(57)【要約】【課題】チタン合金を含むワークを、窒化や酸化、炭化の反応を生じさせることなく、且つ工具寿命も維持しつつ、高速で加工する。【解決手段】チタン合金からなるワークＷを工具７によって加工するマシニングセンタ１において、工具７をセラミック工具として、セラミック工具による加工時の生成直後の加工面及び切り屑に、希ガス族元素から選択される不活性ガスを供給して、チタン合金と反応して硬質層を生成したり切り屑を発火させたりする活性ガスを加工面及び切り屑の近傍から排除する活性ガス排除手段（不活性ガス生成装置８、配管９、主軸頭４内の供給路、ノズル１０）を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタン合金を含むワークを工具によって加工する方法であって、
前記工具としてセラミック工具を用い、前記セラミック工具による加工時の生成直後の加工面及び切り屑に、希ガス族元素から選択される不活性ガスを供給して、前記チタン合金と反応する活性ガスを前記加工面及び前記切り屑の近傍から排除することを特徴とするチタン合金を含むワークの加工方法。
【請求項２】
前記不活性ガスの供給は、前記セラミック工具による加工点へ前記不活性ガスを吹き付けることで行うことを特徴とする請求項１に記載のチタン合金を含むワークの加工方法。
【請求項３】
前記不活性ガスの供給は、前記セラミック工具による加工点を含む所定の領域を密閉或いは半密閉空間として、当該密閉或いは半密閉空間内に前記不活性ガスを充填させることで行うことを特徴とする請求項１に記載のチタン合金を含むワークの加工方法。
【請求項４】
前記不活性ガスを、空気より重いアルゴン、クリプトン、キセノン、ラドンの何れかとして、前記密閉或いは半密閉空間の上部から前記活性ガスを排除することを特徴とする請求項３に記載のチタン合金を含むワークの加工方法。
【請求項５】
前記セラミック工具を、切り屑の吸引路を備えたものとして、前記吸引路を含む切り屑の回収経路を形成し、前記不活性ガスの供給は、前記吸引路の入口と前記加工点とを含む所定の領域に前記不活性ガスを吹き付けることで行うことを特徴とする請求項２に記載のチタン合金を含むワークの加工方法。
【請求項６】
前記セラミック工具を、切り屑を誘導する誘導路を備えたものとして、前記不活性ガスの供給は、少なくとも前記誘導路から前記加工点に前記不活性ガスを吹き付けることで行うことを特徴とする請求項２に記載のチタン合金を含むワークの加工方法。
【請求項７】
チタン合金を含むワークを工具によって加工する装置であって、
前記工具をセラミック工具として、前記セラミック工具による加工時の生成直後の加工面及び切り屑に、希ガス族元素から選択される不活性ガスを供給して、前記チタン合金と反応する活性ガスを前記加工面及び前記切り屑の近傍から排除する活性ガス排除手段を設けたことを特徴とするチタン合金を含むワークの加工装置。
【請求項８】
前記活性ガス排除手段は、不活性ガス供給源と、前記不活性ガス供給源から得られる前記不活性ガスを前記セラミック工具による加工点へ吹き付ける吹き付け手段とを含んでなることを特徴とする請求項７に記載のチタン合金を含むワークの加工装置。
【請求項９】
前記活性ガス排除手段は、不活性ガス供給源と、前記セラミック工具による加工点を含む所定の領域を覆って密閉或いは半密閉空間を形成するカバーと、前記不活性ガス供給源から得られる前記不活性ガスを前記密閉或いは半密閉空間内に供給する配管とを含んでなることを特徴とする請求項７に記載のチタン合金を含むワークの加工装置。
【請求項１０】
前記不活性ガスを、空気より重いアルゴン、クリプトン、キセノン、ラドンの何れかとして、前記密閉或いは半密閉空間内の上部から前記活性ガスを排除する排出部を設けたことを特徴とする請求項９に記載のチタン合金を含むワークの加工装置。
【請求項１１】
前記セラミック工具を、切り屑の吸引路を備えたものとして、前記吸引路を含む切り屑の回収経路を形成し、前記吹き付け手段は、前記吸引路の入口と前記加工点とを含む所定の領域に前記不活性ガスを吹き付けるものであることを特徴とする請求項８に記載のチタン合金を含むワークの加工装置。
【請求項１２】
前記セラミック工具を、切り屑を誘導する誘導路を備えたものとして、前記吹き付け手段は、少なくとも前記誘導路から前記加工点に前記不活性ガスを吹き付けるものであることを特徴とする請求項８に記載のチタン合金を含むワークの加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械によってチタン合金を含むワークを加工する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
チタン合金は、比重が比較的小さく、強度や耐食性に優れるため、航空機や発電所の配管、化学工場の反応容器等に使用されているが、発火性の高い材料であるため、高速で切削加工を行うと、切削熱によって切り屑が発火してしまうおそれがある。しかし、発火が生じにくい低速度での切削加工を行うと、加工効率が低下してコストアップに繋がる。
そこで、特許文献１には、工具刃先部分又はこの近くの空間を、窒素ガスや炭酸ガス等の不燃性ガスの雰囲気として切り屑の発火を防止する発明が開示されている。
また、特許文献２には、加工エリアを密閉フードで覆い、密閉空間内に不活性ガス（窒素ガス、炭酸ガス、アルゴン、ネオン）を加圧供給すると共に、密閉空間内の切り屑を吸引収集して不活性ガスと分離し、浄化した不活性ガスをガス加圧供給部に戻すことで、切り屑の発火の危険を回避すると共に、不活性ガスの再利用によってランニングコストも低減するようにした発明が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−１９７９８８号公報
【特許文献２】特開２００２−１２６９６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の加工方法では、高速での切削加工が行えるものの、窒素ガスや炭酸ガス等の不燃性ガスを用いるため、窒素ガスを使用すると窒化チタンを生成して工具摩耗を促進し、炭酸ガスを使用すると高温下でチタンと反応して炭化するおそれが生じる。
一方、特許文献２の加工方法では、不活性ガスとしてアルゴンやネオンを用いると、特許文献１のような反応を減少させることができるが、必ずしも十分に酸素及び窒素が排除できるとは限らないため、工具摩耗を抑制できない可能性がある。また、工具として一般的な超硬合金を用いると、チタンの融点まで高硬度を維持できないので、非常に切削速度が高い領域では工具寿命が短くなってしまう。
【０００５】
そこで、本開示は、工具寿命を維持しつつ、高速で加工することができるチタン合金を含むワークの加工方法及び加工装置を提供することを目的としたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本開示は、チタン合金を含むワークを工具によって加工する方法であって、
工具としてセラミック工具を用い、セラミック工具による加工時の生成直後の加工面及び切り屑に、希ガス族元素から選択される不活性ガスを供給して、チタン合金と反応する活性ガスを加工面及び切り屑の近傍から排除することを特徴とする。
なお、ここでの「活性ガス」とは、チタン合金と反応して硬質層を生成させる硬質層生成ガス（酸素や窒素、炭酸ガス）や、チタン合金と反応して発火させる酸素をいう。
ここで、不活性ガスの供給は、セラミック工具による加工点へ不活性ガスを吹き付けることで行うことが望ましい。
また、不活性ガスの供給は、セラミック工具による加工点を含む所定の領域を密閉或いは半密閉空間として、当該密閉或いは半密閉空間内に不活性ガスを充填させることで行うことが望ましい。
また、不活性ガスを、空気より重いアルゴン、クリプトン、キセノン、ラドンの何れかとして、密閉或いは半密閉空間の上部から活性ガスを排除することが望ましい。
また、セラミック工具を、切り屑の吸引路を備えたものとして、吸引路を含む切り屑の回収経路を形成し、不活性ガスの供給は、吸引路の入口と加工点とを含む所定の領域に不活性ガスを吹き付けることで行うことが望ましい。
また、セラミック工具を、切り屑を誘導する誘導路を備えたものとして、不活性ガスの供給は、少なくとも誘導路から加工点に不活性ガスを吹き付けることで行うことが望ましい。
そして、本開示は、チタン合金を含むワークを工具によって加工する装置であって、
工具をセラミック工具として、セラミック工具による加工時の生成直後の加工面及び切り屑に、希ガス族元素から選択される不活性ガスを供給して、チタン合金と反応する活性ガスを加工面及び切り屑の近傍から排除する活性ガス排除手段を設けたことを特徴とする。
ここで、活性ガス排除手段は、不活性ガス供給源と、不活性ガス供給源から得られる不活性ガスをセラミック工具による加工点へ吹き付ける吹き付け手段とを含んでなることが望ましい。
また、活性ガス排除手段は、不活性ガス供給源と、セラミック工具による加工点を含む所定の領域を覆って密閉或いは半密閉空間を形成するカバーと、不活性ガス供給源から得られる不活性ガスを密閉或いは半密閉空間内に供給する配管とを含んでなることが望ましい。
また、不活性ガスを、空気より重いアルゴン、クリプトン、キセノン、ラドンの何れかとして、密閉或いは半密閉空間内の上部から活性ガスを排除する排出部を設けることが望ましい。
また、セラミック工具を、切り屑の吸引路を備えたものとして、吸引路を含む切り屑の回収経路を形成し、吹き付け手段は、吸引路の入口と加工点とを含む所定の領域に不活性ガスを吹き付けるものであることが望ましい。
また、セラミック工具を、切り屑を誘導する誘導路を備えたものとして、吹き付け手段は、少なくとも誘導路から加工点に不活性ガスを吹き付けるものであることが望ましい。
【発明の効果】
【０００７】
本開示によれば、チタン合金を含むワークを、工具寿命を維持しつつ、高速で加工することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】形態１のマシニングセンタの概略図である。
【図２】形態２のマシニングセンタの概略図である。
【図３】形態３のマシニングセンタの概略図である。
【図４】形態４の複合加工旋盤の概略図である。
【図５】工具の変更例（ミリング）の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
［形態１］
図１は、本発明の加工装置の一例となるマシニングセンタの概略図である。
このマシニングセンタ１は、ベッド２と、ベッド２上に立設されるコラム３と、コラム３の正面側でＸ軸方向へ移動可能な図示しないサドルに設けられ、Ｚ軸方向へ移動可能な主軸頭４と、ベッド２上でＹ軸方向へ移動可能なテーブル５とを備えてなる。主軸頭４には、主軸６が設けられて、工具７が着脱可能となっている。この工具７は、切刃７ａに、アルミナ系、アルミナ−炭化物複合系、窒化珪素系、サイアロン系等、高硬度で耐熱性、耐摩耗性に優れたセラミック材料を用いたセラミック工具である。
【００１０】
ここでは不活性ガス供給源として不活性ガス生成装置（以下単に「生成装置」という。）８が用いられる。この生成装置８は、配管９によって主軸頭４と接続され、生成された不活性ガスは、配管９から主軸頭４内に設けられた図示しない供給路を通って、主軸頭４から下向きに突設された吹き付け手段としてのノズル１０から、工具７先端の加工点へ吹き付けられるようになっている。ここでの不活性ガスは、希ガス族元素（ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドン）の何れかが選択されて生成される。この生成装置８は、マシニングセンタ１の図示しないＮＣ装置からの指令に伴い、ノズル１０からの不活性ガスの吹き付けの動作／停止を実行する。ここでは、生成装置８、配管９、主軸頭４内の供給路、ノズル１０が活性ガス排除手段となる。
【００１１】
以上の如く構成されたマシニングセンタ１において、テーブル５上に載置されたチタン合金からなるワークＷを切削する際には、工具７の刃先（加工点）に、ノズル１０から、生成装置８で生成した不活性ガスを吹き付けながら切削を行う。この不活性ガスは、生成装置８において所定の圧力及び温度で管理される。
こうして加工点に不活性ガスが吹き付けられることで、チタン合金と反応する活性ガス（硬質層を生成する硬質層生成ガス（酸素や窒素、炭酸ガス）や、チタン合金を発火させる酸素等）を、ワークＷの加工面及び切り屑の近傍から排除することができる。よって、工具７を高速回転させて切削を行っても、その窒化や酸化が抑制される。また、チタン合金を発火させる酸素も排除されるため、切り屑の発火も防止される。
【００１２】
このように、上記形態１のマシニングセンタ１及び加工方法によれば、工具７にセラミック工具を用い、セラミック工具による加工点付近に、希ガス族元素から選択される不活性ガスを、ノズル１０からの吹き付けによって供給して活性ガスを加工面及び切り屑の近傍から排除することで、チタン合金からなるワークＷ表面を、窒化や酸化、炭化の反応を抑制すると共に切り屑の燃焼も防止して、工具寿命を維持しつつ、高速で加工することができる。
なお、上記形態１では、主軸頭４内に不活性ガスの供給路を形成しているが、フレキシブルホース等を主軸頭４の外側で引き回してノズル１０に接続するようにしてもよい。ノズル１０を複数設けて二方向以上から不活性ガスを供給するようにしてもよい。
【００１３】
次に、他の形態を説明する。但し、上記形態と同じ構成部には同じ符号を付して重複する説明は省略する。
［形態２］
図２において、マシニングセンタ１の加工エリア内には、カバー１１によってワークＷ及び工具７を含む密閉空間１２が形成されて、カバー１１に生成装置８の配管９が接続されている。すなわち、活性ガス排除手段を、生成装置８と、加工点を含む所定の領域を覆って密閉空間１２を形成するカバー１１と、生成装置８で生成された不活性ガスを密閉空間１２内に供給する配管９とで構成したものである。
【００１４】
よって、切削時には、生成装置８で生成した不活性ガスを配管９を介して密閉空間１２内に供給すれば、不活性ガスの雰囲気中で切削が実施されることになるため、切り屑の発火が防止される。
但し、不活性ガスが空気より重いアルゴン、クリプトン、キセノン、ラドンの場合には、カバー１１内を密閉空間とせず、上部に排出部としての排出管１３を接続したり開口を形成したりした半密閉空間として、活性ガスを含む空気が上側に漏れ出るようにアルゴン等を供給し続けて上側の空気をカバー１１内から積極的に追い出すようにしてもよい。また、排出管１３に吸引機１４を接続して空気を吸引することもできる。
このようにすれば、切り屑を燃焼させない酸素濃度の閾値よりもさらに低い濃度まで酸素と窒素とを排除することができるため、チタン合金との反応をより効率的に抑制して硬質層生成による工具摩耗の一層の抑制に繋がる。
【００１５】
逆に、空気より軽いヘリウム等の場合には、空気が下側に漏れ出るように不活性ガスを供給し続けて空気を追い出すようにしてもよい。
また、工具とワークとは加工のために相対運動する必要があり、さらに工具は交換する場合もあるため、蛇腹や弾性要素等でこれらの動作を許容するように構成した場合、密閉空間に若干の漏出が生じる。このため、上記のように漏れ出る上下位置を不活性ガスの密度によって決めることが実用的である。
【００１６】
このように、図２のマシニングセンタ１においても、工具７にセラミック工具を用い、加工点を含む密閉空間１２内に、希ガス族元素から選択される不活性ガスを充填することで、チタン合金からなるワークＷ表面を、窒化や酸化、炭化の反応を抑制すると共に切り屑の燃焼も防止して、工具寿命を維持しつつ、高速で加工することができる。
なお、上記形態２では、加工エリア内にカバーによって密閉空間を形成した例を説明しているが、通常の工作機械に設けられるカバーを利用してコラムの外側を囲む半密閉空間を形成して下面と側面との密閉性を高め、アルゴン等の空気より重いガスを加工エリアに供給するようにしてもよい。この場合は、通常の加工エリアの上部の一部が開いた、或いは開閉可能な半密閉空間となり、工具交換やワークの交換、切り屑の排出等が支障なく行える。
【００１７】
［形態３］
図３において、生成装置８は、形態１と同様に、配管９によって主軸頭４と接続され、生成された不活性ガスは、配管９から主軸頭４内に設けられた図示しない供給路を通って、主軸頭４から下向きに突設されたノズル１０から、工具７先端の加工点へ吹き付けられるようになっている。
一方、工具７内には、切刃７ａ近傍に開口する切り屑の吸引路１５が形成されて、主軸６には、吸引路１５と連通する回収路１６が形成されている。そして、回収路１６の下流側に、吸引管１７を介して回収器１８が接続されて、吸引路１５から回収器１８に至る回収経路が形成されている。
よって、切削時には、生成装置８で生成した不活性ガスをノズル１０から吸引路１５の入口を含む加工点付近に供給して、吸引路１５から回収路１６及び吸引管１７を介して回収器１８に不活性ガスと共に切り屑を回収するようにすれば、加工直後の加工面に硬質層が生成されることが抑制される。また、回収経路内に不活性ガスが充填されるため、切り屑の発火が防止される。
【００１８】
このように、図３のマシニングセンタ１においても、工具７を切り屑の吸引路１５を備えたものとして、吸引路１５を含む切り屑の回収経路（吸引路１５、回収路１６、吸引管１７、回収器１８）を形成し、ノズル１０によって吸引路１５の入口と加工点とを含む領域に不活性ガスを吹き付けるようにしたことで、チタン合金からなるワークＷ表面を、窒化や酸化、炭化の反応を抑制すると共に切り屑の燃焼も防止して、工具寿命を維持しつつ、高速で加工することができる。
なお、この形態３においては、形態２のような密閉或いは半密閉空間を形成して実行することも可能である。
【００１９】
なお、上記形態や変更例では、工作機械としてマシニングセンタを例にして加工装置を形成しているが、工作機械はマシニングセンタに限らず、複合加工機やＮＣ旋盤等であってもよい。よって、工具でなくワークを回転させて加工を行う工作機械であっても、本発明による硬質層の生成抑制と切り屑の発火防止とは実現可能である。
【００２０】
［形態４］
図４は、複合加工旋盤を用いて加工装置を形成した概略図で、この複合加工旋盤２０は、ベッド２１上に、Ｚ軸方向へスライド可能な図示しない支持台と、支持台上でＹ軸方向へスライド可能な図示しないスライド台を介して、Ｘ軸方向へ昇降可能な昇降台２２を備えてなり、昇降台２２の前面に、刃物台２３が設置されている。また、スライド台の前方には、主軸台２４が設けられ、主軸台２４には、ワークＷを把持するチャック２６を備えた主軸２５が設置されている。
【００２１】
ここでは刃物台２３にセラミック工具である工具２７が装着されているが、この工具２７は、切刃２８のすくい面に、切り屑の案内溝２９を形成すると共に、シャンク部分に案内溝２９の延長上に位置する誘導路３０を貫通形成して、誘導路３０に、回収管３１を介して回収器３２が接続されている。そして、工具２７には、生成装置８の配管９が接続されて、誘導路３０に不活性ガスが供給可能となっている。この生成装置８及び配管９が活性ガス排除手段となる。
【００２２】
この複合加工旋盤２０においては、主軸２５を回転させてワークＷを回転させながら工具２７で切削を行うと、切刃２８で切削された切り屑は、案内溝２９によって誘導路３０側へ案内され、そのままトンネル状の誘導路３０を通り、回収管３１を介して回収器３２に回収される。このとき、同時に生成装置８から不活性ガスを配管９から誘導路３０に供給することで、誘導路３０内が不活性ガスで満たされる。この不活性ガスは、誘導路３０から切刃２８側へ吹き出すので、生成直後の加工面の窒化や酸化、炭化が防止されて硬質層の生成が抑制される。また、切り屑が不活性ガスで満たされた誘導路３０を通過することで、発火が防止される。さらに、誘導路３０へ供給される不活性ガスは、誘導路３０から回収管３１側へも流れることになり、より高い発火防止効果が得られる。
【００２３】
このように、図４の複合加工旋盤２０においても、工具２７に、すくい面に切り屑の案内溝２９と、その案内溝２９の延長上に位置する誘導路３０とを有するセラミック工具を用い、工具２７による切削時に発生する切り屑を案内溝２９から誘導路３０に誘導すると共に、誘導路３０に、不活性ガスを供給して誘導路３０から加工点に不活性ガスを吹き付けるようにしたことで、チタン合金からなるワークＷを、窒化や炭化の反応を生じさせることなく、且つ工具寿命も維持しつつ、高速で加工することができる。
【００２４】
なお、切刃２８をアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）製とした工具２７で、切削速度を５０〜５００ｍ／ｍｉｎに変更しながらチタン合金のワークＷを切削して切削温度の変化を検証した。この場合、約１７０ｍ／ｍｉｎで切削温度が１０００℃を越え、３００〜５００ｍ／ｍｉｎでチタンの融点である１６００℃近くまで温度上昇したが、切刃２８に変化はなく、切削への影響は確認できなかった。
【００２５】
上記形態４では、誘導された切り屑を回収管３１を介して回収器３２へ回収するようにしているが、回収管３１と回収器３２とは無くてもよく、誘導路３０を通過する間に切り屑が冷却され、発火温度を下回っていれば、その後は通常の切削工程と同様に工作機械内の下部へ切り屑が流れ落ちるようにしても差し支えない。
また、切刃の案内溝は必須ではなく、例えば図５に示すミリング３３のように、切刃３４の近傍に、遠心力によって切り屑３６を回収する誘導路３５を設けたものでは、この誘導路３５に不活性ガスを供給して点線矢印で示すように不活性ガスを誘導路３５内で逆流させて切削点付近へ吹き出させるようにすることも可能である。この場合、形態１のノズルを設ける等して誘導路以外からも不活性ガスを供給するようにしてもよい。
【００２６】
その他、上記形態４では、活性ガス排除手段として生成装置８を用いて不活性ガスを供給しているが、不活性ガスに代えて水や油等の低反応性液体を供給するようにしてもよい。これは外部からの配管やボンベ等によって供給できる。
また、各形態における不活性ガス供給源も、生成装置に限らず、不活性ガスを充填したボンベであっても差し支えない。
さらに、上記各形態では、チタン合金からなるワークの加工を例示しているが、チタン合金を含む複数の材料から構成される１つのワークを加工する場合であっても、チタン合金の部分を加工する際に本発明は有効に採用できる。
【符号の説明】
【００２７】
１・・マシニングセンタ、２・・ベッド、３・・コラム、４・・主軸頭、５・・テーブル、６・・主軸、７・・工具、７ａ・・切刃、８・・不活性ガス生成装置、９・・配管、１０・・ノズル、１１・・カバー、１２・・密閉空間、１３・・排出管、１４・・吸引機、１７・・吸引管、１８・・回収器、１５・・吸引路、１６・・回収路、２０・・複合加工旋盤、２１・・ベッド、２２・・昇降台、２３・・刃物台、２４・・主軸台、２５・・主軸、２６・・チャック、２７・・工具、２８・・切刃、２９・・案内溝、３０・・誘導路、３１・・回収管、３２・・回収器、３３・・ミリング、３４・・切刃、３５・・誘導路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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