(57)【要約】【課題】            切削加工時に酸化物系保護膜を形成する工具や加工材の加工雰囲気の酸素濃度を適切に制御することにより、酸化物形成の効果を高める。【解決手段】        この発明の方法は、加工物１３の切削加工に際し、加工部雰囲気に高濃度酸素を含む雰囲気ガスを供給することにより切削工具４の損傷・損耗を低減させる雰囲気制御を適切化するもので、上記加工物１３と工具４の材質に応じた最適酸素濃度又はその範囲を定め、該最適酸素濃度又はその範囲に雰囲気濃度を制御するものである。  そして上記酸素濃度を制御する制御装置内に上記工具４と加工物１３の材質に応じた最適の酸素濃度又はその範囲を設定する設定部と、該設定値又は設定範囲に基づいて制御する酸素供給制御ユニットとを設けている。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工物（１３）の切削加工に際し、加工部雰囲気に高濃度酸素を含む雰囲気ガスを供給することにより切削工具（４）の損傷・損耗を低減させる雰囲気制御方法において、上記加工物（１３）と工具（４）の材質に応じた最適酸素濃度又はその範囲を定め、該最適酸素濃度又はその範囲に雰囲気濃度を制御する切削雰囲気の酸素濃度制御方法。
【請求項２】
雰囲気ガスが大気中の酸素を分離濃縮した酸素富化空気である請求項１の切削雰囲気の酸素濃度制御方法。
【請求項３】
雰囲気ガスの酸素濃度が大気の酸素濃度を超え４０％迄の範囲を含む請求項１又は２の切削雰囲気の酸素濃度制御方法。
【請求項４】
切削加工用の工作機械（２）に対し、該工作機械（２）における工具（４）で加工物（１３）を切削する加工部の雰囲気に工具刃先の損傷又は損耗を防止するための雰囲気ガスを供給するガス供給装置（１）と、上記雰囲気ガスの供給を制御する制御装置とを設けたものにおいて、該制御装置内に上記工具（４）と加工物（１３）の材質に応じた最適の酸素濃度又はその範囲を設定する設定部と、該設定値又は設定範囲に基づいて制御する酸素供給制御ユニットとを設けてなる切削雰囲気の酸素濃度制御装置。
【請求項５】
設定部が工具（４）と加工物（１３）の材質と必要に応じてその他の加工条件に対応した最適酸素濃度又は最適酸素濃度範囲のデータを内蔵するデータベースを備えてなる請求項４の切削雰囲気の酸素濃度制御装置。
【請求項６】
設定部が少なくとも工具（４）と加工物（１３）の材質を入力することにより、その組み合わせの最適酸素濃度又は最適酸素濃度範囲を設定する請求項４又は５の切削雰囲気の酸素濃度制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は工作機械による切削加工における切削雰囲気の酸素濃度制御方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近機械切削の加工の分野では、高能率加工と自然環境の保全、作業環境の改善といった環境問題などに対応した加工技術が求められており、現在、小径ボールエンドミル等の加工分野では実用的な高速ドライ形状加工も可能になっている。またドライ加工だけでなく、ＭＱＬ（極微量切削剤供給システム＝Minimal Quantity Lubricant）や冷風加工なども盛んに研究された結果効果を上げており、ドライ加工を含め今後の加工様式の主流となりつつある。さらに加工コストの低減も大きな課題の一つである。
【０００３】
そしてドライ加工の一種である従来の雰囲気コントロール加工については、冷風加工を含めた低酸素雰囲気を対象としたもの（特許文献１参照）や室温での窒素ブロー（特許文献２参照）などが公知であるが、いずれも酸化防止を対象とした低酸素雰囲気のものである。
【特許文献１】特許第２９０４２０５号明細書
【特許文献２】米国特許第６１３５８６２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
これらのうち、前者は鋼を研削にて不活性ガス雰囲気中で加工し、酸素濃度を１２％近傍に制御することにより工具摩耗を最小化し、研削表面温度も最小化する点に特徴がある。特にこの例では、加工熱の発生量と酸化生成物の固体潤滑作用を調和させ、気体による冷却効果と潤滑効果を実現することを特徴としている。しかし、雰囲気を確保するためにカバー容器を必要とし、供給する不活性ガスはガスボンベを使用しており、実加工ではコストや作業性の面で問題がある。
【０００５】
一方、特許文献２においては、中空糸膜を利用して大気中より窒素ガスを分離する装置を用い、そこで得られた窒素ガスを工具刃先にブローして低酸素雰囲気で鋼系材料を加工する方法である。この方法は実用面、コスト面で優れている。
【０００６】
しかしいずれの方法も低酸素雰囲気を対象としており、これに対し、通常、工具の酸化摩耗を防止するという点から、鋼系の材料に対しては低酸素雰囲気が望ましいが、材料の中にはチタン合金のように低酸素では溶着が激しくなり工具寿命を低下させるものもある。また工具や加工材にベラーグ（belag）その他の酸化物生成を目的とした非金属介在物を適当量含ませた材料においても、酸化物系保護膜を安定して生成させ又は工具に付着させるためには、低酸素又は非酸化雰囲気は適さない。
【０００７】
上記問題点に対し、本発明者の中から金属の切削加工に際し、切削時の工具刃先周辺及び加工物周辺を高酸素（酸素富化）雰囲気にして酸化物を生成させ、工具刃先への被削材（加工物）の溶着を軽減して工具損傷を低減させる加工方法を先に提案している（特願２００３−４８３１５）。
【０００８】
この発明は上記高酸素雰囲気下での金属切削に際して工具の被削材の種類に応じて工具損傷低減効果が酸素濃度の最適値又はその範囲を見出し、その最適値又はその範囲に酸素濃度制御する方法とそのための装置を提供せんとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するための本発明の方法は、第１に加工物１３の切削加工に際し、加工部雰囲気に高濃度酸素を含む雰囲気ガスを供給することにより切削工具４の損傷・損耗を低減させる雰囲気制御方法において、上記加工物１３と工具４の材質に応じた最適酸素濃度又はその範囲を定め、該最適酸素濃度又はその範囲に雰囲気濃度を制御することを特徴としている。
【００１０】
第２に、雰囲気ガスが大気中の酸素を分離濃縮した酸素富化空気であることを特徴としている。
【００１１】
第３に、雰囲気ガスの酸素濃度が大気の酸素濃度を超え４０％迄の範囲を含むことを特徴としている。
【００１２】
また本発明の装置は、第１に切削加工用の工作機械２に対し、該工作機械２における工具４で加工物１３を切削する加工部の雰囲気に工具刃先の損傷又は損耗を防止するための雰囲気ガスを供給するガス供給装置１と、上記雰囲気ガスの供給を制御する制御装置とを設けたものにおいて、該制御装置内に上記工具４と加工物１３の材質に応じた最適の酸素濃度又はその範囲を設定する設定部と、該設定値又は設定範囲に基づいて制御する酸素供給制御ユニットとを設けてなることを特徴としている。
【００１３】
第２に、設定部が工具４と加工物１３の材質と必要に応じてその他の加工条件に対応した最適酸素濃度又は最適酸素濃度範囲のデータを内蔵するデータベースを備えてなることを特徴としている。
【００１４】
第３に、設定部が少なくとも工具４と加工物１３の材質を入力することにより、その組み合わせの最適酸素濃度又は最適酸素濃度範囲を設定することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１５】
この発明は以上のように構成されるので、加工物や工具に切削時に酸化物系保護膜を形成する元素を含む場合に、酸素供給により工具刃先と加工材切削面との間に保護膜を安定的に形成又は付着させて工具摩耗を低減させる。
【００１６】
そして上記酸素供給を加工材の材質と工具材質にとって最も適切な酸素濃度や濃度範囲を設定して制御することにより、最も望ましい条件下で切削でき且つ適切な工具保護の実現ができる。このため雰囲気加工に専門知識の乏しいユーザーにとってもその効果を発揮できる利点がある。
【００１７】
その他酸素供給装置として必ずしも酸素ボンベを必要とせず、雰囲気形成のための仕切り等も必要としないので、コスト面及びメンテナンスの面で有利である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下本発明の実施形態につき詳細に説明する。
以下に説明するこの発明の実施形態においては、大気中より取り出したあるいはガスボンベを使用した高酸素（酸素富化）ガスを工具刃先付近に吹き付け、高酸素雰囲気において材料の加工表面（新生面）に酸化物を生成させ、あるいはさらにベラーグ生成材料に対して工具刃先を酸化雰囲気にし、保護膜の付着条件である工具中のＴｉＣを工具表面で酸化させてＴｉＯ2を生成させる。
【００１９】
また本発明では、加工材に含まれるＦｅがＦｅＯとなる酸化物生成を促進し、鋼、鋳鉄、金型鋼等の構成成分であるＳｉ，Ｍｎ，Ａｌ，Ｍｇ等が造る酸化物を主成分とする酸化物系保護膜を工具刃先と加工材表面との間に安定的に生成させ又は付着させる。このことにより工具と加工物やその切りくずとの直接接触を防ぎ、摩耗を抑制するという効果をより確実にする。そして酸化物生成による潤滑性付与型のコーティング工具の性能を引き出すために、高酸素雰囲気あるいは高酸素ガスブローを行うものである。
【００２０】
なお、上記潤滑性付与型のコーティング工具は、酸化物生成によって潤滑性を付与するもので、例えばＴｉＢＯＮの場合のように、酸化物の潤滑性が高くなる元素（この場合はＢ＝ボロン）を材料に含ませ、切削によってこれを酸化させることにより摩耗係数等を低減し、溶着等を防止するものである。
【００２１】
そのために酸素富化ガス雰囲気を利用し、上記酸化物のコーティング膜の生成を促進して、工具摩耗の低減，工具寿命の延長を図る。
【実施例】
【００２２】
次に本発明の実施例につき説明すると、本発明方法の実施のための加工装置は、図１に示すようにガス供給装置１（あるいはガスボンベ）、工作機械２、ツーリング３、工具４からなる。ガス供給装置１は、酸素発生ユニット６，窒素発生ユニット７からなり、さらに制御ユニット（装置）８、電磁弁、酸素濃度計（いずれも図示しない）等を設けており、制御ユニット８には制御用のディスプレイを備え、後述するデータベースを備えたモニター部９が接続される。上記ガス供給装置１により配管１１を介して所定酸素濃度のガスを工作機械２に供給する。制御ユニット８には酸素濃度を表示する表示部８ａが設けられている。工作機械２は、フライス盤、マシニングセンター、旋盤、ボール盤、ホブ盤、研削盤等いずれにも適用できる。１２は工作機械２自体を制御するための制御盤である。
【００２３】
この実施例では工具周り及びガス供給法についてエンドミル加工を例に説明する。またガス供給装置１としては、日本国特許公報、特公平５−２３８０９号等に示される酸素富化装置を、酸素富化膜は例えば日本国特許公報、特公平７−７７６０２号等に示されるものを使用した。これらの酸素富化装置は、酸素富化膜に大気を通すことによって酸素を濃縮するので、少なくとも３２．５％程度の高濃度の酸素を含むガスを安定的に得ることができ、現状で最大４０％の濃度のガスを得ることが可能である。
【００２４】
フライス盤あるいはマシニングセンター等の工作機械２に取り付けるツーリング３は公知のセンタースルー型あるいはサイドスルー型の特殊ホルダーで、工具に開けられた内部供給穴よりガスを供給する。また外部ノズルを使用して工具（エンドミル）４の刃先周辺に吹き付けることもできる。内部供給方式の場合、供給穴からだけでなく、工具周囲をエアーカーテン状に覆う供給方法も可能であり、またそれらの複合的な採用も可能である。１３は工作機械２上に取り付けられた加工物で、これを工具４で切削加工する。
【００２５】
次に上記装置による実施結果について説明する。図２は、チタン合金を供給ガスの酸素濃度を変化させて同一条件（V=７５m/min，dr=０．５mm，da=３mm，f=０．０１５mm/tooth）でL=３７．５m切削したときのエンドミル側面切刃の逃げ面摩耗量を比較したものである。酸素濃度を大気中よりも上げていくと工具の摩耗量は減少していき、酸素濃度約２８％以上では摩耗量がほぼ一定値を示している。これはある一定量の酸化物が生成するとそれ以上酸化物があっても効果に変化がないことを示している（図３（Ａ）参照）。またコーティング膜に酸化物が潤滑性を持つ元素を含ませてその潤滑性を利用して溶着低減を行なうコーティング工具では、過度の酸化物生成は、コーティング膜そのものを減らすことにつながるので、かえって工具摩耗が大きくなる、つまりある酸素濃度で摩耗量の極小値を持つような変化をすること想定される（図３（Ｂ）参照）。したがって、高酸素雰囲気で工具摩耗抑制効果を最大限に発揮させるには最適酸素濃度に制御することが重要である。
【００２６】
ここではあらかじめ材料と工具の組み合わせで入力されているデータベースのデータに設定されている最適酸素濃度設定、あるいは任意に設定した酸素濃度に生成ガスの酸素濃度を制御し、供給する必要があり、そのフローチャートを図４に示す。上記例は目標値と装置に内蔵される酸素濃度計で測定された現在地を比較対照することによって、酸素富化ガスあるいは窒素富化ガスと空気との混合比率を変化させて、目標値に到達させる方式である。
【００２７】
次に切削雰囲気制御用装置を具現化したものとして、以下に具体的実施例を示す。
１．装置の概要
本実施例では、予め被削材と工具及びその他の切削条件の組み合わせによる多数のサンプル実験を行い、それぞれの組み合わせにおける低酸素から高酸素までの最も適切な酸素濃度のデータを作成し、現実の切削に際しては切削に係る工具と被削材その他の条件又はその条件に応じたメニューを入力することにより、これらの条件に最も適切な酸素濃度が自動的に設定，制御されるものである。
【００２８】
また加工点での酸素濃度を設定量に安定させるための酸素センサーの取り付け位置とその情報から制御量を補正する量を把握し、適切な取り付け位置を決定し、制御部に反映させる。そしてそれぞれの機器と組み合わせて全体システムを構築する。制御装置には既述のように制御部，ディスプレイ部等のほか入力部，センサー情報入力部及びフィードバック制御部，制御プログラム等が必要である。前述したディスプレイ９は工具と被削材の組み合わせで、酸素濃度が最適となるようなデータベースを保有するモニターである。
【００２９】
２．制御ユニットの起動
加工雰囲気制御ユニット８の起動方法は、まずユニット本体の電源を入れ、背面差込み口にモニター電源及び制御プラグ（いずれも図示しない）を差込んだ後に、ユニット８の本体背面の取入れ口に酸素と窒素の供給装置６，７より酸素、窒素、空気を入れる。
上記運転を行なうと前面表示部８ａに酸素濃度が表示される。制御ユニット前面パネルの圧力調整ツマミ８ｂにより吐出圧力が調整でき、設定圧力は０．０５〜０．８５Mpa位にする。前面パネルの流量調整ツマミ８ｃにより吐出流量が調整できる。
【００３０】
３．モニター部説明
次にモニター部による操作につき説明すると、まず電源を投入することにより、図５に示す酸素富化膜ユニットに対するメインメニューの初期画面９ａが表示され、以下の各項目に対応して操作される。
【００３１】
（１）酸素富化膜空気  運転入力
Ｉ）図５Ａに示すＡの酸素富化膜空気  運転入力をタッチ操作し、その画面を呼び          出すことにより、図５Ｂの運転入力画面になる。
II）材質及び工具材料の名称を設定し、先に登録した酸素富化膜空気のパターン登          録データにより切削速度・送り・切込み・酸素濃度を表示を行う。
III)このデータにより酸素富化膜制御を行う。
（２）パターン登録のデータ記録
Ｉ）図５Ａに示すＢのパターン登録をタッチ操作し、その画面を呼び出すと図５Ｃ          に示すパターンNo．登録画面が表示される。
II）データベースするためオペレーター入力し運転データ用に記憶する。
（３）メンテナンス用モニター・マニュアル操作
Ｉ）図５Ａに示すＣのモニター・マニュアル操作を（タッチ）操作し、その画面を          呼び出すと図５Ｄに示す詳細登録画面が表示され選択する。
モニターは酸素濃度・酸素流量計・窒素流量計・エアー流量計の動作状態の確          認用であり、マニュアル操作は任意に個別の運転を選択して行う場合を意味す          る。
【００３２】
４．各メニューの説明
次に各メニューの説明を行うと、図５Ｂは図５ＡのメインメニューＡに示す「酸素富化膜空気運転入力」をタッチした後の操作図であり、その操作は次のように行われる。
【００３３】
（１）酸素富化膜空気の設定
Ｉ）材質名称の設定
Ａの材質名称をタッチ操作し、Ｃの材質選択の中から選択しタッチ操作すると          、Ａに表示する。
II）工具材料の設定
Ｂの工具材料名称をタッチ操作し、Ｄの工具選択の中から選択しタッチ操作す          ると、Ｂに表示する。
【００３４】
（２）運転データ表示
Ｉ）先に登録した酸素富化膜空気のパターン登録データにより、Eの切削速度・送          り・切込みを表示する。
II）Ｆにおいて酸素濃度を表示し、これらのデータにより酸素富化膜を制御する。
【００３５】
５．図５ＡのメインメニューＢに示す「パターン登録」をタッチした後の操作
（１）試験データＮｏ．呼び出し＜図５Ｃ＞
Ｉ）Ａの登録データNo．１〜４をタッチ操作し登録用データ入力１画面を呼び出す          。
II）Ｂの登録データNo．５〜８をタッチ操作し登録用データ入力２画面を呼び出す          。
III)同様にＣ〜Ｊの登録データNo．「９〜１２」〜「３７〜４０」をタッチ操作し          登録用データ入力３〜１０画面を適宜呼び出す。
【００３６】
（２）試験No．の選択による詳細登録＜図５Ｄ＞
Ｉ）Ｂの試験No．（１〜４）のどれかをタッチ操作しその列が設定可能になる。
【００３７】
（３）材料・工具の名称の設定＜図５Ｄ＞
Ｉ）材質名称の設定
Ａの材質名称をタッチ操作し、Ｆの材質選択の中から選択しタッチ操作すると          、Ａに表示する。
II）工具材料名称の設定＜図５Ｄ＞
Ｃの工具材料名称をタッチ操作し、Ｇの工具選択の中から選択しタッチ操作す          ると、Ｃに表示する。
【００３８】
（４）加工運転データ入力＜図５Ｄ＞
Ｉ）Ｄの切削速度・送り・切込みを個別に数値入力する。
【００３９】
（５）酸素濃度の設定＜図５Ｄ＞
Ｉ）Ｅの酸素濃度をタッチ操作し、数値入力する。
【００４０】
（６）テンキー操作＜図５Ｅ＞
Ｉ）数値項目をタッチ操作するとテンキーが表示される。
II）テンキーの操作は数値入力後「ENT」で決定し、テンキーが消える。
【００４１】
６．図５Ｆに図５Ｅより入力した詳細登録例を示す。ここでは、被削材料にS45C、Ti合金、超耐熱合金例にとって最適な工具材料、切削条件、酸素濃度を示している。
【００４２】
７．図５Ｇにメンテナンス画面を示す。酸素、窒素の濃度設定が可能であり、メンテナンス時に使用する。なお、図４に示すフローにおいては酸素、窒素の制御は１％単位で設定できる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
この発明は、主として切削加工時に酸化物系保護膜を形成する加工材や工具を使用する切削加工や、切削加工装置に広く利用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明を実施する加工機械と酸素供給装置及び酸素制御装置の構成概念図である。
【図２】雰囲気酸素濃度とエンドミル逃げ面摩耗との関係を示すグラフである。
【図３】（Ａ），（Ｂ）は雰囲気酸素濃度とエンドミル逃げ面摩耗又は酸化物生成量の関係を示すグラフである。
【図４】本発明による酸素濃度制御例のフローチャートである。
【図５Ａ】酸素供給制御用のモニター部８のディスプレイに表される操作画面で、操作開始用のメインメニューである。
【図５Ｂ】同じく運転入力画面である。
【図５Ｃ】同じくパターンNo.登録画面である。
【図５Ｄ】同じく詳細登録画面である。
【図５Ｅ】同じくテンキーである。
【図５Ｆ】同じく詳細登録例である。
【図５Ｇ】同じくメンテナンス画面である。
【符号の説明】
【００４５】
１    ガス供給装置
２    加工機械
４    工具
６    酸素供給装置
７    窒素供給装置
８    制御ユニット装置
８ａ  表示部
９    モニター部
９ａ〜９ｇ  モニター画面
【図１】
2005066786.tif 000003
【図２】
2005066786.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005066786.tif 000006
【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
2005066786.tif 000008
【図５Ｃ】
2005066786.tif 000009
【図５Ｄ】
2005066786.tif 000010
【図５Ｅ】
2005066786.tif 000011
【図５Ｆ】
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【図５Ｇ】
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