JP2005314539A - 機械加工用切削油剤及びこれを用いた機械加工時の冷却・均温性向上方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 潤滑性能に優れしかも冷却性能の高い機械加工用切削油剤及びこれを用いた機械加工時の冷却・均温性向上方法を提供する。
【解決手段】 切削油剤に、加工部１４の温度近傍で固−液相変化する相変化物質を混入した機械加工用切削油剤Ｏを用い、これを加工部１４に供給し、相変化物質の融解潜熱により、加工部１４で発生する熱を除熱する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、機械加工における研削や切削時に使用する切削油剤に係り、特に機械加工時の冷却性と潤滑性を向上できる切削油剤及びこれを用いた機械加工時の冷却・均温性向上方法に関するものである。

従来、機械加工時に使用される切削油剤は、原液のまま使用する不水溶性切削油剤と、水で希釈して使用する水溶性切削油剤とに大別される。

不水溶性切削油剤は、潤滑性に優れ、刃持ちがよいといった強みがあるが、可燃性で夜間の無人運転に使用が困難であり、洗浄性が悪く、加工中の冷却性能が悪く、べたつきやスベリといった作業性の悪さといった弱点をもつ。

水溶性の切削油剤は、原液を水で薄めて使用するため、非可燃性で、水や圧縮空気を用いて簡単に洗浄でき、水による冷却効果に優れ、界面活性剤による浸透性が強みである。反面、潤滑性が悪く、重切削などに不向きである弱点をもつ。

この水溶性の切削油剤を使用する場合は、使用前に切削油剤原液を水で希釈するが、希釈する割合によって、例えば、切削油剤原料液比率が高ければ潤滑性が上がるが、冷却性能が落ち、切削油剤原料液比率が低ければ、冷却性能が上がるものの潤滑性が損なわれる。

特開平９−１３０６９号公報 特開２００３−１３６３６６号公報

このように、従来の切削油剤は、潤滑性と洗浄冷却性の両方の性能を保持することはできなかった。

また、仕上げ加工の旋削、転削、研削などを行う際には、加工部材の加工精度を上げるために、計測標準温度である２０℃に均温化する必要がある。例えば研削を行う場合、発熱量が高く、部材の均温性を保つためには、毎分数十Ｌの大量の切削油剤を循環し、また切削油剤槽が数千〜数万Ｌ必要である場合が多い。

本発明の目的は、潤滑性能に優れしかも冷却性能の高い機械加工用切削油剤及びこれを用いた機械加工時の冷却・均温性向上方法を提供することにある。

上記の目的を達成するために請求項１の発明は、切削油剤に、加工部の温度近傍で固−液相変化する相変化物質を混入した機械加工用切削油剤である。

請求項２の発明は、不水溶性切削油剤に、加工部の温度近傍で固−液相変化する相変化物質を混入した機械加工用切削油剤である。

請求項３の発明は、相変化物質として、油性のヘキサデカン、ペンタデカンを用いた請求項２記載の機械加工用切削油剤である。

請求項４の発明は、水溶性切削油剤に、加工部の温度近傍で固−液相変化する相変化物質を乳液状、ゲル状にして混入した機械加工用切削油剤である。

請求項５の発明は、相変化物質として、ヘキサデカン、ペンタデカンなどの油を乳化させて水溶性切削油剤に混入する請求項４記載の機械加工用切削油剤である。

請求項６の発明は、相変化物質の粒径が、１０μｍ以下である請求項４又は５記載の機械加工用切削油剤である。

請求項７の発明は、水溶性切削油剤に、相変化物質を、その濃度が、２５〜４５ｗｔ％、好ましくは約３０ｗｔ％となるよう混入した請求項４〜６いずれかに記載の機械加工用切削油剤である。

請求項８の発明は、不水溶性或いは水溶性切削油剤に、相変化物質を混入して機械加工用切削油剤とし、その機械加工用切削油剤を、相変化物質の相変化温度以下にして切削加工部に供給して切削加工部の温度を、相変化温度±１℃以内に均温化するようにした機械加工時の冷却・均温性向上方法である。

本発明は、次のような効果を奏する。
（１）相変化を利用することで、加工部を除いた部材全体を±１℃の均温性を保つことができる。
（２）±１℃の均温性を保つことで、加工部材の熱膨張を抑制でき、機械加工時の寸法精度を向上させることができる。
（３）切削油剤が固液二相流になることで、熱伝達率を上げ、工具の除熱降下を上げることができ、工具の軟化防止が可能になり、工具の寿命の延長が図れる。
（４）切り屑が少ない加工を行う場合は、熱密度が上がっているため、循環量を減らすことができる。
（５）循環量を減らすことで、ポンプ動力を削減できる。
（６）冷却効果が高いので切削油剤の使用量を減らすことができる。
（７）固液二相流のため、熱伝達率が上がり、冷凍機などの熱交換器の伝熱面積を減らすことができるので、装置をコンパクト化することができる。
（８）原液を希釈する水の割合を減らすことができるため、潤滑性能が向上すると共に錆止め等メンテナンスが不要となる。
（９）希釈水の使用量を減らすことで、各種イオン（塩素、硫酸、カルシウム、マグネシウムなど）を反応させて除去する場合、試薬量を減らすことができ、メンテナンスが容易となる。
（１０）油分割合を高くできるため、油分を分離しやすくなり、リサイクルが可能となる。
（１１）廃却量を減らすことができ、環境負荷を下げることができる。

以下本発明の実施形態を説明する。

本発明は、切削油剤に、固−液相変化する相変化物質を混入したものである。切削油剤としては、不水溶性切削油剤、水溶性切削油剤の双方を使用することができる。

不水溶性切削油剤としては、非鉄金属、鋳鉄加工に使用される硫黄非含有タイプ（Ｎ１種）、鋼の一般切削加工に使用される極圧添加剤含有タイプ（Ｎ２種）、鋼、難削材の切削加工に使用される硫黄系極圧添加剤含有タイプ（Ｎ３種（不活性タイプ）・Ｎ４種（活性タイプ））のいずれも使用でき、水溶性切削油剤としては、非鉄、鋳鉄、鋼の切削、研削加工に使用されるエマルジョンタイプ（Ａ１）、非鉄、鋳鉄の切削加工、鋼の切削、研削加工に使用されるソリューブルタイプ（Ａ２種）、鋼の切削、研削加工に使用されるソリューションタイプ（Ａ３種）のいずれも使用できる。

Ａ１種は、水で希釈すると白濁したエマルジョン（粒子径０．１〜数μｍ）となり、Ａ２種は、水で希釈すると半透明若しくは透明液（粒子径０．１μｍ以下）となり、Ａ３種は水で希釈すると透明液となる。

切削油剤への相変化物質の混入は、乳化した相変化物質を、濃度が２５〜４５ｗｔ％となるよう添加し、これを攪拌機で相変化物質の粒径が０．１〜１０μｍとなるようにする。

この場合、不水溶性切削油剤を用いるときは、相変化物質を適宜界面活性剤を用いて直接混入し、水溶性切削油剤に混入する場合には、水溶性切削油剤の原液を、水で１０〜数１０倍に希釈し、その希釈した水溶性切削油剤に、相変化物質を水に界面活性剤を用いて分散させて乳化或いはゲル状にした濃度が４０〜６０ｗｔ％の乳液蓄熱剤を混入した後、撹拌して機械加工用切削油剤とする。

相変化物質としては、以下のようなものがある。

物質名 分子式 融点（℃） 融解潜熱(cal/g)
トリアコンタン Ｃ₃₀Ｈ₆₂ ６５．４ ２５１
オクタコサン Ｃ₂₈Ｈ₅₈ ６１．４ １６４
へプタコサン Ｃ₂₇Ｈ₅₆ ５９．５ １５９
ヘキサコサン Ｃ₂₆Ｈ₅₄ ５６．３ １６２
テトラコサン Ｃ₂₄Ｈ₅₀ ５０．６ １６２
ドコサン Ｃ₂₂Ｈ₄₆ ４４ １５７
ヘネイコサン Ｃ₂₁Ｈ₄₄ ４０．５ １６１
エイコサン Ｃ₂₀Ｈ₄₂ ３６．４ ２４７
ノナデカン Ｃ₁₉Ｈ₄₀ ３２．１ １７１
オクタデカン Ｃ₁₈Ｈ₃₈ ２８．２ ２４３
ペプタデカン Ｃ₁₇Ｈ₃₆ ２２
ヘキサデカン Ｃ₁₆Ｈ₃₄ １８．２ ２２８．８
ペンタデカン Ｃ₁₅Ｈ₃₂ １０ １６３．８
テトラデカン Ｃ₁₄Ｈ₃₀ ５．８ ２２９．８
トリデカン Ｃ₁₃Ｈ₂₈ −５．４
ドデカン Ｃ₁₂Ｈ₂₆ −９．６ ２１０
本発明においては、機械加工を行う際の加工部の温度に応じて上記の相変化物質のいずれでも使用できるが、例えば、計測標準温度２０℃で機械加工を行う場合には、オクタデカン、へプタデカン、ヘキサデカンを使用するが、高融点のものと低融点のものの二種類を混合して使用することもできる。

この相変化物質からなる乳液蓄熱剤は、（１）切削部へ浸透しやすいように、油の重量％濃度が４０ｗｔ％の場合で粘度５０ｍＰａ・ｓ以下とする。（２）流体の見かけの粘度が上がらないようにするため、油の粒子径は１０μｍ以下とする。（３）粘度と潜熱量のバランスを考え、油の濃度（重量％）は、１０ｗｔ％以上とする。

不水溶性切削油剤への相変化物質の混入は、直接混入し、水溶性切削油剤への相変化物質の混入は、水溶性切削油剤を水で１０〜数１０倍に希釈し、予め水と界面活性剤で相変化物質を乳化させた乳液蓄熱剤を２４〜４５ｗｔ％の濃度、好ましくは３０ｗｔ％濃度となるように混入して機械加工用切削油剤とする。

また不水溶性切削油剤へ混入する相変化物質としては、油性のヘキサデカンやへプタデカンが好ましく、水溶性切削油剤へ混入する相変化物質としては、ヘキサデカンやへプタデカンを乳化したものが好ましい。

図４は、水で２０倍に薄めた水溶性切削油剤、水で２０倍に薄めた水溶性切削油剤に乳液蓄熱剤を１０ｗｔ％、２０ｗｔ％、３０ｗｔ％の濃度となるように混入した機械加工用切削油剤をそれぞれ同量ずつ加工部に滴下したときの、温度上昇（Ｋ）に対する除熱量の関係を示したもので、説明を簡便にするために、設定除熱量を１００％とし、その熱量に対して０〜２００％の値で表している。

図４において、単に水で薄めた機械加工用切削油剤では、例えば温度が２Ｋ上昇したときには、約４０％の除熱量しかないが、１０ｗｔ％の濃度では８０％、２０ｗｔ％濃度では９０％、２０ｗｔ％濃度では１４０％、３０ｗｔ％濃度では１９０％の除熱量が得られる。

以上において、本発明は、機械加工における研削や切削時に使用する切削油剤として潤滑性を重視した不水溶性切削油剤と冷却性を重視した水溶性切削油剤とがあるが、これら切削油剤に相変化物質を混入させることで、冷却性能を向上でき、不水溶性切削油剤では、潤滑性を保ちながら冷却性能を向上でき、また水溶性切削油剤では、水による希釈量を少なくして潤滑性能を向上させ、しかも冷却性能を落さずに、さらに向上させることができる。

以下、本発明の実施例を説明する。

図１は、常温で切削加工するときの機械加工時の機械加工用切削油剤の供給例を示したものである。

図１において、作業台１０上の加工部材１１をエンドミル１２で切削加工している際に、循環ライン１３より、本発明の機械加工用切削油Ｏを、その加工部１４に滴下するようにしたものである。

切削後の切り屑１５は、ベルトコンベア１６で受けられて切削屑カゴ１７に回収され、機械加工用切削油Ｏは油槽１８で受けられて、貯槽部１９ａに流れ、フィルタ２０で濾過され、循環ポンプ２１より循環ライン１３にて繰り返し加工部１４に供給されるようになっている。

この図１においては、切削加工時の温度が、例えば２０℃であれば、融点が２０℃以上の相変化物質を切削油剤を混入することで、供給時には、相変化物質は、切削油剤中に固相となって加工部１４に供給され、加工部１４で発生する熱をその融解潜熱で除熱する。この場合、融解潜熱で加工部１４から発生する熱を全て除熱するようにすれば加工部１４の温度は相変化物質の融点温度に保持することができる。加工部１４で液相になった相変化物質は、油槽１８から貯槽部１９に戻る間に、自然放熱により固相に相変化して再度循環されるようになっている。

図２は、貯槽部１９ｂを冷却加熱循環装置２２で、相変化物質設定の温度を制御するようにしたものである。

本例では、貯槽部１９ｂの温度を一定にすることで、加工部１４での温度変化の変動をより少なくすることが可能となる。

図３は、冷水循環装置２３とプレートフィン形熱交換器からなる均温化装置２４にて貯槽部１９ｃを設定の温度に保ち、さらに循環ライン１３に供給する機械加工用切削油剤Ｏの温度を相変化物質の融点以下に保つて供給するようにした例を示している。

本例においては、加工部１４に供給する機械加工用切削油剤Ｏの温度を正確に制御できるため、加工部１４の温度をより均温化することが可能となる。

本発明の機械加工用切削油剤を用いて機械加工する際の機械加工用切削油剤の供給・循環の実施例を示す図である。 本発明の機械加工用切削油剤を用いて機械加工する際の機械加工用切削油剤の供給・循環の他の実施例を示す図である。 本発明の機械加工用切削油剤を用いて機械加工する際の機械加工用切削油剤の供給・循環の他の実施例を示す図である。 本発明において、相変化物質の濃度変化における除熱量と温度上昇の関係を示す図である。

符号の説明

１１ 加工部材
１３ 循環ライン
１４ 加工部
Ｏ 機械加工用切削油剤

Claims (8)

1. 切削油剤に、加工部の温度近傍で固−液相変化する相変化物質を混入したことを特徴とする機械加工用切削油剤。
2. 不水溶性切削油剤に、加工部の温度近傍で固−液相変化する相変化物質を混入したことを特徴とする機械加工用切削油剤。
3. 相変化物質として、油性のヘキサデカン、ペンタデカンを用いた請求項２記載の機械加工用切削油剤。
4. 水溶性切削油剤に、加工部の温度近傍で固−液相変化する相変化物質を乳液状、ゲル状にして混入したことを特徴とする機械加工用切削油剤。
5. 相変化物質として、ヘキサデカン、ペンタデカンなどの油を乳化させて水溶性切削油剤に混入する請求項４記載の機械加工用切削油剤。
6. 相変化物質の粒径が、１０μｍ以下である請求項４又は５記載の機械加工用切削油剤。
7. 水溶性切削油剤に、相変化物質を、その濃度が、２５〜４５ｗｔ％、好ましくは約３０ｗｔ％となるよう混入した請求項４〜６いずれかに記載の機械加工用切削油剤。
8. 不水溶性或いは水溶性切削油剤に、相変化物質を混入して機械加工用切削油剤とし、その機械加工用切削油剤を、相変化物質の相変化温度以下にして切削加工部に供給して切削加工部の温度を、相変化温度±１℃以内に均温化することを特徴とする機械加工時の冷却・均温性向上方法。
   

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