大分工業高等専門学校紀要

第 50 号(平成 25 年 11 月)

多孔質チタンの切削特性に関する研究

坂本

裕紀1・安部隼人2

1機械工学科，2大分高専専攻科機械・環境システム工学専攻

チタンは軽量で生体との親和性も高く，近年では生体材料として用いることを目的とした多孔質チタンの研究が行われている．チタンおよび多孔質チタンが広く普及するためには，生産コストの大きさや加工技術の開発等，いくつかの課題を残している．チタンは難削材とされるが，多孔質チタンではより切削の難易度が増す．組織中に多数の孔が形成されるため，純チタンに比べると脆さが増すことが要因として挙げられる．現在，純チタンとチタン合金の切削特性の研究は進んできてはいるものの，多孔質チタンの研究は進んでいない．本研究では多孔質チタンの切削特性を解明するため，振動切削による切削試験を行った．さらに，振動切削によるねじ切り試験を行い，ねじ切りが与える多孔質チタンへの影響を考察した．その結果，振動切削は平均切削力が通常切削より低く，脆性の高い多孔質チタンの切削に期待が持てることが明らかになった．

キーワード : 多孔質チタン，切削特性，振動切削，ねじ切り金の切削特性の研究は進んできてはいるものの，多孔質チ

１．緒言

タンに対する研究は進んでいない．多孔質チタンは生体材
チタンは軽量で生体との親和性も高く，耐熱性・耐腐食性に優れた金属材料として，航空機・化学プラント・潜水料分野での需要が増えてきており，多孔質チタン自体の需要も増えていくと予想される5)．

1,2)艦と用途が多岐に渡る．近年では，生体材料として用い本研究では，多孔質チタンの切削特性の解明のため，振ることを目的とした多孔質チタンの研究が行われている．

動切削による切削試験を行った．各種切削条件における最チタンの生体利用において，チタンを焼結して多孔体とす適性を導き出し，さらに，振動切削によるねじ切り試験をることで弾性係数を人骨に近づけ，気孔に体液が侵入して行ってねじ切りが与える多孔質チタンへの影響や，ねじ切材料と強固に結合することが期待できる(人骨の弾性係数りバイトの工具摩耗等の観点から切削特性を考察した．振3)

17~20Gpa,チタンの弾性係数105~110Gpa) ．すなわち，人動切削は平均切削力が通常切削より低く，幾何学的面粗さ骨に近い生体材料として多孔質チタンはインプラントをが得られるという特徴を有し，脆性の高い多孔質チタンの代表とする骨補填材料として非常に有用である．しかし，切削に期待が持てる．そのため本研究では，多孔質チタンチタンは加工難度が高い難削材である．そのため，チタンの切削特性を明らかにすることで，容易な生産を可能とし，および多孔質チタンが広く普及するためには，生産コスト多孔質チタンの製作にかかるコスト削減を図ることを目の大きさや加工技術の開発等，いくつかの課題を残してい的とした．

る．
チタンは切削時に大きな発熱を伴い，そのため工具刃先に切削物が付着し合金層を生成する．合金層中の金属間化合物は硬くて脆いため4)，容易に剥離して工具形状の変形を引き起こしてしまう．結果，切削表面が悪化し，工具寿命が短くなる．それ故に難削材とされるが，多孔質チタン
では更に切削の難易度が増す．これは，組織中に多数の孔(a)が形成されるため，緻密体の純チタンに比べて脆さが増す
ことが要因として挙げられる．実際に，多孔質チタンの引張・圧縮における破壊形態はFig. 1に示すように，脆性材(b)Fig.1 SEM micrographs of the fracture surface tensile
test (a), and compressive test (b).

料の破壊形態と類似している．現在，純チタンとチタン合―4―

大分工業高等専門学校紀要

第 50 号(平成 25 年 11 月)り，n=270 [rpm]とした．工具のノーズ半径はそれぞれ1，5，２．実験方法

100，1000 [µm]のものを使用し，切込み量はそれぞれ0.05，(1) 供試材および振動切削

0.10，0.15，0.20 [mm]として切削を行い，各切削条件下で供試材として多孔質チタンの丸棒(直径d=17mm，長さ振動切削を行った試験片の精度評価を行い，各条件の違いl=80mm)を使用した．この供試材は，粒径100～125 µmの球状純チタン粉末(TILOP，住友チタニウム，尼崎)を用い，が試験片に与える影響を調べた．評価方法として，表面粗さ測定器(Taylor Hobson Surtronic3+)を用いて算術平均粗さ

SPSシンテックス製パルス通電焼結装置(SPS-3.20 MK-4)にRaと最大高さ粗さRzを測定し，マイクロスコープによる表より焼結を行い製作した．焼結条件は，焼結温度570°C，面観察を行うことで表面粗さの数値の変化や表面状態を昇温18分，保持時間10分，電流750A，電圧2-3V，真空度3-4Pa， 調べ，最適な切削条件を検証した．
そして加圧力は25MPaとし，熱の拡散を防ぐためカーボンフェルトをダイスに巻きつけ，温度は熱電対を用いて測定した．Fig. 2に，製作した多孔質チタン表面の走査型電子顕微鏡（SEM;Scanning Erectoron Microscope）写真を示す．
表面には多孔質体の特徴である気孔が形成され，気孔率は約32 %である．なお，気孔率P[%]の算出については，見か(2) ねじ切り加工
一般的に，歯科インプラントや骨を固定する金属系生体材料にはスクリューが使用される．将来的に，加工した多孔質チタンを実際に骨に埋め込み，多孔質チタンと骨との結合力を調べることを想定すれば，脆性材料である多孔質

けの密度をρ[g/cm3]とし，純チタンの密度4.53[g/cm3]からチタンにねじ切り加工を施すことが可能であるのか検証

次の式を用いた．

を行う必要がある．すなわち多孔質チタンに対して，ねじρ P = 1 − × 100
 4.53 

切り加工という厳しい条件の負荷をかけることで，試験片に与える影響や表面の様子を観察し，切削特性を考察した．
本研究では，試験片の形状から規格M14，ピッチ1のね切削は振動切削によって行った．振動切削が一般的な切じ切り加工を行った．また，医療用としての実用性を優先

削と異なる点は，切削力が連続的にかかるのではなく，断し，切削油を用いないドライ切削を採用した．負荷がかか続的にかかるという点である．これにより，平均切削力がらないよう，安全性を考慮して回転数を83[rpm]として加工通常の切削に比べ大幅に小さくなるため，加工の難しい多を行った．切込み量は0.1mmとして加工するが，溝が深く孔質チタンの切削も可能であると期待される．本研究では， なるに従ってバイトの接触面積が大きくなり，切削抵抗が切り込み量とバイト刃先の二つの条件を変更し，切削に与える影響を検証した．回転数は270rpm，周波数は20 kHzで増加してバイトや試験片が発熱しやすくなる．チタンの酸一定とする．回転数をあらかじめ設定する理由としては，工を行った．加工した試験片の表面観察や強度評価を行い，振動切削そのものの性質による．一般に，振動切削における臨界切削速度Vcは，振動周波数f [Hz]，振動変位a [m]と生体材料としての使用の可能性を検討した．

化や破断を回避するため，試験片の温度に注意しながら加して以下の式で表される．

Vc < 2π ⋅ f ⋅ a
ここで切削速度Vcは，供試材の半径r[mm]，回転数n[rpm]より，

Vc =2π ⋅ r ⋅ n60
Fig.2 SEM micrograph of porous titanium.

であり，整理すると，

2π ⋅ r ⋅ n< 2π ⋅ f ⋅ a60

３．結果および考察

すなわち，n<60 f ⋅ ar(1) 表面観察と最適切削条件各切削条件において実験を行い，その結果を以下に示す．
Table 1，およびTable 2に各切削条件における算術平均粗さとなる．供試材の半径r=8.5 [mm],f=20 [kHz],a=10 [µm]でRaと，最大高さ粗さRz，Fig. 3に各切削条件における表面あるため，これらの数値を代入すると，n≒1400 [rpm]にな状態のSEM写真を示す．実験は全てドライ切削，自動送りる．なお，安全かつ不都合の生じない割合として20%をとで行った．最初に切込み量を変えて切削を行ったところ，―5―大分工業高等専門学校紀要

第 50 号(平成 25 年 11 月)

表面性状は切込み量が0.10 mmの時に最も安定しており，力を生み出すことが期待出来る．生体材料としての利用を切込み量が増加するにつれて最大高さ粗さが増大した．こ

目的としているため，今後はどのようにして表面の純チタ

れは，切込み量が増えることにより摩擦が大きくなり，試ンの粒子を残しながら効率的な切削を行うか検討する．特験片の温度が上昇して構成刃先が生成しやすい状態になに，歯科インプラントに近い直径の多孔質チタンを加工することが考えられる．構成刃先が付着した状態で切削を続ることが今後の課題である．

けると刃先のすくい角が変化するため，切削面の状態は悪焼結された多孔質チタンとサンドペーパーで軽くこすくなり寸法精度が落ちる．また，脱落時に刃先の一部も脱った多孔質チタンの表面を比較すると，表面の純チタンの落する可能性もあるので工具の損傷につながる．これらの粒子は，少しこすっただけで容易に潰れてしまうことが確結果から，多孔質チタンの切削において切込み量を大きく認できた．ねじ切り切削中は，バイトの切り込み深さが大することは，表面粗さと工具刃先の両面に悪影響を及ぼすきくなるにつれて，バイトとワークの接触面積が大きくなと考えられる．

るため，切削抵抗も大きくなる．従って，ねじ山部は，バ工具刃先の影響を検討するため，刃先形状の異なる4種イトの刃先ではない面で押しつぶされるように削られる類のバイトを使用した．ノーズ半径の大きいバイトでは算ため粒子が延びてしまう．ねじ谷部は，バイト刃先の振動術平均粗さが小さくなる結果が得られたが，データのばらが最も大きくかつ安定した部分で削られるため，粒子一つつきが大きく安定しなかった．逆に，ノーズ半径の小さい一つが剥離するように削られることが考えられる．その結バイトでは算術平均粗さが高くなる結果となった．なお，果，ねじ谷部には，純チタンの粒子が形を保ったまま残り，ノーズ半径が大きくなるにつれ工具刃先は丸くなる．刃先

多孔質体の生体利用として求められる表面が得られたとの丸いバイトで算術平均粗さが小さくなる結果を得られ結論付けた．

たのは，多孔質チタンの表面に存在する多くの粒子をまん

ねじ切りによってバイトに構成刃先が生じたが，ねじ切べんなく押しつけるように切削していると考えられる．刃り加工では切り込み量が大きくなるため，摩擦も大きくな先が小さければまんべんなく押しつけることが出来ない

る．それにより熱が発生し，構成刃先が生成されたと考えため，一部の粒子が剥離して表面粗さの増大につながる．

られる．今後はバイト刃先の状態が加工表面に及ぼす影響

しかしながら，刃先が丸くなって接地面が大きくなり，熱を検討する必要がある．また，ねじ切り加工を施した多孔を発しやすくなるために構成刃先が生成しやすく表面性質チタンを擬似体液やフッ化物溶液に浸漬し，アパタイト状に影響を及ぼすことが考えられる．したがって，本研究生成や腐食の観点から表面状態を観察すると同時に，引張で得られた実験結果から，工具のノーズ半径は5µm~100µm試験や疲労試験など力学的試験を行い，実用性を評価するの範囲内が良いと判断した．

ことが必要である．

刃物台の角度，振動の有無，切削油の有無を変更し比較した結果，多孔質チタンの表面性状に与える影響が大きい
Table 1 Calculated average roughness (Ra) of porous titanium

要因は次の通りになった．

by various cutting conditions.
振動の有無＞切削油の有無＞刃物台の角度(2) ねじ切り加工
Fig.4にねじ切りを施した多孔質チタン，Fig.5にねじ山

Cut depth (mm)

0.05

0.1

0.15

0.2

Nose

1

2.52

2.50

2.82

2.94

radius

5

1.98

2.10

2.00

1.98(µm)

100

2.20

2.22

2.28

2.28

1000

1.88

1.30

1.48

1.16

および谷のSEM写真を示す．Fig.4より，本研究における切削条件において多孔質チタンを欠損させることなくねじ切り加工が行えたことが分かる．多孔質チタンは脆性材料

Table 2 Maximum heights (Rz) of porous titanium by variousであるため，切削中の負荷により容易に欠損してしまうが,cutting conditions.

振動切削を用いることによりそのリスク軽減に繋がることが示唆された．Fig.5に示すねじ山のSEM写真より，純チCut depth (mm)

0.05

Nose1

11.5

タンの粒子が切削の際に潰れて表面を覆っていることがradius510.7分かる．これは，切削することにより表面状態が緻密体と(µm)

1008.88.4

9.2

8.7

1000

12.1

8.7

11.0

9.2

同じ状態になり，多孔質体としての特性を活かすことが出来ない．しかし，ねじ谷部のSEM写真では，表面上に純チタンの粒子を確認することが出来る．表面に純チタンの粒子を残すことによって体液が多孔質チタンに浸透しやすくなり，アパタイト生成量を増やして骨との間に強い結合―6―

0.1

0.15

0.2

11.5

19.0

17.7

11.9

11.4

10.7

大分工業高等専門学校紀要

第 50 号(平成 25 年 11 月)

４．結言

(b)

(a)

SPSにより焼結した多孔質チタンを，超音波発生器を用いた振動切削によって各種条件下で切削した．表面粗さの評価を行うことで，難削材である多孔質チタンの切削にお100µm100µmける良好な切削条件を検証した．また，生体材料としての使用を想定し，ねじ切り加工を行って表面状態の検証を行(c)

った．

(d)

本研究で得られた結果を以下に示す．

１）振動切削では，設定条件により非常に結果が変動する
100µm

ため，工具選定や取り付け位置等が強く影響する．多孔質100µm

チタンの切削においては，切り込み量0.1mmのとき算術平均粗さ，最大高さ粗さともに安定する．また，バイトのノ

Fig.3 The cutting surfaces of porous titanium by various nose

ーズ半径の大きさが表面性状に大きく影響し，radiuses. : a) 1µm, b) 5µm, c) 100µm, d) 1000µm. (Cut depth is

5µm~100µmの範囲内が表面粗さの減少に効果的である

all 0.1 mm)

ことが分かった．多孔質チタンの切削においては，切り込み量や刃先形状などは一般的に行われる切削の条件に準拠する．今後は，多孔質チタンの切削に適したバイト刃先の選定や，シャンクの設計などの面から研究する必要がある．

２）本研究における切削条件において，多孔質チタンのねじ切り加工が可能であることが示唆された．また，ねじ谷部の切削面にチタン粒子を潰さず残すことが出来た．その要因の一つとして，安定した強い振動で切削を行うことがFig.4 The screw-thread cutting of porous titanium.

不可欠であると分かった．

３）ねじ切り加工により得られたデータをもとに，切削面に純チタンの粒を残す方法の確立が，今後の課題として挙げられる．また，回転数や送り速度等，さらに細かく条件を変更して検証を行う必要がある．

５．参考文献1)大久保健児：金属チタンとその応用，日刊工業新聞社，
pp41-301，（1983）(a)2)Asaoka K，Kuwayama N:Mechanical properties and(b)biomechanical compatibility of porous titanium fordental implants ， J ． Biomed ． Mater ． Res ， 19,
pp699-713,(1985)

3)Billotte W.G:Ceramic biomaterials,in:The Biomedical

500µm

500µm

Engineering Handlbook.Bronzino J.D,ed.2ndedn，CRC
Press LLC,FL,pp.38-111,(2000)
4)星光一，星鐵太郎：改定金属切削技術，株式会社工業調

Fig.5 Screw ridge (a) and screw groove (b) of porous
titanium.

査会，pp10-17，（1969）5)丹波滋郎：人工骨用生体材料の現状と将来展望

第1版，

まてりあ，pp186-192，（2004）(2013.9.30 受付)―7―