愛知県工業技術センター研究報告第３７号 （２００１）

環境に配慮した切削加工の研究〜油膜付水滴加工液を用いたエンドミル加工の加工精度〜
河田圭一＊１

佐藤豊＊１

水野和康＊１

栗田浩和＊２

Study on Cutting with Consideration to Environment‑ Accuracy of Milling with Oil film on Water fog Metalworking Fluid ‑Keiichi KAWATA、 Yutaka SATO、 Kazuyasu MIZUNO and Hirokazu KURITA

機械加工分野においても環境問題に対する意識の高まりから、環境を重視した様々な加工方法が研究されている。その１つに水滴の周りに油膜を付け加工点に供給する油膜付水滴加工液を用いた加工方法がある。この加工液は、1）少量の油剤で加工ができる、2）生分解性のある植物油を使用しているため廃液処理が簡単である、3）水滴による冷却効果が期待できるなどの利点があり、環境に配慮した加工方法として期待されている。
本研究は、この油膜付水滴加工液を用いたスクエアエンドミルによる切削加工を行い、製品加工工程で重要となる加工精度について検討した。加工はアルミニウム合金（A5052）と炭素鋼（S45C）について行った。実験では、多量の水溶性切削加工液を使用する従来法および環境に配慮した方法の１つである MQL 法との比較を行った。その結果は以下のとおりである。1）工作物の温度上昇は、水溶性加工液、油膜付水滴加工液、MQL の順に大きくなる。2）寸法誤差は、水溶性加工液、油膜付水滴加工液、MQL の順に大きくなるが、油膜付水滴加工液の誤差は水溶性とほぼ同等かわずかに大きい。3）加工液供給法の違いによる真円度、表面粗さの差は認められなかった。4）油膜付水滴加工液において、冷却性だけを考慮した場合油剤と水の混合比は 1:60 程度で十分である。これにより、油膜付水滴加工液による切削加工が環境に配慮した加工方法として有効であることがわかった。

１．はじめにするので、廃液処理も容易である。このため環境を考現在、切削加工においても環境に対する配慮が求め慮した加工方法として期待されている。また、水滴はられている。特に、水溶性加工液については廃油処理

油剤を運ぶ役割と加工物や工具を冷却する役割を果たのコストや作業者に対する健康上の問題から、これましている。

でのような多量な加工液を用いた加工の見直しが始ま本研究では、この油膜付水滴加工液を用いた切削加っている。そのため、環境を重視した様々な加工方法工特性を明らかにし、実用化の可否を検討した。本年が研究されている。例えば、加工液を使用しないドラ

度は、マシニングセンタによるスクエアエンドミル加イ加工、加工点に冷風を供給して切削を行う冷風加工、工を行い、主として加工精度について調べた。従来法

微量の植物油をミスト状にして加工点に供給する極微である水溶性加工液（エマルジョン）を用いた加工お量潤滑法（以下 MQL と記す: Minimal Quantities of

よび MQL による加工との比較を行った。

Lubricant）などがある。

２．実験方法その中で、名古屋工業大学において油膜付水滴加工液を用いた加工方法１ ）、２）、３）が新たに提案された。こ水滴の方法は図１に示すように、水滴表面に油膜の張った水滴を加工液として圧縮空気により加工点に供給するものである。このため、活性の高い加工表面および工具表面に油剤が最初に到達して潤滑を得ることができる。油膜は、数分子程度の厚さで、加工点に的確に供給されるので、少量の油剤で十分な潤滑効果が期待できる。また、油剤として生分解性のある植物油を使用
*1

機械電子部

油膜（植物油）加工物、工具*2 名古屋工業大学大学院生

図１ 油膜付水滴加工液の概略図

愛知県工業技術センター研究報告

２．１

第３７号 （２００１）

加工方法

表１

加工精度を調べるために、図２に示すような形状を、角材からスクエアエンドミルを用いて削りだした。被削材にはアルミニウム合金（A5052）と炭素鋼（S45C）を用いた。使用した工具の仕様を表１に示す。加工は、熱変形抑制装置を持つ立形マシニングセンタ（YBM640V）を用いて行った。マシニングセンタは外部使用工具
被削材

工具種類

アルミニウム合金超硬ソリッドスクエアエンドミル
2枚刃（A5052)
AlTiNコーティング
炭素鋼
超硬ソリッドスクエアエンドミル(S45C)
4枚刃

からの熱の影響を避けるために 20±1℃の恒温室に設置してある。
図３に加工手順を示す。図中の点線は主軸中心の加100

表２

加工条件

主軸回転数8000rpm

ピッチ 指令値 502400mm/min
A5052:0.15 mm/刃S45C :0.075mm/刃

50送り

直径 指令値 26.2
円柱B

円柱A

(切削速度：251m/min）

突出し量

18mm

軸方向切込み14.3mm

半径方向切込み

0.5mm

高さ指令値 14.3
表３

加工液吐出量22

加工方法
油膜付水滴加工液

熱電対

熱電対
図２

水 溶 性
加 工 液

加工形状

MQL

吐出量10mL/h ：油剤（S‑35）
20mL/min：水300NL/min：空気
7 L/min：油剤エマルジョンタイプ
（EZ‑20）20倍希釈
4mL/h：油剤（BL‑1）

加工経路（一部抜粋）
工経路である。まず（a）の工程で、外周を切削し、直方体とした。次いで（b）の工程で、図の経路に示したように中央を円弧状に連続的に削り取り、２つの直方体を形成した。最後に（c）と（d）の行程で直方体の（a） 外周部の切削（b） 四角柱の作成

外周を円弧切削し、２本の円柱を完成させた。加工は、エンドミルの刃全体を使用し、低切込み、高送りで行った。加工条件を表２に示す。

円柱A

円柱B

図４に油膜付水滴加工液供給装置を示す。水はポンプにより加圧されノズルに送られる。油剤は、一定時（c） 円柱Aの作成
図３（d） 円柱Bの作成

間ごとに 0.03mL づつ供給され、空気によって搬送される。ノズル内部で油膜付水滴が生成され加工点に供給加工手順（上方図）される。従来法で使用する水溶性加工液はマシニングセンタ付属の装置を用いてノズルから加工点に供給さ油剤吐出タイマーれる。MQL 装置もマシニングセンタ付属の装置を用い油剤タンクた。この装置はセンタースルー方式なので、ミスト化

工具

した油剤は、主軸内部をとおり、コレットに設けられ加工物
水タンク ホース

（a）本体
図４

空気流量計

た穴から加工点に供給される。表３にそれぞれの加工ノズル（b）ノズル
油膜付水滴加工液供給装置

液供給方法における加工液と吐出量を示す。

２．２

加工精度の測定方法

愛知県工業技術センター研究報告第３７号 （２００１）

寸法精度は、２つの円柱のピッチ、直径および高さ〜（d）の温度は、図３の加工手順（a）〜（d）に対応で評価することにし、三次元測定機により測定をした。

している。加工中の最高温度はいずれの加工液でも、仕上面粗さは表面粗さ測定機を用いて円筒面を測定し熱電対が挿入されている円柱を加工している場合に生た。真円度は真円度測定機を用いて測定した。精度変じた。温度上昇がもっとも小さいのは、当然ながら、化をもたらす加工物の温度上昇は、円柱の中心部に挿水溶性加工液を多量にかけた場合で、約 4℃であった。

入した熱電対（T タイプ）により測定した。

油膜付水滴加工液は約 9℃、MQL は約 17℃となった。
油膜付水滴加工液は加工開始時の温度が 18℃である

３．実験結果及び考察

から、精度測定温度 20℃に対しては約 7℃の温度上昇

３．１となる。温度変化の測定から、油膜付水滴加工液は少アルミニウム合金の加 工特性

３．１．１

加工時の温度変化量の水を使用することにより、顕著な冷却効果を発揮

円柱中心部の温度は加工開始から終了まで、図５にすることがわかる。円柱 B を加工しているときの円柱示すように変化した。太線は円柱 A に挿入した熱電対、A の温度について注目すると、油膜付水滴加工液およ細線は円柱 B に挿入した熱電対で測定した温度である。 び水溶性加工液の場合、約 20℃に戻っている。しかし、加工前に、加工液を約５分間吐出し、加工物の温度がMQL の場合、約 25℃であるので、加工終了時の加工物定常状態になってから加工を開始した。水溶性加工液全体の温度は 25℃を超えているものと推定できる。こと MQL の場合、加工物温度は室温と同じ 20℃から始まのことから MQL は、油膜付水滴加工液や水溶性加工液っているが、油膜付水滴加工液の場合、細かい水滴のに比べ冷却性が劣ることがわかる。

40(a)

(b)

(c)

(d)

30

油膜付水滴10円柱A

円柱B

00100200
加工時間 (s)300

円柱内部温度(℃)（a） 油膜付水滴加工液
円柱A2010100200
加工時間 （ｓ）

A5052（a） 円柱直径の寸法誤差

300（b） 水溶性加工液

油膜付水滴水溶性MQL0.000-0.005-0.010-0.015

A5052-0.020（b） 円柱ピッチの寸法誤差

50円柱A

高さの寸法誤差 (mm)(℃)

-0.015円柱B0円柱内部温度-0.010-0.020300MQL-0.0055040

水溶性0.000

直径の寸法誤差 (mm)20

ピッチの寸法誤差 (mm)

円柱内部温度(℃）

気化熱のため、約 18℃から始まっている。図中の（a）
5040
3020
円柱B

1000100200
加工時間 （ｓ）（c） MQL
図５ 円柱内部温度変化

300

0.020

A5052
0.015
0.010
0.005
0.000
油膜付水滴

水溶性（c） 円柱高さの寸法誤差
図６ 寸法誤差の比較

MQL愛知県工業技術センター研究報告第３７号 （２００１）

1070

8

円柱B
S45C

（℃）

60

6

円柱内部の温度真円度（μm）

A5052

420
油膜付水滴

水溶性

MQL

図７ 真円度の比較

MQL5040302000100
加工時間（μm）

0.5

仕上面粗さRa

水溶性

油膜付水滴

10

図９A50520.4200（ｓ）

300

温度変化の比較

置で切り残しが存在したのでその部分は除外して評価を行った。いずれの加工液も真円度は 6〜7μm となり、0.3加工液の違いによる影響は見られなかった。
0.2

図８に仕上面粗さの測定結果を示す。MQL が他に比0.1

べ少し小さな値を示しているが、その差は小さく、真円度と同様、加工液の違いによる影響は見られなかっ0た。以上のことから、油膜付水滴加工液は、形状精度、
油膜付水滴
水溶性
図８ 仕上面粗さの比較

３．１．２

MQL

寸法精度

エンドミル加工において、寸法精度に影響を及ぼす

仕上面粗さについて、従来法と同等の性能を持つことが確認できた。

３．２

炭素鋼の加工特性

３．２．１

加工時の温度変化

原因は様々であるが、恒温室に設置した高精度マシニ

図９に円柱 B の中心部の温度変化を示す。アルミニ

ングセンタで被削性のよい材料を軽切削する本実験でウム合金の加工の場合と同様、水溶性加工液を用いたは、加工時における加工物と工具の温度上昇が支配的場合が最も冷却効果が大きく、温度上昇は約 8℃であと考えられる。温度が上昇した状態で指令値どおり加った。油膜付水滴加工液では約 24℃、MQL では約 46℃工された工作物は、室温に戻ったときには収縮するのであった。炭素鋼はアルミニウム合金に比べ加工熱がで、指令値に対して円柱の直径とピッチでは減少、高高いため温度上昇は大きくなったが、各加工液の冷却さは増加として現れる。一方、工具の温度上昇は、工効果の比率はアルミニウム合金とほぼ等しくなった。

具長さ、工具径を増加させるので、円柱の直径の減少

円柱 B を加工しているときの円柱 A の温度は、アルミと円柱高さの増加として現れる。

ニウム合金の場合と同様、油膜付水滴加工液および水エンドミル加工における寸法誤差が加工誤差に比べ溶性加工液では約 20℃まで冷却された。しかし、MQLて有意かどうかを判定するため、同一条件で加工液ごでは約 29℃であり、冷却効果の少ないことが再確認でとに繰り返し５回の加工を行った。寸法のばらつきは、

きた。

直径、ピッチ、高さとも３μm 以内であり、極めて再３．２．２

現性のよい加工が可能であることがわかった。

寸法精度

図１０に寸法精度を加工液ごとに比較した結果を示

図６はアルミニウム合金を各加工液により加工したす。アルミニウム合金の場合と同様、いずれの寸法誤ときの寸法誤差を示したものである。いずれの寸法誤差も MQL が最も大きく、油膜付水滴加工液は水溶性加差も MQL がもっとも大きく、油膜付水滴加工液は水溶工液より若干大きい値を示した。炭素鋼の場合、直径性加工液と同等か少し大きい値を示した。これは、温および高さにおいて、MQL による加工が他の加工方法度変化の傾向と一致している。

よりも大きな寸法誤差となった。これは、MQL の冷却３．１．３

性が低いため、工具温度が上昇し、工具の熱膨張が大真円度および仕上面粗さ

図７に真円度の測定結果を示す。円柱の加工開始位きかったためと思われる。

愛知県工業技術センター研究報告

３．３

油膜付水滴加工液における水の冷却効果

20

油膜付水滴加工液による加工において、水の量がど

S45C
油剤:10mL/h
空気:300NL/min

部の温度上昇を図１１に示す。図から、水を加えない
場合、冷却効果は小さく円柱内部の温度は約 12℃上昇した。一方、10mL/min の水を供給すると、内部温度上上昇温度せた。被削材はアルミニウム合金である。その円柱内(℃)の程度冷却効果に影響しているかを調べるために、油剤および空気の流量を一定にして水の供給量を変化さ

第３７号 （２００１）

15
105

昇は約 7℃に減少し、冷却効果が大きく向上することがわかる。しかし、水の供給量を 50mL/min まで増加さ0せても、冷却効果はほとんど向上しない。これから、

020
40
水流量 (mL/min)

油剤流量 10mL/h、空気流量 300NL/min の条件では、油剤と水の混合比は 1:60 で十分な冷却効果が得られる

60

図１１ 円柱内部の上昇温度の変化ことがわかった。

直径の寸法誤差

(mm)

油膜付水滴

水溶性

MQL

0.000

ドミル加工を行い、加工液供給法と加工精度の関連に-0.010

ついて調べた結果、油膜付水滴加工液を用いた加工で、-0.015

従来法による加工に近い加工精度が得られた。このこ-0.020-0.030とから、従来法に比べ少ない量の油剤と水で加工がでS45Cきる油膜付水滴加工液の切削加工が、環境に配慮した加工方法として有効であることがわかった。

ピッチの寸法誤差(mm)（a） 円柱直径の寸法誤差
油膜付水滴

水溶性

今後は、製品コストに直結する工具摩耗についてもMQL(mm)調べていく予定である。

0.000-0.005

謝辞-0.010

本研究は内藤科学技術振興財団の助成を受けて行い-0.015ました。記して感謝します。

-0.020-0.025-0.030

参考文献

S45C

1)中村隆ほか：1999 年度精密工学会春季大会学術講演
会講演論文集、550(1999)（b） 円柱ピッチの寸法誤差

高さの寸法誤差び

アルミニウム合金（A5052）と炭素鋼（S45C）のエン-0.005-0.025

４．結

0.030
0.025

2)中村隆ほか：1999 年度精密工学会秋季大会学術講演
S45C

会講演論文集、89(1999)
3)中村隆ほか：日本トライボロジー学会トライボロジ

0.020

ー会議予稿集（高松 1999‑10）、279(1999)

0.015
0.010
0.005
0.000
油膜付水滴

水溶性（c） 円柱高さの寸法誤差
図１０ 寸法誤差の比較

MQL