水溶性切削油剤を用いた低速仕上げ切削

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(1)水溶性切削油剤を用いた低速仕上げ切削新井. 実，，. Finish cutting in low cutting speed with@ emulsion@ type@ fluids. Minoru ARAI In@ the@ cutting of@ ste0 ， it@is@not@ easy@ to@ g ， et@ g ood@ surface@ finish@ of@ the@ order@ of ・. ・. submicron@ mainly@ because@ of@ built-up@ edge@ (BUE) ， BUE@ has@ been@ known@ to@ be eliminated@ by@ elevating@ the@ cutting@ temperature@ over@ the@ recrystallization@ temperature@ work@ material. ・. For@ small@ diameter@ of@ work@ piece@ or@ rotary@ tool,@ how-. ever ， it@is@practically@impossible@ to@ g et@ this@ temperature@ ・. on@ high@ cutting@ speed. ・. because@ of@ the@ limitati. n. In@ this@study ， good@ surface@ finish@ is@shown@ to@ be@ obtained. even@ at@ low@ cutting@ speed@ under@ some@. conditions ， Machining@. tests@ of@ steel using ・. water@ base@ cutting@ fluids@ indicate@ that@ (1)@BUE@ disappears@ at@ the@ cutting@ speeds not@ only@ over@ a@ high@ critical@ value ， but@ also@ below@ a@ low@ critical@ value ， (2)@the. lower@ critical@cutting@ speed@ is@mainly@ determined@ the@ too@ and@ work@ mate. Ⅰ. by@ tool@ face@ temperature@. als,@and@ (3)@the@ surface@ roughness@ Ry@ b0ow@. 1@@@m@ can@ be@ obtained@ easily@ even@ by@ general@ purpose@. Ⅰ. and. ss@ than. lathe@ when@ cutting@ condi-. tions@ are@ chosen@ appropriately. ]. . はじめに超精密旋盤を用いて特殊な鋼を切削すると、仕上げ面粗さ Ry が 0 ． 01%m. 以下の鏡面に近い平滑な. 面を得ることができる。しかし、現実の生産現場では汎用の工作機械で炭素鋼を切削する場合が多く. 、機械系の連動誤差や構成刃先の発生などのために、. Ry 数月 m 程度の仕上げ面を得ることも難. しいのが現状である。機械系の運動誤差が少ない最近の高精度工作機械を使っても構成刃先の発生を抑制しないと平滑面は得られない。切削速度を増大させて被削材の再結晶温度を越えるよ. う. にすればよい " が、小径. 工作物や小径工具の場合は高速化にも限界がある。一方、切削速度をある限界以上にすれば構成刃先が小さくなり、やがて消滅することが f 旨捕されているが、その支配因子を具体的に検討した例は. 見当たらない。マシニンバセンタなどの最近の自動化された工作機械では切りくず排除と熱変形防止対策のため. ， )技術教育講座.

(2) 40. 新井. 実. に水溶性切削油剤を大量にかけながら切削することが. 多い。この場合はさらに切削温度の増大は. 望. めない。むしろ低速切削にして、構成刃先が発生する切削温度以下にすれば良好な仕上げ面を得ることができそうである。. 本研究は水溶性切削油剤を用いて低速で仕上げ切削する場合の切削特性を検討したものである。すなねち、切れ刃をていねいにラッピンバした超硬スローア. ゥ. エイチップを用いて鋼を水溶性切削. 油剤をかけながら低速仕上げ切削すると汎用旋盤でも Ry が l 移 m 以下の仕上げ面が容易に得られる. ことを示し、構成刃先の発生する下限の切削速度を支配する因子 ( 切削条件、切削油剤の濃度、エ具材種 ) を検討した。この領域での工具摩耗が乾式高速切削に比べて著しく大きいことが欠点である。最近の研究の多くは、実用性が過度に求められるために、開発の基礎になる基本的な検討がなお. ぎりにされやすい。本研究は実用的には必ずしも有効ではないが、水溶性切削油剤を用いる場合の切削現象の基本的な特性を知る上で重要であると考える。. 2.. 実検方法. 2 一. 1. 切削方式. 図工のように旋盤に取り付けた円盤 ( 直径 100㎜ ) を一定の回転数で. 回転させて、工具を外側から. 中心に向けて送り、正面切削した。校則材は炭素鋼 (S45CX の焼準材を用い、中心部分 ( 直径 40 ㎜ ). 切り、それぞれの区分の中間の速度を切削速度とした。. を除き 5 ㎜間隔で溝を 2 一 2. 工. 具. 工具は市販の数種の材種のスローアウェイチップを. 用いた。ただし、市販のままでは切れ刃に丸. みあるいは C 面取りがあり、ここに構成刃先がつき易く、良好な仕上げ面が得られなかった。そこで、チップの表面 ( すくい面 ) をダイヤモンドペースト. ( 最終仕上げには. 粒径 1%m) を用いてラッピ. ングした。 2. 3. 一. 切削条件. 切削条件は表. 1. に示すとおりであり、仕上げ切削を対象にし、切削条件を変えた。切削油剤はェ. マルションタイプのものであり、濃度 ( 希釈倍率 ) を変えたが、大部分の実験では水道水で 30fS に希釈したものを切削点上部から、. Tab@@ 1@Cut ng@ cond Ⅰ. i. Ⅰ. lL/min 程度で流下した。. ns@ (___@;@Standard). Ⅰもぬ 04 % eel(S45C). Wo 止血 t㎡Ⅰ. Ⅰ. 9 OOV.e ア. Fe Ⅰ. 宙 o 正 mf. 打甘 Ⅰ. 0.01 乃， 0 0 ぴ， QQ 毛・. 0 ． 10. ， 0 ， 20. 0 5,0 ・. ・. 2,、工ム 0 05 ・. COmerrndねs mm l8,ム蛆 0 4,0 2 ・. ・. Tool. コ鵬 Pm,HsS,. 0 拙下宮Ⅰ uid. ⅡⅠⅠ E ぬion けが曲㎡睡t, X 3, Ⅹ 坦，ヮが㏄. ㏄met,. ㏄ N, 瑛珂㎝d. O へO. 1 Dep. 血曲W. 『. F Ⅰ．1@ Setup@ of@ cutti g@ test.

(3) 水溶性切削油剤を用いた低速仕上げ切削. 41. 30 丘. 臼つつ. ミム. Cu Ⅵ ng. O，. 2O. エ. 文 Dry. のの. O. 偉. 、O 、. ⅠⅠ こコ. %. 2@ 10. 0 、、 Theoret:c 引 (0 4 用 m ・. ). ⅩⅠⅠ. O、. Wet@cutting. 市 OO. 七. コ. の. 0. O. Ⅰ. 00. 。。"' 。9"'" F Ⅰ． 2. Effect. of. cut. Ⅰ. ng. speed. on. 200 。 m/mln mac. Ⅱ. ned surface roughness. 3. 実検桔果 3 一. ]. 臨界切削速度. 図 2 は標準切削条件で切削速度を変えて切削したときの仕上げ面あらさの測定結果であ. る。乾式. 比較した。乾式切削の場合は切削速度 5Om/mmn 以上の領域では切削速度を増大させると仕上げ面あらさが激減する。しかし、切削速度を 300/min にしても、仕上げ面粗さは 2%m 程度であり、幾何学的に計算される理論粗さ (04%m) よりはるかに大きい。一方、の場合と湿式の場合について. ・. 水溶性切削油剤を用いた湿式切削の場合は乾式切削とは反対に切削速度を. 50m/mmn. 以下にすると. 切削速度の減少にともなって仕上げ面粗さ Ry が小さくなり、 15m/min 以下の領域では Ry が l 川 m 程度にまでなる。仕上げ面粗さが理論粗さに比べて. 桁違いに大きくなるのは、構成刃先が切れ刃に付着するためで. あ. る。乾式切削には構成刃先が付着する. あ. ることがわかる。湿式切削の場合に構成刃先発生の上限が何に支配されるのかについて検討する. のが本研究の玉目的であ. -'. ニー・. 付着する上限が. る。なお、構成刃先が発生しない乾式高速切削の場合に仕上げ. 盛り上がりを生ずるためであ. 面粗さ 2 が. る。そのことは図. 3. の粗さのプロファイルからもわかる。. このような. ト. ︶t. w. ︵. m. n. m. /. 一一. 5. V. ︶a ︵. し- 'ユ. り、湿式切削では逆に構成刃先が. (0． 4 円 m) より大きいのは、工作機械の振動のほかに、切れ刃近傍で被削材が流動し、. m と理論粗さ. @. 下限があ. (b)V=20m/min. Ⅰ. (wet). (c)V=50m/min. (we. l9.3 P of 0s of su ㎡ac0 roughn0ss ア. Ⅱ. (d)V=300m/min も. ). (dry. Ⅰ.

(4) 42. 新井. 実. 盛り上がりは湿式低速切削にはないことが粗さのプロファイルから読み取ることができる。 3 一. 2. 図. 4. 切削条件の影Ⅰ. は送り且を変えて切削した場合である。いずれの送り量でも切削速度が限界値以上になると. 仕上げ面粗さが. 急増し、その限界切削速度 (Vcr)は送り量が大きいほど低いことがわかる。. 送り呈と同様な実験を切込みおよび工具のコーナ一半径を変えて行い、限界切削速度を求めた。切込みが大きいほど、コーナ一半径が小さいほど限界切削速度が低いことがわかる。切込みを a 、 f、. コーナ一半径を re とすると切削断面の平均切削厚さ h は. h@@. fVa/2r&. で求められる。この h と限界切削速度 (Vcr) の関係を両対数グラフで示したものが図. 5. である。. ぼ一ホの直線的にのることがわかる。三. Ⅰ. 0. コ 8. ノ、. T. 6 のの. の. Ⅰ. Ⅰ の. 4. コ. Ⅰ O. 0. 2. Ⅰ. 20. O. 30. 窩. Cu Ⅵ n9 % ㏄ i9,4 E 什0ct of 00d 干. Ⅰ名士. o on m. 宕. 40. 50. V m/m :n. chinod su ㎡aco oughnoss ア. O. t U C. f. 0. Ⅰr. l Ⅰl. O. 曲朋. 0. a V. 3. eO. 0. さノ毒のの三年コ. 0. E トE. Ⅰ. 三 0%. 0 一口一0 し. Ⅰ. Ⅰ. 0. Mean@undeformed@chip@thi Fi ． 5@ Re@ tons. Ⅱ. Ⅰ. p@ cr i 9@ cut ng@ speed@ and@ undeformed@ Ⅰ. Ⅰ. O0. kness@ h@ /zm c Ⅱ p@ th kness Ⅰ. ほ.

(5) 43. 水溶性切削油剤を用いた低速仕上げ切削. 3. 一. 3. 図. 6. 切削油剤の影Ⅰ. は切削油剤の希釈倍率の影響を調べたものである。希釈してない場合 (straight) は切削速度. による変化が少なく、 Ry はほぼ 10 が m 程度である。不水溶性切削油剤の場合も全く同様であり、 30. m/min. 程度までは切削速度による変化が少ない。これは構成刃先が安定に付着することを意味し. ている。. 3. 倍希釈にした場合は 30倍希釈の場合に比べて限界切削速度が減少することがわかる。. こ. のことは切削油剤の冷却効果のためであり、希釈倍率を大きくすると冷却効果が大きくなるものと思われる。しかし、 30 倍と水ではその相違がほとんどないことから冷却効果は変わらないものと思、. われる。. 0 l 5. 三寸ヌロのののⅠ二つ. 30). 0. コ 0しのり市七 Ⅰの. 0. Ⅰ. 20. O. Cu Ⅵ ng Fi ， 6@ Effect@ of@ cuttng@. u. Ⅰ. Ⅰ. 30. Ⅱ㏄d. 40. V m/m :n. S. s@ on@ machi. ed@ surface@ roughness. ﹁. 0. Ⅰ. 三さトエ. 8 6 2 0. K10. ム. ce. @@. P20 HSS. ァ. met. 0 6. 0 5. m l m. 4n i. 0. 3V. speed. n. tt. 7. Ⅰ. 0. O. 29. 0C. l. 0. 図. o@. 4. ののの印二つコ0Ⅱの 0巾七コの. 4. CBN. a. Fi ． 7@ Effect@ of@ to0@ mater 3 一. @@. @@ on@ machi ed@ surface@ roughness. 工具材寅の影 Ⅰ. は工具材質の影響を調べたものである。高速度鋼工具 (HSSX 、超硬 P2Q および Kl0 の場合に. は限界切削速度があり、 HSS が最も低かった。これらに対して、 CBN. やサ. ー. メット (cermet) の場.

(6) 44. 新井. 実. 合には実験の範囲では限界切削速度がなく、構成刃先の付着がきわめて少ない。これらの結果から、. 工具材質と被削材との親和性を評価することができ、 CBN やサーメットは鏑に対して親和性が低. いことを意味している。. O. 3. 0 O. 0. 4. O O 2 O 0. Ⅰ. 0トコ巾しロの巨EO ︶け三ニコ 0. 9. ●. Kl0. A. TiN. ㏄釘t㏄. 0. 20. 0. 40. 60. 0. 80. Ⅰ. 00. Cutting 甲㏄ V m/m:n Fl9.8 E 廿ects of cuttlng speed and tool materie8lson cutting tempe natu 。ア. beyond ト Vcr BUE. nextPaSS ㍉. tool feed F. 3 一. 5. Ⅰ. ⅠⅠⅠⅠⅠ. ア. nnl6h 俺 d SU faC0 ア. ヰ. below@ Vcr プ. /. C. ⅡⅠ. ， 9@ Mechan. tfngdg も. Ⅰ. そ. m@ on@ formi g@ fni h@ surface. 切削温度の測定. 従来の研究で、構成刃先が発生するのは被削材の青熟ぜい佳城であることが指摘，) され、切削温度に支配されると言われている。そこで切削温度を工具一校則材熱起電力方式で測定した。構成刃先が発生すると熱起電力波形が. 著しく変動するが、. 構成刃先発生までの切削温度を図. 8. に示した。. 超硬の場合、約 150。C 程度であり、必ずしも青熟ぜい佳城ではなかった。超硬でも P20 より Kl0 の方が若干限界切削温度が高い。またサーメットの場合には 400 。C 程度まで安定な出力だった。て、従来の f 旨摘のように切削温度だけでは. したがっ. 決まらず、工具と被削材の親和性の影吾が大きいことが. わかった。 3 一. 6. 仕上げ面創成機構. 仕上げ面が良好である場合は構成刃先が発生していないと. 推論してきたが、このことを確かめる. ために切削途中で切削を停止しその面を観察するとともに仕上げ面粗さを. 定した仕上げ面の創成機構が図. 9. 調べた。. その結果から推. である。通常の切削はコーナ半径をもつ工具での仕上げ切削であ.

(7) 45. 水溶性切削油剤を用いた低速仕上げ切削. り、. 切削厚さは切れ刃の場所によって異なる。切削厚さが厚い領域では明らかに構成刃先が発生し. ており、切削面には付着物が見られる。しかし、切削送りとともに仕上げ部に移るにつれて付着物が減少している D したがって、一度は発生した付着物を仕上げ部がさらうことによって良好な仕上. げ面になるが、切削条件によっては付着物が大きく、さらえきれなくて仕上げ面粗さが悪いものと思われる。 0 8 6. P20. 4 2 0. K10. CBN Ⅰ 0. ヌエののの文0 仁 Ⅱロの 0 コ% 亡コの. ざ. l. 毎. Ⅰ. 2 00. 00. Cutti g‥. Ⅰ. 3. 一7. g ， 10. Change. of. mach. ed. Ⅰ. Ⅰ. tance. 800 L. m. surface roughness wi. h. cut. Ⅰ. ng. d tance Ⅰ. 工具屋耗. 上記のように仕上げ面粗さ. l. が m 程度の良好な面が簡単に得られることが判明したが、これは切. 削めごく初期の粗さである。実用化への課題は工具摩耗であり、どの程度良好な仕上げ面が維持で. きるかである。超硬 Klo および CBN 工具を用いて切削. Un である。 Klo の場合、上記で示した. l. し、. 切削距離ごとの仕上げ面粗さを調べた。その結果が図. 川 m 程度の粗さが達成できるのはごくわずかであ. り、初期. 値 02 倍を寿命としても切削距離が 50m 程度までである。直径 80 ㎜の被削材で送り方向にわずか. 10. ㎜程度である。したがって実用的に鏡面を得ることは難しい。一方、 CBN の場合には初期の粗さが 800m 切削しても初期値の. 2. 倍以下だった。. 図 11 は逃げ面摩耗幅 VB を測定した結果である。 Kl0 および P20 については乾式高速切削 (V 二 300. m/minJ の値も並記してあるが、湿式切削の摩耗はこれらよりはるかに大きいことがわかる。図 g で CBN が良好なことを示したがそれでも乾式の P20 の摩耗程度である。またサーメットは仕上げ面粗さは良好であったが、摩耗そのものは極めて大きかった。工具摩耗の抑制のために切削油剤の濃度、流量および給油圧力を変えたが、その影響はほとんどなかった。表 2 は湿式切削の場合と乾式切削の場合の切削抵抗と切削された仕上げ面の硬さをマイクロビッ. カーズで測定した結果である。湿式の場合の方が切削抵抗が. 大きい。また仕上げ面の硬さも高い。. したがって、低速切削で摩耗が大きいのは被削付表層が硬いために、これが工具逃げ面を擦過する. ことによって摩耗を促進するためであると考えられる。乾式の高速切削で摩耗が少なくなるのは切削によって切削温度が増大し被削材の表層が軟化するためであると考えられる。従来、低速切削の摩耗の原因は被削材が工具に凝着し、これが剥離するために摩耗が大きくなると言われてきたが、.

(8) 46. 新井. ア. 400@. 500@. Ⅰ. 3. 一. 8. Cutting fo nCe Ⅰ. 甘. 600. L@ m. with cutting distance. Ⅸm 血岱. 璃 IV 300m/m 廿 lお N Table 2. で. 300@. 37¨. 下. より. Ⅰ. m. 当妥. @@ KIO(wet) @@ P20(wet). of tool wea. の. a@ P20(dry)@. 200@. 方. ⅡⅤ. Ⅰ. 構機耗摩. A@ Ⅰ N@coted(wet). Cutting@conditions. WetWeV=6.5. のコし上き. る. と. Change. ⅠⅠ. え. て. A@ K1@O(dry)@. Cutti g@ di tance@ F@g.. 考. め. 含も. こ. 00@. と. @Ⅰ. き. カ. 大. こ. 耗摩. 合傷. の @. メ. サ. Ⅰ 、ヰ @ よ Ⅰ. 刀、ノ. 凝る. 1. et(wet) ●㏄N (w ぬ ). cWm. ■. 0. 実. 舛N. 又5 ∼ 3 ㏄. 22N. 270∼ 300. nd ha ndness of machined ア. su ㎡甘 ce. ま面加工の可能性. ・. (a)@Tool@geometry. ・. 3. 月 m 程度の仕上げ面粗さが得. (b)@Profile@surface@ roughness@ in@fi ish@turni g (V エ 5m/min,. Flg.l2. f 二 0.0125m/rev). Test fo fo nmatUting mi ror su ㎡ace in specie8lfinish cuttlng Ⅱ. ア. Ⅰ. ・. このときの仕上げ面粗さのプロファイルが (b悩であり、 Ry Ⅰ 0 2 ∼ 0. の低速切削を行った。. ト. 成し、用いた旋盤の最低送り量の 0 ． 0125 ㎜ /rev にして、切削速度 5m/mmn. 、. 以上の結果から、水溶性切削油剤を用いた低速切削で実用的に良好な仕上げ面を得ようとすれば CBN 工具しかない。そこで、 CBN 工具の各面をラッピンバ仕上げして、図 W2()) のように工具を形.

(9) 47. 水溶性切削油剤を用いた低速仕上げ切削. られた。. ダイヤモンド工具は鋼と酸化反応するために寿命が短いと言われているが、湿式低速切削なら摩耗が少ないと期待して切削した。しかし、多結晶ダイヤモンドの場合も単結晶ダイヤモンドの場合も摩耗が著しく切削距離 10Om 程度 ( 直径 80 ㎜の場合に工具送り方向で. 5 ㎜). で VB ミ 0 ． lInIn になり、. 実用には適さないことが判明した。 4. まとめ Ⅲ. 水溶性切削油剤を用いた低速切削で切削初期は良好な仕上げ面粗さが得られる。. (2) 仕上げ面が良好になる限界切削速度は送り量、工具形状によって異なる。. (3) CBISU工具が最も高速域まで良好な仕上げ面が得られる。 (4) 湿式低速切削の工具摩耗は大きい。その原因は高硬度仕上げ面が逃げ面を擦過するためである。. (5) ラッピンバ仕上げした CBN 工具で低速切削すると Ryo.2 ∼ 0 3 『 m 程度の仕上げ面粗さが得ら・. れるが、工具摩耗が顕著である。. 参考文献. 1) 中山一雄. ;. 切削加工論、コロナ社 (1976)p23.

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