研究論文

油膜付水滴加工液を用いた高硬度材のエンドミル加工
河田圭一＊１、佐藤豊＊１、水野和康＊１

Performance of Oil Film on Water Fog Cutting Fluidin End-Milling of Hardened Die SteelKeiichi KAWATA, Yutaka SATO and Kazuyasu MIZUNO
Technical Consulting Division, AITEC * 1
油膜付水滴加工液を用いて、高硬度材を加工し、工具摩耗、切削抵抗、仕上げ面粗さについて調べた。
加 工 法 は 、 立 形 マ シ ニ ン グ セ ン タ に よ る ボ ー ル エ ン ド ミ ル 加 工 で 、 工 具 は 、 TiAlN コ ー テ ィ ン グ 工 具 で ある 。油 膜 付 水 滴 加 工 液 を 用 い た 実 験 の ほ か 、水 溶 性 切 削 液（ エ マ ル シ ョ ン ）、オ イ ル ミ ス ト お よ び 極 微 量 潤
滑法を用いた同様の実験を行い、その結果を比較した。油膜付水滴加工液および水溶性切削液を用いた場合、逃げ面境界部にチッピングが生じ、オイルミストを用いた場合よりもはやく工具寿命に達した。切削抵抗、仕上げ面粗さについては、切削液間の相違は小さかった。

１．はじめに切削はダウンカットである。−X 方向に１ライン加工さ環境に配慮した切削液として、油膜付水滴加工液（以れた後、＋Y 方向に一定ピッチ送られるので、斜面を下下 OoW: Oil Film on Water Fog）を用いた加工方法を継続から順に上へと加工される。被削材は冷間加工用の金型的に研究している。昨年度は、樹脂金型に使用されるプ材としてよく使用されるダイス鋼（大同特殊鋼 DC53、リハードン鋼の加工に応用し、油膜付水滴加工液が有効SKD11 相当）を使用した。焼き入れ焼きもどしを行い、であることを示した 。しかし、最近の金型加工は、コダイス鋼の硬さは HRC58 とした。

ストダウンと製作時間の短縮を目的に、従来放電加工や2.2 切削液の種類と供給法

１）

研削加工で製作されてきた HRC53 程度の高硬度材を切切削液の種類と供給法を表２に示す。OoW は、表に示削加工で加工する方法が採用されつつある 。さらに、す量の油と蒸留水から油膜付水滴を形成し、加工部に噴HRC60 程度の高硬度材についても検討され始め、加工工射するもので、油膜付水滴の形成と油膜の噴射に圧縮空２）具や加工法が模索されている段階にある。

３）、４）

そこで本年度は、OoW による HRC60 程度の高硬度材気を使用する。オイルミストは、OoW 供給装置を用いて、蒸留水の供給を止めたものである。水溶性切削液およびの加工への可能性を検討するためにボールエンドミルにMQL はマシニングセンタの付属装置を用いた。

よる切削加工を行った。従来の多量の水溶性切削液、オボールエンドミル

イルミストおよび環境対策技術として注目されている極微量潤滑法（以下 MQL: Minimal Quantity of Lubricant）を送りX用いて同様の加工実験を行い、OoW の性能と比較した。
工具摩耗のほか、切削抵抗や仕上げ面粗さについても検討した。

YZ
被削材

２．実験方法2.1 実験装置と加工法
20 度

本実験では、金型加工を想定し、立形マシニングセンタによるボールエンドミル加工を行った。加工方法を図１に示す。切削速度がほぼ 0m/min となる工具中心付近
では工具の摩耗状態が複雑となるので、その影響をさけるために、被削材を 20 度傾けて加工を行った。加工条件を表１に示す。−X 方向を工具の送り方向としたので、＊

1 技術支援部

機械電子室

傾斜用治具
圧電式抵抗計
図１

加工方法

表１

工具

加工条件

被削材

加工条件

超硬ボールエンドミル
TiAlN コーティング
径：R5
刃数：2 枚主軸回転数：6000 rpm
送り：1200 mm/min（0.1mm/刃）
600 mm/min（0.05mm/刃）
切込み：0.5 mm
ピックフィード：0.5 mm
DC53(SKD11 相当)
HRC58

表２切削液と供給条件

切削液

油剤

供給量

供給方法

OoW

合成エステル

油：10 ml/h
蒸留水：20 ml/min
空気：150 Nl/min

外部
ノズル

オイル
ミスト

合成エステル

油：10 ml/h
空気：150 Nl/min

外部ノズル

水溶性切削液エマルション

20 倍希釈液
7 l/min

外部ノズル

MQL

専用油

油：4ml/h
空気：150 Nl/min

センター
スルー

0.20

OoW、オイルミストおよび水溶性切削液は、外部からルー方式であるため、主軸内部を経由して、エンドミルを把持しているコレットの小さな開口部から、加工部に油剤が供給される。
2.3 工具摩耗、切削抵抗および仕上げ面粗さの測定
切削開始後、切削距離が 15m までは 5m 切削するごとに、それ以降は、切削距離が 15m 増すごとに工具摩耗量

逃げ面摩耗幅 (mm)

ノズルによって加工点に供給される。MQL はセンタース
0.150.10○ OoW◇ オイルミスト□ 水溶性切削液△ MQL0.05とチッピングを測定した。それと同時に、切削抵抗と仕上げ面粗さを測定した。
工具摩耗量は、逃げ面における摩耗幅を工具顕微鏡に0.00050より観察し、逃げ面摩耗量として評価した。併せて、チッピングなどによる工具欠損について観察した。

100150

切削距離 (m)図２

逃げ面摩耗幅

切削抵抗は、圧電式切削抵抗計により Fx、Fy、Fz の３成分を測定した。抵抗計も 20 度傾けられており、測定

水溶性切削液、MQL は途中で大きな欠損が発生し、加工される力の方向は図１に示した方向になる。の続行が不可能になった。なかでも水溶性切削液は、初仕上げ面粗さは触針式粗さ計により測定した。フィル期摩耗が急増するとともに、比較的早い時期に欠損が発ターはガウシアンフィルタ、カットオフは 0.8mm、評価生して工具寿命に達している。OoW は、水溶性切削液と長さは５カットオフとした。工具の送り方向（X 方向）よく似た挙動を示し、切削 90m で寿命となった。MQLおよび垂直方向であるピックフィード方向（Y 方向）のは、切削初期の摩耗では、オイルミストとほぼ同様であ２方向を測定した。それぞれ、５カ所ずつ測定し平均値るが、60m の切削距離で寿命となった。原因は不明であを比較に用いた。

るが、高速回転におけるセンタースルー方式では、加工３．実験結果および考察
3.1 送り 0.1mm/刃の場合3.1.1 逃げ面摩耗部に油剤が十分供給されていないことが推測される。
各条件で、工具が寿命に達したときの逃げ面の様子を図３に示す。オイルミストを使用した工具は、極端な欠高硬度材の切削加工では、工具の寿命は、逃げ面摩耗損が認められず、工具外周側に向かって逃げ面摩耗幅が幅とチッピングなどの工具欠損によって決まる。現在の漸増している。OoW と水溶性切削液を使用した工具は、ところ、工具寿命の実用的な目安は、150〜200m 程度と切削部分の右端の境界部分で、熱疲労による大きな欠損されている。今回の４種類の切削液による加工では、逃が見られる。これは、前年加工したプリハードン鋼で観げ面摩耗幅は、図２に示すように変化した。

察された状況と同じであるが、今回の被削材はプリハー

この条件では、オイルミストのみが正常摩耗の形態を示し、150m まで問題なく切削が可能であった。OoW、ドン鋼に比べ硬度が大きいため、切削距離が少ない時点で発生している。

水溶性切削液
水溶性（切削距離：45m）

OoW（切削距離：90m）

0.2

工具中心

工具外周

オイルミスト
（切削距離：150m）

MQL（切削距離：60m）

0.5mm

図３

逃げ面摩耗幅 (mm)

逃げ面

切削部分0.150.1○ OoW◇ オイルミスト□ 水溶性切削液△ MQL0.05

工具摩耗の状況

00100100150200

切削距離 (m)図５80

逃げ面摩耗幅

1006090804070○ OoW◇ オイルミスト□ 水溶性切削液△ MQL20

切削抵抗Fz (N)

切削抵抗 Fz (N)500050100150

切削距離 (m)図４

切削抵抗3.1.2 切削抵抗
各切削液について、切削抵抗 Fz の推移を図４に示す。

605040○ OoW◇ オイルミスト□ 水溶性切削液△ MQL

3020100050

オイルミストは摩耗と同様に漸増傾向を示す。他の３種

100150
切削距離 (mm)図６200

切削抵抗類の切削液では、初期抵抗値はオイルミストと同じであるが、切削距離が 30m を超えると上昇率が増加し、欠損図より OoW と水溶性切削液では、工具寿命の延長がが大きくなって、加工不能に至る。

認められた。OoW では 135m、水溶性切削液では 100m

3.1.3 仕上げ面粗さが工具の寿命となっている。MQL では、送りを下げた効各切削液について、定常状態（切削距離 30m から欠損の直前まで）における仕上げ面粗さを比較した。切削液

果は現れなかった。
3.2.2 切削抵抗による大きな違いは認められず、送り方向の仕上げ面粗送りが 0.05mm/刃における切削抵抗 Fz を図６に示す。

さは 0.8〜1.2μm、ピックフィード方向のそれは 6〜8全体として、送り 0.1mm/刃の場合と同様に、切削距離μm の範囲であった。

30m までの初期の増加率が大きく、それ以降は、増加率3.2 送り 0.05mm/刃の場合が低下し、曲線の傾きが小さくなる。切削抵抗が次第に3.2.1 工具の摩耗増加し、欠損が生じると抵抗が増加する場合と低下する

HRC58 の 硬 度 を 持 つ 被 削 材 に 対 し て 、 一 刃 あた り

場合があるが、これは欠損の形態の違いによるものと考

0.1mm の送りは過酷な条件と考えられるので、送りのみえられる。

を 1/2 の 0.05mm にして、同様な実験を行った。この条

3.2.3 仕上げ面粗さ

件での逃げ面摩耗幅の推移を図５に示す。

各切削液を用いたときの仕上げ面粗さは、送り 0.1mm/刃

220m/min
180m/min135m/min
80m/min
50m/min

0.30.2120

切削抵抗Fz (N)逃げ面摩耗幅(mm)0.25

1400.15
0.10.05100
8060220m/min
180m/min135m/min
80m/min
50m/min

4020000

図７50100

切削距離(m)

1500

逃げ面摩耗幅50100
切削距離 (m)
図８150

切削抵抗

における仕上げ面粗さと大差はなかった。

180m/min の場合に最も切削抵抗が低いことから、DC533.3 切削速度の影響を本実験条件で加工する場合、180m/min の切削速度が最3.3.1 逃げ面摩耗適と思われる。

OoW において切削速度を 50〜220m/min の範囲で変化４．結びさせ、逃げ面摩耗幅を測定した。図７にその結果を示す。

油膜付水滴加工液を用いて高硬度材を切削加工し、コ50〜180m/min の工具の逃げ面摩耗は、切削距離が増えるーティング工具の逃げ面摩耗、切削抵抗、仕上げ面粗さとともに増加した。しかし、切削速度の違いによる影響を検討した。高硬度材の加工では、水滴の冷却効果のたはほとんどあらわれなかった。一方、切削速度がめオイルミストを用いた場合に比べ、工具寿命は短くな220m/min と高速になると、工具摩耗幅は切削初期から大った。しかし、送りや切削速度を適正に選択することにきくかつ急激に増加し、すぐに切削が行えなくなった。

より、実用レベルに近い工具寿命になる。切削抵抗、仕3.3.2 切削抵抗

上げ面粗さには、オイルミストと差がなく、冷却が必要

図 ８ に 切 削 抵 抗 Fz の 測 定 結 果 を 示 す 。 切 削 速 度な高精度金型への適用が可能である。今後は、冷却効果

220m/min の場合、加工初期から明らかに他の切削速度よが有効な研削加工に適用し、油膜付水滴加工液の応用拡りも切削抵抗が高かった。このことが、他の切削速度の大を図っていく予定である。

文献

場合と異なり、加工初期に工具刃先を欠損させる原因になったものと推測できる。
切削速度 50m/min の場合、加工初期では他の切削速度

1) 河田ほか：愛知県産業技術研究所研究報告，1，33(2002)の場合とあまり大きく切削抵抗は変わらなかったが、切

2) 垣野ほか：精密工学会誌，66，730(2000)

削抵抗の上昇割合は最も大きくなった。

3) 小泉勇二：機械と工具別冊，104(1998)

切削速度ごとに切削抵抗を比較すると、切削速度

4) オーエスジカタログ 2002~2003,702(2002)