(57)【要約】【課題】潤滑剤の使用量を低減しつつも、切削による発熱を抑制することができる加工方法を提供する。【解決手段】潤滑剤３０を供給しながら切削工具２０により金属製の被加工物１０を切削する加工方法において、切削工具２０には、ＤＬＣ膜２２のコーティングを施し、潤滑剤３０は、イオン液体および空気を含むミスト状である。【選択図】図１
2013132738.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
潤滑剤を供給しながら切削工具により金属製の被加工物を切削する加工方法において、
前記切削工具には、ＤＬＣ膜のコーティングを施し、
前記潤滑剤は、イオン液体および空気を含むミスト状である、加工方法。
【請求項２】
前記潤滑剤は、前記イオン液体と、水または油と、空気とを含むミスト状である、請求項１の加工方法。
【請求項３】
前記被加工物は、アルミニウムを主成分とする金属材料である、請求項１または２の加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、潤滑剤を供給しながら切削工具により金属製の被加工物を切削する加工方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
切削による加工方法においては、切削工具と被加工物との摩擦による発熱に加えて、被加工物のせん断部位の塑性変形による発熱が生じる。従って、発熱量が大きい。一般に、発熱を抑制するために、潤滑剤としての水溶性潤滑剤や油などを大量に用いて冷却を行っている。
【０００３】
また、特許文献１には、切削工具の耐熱性、耐摩耗性および耐溶着性に向上するために、切削工具の表面にＤＬＣ層を形成することが記載されている。
また、特許文献２には、金属加工の潤滑剤として、超臨界炭素にオイルを溶解または分散させたものを用いることが記載されている。当該オイルとして、多数のオイル、エステル、脂肪酸、フッ素化オイル、ブロック共重合体、界面活性剤、イオン液体及びその化合物が適用可能であるとされている。
【０００４】
特許文献３には、摩擦摺動面に用いる潤滑剤としてイオン液体を適用し、摺動部材のいずれか一方または両方にＤＬＣ及び／又はダイヤモンドを被覆することが記載されている。
また、非特許文献１には、潤滑剤としてのイオン液体について記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２２９７８２号公報
【特許文献２】特表２００８−５３９０９６号公報
【特許文献３】特開２００８−７４９４７号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】森  誠之「潤滑剤としてのイオン液体の可能性」,表面技術，一般社団法人  表面技術協会，Vol.60, p.502 (2009)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、環境問題意識の高まりから潤滑剤の使用量を低減することが期待されている。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、潤滑剤の使用量を低減しつつも、切削による発熱を抑制することができる加工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】
【０００８】
（請求項１）本発明の加工方法は、潤滑剤を供給しながら切削工具により金属製の被加工物を切削する加工方法において、前記切削工具には、ＤＬＣ膜のコーティングを施し、前記潤滑剤は、イオン液体および空気を含むミスト状である。
（請求項２）また、前記潤滑剤は、前記イオン液体と、水または油と、空気とを含むミスト状であるとよい。
（請求項３）また、前記被加工物は、アルミニウムを主成分とする金属材料としてもよい。
【発明の効果】
【０００９】
（請求項１）本発明の加工方法によれば、切削工具にＤＬＣ膜のコーティングを施すとともに、イオン液体を潤滑剤として用いることにより、切削の際の切削工具と被加工物との摩擦係数を低減することができる。摩擦係数を低減することにより、摩擦に起因する発熱を抑制できる。さらに、イオン液体による冷却効果により、発熱を抑制できる。また、イオン液体をミスト状にすることで、僅かなイオン液体であっても、イオン液体により確実に吸熱でき、その効果を十分に発揮できる。さらに、空気によりミスト状にすることで、空気による冷却効果も発揮できる。そして、イオン液体をミスト状にすることで、イオン液体の使用量を少なくできる。このように、潤滑剤の使用量を抑制しつつも、切削による発熱を抑制することができる。
【００１０】
（請求項２）潤滑剤に水または油を含ませることにより、水または油による冷却効果を発揮する。従って、切削による発熱を抑制することができる。特に、潤滑剤に油を含ませる場合には、潤滑性能が向上し、このことによって切削による発熱をより抑制することができる。
【００１１】
（請求項３）被加工物がアルミニウムを主成分とする金属材料の場合には、凝着という問題が生じる。これを抑制するためには、切削による発熱を抑制することが重要となる。そして本発明を適用することで、切削による発熱を効果的に抑制することができる。そのため、凝着の発生を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態における加工方法を示す図である。
【図２】case1,2の解析における加工開始からの経過時間に対する加工点温度の解析結果である。
【図３】case1の解析における温度分布である。
【図４】case2の解析における温度分布である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本実施形態の加工方法について、図１を参照して説明する。当該加工方法は、潤滑剤を供給しながら切削工具により金属製の被加工物を切削する加工方法である。例えば、旋削、フライス加工、ドリル加工、エンドミル加工などである。
【００１４】
図１には、切削工具２０により被加工物１０を切削している瞬間を示す。切削工具２０を被加工物１０に対して所定の切込量Ｈ（mm）を有する状態で、所定の送り量Ｖ（mm/rev）で相対的に送ることで切削を行う。ここで、切削工具２０は、すくい面２０ａと逃げ面２０ｂとを有する。
【００１５】
ここで、切削による発熱部位について図１を参照して説明する。第一として、被加工物１０が切削工具２０により塑性変形して切くずが生成されるときに、被加工物１０のせん断部位１２の塑性変形により発熱する。第二として、切削工具２０のすくい面２０ａと切りくずとの摩擦により発熱する。第三として、切削工具２０の逃げ面２０ｂと被加工物１０の切削面１３側との摩擦により発熱する。
【００１６】
被加工物１０は、アルミニウムを主成分とする金属材料、その他の金属材料である。ただし、本加工方法は、アルミニウムやその合金を被加工物とした場合に好適である。特に、被加工物１０がアルミニウムを主成分とする金属材料の場合には、延性が大きいため、切削工具２０に被加工物１０が凝着し、構成刃先を生成する。凝着は、切削工具２０の切れ刃のチッピング、工具寿命の低下、加工面精度の低下の原因となる。凝着を抑制するには、摩擦係数を小さくすることに加え、切削による発熱を抑制することが重要となる。また、被加工物１０がアルミニウムを主成分とする金属材料以外の場合において、摩擦係数の低減および切削による発熱を抑制することは、工具寿命の向上、加工面精度の向上に寄与する。そこで、当該加工方法は、以下のように行うこととした。
【００１７】
当該切削工具２０には、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜のコーティングが施されている。つまり、切削工具２０の基材２１の表面にＤＬＣ膜２２がコーティングされている。ＤＬＣは、摩擦係数が低く、硬質であることにより摩耗が少ないという性質を有する。基材２１には、切削工具鋼、超鋼合金、サーメットなどが適用される。
【００１８】
さらに、該加工方法では、潤滑剤３０を用いる。この潤滑剤３０として、イオン液体、水および圧縮空気を含む潤滑剤、イオン液体、油および圧縮空気を含む潤滑剤、イオン液体および圧縮空気を含む潤滑剤が適用される。そして、この潤滑剤３０をミスト状にして加工点に供給する。ミスト状に供給する潤滑剤３０は、連続的に供給してもよいし、断続的に供給してもよい。いわゆるＭＱＬ（Minimum Quantity Lubrication）加工と称される加工に該当する。
【００１９】
ここで、イオン液体としては、イミダゾリウム誘導体カチオンとテトラフルオロボレート（BF4）アニオンの構造体、イミダゾリウム誘導体カチオンとヘキサフルオロホスフェート（PF6）アニオンの構造体、または、イミダゾリウム誘導体カチオンとビストリフルオロメチルスルホニルイミド（TFSI）アニオンの構造体が好適である。
【００２０】
これらのイオン液体は、−３０℃〜３００℃の温度範囲で液体状を維持する性質を有する。動粘度は、２０〜８０mm2/sである。また、イオン液体を切削に用いるときの特徴として以下のことが挙げられる。該イオン液体は、高温環境下で粘度低下しにくい性質を有することにより、加工点での潤滑性を保つ効果を有する。該イオン液体は、高圧環境下での粘度上昇が小さい性質を有することにより、加工点での負荷を小さくさせる効果を有する。該イオン液体は、添加剤を溶かす溶媒としての性質を有することにより、該添加剤により特性を制御することが可能となる。例えば、脂肪酸を添加すると摩擦係数が４０〜７０％低下する。該イオン液体は、熱分解温度が高い性質を有することにより、酸化劣化しにくく、耐久性に優れる。該イオン液体は、摩擦面では容易に反応し境界膜が形成される性質を有することにより、摩擦係数は安定し低い、摩耗も抑制する。該イオン液体は、高圧下で分解しにくい性質を有することにより、加工点での劣化少ない。また、イオン液体をＤＬＣコーティングされた切削工具２０に対する潤滑剤に適用することにより、切削工具２０と被加工物１０との摩擦係数をより低減するように作用する。
【００２１】
潤滑剤３０に油を含ませる場合には、当該油として、植物性潤滑油が好適に用いられる。植物性潤滑油は、例えば、フジＢＣ技研社製のBluebe（ブルーベ）（登録商標）LB-10、動粘度８．９mm2/s（at４０℃）、密度０．９３g/cm3を用いる。
【００２２】
当該加工方法によれば、切削工具２０にＤＬＣ膜２２のコーティングを施すとともに、イオン液体を潤滑剤３０として用いることにより、切削の際の切削工具２０と被加工物１０との摩擦係数を低減することができる。そして、摩擦係数を低減することにより、摩擦に起因する発熱を抑制できる。さらに、イオン液体による冷却効果により、発熱を抑制できる。また、イオン液体をミスト状にすることで、僅かなイオン液体であっても、イオン液体により確実に吸熱でき、その効果を十分に発揮できる。さらに、空気によりミスト状にすることで、空気による冷却効果も発揮できる。そして、イオン液体をミスト状にすることで、イオン液体の使用量を少なくできる。このように、潤滑剤の使用量を抑制しつつも、切削による発熱を抑制することができる。
【００２３】
さらに、潤滑剤３０に水または油を含ませることにより、水または油による冷却効果を発揮する。従って、切削による発熱を抑制することができる。特に、潤滑剤３０に油を含ませる場合には、潤滑性能が向上し、このことによって切削による発熱をより抑制することができる。
【００２４】
このように、上記加工方法を適用することで、摩擦係数を小さくすることができるとともに、切削による発熱を効果的に抑制することができる。そのため、凝着の発生を抑制でき、切削工具２０の切れ刃のチッピング、工具寿命の低下、加工面精度の低下を抑制できる。また、被加工物１０がアルミニウムを主成分とする金属材料以外の場合においては、工具寿命、加工面精度が向上する。
【００２５】
次に、切削工具２０と被加工物１０との摩擦係数を低下させることが、切削による発熱を低下させることについて検証する解析を行った。解析条件は、表１に示す通りである。また、切削工具２０と被加工物１０との摩擦係数を表２に示すcase１，２とした場合について行った。
【００２６】
【表１】
2013132738.tif 000003
【００２７】
【表２】
2013132738.tif 000004
【００２８】
当該解析の結果を図２〜図４に示す。まず、case1.2における時間経過に対する加工点の温度変化は、図２に示すような挙動となる。case1では、加工開始から徐々に温度上昇し約３００℃に達している。一方、case2では、加工開始から徐々に温度上昇し約２２５℃程度となっている。このように、摩擦係数を小さくすることにより、加工点の温度上昇を抑制することができる。
【００２９】
また、図３には、case1における温度分布を示す。切削工具２０と被加工物１０との接触部位のうちすくい面２０ａ側と逃げ面２０ｂ側の２箇所（図３の中央付近の２箇所の細長形状の濃い黒色にて示す部位）にて３００℃程度になっていることが分かる。その２箇所を中心として、徐々に温度が低くなっている。なお、図３においては、濃い黒色部分は、上記した接触部位の２箇所の他、切削工具２０のうち被加工物１０との接触部位から遠く離れた部位（図３の右上側）、および、被加工物１０のうち切削工具２０との接触部位から遠く離れた部位（図３の下側および左側）が存在するが、上記接触部位の２箇所は高温側を示し、他の部位の温度は５０℃以下の低温側を示している。
【００３０】
一方、図４には、case2における温度分布を示す。切削工具２０と被加工物１０との接触部位が最も高くなっているが、接触部位全体がほぼ２２５℃程度になっていることが分かる。図３においては、上述したように当該接触部位が濃い黒色を示しているのに対して、図４においては、同様の部位が濃い黒色を示していない。そして、図４において、接触部位から離れるにつれて、徐々に温度が低くなっている。なお、図３に示すcase1において、接触部位から僅かに離れた部位が２２５℃程度となっている。このように、摩擦係数を低下させることによって、発熱を抑制することができることが分かる。ここで、図４においても、図３と同様に、切削工具２０のうち被加工物１０との接触部位から遠く離れた部位（図３の右上側）、および、被加工物１０のうち切削工具２０との接触部位から遠く離れた部位（図３の下側および左側）が濃い黒色にて示しているが、当該部位の温度は５０℃以下である。
【符号の説明】
【００３１】
１０：被加工物、  ２０：切削工具、  ２０ａ：すくい面、  ２０ｂ：逃げ面、  ２１：基材、  ２２：ＤＬＣ膜、  ３０：潤滑剤
【図１】
2013132738.tif 000005
【図２】
2013132738.tif 000006
【図３】
2013132738.tif 000007
【図４】
2013132738.tif 000008