平成２４年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

セラミックスの高精度切削加工技術(第 4 報)
－ベクトル磁気特性計測用 H コイル巻枠の加工－
水江宏 *・大塚裕俊 *・重光和夫 *・橋口智和 *・竹中智哉 ** ・相原茂 ****機械・金属担当

・**

電子・情報担当

・***

西日本電線株式会社

Precision Cutting Technology of the Ceramics (The 4th)
－Cutting for a H-Coil Bobbin of Local Two-Dimensional Vector Magnetic Sensor－Hiroshi MIZUE * ・Hirotoshi OHTSUKA * ・Kazuo SHIGEMITSU *・Tomokazu HASHIGUTI *Tomoya TAKENAKA ** ・Shigeru AIHARA ******要

Mechanical and Metallurgical Engineering Gr.

Electronic Information Gr.・ *** NISHI NIPPON ELECTRIC WIRE & CABLE CO.LTD.

旨
前報までは，市販の超硬合金エンドミル工具を用いてホトベールに対する溝加工実験，H コイル巻枠加工実験，市販のダイヤモンドコーテッド超硬合金エンドミル，ワイヤ放電加工機で製作した PCD(焼結ダイヤモンド)エンドミルを用いてジルコニアに対する溝加工実験を行った．ジルコニアに対しては，いずれも工具寿命などで問題が生じ，工具１本あたり H コイル巻枠１個分の加工除去量に達しなかった．本報では，PCD 工具の製作手法とジルコニア切削条件などの改善により，PCD 工具の長寿命化が図られた．

1. はじめに（Fig.1 参照）．改良点は以下のとおり．

高能率な電磁力応用機器の開発にあたって，鉄心など・軸の支持間隔拡大の正確な磁気特性の計測が不可欠であり，磁束密度や磁・多軸受化界の強さなどの面分布を計測するために，微小コイルな・軸受内輪の予圧付加どを用いる方法が提案されている．本研究では，磁界の・ステッピングモータの採用強さを測定する H コイルの巻枠の精密加工に取り組む．

・カーボンブラシの採用

巻枠の溝底の形状特に入隅部の形状が，H コイル製造
Control box

時の巻乱れの主な原因と考えられるので，入隅部の形状精度の向上を目的に切削加工実験を行ってきた．前報では，被削材をホトベールからジルコニアに変更して，ワStepping motor

イヤ放電加工機で製作した PCD 工具による溝加工実験をRotary encoder

行ったが，工具寿命が短いことが明らかとなった．
したがって本年度は，PCD 工具の製作手法の改善，溝加工条件の変更などにより，工具の長寿命化を目指す．

2. ワイヤ放電加工用軸回転装置の高精度化

Rotary shaft

PCD は単結晶ダイヤモンドほどの硬度を有していない

Fig.1

Chuck and rotary unit for W-EDM

が，cBN の 2 倍以上の硬度を有している．また，特定の結晶面に起因するへき壊性が無く，バインダーの導電性

2.1

により放電加工が可能であり，しかも安価である．これ

テストインジケータ(2μm 目盛)およびニコン製測定までワイヤ放電加工機と軸回転装置を使用して，刃先部顕微鏡を用いて，回転精度・繰り返し位置決め精度等をに PCD を有するドリルやエンドミルを製作してきたが，測定した．

軸回転装置の精度製作する工具の精度，操作性の向上による製作時間の短無負荷条件で回転精度は半径方向精度 2μm 以下，軸方縮などを目的に高精度タイプの軸回転装置を試作した

向精度 1μm 以下，同方向の繰り返し位置決め精度は22

平成２４年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

0.05°以下，違い方向の繰り返し位置決め精度は 0.6°

被加熱物とコイルの取り回し確認と加熱実験等を繰り以下を達成した．回転精度等は非常に高い精度を確保し返し，Table 2 の仕様・駆動条件で最適な加熱時間と作たが，違い方向の繰り返し位置決め精度が大きく劣る結業性のバランスを得た．また，加熱中のワークの表面温果となった．これは絶縁のために使用した駆動用ベルト度(シャフト端部)と共振用コンデンサの表面温度の変化によるバックラッシに起因するものと思われる(Table 1を Fig.3 に示す．

参照)．

ZVS circuit

Table 1

DC power supply

Spec. of chuck and rotary unit for W-EDM

Rotational accuracy (Radial plane)

2μm

Rotational accuracy (Axial plane)

1μm

Repeatability (Rotation)

0.05°

Repeatability (Counterrotation)

0.6°

Resolving power

0.05°

Number of revolution

Work

Heating coil

0-125min-1

Fig.2

3. 高周波誘導加熱装置

High frequency induction heating unit

Table 2PCD 素材を軸回転タイプの切削工具に仕上げるためには，シャンク部となる鋼製の軸に PCD チップをろう付け

Spec. of high frequency induction
heating unit
4.7μF

Condenser capacity

する必要がある．従来は，マイクロトーチを使用しガスバーナーでろう付け作業していた．しかし，ろう材の溶Heating coil

融温度は 700℃程度である一方 PCD は 700℃以上の高温に数分さらされると表面が徐々に劣化することが知られている．マイクロトーチを使用し PCD をなるべく劣化させ

Diameter

38.0mmNumber of turn10turnInductance

3.0μH

H

Resonance frequency

ずにろう付けするには，高い技能を要求する．そこで本40kHz

年度は，誰でも高品質に PCD のろう付け作業ができるよSource voltage

DC 13.5Vう 簡 易 型 の 高 周 波 誘 導 加 熱 装 置 を 試 作 し た (Fig.2 参Consumption current

照)．試作ポイントは中小企業への技術移転を考慮して以Heating time

30～35s800806A

加熱保持時間や作業性を考慮して，30 秒程度でろうSurface temperatureof the shaft edge

●材が溶融する出力とする．
●

対象物に小物（直径 3mm 長さ数 10mm 程度）を想定し，加熱周波数を 30ｋHz 以上とする．

●

LC 共振を利用して，低コスト・コンパクトな駆動回路とする．

3.1

Shaft edge

6006040040Condenser

200200高周波誘導加熱装置の性能

00

駆動回路は，ZVS ドライバで構成した．本回路は，共Surface temperatureof the condenser

下のとおりとする．

1020304050Time (s)振周波数を調整することで出力電力を容易に調整するこFig.3とができる．

Temperature of the work and condenser

線径 3.2mm の極太エナメル線をコイル材料として使用
しコイル径 38mm と 61mm でそれぞれ 5turn，10turn，線コンデンサ容量 4.7μF，加熱コイル直径 38.0mm，

外 径 3.0mm の 銅 パ イ プ を 用 い て コ イ ル 径 31.5mm で10turn の時，共振周波数は約 40kHz で加熱時間は 30s～7turn，10turn のコイルを試作した．

35s（直径 3.1mm 長さ約 30mm の鋼製棒先端に配置したろう材が溶融するまでの時間）となった．また，ろう材の23平成２４年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

溶融温度域を超えた後は，約 750℃で温度上昇の速度がTable 3遅くなり，ろう付けの作業性および PCD の高温劣化の抑Slotting condition

Slotting condition No制の点で，理想的な加熱性能となった．共振用のコンデンサは加熱 1 回あたりの表面温度が 40℃以下であり，耐久性の問題はないと予想できる．

4. ジルコニア溝加工実験

No.6

No.7

No.8

Number of flute

222Rotation (min-1)

5000

5000

5000

Feed rate (mm/min)

7.5

7.5

7.5Depth of cut Z(mm)

0.1

0.1

0.107

Coolant

Dry

Wet

Wet

Shape of neck

LongLong

Short

H コイルの加工は，工具直径全面を使用した工具に対する負荷の高い溝形状の加工である．本実験では，加工方向の辺が 15mm のジルコニアの直方体を被削材として，切削による溝加工実験を行い，2mm タイプの H コイル製作時に必要な材料除去量に対して，工具摩耗を評価した．

4.1

PCD 工具の形状

4.3

実験結果

条件 No.6,7 では，1 パスあたり，2mm タイプ H コイル

これまでは工具の汎用性を考慮し，工具刃先長さや首巻枠 1 個加工時に必要な除去体積（3.22mm3）の 47%に相下長などを確保するため，首形状はシャンク部から PCD当する．条件 No.8 は，1 パスあたり 50%に相当する．の刃先部まで約 2.5～3.0mm の長さの細軸形状(旧形状)条件 No.6 における 1 パス後の工具状態を Fig.4，条件としていた．しかしながら，工具剛性の不足から，加工No.7 における 1 パス後の工具状態を Fig.5，および条件抵抗による加工中の振動・曲げ・ねじりなどの影響によNo.8 における 1 パス後の工具状態を Fig.6 に，2 パス後り工具寿命が短くなる可能性があるので，首下長が短いの工具状態を Fig.7 に示す．Dry 加工では大きなチッピ高剛性な新形状とした．旧形状と新形状の刃先部の形状ングが生じるものの，加工液を使用すること(No.7,8)で，(すくい角や逃げ角などのアライメント)は同じである．

大幅に工具寿命が向上することが示された．

4.2

実験方法

条件 8 における 1 パス後 2 パス後の刃先のすくい面の従来の軸回転装置とマイクロトーチでろう付けを行っ

拡大写真を Fig.8 に示す．溝入口部出口部における溝底た旧形状の PCD 工具を使用して Dry(前報分，条件 No.6)の入り隅部の拡大写真を Fig.9 に示す．また，加工距離と Wet(条件 No.7)による溝加工実験を行い，さらに高精に対する工具の半径方向の摩耗幅(=被削材の削り残し度型の軸回転装置と高周波誘導加熱装置でろう付けを行量)の関係を Fig.10 に示す．条件 No.8 では 2 パスまで加った新形状の PCD 工具を用いて Wet による溝加工実験(条工して，刃先摩耗が非常に小さいことが確認された．こ件 No.8)を行った．

れにより，2mm タイプ H コイル加工が 1 本の PCD エンド切削形態は，1 パスあたりの長さが 15mm の溝切削としミルで加工可能であることが示された．

た．新形状工具(条件 No.8)の Z 切込みは 0.107mm とした．
これは 2 パス加工により除去する切削体積が，2mm タイプ H コイル製作時の除去体積と一致するように設定した都合による．
加工機には安田工業(株)製の精密立型高速マシニング
センターYMC325 を使用した．機上計測用の顕微鏡はシグ
1div=100μm

マ光機(株)製同軸照明付観察ユニット，オリンパス(株)製 20 倍対物レンズを使用した．被削材には東ソー(株)(a) Face(b) Peripheral cutting edge

ジルコニア YTZ（粉砕ボール用材料，曲げ強度：1200MPa，硬度 HV10：1250，弾性率：210GPa）を使用した．工具はSlotting length:15mm×1pass

PCD2 刃エンドミル(直径 1.0)を使用した．切削条件をSlotting condition No.6

Table 3 に示す．前報では，加工液を用いない Dry 加工

Work piece: Zirconia(YTZ)
Tool: 2 flutes PCD endmill(φ1.0)
Rotation: 5000min-1
Feed rate: 7.5mm/min
Depth of cut: Z=0.1mm
Coolant: Dryであったが，本報では，加工油中にジルコニアを浸漬させた Wet 加工とした．加工液は非塩素系の不水溶性切削油(出光ダフニーマークプラス LA5)を使用した．また，(c) End cutting edge

工具突き出し長さは，コレットナット端部から約 10mm

Fig.4とした．

24

PCD tool condition after slotting

平成２４年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

New tool

1div=100μm(a) Face(b) Peripheral cutting edge

1div=10μm

Slotting length:15mm×1pass
Slotting condition No.7

Slotting length:15mm×1pass

Work piece: Zirconia(YTZ)
Tool: 2 flutes PCD endmill(φ1.0)
Rotation: 5000min-1
Feed rate: 7.5mm/min
Depth of cut: Z=0.1mm
Coolant: Wet

1div=10μm(c) End cutting edge

Fig.5

PCD tool condition after slotting
Slotting length:
15mm×2pass(a) Face (Side A)
1div=100μm(a) Face(b) Face (Side B)

Work piece: Zirconia(YTZ)
Tool: 2 flutes PCD endmill(φ1.0)

Slotting condition No.8 Rotation: 5000min-1(b) Peripheral cutting edge

Feed rate: 7.5mm/min
Depth of cut: Z=0.107mm
Coolant: Wet

Slotting length:15mm×1pass

Fig.8

Condition of the PCD endmill faceSlotting condition No.8
Work piece: Zirconia(YTZ)
Tool: 2 flutes PCD endmill(φ1.0)
Rotation: 5000min-1
Feed rate: 7.5mm/min
Depth of cut: Z=0.107mm
Coolant: Wet

Slotting length:
15mm×1pass(c) End cutting edge

Fig.6

6 μm

PCD tool condition after slotting
1div=10μm

Slotting length:
15mm×2pass
6 μm

1div=100μm(a) Face(b) Peripheral cutting edge

7 μm(a) Start point

Slotting condition No.8

Slotting length:15mm×2pass
Slotting condition No.8
Work piece: Zirconia(YTZ)
Tool: 2 flutes PCD endmill(φ1.0)
Rotation: 5000min-1
Feed rate: 7.5mm/min
Depth of cut: Z=0.107mm
Coolant: Wet

Fig.9

Work piece: Zirconia(YTZ)
Tool: 2 flutes PCD endmill(φ1.0)
Rotation: 5000min-1
Feed rate: 7.5mm/min
Depth of cut: Z=0.107mm
Coolant: Wet

Condition of the work corner

また，加工後の工具観察では，第 2 逃げ面やその後ろに続く逃がし面が，被削材と干渉している痕跡が認めら(c) End cutting edge

Fig.7(b) End point

れた．原因は不明である．

PCD tool condition after slotting25

平成２４年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

被削材の削り残し量を確認すると(Fig.9)，削り残し量

なお，本テーマでは，あくまで入隅部の削り残し量のの変化は，加工直後に 6μm 程度生じた後，2 パス加工後みに注目し PCD 工具の初期の摩耗状態を観察したものでで 7μm と安定している．しかしながら，2 パス加工後のあり，本来の使用条件であれば，問題の無い摩耗量を工

刃先状態は(Fig.8)，Side A に大きめのチッピングが確具寿命としている．

認される．すなわち，2 パス後の 7μm の削り残し量は，

条件 No.6，7，8 における加工溝の状態を Fig.11 に示

ほぼ Side B のみで達成されたもので，片刃となった PCD

す．溝出口部に 100～200μm 程度のカケが生じている．

エンドミルのその後の寿命は長いものではないと予想さ

実際の H コイル巻枠の加工では，これらのカケは，両サれる．

イドから工具を進入させることで抑制されることは確認

Width of residual work
after slotting (μm)
(Width of radial tool waer)

されている．
条件 No.8 の 2nd パスにおいて，溝の側壁上部にカケが10確認される．同一工具にもかかわらず，2nd パスでカケが急に拡大している．原因は不明である．
55. まとめCorner radiusof new tool

試作した高精度軸回転装置の各種精度を示し，高周波誘導加熱装置の加熱性能を示し，これらを使用して製作0015した 2 刃の PCD エンドミルを使用することで，2mm タイ30

プ H コイル巻枠の加工を，1 本の工具で加工可能である

Slotting length (mm)Fig.10

ことを示した．

Slotting length and width of residual work

本研究は，大分県地域結集研究開発プログラムの一部として，西日本電線株式会社と共同で行ったものである．

Slotting condition No.6
15mm×1st.pass

Slotting condition No.8
15mm×1st.pass
15mm×2nd.pass

Slotting condition No.715mm×1st.pass

Slotting length: 0mm (Start point)

Slotting length: 5mm

Slotting length: 10mm

1div=100μm

Slotting length: 15mm (End point)Fig.11

Work condition of slotting

26

Work piece: Zirconia(YTZ)
Tool: 2 flutes PCD endmill(φ1.0)
Rotation: 5000min-1
Feed rate: 7.5mm/min
Depth of cut: Z=0.1, 0.107mm
Coolant: Dry, Wet