補助事業番号

2023M-369

補助事業名

2023年度液域限定電解加工技術による形状創成とパターン加工の実現
補助事業

補助事業者名

東京農工大学 大学院 工学研究院 機械システム工学専攻 夏恒

１ 研究の概要
本事業は、2021年度に実施した「保水性材料の利用による液域限定電解加工の飛躍的な精度向上」補助事業で提案・検証した液域限定電解加工技術の成果をステップアップさせ、３次元形状や表面パターン加工を実現し、日本製造業の競争力を高めることを狙う。
2021年度の事業は、保水性材料を用いて電解液を吸収させ、電解液の存在領域を加工したい箇所に限定し、加工精度を飛躍的に向上させることを提案し、加工実験や数値シミュレーションによって、その有効性を検証した。本事業では、、構築した加工システムを使った複雑な３次元形状の創成および工作機械の摺動面上の油だまり配列などのパターン加工を実現する。加工システムでは、保水性材料を金属円盤の外周に巻き、工具ユニットを構成する。工具ユニットの上部に配置し、XYZ三軸ステージに取り付けられた工作物の加工面を保水性材料に接触させながら、金属円盤を加工電源の負極に、工作物を正極に接続して通電して加工を行う。工具ユニットの回転により生成物を加工領域から排出し、下部に設置した電解液が満たされている超音波洗浄装置によって汚れた保水性材料を洗浄し、新しい電解液を染み込ませ、再び加工領域に移動する。このように電解液領域の制限、生成物の排出、新鮮な電解液の供給が実現し、持続的に加工が行える。
２ 研究の目的と背景
エネルギー、航空宇宙等の分野に多く利用されているチタン合金やニッケル基耐熱合金、金型や切削工具向けの超硬合金やマトリックハイス等の各種硬い材料の加工に、放電加工や切削を利用した場合、激しい工具摩耗や極端に低い速度による加工コストの高騰、生産性の悪化が大きなネックとなっている。これらの材料の加工は、工具消耗がなく、電気化学反応により金属イオンを溶出し、材料の硬さに関係なく加工できる電解加工の利用が望まれる。
電解加工は工具電極の消耗がなく、放電加工と比べて加工速度が数十倍も速いうえ、複雑な輪郭や空洞を形成することができる。しかし、電極と工作物を電解液槽に浸漬して加工しているので、所望の加工領域以外も電解液と接触し、加工電流が流れることにより、加工精度を得にくいこと、また廃液処理による環境への悪影響などの問題があり、1960年代より技術進歩が著しかった放電加工に置き換えられた。上述したように、電解加工の致命的な欠点である低い加工精度は工作物を電解液に浸漬し、加工しない箇所にも電流が流れることが原因であるため、加工領域以外の電解液そのものをなくすことが上記の加工精度と作業環境の問題の究極的な解決手法といえる。そこで、本事業は、保水性材料を用いて電解液の存在領域を加工したい箇所に限定した液域限定電解加工技術の実用化を実現するため、これまでの成果をステップアップさせ、３次元形状や表面パターン加工を実現し、日本製造業の競争力を高めることを目的とする。
３ 研究内容（１） 工具電極の走査による複雑な３次元形状の創成
複雑な３次元形状を創成するには、工具ユニットを工作物表面に沿って走査させる必要がある。また、工作機械の摺動面への油だまりなどのパターン加工のため、工具の走査と加工電流の同期制御が必要である。そこで、３次元形状を創成するための保水性材料を用いた円盤工具ユニットと図１に示すボールペン構造を持つ工具ユニットを設計・製作し、形状創成を行った。
（２） 同期制御によるパターン加工の実現
同期制御による工作機械の摺動面の油だまりの加工を実現するため、図２に示す加工システムを構築した。本加工システムは、ユニバーサル工具ユニット、電解液タンク、工作物、CNC３軸ステージ、制御パソコン、電流センター、オシロスコープ、波形発生器、リレー回路から構成されている。電流のオン/オフを制御することで、長さが異なる油だまりの加工例を図３に示す。
（３） 加工特性に影響する生成物の特定加工特性に影響する生成物を特定するには、生成物の発生状況を観察する高速ビデオカメラを購入し、観察システム（図４）を構築した。また、数値解析により電解加工中の生成物の挙動および加工への影響を調べた。

(a) 工具ユニットの全体図

(b) 工具先端部の写真
図１ ボールペン構造を持つ工具ユニット

図２ 同期制御によるパターン加工のシステム

(a) 油だまりの写真(b) 油だまりの断面形状
図３ 油だまりの加工結果

図４ 構築した観察システムの概要
４ 本研究が実社会にどう活かされるか―展望
保水性材料の回転による電解液領域の制限、生成物の排出、新鮮な電解液の供給の実現と、複雑な３次元形状の創成および工作機械の摺動面上の油だまり配列などのパターン加工への応用を提案した本事業の新規性や波及効果が高い。また、積極的な成果公表により、国内外から高い評価を受けており、非常に有益な事業であった。今後は、工具の小型化と形状精度の高いボールの採用により、複雑な表面パターンの形成を実現する。また、電解液がもっと高速に循環できる工具の構造を検討して、パターン加工の生産性を向上させる。
以上の項目の実施により、工作機械の案内面や自動車エンジン部品の摺動面に、凹凸を付与する表面テクスチャリングへの応用が期待できる。
５ 教歴・研究歴の流れにおける今回研究の位置づけ
実施責任者の夏 恒は、放電加工における電極消耗の影響要因の解明との研究で、博士（工学）号を取得した後、精密機器メーカに７年間、製品と加工技術の研究・開発に携わり、２００２年４月から東京農工大学にて、放電加工や電解加工の研究活動に取り組んでいる。
長年の研究活動より、電解加工技術のブレイクスルーとなる電解液領域の制限による加工精度の向上とパターン加工の実現を提案している。
６ 本研究にかかわる知財・発表論文等特許等の知的財産権を取得していないが、国内外の学術会議にて下記の研究発表を行った。
① Jiankang Wang, Wataru Natsu: Stray-corrosion-free ECM with electrolyte
absorbed in a porous solid ball for dimple texturing on finished workpiecesurfaces, Journal of Manufacturing Processes, 85, pp.713–723, 2023.
② 伊藤尚輝，夏恒：保水性材料を用いた液域限定電解加工による形状加工の試み、電気加工学会全国大会（2023）講演論文集、pp.31-32, 2023.
③ 大工真輝，夏恒：回転球による電解液の供給と領域制限を実現した電解加工特性の影響因子調査、電気加工学会全国大会（2023）講演論文集、pp.33-34, 2023.
④ Chen Kaisong, Luo Hongping, Zhang Qingrong, Natsu Wataru: Proposal ofElectrochemical Machining with Electrolyte Confined by Porous Ball withoutcontacting Workpiece, 2024 年度 精 密工 学会 春季 大 会学 術 講演 会講 演論 文 集、
pp.600-601, 2024.
⑤Wataru Natsu: State-of-the-art Electrochemical Machining Technologies with
Confined Electrolyte Existing Area, Proceedings of 8th Symposium forInternational Cooperation on Micro and Precision Electrical Machining(SICMPEM), June 2023.
⑥ Novel Electrochemical Machining Method with Electrolyte Restrained in
Predefined Region 、 招 待 講 演 、 2024 年 2 月 29 日 、 Taiwan Instrument ResearchInstituteにて⑦Jiankang Wang, Ye Chen, Wataru Natsu: Processing upgrade for metal surface
processing by using the controllable electrolyte-distribution ECM method with

a water absorbent porous ball, Journal of Manufacturing Processes（投稿、校閲中）

図５ 広東技術師範大学にて成果発表

図６ 台湾機器研究所（Taiwan Instrument Research Institute）にて成果発表と訪問
７ 補助事業に係る成果物（１）補助事業により作成したもの
成果の公表をしているURL： http://web.tuat.ac.jp/~natsulab/grants.html（２）（１）以外で当事業において作成したものなし
８ 事業内容についての問い合わせ先
所属機関名： 東京農工大学（トウキョウノウコウダイガク）
住所： 〒184-8588
東京都小金井市中町2－24－16

担当者： 教授 夏 恒 （ナツ ワタル）

担 当 部 署： 大学院工学研究院 （ダイガクイン コウガクケンキュウイン）E - m a i l： summer@go.tuat.ac.jp
UR

L： http://web.tuat.ac.jp/~natsulab/index.html