JP2018187765A - ドライアイス粉末噴射型冷却方法および冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被加工材を加工する際の加工部を冷却するこれまでにない冷却方法および冷却装置を提供することを課題とし、さらに、被加工材と加工工具とが摩擦することや、レーザー光等のエネルギーが集中することによる加工熱（第１次発生熱）と、被加工材や加工工具、切屑等が酸化燃焼反応することによる反応熱（第２次発生熱）と、を同時に抑制することができる冷却方法および冷却装置を提供する。【解決手段】被加工材を加工する際の加工部の冷却において、ドライアイス粉末を用いることで、第１次発生熱と第２次発生熱とを同時に抑制することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、被加工材を加工する際の加工部の冷却方法および冷却装置に関するものである。

一般に、金属の切削加工において切削加工部を冷却する技術は、切削工具の劣化抑制や加工精度向上の観点から重要である。従来から切削加工において用いられる冷却手段は、切削油剤を切削加工部に供給することで冷却を行う湿式法（湿式切削）と、大気雰囲気下で切削加工部に低温の気体を噴射することで冷却を行う乾式法（乾式切削）とが存在する。

湿式切削は、切削油剤を用いることで、潤滑効果、冷却効果、洗浄効果を得ているため、加工熱の発生を抑制しながら冷却を行うことができる。しかしながら、加工後の表面に付着した切削油剤の除去が必要であることに加え、切削工具の酸化が免れないこと、切削油剤を処理する際に環境汚染が生じることや処理コストが高いこと等の問題がある。

一方で、乾式切削においては、切削油剤を用いないため上記のような問題は生じない。しかしながら、乾式切削は、潤滑効果が望めないことや冷却効率が低いことから、湿式切削に比べると非常に高い加工熱が発生する。そのため、加工面に切削焼けや切削割れが生じやすいことや切削工具の劣化が早いことから経済的負担が大きいという問題がある。

そこで、乾式切削における冷却方法を改良する技術の提案がなされている（特許文献１、特許文献２）。
特許文献１には「−１℃以下の乾燥空気の冷風を加工点へ供給するとともに、植物油等の無公害油からなる微粒子状油を、前記加工点に直接若しくは加工治具を介して該加工点に間接的に、供給しながら砥石研削若しくは刃具切削を行なうことを特徴とする冷風加工方法」の技術が記載されている。このように、低温の乾燥空気と共に微粒子状油を切削加工部に噴射することで、従来の乾式切削よりも冷却効率を向上させることが可能である。

特許文献２には、「被加工物の乾式研削加工雰囲気として不活性気体を用いたことを特徴とする乾式研削加工法」の技術が記載されている。このように、乾式切削において、加工材料の周囲雰囲気を不活性気体により形成することで、切屑の酸化燃焼反応による発熱を抑制することが可能である。

特開平１０−８６０３６号公報 特開平７−６０６２１号公報

ところで、加工における熱の発生過程には、被加工材と加工工具とが摩擦することや、レーザー光等のエネルギーが集中することによる加工熱（第１次発生熱）と、被加工材や加工工具、切屑等が酸化燃焼反応することによる反応熱（第２次発生熱）とがある。

特許文献１に記載の冷却方法においては、加工熱である第１次発生熱の抑制を主な目的としており、被加工材等の酸化による第２次発生熱を抑制するものではない。また、微粒子状油剤を使用するため、加工後には被加工材の表面に付着した油剤を除去する必要がある。

一方、特許文献２に記載の冷却方法は、被加工材等の酸化燃焼反応による第２次発生熱の抑制を主な目的としており、加工熱自体の第１次発生熱を抑制するものではない。また、加工部周辺を不活性雰囲気とするために、加工部周囲を部材により覆うことで気密な空間を構成する必要があった。

本発明は、かかる実情に鑑み、被加工材を加工する際の加工部を冷却するこれまでにない冷却方法および冷却装置を提供することを課題とし、さらには、第１次発生熱と第２次発生熱を同時に抑制することができる冷却方法および冷却装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る冷却方法は、被加工材を加工する際の加工部の冷却方法であって、ドライアイス粉末を加工部に対して噴射することを特徴とする。

本発明によれば、ドライアイス粉末を被加工材の加工部に噴射し冷却することで、第１次発生熱と第２次発生熱とを同時に抑制することができる。
さらに、ドライアイス粉末は冷却後直ちに気化するため、加工表面に付着することがなく、加工後の表面を洗浄する必要がない。

本発明の好ましい形態では、前記加工は、切削加工であることを特徴とする。
このように、ドライアイス粉末で切削加工部を冷却しながら切削加工を行うことで、切削工具の寿命を延伸させることができる。

本発明の好ましい形態では、前記切削加工に用いる切削工具の材料が、セラミックであることを特徴とする。
このように、セラミック製の切削工具による加工に、本発明に係る冷却方法を適用することで、従来の同工具を用いた場合の切削加工に比して高速で切削加工を行うことができる。

本発明の好ましい形態では、前記加工は、ビーム加工であることを特徴とする。
このように、本発明に係る冷却方法は、加工手段がビーム加工である場合に好適である。

本発明の好ましい形態では、前記被加工材は、金属であることを特徴とする。
このように、本発明に係る冷却方法は、被加工材が金属である場合に好適である。

本発明の好ましい形態では、前記金属が超硬合金、超耐熱合金、耐熱合金、ステンレス鋼、アルミ合金、炭素鋼、銅、及び、タングステンから選ばれることを特徴とする。
このように、本発明に係る冷却方法は、加工する金属が難加工金属材料や非鉄金属材料である場合に好適である。

本発明の好ましい形態では、前記被加工材は、樹脂であることを特徴とする。
このように、本発明に係る冷却方法は、被加工材が樹脂である場合に好適である。

本発明の好ましい形態では、前記樹脂は、炭素繊維強化プラスチック又はガラス繊維強化プラスチックから選ばれる繊維強化プラスチックであることを特徴とする。
このように、本発明に係る冷却方法は、加工する樹脂が難加工材料である場合に好適である。

本発明の好ましい形態では、前記ドライアイスの平均粒子径が５００μｍ以下であることを特徴とする。
このような粒径のドライアイス粉末を噴霧することで、加工部を効率よく冷却することができる。

本発明の好ましい形態では、前記ドライアイス粉末は、液化炭酸ガスを断熱膨張させて生成することを特徴とする。
このようにドライアイス粉末を生成することにより、容易に平均粒子径が５００μｍ以下のドライアイス粉末を噴射することができる。

本発明の好ましい形態では、液化炭酸ガスの質量流量が５０〜２５０ｇ／ｍｉｎであることを特徴とする。
このような範囲の液化炭酸ガスの質量流量で生成したドライアイス粉末を噴射することで、効率よく加工部を冷却することができる。

本発明の好ましい形態では、被加工材を加工する加工方法であって、ドライアイス粉末を加工部に対して噴射しながら、加工を行うことを特徴とする。
このように、加工を行うことで、上記したように被加工材から発生する第１次発生熱と第２次発生熱とを同時に抑制することができ、発生する熱を大幅に抑制して加工することができる。

本発明の好ましい形態では、被加工材を加工する際の加工部を冷却する装置であって、液化炭酸ガスの供給源から供給された液化炭酸ガスを断熱膨張させる液化炭酸ガス冷却手段と、前記液化炭酸ガス冷却手段によって生成されたドライアイス粉末を噴射する噴射ノズルと、前記ドライアイス粉末を噴射する噴射ガスを供給する噴射ガス供給手段と、を備えることを特徴とする。
このような、ドライアイス噴射型冷却装置を用いることで、被加工材の冷却に最適なドライアイスの粒径を得ることができる。

本発明の好ましい形態では、前記噴射ノズルは、前記被加工材を加工する加工点に向けられていることを特徴とする。
このような構成とすることにより、被加工材を効率良く冷却することができる。

本発明の好ましい形態では、前記液化炭酸ガス冷却手段と前記噴射ノズルと前記噴射ガス供給手段とを有する噴射ユニットと、前記噴射ガスの流量を調節する噴射ガス流量制御手段と前記液化炭酸ガスの流量を調節する液化炭酸ガス流量制御手段とを有する制御ユニットと、を備え、前記噴射ユニットと前記制御ユニットとが異なる場所に設置可能であることを特徴とする。
このように、噴射ユニットと制御ユニットとを別々に配置可能とすることで、容易に既存の装置に適用することができる。

本発明の好ましい形態では、前記噴射ノズルが複数設けられていることを特徴とする。
このように、噴射ノズルが複数設けられていることで、被加工材が大径である場合や、被加工材の加工範囲が広い場合、加工深さが深い場合、加工パターンが複雑である場合であっても、加工部を効果的に冷却することができる。

本発明の好ましい形態では、被加工材を加工する加工装置であって、前記被加工材を加工する加工工具と、ドライアイス粉末を噴射する噴射ノズルと、を備え、前記加工工具が加工を行う加工部に対して、前記噴射ノズルが向けられていることを特徴とする。
このように、ドライアイス粉末による冷却手段を加工装置に適応することで、加工工具の劣化を抑制可能な加工装置とすることができる。

本発明の好ましい形態では、前記噴射ノズルの被加工材に対する噴射方向及び噴射位置の少なくとも何れか一方を制御可能なノズル位置制御手段を更に備えていることを特徴とする。
このように、噴射ノズルの噴射方向や噴射位置を制御可能なノズル位置制御手段を備えることにより、噴射ノズルの位置制御を、被加工材の大きさや形状、材質、加工条件、冷却条件等に対応させた高精度な制御とすることができる。

本発明の好ましい形態では、前記ノズル位置制御手段は、前記加工装置に入力される前記加工部の位置情報を受けつけて、前記被加工材を加工する加工点に向けてドライアイス粉末を噴射するように調節する位置調節機能を有していることを特徴とする。
このような構成とすることで、噴射ノズルの位置調節を手動で行わずにすみ、安全かつ正確に加工部に向けてドライアイス粉末を噴射することができる。

本発明によれば、被加工材を加工する際の加工部を冷却するこれまでにない冷却方法および冷却装置を提供することができ、さらには、第１次発生熱と第２次発生熱を同時に抑制することができる冷却方法および冷却装置を提供することができる。
この冷却方法及び冷却装置を適用することにより加工工具寿命の延伸や被加工材の汚染防止を達成することができる。

本発明の実施形態１に係る冷却装置を適応した切削装置の斜視図である。 本発明の実施形態１に係る冷却装置の噴射ユニットの斜視図である。 本発明の実施形態１に係る冷却装置の噴射ユニットの概略構成図である。 本発明の実施形態１に係る冷却装置の噴射ユニットの噴射ノズルの側断面図である。 本発明の実施形態１に係る冷却装置の制御ユニットの正面図である。 本発明の実施形態２に係る冷却装置の噴射ユニットの概略構成図である。 本発明の実施形態３に係る冷却装置を内蔵した切削装置の正面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
まず、本発明の冷却方法に先だって、本冷却方法に好適に用いられる冷却装置について図１ないし図７を参照して説明する。

なお、本発明における「切削」とは、切削加工やレーザー加工等の加工手段によって、被加工材の表面を削ることをいい、また、削ることによって切断することも含まれる。

＜実施形態１に係る冷却装置＞
以下、本発明の実施形態１の冷却装置について、図１〜図５を参照して詳細に説明する。
本発明の実施形態１に係る冷却装置は、ドライアイス粉末を噴射する噴射ユニット１と、この噴射ユニット１にケーブル３を介して接続され、噴射ユニット１の作動制御を行う制御ユニット２と、を備えている。図１に示すように、この噴射ユニット１と制御ユニット２とは別々に配置可能な構成であり、噴射ユニット１は切削装置Ｍの切削加工部Ｍ１近傍に設置される。

噴射ユニット１は、図２及び図３に示すように、箱型のケーシング１Ａを有し、このケーシング１Ａ内に、液化炭酸ガス供給ライン１１と、噴射ガス供給ライン１２と、流通管１３と、噴射ノズル１４と、が収容されている。この噴射ユニット１は、液化炭酸ガスの供給源から供給される液化炭酸ガスを断熱膨張させることでドライアイス粉末を生成し、制御ユニット２からの信号を受け付けてドライアイス粉末を噴射ガスと共に切削加工部Ｍ１へ向けて噴射することができるように構成されている。

液化炭酸ガス供給ライン１１は、液化炭酸ガス導入口１１１と、液化炭酸ガス中の不純物を取り除くガスフィルター１１２と、液化炭酸ガスを流通させる弁の開閉手段である電磁弁１１３と、液化炭酸ガスの絞り手段であるニードル弁１１４と、を備えている。

液化炭酸ガス導入口１１１は、液化炭酸ガス供給源Ｔである高圧ガス容器（ガスボンベ）や低温液化ガス貯槽などと接続されており、そこから加圧された液化炭酸ガスが供給されている。

ニードル弁１１４は、液化炭酸ガスの流量を調節可能なように設けられている。また、一般に、液化炭酸ガスからドライアイス粉末を生成させるには、絞り部（オリフィス）や膨張用空間を設けることで、液化炭酸ガスを膨張・冷却させ、ドライアイス粉末の生成を行っている。本実施形態においても、このニードル弁１１４は液化炭酸ガスを膨張させ冷却させうる絞り部として機能させても良い。その場合には、ニードル弁１１４を調節することで液化炭酸ガスの断熱膨張の度合い、即ち、ドライアイス粉末の生成量を適宜調節することができる。

噴射ガス供給ライン１２は、噴射ガス導入口１２１と、噴射ガスを流通させる弁の開閉手段である電磁弁１２２と、噴射ガスの噴射圧力を表示する圧力表示器１２３と、噴射ガスの加熱手段であるスポットヒーター１２４と、噴射ガス中の不純物を取り除くガスフィルター１２５と、噴射ガスの異常な圧力を逃がすリリーフ弁１２６と、を備えている。

噴射ガス導入口１２１は、噴射ガス供給源Ｇと接続されている。この噴射ガス供給源Ｇとしては、窒素ガスの他に、炭酸ガス、アルゴンガス、圧縮空気等を用いても良い。これらのガスは高圧ガス容器（ガスボンベ）に加圧充填して使用しても良く、また、空気の場合は圧縮機で加圧して供給しても良い。

スポットヒーター１２４は、温度計１２４ａと、温度コントローラー１２４ｂとを備えており、その両方がケーブル３を介して制御ユニット２と接続されている。
リリーフ弁１２６は、噴射ユニット１の圧力表示器１２３が異常に高い値を示した場合には、リリーフ弁１２６を解放することで、噴射ユニット１内部と外部とを連通させ、異常な内部圧力を外部へ逃がすことができる。

流通管１３は、液化炭酸ガス流通管１３ａと、噴射ガス流通管１３ｂと、を備えている。この流通管１３の内部は、噴射ガスが流通する噴射ガス流通管１３ｂの中に液化炭酸ガス流通管１３ａが挿通された二重管構造となっている。また、液化炭酸ガス流通管１３ａの上流側には液化炭酸ガス供給ライン１１が、噴射ガス流通管１３ｂの上流側には噴射ガス供給ライン１２が、それぞれ接続されており、また、両方の下流側には噴射ノズル１４が接続されている。

噴射ノズル１４は、図４に示すように、外管１４１と、内管１４２と、混合部１４３とを備え、外管１４１の端部には噴射口１４１ａが、内管１４２の端部には液化炭酸ガス供給口１４２ａがそれぞれ設けられ、混合部１４３は噴射口１４１ａと液化炭酸ガス供給口１４２ａとの間に設けられている。また、噴射口１４１ａは、被加工材の切削加工点に向けられており、ドライアイス粉末を切削加工点に噴射可能なよう構成されている。

混合部１４３は、空間が形成されていることにより、液化炭酸ガスを断熱膨張させる冷却手段として機能する。そのため、液化炭酸ガス供給口１４２ａから供給された液化炭酸ガスが膨張させられることで、ドライアイス粉末を生成することができる。この生成されたドライアイス粉末は噴射ガスと混合され、噴射口１４１ａから噴射される。
また、図示はしていないが、液化炭酸ガスを自由膨張させるための空間や絞り部（オリフィス）を噴射ノズル１４や流通管１３、液化炭酸ガス供給ライン１１の途中に設けても良い。

また、図２及び図３においては、液化炭酸ガス供給ライン１１、噴射ガス供給ライン１２、流通管１３、及び噴射ノズル１４が、それぞれ１つずつ設けられた例について示しているが、これらは一つに限られず、必要な状況に応じて複数設けても良い。

制御ユニット２は、図５に示すように、ケーシング２Ａの正面に、スポットヒーターの制御部２１と、ブザー２２と、液化炭酸ガス用電磁弁１１３の制御ボタン２３と、噴射ガス用電磁弁１２２の制御ボタン２４と、ブザー停止ボタン２５と、設定のリセットボタン２６と、主電源２８と、非常停止ボタン２９と、を備えている。この制御ユニット２は、ケーブル３を介して噴射ユニット１と接続され、その噴射ユニット１へ制御信号を送る構成となっている。

本実施形態によれば、ドライアイス粉末を生成するために必要な部材が設けられた噴射ユニット１と、噴射ユニット１を制御する制御ユニット２とを別々に配設している。
即ち、噴射ユニット１はケーシング１Ａを備え、制御ユニット２はケーシング２Ａを備え、ケーシング１Ａ内に噴射ユニット１の各構成部材が収容され、ケーシング２Ａ内に制御ユニット２の各構成部材が収容されている。
このようにすることで、噴射ユニット１の位置を自由に決定することができるため、様々な仕様の切削装置Ｍに適応させて装備することが可能である。この切削装置Ｍとしては、マシニングセンター、フライス盤、旋盤、研削盤、等が挙げられる。
また、この他にもレーザー光や電子などのエネルギーをもったビームを被加工材に照射することで加工を行うビーム加工装置等に適応しても良い。

また、本実施形態によれば、液化炭酸ガス供給ライン１１、噴射ガス供給ライン１２、流通管１３、及び噴射ノズル１４を複数設けることで、被加工材に対して多方向からドライアイス粉末を噴射することができる。このため、被加工材が大径である場合や、加工範囲が広い場合、加工深さが深い場合、加工パターンが複雑である場合であっても、複数のノズルを異なる場所に配置して多方向からドライアイス粉末を噴射することで、切削加工部を効果的に冷却することができる。

なお、本実施形態における流通管１３や噴射ノズル１４、ケーブル３の長さ等は、適応する切削装置Ｍの大きさや構成に合わせて適宜変更することができる。

＜実施形態２に係る冷却装置＞
以下、本発明の実施形態２の冷却装置について、図６を参照して詳細に説明する。この実施形態２に係る冷却装置は、先の実施形態の噴射ユニット１に取付けられていたスポットヒーター１２４を排除し、ケーシング１Ａを小型化したことを特徴とする。なお、同実施形態において、先の実施形態と基本的に同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を簡略化する。

この実施形態２に係る噴射ユニット４（図６参照）と、先の実施形態の噴射ユニット１（図３参照）とを比較すると、本実施形態に係る噴射ユニット４は、噴射ガス供給ライン１２に噴射ガスの加熱手段であるスポットヒーター１２４が備えられていない点と、噴射ガス供給源Ｇと接続されている噴射ガス導入口１２１の上流側に、噴射ガス加熱手段５が備えられている点で異なっている。

噴射ガス加熱手段５は、噴射ガス供給源Ｇと噴射ガス導入口１２１との間に設けられ、温度計５ａと、温度コントローラー５ｂとを備え、制御ユニット２で温度調整が行えるよう構成されている。この噴射ガス加熱手段５には、慣用の加熱手段を用いればよく、例えば、誘導加熱や誘電加熱、抵抗加熱等が挙げられる。そのため、噴射ガス供給源Ｇと噴射ガス導入口１２１とを繋ぐ管には、加熱機構を有する管が好適に用いられる。

本実施形態によれば、噴射ユニット１からスポットヒーター１２４を取り外したことで、噴射ユニット４のケーシング４Ａを大幅に小型化することができる。そのため本実施形態に係る噴射ユニット４は、先の実施形態の噴射ユニット１よりも切削加工部Ｍ１の近傍に設置することが可能となり、さらには、切削装置Ｍの内部に噴射ユニット４を設置することが可能となる。このことにより、切削装置Ｍの種類や大きさに関わらず、噴射ユニット４を切削加工部Ｍ１の近傍に設置することができ、流通管１３の長さを一定にすることができる。

また、本実施形態によれば、噴射ユニット４を切削加工部Ｍ１の近傍に設置することができ、流通管１３を短く形成することができる。そのため、流通管１３内でのパーティクルの発生確率を低下させて、好ましい粒径のドライアイス粉末を安定的に供給することができる。

また、本実施形態によれば、噴射ガスを加熱する熱源を噴射ユニット４の外部に配置しているため、噴射ユニット４内が不用意に加熱されることを防ぐことができる。そのため、熱による故障や誤作動のリスクを減少させることができる。

＜実施形態３に係る冷却装置＞
以下、本発明の実施形態３の冷却装置について、図７を参照して詳細に説明する。この実施形態３に係る冷却装置は、切削装置Ｍに一体に設けられていることを特徴とする。なお、同実施形態において、先の実施形態と基本的に同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を簡略化する。

この実施形態３に係る冷却装置は、切削装置Ｍの切削加工部Ｍ１を冷却する冷却機構として切削装置Ｍの内部に設けられており、この切削装置Ｍとしては、マシニングセンター、フライス盤、旋盤、研削盤等の切削装置が挙げられる。図７は、本実施形態に係る冷却装置を搭載した切削装置Ｍの一例であり、この切削装置Ｍは、切削工具Ｍ２に加えて、本発明に係るドライアイス粉末を噴射する噴射ノズル１４と、ドライアイス粉末の噴射パラメーターを制御する制御盤Ｍ３と、ノズル位置制御手段Ｍ４をさらに備えている。

噴射ノズル１４は、切削工具Ｍ２の周辺に設けられ、被加工材の切削を行う切削加工部Ｍ１に向けてドライアイス粉末を噴射可能なように構成されている。また、この噴射ノズル１４からは、ドライアイス粉末だけでなく、冷却用の気体や切削油剤を噴射可能なように構成しても良い。

制御盤Ｍ３は、少なくとも切削加工のパラメーターと、ドライアイス粉末の噴射パラメーターと、を制御することができるよう構成されている。即ち、この制御盤Ｍ３は、先の実施形態に係る制御ユニット２の機能を備えている。

ノズル位置制御手段Ｍ４は、噴射ノズル１４および流通管１３を位置決め可能に構成されており、噴射ノズル１４の被加工材に対する噴射方向及び噴射位置の少なくとも何れか一方を制御することができる。このノズル位置制御手段Ｍ４としては、手動操作でノズルの向きや位置を制御する構成としても良い。
さらに、このノズル位置制御手段Ｍ４は、前記切削装置に入力される前記切削加工部の位置情報を受けつけて、前記切削加工点に向けてドライアイス粉末を噴射するように調節する位置調節機能を設け、自動的にノズル位置を制御できる構成としても良い。

本実施形態によれば、切削装置Ｍ内に本発明に係る冷却装置を一体に設けることで、切削工具Ｍ２の劣化を抑制可能な切削装置Ｍを提供することができる。
また、切削装置Ｍと冷却装置の制御系を同一位置に配置させることができ、装置の操作性を向上させることができる。

本実施形態によれば、噴射ノズル１４の噴射方向や噴射位置を制御可可能なノズル位置制御手段Ｍ４を備えることにより、噴射ノズル１４の制御を、被加工材の大きさや形状、材質、切削条件、冷却条件等に対応させた高精度な制御とすることができる。

本実施形態によれば、ノズル位置制御手段Ｍ４が自動的にノズル位置を制御できる構成を有していることにより、噴射ノズルの位置調節を手動で行わずにすむため、切削加工中にノズルの位置を調節する必要がなく、安全かつ正確に切削加工点に向けてドライアイス粉末を噴射することができる。

＜本発明に係る冷却方法＞
本発明に係る冷却方法は、上記のような冷却装置で生成されたドライアイス粉末を、切削加工部Ｍ１に噴射することで加工部の冷却を行う。

本発明に係る冷却方法のドライアイス粉末は、切削加工点に向けて局所的に噴射されることが望ましく、ドライアイス粉末の照射幅を示すスプレー幅の好ましい範囲は２０ｍｍ以下であり、さらに好ましい範囲は１２ｍｍ以下である。
上記のスプレー幅を達成する噴射ノズル１４と被加工材との距離を示すスプレー距離の好ましい範囲は５０〜１００ｍｍであり、噴射ノズル１４から噴射されるドライアイス粉末の広がり角を示すスプレー角度の好ましい範囲は５度以下である。また、被加工材へのドライアイス粉末の入射角の範囲は３０〜６０度であることが望ましいが、被加工材の形状によって設定することが可能であり、１０〜１７０度の範囲で選択することができる。

噴射されるドライアイス粉末の平均粒子径の好ましい範囲は５００μｍ以下であり、より好ましい範囲は１００μｍ以下であり、さらに好ましい範囲は５〜３０μｍである。このような範囲の平均粒子径のドライアイス粉末で冷却を行うことにより、ドライアイスが切削加工部Ｍ１近傍で効果的に気化することが可能となっている。
なお、ここでいう平均粒子径とは、レーザー干渉画像法や画像イメージング法により求めた粒度分布における積算値５０％での粒径を意味している。このレーザー干渉画像法とは、レーザー光を粒子に照射し、粒子からの散乱光を焦点位置以外で観察することにより干渉縞像を求め、干渉縞の本数から、粒径を求める方法である。

ドライアイス粉末を生成する液化炭酸ガスの質量流量の好ましい範囲は５０〜２５０ｇ／ｍｉｎであり、さらに好ましい範囲は５０〜１８０ｇ／ｍｉｎである。
なお、ここでいう質量流量の値は、サイフォン管式液化炭酸ガス貯蔵容器（圧力約６ＭＰａ）を使用した際に、一般に質量流量を計測する際に用いられる質量流量計（金属管式面積流量計やコリオリ式質量流量計等）によって得られる値である。

本発明の冷却方法は、超硬合金、耐熱合金、超耐熱合金、ステンレス鋼、アルミ合金、及び、炭素鋼、などの難加工金属や、銅やタングステンなどの非鉄金属、炭素繊維強化プラスチックやガラス繊維強化プラスチックなどの樹脂、を切削加工する際に好適である。
また、本発明の冷却方法に使用される切削工具Ｍ２としては、ダイヤモンド、超硬合金、セラミック、サーナイトなどを用いる場合に好適であり、これらの寿命延長に寄与することができ、さらには、切削速度を向上させることができる。

本発明によれば、ドライアイス粉末を切削加工部Ｍ１の冷却に用いることで、切削加工部Ｍ１周辺に冷却媒体を効率よく到達させることができる。冷却が必要な切削加工部Ｍ１周辺には、切削工具Ｍ２が駆動することにより発生する空気の対流や、被加工材の切屑などが多く存在している。この時、冷却媒体が気体である場合には、空気の対流や切り屑等に阻害されてしまい、多くの冷却媒体が冷却箇所まで到達することが出来ないため効率が悪い。しかしながら、ドライアイス粉末は固体であり、気体と比べて比重が大きいため、空気の対流や切り屑等の影響を受けにくく、冷却箇所まで容易に到達することが出来る。

また、本発明によれば、ドライアイス粉末を切削加工部Ｍ１の冷却に用いることで、切削加工部Ｍ１を結露させることなく冷却を行うことが可能である。冷却媒体がガスなどの気体である場合には、周囲の空気を不用意に冷却して加工部周辺Ｍ１を結露させてしまい、加工部周辺Ｍ１の視認性を悪くするという問題があった。一方で、本発明は、ドライアイス粉末を用いることで、不用意に空気を冷却することなく加工部周辺Ｍ１に到達するため、結露を生じさせず視認性を向上させることが可能となっている。

また、本発明によれば、ドライアイス粉末を切削加工部Ｍ１の冷却に用いることで、切削加工部Ｍ１周辺を装置などで覆うことなく不活性雰囲気にすることができる。ドライアイス粉末が冷却箇所に到達した後、気化することにより、切削加工部Ｍ１周辺のみを不活性雰囲気とすることができる。そのため、切削加工部Ｍ１周辺を部材で囲う必要がない。

また、本発明によれば、ドライアイス粉末を切削加工部Ｍ１の冷却に用いることで、加工後に被加工材表面の洗浄を行う必要がない。切削加工部Ｍ１に到達したドライアイス粉末は、冷却に寄与した後直ちに気化するため、被加工材表面に不純物を残さない。そのため、湿式切削後の被加工材表面のように切削油剤を除去する工程が必要ない。また、切削油材を用いる必要がなく環境にも優しい。

また、本発明によれば、ドライアイス粉末を切削加工部Ｍ１の冷却に用いることで、被加工材の表面の洗浄と冷却とを同時に行うことができる。例えば、被加工材の表面に付着物が存在する場合であっても、ドライアイス粉末を吹き付けられることにより、付着物を急冷させられて熱収縮の効果により少し剥離させられる。そして、この少し剥離した付着物と被加工材との間にドライアイス粉末が入り込んで急激に気化し、体積が膨張変化することで、付着物を完全に剥がして除去することができる。このように、被加工材の表面の付着物を除去することができるため、切削加工後に表面の洗浄を行う必要がない。

また、本発明によれば、ドライアイス粉末を切削加工部Ｍ１の冷却に用いることで、第１次発生熱と第２次発生熱とを同時に抑制することができる。冷却媒体であるドライアイス粉末が切削加工部Ｍ１に到達し冷却することで、被加工材と切削工具Ｍ２とが摩擦することによる加工熱（第１次発生熱）を抑制する。また、ドライアイス粉末が気化して切削加工部Ｍ１周辺に不活性雰囲気を形成することで、金属（切屑、切削工具Ｍ２、被加工材等）が酸化燃焼反応することによる反応熱（第２次発生熱）を抑制する。このようにして、ドライアイス粉末を冷却媒体として適応することで、第１次発生熱と第２次発生熱とを同時に抑制することができる。

また、本発明によれば、ドライアイス粉末を切削加工部Ｍ１の冷却に用いることで、切削工具Ｍ２の劣化を抑制することができる。切削工具Ｍ２の劣化において問題となるのが金属の酸化反応であるが、本発明は切削加工部周辺を不活性雰囲気とすることにより、切削工具Ｍ２の酸化反応を抑制している。また、一般に、金属の酸化反応は温度が高いほど早く進行するが、本発明においては、前述したように熱の発生を抑制することができる。そのため、切削工具Ｍ２の劣化を抑制することが可能となっている。

また、本発明によれば、ドライアイス粉末を切削加工部Ｍ１の冷却に用いることで、周速度を向上させることができる。一般に、周速度を向上させると、切削加工部の温度が上昇し、切削工具Ｍ２の寿命を極端に短くしてしまう。しかしながら、本発明の冷却方法を適用することで、切削加工点の温度上昇を抑制して、周速度を向上させることができ、加工時間を大幅に短縮することができる。

また、本発明によれば、ドライアイス粉末を切削加工部Ｍ１の冷却に用いることで被加工材が超硬金属や超耐熱合金などの難加工金属材料である場合でも、切削工具Ｍ２の劣化を抑制することができる。

なお、本発明においては液化炭酸ガスを膨張させることでドライアイス粉末を生成する装置を示したが、一般的に用いられるドライアイス粉末を生成する装置であれば良い。例えば、ドライアイスペレットを細かく砕いて噴射する装置や、ブロックドライアイスを削って噴射する装置を採用しても良い。
また、主に切削加工について示したが、加工時の熱が被加工材に影響を与えてしまう加工方法全般に適応可能であり、例えば、レーザー光、電子、イオンなどを用いたビーム加工においても適応することができる。

＜加工例１＞
上記の＜実施形態１に係る冷却装置＞を用いて加工実験を行った。当該装置は液化炭酸ガスの流量等を制御することにより、平均粒子径が５〜２０μｍのドライアイス粉末を噴出することが出来る。本加工例においては、表１に示す切削加工条件で超硬合金に切削加工を行い、エアーブローによる冷却を行った場合（テスト１）と、ドライアイス粉末と噴射ガスによる冷却を行った場合（テスト２）とで、切削工具の摩耗状態の比較を行った。その結果を表２に示す。
なお、この時用いたドライアイス粉末の平均粒子径は５〜３０μｍであり、被加工材におけるドライアイス粉末のスプレー幅は１０ｍｍ程度であった。また、この時の噴射ノズルのスプレー距離は５０ｍｍであり、スプレー角度は５度以下であって、被加工材へのドライアイス粉末の入射角は４５度程度となるよう構成されていた。

表２の結果より、テスト１では、加工距離が３７．５ｍに達した時点で切削工具が破損してしまったのに対して、テスト２では、加工距離が３７．５ｍに達しても切削工具の破損はなかったことがわかる。さらに、テスト２の加工距離３７．５ｍ時点の切削工具の摩耗状態は、テスト１の加工距離２５．０ｍ時点の切削工具の摩耗状態と同程度であった。そのため、表１に記載の条件では、ドライアイス粉末と噴射ガスを用いた冷却の場合（テスト２）は、エアーブローのみの冷却の場合（テスト１）と比べて、１．５倍程度の工具寿命であったと考えられる。
また、ドライアイス粉末と噴射ガスを用いたテストにおいて、加工部周辺に結露はほとんど見られなかった。

＜加工例２＞
加工例１と同様の装置を用いて加工実験を行った。上記の加工例１においては、ドライアイス粉末と噴射ガスによる冷却を行うことで、工具寿命が延伸する結果が示された。本加工例では、さらに表３に示す切削加工条件で超硬合金の切削加工を行い、エアーブローによる冷却を行った場合（テスト３）と、ドライアイス粉末と噴射ガスによる冷却を行った場合（テスト４、テスト５）とで、切削工具が破損するまでの切削長を計測し比較を行った。その結果を表４に示す。
なお、この時用いたドライアイス粉末の平均粒子径は５〜３０μｍであり、被加工材におけるドライアイス粉末のスプレー幅は１０ｍｍ程度であった。また、この時の噴射ノズルのスプレー距離は５０ｍｍであり、スプレー角度は５度以下であって、被加工材へのドライアイス粉末の入射角は４５度程度となるよう構成されていた。

表４の結果より、テスト３では、加工距離が１１．７５ｍに達した時点で切削工具が破損してしまったのに対して、テスト４とテスト５では、加工距離がそれぞれ２１．１５ｍ、２８．２ｍに達した時点で切削工具が破損したことがわかる。このことから、ドライアイス粉末と噴射ガスによる冷却を行った場合の切削加工の切削長は、エアーブローによる冷却を行った場合に比して、２倍以上の切削長を有していることがわかった。即ち、ドライアイス粉末と噴射ガスによる冷却によって切削工具の寿命が延伸されたことが確認された。
また、本加工例のドライアイス粉末と噴射ガスを用いたテストにおいても、加工部周辺に結露はほとんど見られなかった。

＜加工例３＞
加工例１と同様の装置を用いて、送り速度を大幅に向上させた加工実験を行った。本加工例では、表５に示すような切削加工条件でセラミックエンドミルによる超耐熱合金の切削加工を行い、表６に示すような冷却条件でドライアイス粉末と噴射ガスによる被加工材の冷却を行った（テスト６）。
なお、この時用いたドライアイス粉末の平均粒子径は５〜３０μｍであり、被加工材におけるドライアイス粉末のスプレー幅は１０ｍｍ程度であった。また、この時の噴射ノズルのスプレー距離は５０ｍｍであり、スプレー角度は５度以下であって、被加工材へのドライアイス粉末の入射角は４５度程度となるよう構成されていた。

このテスト６によれば、表５に示したように、６００ｍ/ｍｉｎという周速度で切削加工を行うことができ、さらには、８００ｍ/ｍｉｎ程度まで向上させられることが分かっている。一般に、超耐熱合金等の難加工材料に対して、超硬エンドミルを用いて加工する場合には、周速度が３０ｍ/ｍｉｎ程の値で加工を行わなければ、切削工具の耐久性と加工精度を保つことができなかった。しかしながら、本発明の冷却方法を適用することにより、従来と同程度以上の加工精度を保ったまま、周速度を飛躍的に向上させることができる。以上より、本発明の冷却方法を適用することで、周速度を向上させることができ、切削加工時間の大幅な短縮が可能であることが分かった。

さらに、このテスト６では、切削工具にセラミック製のエンドミルを用いている。従来、セラミックエンドミルは、超硬エンドミルよりももろく、加工性能を発揮しないという理由でほとんど利用されてこなかった。しかしながら、本発明の冷却方法を適用することで、工具の耐久性を向上させることができ、さらに、超硬エンドミルよりも送り速度を速くして、切削加工時間を大幅に短縮することができる。
また、本加工例のドライアイス粉末と噴射ガスを用いたテストにおいても、加工部周辺に結露はほとんど見られなかった。

本発明によれば、金属を切削加工する際の冷却媒体にドライアイス粉末を用いている。これによって切削加工部周辺に不活性雰囲気を形成し、熱の発生と切削工具の酸化を抑制することで、切削工具の寿命を飛躍的に延伸させることが可能である。
特に、質量流量が５０〜１８０ｇ／ｍｉｎの範囲において、より顕著に工具寿命が延伸されている。
さらに、本発明によれば、切削加工部に結露を生じさせることがない。

また、本発明によれば、切削加工を行う際の周速度を向上させることができ、切削加工時間を大幅に短縮することができる。特に、本発明に係る冷却方法をセラミック材料のエンドミルに適用する場合には、より顕著に周速度を速くすることができる。

また、本加工例は被加工材が超硬合金である実験結果を示したが、超耐熱合金、耐熱合金、ステンレス鋼、アルミ合金、及び、炭素鋼、などの難加工金属材料や、銅やタングステンなどの非鉄金属、炭素繊維強化プラスチックやガラス繊維強化プラスチックなどの樹脂であっても切削工具の寿命を飛躍的に延伸させることが当然に可能である。

１ 噴射ユニット
１Ａ ケーシング
１１ 液化炭酸ガス供給ライン
１１１ 液化炭酸ガス導入口
１１２ ガスフィルター
１１３ 電磁弁
１１４ ニードル弁
１２ 噴射ガス供給ライン
１２１ 噴射ガス導入口
１２２ 電磁弁
１２３ 圧力表示器
１２４ スポットヒーター
１２５ ガスフィルター
１２６ リリーフ弁
１３ 流通管
１３ａ 液化炭酸ガス流通管
１３ｂ 噴射ガス流通管
１４ 噴射ノズル
１４１ 外管
１４１ａ 噴射口
１４２ 内管
１４２ａ 液化炭酸ガス供給口
１４３ 混合部
２ 制御ユニット
２Ａ ケーシング
３ ケーブル
４ 噴射ユニット
５ 噴射ガス加熱手段
Ｇ 噴射ガス供給源
Ｔ 液化炭酸ガス供給源
Ｍ 切削装置
Ｍ１ 切削加工部
Ｍ２ 切削工具
Ｍ３ 制御盤
Ｍ４ ノズル位置制御手段
Ｍ５ ステージ

Claims (10)

1. 被加工材を加工する際の加工部を冷却する冷却装置であって、
   液化炭酸ガス供給手段から供給される液化炭酸ガスを断熱膨張させる液化炭酸ガス冷却手段と、
   前記液化炭酸ガス冷却手段によって生成されるドライアイス粉末を噴射する噴射ノズルと、
   前記ドライアイス粉末を噴射する噴射ガスを供給する噴射ガス供給手段と、
   前記噴射ガスを加熱する加熱手段と、を備えることを特徴とする、ドライアイス粉末噴射型冷却装置。
2. 前記液化炭酸ガス冷却手段と前記噴射ノズルとを有する噴射ユニットと、
   前記噴射ガスの流量を調節する噴射ガス流量制御手段と前記液化炭酸ガスの流量を調節する液化炭酸ガス流量制御手段とを有する制御ユニットと、を備えることを特徴とする、請求項１に記載のドライアイス粉末噴射型冷却装置。
3. 前記加熱手段は、前記噴射ユニットと前記液化炭酸ガス供給手段の間に配置されていることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載のドライアイス粉末噴射型冷却装置。
4. 前記噴射ノズルは、前記ドライアイス粉末と前記加熱手段により加熱された前記噴射ガスとを混合する混合部を有していることを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載のドライアイス粉末噴射型冷却装置。
5. 前記ドライアイス粉末の平均粒子径が５〜３０μｍであることを特徴とする、請求項１〜４の何れかに記載のドライアイス粉末噴射型冷却装置。
6. 被加工材を加工する際の加工部を有した加工装置であって、
   液化炭酸ガス供給手段から供給される液化炭酸ガスを断熱膨張させる液化炭酸ガス冷却手段と、
   前記液化炭酸ガス冷却手段によって生成されるドライアイス粉末を噴射する噴射ノズルと、
   前記ドライアイス粉末を噴射する噴射ガスを供給する噴射ガス供給手段と、
   前記噴射ガスを加熱する加熱手段と、を備えることを特徴とする、加工装置。
7. 前記噴射ノズルは、前記ドライアイス粉末と前記加熱手段により加熱された前記噴射ガスとを混合する混合部を有していることを特徴とする、請求項６に記載の加工装置。
8. 前記噴射ノズルの被加工材に対する噴射方向及び噴射位置の少なくとも何れか一方を制御可能なノズル位置制御手段を更に備えていることを特徴とする、請求項６又は７に記載の加工装置。
9. 前記ノズル位置制御手段は、前記加工装置に入力される前記加工部の位置情報を受けつけて、前記被加工材を加工する加工点に向けてドライアイス粉末を噴射するように調節する位置調節機能を有していることを特徴とする、請求項６〜８の何れかに記載の加工装置。
10. 前記ドライアイス粉末の平均粒子径が５〜３０μｍであることを特徴とする、請求項６〜９の何れかに記載の加工装置。