研究論文

油膜付き水滴加工液の研削加工への応用
佐藤豊＊１、河田圭一＊１、水野和康＊１

Application of Oil Film on Water Fog Cutting Fluid
to Surface Grinding
Yutaka SATO , Keiichi KAWATA and Kazuyasu MIZUNO
Industrial Technology Division, AITEC *1
油膜付き水滴加工液の研削加工への適用を目的として、油膜付き水滴の冷却性能、研削抵抗、仕上げ面
粗 さ 、研 削 比 を 水 溶 性 研 削 液 の そ れ ら と 比 較 し た 。横 軸 平 面 研 削 盤 を 用 い て 、ダ イ ス 鋼 SKD11 の プ ラ ン ジ
研 削 を 行 っ た 。砥 石 は 、CBN 砥 石 と 多 結 晶 ア ル ミ ナ 砥 石 を 用 い た 。冷 却 性 能 は 、残 留 応 力 と 研 削 焼 け で 判
定 し た と こ ろ 、 砥 石 切 り 込 み が 5μ m ま で は 油 膜 付 き 水 滴 と 水 溶 性 研 削 液 は ほ ぼ 同 等 の 性 能 を 示 し た 。 研
削抵抗は、水平力において油膜付き水滴の方が小さい値になった。仕上げ面粗さ、研削比に差は認められなかった。この結果から、油膜付き水滴は、砥石切り込みの小さい仕上げ領域で、環境に配慮した加工液として適用できる可能性を確認した。

１．はじめに水滴と油ミスト生成、および油膜付き水滴を加工点へ搬

これまで、環境に配慮した加工法として、油膜付き水送する役割を果たす。本実験での消費量は、水、油剤、滴加工液を用いた切削加工を継続して研究してきた。そ空気それぞれ 20ml/min、0.17ml/min、100Nl/min であった。

こでは、アルミニウム合金の切削加工において水溶性加比較対照となる従来加工法では、ケミカルソリューシ

工液よりも優れていること

１）や鋼の加工では水溶性加工
２）

ョン型の油剤（タイユ製、ハイチップ WX-832）を使用。本研し、それを水道水で 50 倍に希釈し（以下この加工液をソ究は、他の機械加工法への応用として、切削加工とともリューションという）、研削盤の付属ノズルから、加工点に機械部品の製作に多く用いられている研削加工を取りに 6l/min の割合で供給した。

液の代替として十分使えることを確認してきた上げたものである。
研削加工は、材料の除去を行う砥粒が大きな負のすく油膜付き水滴とソリューションのほかに全く加工液を供給しないドライの条件でも研削を行い、３条件下のい角を持つことと除去速度が速いことから、切削加工に研削特性を比較した。

比べ、加工部がより高温になる。このため、研削液は冷2.2 砥石と被削材却性を重視して、水溶性研削液が選択され、しかも大量

砥石は、焼き入れ鋼の研削に極めて優れている CBN 砥に加工点へ供給する方法がとられてきた。水溶性研削液

石（CBN170N75B、砥石径 250mm、砥石幅 20mm）と近は、切削液と同様に、廃液処理の問題を抱えており、水年開発された多結晶アルミナ砥石（SW60J8V、砥石径溶性研削液に代わる加工液や加工法が検討されている。

250mm、砥石幅 25mm、以下 SW 砥石という）を使用しそこで、切削加工において、環境に配慮した加工液とした。後者は、アルミナ系の砥石であるが、砥粒が微小破て効果が認められた油膜付き水滴加工液を研削加工に適壊を起こしやすく、焼き入れ鋼の加工においても研削能用した場合の性能を把握し、従来の水溶性研削液に変わ力が持続する特徴を持つとされている ３）。この砥石は、って環境に配慮した方法となりうるかを検討した。

ツルーイング・ドレッシングが単石ドレッサを用いて同２．実験方法
2.1 油剤と供給法時に行えることや価格も安いことから、CBN 砥石の代替として焼き入れ鋼の研削用に需要が伸びている。

この実験に用いた油膜付き水滴加工液は、蒸留水からCBN 砥石の作業面の調整は、次の手順で行った。最初水滴を生成し、その後水滴の周りに合成エステル（協同に C60K 砥石を装着したブレーキツルアでツルーイング油脂製、S-35）の油膜を張らせ、加工点に供給される。

を行い、その後 WA スティック砥石をプランジ研削してこれらの過程は、専用ノズル内で行われる。圧縮空気は、ドレッシングを行った。SW 砥石の作業面は、単石ドレ＊

1 工業技術部

機械電子室

表２

研削焼け（CBN 砥石）

切り込み
油剤
油膜付き水滴ソリューション
ドライ被削材

表３ノズル
砥石
動力計

5μm

10μm

無無無無無無有無有

研削焼け（SW 砥石）

切り込み
油膜付き水滴用

2μm

油剤
油膜付き水滴ソリューション
ドライ2μm5μm

10μm

無無無有有有有有有３．実験結果および考察
図１

実験装置

表１主軸回転数砥石周速度
テーブル左右速度
研削方式
砥石切り込み量
研削幅

加工条件
2200rpm
1727m/min
13.7m/min
プランジ研削2、5、10μm10mm

3.1 研削焼け
研削焼けは、加工部が高温にさらされ短時間のうちに酸化膜が形成されることにより発生するので、研削焼けの有無は、加工面の到達温度と関連を持ち、加工液の冷却効果の大小を示す指標となる。
切り込み 2、5、10μm の３条件で研削を行い、加工後の表面を目視観察した結果を表２と表３に示す。
表 2 から、CBN 砥石では、ドライと油膜付き水滴の加ッサを用い、切り込み 10μm、送り 300mm/min の条件で工において、切り込みが 10μm になると軽微な焼けが発ドレッシングした。

生した。しかし、ソリューションでは、10μm において

被 削 材 は 、 HRC60. 3 〜 61.5 に 調 質 し た ダ イ ス 鋼も焼けは認められなかった。切り込みが 10μm の条件で（SKD11）を用いた。

は、ソリューションは冷却効果に不足はないが、ドライ2.3 加工条件と油膜付き水滴は不足することが分かる。

実験は横軸平面研削盤を用いて行った。図１に実験装

一方、SW 砥石では、5、10μm の切り込みにおいて、置を示す。研削盤のマグネットチャック上に動力計を設すべての加工液に焼けが観察された。SW 砥石は CBN 砥置した。動力計に被削材を固定し、表１の加工条件でプ石に比べ発熱が多いため、研削焼けが発生しやすい。焼ランジ研削を行った。

けを防ぐためには、いずれの加工液でも切り込みを 2μ2.4 特性値と測定方法m 以下にすることが必要になる。

加工液の性能を表す特性値として、研削焼け、残留応力、仕上げ面粗さ、研削抵抗、研削比を取り上げ、加工液の種類を変えた場合の違いを調べた。

3.2 残留応力
残留応力は、加工部の発熱と冷却の作用が複合して発生する。研削加工では、発熱が多く冷却効果が少ないと、研削焼けは、加工後の研削面を目視で観察し、焼けの加工後の表面には、引張り応力が残留することが知られ有無を判定した。残留応力は、X 線残留応力測定装置ている ４）。このため、残留応力の大小や残留応力が引張（（株）リガク微小部 X 線応力測定装置）により測定しりか圧縮かで加工液間の冷却効果を比較することが可能た。仕上げ面粗さは、触針式粗さ計で測定した。研削抵になる。

抗は、圧電型動力計により測定した。

CBN 砥石で加工した場合の測定結果を図２に示す。残研削比は、被削材除去量／砥石摩耗量で定義されてい留応力値が負のとき圧縮応力、正のとき引張り応力になる。被削材の除去量は、実際の切り込み深さをマイクロるように符号を定めた。油膜付き水滴は、切り込み 2μメータで測定し、これとプランジ研削幅と材料の長さをm で 550MPa、切り込み 5μm で 500MPa 程度の圧縮応力乗じて算出した。砥石摩耗量は、加工前の砥石形状と加であった。一方、ソリューションは、それらが 400MPa、工後の砥石形状をカーボン板に転写した後、それらの形350MPa となった。この領域では、油膜付き水滴の沸騰、状を触針式粗さ計により測定し、その差から砥石摩耗量蒸発作用による急冷効果が作用して、ソリューションよを求めた。この２つの計算値から、研削比を算出した。

り残留応力が大きくなったものと推測される。切り込み400
残留応力 (Mpa)400
残留応力 (Mpa)600

ソリューション
油膜付き水滴ドライ

600

2000-2002000-200-400-400-600-6000

図２2468
切り込み (μm)

1012

ソリューション
油膜付き水滴ドライ02

図３

SW 砥石による残留応力

CBN 砥石による残留応力が 10μm に増加すると、油膜付き水滴は大きく変化し、70 MPa の 圧 縮 応 力 と な っ た が 、 ソ リ ュ ー シ ョ ン は200MPa の圧縮応力にとどまった。このことは、切り込みが 10μm になると、油膜付き水滴の冷却効果がかなり不足することを示しており、研削焼けの観察結果と符合する。ドライは冷却効果がないため、切り込み 2μm に

表４468
切り込み (μｍ)

1012CBN 砥石による仕上げ面粗さ Ra（μm）

切り込み
油剤
油膜付き水滴ソリューション
ドライ2μm5μm

10μm

0.40.30.40.40.30.40.4
0.4
0.4

おいても 0MPa に近い値を取り、切り込みの増加とともにほぼ直線的に増加し、10μm において、300 MPa の引張り応力となった。
図３は、SW 砥石の場合で、すべての切り込みと加工液で引張り応力となった。切り込みが 5μm 以下では、
CBN 砥石と同様に、油膜付き水滴とソリューションの応表５SW 砥石による仕上げ面粗さ Ra（μm）

切り込み
油剤
油膜付き水滴ソリューション
ドライ2μm5μm10μm0.40.40.40.60.60.60.70.70.7

力値は同程度の値をとり、ドライよりは圧縮側に位置している。切り込みが 10μm では、３者の値が接近しておいた加工において、仕上げ面粗さを悪化させないことがり、いずれの加工液においても冷却能力がかなり不足し確認できた。ていることを示している。

3.4 研削抵抗

以上の結果から、残留応力を指標として見た油膜付きCBN 砥石について、加工液ごとの研削抵抗を図４と図

水滴の冷却性は、砥石切り込みが 5μm 以下の条件では、５に示す。図４は、研削抵抗のうち垂直力を示したものソリューションと同等以上と見なせる。

で、この力は砥粒の被削材への食い込み易さの指標であ3.3 仕上げ面粗さる。図５の水平力は、砥石の切れ味を示すもので、研削研削加工は、良好な仕上げ面粗さを求められる加工法であり、環境に優しい加工液であっても仕上げ面粗さを大きくするような加工液は採用されない。このため、油膜付き水滴を用いた場合の仕上げ面粗さを他の加工条件と比較した。

動力を決定する。
図４から、垂直力はいずれの切り込みにおいても、研削液の影響をほとんど受けないことが確認できる。
一方、水平力は、切り込みの増加とともに、ほぼ直線的に抵抗が増加していくが、研削液により大きさに違い

表４に CBN 砥石で加工した場合の仕上げ面粗さを示がみられ、油膜付き水滴の水平力が最も小さく、ソリュす。ソリューションの仕上げ面粗さがわずかに小さいが、ーション、ドライの順に大きくなった。油膜付き水滴は、それほど大きな差は認められない。また、CBN 砥石では、水滴の周りに合成エステルの油膜を張らせたものである

切り込みを大きくしても、仕上げ面粗さは変わらなかっことから、加工点に供給された合成エステルの潤滑作用た。表５は、SW 砥石の仕上げ面粗さを示す。この砥石が有効であると考えられる。一方、ソリューションは、の場合も、研削液の種類は、どの砥石切り込みに対して冷却性に重点を置いた研削液で、潤滑効果は小さいことも影響がなかった。しかし、砥石切り込みが大きくなるが知られている。また、ドライは全く潤滑効果が期待でと、仕上げ面粗さが大きくなる傾向を示した。

きないため、上述の順で、水平力の値が決定されたもの

以上の結果から、油膜付き水滴は､CBN、SW 砥石を用と考える。研削動力あるいは砥石切れ味の指標である水120120100100

垂直力 （N）

垂直力 （N）

1408060ソリューション
油膜付き水滴ドライ

40208060ソリューション
油膜付き水滴ドライ

40200002468101202

切り込み （μm）

図４

CBN 砥石の垂直方向研削抵抗

6040

681012SW 砥石の垂直方向研削抵抗50
水平力 （N）

水平力 （N）

図６ソリューション
油膜付き水滴ドライ

50

4

切り込み （μm）

3020

ソリューション
油膜付き水滴ドライ

4030201010000246810120

切り込み （μm）

図５24681012切り込み （μm）

図７CBN 砥石の水平方向研削抵抗

SW 砥石の水平方向研削抵抗

平力については、油膜付き水滴が優れているといえる。て求めた。油膜付き水滴とソリューションを用いた場合、同様に、SW 砥石について、研削抵抗の垂直力の測定

被削材除去量 5050mm３に対して、いずれの加工液におい結果を図６、水平力を図７に示す。SW 砥石の垂直力は、ても砥石半径の減少量は 2μm であった。これらの値か

CBN 砥石と異なり、ドライで小さく、油膜付き水滴とソら研削比 300 が得られる。ソリューションと同じ研削比リューションは、ほぼ同じであった。油膜付き水滴の切になることから、油膜付き水滴を使用して研削を行ってり込み 2μm は、他の条件に比べ、大きな値になったが、も、砥石摩耗は増加しないことが確認できた。

４．結び

その原因は、今のところ不明である。
SW 砥石での加工は、研削焼けが発生しやすいことと油膜付き水滴加工法は、従来法に比べ少量の加工液を残留応力が引張り側にあることから、CBN 砥石での加工使用する方法であるが、予想以上の冷却効果を持ち、しに比べ、加工点の温度が高く、材料の加工点における硬かも、仕上げ面粗さを悪化させないこと、砥石の切れ味さが低下しているものと推測される。その中でもドライ低下を引き起こさないことおよび砥石寿命を短くしないは最も温度上昇が大きく、したがって被削材の軟化も著ことが確かめられた。この加工法を採用するためには、しいため、垂直力が小さくなったものと考えられる。

油膜付き水滴供給装置が必要になること、加工後の切り水平力は、潤滑効果と加工点の温度上昇による被削材くずを洗い流す装置が必要になることなど種々の制約が強度の低下が複合して作用すると考えられるため、潤滑あるものの環境を配慮した加工法の一つとして有効であ効果のある油膜付き水滴と材料の軟化が最も大きいドラると考える。

イで小さく、潤滑効果が少なくまた加工点の温度が低く文献軟化が少ないソリューションで少し大きな値を取った。

1) 河 田 ほ か ： 愛 知 県 工 業 技 術 セ ン タ ー 報 告 ， 37 ， 37

3.5 研削比SW 砥石でダイス鋼を研削した場合、砥石摩耗は非常(2001)
2)河田ほか：愛知県産業技術研究所研究報告, 1, 33(2002)に大きい。この砥石は、砥石をある程度摩耗させること3)例えば、ノリタケカンパニーカタログ：CX 砥石を前提として、使用する砥石である。このため、砥石の

4)能上進：研削加工皆伝, P174(2000), 切削油技術研究会

研削比は、砥石摩耗がより重視される CBN 砥石につい