JP3574023B2 - 油膜付水滴生成混合器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作物の加工時に使用される加工液であって水滴の表面に油膜が形成された油膜付水滴を供給する油膜付水滴生成混合器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、工作物に切削加工や研削加工等の機械加工を行なう場合、加工精度の向上と加工工具の寿命増大を図るため、加工点近傍に向かって設けられたノズルから油やエマルジョン等の加工液を工作物の被加工面に液状のままかけたり、または霧状化して噴霧することにより、工作物と加工工具の潤滑及び加工により発生する熱の冷却を行なっている。また、霧状化して加工液を噴霧する場合、特開平６−３２０３８４号に開示されるように、油と水等の種類の異なる加工液を混合した後工作物の被加工面に噴霧したり、あるいは、複数のノズルを設けて種類の異なる加工液をそれぞれのノズルから工作物の被加工面に噴霧する方法が考案されている。
【０００３】
しかしながら、加工中の十分な潤滑及び冷却効果を得るために、工作物を加工する間に亘って加工液を供給し続けるため、加工液を液状のままかける場合には多量の加工液が必要となるという問題があった。とくに、不燃性エマルジョンは劣化すると産業廃棄物として処理することが困難であるため、使用後のあるいは古くなった多量のエマルジョンの処理にコストがかかるという問題があった。一方、加工液の使用量を削減するために加工液を霧状にして噴霧する場合には、油は質量が小さいため霧状にして噴霧すると空気中に飛散し過ぎてしまい、十分な量の油が工作物の被工作面に付着せず、工作物と加工工具の潤滑や熱の冷却が十分に行われないという問題があるばかりでなく、霧状の油が飛散すると火災発生の危険性や人体への影響等が考えられ、工場環境の点でも問題があった。また、上記のように、水と油の混合液を噴霧したり、あるいは別のノズルから被加工面に噴霧する方法においても、油分はやはり空気中に飛散し過ぎるため同様の問題があった。
【０００４】
上記した問題を解決するために、近年、外部から供給される水を水滴化して水滴の表面に油膜を形成した油膜付水滴を加工液として使用する加工方法が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、油膜付水滴を効率よく生成する装置は、未だ提案されていない。本発明は、上記した事情に鑑みなされたもので、その目的とするところは、油膜付水滴を効率よく生成することが可能な油膜付水滴生成混合器を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、請求項１に係る発明においては、工作物の加工時に使用される加工液であって水滴の表面に油膜が形成された油膜付水滴を供給する油膜付水滴生成混合器において、該油膜付水滴生成混合器は、圧縮空気の吸入口に設けられるスプレイノズルに臨む油吸入口から供給される油を空気流の圧力によって霧状化する油霧化室と、該油霧化室の下流側に連結され且つ前記油霧化室で霧状化した油を含有する圧縮空気の空気流が送り込まれるスプレイノズルに臨む水供給口から供給される水を空気流の圧力によって水滴化して水滴の表面に油膜が形成された油膜付水滴を生成する水滴化室と、該水滴化室の下流側に連結され且つ前記水滴化室で生成された油膜付水滴を前記工作物に向けて放出するトップノズルと、からなり、前記水滴化室は、空気流に対して上流側の第１水滴化室と下流側の第２水滴化室と、から構成され、前記第２水滴化室には、前記油霧化室と連通するバイパス通路を介して前記油霧化室で霧状化されなかった油を流入させる油流入口を臨ませ、更に前記油流入口は、空気流に対して上流側の上流油流入口と下流側の下流油流入口と、からなり、上流油流入口の方が下流油流入口よりも油流入量が多くなるように形成したことを特徴とする。このように構成することにより、油膜付水滴を効率よく生成することができる。
【０００７】
特に、前記水滴化室は、空気流に対して上流側の第１水滴化室と下流側の第２水滴化室と、から構成され、前記第２水滴化室には、前記油霧化室と連通するバイパス通路を介して前記油霧化室で霧状化されなかった油を流入させる油流入口を臨ませことにより、水滴化室を流れる油膜が未形成の水滴に対して再度油を付着させることができ、油膜付水滴の生成率を向上させることができると共に、油霧化室で霧化されない液状の油を再度油流入口で霧化して使用するので、油膜付水滴を最少量の油量で効率よく生成することができる。
【０００８】
更に、前記油流入口は、空気流に対して上流側の上流油流入口と下流側の下流油流入口と、からなり、上流油流入口の方が下流油流入口よりも油流入量が多くなるように形成したことにより、油膜付水滴の生成率を著しく高めることができる。
【０００９】
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。まず、実施形態に係る油膜付水滴生成混合器１の構成について図１を参照して説明する。図１は、実施形態に係る油膜付水滴生成混合器１の内部を示す断面図である。
【００１１】
図１において、油膜付水滴生成混合器１は、外部から供給される油を空気流によって霧状化する油霧化室８が形成されるフォグ室形成部材２と、該フォグ室形成部材２に連結され且つ前記油霧化室８で霧状化した油を含有する空気流で外部から供給される水を水滴化して油膜付水滴を生成する水滴化室３６，６１が形成されるセカンダリフォグ室形成部材３と、該セカンダリフォグ室形成部材３に連結され且つ生成された油膜付水滴を外部へ放出するトップノズル４と、該トップノズル４を前記セカンダリフォグ室形成部材３に固定するノズルケース５と、から構成されている。
【００１２】
まず、フォグ室形成部材２の構造について図１を参照して説明する。フォグ室形成部材２は、ステンレス鋼又はプラスチックスで形成される角柱又は円中形状のものである。フォグ室形成部材２の後端面（図の右側）中央部には、圧縮空気を供給するための空気ダクト８２（図２参照）が接続される凹状の空気吸入口６が形成されている。一方、フォグ室形成部材２の前端面（図の左側）中央部には、セカンダリフォグ室形成部材３を挿入して取り付けるための取付凹部７が形成されている。空気吸入口６の底面から取付凹部７の底面にかけては、フォグ室形成部材２を貫通するように油霧化室８が貫通されている。なお、空気吸入口６の内周面には、空気ダクト８２をネジ止めするためのネジ溝が切られており、取付凹部７の内周面にも、セカンダリフォグ室形成部材３をネジ止めするためのネジ溝が切られている。
【００１３】
油霧化室８の両端部分には、スプレイノズル９，１２が嵌入固定されている。即ち、空気吸入口６側には、外部から供給された油を霧状化させるためのオイルスプレイノズル９が嵌入されてＣ型止め輪１１で固定されている。取付凹部７側には、外部から供給された水を水滴化するためのウォータスプレイノズル１２が嵌入されてＣ型止め輪１４で固定されている。なお、オイルスプレイノズル９には、油をオイルスプレイノズル９内に流入させるための第１油流入口１０が臨んでいる。また、ウォータスプレイノズル１２には、水をウォータスプレイノズル１２内に流入させるための水流入口１３が臨んでいる。
【００１４】
そして、フォグ室形成部材２の一側面で空気吸入口６寄りには、油を供給するための油供給ダクト８７（図２参照）が接続される油吸入口１６が形成され、この油吸入口１６の底面からは前記第１油流入口１０に向かって油吸入通路１７が形成されている。また、油吸入口１６が設けられる側面と同じ側面で取付凹部７寄りには、水を供給するための水供給ダクト９２（図２参照）が接続される水吸入口１８が形成され、この水吸入口１８の底面からは前記水流入口１３に向かって水吸入通路１９が形成されている。
【００１５】
更に、フォグ室形成部材２の取付凹部７側の端面からは、油霧化室８に貫通するＬ字状の第１バイパス通路２０が対称となる位置に２箇所形成されている。また、第１バイパス通路２０の折曲がり部分からフォグ室形成部材２の側面にかけて閉塞部材２１が挿入されている。これは、フォグ室形成部材２の側面から油霧化室８にかけて貫通する穴の外側の約半分を閉塞しているものであり、第１バイパス通路２０をＬ字状に形成するために必要なのものである。即ち、Ｌ字状に通路を形成することは不可能なため、まずフォグ形成部材室２の端面から通路を形成し、この通路と直交する通路をフォグ室形成部材２の側面から油霧化室８にかけて形成してＴ字状の通路とし、この後、２つの通路の交差部分からフォグ室形成部材２の側面にかけての通路の部分を、前述のように閉塞部材２１で閉塞することによってＬ字状としているものである。
【００１６】
次に、セカンダリフォグ室形成部材３の構造について図１を参照して説明すると、セカンダリフォグ室形成部材３は、ステンレス鋼又はプラスチックスで円筒形状に形成されるものである。そして、セカンダリフォグ室形成部材３の後端面（図示の右側）中央部には、フォグ室形成部材２の取付凹部７に挿入される取付凸部３０が形成されている。また、後端面の外縁部寄りには、Ｏリング３２を嵌入するためのＯリング取付溝３１が円状に周設され、このＯリング取付溝３１と取付凸部３０との間には、前記第１バイパス通路２０と連接するバイパス通路連結溝３８が円状に周設されている。このバイパス通路連結溝３８は、その溝中心の径寸法が前記２つの第1バイパス通路２０の中心間距離寸法とほぼ同
じに設定されており、その溝幅は第1バイパス通路２０の直径とほぼ同じ寸法で形成されている。なお、取付凸部３０の外周には、取付凹部７の内周に切られているネジ溝と噛合するネジが切られている。
【００１７】
一方、セカンダリフォグ室形成部材３の前端面（図示の左側）中央部には、ノズルケース５を取り付けるためその内周にネジ溝が切られているノズルケース挿入凹部３３が形成されている。また、前端面の外縁部寄りには、Ｏリング３５を嵌入するためのＯリング取付溝３４が円状に周設されている。また、前記フォグ室取付凹部７の底面から取付凸部３０の端面に向かって、外部から供給された水を水滴化するための水滴化室６４が貫通形成されている。水滴化室６４は、上流側の第１水滴化室３６と下流側の第２水滴化室６１から構成されているが、下流側の第２水滴化室６１は、前記ノズルケース挿入凹部３３寄りに形成されるセカンダリオイルノズル取付部３７に嵌入されるセカンダリオイルノズル６０によって構成されるものである。
【００１８】
また、前記バイパス通路連結溝３８の底面からは、セカンダリフォグ室形成部材３の先端面に向かって、前記セカンダリオイルノズル取付部３７の位置まで第２バイパス通路３９が形成されている。この第２バイパス通路３９は、互いに１８０度の方向に位置するように２箇所設けられている。また、第２バイパス通路３９の図示左右２ヵ所には、該第２バイパス通路３９とセカンダリオイルノズル取付部３７とが連通するように第１油流入溝４０と第２油流入溝４１とが形成されている。
【００１９】
ところで、セカンダリオイルノズル取付部３７には、前述したように、セカンダリオイルノズル６０が嵌入されるが、このセカンダリオイルノズル６０は、ステンレス鋼又は銅合金により円筒形状に形成されるものであり、その中心には、第２水滴化室６１が前記第１水滴化室３６の径寸法と同じ径寸法で形成されている。また、セカンダリオイルノズル６０の後端面（図の右側）寄りには、上流油流入口としての第２油流入口６２がセカンダリオイルノズル６０の外面から第２水滴化室６１にかけて貫通形成されている。この第２油流入口６２は、等間隔で放射状に複数箇所（４〜１２箇所）形成されているものである。また、セカンダリオイルノズル６０の前端面（図の左側）寄りには、下流油流入口としての第３油流入口６３が第２油流入口６２と同様、セカンダリオイルノズル６０の外面から第２水滴化室６１にかけて貫通形成されている。この第３油流入口６３は、等間隔で放射状に複数箇所（第２油流入口６２の約半数、即ち、２〜６箇所）形成されているものである。なお、本実施形態の場合、第２油流入口６２の径寸法は、第３油流入口６３の径寸法の２倍以上に設定されている。
【００２０】
上記のように構成されるセカンダリオイルノズル６０をセカンダリオイルノズル取付部３７に挿入したときには、第２油流入口６２と第１油流入溝４０とが一致すると共に、第３油流入口６３と第２油流入溝４１とが一致する。
【００２１】
次に、トップノズル４の構造について図１を参照して説明する。トップノズル４は、ステンレス鋼又はプラスチックスにより円筒形状に形成され、その中心には油膜付水滴を放出するための油膜付水滴放出口７０が前記第２水滴化室６１の径寸法とほぼ同じ径寸法で形成されている。また、トップノズル４の後端面（図の右側）には、フランジが形成されており、このフランジの径は、前記セカンダリオイルノズル６０の外径とほぼ同じ寸法に設定されている。
【００２２】
上記したトップノズル４は、ノズルケース５によってセカンダリフォグ室形成部材３に取り付けられるが、このノズルケース５は、ステンレス鋼又は銅合金で円筒状に形成されるものである。また、後端面（図の右側）の中央部には、セカンダリフォグ室形成部材３のノズルケース挿入凹部３３に螺着されるネジ部がその外周に形成される取付凸部５０が形成されている。また、ノズルケース５の中心には、トップノズル４が挿入されるトップノズル挿入穴５１が形成されている。
【００２３】
上記のように複数の部品から構成される油膜付水滴生成混合器１の組み立てについて説明する。まず、セカンダリフォグ室形成部材３の後端面に設けられるＯリング取付溝３１にＯリング３２を装着した後、セカンダリフォグ室形成部材３の取付凸部３０をフォグ室形成部材２の取付凹部７に螺着することにより、セカンダリフォグ室形成部材３をフォグ室形成部材２に固定する。ここで、Ｏリング取付溝３１は、その溝深さ寸法がＯリング３２の直径寸法より小さいため、Ｏリング取付溝３１にＯリング３２を装着した際、Ｏリング３２の上端部分がセカンダリフォグ室形成部材３の後端面から突出している。このため、セカンダリフォグ室形成部材３をフォグ室形成部材２に固定した際、Ｏリング３２がＯリング取付溝３１の底面とフォグ室形成部材２の前端面との間に挟み込まれ、これによりフォグ室形成部材２とセカンダリフォグ室形成部材３との間の気密状態が保たれることとなる。また、Ｃ型止め輪１４と取付凸部３０の端面との間には、Ｏリング１５が介装されるので、油霧化室８と第１水滴化室３６とは、気密が保たれた状態で連通する。
【００２４】
また、セカンダリフォグ室形成部材３の後端面のバイパス通路連結溝３８は、円状に周設されているため、セカンダリフォグ室形成部材３をフォグ室形成部材２に固定した際に、第１バイパス通路２０は必ずバイパス通路連結溝３８と連通することとなる。このため、第１バイパス通路２０は、バイパス通路連結溝３８を介して第２バイパス通路３９と連通することとなる。
【００２５】
次いで、セカンダリフォグ室形成部材３のセカンダリオイルノズル取付部３７にセカンダリオイルノズル６０をノズルケース挿入凹部３３側から挿入する。このとき、セカンダリオイルノズル６０の第３油流入口６３が先に挿入されるように挿入する。そして、セカンダリオイルノズル取付部３７にセカンダリオイルノズル６０を挿入した際には、前述したように、第１油流入溝４０に対応する位置に第２油流入口６２が位置し、第２油流入溝４１に対応する位置に第３油流入口６３が位置することとなる。このため、第２バイパス通路３９は、第１油流入溝４０と第２油流入口６２及び第２油流入溝４１と第３油流入口６３を介して第２水滴化室６１と連通することとなる。
【００２６】
次に、セカンダリフォグ室形成部材３の前端面に設けられるＯリング取付溝３４にＯリング３５を装着した後、トップノズル４をフランジ部側からセカンダリフォグ室形成部材３のノズルケース挿入凹部３３に挿入する。そして、トップノズル４にノズルケース５を挿入し、ノズルケース５の取付凸部５０をセカンダリフォグ室形成部材３のノズルケース挿入凹部３３に螺着することにより、トップノズル４及びノズルケース５がセカンダリフォグ室形成部材３に固定されることとなる。ここで、Ｏリング取付溝３４は、その溝深さがＯリング３５の直径寸法より小さいため、Ｏリング取付溝３４にＯリング３５を装着した際、Ｏリング３５の上端部分がセカンダリフォグ室形成部材３の前端面から突出している。このため、ノズルケース５をセカンダリフォグ室形成部材３に固定した際、Ｏリング３５がＯリング取付溝３４の底面とノズルケース５の後端面との間に挟み込まれ、これによりセカンダリフォグ室形成部材３とノズルケース５との間の気密状態が保たれることとなる。
【００２７】
油膜付水滴生成混合器１は、以上のように組み立てられるが、次に、この油膜付水滴生成混合器１に空気、油及び水を供給する油膜付水滴供給装置９４について図２を参照して説明する。図２は、実施形態に係る油膜付水滴供給装置９４の概略図である。
【００２８】
図２において、油膜付水滴生成混合器１の空気吸入口６には、空気供給ダクト８２を接続するための空気供給用継手８３が螺着されており、空気供給用継手８３に接続された空気供給ダクト８２は、空気の流量を調整する流量調整弁８１に接続されている。流量調整弁８１は、空気供給ダクト８２を介して空気を供給するためのコンプレッサー８０に接続されている。
【００２９】
また、油膜付水滴生成混合器１の油吸入口１６には、油供給ダクト８７を接続するための油供給用継手８８が螺着されており、油供給用継手８８に接続された油供給ダクト８７は、油量を計量する油計量バルブ８６に接続されている。油計量バルブ８６は、油供給ダクト８７を介して油を供給するための油ポンプ８５に接続され、油ポンプ８５からは油の貯留してある油タンク８４に油供給ダクト８７が接続されている。
【００３０】
更に、油膜付水滴生成混合器１の水吸入口１８には、水供給ダクト９２を接続するための水供給用継手９３が螺着されており、水供給用継手９３に接続された水供給ダクト９２は、水量を計量する水計量バルブ９１に接続されている。水計量バルブ９１は、水供給ダクト９２を介して水を供給するための水ポンプ９０に接続され、水ポンプ９０からは水の貯留してある水タンク８９に水供給ダクト９２が接続されている。
【００３１】
次に、油膜付水滴生成混合器１に供給された空気，油及び水により、油膜付水滴生成混合器１内で油膜付水滴１００が生成される過程を図１及び図２を参照して説明する。
【００３２】
まず、コンプレッサー８０から供給される圧縮空気が、空気吸入口６からオイルスプレイノズル９内へ送り込まれる。また、油タンク８４から供給される油が油吸入口１６から油吸入通路１７を通り、第１油流入口１０からオイルスプレイノズル９内へ流入する。このオイルスプレイノズル９内へ流入した油は、前記オイルスプレイノズル９内で圧縮された空気の圧力により霧状化されて油霧化室８内へ噴出され、その後、圧縮空気と共にウォータスプレイノズル１２内へ送り込まれる。このとき、霧状化されなかった油の一部は、油霧化室８の内周面に沿って液状のまま第１バイパス通路２０内へ流入し、その後、バイパス通路連結溝３８及び第２バイパス通路３９を介して第１油流入溝４０及び第２油流入溝４１に流入する。
【００３３】
第１油流入溝４０に流入した油は、セカンダリオイルノズル取付部３７に設けられた第２油流入口６２から第２水滴化室６１内へ噴出される。また、第２油流入溝４１に流入した油は、セカンダリオイルノズル取付部３７に設けられた第３油流入口６３から第２水滴化室６１内へ噴出される。
【００３４】
このとき、第２油流入口６２の直径は第３油流入口６３の直径の２倍である上に、第２油流入口６２が複数箇所（図示の実施形態の場合８箇所）設けられているのに対して、第３油流入口６３はその半数しか設けられていないため、第３油流入口６３には第２油流入口６２にかかる圧力に比べて高い圧力がかかり、第２油流入口６２に比べ第３油流入口６３には油が流入し難い。即ち、第２油流入口６２の方が第３油流入口６３よりも油流入量が多くなるように形成されている。このため、第２バイパス通路３９内の油は、まず第２油流入口６２から第２水滴化室６１内へ噴出され、次いで第３油流入口６３から第２水滴化室６１内ヘ噴出されることとなる。
【００３５】
一方、水タンク８９から供給される水が水吸入口１８から水吸入通路１９を通り、第１水流入口１３からウォータスプレイノズル１２内へ流入する。このウォータスプレイノズル１２内へ流入した水は、油霧化室８からウォータスプレイノズル１２内へ送り込まれた圧縮空気により水滴化されて水滴となると共に、この水滴の表面全体に霧状化された油が油膜として付着し、第１水滴化室３６で油膜付水滴が生成される。このとき、水滴のすべてに油膜が付着するものではなく、油膜が付着していない水滴も存在している。
【００３６】
油膜の付着していない水滴に対しては、第１水滴化室３６から第２水滴化室６１に噴出された際、第２油流入口６２から流入した油が油膜としてその表面全体に付着し、油膜付水滴となる。この時点でほとんどの水滴は油膜が付着して油膜付水滴となるが、この時点で油膜が付着していない水滴が僅かに残っていた場合でも、その水滴に対しては、第３油流入口６３から流入した油が油膜として付着し、油膜付水滴となるため、ウォータスプレイノズル１２で生成された水滴は、１００％油膜付水滴となる。こうして生成されたすべての油膜付水滴は、油膜付水滴放出口７０を通り、油膜付水滴生成混合器１外へ放出されることとなる。なお、本実施形態に係る油膜付水滴生成混合器１で生成される油膜付水滴の大きさは、１００μｍ〜２００μｍである。
【００３７】
本実施形態においては、上記のように油膜付水滴生成混合器１により生成された油膜付水滴を工作物の被加工面に供給しながら工作加工を行うものであるが、油膜付水滴を工作物の被加工面に供給した場合、図３に示すように、工作物１０３の表面に油膜１０４が生成され、その油膜１０４上に油膜付水滴１００が付着することとなる。なお、図３は、油膜付水滴１００と油膜付水滴１００が付着した工作物１０３の表面の概念図である。
【００３８】
次に、油膜付水滴生成混合器１により油膜付水滴１００を供給して行った加工実験について図４，５及び６を参照して説明する。図４は、油膜付水滴生成混合器１により加工面に油膜付水滴１００を供給する状態の概略図であり、図５は、油膜付水滴生成混合器１により加工液を供給して行った切削実験の実験条件を示す一覧表であり、図６は、油膜付水滴生成混合器により加工液を供給して行った切削実験の実験結果を示すグラフである。
【００３９】
まず、実験方法は、図４に示すように、立型マシニングセンターによるエンドミル切削加工を、工作物１０３の被加工面に油膜付水滴生成混合器１から油膜付水滴１００を供給しながら行い、加工応力の測定を行った。切削加工は、エンドミル１０２によるピックフィード隅加工とし、加工応力の測定は、工具（エンドミル１０２）送り方向の水平分力Ｐ H ，ピックフィード方向の垂直分力Ｐ V 及び工具軸方向の軸方向分力Ｐ Z を圧電型動力計で測定することにより行った。
【００４０】
また、実験条件としては、図５に示すように、加工液は、油剤として、生分解性で環境負荷が少なく、水面上に膜を作りやすい（拡張係数が大きい）菜種油を使用し、水は水道水を使用した。加工液の供給量としては、油剤は１０ｍＬ／ｈ，水は１００ｍＬ／ｈのきわめて少ない量であり、エアーの供給量も比較的少ない１００ＮＬ／ｍｉｎである。また、被削材料としては、Ａ６０６３Ｓのジュラルミンを使用し、工具としては、工具材料が超硬ソリッドの工具径φ１２の２枚刃エンドミル１０２を使用した。
【００４１】
また、加工条件としては、加工方向がアップカッティング及びダウンカッティングである。アップカッティングとは、工具の工作物接触面側の切削方向と、工具の送り方向とが同じになる場合、即ち、工具の刃が工作物をすくい上げるように切削する場合であり、ダウンカッティングとは、工具の工作物接触面側の切削方向と、工具の送り方向が反対になる場合、即ち、工具の刃が工作物にかぶさるように切削する場合である。加工方法は、前述のように、ピックフィード加工であり、工作物に対する半径方向切込寸法は６ｍｍ，軸方向切込は９ｍｍである。また、マシニングセンターの主軸回転数は、３０００〜６０００ｒｐｍ，切削速度１１３〜２２６ｍ／ｍｉｎ及び送り速度０．０５２〜０．１０６ｍｍ／ｒｅｖである。なお、ピックフィード加工とは、工具の送り方向に直角に、間欠的に順次切り込みを行う加工方法である。
【００４２】
また、本実験では、油膜付水滴供給装置９４において、油の供給を停止した水のみの供給，水の供給を停止した油のみの供給及び市販のエマルジョン（ＫＴ−１００：５％）のフラッド供給，の３通りの加工液供給の場合についても加工実験を行い、加工液の性能比較を行った。
【００４３】
次に、以上の条件により行った加工実験の実験結果について説明する。この加工実験においては、切削速度（周速）を１１３ｍ／ｍｉｎから２２６ｍ／ｍｉｎ，送り速度を０．０５２ｍｍ／ｒｅｖから０．１０６ｍｍ／ｒｅｖまで変化させたときの加工応力の測定結果を図６（１）（２）に示す。図６（１）は、切削方向をアップカッティングとした場合で、水平分力Ｐ H の測定結果を加工液別で比較している。垂直分力Ｐ V ，軸方向分力Ｐ Z の値は、水平分力Ｐ H と比較して値が小さく、また、加工液の違いによる変化も少なかったため、ここでは、水平分力Ｐ H の測定結果を比較している。水平分力Ｐ H は、加工液が油膜付水滴１００の場合に最も値が小さく、次いで、エマルジョン，油のみの場合の順に値が大きくなり、水のみの場合が最も大きな水平分力Ｐ H を示した。
【００４４】
この結果は、切削速度及び送り速度に拘らず同じ結果を示した。油のみ用いた場合の水平分力Ｐ H が油膜付水滴１００を用いた場合の水平分力Ｐ H より大きい値を示すのは、供給量が極めて少ない上に油のみの場合では、霧状化された油は微細（直径約１０〜３０μｍ）となり、工作物の被加工面に付着する割合が少ないに対し、油膜付水滴１００の場合では、その直径が１００〜２００μｍであるため、極めて少ない供給量であっても空気中に飛散し過ぎることなく、十分に工作物の被加工面に付着すると考えられるためである。
【００４５】
次に、図６（２）は、切削方向をダウンカッティングとした場合で、垂直分力Ｐ V の測定結果を加工液別で比較している。この場合、油のみを用いた場合の垂直分力Ｐ V が水のみ及びエマルジョンのみの場合の垂直分力Ｐ V と比較して低い値を示し、アップカッティングの場合と同様に油膜付水滴１００を用いた場合の垂直分力Ｐ V が最も低い値を示した。なお、加工液に油膜付水滴１００を用いた場合に、油の供給量を１０ｍＬ／ｈよりも多くした場合でも垂直分力Ｐ V に大きな変化は見られなかった。
【００４６】
上記のように、工作物をエンドミルにより切削加工する際に、本発明にかかる油膜水滴１００を工作物の被加工面に供給しながら切削加工を行った場合、アップカッティング及びダウンカッティングのいずれの場合にも、加工液として水のみ，油のみあるいはエマルジョンを用いた場合と比較し、加工応力は低い値を示すことが確認された。
【００４７】
更に、被削剤として軟鋼を用いた切削実験においては、加工液を油のみとした場合に加工点から油煙が発生したが、加工液を油膜付水滴１００とした場合には、油煙は発生することがなかった。これは、油の１００倍の供給量の水が防炎作用及び加工熱の冷却作用を果たしているためである。
【００４８】
以上、実施形態について詳細に説明してきたが、本実施形態においては、工作物１０３の加工時に使用される加工液であって水滴１０５の表面に油膜１０４が形成された油膜付水滴１００を供給する油膜付水滴生成混合器１において、該油膜付水滴生成混合器１は、外部から供給される油を空気流によって霧状化する油霧化室８と、該油霧化室８で霧状化した油を含有する空気流で外部から供給される水を水滴化して水滴１０５の表面に油膜１０４が形成された油膜付水滴１００を生成する水滴化室６４と、該水滴化室６４で生成された油膜付水滴１００を外部に放出するトップノズル４と、からなることを特徴とする。このように構成することにより、油膜付水滴１００を効率よく生成することができる。
【００４９】
また、本実施形態においては、前記水滴化室６４は、空気流に対して上流側の第１水滴化室３６と下流側の第２水滴化室６１と、から構成され、前記第２水滴化室６１には、外部から供給される油を流入させる油流入口６２，６３を臨ませたことを特徴とする。このように構成することにより、水滴化室６４を流れる油膜が未形成の水滴１０５に対して再度油を付着させることができ、油膜付水滴１００の生成率を向上させることができる。
【００５０】
また、本実施形態においては、前記油流入口６２，６３は、バイパス通路２０，３９を介して前記油霧化室８と連通し、前記油霧化室８で霧状化されなかった油をバイパス通路２０，３９を介して油流入口６２，６３に供給することを特徴とする。このように構成することにより、油霧化室８で霧化されない液状の油を再度油流入口６２，６３で霧化して使用するので、油膜付水滴１００を最少量の油量で効率よく生成することができる。
【００５１】
更に、本実施形態においては、前記油流入口６２，６３は、空気流に対して上流側の上流油流入口６２と下流側の下流油流入口６３と、からなり、上流油流入口６２の方が下流油流入口６３よりも油流入量が多くなるように形成したことを特徴とする。このように構成することにより、油膜付水滴１００の生成率を著しく高めることができる。
【００５２】
なお、本実施形態に係る油膜付水滴生成混合器１によって生成される油膜付水滴１００は、油が油膜１０４として質量の大きい水滴１０５の表面に生成されているため、空気中に飛散し過ぎることがない。このため、工作物の被加工面に多量の油が付着し、工作物１０３と加工工具の潤滑が行われるので、加工精度の向上と加工工具の寿命増大を図ることができるばかりでなく、火災発生の危険性や人体への影響が少なく、工場環境に悪影響を及ぼすことがない。更に、油膜１０４と共に工作物１０３の被加工面に付着した水滴１０５が、加工により発生する熱の冷却作用及び火災発生防止の防炎作用を増大している。
【００５３】
【発明の効果】
以上、説明したところから明らかなように、請求項１に係る発明においては、工作物の加工時に使用される加工液であって水滴の表面に油膜が形成された油膜付水滴を供給する油膜付水滴生成混合器において、該油膜付水滴生成混合器は、圧縮空気の吸入口に設けられるスプレイノズルに臨む油吸入口から供給される油を空気流の圧力によって霧状化する油霧化室と、該油霧化室の下流側に連結され且つ前記油霧化室で霧状化した油を含有する圧縮空気の空気流が送り込まれるスプレイノズルに臨む水供給口から供給される水を空気流の圧力によって水滴化して水滴の表面に油膜が形成された油膜付水滴を生成する水滴化室と、該水滴化室の下流側に連結され且つ前記水滴化室で生成された油膜付水滴を前記工作物に向けて放出するトップノズルと、からなり、前記水滴化室は、空気流に対して上流側の第１水滴化室と下流側の第２水滴化室と、から構成され、前記第２水滴化室には、前記油霧化室と連通するバイパス通路を介して前記油霧化室で霧状化されなかった油を流入させる油流入口を臨ませ、更に前記油流入口は、空気流に対して上流側の上流油流入口と下流側の下流油流入口と、からなり、上流油流入口の方が下流油流入口よりも油流入量が多くなるように形成したことを特徴とする。このように構成することにより、油膜付水滴を効率よく生成することができる。
【００５４】
特に、前記水滴化室は、空気流に対して上流側の第１水滴化室と下流側の第２水滴化室と、から構成され、前記第２水滴化室には、前記油霧化室と連通するバイパス通路を介して前記油霧化室で霧状化されなかった油を流入させる油流入口を臨ませことにより、水滴化室を流れる油膜が未形成の水滴に対して再度油を付着させることができ、油膜付水滴の生成率を向上させることができると共に、油霧化室で霧化されない液状の油を再度油流入口で霧化して使用するので、油膜付水滴を最少量の油量で効率よく生成することができる。
【００５５】
更に、前記油流入口は、空気流に対して上流側の上流油流入口と下流側の下流油流入口と、からなり、上流油流入口の方が下流油流入口よりも油流入量が多くなるように形成したことにより、油膜付水滴の生成率を著しく高めることができる。
【００５６】
【００５７】
なお、上記した各発明によって生成される油膜付水滴は、油が油膜として質量の大きい水滴の表面に生成されているため、空気中に飛散し過ぎることがない。このため、工作物の被加工面に多量の油が付着し、工作物と加工工具の潤滑が行われるので、加工精度の向上と加工工具の寿命増大を図ることができるばかりでなく、火災発生の危険性や人体への影響が少なく、工場環境に悪影響を及ぼすことがない。更に、油膜と共に工作物の被加工面に付着した水滴が、加工により発生する熱の冷却作用及び火災発生防止の防炎作用を増大している。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係る油膜付水滴生成混合器の内部を示す断面図である。
【図２】実施形態に係る油膜付水滴供給装置の概略図である。
【図３】油膜付水滴と油膜付水滴が付着した被工作物の表面の概念図である。
【図４】油膜付水滴生成混合器により加工面に油膜付水滴を供給する状態の概略図である。
【図５】油膜付水滴生成混合器により加工液を供給して行った切削実験の実験条件を示す一覧表である。
【図６】油膜付水滴生成混合器により加工液を供給して行った切削実験の実験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 油膜付水滴生成混合器
２ フォグ室形成部材
３ セカンダリフォグ室形成部材
４ トップノズル
５ ノズルケース
８ 油霧化室
９ オイルスプレイノズル
１２ ウォータスプレイノズル
２０ 第１バイパス通路
３６ 第１水滴化室
３８ バイパス通路連結溝
３９ 第２バイパス通路
４０ 第１油流入溝
４１ 第２油流入溝
６０ セカンダリオイルノズル
６１ 第２水滴化室
６２ 第２油流入口（上流油流入口）
６３ 第３油流入口（下流油流入口）
６４ 水滴化室
９４ 油膜付水滴供給装置
１００ 油膜付水滴
１０３ 工作物
１０４ 油膜
１０５ 水滴
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作物の加工時に使用される加工液であって水滴の表面に油膜が形成された油膜付水滴を供給する油膜付水滴生成混合器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、工作物に切削加工や研削加工等の機械加工を行なう場合、加工精度の向上と加工工具の寿命増大を図るため、加工点近傍に向かって設けられたノズルから油やエマルジョン等の加工液を工作物の被加工面に液状のままかけたり、または霧状化して噴霧することにより、工作物と加工工具の潤滑及び加工により発生する熱の冷却を行なっている。また、霧状化して加工液を噴霧する場合、特開平６−３２０３８４号に開示されるように、油と水等の種類の異なる加工液を混合した後工作物の被加工面に噴霧したり、あるいは、複数のノズルを設けて種類の異なる加工液をそれぞれのノズルから工作物の被加工面に噴霧する方法が考案されている。
【０００３】
しかしながら、加工中の十分な潤滑及び冷却効果を得るために、工作物を加工する間に亘って加工液を供給し続けるため、加工液を液状のままかける場合には多量の加工液が必要となるという問題があった。とくに、不燃性エマルジョンは劣化すると産業廃棄物として処理することが困難であるため、使用後のあるいは古くなった多量のエマルジョンの処理にコストがかかるという問題があった。一方、加工液の使用量を削減するために加工液を霧状にして噴霧する場合には、油は質量が小さいため霧状にして噴霧すると空気中に飛散し過ぎてしまい、十分な量の油が工作物の被工作面に付着せず、工作物と加工工具の潤滑や熱の冷却が十分に行われないという問題があるばかりでなく、霧状の油が飛散すると火災発生の危険性や人体への影響等が考えられ、工場環境の点でも問題があった。また、上記のように、水と油の混合液を噴霧したり、あるいは別のノズルから被加工面に噴霧する方法においても、油分はやはり空気中に飛散し過ぎるため同様の問題があった。
【０００４】
上記した問題を解決するために、近年、外部から供給される水を水滴化して水滴の表面に油膜を形成した油膜付水滴を加工液として使用する加工方法が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、油膜付水滴を効率よく生成する装置は、未だ提案されていない。本発明は、上記した事情に鑑みなされたもので、その目的とするところは、油膜付水滴を効率よく生成することが可能な油膜付水滴生成混合器を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、請求項１に係る発明においては、工作物の加工時に使用される加工液であって水滴の表面に油膜が形成された油膜付水滴を供給する油膜付水滴生成混合器において、該油膜付水滴生成混合器は、圧縮空気の吸入口に設けられるスプレイノズルに臨む油吸入口から供給される油を空気流の圧力によって霧状化する油霧化室と、該油霧化室の下流側に連結され且つ前記油霧化室で霧状化した油を含有する圧縮空気の空気流が送り込まれるスプレイノズルに臨む水供給口から供給される水を空気流の圧力によって水滴化して水滴の表面に油膜が形成された油膜付水滴を生成する水滴化室と、該水滴化室の下流側に連結され且つ前記水滴化室で生成された油膜付水滴を前記工作物に向けて放出するトップノズルと、からなり、前記水滴化室は、空気流に対して上流側の第１水滴化室と下流側の第２水滴化室と、から構成され、前記第２水滴化室には、前記油霧化室と連通するバイパス通路を介して前記油霧化室で霧状化されなかった油を流入させる油流入口を臨ませ、更に前記油流入口は、空気流に対して上流側の上流油流入口と下流側の下流油流入口と、からなり、上流油流入口の方が下流油流入口よりも油流入量が多くなるように形成したことを特徴とする。このように構成することにより、油膜付水滴を効率よく生成することができる。
【０００７】
特に、前記水滴化室は、空気流に対して上流側の第１水滴化室と下流側の第２水滴化室と、から構成され、前記第２水滴化室には、前記油霧化室と連通するバイパス通路を介して前記油霧化室で霧状化されなかった油を流入させる油流入口を臨ませことにより、水滴化室を流れる油膜が未形成の水滴に対して再度油を付着させることができ、油膜付水滴の生成率を向上させることができると共に、油霧化室で霧化されない液状の油を再度油流入口で霧化して使用するので、油膜付水滴を最少量の油量で効率よく生成することができる。
【０００８】
更に、前記油流入口は、空気流に対して上流側の上流油流入口と下流側の下流油流入口と、からなり、上流油流入口の方が下流油流入口よりも油流入量が多くなるように形成したことにより、油膜付水滴の生成率を著しく高めることができる。
【０００９】
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。まず、実施形態に係る油膜付水滴生成混合器１の構成について図１を参照して説明する。図１は、実施形態に係る油膜付水滴生成混合器１の内部を示す断面図である。
【００１１】
図１において、油膜付水滴生成混合器１は、外部から供給される油を空気流によって霧状化する油霧化室８が形成されるフォグ室形成部材２と、該フォグ室形成部材２に連結され且つ前記油霧化室８で霧状化した油を含有する空気流で外部から供給される水を水滴化して油膜付水滴を生成する水滴化室３６，６１が形成されるセカンダリフォグ室形成部材３と、該セカンダリフォグ室形成部材３に連結され且つ生成された油膜付水滴を外部へ放出するトップノズル４と、該トップノズル４を前記セカンダリフォグ室形成部材３に固定するノズルケース５と、から構成されている。
【００１２】
まず、フォグ室形成部材２の構造について図１を参照して説明する。フォグ室形成部材２は、ステンレス鋼又はプラスチックスで形成される角柱又は円中形状のものである。フォグ室形成部材２の後端面（図の右側）中央部には、圧縮空気を供給するための空気ダクト８２（図２参照）が接続される凹状の空気吸入口６が形成されている。一方、フォグ室形成部材２の前端面（図の左側）中央部には、セカンダリフォグ室形成部材３を挿入して取り付けるための取付凹部７が形成されている。空気吸入口６の底面から取付凹部７の底面にかけては、フォグ室形成部材２を貫通するように油霧化室８が貫通されている。なお、空気吸入口６の内周面には、空気ダクト８２をネジ止めするためのネジ溝が切られており、取付凹部７の内周面にも、セカンダリフォグ室形成部材３をネジ止めするためのネジ溝が切られている。
【００１３】
油霧化室８の両端部分には、スプレイノズル９，１２が嵌入固定されている。即ち、空気吸入口６側には、外部から供給された油を霧状化させるためのオイルスプレイノズル９が嵌入されてＣ型止め輪１１で固定されている。取付凹部７側には、外部から供給された水を水滴化するためのウォータスプレイノズル１２が嵌入されてＣ型止め輪１４で固定されている。なお、オイルスプレイノズル９には、油をオイルスプレイノズル９内に流入させるための第１油流入口１０が臨んでいる。また、ウォータスプレイノズル１２には、水をウォータスプレイノズル１２内に流入させるための水流入口１３が臨んでいる。
【００１４】
そして、フォグ室形成部材２の一側面で空気吸入口６寄りには、油を供給するための油供給ダクト８７（図２参照）が接続される油吸入口１６が形成され、この油吸入口１６の底面からは前記第１油流入口１０に向かって油吸入通路１７が形成されている。また、油吸入口１６が設けられる側面と同じ側面で取付凹部７寄りには、水を供給するための水供給ダクト９２（図２参照）が接続される水吸入口１８が形成され、この水吸入口１８の底面からは前記水流入口１３に向かって水吸入通路１９が形成されている。
【００１５】
更に、フォグ室形成部材２の取付凹部７側の端面からは、油霧化室８に貫通するＬ字状の第１バイパス通路２０が対称となる位置に２箇所形成されている。また、第１バイパス通路２０の折曲がり部分からフォグ室形成部材２の側面にかけて閉塞部材２１が挿入されている。これは、フォグ室形成部材２の側面から油霧化室８にかけて貫通する穴の外側の約半分を閉塞しているものであり、第１バイパス通路２０をＬ字状に形成するために必要なのものである。即ち、Ｌ字状に通路を形成することは不可能なため、まずフォグ形成部材室２の端面から通路を形成し、この通路と直交する通路をフォグ室形成部材２の側面から油霧化室８にかけて形成してＴ字状の通路とし、この後、２つの通路の交差部分からフォグ室形成部材２の側面にかけての通路の部分を、前述のように閉塞部材２１で閉塞することによってＬ字状としているものである。
【００１６】
次に、セカンダリフォグ室形成部材３の構造について図１を参照して説明すると、セカンダリフォグ室形成部材３は、ステンレス鋼又はプラスチックスで円筒形状に形成されるものである。そして、セカンダリフォグ室形成部材３の後端面（図示の右側）中央部には、フォグ室形成部材２の取付凹部７に挿入される取付凸部３０が形成されている。また、後端面の外縁部寄りには、Ｏリング３２を嵌入するためのＯリング取付溝３１が円状に周設され、このＯリング取付溝３１と取付凸部３０との間には、前記第１バイパス通路２０と連接するバイパス通路連結溝３８が円状に周設されている。このバイパス通路連結溝３８は、その溝中心の径寸法が前記２つの第1バイパス通路２０の中心間距離寸法とほぼ同
じに設定されており、その溝幅は第1バイパス通路２０の直径とほぼ同じ寸法で形成されている。なお、取付凸部３０の外周には、取付凹部７の内周に切られているネジ溝と噛合するネジが切られている。
【００１７】
一方、セカンダリフォグ室形成部材３の前端面（図示の左側）中央部には、ノズルケース５を取り付けるためその内周にネジ溝が切られているノズルケース挿入凹部３３が形成されている。また、前端面の外縁部寄りには、Ｏリング３５を嵌入するためのＯリング取付溝３４が円状に周設されている。また、前記フォグ室取付凹部７の底面から取付凸部３０の端面に向かって、外部から供給された水を水滴化するための水滴化室６４が貫通形成されている。水滴化室６４は、上流側の第１水滴化室３６と下流側の第２水滴化室６１から構成されているが、下流側の第２水滴化室６１は、前記ノズルケース挿入凹部３３寄りに形成されるセカンダリオイルノズル取付部３７に嵌入されるセカンダリオイルノズル６０によって構成されるものである。
【００１８】
また、前記バイパス通路連結溝３８の底面からは、セカンダリフォグ室形成部材３の先端面に向かって、前記セカンダリオイルノズル取付部３７の位置まで第２バイパス通路３９が形成されている。この第２バイパス通路３９は、互いに１８０度の方向に位置するように２箇所設けられている。また、第２バイパス通路３９の図示左右２ヵ所には、該第２バイパス通路３９とセカンダリオイルノズル取付部３７とが連通するように第１油流入溝４０と第２油流入溝４１とが形成されている。
【００１９】
ところで、セカンダリオイルノズル取付部３７には、前述したように、セカンダリオイルノズル６０が嵌入されるが、このセカンダリオイルノズル６０は、ステンレス鋼又は銅合金により円筒形状に形成されるものであり、その中心には、第２水滴化室６１が前記第１水滴化室３６の径寸法と同じ径寸法で形成されている。また、セカンダリオイルノズル６０の後端面（図の右側）寄りには、上流油流入口としての第２油流入口６２がセカンダリオイルノズル６０の外面から第２水滴化室６１にかけて貫通形成されている。この第２油流入口６２は、等間隔で放射状に複数箇所（４〜１２箇所）形成されているものである。また、セカンダリオイルノズル６０の前端面（図の左側）寄りには、下流油流入口としての第３油流入口６３が第２油流入口６２と同様、セカンダリオイルノズル６０の外面から第２水滴化室６１にかけて貫通形成されている。この第３油流入口６３は、等間隔で放射状に複数箇所（第２油流入口６２の約半数、即ち、２〜６箇所）形成されているものである。なお、本実施形態の場合、第２油流入口６２の径寸法は、第３油流入口６３の径寸法の２倍以上に設定されている。
【００２０】
上記のように構成されるセカンダリオイルノズル６０をセカンダリオイルノズル取付部３７に挿入したときには、第２油流入口６２と第１油流入溝４０とが一致すると共に、第３油流入口６３と第２油流入溝４１とが一致する。
【００２１】
次に、トップノズル４の構造について図１を参照して説明する。トップノズル４は、ステンレス鋼又はプラスチックスにより円筒形状に形成され、その中心には油膜付水滴を放出するための油膜付水滴放出口７０が前記第２水滴化室６１の径寸法とほぼ同じ径寸法で形成されている。また、トップノズル４の後端面（図の右側）には、フランジが形成されており、このフランジの径は、前記セカンダリオイルノズル６０の外径とほぼ同じ寸法に設定されている。
【００２２】
上記したトップノズル４は、ノズルケース５によってセカンダリフォグ室形成部材３に取り付けられるが、このノズルケース５は、ステンレス鋼又は銅合金で円筒状に形成されるものである。また、後端面（図の右側）の中央部には、セカンダリフォグ室形成部材３のノズルケース挿入凹部３３に螺着されるネジ部がその外周に形成される取付凸部５０が形成されている。また、ノズルケース５の中心には、トップノズル４が挿入されるトップノズル挿入穴５１が形成されている。
【００２３】
上記のように複数の部品から構成される油膜付水滴生成混合器１の組み立てについて説明する。まず、セカンダリフォグ室形成部材３の後端面に設けられるＯリング取付溝３１にＯリング３２を装着した後、セカンダリフォグ室形成部材３の取付凸部３０をフォグ室形成部材２の取付凹部７に螺着することにより、セカンダリフォグ室形成部材３をフォグ室形成部材２に固定する。ここで、Ｏリング取付溝３１は、その溝深さ寸法がＯリング３２の直径寸法より小さいため、Ｏリング取付溝３１にＯリング３２を装着した際、Ｏリング３２の上端部分がセカンダリフォグ室形成部材３の後端面から突出している。このため、セカンダリフォグ室形成部材３をフォグ室形成部材２に固定した際、Ｏリング３２がＯリング取付溝３１の底面とフォグ室形成部材２の前端面との間に挟み込まれ、これによりフォグ室形成部材２とセカンダリフォグ室形成部材３との間の気密状態が保たれることとなる。また、Ｃ型止め輪１４と取付凸部３０の端面との間には、Ｏリング１５が介装されるので、油霧化室８と第１水滴化室３６とは、気密が保たれた状態で連通する。
【００２４】
また、セカンダリフォグ室形成部材３の後端面のバイパス通路連結溝３８は、円状に周設されているため、セカンダリフォグ室形成部材３をフォグ室形成部材２に固定した際に、第１バイパス通路２０は必ずバイパス通路連結溝３８と連通することとなる。このため、第１バイパス通路２０は、バイパス通路連結溝３８を介して第２バイパス通路３９と連通することとなる。
【００２５】
次いで、セカンダリフォグ室形成部材３のセカンダリオイルノズル取付部３７にセカンダリオイルノズル６０をノズルケース挿入凹部３３側から挿入する。このとき、セカンダリオイルノズル６０の第３油流入口６３が先に挿入されるように挿入する。そして、セカンダリオイルノズル取付部３７にセカンダリオイルノズル６０を挿入した際には、前述したように、第１油流入溝４０に対応する位置に第２油流入口６２が位置し、第２油流入溝４１に対応する位置に第３油流入口６３が位置することとなる。このため、第２バイパス通路３９は、第１油流入溝４０と第２油流入口６２及び第２油流入溝４１と第３油流入口６３を介して第２水滴化室６１と連通することとなる。
【００２６】
次に、セカンダリフォグ室形成部材３の前端面に設けられるＯリング取付溝３４にＯリング３５を装着した後、トップノズル４をフランジ部側からセカンダリフォグ室形成部材３のノズルケース挿入凹部３３に挿入する。そして、トップノズル４にノズルケース５を挿入し、ノズルケース５の取付凸部５０をセカンダリフォグ室形成部材３のノズルケース挿入凹部３３に螺着することにより、トップノズル４及びノズルケース５がセカンダリフォグ室形成部材３に固定されることとなる。ここで、Ｏリング取付溝３４は、その溝深さがＯリング３５の直径寸法より小さいため、Ｏリング取付溝３４にＯリング３５を装着した際、Ｏリング３５の上端部分がセカンダリフォグ室形成部材３の前端面から突出している。このため、ノズルケース５をセカンダリフォグ室形成部材３に固定した際、Ｏリング３５がＯリング取付溝３４の底面とノズルケース５の後端面との間に挟み込まれ、これによりセカンダリフォグ室形成部材３とノズルケース５との間の気密状態が保たれることとなる。
【００２７】
油膜付水滴生成混合器１は、以上のように組み立てられるが、次に、この油膜付水滴生成混合器１に空気、油及び水を供給する油膜付水滴供給装置９４について図２を参照して説明する。図２は、実施形態に係る油膜付水滴供給装置９４の概略図である。
【００２８】
図２において、油膜付水滴生成混合器１の空気吸入口６には、空気供給ダクト８２を接続するための空気供給用継手８３が螺着されており、空気供給用継手８３に接続された空気供給ダクト８２は、空気の流量を調整する流量調整弁８１に接続されている。流量調整弁８１は、空気供給ダクト８２を介して空気を供給するためのコンプレッサー８０に接続されている。
【００２９】
また、油膜付水滴生成混合器１の油吸入口１６には、油供給ダクト８７を接続するための油供給用継手８８が螺着されており、油供給用継手８８に接続された油供給ダクト８７は、油量を計量する油計量バルブ８６に接続されている。油計量バルブ８６は、油供給ダクト８７を介して油を供給するための油ポンプ８５に接続され、油ポンプ８５からは油の貯留してある油タンク８４に油供給ダクト８７が接続されている。
【００３０】
更に、油膜付水滴生成混合器１の水吸入口１８には、水供給ダクト９２を接続するための水供給用継手９３が螺着されており、水供給用継手９３に接続された水供給ダクト９２は、水量を計量する水計量バルブ９１に接続されている。水計量バルブ９１は、水供給ダクト９２を介して水を供給するための水ポンプ９０に接続され、水ポンプ９０からは水の貯留してある水タンク８９に水供給ダクト９２が接続されている。
【００３１】
次に、油膜付水滴生成混合器１に供給された空気，油及び水により、油膜付水滴生成混合器１内で油膜付水滴１００が生成される過程を図１及び図２を参照して説明する。
【００３２】
まず、コンプレッサー８０から供給される圧縮空気が、空気吸入口６からオイルスプレイノズル９内へ送り込まれる。また、油タンク８４から供給される油が油吸入口１６から油吸入通路１７を通り、第１油流入口１０からオイルスプレイノズル９内へ流入する。このオイルスプレイノズル９内へ流入した油は、前記オイルスプレイノズル９内で圧縮された空気の圧力により霧状化されて油霧化室８内へ噴出され、その後、圧縮空気と共にウォータスプレイノズル１２内へ送り込まれる。このとき、霧状化されなかった油の一部は、油霧化室８の内周面に沿って液状のまま第１バイパス通路２０内へ流入し、その後、バイパス通路連結溝３８及び第２バイパス通路３９を介して第１油流入溝４０及び第２油流入溝４１に流入する。
【００３３】
第１油流入溝４０に流入した油は、セカンダリオイルノズル取付部３７に設けられた第２油流入口６２から第２水滴化室６１内へ噴出される。また、第２油流入溝４１に流入した油は、セカンダリオイルノズル取付部３７に設けられた第３油流入口６３から第２水滴化室６１内へ噴出される。
【００３４】
このとき、第２油流入口６２の直径は第３油流入口６３の直径の２倍である上に、第２油流入口６２が複数箇所（図示の実施形態の場合８箇所）設けられているのに対して、第３油流入口６３はその半数しか設けられていないため、第３油流入口６３には第２油流入口６２にかかる圧力に比べて高い圧力がかかり、第２油流入口６２に比べ第３油流入口６３には油が流入し難い。即ち、第２油流入口６２の方が第３油流入口６３よりも油流入量が多くなるように形成されている。このため、第２バイパス通路３９内の油は、まず第２油流入口６２から第２水滴化室６１内へ噴出され、次いで第３油流入口６３から第２水滴化室６１内ヘ噴出されることとなる。
【００３５】
一方、水タンク８９から供給される水が水吸入口１８から水吸入通路１９を通り、第１水流入口１３からウォータスプレイノズル１２内へ流入する。このウォータスプレイノズル１２内へ流入した水は、油霧化室８からウォータスプレイノズル１２内へ送り込まれた圧縮空気により水滴化されて水滴となると共に、この水滴の表面全体に霧状化された油が油膜として付着し、第１水滴化室３６で油膜付水滴が生成される。このとき、水滴のすべてに油膜が付着するものではなく、油膜が付着していない水滴も存在している。
【００３６】
油膜の付着していない水滴に対しては、第１水滴化室３６から第２水滴化室６１に噴出された際、第２油流入口６２から流入した油が油膜としてその表面全体に付着し、油膜付水滴となる。この時点でほとんどの水滴は油膜が付着して油膜付水滴となるが、この時点で油膜が付着していない水滴が僅かに残っていた場合でも、その水滴に対しては、第３油流入口６３から流入した油が油膜として付着し、油膜付水滴となるため、ウォータスプレイノズル１２で生成された水滴は、１００％油膜付水滴となる。こうして生成されたすべての油膜付水滴は、油膜付水滴放出口７０を通り、油膜付水滴生成混合器１外へ放出されることとなる。なお、本実施形態に係る油膜付水滴生成混合器１で生成される油膜付水滴の大きさは、１００μｍ〜２００μｍである。
【００３７】
本実施形態においては、上記のように油膜付水滴生成混合器１により生成された油膜付水滴を工作物の被加工面に供給しながら工作加工を行うものであるが、油膜付水滴を工作物の被加工面に供給した場合、図３に示すように、工作物１０３の表面に油膜１０４が生成され、その油膜１０４上に油膜付水滴１００が付着することとなる。なお、図３は、油膜付水滴１００と油膜付水滴１００が付着した工作物１０３の表面の概念図である。
【００３８】
次に、油膜付水滴生成混合器１により油膜付水滴１００を供給して行った加工実験について図４，５及び６を参照して説明する。図４は、油膜付水滴生成混合器１により加工面に油膜付水滴１００を供給する状態の概略図であり、図５は、油膜付水滴生成混合器１により加工液を供給して行った切削実験の実験条件を示す一覧表であり、図６は、油膜付水滴生成混合器により加工液を供給して行った切削実験の実験結果を示すグラフである。
【００３９】
まず、実験方法は、図４に示すように、立型マシニングセンターによるエンドミル切削加工を、工作物１０３の被加工面に油膜付水滴生成混合器１から油膜付水滴１００を供給しながら行い、加工応力の測定を行った。切削加工は、エンドミル１０２によるピックフィード隅加工とし、加工応力の測定は、工具（エンドミル１０２）送り方向の水平分力Ｐ H ，ピックフィード方向の垂直分力Ｐ V 及び工具軸方向の軸方向分力Ｐ Z を圧電型動力計で測定することにより行った。
【００４０】
また、実験条件としては、図５に示すように、加工液は、油剤として、生分解性で環境負荷が少なく、水面上に膜を作りやすい（拡張係数が大きい）菜種油を使用し、水は水道水を使用した。加工液の供給量としては、油剤は１０ｍＬ／ｈ，水は１００ｍＬ／ｈのきわめて少ない量であり、エアーの供給量も比較的少ない１００ＮＬ／ｍｉｎである。また、被削材料としては、Ａ６０６３Ｓのジュラルミンを使用し、工具としては、工具材料が超硬ソリッドの工具径φ１２の２枚刃エンドミル１０２を使用した。
【００４１】
また、加工条件としては、加工方向がアップカッティング及びダウンカッティングである。アップカッティングとは、工具の工作物接触面側の切削方向と、工具の送り方向とが同じになる場合、即ち、工具の刃が工作物をすくい上げるように切削する場合であり、ダウンカッティングとは、工具の工作物接触面側の切削方向と、工具の送り方向が反対になる場合、即ち、工具の刃が工作物にかぶさるように切削する場合である。加工方法は、前述のように、ピックフィード加工であり、工作物に対する半径方向切込寸法は６ｍｍ，軸方向切込は９ｍｍである。また、マシニングセンターの主軸回転数は、３０００〜６０００ｒｐｍ，切削速度１１３〜２２６ｍ／ｍｉｎ及び送り速度０．０５２〜０．１０６ｍｍ／ｒｅｖである。なお、ピックフィード加工とは、工具の送り方向に直角に、間欠的に順次切り込みを行う加工方法である。
【００４２】
また、本実験では、油膜付水滴供給装置９４において、油の供給を停止した水のみの供給，水の供給を停止した油のみの供給及び市販のエマルジョン（ＫＴ−１００：５％）のフラッド供給，の３通りの加工液供給の場合についても加工実験を行い、加工液の性能比較を行った。
【００４３】
次に、以上の条件により行った加工実験の実験結果について説明する。この加工実験においては、切削速度（周速）を１１３ｍ／ｍｉｎから２２６ｍ／ｍｉｎ，送り速度を０．０５２ｍｍ／ｒｅｖから０．１０６ｍｍ／ｒｅｖまで変化させたときの加工応力の測定結果を図６（１）（２）に示す。図６（１）は、切削方向をアップカッティングとした場合で、水平分力Ｐ H の測定結果を加工液別で比較している。垂直分力Ｐ V ，軸方向分力Ｐ Z の値は、水平分力Ｐ H と比較して値が小さく、また、加工液の違いによる変化も少なかったため、ここでは、水平分力Ｐ H の測定結果を比較している。水平分力Ｐ H は、加工液が油膜付水滴１００の場合に最も値が小さく、次いで、エマルジョン，油のみの場合の順に値が大きくなり、水のみの場合が最も大きな水平分力Ｐ H を示した。
【００４４】
この結果は、切削速度及び送り速度に拘らず同じ結果を示した。油のみ用いた場合の水平分力Ｐ H が油膜付水滴１００を用いた場合の水平分力Ｐ H より大きい値を示すのは、供給量が極めて少ない上に油のみの場合では、霧状化された油は微細（直径約１０〜３０μｍ）となり、工作物の被加工面に付着する割合が少ないに対し、油膜付水滴１００の場合では、その直径が１００〜２００μｍであるため、極めて少ない供給量であっても空気中に飛散し過ぎることなく、十分に工作物の被加工面に付着すると考えられるためである。
【００４５】
次に、図６（２）は、切削方向をダウンカッティングとした場合で、垂直分力Ｐ V の測定結果を加工液別で比較している。この場合、油のみを用いた場合の垂直分力Ｐ V が水のみ及びエマルジョンのみの場合の垂直分力Ｐ V と比較して低い値を示し、アップカッティングの場合と同様に油膜付水滴１００を用いた場合の垂直分力Ｐ V が最も低い値を示した。なお、加工液に油膜付水滴１００を用いた場合に、油の供給量を１０ｍＬ／ｈよりも多くした場合でも垂直分力Ｐ V に大きな変化は見られなかった。
【００４６】
上記のように、工作物をエンドミルにより切削加工する際に、本発明にかかる油膜水滴１００を工作物の被加工面に供給しながら切削加工を行った場合、アップカッティング及びダウンカッティングのいずれの場合にも、加工液として水のみ，油のみあるいはエマルジョンを用いた場合と比較し、加工応力は低い値を示すことが確認された。
【００４７】
更に、被削剤として軟鋼を用いた切削実験においては、加工液を油のみとした場合に加工点から油煙が発生したが、加工液を油膜付水滴１００とした場合には、油煙は発生することがなかった。これは、油の１００倍の供給量の水が防炎作用及び加工熱の冷却作用を果たしているためである。
【００４８】
以上、実施形態について詳細に説明してきたが、本実施形態においては、工作物１０３の加工時に使用される加工液であって水滴１０５の表面に油膜１０４が形成された油膜付水滴１００を供給する油膜付水滴生成混合器１において、該油膜付水滴生成混合器１は、外部から供給される油を空気流によって霧状化する油霧化室８と、該油霧化室８で霧状化した油を含有する空気流で外部から供給される水を水滴化して水滴１０５の表面に油膜１０４が形成された油膜付水滴１００を生成する水滴化室６４と、該水滴化室６４で生成された油膜付水滴１００を外部に放出するトップノズル４と、からなることを特徴とする。このように構成することにより、油膜付水滴１００を効率よく生成することができる。
【００４９】
また、本実施形態においては、前記水滴化室６４は、空気流に対して上流側の第１水滴化室３６と下流側の第２水滴化室６１と、から構成され、前記第２水滴化室６１には、外部から供給される油を流入させる油流入口６２，６３を臨ませたことを特徴とする。このように構成することにより、水滴化室６４を流れる油膜が未形成の水滴１０５に対して再度油を付着させることができ、油膜付水滴１００の生成率を向上させることができる。
【００５０】
また、本実施形態においては、前記油流入口６２，６３は、バイパス通路２０，３９を介して前記油霧化室８と連通し、前記油霧化室８で霧状化されなかった油をバイパス通路２０，３９を介して油流入口６２，６３に供給することを特徴とする。このように構成することにより、油霧化室８で霧化されない液状の油を再度油流入口６２，６３で霧化して使用するので、油膜付水滴１００を最少量の油量で効率よく生成することができる。
【００５１】
更に、本実施形態においては、前記油流入口６２，６３は、空気流に対して上流側の上流油流入口６２と下流側の下流油流入口６３と、からなり、上流油流入口６２の方が下流油流入口６３よりも油流入量が多くなるように形成したことを特徴とする。このように構成することにより、油膜付水滴１００の生成率を著しく高めることができる。
【００５２】
なお、本実施形態に係る油膜付水滴生成混合器１によって生成される油膜付水滴１００は、油が油膜１０４として質量の大きい水滴１０５の表面に生成されているため、空気中に飛散し過ぎることがない。このため、工作物の被加工面に多量の油が付着し、工作物１０３と加工工具の潤滑が行われるので、加工精度の向上と加工工具の寿命増大を図ることができるばかりでなく、火災発生の危険性や人体への影響が少なく、工場環境に悪影響を及ぼすことがない。更に、油膜１０４と共に工作物１０３の被加工面に付着した水滴１０５が、加工により発生する熱の冷却作用及び火災発生防止の防炎作用を増大している。
【００５３】
【発明の効果】
以上、説明したところから明らかなように、請求項１に係る発明においては、工作物の加工時に使用される加工液であって水滴の表面に油膜が形成された油膜付水滴を供給する油膜付水滴生成混合器において、該油膜付水滴生成混合器は、圧縮空気の吸入口に設けられるスプレイノズルに臨む油吸入口から供給される油を空気流の圧力によって霧状化する油霧化室と、該油霧化室の下流側に連結され且つ前記油霧化室で霧状化した油を含有する圧縮空気の空気流が送り込まれるスプレイノズルに臨む水供給口から供給される水を空気流の圧力によって水滴化して水滴の表面に油膜が形成された油膜付水滴を生成する水滴化室と、該水滴化室の下流側に連結され且つ前記水滴化室で生成された油膜付水滴を前記工作物に向けて放出するトップノズルと、からなり、前記水滴化室は、空気流に対して上流側の第１水滴化室と下流側の第２水滴化室と、から構成され、前記第２水滴化室には、前記油霧化室と連通するバイパス通路を介して前記油霧化室で霧状化されなかった油を流入させる油流入口を臨ませ、更に前記油流入口は、空気流に対して上流側の上流油流入口と下流側の下流油流入口と、からなり、上流油流入口の方が下流油流入口よりも油流入量が多くなるように形成したことを特徴とする。このように構成することにより、油膜付水滴を効率よく生成することができる。
【００５４】
特に、前記水滴化室は、空気流に対して上流側の第１水滴化室と下流側の第２水滴化室と、から構成され、前記第２水滴化室には、前記油霧化室と連通するバイパス通路を介して前記油霧化室で霧状化されなかった油を流入させる油流入口を臨ませことにより、水滴化室を流れる油膜が未形成の水滴に対して再度油を付着させることができ、油膜付水滴の生成率を向上させることができると共に、油霧化室で霧化されない液状の油を再度油流入口で霧化して使用するので、油膜付水滴を最少量の油量で効率よく生成することができる。
【００５５】
更に、前記油流入口は、空気流に対して上流側の上流油流入口と下流側の下流油流入口と、からなり、上流油流入口の方が下流油流入口よりも油流入量が多くなるように形成したことにより、油膜付水滴の生成率を著しく高めることができる。
【００５６】
【００５７】
なお、上記した各発明によって生成される油膜付水滴は、油が油膜として質量の大きい水滴の表面に生成されているため、空気中に飛散し過ぎることがない。このため、工作物の被加工面に多量の油が付着し、工作物と加工工具の潤滑が行われるので、加工精度の向上と加工工具の寿命増大を図ることができるばかりでなく、火災発生の危険性や人体への影響が少なく、工場環境に悪影響を及ぼすことがない。更に、油膜と共に工作物の被加工面に付着した水滴が、加工により発生する熱の冷却作用及び火災発生防止の防炎作用を増大している。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係る油膜付水滴生成混合器の内部を示す断面図である。
【図２】実施形態に係る油膜付水滴供給装置の概略図である。
【図３】油膜付水滴と油膜付水滴が付着した被工作物の表面の概念図である。
【図４】油膜付水滴生成混合器により加工面に油膜付水滴を供給する状態の概略図である。
【図５】油膜付水滴生成混合器により加工液を供給して行った切削実験の実験条件を示す一覧表である。
【図６】油膜付水滴生成混合器により加工液を供給して行った切削実験の実験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 油膜付水滴生成混合器
２ フォグ室形成部材
３ セカンダリフォグ室形成部材
４ トップノズル
５ ノズルケース
８ 油霧化室
９ オイルスプレイノズル
１２ ウォータスプレイノズル
２０ 第１バイパス通路
３６ 第１水滴化室
３８ バイパス通路連結溝
３９ 第２バイパス通路
４０ 第１油流入溝
４１ 第２油流入溝
６０ セカンダリオイルノズル
６１ 第２水滴化室
６２ 第２油流入口（上流油流入口）
６３ 第３油流入口（下流油流入口）
６４ 水滴化室
９４ 油膜付水滴供給装置
１００ 油膜付水滴
１０３ 工作物
１０４ 油膜
１０５ 水滴
Claims (1)
- 工作物の加工時に使用される加工液であって水滴の表面に油膜が形成された油膜付水滴を供給する油膜付水滴生成混合器において、
該油膜付水滴生成混合器は、圧縮空気の吸入口に設けられるスプレイノズルに臨む油吸入口から供給される油を空気流の圧力によって霧状化する油霧化室と、該油霧化室の下流側に連結され且つ前記油霧化室で霧状化した油を含有する圧縮空気の空気流が送り込まれるスプレイノズルに臨む水供給口から供給される水を空気流の圧力によって水滴化して水滴の表面に油膜が形成された油膜付水滴を生成する水滴化室と、該水滴化室の下流側に連結され且つ前記水滴化室で生成された油膜付水滴を前記工作物に向けて放出するトップノズルと、からなり、
前記水滴化室は、空気流に対して上流側の第１水滴化室と下流側の第２水滴化室と、から構成され、前記第２水滴化室には、前記油霧化室と連通するバイパス通路を介して前記油霧化室で霧状化されなかった油を流入させる油流入口を臨ませ、
更に前記油流入口は、空気流に対して上流側の上流油流入口と下流側の下流油流入口と、からなり、上流油流入口の方が下流油流入口よりも油流入量が多くなるように形成したことを特徴とする油膜付水滴生成混合器。
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