JP4375952B2

JP4375952B2 - 機械加工方法及び装置

Info

Publication number: JP4375952B2
Application number: JP2002249268A
Authority: JP
Inventors: 孝介田頭; 維玖馬高橋; 悠青木; ヌラジアニシティ
Original assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Current assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Priority date: 2002-08-28
Filing date: 2002-08-28
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2022-08-28
Also published as: JP2004082304A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加工すべきワークの被加工面にプラズマを照射し、その後ワークの被加工面を機械加工する機械加工方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
工作機械によってワークに切削加工や研削加工の機械加工を施す場合、加工工具をワークに切込んで両者に相対運動を与える。するとワークの被加工面が加工工具によって削り取られ切屑が発生し、機械加工が進行する。このときワークの変形に伴う内部摩擦および切屑と加工工具との間に摩擦によって切削抵抗と熱が発生する。この熱によって切屑の一部が加工工具のすくい面に融着して構成刃先を形成したり、加工工具のすくい面を浸蝕してクレータを生成したり、高温のため刃先が軟化する等の損傷を加工工具に与える。その結果、工具寿命は短縮し、加工面品位は低下し、またワークと加工工具の熱ひずみのため加工精度は悪化する。
【０００３】
これらの問題点を軽減するために、通常、加工部に加工液を供給し、その潤滑作用や冷却作用によって切削抵抗を低減させ、発生する熱を冷却している。こうして加工面品位と加工精度を向上し、工具寿命を長くしている。
加工液の供給方法により加工方法を大きく２つに分けると、従来から行われている加工部に加工液を直接的、連続的にかけながら加工するもの（以下ウェット加工という）と、最近用いられ始めた最少量の加工液をミクロンオーダの細かいミスト状にして加工部に噴射しながら加工するもの（以下ＭＱＬ加工という）とがある。ウェット加工は、比較的多量の加工液を加工部にかけ、発生した切屑とともに加工液を回収し、切屑と加工液とを分離した後加工液を再循環して利用するものである。加工液は不水溶性と水溶性のものがある。不水溶性加工液は鉱油を主成分とするものが多く、極圧添加剤を含むものもある。水溶性加工液は水を主成分とし、鉱油や植物油を混合したり、界面活性剤や防錆剤を添加したものが多い。
【０００４】
ＭＱＬ加工は、潤滑作用のある不水溶性加工液の細かい粒子を大量の空気の中に最少量だけ混入して加工部へ噴射するものであり、例えば特許第２６８７１１０号公報に開示されている。本公報には主軸内に気体と加工液とを別々に導入し、主軸内部に設けられたミスト発生装置を通して主軸先端部または工具先端部から加工液ミストを噴出して加工を行う工作機械の主軸装置が説明されている。また、ミストが人体に悪影響を与えないように加工液として植物油を用いると好しいことも知られている。このようにしてＭＱＬ加工を行うと、加工液を使わないドライ加工に比べ、加工面品位は良く、工具寿命も延びる効果が出、更に加工液による環境汚染や人体の健康への悪影響、加工液の廃液処理や加工液を含んだ切屑の処理の困難さの問題がかなり解決する。
【０００５】
また、特開２００１−３２２０５２号公報には、加工すべきワーク表面にオレイン酸やステアリン酸等の有機極性物質を含む加工液を塗布又は吹き付け、その後ワーク表面を機械加工する発明が開示されている。これは、ＭＱＬ加工より更に加工液の使用量は減少し、切削抵抗の低下、工具寿命の延び、加工面品位の向上等が認められる。
【０００６】
一方、プラズマを用いたワークの加工方法には、プラズマジェット加工がある。ノズルから高温のプラズマジェットを噴出し、ワークを切断したり、溶接したりするものである。これは、プラズマの持つエネルギを直接用いてワークを加工する。これに対して米国特許第４，０９８，１５３号公報には、アークプラズマトーチからアルゴンプラズマを金属ワークに照射し、ワークを加熱して高温切削する加工方法が開示されている。この金属ワークを加熱して切削加工する高温切削加工法は、加熱によりワークは機械的強さを低下させ、この状態で切削することにより、切削抵抗が小さくなり、仕上げ面品位が良好で、工具寿命が延びるというものである。
【０００７】
また、プラズマを用いてワーク表面の改質を行うものがある。例えばプラズマ窒化は、窒素プラズマ中に金属を置き、プラズマ中に生成した励起した窒素分子、窒素原子などが金属と反応して窒化物層を形成して金属表面を硬化させる。プラズマ酸化は、アルミニウム、シリコンなどがプラズマ中に置かれ、これに正又は負のバイアス電圧をかけて、マイクロ波放電によって発生した酸素プラズマと反応させて、金属表面に酸化物層を生成させる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ウェット加工は、切削抵抗を低減させ、発熱を低減して、加工面品位や加工精度を向上し、工具寿命を延ばす効果はあるが、多量の加工液を使用するので、切屑と加工液との分離、加工液を含んだ切屑の処理、廃加工液の処理、加工液再利用のための濾過や腐食・酸化防止等多くの困難さを克服しなければならない問題点をかかえている。また加工液は工場環境をよごし、一部はミスト化して人体の健康へ悪影響を及ぼしたり、腐食や酸化して悪臭を放ったりする。
【０００９】
ＭＱＬ加工は、最少量の加工液しか用いないので加工液処理にまつわる問題点はほぼ解決しているが、発展途上の加工技術であり、ウェット加工に比べ加工面品位や加工精度の向上、及び工具寿命を延ばす効果の確実性にやや疑問がある。植物油を使って人体の健康への悪影響はないものの、ミストが細かく空気中に浮遊しやすいため、機械がベトベトしたり、機械に付着した油が酸化して悪臭を放つ問題点は依然として解決していない。また、ウェット加工やＭＱＬ加工は、加工液やミストを高圧で工具に掛けると、工具が小径の場合工具がたわんだり振動して加工精度が悪化したり加工面品位が低下する問題もある。有機極性物質を含む加工液を塗布又は吹き付けた後に機械加工する方法は、若干であるが加工液を用い、完全ドライ加工ではない。
【００１０】
プラズマジェットによる切断は、切刃を用いた機械加工ではない。またプラズマ窒化、プラズマ酸化もワーク表面の改質技術であり、機械加工ではない。米国特許第４，０９８，１５３号公報の発明は、ワークを加熱しており、ワークが膨張し、加工精度に問題が出る。更に加熱によりワーク材料の性質が変化する問題もある。
そこで本発明の目的は、完全ドライ加工でありながら加工抵抗を低減し、ワークの加工面品位及び加工精度が良く、工具寿命を延ばすことができる機械加工方法及び装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するため、加工工具と金属ワークとを相対移動させ前記金属ワークを所望形状に加工する機械加工方法において、水蒸気を含んだ空気を作動ガスに用いた低温プラズマを前記金属ワークの被加工面に照射してワーク表面の転位等の格子欠陥を固着させた後、前記金属ワークを機械加工することを特徴とした機械加工方法が提供される。
また、加工工具と金属ワークとを相対移動させ前記金属ワークを所望形状に加工する機械加工装置において、水蒸気を含んだ空気を作動ガスに用いた低温プラズマを前記金属ワークの被加工面に照射するプラズマ照射手段を具備し、前記金属ワークの被加工面にプラズマを照射してワーク表面の転位等の格子欠陥を固着させた後前記金属ワークを機械加工することを特徴とした機械加工装置が提供される。
【００１４】
鋼、銅、アルミニウム等の金属（合金を含む）ワークを機械加工しているときの現象を考える。加工工具をワークに切込んで両者に相対運動を与えると、ワーク表面が加工工具によって削り取られ、切屑が発生する。これは金属の塑性変形が連続的に起きていることである。塑性変形は、金属結晶中のすべり面を転位等の格子欠陥が移動して起きると考えてよい。通常、切削加工すると加工力により、金属結晶内にすでに存在していた格子欠陥あるいは新たに形成された格子欠陥が次々に移動し、塑性変形し、やがて破壊し、切屑が生成される。しかし何らかの因子でその格子欠陥が動きにくくなった場合を考える。その一例が加工硬化である。
【００１５】
格子欠陥の動きが抑制されると、それを動かすために更に余計な外力を必要とするが、反面、破断に至るまでの金属の変形能が小さくなる。ということは破断までの吸収エネルギが小さくなる。極端な場合は格子欠陥が全く動けなくなり、脆性破壊する。機械加工の場合、格子欠陥が動きにくいと切屑は大きな塊にはならず、細かなラメラ状（図４（ａ）に示すように、すだれ状に細かな切屑片が重なって連なる状態）になる。
【００１６】
一方、加工すべき金属ワーク表面にプラズマを照射すると、プラズマのエッチング作用によって金属表面の酸化皮膜や付着物が削り取られ母材新生面が現われる。続いてプラズマのインプランテーション作用によって、電離した荷電粒子が母材新生面とイオン結合、共有結合等の化学反応を起こし、ワーク表面の化学組織が変化する。この化学変化は表面エネルギの高いサイト、例えば結晶粒界や転位などの格子欠陥で優先的に起こり、その結果、表面エネルギが低下し安定な状態となる。つまり化学変化の起こった部分の格子欠陥が固着される。するとその部分の降伏点と破断点が上昇するため、プラズマを照射していないときよりも早い周期で切屑が創成、破砕され、短サイクルでラメラ状の切屑が生成される。その結果、切削抵抗が減少し、加工面品位が向上し、工具摩耗が減少する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。
図１は、本発明の機械加工装置の概略構成図、図２は、フライス工具によるワーク加工の原理図、図３は、プラズマをワークの被加工面に照射しているときの模式図、図４は、工具でワークを加工しているときの切屑発生の様子を示す図で、（ａ）はプラズマ照射の場合、（ｂ）はプラズマ無照射の場合を示す。
【００１８】
まず、本発明の機械加工方法の原理を説明する。鋼、銅、アルミニウム等の金属のワークＷをフライス工具Ｔで加工するとき、加工すべき被加工面Ｓに予めプラズマを照射する。本実施形態では空気プラズマを用いる。プラズマコントローラ１１によって空気プラズマをプラズマヘッド１３からワークＷの被加工面Ｓに照射すると、エッチング作用によって被加工面の不動態皮膜２７が剥離され、ワークＷの母材新生面２９が現われる。するとインプランテーション作用によって、空気プラズマ中のマイナスに帯電した水酸基（ＯＨ基）２１が母材新生面２９のＦｅ原子やＣｕ原子と化学吸着する。ここで用いるプラズマは、大気圧・低温プラズマ（コロナ放電）である。また、不動態皮膜２７は、ワークＷがステンレス鋼の場合であり、他の金属の場合には、酸化皮膜やよごれなどの付着物を指す。
【００１９】
プラズマ照射による被加工面Ｓの水酸基２１の吸着形態を知るために、フーリエ変換赤外分光法により赤外スペクトルを測定した。代表的な水分子の赤外スペクトルにおける三つの各吸収帯は、１５９６ｃｍ^-1がはさみ変角、３６５２ｃｍ^-1が対称伸縮、３７５６ｃｍ^-1が逆対称伸縮である。本発明のステンレス鋼にプラズマ照射後の赤外スペクトルは、波数１５７０〜１５００ｃｍ^-1及び３７５０〜３５５０ｃｍ^-1で強いピークが認められる。前者ははさみ変角、後者は対称伸縮と逆対称伸縮によるものだと考えられる。このことにより被加工面Ｓに水酸基２１が化学吸着したことがわかる。
【００２０】
その様子を図３に模式的に示す。これは、プラズマ照射中の様子を示しており、照射されるプラズマには水酸基２１、酸素２３、水素２５の荷電粒子が含まれる。照射時間が増えるに従って不導態皮膜２７がほとんど剥離し、母材新生面２９に水酸基２１が化学吸着する。尚、プラズマ照射後のワークＷの被加工面Ｓに手で触れても、熱さは感じない。
ワークＷには転位３１が多数存在し、この化学吸着が起きると転位３１が固着する。これは、プラズマ照射前の被加工面Ｓのビッカース硬さは、ステンレス鋼で例えば２０５．０Ｈｖであったものが、プラズマを３０秒照射すると２６４．１Ｈｖとなることでわかる。プラズマ照射時間が長い方がビッカース硬さは大きくなる。この状態でワークＷの被加工面Ｓを切削すると図４（ａ）に示すようなせん断形、ラメラ状で、かつ厚みが薄い切屑Ｃが発生する。図４（ｂ）のプラズマ無照射のときの切屑はむしり形を呈している。これは転位が固着したため降伏点と破断点が上昇し、無照射のときよりも早い周期で切屑が創成・破砕され、短サイクルでラメラ状の切屑が生成されるからである。
従って、プラズマ照射により切削抵抗は下がり、加工面品位は向上し、工具寿命は延びる。よって加工精度も向上する。
【００２１】
この機械加工方法を自動的に、連続的に行わせる機械加工装置を図１に示す。フライス盤、マシニングセンタ等の工作機械のテーブル１上に固定されたワーク３を、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向に相対移動する主軸頭５に回転支持された主軸７先端の工具９によって加工する。加工に先立ってワーク３の加工すべき被加工面に沿わせてプラズマヘッド１３をスキャンする。このときプラズマヘッド１３の送り速度及びプラズマヘッド１３と被加工面との間隔は一定に保ち、被加工面全域にわたってプラズマを所定の圧力及び所定の時間照射することが望ましい。プラズマヘッド１３から照射するプラズマは、プラズマコントローラ１１によって生成される。用いるガスは水蒸気を含んだ空気（大気）のほか、窒素、酸素等を選べる。窒素や酸素の荷電粒子がワークの金属と結合して、ワークの転位を固着する。ただし、酸素はマグネシウム等の可燃の切屑が発生する加工には使えない。プラズマヘッド１３は、主軸頭５の側面に設けられた格納箱１５に収納されており、プラズマを照射するときは自動的に主軸軸線方向に進出する。プラズマヘッド１３のスキャン動作は、ＮＣ装置によりＸ、Ｙ、Ｚ軸を駆動制御して行う。
【００２２】
プラズマをワーク３の被加工面に照射した後、プラズマヘッド１３を格納箱１５に後退させ、加工を開始する。加工中に発生する切屑はエア発生源１９から供給される圧縮空気をノズル１７から吹き付け、速やかに除去するのが良い。圧縮空気の吹き付けは、使用している工具径に応じて、工具がたわんだり振動しない程度の大きさに調節する必要がある。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、ワークの被加工面に予めプラズマを照射し、被加工面の転位等の格子欠陥を固着して硬化させた後ワークを加工するので、完全ドライ加工でありながら加工抵抗が減少し、加工面品位が向上し、工具寿命が延びる。よって加工精度も向上する。
従って、ウエット加工やＭＱＬ加工を行う必要がなくなり、加工液にまつわる問題点が解決できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の機械加工装置の概略構成図である。
【図２】フライス工具によるワーク加工の原理図である。
【図３】プラズマをワークの被加工面に照射しているときの模式図である。
【図４】工具でワークを加工しているときの切屑発生の様子を示す図で、（ａ）はプラズマ照射の場合、（ｂ）はプラズマ無照射の場合を示す。
【符号の説明】
１…テーブル
３…ワーク
５…主軸頭
７…主軸
９…工具
１１…プラズマコントローラ
１３…プラズマヘッド
１５…格納箱
１７…ノズル
１９…エア発生源
２１…水酸基（ＯＨ基）
２７…不動態皮膜
２９…母材新生面
３１…転位

Claims

加工工具と金属ワークとを相対移動させ前記金属ワークを所望形状に加工する機械加工方法において、
水蒸気を含んだ空気を作動ガスに用いた低温プラズマを前記金属ワークの被加工面に照射してワーク表面の転位等の格子欠陥を固着させた後、前記金属ワークを機械加工することを特徴とした機械加工方法。
加工工具と金属ワークとを相対移動させ前記金属ワークを所望形状に加工する機械加工装置において、
水蒸気を含んだ空気を作動ガスに用いた低温プラズマを前記金属ワークの被加工面に照射するプラズマ照射手段を具備し、前記金属ワークの被加工面にプラズマを照射してワーク表面の転位等の格子欠陥を固着させた後、前記金属ワークを機械加工することを特徴とした機械加工装置。