JP7428674B2 - 切削加工用クーラントの供給方法 - Google Patents

Description

本発明は、工作機による切削加工における、工具摩耗低減のためのクーラント供給方法に関する。

工作機のクーラント中に微細気泡を含有させることで、切削抵抗を低減したり、工作物のソリを半減したりするなど、生産性の向上に寄与することが知られている（例えば、非特許文献１）。

特許文献１では、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が開示されている。微細気泡を発生する装置は、切削油タンク内に浸漬され、この切削油がポンプによって吸引され、ノズル部へ到達したのち霧状となって加工部位に噴霧される。この噴霧される多数のオイル粒子の中に微細な気泡を含むことで、切削抵抗を低減している。

特許文献２では、研削加工および切削加工時に、サイズの異なるマイクロバブル（直径１μｍを超え１００μｍ以下の微細気泡）、ウルトラファインバブル（直径１μｍ以下の微細気泡）それぞれが与える作用について開示されている。

特開２０２０－６４７９号公報 特開２０２０－１４６７８６号公報

マイクロバブルクーラントのバブル条件と加工性能の関係第２報：クーラント中のバブル状態（砥粒加工学会、２０１９年度砥粒加工学会学術講演会論文集ｐ３６６－３６７）

特許文献１では、オイルミスト中に微細気泡を含有させることによって、切削抵抗の低減を図っている。しかしながら特許文献１の発明は、切削抵抗の低減には効果的であったと記載があるものの、工具摩耗については十分な検討がなされていない。発明者らの実験においては、単にクーラント中に微細気泡を混入させても、工具摩耗の低減という効果を確認することはできなかった。

発明者らは、特許文献２のようにサイズの異なるマイクロバブル（直径１μｍを超え１００μｍ以下の微細気泡）、ウルトラファインバブル（直径１μｍ以下の微細気泡）、それぞれが切削抵抗に与える影響を調査した。今回は同じく、工具摩耗に与える影響に着目して研究を行ったところ、ウルトラファインバブル存在下では切削工具の摩耗量が減少し、一方でマイクロバブルの存在下では逆に摩耗量が増加することを発見した。

ウルトラファインバブルを含むクーラントは、濡れ性が向上したり、付着エネルギーが低下したりといった現象があることを発明者は明らかにしている。そして、これらの性質を持つことで、ウルトラファインバブルを含むクーラントは、加工中の工具とワークの隙間に、より入り込みやすくなったり、この隙間の熱をより冷却したりすることが期待される。

マイクロバブルは、はじける際に衝撃波が発生することが知られている。前記マイクロバブルの衝撃波は工具表面の構成刃先の剥離を促すという、ウルトラファインバブルには無い作用がある。衝撃波によって工具表面の構成刃先が剥離すると、工具表面に新たに金属部が露出し、その状態で工作物である金属と接触するため、工具摩耗が進行しやすいという懸念がある。

そこで本願では、ウルトラファインバブルを十分に含み、かつマイクロバブルを意図的に除去したクーラントを切削加工部へ供給することで、工具摩耗を低減させることを課題とした。

前記課題を解決するためには、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クーラントから、工具摩耗の低減に効果的なウルトラファインバブルを残したまま、工具摩耗が悪化する原因となるマイクロバブルのみを意図的に除去する必要がある。

しかしながら、マイクロバブルは流路途中の配管の中でも自然に発生し、クーラント中にウルトラファインバブルを供給する際にも同時に発生し、ノズルからの噴出時にも発生するため、通常のクーラント供給方法では常にマイクロバブルが混入してしまう。さらに、マイクロバブルを除去するための、真空や超音波、遠心分離などを用いた電力供給の必要となる大掛かりな脱泡装置は、工作機の内部に後付けができない。

本発明者らは、マイクロバブルが、液滴のサイズを小さくにすることによって除去できることを利用して、クーラントをミスト状にすることで、ウルトラファインバブルを含有したまま、クーラント中のマイクロバブルを十分に除去できるという知見を得た。ウルトラファインバブルよりもサイズの大きなマイクロバブルは、小さな液滴中において、すぐに浮上し液滴表面で破裂、消滅する。ミストの大きさが、除去しようとするマイクロバブルと同程度から１０倍程度となる場合に、マイクロバブルがより除去されやすくなることを確認した。

本発明では、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クーラントを、ミストノズルによって噴霧することで、ウルトラファインバブルのみを含んだクーラントを切削加工部分に供給し、前記課題を解決した。

切削加工において、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クーラントから、ミストノズルを通してマイクロバブルのみを除去することで、切削工具の摩耗を大幅に低減することが可能となった。

さらに本発明では大掛かりな脱泡装置を必要としないため、工作機の内部に後付けが容易である。またミストノズルは安価であるため、様々な切削加工に適用しやすい。具体的には、切削加工における穴明け加工、旋削加工、側面加工、ポケット加工、外周加工、溝加工、ざぐり、その他自由形状の加工に好適に使用することができる。

本発明の概要模式図 本発明の切削工具の逃げ面摩耗の比較のグラフ

本発明の切削加工用クーラントの供給方法は、以下の内容にて実施できる。

はじめに、ウルトラファインバブルを十分に含んだクーラントを用意する。あらかじめウルトラファインバブルを十分量含んだクーラントを入手し使用してもよいし、クーラントタンク中で装置を用いてウルトラファインバブルを発生させてもよいし、クーラントを供給する流路の途中にウルトラファインバブル発生装置を設置して供給してもよい。ウルトラファインバブルの濃度が２千万個／ｍＬ以上存在である場合には、濡れ性の向上や、付着エネルギーの低減効果が得られ、切削加工時の工具摩耗低減に効果的に作用する。

ウルトラファインバブルは切削加工に供給した後も効果が持続するため、一度切削加工部に供給したクーラントを循環し再利用してもよい。

ウルトラファインバブルには、空気・窒素・オゾン・二酸化炭素などのガスを適宜使用することができる。小型のウルトラファインバブル発生装置にて発生させる場合には、１パスのクーラント循環では所望のバブル濃度に到達しない場合があり、その場合には複数回循環させてウルトラファインバブルを供給すればよい。例えば、好ましくは３０パス以上、より好ましくは１００パス以上循環し、２千万個／ｍＬ以上のウルトラファインバブルを発生させればよい。

クーラントの油分割合は、体積比で０を超え２０％以下であることが好ましい。クーラント中に油分が０である場合には、ウルトラファインバブルが生成しにくいため、微量でも油分または界面活性剤、アルコール類を含むことで、それがウルトラファインバブルを発生させる核となり、発生効率や寿命を向上させることができる。

使用するクーラントは水溶性クーラントであるとより好ましい。エマルジョン、ソリュブル、ソリューションなど、いずれのタイプでもよく、強アルカリクーラントであってもよい。

ウルトラファインバブルを含んだクーラントは、クーラントを保持するタンクを始点として、加工熱の冷却に供するために必要な箇所を終点として接続された流路により、供給される。流路は、例えば断面が円形の配管部品であり、内径が１／８インチから２インチ程度までの間で、クーラントの必要流量に合わせて適宜選択する。流路には、流量調整バルブや電磁弁を備え、工作機からの電気信号を受けて、クーラントの供給量を調整するとよい。

マイクロバブルを除去するミストノズルはクーラント流路の終点に設置する。ミストノズルは、クーラントが供給される入口と、ミストとなってクーラントが切削工具に供される出口を備える。ミストノズルには、クーラントのみを供給しミスト化する１流体ノズルと、クーラントと圧縮エアの両方を供給する２流体ノズルがあり、いずれのノズルを用いてマイクロバブルを除去してもよい。ミストノズルが、１流体ノズルである場合には切削加工部からのクーラントが飛散しにくいため、より効果が得られやすい。

ノズルの入口の断面は円形であり、断面積は出口より広いとより好ましい。出口は入口よりも小さな穴があいており、ミストの噴霧パターンや流量はこの穴の大きさや形状によって変化させることができる。流量は、３０～１１００ｍＬ／ｍｉｎで、工具軸方向の切込み量に合わせて流量を調整するとよい。

除去しようとするマイクロバブルの気泡に対してミストの直径が、同程度から１０倍程度の場合に、ミストと空気の界面から、マイクロバブルが効率よく除去される。クーラント中の１～２０μｍ以下のマイクロバブルは自然に潰れ消滅してしまい、５５μｍ超のマイクロバブルの多くはクーラントタンク中で瞬時に浮上し消滅するため、実際にクーラント供給時に含まれるマイクロバブルのサイズは２０～５５μｍ程である。そのため、ミスト粒径は平均９０μｍ～４２０μｍになるように選択することが好ましい。ウルトラファインバブルは浮上速度が遅いのでミスト内に留まりやすく、マイクロバブルは、ミストと空気の界面から早く脱泡する。

以上の手段で、ウルトラファインバブルおよびマイクロバブルを含んだクーラントの中からウルトラファインバブルのみを残存させて、切削加工部に供給することができるので、工具摩耗が低減する効果を得られる。

ミストノズルは工具の刃先から２０～１２０ｍｍ程度の位置に設置し、複数のミストノズルから、様々な角度で噴霧してもよい。噴霧されるミストは、円錐状でミスト粒径が制御された指向性を持つミストであるとよい。切削地点での噴霧径はφ２０～１２０であるとき、より効果的にクーラントを供給することができる。

本発明に適用できる工具は、１枚刃以上のエンドミルでもよいし、ボールエンドミルでもよい。ドリルでもよいし刃先交換型チップでもよい。ドリルのアスペクト比は１０または２０を超えていてもよく、相対的に深い穴の加工においてはウルトラファインバブルクーラントの切削工具の摩耗量の低減効果が顕著に現れるのでよい。さらに、超音波重畳スピンドルヘッドを併用してもよい。

適用する工作機は、旋盤でもよく、マシニングセンタでもよく、フライスでもよい。設置スペースを必要としないため、ほとんどの工作機に取り付け可能である。

工作物の材質は、構造用鋼・炭素鋼・ダイス鋼・ＳＵＳのほか、アルミニウムのような軟質金属からチタンのような硬質金属、さらにはＦＲＰのような複合材料に対しても効果を奏する。

以下の内容で比較実験を行った。以後、ミストノズルを使用したクーラント供給方法をミストクーラント、ミストノズルを使用しない通常のクーラント供給方法をウォータークーラントとして以下説明する。概要模式図を図１に示す。

実施例１…ウルトラファインバブル＋ミストクーラント
比較例１…ウルトラファインバブル無＋ミストクーラント
比較例２…ウルトラファインバブル＋ウォータークーラント
比較例３…ウルトラファインバブル無＋ウォータークーラント
全ての実施例、比較例において、工作機は縦型マシニングセンタを用いてＢＴ４０テーパ主軸にコレットチャックを装着して、外径φ１０ｍｍの４枚刃超硬ノンコートエンドミルを用いた。切削速度は２００（ｍ／ｍｉｎ）送り速度７６４（ｍ／ｍｉｎ）で径方向の切込みは０．２５ｍｍで軸方向の切込みは３．８ｍｍで加工１刃あたりの切込みは０．０３ｍｍであった。工作物はＳ４５Ｃで、切削距離５０ｍまで実験を行った。クーラントには水溶性エマルジョン（製品名：アプカＦ－８０８Ｖ）を使用した。

ウルトラファインバブルを用いた実施例１および比較例２では、クーラント中に少なくとも２千万個／ｍＬ以上のウルトラファインバブルを発生させた。ウルトラファインバブル発生装置には０．１Ｍｐａの水圧をかけるとともに、毎分５Ｌの空気を混合し続けてウルトラファインバブルを発生したのち、クーラントタンクの容積１００Ｌあたり１時間の循環を行った。ウルトラファインバブル個数の測定には、ウルトラファインバブル測定機（製品名：Ｚｅｔａ Ｖｉｅｗ 測定レンジ０．０２～１μｍ）を用いて、ナノ粒子トラッキング法によって計測した。また、マイクロバブルは１００万個／ｍＬで含まれていた。マイクロバブルの個数はマイクロバブル測定器（製品名：Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｉｎｓｉｇｈｔ 測定レンジ１μｍ～２００μｍ）で計測した。

ミストクーラントである実施例１と比較例１では、ミストノズルはＲＣ１／８インチの１流体ノズルのものを、クーラント供給ホース先端に取り付けて、超硬ノンコートエンドミル刃先から水平方向に１１０ｍｍ離れた位置に設置した。ミストノズルはＲＣ１／８インチのめねじを備えるので、前記ホース先端のおねじに簡単に取り付けすることができた。

ミストノズルから供給されたミストは切削加工部分に約φ９０の噴霧径で供給され、ミストクーラント流量は３６０ｍＬ／ｍｉｎで行った。ミスト粒径を液浸法で確認したところ、切削加工部到達地点でのミスト粒径は平均２７０μｍ程であった。比較例２、３のウォータークーラントの流量は１５Ｌ／ｍｉｎで実施した。

図２に加工後の工具逃げ面の摩耗量結果を示す。ウォータークーラントを使用した比較例２、３ではウルトラファインバブルの有無に関わらず工具の摩耗は著しく、切削距離２０メートル時点で摩耗量が８０μｍを超えたため実験を中断した。一方、ウルトラファインバブルを含まないミストクーラントを供給した比較例１では、図２の通り、マイクロバブルの除去効果によって工具摩耗量がウォータークーラントと比較して半減した。さらに実施例１のようにウルトラファインバブルを十分に付与した場合には、工具の摩耗量はウルトラファインバブルを含まない比較例１に対して３０％低減することができた。実施例１と比較例３を比較すると工具摩耗が約１／３となった。工具調達コストを削減でき、工具の廃棄コストと環境負荷も低減することができた。

１ 本発明の概要模式図
２ ウルトラファインバブル発生装置
３ ポンプ
４ ミストノズル
５ クーラントタンク
６ 切削加工機
７ マイクロバブル
８ ウルトラファインバブル
９ 流路
１０ 切削工具
１１ 工作物

Claims (2)

1. ウルトラファインバブルとマイクロバブルの両方を含む水溶性クーラントを、１流体ミストノズルから平均粒径９０μｍ～４２０μｍとなるミストを噴霧することで２０～５５μｍのマイクロバブルを供給直前で除去し、切削加工部に供給する、切削加工用クーラントの供給方法。
2. ウルトラファインバブル発生装置と、水溶性クーラントを保持するクーラントタンクと、前記クーラントを前記クーラントタンクから加工部まで供給する流路と、前記流路の終点に備えたミストノズル、とを備え、平均９０μｍ～４２０μｍのミストを噴霧する1流体ノズルを備え、２０～５５μｍのマイクロバブルを加工部供給直前で除去する、切削加工用クーラント供給システム。

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