(57)【要約】【課題】被加工金属の酸化を防止しつつ、廃油処理や製品の洗浄作業を必要とせず、加工部に大量の冷却液を供給した場合であっても加工部における振動の発生を回避して、高精度かつ高速での金属加工を実現する金属加工装置を提供すること。【解決手段】被加工金属Ｗを加工する工具１２１と、工具１２１と被加工金属Ｗとの間の加工部Ａに冷却液Ｌを供給する冷却液供給手段１３０とを備え、冷却液Ｌは、溶存ガスを除去する脱気処理と、水素を添加する水素添加処理とを水に対して施して成る金属加工装置１００。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工金属を加工する工具と、前記工具と被加工金属との間の加工部に冷却液を供給する冷却液供給手段とを備え、
前記冷却液は、溶存ガスを除去する脱気処理と、水素を添加する水素添加処理とを水に対して施して成ることを特徴とする金属加工装置。
【請求項２】
前記溶存ガスは、窒素ガスおよび酸素ガスであり、
前記脱気処理を施された脱気水内に溶存する窒素ガスおよび酸素ガスの濃度は、１ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の金属加工装置。
【請求項３】
前記脱気処理を施された窒素ガスおよび酸素ガスの濃度は、１ｐｐｂ以下であることを特徴とする請求項２に記載の金属加工装置。
【請求項４】
前記水素添加処理は、前記水素の飽和溶解度未満、かつ、前記冷却液の酸化還元電位を酸化力を有しない数値まで下げる量の水素を添加する処理であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の金属加工装置。
【請求項５】
前記水素添加処理は、０．６〜０．８ｐｐｍの水素を添加する処理であることを特徴とする請求項４に記載の金属加工装置。
【請求項６】
前記冷却液は、脱気された鉱物油または油脂を添加する油添加処理を更に施されて成ることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の金属加工装置。
【請求項７】
前記油添加処理は、脱気された鉱物油または油脂を５〜１０％添加する処理であることを特徴とする請求項６に記載の金属加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属加工装置に関し、特に、極めて精密かつ短時間で金属加工を行う金属加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、加工装置として、主軸を有する主軸台と、加工工具を有する刃物台と、刃物台を駆動して加工工具を被加工物に対して相対移動させる駆動機構と、加工工具および被加工物に冷却液を供給する冷却液供給手段（ノズル）とを備えた旋盤が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３８３２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、特許文献１に記載されるような加工装置を用いて、鉄合金やＡｌ合金などの被加工金属を精密かつ短時間（すなわち、高速）で切削加工する場合、振動や微振動を一切生じないように、工具を高速に移動させて高速加工することが必要となる。
【０００５】
そして、高速に加工すればする程、工具と被加工金属との間の加工部は発熱するため、大量の冷却水または冷却液を供給して、加工部の冷却が必要となる。
【０００６】
そのため、加工部に対して冷却液を１０ｋｇ／ｃｍ２程度から３０ｋｇ／ｃｍ２の圧力で供給することになるが、このような高圧で大量の冷却液を供給すると、加工部に振動が励起され、精密加工に支障をきたすことになるという問題があった。
【０００７】
本出願人は、冷却液の供給に起因して加工部に振動が励起される原因を解明し、次のような知見を得た。
【０００８】
すなわち、通常の冷却液中には、大気成分（溶存ガス）が溶け込んでおり、液供給管内を圧送される時、大量の気泡が発生する。
この発生した大量の気泡が液供給管の内壁に着脱を繰り返すが、気泡が液供給管の内壁に付着すると、冷却液が流れる断面積が小さくなって、冷却液を流すための圧力が高くなり、他方、気泡が液供給管の内壁から脱離すると、冷却液の流れる面積が広くなって、冷却液を流すための圧力は低下する。
【０００９】
このように、大量の気泡が液供給管の内壁への着脱をくり返すため、極めて激しい圧力振動が冷却液の供給系に発生する。
そして、この振動が加工部に伝えられ、加工部の振動が励起されることになる。
【００１０】
一方、鉄合金などの切削・研削加工には、被加工金属の酸化を防ぐために、冷却液として油が広く用いられている。
【００１１】
この場合、高速加工のために大量の冷却液が必要になると、大量の廃油の処理が必要になるという問題があり、また、加工後に製品の洗浄が必要であり、作業負担が増加するという問題があった。
【００１２】
そこで、本発明は、従来の問題を解決するものであって、すなわち、本発明の目的は、被加工金属の酸化を防止しつつ、廃油処理や製品の洗浄作業を必要とせず、加工部に大量の冷却液を供給した場合であっても加工部における振動の発生を回避して、高精度かつ高速での金属加工を実現する金属加工装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の金属加工装置は、被加工金属を加工する工具と、前記工具と被加工金属との間の加工部に冷却液を供給する冷却液供給手段とを備え、前記冷却液は、溶存ガスを除去する脱気処理と、水素を添加する水素添加処理とを水に対して施して成ることにより、前述した課題を解決したものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、加工部に供給される冷却液が、溶存ガスを除去する脱気処理を施されていることにより、冷却液が液供給管を圧送される際に液供給管内で気泡を生じることが防止されるため、冷却液の供給系における圧力振動の発生を回避でき、この振動が工具と被加工金属との間の加工部に伝達されることを防止でき、高精度かつ高速での金属加工を実現できる。
また、水に脱気処理を施して溶存ガスを除去することにより、脱気水内に水素を容易に溶解させることができる。
【００１５】
また、加工部に供給される冷却液に水素添加処理を施すことにより、冷却液の酸化還元電位を下げて、被加工金属の酸化を防止でき、また、液供給管が金属から成形されている場合、液供給管の酸化を防止できる。
また、前述したように、水に脱気処理を施して溶存ガス、特に、酸素ガスを除去することにより、微量の水素の添加で、冷却液を還元性にすることができる。
【００１６】
また、冷却液の少なくとも主成分が水であることにより、冷却液として油を採用した場合に必要とされる廃油処理や製品の洗浄作業に係る作業負担を回避できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施例である金属加工装置を示す斜視図である。
【図２】冷却液供給手段と冷却水生成手段を中心として示す概略図である。
【図３】純水とガス飽和水とで振動加速度のレベルを比較したグラフである。
【図４】溶解水素濃度と酸化還元電位との関係を示すグラフである。
【図５ａ】装置停止状態における液供給管内の振動状態を説明する説明図である。
【図５ｂ】飽和溶解度未満の水素を添加した水を用いた場合における液供給管内の振動状態を説明する説明図である。
【図５ｃ】飽和溶解度以上の水素を添加した水を用いた場合における液供給管内の振動状態を説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施例である金属加工装置１００を図面に基づいて説明する。
【実施例】
【００１９】
まず、本発明の一実施例である金属加工装置１００は、旋盤であり、図１および図２に示すように、被加工金属Ｗを保持する主軸１１１を回転自在に支持する主軸台１１０と、主軸台１１０および主軸１１１に対して移動自在に設けられて工具１２１を着脱自在に支持する工具台１２０と、工具１２１と被加工金属Ｗとの間の加工部Ａに冷却液Ｌを供給する冷却液供給手段１３０と、加工部Ａに対して供給された冷却液Ｌを貯留する回収タンク１４０とを備えている。
【００２０】
また、冷却液供給手段１３０は、図２に示すように、接続パイプ１６０により、冷却液Ｌを生成する冷却水生成手段１５０に接続されている。
【００２１】
金属加工装置１００は、被加工金属Ｗを主軸１１１に取り付けるとともに、工具１２１を工具台１２０に取り付け、主軸１１１を回転駆動するとともに、工具台１２０を移動させて工具１２１を被加工金属Ｗに対して送り移動することにより、被加工金属Ｗを工具１２１によって切削加工するように構成されている。
【００２２】
冷却液供給手段１３０は、工具１２１で被加工金属Ｗの不要部分を切除する切削加工時に、工具１２１と被加工金属Ｗとの間の加工部Ａが発熱するので、加工部Ａの冷却と切削性の確保のために、工具１２１と被加工金属Ｗとの間の加工部Ａに冷却液Ｌを供給するものである。
【００２３】
冷却液供給手段１３０は、図１に示すように、加工部Ａに対して冷却液Ｌを噴射するノズル１３１と、冷却液Ｌを気密状態で貯留する液タンク１３２と、液タンク１３２内に設けられたストレーナ（濾過器）１３３と、ストレーナ１３３からノズル１３１へ冷却液Ｌを供給する液供給管１３４と、電動モータ１３５により駆動されるポンプ１３６とを備えている。
【００２４】
冷却水生成手段１５０は、図２に示すように、フィルタや逆浸透膜により原水を純化する前処理器１５１と、前処理器１５１により純化された水内の溶存ガスを除去する脱気筒１５２と、脱気筒１５２の外部環境を調整するために水蒸気を発生する水分発生器１５３と、脱気筒１５２により脱気された脱気水に水素を添加するガス溶解筒１５４と、前処理器１５１に接続されて原水を供給する原水供給パイプ１５５と、前処理器１５１と脱気筒１５２とを接続して脱気筒１５２に純水を供給する純水供給パイプ１５６と、脱気筒１５２とガス溶解筒１５４とを接続してガス溶解筒１５４に脱気水を供給する脱気水供給パイプ１５７とを備えている。
【００２５】
以下に、冷却液Ｌの具体的な生成方法について説明する。
【００２６】
まず、冷却液Ｌ（本実施例では冷却水）の中に大気成分（溶存ガス）が飽和溶解度まで溶け込んでいると、液供給管１３４内を圧送する際に必ず大量の気泡を発生することになる。
【００２７】
そこで、まず、原水である市水（水道水）を前処理器１５１において、フィルタや逆浸透膜などを用いて、一定程度高純化する。
【００２８】
次に、前処理器１５１により純化された水から、中空糸膜（図示しない）の脱気筒１５２で大気成分（溶存ガス）を除去する。
ここで、脱気筒１５２は、中空糸膜の外部環境を２０〜３０Ｔｏｒｒに減圧して、前処理器１５１により純化された水から窒素ガス（Ｎ２）および酸素ガス（Ｏ２）を除去する。
具体的には、水分発生器１５３で水素ガス（Ｈ２）および酸素ガスを用いて触媒による反応で水蒸気を発生させ、これを中空糸膜の外部へ供給して、前述した２０Ｔｏｒｒ〜３０Ｔｏｒｒの雰囲気をすべてＨ２Ｏガス雰囲気（水蒸気雰囲気）にする。
２０Ｔｏｒｒ、３０Ｔｏｒｒに減圧されている場合、Ｈ２Ｏ１００％雰囲気でも結露しない。
Ｈ２Ｏガス雰囲気の脱気筒１５２を通すと水中のＮ２、Ｏ２成分は、１ｐｐｂ以下になる。
なお、大気平衡では、窒素ガスは、１５ｐｐｍ、酸素ガスは、８ｐｐｍである。
また、酸素ガスおよび窒素ガスの含有量は、それぞれ１ｐｐｍ以下ならよいが、１ｐｐｂ以下とするのがより好ましい。
【００２９】
ここで、図３のグラフは、脱気処理を施すことで溶存酸素濃度を１μｇ／Ｌ以下に抑えた純水（Ｘ１）と、ガス飽和水（Ｘ２）とで、液供給管１３４内を圧送した場合の振動加速度のレベルを比較した結果を示している。
この図３のグラフから明らかなように、脱気処理を施した超純水を用いた場合、その振動加速度を１Ｇａｌ以下に抑制できることが判明した。
【００３０】
次に、この大気成分を脱気された脱気水の酸化還元電位を−０．４Ｖにして酸化力を無くすために、脱気水をガス溶解筒１５４に導き、水素を０．６〜０．８ｐｐｍ添加する。
具体的には中空糸膜（図示しない）に水素を高圧で供給し、中空糸膜の外部を流す脱気水に水素を溶け込ませる。
水素の室温での飽和溶解度は１．５ｐｐｍであるから、０．６〜０．８ｐｐｍ程度の水素の添加であれば、冷却液Ｌを液供給管１３４内を通して圧送した場合であっても、液供給管１３４内で気泡はまったく発生しない。
【００３１】
ここで、図４のグラフは、超純水に水素を溶解させた場合における、溶解水素濃度と酸化還元電位との関係を示している。
なお、Ｙ１は、溶存酸素濃度が０．０１ｍｇ／Ｌ（０．３１×１０−６ｍｏｌ／Ｌ）である場合、Ｙ２は、溶存酸素濃度が３ｍｇ／Ｌ（０．０９×１０−３ｍｏｌ／Ｌ）である場合、Ｙ３は、溶存酸素濃度が１０ｍｇ／Ｌ（０．３１×１０−３ｍｏｌ／Ｌ）である場合、Ｙ４は、溶存酸素濃度が１８ｍｇ／Ｌ（０．５６×１０−６ｍｏｌ／Ｌ）である場合を示している。
この図４のグラフから明らかなように、超純水内のガス濃度の制御のみで、還元力を有する（酸化力を有さない）水を容易に生成できることが判明した。
また、水中の溶存酸素量が過飽和であったり飽和していたりすると、必要な水素添加量が増え、水素による気泡が発生するおそれが生じる。
水中の酸素を脱気しておけば微量の水素添加で還元性にできるので、酸素ガスによる気泡発生も水素ガスによる気泡発生も防止できる。
【００３２】
また、図５ａは、装置停止状態における液供給管１３４内の振動状態を計測したグラフであり、図５ｂは、飽和溶解度未満の水素を添加した脱気水を用いた場合における液供給管１３４内の振動状態を測定したグラフであり、図５ｃは、飽和溶解度以上の水素を添加した脱気水（過飽和水素水）を用いた場合における液供給管１３４内の振動状態を測定したグラフである。
図５ａ乃至図５ｃのグラフから明らかなように、脱気水に飽和溶解度未満の水素を添加した場合であれば、液供給管１３４内で振動を殆ど生じないことが判明した。
【００３３】
なお、冷却液Ｌが、超高速の加工部Ａに供給する冷却液であることから、潤滑効果を持たせるために、脱気した鉱物油や油脂を数％（５％）から１０％添加することも有効である。
【００３４】
このようにして得られた本実施例では、加工部Ａに供給される冷却液Ｌが、溶存ガスを除去する脱気処理を施されていることにより、冷却液Ｌが液供給管１３４を圧送される際に液供給管１３４内で気泡を生じることが防止されるため、冷却液Ｌの供給系における圧力振動の発生を回避でき、この振動が工具１２１と被加工金属Ｗとの間の加工部Ａに伝達されることを防止でき、高精度かつ高速での金属加工を実現できる。
また、水に脱気処理を施して溶存ガス、特に、窒素ガスを除去することにより、このように得られた脱気水内へ水素を容易に溶解させることができる。
【００３５】
また、加工部Ａに供給される冷却液Ｌに水素添加処理を施すことにより、冷却液Ｌの酸化還元電位を下げて、被加工金属Ｗの酸化を防止でき、また、液供給管１３４や接続パイプ１６０が金属にから成形されている場合、液供給管１３４や接続パイプ１６０の酸化を防止できる。
また、水に脱気処理を施して溶存ガス、特に、酸素ガスを除去することにより、微量の水素の添加で、冷却液Ｌを還元性にすることができる。
【００３６】
また、冷却液Ｌの少なくとも主成分が水であることにより、冷却液Ｌとして油を採用した場合に必要とされる廃油処理や製品の洗浄作業に係る作業負担を回避できる。
【００３７】
なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
例えば、上記の実施例では、金属加工装置が旋盤であるものとして説明したが、本発明を中ぐり盤、フライス盤、形削り盤、研削盤などに適用しても何ら構わない。
【符号の説明】
【００３８】
１００  ・・・  金属加工装置
１１０  ・・・  主軸台
１１１  ・・・  主軸
１２０  ・・・  工具台
１２１  ・・・  工具
１３０  ・・・  冷却液供給手段
１３１  ・・・  ノズル
１３２  ・・・  液タンク
１３３  ・・・  ストレーナ
１３４  ・・・  液供給管
１３５  ・・・  電動モータ
１３６  ・・・  ポンプ
１４０  ・・・  回収タンク
１５０  ・・・  冷却水生成手段
１５１  ・・・  前処理器
１５２  ・・・  脱気筒
１５３  ・・・  水分発生器
１５４  ・・・  ガス溶解筒
１５５  ・・・  原水供給パイプ
１５６  ・・・  純水供給パイプ
１５７  ・・・  脱気水供給パイプ
１６０  ・・・  接続パイプ
Ｗ    ・・・  被加工金属
Ｌ    ・・・  冷却液
Ａ    ・・・  加工部
【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５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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