CNC加工における切削油剤の使用ガイド

で CNC加工切削油剤を正しく選択することは、機械加工の効率、品質、安全性を確保する上で非常に重要です。切削油剤は、「クーラント」、「金属加工油剤」、または「加工油剤」とも呼ばれ、切削部分を潤滑・冷却するだけでなく、切屑を除去し、機械の過熱や摩耗を防ぎます。

この記事では、クーラントの基本的な分類と特性について詳しく説明し、加工性能の最適化、工具寿命の延長、加工コストの削減を実現するために、さまざまな材料の種類と加工工程に基づいて最適な切削油を選択する方法を探ります。 加工費.CNC加工に情熱を注ぐ方々のお役に立てれば幸いです。

切削油剤の基本分類

切削油剤の主流には主に以下の種類があり、それぞれの特徴を理解した上で使用することが肝要である。

(1) エマルジョン（水性切削油剤）

水、乳化油、各種添加剤を主成分とする。このクーラントの長所は、低コストで冷却性能が高いことであり、特に大きな放熱を必要とする機械加工に適している。しかし、細菌が繁殖しやすい、腐食性が高いなどの欠点もあり、使用時には厳重な管理と定期的なメンテナンスが必要となる。

(2) 完全合成フルード

Cutting fluid without petroleum oil base, primarily composed of various chemical additives. Its main advantages include excellent cooling (often classified under industry standards like ASTM D2881 ^[1]) and lubrication performance and resistance to bacterial growth, making it very popular in applications requiring highly clean machining environments. However, fully synthetic fluids are relatively expensive, and some chemical components may be corrosive to the machine.

(3) 半合成流体

エマルジョンと完全合成油の中間に位置し、石油オイルベースと水を一定の割合で含む。このクーラントは、エマルジョンの冷却効果と完全合成油の潤滑性を併せ持ち、両者の長所をバランスさせようとしている。しかしながら、その生体安定性と腐食性には注意を払わなければならない。これは、特定の加工環境での適用性に影響を与える可能性がある。

(4) ストレート・カッティング・オイル（油性の切削油剤）

Mainly made from mineral oil or vegetable oil and is completely water-free, thus providing superior lubricity and preventing workpiece corrosion and rust. This makes it particularly suitable for machining operations requiring high lubrication. However, the heat capacity of straight-cutting oil is relatively low, and its cooling effect is not as good as water-based cutting fluids, which may be a limitation in high-speed or high-temperature machining.

(5) 可溶性オイル：

This is the concentrated oil-based precursor that forms the emulsions discussed in category (1). It typically contains a high mineral oil content (often 50-80%), providing superior lubricity for heavy-duty machining needs. However, the use of soluble oil requires strict control of the dilution ratio and water quality to prevent corrosion and bacterial growth, ensuring the safety and efficiency of the machining process.

さまざまな加工油剤の特性を明確に理解した上で、さまざまな材料や作業に応じて適切な金属加工油剤を選択し、加工性能を最適化することができます。

さまざまな材料に適した切削油

適切なクーラントを選択することは、効率的で高品質な加工を保証するために非常に重要です。

(1) アルミニウムなどの軽金属

Due to its soft, gummy nature and tendency to adhere to the cutting tool (causing Built-Up Edge), we recommend using a water-based cutting fluid with high cooling capacity and low viscosity. This machining fluid effectively prevents chip buildup on the tool, reducing friction during machining, preventing overheating, and ensuring a smooth surface finish.

(2) ステンレス鋼などの難削材

Because stainless steel’s high strength and toughness can cause severe tool wear, utilizing metalworking fluids with extreme pressure (EP) additives is crucial. These additives form a protective film on the contact surface between the tool and the workpiece, reducing wear and welding, and improving cutting efficiency.

(3) 銅とその合金

加工物の表面変色や腐食を防ぐ切削油を使用すること。銅は比較的柔らかく、加工中に付着しやすい。硫黄の含有量が少ないか全くないクーラントを選ぶことで、銅本来の色と光沢を保ちながら、加工表面の黒い斑点やその他の酸化反応を避けることができる。

(4) チタン合金材料

チタン合金は高強度で熱伝導率が低いため、高温合金用に特別に設計された切削油剤を使用することが推奨され、一般的に効率的な潤滑と冷却成分を含んでいます。適切なクーラントは、良好な潤滑を提供し、摩擦熱を低減し、化学反応や付着を効果的に防止し、工具寿命を延ばします。

(5) ニッケル基合金、コバルト基合金などの高温合金

These materials generate a lot of heat during cutting due to their heat resistance and high hardness. When machining these materials, it is highly recommended to use extreme pressure cutting fluids formulated with inactive sulfur or phosphorus compounds, which form a protective film under high temperatures, reducing friction and wear. Additionally, excellent cooling performance is required, often necessitating High-Pressure Coolant (HPC) systems operating at 70 to 100 bar ^[2] to overcome the thermal vapor barrier.

各素材には固有の物理的・化学的特性があり、最適なクーラントを選択することで、機械や工具の寿命を最大限に延ばすと同時に、加工効率と品質を向上させることができます。

さまざまな作業に適した切削油剤

機械加工の種類によっても、冷却、潤滑、切り屑処理、防錆など、金属加工油剤の選択に特有の要件があります。

(1) ターン操作

多くの場合、連続的な材料除去を伴うため、工具と加工物を保護するために、優れた冷却性能と潤滑性能を持つ切削油剤が必要となります。鋼や硬質合金の旋削加工では、極圧添加剤入りの油性加工油を選択することで、さらなる潤滑を提供し、発熱と摩耗を抑えることができます。アルミニウムやその他の非鉄金属の加工では、工具への材料の付着を防ぐため、切削油剤の冷却能力が重視されます。

(2) フライス作業

Involves more complex tool paths and multi-point cutting, requiring cutting fluids to provide excellent cooling and chip removal performance. When machining hard-to-machine materials such as stainless steel or high-temperature alloys, high-performance fully synthetic, or semi-synthetic cutting fluids can effectively reduce tool wear and severe thermal distortion of the workpiece. They maintain low temperatures in the cutting area, improving machining accuracy.

(3) 掘削作業

Deep hole drilling requires machining fluids to penetrate the hole bottom to provide lubrication and cooling. Efficient cutting fluids help quickly remove chips, prevent clogging and overheating, and avoid damage to the hole wall and dimensional inaccuracies. For deep hole drilling, using low-viscosity and high-cooling water-based cutting fluids is especially suitable because these fluids can easily penetrate small holes and narrow spaces.

(4) 研磨作業

Generates significant heat, requiring cutting fluids with excellent cooling performance to prevent workpiece overheating and thermal damage. Water-based cutting fluids are usually preferred because they can quickly absorb and conduct heat, maintaining low temperatures in the grinding area. Additionally, high detergency (flushing capability) is strictly necessary to wash away microscopic swarf, prevent grinding wheel loading, and improve surface finish quality.

まとめると、適切なクーラントを選択することは、加工効率と品質を向上させるだけでなく、機械や工具の寿命を延ばすことにもつながります。これにより、作業の安全性が確保され、経済的利益が最大化されます。

切削液使用上の注意

切削油剤を選択する際には、その性能、安全性、環境への影響を総合的に考慮し、費用対効果を最大化する必要がある。

(1) 環境保護

環境保護はますます重視されており、環境にやさしい切削油剤は重要なテーマとなっている。環境に優しい切削油剤は、主に生分解性材料から作られており、環境汚染を低減する。さらに、これらの切削油剤は通常、有害な化学物質を含まないため、廃液処理の難易度とコストを低減することができる。環境に優しい切削油剤を使用することで、企業はますます厳しくなる環境規制を遵守し、環境に優しいブランドイメージを高めることができる。

(2) 安全性

Safety is an indispensable factor in the work environment, especially when cutting fluids are involved. Traditional cutting fluids may contain harmful chemicals such as sulfates, chlorine, and heavy metals, which can cause skin irritation, respiratory problems, and more serious health issues. Therefore, choosing low-toxicity or non-toxic cutting fluids and maintaining airborne mist concentrations strictly below the NIOSH limit of 0.4 mg/m³ ^[3] is key to protecting operator health, reducing health risks, and providing a safer working environment for operators.

(3) 経済

From an economic perspective, choosing the right cutting fluid is crucial for controlling production costs. Environmentally friendly and high-performance machining fluids may have higher initial purchase costs. But, in the long run, they can significantly lower overall operational costs by reducing tool wear, improving machine efficiency, and lowering waste disposal fees. Additionally, using high-quality metalworking fluids can extend equipment life, reduce production interruptions, and further optimize production costs.

概要

この記事では、さまざまな材料や加工作業に対するクーラントの種類とその選択基準について包括的に説明します。エマルジョンから完全合成流体まで、それぞれの切削油剤には独自の利点と適用シーンがあり、環境、安全性、経済性を考慮しながら、特定の材料と加工ニーズに最適な冷却、潤滑、防錆効果を提供します。

Through precise selection and application of suitable cutting fluids, facilities providing custom CNC machining services can improve machining efficiency and product quality, ensure a safe operating environment, and optimize production costs, achieving efficient, economical, and sustainable production.

参考

[1] ASTM International. (2019). ASTM D2881-19 Standard Classification for Metalworking Fluids and Related Materials. https://doi.org/10.1520/D2881-19

[2] Raykar, S. J., & D’Addona, D. M. (2019). Thermal Modeling of Tool Temperature Distribution during High Pressure Coolant Assisted Turning of Inconel 718. Materials, 12(3), 408. https://doi.org/10.3390/ma12030408

[3] National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH). (1998). Criteria for a Recommended Standard: Occupational Exposure to Metalworking Fluids. Centers for Disease Control and Prevention (CDC). https://stacks.cdc.gov/view/cdc/5175