバブルとマイクロバブルには、発生してから消滅するまでの寿命に大きく差があることを見出した。発生させたウルトラファインバブルの数が半減するのは、発生から数時間〜数日程度である。例えば、工場を循環する加工液クーラント循環系の一部で発生させたウルトラファインバブルは、加工機に到達し、加工を済ませるまでの寿命は十分に有している。

一方で、マイクロバブルは発生から１分で半減し、５分程度でそのほとんどが消滅する程度の寿命しか有していない。そのため、前述のような、工場を循環する加工液クーラント循環系の一部で発生させたマイクロバブルを、工作機械に到達させ加工に用いるのは困難と言える。

マイクロバブル発生装置、ウルトラファインバブル発生装置を、共に加工機毎にその近傍に備え付ければ、いずれのバブルも加工に用いることは容易であるが、工作機械毎にその両方を導入することはコスト的な問題が生じる。なお、一般にマイクロバブル発生装置と比較して、ウルトラファインバブル発生装置やファインバブル発生装置の方が高価である。

本願は、切削加工や研削加工に用いる加工用クーラント供給機構について、その導入コストを押さえながら、十分な量のウルトラファインバブルとマイクロバブルの両方を含有した状態で加工箇所に供給できる加工用クーラント供給機構を提案する。

本発明の加工用クーラント供給機構は下記である。

加工用クーラントの供給経路に、
直径が検出限界より大、かつ、１μｍより小さいウルトラファインバブルを発生させる第１のバブル発生装置と、
加工用クーラントに直径１μｍ以上１００μｍ以下であるマイクロバブルを発生させる第２のバブル発生装置とを有し、それらが配管にて接続されており、
前記加工用クーラントに、
少なくとも前記第１のバブル発生装置で発生させたウルトラファインバブルと、その後に供給される少なくとも前記第２のバブル発生装置で発生させたマイクロバブルとを含有させた状態で、
被加工材を載置した工作機械の工具および被加工材の周囲に供給する
加工用クーラント供給機構。

前記工作機械は切削工作機械であってよく、研削工作機械であってもよい。

前記第１のバブル発生装置は、複数の第２のバブル発生装置に加工用クーラントを供給していてもよい。より少数の第１のバブル発生装置が、より多数の第２のバブル発生装置に加工用クーラントを供給していてもよい。

前記第１のバブル発生装置は、ウルトラファインバブルを中心に発生させるウルトラファインバブル発生装置であってよく、ウルトラファインバブルとマイクロバブル両方を発生させるファインバブル発生装置であってよい。ただし、ファインバブル発生装置を用いても、ウルトラファインバブルを短時間で十分量生成するのは困難である。

前記第２のバブル発生装置は、工作機械に付属していてもよい。

前記工作機械で加工時に使用した加工用クーラントは、循環、還流させ、前記第１のバブル発生装置に再供給してよいし、前記第２のバブル発生装置に再供給してもよい。

前記第２のバブル発生装置は、小型のものも提案されている。第２のバブル発生装置は、例えば加工用クーラントを被加工材と工具間に供給する直前の箇所に設置してもよい。たとえば、図４のＢに示すように、工作機械に備え付けた形態で、加工箇所に供給する直前の箇所に設置してもよい。前記第２のバブル発生装置は、マイクロバブルを主として発生させるマイクロバブル発生装置であってよく、ウルトラファインバブルとマイクロバブル両方を発生させるファインバブル発生装置であってもよいが、繰り返しとなるが、ウルトラファインバブルは十分な量をその場で供給することは困難である。そこで、槽や循環クーラントに対して、加工前にウルトラファインバブル発生装置またはファインバブル発生装置を用いて、１時間〜７日間程度、あらかじめ十分量のウルトラファインバブルを供給し、ウルトラファインバブルを飽和させた状態で第２のバブル発生装置に供給してもよい。

加工の種類としては切削加工、研削加工が主として挙げられるが、その他のバブルを含有したクーラントが加工に良い効果を与える加工であれば、その種類は問わない。

前記工作機械で加工時に使用した後の加工用クーラントは、ウルトラファインバブルはそのほとんどが残留しているが、マイクロバブルについてはその多くが消滅している。使用後の加工用クーラントには、効率よい加工に必要なマイクロバブルが不足している状態である。そのために、これを循環、還流させ、前記第１のバブル発生装置に再供給してよいし（図３（ａ））、前記第２の発生装置に再供給してもよい（図３（ｂ））。いずれの場合も、加工用クーラントは配管を通じて供給される。

前述のように、マイクロバブルはウルトラファインバブルと比較してその寿命が短い。第２のバブル発生装置で発生させたマイクロバブルは、時間経過に伴い急激に減少するために、マイクロバブル発生から加工時（使用時）に時間を置くと、加工時には加工用クーラント中に十分な数のマイクロバブルが残存していないことになる。一方で、この現象は、ウルトラファインバブルでは極めて緩やかに起こるために、ウルトラファインバブルについては考慮の必要がない。

また、前述のように、ウルトラファインバブルは十分量発生させるのに時間を要するため、第１のバブル発生装置は例えばタンクと接続して、ウルトラファインバブルの量が一定以上になるまで予備運転した後に加工に用いるような工夫が必要になる。

本発明では、あらかじめ少なくともウルトラファインバブルを含有する加工用クーラントに対し、加工の直前で少なくともマイクロバブルを追加して加工を行う機構を提案する。この構成とすることで、ウルトラファインバブルとマイクロバブルの両方を十分な量含有する加工用クーラントを、工作機械上の工具と被加工材の周囲に供給することができる。

ウルトラファインバブルは、バブル発生後消滅するまでの時間が長いために、１台の第１のバブル発生装置から複数台の第２の発生装置および工作機械に加工用クーラントを供給してもよい。より少数の第１のバブル発生装置が、より多数の複数の第２のバブル発生装置に供給してもよい（図２）。この構成により、必要となる第１のバブル発生装置の装置数を押さえられ、設備導入費用が抑えられる。

本発明の加工用クーラント供給機構のフロー図。第１のバブル発生装置に、複数の第２のバブル発生装置を接続した加工用クーラント供給機構のフロー図。本発明の循環式加工用クーラント供給機構のフロー図。第１のバブル発生装置への還流。本発明の循環式加工用クーラント供給機構のフロー図。第２のバブル発生装置への還流。本発明の循環式加工用クーラント供給機構のフロー図。複数の工作機械からの、第１のバブル発生装置への還流。第２のバブル発生装置を、工作機械に付属させた形態の模式図。ウルトラファインバブルとマイクロバブルの両方を含有する削油剤に含むバブルの直径とバブル数分布を示すグラフ図５の状態から５分経過した後の削油剤に含むバブルの直径とバブル数分布を示すグラフ図６の状態に、マイクロバブルを追加した削油剤に含むバブルの直径とバブル数分布を示すグラフバブルの有無と研削抵抗の関係を示すグラフ

本発明の加工用クーラント供給機構は、以下の構成とすることで実現できる。

第１のバブル発生装置Ａは、少なくともウルトラファインバブル（直径が計測下限から１μｍ未満）を主として発生させる装置、または、ウルトラファインバブルとマイクロバブル両方を発生させるファインバブル発生装置を選定する。発生バブル数のうち、ウルトラファインバブルを半数以上発生させる装置であればさらによい。また、加工用クーラントの使用前に時間をかけて、十分な量のウルトラファインバブルを含有させる手法を用いることが望ましい。

第２のバブル発生装置Ｂは、マイクロバブル（直径が１μｍ以上１００μｍ以下）を主として発生させるファインバブル発生装置、または、ウルトラファインバブルとマイクロバブル両方を発生させるファインバブル発生装置を選定できるが、後者ではウルトラファインバブルを供給できる量は単位時間当たりわずかであるために、もっぱらマイクロバブルを供給することになる。

いずれの発生装置についても、バブルを構成するガスについては窒素、酸素やアルゴンガスなど、空気以外のガスであってよい。

加工用クーラントを各装置に供給するのは、渦巻きポンプ、カスケードポンプなどを用いればよい。

第１のバブル発生装置Ａに供給された加工用クーラントは、発生装置により少なくともウルトラファインバブルを含有した状態となる。どの程度の濃度のウルトラファインバブルを含めばよいかは、加工方法等により異なるが、１×１０^６〜１×１０^１０個／ｃｍ^３程度の濃度が好ましい。

少なくともウルトラファインバブルを含有する加工用クーラントは、配管を通じ、続いて、第２のバブル発生装置Ｂに供給される。

第２のバブル発生装置Ｂにて、既にウルトラファインバブルを含有する加工用クーラントに、更にマイクロバブルが供給され、ウルトラファインバブルとマイクロバブルの両方を十分量含有する加工用クーラントが得られる。この際、ウルトラファインバブルについてはバブル数の減少はわずかなものであり、無視してよい。マイクロバブルについては、切削および研削加工用クーラントに用いる場合は１０^２〜１０^５個／ｃｍ^３程度の濃度が好ましい。

マイクロバブルは前述のように、供給後数分で急激に減少する。そのために、第２のバブル発生装置と工作機械の配管距離は短く、クーラント流速は速い方が好ましい。第２のバブル発生装置は、工作機械のすぐ近傍に設置するのが好ましい。また、更に時間を置かずに加工箇所に供給できるよう、図４に模式図を示すように、工作機械に装着した状態で設置してもよい。この状態では、第２のバブル発生装置Ｂから噴射された加工用クーラントＦは、間を置かずに工具Ｔと被加工材Ｗとの間に供給される。時間的には、マイクロバブルの発生から遅くとも3分以内、好ましくは１分以内に供給されるのがよい。

図５に開示するのは、ＪＩＳ A３種の水溶性切削油剤にファインバブル発生装置（ウルトラファインバブル、マイクロバブル両方を発生する発生装置）でウルトラファインバブル、マイクロバブル両方を十分量供給した直後のバブルの直径とバブル数分布を示すグラフである。ウルトラファインバブル、マイクロバブルともに一定量の存在が確認できる。なお、ウルトラファインバブルは時間当たり発生できる量が少ないために、測定の事前に１日程度かけて運転し、槽内にウルトラファインバブルが飽和した状態として上での測定である。

一方で、図６に開示するのは、図５の状態から５分を経過した後に同様の測定を行った際のバブルの直径とバブル数分布を示すグラフである。図５と図６の比較により、マイクロバブルの寿命はウルトラファインバブルと比較して著しく短いことがわかる。

図７に開示するのは、この図６の状態後に、前記削油剤に、更にマイクロバブル発生装置にて、少なくともマイクロバブルを供給した後のバブルの直径とバブル数分布を示すグラフである。一度消滅したマイクロバブルを、加工直前の段階で追加することにより、加工用クーラント中にウルトラファインバブル、マイクロバブルの両方を十分量含む状態とすることで、加工効率が極めて高い切削加工や研削加工を行うことが可能となる。

ウルトラファインバブル発生装置や、ファインバブル発生装置は費用が高額になる場合が多いが、以上から知見を得られた内容を応用し、１台のウルトラファインバブル発生装置で複数台の第２のバブル発生装置および工作機械にウルトラファインバブルを含有する加工用クーラントを供給することも可能である。

図６に示したマイクロバブルがほぼ消滅した状態の加工用クーラント、図７に示したウルトラファインバブルとマイクロバブルとを十分量含有した加工用クーラント、および、ウルトラファインバブルもマイクロバブルも供給していない加工用クーラントのそれぞれを加工用クーラントとして用い、その他を同じ条件として超硬合金の研削加工をレジンボンドダイヤモンド砥石にて研削加工した。その際の方線方向の研削抵抗値（Ｎ）をＪＩＳＢ６２０１（１９９３）に記載の要領にて切削動力計を用いて試験を行った。それぞれの研削抵抗を比較した結果を図８に示す。図８より、ウルトラファインバブルとマイクロバブルとを十分量含有した加工用クーラント、マイクロバブルがほぼ消滅した状態の加工用クーラント、ウルトラファインバブルもマイクロバブルも供給していない加工用クーラントの順で、研削抵抗が低減しており、加工熱の除去や、砥石の目づまりの防止など、砥石の状態を良好に保っていることが確認できた。

Ａ第１のバブル発生装置
Ｂ第２のバブル発生装置
Ｗ被加工材
Ｔ工作機械で使用される工具
Ｆ加工時に吹き付けられる加工用クーラント

Claims

加工用クーラントの供給経路に、
直径が検出限界より大、かつ、１μｍより小さいウルトラファインバブルを発生させる第１のバブル発生装置と、
加工用クーラントに直径１μｍ以上１００μｍ以下であるマイクロバブルを発生させる第２のバブル発生装置とを有し、それらが配管にて接続されており、
前記加工用クーラントに、
少なくとも前記第１のバブル発生装置で発生させたウルトラファインバブルと、その後に供給される少なくとも前記第２のバブル発生装置で発生させたマイクロバブルとを含有させた状態で、
被加工材を載置した工作機械の工具および被加工材の周囲に供給する
加工用クーラント供給機構。
前記第１のバブル発生装置が、
発生するバブルの平均直径が検出限界より大、かつ、１μｍより小さいウルトラファインバブルを発生させるウルトラファインバブル発生装置である請求項１に記載の加工用クーラント供給機構。
前記第２のバブル発生装置が、
発生するバブルの平均直径が１μｍ以上１００μｍ以下であるマイクロバブル発生装置である請求項１に記載の加工用クーラント供給機構。
より少数の第１のバブル発生装置と、より多数の複数の第２のバブル発生装置および工作機械が配管にて接続された、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の加工用クーラント供給機構。
前記第２のバブル発生装置が、前記工作機械に装着された、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の加工用クーラント供給機構。
前記工作機械で使用された加工用クーラントが、循環、還流され、前記第１のバブル発生装置、または、前記第２のバブル発生装置に再供給される、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の加工用クーラント供給機構。
前記工作機械が、切削工作機械または研削工作機械のいずれかである、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の加工用クーラント供給機構。
加工用クーラント中に１時間〜７日間ウルトラファインバブルを供給する第１ステップ、
第１ステップで得られるウルトラファインバブルを含有した加工用クーラントに、マイクロバブルを追加供給する第２ステップ、
第２ステップ後１分以内に加工用クーラントが加工に供される第３ステップ
を、この順に含む加工用クーラントの供給方法。