キャビテーションを援用した超音波振動切削による金型の高精度・高能率加工
慶應義塾大学理工学部システムデザイン工学科
准教授 柿沼康弘（平成 23 年一般研究開発助成 AF‐2011021）

キーワード：金型，切削，超音波振動，キャビテーション，SiC
１．緒言

援用加工は切粉の排出性と工具寿命を高めることができ

板金加工における金属材料として耐摩耗性を改善する

るため 5)，提案手法により，両加工法の相乗効果を得るこために，超硬合金や炭化ケイ素（SiC）が注目されているとで，金型製作における工具の長寿命化と加工面品位の安が，特に，SiC はダイヤモンドにつぐモース硬度をもつ硬定化を実現することが期待される．本研究では，始めに，脆材料で，熱や化学的に強いことから非常に加工が難しい

金型の穴加工における超音波振動切削，キャビテーション

1-2)．超硬合金や SiC の微細金型に対する要求は高まる一

援用加工の効果を観察実験により調べ，その結果に基づき方で，低コスト化が望まれる．金型製作のコストを削減す

両加工法を合わせた複合加工法の効果を評価した．

るには，工具の長寿命化と安定した加工面品位を実現する必要がある．現状では，これらの金型を加工する工具はダ

３．原理

イヤモンドに限られ，硬脆材料を加工する際に発生する高３．１

超音波振動切削いスラスト力が工具摩耗の進行と加工面品位の低下を招

切削工具へ超音波振動を与える方向はいくつか考えらき 3)，たとえば直径 0.1~0.3mm のダイヤモンドドリルでれるが，本研究ではドリル軸方向に超音波振動を援用して加工した場合，数穴で工具寿命を迎える．そのため，工具加工を行った．超音波振動を援用しない慣用穴加工では，寿命を飛躍的に高めると同時に加工面品位を向上させる

ドリル先端のチゼル部や工具逃げ面と被削材が常に接触ことができる，微細金型のための新しい加工法の開発が必しているため，切削点に直に切削液を供給することはでき要不可欠である．

ない．一方，超音波振動を工具に作用させた場合，工具が一周期ごとに被削材から離れるため，切削液が切削点に効

２．研究の目的

率的に供給される．また，超音波振動の高い加速度で工具超硬合金や SiC の機械加工における工具へのダメージチゼル部と被削材が繰り返し衝突するため，特に SiC をは，切削抵抗が高いこと，微細化した SiC の切粉によるはじめとした硬脆材料に対して，材料を細かく砕き割る効

摩耗，切粉詰まりによる過度の負荷による欠損である．ま果が得られる．これにより，切削抵抗が低減することが期

た，加工面品位に影響を与える原因は切粉によるスクラッ待できる．SiC のドリル加工を行った際の超音波振動援用

チである．そこで本研究では，切削工具に超音波振動を与によるスラスト力低減効果を図１に示す．ステップフィー

えて加工する超音波振動切削と，加工液に超音波振動を与ドによる加工のため，加工力はパルス状に発生している．

えて加工液中でキャビテーションを発生させるキャビテ

超音波振動を与えた 1 秒～3 秒の間のみ切削負荷が小さくーション援用加工を併用した複合超音波加工を提案する．

なっていることがわかる．また，超音波振動の振幅に応じ

超音波振動切削は，切削抵抗の低減や工具摩耗の抑制，加てスラスト力低減効果は変化することを確認した．

工面品位の向上などの効果が得られ 4)，キャビテーション－ 61 －

（NVD-1500，森精機製作所製）を使用した．被削材と工作機械テーブルの間に 2 成分切削動力計を設置し，切削トルクとスラスト力を計測した．
SiC の微細穴加工において，スラスト力と工具寿命を評価することで，複合超音波加工による超音波振動切削とキャビテーション援用加工の相乗効果を検証した．

図１ 超音波振動の援用によるスラスト力の低減

Tool
工具
チャック

Oscillator
振動子

振動子
Cutting fluid
Workpiece
工作物

図３ 実験装置のモデル図

図２ キャビテーション援用加工
３．２ キャビテーション援用加工
切削液に超音波が与えられたとき，切削液内で圧力の高低差が生じ，微小な気泡が発生・消滅を繰り返す．この現象をキャビテーションという．気泡の消滅に伴って衝撃波が切削液内に伝播し，切削液の流動性が向上する．キャビテーションを加工に援用することで，切りくず排出性の向上や工具への切りくず凝着防止といった効果が得られ，工具の長寿命化が期待できる．

図４ 複合超音波加工の実験装置図

ただし，キャビテーション発生は液体の粘度にも依存する．実際に高粘度の油性切削油では気泡が消滅しなかった．

５．高速度カメラによる撮影結果

そこで，本研究では水溶性切削油を使用することにした．

超音波振動切削とキャビテーション援用加工の加工中

キャビテーション援用加工の実験装置図を図２に示す．振の様子を，高速度カメラを用いて撮影した．用いたカメラ

動ホーンと工作物の間に切削液を満たす．振動ホーンによは 1,400,000 frame/秒で撮影が可能である．観察用の被削って切削液を加振する機構であり，振動ホーンの先端部に材には透明なアクリル樹脂を使用した．

設けられた貫通穴に切削工具を通して，加工点周りでキャ５．１ 超音波振動切削の観察

ビテーションを発生させた．キャビテーションを効率良く工具には超硬ドリル（φ1.5mm）を採用し，工具先端の発生させるためには，振動ホーンと工作物のギャップも重振動と加工中の様子を観察した．慣用加工と超音波振動切要なパラメータであり，本研究ではその間隔を 3mm とし削の切りくず生成の観察結果を図 5 に示す．慣用加工では，た．

連続的な切りくずが生成されたのに対し，超音波振動切削では破砕された細かい切りくずが綿のように生成されることを確認した．

４．実験方法
実験装置の構成ならびに外観を図 3 と図 4 にそれぞれ示す．加工試験には 3 軸立型マシニングセンタ－ 62 －

複合超音波加工（超音波振動切削＋キャビテーション援用加工）の 4 種類の加工法で試験を行い，それぞれの性能を比較した．各加工法において，工具が折損するまでに加工できた穴数をカウントし，工具寿命を評価した．表 1 に切削条件を示す．試験開始前にダイヤモンドセンタードリルにより下穴をあけ，ステップ送りにて加工を行った．
工具寿命試験の結果を表 2 に示す．慣用ドリル加工では，12 穴しか加工できなかったが，超音波振動切削とキャビテーション援用加工により 69 穴加工することができた．
超音波振動切削とキャビテーション援用加工それぞれ効果があることがわかるが，キャビテーション援用加工はより工具の長寿命化に寄与していることがわかった．さらに，複合超音波加工により工具寿命は著しく向上した．
図５ 慣用加工と超音波振動切削における切りくず生成の比較
表１ 加工条件
Machining center
Axial-directional
USV
Cavitation device
Dynamometer
Tool
Cutting fluid
Rotational speed
Feed rate
Step feed rate
Hole depth

Three-Axis Vertical Machining Center
70 kHz/3.5 m
42.5 kHz/2-3 m
Piezoelectric
Diamond-coated drill (φ0.22)
Soluble type8000 min-1
6.0 mm/min
0.01 mm
1.0 mm
表２ 工具寿命試験Conventional drilling
Axial-directional USV drilling
Cavitation-aided drilling
Hybrid drilling

図６ キャビテーション発生時の切りくず排出性

12405669５．２ キャビテーション現象の観察
アクリル樹脂に微細な下穴をあけ，下穴とドリルのねじれ溝の隙間に切りくずに見立てた微粒子を充填させ，キャビテーションを切削液内で発生させたときの切りくずが排出される挙動を観察した．キャビテーション発生時の切りくず排出の観察結果を図 6 に示す．ねじれ溝に堆積した微粒子がキャビテーション発生後，即座に排出されることがわかった．この結果から，キャビテーションを援用することで切りくず排出性が向上することが明らかとなった．

６．複合超音波加工による SiC の微細加工
慣用加工，超音波振動切削，キャビテーション援用加工，
図７ 工具底面の観察結果（10 穴加工後）－ 63 －

2) キャビテーション援用加工では，工具洗浄効果により切りくず排出性が向上し，工具寿命が延長した．

3) 超音波振動切削とキャビテーション援用加工を併用した複合超音波加工により，スラスト力が低減されると同時に切りくず排出性が向上し，より一層，工具の長寿命化が図れる．
工具寿命試験，工具の観察結果より，超音波振動切削，キャビテーション援用加工が SiC の微細加工における有効な加工法であることがわかり，複合超音波加工により両加工法の相乗効果が得られることが示された．複合超音波加工により効率的な金型加工が可能になることが期待さ
図８ 工具側面の観察結果（10 穴加工後）れる．

キャビテーション援用加工により工具寿命の向上効果が得られる理由は，切りくずの排出性にある．図 7 および
図 8 に加工後の工具写真を示す．キャビテーション援用加工と複合超音波加工では，工具先端部の切りくず付着量が謝辞

本研究は，財団法人天田金属加工機械技術振興財団（現 公益財団法人天田財団）の一般研究開発助成のもとで行われたもので，ここに感謝の意を表します．

少ない．キャビテーション現象により，工具が効果的に洗浄されたのに対し，超音波振動切削では慣用加工と比較して工具への切りくずの付着量が多くなった．超音波振動切削では，工具先端の断続的な動きにより，工具が高加速度で切りくずと接触するために工具底面と側面で切りくずが多く凝着したと考えられる．その一方で，超音波振動切削のスラスト力低減効果や被削材の破砕効果の方が効果的に働くため，工具寿命は慣用加工の 3 倍近く向上したと考えられる．超音波振動切削とキャビテーション援用加工

参考文献(1) W. M. Zeng, Z. C. Li, Z. J. Pei, C. Treadwell,“Experimental observation of tool wear in rotary
ultrasonic machining of advanced ceramics,” International
Journal of Machine Tools and Manufactures 45(2005), pp.
1468-1473.
(2) Reimund Neugebauer, Andrea Stoll, “Ultrasonicapplication in drilling,” Journal of Material Processing
Technology 149(2004), pp. 633-639.
(3)

vibration-assisted drilling of aluminum 6061-T6,” International
Journal of Machine Tools and Manufacture 49(2009), pp.

を併用した場合，工具底面では，軸振動の影響で切りくずの付着が多いものの，キャビテーションの効果により側面

1070-1076.
(4)

Chandra Nath, M. Rahman, “Effect of machining parameters inultrasonic vibration cutting,” International Journal of Machine

での切りくず凝着はほとんどない．つまり，軸振動による加工負荷の低減効果とキャビテーションの工具洗浄効果

Simon S. F. Chang, Gray M. Bone, “Thrust force model forTools and Manufacture 48(2008), pp. 965-974.
(5)の両者を得たと考えることができ，この相乗効果により工Hitoshi Ogawa, Masahiro Masuda, Akira Mizobuchi, “Effects ofcavitation on burr and tool life in micro through hole drilling 3rdreport: Researches on applying ultrasonic vibration on machining

具寿命をより一層延ばすことに成功した．

fluid,” Journal of Japan Society on Precision Engineering
74(2008), pp. 1092-1096.

７．結言
超音波振動切削とキャビテーション援用加工を併用した複合超音波加工を提案し，SiC の微細加工における提案手法の優位性を検証した．以下に得られた結果をまとめる．

1) ドリルに軸方向の超音波振動を援用することで，硬脆材加工時のスラスト力を低減することができる．

－ 64 －