JP2013132738A - Machining method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、潤滑剤を供給しながら切削工具により金属製の被加工物を切削する加工方法に関するものである。 The present invention relates to a processing method for cutting a metal workpiece with a cutting tool while supplying a lubricant.
切削による加工方法においては、切削工具と被加工物との摩擦による発熱に加えて、被加工物のせん断部位の塑性変形による発熱が生じる。従って、発熱量が大きい。一般に、発熱を抑制するために、潤滑剤としての水溶性潤滑剤や油などを大量に用いて冷却を行っている。 In the machining method by cutting, in addition to heat generated by friction between the cutting tool and the workpiece, heat is generated by plastic deformation of the sheared portion of the workpiece. Therefore, the calorific value is large. In general, in order to suppress heat generation, cooling is performed using a large amount of a water-soluble lubricant or oil as a lubricant.
また、特許文献１には、切削工具の耐熱性、耐摩耗性および耐溶着性に向上するために、切削工具の表面にＤＬＣ層を形成することが記載されている。
また、特許文献２には、金属加工の潤滑剤として、超臨界炭素にオイルを溶解または分散させたものを用いることが記載されている。当該オイルとして、多数のオイル、エステル、脂肪酸、フッ素化オイル、ブロック共重合体、界面活性剤、イオン液体及びその化合物が適用可能であるとされている。
Patent Document 1 describes that a DLC layer is formed on the surface of the cutting tool in order to improve the heat resistance, wear resistance, and welding resistance of the cutting tool.
Patent Document 2 describes that a lubricant obtained by dissolving or dispersing oil in supercritical carbon is used as a lubricant for metal processing. As the oil, a large number of oils, esters, fatty acids, fluorinated oils, block copolymers, surfactants, ionic liquids and their compounds are applicable.
特許文献３には、摩擦摺動面に用いる潤滑剤としてイオン液体を適用し、摺動部材のいずれか一方または両方にＤＬＣ及び／又はダイヤモンドを被覆することが記載されている。
また、非特許文献１には、潤滑剤としてのイオン液体について記載されている。
Patent Document 3 describes that an ionic liquid is applied as a lubricant used for the friction sliding surface, and either or both of the sliding members are coated with DLC and / or diamond.
Non-Patent Document 1 describes an ionic liquid as a lubricant.
ところで、環境問題意識の高まりから潤滑剤の使用量を低減することが期待されている。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、潤滑剤の使用量を低減しつつも、切削による発熱を抑制することができる加工方法を提供することを目的とする。
By the way, it is expected that the amount of lubricant used will be reduced due to the growing awareness of environmental problems.
This invention is made | formed in view of such a situation, and it aims at providing the processing method which can suppress the heat_generation | fever by cutting, reducing the usage-amount of a lubricant.
（請求項１）本発明の加工方法は、潤滑剤を供給しながら切削工具により金属製の被加工物を切削する加工方法において、前記切削工具には、ＤＬＣ膜のコーティングを施し、前記潤滑剤は、イオン液体および空気を含むミスト状である。
（請求項２）また、前記潤滑剤は、前記イオン液体と、水または油と、空気とを含むミスト状であるとよい。
（請求項３）また、前記被加工物は、アルミニウムを主成分とする金属材料としてもよい。
(Claim 1) The processing method of the present invention is a processing method in which a metal workpiece is cut with a cutting tool while supplying a lubricant. The cutting tool is coated with a DLC film, and the lubricant Is in the form of a mist containing ionic liquid and air.
(Claim 2) The lubricant may be in a mist shape containing the ionic liquid, water or oil, and air.
(Claim 3) The workpiece may be a metal material mainly composed of aluminum.
（請求項１）本発明の加工方法によれば、切削工具にＤＬＣ膜のコーティングを施すとともに、イオン液体を潤滑剤として用いることにより、切削の際の切削工具と被加工物との摩擦係数を低減することができる。摩擦係数を低減することにより、摩擦に起因する発熱を抑制できる。さらに、イオン液体による冷却効果により、発熱を抑制できる。また、イオン液体をミスト状にすることで、僅かなイオン液体であっても、イオン液体により確実に吸熱でき、その効果を十分に発揮できる。さらに、空気によりミスト状にすることで、空気による冷却効果も発揮できる。そして、イオン液体をミスト状にすることで、イオン液体の使用量を少なくできる。このように、潤滑剤の使用量を抑制しつつも、切削による発熱を抑制することができる。 (Claim 1) According to the processing method of the present invention, the cutting tool is coated with a DLC film, and an ionic liquid is used as a lubricant, whereby the coefficient of friction between the cutting tool and the workpiece during cutting is reduced. Can be reduced. By reducing the coefficient of friction, heat generation due to friction can be suppressed. Furthermore, heat generation can be suppressed by the cooling effect of the ionic liquid. Further, by making the ionic liquid into a mist form, even a slight ionic liquid can surely absorb heat by the ionic liquid, and the effect can be sufficiently exhibited. Furthermore, the cooling effect by air can be exhibited by making it mist form with air. And the usage-amount of an ionic liquid can be decreased by making an ionic liquid into mist form. Thus, heat generation due to cutting can be suppressed while suppressing the amount of lubricant used.
（請求項２）潤滑剤に水または油を含ませることにより、水または油による冷却効果を発揮する。従って、切削による発熱を抑制することができる。特に、潤滑剤に油を含ませる場合には、潤滑性能が向上し、このことによって切削による発熱をより抑制することができる。 (Claim 2) The cooling effect by water or oil is exhibited by including water or oil in the lubricant. Accordingly, heat generation due to cutting can be suppressed. In particular, when oil is included in the lubricant, the lubrication performance is improved, and thereby heat generation due to cutting can be further suppressed.
（請求項３）被加工物がアルミニウムを主成分とする金属材料の場合には、凝着という問題が生じる。これを抑制するためには、切削による発熱を抑制することが重要となる。そして本発明を適用することで、切削による発熱を効果的に抑制することができる。そのため、凝着の発生を抑制できる。 (Claim 3) When the workpiece is a metal material mainly composed of aluminum, there arises a problem of adhesion. In order to suppress this, it is important to suppress heat generation due to cutting. And by applying this invention, the heat_generation | fever by cutting can be suppressed effectively. Therefore, generation | occurrence | production of adhesion can be suppressed.
本実施形態の加工方法について、図１を参照して説明する。当該加工方法は、潤滑剤を供給しながら切削工具により金属製の被加工物を切削する加工方法である。例えば、旋削、フライス加工、ドリル加工、エンドミル加工などである。 The processing method of this embodiment is demonstrated with reference to FIG. The said processing method is a processing method which cuts a metal workpiece with a cutting tool, supplying a lubricant. For example, turning, milling, drilling, end milling and the like.
図１には、切削工具２０により被加工物１０を切削している瞬間を示す。切削工具２０を被加工物１０に対して所定の切込量Ｈ（mm）を有する状態で、所定の送り量Ｖ（mm/rev）で相対的に送ることで切削を行う。ここで、切削工具２０は、すくい面２０ａと逃げ面２０ｂとを有する。 FIG. 1 shows a moment when the workpiece 10 is being cut by the cutting tool 20. Cutting is performed by relatively feeding the cutting tool 20 with a predetermined feed amount V (mm / rev) in a state having a predetermined cut amount H (mm) with respect to the workpiece 10. Here, the cutting tool 20 has a rake face 20a and a flank face 20b.
ここで、切削による発熱部位について図１を参照して説明する。第一として、被加工物１０が切削工具２０により塑性変形して切くずが生成されるときに、被加工物１０のせん断部位１２の塑性変形により発熱する。第二として、切削工具２０のすくい面２０ａと切りくずとの摩擦により発熱する。第三として、切削工具２０の逃げ面２０ｂと被加工物１０の切削面１３側との摩擦により発熱する。 Here, the heat generation part by cutting is demonstrated with reference to FIG. First, when the workpiece 10 is plastically deformed by the cutting tool 20 to generate chips, heat is generated due to plastic deformation of the sheared portion 12 of the workpiece 10. Second, heat is generated due to friction between the rake face 20a of the cutting tool 20 and the chips. Third, heat is generated by friction between the flank 20b of the cutting tool 20 and the cutting surface 13 side of the workpiece 10.
被加工物１０は、アルミニウムを主成分とする金属材料、その他の金属材料である。ただし、本加工方法は、アルミニウムやその合金を被加工物とした場合に好適である。特に、被加工物１０がアルミニウムを主成分とする金属材料の場合には、延性が大きいため、切削工具２０に被加工物１０が凝着し、構成刃先を生成する。凝着は、切削工具２０の切れ刃のチッピング、工具寿命の低下、加工面精度の低下の原因となる。凝着を抑制するには、摩擦係数を小さくすることに加え、切削による発熱を抑制することが重要となる。また、被加工物１０がアルミニウムを主成分とする金属材料以外の場合において、摩擦係数の低減および切削による発熱を抑制することは、工具寿命の向上、加工面精度の向上に寄与する。そこで、当該加工方法は、以下のように行うこととした。 The workpiece 10 is a metal material mainly composed of aluminum or other metal materials. However, this processing method is suitable when aluminum or an alloy thereof is used as a workpiece. In particular, when the workpiece 10 is a metal material whose main component is aluminum, since the ductility is large, the workpiece 10 adheres to the cutting tool 20 to generate a constituent cutting edge. Adhesion causes chipping of the cutting edge of the cutting tool 20, a reduction in tool life, and a reduction in machined surface accuracy. In order to suppress adhesion, it is important to suppress heat generation by cutting in addition to reducing the friction coefficient. Further, in the case where the workpiece 10 is other than a metal material mainly composed of aluminum, reducing the friction coefficient and suppressing heat generation due to cutting contributes to the improvement of the tool life and the accuracy of the machined surface. Therefore, the processing method is performed as follows.
当該切削工具２０には、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜のコーティングが施されている。つまり、切削工具２０の基材２１の表面にＤＬＣ膜２２がコーティングされている。ＤＬＣは、摩擦係数が低く、硬質であることにより摩耗が少ないという性質を有する。基材２１には、切削工具鋼、超鋼合金、サーメットなどが適用される。 The cutting tool 20 is coated with a DLC (diamond-like carbon) film. That is, the DLC film 22 is coated on the surface of the base material 21 of the cutting tool 20. DLC has the properties of low friction coefficient and low wear due to its rigidity. For the base material 21, cutting tool steel, super steel alloy, cermet or the like is applied.
さらに、該加工方法では、潤滑剤３０を用いる。この潤滑剤３０として、イオン液体、水および圧縮空気を含む潤滑剤、イオン液体、油および圧縮空気を含む潤滑剤、イオン液体および圧縮空気を含む潤滑剤が適用される。そして、この潤滑剤３０をミスト状にして加工点に供給する。ミスト状に供給する潤滑剤３０は、連続的に供給してもよいし、断続的に供給してもよい。いわゆるＭＱＬ（Minimum Quantity Lubrication）加工と称される加工に該当する。 Further, in the processing method, a lubricant 30 is used. As the lubricant 30, a lubricant containing ionic liquid, water and compressed air, a lubricant containing ionic liquid, oil and compressed air, and a lubricant containing ionic liquid and compressed air are applied. Then, the lubricant 30 is supplied as a mist to the processing point. The lubricant 30 supplied in a mist form may be supplied continuously or intermittently. This corresponds to a so-called MQL (Minimum Quantity Lubrication) process.
ここで、イオン液体としては、イミダゾリウム誘導体カチオンとテトラフルオロボレート（BF4）アニオンの構造体、イミダゾリウム誘導体カチオンとヘキサフルオロホスフェート（PF6）アニオンの構造体、または、イミダゾリウム誘導体カチオンとビストリフルオロメチルスルホニルイミド（TFSI）アニオンの構造体が好適である。 Here, as the ionic liquid, an imidazolium derivative cation and a tetrafluoroborate (BF 4 ) anion structure, an imidazolium derivative cation and a hexafluorophosphate (PF 6 ) anion structure, or an imidazolium derivative cation and a bistriton structure are used. A structure of fluoromethylsulfonylimide (TFSI) anion is preferred.
これらのイオン液体は、−３０℃〜３００℃の温度範囲で液体状を維持する性質を有する。動粘度は、２０〜８０mm2/sである。また、イオン液体を切削に用いるときの特徴として以下のことが挙げられる。該イオン液体は、高温環境下で粘度低下しにくい性質を有することにより、加工点での潤滑性を保つ効果を有する。該イオン液体は、高圧環境下での粘度上昇が小さい性質を有することにより、加工点での負荷を小さくさせる効果を有する。該イオン液体は、添加剤を溶かす溶媒としての性質を有することにより、該添加剤により特性を制御することが可能となる。例えば、脂肪酸を添加すると摩擦係数が４０〜７０％低下する。該イオン液体は、熱分解温度が高い性質を有することにより、酸化劣化しにくく、耐久性に優れる。該イオン液体は、摩擦面では容易に反応し境界膜が形成される性質を有することにより、摩擦係数は安定し低い、摩耗も抑制する。該イオン液体は、高圧下で分解しにくい性質を有することにより、加工点での劣化少ない。また、イオン液体をＤＬＣコーティングされた切削工具２０に対する潤滑剤に適用することにより、切削工具２０と被加工物１０との摩擦係数をより低減するように作用する。 These ionic liquids have a property of maintaining a liquid state in a temperature range of −30 ° C. to 300 ° C. The kinematic viscosity is 20 to 80 mm 2 / s. Moreover, the following is mentioned as a characteristic when using an ionic liquid for cutting. The ionic liquid has an effect of maintaining lubricity at a processing point by having a property that the viscosity is not easily lowered under a high temperature environment. The ionic liquid has an effect of reducing a load at a processing point by having a property of small increase in viscosity under a high pressure environment. Since the ionic liquid has a property as a solvent for dissolving the additive, the property can be controlled by the additive. For example, when a fatty acid is added, a friction coefficient falls by 40 to 70%. Since the ionic liquid has a property of high thermal decomposition temperature, it is not easily oxidized and deteriorated and has excellent durability. The ionic liquid has a property of easily reacting on the friction surface and forming a boundary film, so that the friction coefficient is stable and low, and wear is suppressed. Since the ionic liquid has the property of not easily decomposing under high pressure, the ionic liquid has little deterioration at the processing point. Further, by applying the ionic liquid to the lubricant for the DLC-coated cutting tool 20, the friction coefficient between the cutting tool 20 and the workpiece 10 is further reduced.
潤滑剤３０に油を含ませる場合には、当該油として、植物性潤滑油が好適に用いられる。植物性潤滑油は、例えば、フジＢＣ技研社製のBluebe（ブルーベ）（登録商標）LB-10、動粘度８．９mm2/s（at４０℃）、密度０．９３g/cm3を用いる。 When oil is contained in the lubricant 30, vegetable lubricating oil is suitably used as the oil. As the vegetable lubricating oil, for example, Bluebe (registered trademark) LB-10 manufactured by Fuji BC Giken Co., Ltd., kinematic viscosity 8.9 mm 2 / s (at 40 ° C.), density 0.93 g / cm 3 is used.
当該加工方法によれば、切削工具２０にＤＬＣ膜２２のコーティングを施すとともに、イオン液体を潤滑剤３０として用いることにより、切削の際の切削工具２０と被加工物１０との摩擦係数を低減することができる。そして、摩擦係数を低減することにより、摩擦に起因する発熱を抑制できる。さらに、イオン液体による冷却効果により、発熱を抑制できる。また、イオン液体をミスト状にすることで、僅かなイオン液体であっても、イオン液体により確実に吸熱でき、その効果を十分に発揮できる。さらに、空気によりミスト状にすることで、空気による冷却効果も発揮できる。そして、イオン液体をミスト状にすることで、イオン液体の使用量を少なくできる。このように、潤滑剤の使用量を抑制しつつも、切削による発熱を抑制することができる。 According to this processing method, the friction coefficient between the cutting tool 20 and the workpiece 10 during cutting is reduced by applying the DLC film 22 to the cutting tool 20 and using the ionic liquid as the lubricant 30. be able to. And the heat_generation | fever resulting from friction can be suppressed by reducing a friction coefficient. Furthermore, heat generation can be suppressed by the cooling effect of the ionic liquid. Further, by making the ionic liquid into a mist form, even a slight ionic liquid can surely absorb heat by the ionic liquid, and the effect can be sufficiently exhibited. Furthermore, the cooling effect by air can also be exhibited by making it mist form with air. And the usage-amount of an ionic liquid can be decreased by making an ionic liquid into mist form. Thus, heat generation due to cutting can be suppressed while suppressing the amount of lubricant used.
さらに、潤滑剤３０に水または油を含ませることにより、水または油による冷却効果を発揮する。従って、切削による発熱を抑制することができる。特に、潤滑剤３０に油を含ませる場合には、潤滑性能が向上し、このことによって切削による発熱をより抑制することができる。 Furthermore, the cooling effect by water or oil is exhibited by including water or oil in the lubricant 30. Accordingly, heat generation due to cutting can be suppressed. In particular, when oil is contained in the lubricant 30, the lubrication performance is improved, which can further suppress heat generation due to cutting.
このように、上記加工方法を適用することで、摩擦係数を小さくすることができるとともに、切削による発熱を効果的に抑制することができる。そのため、凝着の発生を抑制でき、切削工具２０の切れ刃のチッピング、工具寿命の低下、加工面精度の低下を抑制できる。また、被加工物１０がアルミニウムを主成分とする金属材料以外の場合においては、工具寿命、加工面精度が向上する。 Thus, by applying the above-described processing method, the friction coefficient can be reduced and heat generation due to cutting can be effectively suppressed. Therefore, generation | occurrence | production of adhesion can be suppressed and chipping of the cutting edge of the cutting tool 20, the fall of a tool life, and the fall of a processing surface precision can be suppressed. Further, when the workpiece 10 is other than a metal material mainly composed of aluminum, the tool life and the machining surface accuracy are improved.
次に、切削工具２０と被加工物１０との摩擦係数を低下させることが、切削による発熱を低下させることについて検証する解析を行った。解析条件は、表１に示す通りである。また、切削工具２０と被加工物１０との摩擦係数を表２に示すcase１，２とした場合について行った。 Next, an analysis was performed to verify that reducing the friction coefficient between the cutting tool 20 and the workpiece 10 reduces heat generation by cutting. The analysis conditions are as shown in Table 1. The friction coefficient between the cutting tool 20 and the workpiece 10 was set to cases 1 and 2 shown in Table 2.
当該解析の結果を図２〜図４に示す。まず、case1.2における時間経過に対する加工点の温度変化は、図２に示すような挙動となる。case1では、加工開始から徐々に温度上昇し約３００℃に達している。一方、case2では、加工開始から徐々に温度上昇し約２２５℃程度となっている。このように、摩擦係数を小さくすることにより、加工点の温度上昇を抑制することができる。 The results of the analysis are shown in FIGS. First, the temperature change at the machining point with time in case 1.2 behaves as shown in FIG. In case 1, the temperature gradually increases from the start of processing and reaches about 300 ° C. On the other hand, in case 2, the temperature gradually increases from the start of processing to about 225 ° C. Thus, the temperature rise of a processing point can be suppressed by making a friction coefficient small.
また、図３には、case1における温度分布を示す。切削工具２０と被加工物１０との接触部位のうちすくい面２０ａ側と逃げ面２０ｂ側の２箇所（図３の中央付近の２箇所の細長形状の濃い黒色にて示す部位）にて３００℃程度になっていることが分かる。その２箇所を中心として、徐々に温度が低くなっている。なお、図３においては、濃い黒色部分は、上記した接触部位の２箇所の他、切削工具２０のうち被加工物１０との接触部位から遠く離れた部位（図３の右上側）、および、被加工物１０のうち切削工具２０との接触部位から遠く離れた部位（図３の下側および左側）が存在するが、上記接触部位の２箇所は高温側を示し、他の部位の温度は５０℃以下の低温側を示している。 FIG. 3 shows the temperature distribution in case1. Among the contact parts between the cutting tool 20 and the workpiece 10, 300 ° C. at two points on the rake face 20 a side and the flank face 20 b side (parts indicated by two elongated black shapes near the center in FIG. 3). It turns out that it is about. The temperature gradually decreases around these two locations. In addition, in FIG. 3, a dark black part is a part far away from the contact part with the workpiece 10 among the cutting tools 20, in addition to the two contact parts described above (upper right side in FIG. 3), and Although there are parts (lower side and left side in FIG. 3) far away from the contact part with the cutting tool 20 in the workpiece 10, the two parts of the contact part indicate the high temperature side, and the temperatures of the other parts are The low temperature side of 50 degrees C or less is shown.
一方、図４には、case2における温度分布を示す。切削工具２０と被加工物１０との接触部位が最も高くなっているが、接触部位全体がほぼ２２５℃程度になっていることが分かる。図３においては、上述したように当該接触部位が濃い黒色を示しているのに対して、図４においては、同様の部位が濃い黒色を示していない。そして、図４において、接触部位から離れるにつれて、徐々に温度が低くなっている。なお、図３に示すcase1において、接触部位から僅かに離れた部位が２２５℃程度となっている。このように、摩擦係数を低下させることによって、発熱を抑制することができることが分かる。ここで、図４においても、図３と同様に、切削工具２０のうち被加工物１０との接触部位から遠く離れた部位（図３の右上側）、および、被加工物１０のうち切削工具２０との接触部位から遠く離れた部位（図３の下側および左側）が濃い黒色にて示しているが、当該部位の温度は５０℃以下である。 On the other hand, FIG. 4 shows the temperature distribution in case2. Although the contact part of the cutting tool 20 and the to-be-processed object 10 is the highest, it turns out that the whole contact part is about 225 degreeC. In FIG. 3, as described above, the contact part shows dark black, whereas in FIG. 4, the same part does not show dark black. In FIG. 4, the temperature gradually decreases as the distance from the contact site increases. In case 1 shown in FIG. 3, the part slightly separated from the contact part is about 225 ° C. Thus, it can be seen that heat generation can be suppressed by reducing the friction coefficient. 4, as in FIG. 3, a part of the cutting tool 20 far from the contact part with the workpiece 10 (upper right side in FIG. 3) and a cutting tool of the workpiece 10. Although the site | part (the lower side and left side of FIG. 3) far away from the contact site | part with 20 is shown in dark black, the temperature of the said site | part is 50 degrees C or less.
１０：被加工物、 ２０：切削工具、 ２０ａ：すくい面、 ２０ｂ：逃げ面、 ２１：基材、 ２２：ＤＬＣ膜、 ３０：潤滑剤 10: Workpiece, 20: Cutting tool, 20a: Rake face, 20b: Flank face, 21: Base material, 22: DLC film, 30: Lubricant
Claims (3)
前記切削工具には、ＤＬＣ膜のコーティングを施し、
前記潤滑剤は、イオン液体および空気を含むミスト状である、加工方法。 In a processing method of cutting a metal workpiece with a cutting tool while supplying a lubricant,
The cutting tool is coated with a DLC film,
The processing method, wherein the lubricant is in the form of a mist containing an ionic liquid and air.
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