切削油

金属切削では、摩擦と材料の変形によるエネルギー損失により熱が発生します。 ^{[ 2 ]}周囲の空気は熱伝導率が低い（熱伝導が悪い）ため、冷却剤としては不向きです。^{[ 3 ]}周囲の空気冷却は、メンテナンス、修理、運用（MRO）や趣味の作業でよく見られるような、軽い切削と低いデューティサイクルには十分な場合があります。生産作業では、長時間にわたる重切削が必要であり、通常、空気冷却で除去できる以上の熱が発生します。工具が冷えるまで生産を中断するのではなく、液体冷却剤を使用すると、はるかに多くの熱をより迅速に除去でき、切削速度を上げ、摩擦と工具の摩耗を軽減することもできます。

しかし、熱くなるのは工具だけではなく、加工面も同様です。工具や加工面が過度に熱くなると、両方の焼き戻しが損なわれたり、軟化して使い物にならなくなったり、破損したり、周囲の材料が焼けたり、望ましくない熱膨張が生じたり、酸化などの望ましくない化学反応を引き起こしたりする可能性があります。

機械加工中に発生する熱を制御することは、工具寿命を延ばし、工作物の熱処理の変化を防ぎ、工作物の反りを防ぐために必要です。^{[ 4 ]}切削油を使用することで、工作物を周囲の空気で冷却する場合よりも速く切削することができます。

電力工学で使用される合金構造鋼に関する研究では、旋削加工中に潤滑液が切りくず形成メカニズムと切削生成物の形態を大きく変化させる可能性があることが実証されています。^{[ 5 ]}さらに調査した結果、38KhN3MFAローター鋼の技術的改質により、その構造相状態が変化し、さまざまな加工条件下で切りくずの形態に影響を与える可能性があることが示されています。^{[ 6 ]}

切削油は冷却効果に加え、工具の刃先と切りくずの接触面を潤滑することで切削加工を円滑にする役割も果たします。この接触面での摩擦を防ぐことで、発熱をある程度抑制できます。また、この潤滑作用により、切りくずが工具に溶着するのを防ぎ、その後の切削作業の妨げとなるのを回避できます。

レービンダー効果とは、切削油に含まれる界面活性剤を塗布した際に材料の強度が低下する現象です。 ^{[ 7 ]}切削油は切削面を覆い、その表面エネルギーを低下させることで、材料を効果的に弱体化させます。^{[ 7 ]}これにより、切削に必要な力、工具の摩耗、加工に必要な時間が減少します。^{[ 7 ]}レービンダー効果は複雑で、切削油と加工材料の両方の化学的性質と構造に依存するため、機械工が加工工程の計画に考慮に入れるのは困難です。経験豊富な機械工は、この効果を考慮する場合でも、「経験則」や試行錯誤の方法を用いることがあります。

切削油中の極圧添加剤は、切削工具と被削材の間にバリアを形成します。^{[ 8 ]}このバリアにより、両者の接触が防止されます。切削工具と被削材が接触すると、被削材の粒子が切削工具に溶着する可能性があります。^{[ 8 ]}これらの付着した粒子は、工具の精度と切削精度を低下させ、切削時の摩擦を増加させ、表面仕上げの品質を低下させます。

切削油には一般的に鉱物油、半合成油、合成油の3種類があります。半合成切削油と合成切削油は、乳化油を水ベースに懸濁させることで、油の優れた特性と水の優れた特性を組み合わせようとする試みです。これらの特性には、防錆性、幅広い硬度の水に対する耐性（pHを9～10付近で安定させる）、多くの金属との加工性、耐熱分解性、環境安全性などがあります。^{[ 12 ]}

水は熱伝導性に優れていますが、切削油としては欠点があります。沸騰しやすく、機械部品の錆びを促進し、潤滑性も劣ります。そのため、最適な切削油を作るには、他の成分が必要となります。

石油を原料とする鉱物油は、19世紀後半に初めて切削用途に用いられるようになった。これらは、重工業で使用されるような粘度が高く、硫黄分を多く含む濃い色の切削油から、軽くて透明な油まで、様々な種類がある。

半合成クーラントは、可溶性油とも呼ばれ、水と鉱物油の乳化またはマイクロ乳化物です。イギリス英語を使用する作業場では、可溶性油は俗にSUDSとして知られています。^{[ 13 ]}これらは1930年代に使用され始めました。一般的なCNC工作機械は通常、乳化クーラントを使用します。これは、洗剤を使用して、少量の油を多量の水に乳化したものです。

合成冷却液は1950年代後半に登場し、通常は水性である。

切削油サンプル中の油濃度を測定する公式手法は手動滴定です。^{[ 14 ]}試験対象の流体100mlを0.5M HCl溶液でpH4の終点まで滴定し、終点に達するまでに使用した滴定液の量を使用して油濃度を計算します。この手法は正確で、流体の汚染の影響を受けませんが、訓練を受けた担当者が実験室環境で実施する必要があります。水溶性クーラントの混合比を決定するために使用される工業標準は携帯型屈折計です^{[ 15 ]。}これは、 Brixスケールで測定されたサンプルの屈折率から油濃度を推定します。屈折計を使用すると、工業プラント内で油濃度を現場で測定できます。ただし、サンプルの汚染により測定精度が低下します。切削油中の油濃度を測定するために、流体の粘度、密度、超音波速度の測定などの他の手法も使用されます。酸性度や導電率などの特性を決定するために他の試験装置が使用されます。

その他には以下のようなものがあります。

• 灯油や消毒用アルコールは、アルミニウムの作業においてしばしば良い結果をもたらします。
• WD-40と3-In-One Oilは様々な金属に効果的です。後者はシトロネラの香りがしますが、その香りが気になる場合は、鉱物油や汎用潤滑油でもほぼ同様の効果が得られます。
• 摺動面油（工作機械の摺動面用に作られた油）は切削油としても機能します。実際、一部のねじ切り盤は、摺動面油と切削油の両方に同じ油を使用するように設計されています。（ほとんどの工作機械では、摺動面潤滑油とクーラントは別々のものとして扱われますが、使用中に必然的に混ざり合うため、浮遊油スキマーを使用して分離する必要があります。）
• モーターオイルと工作機械の関係はやや複雑です。ストレートグレードの非洗剤系モーターオイルは使用可能で、実際、数十年前には手動工作機械のスピンドルオイルと摺動面オイルとしてそれぞれSAE 10と20が推奨されていましたが、現在では商業加工では専用の摺動面オイルが主流となっています。ほぼすべてのモーターオイルは切削性能のみで十分な切削油として機能しますが、洗剤やその他の添加剤を含む現代のマルチグレードモーターオイルは避けるのが最善です。これらの添加剤は、工作機械のベアリングやリードスクリューナット（特に古い工作機械や手動工作機械）によく見られる真鍮や青銅に対して銅腐食を引き起こす可能性があります。
• 誘電体液は、放電加工機（EDM）の切削液として使用されます。通常は脱イオン水または引火点の高い灯油です。電極（またはワイヤ）の切削作用によって激しい熱が発生するため、この液は加工物の温度を安定させるとともに、加工領域から削り取られた粒子を洗い流すために使用されます。誘電体液は非導電性です。
• プラズマアーク切断（PAC）プロセスでは、液体（水または石油）で冷却されたウォーターテーブルが使用されます。
• 最高級のニートフットオイルは潤滑剤として使用されます。金属加工業界ではアルミニウムの切削油として使用されます。アルミニウムの機械加工、ねじ切り、穴あけには、灯油やさまざまな水性切削油よりも優れています。^{[ 16 ]}

切削油は、用途によってはペースト状やゲル状になることもあり、特にドリル加工やタッピング加工などの手作業で使用されます。帯鋸で金属を切断する場合、ペースト状の切削油を定期的に刃に当てて擦るのが一般的です。この製品は、口紅や蜜蝋に似た形状をしています。厚紙製のチューブに入っており、使用するたびに少しずつ消費されます。

切削液の中には、エアロゾル（ミスト）状（液体の微細な液滴が散在する空気）で使用されるものがあります。ミストの主な問題点は、周囲のミストで汚染された空気を吸い込まなければならない作業員にとって有害で​​あることと、場合によっては効果が低いことです。これらの問題はどちらも、ミストが切削界面以外のあらゆる場所に、切削中、つまりミストが必要な唯一の場所と時間に散布されるという、不正確な噴霧に起因しています。しかし、より新しいエアロゾル噴霧方式では、MQL（最小量潤滑剤） ^{[ 17 ] [ 18 ]}は、これらの問題の両方を回避します。エアロゾルの供給は、工具のフルートを通して直接行われます（インサート自体を通してまたは周囲に直接到達します。これは、従来、ガンドリルや生産フライス加工における高価な最先端の液体供給など、いくつかの状況を除いて利用できなかった理想的なタイプの切削液供給です）。MQLのエアロゾルは、位置とタイミングの両方に関して非常に正確にターゲットを絞って供給されるため、オペレーターの視点から見ると、最終的な効果はほぼドライ加工のように見えます。 ^{[ 17 ] [ 18 ]}チップは一般的にドライ加工されたチップのように見え、排出は不要で、空気が非常にクリーンなため、加工セルを以前よりも検査や組み立ての近くに配置できます。 ^{[ 17 ] [ 18 ]} MQLは熱伝達という意味での冷却をあまり提供しませんが、その的確な潤滑作用により、そもそも熱の発生の一部を防ぐことができるため、その成功を説明するのに役立ちます。

二酸化炭素（化学式 CO _{2 ）も}冷却剤として使用されます。この用途では、加圧された液体 CO ₂が膨張し、それに伴って温度が低下し、固体への相変化を引き起こします。これらの固体結晶は、外部ノズルまたはスピンドルを介した供給によって切削ゾーンに送られ、切削工具とワークピースの温度制御冷却が行われます。^{[ 19 ]}

もちろん、もともとは外気を切削加工の冷却剤として用いていました。圧縮空気は、空気圧縮機からパイプやホースを通して供給され、ノズルから工具に向けて噴射されますが、これも有効な冷却剤となる場合があります。減圧される空気の流れの力で切削屑が吹き飛ばされ、減圧自体にもわずかな冷却効果があります。結果として、切削加工で発生する熱は、外気だけの場合よりも効率的に除去されます。場合によっては、空気の流れに液体を加えてミスト状にすることもあります（上記で説明したミスト冷却システム）。

加圧鋼製ボトルで供給される液体窒素は、同様の方法で使用されることがあります。この場合、沸騰させるだけで強力な冷却効果が得られます。長年にわたり、（限られた用途で）作業領域に液体窒素を流し込むことでこの冷却が行われてきました。2005年以降、この冷却方法はMQL（スピンドルと工具先端を通して供給）に匹敵する方法で適用されています。これにより、工具本体と先端が冷却され、「熱スポンジ」のように機能し、工具と切りくずの界面から熱を吸収します。^{[ 20 ]}この新しいタイプの窒素冷却はまだ特許中です。チタンやインコネルなどの硬質金属のフライス加工において、工具寿命が10倍に延びました。^{[ 20 ]}

あるいは、気流と速乾性物質（例：アルコール、水など）を組み合わせることで、他の方法では冷却できない高温の部品を扱う際に、効果的な冷却剤として使用することができます。

• 19世紀の機械加工では、水を使うことは珍しくありませんでした。これは、切削刃と切りくずの接触面で潤滑効果が得られるかどうかに関わらず、単に切削工具を冷却するための実用的な手段でした。高速度鋼（HSS）がまだ開発されていなかったことを考えると、工具を冷却する必要性はなおさら明らかです。（HSSは高温でも硬度を維持しますが、他の炭素工具鋼はそうではありません。）改良された方法として、ソーダ水（炭酸水素ナトリウム水溶液）があり、これは機械の摺動部の錆びをより効果的に抑制しました。しかし、より効果的な代替手段が利用できるようになったため、これらの方法は今日では一般的には使われていません。
• 牛脂や豚脂などの動物性脂肪は、かつては非常に人気がありました。^{[ 21 ]}今日では、他の選択肢が多岐にわたるため、これらはあまり使用されていませんが、選択肢の一つとして残っています。
• 古い機械工場の訓練書には、赤鉛や白鉛をラードやラード油に混ぜて使う方法が記されている。しかし、鉛の毒性のため、この方法は現在では廃れている。
• 20世紀半ばから1990年代にかけて、1,1,1-トリクロロエタンは切削油の添加剤として使用され、切削油の性能向上に役立てられていました。作業現場では「ワンワンワン」という俗称で呼ばれていました。オゾン層破壊作用と中枢神経抑制作用があるため、現在では段階的に廃止されています。

• Hartness, James (1915). Hartness Flat Turret Lathe Manual: A Hand Book for Operators . Jones & Lamson machine Company. hdl : 2027/wu.89088930805 . OCLC 608906104 . 
• スミッド、ピーター（2010）、『フライス加工と旋削加工のためのCNC制御設定』、ニューヨーク：インダストリアル・プレス、ISBN 978-0831133504、LCCN 2010007023。