硬脆材料精密加工のための UV レーザ・切削多軸複合加工システム
東京大学 大学院工学系研究科機械工学専攻准教授 杉田 直彦（平成 22 年度一般研究開発助成 AF-2010207）
キーワード: 部分安定化ジルコニア，超精密加工，レーザ援用が可能であるが，その高強度故，加工法はダイヤモン
イ ッ ト リ ア 安 定 化 正 方 晶 ジ ル コ ニ ア 多 結 晶 体 ド工具を用いた研削，研摩に限定される．研削，研摩(Y-TZP)はアルミナ，窒化シリコンと並びエンジニア は加工能率が切削加工と比較して著しく低い．またダリングセラミックスと称されている．エンジニアリン イヤモンド工具は加工中に砥粒欠損や脱落を生じ工
グセラミックスは被削性が著しく低く，難削材の頂点 具寿命を迎える．そのため高い加工コストが問題とさに君臨している．ZrO2 及び添加剤である 3 %mol の れており，材料の加工コストを抑える試みは様々なさ
Y2O3 から構成されており，結晶粒径は 100 nm 程度 れている．
従来より Y-TZP の被削性向上を目的とした研削・である．Y-TZP は高硬度(1200 HV)，高靭性(8 MPa・1/2
研磨に関する研究は多く行われてきた[2]．一方，切m )を有しており，特に靭性は他のセラミックスと比較し高い値を有している．また純粋な ZrO2 は温度 削加工を考えた場合，研削よりも高い加工能率及び切上昇に伴い大きく体積が変化し，破損することが知ら 刃軌跡の制御性を有するため，任意の 3 次元形状の作れている．添加剤としてのイットリアはこの体積変化 成にもっとも適した加工法と考えられる．近年，ジルコニア系セラミックスに対する切削加工法として熱を抑制し安定化するために加えられている．
1975 年に Y-TZP の変態強化機構が発見され，脆性 援 用 切 削 加 工 法 (Thermally-assisted Machining,を克服した材料として，研究・応用が進められた．特 TAM)が提案され研究が進められている[3]．熱援用切にアルミナとの複合材料であるジルコニア強化アル 削加工法とは被削材になんらかの手段を用いて熱をミナセラミックス(TZP-Al2O3)はその優れた耐摩耗性 加え，温度が上昇し軟化した部位を工具により除去すと高靭性からこれまでセラミックス材料の適用が困 るという加工法である．加熱による熱影響の被削材中難とされていたディーゼルエンジンの主材料として への残留が問題とされるが，適切な加工パラメータを期待されるまでに至った．さらにその耐摩耗性，化学 選択することにより被削性を大幅に向上することが的安定性，生体親和性，及び高強度から生体材料とし 可能である．ただし微細加工を目的とした熱援用切削て近年注目されており，特に人工義歯，人工股関節用 加工に関する研究は少数に留まっており，今後の進展が期待される．
材料としての期待が高まっている[1]．
一方でその高硬度，高靭性という機械的特性から， 本研究では，難削材である Y-TZP に対して，精密切削
Y-TZP は加工が困難な材料(難削材)として知られて 加工を実現することを目的とする．具体的には Y-TZP のいる．
難削材として Inconel 718 などの超耐熱合金(被 被削性を向上させるため，被削材加熱をしながら加工を削性指数 8)またはチタン合金(被削性指数 26)が広く 行う TAM を提案する．将来 3 次元自由形状の創成に適知られているが，Y-TZP はそれらよりも被削性指数が 用されることを想定し，旋削加工(Lathe)，フライス加工低く，最も加工が難しい材料のひとつといえる．その (Milling)，ドリル加工(Drilling)の 3 種の加工法に対応する熱援用切削加工法をそれぞれ提案する．
ため加工中に欠け，割れが生じやすい．

１．研究の目的と背景

一方，現在の Y-TZP に対する一般的な加工法は大別して，焼結前の加工及び焼結後の加工に分類できる．2. 部分安定化ジルコニアの温度特性
前者では半焼結状態の Y-TZP を工作機械で目標形状
本研究では，Y-TZP の温度依存性が大きなことに着目に加工した後，完全に焼結する．ただし，焼結時に し，この特性を利用することで新たな加工方法が提案で25%程度の体積収縮が生じるため，予めこの収縮を考 きると考えた．それに先立って，本実験を通して使用する慮して，マシニングセンタでの加工を行う必要がある．Y-TZP の温度依存性を確認するため機械的強度の温度
また後者では，体積収縮を考慮せずに加工を行うこと 依存性評価試験を行った．物質の高温特性は一般的にー 223 ー

データが少ない．またセラミックスのように製造工程や添加物の分量によって大きく性質が変わるものは，加工結果と強度の関係性を評価する場合，個々にデータを出しておく必要がある．さらに，本実験で対象とする Y-TZP が非常に温度への依存性が高いことは前章で述べたとおりである．したがって，高温における曲げ強さと破壊靭性値を測定した．
供試材はジルコニア系セラミックス NPZ-10(日本タングステン)を使用した．供試材の形状は曲げ強さでは
JISR1604 ファインセラミックスの高温曲げ強さ試験方法にのっとった．また，破壊靭性値は高温の破壊靭性値の測定方法が JIS に定められていないため，高温でのファインセラミックスの高温破壊靭性値測定方法として開発された SEVNB 法にのっとった形状とした．Fig. 1 は曲げ強さ試験片の写真である．破壊靭性値の測定では，この形状に V ノッチ加工を施した．

下に低下することが示された．本結果から，高温時にY-TZP の被削性が向上することが示唆された．

Fig. 2 Bending strength and fracture toughness
under various temperatures

3. 紫外線レーザ援用精密切削加工法の提案

Fig.1 Sample specimen for bending strength
measurement
Fig.2 に示すように，曲げ強さは常温において 1200MPa 程度だが，1200 ℃において 200 MPa 程度に減少した．破壊靭性値は常温で 9 MPa-m1/2 程度だが，1200℃では 3 MPa-m1/2 に減少した．靭性値の急低下
は，高温環境下における相変態による変態強化機構の消失を示している．また，破壊靭性値が 1200 ℃で上昇しているが，これは 1200℃付近から粒成長するためである．
曲げ強度では，1200 ℃の試験において試験片がクリープ変形となった．そのためグラフでの数値は破壊した時の最大荷重ではなく，クリープ変形中の最大荷重を記している．よって，厳密には本来の曲げ強さではない．これは，1200 ℃という高温域に入って，PSZ によく見られる特性である，超塑性の一端が出始めたためである．
以上から，Y-TZP は高温に加熱することにより曲げ強さ及び破壊靭性値が低下することが示された．特に常温では他の高強度セラミックスより高い破壊靭性値を有するが 1200 ℃程度まで昇温することにより常温時の 1/4 以

前述のように，常温においては，難削性が非常に高いが昇温することにより被削性が向上し，切削加工が可能となると考えた．被削材が昇温することにより，切削抵抗に関しては横弾性係数の低下，表面性状に関しては切削モードが延性モードに近づくことによるクラック抑制及び表面粗さ向上，工具寿命に関しては被削材の硬度低下に伴う工具摩耗・欠損の抑制及び寿命延長が期待される．
そこで被削材を除去部のみを局所的に加熱しながら加工する，
Fig.3 に UV-LAM の概念図を示す．UV レーザは集光レンズを通過し，工具切れ刃から距離 d 離れた場所に照射される．この工具先端・レーザースポット間距離 d は加工温度を決定する重要なパラメータであり，本研究では dを決定するために被削材中温度分布シミュレーションを実施した．直径約 10 µm に収束されたレーザが被削材を局所的に加熱する．昇温し被削性が向上した部位を切削工具で除去する．
UV-LAM ではレーザスポットを工具の送り方向に常時配置する必要がある．そのため工具の軌跡制御とは別にレーザスポット位置を制御する機構が必要となる．また旋削及びフライス加工においてはレーザスポットを工具送り方向に配置することが可能であるが，ドリル加工においては困難である．これは加工中にドリル先端部が穴中に隠れるためである．UV-LAM のドリル加工へ適用するための設計解として，ドリル中心部，軸方向に貫通穴を作製しレーザを加工穴中へ導くことが考えられるが，ドリル剛性の低下及びチゼルまたはシンニングを除去することによる被削材への食い付き性悪化が問題と考えられる．そこで本研究において提案する UV-LAM は将来的には旋削ー 224 ー加工及びフラライス加工に適適用することをを目標とする．

ンサははリニアモータ
タにより駆動さされる X, Y ステージに，切ス
切削工具は Z ステーージにそれぞれれ固定されている．

Fig.3 Schem
matic diagra
am of UV-LA
AM

Fig. 4 Experimental setup
Taable 1 に加工工パラメータを示示す．

4. 評価実験
験結果

M machiningg parameterss
本実験の 目的は，UVV レーザを援用することににより， Tablle 1 UV-LAMY-TZP の被被削性を向上ささせ，切削加工適用の可能能性をUV-LAMUParrameters示すことであある．具体的にには，レーザをを援用しない従従来方
5-15
Depth of cutc (µm)
法及び UV-L
LAM それぞぞれにおいて Y-TZP
Y
表面にに微細Feed speed (mm/min)
600-3000
溝を切削加 工で生成し， 切削中の切削削抵抗，加工工溝底
CuttingC
dista
ance (mm)20
面の表面性 状，工具の切切れ刃性状にに関する調査， 考察
Laser
Lwaveleength (nm)355を行い提案方方法の優位性性を示す．

4.1 実験方方法
Fig. 4 に UV-LAM の実験装置を示の示す．UV レーーザはCoherent, Inc AVIA-3000 に よ り 発 生 さ せ た ．
AVIA-3000 は Nd:YAG
G レ ー ザであり， 赤外領 域の1064nm の波長を有するる基本波の 3 次高調波であある波
長 355 nm ののレーザーを生成する．集集光レンズを通通し，レーザーを被削削材上に収束束させた．被削削材の上方ににビデオカメラを設設置し，加工部部周辺の拡大画画像を取得しした．このビデオカメ
メラはレーザーーの集束に用用いた集光レンンズと同じレンズをを利用し撮影しした．これは実実験系が単純純化可能という利点点もあるが，レーザーのデフフォーカスを変変化させると，ビデデオカメラで撮影した画像のの焦点もずれるるという問題も生じじる．ビデオ画
画像は主に工具具先端・レーザザース
ポット間距離離を調整する時時に利用した．被削材は Y
Y-TZPブロック(Nipppon Tungste
en Co. NPZ--10)を利用したた．寸法は 20 mmm×20 mm×4 mm である．被被削材は 3 成
成分力センサ(Kistller instrumeente AG. )上上に固定し，切切削力の測定を可能能とした．力セ
センサは力セセンサアンプ及及びデータロガーをを介して PC に接続されていにいる．切削工具具の材料として，高高温環境下で の機械強度低低下が少ない
い立方晶窒化ホウ素素(Cubic Borron Nitride, CBN)を採用 した．
工具のコーナ
ナー半径は 0.2 mm である
る．被削材及びび力セ

Lasser repetitio
on rate (kHzz)

5LaserLpulse width (ns)40wer (W)
Laser pow
Disstance betwe
een tool edgeeand laser spots(µm)

0.15204.2 比切削抵抗
抗コーーナー半径 0.20 mm を有すする CBN 工具
具で加工を行行った場場合の比切削削抵抗を Fig.55 に示す．これ
れは送り速度度
300 mm/min で加加工時の結果果である．本結結果が示すよう
うに，切切り込み深さ 5 – 15 µm の範範囲で比切削削抵抗に明確確な差がが見られなかった．さらに F
Fig. 6 に切り込み深さと比比切削抵抗の関係をを示す．従来方方法及び UV
V-LAM ともにに切り込込み深さが小小さくなると比切切削抵抗が増増加する傾向向が見られたが，両方法間に差はは見られなかかった．コーナ
ナー半径の差異によより，同じ切り込込み深さにおける切削でもも溝幅に差が生じる
る．コーナー半半径が大きな切切削工具ほどど加工溝幅は大きくなるため，加工工時に溝周辺辺部の昇温がが不十分となる可能性がある．コーーナー半径 0.20 mm の工工具を用用いた場合にに比切削抵抗抗に大きな差がが見られなかかったののは，レーザによる加熱領領域と比較してて工具幅が大大きかっったことが原因因であると考ええられる．

ー 225 ー

7 Surface of cut groove
Fig.7
Fig.5 Speciific cutting fo
orce during cutting

Fig.8
8 Large craccks number ccomparison
Fig.6 Relattion between
n depth of cu
ut and speciffic
cutting forcce during cuutting

5. おわりに

Y-T
TZP に対するる切削加工実現て，熱援用切切現を目的として
4.2 表面性性状削加工法の提案，評価を行っ た．具体的にには工作機械械
レーザを援援用しない従来
来方法及び，UV-LAM でで加工 への搭載を考慮しし，UV-LAM 法を提案した
た．提案手法
法
後の加工溝写写真を Fig.7 に示す．従来
来方法による加加工溝 において，大規模模クラック数，比比切削抵抗，工具欠損がが上に大規模 クラックが生じじている．大規
規模クラック数
数をそ 抑制され，被削性が向上するこことが示された
た．
れぞれの溝上上で計数し，比比較した結果
果を Fig.8 に示示す．
Fig. 8 から U
UV レーザを援援用することににより，大規模模クラッ
参考文
文献
ク数が 14 から 3 へ減少すすることが示されれた．ここではは大規 [1] Basu, B., “Toughenin
ng of yttria
a-stabilisedd
模クラックは 加工溝幅の半半分より大きなな幅を有するるクラッ
teetragonal zirconia
zcerramics”, InnternationallMaterials
MReviews,
R
Vool. 50(4), (2005),(pp..
クと定義してている．UV レーーザを援用すすることにより大大規模
239-256.
クラックの発生生が抑制されれ，表面性状がが改善することとが示[2] Han
HHuangg, “Machininng characte
eristics andd
された．
suurface integrity off yttria stabilizedd
従来方法においては断断面画像に微細クラックが観観察さ
teetragonal zirconia inpn high speed deep
れなかったののに対し，UV
V-LAM 後におおいては微細細クラッ
grinding”, Materials
MScicience and Engineering
Eg,Vol.
VA345,
ppp.
155-163,2003.
クが観察されれた．また微細細クラックは加工工溝の中央付付近に
S
M.Brrandt, M.S..Dargusch, “Thermallyy
存在しているることが確認さされた．UV-LAAM 後の表面面粗さ [3] S.Sun,ennhanced machining
mof hard--to-machinee
増大は，このの微細クラック
クの発生が原原因と考えられれる．
materials-Amnternationall Journal offreview”, In
Y-TZP は高高温環境下で破破壊靭性値がが急低下する ことがMachine
MTools & Man
nufacture, Vol.
V50, pp..
知られておりり，微細クラック
クの発生原因因は加熱によるる温度
663-680, 201
10.
上昇と関連ししていると考ええられる．

ー 226 ー