［研究報告］

超精密鏡面切削加工技術の確立
堀田昌宏 ，若槻 正明 ，和合飯村 崇＊＊＊＊

健＊＊＊＊，＊＊

鉄系材料を単結晶ダイヤモンド工具で鏡面切削するため，単結晶ダイヤモンド工具刃先に超音波振動を付加する加工システムを試作し，基礎的な評価実験を行った。その結果，無酸素銅を切削した場合は振動加工が適正に行われていることが確認できた。また，HRC40程度の鉄系材料も同様に切削できる可能性があるが，チッピングも生じるので，加工条件を更に検討する必要があることがわかった。
キーワード：鉄系材料，超精密加工，超音波振動

Study on UltraprecisionMirror Cutting Techique
HOTTA Masahiro,WAKATUKI Masaaki,WAGO Takeshi,and IIMURA Takashi
We made newworkattachmentwhich gives ultrasonic viberationtotool edge ofmono-crystalline
diamond in order to mirror-cut the iron materials using mono-crystalline diamond, and we performed
basic evalution exprement.As a result, we confirmed that oxygen-free copper was viberation-cutted
withoutfaults.Andwefoundthatironmaterials(40HRC) canbecutanditisnecessarytoexaminethe
workconditions further,becausechippingoccuredintheprocess.
key words ： Materials o f i r o n s y s t e m ,ultraprecisioncutting, ultrasonicviberation
１

緒

本報では，ダイヤモンド工具刃先に超音波振動を付加

言

近年，超精密加工に対する要求は増加しており，特にする加工システム（以下，加工システム）を試作し，そ

ダイヤモンド切削に代表される超精密切削加工は，今後の加工システムの評価と，切削条件変更における加工面の超精密加工技術には欠かせないものとして，多くの研性状に関する基礎的な評価実験を行ったので，その経過究が行われている。しかし，ダイヤモンド切削に代表さについて報告する。

れる超精密切削加工の適用は，銅及びアルミニウムといった軟質金属や一部のプラスチック材料等に限定されて

２

実験方法

おり，金型やゲージ類，しゅう動部品など，需要が高い

図１に試作した加工システムを示す。超音波振動子に鉄系材料には行われていない。これは通常の切削方式では，圧電型ボルト締めランジュバン型振動子を採用し，鉄系材料の超精密ダイヤモンド切削を行うと，切削熱の工具はホーンの先端にダブルロックナット方式により固影響により工具摩耗が早く進行して，切削が不可能にな定した。但し，工具が重くなると振動系の影響が大きく１）るためである。そのため，鉄系材料の超精密切削を行なることを考慮し，軽くて振動用ホーンへの取付けの容う加工法として，ダイヤモンド工具刃先を超音波域の振易なスローアウェイチップを使用している。振動周波数動数で切削方向に規則的に振動させ，断続的に切削するは 27kHz のものを使用した。また，事前に非接触変位超音波振動切削法を検討した。この方法は工具刃先が連計（岩崎通信機社製， ST-3711）を用いて，取付後の工続接触することがない一種の断続切削であるために，切具の振幅を測定したところ，平均振幅ａは約 18.7 ｕｍ，２）

削熱の低減が期待でき ，工具摩耗が抑えられて，鉄系材料でも安定して切削できるのではないかと考えられる。

振動周波数ｍは 23.2kHz であった。
実験に使用した加工機は空気静圧支持主軸と油静圧案内テーブルを装備したＣＮＣ２軸超精密鏡面加工機（プ＊

次世代金型製造プロセスに関する研究開発（ベンチャー企業育成型地域コンソーシアム研究開発）

＊＊

電子機械部

＊＊＊

電子機械部（現在企画情報部）

岩手県工業技術センター研究報告

第７号（２０００）

レステック， Nanoform350）で，その切り込み台上に試Ｓ：作した加工システムを固定した。工具は，表１に示すよＳｍ：

横方向の局部山頂の平均間隔（μｍ）
横方向の凸凹の平均間隔（μｍ）

うに単結晶ダイヤモンドチップと単結晶ダイヤモンドバイト（単結晶ダイヤモンドをバイトシャンクに溶着させ３たもの）の２種類を使用し，被削材は加工システムの評

３−１

価用として軟質で加工負荷が小さい無酸素銅と鉄系材料無酸素銅を用いて表２の切削条件で振動切削し，被削であるプレハードン鋼を用いた。評価用測定機器として材の加工面性状（粗さ，すじの有無の確認）がどのよう加工面の粗さ測定には，非接触の光学式表面粗さ測定機に変化するのかを検証した。

（Zygo 社，NewView100 ）を用いた。

実験結果及び考察
システムの評価実験

図２はその場合の主軸回転数に対するＲｙ及びＳｍのなお，鏡面切削の場合，研磨面と同程度の仕上げ面粗結果である。主軸回転数が 1000rpm 以内では送りが変さ（縦方向の最大高さＲｙ）と切削面特有の周期的な微わってもＲｙに変化がないのに対し，1500rpm の場合で小凸凹による虹面抑制が必要であるが，加工面の評価はは送りが小さいとＲｙも小さくなっている。つまり，Ｒこの虹面によって大きく左右されるため，虹面の定量評

ｙは切削速度が高速になるにつれて送りに対して影響さ価に横方向のパラメータＳ，Ｓｍ（Ｓ，Ｓｍ：測定長されることを示唆しており，Ｒｙが切削速度ではなく１回内で算出される局部山頂及び凸凹の平均間隔で定義され転当たりの送りに影響されると推測できる。また，横方るパラメータ）も用いて行った。

向の粗さＳに関しては，送り及び回転数を変化させてもなお，本報では，工具刃先を超音波域の振動数で切削変化はない。Ｓｍは，送りが大きいほど大きく，回転数方向に規則的に振動させ，断続的に切削する超音波振動が大きいと小さくなる結果となった。このことから，主切削法を振動切削と，超音波振動を刃先に与えないで切軸回転数が速い（切削速度が高速である）場合でも，１削する方法を通常切削と呼び，本文中に用いる記号は下

回転当たりの送りが小さければＳｍが小さくなることを記のとおりである。

示しており，振動切削速度（＝２πａｍ）が通常切削速ｓ：

主軸回転数（rpm）

度より速ければ，より効果があらわれると考える。また，

ｆ：送り（ｍｍ／ min）

これらの値は無酸素銅を単結晶ダイヤバイトを用いて通縦方向の最大高さ（μｍ）

常切削した場合よりも大きい値となっている。これは，

Ｒｙ：

振動用
ホーン

被削材

単結晶ダイヤモン
ドチップ

面板

締め
ナット

表面粗さRy(μm)

超音波
振動子

f=7.5

2f=5

10

f=2.50500

1000

1500

図１

加工システム概要図
表１

使用工具

工具材種

ノーズ半径(mm)
単結晶ダイヤモンドチップ 0.8
単結晶ダイヤモンドバイト 1.0
多結晶ダイヤバイト0.8
表２Ｓｆ
被削材
工具
切削液

すくい角 逃げ角(°)(°)
0110505

切削条件

200,500,1000,1500 rpm
2.5，5.0，7.5 mm/min
無酸素銅
単結晶ダイヤモンドチップ
非水切削油

平均間隔Sm(μm)

主軸回転数ｓ(rpm)10050f=7.5
f=5f=2.500500

1000

1500

主軸回転数ｓ(rpm)
無酸素銅,単結晶ダイヤモンドチップ
図２

表２の条件で振動切削した場合の加工面粗さ

超精密鏡面切削加工技術の確立
振動しながら切削しているため，切り込みが一定しない転当たりの送り量に影響されることが推察できることがこと，バニシ効果によって面が良好となる状態が期待でわかった。

きないこと等が原因として考えられる。
図３に振動切削における加工面の顕微鏡写真を示す。

３−２

プレハードン鋼による加工実験

どちらの加工面も顕微鏡で観察すると，送り 5 μm/rev

通常切削と振動切削について比較検討するため，被削に相当する間隔で送りマークが見られるだけではなく，材を鉄系材料（プレハードン鋼）に選定し，切削液噴霧工具の超音波振動によって生じた振動マークが切削方向供給下で切削条件を s=1500rpm ，f=5mm/min に設定し，に垂直な細かい線となって現れている。また，主軸回転

加工面性状（粗さ，すじの有無の確認）への影響を確認

数が遅い場合ほど，加工面には振動マークが細かく現れした。ていることがわかる。このように送り量が一定である場

図４に切削方法変更による加工面の粗さを示す。切削合には，主軸回転数が遅い方がより規則正しい断続切削方法を変更した場合，Ｒｙは単結晶ダイヤバイト，単結が行われたと考える。また，円周部と中心部を比べてみ晶ダイヤチップの順で大きいが，Ｓ及びＳｍには差が無ると周辺部の方が加工痕がはっきりしているように見えい。今回設定した加工条件（低速送り及び微小切り込み）る。これは中心部に向かっていく程切削速度が遅くなる

では，良好な加工面は得ることはできなかった。また，

ので，より規則正しく断続切削が行われたためではない

加工終了後に工具刃先を工具顕微鏡で観察したところ，かと思われる。

どちらの工具にもチッピングが生じているのが観察され

S

SmRy3100250100単結晶ダイヤ
通常切削

単結晶ダイヤ
振動切削

平均間隔S,Sm(μm)

表面粗さRy(μm)

た。

工具材種及び切削方法
s=1500rpm，f=5mm/min，NAK55a) s=1500rpm,f=7.5mm/min ( =5 μ m / r e v )工具：単結晶ダイヤモンドチップ，単結晶ダイヤモンドバイト
図４

切削方法変更による加工面粗さ

図５は単結晶ダイヤモンドを用いて切削した場合の振動切削と通常切削における加工面の顕微鏡写真を示す。
振動切削面には，工具の超音波振動によって生じた振動マークが規則的に分布し，この振動マークを横線として，送り 5 μ m/rev を縦線とするあみだ模様仕上面を呈し，斜めから見ると，美しい七色の虹面模様が見える。この加工面は，無酸素銅を振動切削した場合の加工面と同じb ) s=500rpm,f=2.5mm/min ( =5 μ m / r e v )様相を呈しているため，正常な切削が行われたものと考

単結晶ダイヤモンドチップ，無酸素銅える。また，通常切削面は斜めから見ると振動切削面と

図３

振動切削における加工面の顕微鏡写真（×50）

同様に虹面模様が見える。しかし，その面は送り量に相当する間隔で送りマークが確認できるが，むしれ等が観察され，正常な切削ができなかったものと考える。以上，以上のことから，超音波振動を付加した加工システム

振動切削と通常切削を比較検討した結果，粗さの数値かの動作が確認できたこと，振動切削における切削条件（主ら判断すると良好な切削がどちらも行われなかった。し軸回転数，送り）において，Ｒｙは切削速度よりも１回かし，加工面を比較すると，振動切削の方が均一に切削岩手県工業技術センター研究報告されており，振動切削の方が加工システムの改良，最適加工条件によって均一に粗さを軽減できる可能性が残されていると考える。

第７号（２０００）４

結言

鉄系材料を単結晶ダイヤモンド工具で鏡面切削することを目的として，単結晶ダイヤモンド工具刃先に超音波振動を付加する加工システムを試作し，基礎的な評価実験を行ったところ，以下のことがわかった。
・無酸素銅を切削した場合は振動加工が適正に行われていることを確認した。
・HRC40 程度の鉄系材料も同様に切削できる可能性があることがわかった。
５

今後の課題

試作した加工システムを用いて今回切削実験を行ったが，加工システムの改良，切削条件の再検討等まだまだ検討することがあることがわかった。今後はそれらの点について，順次対応していきたいと考える。

a)振動切削本研究はベンチャー企業育成型地域コンソーシアム研
究開発「次世代金型製造プロセスに関する研究開発」事
業の一環で実施したものである。
本研究を実施するに当たり，助言をいただきました岩手大学工学部水野雅裕助教授に感謝いたします。
文献1)森脇俊道他：超精密生産技術体系第２巻実用技術，フジテクノシステム，901(1994)
2)隅部淳一郎：精密加工振動切削−基礎と応用−，実教出版，49(1979)ｂ）通常切削
s=1500rpm,f=5mm/min,NAK55
工具：単結晶ダイヤモンドチップ，単結晶ダイヤモンドバイト
図５

振動切削と通常切削における加工面の顕微鏡写真（×20）