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あいち産業科学技術総合センター

研究報告2023

研 究 ノート

レ ーザ 微 細 加 工 を利 用 し た 難 切 削 鋼 の切 削 抵 抗 の低 減
石 川 和 昌 *1 、 河 田 圭 一 *1
R edu c ti on of Cu t tin g R esistan c e of Diffic u l t -to -c u t M at er ials
with L aser Micro Machining
Kazumasa ISHIKAWA *1 and Keiichi KAWATA *1
Industrial Research Center * 1
 難削材である純鉄について、その表面にレーザによる微細な溝加工を施すことで、旋削加工時 における切 削 抵 抗 の 低 減 を 目 指 し た 。 レ ー ザ 加 工 に よ り 純 鉄 丸 棒 の 長 手 方 向 に 深 さ 約 20μm の 溝 加 工 を 行 い 、 こ れを 周 方 向 に 一 定 ピ ッ チ で 施 し た 結 果 、 そ の 切 削 抵 抗 は 未 処 理 と 比 較 し て 約 35%低 減 し た 。 ま た 、 周 方 向のレーザ加工ピッチを変えたときの切削抵抗の低減効果は同等であった。

1. はじめに使用した。レーザ加工の様子を図
図 1 に示す。レーザは対 近年、環境やエネルギー問題への対策として自動車の物レンズを通して純鉄表面を焦点として照射し、X 軸ス電動化が急速に進んでいる。自動車の EV 化や FCV 化

テージを用いて純鉄丸棒の長手方向にライン加工を行っに伴い、従来とは異なる材料の加工が増加すると見込また。次に、回転ステージを横向きに設置し、純鉄丸棒をれる。例として、油圧制御バルブ用の電磁鉄心となる純回転させ、周方向に一定間隔で上述のライン加工を行っ鉄や冷却水循環用のポンプシャフトとなる高炭素クロムた。レーザ装置出口のビーム径は 0.15mm であり、ビー鋼、ステンレス鋼などが挙げられる。切削加工においてムエキスパンダで 8 倍に拡大した後、10 倍(f 値 20mm)

純鉄は柔らかく粘性があるため工具摩耗が増加し、高炭の対物レンズを用いて集光し、スポット径は約 7μm と素クロム鋼やステンレス鋼は硬度が高くチッピングが発表 1なった。レーザのパルスエネルギ、ショット間隔は表生し易いなどの課題がある。また、最終形状が小径部品とした。ショット間隔はレーザの発振繰り返し周波数ととなるため、旋削加工においては低速加工となり切削抵X 軸ステージの送り速度から計算した。レーザ加工の周抗が大きくなるなど、加工が困難となっている。

方向ピッチを 0.5mm、1mm とした 2 種類の試験片を作 本課題に対して、名古屋工業大学では被削材表面にあ製した。

らかじめ規則正しいテクスチャを施すことで鋸刃状切り レーザ加工部はレーザ顕微鏡((株)島津製作所製ナノくずの生成を促進し、切削抵抗を低減させる研究 1)を進サーチ SFT-4500)を用いて計測を行い、加工部の幅と深めている。また、経済産業省成長型中小企業等研究開発さを測定した。

支援事業「サブナノ秒レーザを用いた難切削鋼の切削性向上を図るレーザ援用切削加工技術および装置の研究開発」において企業、大学、当センターと連携して研究を実施している。

X軸回転

 本報告では当センターで実施した、ナノ秒パルスレーザ加工機を用いた純鉄表面への微細加工と、レーザ加工材料の旋削加工における切削抵抗の低減について記す。

2 . 実験方 法 

図 1 レーザ加工の様子
表 1 レーザ加工条件

2 . 1 純 鉄 の レー ザ 微 細 加 工 と加 工 部 の 測 定

パルスエネルギ

90μJ

 供試材は φ10.8mm の純鉄(ELCH2)を使用した。レー

ショット間隔1μm

ザ装置は波長 349nm、パルス幅 5ns のナノ秒パルスレ加工長さ（長手方向）30mmーザ((株)東京インスツルメンツ製 LSP-2MS-P(NL))を加工ピッチ（周方向）0.5mm,1mm*1 産業技術センター

自動車・機械技術室

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2 . 2 旋 削 加 工 と切 削 抵 抗 の 測 定で切削抵抗は約 35%減少した。一方、レーザ加工ピッ レーザ微細加工後の純鉄を使用して、旋削加工実験を

チが 0.5mm と 1.0mm で同様の結果となり、加工溝数行い、レーザ加工の有無による切削抵抗の変化を確認しに比例して切削抵抗が低減するのではなく、あるピッチた。加工機は複合旋盤(オークマ(株)製 MULTUS B300)以下で加工溝が存在することで切りくずのせん断が促進

表 2 に、旋削加工条件は表表を使用した。使用した工具は表され切削抵抗が低減すると推察される。未処理とレーザ3 に示す。初めにレーザ加工後の試験片の旋削加工を行

図 4 に示す。
加工(加工ピッチ 1mm)の切りくず写真を図い、その後同一箇所を未処理試験片として旋削加工を行

未処理と比較してレーザ加工の切りくず長さが短いこと

い、レーザ加工有りと無しの切削抵抗比較を行った。切から、レーザ加工溝により切りくず処理性が向上するこ

削抵抗は加工機の主軸回転時の電流値を測定し、測定デとが確認できた。加工ピッチ 0.5mm の切りくずも加工ータを切削抵抗に換算して評価を行った。各条件で 3 回

ピッチ 1mm と同様の状態であった。

実験を行い、平均値を求めた。
メーカー

三菱マテリアル
DCGT11T302M-LS-P

型番(MS6015)

母材

超硬形状

55°菱形コーティング

TiCN 系積層コーティング

表 3 旋削加工条件
切削速度100m/min

切込み量0.08mm

送り量0.1mm/rev

切削油

水溶性切削液加工長さ(長手方向)

30mm

3 . 実験結 果 及び考 察 
3 . 1 純 鉄 の レー ザ 微 細 加 工 と加 工 部 の 測 定
 加工ピッチ 1mm でレーザ加工した試験片の幅と深さ

切削抵抗(N)表 2 使用工具

4035302520151050

加工ピッチ0.5mm
加工ピッチ1.0mm

未処理

レーザ加工

図 3 切削抵抗測定結果

50mm(a)未処理

50mm(b)レーザ加工

図 4 旋削加工後の切りくず

4 . 結び図 2 に示す。レーザ加をレーザ顕微鏡で測定した結果を図 本研究の結果は、以下のとおりである。

工長さ 30mm の中央部を週方向 1 周分(360°)34 箇所測(1) ナ ノ 秒 パ ル ス レ ー ザ 加 工 に よ り 純 鉄 表 面 に 深 さ定した。測定結果からどの加工部も幅約 15μm、深さ約20μm となり安定してレーザ加工できていることが確認

20μm の溝加工ができた。
(2) レーザ加工溝の効果により未処理と比較して純鉄の切削抵抗は約 35%減少した。

できた。

(3) レーザ加工ピッチ 0.5mm と 1mm で切削抵抗低減効果は同等であった。

付記
 本研究は、経済産業省令和 4 年度成長型中小企業等研
究開発支援事業 JPJ005698「サブナノ秒レーザを用いた難切削鋼の切削性向上を図るレーザ援用切削加工技術

図 2 加工部の測定結果
3 . 2 旋 削 加 工 と切 削 抵 抗 の 測 定
 未処理試験片とレーザ加工試験片の切削抵抗(平均値、図 3 に示す。レーザ加工を行うこと最大値・最小値)を図および装置の研究開発」で行った研究の一部である。

文献1) 坂井亮太, 糸魚川文広, 二村友也: 精密工学会春季大会学術講演会講演論文集, 183(2023)