次世代高度電子機械産業で使われる素材の加工技術開発
宮城県産業技術総合センター

久田哲弥、渡辺洋一、齋藤佳史

サブテーマ１：無酸素銅の切削加工技術
1.諸 言
無酸素銅は放電加工用の電極材料として金型の仕上げ加工や、超鋼製金型の加工に広く使用される材料であるが、金型の微細化、高精度化に伴い電極材の加工精度の高度化が進んでいる。一方加速器に使用される加速管本体は無酸素銅のセルで構成されており、高精度な加工技術が要求されている。そこで本調査では無酸素銅の加工について、要求精度に応じた表面性状を得るための最適加工条件を得るために、加工データベースを構築することを目的とし、エンドミルによる切削加工実験を実施した。

2.調査研究内容
無酸素銅は酸素含有用が 5ppm 以下の純銅で、軟質で被加工面が傷つきやすく表面粗さを高精度に加工するのが難しい。ソリッドエンドミルを使用する場合、一般的にはスクイ角が大きく刃先のシャープな工具を使用し、低い送り速度、高い切削速度の加工条件で加工する。これにより被削材の切り取り厚さが小さくなり良好な加工表面を得ることができる。また、無酸素銅を加工する際は反応熱による工具の拡散摩耗が進行するため、コーティング材種として窒化クロム（CrN）を使用する場合も多い。本調査では市販の工具とその最適加工条件を踏まえ、無酸素銅の加工実験を行い加工条件と表面性状の相関についての知見を得た。
実験では市販品である三種類のエンドミルを使用した。それぞれの工具について同一の加工条件にて無酸素銅を切削加工し、被加工面の表面性状の調査を観察と表面粗さの計測を行うことで実施した。次に工具摩耗をエンドミルのニゲ面摩耗幅を計測することで評価し、加工長さと摩耗量の相関関係について調査を実施した。

2-1.実験方法
実験には市販品である三種類の工具（以下 A・B・C とする）を使用し、表 1 に使用した工具の仕様を、表 2 に工具のスクイ面、ニゲ面の拡大写真を示した。工具はいずれもソリッドのスクエアエンドミルで直径が 5.0mm、シャンク径は 6.0mm である。工具 A は TiAlN コーティングで鋼材加工用、工具 B は DLC コーティングでアルミ加工用、工具 C は CrN コーティングで銅電極加工用として販売されているものである。表 2 のスクイ面の拡大写真から軟質材加工に適した工具 B と工具 C は刃先の先端角が小さくなっていることが分かった。
【表 1 実験に使用した工具】
工具製造者

型式

外径[mm]

シャンク径[mm]コーティングA

日進工具

MSE2305.06.0

TiAlN

B

日進工具

AL3D 2DLC

5.06.0

DLC

C

ミスミ

CRN-CUEM55.06.0CrN52

【表 2 工具先端部拡大写真】
工具 A

工具 B

工具 Cス
ク
イ面ニ
ゲ
面

加工実験に使用した加工機は宮城県産業技術総合センターに設置の 5 軸マシニングセンタを使用した。加工機の外観と仕様について図 1 と表 3 に示した。

【図 1 実験に使用した加工機（アジエシャルミー社製

HSM400ULP）】【表 3 5 軸マシニングセンタの仕様】
メーカ

型式

アジエシャルミー

HSM400ULP

テーブルサイズΦ156mm

加工ワークサイズ

Φ230mm×200mm（最大積載重量 25kg）

主軸回転数

最大 42,000[/min.]

軸構成

XYZBC

駆動方式

リニアモータ

工具ホルダー

HSKE-40

加工方法はダウンカット方式で行い、工具の動作について図 2 に示した。材料右手前（赤丸）を原点とし、工具を軸方向に切り込み（AD）、Y 軸方向に走査し、退避高さまで移動後 Y 軸方向の原点まで復帰させて、X 軸方向にピックフィード量（RD）移動させてから、軸方向に切り込む
53

方式とした。

【図 2 加工方法】

加工条件を表 4 に示す。工具切り込み量については仕上げ加工取り代を考慮した切り込み量とした。
オイルミストは Unilube2032、切削液はユシロ化学工業株式会社製ユシローケン AP-EX-E3を 10 倍希釈で使用した。
【表 4 加工条件】
項目値

工具回転数[/min.]10,000～40,000

切り込み量

AD0.1mm

RD1.0mm

一刃送り量

10μm

50μm

100μm

冷却方法

オイルミスト

切削液

表面性状の評価は、マイクロスコープによる表面観察と粗さ計による表面粗さの評価により行った。図 3 にマイクロスコープの外観を、図 4 に表面粗さ測定機の外観を示す。マイクロスコー
プはキーエンス社製マイクロスコープ VHX を使用し、表面粗さ測定機はアメテックテーラーホブ
ソン社製フォームタリサーフ PGI1250A を使用した。
工具摩耗量の評価にはマイクロスコープにより工具先端のニゲ面を観察しコーティングの剥離状態を観察した後、コーティングが剥離した箇所を含めた摩耗幅の距離測定を実施することで行った。

54

【図 3 マイクロスコープの外観】【図 4 表面粗さ測定機の外観】

2-1.実験結果
2-1-1 表面性状の評価
工具 A でオイルミスト冷却方法にて加工した加工面の観察結果について表 5 に示した。なお、
マイクロスコープ観察した場合、切削痕は黒い線となって観察される。工具回転数 40000、一刃送り量 10μm の条件で加工した場合の表面性状が良好であることが確認できた。次に工具 A で切削液冷却方法により加工した加工面の観察結果について表 6 に示した。オイルミスト冷却方法と比較して切削痕が少なく、良好な加工面が得られた。特に回転数 20000、送り量 50μm が最も鏡面に近い面となった。
【表 5 工具 A でオイルミスト冷却方法にて加工した加工面の観察結果】55

【表 6 工具 A で切削液冷却方法にて加工した加工面の観察結果】

工具 B でオイルミスト冷却方法にて加工した加工面の観察結果について表 7 に示した。全体的に切削痕が多く発生している様子が観察された。また、一刃送り量が 10μm の条件では切削痕が不規則になっていることも確認できた。表 8 に工具 B で切削液冷却方法にて加工した加工面の観察結果を示した。なお、観察画面右上に確認できる黒い線はレンズに付着した異物である。オイ
ルミスト冷却方法と比較すると切削痕が少なく良好な加工面が得られた。また、同条件の工具 Aと比較すると切削痕が多くなる傾向が得られた。
【表 7 工具 B でオイルミスト冷却方法にて加工した加工面の観察結果】56

【表 8 工具 B で切削液冷却方法にて加工した加工面の観察結果】

工具 C でオイルミスト冷却方法にて加工した加工面の観察結果について表 9 に示した。一刃送り量が 100μm の加工条件では切削痕が明確に確認できた。また切削痕が二重になっている箇所も確認できた。表 10 に工具 C で切削液冷却方法にて加工した加工面の観察結果を示した。オイルミスト冷却方法の結果と同様、一刃送り量が 100μm の加工条件では切削痕が明確に確認できた。オ
イルミスト冷却方法と比較すると良好な加工面が得られたが、工具 A と比較し、改善の度合いが少ない結果となった。
【表 9 工具 C でオイルミスト冷却方法にて加工した加工面の観察結果】57

【表 10 工具 C で切削液冷却方法にて加工した加工面の観察結果】

2-1-2 表面粗さの評価
工具 A で加工した場合の表面粗さの結果について図 5 に示した。オイルミスト冷却方法と比較して切削液冷却方法による加工方法で良好な表面粗さが得られた。特に切削液冷却方法では工具回転数 20000、一刃送り 50μm にて表面粗さは最小となり、表面粗さは 0.012μm Ra 以下となった。前項の表面性状の観察結果からも当該条件にて良好な表面性状が得られていることが確認できた。

【図 5 工具 A で加工した場合の表面粗さ測定結果】
工具 B で加工した場合の表面粗さの結果について図 6 に示した。オイルミスト冷却方法と比較して切削液冷却方法により加工した場合に良好な表面粗さが得られた。また切削液冷却方法による加工においては、工具回転数と一刃送り量によらず表面粗さはほぼ一定となり、0.1μm 前後となる結果を得た。

58

【図 6 工具 B で加工した場合の表面粗さ測定結果】
工具 C で加工した場合の表面粗さの結果について図 7 に示した。一刃送り量が 100μm の条件
では切削液冷却方法により良好な表面粗さを得たが、一刃送り量が 10μm、50μm の条件では工具冷却方法による大きな違いは得られなかった。

【図 7 工具 C で加工した場合の表面粗さ測定結果】

2-1-3 工具摩耗の評価
加工方法に関しては前項と同様である。実験は表 11 に示した加工条件で実施し、一定の切削距離を加工した後に工具のニゲ面、スクイ面の観察を図 3 に示したマイクロスコープにて行う方法で実施した。摩耗量の評価はニゲ面のコーティングが剥離した箇所を含めた摩耗幅の距離測定を実施することで行った。表 12 にニゲ面の観察結果を示した。切削距離 262.4m で実験を終了したが、工具 A の摩耗幅が最大となった。工具 B、工具 C はは摩耗幅は小さいものの、刃先のチッピングが発生している様子が観察された。これは表 2 の観察結果からも明らかなように、工具 B、
工具 C は軟材の加工用工具として、切れ味を向上させるために工具の刃先角が小さく設計されているためチッピングの原因になったものと思われる。
図 8 は工具摩耗量と切削距離について示したものである。切削距離が大きくなるに従いニゲ面摩耗幅も増大する傾向が得られた。工具 B が最も摩耗量が大きくなり、工具 C は最も摩耗量が少なくなる結果となった。特に工具 C は刃先のチッピングが発生しやすい工具でありながらコーティングの効果により摩耗量が最小になったと考えられる。

59

【表 11 加工条件】
項目値

主軸回転数[/min.]

20,000

一刃送り量[μm]100（送り速度 4,000[mm/min.]）

冷却方法

切削液

切り込み量

0.1[mm]

ピックフィード 1.0[mm]【表 12 ニゲ面の観察結果】【図 8 切削長さとニゲ面摩耗幅の関係】

60

3 まとめ
無酸素銅の切削加工について、市販工具（A、B、C）を使用し加工後の表面性状、表面粗さ、摩耗状態の調査を行い以下の知見が得られた。
（１）工具 A が他の工具と比較して加工表面状態が良好となる。
（２）切削液冷却方法による加工方法がオイルミスト冷却方法よりも鏡面に近い表面状態が得られる。
（３）表面粗さの最小値は工具 A を使用した場合で工具回転数 20000、一刃送り量 50μm、切削液での加工条件にて得られ、0.0121[μm]Ra を得た。
（４）工具のニゲ面摩耗幅は工具 C が最小となり摩耗幅の増加量も最小となった。

61

サブテーマ２

単結晶ＳｉＣの研削加工技術

1.諸 言
物理的及び電気的特性に優れた特性を有する単結晶 SiC 材料が次世代パワーデバイス材料のひとつとして注目されている。単結晶 SiC は硬脆材料であるために高能率な高精度加工が難しく，これまで使用されてきたシリコン材と比べて所望の加工精度を得るまでに高い加工コストを要するなど，その実用化には解決すべき課題が多い。
本研究では単結晶 SiC ウエハを対象に，ダイヤモンド砥石を用いた様々な研削加工条件における研削抵抗値と研削加工面性状を調査したので報告する。

2.実験方法および条件
表 1 に本実験に用いた研削加工条件を示す。加工対象は 2 インチの 4H-SiC ウエハ（0001）面（新日本製鐵㈱製）であり，常圧焼結 SiC ブロックに熱可塑性樹脂を用いて接着固定した。実験には，油静圧式の砥石軸とテーブル案内を搭載し，切込方向の最小設定位置決め分解能が 0.01μｍである超精密 CNC 成形平面研削盤を使用した。図 1 は研削抵抗測定時における加工部の様子である。
研削抵抗の測定には水晶圧電型 3 成分動力計を使用した。
表１

被削材
加工機
研削砥石

砥石周速度 V
加工プロセス

テーブル速度
研削方法
ツルーイング・
ドレッシング
研削液
動力計

実験条件

4H-SiC ウエハ，2 インチ，（0001）面
超精密 CNC 研削盤 SGU52SXSN4（ナガセインテグレックス製）(1) SDC200N75BJ1（D200-W10mm）（東京ダイヤモンド工具製作所製）(2) SD1000N75BL1（D200-W10mm）（東京ダイヤモンド工具製作所製）(3) SD2000P100CR（D200-W12mm）（nitolex 製）(4) SD2000L50BL1（D200-W8mm）（東京ダイヤモンド工具製作所製）(5) SD5000P100CR（D200-W12mm）（nitolex 製）(6) SD5000L50BL1（D200-W8mm）（東京ダイヤモンド工具製作所製）
600, 800, 1000, 1300m/min(a)砥石(1)及び(2)： 1μｍ×6 回→0.5μｍ×4 回→スパークアウト 3 回(a)の前加工は砥石（1）で実施(b)砥石(3)，(4)，(5)，(6)： 0.5μｍ×6 回→スパークアウト 3 回(c)砥石(6)，V1300m/min の場合のみ 0.5μｍ×10 回→スパークアウト 3 回(b)，(c)の前加工は砥石（2）で実施.
左右速度 8m/min
前後速度 50mm/min→ 最終切り込みおよびスパークアウトに 25ｍｍ/min
トラバース研削砥石(1)及び(2)：複合研削砥石，砥石(3)：GC1000 ブロック，砥石(4)：GC3000 ブロック，砥石(5)及び(6)：SUS304 ブロック
ケミカルソリューションタイプ
水晶圧電型 3 成分動力計 9257B(KISTLER 製)

62

ダイヤモンド砥石

FtFn

SiC ウエハ
常圧 SiC プレート

電磁チャックテーブル

3 成分動力計
図１ 研削抵抗測定時における加工部の様子

３．実験結果各研削砥石を使用した場合において砥石周速度を変えて平面研削加工を行い，加工時に被削材に作用する研削抵抗を測定した。なお，被削材への研削砥石の当り位置の検出には法線研削抵抗値 Fn を用いた。ただし，法線研削抵抗値 Fn は砥石周速度の影響を受けやすいため，実験では砥
石周速度 800ｍ/min で当て込み作業を行った後，砥石周速度を変えて実験を行った。また，被加工面を表面観察し，表面粗さを測定することで各研削加工条件による被削材への影響を評価した。
被加工面の観察には非接触三次元測定機（三鷹光器社製：NH-3SP）の 10 倍及び 100 倍の観察像を，表面粗さの評価には接触式表面粗さ・形状測定機（AMETEK 社製:フォームタリサーフ
PGI1250A）を使用した。
表 2～7 に各研削砥石で砥石周速度を変化させた場合の加工時の研削抵抗値と加工面の表面粗さ及び表面観察像を示す。表中の研削抵抗値は単位砥石幅当たりの研削抵抗値であり，今回の実験条件内において研削回数を増加させた場合に研削抵抗値がほぼ一定であったものは平均化した値とし，研削回数を増加させると研削抵抗が増加した SD5000L50BL1 の場合は最終切込み時に得られた最大値（max）とした｡なお，砥石 SD5000L50BL1 の場合に砥石周速度 1300m/min で加工プロセス（b）を実施したが，被加工面に加工痕が確認できなかったため，参考までに更に切り込みを増加させた加工プロセス(c)の結果を示した｡
表 2 の SDC200N75BJ1 を使用した場合の結果から，高速な砥石周速度ほど法線研削抵抗及び接線研削抵抗は低下し，砥石周速度 1300m/min で最小となった。これは，粗粒度砥石では高速な砥石周速度であれば砥石の切れ味が向上するためであると考えられる。また，表面粗さ Ra は全ての砥石周速度で 0.3µｍRa 程度であった。加工面を観察すると高速な砥石周速度の場合に破砕が減少する傾向が見られ，砥石周速度 1300m/min で最も少なくなった。
表 3 の SD1000N75BL1 を使用した場合の結果から，法線研削抵抗は高速な砥石周速度ほど上昇して砥石周速度 1300m/min で最大となったが，接線研削抵抗は高速な砥石周速度ほど低下し砥石周速度 1300m/min で最小となった。また，表面粗さ Ra は全ての砥石周速度で 0.04µｍRa 程度であった。加工面を観察すると高速な砥石周速度の方がやや破砕が少なくなる傾向が見られ，砥石周速度 1300m/min で最も少なくなった。
表 4 の SD2000P100CR を使用した場合の結果から，法線研削抵抗は高速な砥石周速度ほど上昇して砥石周速度 1300m/min で最大となったが，接線研削抵抗は高速な砥石周速度ほど低下し砥石63

周速度 1300m/min で最小となった。また，表面粗さ Ra は全ての砥石周速度で 0.05µｍ程度であった｡加工面を観察すると高速な砥石周速度の方がやや破砕が少なくなる傾向が見られ，砥石周速度1300m/min で最も少なくなった。
表 5 の SD2000L50BL1 を使用した場合の結果から，法線研削抵抗は砥石周速度 10000m/min まではほぼ同じであったが，砥石周速度 1300m/min で最小となった。これは，＃2000 程度の微粒レジノイドボンド砥石の場合には，砥石周速度が過度に高速であれば研削砥石の上滑り現象が発生するためであると考えられる。接線研削抵抗は高速な砥石周速度ほど低下し砥石周速度1300m/min で最小となった。また，表面粗さ Ra は全ての砥石周速度で 0.03µｍRa 程度であった。
加工面を観察すると高速な砥石周速度の方がやや破砕が少ない傾向が見られ，砥石周速度1300m/min で最も少なくなった。
表 6 の SD5000P100CR を使用した場合の結果から，法線研削抵抗は高速な砥石周速度ほど上昇して砥石周速度 1300m/min で最大となったが，接線研削抵抗は高速な砥石周速度ほど低下し砥石周速度 1300m/min で最小となった。また，表面粗さ Ra は全ての砥石周速度で 0.02µｍ程度であった。加工面を観察すると高速な砥石周速度の方がやや破砕が少ない傾向が見られ，砥石周速度1300m/min で最も少なくなった。
表 7 の SD5000L50BL1 を使用した場合の結果から，法線研削抵抗は高速な砥石周速度ほど低下し，砥石周速度 1000m/min で最小となった。さらに，砥石周速度 1300m/min の場合には更に切り込みを増加させなければ加工ができなかった。これは，超微粒レジノイドボンド砥石の場合には，
SD2000L50BL1 の場合と同様に砥石周速度が過度に高速であれば研削砥石の上滑り現象が発生するためであると考えられる。接線研削抵抗は高速な砥石周速度ほど低下し砥石周速度 1000m/minで最小となった。また，表面粗さ Ra は全ての砥石周速度で 0.01µｍ程度であった。加工面を観察するとこれまで使用した砥石と比較して破砕が大幅に減少し，特に低速な砥石周速度の方がやや破砕が少ない傾向が見られ，砥石周速度 600m/min で最も少なくなった。

4.結 言
単結晶 SiC を様々な砥石で加工した本研究により以下のことが明らかになった。
（1）砥石 SDC200N75BJ1 による平面研削では，研削抵抗は砥石周速度 1300m/min で法線及び接線方向ともに最小となった。砥石周速度に因らず表面粗さ 0.3µｍRa が得られる。破砕は砥石周速度 1300m/min で最も少なくなった。
（2）砥石 SD1000N75BL1 による平面研削では，研削抵抗は砥石周速度 1300m/min で法線方向が最大、接線方向は最小となった。砥石周速度に因らず表面粗さ 0.04µｍRa が得られる。破砕は
砥石周速度 1300m/min で最も少なくなった。
（3）砥石 SD2000P100CR による平面研削では，研削抵抗は砥石周速度 1300m/min で法線方向が最大、接線方向は最小となった。砥石周速度に因らず表面粗さ 0.05µｍRa が得られる。破砕は
砥石周速度 1300m/min で最も少なくなった。
（4）砥石 SD2000L50BL1 による平面研削では，研削抵抗は砥石周速度 1300m/min で法線及び接線方向とも最小となった。砥石周速度に因らず表面粗さ 0.03µｍRa が得られる。破砕は砥石周速度 1300m/min で最も少なくなった。
（5）砥石 SD5000P100CR による平面研削では，研削抵抗は砥石周速度 1300m/min で法線方向が最大、接線方向は最小となった。砥石周速度に因らず表面粗さ 0.02µｍRa が得られる。破砕64

は砥石周速度 1300m/min で最も少なくなった。
（6）砥石 SD5000L50BL1 による平面研削では，研削抵抗は砥石周速度 1000m/min で法線方向が最大、接線方向は最小となった。砥石周速度に因らず表面粗さ 0.01µｍRa が得られる。破砕は
砥石周速度 600m/min で最も少なくなった。

表2

砥石周速度

研削抵抗m/min

N/mm

砥石 SDC200N75BJ1 による平面研削加工結果

表面粗さ

加工面の表面観

加工面の表面観察画像（10 倍）

察画像（100 倍）

150m

15m

150m

15m

150m

15m

150m

15m

600

Fn：1.16
Ft：0.31４.5m2.77μmRz
0.29μmRa

2.98μmRz
0.30μmRa

Fn：1.20
Ft：0.15

４.5m

800

2.70μmRz
0.27μmRa

Fn：1.04
Ft：0.14４.5m

10002.72μmRz
0.28μmRa

Fn：0.88
Ft：0.07４.5m

130065表3砥石周速度

研削抵抗m/min

N/mm

砥石 SD1000N75BL1 による平面研削加工結果

表面粗さ

加工面の表面観

加工面の表面観察画像（10 倍）

察画像（100 倍）

150m

15m

150m

15m

150m

15m

150m

15m

0.43μｍRz
0.04μmRa

Fn：2.49
Ft：0.42

1.8m

600

0.46μmRz
0.04μmRa

Fn：2.18
Ft：0.25

1.8m

800

0.55μmRz
0.04μmRa

Fn：2.89
Ft：0.27

1.8m

1000

0.39μmRz
0.04μmRa

Fn：3.04
Ft：0.21表4砥石周速度

研削抵抗m/min

N/mm

1.8m

1300

砥石 SD2000P100CR による平面研削加工結果

表面粗さ

加工面の表面観

加工面の表面観察画像（10 倍）

察画像（100 倍）

150m

15m

150m

15m

150m

15m

150m

15m

0.76μｍRz
0.06μｍRa

Fn：0.60
Ft：0.141.8m

6000.54μｍRz
0.05μｍRa

Fn：0.61
Ft：0.08

1.8m

8000.49μｍRz
0.05μｍRa

Fn：0.75
Ft：0.07

1.8m

1000

0.64μｍRz
0.05μｍRa

Fn：0.92
Ft：0.03

1.8m

130066表5砥石周速度

研削抵抗m/min

N/mm

砥石 SD2000L50BL1 による平面研削加工結果

表面粗さ

加工面の表面観

加工面の表面観察画像（10 倍）

察画像（100 倍）

150m

15m

150m

15m

150m

15m

150m

15m

0.37μｍRz
0.03μｍRa

Fn：2.53Ft：0.431.8m

6000.29μｍRz
0.03μｍRa

Fn：2.48
Ft：0.261.8m

8000.24μｍRz
0.02μｍRa

Fn：2.64
Ft：0.191.8m

10000.21μｍRz
0.02μｍRa

Fn：2.21Ft：0.04

表6砥石周速度

研削抵抗m/min

N/mm

1.8m

1300

砥石 SD5000P100CR による平面研削加工結果

表面粗さ

加工面の表面観

加工面の表面観察画像（10 倍）

察画像（100 倍）

150m

15m

150m

15m

150m

15m

150m

15m

0.21μｍRz
0.02μｍRa

Fn：1.58
Ft：0.260.9m

6000.19μｍRz
0.02μｍRa

Fn：1.61
Ft：0.160.9m

8000.19μｍRz
0.02μｍRaFn：2.29
Ft：0.140.9m

10000.18μｍRz
0.02μｍRa

Fn：2.63
Ft：0.020.9m

130067表7砥石周速度

研削抵抗m/min

N/mm

砥石 SD5000L50BL1 による平面研削加工結果

表面粗さ

加工面の表面観

加工面の表面観察画像（10 倍）

察画像（100 倍）

150m

15m

150m

15m

150m

15m

150m

15m

0.12μｍRz
0.01μｍRa

Fn(max)：8.17Ft(max)：1.060.9m6000.10μｍRz
0.01μｍRa

Fn(max)：5.37
Ft(max)：0.78

0.9m

800

0.08μｍRz

1300（参考：加工プロセス（c））

0.01μｍRa

Ft(max)：0.570.9m

Fn(max)：5.65

0.08μｍRz
0.01μｍRa

Fn(max)：3.21
Ft(max)：0.14

0.9m

100068