平成12年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

高周波振動付加によるセラミックスの高能率・高精度加工に関する研究（第2報）
水江宏
機械電子部

St硯dYOmむ旦をraso孤icMae艶i重恩i孤gOざCeramies紬rJ亘gGrimdi喝Mae臨ine
HiroshiM王ZUE
Mechanics＆Electronics Division

要旨
耐摩耗性・耐熱性が要求される機械部晶の材料として，セラミックス等の硬脆材料が注目されているが，その加工は能率■精度の面で多くの問題を抱えている．この問題を解決する一手法として，高周波（超音波）振動を付加した研削加工に関して多くの研究開発がなされている．本研究では，セラミックス等の被削材や加工液に高周波振動を付加した加工実験を行い，加工抵抗について有効性を検証した．
穴加工実験を行った．加工条件をTable2に示す．工具の1．はじめにセラミックス等の高能率加工法として，高周波（超音運動は11年度と同様に，スピンドル中心をオフセットさ波）振動を付加した研削・切削加工に関して多くの研究開せた遊星回転運動と切りくず排出を考慮したドリルサイ発がなされている（1）（2）．振動を付加する要素としては工クルを組合わせた運動を設定した．

具・被削材・加工液等が考えられるが，工具側に振動を付加する方法が多くを占めている．これは，工具やスピTablei実験条件

ンドルは振動付加に適した設計が可能なためである．
一方，被削材に振動を付加する場合は，被削材の大きさ・形状。材質等の影響で振動させることは難しい．しかし，振動の波長に対して被削材が十分に小さいと限定すれば，形状・材質が多少変化しても振動を付加することは容易である．
そこで，本研究開発では，小型の加工部晶を対象として被削材および加工液に高周波振動を付カロした加工実験を行いその有効性を検証した。
2。実験内容微細加工分野では有効と予想される被削材や加工液に高周波振動を付加する方法について，以下に示す4種類の実験を行った．
①被削材に高周波振動を付加した穴加工（研削）雷被削材に高周波振動を付加した側面加工（研削）忍加工液に高周波振動を付加した穴加工（研削）①加工液に高周波振動を付加した漕加工（切削）これらの実験で使用した共通の条件をTabie呈に示す。
2．1．被削材に高周波振動を付加した穴加エ（研削）Fig．1に被削材に振動を付加する実験装置を示す．平成‖年度の第巨報では工具径2．0−3．Ommの工具での実験を行ったが，12年度は工具径を0．3mmまで微′J＼化し研削
Fig．1被削材に振動を付加する実験装置−64−平成12年度 研究報告 大分県産業科学技術センターに，より強力な振動を発生できるウェルダー用超音波振Table2 加工条件（被削相加振，穴加工）動機器を使用して実験を行った．工具端面の中心とホーン端面の距離は約7mm とし，ホーンの取り付け角度はテーブル面に対して約25度と約40度の条件で穴加工中の研削抵抗を測定した。加工条件および工具の運動はTable2の被削材加振の穴加工条件での工具径0．5mmと0．3mmと同じ条件とした．

2．2．被削榔こ高周波振動を付加した側面加エ（研削）
11年度は加工機テ岬ブル上で振動子を水平に設置してX軸方「頃背分力方向）への振動を付加して実験を行い，研削抵抗の低減は確認されたが，表面粗さに悪影響を与えていた．12年度はFig．2に示すとおり振動子を立Fig．3 加工液に振動を付加する実験装置てた状態でZ軸方向（工具軸方向）に振動を付加して側面加工の実験を行った．加工条件をTable3に示す∴遊星回
2．4．加工液に高周波振動を付加した溝加エ（切削）

転1回転ごとにX軸正方向に切込み（0．005−0．015mm）を行

マシナブルセラミックスに対する横切削加工におけい，研削抵抗を測定した．

る液加振の効果を確認するため，スクエアエンドミルを用いてTable4に示す加工条件で切削加工芙験を行った．
セラミックスはホトベールを使用し，加工条件は県内企業で採用している条件とした．ホーンの取り付けは距離約7mm，角度約30度とした．Fig．4に示すとおり，工具送り方向に対して前後左右の4方向から加工液を加振し研削抵抗の変化を測定した，

Tabie4 加工条件（液加振，溝加工）

切込み
Fig．2側面加工での工具の動き
Table3 加工条件（被削相加振，側面加工）

2．3．加工液に高周波振動を付加した穴加エ（研削）Fig．3 に加工液に振動を付加する実験装置を示す．11
年度は直径2mmの工具に対して，振動子単体を直接液中に設置し，液に振動を付加した場合の穴加工実験を行Fig．4 溝加工での工具の動きと振歓付刀冒方向った．12年度は工具径を0ふ0．5mmに微′j＼化するとともー65−平成12年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

3．実験結果及び考察

砥粒が大きく摩耗し，2つ目の穴加工はほぼ不可能と予想される状態であった．

3・1・被削材に高周波振動を付加した穴加エ（研削）Fig．5に工具径1．Omm穴深さ2．Ommでの送りに対する研Fig．10に慣用加工での工具端面の状態を示す．同加工削抵抗（Y軸方向＝工具半径方軋Z軸方向＝穴加工方向）の条件では，工具径0．3mmで振動を付加しない穴加工は不変化を示す．z軸方向の研削抵抗値で慣用加工の1／3〜1／4可能であった．深さ約40〟m程度進行したところで，急程度の低減が確認され，昨年度の実験結果とほぼ同様の激にZ方向の研削抵抗が増大し，工具端面の砥粒が完全結果を得た．Y軸方向の研削抵抗値も1／3程度に低減されにはがれ落ち，工具軸母材が露出する結果となった．

た．これまでの実験結果と同様に，Z軸方向の研削抵抗︵Z︶霊室道春︵b㌣∈∈N勅疑K

は送り速度が大きいほど振動付加の効果が増大する傾向を示した．

Fig．6に工具径0．5mm穴深さ2mmでの送りに対するX，Y軸方向の研削抵抗の変化を示す．工具径を0．5mmまで小径化すると，Z軸方向の研削抵抗値は，1／3〜1／4程度軽減されたが，Y軸方向の研削抵抗値は大きく軽減されなかー＜ト・Z軸方向研削抵抗（US：none）◆Z軸方向研削抵抗（US：18kHz）萱￣▼￣→rった。

Fig／7に工具径0．3mmでの穴深さに対するZ軸，Y軸方向

0．250．550．4

加工送り速度 （mm／min）の研削抵抗の変化を示す．z軸方向とY軸方向の研削抵︵Z︶霊屋﹁缶詰e㌣裏︼N拙崖K

抗はほぼ同等の値を示した．また，穴深さにかかわらず，
Z軸方軋 Y軸方向とも研削抵抗の値は安定した結果となった．

Fig・8，9に高周波振動付加加工での工具（0．3mm）端面の状態を示す。深さ1mmの穴をl個加工した後の状態は，︵之︶霊宝違賢ePE∈N勅璧K

0．10．250．4
加工送り速度 （mm／min）

工具：電着タナィヤ￠0．5mm／＃200 被削材：アルミナ
主軸回転数：9，000rpm
送り：0．25−0．4mm／min
切込み量：10．0〟m／cycle 速星回転数：160rpm
遊星回転orfset：R＝0．05mm 加工液：Wet

Fig．6 送りと研削抵抗の関係（工具径0．5mm）

− ヽ

0．25

0．50，75

加工送り速度 （mm／min）︵Z︶ 憶題﹁亜志︵5遥索≡芸筈筈．己∈Z拙挺匡

ト榔Y

軸方向研削抵抗（US二n〇ne）

髄1′軸方向研削抵抗（しS：18kHz）0。00．250。50．3

0．50．8

穴深さ（mm）

0．75

加工送り速度 （mm′′mln）

工具：電着タ〜イヤ￠0．3mm／＃200 被削材：アルミナ
主車由回転数：9，000rpm
加工送り速度：0．2m／min
切込み量：5．0〃m／cycle
遊星回転数：160rpm

工具：電着夕■イヤ￠1．Omm佃200 被削材：アルミナ
送り：0．25−0，75m′′′ノmまn主軸回転数二9，000rpm
切込み畳：10．0〃m′ノc）・Cle 遊星回転数：160rpm
遊星回転offset：R＝0．1m 加工液：Wet

遊星回転of了set：R＝0．03mm 加工液こWet

Fig．7 穴深さに対する研削抵抗の変化

Fig．5 送りと研削抵抗の関係（工具径1．Omm）（工具径0。3mm）≠66−平成12年度 研究報告 大分県産業科学技術センター
Fig．11に振動付加加工（工具径0．3mm）による穴入り口の状態を示す．大きなカケもなく良好な状態を示している．

Fig．8 工具端面（0．3mm）・新品工具

Fig．11直径0．3mmの穴入り口の状態

3．2．被削材に高周波振動を付加した側面加エ（研削）被削材に高周波振動を付加した側面加工における，切込みに対するⅩ軸方向研削抵抗とY軸方向研削抵抗をそれぞれFig．12，Fig．13に示す．また，側面の表面粗さの比較をTable5に示す．振幅（P−P）は，出力kve‖では3．5〟m，1eve15では5．4．昆mであった．
X軸方向Y軸方向共に研削抵抗の低減に大きな効果が得られた．切込みが増加するにしたがって振動による研削抵抗軽減の効果も増大した．高周波振動による表面粗さの悪化は認められなかった．
‖年度の結果と合わせて考えると，研削加工におけるFig．9 工具端面（0．3mm）・振動付加加工後

振動効果は，振動方向が被削材表面を垂直に叩く方向の場合，加工抵抗が大幅に低減され，表面粗さが悪化する．
また，振動方向が被削材表面と平行の場合，加工抵抗が低減され，表面粗さは変化なし，となった．加工抵抗の︵三宝室r一票辱互良基貰015ユ0こ）

切込み（／JmノC〉，Cle）⊥具：電着夕、、ィヤd2．Omm′＃200 被削和∵アルミナ

主軸出転数：9，000rpm

切込み：5−15〟m

遊星回転数：10l−Dm

刀口1二液：＼Vet

Fig．10 工具端面（0．3mm）・慣用加工後Fig．12 切込みとⅩ軸方向研削抵抗の関係

ー67−20平成12年度 研究報告 大分県産業科学技術センター︵Z︶
憲史﹁一芝草圧東書 N

05︵N︶長髪道悪痘東恵−150．50

1．001．50

穴深さ（mm）

こ〉

0101520

切込み（〃m′／ノセycle）

工具：電着タ■什￠2．Omm川200 被削材：アルミナ
主軸回転数：9，000TPm
切込み：5−15J上m
遊星回転数：10rpm
加工凍：Wet

工具：電着タ◆ィヤ￠0．5mm／＃200

被削材：アルミナ

主軸回転数：9．000rpm
切込み量：10．0〃m／cycle
遊星回転ofてset：R＝0，05mm

遊星回転数：160rpm
加工液：Wet

送り：0，25mm／min

Fig．14 穴深さとZ軸方向研削抵抗の関係（25度）
Fig．13 切込みとY軸方向研削抵抗の関係︵N︶
遥望忘蔭塵取意Z低減の程度は，振動方向が垂直の場合の方が大きかったが，表面粗さや加工方法の汎用性を考えると，振動方向を平行に設定する方法がより有効であると考えられる．
一般に，振動方向が平行の場合，研削加工では加工抵抗の低減に効果なく，切削加工では，切りくずと刃先の0．51穴深さ（mm）

密着が断続的となり振動効果が大きく現れるといわれて

工具：電着クーィヤ￠0．5m／＃200 被削材：アルミナ
主軸回転数：9．000rpm
送り：0．25mm／血血切込み畳：10．0〃m／cycle 遊星回転数：160rpm
遊星回転ofF5et：R＝0．05mm 加工液：Wet

いる．しかし，本研究では，振動方向が平行の場合でも，切削加工と同様に加工抵抗低減の効果が現れることが明らかとなった．

Fig．15 穴深さとZ軸方向研削抵抗の関係（40度）
table5 加工側面の表面粗さRa（〃m）
振動（kHz）

出力レベル18無の場合，工具径の大きい11年度の結果は，工具径が大き5チョッビング有4．43．94．lチョッビング無3．0

3．2

3．0

いため，振動の効果が工具場面の中心部まで到達できず，また，工具径の小さい12年度の結果は，たとえ工具端面の中心に振動が伝播したとしても，切りくずはそれほど溜まっていなかったと推察できる．

3．3．加工液に高周波振動を付加した穴加エ（研削）3．4．加工液に高周波振動を付加した溝加エ（切削）加工液に高周波振動を付加した穴加工における，穴深加工液に高周波振動を付加した溝加工における，Z方さに対するZ軸方向研削抵抗の変化をFig．14とFig．15に示す。Fig．14は超音波ホーンを水平から25度に設定し，Fig．15は40度に設定したときの研削抵抗の変化である．

・■＞一送り方向（US：none）
・｝■−・送り方向（US：28kHz）

加工抵抗上は有効性が若干認められたが，被削材加振ほ︵三媒慮茶界

どの効果は得られなかった．ホーンの設定角度の違いによる振動効果の変化は確認できなかった．

−○一直角方向（US：none）−◆−直角方向（US：28kHz〉−‡｝−Z軸方向（US：none）♯Z軸方向（しJS：28kHz）

研削加工において，振動を付加する影響は，被削材と工具が小さく衝突し合う効果と，切りくずの排出を促進する効果が考えられるが，液に加振する場合，後者の効果が大きいと考えられる．慣用穴加工の場合，工具径が工具：超硬エンドミルd2m翔 破削材：ホトベール

大きければ工具端面での切りくずが溜まりやすくこの排主軸回転数：9．0001・叩Z切コ込み：0．05−0．15mm

出が加工抵抗に大きく影響し，径が小さければ，切りくずの影響は少ないと考えられることから，振動付加加工

送り：500mm／爪in

加工液：WetFig．16−1切込みと切削抵抗の関係
送り方向に対して前方からの加振−68−平成12年度 研究報告 大分県産業科学技術センター
らの加振の効果がわずかに大きかった．また，切込みが2．5ー0・・・送り方向（US：】10ne）増大すると振動の効果も大きくなるが，被削材加振ほど＋送り方向（US：28kHヱ）−○−直角方向（US：none）−◆一直角方向（US：28kHz）
一口ーZ軸方向（US：none）＋Z軸方向（しJS：28k‖z）

2

芸1・5堪の効果は得られなかった．
後方からの液加振では，逃げ商いすくい面へ振動が加工液を経由して伝播しているとは考えにくいので，液加貰1振により工具自体もわずかに振動し加工抵抗に影響を与0．5えているものと考えられる．
04．まとめ工具：超碩エンドミル￠2m爪 被削材：ホトペール
主軸回転数：9，00DTPm
送り：5001Ⅵ′min
Z切込み：0．05−0∴5mn
加工液：WPt

被削材に高周波振動を付加した加工では，工具を小径化した条件でも，加工能率の向上が十分に期待できる．

Fig．16−2 切込みと切削抵抗の関係

加工液に高周波振動を付加した加工では，クェルダー

送り方向に対して後方からの加振用超音波機器により高周波振動のエネルギーを増大させても，加工抵抗上その効果はわずかである．

−0一送り方向（US：none）
一●一送り方向（US：28k批）

参考文献

一○−直角方向（US：ll凸ne）（1）（社）日本電子機械工業会，超音波工学，コロナ社

言︶媒婁蒜罫

一一直角方向（US：2畠kHヱ）一ローZ軸方向（US：l川ne）＋Z軸方向（US■28kHz）（2）道津ら，精密工学会春季大会講演論文p184D75等

工具．毯硬エンドミル￠2m 妓削材・ホトベール
主軸回転数：9．000r叩
送り：500mm′mln
Z切込み：0．05−0∴5m
加工法：We†Fig．16−3 切込みと切削抵抗の関係
送り方向に対して左からの加振（逃げ面）−く−送り方向圧S：nnne）−■ト一連り方向（US・28kIIz）
含兵豆蓑豆

ゆ直角方向（US：nn11e）−ヰー直角方向（US：2日kH乙）−−0−Z軸方向（US：110ne）♯Z軸方向（US：28kHz）

工具．超碓エンドミル￠2れIm 被削材・ホト／く−一ル
主軸回転数：9，000r叩
送り・500m′′mln
Z切込み・0．05−015mm
加工渡．wetFig．16−4 切込みと切削抵抗の関係
送り方向に対して右からの加振（すくい面）

向の切込みに対する研削抵抗の変化をFig。16−1，2，3，4に示す。送り方向に対して前後左右からの液加振を試みた結果，切込みが0．1mmの場合，左右からの加振より前後かー69−