JP2008110430A

JP2008110430A - 加工方法及び工作機械

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Publication number: JP2008110430A
Application number: JP2006294715A
Authority: JP
Inventors: Mitsuho Aoki; 満穂青木; Yoshiaki Katsuno; 美昭勝野; Toshiro Aoyama; 藤詞郎青山
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2006-10-30
Filing date: 2006-10-30
Publication date: 2008-05-15

Abstract

【課題】環境汚染を防ぐことができると共に、良好な加工性能を有する加工方法及び工作機械を提供する。
【解決手段】ワークＷを加工するエンドミル５の刃先５ａに切削油を供給しながら、ワークＷを加工する加工方法において、０．０００５ｍｌ／ショット以上０．０１ｍｌ／ショット以下の量で、１０ｍ／ｓ以上１００ｍ／ｓ以下の速度で間欠的に切削油を吐出する微量油吐出機構１０によって、切削油を刃先５ａに直接噴射する。
【選択図】図１

Description

本発明は、加工方法及び工作機械に関し、より詳細には、切削加工、研削加工、ドリル加工等において、工作物を加工する工具の加工部に油を供給しながら、該工作物を加工する加工方法及び工作機械に関する。

例えば、切削加工では、工作物を切削する工具の加工部の冷却、潤滑、切り屑の排出を行なうために、従来、大量の切削油や切削用乳剤が使用されていた。しかしながら、このような切削油の大量消費は、廃油の回収や処理が問題になって環境汚染を引き起こす可能性があるとともに、資源を過剰消費することにもなる。

このため、加工時に、工作物の加工部に微量の霧状の切削油をエアと混合して吹き付けるセミドライ加工が考案されており、工具の刃先近傍に設けられた吐出口から霧状の切削油剤を吐出している（例えば、特許文献１及び２参照。）。
特開平１１−１３８３８６号公報特開２０００−１２６９８３号公報

ところで、特許文献１及び２に記載のセミドライ加工では、霧状の切削油は加工部以外の広範囲に拡散するため非効率であると共に、雰囲気中に拡散するため環境汚染の原因となる。また、油霧発生装置に供給されるエア圧が変化してしまうと、加工部への霧状切削油とエアの量が変化してしまい、加工に際しての適正な潤滑条件を維持することができない。

さらに、高速加工では工具の高速回転によるエアカーテン作用により、加工部に霧状切削油が到達せず、工具寿命の低下や、粗さや引き目等の加工面品質低下を生じるという問題がある。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、環境汚染を防ぐことができると共に、良好な加工性能を有する加工方法及び工作機械を提供することにある。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１）工作物を加工する工具の加工部に油を供給しながら、該工作物を加工する加工方法であって、
前記油を所定量及び所定速度で吐出する吐出機構によって、該油を前記加工部に直接噴射することを特徴とする加工方法。
（２）前記油は、０．０００５ｍｌ／ショット以上０．０１ｍｌ／ショット以下の量で、１０ｍ／ｓ以上１００ｍ／ｓ以下の速度で間欠的に吐出されることを特徴とする（１）に記載の加工方法。
（３）前記加工部に圧縮エアを直接噴射することを特徴とする（１）又は（２）に記載の加工方法。
（４）前記油と前記圧縮エアを別々に設けられたノズル開口からそれぞれ吐出することを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の加工方法。
（５）工作物を加工する工具の加工部に油を供給しながら、該工作物を加工する工作機械であって、
前記油を所定量及び所定速度で吐出して、該油を前記加工部に直接噴射可能な吐出機構を有することを特徴とする工作機械。
（６）前記油は、０．０００５ｍｌ／ショット以上０．０１ｍｌ／ショット以下の量で、１０ｍ／ｓ以上１００ｍ／ｓ以下の速度で間欠的に吐出されることを特徴とする（５）に記載の工作機械。
（７）前記加工部に圧縮エアを直接噴射することを特徴とする（５）又は（６）に記載の工作機械。
（８）前記油を吐出するノズル開口と前記圧縮エアを吐出するノズル開口が別々に設けられていることを特徴とする（５）〜（７）のいずれかに記載の工作機械。
（９）油を所定量及び所定速度で、工作物を加工する工具の加工部に直接噴射可能な吐出機構であって、
前記加工部に圧縮エアを直接噴射することを特徴とする吐出機構。
（１０）前記油は、０．０００５ｍｌ／ショット以上０．０１ｍｌ／ショット以下の量で、１０ｍ／ｓ以上１００ｍ／ｓ以下の速度で間欠的に吐出されることを特徴とする（９）に記載の吐出機構。

本発明の加工方法及び工作機械によれば、工作物を加工する工具の加工部に吐出機構によって所定量及び所定速度で油を直接吐出するようにしたので、油のダイレクト吐出によってエアカーテンを貫くことができるもので、加工部にのみ確実に効率よく油が供給される。これにより、加工部位での発熱の低減、切削力の軽減、刃物の磨耗やチッピングの低減が図れる。また、油の給油量も少量となり省エネルギー化が図れ、セミドライ加工と比べて油が霧状に散乱しないため、廃油の回収、処理が容易となり、ミスト公害による環境汚染を防ぐことができる。具体的に、油は、０．０００５ｍｌ／ショット以上０．０１ｍｌ／ショット以下の量で、１０ｍ／ｓ以上１００ｍ／ｓ以下の速度で間欠的に噴射されることが好ましい。

また、本発明の加工方法及び工作機械によれば、加工部に油に加えて圧縮エアを吹き付けることで、より効果的に工具の加工部の冷却、切り屑の排出を行なうことができる。

さらに、本発明の加工方法及び工作機械によれば、油を吐出するノズル開口と、前記圧縮エアを吐出するノズル開口が別々に設けられることで、吐出された油の直進性が維持され、油を加工部に確実に吐出することができると共に、油がミスト化することが抑制されてミスト公害による環境汚染を防ぐことができる。

以下、本発明の加工方法及び工作機械の各実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の加工方法及び工作機械が適用される、エンドミル加工を行なうフライス盤の構成図で、図２は、本発明の加工方法及び工作機械に適用される微量油吐出機構の構成図である。

図１に示すように、図示しないベッド上に設けられたテーブル１には、工作物であるワークＷが固定される一方、ワークＷの上方には、図示しない主軸ヘッドに固定される工具主軸３に取り付けられる工具であるエンドミル５が設けられている。ワークＷとエンドミル５とは相対的に３軸方向（図１のＸ，Ｙ，Ｚ方向）に移動可能に構成されており、また、エンドミル５は工具主軸３内、或は、工具主軸３の外部に設けられた図示しないモータによって回転駆動される。

また、エンドミル５の近傍には、微量油吐出機構１０のノズル１１が固定部１３を介して主軸ヘッド或はその外部に取り付けられており、ワークＷを加工するエンドミル５の加工部、即ち、エンドミル５の刃先５ａに向けて切削油が直接噴射される。

図２に示すように、本実施形態の微量油吐出機構１０は、油を圧送するポンプ１５と、このポンプ１５から伸びる油配管（ポンプ側配管）１７にオイルフィルタ１９を介して接続され、切削油の量、速度、間隔等の条件を制御装置２１によって制御可能な微量吐出装置２３と、この微量吐出装置２３から伸びる油配管（ノズル側配管）２５を介して接続され、エンドミル５の刃先５ａに微量の切削油を噴射するノズル１１とにより構成されている。

ポンプ１５は、油タンクに付設して設けられてもよい。このポンプ１５は、ノズル１１からの吐出油容量より大きい吐出油容量を有している。ポンプ１５としては、空圧や油圧駆動のピストン式ポンプや、ギヤポンプ等の通常の油圧ポンプを用いることができる。

微量吐出装置２３は、ポンプ１５とノズル１１とを接続する油配管（ポンプ側配管１７、ノズル側配管２５）に介装され、油配管を遮断又は開放するように動作する。微量吐出装置２３には、例えばこれら油配管の遮断・開放動作を回転部材の回転によって行う所謂ロータリーバルブが用いられ、これにより、微量吐出装置２３は上記した油配管を遮断・開放させる一連の動作を繰り返し行えるようになっている。

次に、この微量油吐出機構１０の作用を説明する。微量油吐出機構１０によって油を工作物の加工部に噴射するには、まず、ポンプ１５を駆動する。ポンプ１５の圧力はポンプ側配管１７を通して微量吐出装置２３に伝わる。この際、微量吐出装置２３によって油配管を遮断（ＯＦＦ）し、ポンプ１５によりポンプ側配管１７内の圧力を上昇させる。

微量吐出装置２３は、ポンプ側配管１７内の圧力が十分上昇するまで遮断状態を維持する。即ち、ポンプ側配管１７やポンプ１５内のＯリング等、圧力による変形の大きな部位が十分変形するまで待つ。この際の待機動作は、例えば圧力スイッチによる圧力上昇の確認を行うか、ポンプ１５の駆動開始から数秒待つなどの措置によってなされる。

油圧上昇後、微量吐出装置２３を短時間ｔだけ開放（ＯＮ）することによって、ポンプ圧力がノズル１１に加わり、吐出速度ｖ、吐出量ｑで切削油が加工部に噴射される。つまり、微量吐出装置２３はノズル１１側への油圧を遮断する機能と、ノズル１１へ油圧を伝える機能を持つ。

微量吐出装置２３の下流側部品（微量吐出装置２３自身、ノズル側配管２５、ノズル１１、及びそれらの継ぎ手等の結合部品）は、短時間に微量の切削油が流れるのみであるため、圧力に対して変形し難い部品が使用される。

次に、ノズル１１からの吐出量と、微量吐出装置２３の開放時間ｔとの関係を説明する。ノズル１１から吐出される切削油の吐出速度ｖ（ｍ／ｓ）及び吐出量ｑ（ｍ³／ショット）は（１）式及び（２）式で表される。
ｖ＝Ｃｄ・（２（ｐ−Δｐ）／ρ）^0.5 ・・・（１）
ｑ＝ｖ・πｄ² ・ｔ／４・・・（２）
但し、Ｃｄ：流量係数、ｐ：ポンプ圧力（Ｐａ）、Δｐ：圧力損失（Ｐａ）、ρ：切削油密度（ｋｇ／ｍ³）、ｄ：ノズル径（ｍ）、ｔ：微量吐出装置の開放時間（ｓ）である。

ここで、Ｃｄは流量係数で、ノズル形状及び切削油粘度等によって決まる定数である。切削油用のノズルでは、実質的にノズル径で定まる定数であり、０．９５〜０．５の値をとる。Δｐは圧力損失であり、ほとんどが油配管の圧力損失で、微量吐出装置２３の圧力損失は通常小さい。油配管の圧力損失は層流の粘性流体の管路摩擦の（３）式と実験結果が良く合う。
Δｐ＝３２・μ・Ｌ・ｄ² ・ｖ／Ｄ⁴ ・・・（３）
但し、μ：切削油粘性係数（Ｐａ・ｓ）、Ｌ：配管長さ（ｍ）、Ｄ：配管内径（ｍ）である。

以上の（１）〜（３）式より、ポンプ圧力、切削油（切削油密度、切削油粘性係数）、配管（長さ、内径）が設定されると、微量吐出装置２３の開放時間ｔと、ノズル１１からの吐出量の関係が定まる。

通常、微量吐出装置２３の開放時間ｔは一定とする。即ち、工作機械等主軸の使用条件では、周囲温度の変化は少なく切削油の粘度変化などの影響はほとんど無視できるため、吐出速度や給油量に大きなばらつきが生じることなく安定した潤滑が可能となるためである。

また、ノズル径は０．０６〜０．３ｍｍが最適となる。即ち、０．０６未満では異物に対しノズル１１が詰まる可能性があり、０．３以上では微量吐出装置２３の流速確保が難しくなる上、油配管や切削油粘度の影響で吐出量が大きく変化するため、安定した潤滑が困難になる。

そして、ノズルからの吐出速度ｖは、１０ｍ／ｓ以上１００ｍ／ｓ以下と速く設定されており、高速回転時に発生するエアカーテンの影響を受けずに確実に加工部に切削油を供給することができる。この必要吐出速度からポンプ圧力が決定される。実用的にはポンプ圧力２．５ＭＰａ程度の安価な油圧ポンプにて、十分な吐出速度が得られる。

必要給油量はおよそＱ＝１〜２０ｍｌ／ｈｏｕｒである。ここで、加工部に必要な１ショットあたりの給油量は、条件によって大きく異なるが、０．０００５ｍｌ／ショット以上０．０１ｍｌ／ショット以下に設定される。これは、１ショットの吐出が０．０００５ｍｌ未満では、切削油の圧縮性や油配管の圧力変形、微量吐出装置２３の応答性に起因し、十分な吐出速度が得られない場合があり、０．０１ｍｌを越えると、従来のセミドライ加工と同量程度の油量となり、省エネルギー化が図れなくなると共に、廃油の回収、処理が容易でなくなるためである。

また、必要吐出量から要求される微量吐出装置２３の開放時間ｔは０．１〜５０ｍｓとなる。これは微量油を流す弁として十分実現可能な開放時間となる。従って、微量吐出装置２３の開放時間ｔ（０．１〜５０ｍｓ）、１ショットあたりの吐出量ｑ（０．０００５〜０．０１ｍｌ）により、必要供給量Ｑ（１〜２０ｍｌ／ｈｏｕｒ）を満足する時間間隔で、上記した作用、即ち、ポンプ１５の駆動、微量吐出装置２３の遮断によるポンプ側配管１７内の昇圧、微量吐出装置２３の開放、ポンプ１５の停止を繰り返せば、安定して加工部に噴射することができる。

このように、上記の微量油吐出機構１０によれば、ポンプ１５からの吐出油圧力が一定圧力未満のとき、微量吐出装置２３によって油配管が遮断される一方、ポンプ１５からの吐出油圧力が一定圧力以上となったときには微量吐出装置２３によって油配管が開放され、ポンプ１５からの切削油がノズル１１から間欠的に直接噴射される。このように微量の切削油が高速でワークＷの加工部に直接吐出されることで、加工部にのみ確実に効率よく切削油が供給される。これにより、加工部位での発熱の低減、切削力の軽減、刃物の磨耗やチッピングの低減が図れる。また、切削油の給油量も少量となり省エネルギー化が図れ、セミドライ加工と比べて切削油が霧状に散乱しないため、廃油の回収、処理が容易となり、ミスト公害による環境汚染を防ぐことができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の加工方法及び工作機械について図３〜図７を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態は、微量油吐出機構において切削油に加えて圧縮エアがエンドミル５の刃先５ａに供給される点において第１実施形態と異なるものであるため、第１実施形態と同等部分については、同一符号を付して説明を省略或は簡略化する。

図３に示すように、本実施形態の微量油吐出機構１０ａでは、第１実施形態と同様に切削油がノズル３１から吐出されると共に、エアコンプレッサー３３によって発生した圧縮エアが、エア用配管３５（図１の一点鎖線も参照。）によって減圧弁３７を介してノズル３１に供給され、ノズル３１内で切削油と混合することなくノズル３１から吐出される。

図４に示すように、ノズル３１は、内部を軸方向に貫通する切削油孔３９ａを有する第１円筒部材３９と、第１円筒部材３９の外周に設けられ、第１円筒部材３９のフランジ部３９ｂと側面でボルト固定される第２円筒部材４１と、を有する。第１円筒部材３９の後端部には、切削油用プラグ４３が接続されて切削油孔３９ａをノズル側油配管２５と連通させ、前端部に形成されたノズル開口３９ｃから切削油を吐出する。また、第２円筒部材４１の軸方向中間部には、径方向に貫通するプラグ孔４１ａが形成されており、このプラグ孔４１ａにエア用プラグ４５が接続されている。さらに、このプラグ孔４１ａより前方で第１円筒部材３９と第２円筒部材４１の対向面間には環状隙間４７が形成されており、エア用配管３５から供給された圧縮エアが、この環状隙間４７の前端部のノズル開口４７ａから筒状に噴出される。

このように切削油と共に吐出される圧縮エアは、より効果的にエンドミル５の刃先５ａの冷却、切り屑の排出を行なうことができる。

また、切削油を吐出するノズル開口３９ｃと圧縮エアを吐出するノズル開口４７ａが別々に設けられているので、切削油が霧状になることが抑えられ、雰囲気中にミストが浮遊することを抑制することができる。

なお、ノズル３１の先端には、図５に示すようなカバー部材５１が取り付けられてもよく、圧縮エアが拡散し切削油と干渉するような場合にも、切削油の直進性を支持してエンドミル５の刃先５ａに正確に吐出することができる。
また、圧縮エアのノズル開口は、図４に示すように環状に形成される代わりに、図６に示すように、第１円筒部材３９と第２円筒部材４１の対向面によって円周方向に形成された複数のノズル孔４７ｂによって構成されてもよい。この場合、各ノズル孔４７ｂは、内部の環状隙間４７と連通する。

さらに、圧縮エアのノズルは、切削油が吐出されるノズルと別途形成されてもよく、図７に示すように、切削油が吐出されるノズル５３の周囲で、円周方向の複数箇所に圧縮エアが吐出されるノズル５５が配置されてもよい。

尚、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が可能である。
本実施形態では、フライス盤について説明したが、いずれの工作機械であってもよく、マシニングセンタや、旋盤、研削盤、中ぐり盤等であってもよい。
また、工具の切削油と工具主軸に配置された軸受内部を潤滑する潤滑油が共用できる場合には、微量油吐出機構は、工具の加工部に油を吐出するだけでなく、微量吐出装置に分配機構を設けて軸受内部に油を吐出するようにしてもよい。

以下、本発明の効果を確認するため、ミスト浮遊量測定試験、温度上昇測定試験、逃げ面凝着測定試験を行なった。

（ミスト浮遊量測定試験）
本試験では、微量油のみ或は微量油と圧縮エアを直接噴射する第１及び第２実施形態の加工方法と従来のセミドライ加工の各方法で、切削油を供給開始１分後、下記の専用の測定器を用いてミスト浮遊量を測定した。なお、測定場所は切削点から直線距離５００ｍｍの地点とし、マシニングセンタの扉を閉じた状態で測定を行なった。
測定器：ＫＡＮＯＭＡＸ製ＲＥＳＰＩＲＡＢＬＥＡＥＲＯＳＯＬＭＡＳＳＭＯＮＩＴＯＲ（ＰＩＥＺＯＢＡＬＡＮＣＥＭＯＤＥＬ３５１１）

図８に示すように、セミドライ加工では、ミストコレクタを同時に使用した場合でも、約６．５ｍｇ／ｍ^３のミスト浮遊量であり、日本産業衛生学会が報告しているオイルミストの工場内規制値である３ｍｇ／ｍ^３を大きく越えている。一方、第１及び第２実施形態の微量油を直接噴射した場合は、それぞれ０．１ｍｇ／ｍ^３以下、約０．３５ｍｇ／ｍ^３以下であり、雰囲気中にミストが浮遊しにくいことがわかる。

（温度上昇測定試験）
本試験では、微量油のみを直接噴射する第１実施形態の加工方法、セミドライ加工、切削油剤を全く使用しないで加工するドライ加工の３つの加工を行ない、図９に示すように、ワークＷに３０ｍｍ間隔（切削距離１ｍ間隔）で埋め込まれた３つの熱電対６０を用いて、切削点近傍の温度を測定した。なお、ワークＷはアルミニウム合金（Ａ６０６１）、工具は直径１０ｍｍの超硬スクエアエンドミル（２枚刃）が使用され、表１及び下記に示すような条件の下で試験を行なった。

（切削条件）
回転数：１５０００ｍｉｎ−１
切削送り：１５００ｍｍ／ｍｉｎ
軸方向切込み：６．０ｍｍ
半径方向切込み：０．５ｍｍ
切削の仕方：側面切削／ダウンカット

図１０に示すように、どの供給方法においても、熱電対と切削点との間の距離ｌが小さくなるほど温度は線形に上昇している。また、ドライ加工では、熱電対先端から０．５ｍｍの位置を切削した時に約６．５度上昇しているが、本発明とセミドライ加工では、いずれも約３．８度の上昇であり、本発明は、いずれの距離においてもセミドライ加工と同様な冷却効果が得られることがわかる。

（逃げ面凝着測定試験）
本試験では、上記の温度測定試験と同様の条件で、第１実施形態の加工方法、セミドライ加工、ドライ加工の３つの加工を行ない、図１１に示すエンドミル５の刃先５ａの逃げ面５ｂに切り屑が凝着した凝着幅を顕微鏡にて観察した。

図１２に示すように、ドライ加工では、切削距離が増加するに従って凝着幅が増加しているが、本発明の加工方法では、切削距離が３０ｍ以降も７μｍ以下と、セミドライ加工と略同様に凝着幅を低減することができ、刃物の磨耗やチッピングを低減できることがわかる。

微量油吐出機構によって油を供給しながら行なわれるエンドミル加工を示す斜視図である。本発明の第１実施形態の工作機械に適用される微量油吐出機構の構成図である。本発明の第２実施形態の工作機械に適用される微量油吐出機構の構成図である。図３の微量油吐出機構のノズルの断面図である。第２実施形態の微量油吐出機構の第１変形例であるノズルの断面図である。第２実施形態の微量油吐出機構の第２変形例であるノズルの正面図である。第２実施形態の微量油吐出機構の第３変形例であるノズルの断面図である。本発明の加工方法及びセミドライ加工でのオイルミストの浮遊量を表すグラフである。温度測定試験の模式図である。本発明の加工方法、セミドライ加工、ドライ加工での温度上昇を表すグラフである。（ａ）は工具先端部を示す拡大図であり、（ｂ）は工具が工作物を加工する状態を示す側面図であり、（ｃ）は工具の逃げ面に付着した凝着物の幅を示す断面図である。本発明の加工方法、セミドライ加工、ドライ加工での切削距離と凝着幅との関係を示すグラフである。

符号の説明

５エンドミル（工具）
５ａ刃先（加工部）
１０，１０ａ微量油吐出機構
１１，３１ノズル
１５ポンプ
２３微量吐出装置
Ｗワーク（工作物）

Claims

工作物を加工する工具の加工部に油を供給しながら、該工作物を加工する加工方法であって、
前記油を所定量及び所定速度で吐出する吐出機構によって、該油を前記加工部に直接噴射することを特徴とする加工方法。
前記油は、０．０００５ｍｌ／ショット以上０．０１ｍｌ／ショット以下の量で、１０ｍ／ｓ以上１００ｍ／ｓ以下の速度で間欠的に吐出されることを特徴とする請求項１に記載の加工方法。
前記加工部に圧縮エアを直接噴射することを特徴とする請求項１又は２に記載の加工方法。
前記油と前記圧縮エアを別々に設けられたノズル開口からそれぞれ吐出することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の加工方法。
工作物を加工する工具の加工部に油を供給しながら、該工作物を加工する工作機械であって、
前記油を所定量及び所定速度で吐出して、該油を前記加工部に直接噴射可能な吐出機構を有することを特徴とする工作機械。
前記油は、０．０００５ｍｌ／ショット以上０．０１ｍｌ／ショット以下の量で、１０ｍ／ｓ以上１００ｍ／ｓ以下の速度で間欠的に吐出されることを特徴とする請求項５に記載の工作機械。
前記加工部に圧縮エアを直接噴射することを特徴とする請求項５又は６に記載の工作機械。
前記油を吐出するノズル開口と前記圧縮エアを吐出するノズル開口が別々に設けられていることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の工作機械。
油を所定量及び所定速度で、工作物を加工する工具の加工部に直接噴射可能な吐出機構であって、
前記加工部に圧縮エアを直接噴射することを特徴とする吐出機構。
前記油は、０．０００５ｍｌ／ショット以上０．０１ｍｌ／ショット以下の量で、１０ｍ／ｓ以上１００ｍ／ｓ以下の速度で間欠的に吐出されることを特徴とする請求項９に記載の吐出機構。