CVD 導電性ダイヤモンドを用いたバニシング工具による温度測定
上智大学 理工学部 機能創造理工学科准教授 田中 秀岳（平成 28 年度 一般研究開発助成 AF-2016023）

キーワード：バニシング加工，ダイヤモンド工具，CVD，導電性ダイヤモンド，平滑面創成

１．緒言行う．近年の仕上げ加工における要求を満たす加工法とし機械加工における仕上加工は，全加工行程の中で最終段て注目されているバニシング加工だが，課題が存在する．

階にあたり，製品の機能に大きく影響を及ぼす重要な工程

加工時に，加工材料と工具材料の二つの金属間に摩擦が生である．年々高精度化している精密加工の分野において，じる．そのため，摩擦熱により加工材料と工具部分の温度

従来の仕上加工の評価基準は，表面形状の観点に着目し，が上昇する．長時間高温下で加工を行っていると，工具摩仕上性能を重視する傾向が強くある．そのため，仕上加工耗が促進される．

段階では，いかに良質な表面形状を生成できるかという点

バニシング加工は，工具の特性や加工条件を十分考慮に力を注いできた．しかし，近年では仕上性能に加え，生することで，高硬度材などの難削材に対して有効であるこ

産効率の向上，環境への負荷に対する要求も重視される傾とや，それらの加工条件による加工面の表面形状への影響，向にある．従来使用される研削加工などでは，専用の工作表面改質の定量的評価は行われている 5)，6)．しかし，現段機械を必要とするため，切削加工から仕上加工に移る工程

階では，加工を行う工具の摩耗やそれにより変化する加工において時間を要する．また，工作物に対し，砥石を用い面の表面形状の影響，そして工具寿命などは，明らかになて表面を削ることで滑らかな面を得るため，加工時に加工っていない．バニシング加工を一般的な仕上げ加工として屑が発生してしまう．これらのことから，従来の仕上加工利用するには，これらの問題を解決する必要がある．本研

では生産効率，環境への負荷という点では近年の仕上加工

究では，加工時の工具温度測定法として工具－工作物熱電に対する要求を全て満たすことは難しいのが現状である．

対法を提案する．この測定法は，熱電対の原理を応用する

現在，これらの要求を満たす仕上加工の一つとして注目ことで，加工時の工具加工面温度を明らかにする．そのたされているのが，バニシング加工である．バニシング加工

め，工具は十分な工具性能に加え，導電性を有しているこは，金属材料の塑性変形を利用する表面仕上法であり，高とが条件となる．この点をふまえ，新たな工具の開発に着速で鏡面仕上面を得ることが可能である．そのため，加工手し，開発した工具と提案した温度測定法を使用して，バ中に加工屑の発生がなく，環境面に対して有利である．まニシング加工時の工具加工面温度の測定を可能にするこた，専用の工作機械を必要とせず，工具の交換のみでよいとを目的とする．

ため，工程集約化及び加工時間短縮などの生産効率の向上も可能である．さらに，加工時に材料表面に強い圧縮応力

２．工具－工作物熱電対法を付加することによる表面改質によって，工作物表面の機図 1 にバニシング加工における工具－工作物熱電対法

械的特性の改善が期待できる利点もある．バニシング加工

1)の概略を示す．汎用旋盤を用い，工作物と汎用旋盤のチは，大きく分けて二種類の方法がある．高速回転する工作ャック間及び工具と刃物台の間は電気的に絶縁されてい物に対して，加工対象面に押し付けた工具を，回転させてる．工作物端面には回転接点が設けられ，工作物表面と工加工を行うローラ式と，回転させずに行うチップ式が存在

具の CVD ダイヤモンド間での熱起電力を測定する．図 2する．本研究ではチップ式バニシング加工に着目し実験をの左図は導電性ダイヤモンド工具を，右図はレーザ顕微鏡

(Olympus co. ; LEXT OLS4100)で観察した工具加工面性状

Table 3 Experimental conditions (Burnishing)を示す．工具先端部にホウ素を添加した

Rotational speed

min -1395

Feed rate

mm/rev0.052

Burnishing force

N32.5

CVD ダイヤモンド(Element 6 社，オグラ宝石精機工業製)を使用している．そのため，単結晶ダイヤモンドにはなかった導電性を有した工具となっている．表１は，単結晶ダイヤモンド工具加工面と導電性ダイヤモンド工具加工面の算術平均粗さ Ra，最大高さ粗さ Rz を示す．
図 3 は，SUS304 の被削材に対するバニシング加工後の算術平均粗さ Ra と最大高さ粗さ Rz を示す．切削後の算Fig.1 Schematic of tool-workpiece thermocouple
method for burnishing術 平 均 粗 さ Ra と 最 大 高 さ 粗 さ Rz は そ れ ぞ れ
Ra=1.171μm，Rz=6.967μmであった．このグラフから，開発した導電性ダイヤモンド工具は，単結晶ダイヤモンド工具と同様に正常に加工が行えていることがわかる．また，SUS304 の被削材に対しては，単結晶ダイヤモンド工具と比較するとやや工具性能は劣ることがわかる．

Fig.2 Electro-conductive diamond burnishingtoolTable 1 Tool roughness
RaRzSingle crystal Diamond

0.008μm

0.066μm

Electro-conductive diamond

0.013μm

0.097μm

Table 2 Experimental conditions (Cutting)Rotational speed

min -1710

Feed ratemm/rev

0.139

Cutting depthmm

0.3

Fig.3

Surface(Stainless steel)roughnessafterburnishing103．実験結果と考察

83.1

Height μm

6

校正実験

4製作した CVD ダイヤモンド製の導電性バニシング工具2をもちいてバニシング加工時の温度を測定するために，ま0-2ず熱起電力の測定を行い校正曲線の推定を試みた．図５に-4校正実験の装置校正を示す．汎用旋盤に絶縁遮熱しヒータ-6ーを内蔵した工作物を装着し，PID 温度制御装置によっ-8-10てステンレス製工作物(SUS304)を加熱する．規定の温度
Distance μm(a) Cuttingに達したらバニシング工具を押しつけ，その時の熱起電力を測定した．測定は摂氏 100 度から 300 度まで 50 度刻みで行った．基準接点は室温とし摂氏 22 度であった．測定
結果を図６に示す．今回作成した校正曲線は，使用した電圧計の分解能が大きいため，精度の低い結果となった．電圧計のばらつきもあるが，摂氏 100 度で約 0.2mV，摂氏300 度で約 0.8mV となった．グラフより比較的線形な熱起電力特性を示していると言える．

(b) Burnishing (Single crystal diamond tool)(a) Experimental method of temperature calibration
Thermocouple
HeaterWorkpiece(c) Burnishing (Electro-conductive diamond tool)Fig.4 Roughness curves after cutting and burnishingBurnishingtool

図 4 は，SUS304 の被削材に対する切削後(a)，バニシング

Temperature
controller加工後（単結晶ダイヤモンド工具(b)，導電性ダイヤモンド工具(c)）の粗さ曲線を示す．この結果から，単結晶ダイヤモンド工具と比較するとやや工具性能は劣るが，バニシング工具としての性能は十分であることがわかる．

(b) Experimental setup
Fig. 5 Calibration experiment apparatus

1
Thermoelectromotive force mV

0.90.80.70.6

0.50.40.30.20.1

00100200300400(a) 395min-1

Temperature ℃

Fig.6 Relationship between
thermoelectromotive force and temperature
3.2

SUS304 に対するバニシング加工温度測定実験

表４に被削材（SUS304）に対し複数の条件下にてバニシング加工を行い，加工時の温度を推定した結果を示す．
工作物回転数の増加に伴い温度が上昇していることが確認できる．図 7 はそれぞれの工作物回転数ごとのバニシン(b)510min-1(c)

710min-1

グ後の輪郭曲線である．温度上昇とともにわずかに表面性状の悪化が認められる．

4．結言
単結晶ダイヤモンド工具と同等の工具性能を有する導電性ダイヤモンド工具を開発し，工具－工作物熱電対法によってバニシング加工時の温度を推定することができた．

Fig. 7 Roughness curves after burnishing
Table 4 Experimental results of tool temperature measurement
Rotational speed
minBurnishing force

Feed rate

Nmm/rev

-1395

510

710

32.5

37.5

42.5

0.059

0.97

Thermoelectromotive forcemV

1.2-1.4

1.3-1.5

1.6-1.8

1.2-1.4

1.2-1.4

Estimated temperature℃

430-510460-530550-640430-510430-510

0.139

謝 辞

参考文献

本研究の一部は公益財団法人天田財団一般研究開発助

1) N.S.M. El-Tayeb., K.O. Low and P.V. Brevern, Influence of成によって行われた．関係諸氏に謝意を表する．

roller burnishing contact width and burnishing orientation on
surface quality and tribological behavior of Aluminium 6061,
Journal of Materials