カーボンニュートラルに向けた切削加工における環境性能評価
機能素材加工課 川堰宣隆*1

製品・機能評価課 羽柴利直*2
Table 1 Cutting conditions

1. はじめに
近年、国内外でカーボンニュートラルに向けた動きが加速している。今後は商品の価値を決定するうえで、「品質」や「コスト」に加えて、「環境性能」が重要視されることが予想される。製造工程ではこれに対応するため、環境負荷を定量的に評価したうえで、それを低減することが求められている。

Tool
Coating
Number of tooth
Cutting speed
Feed rate
Radial depth of cut
Cutting method
Lubrication method(m/min)(mm/tooth)(mm)

φ6 Carbide endmill
Diamond coating
4120
0.050.25
Upcut
Dry cutting

本研究は、製品製造の重要な工程である切削加工において、従来までの品質、能率、コストに環境性能を加えた観点から、最適な加工条件について検討することを目的とする。本報では条件を変化させて炭素繊維強化プラスチック(CFRP)のミリング加工実験を行い、切削加工において CO2 排出量が増加する要因およびその削減方法について検討した。
2. 実験条件および方法
被削材には、厚さ 0.24 mm のプリプレグを 45°ごとに回転させて積層し、成形した、厚さ 2.88 mm の疑似等方性 CFRP を使用した．加工実験には、マシニングセンタ(キタムラ機械(株)製 Mycenter-3XiG)を使用した。工具に

Fig. 1 Comparison of consumed power and consumed
energy; The consumed energy is measured whilemachining CPRP for 1400 mm

は、直径 6 mm のダイヤモンドコーティッド工具を使用し、大きさ 140 mm × 140 mm の CFRP の側面加工を行った。
加工方式はアップカットとし、乾式で加工を行った。
表 1 は、加工条件である。
3. 実験結果および考察
切削速度を変化させたときの、消費電力および消費電力量の違いについて検討した。図 1 は、切削速度を変化させて CFRP を 1400 mm 加工したときの、消費電力と消費電力量である。消費電力は、CFRP を加工中の値とした。切削速度の高い場合に、消費電力は大きくなった。
加工中の消費電力の変化を比較したところ、切削速度のFig. 2 Comparison of tool life and surface roughness
after machining CFRP; The surface roughness ismeasured at the cutting distance of 0.1 m and 213.5 m増加によって、スピンドルの消費電力が著しく大きくなった。一方、それと比較して、加工負荷に起因した消費る。これと上述の消費電力増加の相互作用によって、本電力の増加量はわずかであった。すなわち、スピンドル実験条件下においては切削速度 120 m/min のときに、消の回転数の増加が主因となり、切削速度の高い場合に、費電力量が最小になったと解釈できる。
つぎに、図 1 で加工時間が短く、消費電力量の小さな消費電力が大きくなるといえる。
消費電力量は切削速度 120 m/min のときに最小となっ切削速度 120 m/min と 240 m/min で加工したときの、加た。
同一体積を加工する場合、切削速度の大きな場合に、工性能および環境性能評価を行った。図 2 は、切削速度加工時間は短く、消費電力量は削減されやすい傾向にあを変化させて CFRP を加工したときの、工具寿命に達す*1 現

デジタルものづくり課、*2 現

機械電子研究所
富山県產業技術硏究開発センタｰ硏究報吿 No.37 (2023)

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るまでの加工距離と表面粗さである。工具寿命は、逃げ面摩耗幅が 0.1 mm に達するまでとした。切削速度 240m/min の場合に、工具寿命は長くなった。一方、表面粗さ Sa は加工初期の場合に 1～3 µm で、差はわずかであった。切削距離が長くなると炭素繊維の方向に起因した偏摩耗によって、表面粗さは増大する。切削速度 120m/min の工具寿命である切削距離 213.5 m で比較すると、切削速度 240 m/min の場合に表面粗さは小さくなった。
すなわち、加工性能においては、工具寿命および表面粗さの観点から切削速度 240 m/min が優れているといえる。
これらの条件で加工したときの、CO2 排出量の比較を行った。評価では、切削加工工程およびそこで使用されFig. 3 Comparison of emission of carbon dioxide atdifferent cutting speeds

る工具、電力等の原材料からその製造プロセスを対象に、出量が小さくなる。また、加工時間の短縮によってマシなお、地球温暖化に影響する CO2 排出量の評価を行った。

ニングセンタやコンプレッサー稼働など、条件によって加工前の素材、加工された製品およびマシニングセンタ変動しない電力が削減されることで、CO2 排出量は小さ

製造時の CO2 排出量は加工条件によらず同等と仮定し、くなることがわかる。さらに、加工製品数も 1.6 倍であ評価から除外した。

ったことから、生産性の観点からも優位であるといえる。

評価にあたり単純な製品モデルとして、第 2 章で示す

以上の結果より、工具摩耗など加工条件による加工性材料の側面を、2.5 mm 加工することで製品となるように能の改善に加えて、加工時間の短縮による消費電力量の設定した。すなわち、表 1 に示す条件で、10 回側面加工低減が要因となり、製品の CO2 排出量の削減が可能となすることで、製品形状となる。

ることがわかった。

以上の仮定を基に、インベントリ分析を行った。本研
究では上記のモデルに対し、1 ヶ月あたりの CO2 排出量4. おわりにを算出した。製品の生産は 1 日 8 時間、1 ヶ月あたり 20

本報では CFRP のミリング加工実験を行い、切削加工日間行うこととし、工具および製品の交換時間も考慮しにおいて CO2 排出量を削減するための手法について検討た。CO2 排出量の原単位には、データベース、文献値やした。これより加工性能そのものの改善に加えて、加工

1)時間の短縮による消費電力量の削減が有効であることを企業の公開情報を使用した 。
図 3 は、切削速度を変化させて CFRP 製品を 1 ヶ月生明らかにし、本実験条件下では切削速度 240 m/min が生産したときの、CO2 排出量である。1 ヶ月あたりの消費産性、加工性能および環境性能の点から優れていること電力量を比較すると、主にスピンドルの電力に起因して、を明らかにした。

切削速度 240 m/min の CO2 排出量は大きくなった。
一方、
製品 1 個あたりで比較すると、切削速度 240 m/min のと参考文献

きに工具寿命の延伸によって、工具製造にかかる CO2 排

1) たとえば、LCI データベース IDEA version 2.3.

キーワード：カーボンニュートラル、LCA、切削加工、CO2 排出量、CFRP

Evaluation of Environmental Performance in Cutting Process for Carbon Neutrality
Functional Material Processing Section; Noritaka KAWASEGI*1, andProduct and Function Evaluation Section; Toshinao HASHIBA*2
Carbon neutral production is required in industrial field to correspond to environmental issues. In this study, we investigated amethod to reduce emission amount of carbon dioxide in cutting process. As a result, it was found that the reduction in consumed
energy, due to the cutting time, is effective for the reduction in emission of carbon dioxide, in addition to the cutting performance, andthe cutting speed of 240 m/min showed superior result in terms of both cutting and environmental performances.

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Reports of the Toyama Industrial Technology R&D Center No.37 (2023)