研究論文

油膜付き水滴を用いたアルミニウム合金の深穴ドリル加工
石川和昌＊１、河田圭一＊１

Deep Drilling of Aluminum Alloy with Oil on Water Drops
Kazumasa ISHIKAWA *1 and Keiichi KAWATA *1
Industrial Technology Division, AITEC * 1
本研究では、油膜付き水滴を用いたアルミニウム合金の深穴加工性能を検討するため、立形マシニング
セ ン タ に よ る ア ル ミ ニ ウ ム 合 金 A2017 の ド リ ル 加 工 を 行 っ た 。 ド リ ル に は φ 5mm の DLC コ ー テ ィ ン グ
超 硬 合 金 ド リ ル を 用 い た 。加 工 条 件 は 、切 削 速 度 100m/min、送 り 0.20mm/rev、加 工 深 さ 90mm(L/D=18)と し た 。切 削 力 、加 工 精 度 な ど を 調 べ た 結 果 、油 膜 付 き 水 滴 に よ る ア ル ミ ニ ウ ム 合 金 の 深 穴 加 工 は 、MQLと比較して、良好な加工性能が期待できることが確認できた。

１．はじめにき水滴生成ノズルにより生成され、サイドスルーホルダ、現在、自動車産業を中心に環境対策への取り組みやコ

油穴付きドリルを経由して、ドリルの先端から吐出される。

スト削減のため、これまでの切削油剤を大量に供給してMQL は油膜付き水滴生成ノズルに油のみを供給し、油ミ行ってきた加工方法から、必要最小限の切削油剤をミスストとして生成され、吐出される。被削材は切削動力計(キトで供給する MQL(Minimum Quantity Lubrication)なスラー製:9257B)上に固定されており、加工時のスラスト

ど環境対応型加工法への転換が盛んに行われている。特抵抗が測定できる。に、旋削やエンドミル加工などの加工ラインに比較的多く採用されている。これに対して穴の深さがドリル直径の 7〜20 倍程度の深穴加工では、加工点への MQL の外部からの供給が難しく、環境対応型加工法への対応が遅れていた。鋼や鉄鋳物ではここ数年の工具性能の向上や加工機の高剛性化・高精度化にともない、MQL の工具

サイドスルー

油膜付き水滴ホルダ

生成ノズル

油穴付きドリル

内部供給を利用した、ロングドリルによる一発深穴加工

アルミニウム合金が実現しており、これに対応した加工機が市販されるなど実用化が進んでいる。しかし、アルミニウム合金の加切削動力計工に MQL を適用した場合、油剤の使用量が多くなることや高能率な加工条件では加工できないことが課題となっている。この原因のひとつに、MQL の冷却不足が考えられている。

図１

実験装置の構成

実験は、φ5mm の DLC コーティングされた油穴付き超硬合金ドリル(オーエスジー製:DLC-CAO)を用いて行

そこで、筆者らは冷却効果が高く油剤の使用量が少なった。加工条件は、切削速度 100m/min、送り 0.20mm/rev

い油膜付き水滴(Oil on Water Drops)に注目し、昨年度としてアルミニウム合金 A2017 に深さ 90mm(L/D=18)は炭素鋼 S45C の深穴加工への適用を検討し、良好な加の穴加工を行った。穴加工の前に、同径の短いドリルを工性能が得られることを明らかにした 1)。本年度は、油用いて深さ 8mm のガイド穴を開けた。その後、油穴付膜付き水滴を用いたアルミニウム合金の深穴加工を検討ドリルに交換し、穴加工を行った。油膜付き水滴は、圧したので報告する。

縮空気 0.6MPa、水 1.8L/h、油 30mL/h の条件で供給した。MQL は、圧縮空気 0.6MPa、油 30mL/h の条件で供

２．実験方法2.1 実験装置および加工条件実験装置の構成を図１に示す。油膜付き水滴は油膜付＊

1 工業技術部

機械電子室

給した。それぞれを用いて加工を行い、切削力、表面粗さ、穴径・穴位置、加工時の瞬時電力、切削比について比較検討した。

2.2 油膜付き水滴加工における工具と切削条件っていると考えられる。

油膜付き水滴を用いたときの工具や切削条件の影響

切削速度:100m/min,送り:0.20mm/rev
300

エスジー製:DLC-CAO、DLC-HO、CAO）を用いて実験

250を行った。
図２に、各ドリルを示す。DLC-CAO と CAO は工具形状が同じで、アルミニウム合金を加工するために形状が最適化されている。DLC-CAO と CAO の違いは DLCコーティングの有無である。DLC-HO は、DLC コーテ
ィングされているが DLC-CAO とは工具形状が異なってスラスト抵抗(N)を調べるため、φ5mm の超硬合金ドリル 3 種類（オーMQL

200

油膜付き水滴150100500-500いる。加工条件は切削速度 80〜120m/min、送り 0.16〜0.24mm/rev とした。それぞれの条件で加工を行い、切図３

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
加工深さ(mm)

油膜付き水滴、MQL によるスラスト抵抗の比較

削力、表面粗さ、穴径・穴位置を調べた。
3.1.2 表面粗さ
図４に、油膜付き水滴、MQL を用いて加工した時の加工穴の表面粗さを測定した結果を示す。測定位置は加工深さ 80mm 付近とした。フィルタはガウシアンフィル
タを用い、カットオフは 0.8mm とした。それぞれ連続加工した 5 穴の測定を行った。
算術平均粗さ Ra はそれぞれ 5 穴を平均すると、油膜付き水滴 0.46μm、MQL0.54μm であまり差は認められなかった。しかし、MQL での 5 穴目の粗さは 1.0μmを超えた。加工後のドリル刃先を観察すると図５に示すようにアルミニウム合金が溶着しており、これが原因で表面粗さが悪化したと考えられる。
(a)DLC-CAO(b)DLC-HO
図２(c)CAO

使用ドリル

これに対して、油膜付き水滴での 5 穴連続加工後にはアルミニウム合金の溶着はなく、MQL に比べ、安定した加工を行うことができた。

３．実験結果及び考察
3.1.1 切削力
図３に、油膜付き水滴、MQL を用いて加工した時のスラスト抵抗を示す。油膜付き水滴、MQL ともに加工深さによるスラスト抵抗の上昇はなく安定した加工が可能であった。しかし、MQL のスラスト抵抗は油膜付き水Ra(μm)

3.1 MQL との比較

1.41.210.80.6
0.40.20
1 2OOW
3 4 5 (穴数) 1 2 MQL
3 4 5
油膜付き水滴MQL滴より 1.5 倍程度大きくなった。
直径が小さいドリルは油穴径も小さくなり、切削速度を図４一定に保つために主軸回転数を大きくする必要がある。油表面粗さの比較(N=5)

穴径が小さくなることと回転数増大に伴う遠心力の増大により、ホルダ内部に残る油剤量が増し、ドリル先端から吐出する油剤の量が少なくなる傾向がある。そのため、油の供給量の少ない MQL では、ドリル先端から吐出する油量が設定条件より少なくなり、潤滑性が悪くなっていると考えられる。さらに、油膜付き水滴のような水の冷却効果溶着がないため、加工温度上昇による油の潤滑性能の低下や工具への被削材の溶着が生じ、スラスト抵抗増加の原因にな

図５

アルミニウム合金が溶着したドリル

3.1.3 穴径・穴位置発生し、加工力にばらつきが生じたためと考えられる。

加工深さ 10mm 位置における穴の径および中心位置を切削速度:100m/min,送り:0.20mm/rev化量を測定した結果を図６、７に示す。それぞれ連続加工500した 5 穴の測定を行った。
油膜付き水滴は 5 穴とも穴径の変化量は小さく、安定した加工ができた。MQL は 4 穴目と 5 穴目で穴径が大きくなった。MQL を用いたときはアルミニウム合金の溶着が確認されており、これが原因と考えられる。

瞬時電力(W)基準とし、深さ 80mm 位置の穴の径および中心位置の変600

MQL400300

油膜付き水滴2001000

穴の中心位置ずれについても、油膜付き水滴は 5 穴とも0120.04mm 以下であり安定した加工ができた。しかし、MQLは 0.06mm を超える穴もあり、ばらつきが見られた。MQL
では油膜付き水滴よりスラスト抵抗が大きくなることか
ら、加工穴の真直性が悪くなり穴の位置ずれが大きくなっ

図８56

瞬時電力の比較

3.1.5 切削比
切りくず厚さをマイクロメータで測定し、潤滑性の大小ぞれの加工条件について、10 個の切りくずの厚さを測定

0.010
0.008
0.006
0.004
0.002
0.000-0.002-0.004

し、その平均値を用いた。図９に油膜付き水滴、MQL の切削比を示す。
油膜付き水滴のほうが MQL より切削比は大きくなっており、潤滑性が高いことが確認できた。

0.812

3 4 5(穴数) 1 2 3 4 5OOWMQL
油膜付き水滴MQL

図６

穴径の変化量比較(N=5)

0.6
切削比

穴径の変化量(mm)4を示す切削比(切り込み/切りくず厚さ)を計算した。それたと考えられる。

位置ずれ(mm)

3加工時間(sec)

0.40.10

0.2

0.08

00.06

油膜付き水滴

0.04

図９MQL

切削比の比較

0.02
3.2 油膜付き水滴における工具・切削条件の影響

0.00
12 OOW
3 45(穴数) 1

油膜付き水滴図７2 MQL
3 45

MQL

位置ずれの比較(N=5)

3.2.1 切削力
図１０に、各ドリルを用いて油膜付き水滴により加工した時のスラスト抵抗を比較した結果を示す。
DLC コーティングしていない CAO ドリルは、ドリル

3.1.4 加工時の瞬時電力

形状が同じで DLC コーティングされている DLC-CAO

油膜付き水滴、MQL を用いて加工した時の、主軸がドリルより 1.5 倍程度スラスト抵抗が大きく、DLC コー消費する瞬時電力を測定した。図８に、無負荷時を 0W

ティングの有無により大きく異なった。この結果から、とした時の加工時の瞬時電力を示す。スラスト抵抗と同油膜付き水滴を用いた場合、ドリルに DLC コーティン様に油膜付き水滴の瞬時電力は MQL より小さくなった。

グを施すと摩擦抵抗が大幅に小さくなり、効果が高いこ

測定を繰り返し行ったところ、油膜付き水滴を用いたとがわかった。

ときの瞬時電力は安定していたが、MQL を用いたとき

一方、DLC-HO ドリルでは DLC コーティングされての瞬時電力はピーク値やピーク値の発生時間にばらつきいるにもかかわらず、深さ 50mm を越えるとスラスト抵が見られた。これは MQL においては、加工時の潤滑不抗の上昇が顕著に見られた。加工深さが深くなるほど切足や冷却不足によるアルミニウム合金の溶着が断続的にりくずの排出性が悪くなり、スラスト抵抗が上昇したと考えられる。これより、DLC コーティングされていても、工具形状が被削材に合わせて最適化されている必要があ位置の穴径が大きく、切りくず排出性が悪いことが影響し切削速度:100m/min,送り:0.20mm/revていると考えられる。特に切削速度、送りが小さいときにCAO穴径が大きくなる傾向が見られた。
穴の中心位置ずれについても、DLC-CAO ドリル、CAO

DLC-HOドリルと比較して DLC-HO ドリルの方が大きい傾向が見

DLC-CAO

010 20図１０られた。

30 40 50 60 70 80
加工深さ(mm)

90 100

各ドリルでのスラスト抵抗の比較

3.2.2 表面粗さ

穴径の変化量(mm)

スラスト抵抗(N)DLC-CAO ド リ ル 、 CAO ド リ ル で の 穴 径 の 変 化 は0.005mm 以内であった。DLC-HO ドリルでは深さ 80mmることがわかった。
400350300250200150
100500-50測定した結果を図１２、１３に示す。

送り:0.20mm/rev

0.030.025
0.020.015
0.010.005
0-0.005

図１１に、各ドリルを用いて加工した後の加工穴の表

DLC-HODLC-CAO
CAO

6080100120
切削速度(m/min)

図１２

各条件での穴径の変化量

面粗さを測定した結果を示す。測定位置は加工深さ80mm 付近とした。フィルタはガウシアンフィルタを用140い、カットオフは 0.8mm とした。
切削速度 100m/min 以下では、DLC-CAO の表面粗さ排出性が良く、溶着があまりないため加工面も良くなったと考えられる。しかし、切削速度 120m/min のときではいずれのドリルも算術平均粗さ Ra は 0.7μm 程度になっており、切削速度が大きくなると粗さの差があまりないことがわかった。切削速度が大きくなると、主軸回位置ずれ(mm)がその他の工具に比べ最も小さくなった。DLC-CAO は他の工具に比べスラスト抵抗が小さいことから切りくず

送り:0.20mm/rev

0.1

DLC-HODLC-CAO
CAO0.080.060.040.0206080

転数増大に伴う遠心力の増大により、ホルダ内部に残る油剤量が増し、ドリル先端から供給される油剤量が少なく

図１３100120
切削速度(m/min)140

各条件での穴位置ずれなり、加工面に影響していると考えられる。送りを大き４．結びRa(μm)

くしたときも同様の結果となった。

油膜付き水滴を用いてアルミニウム合金 A2017 の深穴

送り:0.20mm/rev

10.90.80.70.6
0.50.40.30.20.10

加工を検討したところ、以下の結果が得られた。
(1)油膜付き水滴は、MQL に比べ潤滑性や加工精度が良く、アルミニウム合金の深穴加工に有効であることがわかった。

DLC-HODLC-CAO
CAO
6080100120
切削速度(m/min)

図１１

各条件での表面粗さ

140(2)油膜付き水滴を用いた加工では、工具に DLC コーティングすることにより、加工性能を向上できることがわかった。
以上のことから、油膜付き水滴によるアルミニウム合金の深穴加工は、MQL と比較して良好な加工性能が期待できることが確認できた。

3.2.3 穴径・穴位置
加工深さ 10mm 位置における穴の径および中心位置を文献基準とし、深さ 80mm 位置の穴径・中心位置の変化量を

1）河田,石川:愛知県産業技術研究所報告,5,58 (2006)