【江頭 快】論文：硬ぜい材料の微細工具による切削加工

https://www.jstage.jst.go.jp/article/jjspe1986/67/1/67_1_157/_pdf/-char/ja

 

マイクロツールを使用して単結晶シリコンやガラスなどの硬くて脆い材料の切削加工に関する研究について述べています。特に、これらの材料に高アスペクト比の三次元マイクロ形状を加工することを目的とし、マイクロ放電加工によって製作されたD形断面を持つ直径20µmのマイクロツールを採用しました。研究の結果、シリコン上に25µmの深さのスロットが延性モード切削で成功裏に加工され、ガラス上には60µmの深さのスロットが脆性モード切削で加工されました。これは、実験条件下でシリコンとガラスの延性-脆性遷移における臨界切削深さが異なることを示しています。

主要なポイントは以下の通りです：

単結晶シリコン上に25µm深さのスロットと、ガラス上に60µm深さのスロットが加工されたこと。
シリコンでは延性モード切削が実現された一方で、実験条件下のガラスでは脆性モード切削が行われたこと。
与えられた実験条件下でシリコンとガラスの間で臨界切削深さを比較し、シリコンの方が大きい値を示したこと。
この要約は、硬くて脆い材料の加工における革新的なアプローチと得られた重要な結果を強調し、マイクロ加工中の材料特有の挙動についての洞察を提供します。

 

次に行われるべき未解決な課題はなんですか？

文書に基づくと、次に行われるべき未解決な課題は以下のように考えられます：

臨界切削深さのさらなる解明： シリコンとガラスで異なる臨界切削深さが観測されたため、これらの材料での延性-脆性遷移のメカニズムをさらに詳細に解明する必要があります。特に、ガラスの切削では脆性モードが優勢であったことから、どのような条件下で延性モードを実現できるかを探求することが重要です。

材料および加工条件の多様化： 現在の研究では単結晶シリコンとガラスに焦点が当てられていますが、他の硬くて脆い材料に対しても同様の研究を行うことで、一般化された理解を深めることができます。また、異なる加工条件（例えば、工具の速度や形状、加工環境など）を試すことで、より効率的かつ広範な加工戦略を開発することが期待されます。

マイクロツールの最適化： マイクロツール自体の設計と材質選定に関して、さらなる研究が必要です。特に、工具の耐久性と加工精度を向上させるために、異なる材料や設計パラメータを試すことが考えられます。

加工精度と品質の向上： 加工された部品の表面品質や寸法精度をさらに向上させる方法を探ることも重要です。これには、加工プロセスのモニタリングと制御技術の改善が含まれるかもしれません。

これらの課題に取り組むことで、硬くて脆い材料のマイクロ加工技術の理解を深め、より広い応用分野への展開が期待されます。

 

ガラスのどのような条件下で延性モードを実現できるかについて、条件を具体的に提示してください

ガラスの延性モード切削を実現するためには、いくつかの具体的な条件が考慮されるべきです。以下に、これらの条件を提示します：

切削深さの最適化： 延性モード切削を実現するためには、切削深さを適切に小さく設定する必要があります。臨界切削深さを下回る値を選択することで、材料の延性領域での加工が可能になります。

切削速度の調整： 適切な切削速度の選定も重要です。高すぎる速度は熱的影響を増大させ、ガラスの脆性破壊を引き起こす可能性があります。一方で、適切に制御された速度は、熱が局所的に集中し、局所的な軟化を引き起こすことで延性モードを促進することができます。

工具材料と形状： 工具の材料選択と形状設計も切削モードに影響を与えます。ダイヤモンドや超硬材料などの硬い材料製の工具を使用し、刃先の形状を最適化することで、ガラスに対する効果的な切削が可能になります。

環境条件の制御： 加工環境の温度や湿度をコントロールすることも、ガラスの延性モード切削に影響を与える可能性があります。例えば、一定の温度で加工を行うことで、材料の脆性から延性への遷移を促進させることができます。

冷却および潤滑： 適切な冷却と潤滑は、切削中の熱を抑制し、工具と材料の摩擦を減少させることで、延性モードの実現に寄与します。冷却液の選択や供給方法も、最適化の重要な要素です。

これらの条件を組み合わせて調整することで、ガラスの延性モード切削を実現し、加工精度や品質の向上が期待できます。ただし、具体的な条件はガラスの種類や目的とする加工形状によって最適化が必要になります。

 

硬脆材料の延性切削によく使われる工具について教えてください

硬脆材料の延性切削によく使われる工具には、アールバイトや平バイトが含まれます。また、硬さ試験用の圧子、円すい形工具も硬脆材料の延性切削で使用される例が報告されています。これらの工具は、切削点が精密に仕上げられており、微小な切込み量を可能にすることで延性切削の実現が可能になります。しかし、工具全体の寸法が大きいため、微細で深い溝や穴などの創成は困難であるとされています。この問題を解決するために、研究では超硬合金を材料とした直径20μmのエンドミル形状のD形断面微細工具が使用されています。このマイクロツールは、放電加工により製作され、硬脆材料の高アスペクト比な三次元微細形状の加工が目指されています。

 

切削加工を行った試験装置はなんですか？

 

切削加工の実験には微細放電加工機「MG・ED72」（松下電器産業製）が使用されました。この加工機はワイヤ放電研削（WEDG）や型彫放電加工が可能で、XYZの3軸制御が特徴です。各軸の送りの最小単位は0.1μm、送り速度は0.1〜12000mm/sの範囲で設定可能です。加工電極はマンドレルに保持され、V字軸受に固定され、DCモータによって回転駆動されます。マンドレルの回転振れは0.5μm以下となっており、高精度な加工が可能な装置です。

 

次に行うべき課題として、工具材料を変化を確認する場合どのような条件が考えられますか？

工具材料の変化が硬脆材料の切削加工に与える影響を評価するためには、以下のような条件を検討する必要があります：

材料の硬度と耐久性： 工具材料として選択する新しい材料は、現在使用されている超硬合金やダイヤモンドと比較して、十分な硬度と耐摩耗性を持つ必要があります。硬度が高く耐久性のある材料は、精密な切削加工を長時間にわたって維持するのに役立ちます。

切削力と熱の発生： 異なる工具材料は切削力と熱の発生に異なる影響を与える可能性があります。新しい材料がより低い切削力で加工できるか、また加工中に発生する熱が材料の延性にどのように影響するかを評価する必要があります。

表面品質と加工精度： 工具材料の変更が加工された表面の品質や寸法精度にどのような影響を与えるかを検証します。異なる材料が延性モード切削や脆性モード切削にどのように影響するかを評価し、最終的な製品の品質を確保するための最適な材料を選定します。

加工速度とフィードレート： 新しい工具材料を使用することで、加工速度やフィードレートを最適化できる可能性があります。異なる材料でこれらのパラメータを調整し、加工効率と品質のバランスを最適化します。

工具の磨耗率： 新しい材料の工具がどの程度磨耗するかを評価し、磨耗が加工品質に与える影響を把握する必要があります。磨耗率が低い材料は、工具の寿命を延ばし、継続的な高品質な加工を可能にします。

これらの条件を通じて、新しい工具材料が硬脆材料の切削加工に与える影響を包括的に評価し、最適な材料選択と加工条件の設定を行うことが次の課題として考えられます。