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あいち産業科学技術総合センター 研究報告 2012

研究論文

シリコンオイルを用いたステンレスのロータリ切削河 田 圭 一 ＊ 1、 石 川 和 昌 ＊ 1

Rotary Cutting of Stainless Steel with Silicone OilKeiichi KAWATA *1 and Kazumasa ISHIKAWA *1
Industrial Research Center *1
本研究では、ロータリ切削の特徴である切れ刃が連続的に移動することを利用し、切り屑／工具間の大幅 な 低 摩 擦 化 に よ り 、工 具 の 長 寿 命 化 や 高 能 率 加 工 を 試 み て い る 。本 報 で は 、ス テ ン レ ス (SUS304)を 対 象としたロータリ切削における摩擦を下げるため、粘度指数の大きいジメチルシリコンオイルを切削油剤として用いることを検討した。その結果、シリコンオイルは工具とステンレスの凝着を抑えるとともに、粘度増加に伴い摩擦係数は低下することが分かった。また、ジメチルシリコンオイルの一部をフロロアルキル基により変性することで、さらに摩擦は小さくなることが明らかとなった。

１．はじめに
本研究では、ロータリ切削の特徴である切れ刃が連続

チャック

ロータリ
工具

工具回転方向的に移動することを利用し、①切削点近傍へ効果的に油剤を供給すること、②工具表面に設けたテクスチャによ傾斜角り潤滑効果をより高めることで、切り屑／工具間の大幅な低摩擦化を試みている。
アルミニウム合金(A6061)を対象としたロータリ切削では、高粘度な機械油(VG460)を切削油剤として用いることにより、切り屑／工具間の摩擦係数が 0.1 を下回る
低 摩 擦 状 態 を 発 現 で き る 1) 。 し か し 、 ス テ ン レ ス

被削材(SUS304)の加工では、同様な低摩擦状態が得られていない。その原因のひとつとして、ステンレスの加工では、

図１

主軸回転方向駆動型ロータリ切削の概略図

アルミニウム合金に比べて加工点の温度上昇が大きく、切削油剤の動粘度が低下し、切り屑／工具間で油切れが被削材には、SUS304 を用いた。主な切削条件を表１生じているためと考えられる。そこで、温度上昇によるに示す。ロータリ工具のすくい面は、ダイヤモンド砥石

粘度低下を抑えるため、温度による動粘度変化の小さい（#800）による研削加工で仕上げたのち、ナノ秒レーザ（粘度指数の大きい）油剤について検証した。

を用いて図２に示すテクスチャを付与した。図２(a)のよ

本報では、粘度指数の大きい切削油剤としてジメチル

うにテクスチャは、切れ刃の接線方向に対し 40 度傾いシリコンオイルを用いたときの効果について検証した結た溝を 72 本配置した。テクスチャの断面形状は、深さ果を報告する。と幅がおよそ 1:10 となるように加工した（図２(b)）。
また、切り屑の流れに対し、急激な変化がないように緩２．実験方法

やかに戻る楔形状にした。

切削実験として、複合加工機を使用した駆動型ロータ

切削油剤には粘度の異なる 5 種類のジメチルシリコン

リ切削を行った。図１に、駆動型ロータリ切削の概略図

オイルを使用した。構造式を図３(a)に示す。シロキサを示す。これまでの実験から、工具回転方向は、切り屑ン結合からなる直鎖状ポリマーであり、末端がメチル基／すくい面間への油剤の導入効果を大きくすることのでとなっている。また、潤滑性向上のためジメチルシリコ

きる図１に示す方向とした。また、工具の傾斜角は 30

ンオイルの一部のメチル基をフロロアルキル基で変性し度と大きくした。

たシリコン（図３(b)）を用いた切削実験も行った。油＊1 産業技術センター

自動車・機械技術室

19

３．実験結果及び考察

剤は、あらかじめ被削材と工具に塗布してから実験を行

3.1 シリコンオイルの凝着抑制効果

い、加工中に油剤の供給は行わなかった。
主な切削条件ジメチルシリコンオイルの効果について確認するた

材種：超硬合金 K10
直径：25mm
すくい角：-10 度
逃げ角：8 度め機械油を用いた加工との比較を行った。機械油と同程

表１

ロータリ工具度の動粘度とするため、500mm2/s のジメチルシリコンオイルを使用した。
主軸に働く抵抗 Fw、工具軸に働く抵抗 Ft を比較した

工具回転速度

5,10,15,20m/min

切削速度5m/min

結果を図４示す。本報では、工具回転速度 Vt を切削速送り

1mm/rev

度 V で除した値を速度比と定義した。どちらの油剤も速径方向切り込み

0.2mm

度比を大きくすると Fw は小さくなる傾向を示したが、

傾斜角

30 度
ジメチルシリコンオイル(100,500,1000,5000,10000mm2/s@25℃)
フ ロ ロ ア ル キ ル 基 変 性 シ リ コン
オイル(1000mm2/s)
機械油 VG460

Ft では大きな変化は見られなかった。機械油ではジメチ

切削油剤

ルシリコンに比べ Ft が若干大きくなり、Fw が小さくなった。ロータリ切削では、工具と切り屑の摩擦により工具回転方向に切り屑が排出される。このため、摩擦が大きいほど Ft は大きくなり、Fw は小さくなる傾向を示す。
このことから、ジメチルシリコンより機械油の方が摩擦は大きいと考えられる。

テクスチャ

次に、切り屑流出角及び切り屑流出速度を比較した結果を図５に示す。速度比が大きくなるに従い、切り屑流出角は小さくなり、切り屑流出速度は速くなっているこすくい面とが分かる。工具の回転速度が速くなると、工具と切り40 度

屑の摩擦のため切り屑が引っ張られる力が大きくなり、切り屑は工具の接線方向に排出されるようになるため、1mm切り屑の流出角度は小さくなる。さらに、切削速度より(a)テクスチャの配置も速い速度で切り屑が流出するようになる。
500

約 220m

Fw300

Ft200
10000(b)テクスチャの断面形状
すくい面上に形成したテクスチャ構造
CH3CH3 Si O
CH3CH3CH3Si O

Si CH3CH3n CH3(a)ジメチルシリコンオイル
CH3CH3CH3CH3Si O

Si OSi CH3CH3 Si O
CH3CH3nCH2 CH2 CF3m CH3(b)フロロアルキル基変性シリコンオイル
図３1234
速度比Vt/V
図４ 切削抵抗の比較
ジメチルシリコンオイル
機械油

80

シリコンオイルの構造式

切り屑流出角，deg

図２ジメチルシリコンオイル
機械油

510860640420

2001

図５

切り屑流出角と流出速度の比較

23
速度比Vt/V405

切り屑流出速度Vc，m/min

約 25m

切削抵抗，N400

20

あいち産業科学技術総合センター 研究報告 2012

各軸に働く切削抵抗、切り屑流出角度及び切り屑流出いた。

速度から切り屑と工具に働く摩擦係数を計算して求めた。

このことから、機械油では切削温度の上昇とともに粘その結果を図６に示す。シリコンオイルの摩擦係数は度が低下し、油膜を維持することができなくなり、工具0.6~0.7 であるのに対し、機械油では 1 前後の高い値とに被削材が凝着したと考えられる。一方、粘度指数が大なった。通常の切削における摩擦係数は 0.8 前後である

きいジメチルシリコンオイルでは、機械油に比べ粘度低ため、機械油では全く油剤の効果がないことが分かった。

下は小さく、比較的油膜を維持できた結果、凝着が抑制されたと考えられる。

1.5

摩擦係数μ3.2 動粘度の影響
切削点温度が高くなり粘度が低下したとしても、初期1の動粘度が大きければ、油膜は維持されると考えられる。
そこで、ジメチルシリコンオイルの動粘度が摩擦係数に0.5与える影響について調べた。その結果を図８に示す。速ジメチルシリコンオイル
機械油
001234
速度比Vt/V
図６ 摩擦係数の比較

5度比に関係なく動粘度が高くなるに従い、摩擦係数は減少する傾向が見られた。このことから、粘度の高い油剤ほど油膜が維持できていると推察できる。しかし、5000mm2/s 以上の油剤では摩擦係数には大きな差が見られなかった。粘度が高すぎても油剤が引き込まれにくくなり、油剤量が減るため摩擦はあまり下がらなくなると思われる。
また、速度比が大きいと摩擦係数は高くなる傾向が見られた。工具の回転速度が速くなると、切り屑と工具の摩擦により温度上昇が大きくなり、油剤粘度が低下するためと考えられる。

1mm0.8(a)ジメチルシリコンオイル
摩擦係数

0.70.60.50.4 1101mm(b)機械油
図７

切削加工後のすくい面観察結果

速度比1速度比2速度比3速度比4102103
1042
動粘度，mm /s

図８105

動粘度の影響3.3 切削速度の影響
切削速度は工具の温度上昇に大きく影響するため、切削速度と摩擦係数の関係について調べた。速度比は 2 に原因について調べるため、加工後のすくい面をマイク固定し、切削油剤には動粘度 5000mm2/s のジメチルシロスコープにより観察した。その結果を図７に示す。ジリコンオイルを用いた。測定結果を図９に示す。切削速

メチルシリコンオイルを用いた場合、図７(a)に示すよう度が速くなると加工温度が高くなり、摩擦係数は大きくに、研削部分には被削材の凝着は見られなかった。一部なると予想したが、実験結果では小さくなった。本実験

テクスチャ内に被削材が付着しているが、図２(b)から分条件では、切削距離を約 1m に固定したため、切削速度

かるとおり、テクスチャ内部の粗さが大きいためと考えが速くなるに従い加工時間は短くなる。特に、切削速度られる。一方、図７(b)に示す機械油を用いた場合では、200m/min では約 0.3 秒で加工が終了する。このことか

すくい面の研削痕が見えなくなるほど被削材が凝着してら、切削速度の速い条件では、工具の温度が上昇するこ21となく切削が完了し、油膜が維持されて摩擦係数は小さ0.8くなったのではないかと推測される。
摩擦係数

0.60.8摩擦係数

0.6

ジメチルシリコン0.4
変性シリコン0.20.4000.21

図１０0100200
切削速度V，m/min
図９切削速度の影響

23456
速度比Vt/V
変性シリコンの効果

7ことにより、凝着が抑えられ、機械油を用いた時よりも摩擦係数は小さくなった。
(2)動粘度が高くなるに従い摩擦は減少した。しかし、

3.4 変性シリコンの効果
ジメチルシリコンオイルを用いた場合、最も摩擦が低下しても 0.5 程度であったため、切り屑と工具が接触している境界潤滑領域にあると思われる。そのため、極圧添加剤のような効果が得られればより摩擦は小さくでき5000mm2/s 以上ではその効果は小さくなった。また、速度比が大きくなるほど摩擦は増加した。
(3)切削距離 1m の本実験条件では、切削速度が速くなると摩擦係数は小さくなる傾向を示した。
(4)フロロアルキル基で変性したシリコンオイルを用いると考えられる。そこで、ジメチルシリコンオイルのメることにより、さらに摩擦は小さくなった。

チル基の一部をフロロアルキル基により変性したシリコ

今後は、摩擦と工具摩耗の関係について調べる予定でンオイルの効果について調べた。その結果を図１０に示ある。

す。同粘度のジメチルシリコンオイルに比べ摩擦係数は大きく低下した。変性シリコンに含まれるフッ素の効果によるものと考えられる。

付記
本研究は、平成 23 年度「知の拠点」重点研究プロジ
ェクト事業「低環境負荷型次世代ナノ・マイクロ加工技４．結び術の開発」において実施した。

切り屑／工具間の摩擦低減のため、シリコンオイルを用いたステンレスのロータリ切削を行い、以下のことが分かった。
(1)粘度指数の大きいジメチルシリコンオイルを用いる

文献
1） 河田，糸魚川，則久，石川：2011 年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集，P890