WO2011105199A1 - 工作機械及び加工液供給装置、並びに加工液 - Google Patents

Abstract

　 工具（１８）とワーク（２）とを相対移動させてワーク（２）を加工する工作機械（１）において、水と油を取り込んで、水に油を均一に分散させるホモジナイザ（１５）を具備し、ホモジナイザ（１５）で生成した加工液を加工領域に供給してワークを加工する。

Description

工作機械及び加工液供給装置、並びに加工液

　本発明は、加工液を供給しながらワークを切削、研削、ホーニング等機械加工する工作機械及び加工液供給装置、並びに加工液に関する。

　ワークを機械加工する際に供給される加工液には、次のような作用がある。ワークと工具との間や工具と加工切屑との間に浸透して境界面の摩擦を減少させる潤滑作用と、構成刃先の生成や加工切屑の工具への溶着を防止する反溶着作用と、ワークと工具との間や工具と加工切屑との間で発生する摩擦熱や金属のせん断熱を吸収したり、ワークや工具を冷却したりする冷却作用である。加工液のこれらの作用は、加工液の種類によって変化する。油のみを使用する油性加工液は、潤滑作用や反溶着作用が強く、工具すくい面のクレータ摩耗や工具逃げ面のフランク摩耗の減少に効果的である。油を水に希釈して使用する水溶性加工液は、冷却作用が強く、工具摩耗の低減や仕上げ面品位の向上に効果的である。一般に、油性加工液は、加工温度が高くなる加工条件では発火の危険性があるため使用できず、発火の危険性がない低速での加工や、加工温度が高くならないワークの加工に使用される。水溶性加工液は、油性加工液に比べて潤滑作用及び反溶着作用が劣るものの、発火の危険性がないため、汎用的に使用されている。このため、高速での加工や、加工温度が高くなる難削材の加工には、水溶性加工液が用いられる。
　切削加工に使用される加工液の従来の例が特許文献１に開示されている。特許文献１に記載された発明は、水溶性金属加工油剤を開示する。特許文献１には、水溶性金属加工油剤が、基油、窒化硼素微粉末及び乳化剤を含み、窒化硼素微粉末が、平均粒径が０．５μｍ以下の一次粒子を含むことが記載されている。また、乳化剤として、陰イオン性界面活性剤や、非イオン性界面活性剤や、これらの混合物を用いることが記載されている。
　ホモジナイザは、液中に粒子を細かく粉砕して均一に分散させる装置である。このホモジナイザには、粒子を含む加圧された混合液を高速でインパクトリングに衝突させることにより、粒子を微細に粉砕して液中に分散させる圧力型と、ロータとステータとの微小間隙に粒子を含む混合液を供給した状態でロータを高速回転させることにより、粒子を微細にして液中に分散させるロータ・ステータ型とがある。圧力型のホモジナイザの従来の例が特許文献２に開示されている。特許文献２には、耐エロージョン性に優れたバルブ部品を使用して、硬質セラミックス粉末を液中に分散処理する圧力型のホモジナイザが記載されている。
　加工液は、一般に、予め機外で生成され、この加工液は工作機械に付属するタンクに貯蔵して使用される。タンク内の加工液が減少した場合は、作業者が加工液を補給する。長時間にわたり自動運転する工作機械の中には、加工液補給装置により自動で加工液を補給するものがある。工作機械の付属装置である加工液補給装置の従来の例が特許文献３に開示されている。この特許文献３には、混合機のジェットポンプ内でタンクから供給される原液と機外から供給される加圧水とを混合して加工液を生成することが開示されている。また、原液は、ジェットポンプの内筒内に設けた旋回羽根を旋回させることにより旋回流となり、均一に分散されるとの記載がある。

特許第３７５３７２８号公報 実開平４−７８９３２号公報 特公平７−１１５２７６号公報

　加工温度が高くなりやすいニッケル合金などの耐熱鋼やステンレス鋼、また、工具の刃先に溶着を生じやすいアルミニウム合金やチタン合金は、工具の寿命を短くするワークのグループに属する。アルミニウム合金やチタン合金の加工では、加工屑が工具の切れ刃に溶着し、チッピングを誘発することにより工具寿命が短くなる。これらの金属の加工では、加工温度を低下させると共に、溶着を抑制して工具寿命を延長させるために、水と油を所定の比率で混合した水溶性加工液が用いられる。水溶性加工液には、相溶性を有しない水と油を用い、水に油粒子を分散させて均一化するために、乳化剤が添加される。乳化剤を含んだ水溶性加工液は、一般に、エマルジョンタイプの水溶性加工液と呼ばれる。乳化剤は、特許文献１に記載されているように、陰イオン性界面活性剤や、非イオン性界面活性剤や、これらの混合物である。乳化剤は、表面張力を抑制する効果があるため、水に油を分散させて均一な加工液を作ることができる利点がある一方、チタン合金やニッケル合金やアルミニウム合金などの金属の加工に使用すると、工具寿命が短くなるという問題があった。また、加工液の水には水酸化物イオンを含む水道水が使用されていたため、水酸化物イオンがワークの加工直後の金属表面に結合して、油の粒子が金属表面に付着しにくくなるという問題があった。
　本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、水性加工液を使用してチタン合金やニッケル合金やアルミニウム合金など、金属を加工した際に工具寿命を延ばすことができる工作機械及び加工液供給装置、並びに加工液を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本発明によれば、工具とワークとを相対移動させてワークを加工する工作機械において、水と油を取り込んで、水に油を分散させるホモジナイザを具備し、ホモジナイザで生成した加工液を加工領域に供給してワークを加工する工作機械が提供される。ホモジナイザは、加工液供給装置から加工領域へ向かう加工液供給管路の途中に設けられることが好ましい。
　この構成による工作機械は、乳化剤を含まなくても水に油を均一に分散させ、かつ、水と油が分離しにくい加工液を自身で加工の前に生成し、その加工液を加工領域に供給して加工する。
　また、本発明によれば、工作機械に加工液を供給する加工液供給装置において、水と油を取り込んで、水に油を分散させるホモジナイザを具備する加工液供給装置が提供される。水には脱イオン水を用いることが好ましい。脱イオン水を生成するためのイオン交換器を更に具備してもよい。ホモジナイザで生成した加工液を貯留する加工液タンクと、加工液タンクに貯留している加工液を吐出するポンプと、を更に具備することもできる。工作機械から回収され貯留された加工液又は貯留された水と油の混合液の上部の層と下部の層からそれぞれ液を汲み上げ、上部の層の液と下部の層の液とを混合状態でホモジナイザに導入するポンプを更に具備するようにしてもよい。ホモジナイザを、水と油の加圧された混合液を導入する間隙と、間隙を通過して増速された混合液を壁面に衝突させるとともに減圧し、水に油を分散させる処理室と、を有した圧力型のホモジナイザとすることもできる。
　この構成による加工液供給装置は、乳化剤を含まなくても水に油を均一に分散させ、かつ、水と油が分離しにくい加工液を生成し、その加工液を工作機械に供給する。
　また、本発明によれば、工作機械の加工領域に供給する加工液であって、所定の割合で水と油をホモジナイザに導入し、乳化剤を用いずに水に油を分散させて生成される加工液が提供される。この場合、熱処理油のように沸点の高い油を用いることが好ましい。
　以上の如く、本発明の工作機械によれば、ホモジナイザにより、乳化剤を用いずに相溶性を有しない水と油粒子とが均一に分散した水性加工液を生成することができる。生成された加工液は、水と油とが分離しづらくなっているため、長期間にわたり加工液による所望の作用及び効果を得ることができる。この加工液を加工領域に供給することにより、チッピングや摩耗により工具寿命が短くなる金属、例えばチタン合金やニッケル合金やアルミニウム合金等の金属や他のあらゆる金属の加工において、工具寿命を格段に延長することができる。このため、生産性が向上し、工具費を含めた加工コストを低減することができる。ホモジナイザの構造は特に限定されず、圧力型やロータ・ステータ型のホモジナイザを用いることができる。
　また、ホモジナイザが加工液供給装置から加工領域へ向かう加工液供給管路の途中に設けられているので、加工液供給装置のタンク内に貯留された加工液が時間の経過により水と油に分離した場合であっても、ホモジナイザにより水に油が均一に分散した加工液を生成することができる。
　本発明の加工液供給装置によれば、乳化剤を用いずに、水に油が均一に分散し、水と油とが分離しにくい水性加工液を生成することができる。この加工液を使用することによって、例えばチタン合金やニッケル合金やアルミニウム合金等の金属や他のあらゆる金属の加工において、工具の寿命を延長することができる。また、脱イオン水を用いて、水酸化物イオンを含まない加工液を生成することができるため、ワークの金属表面に油の粒子が付着しやすくなり、工具に加工屑が溶着しにくくなる。タンクに貯留された加工液又は水と油の混合液の上部の層と下部の層から別々に液を汲み上げてホモジナイザに導入するため、水と油の混合比率が所定の割合の加工液を生成することができる。圧力型のホモジナイザを用いた場合には、比較的簡単な構成で水と油の混合液をインパクトリングに衝突させるとともにキャビテーションを発生させて、水に油を均一に分散させた加工液を生成することができる。ホモジナイジングされた加工液がタンクに貯留されることにより、加工に必要な十分な量の加工液を供給することができ、工作機械を長時間運転することができる。
　本発明の加工液によれば、生成した加工液には、工具寿命を短くする乳化剤が使用されていないため、チタン合金やニッケル合金やアルミニウム合金を始めあらゆる金属加工において、工具寿命を延長することができる。また、水性加工液のため、火災の危険性がない。この場合、熱処理油のように沸点の高い油を用いると、加工液中の微細化された油が高温のワークや工具や加工屑に触れても気化しにくくなるので、加工液の性能劣化を抑制できる。加工液中の油が気化する衝撃により工具がチッピングを起こすおそれも低下する。

　図１は、本発明の工作機械の一実施形態を示す図である。
　図２は、加工液供給装置の第１の実施形態を示すブロック図である。
　図３は、加工液供給装置の第２の実施形態を示すブロック図である。
　図４は、圧力型ホモジナイザの断面図である。

　以下において、本発明の工作機械の一実施形態について詳細に説明する。図１には、本実施形態の工作機械が示されている。本発明の工作機械は、図１に示される立形マシニングセンタに限定されるものではなく、横形マシニングセンタや、ターニングセンタや、他の工作機械も本発明の工作機械に含まれる。
　図１に示すように、本実施形態の工作機械１は、ベース３上に固定されるテーブル４と、ベース３上の直動ガイドに沿ってスライドするスライド台（図示しない）と、スライド台上の直動ガイドに沿ってスライドするコラム（図示しない）と、コラムに上下方向に移動可能に支持された主軸頭５と、主軸頭５に回転自在に保持された主軸６とを備え、主軸６とテーブル４とは互いに直交する３軸方向に相対移動する。主軸６には、エンドミル８が装着され、テーブル４にはワーク２が取り付けられている。さらに、工作機械１は、機外の加工液供給装置１０から所定の圧力に加圧された乳化剤を含まない水と油の混合した加工液を導入し、油を微粒子にして水に均一に分散させるホモジナイザ１５を備えている。ホモジナイジングされた加工液は、加工液供給管路１２に接続するクーラントノズル１３を介して加工領域に供給される。クーラントノズル１３を用いずに、ホモジナイジングされた加工液を主軸６の後部から主軸６の内部に導入し、主軸６及びエンドミル８の内部を通してエンドミル８の先端から加工領域に供給してもよい。ホモジナイザ１５は、図４に示されているような圧力型のホモジナイザに制限されるものではなく、ロータとステータとの微小間隙に水と油を導入し、ロータを高速で回転させて水に油を均一に分散させるロータ・ステータ型のホモジナイザを用いることも可能である。
　加工に使用される水性加工液の種類や成分は、乳化剤を含まないことを除き、制限されるものではない。油には、オレイン酸、ステアリン酸等の脂肪酸、動植物油、鉱油、合成油、これらの混合油を使用することができる。水には、水道水や、水酸化物イオンを含まない脱イオン水を使用することができる。油分の水に対する混合割合は、例えば５重量％~５０重量％であり、とくに１０重量％~３０重量％とすることが好ましくい。水性加工液の潤滑作用を高めるために、シリカ、窒化硼素、ダイヤモンド等の固体潤滑剤の微粉末を含むこともできる。微粉末の粒径はナノメートルないしマイクロメートルオーダである。脱イオン水としては、イオン交換水、蒸留水又は純水を用いることができる。
　図４に示すように、圧力型のホモジナイザ１５は、内部に処理室２０を有するハウジング１９と、バルブシート面２５ａを処理室２０に向けた状態でハウジング１９の前側端面２１ａに装着されるバルブシート２５とを備える。バルブシート２５は、ホモジナイザ１５の内部に高圧で導入される加工液の導入口２６を有する。バルブシート面２５ａとバルブ先端面３１ａとの間には狭い間隙３５が形成されている。バルブ先端面３１ａは、例えば直径３０ｍｍの円形状をなしている。間隙３５の外周のハウジングの内壁面には、間隙３５を通過した水と油の混合液が高速で衝突するインパクトリング３４を備える。インパクトリング３４は、高圧の混合液が衝突して摩耗した際に交換される消耗部品であり、セラミックスや超硬合金などの耐摩耗性を有する材料で構成されている。本実施形態では、インパクトリング３４の交換を容易にするため、ハウジング１９とインパクトリング３４とが別体として形成されている。水と油の混合液は、間隙３５を通過して増速され、インパクトリング３４に衝突したときの衝撃力と処理室２０で減圧されて起きるキャビテーションとによって、油のマイクロメートルオーダの微粒子が水に均一に分散された加工液が生成される。
　ハウジング１９は、処理室２０に連通する前端開口２２ａ及び後端開口２２ｂと、ホモジナイジングされた加工液を排出する排出口２２ｃとを有する。前側端面２１ａにはバルブシート２５が装着され、前端開口２２ａに連通する導入口２６から混合液が処理室２０に導入される。後端開口２２ｂには、バルブ３１が嵌入され、バルブ先端面３１ａがバルブシート面２５ａに所定の間隙３５を有して対向している。バルブ３１は、後端開口２２ｂとの間に隙間が生じないように嵌入されている。バルブ先端面３１ａとバルブシート面２５ａとの間隙３５の大きさは調整可能であり、導入される混合液の油の粒子径や粘度、加工液の圧力に応じて間隙３５が設定される。例えば、粒子径が大きく、高粘度の油の場合には、間隙３５が広く設定され、粒子径が小さく、低粘度の油の場合には、間隙３５が狭く設定される。オレイン酸と水を含む加工液が使用され、１１ＭＰａの圧力で、数μｍの油粒子を作成する際には、バルブ先端面３１ａとバルブシート面２５ａの間隔３５が約０．１ｍｍに設定される。バルブ先端面３１ａとバルブシート面２５ａの間隙３５が狭い場合には、ホモジナイジングされる加工液の生成能力が小さくなり、加工領域に十分な量の加工液を供給することができないが、このような場合には、工作機械１がホモジナイジングされた加工液を貯留するタンクを備えることで、十分な量の加工液を供給することが可能となる。水と油の混合液は、インパクトリング３４に高速で衝突し、処理室２０で減圧され、衝撃力とキャビテーションにより水に油粒子が均一に分散する。ホモジナイジングされた加工液は、排出口２２ｃから排出され、加工液供給管路１２を介して加工領域に供給される。
　バルブシート２５は、ハウジング１９と同一材料で形成される。所定の圧力に加圧された混合液が導入される導入口２６は、加工液の出口側が入口側よりも狭く形成されている。混合液は、導入口２６から間隙３５を流れることにより、増速されてインパクトリング３４に衝突する。
　バルブ３１は、バルブシート２５と同様にハウジング１９と同一材料で形成される。バルブ３１は、ハウジング１９の後側端面２１ｂに固定される基部３３と、ハウジング１９の後端開口２２ｂに嵌入され、処理室２０内に突出する突部３２とを有している。突部３２の先端面は、バルブ面３１ａとして形成され、対向するバルブシート面２５ａとの間に間隙３５を形成する。
　以上のように、本実施形態の工作機械１は、水に油が均一に分散した加工液を生成するホモジナイザ１５を備えているので、乳化剤を使用することなく、相溶性を有しない水と油粒子とを長時間にわたって分離しにくい状態に保つことができる。この加工液を加工領域に供給することにより、チタン合金やニッケル合金やアルミニウム合金等、チッピングや摩耗により工具寿命が短くなる金属の加工において、工具寿命を格段に延長することができる。乳化剤を含む市販のエマルジョンタイプの水溶性加工液を使用して、超硬エンドミルでチタン合金を加工した場合に比べて、約４倍の工具寿命を達成することができる。本実施形態では、ホモジナイザ１５が加工液供給装置１０から加工領域へ向かう加工液供給管路１２の途中に設けられているので、加工液供給装置１０のタンク内で加工液が時間の経過により水と油に分離している場合であっても、ホモジナイザ１５により水に油が均一に分散した加工液を再生することができ、安定した加工を行うことができる。
　加工液中の油として、例えば日本工業規格ＪＩＳ　Ｋ２２４２に規定されているような沸点の高い熱処理油を用いることにより、加工液中に分散している油粒子が高温のワークや工具や加工屑に触れても気化しにくくなり、加工液としての性能劣化を抑制できる。また、気化温度の低い（沸点の低い）油を用いると、油粒子が気化するときの衝撃で工具のチッピングが発生しやすくなるが、沸点の高い熱処理油を用いることで、チッピングの発生も抑制できる。なお、加工液に固体潤滑剤の微粒子を含む場合でも、ホモジナイジングすることにより、固体潤滑剤の微粉末も水に均一に分散されて分離しにくくなる。
　次に、図２を参照して、本発明の加工液供給装置の第１の実施形態について説明する。本実施形態の加工液供給装置４０は、図１に示す加工液供給装置１０とは異なり、ホモジナイザ１５と、ホモジナイジングされた加工液を貯留するタンク４２とを備える。ホモジナイザ１５には、上述した図４に示す圧力型のホモジナイザを使用することができる。本実施形態のホモジナイザ１５には、イオン交換器４４によりイオン交換された脱イオン水と油とが導入される。水酸化物イオンを含む水道水に代えて、水酸化物イオンを含まない脱イオン水が使用されることで、加工直後のワークの金属表面に水酸化物イオンが結合することが防止され、油分がワーク表面に直接的に付着し、加工液の潤滑作用が高められる。これにより、工具に加工屑が溶着しにくくなり、チッピングの発生が抑制される。ホモジナイジングされた加工液はタンク４２からポンプ４６により汲み上げられ、加工領域に供給されるので、加工領域に十分な量の加工液を供給することができる。
　図３は、本発明の加工液供給装置の第２の実施形態を示す。本実施形態の加工液供給装置５０は、加工に使用された加工液を回収する一次タンク５２を備えており、長時間にわたり自動運転される工作機械に適する形態である。加工液は、工作機械から加工屑とともに運ばれ、リフトアップチップコンベヤ５６により加工屑と加工液とに分離される。分離された加工液は、イオン交換器５７によりイオン交換された補給用の脱イオン水と、補給される新しい油と共に一次タンク５２に貯留される。脱イオン水には、市販されているものや、他の方法で既に生成されたものを使用することができる。一次タンク５２内の水と油の混合液の上部の層５２ａと下部の層５２ｂからは、それぞれ液がポンプ５８により汲み上げられ、フィルタ５９に供給される。フィルタ５９には、回転式のサイクロンフィルタを用いることができ、このフィルタ５９で細かな加工屑が除去されるとともに、加工液がある程度攪拌される。上部の層５２ａは主として油分が多い層であり、下部の層５２ｂは主として水分の多い層である。上下の層５２ａ、５２ｂからそれぞれ液がポンプ５８により汲み上げられるとき、作業者は各流量計６０を見ながら各絞り弁６１を開閉することにより流量を調節して、水と油を所定の混合割合にする。なお、上部の層５２ａから液を吸入する吸入管は、フロートとともに上下動するように形成され、常に液面付近から液を吸入できるように構成されている。
　水と油の混合液はフィルタ５９を経由して二次タンク５３に一旦貯留される。二次タンク５３からポンプ６３により汲み上げた加圧された加工液は、ホモジナイザ６４に導入され、水に油が均一に分散された加工液が生成される。生成された加工液は、紫外線照射装置６５により滅菌処理された後、三次タンク５４に貯留される。紫外線照射装置６５は加工液の腐食防止に有効である。加工領域には、三次タンク５４からポンプ６６により汲み上げられた加工液が供給される。本実施形態の加工液供給装置５０は、生産ラインに配置され、長時間運転される工作機械に適する形態であり、この加工供給装置５０を用いることにより、加工液の水と油を分離させずに、連続して安定した加工を行うことができる。
　以上のように、ホモジナイザにより、乳化剤を用いずに水に油を均一に分散させた水性加工液を生成することができる。この加工液を使用することによって、チタン合金やニッケル合金やアルミニウム合金等を始めとして、あらゆる金属の加工における工具の耐摩耗性、耐チッピング性が高まり、工具寿命を延長することができる。これにより、金属加工の生産性が高まり、工具費を含めた加工コストを低減することができる。
　なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

１　　工作機械
１０，４０，５０　　加工液供給装置
１５　　ホモジナイザ
１９　　ハウジング
２５　　バルブシート
３１　　バルブ
３４　　インパクトリング
３５　　間隙

Claims (10)

1. 　工具とワークとを相対移動させてワークを加工する工作機械において、
   　水と油を取り込んで、前記水に前記油を分散させるホモジナイザを具備し、前記ホモジナイザで生成した加工液を加工領域に供給してワークを加工することを特徴とした工作機械。
2. 　前記ホモジナイザは、加工液供給装置から加工領域へ向かう加工液供給管路の途中に設けられている請求項１に記載の工作機械。
3. 　工作機械に加工液を供給する加工液供給装置において、
   　水と油を取り込んで、前記水に前記油を分散させるホモジナイザを具備することを特徴とした加工液供給装置。
4. 　前記水に脱イオン水を用いる請求項３に記載の加工液供給装置。
5. 　イオン交換器を更に具備し、前記水に前記イオン交換器で生成した脱イオン水を用いる請求項３に記載の加工液供給装置。
6. 　前記ホモジナイザで生成した加工液を貯留する加工液タンクと、前記加工液タンクに貯留している加工液を吐出するポンプと、を更に具備する請求項３に記載の加工液供給装置。
7. 　工作機械から回収され貯留された加工液又は貯留された水と油の混合液の上部の層と下部の層からそれぞれ液を汲み上げ、前記上部の層の液と前記下部の層の液とを混合状態で前記ホモジナイザに導入するポンプを更に具備する請求項３に記載の加工液供給装置。
8. 　前記ホモジナイザは、前記水と前記油の加圧された混合液を導入する間隙と、前記間隙を通過して増速された混合液を壁面に衝突させるとともに減圧し、前記水に前記油を分散させる処理室と、を有した圧力型のホモジナイザである請求項３に記載の加工液供給装置。
9. 　工作機械の加工領域に供給する加工液であって、
   　所定の割合で水と油をホモジナイザに導入し、乳化剤を用いずに前記水に前記油を分散させて生成されることを特徴とした加工液。
10. 　前記油は、熱処理油である請求項９に記載の加工液。

Images