切削液

切削液は、機械加工やスタンピングなどの金属加工プロセス用に特別に設計された冷却剤および潤滑剤 の一種です。切削液には、油、油水エマルジョン、ペースト、ゲル、エアロゾル（ミスト）、空気またはその他のガスなど、さまざまな種類があります。切削液は、石油蒸留物、動物性脂肪、植物性油、水と空気、またはその他の原材料から作られています。文脈や対象としている切削液の種類に応じて、切削液、切削油、切削化合物、冷却剤、または潤滑剤と呼ばれることがあります。

ほとんどの金属加工および機械加工プロセスでは、加工対象物の材質に応じて切削液の使用が効果的です。一般的な例外として、鋳鉄と真鍮があり、乾式で機械加工できます（ただし、すべての真鍮に当てはまるわけではなく、真鍮の機械加工では切削液の使用が効果的です）。^[1]

優れた切削液に求められる特性は、以下の能力です。

• ワークピースを安定した温度に保ちます (厳しい許容範囲で作業する場合に重要です)。非常に高温でも問題ありませんが、極端に高温または高温と低温が交互に繰り返されることは避けてください。
• 作業刃を潤滑し、先端の溶着を減らすことで、切断先端の寿命を最大限に延ばします。
• 廃棄時には、取り扱う人々（毒性、細菌、真菌）と環境の安全性を確保します。
• 機械部品やカッターの錆を防ぎます。

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。周囲の空気は熱伝導率が低い(熱伝導率が低い) ため、冷却剤としては適していません。保守、修理、運用(MRO) や趣味の作業に典型的な軽い切削や低負荷サイクルには、周囲の空気冷却で十分な場合があります。生産作業では、長時間にわたる激しい切削が必要であり、通常、空気冷却で除去できる以上の熱が発生します。ツールが冷却されるまで生産を一時停止するのではなく、液体冷却剤を使用すると、大幅に多くの熱をより迅速に除去でき、切削速度を上げ、摩擦とツールの摩耗を減らすことができます。

しかし、熱くなるのは工具だけではなく、作業面も熱くなります。工具や作業面の温度が高すぎると、両方の焼き入れが損なわれ、どちらかが使用不能または故障するほど柔らかくなり、隣接する材料が燃え、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。

切削液は冷却以外にも、工具の刃先とチップの界面を潤滑することで切削プロセスを助けます。この界面での摩擦を防ぐことで、熱の発生をある程度防ぎます。この潤滑は、チップが工具に溶着してその後の切削に支障をきたすのを防ぐのにも役立ちます。

切削液は、レービンダー効果を通じて切削力の低減にも役立ちます。

工具の摩耗をさらに減らすために、切削液に 極圧添加剤が添加されることがよくあります。

切削液の塗布には考えられるあらゆる方法（例えば、注ぎ、スプレー、滴下、ミスト、ブラッシング）を使用できますが、最適な選択は用途と使用可能な装置によって異なります。多くの金属切削用途では、高圧、大容量のポンプで液体（通常は油水エマルジョン）の流れを工具とチップのインターフェイスに直接送り込み、機械の周囲の壁で飛び散りを抑制し、サンプで液体を捕らえて濾過し、再循環させるのが長い間の理想でした。このタイプのシステムは、特に製造業でよく使用されています。メンテナンス、修理、オーバーホール、またはより小型で単純な工作機械を使用する趣味の金属切削では、多くの場合、実用的な選択肢ではありません。幸いなことに、激しい切削、激しい速度と送り、および終日にわたる一定の切削が重要ではない用途では、これは必要ありません。

技術が進歩し続けるにつれて、フラッディング パラダイムが常に優位に立つことはなくなりました。2000 年代以降、最小量の潤滑やツール先端を通した極低温冷却など、液体、エアロゾル、ガスの供給の新しい組み合わせによって補完されてきました (詳細は後述)。

工具貫通クーラントシステムは、スピンドル貫通クーラントシステムとも呼ばれ、スピンドル内部の通路と工具を通って切削インターフェースに直接クーラントを供給する配管システムです。これらの多くは高圧クーラントシステムでもあり、動作圧力は数百から数千psi (1 ～ 30  MPa ) で、油圧回路で使用される圧力に匹敵します。高圧スピンドル貫通クーラント システムには、これらの圧力に耐えられるロータリー ユニオンが必要です。この用途向けに調整されたドリル ビットとエンドミルには、クーラントが噴出するリップ部分に小さな穴があります。さまざまな種類のガン ドリルでも同様の配置が使用されています。

液体には、一般的に鉱物、半合成、合成の 3 種類があります。半合成および合成切削液は、水ベースに乳化油を懸濁させることで、油の最高の特性と水の最高の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、広範囲の水硬度への耐性 (pH 安定性を 9 ～ 10 程度に維持)、多くの金属との連携、熱分解への耐性、環境安全性などがあります。^[2]

水は熱伝導性に優れていますが、切削液としては欠点があります。水は沸騰しやすく、機械部品の錆びを促進させ、潤滑性も低いためです。そのため、最適な切削液を作るには他の成分が必要です。

石油を原料とする 鉱物油が切削加工に初めて使用されたのは、19 世紀後半のことです。鉱物油には、重工業で使用される濃い色の硫黄を多く含む切削油から、軽くて透明な油までさまざまな種類があります。

半合成クーラントは可溶性油とも呼ばれ、鉱油と水のエマルジョンまたはマイクロエマルジョンです。イギリス英語を使用するワークショップでは、可溶性油は口語的にSUDSと呼ばれています。^[3]これらは1930年代に使用され始めました。典型的なCNC工作機械では通常、乳化クーラントが使用されます。これは、洗剤を使用して大量の水に乳化した少量の油で構成されています。

合成冷却剤は 1950 年代後半に誕生し、通常は水ベースです。

切削液サンプル中の油分濃度を測定する正式な技術は、手動滴定法である。^[4]試験対象液 100ml を 0.5M HCl 溶液で pH 4 の終点まで滴定し、終点に到達するために使用した滴定液の容量を使用して油分濃度を計算する。この技術は正確で、液状化による汚染の影響を受けないが、訓練を受けた人員が実験室環境で実施する必要がある。手持ち式屈折計は、水溶性切削液の混合比を決定するために使用される工業標準であり^{[5] 、}ブリックス スケールで測定されたサンプルの屈折率から油分濃度を推定する。屈折計を使用すると、工場内で油分濃度をその場で測定できる。ただし、サンプルが汚染されると測定の精度が低下する。切削液中の油分濃度の測定には、液状化粘度、密度、超音波速度の測定などの他の技術も使用される。酸性度や導電率などの特性を決定するために、他の試験装置も使用される。

その他には以下が含まれます:

• アルミニウムを扱うときは、灯油と消毒用アルコールを使用すると良い結果が得られることが多いです。
• WD-40と3-In-One Oil は、さまざまな金属に効果があります。後者はシトロネラ臭がしますが、臭いが気になる場合は、鉱物油や汎用潤滑油でも同様に効果があります。
• ウェイオイル (工作機械のウェイ用に作られたオイル) は切削油として機能します。実際、一部のスクリュー マシンは、ウェイオイルと切削油の両方に 1 つのオイル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は、ウェイ潤滑油と冷却剤を別々のものとして扱い、使用中に必然的に混ざるため、それらを分離するために不純物オイル スキマーが使用されます。)
• モーター オイルと工作機械の関係はやや複雑です。ストレート重量の非洗浄性モーター オイルは使用可能で、実際、数十年前は手動工作機械のスピンドル オイルとウェイ オイルとして SAE 10 と 20 のオイルがそれぞれ推奨されていましたが、現在では専用のウェイ オイル配合が商業機械加工で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液として機能しますが、洗浄剤やその他の添加剤が入った最新のマルチ重量モーター オイルは避けた方がよいでしょう。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 ナットによく含まれる真鍮や青銅に対して銅腐食の懸念を引き起こす可能性があります (特に古い工作機械や手動工作機械)。
• 誘電液は、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高引火点灯油です。電極 (またはワイヤ) の切削動作によって高熱が発生し、この流体はワークピースの温度を安定させるとともに、作業エリアの周辺から侵食された粒子を洗い流すために使用されます。誘電液は非導電性です。
• プラズマアーク切断 (PAC) プロセスでは、液体 (水または石油) 冷却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液として使用されています。アルミニウムの機械加工、タッピング、穴あけには、灯油やさまざまな水性切削液よりも優れています。 ^[6]

切削液は、特定の用途、特にドリルやタッピングなどの手作業で使用する場合、ペーストまたはゲルの形をとることもあります。バンドソーで金属を切断する場合、定期的にペーストの棒を刃に当てるのが一般的です。この製品は、口紅や蜜蝋と形状が似ています。段ボールの筒に入っており、使用するたびに徐々に消費されます。

一部の切削液は、エアロゾル（ミスト）の形態（空気中に小さな液滴が散在）で使用されます。ミストの主な問題は、作業員が周囲のミストで汚染された空気を吸わなければならないため、作業員にとってむしろ有害であることと、ミストがうまく機能しないことがあることです。これらの問題はどちらも、ミストが切断中の切断界面以外のあらゆる場所に常に存在するという不正確な送達から生じます。切断界面は、ミストが必要とされる唯一の場所と時間です。しかし、より新しい形態のエアロゾル送達は、MQL（潤滑剤の最小量） ^{[7] [8]}は、これらの問題の両方を回避します。エアロゾルは工具の溝から直接供給されます（インサート自体を直接通過するか、その周囲に到達します。これは、ガンドリルや生産フライス加工における最先端の高価な液体供給など、いくつかの状況以外では従来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、（場所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た方法で供給されるため、オペレーターの観点からは、最終的な効果はほぼドライ加工のように見えます。 ^{[7] [8]}チップは一般にドライ加工されたチップのように見え、排水を必要とせず、空気は非常にクリーンであるため、加工セルを以前よりも検査と組み立ての近くに配置できます。 ^{[7] [8]} MQL は熱伝達という意味での冷却はあまり提供しませんが、その適切にターゲットを絞った潤滑作用により、そもそも熱の一部が生成されることが防止され、これが成功の理由です。

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、温度が低下して固体に相変化します。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て切削領域に再送され、切削工具とワークピースの温度を制御しながら冷却します。^[9]

もちろん、周囲の空気は元々の機械加工用冷却剤でした。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、工具に向けられたノズルから排出されますが、時には有用な冷却剤となります。減圧された空気流の力で切りくずが吹き飛ばされ、減圧自体にも若干の冷却作用があります。その結果、機械加工による切削の熱は、周囲の空気だけの場合よりも少しよく取り除かれます。空気流に液体を追加してミストを形成することもあります (前述のミスト冷却システム)。

加圧されたスチール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、これは（限られた用途で）作業領域を浸水させることによって行われてきました。2005年以降、この冷却モードは、MQL（スピンドルを通し、ツールチップを通した供給）に匹敵する方法で適用されています。これにより、ツールの本体と先端が「熱スポンジ」として機能し、ツールとチップの境界面から熱を吸収するほどに冷却されます。^{[10]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強靭な金属のフライス加工では、ツールの寿命が10倍に延びました。^[10]

あるいは、他の方法では冷却できない高温の部品を扱う場合、急速に蒸発する物質（アルコール、水など）と組み合わせた気流を効果的な冷却剤として使用できます。

• 19 世紀の機械加工では、普通の水を使用することは珍しくありませんでした。これは、刃先とチップの界面に潤滑剤が供給されるかどうかに関係なく、単にカッターを冷たく保つ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慮すると、ツールを冷却する必要性はますます明らかになります (HSS は高温でも硬度を保ちますが、他の炭素工具鋼はそうではありません)。改善されたのはソーダ水 (水中の重炭酸ナトリウム) で、これは機械スライドの錆をより効果的に抑制しました。これらのオプションは、より効果的な代替手段があるため、今日では通常使用されません。
• 動物性脂肪、例えば牛脂やラードは、過去には非常に人気がありました。^[11]これらは、他の選択肢が多種多様であるため、今日ではあまり使用されませんが、選択肢として残っています。
• 古い機械工場の研修テキストには、ラードまたはラード油に混ぜて赤鉛と白鉛を使用することが書かれています。この方法は、鉛の毒性のため、廃止されています。
• 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、一部の切削液の効果を高めるための添加剤として使われていました。職場の俗語では「ワンワンワン」と呼ばれていました。オゾン層破壊や中枢神経抑制作用があるため、段階的に廃止されています。

切削液は、労働者に病気や怪我を引き起こすいくつかのメカニズムを持っています。^[12] 職業上の曝露は、心血管疾患の増加と関連しています。^{[13]これらのメカニズムは、部品や工具に触れること、切削液が飛び散ったり跳ねたりすること、またはミストが皮膚に付着したり、通常の}呼吸の過程で口や鼻に入ったりすることなど、機械加工作業に伴う外部（皮膚）または内部接触に基づいています。

メカニズムには、以下の化学的毒性または物理的刺激性が含まれます。

• 液体そのもの
• 流体中に運ばれる金属粒子（前回の切削から）
• 時間の経過とともに液体中で自然に増殖する傾向がある細菌または真菌の集団
• これらの生命体を抑制するために添加される殺生物剤
• 機械や工具を保護するために添加される腐食防止剤
• 油（スライド面の潤滑剤）が冷却剤に混入してしまうことで生じる混入油

毒性や刺激性は通常は高くありませんが、皮膚や呼吸器系または消化管（口、喉頭、食道、気管、肺など） の組織に問題を引き起こすほどの場合もあります。

上で説明したメカニズムから生じる可能性のある診断には、刺激性接触皮膚炎、アレルギー性接触皮膚炎、職業性ざ瘡、気管炎、食道炎、気管支炎、喘息、アレルギー、過敏性肺炎(HP)、既存の呼吸器疾患の悪化などがあります。

より安全な切削液の配合は、不純物油に対する耐性を提供し、ベース添加剤パッケージを除去することなくろ過分離を改善します。室内の換気、機械の飛沫ガード、個人用保護具（PPE）（安全メガネ、呼吸用マスク、手袋など）は、切削液に関連する危険を軽減できます。^[14]さらに、スキマーを使用して切削液の表面から不純物油を除去し、微生物の増殖を防ぐことができます。^[15]

石油系切削液では、細菌の増殖が優勢です。切削中に発生する浮遊油や人間の髪の毛や皮脂は、液体の表面に蓄積して層を形成します。嫌気性細菌は、さまざまな要因により増殖します。交換が必要であることを示す初期兆候は、「月曜の朝の臭い」（金曜日から月曜日まで使用していないため）です。細菌を殺すために、液体に防腐剤が加えられることがあります。このような使用は、防腐剤が切削性能、作業者の健康、または環境に害を及ぼすかどうかとのバランスを取る必要があります。液体の温度を可能な限り低く保つと、微生物の増殖が遅くなります。^[14]一部の健康および安全規制機関（英国の HSE など）は、液体の健全性を維持するために、金属加工液の毎週の検査を義務付けています。これらのテストでは、MWFの細菌CFU/mlレベル（ディップスライドを使用）とpHメーターまたはpH試験紙を使用したpHレベル（細菌レベルが高いとpHが低くなる可能性があるため）をチェックします。^[16]

切削液は、潤滑システムに入り込んだ汚染物質により、時間の経過とともに劣化します。一般的な劣化のタイプは、サンプオイルとも呼ばれるトランプオイルの形成で、切削液と混ざった不要なオイルです。^[17]これは、スライドウェイから染み出して冷却液混合物に流れ込む潤滑油、鉄鋼メーカーが錆を防ぐために棒材に塗る保護膜、または油圧オイルの漏れとして発生します。極端な場合には、冷却液の表面に膜や皮膜として、または浮遊する油滴として見られることがあります。

スキマーは、冷却剤から不法残留油を分離するために使用されます。スキマーは通常、ゆっくりと回転する垂直ディスクで、メイン リザーバーの冷却剤レベルより下に部分的に沈んでいます。ディスクが回転すると、不法残留油がディスクの両側に付着し、2 つのワイパーによってこすり落とされてから、ディスクが冷却剤の中に戻ります。ワイパーはチャネルの形をしており、不法残留油を容器にリダイレクトして、収集して廃棄します。水温が高すぎたり、水上の油の量が多すぎたりする状況では、 浮遊堰スキマーも使用されます。

CNC 添加剤の導入により、これらのシステム内の混入油は、連続分離効果によってより効果的に管理できるようになりました。混入油の蓄積は水性または油性クーラントから分離され、吸収剤で簡単に除去できます。

使用済みの古い切削液は、悪臭を放ったり、化学的に劣化したりして役に立たなくなったら廃棄する必要があります。使用済みのエンジン オイルやその他の廃棄物と同様に、環境への影響を軽減する必要があります。この軽減方法はどのようにすべきかは、法律や規制で規定されています。現代の切削液の廃棄には、ポリマー膜やセラミック膜を使用した限外濾過などの技術が用いられ、懸濁した乳化した油相を濃縮します。

チップ処理と冷却剤管理は相互に関連しています。数十年にわたってそれらは改善され、現在では多くの金属加工作業でチップと冷却剤の両方を収集、分離、リサイクルするサイクル全体にエンジニアリングソリューションが使用されています。たとえば、チップはサイズと種類によって等級分けされ、不純物金属（ボルトやスクラップ部品など）は分離され、冷却剤はチップから遠心分離され（その後乾燥され、さらに処理されます）、などです。^[18]

• ハートネス、ジェームズ（1915）、ハートネスフラットタレット旋盤マニュアル：オペレータのためのハンドブック、スプリングフィールド、バーモントおよびロンドン：ジョーンズ＆ラムソンマシンカンパニー
• 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制御セットアップ、ニューヨーク：インダストリアルプレス、ISBN 978-0831133504、LCCN  2010007023。

• 金属加工油 - NIOSH 職場の安全と健康に関するトピック - 国立労働安全衛生研究所