バニシング加工によるタービンエンジンの複雑形状部品の表面改質技術
東京工業大学 工学院 機械系
助教 朱 疆（2020 年度 一般研究開発助成 AF-2020011-B2）
キーワード：バニシング加工，表面改質，組織制御

１．研究の目的と背景

グ加工工具の設計，製作及び実験による評価を実施した．

昨今，工業製品の小型化・高性能化・低コスト化が進められてきているが，それを実現するために必要不可欠なのが加工技術，加工方法の発展である．そのなかで，疲労強２．工具の開発
2・1

工具コンセプト度の向上は部品，製品の耐用年数の増加を実現するため，材料の変形の抑制，および自由曲面への追従性と，将来産業界でも重要な要素の一つとなっている．製品の耐久性，的な CNC 工作機械上での加工を見据え，以下のようなコ航続距離の向上が求められる航空宇宙や自動車産業以外

ンセプトに基づいて設計を行った．にも，製品を取り換えるためには多くの負担がかかる人工①

材料の両側から同時に加工を行う

関節部品の寿命向上など，医療分野においても疲労強度は②

工具の中心に面対称な動きを実現する

必要不可欠な特性となっている[1,2]．

③

小径チップによるスライド式バニシング

バニシング加工は，図 1 のように工作物表面に高硬度①で両側から力を加えることにより，材料を曲げようとの工具を押し付けて微小な凹凸を塑性変形させる[3]ことする力を互いにキャンセルし，変形の抑制が可能であるとで，材料表面に加工硬化層，圧縮残留応力層を与え，疲労考えた．②は両側から加工する際に，別々に動くことで生強度や硬度，耐摩耗性の向上といった効果を同時に得られじる誤差を防ぐための措置であり，また，これによって加るという特徴がある[4]．また，表面改質ばかりでなく，工点中心を常に一定の位置（工具中心線上）に維持できる滑らかな表面を得ることもできるため，表面仕上げ加工とため，工作機械上での位置制御が容易になる．③は，小径しても使用されている[5]．さらに，バニシング加工は専チップによって曲面への追従性を担保し，複雑な自由曲面用の装置が不要で，旋盤や CNC 工作機械等での加工が可能を有する部品への対応を可能にするためである．

であり，前工程と同一の工作機械で加工できるという点で2・2も優れている．ショットピーニングなどの専用の装置が必

設計図と実際に開発した工具を図 2 に，各部位の名称

工具概形

要になる加工方法に比べ，工期の短縮とそれに伴うコストと材質を表 1 に示す．アクチュエータとしてエアシリンダの削減が期待できる．

①を使用した．エアシリンダの上下方向の運動を， 2 つのスライダ②，⑤と 2 種のリニアガイド③，④によって面対称の開閉運動に変換しており，スライダ⑤に接続されたアーム⑥およびチップ⑦が材料を両側から加工する．エアシリンダへの空気圧を制御することで，材料をはさむ力を調整可能である．加工先端部は半径 1.5mm のダイヤモンドチップを使用している.アームは着脱可能であり，片方を取り外すことで従来のように片側からの加工も可能である．

図1

バニシング加工の概略図

一方で，工具を押し付けるという工法のため，薄板部品への加工では変形が生じてしまうという課題がある．この課題を克服することで，タービンブレードの疲労強度の向上やインプラントの耐食性の向上など，薄板部品の表面改質に適用可能となる．本研究では三次元自由曲面を有する薄板材料へのバニシング加工の適用を目的とし，バニシン

図 2 工具概形

表 1 部位名称
No.
Name
Model number/material
1
Air Cylinder
TR-16X30-S-P，Air TAC
2Longitudinal slider
SUS 304
3 Longitudinal Linear Guides
SSEBWV9L-50，MISUMI
4
Lateral Linear Guides
SSE2BWV12L-110，MISUMI
5Lateral sliders
SUS 304
6Arms
SUS 304
7
Processing part
DT4D1，SUGINOOther Parts
SUS 304

トが，本研究の目的である曲げ変形の抑制を達成したことを確認した．

３．製作した工具による表面強化の評価
開発した工具の性能を評価するため，Mg 合金(AZ31)，Al 合金(A5052)，ステンレス鋼(SUS304)，Ti 合金(Ti64)
を試験片として，バニシング加工前後の機械的特性を調査した．これらの試験片は，バニシング加工を行う前に表面を薄く削ることで，実際の製品加工で使用される環境を再現している．試験片へのバニシング加工は図 5 のように，分解能 0.5μm の 3 軸モデリングマシン(NC-5K，ミマキ2・3

変形抑制効果の確認製作した工具が加工中の薄板材料の変形抑制可能かをエンジニアリング)上で実施した．試験片を走査線型に動かすことで，指定した領域全体をバニシング加工している．

確 認 す る た め ， 電 気 マ イ ク ロ メ ー タ （ DS812SR ，Magnescale .Co）を用いて表面の変位を測定した．厚さ2.5mm，面積 100mm × 100mm の AZ31 を試験片とし，無負荷の状態，両側から負荷，片側から負荷の 3 条件で実施した．図 3 の状態で，試験片を 100mm/min の速度で Z軸の正方向にのみ移動させ，Y 軸の表面変位を測定したところ，図 4 に示すような結果が得られた．
図53・1

開発した工具によるバニシング加工

表面粗さの評価

バニシング加工前後の試験片表面のステップ幅方向(図5 の Z 軸方向)に対し，非接触式三次元表面形状測定機(µSurf-S，Nano Focus)によって算術平均粗さ Ra を計測した．それぞれの条件に対して 5 か所で測定を行い，その平均値をデータとして使用している．バニシング加工は，ス
図3

薄板材料加工時の変形量測定実験

テップ幅とバニシング力の条件を変更しながら，それぞれの条件で 5mm×5mm の範囲に実施した．測定結果を図 6に示す．青色が元の表面およびステップ幅 0.01mm での加工結果，黒色がステップ幅 0.03mm での加工結果となっている．図 6 の結果からは以下のことが読み取れる．
両面の差は概ね Ra0.1 ㎛以内の結果になったが，大・きく乖離する条件もあった．
A5052，SUS304，AZ31 では表面粗さ改善の効果が・あったが，Ti64 では悪化した
A5052，SUS304 は最大で Ra0.1 ㎛程度まで改善し・たが，AZ31 は Ra0.5 ㎛程度にとどまった
A5052 はバニシング力が小さいほど，SUS304 では・
図 4 変形量測定結果
両側からの加工では測定開始時の差を維持しているのに対し，従来の片側からの加工では最大 0.4mm と大きく大きいほど良い結果が得られた．
ステップ幅は 30 ㎛より 10 ㎛の方が良い結果を示す

・が，バニシング力が大きくなると表面が傷つくこともあった．

変形している．この値は板厚の 16%に相当し，この状態Ti64 で表面粗さが悪化したのは，チタンが塑性変形をでは意図した加工を行うことは困難である．一方，両面かおこしにくい六方最密構造であることが要因として挙げら加工した場合，加工前の状態との差は約 0.02mm で板られる. 加工による塑性変形と材料の流動が十分に生じ厚の約 1%であった．

なかったために，表面の改善が達成できなかったと考えら

以上の結果から，両側から荷重を加えるというコンセプれる．図 7 はバニシング加工後の A5052 と Ti64 の表面の写真である．Ti64 には縦にはっきりとした筋が見えるが，の結果からは以下のことがわかる．

A5052 は明瞭な模様ではない．この写真も，Ti64 では材・全ての材料で 10～30N の低いバニシング力でも硬度が向上し，元の値の 25～40%程度向上した．

料の流動が十分に起きなかったためと説明可能であり，今回の考察を裏付ける要素となりうる．

ステップ幅 10 ㎛と 30 ㎛では結果に明確な差異はみ・られなかった．
A5052 のみバニシング力の増加に伴い硬度も向上し・たが，残りは変化がなかった．

図6

表面粗さの結果

図8
3・3

硬度の結果

結晶観察

バニシング加工した試験片を切断し，加工硬化層の確認を試みた．結晶観察は観察面（断面）をサンドペーパー(a) A5052(b) Ti64（400 番から 4000 番）で研磨した後，バフ研磨を経てエ(I=0.01m，F=30N，front)(I=0.01mm， F=50N， back)ッチングを行う．エッチングは粒界を腐食させて観察を容図7

バニシング加工後の表面易にするために実施する．エッチング液の組成は材料により異なり，AZ31 はピクリン酸 2.1g，酢酸 5ml，蒸留水

A5052 と SUS304 でバニシング力と表面粗さの関係が5ml，エタノール（95％）35ml で，この液に試料を 20異なっているが，A5052 では高いバニシング力の条件で秒浸漬する． SUS304 では 10%シュウ酸溶液において材料表面に剥離が生じており，表面粗さの悪化の原因と考1A/cm2 の条件で 90 秒間の電解エッチングを行った．

えられる．これは，過大な力によって必要以上の材料が流処理した AZ31, SUS304 を光学顕微鏡で観察し，得ら動して工具前方に波のような盛り上がりが生じ，更に工具れた写真が図 9,10 である．AZ31 では，材料表面に近いで押しつぶす際にせん断応力が発生し，盛り上がり部が剥領域では結晶が小さく，表面から離れるにつれて大きな結離すると考えられている[6][7]．一方の SUS304 は A5052晶になっていく．これはバニシング加工の力によって表面に比べて硬く，チップの食い込み量が小さかったため，実近傍の結晶が微細化されたためと考えられ，小さな結晶の施した条件の中では表面の悪化に至るほどではなかった層が加工硬化層を意味する．赤い矢印で示すように，両側と考えられる．とも 200～300μm の加工硬化層が形成されている．

3・2

硬度の評価

硬度の単位としてヴィッカース硬度(HV)を用いた．測定 に は マ イ ク ロ ヴ ィ ッ カ ー ス 硬 度 計 (HM-210C ，Mitutoyo)を使用し，バニシング加工前後の試験片表面の硬度を測定した．それぞれの条件に対して 5 か所で測定を行い，その平均値をデータとして使用している．計測条件は試験力 0.1kg， 負荷時間 4s， 保持時間 10s， 除去時間 4s とした. 各材料における試験結果を図 8 に示す．表
面粗さと同様，元の表面とステップ幅(I)0.01mm の結果は青，ステップ幅 0.03mm の結果は黒で示してある．図 8

図9AZ31 の結晶観察

(a) After burnishing
図 10(100N)(b) Non burnishing

SUS304 の結晶観察

図 11

SUS304 の引張試験結果

図 12A5052 の引張試験結果

図 13Ti64 の引張試験結果

SUS304 は，表面から 30µm 程度の厚さに結晶粒界が見当たらない層が存在した．全体に結晶粒がはっきりとみられないため判断はしづらいが，この表層の部分が，田中ら[8]が SUS316 でのバニシング加工で確認している塑性流動層であることが考えられる．
3・4引張強さの評価

引張試験機(Autograph AGX-20kNVD， Shimadzu)を使用して SUS304， A5052， Ti64 の 3 種の材料に対して引張試験を実施した．試験は引張速度 1mm/min で実施した．試験片は 13B 号試験片(JIS Z2201 規格)を採用し，バニシング加工前後の材料をワイヤーカット放電加工機で切り出して製作した．ステップ幅 30 ㎛，加工速度1500m/min でバニシング加工を行っている．各材料の結果をまとめると，以下のようになる．
SUS304 ではバニシング力の増加に伴って引張強さ，・降伏応力が向上した．
・板厚が薄いほどバニシング加工の効果が高い．

・A5052 では F=10N で引張強さが 40%以上向上するが，F=100N でも同程度であった．
Ti64 は，F=100N までのバニシング加工では引張強・さが 3%程度しか向上しない．
板厚が薄いほど引張強さの向上が大きくなるのは，バニシング加工によって強化された層の厚さが元の板厚に占める割合が大きくなるためだと考えられる．
また，A5052 でバニシング力を増加させても，F=10Nでの条件から引張強さが向上しなかったことから，引張強さの向上には上限値があると考えられる．
Ti64 の引張強さがあまり向上しなかった理由として，より大きな力が必要であるということが考えられる．しかしながら，100N でのバニシング加工後の材料表面では切3・5

疲労強度の評価

SUS304 を対象とし，疲労試験機を使用して引張の疲労試験を実施した．引張－圧縮の試験では座屈が生じる可能性があるため，引張－引張の条件で実施した．105 サイクル程度で破断が起きるよう，応力振幅を 225MPa とし，応力比は 0.1，与える荷重は 30Hz の sin 波に設定した．
応力比は図 14 のように定義された値である．試験片は 1/2スケールの 13B 号試験片(JIS Z2201 規格)を使用し，フライス加工前，フライス加工後，フライス加工後にバニシン
グ力 100N で加工したものの 3 種類を用意した．

粉の生成が確認されており，これ以上バニシング力を増加させると表面の悪化が予想される．このため，製作したバニシング工具では Ti64 の引張強さの向上は難しいといえる．

図 14

疲労試験条件

疲労試験の結果を図 15 に示す．同じ色のデータは，それぞれ同じ板から作成した試験片であることを示す．

バニシング加工の効果はない
深さ 0.05mm までは，バニシング加工によって圧縮・残留応力が 60MPa 程度の顕著に向上した

図 15

疲労試験結果全体の傾向として，フライス加工によって疲労強度が減

図 16少するが，更にバニシング加工を実施することで元の状態残留応力の結果かそれ以上まで疲労強度が回復した．疲労強度に影響を及ぼす要因の 1 つとして表面の残留応力が知られており，圧４．結論

縮の残留応力は疲労き裂進展を抑制するため，疲労強度を本研究では，薄板の変形を抑制しながらバニシング加工向上させる．フライス加工では引張の残留応力が，バニシ可能な工具を考案，製作し，その工具の性能の検証を行っング加工では圧縮の残留応力が生じることが知られておた．以下に得られた知見を示す．

り，今回の傾向は予想と合致するものであった．一方で，・両側から荷重を与えるバニシング工具により，板厚バニシング加工後でも疲労強度が元の材料と同程度か下1mm 程度の薄板を加工中の変形を抑制しながらバニ回るデータも多かった．これは表面の状態が関係する．亀

シング加工することが可能になった．

裂の発生は表面の微小な凹凸が起点となるため，表面粗さ

SUS304，A5052，Ti64，AZ31 の 4 種類の 1-2mm

・の悪化は疲労強度の低下につながる．今回のバニシング加厚薄板材料を対象に，製作した工具によるバニシング工は F=100N で行っており，加工時には微小な切粉が生じていたことを確認している．この切粉の生成によって微加工を実施し，表面性能の変化を調査した．
・

表面粗さの評価結果により，A5052，SUS304，AZ31

小な凹凸が残存し，圧縮残留応力による疲労強度向上の効では表面粗さ改善の効果があったが，Ti64 では悪化果を打ち消してしまった可能性がある．

した．A5052，SUS304 は Ra0.1 ㎛程度まで改善し以上の考察から，製作したバニシング工具は SUS304
薄板の疲労強度の向上に効果があるといえるが，加工中のたが，AZ31 は Ra0.5 ㎛程度にとどまった・硬度の評価結果により，今回の実験で使用した全ての切粉の生成を防ぐことで更なる疲労強度の向上が達成可

材料で 10～30N の低いバニシング力でも，元の 25能であると考えられる．

～40%程度硬度が向上した．

3・6

残留応力の評価

引張強さの評価結果により，SUS304 ではバニシング・X 線回析装置(X`Pert-MPD-OES)を使用し，残留応力を力の増加に伴って引張強さ，降伏応力が向上した．

計測した． 試験片は A5052 を使用した．残留応力の深さ

A5052 では F=10N で引張強さが 40%以上向上する

方向の分布を確認するため，ワイヤーカット放電加工機をが，F=100N でも同程度であった．Ti64 は，F=100N使用して 0.05mm 間隔で表面を削り，紙やすりで影響層までのバニシング加工では引張強さが 3%程度しか向を除去後，計測を行うという作業を繰り返した．

上しない．板厚が薄いほどバニシング加工の効果が高試験片は未加工の材料，フライス加工後の材料，フライス加工後にバニシング力 100N で加工した材料の 3 種類にい．
SUS304 はバニシング加工によって疲労強度が向上

・対して深さ方向の残留応力を測定した．残留応力の測定結したことが確認した．A5052 においてはバニシング果を図 16 に示す．正の値が引張，負の値が圧縮の残留応加工によって深さ 1.5mm 程度まで圧縮残留応力層が力である．青系色がバニシング加工後のもの，灰色がフラえられた．

イス加工後，黄系色が未加工の材料のデータである．この謝結果から以下のことが言える．
・・

バニシング加工によって深さ 0.15mm まで 80MPa

辞本研究は公益財団法人天田財団一般研究開発助成程度の圧縮残留応力が与えられた(AF-2020011-B2)を受けたものであり，深く感謝申し上げ

深さ 0.2mm 以降では 3 条件で明確な違いは見られず，

ます．

参考文献

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