JP4624769B2 - 面粗さ改善切削法そして切削機 - Google Patents

Description

本発明は、時代と共に変遷する環境に対応して適応される油膜付水霧による金属切削に於て、切削面の表面粗さを改善するための切削法とそれを用いた切削機に関する。

近年油膜付水霧による切削技術が開発され軟硬質金属の切削が可能となり、その切削品質も向上してきているが、切削の応用技術に対する実績時間が少ないため、特に裏挽き及び突っ切り切削に於ける切削面の面粗さが水溶性切削液による切削品質に比べ満足されるレベルには達していない。

またこれらについての関連資料も現時点で見当たらない。
発見できず

近年刃物のスクイ角を有する面側に油膜付水霧を吹き付けるレビンダ−効果を利用した切削法及び逃げ角を有する面側から油膜付水霧を吹き付ける切削法については既に開示されその方法は試みられている。

油膜付水霧を用いてレビンダ−効果を応用した切削は、表挽き切削には効果があり、表面粗さも問題ない。しかし裏挽き及び突っ切り切削またこれに準じる切削では表挽き切削と比較し切削過程が異なるためレビンダ−効果は期待できない。

従って前記裏挽き及び突っ切り切削またこれに準じる切削は、切削時の物理的潤滑作用を必要とする。しかし油膜付水霧による油の供給量が少ないためこの物理的潤滑作用が効率よく働かず、これらの表面粗さが問題となる。これらの現象より切削過程で生じる粗悪面粗さ問題の原因を分析すると、解決すべき主たる課題は次の３点となる。

１）必要とする点へ必要とする潤滑油量の供給
２）油膜付水霧を回転被切削材に付着させるため回転体周速に打ち勝つ油膜付水霧の噴射速度の確保
３）必要とする点へ油膜付水霧の供給を司る噴射角度と噴射量の適正化

課題を解決する方策として油膜付水霧による切削方式とＭＱＬによる切削方式の二つの方式があるが、初めにその特性の違いを検討しておく必要がある。

ＭＱＬで見られる油霧によるノズルからの噴射は、油霧の粒子が軽いため長い距離を飛ばすことは困難である。また油霧には物理的潤滑作用は十分あるが切削時に発生する熱の冷却作用は皆無である。

一方油膜付水霧の特徴として水に親和性のある微少量の油を油膜状に水霧粒子に付着させ、該水霧粒子を搬送素子として微少量の油を搬送する作用がある。また水霧粒子は油霧粒子より粒子径が大きく重いため比較的長く飛ばすことができる。更に水霧は切削時の切削熱により瞬時に蒸発するためその気化熱で刃物や被切削物を冷やす作用がある。この二つの作用はＭＱＬより効率的な切削を可能とする。よって以後の解決手段は油膜付水霧方式で進める。

関連資料として油霧と水霧混合による切削法は特開２０００−２１８４６６、油膜付水霧による研削法は「油膜付水滴加工液を用いた研削加工」２０００年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集に記載されている。

油膜付水霧による切削加工技術については「特集１」月刊トライボロジ−２００４年２月号に記載されている。

金属切削に用いられる刃物のスクイ角を有する面側に対し、ノズルから吹き付けで供給される油膜付水霧の微少量の油は、切削時に被切削材の切削点に吹き付けられると微少量の油が被切削材の表面に極薄く付着するため該油と空気の酸素と切削時の切削熱による化学反応でレビンダ−効果が生ずる。レビンダ−効果とは前記化学反応により被切削材の切削面降伏応力が下る現象であり、これにより切削抵抗が減少するため表挽き切削には良好な効果を及ぼす。

一方裏挽き切削及び突っ切り切削に於ては、表挽き切削過程とは異なるため化学反応が起こりにくく、レビンダ−効果が期待できないため特別な潤滑油供給法による物理的な潤滑が必要である。

特別な潤滑油供給法には環境に配慮する観点から、また潤滑油を細部に浸透させる観点から、更には水及び油の最小限の供給量によるコスト削減を考慮する観点からこれらを霧状の吹き付けで供給する。

金属切削に用いられる刃物の物理的潤滑作用を効果的に行なうため該刃物の逃げ角を有する面側から油膜付水霧による効果的な油量の潤滑油を供給する。

レビンダ−効果を出させる油量は被切削材の表面に薄い皮膜を作る微量な油量でよいため油膜付水霧のみの供給で問題はないが、油膜付水霧による物理的な潤滑作用を得る場合は刃物先端と切削面に対し潤滑効果を及ぼすだけの油量の供給が必要である。この油量を得るため水霧及び油膜に対し適度に親和性があり油膜付水霧粒子より小さい油霧粒子を生成させこれを導管内流動中の油膜付水霧に混入させる。

導管内流動中の油膜付水霧内に混入された油霧小粒子は、適度な親和性があるため、この油霧小粒子が核となり複数の油膜付水霧の粒子を引き付け、油霧小粒子を核とした複合体の油膜付水霧粒子が形成される。

油霧粒子が単体の油膜付水霧粒子と結合しても油膜付水霧は導管内を高速で流動中であり、水、油共に表面張力を有するため水粒子面の油膜は必要以上に増加することはなく、むしろ油霧粒子は油膜付水霧粒子に包み込まれるように搬送され、油膜で搬送される油量の数倍ないし数十倍が搬送される。

請求項２は前記作用を応用したもので、切削の面粗さを改善するために必要な潤滑油量をＣとし、油膜付水霧に含まれる油量をＣ₀ とするとＣ＞Ｃ₀ が形成される。この潤滑油を含む油膜付水霧は、刃物の逃げ角を有する面側へ吹き付けで供給されるが、その供給量はタンクから排出される水及び油が単位時間当りの排出量を制御しているため（図示省略）常に定量となる。

被切削材は、主軸中心に回転するため被切削材の外周には周速が生じる。被切削材の表面には密着した空気層があり、この空気層と共に被切削材が回転しているため空気も密着点で周速に準じた速度を有する。一般に周速度を持つ回転体の外周に質量の軽い物体が近
づくと回転体の遠心力で質量の軽い物体は弾かれてしまい、物理的に目的点までは軽い物体を到達させることはできない。その軽い物体を回転体の外周に到達させるには、その軽い物体に重量と周速以上の速度を持たせることである。

請求項３は、刃物の逃げ角を有する面側方向より刃物先端へ油膜付水霧を噴射し、周速度を持つ前記空気層を破り被切削材と刃物先端の切削面に対し油膜付水霧を付着させるための噴射速度の速度条件を導いたものである。

その条件とは、被切削材の周速度をＳ₀ 、油膜付水霧を目的物に付着させるための吹き付ける噴射速度をＳとするとＳ＞Ｓ₀ が形成される。

金属切削に用いられる刃物、例えばＮＣ自動旋盤の場合、表挽き、裏挽き、突っ切りなど各種の刃物が混在し、刃物の形態が異なるためこれらに対する油膜付水霧の供給点も異なってくる。この供給点に向けたノズルの位置合わせは切削の切削品質の善し悪しに関わる重要なポイントとなるため位置合わせに必要な調整点は一カ所にする必要がある。

刃物のスクイ角を有する面側に供給される油膜付水霧Ｗ₀ のノズルは、ノズルを工具ホルダ−に取り付け固定し、ノズル取り付け位置と刃物先端の距離を一定にし、ノズル噴射口径値を固定し、ノズル先端のみ手動で自在に角度調整ができる機構で構成したのが請求項４である。

また前記刃物の逃げ角を有する面側に供給される油膜付水霧のノズルは、一個または複数で構成し、決められた位置に固定し、ノズル噴射口径値を固定し、ノズル先端と刃物先端の距離及びノズル先端の角度調整を自在に可動できる機構で構成し、刃物先端に対し油膜付水霧の最適供給条件を出している。

図１に示される油膜付水霧Ｗ₀４及び油膜付水霧Ｗ５の単位時間当りの噴射量を一定に保つため第一ノズル９及び第二ノズル８の噴射口径値を固定し、油膜付水霧の噴射加圧力を一定に保つ。

表挽き、特に裏挽きや突っ切り、またそれに準じる各種切削に於て、切削過程で生じる種々の粗悪面粗さの発生原因を取り除く新考案の切削法を用い、これを切削機に適用したのが請求項５である。

以上詳述したように請求項１〜５記載の発明は、環境問題で取り上げられるエコマシンに沿ったもので、少量の油を用いた油膜付水霧の使用により発生する切削時の粗悪挽き目の問題を解決し、加工品質を切削油を用いた加工品質と同等またはそれ以上に向上させたものである。

本発明の切削機の一例としてＮＣ自動旋盤に適用した実施形態例で説明する。

回転する被切削材６に対し図１のごとく第一ノズル９より油膜付水霧Ｗ₀４を刃物１のスクイ角を有する面２側の切り屑正面に吹き付けるとレビンダ−効果を有する切削作用が得られる。この場合第一ノズル９から噴射される油膜付水霧Ｗ₀４の供給量、供給角度、噴射速度は重要な考察要素となる。また刃物１先端のスクイ面側及び逃げ面側の側面では大きな切削抵抗が生じるため、それに対応するための潤滑油の供給が必要である。その潤滑油は第二ノズル８から油膜付水霧Ｗ５により搬送され、刃物１の逃げ角を有する面３側に吹き付けられる。この場合第二ノズル８から噴射される油膜付水霧Ｗ５も第一ノズル９
同様供給量、供給角度、噴射速度、更に供給油量が重要な考察要素となる。なお油膜付水霧の水霧部分は、油の搬送作用を司るのみならず、切削抵抗により発生する熱で蒸発し、その気化熱で刃物及び被切削材を冷やす作用を有する。

先ず必要とする前記潤滑油量の生成過程についてであるが、一般に油膜付水霧の水霧粒子及び油霧粒子はお互いの性質に応じた表面張力を有するため親和性のある油を用いれば水霧粒子に油が油膜状態で付着する。その付着量は表面張力の強さに比例する。従って水霧粒子一個に付着する油量は限定され、特に飛流する油膜付水霧の油量は表面張力で維持できる最小の値を示す。これが油膜付水霧の持つ油量の基本的な姿であり、図２の油膜付水霧Ｗ₀４がこれにあたる。

この基本的な姿を有する油膜付水霧Ｗ₀４を用い、該油膜付水霧Ｗ₀４に同一油液の微細な油霧粒子２２を図５のように混入させ、適正量の油を含む複合体の油膜付水霧Ｗ５を生成する。これが図２の油膜付水霧Ｗ５である。図２は複合体の油膜付水霧Ｗ５に於ける水霧粒子２１と油霧粒子２２の関係を示したものである。なお該油霧粒子２２の油は潤滑性及び親和性を有する油である。

水霧粒子２１に油膜２３を形成する油量は、それが飛流している場合特に付着油量が最小値を示すため外部から油霧粒子２２を増量しても油膜２３を付増することなく油霧粒子２２は分離する。この分離された油霧粒子２２は、それ自体が核となり周囲の油膜付水霧粒子Ｗ₀４を複数引き付け内部に納まり、複合体の油膜付水霧Ｗ５を形成する。これが油膜付水霧Ｗ５の生成過程であり、潤滑油を生成するための必須条件となる。

この必須条件を数式で表わすと、油膜付水霧Ｗ₀４の油量をＣ₀ 、油膜付水霧Ｗ５の油量をＣとすると、油膜付水霧Ｗ５の油量Ｃは、Ｃ＞Ｃ₀ で表わされる。

潤滑作用を効率良く機能させるため第二ノズル８から噴射される油膜付水霧Ｗ５は、この必須条件を満たさなければならない。

形成された複合体の油膜付水霧Ｗ５は、第二ノズル８から噴射される。該複合体の油膜付水霧Ｗ５内に納まっていた油霧粒子２２は、刃物１の先端の逃げ角を有する面３側に到着した後潤滑油として作用する。

第一ノズル９により噴射される油膜付水霧Ｗ₀４及び第二ノズルから噴射される油膜付水霧Ｗ５に代表される油膜付水霧３３が、図３のごとく軸中心３４を中心に回転７する被切削材６の周速度より低い速度で噴射供給されると、被切削材６の周速とそれに密着して回転する空気層の遠心力で油膜付水霧３３は被切削材６に到達する前に弾き飛ばされる。従って油膜付水霧３３が被切削材６に到達しそして密着させるための条件は油膜付水霧３３の噴射速度が被切削材６の周速度より速いことが必須条件となる。

この必須条件を数式で表わすと、油膜付水霧３３の噴射速度をＳ、被切削材６の周速度をＳ0 とすると、油膜付水霧３３の噴射速度Ｓは、Ｓ＞Ｓ₀ で表わされる。

よって油膜付水霧３３で代表された第一ノズル９から噴射される油膜付水霧Ｗ₀４及び第二ノズル８から噴射される油膜付水霧Ｗ５は、この必須条件を満たさなければならない。

必要とする点に好作用を及ぼす吹き付けによる油膜付水霧の供給方法として、噴射角度と噴射量がありこれらも重要な要素を秘める。例えばレビンダ−効果を発揮させる油膜付水霧供給角度と潤滑作用を高める油膜付水霧供給角度では全く異なる。この要素を無視す
ると切削面の粗悪面粗さのみならず刃物の刃までが破損する。

図４に於て第一ノズル９はレビンダ−効果を生じさせるノズルで、この第一ノズル９の噴射角αは刃物１のスクイ角を有する面２側の切り屑の正面に対し、近似的に直角または刃物１の被切削材６に対する切り込み深さにより４５°以内の角度となる。従って第一ノズル９の先端は角度調整機構４１で構成される。また第一ノズル９の噴射角αは、加工条件が決定されると刃物１のスクイ角を有する面２側に対し常に一定の噴射角となるため、刃物台４４に取り付いている第一ノズル台４２の取り付け位置と前記刃物台４４に取り付いている刃物１の先端との距離４５は固定している。

同様に図４に示されるごとく、第二ノズル８は潤滑油の供給を目的としたノズルで、第二ノズル台４８を伴って切削点近傍の位置に一個ないし複数個で固定位置に取り付けられる。潤滑を目的とした第二ノズル８の噴射角βは、刃物１の逃げ角を有する面３側に対し、近似的に平行または加工条件により６０°以内の角度となる。また加工条件により図６のごとく刃物１の逃げ角を有する面３側の側面より６０°以内の角度γで油膜付水霧Ｗを噴射する。

この角度設定は、裏挽き切削、突っ切り切削などこれに準ずる深場切削に於て、油膜付水霧が刃物の先端に直接到達しない状態があるため、未潤滑油状態を防止する観点から第二ノズル８の噴射角度及びノズル先端から刃物１先端までの距離を自在に設定できるようにする。

次に第一ノズル９の先端及び第二ノズル８の先端のノズル噴射口径の値は固定である。これは油膜付水霧に加えられる噴射加圧力とノズルの噴射口径の２点の値を固定にすることで油膜付水霧の供給量を一定に保つことができる。

前記３課題は各種刃物による切削で生じる切削面の面粗さに関係するもので、この３課題を解決し、切削する機械、例えばＮＣ自動旋盤等に用いるとその加工品質は格段に向上する。

刃物に対し第一ノズルから噴射される油膜付水霧と第二ノズルから噴射される油膜付水霧の関係を示した図である。 油膜付水霧粒子群と油霧粒子の関係を示した図である。 回転する被切削材に対し噴射される油膜付水霧の関係を示した図である。 刃物に対し側面から見た第一ノズルと第二ノズルの配置状態及びノズルの噴射状態図である。 油膜付水霧と油霧の混合方法を示した図である。 刃物に対し正面から見た第二ノズルの噴射状態図である。

符号の説明

１ 刃物
２ スクイ角を有する面
３ 逃げ角を有する面
４ 油膜付水霧Ｗ₀
５ 油膜付水霧Ｗ
６ 被切削材
７ 回転方向を示す矢印
８ 第二ノズル
９ 第一ノズル
２１ 水霧粒子
２２ 油霧粒子
２３ 油膜
３２ 空気層
３３ 油膜付水霧
３４ 軸中心
４１ 角度調整機構
４２ 第一ノズル台
４４ 刃物台
４５ 第一ノズル台の取り付け位置と刃物先端との距離
４８ 第二ノズル台

Claims (5)

1. 金属切削に用いられる刃物のスクイ角を有する面側及び該刃物の逃げ角を有する面側に対し、ノズルより定圧力の連続した吹き付けで供給される油膜付水霧を用いた切削法において、
   前記刃物のスクイ角を有する面側でレビンダ−効果を生じさせる油膜が形成されている油膜付水霧Ｗ₀に含まれる油量をＣ₀、前記刃物の逃げ角を有する面側で潤滑作用を生じさせる油膜が形成されている油膜付水霧Ｗに含まれる油量をＣとするとき、切削の面粗さを改善するための前記油量ＣがＣ＞Ｃ₀ なる条件のもとで、該油量Ｃを含む油膜付水霧Ｗを、前記刃物の逃げ角を有する面側に、被切削材の周速度以上の吹付速度、所定の吹付角度及びノズル吐出口径で定量供給することを特徴とする油膜付水霧による切削法。
2. 油膜付水霧Ｗは、油膜付水霧Ｗ₀粒子の直径より小さく該油膜付水霧Ｗ₀の油と同一液であり潤滑性と油膜及び水霧に対する親和性とを有する油霧粒子を、前記油膜付水霧Ｗ₀が導管内を通過している過程で混入機により該導管内へ混入させ該油霧粒子を核として複数の油膜付水霧Ｗ₀粒子と結合させることにより生成され、前記油膜付水霧Ｗが油膜付水霧Ｗ₀粒子を搬送素子として前記油霧粒子をノズルへ搬送することとする請求項１に記載の油膜付水霧による切削法。
3. 油膜付水霧Ｗ₀及び油膜付水霧Ｗの粒子の被切削材への吹付速度は、該吹付速度をＳ、被切削材の周速度をＳ₀とするとき、Ｓ＞Ｓ₀ であることとする請求項１に記載の油膜付水霧による切削法。
4. 油膜付水霧Ｗ₀は、各種刃物の工具ホルダーに取り付けられ所定の噴射距離及び噴射口径を有し手動による自在角度設定機構を有するノズルから吐出され、油膜付水霧Ｗは、所定の噴射口径を有し手動による自在の噴射角度設定及び距離設定機構を有する少なくとも一つのノズルから吐出されることとする請求項１に記載の油膜付水霧による切削法。
5. 金属切削に用いられる刃物のスクイ角を有する面側でレビンダ−効果を生じさせる油膜が形成されている油膜付水霧Ｗ₀ と該刃物の逃げ角を有する面側で潤滑作用を生じさせる油膜が形成されている油膜付水霧Ｗとにより切削する切削機において、
   刃物のスクイ角を有する面側に設けられ、油膜付水霧Ｗ₀ の被切削材への吹付速度をＳ、被切削材の周速度をＳ ₀ とするとき、Ｓ＞Ｓ₀ なる条件で油膜付水霧Ｗ ₀ を噴射する、工具ホルダ−に取り付けられ所定の噴射距離及び噴射口径を有し手動による自在角度調整機構を有する第一ノズルと、前記刃物の逃げ角を有する面側に設けられ、油膜付水霧Ｗに含まれる油量をＣ、油膜付水霧Ｗ ₀ に含まれる油量をＣ ₀ とするとき、Ｃ＞Ｃ₀ なる条件で油膜付水霧Ｗを噴射する、所定の噴射口径を有し手動による自在の噴射角度設定及び距離設定機構を有する第二ノズルとを備えていることを特徴とする切削機。

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