2020 Fiscal Year Research-status Report
極低温冷却切削における工具及び被削材表層の熱伝達現象の解明と冷却方法の最効率化
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19K04125
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| Research Institution | Tottori University |
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Principal Investigator |
佐藤 昌彦 鳥取大学, 工学研究科, 教授 (50244512)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 切削 / 低温 / 熱伝達 / 温度 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
切削点近傍に液化二酸化炭素及び液体窒素を噴射した際のすくい面温度を測定し，これらの冷却特性を検討した．工具には超硬，被削材にはチタン合金を使用し工具-被削材の熱起電力を測定した．切込みを1mm，送りを0.075mmとし，切削速度を10から120m/minまで変化させた．例として10m/minと120m/minの場合のすくい面温度は，乾式で373℃，989℃，液化二酸化炭素冷却で313℃，960℃，液体窒素冷却で270℃，973℃であった．温度差は，乾式と液化二酸化炭素冷却で60℃，29℃，乾式と液体窒素冷却で103℃，26℃となり切削速度が低い方が冷却効果が大きい．旋削であるため冷却剤の噴射点を切削直前の被削材表層が通過する時間は切削速度が高い方が短く，また空転時には対流熱伝達により被削材表層の温度が高速ほど上昇しやすいことが考えられる．すくい面温度は冷却剤の温度ほどは下がらず，冷却剤がすくい面に直接到達しないためと考えられる．切削速度を80m/minとし，送りを0.025から0.15mmまで変えたところ，乾式の場合ですくい面温度は約700℃から1000℃まで上昇し，冷却剤を使用した際のすくい面温度との差は，送りが0.025mm，0.15mmの場合，乾式と液化二酸化炭素冷却では47℃，19℃，乾式と液体窒素冷却では60℃，20℃となった．送りが小さいほど切りくずは薄く，すくい面の冷却に効果的であるためと考えられる．
液体窒素を金属表面に滴下した際の液滴の挙動を高速度カメラで観察した．室温の試片に対し液体窒素の液滴は表面で弾かれて細かな粒状となる．試験片の表面温度を-196℃まで変化させたところ，-175℃に冷却すると液滴が弾かれることなく試片上に広がる状態となった．切削直前の局所的な瞬間的な冷却よりは被削材温度を予め冷却しておくことが液体窒素冷却の場合には必要と考えられる．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
作成した液体窒素供給装置と既設の液化二酸化炭素供給装置を用いてチタン合金の低温切削を行い，工具透過光及び工具－被削材間の熱起電力を測定して切削時のすくい面温度を測定し，各冷却剤の熱伝達特性について検討している．これら冷却材の熱伝達率を求めるために円柱形状試験片を用意し，端面に冷却材を噴射した際の試験片内部温度変化と熱伝導解析の結果を比較して熱伝達率を求めた．試験片表層の冷却は熱伝達率が小さい材料ほど速く，これは表層の冷却に伴う試験片内部から熱伝導が遅いためと考えられる．また液体窒素冷却の場合には冷却の初期において膜形成による冷却性能の低下が観察された．使用した装置の液化二酸化炭素及び液体窒素の熱伝達率は，それぞれ2800～3800，1700～3700 W/(m2 K)であった．
切削速度を変化させた際のすくい面温度は切削速度が低い方が低く，冷却効果が大きい．切削速度が低いほど切削直前の被削材表層が冷却されている時間が長いことと，空転時の熱伝達による被削材表面の温度上昇が小さいことが考えられる．送りの影響については送りが小さいほど冷却効果が大きい．切りくず厚さが薄い方がすくい面の冷却に効果的であるためと考えられる．切削速度を10m/min，送りを0.025mmと低速低送りとした場合のすくい面温度は乾式の場合で248℃，液体窒素冷却の場合で67℃となり，温度差は181℃が得られた．
工具及び被削材表面での液体窒素の液滴の挙動を明らかにするために，円柱形状の金属試験片表面に液体窒素を滴下した際の液滴の挙動を観察した．試験片温度を-175℃まで冷却すると液滴が弾かれることなく試験片上に広がる状態となり，切削直前の被削材表層温度を予め十分に下げる冷却剤の噴射方法の検討が必要と考えられる．
以上のことから現在までの進捗状況は概ね順調に進展していると判断した．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの検討から液体窒素の液滴は被冷却物の温度によって特に冷却初期において膜沸騰状態となって冷却効率が低下することから，膜沸騰から核沸騰への遷移条件を明らかにする．特に液体窒素と接触をする工具あるいは被削材の熱伝導率によって遷移条件がどのように異なるのか実験と解析の両面から検討する．解析は1次元モデルとして行い，可能であれば相手材料からの熱放射の影響も入れて検討する．
液体窒素および液化二酸化炭素の冷却効果が一般に使用される切削液と比べてどの程度かを明らかにするため，湿式切削における熱伝達率を測定する．湿式においても相手材料が高温の場合には膜沸騰状態となることから熱伝達率の測定試験においては相手材の温度を変化させて実験を行う．すくい面温度の測定はこれまでチタン合金のみであったが熱伝導率の異なる炭素鋼や銅を用いて切削実験を行い，冷却材の熱伝達特性を明らかにする．
低温切削の実用面への展開については高付加価値の難削材料であるニッケル合金の切削や，工具材料としてコストの高いダイヤモンド切削への適用を検討する．ダイヤモンドを使用した場合の工具すくい面温度は工具透過光を検出することで測定し，最適な熱伝達特性のもとでの切削を検討する．
切削時の各冷却材の熱伝達率は，切りくず生成モデルを作成し，計算結果と測定温度とが一致するように逆解析によって算出し，実切削における冷却効率についても検討する．
工具摩耗への影響について，加工点近傍の冷却環境との関係を明らかにする．被削材の仕上げ面性状について，特に冷却の影響は仕上げ面の残留応力に顕著に現れることが考えられることから，冷却条件との関係を調べる．切削点への液体窒素の噴射方法について現状は上方と側方から噴射しているが，工具逃げ面側からの噴射についても検討する．
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Research Products
(1 results)
