(57)【要約】【課題】汎用の工作機械に容易に適用でき、加工中に発生した切屑に起因する加工精度の低減を防止できるとともに、加工工具及び加工点を効率よく冷却して工具寿命や加工精度を向上できる工作機械の冷却装置および冷却方法を提供する。【解決手段】冷却媒体を貯蔵する冷却媒体用タンク２０と、冷却媒体用タンク２０に接続される冷却媒体の供給流路２１としての供給パイプ２２と、供給パイプ２２の端部に接続され冷却媒体用タンク２０より供給された冷却媒体を噴射する噴射ノズル２３と、冷却媒体用タンク２０及び噴射ノズル２３の間に設けられ、供給流路２１内に開口された複数のノズル孔２７ａ・２７ａ・・・より空気が噴出され、供給パイプ２２部内を圧送される冷却媒体に空気を混入させる空気混入器２４と、を具備してなり、噴射ノズル２３より空気混入器２４にて空気混入された冷却媒体が加工工具１４及び加工点Ｐに向けて大気中で噴射される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械加工の際に冷却媒体としての強アルカリ水を加工工具及び加工点に供給して強制冷却する工作機械の冷却装置において、
冷却媒体を貯蔵する貯蔵部と、
前記貯蔵部に接続される冷却媒体の供給流路としての供給管部と、
前記供給管部の端部に接続され前記貯蔵部より供給された冷却媒体を噴射する噴射部と、
前記貯蔵部及び噴射部の間に設けられ、供給流路内に開口された複数のノズル孔より空気が噴出され、前記供給管部内を圧送される冷却媒体に空気を混入させる空気混入部と、
を具備してなり、
前記噴射部より前記空気混入部にて空気混入された冷却媒体が加工工具及び加工点に向けて大気中で噴射されることを特徴とする工作機械の冷却装置。
【請求項２】
前記空気混入部は、
両端部が前記供給管部と接続される管状本体部と、
前記管状本体部の側面に接続され先端に複数のノズル孔が開口された空気供給ノズルと、が設けられ、
前記空気供給ノズルの先端が前記管状本体部の供給経路内に突出される請求項１に記載の工作機械の冷却装置。
【請求項３】
前記空気供給ノズルは、先端にノズル孔が穿設された中空管が束状に組み付けられてなるノズル部材が形成される請求項２に記載の工作機械の冷却装置。
【請求項４】
前記空気混入部は、前記ノズル孔の孔径が０．１〜３．０ｍｍとなるように形成される請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の工作機械の冷却装置。
【請求項５】
前記貯蔵部は、微細気泡を発生させて冷却媒体に予め空気を混入させる微細気泡発生部が設けられる請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の工作機械の冷却装置。
【請求項６】
機械加工の際に冷却媒体としての強アルカリ水を加工工具及び加工点に供給して強制冷却する工作機械の冷却方法において、
貯蔵部より供給流路としての供給管部を介して冷却媒体を噴射部に供給し、
前記貯蔵部及び噴射部の間で、供給流路内に開口された複数のノズル孔より空気を噴出して、前記供給管部内を圧送される冷却媒体に空気を混入し、
前記噴射部より空気混入された冷却媒体を加工工具及び加工点に向けて大気中で噴射する、
ことを特徴とする工作機械の冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械の冷却装置および冷却方法の技術に関し、より詳細には、機械加工の際に冷却媒体としての強アルカリ水を加工工具及び加工点に供給して強制冷却する工作機械の冷却装置および冷却方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、所定の加工工具を用いて切削、研削、刃切り、又はブローチ加工などの機械加工を行う工作機械において、加工中に発生した熱や切屑などの除去や加工工具の摩耗防止などを目的として、冷却媒体（クーラント）を加工工具及び加工点に供給して強制冷却する冷却装置が設けられた構成が公知である。通常、このような工作機械の冷却装置は、冷却媒体として切削油剤が用いられるが、かかる切削油剤を用いる構成では、廃液処理による環境汚染や腐敗による悪臭発生などの問題があった。
【０００３】
また、被加工物として、熱伝導率の小さいチタン合金、超耐熱合金（例えばニッケル基合金）、又はステンレス鋼等の難削材を機械加工する場合には、加工中に発生した熱が加工工具に集中的に熱伝導されることにより加工工具が高熱になるが、従来の工作機械の冷却装置では、加工工具の冷却効果に劣るため、加工工具の硬さや機械的強度が低下し、工具摩耗の進行が早く、被加工物の加工精度に劣るという問題があった。
【０００４】
かかる観点から、従来の工作機械の冷却装置として、例えば特許文献１〜３に開示されているように、冷却媒体として強アルカリ水を用いて、これを加工工具及び加工点に供給して強制冷却する工作機械の冷却装置又はそれを備えた工作機械が提案されている。具体的には、特許文献１〜３に開示される工作機械の冷却装置等では、冷却媒体として強アルカリ水を用いるものであって、被加工物及び加工工具の先端部分を微細気泡状の空気（マイクロバブルやミリバルブ）が混入された強アルカリ水中に浸漬させた状態で機械加工を行うように構成されている。
【０００５】
確かに、冷却媒体として強アルカリ水を用いることで、強アルカリ水の気化熱を利用して加工工具及び加工点を効率よく放熱させて冷却でき、工具摩耗の進行を抑制し、工具寿命や加工精度を向上できることが期待できる。また、かかる強アルカリ水は、被加工物に対する界面浸透性、剥離分離能力、乳化・分離能力が大きいため、難削材であってもより効率よく放熱冷却できるとともに、抗菌・防腐効果及び防錆効果があるため、従来の切削油剤を用いる構成と比べて、廃液処理による環境汚染や腐敗による悪臭発生の問題も解消できることが期待できる。
【０００６】
しかしながら、上述した特許文献１〜３に開示される従来の工作機械の冷却装置等では、被加工物及び加工工具の先端部分を冷却媒体（強アルカリ水）中に浸漬させる構成であるため、工作機械の構成によっては、所定位置に加工工具及びその駆動機構を浸漬させるため収容槽を設けることができない場合があり、汎用性に劣るという問題があった。また、加工中に発生した切屑が収容槽に堆積するので、堆積切屑を除去するための作業が煩雑であり、冷却媒体中に切屑が浮遊して加工工具又は被加工物への絡みや詰まりを起こし、被加工物の加工面が悪化して加工精度が低減するなどの問題もあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１２−９１２６５号公報
【特許文献２】特開２０１３−５２４９３号公報
【特許文献２】特開２０１３−１０３３０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明では、工作機械の冷却装置および冷却方法に関し、前記従来の課題を解決するもので、汎用の工作機械に容易に適用でき、加工中に発生した切屑に起因する加工精度の低減を防止できるとともに、加工工具及び加工点を効率よく冷却して工具寿命や加工精度を向上できる工作機械の冷却装置および冷却方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【００１０】
すなわち、請求項１においては、機械加工の際に冷却媒体としての強アルカリ水を加工工具及び加工点に供給して強制冷却する工作機械の冷却装置において、冷却媒体を貯蔵する貯蔵部と、前記貯蔵部に接続される冷却媒体の供給流路としての供給管部と、前記供給管部の端部に接続され前記貯蔵部より供給された冷却媒体を噴射する噴射部と、前記貯蔵部及び噴射部の間に設けられ、供給流路内に開口された複数のノズル孔より空気が噴出され、前記供給管部内を圧送される冷却媒体に空気を混入させる空気混入部と、を具備してなり、前記噴射部より前記空気混入部にて空気混入された冷却媒体が加工工具及び加工点に向けて大気中で噴射されるものである。
【００１１】
請求項２においては、前記空気混入部は、両端部が前記供給管部と接続される管状本体部と、前記管状本体部の側面に接続され先端に複数のノズル孔が開口された空気供給ノズルと、が設けられ、前記空気供給ノズルの先端が前記管状本体部の供給経路内に突出されるものである。
【００１２】
請求項３においては、前記空気供給ノズルは、先端にノズル孔が穿設された中空管が束状に組み付けられてなるノズル部材が形成されるものである。
【００１３】
請求項４においては、前記空気混入部は、前記ノズル孔の孔径が０．１〜３．０ｍｍとなるように形成されるものである。
【００１４】
請求項５においては、前記貯蔵部は、微細気泡を発生させて冷却媒体に予め空気を混入させる微細気泡発生部が設けられるものである。
【００１５】
請求項６においては、機械加工の際に冷却媒体としての強アルカリ水を加工工具及び加工点に供給して強制冷却する工作機械の冷却方法において、貯蔵部より供給流路としての供給管部を介して冷却媒体を噴射部に供給し、前記貯蔵部及び噴射部の間で、供給流路内に開口された複数のノズル孔より空気を噴出して、前記供給管部内を圧送される冷却媒体に空気を混入し、前記噴射部より空気混入された冷却媒体を加工工具及び加工点に向けて大気中で噴射するものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の効果として、汎用の工作機械に容易に適用でき、加工中に発生した切屑に起因する加工精度の低減を防止できるとともに、加工工具及び加工点を効率よく冷却して工具寿命や加工精度を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施例に係る冷却機械を備えた工作機械の全体的な構成を示した正面図である。
【図２】噴射ノズル及び空気混入器の一部断面拡大図である。
【図３】空気供給ノズルのノズル孔側の平面図である。
【図４】微細気泡の直径と寿命の関係を示した図である。
【図５】試験用冷却装置の正面図である。
【図６】冷却媒体の供給量を０．５ｌ／ｍｉｎとして噴射距離を変化させた場合の見かけ上の熱伝達率の測定結果を示した図である。
【図７】冷却媒体の供給量を６．０ｌ／ｍｉｎとして噴射距離を変化させた場合の見かけ上の熱伝達率の測定結果を示した図である。
【図８】供給距離が７０ｍｍの状態で、空気の供給量を変化させた場合の見かけ上の熱伝達率の測定結果を示した図である。
【図９】供給距離が１０００ｍｍの状態で、空気の供給量を変化させた場合の見かけ上の熱伝達率の測定結果を示した図である。
【図１０】供給距離が５０００ｍｍの状態で、空気の供給量を変化させた場合の見かけ上の熱伝達率の測定結果を示した図である。
【図１１】最適空気混入条件下で噴射距離を変化させた場合の見かけ上の熱伝達率の測定結果を示した図である。
【図１２】冷却方法ごとの加工工具先温度を測定した結果を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
次に、発明を実施するための形態を説明する。
【００１９】
まず、本実施例の冷却装置２を備えた工作機械１の構成について、以下に概説する。
図１に示すように、本実施例の冷却装置２は、切削、研削、刃切り、又はブローチ加工などの機械加工を行う汎用のマシニングセンタとしての工作機械１に設けられ、機械加工の際に冷却媒体としての強アルカリ水を供給して加工工具１４及び加工点Ｐを強制冷却する装置として構成されている。
【００２０】
一例として、本実施例の工作機械１は、テーブル１０が設けられ、テーブル１０の上面には被加工物Ｗを固定するための固定装置（バイス）１１が配設されている。また、テーブル１０には工具支持装置（刃物台）１２が設置されており、工具保持装置１２の主軸１３に加工工具１４が着脱自在に取り付けられる。加工工具１４は、各種バイトやドリルなどの切削工具などが用いられ、工具保持装置１２にて３軸方向に移動自在とされており、固定装置１１に固定された被加工物Ｗに対して加工点Ｐにて当接し、主軸１３にて駆動回転駆動されることで被加工物Ｗが機械加工される。
【００２１】
次に、本実施例の冷却装置２の構成について、以下に詳述する。
図１乃至図３に示すように、本実施例の冷却装置２は、冷却媒体を貯蔵する貯蔵部としての冷却媒体用タンク２０と、冷却媒体用タンク２０に接続される冷却媒体の供給流路２１としての供給パイプ２２と、供給パイプ２２の端部に接続され冷却媒体用タンク２０より供給された冷却媒体を噴射する噴射部としての噴射ノズル２３と、冷却媒体用タンク２０及び噴射ノズル２３の間に設けられ、供給パイプ２２内を圧送される冷却媒体に空気を混入させる空気混入部としての空気混入器２４等とで構成されている。
【００２２】
冷却媒体としては、強アルカリ水が用いられる。「強アルカリ水」とは、ｐＨ１０以上の濃度を有するアルカリイオン水のことである。冷却媒体は、被加工物Ｗに対応した適切な濃度範囲内になるように調製され、好ましくは、被加工物Ｗや主軸１３及び加工工具１４等の耐食性（金属イオン濃度）を考慮してｐＨが１０．０〜１３．０の範囲に保持される。
【００２３】
強アルカリ水の濃度としては、例えば、被加工物Ｗとしてチタン合金（Ｔｉ６Ａ１４Ｖ）製のものが用いられる場合には、適切なｐＨは１０．０〜１３．０である。ｐＨが１０未満になると、固定装置１１等の鋼部品の腐食が発生する恐れがあるので望ましくなく、ｐＨが１３を超えると、被加工物Ｗの合金中の金属イオンと強アルカリ水中のＯＨ−濃度（水酸化物イオン濃度）との関係から、腐食が開始するので望ましくない。
【００２４】
本実施例の冷却装置２では、環境への配慮及び省エネルギーの観点から冷却媒体として強アルカリ水のみが用いられ、その他の潤滑油や洗浄液等は一切添加されない。このような冷却媒体を用いることで、加工後は、純粋な強アルカリ水の洗浄効果によって乾燥させるだけで被加工物Ｗを清浄な状態にすることができ、また、強アルカリ水によってＯＨ−の影響で工作機械１を構成する鋼部品や被加工物Ｗの腐食を防ぐことができる。
【００２５】
冷却媒体用タンク２０は、冷却媒体が貯溜され、供給パイプ２２（上流側供給パイプ２２ａ）が接続されている。また、冷却媒体用タンク２０には、微細気泡を発生させて冷却媒体に予め空気を混入させる微細気泡発生部としての微細気泡発生器２５が設けられている。微細気泡発生器２５は、冷却媒体用タンク２０内に設置される微細気泡発生ノズル２５ａと、微細気泡発生ノズル２５ａに圧縮空気を送出する空気供給源としてのコンプレッサ２５ｂ等とで構成されており、微細気泡発生器２５によって冷却媒体用タンク２０内の冷却媒体に空気が微細気泡状で混入される。
【００２６】
「微細気泡」とは、平均外径がミリオーダーのミリバブルからマイクロオーダーのマイクロバブルまで広範な空気の気泡を含むものであり、本実施例の冷却装置２では、好ましくは、上述した微細気泡発生器２５にてマイクロバブルが発生され、冷却媒体にマイクロバブルが予め混入されるように構成される。
【００２７】
供給経路２１は、供給パイプ２２にて冷却媒体用タンク２０から噴射ノズル２３へと冷却媒体が圧送される供給路として構成されている。供給パイプ２２は、冷却媒体用タンク２０及び噴射ノズル２３の間に設けられる空気混入器２４を境にして、上流側供給パイプ２２ａ及び下流側供給パイプ２２ｂが形成されている。上流側供給パイプ２２ａは、一端が冷却媒体用タンク２０に接続され、他端が空気混入器２４に接続される。下流側供給パイプ２２ｂは、一端が空気混入器２４に接続され、他端が噴射ノズル２３と接続される。
【００２８】
上流側供給パイプ２２ａには、冷却媒体用タンク２０内の冷却媒体を噴射ノズル２３へと供給するポンプ装置２２ｃと、流量調整バルブ２２ｄと、供給パイプ２２内を圧送される冷却媒体の流量を計測する流量計測手段としての冷却媒体用流量計２２ｅ等とが設けられている。本実施例の冷却装置２では、効果的な強制冷却を行うための条件・仕様に応じて、流量調整バルブ２２ｄにて冷却媒体の供給量が最適に調整される（表１等参照）。
【００２９】
噴射ノズル２３は、空気混入器２４より延出される下流側供給パイプ２２ｂと接続され、図示せぬ固定具にて加工工具１４の加工点Ｐの上方位置の空間に配設され、工具保持装置１２にて３軸方向に移動される加工工具１４と連動して移動自在とされている。噴射ノズル２３は、加工点Ｐの上方位置より吐出口が斜め下方に向けられた状態で、加工工具１４及び加工点Ｐに向けて冷却媒体が大気中で噴射される。本実施例の冷却装置２では、効果的な強制冷却を行うための条件・仕様に応じて、空気混入器２４から噴射ノズル２３（の吐出口）までの距離（以下「供給距離Ｌ」という。）や、噴射ノズル２３（の吐出口）から加工工具１４及び加工点Ｐまでの距離（以下「噴射距離Ｄ」という。）などが最適に設定される（表１等参照）。
【００３０】
空気混入器２４は、噴射ノズル２３よりも上方位置（上流位置）に配設され、両端部が供給パイプ２２（上流側供給パイプ２２ａ及び下流側供給パイプ２２ｂ）と接続される管状本体部２６と、管状本体部２６の側面に接続され先端に複数のノズル孔２７ａ・２７ａ・・・が開口された空気供給ノズル２７等とが設けられ、空気供給ノズル２７の先端が管状本体部２６の供給経路２１内に突出されており、供給流路２１内に開口された複数のノズル孔２７ａ・２７ａ・・・より空気が噴出されることで、供給管部２２（上流側供給パイプ２２ａ及び下流側供給パイプ２２ｂ）内を圧送される冷却媒体に空気が混入されるように構成されている。
【００３１】
管状本体部２６は、内部中空の筒状に形成され、一方の開口端に上流側供給パイプ２２ａが、他方の開口端に下流側供給パイプ２２ｂがそれぞれ接続されている。このように、管状本体部２６は、供給パイプ２２（上流側供給パイプ２２ａ及び下流側供給パイプ２２ｂ）と連続されることで供給経路２１の一部を構成している。
【００３２】
空気供給ノズル２７は、先端にノズル孔２７ａが穿設された中空管２７ｂが束状に組み付けられて形成されるノズル部材２７ｃが設けられ、ノズル部材２７ｃの先端が管状本体部２６の供給経路２１内に突出され、管状本体部２６（供給流路２１）内に複数のノズル孔２７ａ・２７ａ・・・が開口された状態で、管状本体部２６の側面に取り付けられている。中空管２７ｂは、内部中空の管状に形成され、複数（本実施例では１２本）の中空管２７ｂ・２７ｂ・・・が束状に組み付けられることで一つのノズル部材２７ｃが形成される（図３参照）。
【００３３】
空気供給ノズル２７は、ノズル孔２７ａの孔径が０．１〜３．０ｍｍとなるように形成される。空気混入器２４では、複数のノズル孔２７ａ・２７ａ・・・より空気が噴出されることで、供給パイプ２２内を圧送される冷却媒体に空気を混入させるものであり、ノズル孔２７ａの孔径を０．１〜３．０ｍｍとすることで、空気噴出後に発生する空気の気泡を、平均外径がミリオーダーのミリバブルやマイクロオーダーのマイクロバブルの状態に調整することができ、冷却媒体に空気を微細気泡状で混入させることができる。
【００３４】
また、空気混入器２４は、圧縮空気を送出する空気供給源としてのコンプレッサ２７ｄが空気供給パイプ２７ｅを介して空気供給ノズル２７に接続されており、空気供給パイプ２７ｅには、流量調整バルブ２７ｆと、空気供給パイプ２７ｅ内を供給される空気の流量を計測する流量計測手段としての空気用流量計２７ｇ等とが設けられている。本実施例の冷却装置２では、効果的な強制冷却を行うための条件・仕様に応じて、コンプレッサ２７ｄ及び流量調整バルブ２７ｆにて空気供給ノズル２７のノズル孔２７ａ・２７ａ・・・より噴出される空気の供給量が最適に調整される（表１等参照）。
【００３５】
なお、本実施例の冷却装置２において効果的な強制冷却を行うための仕様（空気混入条件、供給距離Ｌ、及び噴射距離Ｄ）について補足すると、図４に示すように、冷却媒体中においては、マイクロバブル（＜０．０７ｍｍ）は５秒間程度保持されるが、直径が１〜５ｍｍ程度の気泡になると数秒しか保持されない。したがって、空気混入器２４にて冷却媒体に混入される直径が数ｍｍの気泡を加工工具１４及び加工点Ｐまで供給するためには、少なくとも、冷却媒体の供給量及び空気の供給量の空気混入条件に基づいて、気泡が形状を保持できる距離範囲内となるように供給距離Ｌが設定されるのが好ましい。
【００３６】
次に、本実施例の冷却装置２を用いた工作機械１の冷却方法について、以下に詳述する。
工作機械１にて被加工物Ｗの機械加工を行う際には、冷却装置２において、まず、ポンプ装置２２ｃが作動され、冷却媒体用タンク２０より供給流路２１としての供給パイプ２２（上流側供給パイプ２２ａ及び下流側供給パイプ２２ｂ）を介して冷却媒体が噴射ノズル２３に供給される。このとき、噴射ノズル２３に供給される冷却媒体の供給量が流量調整バルブ２２ｄにて調整される。
【００３７】
冷却媒体用タンク２０より供給パイプ２２（上流側供給パイプ２２ａ及び下流側供給パイプ２２ｂ）内を圧送される冷却媒体は、冷却媒体用タンク２０及び噴射ノズル２３の間に配置された空気混入器２４にて、供給流路２１内に開口された複数のノズル孔２７ａ・２７ａ・・・より空気が噴出されることで空気が混入される。空気混入器２４では、供給流路２１を構成する管状本体部２６内で、先端に複数のノズル孔２７ａ・２７ａ・・・が開口された空気供給ノズル２７が管状本体部２６の供給経路２１内に突出されるため、管状本体部２６内を圧送される冷却媒体に空気供給ノズル２７の先端が接触した状態で、ノズル孔２７ａより空気が噴出される。そのため、空気供給ノズル２７より噴出後に、平均外径がミリオーダーのミリバブルやマイクロオーダーのマイクロバブルの空気の気泡が発生され、冷却媒体に空気が微細気泡状で混入される。このとき、空気供給ノズル２７のノズル孔２７ａ・２７ａ・・・より噴出される空気の供給量は、コンプレッサ２７ｄ及び流量調整バルブ２７ｆにて調整される。
【００３８】
そして、空気混入器２４にて空気混入された冷却媒体は、噴射ノズル２３より加工工具１４及び加工点Ｐに向けて大気中で噴射される。なお、工作機械１における機械加工の際には、噴射ノズル２３は、工具保持装置１２にて３軸方向に移動される加工工具１４の動きと連動して、冷却媒体を噴射しながら移動される。
【００３９】
次に、本実施例の冷却装置２の冷却効果の確認試験の結果を以下に示す。
図５に示すように、試験用の冷却装置２は、冷却媒体としてｐＨ１２．５の強アルカリ水用いて、吐出口が垂直下向きになるようにして噴射ノズル２３が配設されている。試験用の冷却装置２においても同様に、流量調整バルブ２２ｄにて冷却媒体の供給量Ｑｗが調整可能とされ、コンプレッサ２７ｄ及び流量調整バルブ２７ｆにて空気混入器２４にて噴出される空気の供給量Ｑａｉｒが調整可能とされている。また、空気混入器２４は、空気供給ノズル２７として孔径が１ｍｍの中空管２７ｂを１２本組み付けて形成されたノズル部材２７ｃが用いられている（図３参照）。
【００４０】
噴射ノズル２３の垂直下方であって吐出口からの距離（噴射距離Ｄ）の位置には、セラミックヒータが２枚の鋼板で挟設されて構成される熱伝達率測定センサ３が配設されている。熱伝達率測定センサ３によって、セラミックヒータが通電発熱された状態での鋼板の表面温度と冷却媒体の平均水温から見かけ上の熱伝達率α（Ｗ／ｍ２Ｋ）が測定される。
【００４１】
冷却装置２における冷却媒体の空気混入条件としては、冷却媒体の供給量Ｑｗを０．５ｌ／ｍｉｎ（Ｑｗ１）と６．０ｌ／ｍｉｎ（Ｑｗ２）に調整し、それぞれ空気混入器２４にて空気を供給しない場合、空気混入器２４にて供給量Ｑａｉｒが８４ｌ／ｍｉｎ（圧力０．２ＭＰａ）の空気を供給する場合、さらに、それぞれについて微細気泡発生器２５にて供給量ＭＢが８．０ｌ／ｍｉｎのマイクロバブルを供給する場合について試験を行っている。
【００４２】
図６及び図７は、冷却装置２において供給距離Ｌが７０ｍｍとなるように設定した状態で、噴射距離Ｄを変化させた場合の見かけ上の熱伝達率αを測定した結果である。
【００４３】
この結果より、冷却媒体の供給量Ｑｗの増加に伴って、空気混入器２４による空気の供給に伴って、さらにマイクロバブルの供給に伴って、見かけ上の熱伝達率αがそれぞれ増加していることから、冷却媒体中に適切に空気が供給されることによって冷却効率が向上することが確認された。また、噴射距離Ｄが１００ｍｍから２５０ｍｍの間で見かけ上の熱伝達率αのピーク値を有していることから、被加工物Ｗに対して高効率に冷却できる噴射距離Ｄの最適距離が存在することが確認された。
【００４４】
図８は、冷却装置２において供給距離Ｌが７０ｍｍとなるように設定した状態で、冷却媒体に供給される空気の供給量Ｑａｉｒを変化させた場合の見かけ上の熱伝達率αを測定した結果である。なお、上述した図６及び図７に示した試験結果より、噴射距離Ｄが１００ｍｍから２５０ｍｍの間で見かけ上の熱伝達率αのピーク値を有していることが確認されたことを踏まえて、熱伝達率測定センサ３を移動させて最も見かけ上の熱伝達率αが大きくなる位置を探索し、かかる場合の噴射距離Ｄも測定した。
【００４５】
この結果より、冷却媒体に供給される空気の供給量Ｑａｉｒが増加することで見かけ上の熱伝達率αが上昇する傾向が見られ、特に、空気混入器２４にて空気を供給しない場合と比べて３３％〜８４％の見かけ上の熱伝達率αの向上が認められ、さらにマイクロバブルを供給（重畳）する場合には、１０％程度の見かけ上の熱伝達率αの向上が認められた。また、図中に示されているように、空気混入条件によって最も見かけ上の熱伝達率αが大きくなる噴射距離Ｄが異なることが認められた。
【００４６】
また、冷却媒体の供給量Ｑｗの違いにおいて、空気混入条件に対する見かけ上の熱伝達率αの定性的な変動傾向は同様であったが、冷却媒体の供給量Ｑｗが大きくなるとその定量的変動値が大きくなった。冷却媒体の供給量Ｑｗによって最適な空気の供給量Ｑａｉｒも異なり、冷却媒体の供給量Ｑｗが０．５ｌ／ｍｉｎ（Ｑｗ１）では最適な空気の供給量Ｑａｉｒは５０ｌ／ｍｉｎ以上、冷却媒体の供給量Ｑｗが６．０ｌ／ｍｉｎ（Ｑｗ２）では最適な空気の供給量Ｑａｉｒは８４ｌ／ｍｉｎであった。
【００４７】
図９及び図１０は、空気混入器２４を噴射ノズル２３（の吐出口）の付近に設置することができない場合や、被加工物Ｗ又は加工工具１４の付近に噴射ノズル２３を配置できない場合などを想定して、冷却装置２において供給距離Ｌをそれぞれ１０００ｍｍ及び５０００ｍｍとなるように設定した状態で、冷却媒体に供給される空気の供給量Ｑａｉｒを変化させた場合の見かけ上の熱伝達率αを測定した結果である。なお、上述した図８に示した試験結果と同様に、熱伝達率測定センサ３を移動させて最も見かけ上の熱伝達率αが大きくなる位置を探索し、かかる場合の噴射距離Ｄも測定した。
【００４８】
この結果より、いずれの場合でも、上述した図８に示した供給距離Ｌが７０ｍｍとなるように設定された測定結果と比べて、見かけ上の熱伝達率αが小さくなることが認められた。これは、供給距離Ｌが長くなるにつれて、空気混入器２４で混入された空気が熱伝達率測定センサ３に到達する際にその分散状態を維持できず、空気の集合体として存在したため、気化熱冷却の効果が小さくなったためと考えられる。
【００４９】
また、いずれの場合でも、冷却媒体に供給される空気の供給量Ｑａｉｒが増加することで見かけ上の熱伝達率αが上昇する傾向が見られた。特に、マイクロバブルを供給（重畳）する場合には、さらに見かけ上の熱伝達率αの向上が認められるとともに、供給距離Ｌや冷却媒体の供給量Ｑｗの影響を受けることが認められた。例えば、供給距離Ｌを１０００ｍｍに設定した状態（図９参照）において、冷却媒体の供給量Ｑｗが６．０ｌ／ｍｉｎ（Ｑｗ２）、空気の供給量Ｑａｉｒが８４ｌ／ｍｉｎに調整された条件では、マイクロバブルを供給（重畳）することで２２％の見かけ上の熱伝達率αの向上が認められた。これは、マイクロバブルの寿命が５分程度と長いことから、熱伝達率測定センサ３に到達する際であっても均一な分散状態が維持され、マイクロバブルによる気化熱冷却の効果が健在であったためと考える。
【００５０】
図１１は、冷却装置２において供給距離Ｌをそれぞれ７０ｍｍ、１０００ｍｍ、５０００ｍｍとなるように設定した場合の、最適空気混入条件下での噴射距離Ｄと見かけ上の熱伝達率αの関係を示した図である。それぞれの場合において、最も見かけ上の熱伝達率αが大きくなる最適空気混入条件として、冷却媒体の供給量Ｑｗが６．０ｌ／ｍｉｎ（Ｑｗ２）、空気の供給量Ｑａｉｒが７１又は８４ｌ／ｍｉｎに調整された条件で、さらにマイクロバブルを供給（重畳）している。この結果より、噴射距離Ｄが見かけ上の熱伝達率αに関与しており、効果的な強制冷却を行うためには被加工物Ｗに対する噴出ノズル２３の設置箇所が極めて重要であることが確認された。
【００５１】
以上を踏まえ、本実施例の冷却装置２を用いて効果的な強制冷却を行うための最適仕様（空気混入条件、供給距離Ｌ、及び噴射距離Ｄ）を決定し、表１に示す。
【００５２】
【表１】
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【００５３】
＜工作機械１における冷却効果確認試験＞
図１２は、冷却装置２を用いることによる機械加工の際の冷却効果を確認するために、工作機械１によって被加工物Ｗの機械加工を行った際の加工工具１４の刃先の温度を測定した結果である。加工条件としては、被加工物Ｗはチタン合金（Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ）製とし、加工工具１４は超硬合金製のスローアウェイチップを有する切削バイトを用い、切削速度が８０ｍ／ｍｉｎ、切込量が０．４ｍｍ、送り速度が０．２５ｍｍ／ｒｅｖとなるように設定した。
【００５４】
また、冷却装置２における仕様（空気混入条件、供給距離Ｌ、及び噴射距離Ｄ）は、冷却媒体供給量Ｑｗが６．０ｌ／ｍｉｎ（Ｑｗ２）、空気供給量Ｑａｉｒが８４ｌ／ｍｉｎ、マイクロバブル供給量ＭＢが８ｌ／ｍｉｎ、供給距離Ｌが７０ｍｍ、噴射距離Ｄが２２５ｍｍとなるように設定した。なお、比較例として、乾式切削による場合、冷却媒体として従来の切削油剤を用いた湿式切削による場合、冷却媒体として強アルカリ水のみを用いた場合について、上記と同様の条件で機械加工を行った。
【００５５】
この結果より、空気混入器２４にて冷却媒体に空気を供給（マイクロバブルを供給（重畳）する場合も含む）することで、加工工具１４の刃先の温度は、乾式切削の場合の約１／３、湿式切削の場合の約１／２、冷却媒体として強アルカリ水のみを用いた場合の約２／３となり、本実施例の冷却装置２を用いることで効果的に強制冷却できることが確認された。
【００５６】
以上のように、本実施例の工作機械１の冷却装置２は、機械加工の際に冷却媒体としての強アルカリ水を加工工具１４及び加工点Ｐに供給して強制冷却する工作機械１の冷却装置２において、冷却媒体を貯蔵する冷却媒体用タンク２０と、冷却媒体用タンク２０に接続される冷却媒体の供給流路２１としての供給パイプ２２と、供給パイプ２２の端部に接続され冷却媒体用タンク２０より供給された冷却媒体を噴射する噴射ノズル２３と、冷却媒体用タンク２０及び噴射ノズル２３の間に設けられ、供給流路２１内に開口された複数のノズル孔２７ａ・２７ａ・・・より空気が噴出され、供給パイプ２２部内を圧送される冷却媒体に空気を混入させる空気混入器２４と、を具備してなり、噴射ノズル２３より空気混入器２４にて空気混入された冷却媒体が加工工具１４及び加工点Ｐに向けて大気中で噴射されるものであるため、汎用の工作機械１に容易に適用でき、加工中に発生した切屑に起因する加工精度の低減を防止できるとともに、加工工具１４及び加工点Ｐを効率よく冷却して工具寿命や加工精度を向上できるのである。
【００５７】
すなわち、本実施例の冷却装置２は、冷却媒体として強アルカリ水を用いるものであるため、強アルカリ水の気化熱を利用して加工工具１４及び加工点Ｐを効率よく放熱させて冷却でき、工具摩耗の進行を抑制し、工具寿命や加工精度を向上できる。また、強アルカリ水の有する被加工物Ｗに対する界面浸透性、剥離分離能力、乳化・分離能力などにより、難削材であってもより効率よく放熱冷却できるとともに、抗菌・防腐効果及び防錆効果があるため、従来の切削油剤を用いる構成と比べて、廃液処理による環境汚染や腐敗による悪臭発生の問題も解消できる。
【００５８】
そして、本実施例では、冷却媒体用タンク２０及び噴射ノズル２３の間に設けられた空気混入器２４にて冷却媒体に空気混入させ、噴射ノズル２３より空気混入された冷却媒体を加工工具１４及び加工点Ｐに向けて大気中で噴射させるものであるため、従来のように、被加工物Ｗや加工工具１４の先端部分を冷却媒体中に浸漬させる構成と比べて、被加工物Ｗや加工工具１４の近傍位置に小型の噴射ノズル２３や空気混入器２４を配置するだけでよいため、工作機械１の構成によらず汎用性が高く、汎用の工作機械１に容易に適用できる。また、噴射ノズル２３より冷却媒体を大気中で噴射させるため、加工中に発生した切屑を系外に容易に除去することができ、被加工物Ｗや加工工具１４へ切屑が絡んだり詰まったりすることによる加工精度の低減を効果的に防止できる。
【００５９】
特に、本実施例の工作機械１の冷却装置２では、空気混入器２４が、両端部が供給パイプ２２と接続される管状本体部２６と、管状本体部２６の側面に接続され先端に複数のノズル孔２７ａ・２７ａ・・・が開口された空気供給ノズル２７と、が設けられ、空気供給ノズル２７の先端が管状本体部２６の供給経路２１内に突出されるため、管状本体部２６内を圧送される冷却媒体に空気供給ノズル２７の先端が接触した状態でノズル孔２７ａより空気を噴出させることができ、冷却媒体に空気を確実に混入させることができる。
【００６０】
また、空気供給ノズル２７が、先端にノズル孔２７ａが穿設された中空管２７ｂが束状に組み付けられてなるノズル部材２７ｃが形成されるため、冷却媒体の流れを損なうことなく、かつ各中空管２７ｂのノズル孔２７ａより冷却媒体中に空気を均等に供給することができる。
【００６１】
また、冷却媒体用タンクが、微細気泡を発生させて冷却媒体に予め空気を混入させる微細気泡発生器２５が設けられるため、微細気泡により冷却媒体中の空気の均一な分散状態が所定時間維持されるので、気加熱による冷却効果を促進することができる。
【００６２】
なお、冷却装置２の構成及び冷却方法としては、上述した実施例に限定されず、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
【００６３】
すなわち、上述した実施例の冷却装置２では、空気混入器２４の空気供給ノズル２７において、先端にノズル孔２７ａが穿設された中空管２７ｂが束状に組み付けられて形成されるノズル部材２７ｃが設けられる構成について説明したが、空気供給ノズル２７の構成はこれに限定されず、例えば、ノズル部材２７ｃが中空管２７ｂを束状に組み付けて形成される替わりに、複数のノズル孔２７ａが穿設されたプレート部材にて形成されてもよい。また、ノズル孔２７ａの孔径や数、中空管２７ｂの本数なども、効果的な強制冷却を行うための仕様に応じて適宜変更することができる。
【００６４】
また、上述した実施例の冷却装置２では、工作機械１で機械加工される被加工物Ｗとしてチタン合金（Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ）製のものを用いた場合について説明したが、被加工物Ｗの材料としてはこれに限定されず、実施例の冷却装置２によれば、熱伝導率の小さい超耐熱合金（例えばニッケル基合金）又はステンレス鋼等の難削材製のものであっても、効率よく強制冷却することができる。
【００６５】
また、上述した実施例の冷却装置２では、工作機械１としてマシニングセンタに用いられる構成について説明したが（図１参照）、冷却装置２が用いられる工作機械１の種類はこれに限定されず、例えば、ポリゴンマシンやスロッターマシンなど、各種の汎用装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００６６】
１      工作機械
２      冷却装置
１０    テーブル
１１    固定装置
１２    工具保持装置
１３    主軸
１４    加工工具
２０    冷却媒体用タンク（貯蔵部）
２１    供給経路
２２    供給パイプ（供給管部）
２３    噴射ノズル（噴射部）
２４    空気混入器（空気混入部）
２５    微細気泡発生器（微細気泡発生部）
２５ａ  微細気泡発生ノズル
２６    管状本体部
２７    空気供給ノズル
２７ａ  ノズル孔
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
2015098079.tif 000011
【図９】
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【図１０】
2015098079.tif 000013
【図１１】
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【図１２】
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