JPH11197988A - 不燃性ガス雰囲気中での金属材料等の切削方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来のクーラント流やエアブローによる加工
点吹き付けの問題点に鑑み、窒素ガス、炭酸ガス等の不
燃性ガスを工具の切削加工点に吹き付けるようにした不
燃性ガス雰囲気中での金属材料等の切削方法を提供す
る。 【解決手段】 加工機械に装着された工具により、金属
材料等を加工する切削方法であって、上記金属材料等を
加工する工具刃先部分５Ａ又はこの近くの空間を、窒素
ガスＮ、炭酸ガスＣＯ２等の不燃性ガスＧの雰囲気とし
て金属材料Ｗ等を加工すものである。これにより、工具
刃先の摩耗量が改善され、工具の長寿命化、加工精度の
向上が図れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、フライス盤、旋
盤、研削盤、歯切盤等の加工機械に装着した工具によ
り、金属材料又は非金属材料を加工する切削方法に係わ
り、特に、上記工具刃先又はこの近くの空間を不燃性ガ
ス雰囲気中にして加工する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、工作機械の主軸に取付けられた工
具の冷却方法は、切削液（クーラント液）をノズルから
工具の先端に向けて噴射させ、工具先端の摩擦低減や温
度上昇を抑制させ、効率の良い切削と工具寿命を長くし
ている。更に、クーラント液の噴射圧で切粉のクーラン
ト流しを行い、切粉の排除も同時に行っている。

【０００３】上記切削液（クーラント液）を使用した工
具の冷却方法では、スラッジ処理が必要であり、このス
ラッジは切削液が腐敗したものを含んでいるから、その
廃液処理を困難にする。特に、最近は、作業現場の環
境、工場全体の環境、地域社会の環境、地球環境等の保
全が厳しくなり、使用済みの切削液（クーラント液）を
廃棄できなくなった。このことから、クーラントレスの
加工方法の開発・実用化が急務な課題となっている。

【０００４】更に、切削液（クーラント液）の問題点と
して、循環して再使用されるから、その液温が次第に上
昇することとなり、この液温上昇により機械各部の熱膨
張を来し、加工精度を損なう原因の１つになっている。

【０００５】上記事態を踏まえ、低温空気を工具刃先に
吹付けたクーラントレスのドライ加工技術が開発されて
いる。しかしながら、この空気吹付け方式によると、ス
ラッジ処理は不要になるものの、切削点の酸化が促進し
て、仕上面の良好な加工が行えないという問題点があ
る。更に、工具刃先の冷却効果は、切削液と比べて優れ
ていないことから、工具刃先の摩耗が早く、加工面の精
度を早期に低下させるという問題点がある。

【０００６】特に、マグネシウム材やチタン材又はこれ
らチタン・マグネシウム合金材をクーラントレスでドラ
イ加工すると、発火性の強い材料であることから、加工
中に発火してしまうという危険がある。

【０００７】更に、粘りのある材料である例えば、アル
ミ材の加工を行うと、工具刃先に構成刃先が形成され、
アルミ材の加工精度と工具の加工能力を低下させてしま
うという問題やアルミ材の切粉がコイル状になってこの
処理が思うように出来ないという問題がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記従来の
切削液（クーラント液）や空気吹付け（エアブロー）に
よる問題点に鑑みてなされたもので、窒素・炭酸ガス等
の不燃性ガスブローを工具の切削加工点に吹付けた不燃
性ガス雰囲気中での切削方法を供給することを主目的と
する。

【０００９】また、本発明は、ドライカットにおいても
工具寿命を長くすることができる切削方法を提供するこ
とを第２の目的とする。

【００１０】更に、本発明は、加工条件や工具寿命を長
くすることができる不燃性ガスの噴射圧力やその濃度及
び噴射方法などの具体的な切削方法を提供することを第
３の目的とする。

【００１１】そして、鉄系材料やアルミニウム材料及び
発火性の強い金属材料や非金属材料に対して、その加工
精度の向上を図るとともに、安全性の高い切削方法を提
供することを第４の目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１は、加
工機械に装着された工具により、金属材料等を加工する
切削方法であって、上記金属材料等を加工する工具刃先
部分又はこの近くの空間を、窒素ガス、炭酸ガス等のガ
ス濃度９０％以上の不燃性ガスの雰囲気としたことを特
徴とする。

【００１３】請求項２は、加工機械に装着された工具に
より、金属材料等を加工する切削方法であって、上記金
属材料等を加工する切削工具の刃先又はこの近くの空間
を、ガス濃度９０％以上の窒素ガスで無酸素状態とし、
更に、工具刃先を５００℃以上の加工温度状態にて加工
することを特徴とする。

【００１４】請求項３は、請求項２記載の不燃性ガス雰
囲気中での金属材料等の切削方法において、上記切削工
具の工具刃先に超硬コーティング又は多層コーティング
等のコーティング層を形成されている切削工具であるこ
とを特徴とする。

【００１５】請求項４は、請求項１又は２記載の不燃性
ガス雰囲気中での金属材料等の切削方法において、上記
不燃性ガスの噴射圧力を０．２〜１．０Ｍｐａ（２〜１
０kg/cm2）の範囲内の適宜圧力にて供給することを特徴
とする。

【００１６】請求項５は、請求項１又は２記載の不燃性
ガス雰囲気中での金属材料等の切削方法において、上記
不燃性ガスは噴射ノズル又は工具内に明けた供給孔から
工具刃先に供給されることを特徴とする。

【００１７】請求項６は、請求項１又は２記載の不燃性
ガス雰囲気中での金属材料等の切削方法において、上記
金属材料は、鉄系材料であることを特徴とする。

【００１８】請求項７は、請求項１又は２記載の不燃性
ガス雰囲気中での金属材料等の切削方法において、上記
金属材料は、アルミニウム系材料であることを特徴とす
る。

【００１９】請求項８は、請求項１又は２記載の不燃性
ガス雰囲気中での金属材料等の切削方法において、上記
金属材料は、マグネシウム材料、チタン材料等の発火性
材料であることを特徴とする。

【００２０】

【作用】本発明の請求項１によると、フライス盤等の加
工機械の主軸に装着された工具の刃先に対して、窒素ガ
ス、炭酸ガス等のガス濃度９０％以上の不燃性ガスを供
給することができる。この不燃性ガスは、工具刃先部分
又は、この近くの空間に不燃性雰囲気として分配される
から、切削熱で加熱する切粉や刃先に対する冷却作用や
酸化防止作用が働く。更に、工具刃先の摩耗や加熱を緩
和して工具寿命を長くすることができる。

【００２１】本発明の請求項２によると、フライス盤等
の加工機械の主軸に装着された工具の刃先に対して、ガ
ス濃度９０％以上の窒素ガスを供給するとともに、この
工具刃先を５００℃以上の加工温度にて金属材料等を加
工する。これで刃先は窒素ガスと５００℃以上の加熱温
度とにより、刃先表面が窒化処理される。この結果、刃
先の耐摩耗性が向上し、工具寿命が長くなる。

【００２２】本発明の請求項３によると、請求項２にお
いて工具刃先は、超硬コーティングや多層コーティング
等のコーティング層が形成されており、この工具刃先の
コーティング層に窒素ガスが供給され、且つこの刃先が
５００℃以上に加熱されていることから、コーティング
層は加工しながら窒化処理されて強化される。この裏付
けとして、工具刃先を観察すると、工具寿命に到達して
も、刃先から火花が出ず、コーティング層の欠陥や、こ
の部分に切屑等の溶着現象も発生しないことを確認し
た。従って、工具寿命が更に長くなる。

【００２３】本発明の請求項４によると、不燃性ガスの
噴射圧力を０．２〜１．０Ｍｐａ（２〜１０kg/cm2）の
範囲内で加工すべき金属材料や使用する工具の種類に対
応した最適な噴射圧力を行うことができる。従って、不
燃性ガスを無駄なく効率的に噴射でき、金属材料等の加
工能率と工具の寿命を合理的に長くすることができる。

【００２４】本発明の請求項５によると、不燃性ガスを
工具刃先の加工点への供給手段として噴射ノズルを使用
することにより、あらゆる形状工具に対してもその最適
な刃先位置へのガス供給を可能とする。これにより、不
燃性ガス噴射の作用・効果を最大限に発揮させられる。
又、不燃性ガスの噴射手段として、工具内に明けた供給
孔（センタースルー孔）を使用すると、工具刃先の加工
点に集中的にガス供給することができる。特に、深孔ド
リル等のように、ノズルでは供給が不可能なワーク内部
にもガス供給が可能となり、不燃性ガス噴射の作用、効
果を加工条件等により左右されず、最大限に発揮する。

【００２５】本発明の請求項６によると、鉄系の金属材
料への不燃性ガスの噴射により、金属材料の加工点の冷
却と酸化防止作用が得られる他、使用工具の刃先に対し
ても、不燃性ガスが供給させられ、この刃先の冷却、酸
化防止作用の他、刃先表面の窒化作用も発揮されて工具
寿命を長くすることができる。これにより、長時間に渡
り鉄系材料の加工を高精度な加工レベルに維持する。

【００２６】本発明の請求項７によると、アルミニウム
系の金属材料への不燃性ガスの噴射により、アルミニウ
ム材料の加工点の冷却、酸化防止作用が得られる。特に
使用工具の刃先へのアルミ切粉の溶着がなく（コーティ
ング層の有無に関係なく）、切粉状態も冷却作用が十分
に伝達して良好となる。この結果、アルミ加工の表面精
度がエアブローよりも良好に維持される。

【００２７】本発明の請求項８によると、マグネシウム
材、チタン材又はこれらの合金材のように発火性材料へ
の不燃性ガスの噴射で無酸素状態となり、発火性材料の
加工点の冷却、酸化防止作用（発火防止作用）が働く。
これにより、加工点の温度を低下させるとともに、無酸
素状態で、発火現象を完全に抑制することができる。従
って発火性材料を高い安全性のもとに、効率良く、高精
度に加工することが可能である。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面に示す実施形
態について説明する。図１は不燃性ガスブローによる切
削方法の第１実施形態を示す工作機械の正面図であり、
図２は第２実施形態を示し、図３，図４は不燃性ガス発
生装置の回路図である。

【００２９】本発明に係る不燃性ガスブローによる切削
方法を、図１の第１実施形態について説明する。先ず、
加工機械の１つとなる工作機械１の高速回転する主軸３
に装着された工具刃先５Ａに、吹出ノズルｎを向けて配
置する。上記吹出ノズルｎは主軸３を支持する主軸頭７
等に取付けられている。上記吹出ノズルｎは、窒素ガス
Ｎ・炭酸ガスＣＯ２等の不燃性ガスＧの供給源１０に配
管９により接続される。上記不燃性ガスの供給源１０
は、不燃性ガスＧの不燃性ガス生成装置１０Ａを配置す
るか、不燃性ガスボンベ１０Ｂを配置させたものであ
る。尚、上記不燃性ガス生成装置１０Ａ及びガスボンベ
１０Ｂの内容物は窒化作用も期待するならば窒素ガスが
好ましい。

【００３０】上記不燃性ガスＧの噴射温度は、常温から
零下１５０℃の範囲内の適宜温度にて使用されるように
温度管理されている。上記温度管理装置としては、クー
リング装置が採用され、このクーリング装置より加工ワ
ークＷ（金属材料やセラミック・樹脂等の非金属材料）
や工具５に適合した最適温度に調整された不燃性ガスＧ
が上記吹出ノズルｎに供給される。また、不燃性ガスＧ
の噴出圧力は、０．２〜１．０Ｍｐａ（２〜１０kg/cm
2）の範囲内において、加工ワークＷや使用工具に適合
した最適圧力に調整された不燃性ガスＧが上記吹出ノズ
ルｎに供給される。

【００３１】また、工作機械１の主軸３の外周には、全
閉スプラッシュガードＳＧが包囲されており、吹出ノズ
ルｎから工具刃先に向けて噴出された不燃性ガスＧが外
部へ洩れるのを防止するとともに、使用後の不燃性ガス
Ｇは吸引回収器Ｋにより積極的に回収するようになって
いる。

【００３２】続いて、図２に示す、本発明に係る不燃性
ガスブローによる切削方法の第２実施形態について説明
する。加工機械の１つである工作機械１には、高速回転
する主軸３を主軸頭７に支持しており、この主軸に工具
５を装着している。上記主軸３及び工具５の軸先方向に
は、供給孔となるセンター孔５Ｂが貫通している。上記
センター孔は、その上部が主軸３の後部まで貫通して外
部の供給源内に接続されている。又、上記センター孔５
Ｂの下部（末端）は、工具の刃先５Ａに開口しており、
加工ワークＷ（金属材料やセラミック・樹脂等の非金属
材料）との加工点Ｐに集中して不燃性ガスＧを供給する
ことができる。これにより、特に深孔ドリル等のよう
に、第１実施形態によるノズルでは供給が不可能なワー
ク内部にも不燃性ガスの供給が可能となり、その作用、
効果が加工条件に左右されず、最大限に発揮する。

【００３３】上記窒素ガスＮ・炭酸ガスＣＯ２等の不燃
性ガスＧの供給源は、不燃性ガスＧの不燃性ガス生成装
置１０を配置するか、不燃性ガスボンベを配置させたも
のである。尚、上記不燃性ガス生成装置１０及びガスボ
ンベの内容物は窒化作用も期待するのであれば窒素ガス
が好ましい。

【００３４】上記不燃性ガスＧの噴射温度は、常温から
零下１５０℃の範囲内の適宜温度にて使用されるように
温度管理されている。上記温度管理装置としては、クー
リング装置が採用され、このクーリング装置により加工
ワークや工具５に適合した最適温度に調整された不燃性
ガスＧが上記センター孔５Ｂに供給される。また、不燃
性ガスＧの噴射圧力は、０．２〜１．０Ｍｐａ（２〜１
０kg/cm2）の範囲内において、加工ワークや使用工具に
適合した最適圧力に調整された不燃性ガスＧが供給され
る。

【００３５】また、工作機械１の主軸３の外周には、全
閉スプラッシュガードＳＧが包囲されており、工具刃先
に向けて噴出された不燃性ガスＧが外部へ洩れるのを防
止するとともに、使用後の不燃性ガスＧ´は吸引回収器
Ｋにより積極的に回収するようになっている。この回収
ガスＧ´を再利用するには、不純物を排除するフィルタ
部材Ｆを介して不燃性ガス生成装置１０の空気導入口へ
回収ガスＧ´を供給することになる。尚、回収ガスＧ´
を冷却させたい場合は、冷却器とフィルタ部材Ｆを介し
て空気導入口へ導くし、増圧したい場合には、増圧部材
を介入させる。

【００３６】上記不燃性ガス生成装置１０について、そ
の具体的な実施形態を図３により説明する。この実施形
態は、大気中（空気）から窒素ガスＮの成分だけを回収
する窒素ガス生成装置１０である。この窒素ガス生成装
置１０は、窒素源として、窒素８０％、酸素２０％他と
からなる大気を圧縮した圧縮空気源Ｅに求めている。こ
の圧縮空気源Ｅは、空気圧縮機ＥＣにより大気を０．４
〜０．８Ｍｐａ（４〜８kg/cm2）前後に圧縮し、この圧
縮空気源Ｅを工場内のいたる所に配管で供給されてお
り、エアー機器を作動させるための圧縮空気源Ｅになっ
ているものである。

【００３７】上記圧縮空気源Ｅは、開閉弁Ｖ１を介して
水分除去フィルタＦ１（１〜３段）により、水分除去し
たドライエアＥ１とする。このドライエアＥ１は、交換
効率を高めるために、電熱ヒータＨにて５０〜６０℃前
後の温度まで加熱される。

【００３８】上記加熱されたドライエアＥ２は、このド
ライエアＥ２中から窒素ガス成分Ｎだけを分離する並列
接続した複数本の濾過要素Ｒに圧入される。上記濾過要
素Ｒは、中空の糸型フィルタを主要構成要素としてい
る。この中空の糸型フィルタ内に、圧縮空気Ｅのドライ
エアＥ２を圧入すると、重くて分子量の多い、水分、酸
素、炭酸ガスは糸型フィルタを通過出来ず、軽くて分子
量の少ない窒素ガスＮだけが通過出来る。上記フィルタ
効果により、窒素ガス成分Ｎだけを回収・生成する。そ
して、水分、酸素、炭酸ガスは大気へ放出される。

【００３９】上記濾過要素Ｒの各出力側には、絞り弁Ｖ
２が接続され、１本に束ねられた配管Ｐには、開閉弁Ｖ
３から流量計Ｑや流量調節用の絞り弁Ｖ４や逆止弁Ｖ５
等を介して、外部へ供給できるように構成されている。
尚、上記複数本の濾過要素Ｒは、窒素ガスの使用量やガ
ス純度により、その本数を増減させたり、直列接続と並
列接続とを複合的に組み合わせて使用される。

【００４０】本発明は、図４に示すような第２実施形態
の窒素ガス生成装置２０を採用しても良い。この窒素ガ
ス生成装置２０は、上記第１実施形態の窒素ガス生成装
置１０において、大気を圧縮した工場内の圧縮空気源Ｅ
を更に増圧させる増圧手段ＨＰを増設したものである。
この増圧手段ＨＰとして使用されるエア機器は、小型の
エアコンプレッサや増圧エアシリンタ等が適用される。

【００４１】尚、増圧圧力は、工場内に配管された４〜
８kg/cm2前後の圧縮空気Ｅ１を０．６〜１．２Ｍｐａ
（６〜１２kg/cm2）前後に増圧される。このため、大気
圧を０．６〜１．２Ｍｐａ（６〜１２kg/cm2）前後に増
圧する専用コンプレッサの場合よりも小型のエアコンプ
レッサや小型の増圧エアシリンタで済まされるから、設
備費やランニングコストが低減される。その他の構成
は、上記第１実施形態の窒素ガス生成装置１０と同一に
つき、同一符号を付して説明を省略する。

【００４２】本発明の不燃性ガス雰囲気中での金属材料
等の切削方法を実施する具体的な実施装置は、上記のよ
うに構成されている。以下、上記実施装置を使用しての
本発明の切削方法と、その実施結果を説明する。

【００４３】先ず、不燃性ガスを使用した本発明の切削
方法は、上記工作機械１の主軸に装着された工具刃先５
に、吹出ノズルｎから窒素ガスＮや炭酸ガス等の不燃性
ガスＧが噴出される。この不燃性ガスＧにより、工具刃
先５Ａ及び加工ワークＷには、０．２〜１．０Ｍｐａ
（２〜１０kg/cm2）の範囲内において、加工ワークや工
具に適合した最適圧力が供給される。また、その噴射温
度も常温から零下１５０℃の範囲内の適宜温度に調整さ
れている。

【００４４】しかして、不燃性ガス雰囲気中での切削方
法によると、工具刃先５や加工ワークＷは、低温・高圧
の不燃性ガスＧにより冷却されて切削温度を抑える。こ
れにより、工具刃先の熱膨張を防いで高い加工精度を確
保するとともに、火災発生の危険がない。更に、工具刃
先５Ａや加工ワークＷは、不燃性ガスＧにより、加工点
の酸素をなくして工具刃先５Ａや加工ワークＷの酸化を
防止する。更に、工具刃先５Ａや加工ワークＷを冷却し
た不燃性ガスＧは、全閉スプラッシュガードＳＧと、こ
の吸引回収器Ｋにより積極的に回収され、大気を汚染し
ない。

【００４５】更に、本発明の不燃性ガス雰囲気中での切
削方法において、窒素ガスＮを使用すると、以下のよう
に作用する。先ず、加工ワークＷに対し、工具５を高速
回転して加工すると、工具刃先５Ａが加工ワークＷとの
切削により、高温（５００℃以上）に発熱する。この
時、図１に示すように、吹出ノズルｎから刃先５及び加
工ワークＷに適合した０．２〜１．０Ｍｐａ（２〜１０
kg/cm2）の範囲内の最適圧力の窒素ガスＮが噴出され
る。この窒素ガスＮにより、工具刃先５Ａ及び加工ワー
クＷは、窒素ガスＮの雰囲気内にあって無酸素状態を呈
している。

【００４６】上記無酸素状態において、工具刃先５Ａが
窒素ガスＮの雰囲気中にあり、加工熱で高温（５００℃
以上）に発熱していると、窒化現象の条件が整う。即
ち、図５に示すように、ワークＷの加工を行いながら、
工具刃先５Ａに、この工具金属に密着して窒化物Ｃが生
成される。この窒化物Ｃは、耐摩耗性に優れた窒化コー
ティング層となり、工具刃先５Ａを保護する。更に、初
めから刃先５Ａにコーティング層が形成されている工具
であれば、コーティング層が更に補強され、耐摩耗性が
向上する。この裏付けとして、工具刃先を観察すると、
工具寿命に到達しても刃先から火花が出ず、コーティン
グ層の欠落や、この部分に切屑等の溶着現象も発生しな
いことを確認した。上記コーティング層としては、超硬
コーティング又は多層コーティングが適している。

【００４７】上記工具５及び刃先５Ａは、ワーク加工時
において、本来は刃部５Ａが高温にさらされ、この部分
の摩耗が始まると、切れ味が低下して更に発熱が促進し
て摩耗が進展すると云う、悪循環を引き起こして急激に
刃先５Ａが摩滅する。しかし、窒素ガス（Ｎ）下では、
刃部の高温部ほど、窒化が促進してその刃先５Ａが保護
されるため、急激な刃先の摩滅が起こらず、長時間の間
安定した切削性能が発揮される。

【００４８】更に、窒化により刃先５Ａは、その表面に
表面硬化が生じるとともに、その表面の摩擦係数が低下
して滑りやすくなる。これにより、ワーク加工時におい
て、ワークＷとの間に切削抵抗の低下を来し、切削油を
使用しなくても潤滑効果が発揮される。このため、工具
寿命が長くなるとともに、加工面精度や切粉温度が改善
される。

【００４９】上記切削性能を、図６に示す比較図により
説明する。先ず、工具寿命は、エアブローにおいて「〜
１０時間」であるのに対し、窒素ガスにおいて「５０〜
１００時間」に大きく延長した。また、加工面精度は、
エアブローにおいて「２Ｒｚ」であるのに対し、窒素ガ
スにおいて「１．２Ｒｚ〜１．５Ｒｚ」に大きく改善さ
れた。そして、加工時に発生する切粉温度は、エアブロ
ーにおいて「１０００℃」であるのに対し、窒素ガスに
おいて「８００℃以下」に改善された。

【００５０】次に、本発明による実施結果のデータを具
体的に説明する。図７はエンドミルＥＭの刃先を示し、
更に境界摩耗幅（Ｖｂ）と外周逃げ面摩耗を示してい
る。上記エンドミルＥＭを、図１に示す金属加工機械で
ある工作機械１の主軸３に工具５として取付け、噴射ノ
ズルｎから窒素ガスＮを加工点へ噴射する。図８は、上
記エンドミルＥＭによるワーク加工した加工例を示して
いる。具体的には、鉄鋼材（Ｓ５５Ｃ）に対して、エン
ドミル（φ１０）の表面に超硬コーティング（ＴｉＮ又
はＴｉＣＮ，ＴｉＡ(Ｎ）を付着し、このエンドミルを
周速２５〜１２５ｍ，Ｚ軸切込：５mm、ＸＹ切込：２mm
で渦巻き外周加工が実施された。この時、噴射ノズルｎ
からの噴射圧は、０．４〜０．６Ｍｐａ（４〜６kg/cm
2）の範囲内で調整された。

【００５１】図９は、上記エンドミルＥＭの刃先におけ
る「窒素濃度と摩耗」との関係を境界摩耗Ｖｂ：（切削
長１８ｍ時点）でグラフ化したものである。このグラフ
から、上記窒素ガス濃度が少なくとも９０％（酸素濃度
１０％）以上あれば、境界摩耗Ｖｂが８０から６０に減
少して窒素ガスの効果が現れていることを実証してい
る。

【００５２】次に、図１０は、上記エンドミルＥＭにお
けるコーティング層剥離テストを示し、ワークの切削長
（ｍ）と工具摩耗（μｍ）との関係を、窒素ガスとエア
ブローとの違いで比較した。上記剥離テストによると、
切削長１０ｍまでは、エアブローと窒素ガスとはほぼ同
一傾向の摩耗特性（５〜３５μｍ及び２０〜４０μｍ）
を示す。エアブローの場合は、切削長１５ｍで摩耗量６
０μｍとなり剥離する。しかし、窒素ガスの場合は、切
削長２０ｍでも摩耗量５２μｍに止まり、剥離しない。
切削長２５ｍでやっと摩耗量６０μｍとなり剥離するこ
とが実証される。

【００５３】続いて、図１１はエンドミルＥＭの周速
（ｍ）と摩耗量Ｖｂとの関係を示す摩耗テストである。
この図から、エアブローでは周速５０〜１００ｍにおい
て、摩耗量Ｖｂ：６０→５７→７５μｍの特性曲線を示
す。これに対して、窒素ガスでは、周速５０〜１００ｍ
において摩耗量Ｖｂ：３０→１０→２３μｍの特性曲線
を示し、その摩耗量Ｖｂが極めて少ないことを実証して
いる。

【００５４】続いて、図１２において、鉄鋼材（Ｓ５５
Ｃ）における窒素ブロー圧力とエンドミルＥＭの外周逃
げ面摩耗との関係のテスト結果を示している。窒素ブロ
ー圧力０Ｍｐａ（０kg/cm2）で２０μｍの摩耗量が発生
するのに対し、０．２Ｍｐａ（２kg/cm2）では５μｍに
減少し、０．４Ｍｐａ（４kg/cm2）では２．５μｍの最
少値を示した。その後、圧力の増加「０．６Ｍｐａ（６
kg/cm2）で４μｍ，０．８Ｍｐａ（８kg/cm2）で３μ
ｍ，１．０Ｍｐａ（１０kg/cm2）で８μｍになる緩やか
な特性曲線を示している。上記特性曲線から、窒素ガス
のブロー圧力は０．２Ｍｐａ（２kg/cm2）〜１．０Ｍｐ
ａ（１０kg/cm2）の範囲内が適正値であることが実証さ
れた。上記データの特性曲線は、他の金属材料において
もほぼ同一の特性曲線を示した。

【００５５】更に、図１３において、窒素ブロー温度と
エンドミルＥＭの外周逃げ面摩耗との関係のテスト結果
を示している。テストは、窒素ブロー温度を−３０℃〜
＋３０℃の範囲における金属材料別［鉄系：Ｓ５５Ｃ，
ＳＫＤ６１，ステンレス：ＳＵＳ３０４，アルミ材：Ａ
５０５２］のエンドミルＥＭの外周逃げ面摩耗量ＶＢ：
を測定した。上記テスト結果によれば、各金属材料とも
−３０℃〜＋３０℃の温度範囲内で低い摩耗量ＶＢを示
している。ただ、鉄系材料（Ｓ５５Ｃ，ＳＫＤ１）で
は、＋３０℃で７０μｍ及び１００μｍと、急に摩耗量
ＶＢの増加傾向にあることを示している。

【００５６】続いて、アルミニウム材の切削方法につい
ての具体的な実施例とその試験結果を説明する。本発明
の切削方法によるアルミ材の加工は、上記図１に示す工
作機械１の主軸３に装着された工具５の刃先５Ａに、吹
出ノズルｎから窒素ガスＮが噴出される。この窒素ガス
Ｎにより、工具の刃先５Ａ及び加工ワークＷには、０．
２〜１．０Ｍｐａ（２〜１０kg/cm2）の範囲内におい
て、その工具５及び加工ワークＷ´に適合した最適圧力
が供給される。また、その噴射温度も常温から零下１５
０℃の範囲内の適宜温度に調節される。

【００５７】先ず、アルミ材のワークＷ´に対し、工具
５Ａを高速回転して加工すると、工具刃先５Ａがアルミ
材Ｗ´との切削により、高温（５００℃以上）に発熱す
る。この時、図１に示すように、吹出ノズルｎから刃先
５及びアルミ材Ｗに適合した０．２〜１．０Ｍｐａ（２
〜１０kg/cm2）の範囲内の最適圧力の窒素ガスＮが噴出
される。この窒素ガスＮにより、工具刃先５Ａ及びアル
ミ材Ｗ´は、窒素ガスＮの雰囲気内にあって無酸素状態
になっている。

【００５８】上記無酸素状態において、工具刃先５Ａが
窒素ガスＮの雰囲気中にあり、加工熱で高温（５００℃
以上）に発熱しているから、窒化現象の条件が整う。即
ち、図１４（ａ）に示すように、工具刃先５Ａに、この
工具金属の表面に窒化物Ｃが生成される。この窒化物Ｃ
は、耐摩耗性に優れた窒化コーティング層となり、工具
刃先５Ａを保護する。

【００５９】これに対して、エアブローの雰囲気下でア
ルミ材Ｗを加工した工具刃先５Ａは、図１４（ｂ）に示
すように、工具金属の表面にアルミ材Ｗによる構成刃先
Ｋ１が形成される。従って、工具刃先５Ａの切削性が低
下し、工具寿命、加工面精度、切粉温度等を悪化する。
そのテスト結果を上記図６に示している。同一種類の工
具刃先５Ａに対して、一方はエアブロー冷却させ、他方
は窒素ガスによるブロー冷却させたものである。上記測
定結果によると、上記鉄鋼材による場合と、アルミニウ
ム材による場合とほぼ同一のデータが得られた。

【００６０】上記工具５及び刃先５Ａは、一般的には、
アルミ加工時において、本来は刃部５Ａが高温にさらさ
れ、この部分の摩耗が始まると、切れ味が低下して更に
発熱が促進して摩耗が進展すると云う、悪循環を引き起
こして急激に刃先５Ａが摩滅する。しかし、窒素ガス
（Ｎ）下では、刃部の高温部ほど、窒化が促進してその
刃先５Ａが保護されるため、急激な刃先の摩滅が起こら
ず、長時間の間安定した切削性能が発揮される。

【００６１】特に、窒素ガスを使用した切削方法による
と、工具刃先５Ａは、低温・高圧の窒素ガスＮにより冷
却されて切削温度が抑えられる。これにより、工具刃先
の熱膨張を防いで高い加工精度を確保するとともに、無
酸素状態のために、火災発生の危険がない。更に、工具
刃先５Ａは、窒素ガスＮにより、加工点の酸素をなくし
て工具刃先５Ａの酸化を防止する。

【００６２】本発明の切削方法は、アルミ材の加工方法
に限定されない。例えば、アルミ材を窒化させるアルミ
材の窒化加工方法ともなる。上記アルミ材の窒化加工方
法の実施形態を、図１５、１６により説明する。先ず、
工作機械１の主軸３に装着された工具５の刃先５Ａで加
工されるアルミ材Ｗ´に、吹出ノズルｎを向けて配置す
る。吹出ノズルｎは主軸頭７等に取付けられている。

【００６３】上記吹出ノズルｎからの窒素ガスＮの噴射
温度は、常温から零下１５０℃の範囲内の適宜温度にて
使用されるように温度管理されている。上記温度管理装
置としては、クーリング装置が採用され、このクーリン
グ装置によりアルミ材Ｗに適合した最適温度に調節され
た窒素ガスＮが上記吹出ノズルｎに供給される。また、
窒素ガスＮの噴出圧力は、０．２〜１．０Ｍｐａ（２〜
１０kg/cm2）の範囲内において、アルミ材Ｗ´に適合し
た最適圧力に調節されている。

【００６４】本発明の切削方法は、アルミ材Ｗ´に対
し、工具５を高速回転して加工すると、工具刃先５Ａが
アルミ材Ｗ´との切削により、高温（５００℃以上）に
発熱する。この時、図１５に示すように、吹出ノズルｎ
からアルミ材Ｗ´に対して、これに適合した０．２〜
１．０Ｍｐａ（２〜１０kg/cm2）の範囲内の最適圧力の
窒素ガスＮが噴出される。この窒素ガスＮにより、アル
ミ材Ｗ´は、窒素ガスＮの雰囲気内にあって無酸素状態
を呈している。

【００６５】上記無酸素状態において、アルミ材Ｗ´が
窒素ガスＮの雰囲気内にあり、加工熱で高温（５００℃
以上）に発熱しているから、窒化現象の条件が整う。即
ち、図１５に示すように、アルミ材Ｗ´の表面に窒化物
Ｃ（Ａ(Ｎ）が生成される。この窒化物Ｃは、工具刃先
５Ａによりすぐさま切削されて、ボロボロの切粉Ｃ１と
なって、下方へ落下する。これにより、ボロボロの切粉
Ｃ´は、吸引式の切粉回収パイプＰにより完全に回収さ
れる。上記ボロボロの切粉Ｃ´は、図１６（ａ）に示す
ように、米粒状を呈している。しかし、エアブローや他
の冷却方式の切粉C"は、図１６（ｂ）に示すように、連
結したくさり状を呈している。

【００６６】尚、本発明の切削方法に使用される各種工
具に、不燃性Ｇや窒素ガスＮを供給するためのセンター
孔ｈを明けた図２の第２実施形態について、その特別の
作用、効果を確認した。工具の具体例については図１７
（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に紹介する。（ａ）は正面フラ
イス、（ｂ）はエンドミル、（ｃ）はボールエンドミル
の各工具断面を示している。

【００６７】上記センター孔ｈに窒素ガスＮ等の不燃性
ガスを供給する方法によると、特に下記の効果が発揮さ
れることを確認した。 （１） 工具刃先の位置に開口するセンター孔から刃先
に直接的に窒素ガス等の不燃性ガスを噴射できる。この
ため、最少量の窒素ガス等の流量でも最大の作用、効果
を発揮させられ、ランニングコストの低減とガス生成装
置の小型化が図れる。 （２） 窒素ガスが刃先のコーティング層に吸着、吸引
されて、新しい窒化層を生成するから、コーティング層
の保護作用が一層発揮される。 （３） 工具の刃先に対する酸化防止と、冷却作用が十
分に発揮されるから、刃先の温度上昇を８００℃〜９０
０℃以下に抑えられ、刃先の長寿命化を図ることができ
る。

【００６８】本発明の切削方法は、酸化防止、冷却作用
を効果的に発揮することから、チタン金属材やマグネシ
ウム金属材の切削加工時において、加工点で発熱する金
属材に対して無酸素状態とし、発火現象を抑制する作
用、効果があることも確認された。従って、加工点を無
酸素状態とする目的であれば、窒素ガスＮによらず炭酸
ガスを不燃性ガスＧとして使用することができる。

【００６９】本発明による不燃性ガス雰囲気中での金属
材料等の切削方法は、上述した工作機械１に限定され
ず、旋盤や歯切盤、研磨盤等の他、細い孔を明ける穿孔
盤やライン化された自動加工ラインにも広く適用でき
る。旋盤における実施形態を図１８に示している。窒素
ガスのブローは図示のようにノズルｎ´によっても良い
し、バイト内にセンター孔ｈをあけて、ここから刃先供
給しても良い。更に、切削対象となる金属材料は、上記
数例の実施形態に限定されず、窒素ガス、炭酸ガス等の
不燃性ガスが持つ特有の作用、効果は、その特定金属材
料に対して予想される通りのものとなる。このことは、
非金属材料である樹脂材やセラミック材の加工ワークに
おいても、同様な作用、効果が予想される通りに発揮さ
れる。

【００７０】

【発明の効果】本発明の請求項１によると、フライス盤
等の加工機械の主軸に装着された工具の刃先又はこの近
くの空間に供給する窒素ガス、炭酸ガス等の不燃性ガス
を濃度９０％以上にすると、この不燃性ガスは、工具刃
先部分又はこの近くの空間の不燃性雰囲気として分配さ
れるから、切削熱で加熱する切粉や刃先に対する冷却作
用や酸化防止作用が働き、工具刃先の摩耗を抑えて工具
寿命を長くすることができる効果が発揮される。

【００７１】本発明の請求項２によると、フライス盤等
の加工機械の主軸に装着された工具の刃先に対して、ガ
ス濃度９０％以上の窒素ガスを供給するとともに、この
工具刃先を５００℃以上の加工温度にて、金属材料等を
加工するから、刃先は窒素ガスと５００℃以上の加熱温
度とにより、刃先表面が窒化処理され、刃先の耐摩耗性
が向上し、工具寿命が長くなる効果が発揮される。

【００７２】本発明の請求項３によると、工具刃先は、
超硬コーティングや多層コーティング等のコーティング
層が形成されており、この工具刃先のコーティング層に
窒素ガスが供給され、且つこの刃部が５００℃以上に加
熱されることから、コーティング層が更にコーティング
補強され、工具寿命に到達しても、刃先から火花が出
ず、コーティング層の欠陥やこの部分に切屑等の溶着現
象も発生しない等の工具寿命がさらに長くなる効果が発
揮される。

【００７３】本発明の請求項４によると、不燃性ガスの
噴射圧力を０．２〜１．０Ｍｐａ（２〜１０kg/cm2）の
範囲内で加工すべき金属材料等や使用する工具の種類に
対応した最適な噴射圧力を得ることができるから、不燃
性ガスを無駄なく効率的に噴射でき、金属材料等の加工
能率と工具の寿命を合理的に長くできる効果が発揮され
る。

【００７４】本発明の請求項５によると、不燃性ガスを
工具刃先の加工点への供給手段として噴射ノズルを使用
することにより、あらゆる形状工具に対してもその最適
な刃先位置へのガス供給を可能とするから、不燃性ガス
噴射の作用、効果を最大限に発揮させられる。又、不燃
性ガスの噴射手段として、工具内に明けた供給孔（セン
ター孔）を使用すると、工具刃先の狭い領域の加工点に
集中的にガス供給することができる。特に、深孔ドリル
等のように、ノズルでは供給が不可能なワーク内部にも
ガス供給が可能となり、不燃性ガス噴射の作用、効果を
加工条件等により左右されず、最大限に効果を発揮す
る。

【００７５】本発明の請求項６によると、鉄系の金属材
料への不燃性ガスの噴射により、金属材料の加工点の冷
却酸化防止作用が得られる他、使用工具の刃先に対して
も、不燃性ガスが供給させられ、この刃先の冷却、酸化
防止作用の他、刃先表面の窒化作用も発揮されて工具寿
命を長くすることができるから、長時間に渡り鉄系材料
の加工が高精度な加工レベルを維持する効果が発揮され
る。

【００７６】本発明の請求項７によると、アルミニウム
系の金属材料への不燃性ガスの噴射により、アルミニウ
ム材料の加工点の冷却、酸化防止作用が得られる。特
に、使用工具の刃先へのアルミ切粉の溶着がなく（コー
ティング層の有無に関係なく）、切粉状態も冷却作用が
十分に伝達して良好となる。この結果、アルミニウム材
の表面精度がエアブローよりも良好に維持される。

【００７７】本発明の請求項８によると、マグネシウム
材、チタン材又はこれらの合金材のように発火性材料へ
の不燃性ガスの噴射により、発火性材料の加工点の冷
却、酸化防止作用（発火防止作用）が働く。これによ
り、加工点の温度を低下させるとともに、無酸素状態と
して、発火現象を完全に抑制することができる。従って
発火性材料を高い安全性のもとに、効率良く、高精度に
加工することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に使用される加工機械の第１実施形態を
示し、加工機械となる工作機械の正面図及び要部の部分
図である。

【図２】本発明に使用される加工機械の第２実施形態を
示し、加工機械となる工作機械の正面図及び要部の部分
図である。

【図３】本発明の切削方法に使用される窒素ガス生成装
置の第１実施形態のブロック線図である。

【図４】本発明の切削方法に使用される窒素ガス生成装
置の第２実施形態のブロック線図である。

【図５】本発明の切削方法により窒化された工具刃先の
断面図である。

【図６】本発明の切削方法による窒素ガスブローと、従
来方法によるエアブローとの性能比較した性能特性図で
ある。

【図７】本発明の切削方法の実加工に使用したエンドミ
ルの刃先図である。

【図８】本発明の切削方法の実加工に使用したワークと
加工経路を示す斜視図である。

【図９】本発明の切削方法による窒素濃度と工具の境界
摩耗量との特性図である。

【図１０】本発明の切削方法による切削長とコーティン
グ層の摩耗との特性図である。

【図１１】本発明の切削方法によるハイスコーティング
エンドミルの周速と摩耗量との特性図である。

【図１２】本発明の切削方法による窒素ブロー圧力とエ
ンドミル外周逃げ面の摩耗特性図である。

【図１３】本発明の切削方法による窒素ブロー温度とエ
ンドミル外周逃げ面の摩耗特性図である。

【図１４】本発明の切削方法によるアルミニウム材を切
削時の工具刃先と、従来方法による工具刃先の断面図で
ある。

【図１５】本発明の切削方法によるアルミニウム材の表
面窒化方法の作用説明図である。

【図１６】上記図１５によって切削されたアルミニウム
材と、従来方法によるアルミニウム材の切粉片の切粉図
である。

【図１７】各工具にセンター孔を明けた具体例の断面図
である。

【図１８】旋盤への本発明の実施形態を示す概念図であ
る。

【符号の説明】

１……工作機械、３……主軸、５……工具、５Ａ……工
具の刃先、５Ｂ……センター孔、７……主軸頭、１０Ａ
……不燃性ガス生成装置、１０Ｂ……不活性ガスボン
ベ、１０，２０……窒素ガス生成装置、Ｃ……窒化物、
Ｅ，Ｅ１……圧縮空気源、ＥＣ……空気圧縮機、Ｅ１，
Ｅ２……ドライエア、ＥＭ……エンドミル、Ｆ……フィ
ルタ部材、Ｆ１……水分除去フィルタ、Ｎ……窒素ガ
ス、Ｇ……不燃性ガス、Ｈ……電熱ヒータ、ＨＰ……増
圧手段、ｈ……センター孔、Ｋ……吸引回収器、ｎ，ｎ
´……吹出ノズル、Ｐ……加工点、Ｑ……流量計、Ｒ…
…濾過要素、ＳＧ……全閉スプラッシュガード、Ｖ１，
Ｖ３……開閉弁、Ｖ２，Ｖ４……絞り弁、Ｖ５……逆止
弁、Ｖｂ……境界摩耗幅、Ｗ……加工ワーク，Ｗ´……
アルミ材。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 特願平9−329485 (32)優先日 平９(1997)11月13日 (33)優先権主張国 日本（ＪＰ）

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加工機械に装着された工具により、金属
   材料等を加工する切削方法であって、上記金属材料等を
   加工する工具刃先部分又はこの近くの空間を、窒素ガ
   ス、炭酸ガス等のガス濃度９０％以上の不燃性ガスの雰
   囲気としたことを特徴とする不燃性ガス雰囲気中での金
   属材料等の切削方法。
2. 【請求項２】 加工機械に装着された工具により、金属
   材料等を加工する切削方法であって、上記金属材料等を
   加工する切削工具の刃先又はこの近くの空間を、ガス濃
   度９０％以上の窒素ガスで無酸素状態とし、更に、工具
   刃先を５００℃以上の加工温度状態にて加工することを
   特徴とする不燃性ガス雰囲気中での金属材料等の切削方
   法。
3. 【請求項３】 上記切削工具の工具刃先に超硬コーティ
   ング又は多層コーティング等のコーティング層を形成さ
   れている切削工具であることを特徴とする請求項２記載
   の不燃性ガス雰囲気中での金属材料等の切削方法。
4. 【請求項４】 上記不燃性ガスの噴射圧力を０．２〜
   １．０Ｍｐａ（２〜１０kg/cm2）の範囲内の適宜圧力に
   て供給することを特徴とする請求項１又は２記載の不燃
   性ガス雰囲気中での金属材料等の切削方法。
5. 【請求項５】 上記不燃性ガスは噴射ノズル又は工具内
   に明けた供給孔から工具刃先に供給されることを特徴と
   する請求項１又は２記載の不燃性ガス雰囲気中での金属
   材料等の切削方法。
6. 【請求項６】 上記金属材料は、鉄系材料であることを
   特徴とする請求項１又は２記載の不燃性ガス雰囲気中で
   の金属材料等の切削方法。
7. 【請求項７】 上記金属材料は、アルミニウム系材料で
   あることを特徴とする請求項１又は２記載の不燃性ガス
   雰囲気中での金属材等料の切削方法。
8. 【請求項８】 上記金属材料は、マグネシウム材料、チ
   タン材料等の発火性材料であることを特徴とする請求項
   １又は２記載の不燃性ガス雰囲気中での金属材料等の切
   削方法。