JP7094495B2 - 切削加工補助潤滑材、切削加工補助潤滑シート、及びそれらを用いた切削加工方法 - Google Patents
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Description
〔1〕
フラーレンを含む、
切削加工補助潤滑材。
〔2〕
前記フラーレンがC60を含む、
〔1〕に記載の切削加工補助潤滑材。
〔3〕
カーボン(C)をさらに含む、
〔1〕又は〔2〕に記載の切削加工補助潤滑材。
〔4〕
重量平均分子量が5×104以上、1×106以下である高分子量化合物(A)と、
重量平均分子量が1×103以上、2×104以下である中分子量化合物(B)と、をさらに含む、
〔1〕~〔3〕のいずれか一項に記載の切削加工補助潤滑材。
〔5〕
前記高分子量化合物(A)が、重量平均分子量が5×104以上、1×106以下の熱可塑性樹脂を含み、
前記中分子量化合物(B)が、重量平均分子量が1×103以上、2×104以下の熱可塑性樹脂を含む、
〔4〕に記載の切削加工補助潤滑材。
〔6〕
前記高分子量化合物(A)が、水溶性熱可塑性樹脂及び/又は非水溶性熱可塑性樹脂を含み、
前記水溶性熱可塑性樹脂が、ポリアルキレンオキサイド、ポリアルキレングリコール、ポリアルキレングリコールのエステル化合物、ポリアルキレングリコールのエーテル化合物、水溶性ウレタン、ポリエーテル系水溶性樹脂、水溶性ポリエステル、ポリ(メタ)アクリル酸ソーダ、ポリアクリルアミド、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、セルロースのエーテル化合物、セルロースのエステル化合物、及び変性ポリアミドからなる群より選ばれる1種以上であり、
前記非水溶性熱可塑性樹脂が、ウレタン系重合体、アクリル系重合体、酢酸ビニル系重合体、塩化ビニル系重合体、ポリエステル系重合体、ポリオレフィン系重合体、ポリスチレン系樹脂、及びそれらの共重合体からなる群より選ばれる1種以上である、
〔4〕又は〔5〕に記載の切削加工補助潤滑材。
〔7〕
前記中分子量化合物(B)が、水溶性熱可塑性樹脂及び/又は非水溶性熱可塑性樹脂を含み、
前記水溶性熱可塑性樹脂が、ポリアルキレングリコール、ポリアルキレンオキサイドのモノエーテル化合物、ポリアルキレンオキサイドのモノステアレート化合物、ポリアルキレンオキサイドからなる群より選ばれる1種以上である、
〔4〕~〔6〕のいずれか一項に記載の切削加工補助潤滑材。
〔8〕
前記フラーレンの含有量が、該フラーレン、前記高分子量化合物(A)、前記中分子量化合物(B)、及び前記カーボン(C)の合計100質量部に対して、0.1~30質量部である、
〔4〕~〔7〕のいずれか一項に記載の切削加工補助潤滑材。
〔9〕
〔1〕~〔8〕のいずれか一項に記載の切削加工補助潤滑材からなる層を、少なくとも一部に設けてなる、
切削加工補助潤滑シート。
〔10〕
粘着層を少なくとも一部に設けてなる、
〔9〕に記載の切削加工補助潤滑シート。
〔11〕
前記粘着層にアクリル系重合体を含む、
〔10〕に記載の切削加工補助潤滑シート。
〔12〕
前記削加工補助潤滑材からなる層の厚さが、0.1~20mmである、
〔9〕~〔11〕のいずれか一項に記載の切削加工補助潤滑シート。
〔13〕
〔1〕~〔12〕のいずれか一項に記載の切削加工補助潤滑材を、切削工具及び/又は被加工材料の被加工部分に接触させながら、前記切削工具により前記被加工材料を切削する切削加工工程を有する、
切削加工方法。
〔14〕
前記切削加工工程において、切削により貫通孔を形成する、
〔13〕に記載の切削加工方法。
〔15〕
前記被加工材料が、チタン合金、アルミ合金、超耐熱合金、ステンレス鋼、炭素繊維強化プラスチック、アラミド繊維強化プラスチック、及びこれらを含む複合材料からなる群より選ばれる1種以上である、
〔13〕又は〔14〕に記載の切削加工方法。
本実施形態の切削加工補助潤滑材は、フラーレンを含有すること以外特に限定されないが、例えば、高分子材料と無機充填材とを含むものが挙げられる。具体的には、フラーレンと、水溶性又は非水溶性の熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂などの高分子材料と、カーボン、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、モリブデン化合物などの無機充填材と、を含有する切削加工補助潤滑材が好ましく、フラーレンと、重量平均分子量が5×104以上、1×106である高分子量化合物(A)と、重量平均分子量が1×103以上、5×104以下である中分子量化合物(B)と、カーボン(C)と、を含有する切削加工補助潤滑材がより好ましい。このような切削加工補助潤滑材を用いることにより、切削工具への負荷をより低減させることができ、切削面端部にできるバリ、欠け、及び繊維の切れ残り、並びに層間剥離をより低減させることができる傾向にある。
本実施形態の切削加工補助潤滑材は、フラーレンを含む。フラーレンとしては、最も一般的なC60、C70、C72や、それ以上の炭素数により構成されているもの、又はこれらの混合物を用いることができる。これらフラーレンのうち、構造が球形に近いものが好適に用いられ、C60が最も好ましい。フラーレンは化学修飾されていないものの他、被加工物に対して腐食その他の劣化を生じさせない官能基により化学修飾されたものを用いることができる。このような官能基としては、アルキル基、アルケニル基、アルコキシ基、水酸基、アシル基、フェニル基、ベンジル基、カルボキシル基、カルボン酸エステル基等が挙げられるがこれに限定されない。
高分子量化合物(A)は潤滑剤として機能することができ、切削加工補助潤滑材の潤滑性を向上させ、切削面端部にできるバリ、欠け、繊維の切れ残り、及び層間剥離を低減するという効果を発揮し得る。さらに、高分子量化合物(A)は成形剤としても機能することができ、切削加工補助潤滑材の成形性を向上させ、単層形成性(支持基材を用いることなく、それ自体で層(シート)を形成することが出来ること)という効果を発揮し得る。
中分子量化合物(B)は潤滑剤として機能することができ、切削加工補助潤滑材の潤滑性を向上させ、切削面端部にできるバリ、欠け、及び繊維の切れ残り、並びに層間剥離を低減という効果を発揮し得る。中分子量化合物(B)としては、重量平均分子量が1×103以上、2×104以下であれば、特に限定されず、水溶性又は非水溶性の熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂が挙げられる。このなかでも、水溶性又は非水溶性の熱可塑性樹脂が好ましく、水溶性の熱可塑性樹脂がより好ましい。
カーボン(C)は固体潤滑剤として機能することができ、切削加工補助潤滑材の潤滑性を向上させ、切削工具の加工寿命を延ばす効果を発揮し得る。さらに、カーボン(C)は切削加工時の温度において、体積を有する固体状で存在するため、切削加工時の潤滑性を維持できる。カーボン(C)としては、特に限定されないが、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、コロイド黒鉛、熱分解黒鉛、膨張化黒鉛、鱗片状黒鉛が挙げられる。この中でも、鱗片状のものが好ましい。カーボン(C)が鱗片状黒鉛を有することにより、摩耗低減性能がより向上する傾向にある。カーボン(C)は1種を単独で用いても、2種以上を混合して用いてもよい。
切削加工補助潤滑材は、必要に応じて、その他の成分を含んでもよい。その他の成分としては、潤滑性向上成分、形成性向上成分、可塑剤、柔軟剤、表面調整剤、レベリング剤、帯電防止剤、乳化剤、消泡剤、ワックス添加剤、カップリング剤、レオロジーコントロール剤、防腐剤、防黴剤、ハイドロキノン等の酸化防止剤、光安定剤、コハク酸等の核剤、有機フィラー、無機フィラー、固体潤滑剤、熱安定化剤、着色剤などが挙げられる。
本実施形態の切削加工補助潤滑シートは、上記切削加工補助潤滑材からなる層を、少なくとも一部に設けてなるものであれば、特に制限されず、例えば、シート状に成形された切削加工補助潤滑材の単層体や、シート状に成形された切削加工補助潤滑材と他の層との積層体が例示される。
切削加工補助潤滑シートは、上記他の層として、被加工材料と接する面に粘着層を有していてもよい。粘着層を有することにより、切削加工補助潤滑材と被加工材料の密着性がより向上する傾向にある。
粘着層を除く切削加工補助潤滑材の厚さは、被加工材料を切削加工する際の切削方法、切断方法、切削加工する部分の面積や体積、切削加工する際に使用する切削工具の大きさ、繊維強化プラスチック(CFRP)の構成、その厚さなどによって適宜選択されるので、特に限定されない。このなかでも、切削加工補助潤滑シートにおける切削加工補助潤滑材からなる層の厚さは、好ましくは0.1mm以上であり、より好ましくは0.2mm以上であり、さらに好ましくは0.5mm以上である。また、切削加工補助潤滑材からなる層の厚さは、好ましくは20mm以下であり、より好ましくは10mm以下であり、さらに好ましくは5mm以下である。切削加工補助潤滑材からなる層の厚さが0.1mm以上であることにより、十分な切削応力低減が得られる傾向にある。また、切削加工補助潤滑材からなる層の厚さが20mm以下であることにより、切削加工を行う場合、切削工具への切削加工補助潤滑材の巻き付きが減少し、切削加工補助潤滑材における亀裂発生をより抑制できる傾向にある。
切削加工補助潤滑材の製造方法としては、特に制限されるものではなく、高分子材料などの樹脂と充填材(例えば、無機充填材)とを含む樹脂組成物を、シートや、丸棒の形状や角棒の形状などのブロック状態に成形する従来公知の方法を広く利用することができる。例えば、フラーレン、高分子量化合物(A)、中分子量化合物(B)、及びカーボン(C)を、溶媒の存在下又は溶媒の非存在下で混合し、支持体に塗布、冷却、固化させてシートを形成し、その後、支持体を除去、剥離して切削加工補助潤滑材を得る方法;フラーレン、高分子量化合物(A)、中分子量化合物(B)、及びカーボン(C)を、溶媒存在下又は溶媒非存在下で混合し、シートの形状に押出成形して、必要に応じて延伸することにより切削加工補助潤滑材を得る方法などが挙げられる。
被加工材料としては、金属、繊維強化プラスチック、セラミックス、又はこれらを含む複合材料であれば特に限定されない。金属としては、鉄、アルミニウム、チタン等の他、チタン合金、アルミ合金、超耐熱合金、ステンレス鋼(SUS)、ジュラルミン、炭素鋼、工具鋼等の合金類が挙げられる。繊維強化プラスチックとしては、マトリックス樹脂と強化繊維により構成される複合材であれば特に限定されない。マトリックス樹脂としては、特に限定されないが、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、シアネート樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂などの熱硬化性樹脂;ABS(アクリロニトリル-ブタジエン-スチレン)樹脂、PA(ポリアミド)樹脂、PP(ポリプロピレン)樹脂、PC(ポリカーボネート)樹脂、メチルメタアクリレート樹脂、ポリエチレン、アクリル、ポリエステル樹脂などの熱可塑性樹脂が挙げられる。強化繊維としては、特に限定されないが、例えば、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維が挙げられる。また、強化繊維の形態としては、特に限定されないが、例えば、フィラメント、トウ、クロス、ブレード、チョップ、ミルドファイバー、フェルトマット、ペーパー、プリプレグ等が挙げられる。このような繊維強化プラスチックの具体例としては、特に限定されないが、例えば、炭素繊維強化プラスチック(CFRP)、ガラス繊維強化プラスチック(GFRP)、アラミド繊維強化プラスチック(AFRP)等の繊維強化プラスチック(FRP)が挙げられる。このなかでも、比較的に、引張り強さ、引張り弾性力が大きく、密度が小さい炭素繊維強化プラスチック(CFRP)が好ましい。繊維強化プラスチックは、その他必要に応じて、無機フィラーや有機フィラー等を含んでいてもよい。セラミックスとしては、アルミナ、石英、ジルコニア等の硬質酸化物の他、炭化ケイ素などの炭化物、窒化ケイ素、窒化ガリウム等の窒化物が挙げられる。また、セラミックスの形態としては特に限定されないが、単結晶、多結晶、粉末焼結体等が挙げられる。
本実施形態の切削加工補助潤滑材を工具刃先へ移着する方法は特に限定されないが、粘着層が設けられたシート形状の切削加工補助潤滑材を被加工材の切削加工部へ密着させ、シートごと切削加工を行う方法が最も好ましい。なお、本明細書では、被加工材料と切削加工補助潤滑材とを固定するために用いる粘着性を有する化合物の層を粘着層と定義する。しかしながら、工具・切削の種類や被加工材の形状により、ブロック形状の切削加工補助潤滑材を予め加工に用いる工具で切削することで移着を行い、切削する方法、液状の切削加工補助潤滑材を被加工材の切削加工部へ塗布又は噴霧する方法等がより好ましい場合がありうる。
本実施形態の切削加工方法は、切削加工補助潤滑材を、切削工具及び/又は被加工材料の被加工部分に接触させながら、切削工具により被加工材料を切削する切削加工工程を有するものであれば特に制限されず、例えば切削工具としてドリルを用いることにより、切削加工工程において、切削により貫通孔を形成する孔あけ加工などが含まれる。そのなかで、本実施形態の切削加工補助潤滑材がより効果を発揮する切削加工形態は孔あけ加工であるが、潤滑材の作用機序に鑑み、適用範囲はこれに限定されない。本実施形態の切削加工補助潤滑材の工具刃先への移着性を向上するという特質上、工具刃先への潤滑材供給が制限され、工具抜け側の加工品質不良を生じやすい、貫通深孔あけ加工に特に効果を発揮する。
切削工具は特に限定されるものではないが、被加工材の材質及び形状、加工形状、工作機の種類に応じて適宜選択する。工具の母材質は高速度鋼、超硬合金、多結晶窒化ホウ素焼結体等が用いられる。また、切削工具としてはノンコート工具の他に種々のコーテッド工具を用いた場合も本実施形態の切削加工補助潤滑材の効果が得られる。工具のコーティング種としては、ダイヤモンドコート、チタンナイトライドコート、ダイヤモンドライクカーボンコート、セラミックコート等が挙げられる。
フラーレンとして、C60を含む混合フラーレン(nanоm mix ST、フロンティアカーボン株式会社製、二次平均粒子径=100μm)2000質量部、高分子量化合物(A)として、ポリエチレンオキサイド(アルコックスE-45、明成化学工業株式会社製、重量平均分子量=5.6×105)1500質量部、及び、ポリエチレンオキサイド-ポリプロピレンオキサイド共重合体(アルコックスEP-1010N、明成化学工業株式会社製、重量平均分子量=1.0×105)2500質量部、中分子量化合物(B)として、ポリエチレンオキサイドモノステアレート(ノニオンS-40、日油株式会社製、重量平均分子量=3.5×103)2500質量部、及びカーボン(C)として、黒鉛(XD100、伊藤黒鉛工業株式会社、平均粒子径=250μm、鱗片状)3500質量部を、核剤としてコハク酸150質量部、酸化防止剤としてハイドロキノン30質量部を、1軸押出機を使用して、温度140℃で押出機にて成形することにより、厚さ1.0mm、大きさ80mm×280mmのシートを作製した。また、厚さ0.12mmの両面テープ(No.535A、日東電工株式会社製)の強粘着面をこのシートの片面に貼り付けて、切削加工補助潤滑シートを作製した。
作製した切削加工補助潤滑シートを、被加工材料である幅280mm×奥行80mm、厚さ20mmのチタン合金板(Ti-6Al-4V)の片面全面に貼り付けた。続いて、上記チタン合金板を、切削加工補助潤滑シートが貼られた面を上側にして、マシニングセンタ(ヤマザキマザック株式会社製 立型マシニングセンタ「VCN-535C」)に備え付けたマシンバイスにチタン合金板の下側(ドリル抜け側)がフリーになるよう前後から把持し固定した。続いて、刃径6mmφのコーテッド超硬ドリル(オーエスジー株式会社製 超硬SUSドリル「ADO-SUS 3D 6」)をツールホルダに把持し、周速20m/min、回転あたり送り0.10mm/rev(孔深さ18~20mmの範囲では回転あたり送り0.020mm/rev)、の切削条件で、斜め45°上方より切削点に向けてエアブローしながら25孔連続で貫通孔あけを行った。
孔あけ後のチタン合金板のドリル抜け側バリ高さ測定は以下の方法で行った。光学顕微鏡にてチタン合金板のドリル抜け側の加工端部を倍率40倍で撮影した。続いて画像処理により板表面の平均高さと加工端部の凸部(裏バリの頂点)の高さを求め、その差分を裏バリ高さとして算出した。裏バリ高さの測定点は各孔8点とし、8点の裏バリ高さの平均値を各孔の「8点平均裏バリ高さ」とした。また、1、5、10、15、20及び25孔目の平均裏バリ高さの平均値を「6孔平均裏バリ高さ」とした。実施例1における6孔平均裏バリ高さは88μmであった。
フラーレンを用いないこと以外は実施例1と同様に切削加工補助潤滑シートを作製し、チタン合金板の孔あけ加工を行い、8点平均裏バリ高さ及び6孔平均裏バリ高さを測定した。比較例1における6孔平均裏バリ高さは97μmであった。
樹脂組成を表1記載の通りとした他は実施例1と同様に切削加工補助潤滑シートを作製し、チタン合金板の孔あけ加工を行い、8点平均裏バリ高さ及び6孔平均裏バリ高さを測定した。比較例2における6孔平均裏バリ高さは186μmであった。
Claims (13)
- フラーレンと、
重量平均分子量が5×10 4 以上、1×10 6 以下である高分子量化合物(A)と、
重量平均分子量が1×10 3 以上、2×10 4 以下である中分子量化合物(B)と、
フラーレン以外のカーボン(C)と、を含む、
切削加工補助潤滑材。 - 前記フラーレンがC60を含む、
請求項1に記載の切削加工補助潤滑材。 - 前記高分子量化合物(A)が、重量平均分子量が5×104以上、1×106以下の熱可塑性樹脂を含み、
前記中分子量化合物(B)が、重量平均分子量が1×103以上、2×104以下の熱可塑性樹脂を含む、
請求項1又は2に記載の切削加工補助潤滑材。 - 前記高分子量化合物(A)が、水溶性熱可塑性樹脂及び/又は非水溶性熱可塑性樹脂を含み、
前記水溶性熱可塑性樹脂が、ポリアルキレンオキサイド、ポリアルキレングリコール、ポリアルキレングリコールのエステル化合物、ポリアルキレングリコールのエーテル化合物、水溶性ウレタン、ポリエーテル系水溶性樹脂、水溶性ポリエステル、ポリ(メタ)アクリル酸ソーダ、ポリアクリルアミド、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、セルロースのエーテル化合物、セルロースのエステル化合物、及び変性ポリアミドからなる群より選ばれる1種以上であり、
前記非水溶性熱可塑性樹脂が、ウレタン系重合体、アクリル系重合体、酢酸ビニル系重合体、塩化ビニル系重合体、ポリエステル系重合体、ポリオレフィン系重合体、ポリスチレン系樹脂、及びそれらの共重合体からなる群より選ばれる1種以上である、
請求項1~3のいずれか一項に記載の切削加工補助潤滑材。 - 前記中分子量化合物(B)が、水溶性熱可塑性樹脂及び/又は非水溶性熱可塑性樹脂を含み、
前記水溶性熱可塑性樹脂が、ポリアルキレングリコール、ポリアルキレンオキサイドのモノエーテル化合物、ポリアルキレンオキサイドのモノステアレート化合物、ポリアルキレンオキサイド化合物からなる群より選ばれる1種以上である、
請求項1~4のいずれか一項に記載の切削加工補助潤滑材。 - 前記フラーレンの含有量が、該フラーレン、前記高分子量化合物(A)、前記中分子量化合物(B)、及び前記カーボン(C)の合計100質量部に対して、0.1~30質量部である、
請求項1~5のいずれか一項に記載の切削加工補助潤滑材。 - 請求項1~6のいずれか一項に記載の切削加工補助潤滑材からなる層を、少なくとも一部に設けてなる、
切削加工補助潤滑シート。 - 粘着層を少なくとも一部に設けてなる、
請求項7に記載の切削加工補助潤滑シート。 - 前記粘着層にアクリル系重合体を含む、
請求項8に記載の切削加工補助潤滑シート。 - 前記削加工補助潤滑材からなる層の厚さが、0.1~20mmである、
請求項7~9のいずれか一項に記載の切削加工補助潤滑シート。 - 請求項1~6のいずれか一項に記載の切削加工補助潤滑材又は請求項7~10のいずれか一項に記載の切削加工補助潤滑シートを、切削工具及び/又は被加工材料の被加工部分に接触させながら、前記切削工具により前記被加工材料を切削する切削加工工程を有する、
切削加工方法。 - 前記切削加工工程において、切削により貫通孔を形成する、
請求項11に記載の切削加工方法。 - 前記被加工材料が、チタン合金、アルミ合金、超耐熱合金、ステンレス鋼、炭素繊維強化プラスチック、アラミド繊維強化プラスチック、及びこれらを含む複合材料からなる群より選ばれる1種以上である、
請求項11又は12に記載の切削加工方法。
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