(57)【要約】【課題】繊維強化複合材の切削加工において、切削工具の摩耗を低減させ、かつ、繊維等の微細な切削粉の飛散を抑制することができ、更に、繊維強化複合材が樹脂複合材である場合においても、その膨潤による寸法精度の低下や強度の低下を生じることのない潤滑剤組成物を提供する。【解決手段】炭素繊維強化熱硬化性樹脂、炭素繊維強化熱可塑性樹脂、炭素繊維強化金属、炭素繊維強化炭素、炭素繊維強化セラミックス又はガラス繊維強化樹脂の切削加工用潤滑剤組成物として、炭素数8〜22の脂肪酸の塩、炭素数8〜22の脂肪酸の部分縮合物の塩、炭素数8〜22の脂肪酸のエステル化物、炭素数8〜22の脂肪酸の部分縮合物のエステル化物、炭素数8〜22の硫化脂肪酸の塩、炭素数8〜22の硫化脂肪酸の部分縮合物の塩、炭素数8〜22の硫化脂肪酸のエステル化物、及び、炭素数8〜22の硫化脂肪酸の部分縮合物のエステル化物の中から選ばれる少なくとも１種を用いる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維強化複合材の切削加工用潤滑剤組成物であって、
炭素数８〜２２の脂肪酸の塩、炭素数８〜２２の脂肪酸の部分縮合物の塩、炭素数８〜２２の脂肪酸のエステル化物、炭素数８〜２２の脂肪酸の部分縮合物のエステル化物、
炭素数８〜２２の硫化脂肪酸の塩、炭素数８〜２２の硫化脂肪酸の部分縮合物の塩、
炭素数８〜２２の硫化脂肪酸のエステル化物、及び、炭素数８〜２２の硫化脂肪酸の部分縮合物のエステル化物の中から選ばれる少なくとも１種を含有することを特徴とする水系潤滑剤組成物。
【請求項２】
前記脂肪酸が、オレイン酸又はリシノール酸であり、前記硫化脂肪酸が、硫化オレイン酸又は硫化リシノール酸であることを特徴とする請求項１記載の水系潤滑剤組成物。
【請求項３】
前記脂肪酸のエステル化物、前記脂肪酸の部分縮合物のエステル化物、前記硫化脂肪酸のエステル化物、又は、前記硫化脂肪酸の部分縮合物のエステル化物を構成するアルコールが、１価又は多価アルコールであることを特徴とする請求項１記載の水系潤滑剤組成物。
【請求項４】
前記脂肪酸の塩、前記脂肪酸の部分縮合物の塩、前記脂肪酸のエステル化物、前記脂肪酸の部分縮合物のエステル化物、前記硫化脂肪酸の塩、前記硫化脂肪酸の部分縮合物の塩、
前記硫化脂肪酸のエステル化物、及び、前記硫化脂肪酸の部分縮合物のエステル化物の中から選ばれる少なくとも１種の配合量が０．１〜３０重量％であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の水系潤滑剤組成物。
【請求項５】
前記繊維強化複合材が、炭素繊維強化熱硬化性樹脂、炭素繊維強化熱可塑性樹脂、炭素繊維強化金属、炭素繊維強化炭素、炭素繊維強化セラミックス、ガラス繊維強化樹脂、及びセルロース繊維強化樹脂のうちのいずれかであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の水系潤滑剤組成物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素繊維強化熱硬化性樹脂（ＣＦＲＰ；Carbon Fiber Reinforced Plastic）や炭素繊維強化熱可塑性樹脂（ＣＦＲＴＰ；Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic）等の難加工性の繊維強化複合材の切削加工時に用いられる水系潤滑剤組成物に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＦＲＰやＣＦＲＴＰ等の繊維強化樹脂は、軽量かつ高強度であることから、省エネルギー化への取り組みにおいて、航空機や自動車、風力発電機用の翼等の構成材料として注目され、需要が高まっている。
しかしながら、繊維強化樹脂等の強化材は、繊維を含むことにより高強度化されているため、切削加工が非常に困難であるという課題を有している。
【０００３】
例えば、一般的なＣＦＲＰは、炭素繊維にエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させて加熱硬化させたものであり、高硬度のダイヤモンドを用いた工具を使用しなければ、切削加工が困難である。しかも、通常の金属切削加工の場合よりも工具摩耗が著しいため、高価なダイヤモンド工具の寿命が短く、加工コストが高くなるという課題を有している。
しかも、乾式で切削した場合は、炭素繊維の微細な切削粉が大量に飛散したり、周囲に付着して十分な除去が困難となり、作業者の健康被害も懸念される。
【０００４】
このため、ＣＦＲＰ等の繊維強化複合材の切削加工を湿式で行う方法も検討されている。
例えば、特許文献１においては、水やアルコールに砥粒を分散させたスラリーを吹き付けて切断する高圧ジェット切断加工が提案されている。
また、特許文献２には、切削加工時に粒径１〜１００μｍに微粒液滴化した切削油を供給することにより、ダイヤモンド工具の摩耗を抑制する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−２５０３４１号公報
【特許文献２】特開２０１１−２５３８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１に記載されたような高圧ジェット切断加工は、吹き付けられるスラリーとともに、切断面から生じる炭素繊維も吹き飛ばされ、また、切断加工にしか適用することができず、種々の切削加工には適用することができない。
また、上記特許文献２に記載されたような微粒液滴化した切削油を用いる加工方法は、供給した切削油の気化により、冷却効率を向上させ、切削工具の摩耗を低減させることを目的とするものであり、切削粉の飛散は防止されるとはいえず、また、用いられる切削油の具体的な組成は記載されていない。
【０００７】
また、ＣＦＲＰ等の樹脂複合材においては、切削加工の際に非水系の油剤を用いると、金属加工の場合と異なり、マトリックス樹脂の膨潤等によって寸法精度や強度が低下することも懸念される。
【０００８】
したがって、切削加工の際の工具摩耗が低減すると同時に、繊維等の微細な切削粉の飛散を防止することができ、しかも、高い寸法精度での加工が可能である潤滑剤が求められている。
【０００９】
本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、繊維強化複合材の切削加工に用いられ、切削工具の摩耗を低減させ、かつ、繊維等の微細な切削粉の飛散を抑制することができ、さらに、前記繊維強化複合材が樹脂複合材である場合においても、樹脂の膨潤による強度の低下や寸法精度の低下を生じることのない水系潤滑剤組成物を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る水系潤滑剤組成物は、繊維強化複合材の切削加工用潤滑剤組成物であって、炭素数８〜２２の脂肪酸の塩、炭素数８〜２２の脂肪酸の部分縮合物の塩、炭素数８〜２２の脂肪酸のエステル化物、炭素数８〜２２の脂肪酸の部分縮合物のエステル化物、炭素数８〜２２の硫化脂肪酸の塩、炭素数８〜２２の硫化脂肪酸の部分縮合物の塩、炭素数８〜２２の硫化脂肪酸のエステル化物、及び、炭素数８〜２２の硫化脂肪酸の部分縮合物のエステル化物の中から選ばれる少なくとも１種を含有することを特徴とする。
このような潤滑剤組成物によれば、繊維強化複合材の切削加工における工具摩耗を低減させることができ、微細な切削粉の飛散も抑制され、さらに、樹脂複合材の膨潤も抑制される。
【００１１】
前記脂肪酸としては、特にオレイン酸又はリシノール酸が好適に用いられ、前記硫化脂肪酸としては、特に硫化オレイン酸又は硫化リシノール酸が好適に用いられる。
また、前記脂肪酸のエステル化物、前記脂肪酸の部分縮合物のエステル化物、前記硫化脂肪酸のエステル化物、又は、前記硫化脂肪酸の部分縮合物のエステル化物を構成するアルコールとしては、一価又は多価アルコールが好適に用いられる。このうち、前記脂肪酸のエステル化物としては、オレイン酸と一価又は多価アルコールとの縮合物が有効である。
【００１２】
前記脂肪酸の塩、前記脂肪酸の部分縮合物の塩、前記脂肪酸のエステル化物、前記脂肪酸の部分縮合物のエステル化物、前記硫化脂肪酸の塩、前記硫化脂肪酸の部分縮合物の塩、前記硫化脂肪酸のエステル化物、及び、前記硫化脂肪酸の部分縮合物のエステル化物の中から選ばれる少なくとも１種の配合量は、０．１〜３０重量％であることが好ましい。
上記範囲内の配合量であれば、繊維強化複合材の切削工具の摩耗を効果的に低減させることができる。あるいは、例えば、高潤滑性能が求められる場合などには、本発明の実施例のように適当な濃度に希釈しなくても、これらを含む潤滑剤組成物を原液のまま用いることもできる。
【００１３】
また、前記繊維強化複合材としては、具体的には、炭素繊維強化熱硬化性樹脂（ＣＦＲＰ）、炭素繊維強化熱可塑性樹脂（ＣＦＲＴＰ）、炭素繊維強化金属（ＣＦＲＭ）、炭素繊維強化炭素（ＣＦＲＣ又はＣ／Ｃコンポジット）、炭素繊維強化セラミックス（ＣＦＲＣｅ）、ガラス繊維強化樹脂（ＧＦＲＰ）及びセルロース繊維強化樹脂のうちのいずれかであることが好ましい。
前記潤滑剤組成物は、特に、これらの複合材の切削加工において、切削工具の摩耗低減効果を発揮し得るものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る水系潤滑剤組成物によれば、繊維強化複合材の切削加工において、切削工具の摩耗を低減させることができ、かつ、炭素繊維等の微細な切削粉の飛散を抑制することができ、また、前記繊維強化複合材が樹脂複合材である場合においても、その膨潤による強度の低下や寸法精度の低下を生じることなく加工することができる。
したがって、前記水系潤滑剤組成物を用いることにより、乾式の場合又は水を単独で用いた場合よりも、効率的かつ安全に繊維強化複合材の切削加工を行うことができ、また、切削工具の長寿命化による加工コストの抑制が図られる。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明に係る水系潤滑剤組成物は、繊維強化複合材の切削加工用潤滑剤組成物である。
繊維強化複合材の切削加工における工具摩耗は、主として、該複合材中の高強度な繊維が、工具表面を擦過することにより生じる。例えば、ＣＦＲＰにおいては、一般に、樹脂マトリックス中に炭素繊維の束が含まれる形態であるため、工具の切削刃は、硬度の高い炭素繊維と硬度の低いマトリックス樹脂とに交互に接触する。このように、繊維強化複合材の切削加工においては、硬度の異なる材質を交互に切削しなければならなくなるため、切削刃と該複合材との摩擦熱は周期的に変動する。
前記摩擦熱を抑制するためには、冷却効率の観点からは、切削点に水を供給することが簡便であると考えられる。しかしながら、上述したような断続的な熱の発生に際しては、水の供給は、かえってその冷却効果によって、熱応力が大きく変動し、切削工具はその熱衝撃による疲労のため、異常摩耗を誘発するおそれがある。
これに対して、本発明は、水に特定の添加剤成分を配合することにより、このような切削工具の異常摩耗を抑制できることを見出したものである。
【００１６】
本発明において切削加工の対象（被削材）とする繊維強化複合材としては、具体的には、繊維強化樹脂、繊維強化金属、繊維強化炭素及び繊維強化セラミックス等が挙げられるが、本発明に係る水系潤滑剤組成物は、特に、ＣＦＲＰやＣＦＲＴＰ、ＣＦＲＭ、ＣＦＲＣ、Ｃ／Ｃコンポジット又はＣＦＲＣｅ等の炭素繊維複合材、ＧＦＲＰ又はセルロース繊維強化樹脂に好適に適用することができる。
繊維強化樹脂の場合には、マトリックスに用いられる樹脂としては、熱硬化性のエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂もしくはシアネートエステル樹脂、又は、熱可塑性のポリアミド樹脂、ポリエーテルエーテルイミド樹脂、ポリカーボネート樹脂もしくはポリフェニレンスルフィド樹脂等が好ましい。
【００１７】
本発明に係る水系潤滑剤組成物は、炭素数８〜２２の脂肪酸の塩、炭素数８〜２２の脂肪酸の部分縮合物の塩、炭素数８〜２２の脂肪酸のエステル化物、炭素数８〜２２の脂肪酸の部分縮合物のエステル化物、炭素数８〜２２の硫化脂肪酸の塩、炭素数８〜２２の硫化脂肪酸の部分縮合物の塩、炭素数８〜２２の硫化脂肪酸のエステル化物、及び、炭素数８〜２２の硫化脂肪酸の部分縮合物のエステル化物の中から選ばれる少なくとも１種を含有することを特徴とするものである。以下、「炭素数８〜２２の脂肪酸」、「炭素数８〜２２の硫化脂肪酸」を単に「脂肪酸」、「硫化脂肪酸」とも記す。
このような潤滑剤組成物を用いることにより、繊維強化複合材の切削加工における工具摩耗を低減させることができ、工具の長寿命化が図られ、ひいては、加工コストの抑制につながる。
【００１８】
また、繊維強化複合材の切削粉は、金属の切削加工の際に生じる切削粉よりも微細であり、塵埃のような状態で飛散したり、周囲に付着したりしやすくなるが、前記潤滑剤組成物を用いれば、このような切削粉の飛散を抑制することが可能となり、切削粉の吸引や付着等による作業者の呼吸器障害や皮膚疾患等を防止する効果も得られる。
【００１９】
さらに、繊維強化複合材は、金属とは異なり、非水系の潤滑油によって膨潤しやすい材質の場合もあり、このような場合においても、前記潤滑剤組成物によれば、膨潤が抑制され、被削材の強度を低下させることなく、高い寸法精度で切削加工を行うことができる。
【００２０】
前記脂肪酸の炭素数は８〜２２であるが、潤滑性の観点から、炭素数１２〜１８であることが好ましい。
良好な潤滑性能を発揮させるためには、脂肪酸の塩、脂肪酸の部分縮合物の塩、脂肪酸のエステル化物、又は、脂肪酸の部分縮合物のエステル化物が、適度に安定に溶解又は分散していることが重要である。
脂肪酸の炭素数が８未満の場合、得られる脂肪酸の塩、脂肪酸の部分縮合物の塩、脂肪酸のエステル化物、又は、脂肪酸の部分縮合物のエステル化物は、水溶性が高すぎて（水中に存在している方が安定なため）、摩擦面に吸着又は反応しにくくなり、また、吸着膜又は反応物の厚さも薄くなるため、十分な潤滑性能を発揮し得ないことがある。一方、炭素数が２２より大きいと、水溶性が低すぎて、水への溶解又は分散が困難となり、脂肪酸が分離することがある。
【００２１】
前記脂肪酸は、飽和脂肪酸又は不飽和脂肪酸のいずれでもよいが、水系潤滑剤を構成するものであることから、水溶性の塩を構成し得るものが用いられる。
具体的には、オクタン酸、ラウリン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、アラキン酸、ベヘン酸、ミリストレイン酸、パルミトレイン酸、オレイン酸、エライジン酸、ガドレイン酸、エルカ酸、リノール酸、リノレン酸、アラキドン酸、リシノール酸又は１２−ヒドロキシステアリン酸等が挙げられるが、これらのうちでも、特に、オクタン酸、オレイン酸、エルカ酸又はリシノール酸が好適に用いられる。また、例えば、トール油脂肪酸のように、これらの脂肪酸を１種又は２種以上混合したものであってもよい。
脂肪酸の部分縮合物は、２分子以上の脂肪酸が、その一部において、水の脱離を伴って自己縮合し、互いに共有結合を形成して得られる生成物である。
上記した脂肪酸のうち、例えば、リシノール酸は部分的な自己縮合を起こしやすい。
【００２２】
硫化脂肪酸は、周知の方法によって、脂肪酸に硫黄を付加させたものである。硫化脂肪酸中の硫黄原子含有量は、潤滑性の観点から、通常、５〜３０％であり、好ましくは、１０〜２０％である。
前記硫黄原子含有量は、脂肪酸の種類によっては、あまり潤滑性に影響しない場合もあるが、多すぎると、切削工具の腐食反応を引き起こすおそれがある。
前記硫化脂肪酸の炭素数は８〜２２であるが、良好な潤滑性能を発揮させることができる炭素数の好適な範囲は、脂肪酸と同様に炭素数１２〜１８である。
硫化脂肪酸の具体例としては、上記した脂肪酸の硫化物が挙げられる。これらのうち、特に、硫化オレイン酸又は硫化リシノール酸等が好適に用いられる。
硫化脂肪酸の部分縮合物は、脂肪酸の部分縮合物について述べたように、２分子以上の硫化脂肪酸が部分的に縮合して得られる生成物である。
【００２３】
上記のような脂肪酸、脂肪酸の部分縮合物、硫化脂肪酸、又は、硫化脂肪酸の部分縮合物は、水系潤滑剤中において塩の形で含有される。具体的には、無機アルカリ又は水溶性アミン等の共存下で水に溶解させた状態で使用される。前記無機アルカリとしては、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等が好ましい。また、前記水溶性アミンとしては、有機アミンが好ましく、具体的には、モノエタノールアミン、トリエタノールアミン、モノイソプロパノールアミン、ジイソプロパノールアミン、トリイソプロパノールアミン等が挙げられる。
【００２４】
また、前記脂肪酸、脂肪酸の部分縮合物、硫化脂肪酸、又は、硫化脂肪酸の部分縮合物は、水系潤滑剤中においてエステル化物の形で含有される。前記脂肪酸、脂肪酸の部分縮合物、硫化脂肪酸、又は、硫化脂肪酸の部分縮合物のエステル化物を構成する一価アルコールとしては、メチルアルコール、エチルアルコール、ブチルアルコール、プロピルアルコール、オクチルアルコール、ステアリルアルコール、オレイルアルコール等が挙げられる。また、多価アルコールとしては、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、ブタンジオール、ネオペンチルグリコール、グリセリン、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール、ソルビトール等が挙げられる。
【００２５】
前記脂肪酸の塩、前記脂肪酸の部分縮合物の塩、前記脂肪酸のエステル化物、前記脂肪酸の部分縮合物のエステル化物、前記硫化脂肪酸の塩、前記硫化脂肪酸の部分縮合物の塩、前記硫化脂肪酸のエステル化物、又は、前記硫化脂肪酸の部分縮合物のエステル化物は、水系潤滑剤組成物中に、０．１〜３０重量％配合されていることが好ましい。
前記配合量が０．１重量％未満では、切削工具の摩耗を低減させる効果が十分に得られないことがある。一方、３０重量％を超えても、それ以上の配合量に見合った工具の摩耗抑制効果が得られず、しかも、コスト高となることがある。
前記潤滑剤組成物は、前記脂肪酸の塩、前記脂肪酸の部分縮合物の塩、前記脂肪酸のエステル化物、前記脂肪酸の部分縮合物のエステル化物、前記硫化脂肪酸の塩、前記硫化脂肪酸の部分縮合物の塩、前記硫化脂肪酸のエステル化物、又は、前記硫化脂肪酸の部分縮合物のエステル化物が上記範囲内の配合量となるように、例えば、水で適当な濃度に希釈して用いられる。あるいは、高潤滑性能が求められる場合には、潤滑剤組成物の原液を水で希釈せずにそのまま用いることもできる。
【００２６】
前記潤滑剤組成物は、一般的な金属加工における水系潤滑剤において配合される添加剤である界面活性剤、防錆剤、消泡剤、又は防腐剤等とともに配合して使用することができ、このような場合においても、繊維強化複合材の切削加工における潤滑性が損なわれることはほとんどない。ただし、一部の乳化剤は、切削工具の摩耗低減効果を低下させる場合があることから、潤滑成分に応じて選択することが望ましい。
また、前記潤滑剤組成物を使用した水系潤滑剤は、一般的な切削油と同様の使用方法・態様で使用することができる。
【実施例】
【００２７】
以下、本発明を実施例に基づきさらに具体的に説明するが、本発明は下記実施例により制限されるものではない。
【００２８】
（水系潤滑剤の調製）
表１に示す添加剤成分を水に溶解させて、１重量％の潤滑剤組成物（実施例１〜６）を調製した。実施例７、８では、１重量％の潤滑剤組成物にノニオン系界面活性剤（商品名：XL-60  第一工業製薬社製）を０．５重量％添加した。
【００２９】
（切削試験）
各種潤滑剤組成物を用いて、ＣＦＲＰの切削試験を行った。以下に示す切削条件にて切削した後、逃げ面及びすくい面の刃先摩耗量（幅）の測定評価を行った。
加工法    ：円筒端面切削（送りは外周から中心方向へ（１パス））
被削材    ：ＣＦＲＰ（炭素繊維（東レ株式会社製トレカ（登録商標）Ｔ７００Ｓ、
０°／９０°）３４％＋エポキシ樹脂）、外径１２０ｍｍ、内径１００
ｍｍ、長さ３００ｍｍ
工具（刃）：超硬Ｋ１０種、すくい角５°、逃げ角６°、切込み角１°
切削速度  ：２４ｒｐｍ（肉厚中心部分で８．３ｍ／ｍｉｎ）
切込み    ：０．２ｍｍ
送り      ：０．１ｍｍ／ｒｅｖ
切削距離  ：３４５．４ｍ（１０パス繰り返し）
供給量    ：２８ｍｌ／ｍｉｎ（ロータリー送液ポンプにてすくい面側から供給）
【００３０】
（膨潤試験）
上記切削試験において用いた各種潤滑剤組成物のうち、代表として、硫化オレイン酸ナトリウム水溶液（実施例１）、水道水（比較例２）及び鉱油（比較例３）について、乾式（比較例１）の場合を基準対照として、膨潤試験を行った。
切削試験に用いた被削材であるＣＦＲＰの円筒を端から長さ１０ｍｍ分切り取り、これを半径方向に８等分して試験片とした。この試験片を、室温にて、上記各潤滑剤組成物に、７０時間浸漬させた後、水洗して乾燥し、それぞれの重量変化（増加率）及び硬度を測定した。硬度は、円筒の上下端面の上下各３か所、計６か所で測定した平均値にて評価した。
なお、鉱油（比較例３）の場合は、水洗の代わりに、ｎ−へキサン及びアセトンで洗浄した。
【００３１】
上記各試験の評価結果を表１にまとめて示す。
【００３２】
【表１】
2016204427.tif 000002
【００３３】
表１に示した結果から分かるように、切削試験においては、水道水（比較例２）又は比較例４〜７の水系潤滑剤を使用した場合は、潤滑剤を使用しない乾式の場合（比較例１）よりも、切削工具の刃先の逃げ面の摩耗は低減したが、すくい面の摩耗は増大した。非水系の潤滑剤（鉱油）を使用した場合（比較例３）は、乾式の場合（比較例１）よりも、逃げ面及びすくい面のいずれも、摩耗が低減した。
これに対して、本発明の水系潤滑剤組成物を使用した場合（実施例１〜８）は、乾式の場合（比較例１）又は鉱油を使用した場合（比較例３）よりも、逃げ面の摩耗が低減し、かつ、すくい面の摩耗も乾式の場合（比較例１）と同程にまで改善されることが認められた。
したがって、本発明に係る水系潤滑剤を用いることにより、切削工具の寿命を長くすることができるといえる。
【００３４】
また、湿式での切削加工においては、潤滑剤の供給量が２８ｍｌ／ｍｉｎと少なく、刃先近傍が液滴で覆われる程度であるにもかかわらず、生じる切削粉のほとんどが潤滑剤で湿った状態となり、周囲に飛散することはなかった。
【００３５】
また、膨潤試験の結果から、鉱油を使用した場合（比較例３）は、重量増加率が、水（比較例２）又は水系潤滑剤を使用した場合（実施例１）の４倍以上であり、かつ、硬度も低下し、被削材であるＣＦＲＰが膨潤しやすいことが確認された。