JP4870935B2 - 切削加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、切削加工用水性潤滑剤、およびこの水性潤滑剤を用いた切削加工方法に関する。

金属などの被削材に切削加工や研削加工を行うと、加工時には必ず切粉が生成する。切粉の形状、性質は、被削材や加工工程により異なり、切粉を回収して再利用することもあるが、一般に、それほど価値のあるものではなく、廃棄することも多い。
しかし、加工の対象が、宝石や貴金属のような高価格物質になると、切粉（宝石粉、貴金属粉）の回収率を１００％近くに上げる必要がある。

そこで例えば、特許文献１のように、複数個所にエアノズルを設けて、貴金属切断により発生した切粉を吹き飛ばすとともに、別途複数箇所に設けられた切粉吸引機構により、切粉を回収する装置が知られている。この装置によれば、高価な貴金属を切断加工した際に発生する貴金属粉を回収することができる。

特開平７−３１４２４４号公報

しかしながら、この特許文献１に記載された回収装置では、空気により貴金属粉を吹き飛ばすため、貴金属粉が周囲に飛散してしまうこともあり、必ずしも吸引機構により確実に貴金属粉を回収することはできない。

本発明の目的は、宝石や貴金属のような高価格物質を加工した際に出る切粉の飛散を防止して、効果的に回収することを可能とする切削加工用水性潤滑剤、および、この水性潤滑剤を用いてワークの切削加工を行う方法を提供することにある。

本発明の切削加工用水性潤滑剤は、切削加工に際して用いられ、前記加工後には洗浄によって除去される切削加工用水性潤滑剤であって、前記水性潤滑剤がムチンおよび／またはポリ−γ−グルタミン酸を含有することを特徴とする
ここで、切削加工用水性潤滑剤とは、ワーク（被加工物）を切削加工する際に冷却・潤滑作用を奏する液体であり、水性クーラントともいう。
また、ここで、水性潤滑剤とは、水分の含有率が２０質量％以上、好ましくは５０質量％以上である潤滑剤を意味しており、均一な水溶液タイプやエマルジョンタイプがある。この水分含有量は、使用時の値であって、濃厚液を水で希釈して所定の含有率としてもよい。
本発明の切削加工用水性潤滑剤には、潤滑作用や融点降下作用を向上させるために、多価アルコールやエーテル、エステルなどの添加剤が添加されていてもよい。

この本発明によれば、切削加工用水性潤滑剤がムチンおよび／またはポリ−γ−グルタミン酸を含んでいる。
ここで、ムチンとは、糖とたんぱく質が結合した分子量100万〜1000万の高分子であり(糖タンパク質)、粘性たんぱく質とも呼ばれる。また水溶性であって、水を含んだ状態では、粘稠度が非常に高い。このムチンは水を含んだ形で自然界に多く存在し、納豆、里芋、山芋、なめこ、オクラ、モロヘイヤおよび昆布等から容易に得ることができる。また、動物（牛の唾液等）からも容易に得ることができる。また、ポリ−γ−グルタミン酸は、前述したムチンの主要構成成分でもあり、水溶液に粘稠性を付与する本質的成分である。
それ故、このムチンおよび／またはポリ−γ−グルタミン酸は、水に溶けて極めて高い粘稠度を発揮する。そのため、ワークの切削加工等を行っても、潤滑剤が周囲に飛散することがない。結果的に、この潤滑剤中に取り込まれた切粉も周囲に飛散することがない。従って、切粉をクーラントとともに容易に回収することができる。特に、宝石や貴金属など高価な物質に対して切削加工を行った場合に好適である。なお、水性潤滑剤であるため、切削加工後に水で洗浄するだけで、容易に切粉を回収することができる。

本発明では、前述した含有率は０．１〜３０質量％であることが好ましい。
本発明によれば、ムチンおよび／またはポリ−γ−グルタミン酸の含有率を特定範囲としているので、潤滑剤の粘稠度を十分高め、また、加工後の洗浄がしやすいという効果をも発揮させることができるため、前記した発明の効果をより好適に発揮することができる。

本発明の切削加工方法は、上述の切削加工用水性潤滑剤を被加工物の表面に設ける工程と、前記切削加工用水性潤滑剤が設けられた被加工物を切削加工する加工工程と、前記加工工程後に付着している切削加工用水性潤滑剤を洗浄する除去工程とを具備することを特徴とする。
本発明によれば、切削加工用水性潤滑剤が上述の構成を有しているため、加工工程と加工後の潤滑剤除去工程において前記した効果を好適に奏することができる。特に、洗浄する際に水を使えば、ワークの洗浄と切粉の回収を容易に行うことができる。

本発明の機械加工用水性潤滑剤は、増粘剤を含んで構成される。
増粘剤としては、Ｎ−ラウロイル−Ｌ−グルタミン酸、α，γ−ジ−ｎ−ブチルアミン等のアミノ酸誘導体、デキストリンパルミチン酸エステル、デキストリンステアリン酸エステル、デキストリン２−エチルヘキサン酸パルミチン酸エステル等のデキストリン脂肪酸エステル、ショ糖パルミチン酸エステル、ショ糖ステアリン酸エステル等のショ糖脂肪酸エステル、モノベンジリデンソルビトール、ジベンジリデンソルビトール等のソルビトールのベンジリデン誘導体、ジメチルベンジルドデシルアンモニウムモンモリロナイトクレー、ジメチルジオクタデシルアンモニウムモンモリロナイトクレー等の有機変性粘土鉱物等、コンドロイチン硫酸、ヒアルロン酸、ムチン、ポリ−γ−グルタミン酸、デルマタン硫酸、ヘパリン及びケラタン硫酸から選ばれるムコ多糖類及びその塩、アラビアゴム、トラガカント、ガラクタン、キャロブガム、グアーガム、カラヤガム、カラギーナン、ペクチン、寒天、クインスシード、アルゲコロイド、トラントガム、ローカストビーンガム、ガラクトマンナン等の植物系高分子、キサンタンガム、デキストラン、サクシノグルカン、プルラン等の微生物系高分子、コラーゲン、カゼイン、アルブミン、ゼラチン等の動物系高分子、デンプン、カルボキシメチルデンプン、メチルヒドロキシプロピルデンプン等のデンプン系高分子、メチルセルロース、エチルセルロース、メチルヒドロキシプロピルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ニトロセルロース、セルロース硫酸ナトリウム、カルボキシメチルセルロースナトリウム、結晶セルロース、セルロース末のセルロース系高分子、アルギン酸ナトリウム、アルギン酸プロピレングリコールエステル等のアルギン酸系高分子、ポリビニルメチルエーテル、カルボキシビニルポリマー、アルキル変性カルボキシビニルポリマー等のビニル系高分子、ポリオキシエチレン系高分子、ポリオキシエチレンポリオキシプロピレン共重合体系高分子、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリエチルアクリレート、ポリアクリルアミド等のアクリル系高分子、ポリエチレンイミン、カチオンポリマー、ベントナイト、ラポナイト、ヘクトライト等の無機系水溶性高分子等が挙げられる。また、この中には、ポリビニルアルコールやポリビニルピロリドン等の皮膜形成剤も含まれる。

これらの中では、水溶性高分子であるムチンやポリ−γ−グルタミン酸がその粘稠性付与機能の点で好ましい。このムチンは水を含んだ形で自然界に多く存在し、納豆、里芋、山芋、なめこ、オクラ、モロヘイヤおよび昆布等から容易に得ることができる。
また、ムチンを構成する粘稠性付与化合物であるポリ−γ−グルタミン酸も、容易に入手可能である。

また、十分な粘稠度を付与するためには、増粘剤の含有率は、潤滑剤全体に対して好ましくは０．１質量％以上、より好ましくは０．５質量％以上、さらに好ましくは１質量％以上である。但し、３０質量％を超えると、液の粘稠度が高くなりすぎて、機械加工自体や、加工後にワークから潤滑剤を除去する作業がやや困難となる。従って、増粘剤の含有率は、好ましくは２０質量％以下であり、１０質量％以下がより好ましい。

本発明の機械加工用水性潤滑剤には、種々の水溶性物質が溶解していてもよい。この水溶性物質としては、非イオン性界面活性剤、脂肪酸ポリオキシエチレンエステル、エチレングリコール、テトラメチレングリコール、ジエチレングリコ−ル、プロピレングリコ−ル等が挙げられる。この中で、エチレングリコールは不凍液の成分として汎用されており、本発明でも好適に用いることができる。これらの含有量は、本発明の潤滑剤全体に対して、好ましくは５質量％以下である。なお、本発明の機械加工用水性潤滑剤を製造する際には、これらの濃厚液に２０倍〜５０倍の水を加えて、最終的に濃度を調整してもよい。

また、必要により、水溶性のポリエーテル、炭化水素系潤滑油、乳化剤、極圧剤、油性剤、防錆剤等を適宜加えて使用してもよい。これらは１種又は２種以上を使用してもよい。

水溶性のポリエーテルとしては、例えば数平均分子量５００〜２０，０００ のポリエチレングリコール、ポリエチレングリコールのＰＯブロック付加体、２価アルコールのＥＯ／ＰＯランダム付加体（２０〜４０モル付加）、又はグリセリン、ソルビトール等の３〜６価の多価アルコールのＥＯ／ＰＯランダム付加（２０〜１００モル付加）体等が挙げられる。水溶性ポリエーテルの含有量は、本発明の潤滑剤全体に対して、好ましくは５質量％以下である。

炭化水素系潤滑油としては、溶剤精製油、パラフィン系鉱油、ナフテン系鉱油、ポリ−α−オレフィン（重量平均分子量２００〜４，０００）、ポリブテン（重量平均分子量２００〜４，０００）等が挙げられる。これらの内好ましいのは、溶剤精製油、パラフィン系鉱油、ナフテン系鉱油である。炭化水素系潤滑油の含有量は、本発明の潤滑剤全体に対して、好ましくは７質量％以下である。

乳化剤としては、例えば炭素数１０〜４０のスルホン酸類（アルキルベンゼンスルホン酸、石油スルホン酸、アルキルナフタレンスルホン酸等）のＮａ、Ｋ塩等、炭素数８〜２２の脂肪酸類（パルミチン酸、ミリスチン酸、オレイン酸、ひまし油脂肪酸等）のＮａ、Ｋ塩等、これら脂肪酸と数平均分子量５００〜５，０００のポリエチレングリコールとをエステル化したＰＥＧエステル等及び炭素数８〜２４のアルコール（オクチルアルコール、デシルアルコール、ドデシルアルコール、トリデシルアルコール、テトラデシルアルコール、ヘキサデシルアルコール、オレイルアルコール、ステアリルアルコール等）にエチレンオキサイドを２〜４０モル付加した非イオン活性剤、ソルビタン脂肪酸エステル及びこれらのエチレンオキサイドを５〜４０モル付加した非イオン活性剤等が挙げられる。乳化剤の使用量は、本発明の潤滑剤全体に対して好ましくは３質量％以下である。

極圧剤としては、ジアルキル（Ｃ１〜３６）ジチオリン酸亜鉛、例えばジオクチルジチオリン酸亜鉛及びジアリルジチオリン酸亜鉛；炭素数３〜６０の有機硫化物、例えばジラウリルチオジプロピオネート及びテトラキス［メチレン−３−（ドデシルチオ）プロピオネート］メタン等が挙げられる。極圧剤の使用量は、本発明の潤滑剤全体に対して好ましくは０．５質量％以下である。

油性剤としては、例えば、炭素数８〜２２の脂肪酸のアミン塩又はアルカリ金属塩、炭素数８〜２２のアルキルリン酸エステルのアルカリ金属塩及び炭素数８〜２２の脂肪酸と炭素数８〜２２の１価アルコール又は２〜６価若しくはそれ以上の多価ルコール（エチレングリコール、プロピレングリコール、ヘキシレングリコール、グリセリン、ネオペンチルアルコール、ペンタエリスリトール等）のエステル、動植物油等が挙げられる。油性剤の使用量は、本発明の潤滑剤全体に対して好ましくは２質量％以下である。

防錆剤としては、例えば、炭素数２〜３６の有機アミン（脂肪族アミン、例えば、ブチルアミン、オクチルアミン、ラウリルアミン、オレイルアミン；脂環式アミン、例えばシクロヘキシルアミン；複素環式アミン、例えばモルホリン；炭素数６〜３６の脂肪族カルボン酸アミド（カプリル酸、ラウリル酸、ノナン酸、デカン酸、オレイン酸のアミド等）；炭素数６〜２４の二塩基酸アミド（アゼライン酸、セバシン酸、ドデカン２酸、ダイマー酸のアミド等）；炭素数６〜３６のアルケニルコハク酸アミド（オクテニルコハク酸、ドデセニルコハク酸、ペンタデセニルコハク酸、オクタデセニルコハク酸のアミド等）；芳香族カルボン酸アミド（安息香酸、ｐ−ｔｅｒｔ−ブチル安息香酸、ニトロ安息香酸のアミド等）；シクロヘキシルアミンナイトライト；ベンゾトリアゾール；メルカプトベンゾチアゾール；Ｎ，Ｎ’−ジサリチリデン−１，２−ジアミノプロパン；アリザリン等が挙げられる。上記アミドの構成成分であるアミンとしては、前記のアミン及びアンモニアが挙げられる。防錆剤の使用量は、本発明の潤滑剤全体に対して好ましくは１質量％以下である。

上述の各添加剤は、必要により従来公知の混合装置で本発明の潤滑剤に混合することができる。混合条件は特に限定はないが、好ましくは０〜３０℃で０．５〜３時間混合することにより容易に得られる。もちろん、これらの濃厚液を水で希釈して製造しても良い。

このような本発明の機械加工用水性潤滑剤によれば、増粘剤を含んでいるので、潤滑剤の粘稠度を効果的に上げることができる。
それ故、ワークの切削加工等を行っても、潤滑剤自体が周囲に飛散することがない。結果的に、潤滑剤中に取り込まれた切粉も周囲に飛散することがない。従って、切粉を潤滑剤とともに容易に回収することができる。特に、宝石や貴金属など高価な物質に対して切削加工を行った場合に好適である。また、この機械加工用水性潤滑剤は水性であるため、水で洗浄するだけで、容易に切粉を回収することができる。

なお、本発明は前記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は、本発明に含まれるものである。その他、本発明を実施する際の具体的な構造および形状等は、本発明の目的を達成できる範囲内で他の構造等としてもよい。

例えば、前記した実施形態では、潤滑剤中に砥粒を添加していなかったが、砥粒を添加していわゆる研磨液（研磨剤）として利用することも可能である。
ここで、砥粒としては、無機粒子と有機粒子が挙げられる。無機粒子としては、例えば二酸化ケイ素、酸化ジルコニウム、酸化チタン、窒化ケイ素、炭化ケイ素、二酸化マンガン等の成分の粒子が挙げられる。中でもフュームドシリカ、コロイダルシリカとして知られる二酸化ケイ素の粒子が好ましく、特にコロイダルシリカが好ましい。コロイダルシリカは保存中でも沈殿が生じにくく、粒子径が揃っており、被研磨物（ワーク）の表面に傷やスクラッチが発生しにくい。

また、窒化硼素（ＢＮ）の微粉末も研磨用砥粒として用いることができる。窒化硼素（ＢＮ）としては、例えば、無定型窒化硼素（ａ−ＢＮ）、六角形の網目層が二層周期で積層した構造を有する六方晶系の窒化硼素（ｈ−ＢＮ）、六角形の網目層が三層周期で積層した構造の菱面体晶窒化硼素（ｒ−ＢＮ）、六角形の網目層がランダムに積層した乱層構造の窒化硼素（ｔ−ＢＮ）及び高圧相の立方晶窒化硼素（ｃ−ＢＮ）が知られている。

有機粒子としては、有機高分子化合物を主成分とする粒子であれば特に限定されないが、例えばＰＭＭＡなどのメタクリル樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリカーボネート樹脂等の有機高分子化合物、乳化重合により得られるビニル化合物重合体、あるいは特定の金属を吸着する能力を有するイオン交換樹脂やキレート樹脂等が挙げられる。

本発明の機械加工用水性潤滑剤には有機粒子と無機粒子とが両方含有されていても良く、またそれぞれが単独で含有されていてもよい。これらの中ではコロイダルシリカが特に好ましい。

砥粒の粒子径は、平均粒子径が０．００５〜１０μｍの範囲であることが好ましく、０．００５〜１．０μｍの範囲がより好ましい。
これらの粒子径が１０μｍを超えて大きいと、研磨後の表面が荒れたり、スクラッチが発生しやすくなる傾向があり、０．００５μｍ未満の場合は、研磨速度が低下する傾向がある。またこれらの砥粒は、可能な限り粒子径の揃ったものを用いることが望ましいが、必要に応じて複数の粒径の砥粒を混合して用いることも可能である。例えば平均粒子径が０．１μｍの砥粒と１．０μｍの砥粒を任意に混合して用いることも可能である。

このような、砥粒を含んだ機械加工用水性潤滑剤によれば、研磨液を所定量付着させた局所的な研磨において、研磨液が飛散することがないため、砥粒も飛散せず、少ない研磨液で局所的な研磨を効率的に行うことができる。それ故、高価な貴金属等の局所的な研磨に好適である。

以下の実施例により本発明を更に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

（１）機械加工用水性潤滑剤の調製
明治γ−ＰＧＡ（明治製菓（株）製ポリ−γ−グルタミン酸 ）の５質量％の水溶液（水系クーラント）を調製して本発明品として用いた。また、ポリ−γ−グルタミン酸を溶解しない純水を比較品として用いた。

（２）水性潤滑剤飛散性試験
本発明品及び比較品の各試料について、下記の条件で水性潤滑剤の飛散性（飛散防止性）を確認した。
［試験条件］
・使用機械：切削加工機（ＶＲ０２２２Ｌ型 ＴＹＰＥ ＭＩＺ 東芝機械(株)製）
・加工形状：加工深さ０．５mm、溝巾０．１mm
・使用工具：ボールエンドミル φ１（０．０５Ｒ）
・被削材（ワーク）：白金製プレート ５mm×５０mm×５０mm

［試験方法］
図１〜図３に切削状況を模式的に示した。
まず、水性潤滑剤３をスポイトでワーク２の表面にたらし、液滴を略半球状の形状でワークの表面に密着させた。次に、その中心部に、切削工具の回転刃１を毎分１５万回転で高速回転させながら、ワーク２に対して、上述した所定の深さまで切り込みを入れ（図１）、次に水平方向に毎分２５０mmの速度で０．５mm移動した（図２、３）。

［結果］
本発明品の水性潤滑剤３は図１のように略半球状となり、回転刃１を水平方向に移動しても、その形状をほぼ保ったまま回転刃１の先端に追随して移動した（図２）。また、この水性潤滑剤３中には、切削された切粉（白金粉）４がそのまま残存していた。その後、この水性潤滑剤３を回収して、水で洗浄することにより、容易に切粉（白金粉）４を回収することができた。
一方、比較品の水性潤滑剤３では、工具の回転刃１が回転すると、水性潤滑剤３の粘稠度が低いため、液が激しく周囲に飛び散ってしまい、回転刃１の先端に追随する液はわずかであった（図３）。それ故、切粉（白金粉）４の回収は困難であった。

本発明の機械加工用水性潤滑剤は、切削油、研削油、研磨油、圧延油、引き抜き油、プレス油等として機械加工に好適に用いることができる。特に貴金属や宝石の切削や研削により好適に用いることができる。

本発明の実施例に係る切削状況の模式図（回転刃の切り込み状況） 本発明の実施例に係る切削状況の模式図（本発明品） 本発明の実施例に係る切削状況の模式図（比較品）

符号の説明

１…回転刃
２…被削材（ワーク）
３…水性潤滑剤
４…切粉

Claims (2)

1. 切削加工用水性潤滑剤を被加工物の表面に設ける工程と、
   前記切削加工用水性潤滑剤が設けられた被加工物を機械加工する加工工程とを備える切削加工方法であって、
   前記切削加工用水性潤滑剤がムチンおよび／またはポリ−γ−グルタミン酸を含有し、
   前記加工工程後に付着している切削加工用水性潤滑剤を洗浄する除去工程と、
   洗浄液から切粉を回収する回収工程とを具備する
   ことを特徴とする切削加工方法。
2. 請求項１に記載の切削加工方法において、
   前記ムチンおよび／またはポリ−γ−グルタミン酸の含有率が０．１〜３０質量％であることを特徴とする切削加工方法。

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