砥粒加工学会誌

212<12 回連載 ショートレクチャー>

若手技術者のための研削工学（第 3 回） 研削液の特性とその供給法
奥山繁樹 （防衛大名誉教授）

１． はじめに力学的な圧力（流体の粘度が重要な支配因子になる）

初回のレクチャーでは，研削加工の特徴について述

で荷重が支えられる．このとき，二固体は油膜によってべた．その中で，砥粒切れ刃は大きな負のすくい角を完全に分離されるので，摩擦抵抗は極端に低くなり，摩有し，しかも砥粒は工作物の表面を弾性的・塑性的に耗も発生しない．しかし，油剤の粘度や摩擦速度の低上滑りするため，摩擦熱が発生しやすいことを指摘した．

下，あるいは負荷の増大によって，流体潤滑状態が維

今回の主題である研削液には，このような摩擦熱の発持できなくなると，固体どうしの接触が発生して境界潤生を潤滑作用によって抑制するとともに，発生した熱を滑状態に移行する．

排除する重要な役割がある．

ところで，平面に仕上げられた固体表面には少なか

研削液の一般的な使用目的は次のとおりである．

らず凹凸があるから，二つの平面を重ねて押しつけたと（1） 砥粒と工作物の接触部を潤滑して摩擦を低減させき，真に接触するのは数個の凸部だけである．このときるとともに，切り屑の砥石への溶着を防ぐ．
（2）工作物の平均的な温度上昇や砥石と工作物の接触域（干渉領域）の温度上昇を防ぐ．
（3）切り屑や破砕・脱落した砥粒を洗浄・排除するとともに，これらが仕上げ面性状を悪化させるのを防ぐ．
（4）研削盤や工作物を防錆する．

「真実接触面積」は，付加した荷重と柔らかい側の材料の降伏圧力（降伏応力の 1.8 倍程度）で決まる．つまり，真実接触点の寸法は極めて小さく，接触点の圧力は非常に高い．
図 1 は Bowden-Hardy の境界潤滑モデルである．面
積 aA は固体間の真実接触面積であり，潤滑剤がない

さらに研削液には，化学的に安定でかつ腐敗しにくときはこの領域で荷重を支える．しかし油剤を塗布する

いこと，努めて作業性を低下させないこと，人体や環境と，オタマジャクシのように描いた油剤分子が金属表面に無害であること，などが求められる．に密に吸着して被膜を構成し，これが荷重の一部を支研削液の使用者には，加工の目的や被削材に適合えて真実接触面積を減じ，摩擦と摩耗を減少させる．

した油剤の選定と，その機能を生かす効果的な供給法

つまり，境界潤滑の支配因子は油剤の粘度ではなく，を選択，あるいは案出することが求められる．

油剤の固体表面への吸着力である．

今回のレクチャーでは，潤滑や冷却作用についてのこの状態は，油剤を塗油した固体間の接触で普通に理解を深めていただきたいが，これらについて原理から見られるもので，「境界潤滑」状態と言う．精製した鉱油解説した加工学の教科書は少ない．そこで，これらの類には，境界潤滑膜を作る力はほとんどないので，市原理に触れながら，研削液の機能とその働きについて解説することから始めることにしたい．
２． 潤滑剤の基本的機能
機械類の摩擦や摩耗を軽減させるために油剤を供給して潤滑するが，その理想的な状態が「流体潤滑」である．流体潤滑では，くさび状の油膜内に発生する動

図1

Bowden-Hardy の境界潤滑モデル

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販の潤滑油には，鉱油に少量の油性剤

表 1 極性有機物の金属表面への吸着の類別（油性向上剤とも言う）が添加されている．
表 1 に極性基を有する有機物の金属表面への吸着特性を示す．脂肪酸 [CH3

極性有機物

金属

吸着の種別

脂肪族アルコール

すべての金属物理吸着

エ ス テ ル

亜鉛，カドミウム

物理吸着（本来）(CH2) n COOH] は炭素鎖の一端にカルボ化学吸着（加水分解して）キシル基を有し，貴金属以外の金属表面に化学吸着する．長鎖状の脂肪酸分子は

脂金属表面に強固に吸着して垂直に密に肪

金，銀，白 金

物理吸着

その他の金属

化学吸着

酸

並び，隣接する分子間にも横方向に大きな吸引力が生ずるので，境界膜は破断しにくい．このため，長鎖状脂肪酸（植物油などに多く含～290，油で 60～1700，水で 300～6000 程度とされてまれるステアリン酸，オレイン酸など）の潤滑効果と減摩いる．つまり，油は空気の 5 倍，水はさらにその 5 倍の作用には著しいものがある．このほか，水酸基やアミ冷却効果がある．しかも，水の気化熱は大きいから，冷ンのような極性基を有する長鎖状有機化合物も油却に水を使うのは合理的といえる．

性剤として用いられる．油性剤は鉱油に比べて高価

つぎに，研削液（ここでは純水）による砥石と工作物であるが，わずかに混入するだけで高い境界潤滑性能の干渉領域の冷却作用に注目すると，供給された水はを示すため，非常に有用である．

回転する砥石によって加速される．細部の議論は省く

一般に，潤滑油には油性剤の他に極圧添加剤（EPが，水の流速が砥石周速度 V=30m/s に等しく，かつ流剤）が混入される．これは，摩擦面の温度が約 200℃をれが層流である（上下の流体が入れ替わらない）と仮定

上回ると油性剤の吸着力が急減して潤滑効果を失すると，砥石と工作物の干渉領域（加熱域）の長さ L がうからである．このため添加剤には，200℃以上で1.5mm（通常の平面研削ではこの程度である）のとき，速やかに金属と反応し，剪断強さが母材金属よりも小さ温度境界層（工作物表面からの加熱の影響を受ける流い化合物皮膜を生成させ，焼き付きや摩擦抵抗を低下体膜）の厚さ d は 6mm 程度に過ぎない（ヌッセルト数 Nuさせるものが選ばれる．添加剤としては，塩化物や硫化を用いて d ＝L/Nu と書けるので，興味のある方は計算物などが使われて来たが，前者は地球環境や人体にしていただきたい）．したがって層流熱伝達の場合，こ有害であるため，今は主に硫化物が用いられる．の厚さの外にある水は冷却に寄与できない．つまり，大量の研削液の供給は，冷却効果の向上に，あまり役立たないことになる．

３．流体による冷却作用固体内部，あるいは流れのない（対流もない）流体内

一方，ノズル出口流速 2.7m/s で研削液を供給したと部の熱の移動を「熱伝導」と言い，流体と固体界面の熱きの，砥石と工作物の干渉領域内の熱伝達率を筆者の移動を「熱伝達」と言う．前者は，材料固有の物性値

らが測定した結果によれば，A60M8V，V =30m/s の条である「熱伝導率」に支配されるが，後者の支配因子で件で 110kW/(m2･K) 前後に達した．この値は，層流熱ある「熱伝達率」は，流体の熱伝導率の他に，伝熱面の伝達を仮定した場合の約 1.5 倍である．工作物表面か形状・寸法，流れの状態などの影響を強く受けるやっから 6mm 程度の厚さの水の層が乱流になることはまずいな値である．

ないが，この結果は，高速で通過する砥粒による研削

例えば，流れの中に置いた電熱線（例えば通電した液のかくはん作用が無視できないことを物語っている．

ニクロム線）の太さが限りなく細くなると，電熱線表面かつまり，冷却作用を高めるために表面に溝を刻んだ砥

らの熱伝達率は無限大に近づく．これは，電熱線近傍石や多気孔砥石を使うのは意味があるといえる．の流体の温度こう配が限りなく大きくなるからである．とはいえ，平面の平均的な熱伝達率を大まかに把握
2

４．切削油剤の種類と用途しておくことは無駄ではない．平均熱伝達率 [W/(m ･切削油剤（含む，研削油剤）は，不水溶性と水溶性K)] の概数は，流れている（強制対流下の）空気で 12に大別される．JIS K2241 ではこれらを表 2，表 3 のよう

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表 2 不水溶性切削油剤の種類に分けており，それぞれ次のような性質を有している．

N1 種

鉱油および／または脂肪油からなり，極圧添加剤を含まないもの

４．１ 不水溶性切削油剤

N2 種

N1 種の組成を主成分とし，極圧添加剤を含むもの[銅板腐食が 150℃で 2 未満（JIS-K2241，以下同じ）のもの]

N3 種

N1 種の組成を主成分とし，極圧添加剤を含むもの（硫黄系極圧添加剤を必須とし，銅板腐食が 100 ℃で 2 以下，150℃で 2 以上のもの）

N4 種

N1 種の組成を主成分とし，極圧添加剤を含むもの（硫黄系極圧添加剤を必須とし，銅板腐食が 100℃で 3 以上のもの）

N1 種は，極圧添加剤を含まないので環境に優しく，鋼の軽切削や非鉄金属の加工に広く用いられる．N2～4 種は N1 種を主成分に

表 3 水溶性切削油剤の種類

硫黄系の極圧剤を添加したもので，油剤の活性度によって区分されており，活性A1 種

鉱油や脂肪油など，水に溶けない成分と界面活性剤からなり，水に希釈すると乳白色になるもの

A2 種

界面活性剤など水に溶ける成分単独，または水に溶ける成分と鉱油や脂肪油など水に溶けない成分からなり，水に希釈すると半透明ないし透明になるもの

A3 種

水に溶ける成分からなり，水に希釈すると透明になるもの

備考：

A1 種～A3 種のいずれも塩素系極圧添加剤および亜硝酸塩を含有しない．

度の高いものは重切削や難削材の加工に用いられる．
４．２ 水溶性切削油剤
A1 種は，鉱油や脂肪油に界面活性剤が添加されており，10～20 倍の水に希削液を選定することが重要である． 表 4 に研削液の種釈して用いる．白濁することからエマルジョン・タイプ（乳類と特性および適応研削作業を示す．研削液の具体化形）と呼ばれる．安価で性能が良いことから，切削や的な選択例は，油剤メーカのホームページに掲載され研削に広く用いられる．ただし，他の水溶性油剤に比ているので，ここでは省略する．
研削液は図 2(a)に示すように，ノズルによって加工べると油の割合が高い分，冷却性能が低い．
A2 種は，鉱油を少なく，界面活性剤を多くしたもの点に供給するのが一般的であるが，砥石は高速で回で，洗浄性に優れている．40～80 倍の水に希釈して用転しているため，外周部に連れ回り空気層が生じ，研いるが，半透明または透明であるのでソリュブル・タイプ

削点（図では．砥石最下点）への研削液の到達を阻んと呼ばれる．

でいる．手軽な対策としては，ノズル出口高さを小さくA3 種は，水に溶解するため
ソリューション・タイプと呼ばれ

表 4･10 研削液の選定方法
表 4 研削液の種類と特性および適応研削作業ており，100～200 倍の水に希研削液の特性

倍率

冷却 性

洗浄 性

浸透 性種類

耐溶 着性

主に研削加工に用いられる．

潤滑 性

釈して用いる．冷却性能が高く，

A1 種

5～30○△○×△

金属類の研削，cBN ホイー
ルによる高能率研削

A2 種

20～150△△◎○○

精度が要求される研削A3 種

80～150××◎○×

能率が要求される研削，ダイヤモンドホイールによる研削

動粘度
10mm2/s未満

－

○

◎×

◎

◎

動粘度10mm2/s以上

－

◎◎

×

○

○

名称

A3 種では，防錆性を付与する希釈ためにホウ酸塩などの無機塩類が添加されており，近年ではる傾向があるが，潤滑性能に課水溶 性有機カルボン酸塩が使用され題がある．
を基剤としたシンセティックタイプのものが開発され，潤滑性能不水 溶性

そこで，水溶性合成潤滑剤の向上が図られている．

(N2～N4５．研削液の選定と供給法

種)

研削加工では，砥石と工作物そして加工条件に適した研適応研削作業

ねじ研削，歯車研削，工具研削など，目づまりや，研削焼け・割れを嫌い，精密さを要求される研削，cBNホイールによる軽研削※ 不水溶性の N1 種は，耐溶着性が○である他は，他の N 種にほぼ同じ．
※ 凡例： ◎ 優，○ 良，△ やや劣る，× 劣る

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直角ノズル
クーラント

(a) 市販ノズル(b) 出口高さ 3mm(c) 出口高さ 1mm

工作物

砥 石

図 2 各ノズルにおける削液供給状態の違い（流量 Q＝5L/min）
図 3 直角ノズルによる方法
して流速を上げることである［図 2(c)］．この方法によって，研削液を効果的に供給できるが，研削液の使用量を削減できることからも有用といえる．また，図 3 に示すように直角ノズルによって空気層を遮断しつつ研削液を砥石表面に巻き付かせる方法も効果がある．
一方，砥石周速度を非常に高くして加工の高能率化をはかる高速研削においては，高圧で研削液を供給する，ジェット注液が有効とされている．また通常の研削加工でも，切込みを大きくすると，砥石と工作物

図 4 円筒研削における環境に優しい研削液の干渉領域の工作物表面温度は容易に水の膜沸騰

供給方法の一例 1)温度（120℃程度）を上回り，冷却能力は急速に失われる．つまり，工作物表面が水蒸気で覆われ，熱伝達率は急減すると言われているが，ジェット注液には膜ずの排出に課題がある．一方，研削加工の場合には熱沸騰を抑制する効果が期待される．の影響が大きいことから，MQL への道のりは遠い．

近年，マシニングセンタに砥石を取り付けて研削す

図 4 は，ある工作機械メーカで開発された研削液供ることが行われている．この場合，砥石と工作物の相対給法の例 1) である．この方法では，地球環境に優しい位置の変化によって研削点が移動するから，ノズルの植物性油剤のミストを研削点に供給して潤滑を行い，位置や噴射方向を制御して，常に研削液が研削点に工作物の冷却には冷却効果の大きい水を使用する．

届くようにする必要がある．

潤滑作用と冷却作用を分離することによって，研削液の供給量を大幅に削減できるとともに，クーラントタンク

６．加工液使用量削減への努力の小形化や消費電力の削減効果もあるとされている．

大手自動車メーカの機械工場における消費エネル
ギの目的別使用割合を調べた結果によると，加工液７．おわりに関係（含む，廃液処理）が 5 割強に及ぶとされている．

研削加工では，熱による加工精度の低下，研削焼けつまり，地球環境保全の観点のみならず，加工コストや加工変質層の発生などの問題が生じやすい．上述削減のためにも，加工液の使用量削減が重要といえる．のように，研削液には摩擦熱の発生を抑制するとともに，近年では，加工液の使用量を最小限にしようとする発生した熱を排除する重要な役割がある．読者諸兄にMQL（minimum quantity lubrication）へのチャレンジがは，斬新な発想によって，より効果的な研削液の供給続いている．

法を編み出して頂きたい．研削液に関する詳細な情報

切削加工の分野では MQL が実用化されており，これをさらに推し進めたセミドライ加工の適用例がある．

が，http://www. juntsu.co.jp に公開されているのでごらん頂きたい．

セミドライ加工では，極めて少量の油剤しか使わないから，加工熱で油剤が蒸散し，工作物の洗浄の必要もないとされているものの，重切削における冷却や，切りく46＜参考文献＞
1)

向井良平，吉見隆行：環境対応研削加工技術，砥粒加工学会
誌，48，9（2004）483．

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