JP2009045715A - 高圧クーラントを用いた切削加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】切削速度を高めた高能率切削加工や難削材の切削加工などを工具寿命の低下を抑えて行えるようにすることを課題としている。
【解決手段】刃先の少なくとも切削に関与する部分が熱伝導率１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の刃具材料、例えば、ｃＢＮ焼結体２ｃやダイヤモンド焼結体で形成された切削工具２を用いてこの工具の刃先を吐出圧力２〜８ＭＰａの高圧クーラント４で冷却しながら被削材１を切削加工するようにした。
【選択図】図１

Description

この発明は、旋削加工やミーリング加工などの切削加工を工具寿命の低下を抑えて行えるようにした高圧クーラントを用いた切削加工方法に関する。

一般的に切削は、クーラント（切削液）を用いないドライ加工や、クーラントを刃先にかけて刃先を冷却しながら切削する湿式加工がある。

工具刃先にクーラントを噴射して刃先を冷却する加工方法は、下記特許文献１〜３などに開示されている。さらに、冷却のほかに切屑処理性の向上などを目的として高圧クーラント供給による加工法なども開発されてきた。

さらに、ｃＢＮ（立方晶窒化硼素）工具やＰＣＤ（焼結ダイヤモンド）工具を使用してクーラント噴射圧を３０ＭＰａの超高圧にする実験も行われている（下記非特許文献１，２参照）。
特開平１１−２３０２２１号公報 特開２００５−２７１２０１号公報 特開２００７−７５９３３号公報 精密工学会誌 Vol.61,No,7,1955 砥粒加工学会誌 Vol.48,No,3,2004 MAR.153-158

切削加工、中でも、加工速度を上げた高能率切削加工では特に、加工中に発生した熱が刃先に篭り、それによる温度上昇によって工具の強度が低下し、それが原因で刃先の摩耗や工具逃げ面の摩耗が進行して工具寿命が低下し易い。
この問題に対し、クーラントによる通常の冷却を行うだけでは刃先の保護が十分でなく、加工時の熱による工具寿命の低下を抑えることができない。

一方、上記非特許文献２では、クーラントを３０ＭＰａの高圧で供給した加工において特に工具寿命が長くなった旨の報告がなされている。しかしながら、そのような条件での加工もいくつかの問題を含んでおり、実用面からは更なる改善が望まれる。

非特許文献２が開示している加工法は、摩耗が十分に進行していない段階で境界欠損（切れ刃境界部の欠損）が生じて工具寿命が思ったほど高まらないことがある。これに加えて、クーラント供給設備が特殊になり、クーラント吐出圧力が１０ＭＰａ未満の既存のクーラント供給設備を使用できないなどの問題や、３０ＭＰａもの高圧で供給したクーラントは周囲に飛散して良好な作業環境の維持が難しくなるなどの問題もある。

この発明は、切削速度を高めた高能率切削加工や難削材の加工などを前掲の非特許文献２が開示している切削加工法に勝る切削工具の寿命向上効果を得ながら可能ならしめることを課題としている。

上記の課題を解決するため、この発明においては、刃先の少なくとも切削に関与する部分が熱伝導率１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の刃具材料で形成された切削工具を用いてその切削工具の刃先を吐出圧力２〜８ＭＰａの高圧クーラントで冷却しながら被削材を加工するようにした。
切削加工の形態は、旋削、ミーリングを問わない。高圧クーラントによる刃先の冷却は、すくい面側から行うと冷却の効果が高い。すくい面は切屑の擦過が起こるのですくい面側を優先的に冷却するとよい。

使用する切削工具は、ｃＢＮ工具に限定されない。ＰＣＤ工具でもよいが、鉄系材料の加工にはＰＣＤ工具は適していないのでｃＢＮ工具を使用するとよい。ＰＣＤ工具、ｃＢＮ工具のどちらも、切削に関与する部分の熱伝導率については１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の条件を満たすものを使用する。

この方法で用いる切削工具は、刃先の少なくとも切削に関与する部分が熱伝導率２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の刃具材料で形成されたものが好ましい。また、高圧クーラントの吐出圧力は、５〜７ＭＰａ程度が好ましい。

この方法は、低熱伝導率の被削材、中でも、熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の被削材の加工に適用すると特に顕著な効果を期待できる。熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の被削材の具体例としては、チタン合金、純チタン、Ｎｉ基合金、ステンレス鋼などがある。

なお、工具刃先の熱伝導率は、レーザフラッシュ法等で測定することができる。

従来は、使用する工具は熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋに満たない超硬合金を材質としたものなどでもよいと考えており、クーラントの吐出圧力と工具の切削に関与する部分の熱伝導率の関係については注目されてこなかった。この発明は、その２つが工具の寿命を大きく左右することを見出して完成させたものである。
この発明では、刃先の少なくとも切削に関与する部分が熱伝導率１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の材料で形成された放熱性の良い切削工具を使用するので、刃先に熱が篭り難い。また、高圧クーラントで刃先を冷却しながら加工を行うので冷却効果も高まり、そのために、切削熱による刃先の温度上昇が抑えられる。さらに、クーラントの吐出圧力を２〜８ＭＰａに設定したことによって不足のない冷却効果を得ながら境界欠損を抑制することが可能になる。

ここで、前掲の非特許文献２が開示している加工方法は、刃先の熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上ある高含有ｃＢＮ材質工具を採用しており、工具自体の放熱特性はこの発明の加工方法と優位差がない。しかしながら、この非特許文献２の加工方法では３０ＭＰａもの高圧クーラントを使用しており、これが工具寿命に関して好ましくない結果を招いていることがわかった。クーラントによる冷却効果はクーラント吐出圧力を高めるほど大きくなるが、クーラント吐出圧力を高めすぎると、刃先部のクーラントが直接吹付けられる部分が冷却過剰になってその部分とクーラント吹付け領域から外れた部分との温度差が大きくなる。特に、工具面のうち、切屑の接触領域はクーラントが当たらない上に切屑の擦過により特に高温になることから、切屑が接触せずにクーラントが吹き付けられる領域との温度差が拡大し易い。また、境界部は切屑の排出の微小振動により、切屑が接触したりしなかったりすることがあり、熱振動のような効果が生じる。それが原因で、硬くて脆いｃＢＮやＰＣＤを採用した工具は特に、境界欠損が発生し易くなり、刃先や逃げ面の摩耗が小さい時期にその境界欠損が発生して工具寿命が短くなる。

この発明では、クーラント吐出圧力の上限を８ＭＰａとしており、局所的な冷却過剰が起こり難い。そのために、切削に関与する部分の温度分布に極端な差が生じることがなく、温度差に起因した境界欠損が抑制されて工具寿命が長くなる。

また、クーラント吐出圧力の上限を８ＭＰａとしたことで既存のクーラント供給設備を使用することができ、供給したクーラントが周囲に飛散して作業環境を悪化させることもなくなる。

以下、添付図面の図１に基づいてこの発明の実施の形態を説明する。図１は、この発明を旋削加工に適用した例を示している。図中１は被削材、２は切削工具（図のそれはバイト）、３はクーラント噴射用のノズルである。このノズル３から噴射されるクーラント４で切削工具２の刃先を冷却しながら被削材１を加工する。クーラントの供給形態は、図の外部給油に限定されず、工具に設けた供給孔などから噴射する内部給油であってもよい。

図示の切削工具２は、シャンク２ａの先端にチップ２ｂを取り付けたバイトであり、チップ２ｂは、刃先の切削に関与する部分が、１００Ｗ／ｍ・Ｋを超える熱伝導率を有したｃＢＮ焼結体２ｃで形成されたものが用いられている。

使用する切削工具は、図１のｃＢＮ焼結体２ｃに代えてＰＣＤを用いたものでもよい。
そのＰＣＤも熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋを超えたものを使用する。ＰＣＤは、ダイヤモンド粒子の粒径にもよるが、熱伝導率が２００〜４００Ｗ／ｍ・Ｋ程度と非常に大きいものがある。ｃＢＮ工具も熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋを超えるものがあり、これらの材料で切れ刃を構成した工具を使用するとより優れた放熱効果が得られる。

工具寿命の向上効果は、切削温度がより高くなるような加工、例えば、切削速度を大きくして加工を行うといったときにより顕著に現れる。

加工時に使用するクーラント４は、一般的に使用される水溶性のエマルジョンタイプの切削液等を用いる。このクーラント４の吐出圧力は、２〜８ＭＰａ、より好ましくは、５
〜７ＭＰａとする。その吐出圧力が２ＭＰａ以上でクーラント４による刃先の冷却が不足なくなされ、また、その吐出圧力を最大で８ＭＰａまでとすることで工具の境界欠損を減少させることができる。

５〜７ＭＰａの吐出圧力でクーラントを噴射すると、市販の加工機に採用されているクーラント供給装置でも無理な負担をかけずに使用することができ、高圧クーラントの使用効果も十分に引き出されるので、クーラント吐出圧力は５〜７ＭＰａの範囲とするのがよい。

この発明の方法は、熱伝導率の小さい被削材、中でも、熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の被削材の切削加工に適用すると、特に顕著な効果を期待できる。熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の被削材の具体例と、それらの材料の熱伝導率を以下に示す。

・Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖの組成のチタン合金＝７．１Ｗ／ｍ・Ｋ
・純チタン＝１５Ｗ／ｍ・Ｋ
・Ｎｉ５４．０−Ｃｒ１８．０−Ｍｏ３．０−Ｆｅ１８．５−Ｔｉ０．９−Ａｌ０．５−Ｎｂ＋Ｔａ５．１の組成の析出硬化型Ｎｉ合金（インコネル社、商品名インコネル７１８）＝１４．６Ｗ／ｍ・Ｋ
・ステンレス鋼＝１５〜２６Ｗ／ｍ・Ｋ
これらの材料は、Ｓ４５Ｃ（その熱伝導率＝５０Ｗ／ｍ・Ｋ）などに比べると熱伝導率が著しく低く、そのため、切削熱が工具に吸収されて工具刃先に熱が篭り易い。また、チタンやチタン合金などは化学的活性が高く、高温になると工具との反応がより促進される。そのため、摩耗が進行し易い。この発明の加工方法によれば、この種の材料の加工でも工具寿命の低下が抑制される。

以下に、この発明のより詳細な実施例を示す。
−実施例１−
以下の５種類の焼結体Ａ〜Ｅを作製・加工して刃先の切削に関与する部分がその焼結体
からなる、ＩＳＯ規格 ＣＮＧＡ１２０４１２ の形状の切削工具（切削用チップ）を得た。
Ａ：ｃＢＮ粒子含有量６５ｖｏｌ％のｃＢＮ焼結体
Ｂ：ｃＢＮ粒子含有量９０ｖｏｌ％のｃＢＮ焼結体
Ｃ：ｃＢＮ粒子含有量９９ｖｏｌ％以上のｃＢＮ焼結体
Ｄ：ダイヤモンド粒子の平均粒径が２μｍのダイヤモンド焼結体（ＰＣＤ）
Ｅ：ダイヤモンド粒子の平均粒径が１０μｍのダイヤモンド焼結体（ＰＣＤ）

次に、これらの切削チップを使用して以下の条件で切削評価を行い、工具寿命および切削距離２．０ｋｍ到達時の逃げ面摩耗量を調べた。
この評価試験での工具寿命は、逃げ面摩耗量が０．２ｍｍを超えた場合、或いは、工具刃先が欠損した場合とし、寿命までの総切削距離で判定した。
その結果を表１に示す。なお、切削距離２．０ｋｍ未満で寿命が尽きた工具については、逃げ面摩耗量の評価欄を空欄にしている。

−切削条件−
・被削材：Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖの組成のチタン合金丸棒（熱伝導率７．１Ｗ／ｍ・Ｋ）
・切削形態：外径旋削
・切削速度：Ｖ＝１００ｍ／ｍｉｎ
・切り込み：ｄ＝０．５ｍｍ
・送り：ｆ＝０．１２ｍｍ／ｒｅｖ
・クーラント：水溶性エマルジョンタイプ切削液
・クーラント吐出圧力：０．３ＭＰａ〜９．０ＭＰａ

表１において、クーラント吐出圧力を６．８ＭＰａに統一したサンプル１，５，１４，２０，２４を比較すると、工具熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋを超えた発明品のサンプル５，１４，２０，２４は工具熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ未満のサンプル１に比べて耐摩耗性に優れており、寿命が長い。これは、工具の放熱性が高く、刃先の冷却が良好になされて刃先温度が低下したからである。

また、表１において、刃先材質を上記ＢのｃＢＮ焼結体に統一したサンプル２〜８（いずれも工具熱伝導率１１０Ｗ／ｍ・Ｋ）を比較すると、クーラント吐出圧力の設定条件を満たした発明品のサンプル４〜６は、クーラント吐出圧力を２ＭＰａ未満にしたサンプル２，３よりも耐摩耗性に優れており、寿命が長い。これは、クーラント吐出圧力が高くてクーラントによる刃先の冷却が十分になされたからである。

一方、クーラント吐出圧力が８ＭＰａを超えたサンプル７は、発明品のサンプル４〜６に比べて２ｋｍ切削時の逃げ面摩耗料は小さいにもかかわらず、切削距離３ｋｍで境界欠損を生じてサンプル４〜６よりも寿命が短くなっている。これは、境界部は切屑の排出の微小振動により、切屑が接触したりしなかったりすることがあり、クーラント吐出圧力が
高くて刃先が過剰に冷却されることで切屑が接触したときと接触しなかったときの刃先温度の差が大きくなり、熱振動のような効果が生じた結果、境界部に亀裂が発生して欠損に至ったと考えられる。クーラント吐出圧力が８ＭＰａを超えたサンプル８も、同様の理由で切削距離が２ｋｍに達する前に境界欠損が生じたと考えられる。

表１において、刃先材質を上記ＣのｃＢＮ焼結体に統一したサンプル９〜１７（いずれも工具熱伝導率２２０Ｗ／ｍ・Ｋ）、刃先材質を上記Ｄのダイヤモンド焼結体に統一したサンプル１８〜２１（いずれも工具熱伝導率２５０Ｗ／ｍ・Ｋ）、刃先材質を上記Ｅのダイヤモンド焼結体に統一したサンプル２２〜２５（いずれも工具熱伝導率４００Ｗ／ｍ・Ｋ）の比較結果も、上記と同様のものになっている。その理由は上記と同じである。

なお、クーラント吐出圧力をいずれも２．５ＭＰａにしたサンプル４，１１，１９，２３の比較からわかるように、工具熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋを超えるサンプル１１，１９，２３は工具熱伝導率が２００Ｗ／ｍ・Ｋに満たないサンプル４よりも耐摩耗性に優れており、寿命が長い。これは、工具の熱伝導率が高いためにクーラントによる冷却で刃先温度が効果的に低下して摩耗の進行が抑制されたからである。クーラント吐出圧力をいずれも６．８ＭＰａにしたサンプル５，１４，２０，２４についても、同様の理由で同様の比較結果が得られている。

刃先材質が全て上記ＣのｃＢＮ焼結体（工具熱伝導率２２０Ｗ／ｍ・Ｋ）であるサンプル１１〜１５の比較では、クーラント吐出圧力が５ＭＰａ以上、７ＭＰａ以下のサンプル１３，１４が、クーラント吐出圧力５ＭＰａ以下のサンプル１１，１２やクーラント吐出圧力７ＭＰａ以上のサンプル１５に比べて寿命が長い。刃先材質が全て上記ＢのｃＢＮ焼結体（工具熱伝導率１１０Ｗ／ｍ・Ｋ）であるサンプル４〜６、刃先材質が上記Ｄのダイヤモンド焼結体（工具熱伝導率２５０Ｗ／ｍ・Ｋ）であるサンプル１９，２０、刃先材質が上記Ｅのダイヤモンド焼結体（工具熱伝導率が４００Ｗ／ｍ・Ｋ）であるサンプル２３，２４についても同様の結果が得られており、これから、クーラント吐出圧力は５ＭＰａ〜７ＭＰａがより適切であることがわかる。

なお、サンプル１４は、クーラント吐出圧力が同じサンプル２０，２４よりも工具熱伝導率が低いのに、工具寿命はサンプル２０，２４に勝っている。ダイヤモンド焼結体を用いたサンプル２０，２４は、初期の摩耗量は小さいが、一旦摩耗が進行し出すと発熱量が大きくなって寿命低下が加速され、そのために、熱的安定性に勝るｃＢＮ焼結体を用いたサンプル１４の方が最終的な工具寿命は長くなったと考えられる。

−実施例２−
実施例１の焼結体Ｅ（ダイヤモンド粒子の平均粒径が１０μｍのＰＣＤ）を加工して刃先の切削に関与する部分がそのＰＣＤからなる、ＩＳＯ規格 ＴＰＧＮ１６０３０８ の形状の切削工具（切削用チップ）を得た。

次に、この切削チップを使用して以下のテスト（１）〜（３）の切削評価を行い、クーラント吐出圧力の違いによる工具寿命の比較を行った。テスト（１）〜（３）は、以下の切削条件で熱伝導率の異なる３種類の被削材を加工したものである。
テスト（１）
−切削条件−
・被削材：Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖの組成のチタン合金丸棒（熱伝導率７．１Ｗ／ｍ・Ｋ）
・切削形態：外径旋削
・切削速度：Ｖ＝１３０ｍ／ｍｉｎ
・切り込み：ｄ＝０．７ｍｍ
・送り：ｆ＝０．１０ｍｍ／ｒｅｖ
・クーラント：水溶性エマルジョンタイプ切削液
・クーラント吐出圧力：０．３ＭＰａ，６．８ＭＰａ
テスト（２）
−切削条件−
・被削材：超硬合金丸棒（熱伝導率５０Ｗ／ｍ・Ｋ）
・切削形態：外径旋削
・切削速度：Ｖ＝２０ｍ／ｍｉｎ
・切り込み：ｄ＝０．１５ｍｍ
・送り：ｆ＝０．１５ｍｍ／ｒｅｖ
・クーラント：水溶性エマルジョンタイプ切削液
・クーラント吐出圧力：０．３ＭＰａ，６．８ＭＰａ
テスト（３）
−切削条件−
・被削材：アルミニウム合金丸棒（熱伝導率２００Ｗ／ｍ・Ｋ）
・切削形態：外径旋削
・切削速度：Ｖ＝７５０ｍ／ｍｉｎ
・切り込み：ｄ＝０．３ｍｍ
・送り：ｆ＝０．１０ｍｍ／ｒｅｖ
・クーラント：水溶性エマルジョンタイプ切削液
・クーラント吐出圧力：０．３ＭＰａ，６．８ＭＰａ

この評価試験の結果を表２に示す。表２のサンプル２６，２８，３０は、クーラント吐出圧力０．３ＭＰａ時の試料、サンプル２７，２９，３１は、クーラント吐出圧力６．８ＭＰａ時の試料である。

テスト（１）では、クーラント吐出圧力が０．３ＭＰａのサンプル２６に対してそのクーラント吐出圧力が６．８ＭＰａのサンプル２７の工具寿命が著しく向上している。また、テスト（２）のサンプル２８，２９の比較、テスト（３）のサンプル３０，３１の比較でも、テスト（１）ほどではないが、クーラント吐出圧力を高めたときに工具寿命が向上しており、これらの試験結果から、低熱伝導率の被削材の加工においてクーラント吐出圧を過剰にならない範囲で高めることの有効性を確認することができる。

−実施例３−
実施例１の焼結体Ｃ（ｃＢＮ粒子含有量９９ｖｏｌ％以上のｃＢＮ焼結体）を加工して刃先の切削に関与する部分がそのｃＢＮ焼結体からなる、ＩＳＯ規格 ＳＮＧＮ１２０４０８ の形状の切削工具（切削用チップ）を得た。

次に、この切削チップを使用して以下のテスト（４）〜（６）の切削評価を行い、クーラント吐出圧力の違いによる工具寿命の比較を行った。
テスト（４）
−切削条件−
・被削材：Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖの組成のチタン合金丸棒（熱伝導率７．１Ｗ／ｍ・Ｋ）
・切削形態：外径旋削
・切削速度：Ｖ＝１８０ｍ／ｍｉｎ
・切り込み：ｄ＝０．５ｍｍ
・送り：ｆ＝０．１５ｍｍ／ｒｅｖ
・クーラント：水溶性エマルジョンタイプ切削液
・クーラント吐出圧力：０．３ＭＰａ，６．８ＭＰａ
テスト（５）
−切削条件−
・被削材：Ｎｉ基合金（インコネル社製商品名：インコネル７１８）丸棒（熱伝導率１４．６Ｗ／ｍ・Ｋ）
・切削形態：外径旋削
・切削速度：Ｖ＝１５０ｍ／ｍｉｎ
・切り込み：ｄ＝０．２５ｍｍ
・送り：ｆ＝０．１５ｍｍ／ｒｅｖ
・クーラント：水溶性エマルジョンタイプ切削液
・クーラント吐出圧力：０．３ＭＰａ，６．８ＭＰａ
テスト（６）
−切削条件−
・被削材：鉄系焼結合金（熱伝導率４０Ｗ／ｍ・Ｋ）
・切削形態：外径旋削
・切削速度：Ｖ＝１２０ｍ／ｍｉｎ
・切り込み：ｄ＝０．２ｍｍ
・送り：ｆ＝０．１０ｍｍ／ｒｅｖ
・クーラント：水溶性エマルジョンタイプ切削液
・クーラント吐出圧力：０．３ＭＰａ，６．８ＭＰａ

この評価試験の結果を表３に示す。

テスト（４）では、クーラント吐出圧力が０．３ＭＰａのサンプル３２に対してそのクーラント吐出圧力が６．８ＭＰａのサンプル３３は工具寿命が著しく向上している。また、テスト（５）のサンプル３４，３５の比較、テスト（６）のサンプル３６，３７の比較でも、テスト（４）の場合に比べると寿命向上率は小さいが、クーラント吐出圧力を高めることによる工具寿命の向上効果が現われている。この試験結果からも、低熱伝導率の被削材の加工においてクーラント吐出圧を過剰にならない範囲で高めることの有効性を確認することができる。

なお、この発明は旋削加工に限らず、エンドミルやフライスカッタなどを用いたミーリング加工にも適用できる。

この発明の切削加工方法の一例を示す概念図

符号の説明

１ 被削材
２ 切削工具
２ａ シャンク
２ｂ チップ
２ｃ ｃＢＮ焼結体
３ クーラント噴射用ノズル
４ クーラント

Claims (4)

1. 刃先の少なくとも切削に関与する部分が熱伝導率１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の刃具材料で形成された切削工具を用いてこの切削工具の刃先を吐出圧力２〜８ＭＰａの高圧クーラントで冷却しながら被削材を加工する切削加工方法。
2. 刃先の少なくとも切削に関与する部分が熱伝導率２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の刃具材料で形成された切削工具を用いて被削材を加工する請求項１に記載の切削加工方法。
3. 前記高圧クーラントの吐出圧力を５〜７ＭＰａに設定して被削材を加工する請求項１又は２に記載の切削加工方法。
4. 熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の被削材を加工する請求項１〜３のいずれかに記載の切削加工方法。

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