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Machining

3A3

Vol.

May/2004■ 論文・報文・解説
環境負荷の低減と高能率加工を追求する「MQL加工について」
マシニング事業
コーティング

Aspects of MQL Cutting Technology - - Negative Influence Reduction
on The Environment & High Efficiency〈キーワード〉セミドライ加工・ミスト加工・MQL加工・構成刃先

機械工具事業部／コーティング技術部

安岡 学
機械工具事業部／マシナリー技術部

清都 俊之

「MQL加工について」要 旨

1. セミドライ加工に向けて環境問題の高まりから、「エコ＆ECO」のコンセプ
トの下、ドライ加工を指向した切削工具の開発を行ってきた。その中でも深穴加工などのアプリケーションで、僅かなクーラント量しか使用しない「MQL加工」が実用化され効果を上げている。
しかしながら、MQL加工のメカニズムの解明は進んでないのが現状である。切削加工におけるクーラントとコーティングの作用ならびに切削現象の潤滑作用の特異性を示すことにより、MQL加工のメカニズムを推察し、基礎実験により効果を確認した。

Abstract
Since the rising numbers of the environmental
issues, we have been developing the cutting
tools for dry process from the viewpoints ofeconomy and ecology.
Among the various machining methods, theMQL machining method that uses a small
amount of coolant is used for deep hole drilling, producing good results.
However, the progress is slow for elucidating
the mechanism of the MQL machining method. We infer the mechanism of the MQL machining from the basic testing and verify the effects of it by demonstrating the functions ofcoolant and coating in cutting and the uniqueness of lubrication effects.

1

機械加工、とくに切削加工の分野においては、クーラント（切削油剤）を用いない「ドライ加工」が注目されている。
しかし、まだクーラントを使用せざるを得ない分野も数多く存在している。
こうした背景から、最近、深穴加工やブローチ加工において「MQL加工」が注目されている。MQLとはMinimum Quantity Lubricationの略でＮＤＭ（NearDry Machining:準ドライ加工）や、セミドライ加工とも言われる。これらは、従来「ミスト」加工と呼ばれたものではあるが、クーラントの極少量・最少量のいう意味を含んでいる。加工に使用されるMQLは2cc/hr〜数10cc/hrであり、目に見えない量である。
切削加工における新しいクーラント法として、例え※1※2※3ば冷風加工、高圧クーラントあるいは窒素ブロー加工などのアプローチが、ここ数年にわたり提案されてきた。また、コスト・品質問題から環境問題などの高まりから、切削におけるクーラントの効果について、そのメカニズムの見直しが行われている。

2. 切削加工におけるクーラントの作用
1883年にF.W.Taylor 1)が、注水することで工具切削に関して、従来から2つの考え方があった。

刃先の切削速度を向上させる作用を明らかにして1つは、摩擦熱による被加工物材料の温度上昇によっ以来、切削におけるクーラントの作用として、潤滑、て剪断を容易にする。
もう1つは、冷却作用を高めて、冷却ならびに構成刃先の抑制など、切削現象に対工具損傷を防ぐ意味で工具の材料強度を維持さする研究が進んできた。これらの摩擦、潤滑と摩耗せる。の現象を扱う学問体系は、 Trybology といわれる。

工具の切削速度と摩耗の関係を図2 3)に示す。

Bowden&Taber The Friction and Lubrication

低速域における凝着摩耗は、被加工物の凝着と冷of Solids （Oxford 1954）から始まった。切削現象

却によって生ずる硬化からもたらされる摩耗であり、の工具上の挙動は、図1に示すように被加工物がいわゆる構成刃先（BUE）の形成による損傷である。

塑性変形を起こし、せん断されて切りくずを排出す

従って、従来の考え方は構成刃先を制御してメリッるものであり、このせん断と流動した切りくずの排出トを出そうとする考え方と、構成刃先を形成させない過程で、潤滑が大きい効果を与えることが知られてとする考え方ともいえる。クーラントはこの構成刃先をいる 。

防ぐ作用として働き、工具のすくい面に対する作用2)※4※5が大きい。

熱発生領域
塑性変形領域

構成刃先

工具刃先

不安定

摩擦力
被削材
圧縮力

図1．
工具刃先による塑性域での変形

摩耗
速度

安定
実摩耗
拡散
酸化凝着

擦り摩擦
機械的摩耗
切削速度（切削温度）

図2．
切削速度と摩耗速度

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「MQL加工について」

3. 切削におけるコーティングの作用
ここ十数年、
コーティング工具が一般化し、機械加HSSバイトのすくい面

TiNコーティングバイトのすくい面したコーティング工具に加え、超硬合金コーティング工具が普及した。コーティングで主体となっている技術は、物理蒸着（PVD：Physical Vapor Deposition）

15m/min

工に大きく影響を及ぼした。高速度工具鋼を中心とであり、イオンプレーティング（溶解、アーク、スパッタ）
4)膜の被覆である 。これらの被覆材はセラミックスであり、高速化して温度上昇があっても、工具基材と60m/min

法によるTiN、TiCNあるいはTiAlNというような硬質の反応を抑制するので、切削速度を上げることが可能となった。
コーティングには、クーラントと同じような効果があり、（模式図）
HSSバイトのすくい面

工具すくい面の切りくずの接触長さを変える働きで、TiNコーティングバイトのすくい面

理バイトでは切りくずの接触長さが長く、切りくずの凝着による摩耗が進展する。これに対し、
ＴｉＮバイト

15m/min

構成刃先を形成させない。図３に示すとおり、無処では、切りくずの接触長さは短く、凝着がほとんど発
しかし、ミクロ的に見ると、コ―ティング工具の刃先には、被削材の凝着があり、この凝着が工具の性能
5)に影響を及ぼす 。コーティング工具の凝着性の低60m/min

生していない。

減と、基材との熱的遮断が、今日の高速加工とドライ加工を可能にした。また、工作機械の性能も向上し、高速スピンドルが一般化して切削加工の能率が一段と高まった。

3

図3．
無処理バイトとＴｉ
Ｎバイトとのすくい面切削条痕の違い（矢印位置まで切りくずが接触）

4. MQLの潤滑作用とその適用クーラントの作用を表1に示す。切削加工の基本的なクーラントの作用は、冷却作用に比べて潤滑作用が大きい。そして、ドライ加工が難しい分野で、さらに切削工具性能を向上する場合に、MQL加工が用いられる。

潤滑効果
・真空引込みによる切削点への最小限の潤滑油剤の供給

Rehbinder効果
・極性物質による表面エネルギーの低減作用と亀裂拡大の抑制

Kramer効果
・極性物質の被覆による表面酸化の抑制（転位移動障壁の削減）

表1．
切削油剤の効果項 目

油材による効果潤滑

切りくずと工具すくい面間での摩擦抵抗を減少させ、二次的に切削熱の上昇を抑制。

冷却

発生熱による工具強度の劣化を抑え、被削面を劣化させない。

切りくず排出切りくず詰まりを圧力により抑え、滞留切りくずを除去する。

仕上げ面保護・防錆錆も含めた酸化などを発生。

電気化学的作用・油膜の絶縁作用による電気化学的作用の低減（亀裂の抑制）気化冷却効果・蒸発潜熱による冷却（代表例：Oil on Water法）

気化冷却

クーラントの潤滑作用は、先に示した工具すくい面上に潤滑膜を形成させ、クレータ摩耗を軽減し、切りくずの接触長さを減少させて切削抵抗を軽減

酸化の抑制
表面エネルギーの低減する。この 他に、図 4に示 すように H a r d n e s s

摩擦係数の低減

Reduction 効果（レビンダー効果）により、切削抵※6

抗を軽減する作用がある。これは、極性化合物の影亀裂化の抑制

響といわれ、被削材の塑性変形時やせん断時に生転位移動障璧の削減

じるマイクロクラックの影響と考えられている。

真空による引込み亀裂の抑制

絶縁作用

図4．
ＭＱＬによる効果の推察メカニズム

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「MQL加工について」

ブローチ加工の例を図6に示す。湿式（油性）にS50C鋼の引っ張り試験時において、MQLのクーラントを塗布した場合と、しない場合に現れる亀裂発比較して工具性能が向上するものもある。

6)

生の違いを図5に示す 。破断面のマイクロクラックは表面エネルギーの相違を示し、結果的に、工具の寿命等に影響を及ぼすものと推察される。
MQLは、クーラントの潤滑ならびに冷却という二大作用のうち、潤滑作用を最大限利用した効果的な手法ともいえる。

工具寿命指数

切削速度5m/min
良1.41.210.80.6

Oil
SKH55

MQL
FAXG2＋TiAlN

加工面粗さ（μmRy）

1086420Emulsion
SKH55＋TiN

良Oil
SKH55

Emulsion
SKH55＋TiN

MQL
FAXG2＋TiAlN

図6 a．
MQLブローチによる切削性能（a）
ドライでの破断面とマイクロクラック

ブローチ諸元：m2xPA30xNT16
被削材：S45C

図6 b．
ＭＱＬブローチの外観（b）潤滑条件下での破断面とマイクロクラック

図5．
引っ張り試験時のマイクロクラックの相違

55. ＭＱＬ加工技術の商品化に切削油剤の効果からMQLのメカニズムを推察し、実験により検証を行なった。潤滑効果による破壊エネルギーの低減は確認できたが、わずか数CC/hrの切削油剤で大きな効果を出せる解析は、まだ緒に着いたばかりである。
実用面では、すでに大きな効果が確認され、ライン稼働もしているが、さらに基礎的なメカニズムを解明することが、最適な加工システムの構築につながる。
今後も、基礎的テストを継続し、そのメカニズムについて解明するとともに、MQL加工を適用した工具や工作機械を商品化していく。

用語解説※1 冷風加工−20℃程度に冷却したエアーを吹付けて加工する方法。
※2 高圧クーラント
7MPa程度の圧力でクーラントを吹付けて加工する方法。
※3 窒素ブロー加工
窒素ガスを吹付けて加工する方法。
※4 凝着摩耗
2つの物体が擦り合うとき、互いの原子が相互作用を及ぼす摩擦。
※5 構成刃先
被削材の一部が加工硬化によって母材より硬い変質物となって刃部に堆積したもの。
※6 極性化合物
化学的に安定していない状態で化合した物質。

参考文献
11）F.W.Taylor：ASME, New York 1906
12）F.P.Bowden,D.Taber： The Friction and Lubrication of Solids（Oxford 1954）
13）（財）機械振興協会：「切削技術データファイル」基礎編 切削加工 p1714）安岡：精密工学 66（4）,2000 p527-530
15）加藤、安岡：新素材（10）,1993 p37-4116）栗田、清都：2004年精密工学会講演会予定

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〈発行〉 2004年5月10日
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