コーテッドローラによるローラバニシング加工法の提案
金沢大学 理工研究域 機械工学系
助 教

岡田 将人

(平成 23 年度一般研究開発助成 AF-2011011)
キーワード：表面仕上げ，バニシング，ローラ，表面性状
1．研究の目的と背景れば有用性が高いといえる．

ローラバニシング加工法（以後，ローラバニシ加工）

丸棒外周面のローラバニシ加工の場合，ローラの回転は，加工対象面上の微小凹凸を自由回転するローラで押軸は工作物回転軸と平行に配され，工作物の回転に対ししならすことで，対象面上の微小凹凸に塑性変形を付与ローラが従属的に同一の周速度で回転することで工作物し，対象面の表面粗さを向上させる加工法である．表面

表面上を転動する．ここで，ローラの回転軸を工作物回仕上げに多く用いられる研削加工と比較して，ローラバ転軸から傾斜させると，工作物周方向ならびに軸方向にニシ加工は高い加工効率を有するとともに，切削加工に対し，ローラとの接触点において工作物，ローラの両者用いられる工作機械で加工が可能なことから専用機導入間に速度差が発生する．これにより，ローラバニシ加工コストも要せず，段取りレス，工程集約化の観点からもでも転動に加えて摺動作用が発現でき，傾斜角度の変更有用な加工法である．さらに，加工によるスラッジの発により，両作用のバランスを任意に調節することが可能

1)．そになると考えられる．また，このような摺動作用をローのため，これまでにローラバニシ加工に関する種々の理

ラバニシ加工に発現させた場合，転動のみが作用する従2)~5)．ローラバニシ加

来のローラバニシ加工に比べて，摺動によるローラの摩生がなく環境負荷低減の観点でもメリットがある
論的，実験的研究が報告されてきた工では，ローラの転動により対象面に対し垂直方向の圧耗対策が，より重要になると考えられる．

縮力が付与されることで対象面上の微小凹凸が押しならそこで本研究では，工作物回転軸に対してローラの回されるが，この圧縮力のみでは所望の押しならし量が得

転軸を傾斜させた傾斜ローラバニシング加工法（以後，られない場合がある．そのため，レーザにより加工部を傾斜ローラ加工）を提案し，その加工特性を両回転軸が加熱して材料を軟化させることにより所望の押しならし平行な従前のローラバニシ加工（以後，平行ローラ加工）6)などが考案されているが，このようなと比較することで明らかにした．丸棒材の外周面を加工量を得る加工法

加工法の場合，装置ならびに加工方法が複雑化するため，対象とし，提案する加工法の加工原理について理論的に十分な実用化には至っていない．

検討した．また，加工面の表面形状から，提案する加工一方，チップ状のダイヤモンドを対象面上に擦りつけ法の有用性を実験的に明らかにした．加えて，ローラのて摺動させることで，ローラバニシ加工と同様の効果を摩耗対策として窒化物などの種々のコーティング処理を期待する加工法としてダイヤモンドチップバニシング加施したコーテッドローラを平行ならびに傾斜ローラ加工工法（以後，チップバニシ加工）があり，主に高硬度材をに適用した場合の加工特性について明らかにしたので報対象とした加工に対し有用であることが報告されている

告する．

7)．チップバニシ加工は，対象面上の微小凸部に対する圧縮方向の作用のみならず，摩擦によるせん断，曲げ方向

2．ローラバニシング加工法の作用を付与でき，より大きな押しならし量が期待でき

2.1 ローラバニシング工具る．しかしながらチップバニシ加工は，工具が高価であ

図 1 に本実験で用いたローラ加工用工具(SR5AL-S25，り，対象面との摺動による摩擦熱により，加工条件によ㈱スギノマシン)の外観を示す．本工具は，シャンク部をって急激に工具摩耗が生じる．さらに，工作物材料が軟NC 旋盤等の刃物台に固定することで使用する．工作物と質であると加工表面層のむしれや剥離が生じる場合もあ

接触するメインローラはリテーナとサポートローラによる 8)．これらのことから，転動と摺動の両作用をバランスり支持され，自由回転する．本体内にばねが内蔵されてよく対象面に作用させることができる加工法が考案できおり，これによりメインローラの対象面への押付力を押－6－し込み量から制御できる．図 2 に加工時における加工部側面からの模式図を示す．図に示すように，工作物は工作機械の主軸により回転させられており，これに自由回転するメインローラを押し当てることで工作物表面上をローラが転動する．なお，メインローラはテーパ形状を呈しているため，工作物表面とはメインローラの最大外径部において点状で接触している．メインローラを転動させながら工作物回転軸方向に送ることにより，工作物外周面全体にローラバニシ加工を付与する．
2.2 摺動作用の発現機構の理論的検討

図 2 加工部概略

図 3 に本研究で提案する傾斜ローラ加工における加工部の模式図を示す．メインローラは回転する工作物と接触することにより工作物回転軸からº の角度で傾斜した回転軸周りに回転する．ここで，メインローラとの接触点における工作物外周面の周速度を Vw とする．工作物とローラが点接触していると仮定すると，メインローラの周速度 Vr は次式で表せる．
Vr = Vw cos(1)

ここで，Vr の工作物外周面の周方向成分 Vt ならびに回転軸方向成分 Va はそれぞれ Vw により次式で表せる．
Vt = Vw cos2

(2)

Va = Vw cossin

(3)

メインローラと工作物間の摺動作用は各方向成分の速度差によって発現するため，Vw と Vt との速度差 Vst が工

図 3 傾斜ローラ加工概略

作物外周方向の摺動速度を，Va と工具送り速度 F との差
Vsa が工作物の回転軸方向の摺動速度を示すといえる．

斜ローラ加工用工具の外観を示す．治具により，メインメインローラ周速，摺動速度
Vr, Vst, Vsa / %100

ローラ，サポートローラの両者を傾けた．

図 4 傾斜角度によるローラ周速と摺動速度の傾向

図 4 に工具送り速度 F を無視した場合のメインローラ
傾斜角度と Vw に対する Vr，Vst，Vsa の百分率の関係を示す．図に示すようにが 0~45º の範囲において軸方向の摺動成分のほうが大きいことがわかる．またそれ以降のにおいては，接線方向の摺動成分が大きくなり，90º において完全にローラは転動の作用がなくなり，チップバニシ加工と同様の摺動作用のみによる加工となる．図 5 に傾75VrVst50250Vsa01530456075
ローラ傾斜角度  / °90

図 5 傾斜ローラバニシング加工用工具( = 45º)

図 1 ローラバニシング加工用工具－7－

3．実験方法

4．傾斜ローラバニシング加工法の加工特性

ローラバニシ加工には NC 旋盤(Quick Turn Nexus 200-

4.1 傾斜ローラ加工による仕上げ面の表面粗さ

ⅡMY，ヤマザキマザック㈱)を用いた．図 6 に実験時の図 7 にローラ傾斜角度とローラバニシ加工面の算術外観を，表 1 に実験条件を示す．工作物にはアルミニウ平均粗さ Ra の関係を示す．いずれのにおいても前加工

ム合金 A2017 を用いた．ここで，ローラバニシ加工によ面の平均 Ra = 3.24 m より大幅に表面粗さが改善されてる仕上げ面は前加工面の表面形状の影響を受けることがおり，によらずローラバニシ加工が表面粗さの向上に効9)．そのため，工作物の前加工面の算術平果的であることがわかる．による傾向をみると， = 0 ~均粗さを Ra = 3.20 ~ 3.26 m で揃えた．ローラの工作物

45º においてはの増加に伴い Ra が減少しており， =への押付力 Ft はばねの縮み量によるため，工具と工作物

45º では Ra =0.4 m 以下にまで達している．このことかが接触してからの押し込み量により設定した．摩擦熱にら，提案した傾斜ローラ加工法が表面粗さの改善に有効よる加工特性への影響を極力避けるために，オイルミスであるといえる．

報告されているトを高圧エアと共に加工部に供給した．なお，これらのこれに対し， = 60º では，それまでの傾向から一転しローラバニシ加工条件は従来の平行ローラ加工においてて表面粗さが悪化している．4.1 節で述べたとおり， =一般的に採用されている条件を基準に選定した．

60º では，加工中のメインローラに回転は認められず，工ローラバニシ加工面の評価として表面粗さ，表面形状作物とメインローラ間は摺動のみで転動が得られていなの測定を行った．表面あらさは触針式表面粗さ計(SJ-301，い状態である．このことから，傾斜ローラ加工では転動㈱ミツトヨ)により工作物軸方向に測定し，6 点測定の平と摺動の両作用をバランスよく付与することが有効であ均値とした．基準長さは 0.8mm，測定長さは 4.0mm としると考えられ，本実験では = 45º が最も良好な表面粗さた．3 次元表面形状は触針式形状測定機(サーフコムが得られた．

2000DX2，㈱東京精密)を用いた．

4.2 傾斜ローラ加工による仕上げ面の表面形状
図 8(a) ~ (c)に前加工面ならびにローラ傾斜角度 = 0,45º における工作物表面の 3 次元形状を示す．図より，いずれのの場合も前加工面で認められる旋削加工の送りマークを十分に押しならせていることがわかる．また(b)，(c)を比較すると，= 45º では周期的に認められる凹部に材料が押しならされている形態が確認できる．これは工作物回転軸方向の摺動作用が寄与していると考えられる．加えて= 45º では，周期的な凹凸上に存在する短周期の微小な凹凸が低減されていることがわかる．これらのことより，傾斜ローラ加工では摺動作用により，周期の短い微小凹凸に対する押しならしの効果が顕著であり，これが表面粗さの向上に寄与しているといえる．

図 6 ローラバニシング加工実験外観

前加工

バニシング
加工

切削工具
切削速度
送り量
切込み量
潤滑方法

工作物周速度
送り量
押付力
ローラ傾斜角度
潤滑方法

VNMG160408N-SU (ISO)v c = 300 m/min
f c = 0.3 mm/rev
R d = 0.25 mm
微少量油（ミスト）供給
不水溶性植物油V w = 100 m/min
f r = 0.5 mm/rev
F t = 45, 241 N
 = 0, 15, 30, 45, 60º
微少量油（ミスト）供給
不水溶性植物油

Ra / m

アルミニウム合金 A2017

工作物

0.8

表面粗さ0.9

表 1 実験条件

0.50.7

工作物 : A2017
Vw = 100 m/min
f = 0.5 mm/rev
Ft = 241 N

0.60.4
0.3
0.2

01530
ローラ傾斜角4560
 / °図 7 ローラ傾斜角が表面粗さに及ぼす影響－8－

表 2 コーティング膜材質の硬さと表面粗さ 10)
未処理ローラ母材

TiN(Ti,Mo)NDLC(Al,Cr)N

表面粗さ m
0.067
0.040-0.060
0.005-0.010
0.010-0.015
0.040-0.060

ビッカース硬さ HV
860
1600-1800
1800-2000
2000-2200
2000-2200

Ra m

0.40

表面粗さ(a) 前加工面

0°

0.30
0.20

45°

0.10
0.00
未処理TiN(Ti,Mo)NDLC(Al,Cr)N

コーティング膜材質

図 9 コーテッドローラによる仕上げ面粗さ
5.2

コーティング膜材質が仕上げ面の表面粗さに及ぼす影響

図 9 に未処理ローラならびに表 2 で示したコーテッド(b) 平行ローラ加工面( = 0º)

ローラを用いて平行ならびに傾斜ローラ加工を施した場
合の仕上げ面の表面粗さを示す．なお，押付力は Ft = 45Nと低く設定し，未処理ならびにコーティング膜材質の特性の違いが表面形状に及ぼす影響を得られ易くした．傾
斜ローラ加工の傾斜角は未処理ローラで最も良好な表面粗さが得られた = 45ºである．図より，平行ならびに傾斜ローラ加工ともにコーテッドローラでも未処理と同程度の仕上げ面が得られていることがわかり，コーテッドローラを用いても，未処理同様にローラを傾斜させることにより，良好な表面粗さの仕上げ面が得られることがわかる．

(c) 傾斜ローラ加工面( = 45º)

5.3

図 8 ローラ傾斜角が表面形状に及ぼす影響

ローラのコーティング処理が表面形状に及ぼす影響

ローラへのコーティングの有無ならびにコーティング

5．コーテッドローラのローラバニシ加工への適用

膜材質がローラバニシ加工による仕上げ面の表面形状に5.1 コーテッドローラ及ぼす影響を検討するために，平行ローラ加工において平行ローラ加工ならびに傾斜ローラ加工にコーテッド工具送りを与えずに回転する工作物にローラを押し付けローラを適用した．表 2 に作製したコーティング膜材質た加工部の外観観察ならびに形状を測定した．ローラをの硬さならびに表面粗さを未処理ローラのそれらと併せ工作物に押し付ける時間は 10 秒間とした．図 10 に未処て示す．コーティング膜材質は切削工具や成型金型で多理ローラならびに(Ti,Mo)N をコーティングしたコーテッ用されているものの中から選定した．いずれのコーティドローラによる加工部の外観写真を示す．図より，未処

ング膜材質も母材となる未処理ローラと比べて，極めて理ローラの場合の加工部は前加工面の旋削による工作物高い硬度を有しており，摺動に対する耐摩耗性の向上が外周方向の縞状の送りマークが確認できる．これに対し，期待できる．また，表面粗さも未処理ローラよりも低く，コーテッドローラによる加工部には，送りマークが外観

特に(Ti,Mo)N は高い硬度と平滑な表面を持ち合わせてい上認められない．

ることがわかる．

図 11 に図 10 で示した両加工部の断面曲線を重ねて示－9－

す．断面曲線の測定は工作物回転軸方向に実施した．図より，両ローラともにローラのテーパ形状が加工部に転写されていることがわかる．また，未処理ローラによる場合よりコーテッドローラによる場合が，より深く加工が施されていることがわかる．両加工の押付力は同一であることから，この違いはローラにコーティングを施すことにより，ローラの変形抵抗が向上し，工作物との接触点におけるローラの微小な弾性変形量に差が生じたことに起因すると考える．これらのことから，図 9 に示した通り，コーテッドローラを平行，傾斜ローラ加工に供(a) 未処理ローラした場合の工作物の仕上げ面の粗さに未処理ローラとの顕著な差異は認められなかったものの，ローラのコーティングにより，ローラの機械的強度が向上し，それが加工特性に影響を及ぼすことが考えられる．
次に，平行ローラ加工において，工具を工作物回転軸方向に送った場合の仕上げ面の断面曲線を測定した．図12 に未処理ローラ，(Ti,Mo)N コーテッドローラによる仕上げ面の断面曲線を前加工面の曲線と併せて示す．図より，未処理ローラによる仕上げ面は，前加工面の旋削による送りマークと同程度の周期の凹凸が確認でき，十分な押しならし量が得られていないことがわかる．これに(b) コーテッドローラ (Ti,Mo)N

対し，コーテッドローラの場合は，送りマークの周期と図 10 工具送りを停止した加工部外観は関係が認められない 1.0mm 程度の安定した周期のうねりが認められる．これは，工作物表面がローラにより圧縮され，ローラとの接触点周辺が盛り上がった形状が残存したものと考えられる．そのため，前述のとおり，コーテッドローラを用いることで，同条件下の加工においてもより大きな表面層の塑性変形量が得られると考えられ，適切な押付力ならびに工具送り量を検討することにより，未処理ローラよりも良好な仕上げ面性状が期待できるといえる．なお，これらの傾向は(Ti,Mo)N 以外の膜材質のコーテッドローラにおいても同様であったことを図 11 未処理，コーテッドローラによる加工部の断面曲線の比較付言する．とは確認できたため，今後は，それらの差異が生じるメ

6．結言

カニズムの解明を行いたい．以下に本研究により得られ従前の円柱外周面のローラバニシング加工において，た結果をまとめる．

ローラ回転軸を工作物回転軸から傾斜させることにより(1)

メインローラを工作物回転軸に対して傾斜させる

工作物表面に転動作用と同時に摺動作用を発現させるこことで，その傾斜角度に応じて工作物周方向，軸とで，より良好な表面性状を得ることを目的とした傾斜方向に摺動作用を発現させることができる．

ローラバニシング加工を提案し，その加工メカニズムと(2) 傾斜ローラバニシング加工は従前の加工法に比べ，加工特性を理論的ならびに実験的に検討した．また，摺傾斜角度 45ºまでの表面粗さが傾斜角度の増加に動作用によるローラ摩耗を抑制するためにローラに硬質伴い向上する．またローラの回転が認められない薄膜をコーティングしたコーテッドローラをローラバニ

傾斜角度 60ºでは，表面粗さの向上が得られない．

シング加工に適用し，その加工特性を従前のローラの場(3) 傾斜ローラバニシング加工では，加工面上の短周合と比較し検討した．コーテッドローラを用いることに期の微小凹凸に対して，高い押しならしの効果がより，仕上げ面の表面形状に明らかに違いが得られるこ得られる．

－ 10 －参考文献
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工により得られる仕上げ面の表面粗さは，従来な(5)岡島英昭, 鈴木哲哉：高速鏡面仕上げ「センタレス・7)

Luo H, Liu J, Wang L, Zhong Q.: Study of the mechanism

らびに開発した傾斜ローラバニシング加工方法のof the burnishing process with cylindrical polycrystalline

両者において未処理のローラによる場合と同程度

diamondである．

Technology, 180 (2006), 9-16.

コーテッドローラによる仕上げ面の断面形状は，

8)

tools,JournalofMaterials

Processing

田中秀岳, 田太博章, 柳和久, 二村優：高硬度鋼材表

同条件下においても未処理ローラによる場合より面仕上げにおける前加工の表面性状がバニシング加表面層の塑性変形量が大きい．また，コーティン

工面へ及ぼす影響：ダイヤモンドチップバニシング

グ膜材質による断面形状への影響は認められない．

工具を用いた高硬度鋼材表面仕上げ加工に関する研究，塑性と加工，50-581 (2009)，555-559.

謝9)

辞Luca L, Neagu-Ventzes S, Marinescu I: Effects of working

本研究は公益財団法人天田財団の一般研究開発助成

parameters on surface finish in ball-burnishing of(AF-2011011)によって行われたことを付記するとともに，

hardened steels. Precision Engineering, 29 (2005), 253-

記して深甚なる謝意を表す．加えて，実験に協力いただ256.

いた金沢大学大学院の末信翔平君，渡邊慶君に深謝する．

10) 株式会社北熱：技術資料, http://www.hokunetsu.com/
public/tec/pdf/Coating_PerformanceComparison_1209.p
df, 2014.5.10 参照－ 11 －