研削砥石による新規塑性加工法を用いた表面テクスチャリングの研究
有明工業高等専門学校 創造工学科教授 柳原 聖（2018 年度 一般研究開発助成 AF-2018021-B2）
キーワード：研削加工，超砥粒ホイール，テクスチャリング，梨地面

１．研究の目的と背景
1.1

着想の背景

製品の質感や表面機能を付与向上させるためにシボ加工などの表面テクスチャリング手法は欠くことのできない加工技術である．
このような表面の処理においては，機械加工による成形工程終了後に表面に化学的なエッチング，レーザによるアブレージョン，硬質粒子や遊離砥粒のブラスティングが利(a)ブラスティング用される．

図1

しかし，これらの手法においては，マスキングの必要性(b)研削加工

噴射加工と研削加工のメカニズム比較や工作物材質の限定などそれぞれの手法に制約が生まれ1.2てしまう．工程集約による低コスト化を図るためには導電前記の背景のもとに，本研究においては，下記の項目を本研究の目的性などの工作物の材質への依存やマスキング処理の制約明らかにすることを目的とした．

をうけない機械的作用による加工が望ましい．

１．研削砥石（超砥粒ホイール）を利用して塑性加工を表

一方，研削加工は，機械的作用による加工法の中で最終面に生じさせ，自在に金属やセラミックス，そしてプラス工程を担い，製品の寸法精度や表面品位に最も影響を及ぼチック等のシボ加工のようなテクスチャリングが実現です加工法である．その基本的な加工の様式は円盤あるいはきるのか？

円筒外周面上にアトランダムに配置された砥粒を，工作物

２．１で行うテクスチャリングは，マスキング等の前処理の移動速度よりも 10 倍以上の速い速度で工作物に繰り返を不要にし，任意の位置で局所的に形成できるのか？

し接触させながら工作物の不要部分を除去し，可能な限り３．研削加工からテクスチャリングまでシームレスに加工平滑な表面を創成してゆく．その目的は高効率の形状創成を可変させ，工程の集約や付加価値の製品付与が実現でき（体積除去）と無数の切れ刃の微細切込みによる表面の平るか？

滑化のみが現在の目的となっている．

以上の 3 項目に関して報告する．

ところが，近年は超砥粒ホイールというダイヤモンド等の超硬質粒子を砥粒に用いた極めて砥粒の保持力や耐摩耗性が高い工具が出現している．近々の工具においては，２．超砥粒ホイールによるテクスチャリング面（梨地面）の形成手法の検討

この工具をさらに一歩前進させるような考えの下で，砥粒2.1の配置パターンを均一にした工具が実現されるようになブラスティング（噴射加工）においては図 1(a)のようってきた．

砥粒によるテクスチャリング面形成手法の検討に高圧のガスを利用して硬質の粒子に工作物に対してプ

このように硬質粒子を強固な保持力での均質に配置した超砥粒ホイールは，工具に本来の目的である材料除去だけではなく，スタンピングやナーリングのような工具を工作物に押し付け，工作物表面を塑性変形させながら工具表面を転写することでテクスチャを形成させられる可能性がある．そのようなことが実現できればシボ加工のような微細なパターニングを任意の位置にしかも局所的に形成でき，工程の大幅な集約とフレキシビリティを実現できる可能性秘めている．
図2

加工メカニズム実証実験用工具

ランジ方向に運動エネルギーを与えて衝突させ，粒子を工2.2

連れ回り工具による基礎実験具として工作物表面に押し込ませて塑性変形を誘起し無図 2 はナーリング加工用の切削工具ホルダに電着砥石数の圧痕を形成させる．一方研削加工では円盤外周面に硬(#400)を取り付けたものである．この工具を図 3 のように質粒子（工具）を固定させ，(b)のように工作物表面のト旋盤に取り付け，アルミ合金(#2000)の工作物に押し当て，ラバース方向（接線方向）に工作物をなぞるように高速移工具がつれ回り状態を起こしトラバース速度成分が零に動させて表面を切削し光沢面を得ている．このような除去なる状態を作った．すなわちナーリング加工と同様の加工加工メカニズムを考慮すると，噴射加工のようなテクスチ形態を超砥粒ホイールで行うのである．この時の材料前加ャリング面を研削加工工具で形成させせるためには，工具工面を図 4 に，加工後に得られた面を図 5 に示す．図 4と工作物間の運動においてトラバース運動を生じさせずにおいては旋削仕上げによる加工条痕が明瞭に見ることに（トラバース方向の速度成分が零にする）工作物表面にができる．一方，図 5 では砥粒の圧痕によって旋削条痕が対して工具が垂直に押し込まれる運動（プランジ運動）をなくなっている．図 6 は得られた表面の 3 次元トポグラフさせる工具運動制御が必要となる．そこで図 2 のような工ィである．図から方向性のない凹凸面が得られており，加具を試作しテクスチャリング面が形成可能かどうかを試工された表面は梨地状テクスチャ面（梨地面）と言える．

行した．

このことから，工具－工作物間の相対速度を零にして砥粒切れ刃のトラバース運動を生じさせないことで梨地面が得られることが明らかになった．表 1 は，異なる工作物の速度でどのような表面粗さ Ra が得られるかを調べたものである．工作物の速度が 284m/min 以下では工具の連れ回りが確認できたために梨地面形成が安定しており，表面粗さもほぼ等しい．しかし工作物速度が 497m/min では粗さが比較的よくない．これは工具の連れ回りが安定して生じておらず，工具－工作部間に砥粒の滑りが生じてしまいスクラッチが生じていたためであろうと考えられる．
図3

図4

加工メカニズム実証実験の様子

供試材表面

図5

加工後の表面

図 6 加工後の表面の 3D トポグラフィ

表1

工作物回転速度と得られる梨地面の粗さ

Work surface
speed(m/min)Premachined
surface12
3

Averagesurfaceroughness
Ra(μm)
1.68

2373152

2.52
2.64
2.09

45284
497

2.143.02

図７マスキングフリー局所梨地加工実験

2.3

実験システムを図 8 に示す．このフィードバックシステ

選択的な梨地面形成のための実験

超砥粒ホイールが梨地面などのテクスチャリング加工

ムにおいては工作物の回転速度を検出するためにローラに応用できるとなれば，工作機械の工具送りの機構を利用ーを接触させる．ローラーにはロータリーエンコーダが取して数値制御などで正確な工具位置決めが可能となり，テり付けられており，マイコンで工作物回転数を計測し，工クスチャリングを施す面と施さない面を選択的にかつマ作物の回転数に応じて等速あるいはある一定の速度差をスキングを施すことなく形成させられるかもしれない．そもたせて工具をステッピングモータで回転させて駆動すこで基礎実験用に開発した工具を用いて，円筒面上に選択る．

的に梨地面を形成するのを試行した．
（図 7）目論見通り工具である超砥粒ホイールは図 9 のようにステッピンに超砥粒ホイールを利用することで任意の位置にマスキグモータの軸上に設置し，工作物に接触させることとした．

ングフリーでテクスチャリングが施せている．

今回は#400 の電着砥石としている．なお，実験の範囲においては工具と工作物の接触力にともなうステッピング

３．工具－工作物間相対速度制御フィードバックシステムによるテクスチャリングモータの脱調はなかった．
実験条件は，工作物速度を 10.4m/min に設定し，速度前章で試みた固定砥粒加工工具による梨地加工のよう差±10%の範囲で工具を工作物に接触させてどのような表に，超砥粒ホイールを塑性加工工具的に使うとすれば 通面構造が形成されるかをマイクロスコープで観察した．

常の研削盤から一歩進んだ機械の構成が必要となる． たとえば前章の基礎実験においては工具と工作物との摩擦力に依存しながら工具を駆動し砥粒の押し込みを実現していた．しかし，摩擦力だけの駆動力では加工速度は低速にならざるを得ず，加工効率を向上させようとするには限界が生まれるであろう．
そこで次なるステップとしては，工具を能動的に駆動できるシステムが必要となる．この能動的な工具駆動においては，工具と工作物間の相対速度の把握が必要となるため
図 9 駆動用ステッピングモータに，工作物の速度検出機能がセットになっていなければならない．必然的にインプロセスでの速度フィードバックによる研削工具のドライビングシステムを研削盤が実装する必要が生じる．
よって本章においては工作物の連れまわりではなく強制的な工具駆動方法により工具－工作物間の速度を制御できる基礎的な工具－工作物間速度フィードバックシス
テムを構築しながら表面テクスチャリングを試みる．
3.1 工具強制駆動による工具―工作物間フィードバッ
ク速度制御システムの構成

3.2

10%の相対速度が生じた場合の工作物表面

図 10(a)は工具と工作物の速度を 10.4m/min で接触させたときに得られた表面である．両者間の速度差がないため表面がこれまで同様の梨地面になっているのが確認できる．一方，図 10(b)は工具速度を 9.3m/min と約 10%の速度差をもたせて工作物を加工したときのものになる．これまでのように表面が梨地面ではなく，鱗状の表面テクスチャに変化していた．
この結果から，工具，つまり砥粒切れ刃と工作物の速度Lathe

Rotary encoder

差を能動的に制御することによって梨地面から新たな表面テクスチャを超砥粒ホイールで連続的に制御できることが示された．

Workpiece

Motor

Abrasive wheel
Micro computer

Driver

Pulse

Pulse

図 8 工具強制駆動方式による実験装置(a)速度差なし(b)速度差 0.1m/min

図 10 工具工作物間の速度さと表面性状

４．工具-工作物間相対速度の動的制御のための超砥粒ホイールデザインについての検討

研削盤

電流計

前章までに超砥粒ホイールと工作物の速度制御によって梨地面から鏡面までのシームレスな加工が，工具-工作物間相対速度の動的制御によって実現できる可能性が示されてきた．しかし現行の研削盤を使った加工プロセスにおいて工具速度，すなわちホイール回転速度を可変させる
ときの問題点としては,超砥粒ホイール本体が金属で作ら
図 13

れているために慣性モーメントが大きく，スピンドル速度研削盤装着状態と電流計測を動的に可変させてもホイール速度がその変化に追従できないことが想定されてきた．そこで本節においては低慣

1.52s性モーメントのホイールデザインを検討したので，その効果について報告する．
4.1 デザインコンセプト
CBN ホイールは表 2 の仕様のものをデザインベースとした．検討したデザインは TypeA，B の 2 種類である．図 11

図 14の TypeA は鉄道の動輪をイメージしたので，ベースデザイモータ回転起動時の電流波形

ン 1158g のホイールに対して 491.2ｇと 58%の重量削減をA,B のそれぞれのデザインにおける FEM 解析条件は，材施したものになる．図 12 の TypeＢは剛性を確保しつつ加質をアルミニウム 2014 合金とし，中心軸穴固定，2000rpm

工限界や遠心破壊の安全率を考慮しながらできる限りの時の遠心力，法線研削抵抗 50N を設定した．最大応力は軽量デザインにしたもので 395.8g，重量削減率 66.7%まで3.386×10⁶ N/m²で，砥石部下の薄くなっている部分に発生の軽量化を図ったものである．

している．しかし，これはホイール素材の降伏強さ9.651×107N/m2 を下回っており，安全率 28.5 であった．
4.2 砥石軸スタートアップ電流による軽量化効果の比較
ホイールの低慣性モーメント化の効果を調べるため，平面研削盤にホイールを取り付け，砥石軸駆動モータ起動時のスタートアップ電流を計測した．(図 13)
計測された電流波形の一例を図 14 に示す．回転を起動
すると起動トルクをモータが発生させるために振幅およ図 11 TypeA

ホイール（右）FEM 解析結果（左）び周波数が変化し，しだいに一定の値に収束する．収束したときが定常回転と認められる．よって，起動から周波数と振幅が定常になるまでの時間を標準デザイン，TypeA，TypeB と計測してまとめたものが表 3 である．
表3

図 12 TypeB

スタートアップ試験結果

Type

Weight [g]After/Before

Reduction
ratio [%]

NormalType A
Type B

1158/1158
491.2/1158
395.8/1187‐5866.7

Calculated
Inertia[kg/m2]0.00570.00250.0020Accelerationtime[s]
4.72
1.52
1.52

ホイール（右）FEM 解析結果（左）表から A，B ともに慣性モーメントを削減した効果によ

表２

デザイン検討用 CBN ホイールの基本仕様
CBC120N50BW4ShapeWheel
Wheel
Hole dia. Layer th.
[mm]
dia.
th. [mm]
[mm]
[mm]
14A1
200
2050.810.0
Abrasive Spec.って大幅に加速時間が短縮されており，ホイール加速時の電力削減がなされていることがわかる．その一方で，A の丸穴形状の場合と比較して B は重量削減率が大きいにもかかわらず加速時間は両者とも同程度となってしまっている．この理由としてはホイールではなく，フランジやベアリングなどの砥石軸の慣性モーメント自体が大きく，60％以上の軽量化を図ってもその効果が表れなくなっているためである．

５．

結論

転写が確認できた．

本研究においては，研削砥石の塑性加工的利用法として超砥粒ホイールを利用した表面テクスチャリングの形成

6.2 摺動における油だまりとしての梨地成形面の可能性法を検討した．研削加工システムでブラスティングのよう

本研究助成の表彰式において静岡大学の早川邦夫教授

なことが実現できれば工具の位置決め制御によってテクと固定砥粒加工工具で得られたテクスチャ面の実装につスチャリングを施す面とそうでない面をマスキング処理いて意見交換をする機会を得た．そのときの議論をもとになしで選択的に処理可能となり，また付帯設備もショット

現在内燃機関の内部抵抗削減する研究を展開している．

ブラストのような遊離砥粒加工のように大型の高圧装置を用いないでできる可能性があるからである．得られた結果を下記に記す．

（図 16）成果については 2021 年度の日本機械学会九州学生会卒業研究発表会にて学生が発表をし，工作機械技術振興賞奨励賞を受賞した．予期せぬ朗報に本当に驚くこと(1)基礎実験においては工作物に連れ回りする超砥粒ホイしきりであったが，今回の助成が我々の研究の飛躍のきっールを利用して，砥粒と工作物間における相対速度差かけとなったことは間違いなく．心より感謝する次第であを零に制御することによって，砥粒切れ刃が工作物表る．

面をトラバースすることなく工作物に圧痕を生じさせて梨地状テクスチャ面が形成できることが示された．
(2)超砥粒ホイールによるテクスチャリング面形成においては工作機械の位置決め装置が利用できるために局所的な梨地面形成が工作物表面に選択的に可能となり，マスキング処理や高圧装置等の付帯設備が不要であることが示された．

図 16

ピストンスカート部への実施例(3)工具と工作物間の相対速度差を 10%に保つことで鱗状の表面テクスチャが得られた．このことより砥粒切れ

参考文献

刃と工作物の速度差を能動的に制御することによって(1) たとえば，産業工芸試験所技術第一部，梨地仕上げ

梨地面から新たな表面テクスチャを連続的に制御できる可能性を示唆している．
(4)低慣性モーメントのホイールデザインを 2 種類提案し，について．
(2) たとえば，特開 2011-212820．
(3) 固定砥粒加工工具による梨地面創成法の開発（アク重量削減率で概ね 70%の超低慣性モーメントの超砥粒ティブフィードバックによる速度制御系の適用）, 喜

ホイールが達成できた．

多 亮氏，柳原 聖,日本機械学会 2016 年度年次大会(5)電力削減と回転速度制御に対する応答性の向上の確認ができた一方で，砥石軸まわりの慣性モーメントのほうが大きいために軽量化効果には一定の限度があることが分かった．

講演論文集 〔2016.9.11－14，福岡〕,S1310204,査読無，2016．
(4) 局所的梨地加工面加工用工具およびその加工法, 柳原聖，特許公開 2016-147369．

(5) 固定砥粒加工工具による局所的梨地面創成法の開発，

6.

現在の研究展開

6.1

梨地成形面の射出成型金型への適用の可能性

固定砥粒加工工具によるテクスチャリング面を金型加工に実装することを目的として，射出成型を見立てた実験

喜多亮氏，師岡昂平，柳原聖，精密工学会九州支部飯塚地方講演会第 16 回学生研究発表会講演論文集，p.138．
(6) 固定砥粒加工工具による梨地面創成法の開発，喜多をした．ここでは梨地加工を施したスタンプを作成しこの亮氏，柳原

スタンプを金型としてアクリル樹脂に加熱しながら押し[2015.9.13-16](DVD-ROM)，S1340103．

付けた．得られた面を図 15 に示す．テクスチャリングのこの助成を利用した文献

聖，日本機械学会年次大会講演論文集(7) Hiroki Kakoi, Kiyoshi Yanagihara, Koji Akashi,
KensukeTsuchiya,

DevelopmentofVerticalArticulated Robot Deburring System by Using
Sensor Feedback, IOP Conference Series: Materials
Science and Engineering 886 1 - 4 2020.
(8) 柳原聖，野原和人，軽量高剛性超砥粒ホイールのデザイン研究，日本機械学会2018年度年次大会講演論
図 15

アクリル樹脂へのスタンプ実験（右転写面）

文集,S1320106.