マイクロフォームローリングによる自由曲面の微細テクスチャリング
京都工芸繊維大学 機械工学系教授 太田 稔
（平成 26 年度一般研究開発助成 AF-2014014）
キーワード：マイクロフォーミング，微細テクスチャリング，自由曲面

１．研究の目的と背景にマイクロメートルオーダーの微細構造を有するローラ部品表面に微細構造を形成することによって，さまざ工具を用いる．ローラ工具を工作物に定圧で押付け，工まな表面機能が発現されることが知られている．その一作物を一定方向に送る，または回転させることによって，つに，摺動部品の摩擦低減機能がある．摺動部品の表面ローラ工具をつれ回り回転させ，ローラ工具外周面の微に微細な凹凸を付与することで摩擦低減をはかることが細構造を工作物に転写する．MFR 法では，ローラ工具のできる．摺動部品に多く用いられる金属部材の表面に微外周面微細構造を変更することによって，さまざまな形細凹凸形状を付与する有効な手法として，微細塑性加工状やパターンの微細テクスチャを施すことができる．

技術がある．微細塑性加工による微細構造創成に関する

MFR 法に用いる MFR 装置の概要図と外観写真を図 2 に研究では，平面への塑性加工の例が多く，曲面に対する微細構造創成の研究例はほとんど見られない．しかしながら，各種ジョイントや医療用関節機構部品などでは曲面形状をもつ部品が多く，プレス金型などでは複数の平面や曲面をもつ複合曲面を有している．これらの自由曲面や複合曲面への微細テクスチャリング技術を開発でき示す．MFR によって微細形状深さ数マイクロ～数百ナノメートルオーダーの微細周期構造の創成に成功した 1)～3)．
しかしながら，MFR 法ではローラ形状の工具を用いることから，加工方向が 1 方向だけであること，工作物の形状が平面および円筒形状に制限されるなどという問題がある．

れば，新たな塑性加工の未来を切り拓くことができる．
筆者らは，平面や円筒外周面などに微細テクスチャをMFR装置施す方法として，「マイクロフォームローリング（MicroForm Rolling，以下 MFR と呼ぶ）」法を開発した 1)．そこで，自由曲面に対して微細テクスチャを施すことができ押付けローラ工具

ローラ工具
つれ回り

工作物

工作物移動る方法として，MFR 法を進化・発展させることを考えた．
本研究では，MFR 法の定圧転動コンセプトを維持しながら，3 次元自由曲面に対応するために，工具としてボー(1) MFR装置押付けル工具を用いた微細塑性加工法を開発する．すなわち，

図1(2) 工作物移動

MFR 法による加工

微細構造を付与したボール工具を，工作物に一定の荷重で押付け，工作物の表面形状に沿って転動させることで，自由曲面の表面に微細形状を形成する新たな方法を開発することを目的とする．

２．マイクロフォーミングによる微細テクスチャリ
ング
工作物表面に微細塑性加工によって微細テクスチャを加工する方法を総称してマイクロフォーミング(MicroForming)と呼ぶ．マイクロフォーミングには工具を工作物に一方向から押込むプレス方式，工具を回転させるローリング方式がある．筆者らは，前述のように円筒形状等に対応できる微細塑性加工法として，MFR 法を考案した．MFR 法の加工原理を図 1 に示す．MFR 法では外周

図2

MFR 装置の概要図と外観

そこで，新たな加工法として，「マイクロボールフォー

直径 10 mm の窒化ケイ素球をボール工具として用いた．

ミング（Micro Ball Forming，以下 MBF と呼ぶ）」法を考

ボール工具表面への微細形状の加工には，マシニングセ

案した 4)．MBF 法の加工原理を図 3 に示す．MBF 法でンタ主軸に取付けたファイバー導光式ナノ秒パルスレーは外周面に微細構造を有するボール形状の工具を用いる．

ザ装置（スペクトロニクス製）を用いた．図 5 に，ボー

このボール工具を任意の荷重で工作物に押付け，工作物ル工具表面へのレーザ微細加工の様子を示す．ボール工の表面形状に沿ってつれ回りさせながら移動させ，ボール工具外周面の微細構造を工作物に転写させる加工法である．ボール形状の工具を使用することにより，ローラ形状の工具と違い回転方向に制限がなくなり，自由曲面に適用可能となる．

３．マイクロボールフォーミング（MBF）装置の開発
図3

3.1 MBF 装置の製作

MBF 法の原理

まず，MBF 法を実現するための MBF 装置の開発を行った．MBF 装置のコンセプトを以下に示す．

Holder① ボール工具の自由回転を可能とする流体保持機構
Load cell② 工作物表面の形状精度の影響を低減する定圧機構

Coilspring③ 汎用の工作機械主軸に取付け可能
コンセプトに基づいて設計した MBF 装置の概要図と製作した MBF 装置の外観写真を図 4 に示す．自由回転

Roller
guide

Oil
Supply portを可能とするボール工具の保持方法として，静圧効果を利用した流体保持機構を採用した．油圧ポンプにより加圧された流体を MBF 装置の給油口より流入して，ボーBall

ル工具保持部まで流して保持する仕組みとした．ボール
工具を工作物表面に定圧で押付ける機構として，コイル

図4スプリングとローラガイドを使用した．これにより，工MBF 装置の概要図と外観

作物のうねりなどの表面形状の影響を低減することができる．また，ロードセルを内蔵しているため，加工中の荷重を計測することが可能である．MBF 装置は，汎用性を高めるために汎用テーパホルダーを介して工作機械主軸に取付けられる．本報では，主軸テーパ BT40 のマシニングセンタ（NVX-5080，DMG 森精機製）に対応した取付けホルダーとした．
3.2 ボール工具
焼入れ鋼などの高硬度金属材料に対応できるように，
図5

ボール工具表面へのレーザ微細加工

A’B’(b) 拡大画像
（Zygo, NewView 8200）

15AA’

10
50-300 -1500150
Scan length [µm]

300

15B

ボール工具表面の微細構造

B’

1050-300-1500150
Scan length [µm](c) 断面プロファイル(a) レーザ顕微鏡画像

図6

Height [µm]A

Height [µm]B300

具全周面への微細形状の加工は以下の方法により行った．
ボール工具表面の 5 mm×5 mm を 1 区画の加工面として，ボール工具全周面を 6 区画に分けたうえで，5 区画

MBF device

目までを 2 軸回転テーブルの制御により加工し，その後，

HydraulicPressure pomp

ボール工具を取付け直して最後の 1 区画を加工した．図Dial gauge

6 に，ボール工具表面に加工した微細構造を，レーザ顕微鏡(VK-X200, KEYENCE 製)で観察した画像，および非Workpiece

接触式表面形状粗さ測定機（New View 8200，Zygo 製，Dynamometer

以下 Zygo と呼ぶ）で拡大観察した画像と断面プロファイルを示す．ピッチ 100 µm，突起高さ約 5 µm，突起幅

図7

油膜確認実験の様子

約 50 µm の周期的な微細突起が確認できる．前述の加工方法では，各区画の境界は一律な微細突起にはならない

Oil Pressure

Oil film thicknessが，本手法によって，約 85%程度の面積率で周期的な微細突起を形成できた．
3.3 MBF 装置の基礎特性設計・製作した MBF 装置の基本性能を確認するため，単純押込み実験を行った．工作物材料として A5052，

図8SUS304，純チタンを用いた実験を行ったが，ここでは代実験では，油膜が形成される油圧と押込み荷重の関係，押込み荷重が微細加工痕形状に与える影響を明らかにする．工作物である SUS304 の表面粗さは Ra 0.02 µm 以下とした．油膜の確認方法としては，ボール工具を保持している油膜を MBF 装置内で直接計測することが困難であるため，間接的に油膜が形成された量について計測すOil film thickness [µm]表例として SUS304 に対する押込み実験の結果を示す．

油膜厚さの測定35302520151050ることとした．図 7 に油膜確認実験の様子を示す．油膜

15.0 N/mm
39.2 N/mm
00.5

11.522.5
Oil pressure [MPa]図9油圧と油膜厚さの関係

厚さは図 8 に示すように，油圧を付加した状態におけるそれぞれの押込み荷重時の MBF 装置の基準面の高さの33.5差を分解能 1 µm のダイヤルゲージによって測定した．
250

す．ばね定数 15.0 N/mm の場合，油圧 0.5～2.0 MPa で油200

膜厚さは最大約 25 µm であった．ばね定数 39.2 N/mm の場合，油圧 2.0～3.0 MPa で油膜厚さは最大約 28 µm であった．また，A5052 の実験では，ばね定数によらず油圧Load [N]

図 9 に油膜形成確認実験の油圧と油膜厚さの関係を示

150100が増加するとともに，ばらつきは小さくなったが，50SUS304 の実験では，ばね定数が小さいときには同様の015.0 N/mm39.2 N/mm0傾向を示したが，大きいときには異なる傾向を示した．

0.51

これは工作物硬さが大きくなると荷重が大きくなり油膜が安定しにくくなることによるものと考えられる．図 101.522.5Oil pressure [MPa]図 10油圧と荷重の関係0.511.522.5
Oil pressure [MPa]33.533.5に油圧と荷重の関係を示す．荷重の測定値は油膜が切れ8み取ったものである．油圧の増加とともに荷重も増加していることがわかる．また，油膜が切れる直前の荷重はばね定数に依存せず，油圧と荷重の関係で決まることがわかる．以上の結果から，微細形状を付与したボール工具においても，油圧と荷重を制御することで油膜が形成される条件が存在し，MBF 装置の流体によるボール工具

Height [µm]る直前の値を 3 分力動力計（9122AA, KISTLER 製）で読64200保持機構が機能することがわかった．
図 11 に，油圧と微細形状高さの関係を示す．微細形状高さは，ボール工具表面の微細突起の押込みによる転写

図 11

油圧と微細形状高さの関係

痕からの微細形状の盛り上がり高さとした．油圧の増加とともに微細形状高さも増大していることがわかる．また，図中で傾きが変化している傾向が読み取れる．これは，油圧 1.5 MPa までは微細突起のみの押込みによって微細形状が形成され，2 MPa 以上では，ボール工具の外周形状も転写されることによって生じた現象である．
図 12 に，代表的な押込み痕の微細構造の観察結果をA示す．ボール工具の微細突起形状が明瞭に転写されていA’ることがわかる．ボール工具の突起部高さ約 5 µm に対して微細形状深さは約 2 µm であった．赤色線はボール工具の推定押込み位置を示す．以上のことから，MBF 装(a) Zygo NewView 8200 画像

加工される微細形状を制御できることがわかった．
次に，工作物表面に沿ってボール工具がつれ回り回転しながら，ボール工具の微細突起形状を工作物に転写できるかどうかを確認した．SUS304 の板材を直線的に動Height [µm]置の基礎特性を確認でき，荷重と油圧の制御によって，1A’

A0-1-20かすことによって，微細構造を有する溝を創成する実験

0.20.4
Scan length [mm](b) 断面プロファイルを行った．本実験では，ボール工具に付与した微細突起の位置決めを行うことができなかったため，加工痕の微0.6(1) 油圧 1.5 MPa，送り速度 120 mm/min

細形状はランダムな方向に加工される．
図 13 に SUS304 を用いた溝創成実験の代表例として，
油圧 1.5 MPa および 3.0 MPa，送り速度 120 mm/min の加工痕の画像と断面プロファイルを示す．微細構造を有する溝が形成されていることがわかる．特に，図 13(1)で顕B(a) レーザ顕微鏡画像

AA’

B’

100 µm(a) Zygo NewView 8200 画像
Height [µm]220-2-4-6-8A

Height [µm]A’-2-40-0.200.2
Scan length [mm]B0.4B’420-2-4-6-0.20
Scan length [mm]0.2

押込み痕の微細構造（SUS304，油圧 3 MPa）

0.6

B’0.20.40.6
Scan length [mm]0.8(b) 断面プロファイル

0.4(c) 断面プロファイル

0.20.4
Scan length [mm]B0-0.4

図 12A0-6-0.4
20-2-4-6-8A’

Height [µm]Height [µm](b) Zygo NewView 8200 画像(2) 油圧 3.0 MPa，送り速度 120 mm/min
図 13

溝創成実験における加工痕の観察

1

著なように，加工された微細溝間の盛り上がりは回転方向の前後で非対称になっていることがわかる．これは微Feed direction

細構造を加工する際に生じる摩擦の影響であると考えら
Pitchれる 5)．以上の結果より，製作した MBF 装置が流体保持機構によってボール工具を保持し，つれ回りによる回転によって工作物表面に微細構造を転写できる基本性能をWorkpieceY有していることが確認できた．

X４．MBF による微細テクスチャリング
4.1 平面への微細テクスチャリング

図 14

平面への微細テクスチャリング実験の工送り方向に垂直にピッチを与えることで，平面の微細具軌跡テクスチャリングを試みる．本実験では SUS304 板材を工作物として，加工面積 3×3 mm の部分に，図 14 のような工具軌跡を適用した．ピッチは 0.3 mm として，溝がA重なる場合と重ならない場合の加工痕に与える影響を調査した．図 15 に油圧 3.0 MPa，送り速度 60 mm/min の場
合の加工痕の画像と断面プロファイルを示す．溝の加工深さは押込み実験および溝創成実験の加工深さと同程度A’であった．また，各条件で形成された画像を比較すると(a) Zygo NewView 8200 画像

微細構造は重ならず，ボール工具に付与した微細形状が4して双方向に溝を加工することで微細構造を有する平面の創成を行うことができることがわかった．また溝を重ねるようにピッチを与えた場合，材料流動によって加工Height [µm]転写されていた．これらの結果からピッチを与えて連続深さにはばらつきが生じ，送り方向から断面を見ると中A

A’20-2-4凸形状になることが明らかになった．溝を重ねずに微細00.2構造を有する面を加工する場合は，材料流動による影響を受けずに均一な加工深さの微細構造を有する平面を創成できた．

図 154.2 自由曲面への微細テクスチャリング

0.40.60.8
Scan length [mm](b) 断面プロファイル

1

平面の微細テクスチャの観察（油圧 3 MPa，送り速度 60 mm/min）

自由曲面に対して MBF を行い，微細構造の創成が可能であるかを調査する．図 16 に，自由曲面に対する微細テクスチャリング実験の工具軌跡を示す．工作物は球Feed direction

半径 40 mm の凸曲面 3 箇所と 20 mm の円弧を直線でつなげた形状とした．図 17 に MBF によって加工された工Y

作物の外観写真，レーザ顕微鏡画像および Zygo 観察画

X像と断面プロファイルを示す．工作物表面の白く曇りがかっている部分は微細構造が創成された部分である．工
作物表面に微細構造が創成できていることがわかる．まFeed direction

Zた，微細構造は工作物表面に沿って創成されていること

Xがわかり，その微細構造の高さは 3 µm 程度であった．このことから自由曲面に対しても微細構造が創成できることが明らかになった．また，図 17 で確認できる滑り痕

図 16

自由曲面に対する微細テクスチャリング実
験に用いた工作物と工具軌跡は，ボール工具表面に微細突起が形成されていない部分によって起きたものである．この滑りを解決するにはボボール工具と工作物が接触する面は，ボール工具の底面ール工具全周面に微細形状を付与する必要がある．また，ではなく側面で接触する部分が存在したため滑りが生じ

平面への微細構造創成実験では工作物に対して垂直にボたと考えられる．工具全周面への微細構造の加工およびール工具を押付けることができたが，自由曲面を持った工作物の曲面の垂直方向からボール工具を押付けること工作物に対して X，Y，Z の 3 軸を用いた加工では垂直は，いずれも 5 軸加工機を用いることによって解決できにボール工具を押付けることができなかった．そのためると考えている．

て，直径 10mm の窒化ケイ素球の表面に，突起高さ約5 µm，ピッチ 100 µm，突起幅約 50 µm で面積率 85％程度を有する微細構造を加工できた．
(3) 微細突起を有するボール工具でも，MBF 装置の流体200 µm

保持機構により油膜が形成されることがわかった．
また，直線的に動かす溝加工実験により，良好なつれ(a) レーザ顕微鏡 画像回り性能を有してい ること が確認でき，開発した

B’

MBF 装置が微細テクスチャリングに適用できる基本性能を有していることがわかった．
(4) 平面に対して送りとピッチを与える方法で，加工面全面に微細構造が転写されることを明らかにした．
(5) 自由曲面に対する微細構造創成を試みて，ボール工B

具表面に微細突起が付与されている部分では良好なA転写が行われ，自由曲面に対して微細テクスチャリA’ングが可能であることが実証できた．

Height [µm](b) Zygo NewView 8200 画像
420-2-4-6-8

A

謝

辞

本研究は，公益財団法人天田財団 2014 年度一般研究開発助成より支援を受けて行われました．記して謝意を表します．
0

Height [µm]

A’

0.2

0.40.6
Scan length [mm]0.8

参考文献
1) M. Ota, T. Nakayama, T. Nanbu and Y. Yasuda: Novel50403020
100B’

B

Microsurface Machining Techniques for Improving theTraction Coefficient, SAE Technical Paper Series, 01-0414(2008).
2) T. Tsuji, M. Ota, K. Yamaguchi, Y. Fukutomi and Y.

00.2

0.40.6
Scan length [mm]0.8(c) 断面プロファイル

Uehara: Micro Cyclic Structuring using Micro Nano FormRolling, Proceedings of International Conference on
Leading Edge Manufacturing in 21st Century, 3241, CDROM (2011).

図 17

自由曲面の微細テクスチャの観察（油圧 3 MPa, 送り速度 240 mm/min）3) Y. Uehara, M. Ota and T. Nanbu: Three-Dimensional
Micro-Texturing Technology Using Micro Form Rolling,
Journal of the Japan Society for Abrasive Technology, Vol.

５．結言
本研究では，自由曲面への微細テクスチャリングを可57, No. 12 (2013), pp. 32-35.
4) Takeshi NAKANO, Koki MAEDA, Minoru OTA, Kai

能とする方法として，MFR 法を進化・発展させた MBF

EGASHIRA,法を考案し，MBF 装置を設計・製作した．さらに，MBF

UEHARA, Developed Micro Ball Forming device to装置により，自由曲面への微細テクスチャリングを試み

produce microtexture on curved surface, Proceedings of

た．得られた研究結果の概要を以下に示す．

16th International Conference on Precision Engineering,(1) 流体保持機構によってボール工具を保持し，曲面に沿って定圧で加工を行うことが可能な MBF 装置を開発した．
(2) MBF 装置に取付ける微細構造付きボール工具を製作した．ファイバー導光式ナノ秒パルスレーザを用い

KeishiYAMAGUCHIandYoshitaka

USB (2016).
5) Y. Masato and T. Kuwabara: Effects of Machine Suiffness
on Imprinting Ability of Microgrooves, Journal of theJapan Society for Technology of Plasticity, Vol. 49, No.
570 (2008), pp. 680-685.