超音波振動切削の効果とメカニズム

加工メカニズムは？ 超音波 どんな効果がある？ 振動 NEW 工具のイメージ ～精密部品ＶＥ設計製作レポート集～ 発行元：プラスエンジニアリング株式会社

■目次 １．超音波援用加工とは 超音波援用切削モデルと加工の効果 ２．脆性材加工用工具 超音波加工で使用するダイヤモンド工具について 3.超音波援用による微細/深穴加工 深さ方向に研削力、実際の加工事例 4.実際の加工事例 １）吸着コレット ２）石英ガラス加工 など

発行：プラスエンジニアリング株式会社 PEC Technical Report 2016/3 Vol.10 無断転載を禁ず 〒171-0014 東京都豊島区池袋2-47-3 精密部品ＶＥ設計製作レポート TEL : 03-3985-3221 FAX : 03-3986-0770 「精密部品VE設計製作レポート」は、開発・設計者向けの技術情報をお伝えする技術レポートです。印刷の上、ぜひ貴社内でご回覧ください。 新規導入設備のご紹介 「超音波援用ユニット付マシニングセンタ」その１ Vol.9に引き続き新規導入設備をご紹介いたしますが、今回と次回は２回にわたって昨年末に導入した「超音波援用加工ユニット」と それを用いたマシニング加工による脆性材加工例をご紹介いたします。 超音波援用加工とは 削加工に超音波を用いる工法は以前より様々な方法が検討されてきました。 切削送り ＊資料提供 切 一関高専 機械工学科 原研究室 右図は最も代表的な「超音波振動切削」のモデル図で、切削工具 切削工具 の刃先を超音波領域で切削方向に高速振動させることで、刃先が 微小破壊の進展 高速で衝撃的に加工物に切込み・離れるサイクルを周期的に繰り 超音波振動 返すことで小刻みに切削していく加工方法です。この工法の特徴は、 １）切削抵抗が低減する。 ２）摩擦が減少し発熱が抑えられる。 結果として、 加工物 １）面粗さが向上する。２）加工精度が向上する。 ３）工具寿命が延びる。４）難削材加工が容易になる。 といった効果が得られます。 ○発熱の低減 ・刃物の振動により衝撃を ○工具寿命の延長 与え，切削抵抗を低減 脆性材の加工を容易にする ○加工精度の向上 ・相対速度向上で摩擦減少 「超音波ロータリー加工法」 ○難削材加工の易化 この工法ではスピンドルユニットの上部に配 置された超音波振動子で20kHz程度の超音波 「研削液への超音波重畳法」 を発生させ、振動増幅用のホーンを介して工 具の先端を上下方向に超音波振動させます。 研削加工時に研削液に超音 工具はダイヤモンド砥粒の電着工具が主に使 波を重畳させる工法も検討 われます。 されています。 この工法の特徴は、高硬度脆性材料（ガラ このことにより砥石の目 スやセラミックス等）を高速で加工できる点 詰まりが抑制されるため、 にあります。一般的な回転工具では周速が得 研削面の品位の向上や、研 られる外周での横方向への研削力はあります 削抵抗の低減という効果が が、縦方向の研削力はありません。 確認されています。 そこで工具に縦方向に超音波振動を加え、あたかも掘削機で道路に穴をあけ開 けるように脆性材を掘り込むことを可能にしています。 超音波ロータリー加工ユニット付きマシニングセンタを導入 今回弊社では上述の「超音波ロータリー加工法」のスピン ドルユニットを付属させたマシニングセンタを導入いたし ました。マシニングセンタは牧野フライスの立型マシニン グセンタV22で、セラミックス等の微細粉塵対策を独自に 施しました。 現在この加工機を利用して、ガラス素材やジルコニア、 窒化ケイ素等セラミックス材などの脆性材、CFRP（炭素 繊維強化プラスチック）などの難削材に対する微細加工や タップ加工のトライアルを続けています。 次号にて色々な加工サンプルをご紹介してまいります。 ガラス素材への ジルコニアセラミッ 微細孔加工例 クへのタップ加工例 第7回 医療機器 開発・製造展（MEDIX)に出展いたします。 2016年6月22日（水）～24日（金） 東京ビックサイト：東６ホール MD-221 同時開催：機械要素技術展（M-Tech)、設計・製造ソリューション展（DMS) 技術問合せ、工場見学、技術セミナーのご依頼は 弊社ホームページからまたは又は各営業担当にご相談ください

PEC 発行：プラスエンジニアリング株式会社 Technical Report 2016/4 Vol.11 無断転載を禁ず 〒171-0014 東京都豊島区池袋2-47-3 精密部品ＶＥ設計製作レポート TEL : 03-3985-3221 FAX : 03-3986-0770 「精密部品VE設計製作レポート」は、開発・設計者向けの技術情報をお伝えする技術レポートです。印刷の上、ぜひ貴社内でご回覧ください。 新規導入設備のご紹介 「超音波援用ユニット付マシニングセンタ」その２ Vol.10に引き続き「超音波援用加工ユニット付マシニングセンタ」のご紹介ですが、今回は実際に使用する工具と色々な脆性材料に対する 加工事例をご紹介していきます。 各種脆性材への精度穴加工事例 ガラスやセラミック素材等の脆性材の加工には、ダイヤモンド砥粒を電着やメタルボンドによって固定した「ダイヤモンド工具」が使 われます。 このような工具に深さ方向に超音波を加え、マシニングセンタにて搖動加工させることで脆性材であっても超高精度な掘 り込み加工を短時間で可能にしています。 ダイヤモンド工具例 下の写真は種々の脆性材にΦ6深さ5の精度穴をΦ3のダイヤモンド工具で加工した ものです。素材を問わず、穴径精度±3μｍ、深さ精度±10μｍで加工できています。 石英ガラス ジルコニアセラミック アルミナ 窒化ケイ素 ネジ穴加工事例 超音波援用加工は、精度穴のみならずネジ穴加工にもその威力を発揮します。特にセラミックス材の場合、従来は焼結前にネジ穴を 加工しておかなければならず設計の自由度が限られていましたが、この加工技術を使えば追加工や位置精度の高いネジ穴加工が可能に なります。 ネジ穴の加工にはやはりダイヤモンド砥粒を電着した特殊工具を使用します。（左下図参照） この工具に超音波を加えながら加工することで従来比半分以下の加工時間で右図のようなネジ穴加工を実現しました。 ネジ穴加工用ダイヤモンド 石英ガラスへのネジ穴加工例 ジルコニアセラミックへの 電着工具 （M2 x 深さ12） ネジ穴加工例 第7回 医療機器 開発・製造展（MEDIX)に出展いたします。 2016年6月22日（水）～24日（金） 東京ビックサイト：東６ホール MD-221 同時開催：機械要素技術展（M-Tech)、設計・製造ソリューション展（DMS) 技術問合せ、工場見学、技術セミナーのご依頼は 弊社ホームページからまたは又は各営業担当にご相談ください

PEC 発行：プラスエンジニアリング株式会社 Technical Report 2018/5 Vol.36 無断転載を禁ず 〒171-0014 東京都豊島区池袋2-47-3 精密部品ＶＥ設計製作レポート TEL : 03-3985-3221 FAX : 03-3986-0770 「精密部品VE設計製作レポート」は、開発・設計者向けの技術情報をお伝えする技術レポートです。印刷の上、ぜひ貴社内でご回覧ください。 超音波援用加工による微細、深穴加工 砥石状の工具に超音波を加え脆性材を精度よく加工する「超音波援用加工」を過去に何度かご紹介しましたが、この加工技 術をさらに磨き上げ、極小径の深穴加工や超硬材への微細仕上げが出来るようになりました。今回はそう言った加工技術を ご紹介したいと思います。 ガラスへの微細・深穴加工への挑戦 超音波援用加工の最大の特徴は、深さ方向に研削力を 穴の仕上 持たない回転砥石に対して、軸方法に超音波を加える がり径は ことで掘削力を与え脆性材に効率よく穴明けすること Φ0.13 にあります。 この技術でいかに小さくて深い穴を開けられるかに 挑戦してきた結果、Φ0.3以下の微細穴でアスペクト 比（深さ/径）100以上の穴加工の目途が付いたので ご報告します。 使用したΦ0.11 左の写真は、超音波援用加工にて、合成石英ガラス ダイヤ電着工具 にΦ0.13 深さ10ｍｍの微細深穴を開けたサンプル 有効長 10.5ｍｍ 写真です。深さ10mmにわたってほぼ均一な内径で 工具の有効長MAXまでの深穴を開けることが出来て います。 使用した工具は、仕上り径Φ0.11、＃1,500のダイ ヤ電着工具で有効長10.5mmのもので、自社で母材 加工し専門メーカーにてダイヤ電着してもらった特注 10ｍｍ 品です。 この加工では、いかに工具の振れを抑えるか、回転 数、切込み量、超音波条件、等々様々なパラメーター の最適化が必要となります。何度も工具を折りながら 最適化条件を見つけることが出来ました。 今後ガラス以外のジルコニアやSiN、SiCのセラミ クス材でも同様の深穴加工が出来るよう、更に挑戦を 続けていく予定です。結果が出次第またご報告いたし 途中で工具が折れて ます。 10mmに届かなかった穴 特注砥石を使用した高硬度材への微細加工 超音波援用加工を追及している過程で、当社には極小径の電着 砥石の特注品を製作するノウハウが生まれました。最近ではこ 細穴放電加工にてダ の小径砥石を活用して超硬材や焼入れ鋼部品の微細仕上げ加工 ンゴ状に楕円穴が開 を行なうケースが増えています。 いた状態 右の写真の例は、超硬材に0.3x0.5の楕円止まり穴を加工し た例ですが、±5µmの精度が求められる上に、面粗さもRa0.8 以下の仕上がりが必要な案件です。通し穴であれば迷わずワイ ヤ放電加工で仕上げるところですが、止まり穴のため、通常は 0.5±0.005 電極を作成して形彫り放電で仕上げます。今回は研削仕上げが Φ0.28のダイヤ 必須の案件だったため砥石での仕上げが必要となりました。 0.3 電着砥石にて高 そこで、細穴放電加工にて右上写真のように粗加工を行った 精度、高面粗度 後、Φ0.28のダイヤ電着砥石を製作し、マシニングセンタにて ±0.005 に楕円穴を仕上 搖動させながら研削仕上げする方法を取りました。その結果寸 げ。 法精度、面粗さともに申し分の無い仕上がりとなりました。今 回は#600の砥石を使いましたが、番手を上げれば鏡面に近い 面粗さでの仕上げも可能となります。 このように従来では形彫り放電加工でしか仕上げられなかった高硬度材 の微細仕上げを、特注砥石を使って、より高精度で高面粗度に仕上げる #600砥石にて ことが可能となっています。 Ra0.2µｍの仕 ダイヤ電着砥石の製作については次号でもう少し詳しくご説明する予 上がり状態に。 定ですのでお楽しみに。 今号で取り上げた微細加工・深穴加工は6月20日~22日に東京ビックサイトで行われる機械要素技術展にてサンプル出展い たします。是非足をお運びください。 技術問合せ、工場見学、技術セミナーのご依頼は 弊社ホームページからまたは各営業担当にご相談ください