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あいち産業科学技術総合センター 研究報告 2013

研究論文

ロータリ切削工具に付与した表面テクスチャ形状が摩擦に及ぼす影響
河 田 圭 一 ＊ 1、 石 川 和 昌 ＊ 2

Effect of Surface Texture on Friction in Rotary Cutting ToolKeiichi KAWATA *1 and Kazumasa ISHIKAWA *2
Industrial Research Center *1*2
本研究開発では、レーザによる微細加工技術を取り入れた工具設計と加工技術を開発し、難加工性材料の高能率切削や切り屑の高効率排出を目指している。本年度は、マシニングセンタを使用したロータリ切削 工 具 に よ る 立 ち 壁 加 工 を 行 っ た 。そ の 結 果 、① 速 度 比 が 大 き く な る に 従 い 、切 削 抵 抗 Fx お よ び Fy は 零に近づく、②速度比が大きくなるに従い摩擦係数は小さくなる、③摩擦係数は、すくい面上に形成したテクスチャの角度や深さに影響し、潤滑状態で効果が異なる、④薄い立壁の加工が可能であることを明らかにした。

１．はじめに

２．実験方法

ロータリ切削工具による加工は、円形状の刃を回転さ

2.1 切削実験方法せることにより、工具全周の切れ刃を利用した切削が行

図１に示すような 5 軸加工機を使用したロータリ切削

えるため、摩耗や加工熱が切れ刃全体に分散し、難削材工具による突き加工を行い、加工特性について調べた。

加工に優れた性能を有することが示されている 1)。ロー（a）に示した加工面に一定の切り込みを行い、工具を Z

タリ切削は、切り屑排出時における切り屑とすくい面の軸方向の＋方向から－方向に送ることにより、被削材を摩擦を利用して工具を回転させる従動式と、工具をモー削り取る。このため、本実験では、Z 軸の送り速度が切タなどにより強制的に回転させる駆動式に分けられる。

削速度となる。被削材を動力計に固定し、（b）に示す方

最近では、工具の回転数や傾斜角度などが任意に変更で向に働く切削抵抗を測定した。加工条件を表１に示す。

きる複合加工機を利用した駆動式ロータリ切削の研究

2)

被削材にはアルミニウム合金 A5052 を用いた。本報では、が行われており、インコネルやステンレスなどの難削材

工具回転速度 Vt と切削速度 V との比である Vt/V を速度の高速・高能率加工や工具の長寿命化が期待されている。

比として定義し、速度比を 1～100 まで変化させたとき

一方、複合加工機による旋削加工において、ロータリの切削抵抗および摩擦係数について調べた。また、切削切削工具の特徴である切れ刃が連続的に移動することを液供給方法は MQL、ドライ、水溶性クーラントの 3 種利用した切削点近傍への効果的な油剤供給と、すくい面類について比較した。

表面に設けたテクスチャによる高い潤滑効果により、切り屑と工具間の摩擦係数が 0.1 を下回る低摩擦を実現でロータリ工具加工面きることが分かってきた 3)。しかし、テクスチャ形状がFxFy

摩擦に与える影響についてはまだ明らかになっていない。
そこで、本年度は切れ刃に対するテクスチャの角度やテクスチャの深さなどが摩擦に与える影響について調べFzた。また、ロータリ切削による加工適用範囲を広げるための試みとして、マシニングセンタを利用した薄壁加工

動力計への可能性について検討した。
（a）実験の様子
図１＊

1 産業技術センター

自動車・機械技術室＊2 産業技術センター（b）実験の模式図

５軸加工機を使用したロータリ切削実験方法

自動車・機械技術室（現産業振興課）

9
表１

加工条件

れ刃まで加工した。
（b）は、（a）に比べサイズが大きく被削材A5052なるように、ナノ秒レーザを使用して加工した。溝幅は

工具

超硬合金 K 種 φ25mm
すくい角：0° 逃げ角：7°

約 10μm、溝の最外周のピッチは 20μm とした。溝深切削速度5m/min

切込み0.5mm

ピックフィード0.4mm

回転速度5～500m/min切削油剤

MQL、水溶性、ドライさは、約 5μm と約 2μm の 2 種類を用意した。切れ刃から 50μm までの間は、マイクロテクスチャを加工しなかった。

2.2 テクスチャの形成
本実験では表面テクスチャとして微細な溝をすくい面に形成した。テクスチャを付与する目的は、①油溜まりの効果や②動圧効果による油剤の引き込み量の向上である。そこで、すくい面に形成する溝の角度が摩擦に与（a）フェムト秒レーザで加工したナノテクスチャえる影響について調べるため、切れ刃近傍に図２に示すようなテクスチャをパルスレーザにより加工した。図は切れ刃近傍のすくい面を上方から見た図であり、工具とすくい面の関係を簡略化して示している。Vc は流出切り屑速度、Vt は工具の回転速度である。本実験では切削速度が 5m/min と遅いため、Vt に比べ Vc は小さい値とな約 50μm20μmる。図では、切れ刃に対し垂直方向がロータリ工具の半径方向であり、切れ刃の上側が工具の中心方向である。
本実験では、（a）のように半径方向と同じ方向の 0 度と、（b）のような工具の回転側に 45 度傾斜させた方向の 2（b）ナノ秒レーザで加工したマイクロテクスチャ
図３

パルスレーザ加工されたテクスチャ像（SEM）種類について検討した。工具は図に示す右方向に回転させているため、摩擦の大きさによって異なるが、おおよそ切り屑は工具の半径方向よりも右側に流出する。その３．実験結果及び考察
3.1 切削液の影響ため、溝に保持されている油は、（a）の場合では刃先か切れ刃に対する角度が 0 度のナノテクスチャを付与しら工具の中心に向かって押し出されるように流れると推た工具を用いて、切削液供給方法を変えた時の切削抵抗測される。一方、（b）ではヘリングボーン溝のような動の測定結果を図４に示す。いずれの供給方法においても圧効果が期待でき、溝に保持されている油は切れ刃に向Fx および Fy は速度比が大きくなると小さくなる傾向をかって流れる効果が期待できるので、（b）の方が摩擦は示した。速度比 100 における Fx、Fy の値は、MQL の小さくなると予想される。

場合に最も小さく、ドライや水溶性では同程度となった。

テクスチャ

一方、Fz は、ドライおよび水溶性では Fx、Fy と同様に切り屑Vc

速度比の増加とともに小さくなった。減少量はクーラン
Vt

切れ刃

トに比べドライの方が大きくなった。しかし、MQL では速度比 5 までは Fz は減少したが、それ以上では若干（a）半径方向に対し 0°
図２（b）半径方向に対し 45°

テクスチャ角度の略図増加しており、他の供給法とは異なる傾向を示した。
そこで、測定した切削抵抗から次式によりすくい面と切り屑の摩擦係数μを算出し比較した。

また、溝深さについて検討するため、図３に示すような、サイズの異なる 2 種類の溝をパルスレーザにより、

 

Fx 2  Fy 2（1）Fz

すくい面上に加工した。
（a）はフェムト秒レーザを使用

摩擦係数を算出した結果を図５に示す。MQL の場合、して、約 150nm の深さの溝を約 800nm 周期に加工した

速度比の増加とともに摩擦係数は大きく減少し、0.1 よナノ周期構造のテクスチャである。ナノテクスチャは切りも小さくなった。一方、ドライ加工では増加傾向を示

Fx
FyFz

0200180160140120100806040200Fx
FyFz

020 40 60 80 100
速度比Vt/V（a）MQL

切削抵抗 [N]200180160140120100806040200

切削抵抗 [N]あいち産業科学技術総合センター 研究報告 2013

切削抵抗 [N]1020018016014012010080604020020 40 60 80 100
速度比Vt/V0（b）ドライ
図４Fx
FyFz

20 40 60 80 100
速度比Vt/V（c）水溶性各切削液供給方法による切削抵抗の測定結果し、 摩擦係数は 1 以上の大きな値を示した。また、極3.2 溝の角度の影響

圧添加剤を含む水溶性を使用しても MQL ほど摩擦係数

MQL では他の方法に比べ摩擦が小さくなることが分は小さくならないことが分かった。このことから、MQLかったので、以下の実験ではすべて MQL を使用して実の加工では、極性基を持つ植物油により境界潤滑領域の験を行った。
ナノテクスチャを用いて溝の角度の影響について調引き込まれた油により、部分的ではあるが流体潤滑に移べた結果を図７に示す。摩擦係数は 45 度、0 度、テクス行したと推測される。

チャなしの順に小さかった。速度比の小さい領域では、テクスチャの影響は小さく、摩擦係数に大きな差は見らMQL
ドライ
水溶性1.81.61.41.210.80.60.40.20

れなかった。一方、速度比の大きい領域では、テクスチ
ャの角度の影響は大きく、45 度のナノテクスチャが最も小さくなった。
次に、マイクロテクスチャの結果を図８に示す。ナノテクスチャとは異なり、速度比の小さい領域ではテクス

1020
図５406080
速度比Vt/V
摩擦係数の比較

ﾃｸｽﾁｬなし
ﾅﾉﾃｸｽﾁｬ(0度)
ﾅﾉﾃｸｽﾁｬ(45度)100

速度比 100 における加工中の切り屑の排出方向を高速

摩擦係数 μ摩擦係数μ

潤滑性が向上しただけでなく、すくい面と切り屑の間に0.1度カメラにより観察した結果を図６に示す。ドライ加工
では摩擦が大きいため工具の回転に引っ張られ、切れ刃の接線方向に切りくずが排出された。一方、MQL では

0.01

摩擦が小さいため、工具が回転しているにもかかわらず、工具の回転を止めて加工しているときとほぼ同じ方向に0204060
速度比Vt/V80

図７

ナノテクスチャの摩擦係数

100

切りくずが排出された。

ﾃｸｽﾁｬなし
ﾏｲｸﾛﾃｸｽﾁｬ(0度)
ﾏｲｸﾛﾃｸｽﾁｬ(45度)

摩擦係数 μ1（a）ドライ
図６0.1（b）MQL

高速度カメラによる切り屑流出方向の観察

0.010204060
速度比Vt/V80100

図８マイクロテクスチャの摩擦係数

11チャの効果は大きく、テクスチャを有する方が摩擦係数

度 500m/min、切り込み 0.1mm、ピックフィード 0.4mm、は小さくなった。しかし、速度比の大きい領域では効果

切削油供給法は MQL とした。その結果、図１０に示すは逆転し、テクスチャを有する方が摩擦係数は大きくなような幅 30mm、高さ 30mm、厚さ 0.5mm の薄壁の加った。摩擦係数はテクスチャの角度にも影響し、0 度よ工が可能であった。三次元測定機により薄壁の平行度をりも 45 度の方が小さくなった。

測定したところ 35μm であった。また、仕上げ面粗さはどのサイズのテクスチャにおいても、0 度よりも 458μmRt であった。

度の角度をつけたテクスチャの方が摩擦係数は小さくなっており、溝内部に保持されている油を刃先側へ流す効0.5mm果が得られていると考えられる。
3.3 溝深さの影響
溝の深さの異なる 3 種類のテクスチャについて摩擦係30mm数を調べた結果を図９に示す。テクスチャの角度はすべ30mmて 45 度である。速度比の小さい領域では、溝深さの深い順に摩擦係数は小さくなった。逆に、速度比の大きい領域では、溝深さの浅い順に摩擦係数は小さくなった。
速度比の小さい領域は、切り屑と工具が接触している

図１０

薄壁の加工結果境界潤滑になっていると考えられる。そのため、溝深さの深い方が油溜まりとしての効果は大きくなり、摩擦は４．まとめ小さくなったと考えられる。一方、速度比の大きい領域

ロータリ切削工具を用いたマシニングセンタによるにおける摩擦係数は 0.1 程度まで小さくなっており、部加工実験を実施した結果、以下のことが分かった。

分的に流体潤滑に移行していると考えられる。そのため、(1)切削抵抗 Fx および Fy は速度比が大きくなるに従い膜厚よりも深い溝では動圧効果が得られにくくなり、深減少し、MQL を用いた場合に最も小さい値となった。

い溝ほど摩擦は大きくなったと考えられる。このことか(2)MQL の場合、速度比が大きくなるに従い摩擦係数はら、テクスチャの効果を効率よく得るためには、潤滑状態を考慮した溝形状や構造を決定する必要がある。

小さくなった。
(3)摩擦係数は、すくい面上に形成したテクスチャの角度や深さに影響し、潤滑状態で効果が異なった。

摩擦係数 μ1

ﾅﾉﾃｸｽﾁｬﾏｲｸﾛﾃｸｽﾁｬ(5μm)
ﾏｲｸﾛﾃｸｽﾁｬ(2μm)(4)厚さ 0.5mm の薄い立壁の加工が可能であった。

付記
本研究は、平成 23 年度「知の拠点」重点研究プロジ

0.1

ェクト事業「低環境負荷型次世代ナノ・マイクロ加工技術の開発」において実施した。

0.01020
図９4060
速度比Vt/V80

文献

100

溝深さの影響1） 陳，星：精密工学会誌，57(10) ，1792 (1991)
2） H.NAKAJIMA ， A.KATO ， H.SASAHARA ， H.YAMAMOTO ，T.MURAKI ， M.TSUTSUMI ： Journal

3.4 ロータリ切削工具による薄壁加工
ロータリ切削による加工適用範囲を広げるための試みとして、マシニングセンタによる薄壁加工を実施した。
仕上げ時の加工条件は、切削速度 5m/min、工具回転速

of Advanced

Mechanical Design ， Systems ， and Manufacturing ，
2(4) ，532 (2008)3） 河田，糸魚川，則久，石川：日本機械学会2011 年度
年次大会DVD-ROM論文集，11(1)