Research and development on cooling effect of cutting tool edge and heat dissipation type tool by utilizing ultra-high pressure coolant during interrupted cutting

• Project/Area Number: 21K03787
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 18020:Manufacturing and production engineering-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 臼杵 年 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (10176670)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2023: ¥130,000 (Direct Cost: ¥100,000、Indirect Cost: ¥30,000); Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2021: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
• Keywords: エンドミル加工 / 超高圧クーラント / 放熱型工具 / チタン合金 / 超耐熱合金

Outline of Research at the Start

過去に行った高圧クーラント（～５MPa）の研究で逃げ面給油でクレータ摩耗の低減に有効であることを見出してきた。本研究では、これまでの知見を基にチタン合金およびNi基超耐熱合金を対象に、工具損傷の発生原因となる凝着物の微細化現象を軽減する手法として、冷却効果に着目して高熱伝導材料を工具表面に付加し、かつ拡散させた熱を効率よく除去するために超高圧クーラントを利用し、その際に生じる現象（化合物の生成も含む）の知見を得ることを目的としている。
計画している具体的な研究項目は、①断続切削時の超高圧クーラントの効果の検証、②放熱型（断続切削用）工具の開発、の2つである。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、これまで の知見を基にチタン合金およびNi基超耐熱合金を対象に、超高圧クーラントを利用した逃げ面への直接給油可能なエンドミル加工を実施し、冷却効果に着 目して、その際に生じる現象(化合 物の生成も含む)の知見を得ることを目的としている。 計画している具体的な研究項目は、1.断続切削時の超高圧クーラントの効果の検証、2.放熱型(断続切削用)工具の開発、の2つである。
まず市販の熱流体シミュレーションソフトを活用して工具刃先周りの流体(切削油剤)の纏わり方を可視化して、供給ノズル位置、角度の検討を行い、工具の試作を行なった。 若干の手直しを行って、逃げ面供給の工具寿命への効果(旋 削、エンドミル加工)クーラント圧の相違による影響とすくい面供給を含めた比較切削実験をTi6Al4V(V=200m/min)とInconel718(V=120m/min)に対して行った。その結果、同一切削距離切削時の工具摩耗は、乾式と外部給油に比べ3MPa以上の給油圧で摩耗が減少し、２色放射温度計による工具逃げ面表面温度も同様に低下、また切削抵抗の低下も確認でき、更なる高速化が可能で、継続調査を行う。さらに旋削で同様に超高圧給油(すくい面、逃げ面同時供給)を行い、工具摩耗面の凝着物付着界面を観察するために断面を取りTEM観察した結果、界面および凝着物内部に油剤成分を全く検出出来なかった(摩耗部接触領域を含め)。これは切削時に油剤は接触界面等に侵入していないことを示し、切削抵抗の減少はトライボロジー的な潤滑効果ではないことを示唆する。この現象の機構については、いくつかの可能性を考慮して継続検討する。さらにGaNを利用した放熱型コーティング工具の試作を行なっているが、切削性能の評価(主 に工具摩耗工具寿命)を含めて継続検討を行う。

Research Products

• [Presentation] A Study on Prototype of End Mill for Ultra-High Pressure Coolant Supplying from Flank Surface Side Using Fluid Simulation (2022)
  • Author(s): Jingtian Mao, Hiroshi Usuki, Chikara Morito and Shinji Yukinari
  • Organizer: 2022 IC3MT (2022 International Conference on Machining,Materials and Mechanical Technologies)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A Study on Prototype of End Mill for Ultra-High Pressure Coolant Supplying from Flank Surface Side Using Fluid Simulation (2022)
  • Author(s): Jingtian Mao, Hiroshi Usuki, Sho Morita, Chikara Morigo, Yusuke Morigo and Shinji Yukinari
  • Organizer: IC3MT(International Conference on Machining, Materials and Mechanical Technologies)
  • Int'l Joint Research