JP5070484B2

JP5070484B2 - 電気防錆法を利用したチタン合金の水中におけるエンドミル切削加工装置及びその加工方法

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Publication number: JP5070484B2
Application number: JP2007063013A
Authority: JP
Inventors: 直祐瀧内; 泰平太田
Original assignee: Nagasaki Prefectural Government
Current assignee: Nagasaki Prefectural Government
Priority date: 2007-03-13
Filing date: 2007-03-13
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2027-03-13
Also published as: JP2008221395A

Description

この発明は、チタン合金のエンドミル切削加工技術に係り、チタン合金のエンドミル切削加工の欠点として、チタン合金は、熱伝導が小さく、化学的に活性のため、工具刃先の異常な摩耗、チッピング（工具刃先の微小な欠損）が生じ、工具寿命が短く、切削した加工面が粗い等、様々な問題がある。

また、チタン合金のエンドミル切削加工において、高品質、高能率、低コストを目標に、エンドミル切削工具への冷却効果及び潤滑効果を目的として、工具刃先に多量の切削油剤が噴射されている。

切削油剤の種類によっては、環境悪化の要因となる塩素系化合物等が含有されているので、環境等の問題が生じている。さらに、使用後の切削油剤における最終的な廃液処理は、重油を混入して焼却処分されるため、焼却による二酸化炭素の膨大な排出が余儀なくされているのが現状である。あるいは、窒素化合物を含有する切削油剤は、廃液を焼却処理した場合、窒素酸化物（NOx）を生成する可能性があるので、大気汚染の問題が生じる場合があると考えられる。

環境問題への関心が高まり、それに伴う産業廃棄物の削減やリサイクル化の促進が謳われているので、使用後の切削油剤の大部分が産業廃棄物として処理されることが問題となっている。

そこで、多量の切削油剤を使用しない方法で、環境に負荷をかけない方法において、工具刃先の異常な摩耗、チッピング（工具刃先の微小な欠損）の発生を抑制し、なおかつきれいな加工面を得るエンドミル切削加工装置及びその加工方法に関するものである。

チタンは、材料的に非常に活性で、ドライ（乾式）切削加工では、工具刃先がチッピング、欠損等が生じる場合あるので、多量の切削油剤を単独で工具刃先に噴射しながら切削加工が行われている。

「難削材の切削加工技術」狩野勝吉著工業調査会「チタンの加工技術」（社）日本チタン協会編日刊工業新聞社「腐食科学と防食技術」伊藤伍郎著コロナ社

チタン合金のエンドミル切削加工において、上記の多量な切削油剤の使用は、環境問題になる可能性がある。切削油剤を使用してもエンドミル切削工具の刃先における異常な摩耗、チッピング等が発生し、工具寿命が短く、きれいな切削加工面を得ることが困難である。

また、圧縮空気によって環境に優しい植物油をベースにした極微量の油剤を霧状に噴霧して、切削加工を行う方法（ミスト）も一部試験的に行われている。しかし、ミストによるエンドミル切削加工の予備試験の結果、過酷な切削加工条件、特に、切削速度100m／min以上では、工具寿命が非常に短く、良好な切削加工面を得るが困難であった。

さらに、水を使用した場合、フライス盤において、錆が発生する可能性がある。チタン合金の水中におけるエンドミル切削加工法（特願２００４−３４８２６２）において、切削工具刃先のチッピング発生の抑制、工具刃先の摩耗量の低下、切削加工面の粗さの向上等の切削加工における著しい効果が顕著となった。しかし、水を使用する場合、被削材であるチタン合金は、水に対して耐食性があるが、工作機械、あるいは周辺機器への錆の発生が問題である。工作機械等の錆の発生は、切削加工精度が低下するので、上記の特許では、切削加工性の向上において問題がある。

電気防錆法（カソード防食法）は、ガス・石油業界において、埋設ガス管とパイプラインの錆発生を抑制している。すなわち被腐食体に直流電源の−極を接続して、極微小電流を負荷することで防錆を行っている。

この発明は、上記のような課題に鑑み、その課題を解決すべく創案されたものであって、その目的とするところは、環境問題になる可能性がある上記の切削油剤を使用せずに、環境に優しい植物油をベースにした極微量の油剤（ミスト）及び水を使用し、かつ環境にやさしい冷却方法及び潤滑方法で、工具刃先の異常な摩耗、チッピング（工具刃先の微小な欠損）が発生せず、良好な加工面を得ることができ、さらに、フライス盤等の工作機械の防錆が可能となるチタン合金のエンドミル切削加工装置及びその加工方法を提供することにある。

以上の目的を達成するために、請求項１の発明は、水を入れた容器中にチタン合金を水に浸漬する容器と、圧縮空気によって霧状になった環境に優しい植物油をベースにした極微量の油剤を回転しているエンドミル切削工具に噴霧するミスト用ノズルと、水を前述のエンドミル切削工具に噴射させるもう一つの冷給水用ノズルと、切り屑を除去するために水中におけるエンドミル切削工具に向けて切削加工を行う方向に気泡で圧縮空気を送り込む圧縮空気用ノズルと、直流電源供給制御装置の＋極を接続した水を入れた容器及び直流電源供給制御装置の−極を接続したエンドミル切削工具の回路とから構成するチタン合金の水中におけるエンドミル切削加工装置である。

また、請求項２の発明は、請求項１に記載した切削加工装置による加工において、直流電源供給制御装置の＋極に接続した容器中に水を入れ、さらにチタン合金を浸漬し、固定した後、ミスト用ノズルから圧縮空気によって霧状になった環境に優しい植物油をベースにした極微量の油剤を直流電源供給制御装置の−極に接続したエンドミル切削工具に噴霧し、もう一つの冷給水用ノズルから水を前述のエンドミル切削工具に噴射させ、水中に浸漬した圧縮空気用ノズルから、切削加工を行う方向に気泡で圧縮空気を送り込みながら、切り屑を除去し、直流電源供給制御装置の＋極を接続した水を入れた容器及び直流電源供給制御装置の−極を接続したエンドミル切削工具の回路に電圧を負荷し、電流を供給しながら水中におけるチタン合金のエンドミル切削加工法よりなるものである。

また、請求項３の発明は、請求項１に記載した切削加工装置による加工において、直流電源供給制御装置の＋極に接続した容器中に水を入れ、さらにチタン合金を浸漬し、固定した後、ミスト用ノズルから圧縮空気によって霧状になった環境に優しい植物油をベースにした極微量の油剤を直流電源供給制御装置の−極に接続したエンドミル切削工具に噴霧し、もう一つの冷給水用ノズルから水を前述のエンドミル切削工具に噴射させ、水中に浸漬した圧縮空気用ノズルから、切削加工を行う方向に圧縮空気量が10L／min、気泡の大きさが20mm〜30mmの範囲で圧縮空気を送り込みながら、切り屑を除去し、直流電源供給制御装置の＋極を接続した水を入れた容器及び直流電源供給制御装置の−極を接続したエンドミル切削工具の回路に電圧1V〜30Vの範囲で負荷し、電流1mA〜10mAの範囲で供給しながら水中におけるチタン合金のエンドミル切削加工法よりなるものである。

以上の記載より明らかなように、請求項１によれば、水を入れた容器中にチタン合金を水に浸漬する容器と、圧縮空気によって霧状になった環境に優しい植物油をベースにした極微量の油剤を回転しているエンドミル切削工具に噴霧するミスト用ノズルと、水を前述のエンドミル切削工具に噴射させるもう一つの冷給水用ノズルと、切り屑を除去するために水中におけるエンドミル切削工具に向けて切削加工を行う方向に気泡で圧縮空気を送り込む圧縮空気用ノズルと、直流電源供給制御装置の＋極を接続した水を入れた容器及び直流電源供給制御装置の−極を接続したエンドミル切削工具の回路とから構成するチタン合金の水中におけるエンドミル切削加工装置によって、工作機械（フライス盤）が錆びることなく、エンドミル切削工具刃先の摩耗幅が小さく、良好な加工面粗さを得ることが可能である。

以上の記載より明らかなように、請求項２によれば、請求項１に記載した切削加工装置による加工において、直流電源供給制御装置の＋極に接続した容器中に水を入れ、さらにチタン合金を浸漬し、固定した後、ミスト用ノズルから圧縮空気によって霧状になった環境に優しい植物油をベースにした極微量の油剤を直流電源供給制御装置の−極に接続したエンドミル切削工具に噴霧し、もう一つの冷給水用ノズルから水を前述のエンドミル切削工具に噴射させ、水中に浸漬した圧縮空気用ノズルから、切削加工を行う方向に気泡で圧縮空気を送り込みながら、切り屑を除去し、直流電源供給制御装置の＋極を接続した水を入れた容器及び直流電源供給制御装置の−極を接続したエンドミル切削工具の回路に電圧を負荷し、電流を供給しながら水中におけるチタン合金のエンドミル切削加工法によって、工作機械（フライス盤）が錆びることなく、エンドミル切削工具刃先の摩耗幅が小さく、良好な加工面粗さを得ることが可能である。

以上の記載より明らかなように、請求項３によれば、請求項１に記載した切削加工装置による加工において、直流電源供給制御装置の＋極に接続した容器中に水を入れ、さらにチタン合金を浸漬し、固定した後、ミスト用ノズルから圧縮空気によって霧状になった環境に優しい植物油をベースにした極微量の油剤を直流電源供給制御装置の−極に接続したエンドミル切削工具に噴霧し、もう一つの冷給水用ノズルから水を前述のエンドミル切削工具に噴射させ、水中に浸漬した圧縮空気用ノズルから、切削加工を行う方向に圧縮空気量が10L／min、気泡の大きさが20mm〜30mmの範囲で圧縮空気を送り込みながら、切り屑を除去し、直流電源供給制御装置の＋極を接続した水を入れた容器及び直流電源供給制御装置の−極を接続したエンドミル切削工具の回路に電圧1V〜30Vの範囲で負荷し、電流1mA〜10mAの範囲で供給しながら水中におけるチタン合金のエンドミル切削加工法によって、工作機械（フライス盤）が錆びることなく、エンドミル切削工具刃先の摩耗幅が小さく、良好な加工面粗さを得ることが可能である。

以下、この発明をより具体的に説明する。

ここで、図１は、電気防錆法を利用したチタン合金の水中におけるエンドミル切削加工装置及びその加工方法の概略図である。

図１において、チタン合金１を水中でエンドミル切削加工を行う場合におけるチタン合金１と水２を入れる容器には例えば純銅製容器３が使用される。直流電源供給制御装置の＋極に接続した純銅製容器３は、四側面及び底面部分が純銅で形成され、上面が開放された構造になっている。純銅製容器３は例えば、外寸が長さ230mmＸ幅120mmＸ高さ70mmの容器の内側に内寸が長さ210mmＸ幅100mmＸ深さ60mmの穴部を作製したものから構成されている。その内部にチタン合金１と水２が入れられる。チタン合金１は水２の中に浸漬されている。

直流電源供給制御装置の＋極に接続した純銅製容器３の内部に入れられた水中のチタン合金１の側面部分を直流電源供給制御装置の−極に接続した切削する円柱形状のエンドミル切削工具４が、純銅製容器３の開放された上方から下向きに取り付けられる。図面では、＋極に接続した純銅製容器３及び−極に接続した切削する円柱形状のエンドミル切削工具４の回路を形成する直流電源供給制御装置の本体部分は省略している。また、エンドミル切削工具４を装着する装置本体部分は省略している。

この下向きに取り付けられたエンドミル切削工具４を挟んでミスト用ノズル５と冷給水用ノズル６が取り付けられている。また図面では冷給水用ノズル６側の後方側にノズル先端が水２の中に浸漬された圧縮空気用ノズル７が取り付けられている。

このうちミスト用ノズル５は、圧縮空気によって霧状になった環境に優しい植物油をベースにした極微量の油剤を回転しているエンドミル切削工具４に向けて噴霧するものである。ミスト用ノズル５のノズルの先端はエンドミル切削工具４に向けて取り付けられている。ミスト用ノズル５には極微量の油剤を圧縮空気によって霧状に送り出すタンク等に一端が接続される図示しないホースの他端側が接続されている。

冷給水用ノズル６は冷給水を回転しているエンドミル切削工具に向けて、水を40cc／s〜100cc／sの範囲で噴射するものである。冷給水用ノズル６のノズルの先端はエンドミル切削工具４に向けて取り付けられている。冷給水用ノズル６には冷給水を溜めたタンク等に一端が接続される図示しないホースの他端側が接続されている。

圧縮空気用ノズル７は、エンドミル切削工具４によって切削加工が行われている水中のチタン合金１に向けて、圧縮空気量が10L／min、気泡の大きさが20mm〜30mmの範囲の圧縮空気を送り込んで、水中の気泡をエンドミル切削工具４に噴射させる機能を果たす。圧縮空気用ノズル７は圧縮空気を送り込む図示しないホースの一端が接続されている。

電気防錆法を利用したチタン合金の水中におけるエンドミル切削加工は、以下のとおりである。
（１）チタン合金１を純銅製容器３に固定する。
（２）直流電源供給制御装置の＋極に接続した純銅製容器３に水２を入れる。純銅製容器３は、長さ230mmＸ幅120mmＸ高さ70mmの容器に長さ210mmＸ幅100mmＸ深さ60mmの穴部を作製したものから構成されている。
（３）直流電源供給制御装置の−極に接続したエンドミル切削工具４を所定の回転数に上げ、所定の回転数になったエンドミル切削工具４に向けて、ミスト用ノズル５からミストを噴霧し、冷給水用ノズル６から水を噴射する。なお、ミスト用ノズル５及び圧縮空気用ノズル７の形状は、外径7mm、内径3mm、冷給水用ノズル６の形状は、外径8mm、内径4mmである。
（４）上記の直流電源供給制御装置の＋極に接続した純銅製容器３及び直流電源供給制御装置の−極に接続したエンドミル切削工具４における回路に一定の電圧を負荷して、微少電流を供給する。エンドミル切削工具４に水、圧縮空気、ミストを噴射あるいは噴霧を行いながら、チタン合金１の側面をエンドミル切削加工を行う。
（５）所定量のエンドミル切削加工が終了すれば、エンドミル切削工具の刃先における摩耗量（逃げ面摩耗幅）を測定し、顕微鏡で工具刃先の摩耗状況を観察した。さらに切削加工を行った加工面の凹凸（加工面の表面粗さ）を測定した。評価については、×は、工具刃先の逃げ面摩耗幅が、20μm以上、チッピング（工具刃先の微小な欠損）が発生した場合、加工面の表面粗さ（最大高さＲy）が、3μm以上の場合である。○は、工具刃先の逃げ面摩耗幅が、20μmより小さく、加工面の表面粗さ（最大高さＲy）が、3μmより小さい場合である。

被削材のチタン合金は、Ti-6％Al-4％V合金（ショア硬さ（HS63））を使用した。切削工具は、TiAlNコーテッド超硬エンドミル切削工具（外径8mm、3枚刃）を使用した。チタン合金の形状は、長さ60mmＸ幅50mmＸ高さ50mmである。

電気防錆法を利用したチタン合金の水中におけるエンドミル切削加工試験では、図１に示す直流電源供給制御装置の＋極に接続した純銅製容器及び水中より上部付近の直流電源供給制御装置の−極に接続したエンドミル切削工具にミスト、水を噴射させる。さらに、水中に浸漬した圧縮空気用ノズルから圧縮空気による気泡をエンドミル切削工具に噴射させて、切り屑を除去しながら切削加工を行った。

さらに、ミスト用ノズル、冷給水用ノズル、圧縮空気用ノズルの試験条件は、ミストの油剤量（4cc／時間）、冷給水用ノズルの水量（40cc／s）、水中の圧縮空気量（10L／min）（泡の大きさ20mm〜30mm）である。なお、上記の試験条件は、チタン合金の水中におけるエンドミル切削加工法（特願２００４−３４８２６２）において、最適な試験条件であったので、電気防錆法を利用したチタン合金の水中におけるエンドミル切削加工試験においても、同一の試験条件で行った。電圧、電流の試験条件は、電圧1V〜30V、電流1mA〜10mAの範囲で行った。予備試験の結果、上記の範囲では、電圧、電流の変化に伴う逃げ面摩耗幅、表面粗さの変化はなく、工作機械、周辺機器への著しい錆の発生はなかった。

予備試験の結果、電圧30Vより大きい場合は装置上、負荷することが困難であった。電圧1Vより小さい場合、逃げ面摩耗幅、表面粗さにおいて、良好な結果が得られなかった。また、電流10mAより大きい場合は、装置上、供給ことが困難であった。電流1mAより小さい場合、逃げ面摩耗幅、表面粗さにおいて、良好な結果が得られなかった。
電気防錆法を利用したチタン合金の水中におけるエンドミル切削加工装置及びその加工方法による試験結果は、表１である。エンドミル切削工具の切削速度は、100m／min、切削距離は、約2m、電圧30V、電流10mAの試験結果である。なお、比較のために、切削油剤、水中の試験結果を表１に示す。表中の水中の試験結果において、ミスト用ノズル、冷給水用ノズル、圧縮空気用ノズルの試験条件は、上記の同一の試験条件（ミストの油剤量（4cc／時間）、冷給水用ノズルの水量（40cc／s）、水中の圧縮空気量（10L／min）（泡の大きさ20mm〜30mm））である。

表より、電気防錆法を利用したチタン合金の水中におけるエンドミル切削加工法は、切削油剤の場合あるいは水中の場合よりも逃げ面摩耗幅、表面粗さが良好な結果が得られた。

上記の電気防錆法を利用したチタン合金の水中におけるエンドミル切削加工方法は、水中における切削加工方法に比べて、工作機械（フライス盤）の防錆効果による切削加工精度が向上し、工具刃先における摩耗防止効果が相乗効果として作用したため、逃げ面摩耗幅、表面粗さが極めて良好な結果を得ることができた。

なお、この発明は上記発明を実施するための最良の形態に限定されるものでなく、この発明の精神を逸脱しない範囲で種々の改変をなし得ることは勿論である。

この発明を実施するための最良の形態を示す電気防錆法を利用したチタン合金の水中におけるエンドミル切削加工装置の模式図である。表１は、TiAlNコーテッド超硬エンドミル切削工具による切削加工試験結果である。

符号の説明

１チタン合金
２水
３純銅製容器（直流電源供給制御装置の＋極に接続）
４エンドミル切削工具（直流電源供給制御装置の−極に接続）
５ミスト用ノズル
６冷給水用ノズル
７圧縮空気用ノズル

Claims

水を入れた容器中にチタン合金を水に浸漬する容器と、圧縮空気によって霧状になった
植物油をベースにした極微量の油剤を回転しているエンドミル切削工具に噴霧するミスト用ノズルと、水を前述のエンドミル切削工具に噴射させるもう一つの冷給水用ノズルと、切り屑を除去するために水中におけるエンドミル切削工具に向けて切削加工を行う方向に気泡で圧縮空気を送り込む圧縮空気用ノズルと、直流電源供給制御装置の＋極を接続した水を入れた容器及び直流電源供給制御装置の−極を接続したエンドミル切削工具の回路とから構成するチタン合金の水中におけるエンドミル切削加工装置。
請求項１に記載した切削加工装置による加工において、直流電源供給制御装置の＋極に
接続した容器中に水を入れ、さらにチタン合金を浸漬し、固定した後、ミスト用ノズルか
ら圧縮空気によって霧状になった植物油をベースにした極微量の油剤を直流電源供給制御装置の−極に接続したエンドミル切削工具に噴霧し、もう一つの冷給水用ノズルから水を前述のエンドミル切削工具に噴射させ、水中に浸漬した圧縮空気用ノズルから、切削加工を行う方向に気泡で圧縮空気を送り込みながら、切り屑を除去し、直流電源供給制御装置の＋極を接続した水を入れた容器及び直流電源供給制御装置の−極を接続したエンドミル切削工具の回路に電圧を負荷し、電流を供給しながら水中におけるチタン合金のエンドミル切削加工法。
請求項１に記載した切削加工装置による加工において、直流電源供給制御装置の＋極に
接続した容器中に水を入れ、さらにチタン合金を浸漬し、固定した後、ミスト用ノズルか
ら圧縮空気によって霧状になった植物油をベースにした極微量の油剤を直流電源供給制御装置の−極に接続したエンドミル切削工具に噴霧し、もう一つの冷給水用ノズルから水を前述のエンドミル切削工具に噴射させ、水中に浸漬した圧縮空気用ノズルから、切削加工を行う方向に圧縮空気量が10L／min、気泡の大きさが20mm〜30mmの範囲で圧縮空気を送り込みながら、切り屑を除去し、直流電源供給制御装置の＋極を接続した水を入れた容器及び直流電源供給制御装置の−極を接続したエンドミル切削工具の回路に電圧1V〜30Vの範囲で負荷し、電流1mA〜10mAの範囲で供給しながら水中におけるチタン合金のエンドミル切削加工法。