JP3354156B2 - 切削機械及び研削機械におけるクーラント液の供給方法と装置 - Google Patents

切削機械及び研削機械におけるクーラント液の供給方法と装置

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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、垂直主軸を有する切削機械及び研削機械に
おけるクーラント液の供給方法と装置、特に刃物等と工
作物との接触箇所へのクーラント液流の供給方法と装置
に関するものである。
背景技術 機械加工において、加工時間を短縮し、加工歪みを極
少にするために大きな要素となるのは切削刃又は研削工
具と工作物との接触潤滑性と、摩擦熱の放熱・冷却性を
高めることである。すなわち、切削状態はわずかな表層
弱化を与えることにより改善されるという観点から、切
削の主せん断域に全方向からクーラント液を侵入させ、
発生した微視的き裂や空隙に吸着させれば、表面エネル
ギーを低下させて再接着を妨げることになる。このよう
なせん断域の脆性効果は、せん断角の増大、及び切り屑
厚さの薄小化と切削力の減少に大きな効果を発揮する。
一方、工具は工作物表面に塑性変形とせん断の場を繰り
返し過渡的に形成していくものであるから、その工具が
接触する塑性変形とせん断の過渡的な場ごとに効果的に
冷却、潤滑を行うことはきわめて重要である。
しかしながら従来の工作機械において、そのような過
渡的な場（工具接触箇所）にノズルから直接供給される
クーラント液は、工具又は工作物の回転により跳ね飛ば
され、工具と工作物表面を皮相的に掠るだけであるから
効果的な冷却、潤滑に寄与しているとはいえないもので
ある。
発明の開示 本発明者は、工作機械におけるクーラント液が好まし
い流動性をもって、且つ回転表面から受ける遠心力に抗
して皮膜状に工具／工作物接触箇所にたどりつき、せん
断域によく侵入できるようにするため、種々のクーラン
ト液の相状態を実験的に現出し、検討した。
発明者の一つの試みは、クーラント液が加工部に潤沢
に供給されるようにするため、同液をノズルから加工部
に向かって直接噴射するのでなく流れとしてそこに供給
しようとするものであった。このためノズルは、加工部
を包囲する非回転の円周領域にクーラント液を噴射する
ものであり、内部でクーラント液の微粒状乱流を形成
し、かつ螺旋状に回転を与えることにより、その円周領
域に達したクーラント液が渦巻き状に這うようにして回
転工具を含む中心部に向かうことを発見した。
従って本発明の一つの局面は、垂直主軸に連結された
フライス工具又は研削工具の上方に、クーラント液用の
円環状ノズルをほぼ同軸位置において下向きに配置し、
このノズルの排出口までの内壁に乱流を与えるための曲
面と捩じり流路を設けたことにより、供給されたクーラ
ント液を微粒状乱流の集まりであって総体的には螺旋流
として前記排出口により下向きに排出させ、これによっ
て前記フライス工具又は研削具を包囲するとともに下端
が工作物の表面に達したクーラント液の螺旋流からなる
円筒状ベールを形成し、前記円筒状ベールの下端より前
記螺旋流の少なくとも一部を前記工作物の表面に沿って
渦巻き状に中心部に向かわせてフライス工具又は研削具
と接触する加工箇所に供給し、さらに切り屑及び摩擦熱
とともに前記円筒状ベール外に排出し、工作物の表面を
伝って拡散させるようにしたことを特徴とする切削機械
又は研削機械のクーラント液供給方法を構成したことで
ある。
上記の構成において、クーラント液の円筒状ベールそ
のものは前記渦巻き状表面流の形成に寄与するほか、切
削による油分や加工物表面皮膜の焼け焦げによる煙を閉
じ込めて環境汚染の防止に役立つものである。また実験
の結果、クーラント液に、連続的に気泡を混入すれば、
液相質量が軽くなって工具接触箇所周辺の回転物に当た
っても遠心力が小さいため吹き飛ばされ難く、また気泡
が破裂したとき全方向に飛散するなかで、工具接触箇所
に向かう飛沫が細いせん断域にも侵入して潤滑性をよく
すること、及び残存した気泡は切り屑等の異物に付着し
てそれらの流動性及び浮力を高めてクーラント液の分離
回収に寄与することを発見した。
従って本発明の別の一つの局面は、切削又は研削加工
のためのクーラント液に連続的に気泡を含ませた状態で
加工箇所に供給し、気泡がその加工箇所に衝突・破裂す
る際の全方向への飛散と、加速された飛沫の刃物／加工
物圧接面への侵入とを促進させることにより、前記加工
箇所の冷却性と潤滑性を高めるとともに、加工箇所に達
しないか又は到達しても同箇所を通過して回収流路系に
至ったクーラント液中の気泡を同液中の懸濁異物に付着
させることにより、それらの異物の浮上を促進すること
を特徴とする切削機械又は研削機械のクーラント液供給
方法を構成したことである。当然ながら、前記円筒状ノ
ズルに供給するクーラント液に気泡を含ませるならば、
加工部へのクーラント液の渦巻流による供給と前述した
気泡による効果を併せて発揮せしめるものであることは
明らかである。
前述の、流れとしてクーラント液を供給する方法に用
いるために発明されたノズル構造は、垂直主軸に連結さ
れたフライス工具又は研削工具の上方において前記主軸
と同軸的且つ下向きに配置するための、クーラント液用
の円環状ノズルであって、 ａ）環状の入口室を形成する入口環部と、 ｂ）前記環状の入口室に同軸的に隣接した流路環部であ
って、その軸対象位置において前記入口室に連通した少
なくとも２本の導入路と、これらの導入路にそれぞれ連
通して形成され、いずれか統一された回転方向に捩じら
れた外向き又は内向きの捩じり流路と、これらの捩じり
流路の各終端に連通した環状の乱流形成部分とを有する
ようにした前記流路環部と、 ｃ）前記流路環部における前記乱流形成部分の全環状域
に連通し、下方及び求心方向又は外向きに開放した環状
のノズル空間を形成するためのノズル環部とからなり、 ｄ）前記流路環部における前記乱流形成部分から前記ノ
ズル空間に至る流路壁に乱流形成のために半径方向に折
り返された少なくとも一つの曲折面を設けたことによ
り、供給されたクーラント液を微粒状乱流の集まりであ
って総体的には螺旋流として前記ノズル空間より放出さ
せ、この螺旋流からなる実質的な円筒状ベールを形成し
て前記フライス工具又は研削具を包囲するようにしたこ
とを特徴とするものである。
発明を実施するための最良の形態 本発明の基本システム構成を示した図１において、１
は大容量のクーラント液メインタンク、２はクーラント
ポンプ（P1）であり、この場合、空気を噛み込んで気泡
を含ませたクーラント液を円環状ノズル３に供給するも
のである。円環状ノズル３は、後述するポンプP1から供
給されたクーラント液を、微粒状乱流の集まりであって
総体的には螺旋流からなる円筒状ベール４として下向き
に噴射し、工作物５の表面に当てるものである。工作物
５は移動テーブル６上において、この場合フルバックカ
ッタからなるフライス工具７により切削されるものであ
り、フライス工具７を支持した主軸８は円環状ノズル３
の中心軸を通っている。クーラント液の円筒状ベール４
は工作物表面に当たった下端において、大部分が渦巻き
状の表面流となって中心部に向かい、フライス工具７の
刃物と工作物５との接触箇所に潤沢に供給される。この
ようにして加工物に供給された後、盛り上がりが大きく
なるたびに波状的に円筒状ベール４の外側に排出された
クーラント液は初めから外方に向かったクーラント液と
ともに工作物５及び移動テーブル６を経て、この場合、
樋状の外周パン９に流れ落ち、吸い上げ口10より第２の
クーラントポンプ２´（P2）により汲み上げられ、分離
回収タンク11に達する。この分離回収タンク11の詳細に
ついては省略するが、ここで、油分及び切り屑等の異物
を分離除去された後のクーラント液は注ぎ口12より前述
した大容量タンク１に戻される。
上記の基本構成例において、円筒状ベール４として供
給されるクーラント液は好ましくはクーラントポンプ２
の空気噛み込み作用により、多量の気泡を含んでいる。
従って、フライス工具７と工作物５との接触部に供給さ
れた多量の気泡を含むクーラント液は、その質量が低い
ために工具回転によって受ける遠心力が小さく、工具／
工作物接触部への浸透が容易となり、その際、気泡が破
裂して生じた飛沫は加速によって微小の亀裂内にも容易
に浸透する。また、破裂による放熱作用も優れており、
その潤滑作用及び放熱・冷却作用は前述した通り工具の
切削機能を高め、超硬工具を使用して高速送りで切削す
ることが可能になる。当然ながら、加工部位から排出さ
れるクーラント液の流れにより切削熱は連続的に持ち去
られる。このような気泡を含んだクーラント液供給の効
果は、円筒状ベール４を介して渦巻き流を形成する本発
明の方式のみでなく、従来一般に行われていたような切
削点への直接的なノズル噴射流13においても達せられ
る。また、気泡をクーラント液中に含ませる操作はポン
プ２の空気噛み込み作用以外にも、例えば分離回収タン
ク11への回収パイプ注ぎ口14から同タンク11の液面まで
の落差、及び分離回収タンク11出口の注ぎ口12から大容
量タンク１の液面までの落差を十分高くすることによ
り、それらの注ぎ込みの衝撃により発生させることがで
きる。
図２はクーラント液のための円環状ノズル３の断面構
造を詳細に示すものである。この場合、円環状ノズル３
の内周面の主要部は機械の主軸カバー15の外周面に支持
されている。円環状ノズル３は上端の入口環部16、中間
の流路環部17、曲折環部18、及びノズル環部19からなっ
ている。入口環部16は環状入口室20を形成し、上端入口
21からクーラント液の供給を受けるようになっている。
流路環部17はその上端面が入口室20の底面をなす配置に
おいて入口環部16に連設され、円周方向に等間隔配置さ
れた少なくとも１個、この場合、６個のクーラント液導
入路22を上端から下端部にかけて穿設し、その導入路22
の下端部においていずれか統一された回転方向に捩じる
配置で外向き捩じり流路23を形成したものである。流路
環部17において導入路22及び捩じり流路23を含む半径範
囲の外側は乱流形成部分24として比較的大きい流路とな
っている。曲折環部18の主要部上面は捩じり流路23及び
乱流形成部分24の底面をなしており、その外端は乱流形
成部分24の外周壁との間に環状の排出間隙25を形成する
位置において、上方突起部分26及び内側折り返し部分27
を形成している。したがって、捩じり流路23から所定の
回転方向に捩じられた外向きのクーラント液流は曲折環
部の上方突起部分26内面に衝突して、内向きに折り返さ
れ、さらに、内側折り返し部分27を迂回して外向きに曲
折し、微視的な渦流又は微粒状乱流の集まりとして環状
の排出間隙25から下向きに流れ出ることになる。ノズル
環部19は流路環部17の外壁に連なる外壁28と曲折環部18
の下端面との間において内向き及び下向きに傾斜したノ
ズル空間29を形成する傾斜床面30を備えている。傾斜床
面30の先端31は下向きに急傾斜しているため、この上方
の排出路から排出されるクーラント液は回転を伴ってい
ること、及び自重によりほとんど円筒状の下向き螺旋流
として放出されることになる。
図３は上記のような円環状ノズル内のクーラント液の
流れを順を追って示す水平断面図の組み合わせであり、
Ａではまず、入口環部21から流入したクーラント液が一
つの垂直導入路22に流入して下方に向かい、その導入路
22の下端から出たクーラント液はＢ断面に示すように、
捩じり流路23を経て、この場合反時計方向の流れとして
乱流形成部分24内に入り、断面Ｃで示すように、この乱
流形成部分24から内向き及び外向きに曲折してノズル空
間29に連なる外側排出間隙25に達し、ここから断面Ｄの
矢印で示すように、ノズル空間29内を通り内向きから下
向きの螺旋流として排出されることが理解されるであろ
う。
図４及び図５は、図２及び図３に示した円環状ノズル
から放出される円筒状ベール４及び渦巻き状表面流の状
態を詳しく示す図である。図４に示す通り、円筒状ベー
ル４として放出されるクーラント液はノズル空間29より
やや内向きに放出された場合でも自重、遠心力、及び回
転速度の減少等により典型的には括れた釣鐘状の螺旋流
として落下し、これに多数の気泡を含む場合には白濁状
態で工作物５の表面に当たる。工作物５表面に当たった
クーラント液の大部分は、その螺旋回転の方向に渦を巻
いて中心部に向かい、工具７の下部を覆って図４の32で
示すような盛り上がりを示し、この盛り上がりの高さが
ある程度上昇するたびに円筒状ベール４外に波状的に流
出し、再び盛り上がり状態を繰り返しながらフライス工
具７と工作物５の接触部の潤滑及び冷却に役立つことに
なる。このように加工物表面５に当たったクーラント液
が飛び散らず渦流をなす理由として、一つは円筒状ベー
ルが矢印33で示すような螺旋又はひねり回転をしている
ことと、円環状ノズル内において乱流を形成したことに
より、言わばクーラント液の微粒（乱流塊）が集まった
状態の流れとなり、同様な微粒群状の工作物表面におけ
るクーラント液膜上を滑るような状態で流動するからで
あると考えられる。このような切削工具と工作物との接
触部が常時クーラント液相で満たされる状態は従来の直
射型ノズルでは全く得られなかった現象であり、これに
よって切削箇所の潤滑性及び冷却性は飛躍的に向上す
る。そして、クーラント液に気泡を含む場合には、前述
した気泡による潤滑及び冷却効果が加わり、切削性能は
一段と向上する。クーラント液が分離回収タンクを用い
て比較的清浄に維持される場合、フライス工具７として
コーティング超硬工具により湿式切削すると、従来150
〜200m/分で切削していたものを、その２倍以上の300〜
700m/分まで速度を上げて切削することができ、しか
も、摩擦熱がよく放出・冷却されるため、切り屑は焼入
れ状態の青色ではなく、銀白色を呈することが確認され
た。また、工作物５への衝突や工具回転による衝撃を受
けても、クーラント液は、その噴射圧が低圧力又は中圧
力であれば、ミストが発生しても、流動するクーラント
液中に取り込んでしまうので作業環境への影響も少なく
なる。また、発生した熱はほとんどが水の気化熱として
奪われるため、クーラント液の成分の減少は少なく、ク
ーラント液の補充は単に水又は希釈倍率の高いクーラン
ト液を供給すればよいことになる。
図６〜図８は本発明の基本構成原理を具体化した三つ
の設備実施例をそれぞれ示すものである。図６に示す第
１の実施例は、図１に示した基本構成と異なる液槽配列
を有するものであり、分離回収タンク101上に直接設け
られたクーラントポンプP1からは前述した円環状ノズル
３及び従来型の補助ノズル102に対しそれぞれ流量調整
弁103及び104を介して、好ましくは気泡を含むクーラン
ト液が供給される。105は工作物、106は機械本体、107
はフライス盤の回転工具、108は主軸、109はコラムであ
り、機械本体106直下のタンク110は樋状でなく密閉型の
大容量タンクであり、これがクーラント液の直接回収タ
ンク及びメインタンクの役割を果たし、この上に第２の
クーラントポンプP2が設置されたものである。
図７に示す第２の実施例においては、機械本体106下
方のタンク110'内に分離回収部111を形成し、ここから
クーラントポンプP2により吸い上げた回収クーラント液
を大容量の予備タンク112に供給し、さらに、ポンプP1
により加工部に向かわせる構成であり、その他は図６に
示した第１の実施例と同様である。
図８に示した第３の実施例においては、機械本体106
の直下に分離回収タンク111'そのものを配置し、これに
連設して大容量タンク110"を設け、１個のクーラントポ
ンプP1のみによりクーラント液供給を行おうとするもの
であり、その他の構成は図６及び図７に示した実施例と
同様である。
本発明システムによる工作実施例 本発明の基本構成原理を用いたシステムを使用するこ
とにより、機械部品などの切削及び研削加工のトータル
コストの著しい削減、高精度化が可能となることが確認
された。すなわち、冷却性能と潤滑性能の著しい向上に
より、フルバックカッターで通常なら非常に歪みやすい
薄鉄板を高速、高送りできわめて歪みの少ない加工を行
うことができた。
例えば一般に加工困難とされる厚み12mm×幅1212mm×
長さ2424mmのSS400の板を主軸馬力15kw/h、カッター直
径200mm、切り込み1.3mm、切削速度500mm/min、切削送
り速度3000mm/min〜5000mm/minで加工することができ
た。使用工具は、一般に市販されているノンコートチッ
プでも可能である。
一般に市販されているコーティングチップを使用した
場合、主軸馬力15kw/h、切り込み1.7mm、切削速度400mm
/min及び切削送り速度3650mm/minにおいて、焼きなまし
処理をしていない市販黒皮鉄板材料の厚み12mm×1212mm
×2424mmの板でフルバックカッター加工を行っても歪み
は0.1mm以内に抑えることができた。粗削り加工後、歪
み分を除去し、最後にさらえ刃付き仕上げ用フルバック
カッターで仕上げ加工を行えば著しい生産性の向上が可
能となる。
クーラント液供給ノズルは、切削点に直接クーラント
液を流さないため工具長さの変化があってもノズルの調
整が不要になる。マシニングセンターのように常に工具
長さの変わる工具を使用する機械の場合には、非常に有
効である。
ワーク表面に沿って張付くようにクーラント液が切削
点に流れ込むため、フルバックカッターのみならず、ド
リル、エンドミル、タップ、ボーリング加工などにおい
ても同様の効果を発揮させることができる。
産業上の利用可能性 本発明は、以上述べた通りの構成において、潤滑性と
冷却性に優れたクーラント液の切削部への潤沢な、好ま
しくは気泡を混入したクーラント液の供給を行うノズル
方式を構成したことにより、流動的にクーラント液を供
給して高速かつ高精度の切削又は研削加工を行うことが
できる。加工速度は1.5〜３倍程度まで高めることがで
きるため、これに伴う経済的効果は極めて大きくなる。
また、クーラント液中の切削油を少なくできることによ
るコストの低下及びタンク洗浄コストの大幅な低下も見
込めるため、能率向上、環境汚染の緩和、省力化等にお
いても計り知れない効果を提供するものである。なお、
クーラント液として場合によっては水と防錆剤のみで切
削することも可能である。
図面の簡単な説明 図１は、本発明のクーラント液供給システムの基本構
成原理を示す略図である。
図２は、本発明の基本構成において用いられるクーラ
ント液供給ノズルの断面構造を示す部分断面図である。
図３は、図２の部分断面図におけるＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ
線、Ｃ−Ｃ線、及びＤ−Ｄ線に沿って見た部分断面を組
み合わせた図である。
図４は、図１〜図３に示したクーラント液供給ノズル
から出たクーラント液の円筒状ベール及び渦巻き状表面
流を示す側面模式図である。
図５は、図４に示した円筒状ベール及び渦巻き状表面
流を示す平面模式図である。
図６は、本発明の基本構成原理を具体化した第１の設
備実施例を示す線図である。
図７は、本発明の基本構成原理を具体化した第２の設
備実施例を示す線図である。
図８は、本発明の基本構成原理を具体化した第３の設
備実施例を示す線図である。
１・・・・・クーラント液メインタンク ２・・・・・第１のクーラントポンプ（P1） 2'・・・・第２のクーラントポンプ（P2） ３・・・・・円環状ノズル ４・・・・・円筒状ベール ５・・・・・工作物 ６・・・・・移動テーブル ７・・・・・フライス工具 ８・・・・・主軸 ９・・・・・外周パン 10・・・・吸い上げ口 11・・・・分離回収タンク 12・・・・注ぎ口 13・・・・ノズル噴射流 14・・・・回収パイプ注ぎ口

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】垂直主軸に連結されたフライス工具又は研
    削工具の上方に、クーラント液用の円環状ノズルをほぼ
    同軸位置において下向きに配置し、このノズルの排出口
    までの内壁に乱流を与えるための曲面と捩じり流路を設
    けたことにより、供給されたクーラント液を微粒状乱流
    の集まりであって総体的には螺旋流として前記排出口よ
    り下向きに排出させ、これによって前記フライス工具又
    は研削具を包囲するとともに下端が工作物の表面に達し
    たクーラント液の螺旋流からなる円筒状ベールを形成
    し、前記円筒状ベールの下端より前記螺旋流の少なくと
    も一部を前記工作物の表面に沿って渦巻き状に中心部に
    向かわせてフライス工具又は研削具と接触する加工箇所
    に供給し、さらに切り屑及び摩擦熱とともに前記円筒状
    ベール外に排出し、工作物の表面を伝って拡散させるよ
    うにしたことを特徴とする切削機械又は研削機械におけ
    るクーラント液の供給方法。
  2. 【請求項２】前記円筒状ノズルに供給するクーラント液
    に連続的に気泡を含ませることを特徴とする請求項１記
    載の方法。
  3. 【請求項３】垂直主軸に連結されたフライス工具又は研
    削工具の上方において前記主軸と同軸的且つ下向きに配
    置するための、クーラント液用の円環状ノズルであっ
    て、 ａ）環状の入口室を形成する入口環部と、 ｂ）前記環状の入口室に同軸的に隣接した流路環部であ
    って、その軸対象位置において前記入口室に連通した少
    なくとも２本の導入路と、これらの導入路にそれぞれ連
    通して形成され、いずれか統一された回転方向に捩じら
    れた外向き又は内向きの捩じり流路と、これらの捩じり
    流路の各終端に連通した環状の乱流形成部分とを有する
    ようにした前記流路環部と、 ｃ）前記流路環部における前記乱流形成部分の全環状域
    に連通し、下方及び求心方向又は外向き方向に開放した
    環状のノズル空間を形成するためのノズル環部とからな
    り、 ｄ）前記流路環部における前記乱流形成部分から前記ノ
    ズル空間に至る流路壁に乱流形成のために半径方向に折
    り返された少なくとも一つの曲折面を設けたことによ
    り、供給されたクーラント液を微粒状乱流の集まりであ
    って総体的には螺旋流として前記ノズル空間より放出さ
    せ、この螺旋流からなる実質的な円筒状ベールを形成し
    て前記フライス工具又は研削具を包囲するようにしたこ
    とを特徴とする切削機械又は研削機械のためのクーラン
    ト液用円環状ノズル。
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