https://www.connectedpapers.com/main/12d183d7c5fa019f1a8c2ecb4e84c56c40fc55f7/Review-of-ductile-machining-and-ductile%20brittle-transition-characterization-mechanisms-in-precision%2Fultraprecision-turning%2C-milling-and-grinding-of-brittle-materials/graph

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0141635924000485

 

概要

脆性材料は、光学・半導体・電子・医療産業において応用されている。産業上の要求を満たすためには優れた表面品質が求められ、その実現には延性モード加工（DMM：Ductile Mode Machining）が必要とされる。DMMにより、これらの材料を延性モードで小規模に加工でき、ナノ／サブナノメートルレベルの表面仕上げを得ることができるうえ、下地層の損傷もほとんど、あるいはまったく生じない。その結果、中間的な研磨工程の必要性を最小限に抑えることが可能になる。
DMMは高精度／超高精度の旋削、フライス、研削プロセスで実現できる。これらのプロセスでは、脆性材料に延性モードと脆性モードが誘起される可能性があり、その切り替わりは適切な延性-脆性転移（DBT：Ductile-Brittle Transition）のメカニズムを用いることで信頼性をもって特徴づけることができる。脆性材料を延性モードで加工するにあたっては、適切なDBTメカニズムを適用することが課題となる。
研究者らは、脆性材料のDMMにおけるDBT特性を評価するために、さまざまなDBTの評価メカニズムを構築してきた。本論文ではまず、これらの加工プロセスにおいてDMMを実現するための材料除去メカニズムや工程パラメータ／条件について概説する。次に、脆性材料の加工においてDBTを評価するために活用される多様なメカニズムと加工条件を批判的に要約する。さらに、提案されたDBT評価手法が直面する技術的課題を論じ、脆性材料のDMMに向けた統合的なDBTモデルを構築する際に考慮すべき重要なパラメータを将来の研究課題として提示する。最後に、この論文は光学、半導体、電子、バイオマテリアルの高品質部品を製造するための高精度加工に携わる研究者、科学者、メーカーにとって、高度な技術的リソースとなることを示している。

 

本文

1. Introduction（導入）
脆性材料は主に半導体、セラミックス、ガラスで構成されており、近年では光学、半導体、電子、医療産業でますます利用されるようになってきた。光学・半導体・電子産業では、光学的高調波発生用レンズ、熱画像システム用の光学部品、集積回路チップ、マイクロエレクトロメカニカルシステム、ポケット型電気光学スイッチ、周波数変換結晶などに好んで用いられている[1]。医療産業においては、インプラント、入れ歯、クラウン、ブリッジ、ベニアなどに使用されている[2]。これらの材料が各産業で使用される前に、高品質の表面仕上げがきわめて重要となる[1,2]。求められる表面品質を達成するには、加工後の表面に亀裂がなく、下地層の損傷がごく僅か、あるいは全くない状態が必要である。硬度が高く脆い性質をもつこれらの材料では、通常の旋削やフライス、研削による加工では脆性破壊を伴う除去プロセスが起こるため、必要とされる表面品質を実現することが困難である。しかし、非従来型の精密／超精密な旋削・フライス・研削加工を行うことで、高い表面品質を得ることが可能となる。

脆性材料の精密／超精密旋削、フライス、研削加工において生成される表面品質は、表面および下地層の損傷を評価するための各種計測機器や装置によって特徴づけられる[3]。2次元および3次元の表面粗さやうねり、未処理パラメータ（unfiltered parameters）などといった表面形状プロファイルは、表面形状測定器、SEM、AFM、白色干渉計、3D共焦点レーザースキャニング、走査型プローブ顕微鏡などを用いて評価される。また、TEM（透過型電子顕微鏡）によって加工後の脆性材料の下地層状態を観察し、XRD（X線回折）やラマン分光によって相変化を解析できる。従来型および非従来型の加工法で加工された光学ガラスなどの脆性材料の典型的な加工表面は、図1に示される。これらの加工表面は、脆性モード、部分的延性モード、完全な延性モードの3つに分類される[4]。通常の加工法を脆性材料に適用した場合（図1(a)）は、その延性・靭性が低いため、高い力を受けると破壊が起こり、いわゆる脆性モードが発生する。

脆性材料は、その原子間結合力によって決まる[5]。この結合力が臨界的な引張応力を超えると、単結晶あるいは多結晶の脆性材料において、それぞれ特定のき裂進展面や結晶粒間／粒内破壊面に沿って亀裂が進行する[1]。図1(c)は、脆性材料の精密／マイクロ加工時に得られる、破壊と延性両方の特徴をあわせ持つ表面の典型例を示している。一方で、図1(c)には超精密加工により得られる、完全に延性状態の表面も描かれている。また、加工に起因する下地層（サブサーフェス）の形態は、延性モードおよび脆性モードでの材料除去を区別する上で重要な役割を担う。図2に示すように、亜セレン化亜鉛（ZnSe）セラミックスなどの脆性材料では、階段状（脆性モード）の亀裂面、マイクロピット（部分延性モード）の亀裂、すべり面（延性モード）といった典型的な破壊面が観察される[6]。さらに、脆性材料の亀裂のない下地層は、図2に示されるように弾塑性領域内で生じる完全塑性変形活動と関連している。下地層の欠陥としては、アモルファス化[7]、ナノボイド[8]、ナノ結晶のずれ[9]などがあり、これらが互いに連結・成長して最終的に中央亀裂、放射状亀裂、側方亀裂へと発展する。

エンジニアリング分野における脆性材料の光学、半導体、電子、医療部品では、表面に亀裂がなく、かつ下地層損傷がほとんどないことが求められる。そのような表面は延性モード加工（DMM：Ductile Mode Machining）プロセスによって実現可能である。DMMは、脆性材料の延性領域で小規模に材料を除去する手法を指し、広範囲のマイクロ亀裂を最小限に抑える[10,11]。これは送り速度、臨界切り込み深さ、工具形状の相互作用によって亀裂の発生が決定づけられることを意味する。工具先端付近で、適用する切り込み深さがある閾値より低い場合にのみ、純粋な延性加工が継続する。

したがって、単刃／多刃の切削工具を用いて、脆性材料を延性流動によって除去し、欠陥のない表面を得ることが可能だと考えられる[12]。脆性材料におけるDMM加工の実施にあたっては、高い精度と剛性を備えたサーボ機構の工作機械を用い、切削流体の有無にかかわらず、臨界切り込み深さで加工を行うことが必要になる[13]。脆性材料でDMMが達成されると、ナノメートル級の表面粗さが得られ、表面および下地層の損傷はほぼゼロに近づき、その後の研磨工程をほとんど要しない。脆性材料のDMMは、精密／超精密な旋削、フライス、研削の各プロセスで実現可能である。精密／超精密旋削プロセスでは、単刃切削工具を用いて超精密旋盤で加工を行うため、これを単点加工プロセス（SPMP: Single Point Machining Process）とも呼ぶ。脆性材料のDMMを生み出す方法としては、ダイヤモンドや立方晶窒化ホウ素（CBN）の工具による単点／超精密旋削が一般的に用いられている[14]。さらに、精密／超精密フライスおよび研削工程では、非常に細かな砥粒や刃先をもつ切削工具を使用し、精密マイクロフライス加工、精密／マイクログラインディング、超精密研削などが行われ、いずれも一部の文献ではマイクロ／メソ仕上げ（MMP: Micro/Meso finishing Processes）と呼ばれている。

また、加工によって誘起される相変態も重要である。マイクロスケールでの相変態は、切削工程中に亀裂を生じさせる要因となる[15]。この点に関する最初の仮説は、Bifanoら[15]による研究で提示された。彼らは、硬度や脆さが異なるさまざまな脆性材料を研削した実験結果から、「ある臨界切り込み深さを超えると、すべての材料が延性から脆性への加工モード転移（DBT: Ductile-Brittle Transition）を起こす」という結論を示した。つまり、この臨界切り込み深さ以下では亀裂成長に必要なエネルギーが延性変形に必要なエネルギーを上回るため、延性変形が優先するということである。2番目の仮説として、「“緩和（gentle）”な加工で得られる応力活性化型の延性変形は、臨界切り込み深さのみが要因ではない」という説も報告されている[16]。変形（弾性的／延性的）や破壊は応力状態に依存するのであって、応力の大きさそのものだけで変形モードが変化するとは考えにくいという指摘がある。研究によって、脆性材料が延性変形を起こすためには高い静水圧応力や温度条件が必要だと示唆されている[17]。切り込み深さを減らすだけでは応力状態は保ったまま応力の大きさを下げることになり、結果として小さな切り込み深さで優れた表面品質が得られるのは、必ずしも切り込み深さだけでなく応力状態の影響が大きいということである。より浅い切り込み深さでもマイクロクラックは生じ得るが、応力状態によってはそれが成長しない場合がある。この仮説は、Griffonら[18]がガラスのDMM中に砥粒が材料に衝突して発生した局所的熱集中により、切刃近傍に高い熱圧縮応力が生じ、切り込み領域内で局所的な熱塑性変形が誘起されたと報告した結果とも一致する。また、極めて小さな荷重と切り込み深さ、さらにゼロ／ネガティブレーキ角を組み合わせた高い静水圧条件下では、常温で脆性材料が延性変形を起こす可能性が高まることも示されている[19]。例えば、真っすぐな刃先をもち、サイド切れ角が大きい工具を用いてシリコン（Si）を0 MPaと400 MPaの圧力下で切削実験を行ったところ、0 MPaでは顕著な破壊損傷が観察されたものの、400 MPaでは損傷が最小限で滑らかな溝が確認された[19]。最近の研究では、研削ホイールの砥粒サイズがGaN（窒化ガリウム）のDMMに大きく影響し、より小さい砥粒サイズの方がDMMの実現に有利であることが示されている[20]。

脆性材料では、精密／超精密な旋削、フライス、研削プロセスの中で、延性モードと脆性モードが同時に発現する場合がある。しかし、工具形状や加工パラメータ、加工条件を適切に調整して、延性‐脆性転移（DBT）を評価・モデル化する手法を用いれば、両モード間の移行を制御することが可能である。したがって、本稿が焦点を当てる課題は、既存のDBT評価メカニズムをどのように脆性材料に適用して評価・解析するかという点にある。また、これまでにもSi[21,22]、石英[23]、ガラス[24]などのDMM加工特性に関するレビュー論文がいくつか発表されてきた。

動的特性の研究 [25,26]、DMM（Ductile Mode Machining：延性モード加工）の概説 [27]、超精密加工技術を用いた小型化デバイスへの応用 [1,4]、および極限加工における脆性‐延性転移 [28] に関する研究は数多く行われてきた。しかし、脆性材料の精密／超精密旋削、フライス、研削プロセスにおけるDBT（Ductile-Brittle Transition：延性‐脆性転移）の評価メカニズムだけに着目した、包括的なレビュー論文はこれまで存在しなかった。本稿は、この研究上の空白を埋めることを目的とし、シリコン（Si）、ジルコニア（ZrO2）、ゲルマニウム（Ge）、炭化タングステン（WC）、ガラス、イットリウムアルミニウムガーネット（YAG）、GaN、ガリウムガドリニウムガーネット（GGG）、および亜セレン化亜鉛（ZnSe）などを対象とした精密／超精密旋削、フライス、研削加工プロセスにおけるDBT評価メカニズムを、批判的かつ網羅的に総括する。本論文で提供される技術情報は、光学、半導体、エレクトロニクス、バイオマテリアル分野で高品質部品の製造に携わる研究者、科学者、メーカーにとって非常に有益であろう。本稿は、DMMとDBTに関する最新動向を詳述することで、高品質部品の生産に役立つ知見を提供する。

以上を踏まえ、本レビュー論文の残りの構成は以下のとおりである。まず、第2章では、脆性材料における材料除去メカニズムおよび、精密／超精密旋削、フライス、研削プロセスの加工パラメータや条件について詳細に論じる。次に、第3章では、これらの脆性材料に対してDMMを念頭に置いた状態で、最新のDBT評価研究事例を提示する。第4章では、精密／超精密旋削、フライス、研削におけるDBT評価メカニズムを批判的に論じるとともに、ハイブリッドプロセスや、DBTモデルを統合的に確立するうえで注目すべきパラメータについても検討する。そして、第5章において、本論文のまとめと今後の展望を示すことによって結論とする。

2. Precision/ultraprecision turning, milling and grinding processes
2.1. Precision/ultraprecision turning process
精密／超精密旋削（あるいはSMPP：Single Point Machining Process）は、非球面レンズや非回転対称形状の製作を目的として広く確立された技術である[29]。これは単一点切削工具を用いた加工技術であり、軸受スピンドルと空気軸受を備えた高精度な工作機械上で加工を行うことで、サブナノメートルの表面粗さを持つ部品を製造できる。切削工具は、単結晶あるいは多結晶ダイヤモンド[30,31]、またはCBN（立方晶窒化ホウ素）[32]などが用いられる。

脆性材料に対するSMPPの研究は数多く行われてきた。単結晶Siや多結晶Siでは、ネガティブレーキ角付き、単結晶ダイヤモンドの単一点工具を超精密旋盤に装着し、工具先端の半径を0.5〜1 mm程度とすることで、1 µm以下の切り込み深さを実現し、サブナノメートル級の表面粗さを示す研究報告がある[33–40]。しかし、Venkateshら[41]は、ダイヤモンド工具（先端角度0°、0.75 mm先端半径、切り込み深さ1 µm、切削速度400 m/min、送り量0.4 mm/rev）を用いてナノメートルオーダーの表面粗さが得られることを明らかにした。同じ研究でFangとVenkatesh[42]は、SMPPで加工したSi表面がRa = 1 nm程度の粗さを示すことを報告している（切り込み深さ1 µm、送り0.4 mm/rev、切削速度400 m/min、レーキ角0°）。図3にその例が示されている。彼らの報告によれば、このレベルの表面粗さは、脆性破壊が発生する閾値より下で切削が行われた結果、下地層に損傷が生じなかったことを示唆している。また同じ切削条件下で、レーキ角を-25°にした工具を用いた場合は、生成された表面品質が劣化することがわかった。著者らは、レーキ角0°のダイヤモンド工具と切り込み深さより大きな刃先半径の組み合わせが、「実質的なネガティブレーキ角」を形成し、高い静水圧応力を生じさせることでDMMを実現していると結論づけた。一方、-25°のレーキ角をもつ工具では、実質的にさらに大きなネガティブレーキ角をとることになり、表面品質に悪影響を及ぼしたという。

図3は、PattenとGao [43] による追試実験で確認された結果を示している。彼らはシリコンを対象に、-45°のすくい角と5°の逃げ角をもつ工具を用いて切削実験を行い、切り込み深さが大きくなるほど脆性破壊が大きくなる傾向を再度検証した。クリアランス面を用いて切削すると実質的に大きなネガティブすくい角が生じることから、クリアランス面で切削した場合、工具の有効すくい角がよりネガティブ方向へ寄与するという。

しかし、脆性材料をネガティブなクリアランス面で切削すると、極端に大きなネガティブ有効すくい角が生じ、プラウ（犂）作用が発生する可能性がある。これを実証するために、単結晶ダイヤモンド工具（先端半径0.5 mm、すくい角0°、逃げ角80°、刃先半径110 nm）を用い、切削速度90 m/minの一定条件でタップ切削実験を行った。その結果、すくい角0°で閾値より浅い切り込み深さにおいては滑らかなシリコン表面が得られたが、クリアランス面を逆向きに用いて有効すくい角が-80°となる条件下では、閾値より浅い5 nmの切り込み深さでも破壊は発生しなかったものの、大きな擦り傷が生じ、プラウ形成が示唆された。

単結晶炭化ケイ素（SiC）の延性モード加工（DMM）に関するさらなる研究では、-45°または0°の有効すくい角をもつ単一点ダイヤモンド工具を用いた結果が報告されており、先行研究[42,44]と概ね一致する知見が得られている。また、-45°の有効すくい角をもつ工具で切り込み深さを100 nmに設定すると、延性表面が得られ、表面粗さが改善されたことから、すくい角が0°以下であることを示唆している[45]。

既存の研究から推察すると、単点加工プロセス（SPMP）で脆性材料を延性モード加工するには、すくい角が0°またはネガティブであること、および適切な加工条件が必要となるようだ。しかし、大きなネガティブすくい角を用いると、下地層変形領域が大きくなり、DMMには不利となる可能性がある[45]。さらに、SPMPの技術は、実際の工業生産に大規模に適用されているわけではない。その理由としては、工具の運動連動原理が工作機械の運動誤差に対して非常に敏感であり、臨界切り込み深さ以下の切り込み深さを安定して維持するのが難しいためである[46,47]。この課題を克服するため、負圧を利用したフライングカッティングツール技術が開発された[24,47]。

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### 2.2. Precision milling（精密フライス加工）

精密フライス加工は、マイクロミリング技術によって実現される。マイクロミリングは、金属合金、複合材料、高分子材料、セラミックスなどから材料を除去するマイクロファブリケーション技術であり、サブミクロンレベルの寸法精度を持つ部品や微細構造の製造を可能にする。マイクロミルは通常、超微粒子サイズの超硬（WC）工具を用い、サブミクロンオーダーの工具径で材料を切削する。このプロセスは柔軟性が高く、3次元の複雑な微細形状を高い表面品質で短時間に加工する手段として有用である[48]。さらに、製造工程中に部品の品質を随時管理できるため、個々の部品を効率的に製造する上でも適している[49]。

マイクロミリングは、工具サイズの次元が従来のフライス加工と大きく異なるため、従来のフライス加工とは本質的に異なる特徴をもつ。具体的には、従来のフライス加工に比べて「切り込み深さ／工具直径の比率」が大きくなる傾向があり、工具の切り込み量も相対的に大きくなる[50]。これに伴って切りくず形成の挙動も両プロセスで異なる。マイクロミリングでは、送り速度と切り込み深さが工具の刃先半径と同程度に小さいため、脆性材料においては「最小無変形切りくず厚さ（t_u）」を超えたときにのみ延性モードの切りくず形成が起こるとされる。t_u は切刃半径や被削材の種類によって変化し、Filizら[51]は工具刃先半径の5〜38%に相当すると提案している。加えて、t_u はマイクロエンドミル加工中の推力成分（全切削力の一部）が瞬間的に変化することで求められる場合もある[52]。この力の変化は、切り込み深さが増加するに従って、「すべり力が支配的な状態」から「せん断力が支配的な状態」へ移行する転換点に由来する。さらに、工具‐無変形切りくず間の摩擦角（β）と刃先半径（R_e）を用いて、次式のようにt_u を解析的に求める式が提案されている[53]。

\[
t_u = R_e \left[1 – \cos\left(\frac{\pi}{4} – \frac{\beta}{2}\right)\right]
\]

マイクロミリングでは、異なる被削材に対応するために小型化したマイクロ切削工具を用いる。たとえば、Suzukiら[54]は、多刃構造と溝、研磨されたすくい面を有する多結晶ダイヤモンド（PCD）製のマイクロミリング工具を開発した（図4）。これらの工具はマイクロ非球面金型やバインダレスWCダイスのマイクロミリングに使用され、各工具の刃先半径は約15 nm程度だった。しかし、このPCDマイクロミリング工具には六方晶PCDの別工具もワイヤ放電加工（EDM）によって製作され（図5参照）、AXZ3051ナノミリングセンタを用いた試験（送り量0.2 µm／刃、切り込み深さ1 µm、加工長さ1.5 mm、被削材はWC）では、工具の半径方向および軸方向の両方で摩耗が確認されたものの、表面粗さはRa 4 nm（半径方向）、PV 27 nm（同）、Ra 7 nm（軸方向）、PV 51 nm（同）という結果が得られた。

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### 2.3. Precision grinding（精密研削）

精密研削とマイクログラインディングのプロセスは類似しており、しばしば併用可能である。マイクログラインディングは脆性材料に適用される微細材料除去プロセスであり、下地層損傷を最小限に抑えつつ高品質な表面仕上げを得ることができる。材料除去量がごく少量の加工では、マイクログラインディングの重要性がとりわけ高まる[56]。無変形切りくず厚さが1 µm程度、あるいはそれ以下の「原子加工単位」に近い領域になると、被削材と工具の接触面で生じるせん断応力が急激に大きくなり、工具が高速で摩耗しやすくなる。そのため、このような原子オーダーの加工領域では、材料が欠陥のない状態（defect-free）のように振る舞い、原子

微細な切りくず除去を伴うミクロ研削では、材料の結合強度が理論的なせん断強度に近づくため、工具の切れ刃で大きな接着結合力が発生することがある[57,58]。しかし、微細砥粒が単一の切削刃として作用するミクロ研削プロセス（図6）では、この現象が顕著に現れる。ミクロ研削では、微細砥粒が工作物表面に対して局所的に働き、切りくずを徐々に除去する。一方で、切削工具の刃先は非常に高温・高圧の環境にさらされ、蓄積された弾性エネルギーを解放するため、急速に摩耗してしまう。この摩耗プロセスでは、砥粒が研削面をランダムに削るため、切れ刃の形状もランダムに変化する。したがって、研削された表面は、ピーク（凸部）とバレー（凹部）のランダムな分布を持つことになり、同じ砥粒サイズであっても、異なる切削エッジが研削を行う可能性が生じる。

脆性材料のミクロ研削では、材料除去メカニズムが延性破壊と脆性破壊の2つに分類される[14]。脆性破壊は、硬いインデンター（圧子）が脆性材料に押し込まれることによって発生する現象と類似しており、この過程では、側方（L）および放射状／中央（R）亀裂が関与する（図7）[59]。

側方および放射状／中央亀裂の形成は、それぞれ材料の除去と強度の劣化に関与する。側方亀裂の形成は、個々の砥粒にかかる負荷条件、および工作物の柔軟性と強度によって決定される。一方、放射状／中央亀裂は、塑性変形ゾーンの底部で負荷サイクルの最中に発生する。残留応力によるクラスター的な応力解放と相まって、これらの亀裂は側方亀裂の成長の駆動力となる[60–65]。側方亀裂は、塑性変形ゾーンの側部から発生し、圧縮変形された領域の下方へ進行することで、工作物の表面から除去され、材料除去に寄与する。

さらに、延性変形メカニズムは、金属研削における切りくず形成プロセス（スクラッチ、切削、破砕）と類似している[59]。したがって、ミクロ研削では、大きな塑性変形を伴いながら脆性材料を加工することで、中間的な研磨プロセスを不要とし、ナノ／サブナノスケールの表面仕上げを実現できる（図6）。これは、研磨と従来型の研削の中間に位置するプロセスであり、砥粒サイズが1〜9 µmで、研削速度が0.001〜0.1 mm³/mm·sの範囲にある場合に最適な手法とされている（図8）[9]。

一方、従来の研削プロセスでは、より高い材料除去率が求められるが、脆性材料の破壊を引き起こすリスクも高まる。特に、側方亀裂の発生リスクが高まることが懸念される。

脆性材料のミクロ研削プロセスでは、表面品質を向上させるために、より長い研削時間が必要とされる。例えば、従来型研削と比較して、研磨時間を50%短縮することで、光学部品の表面品質が向上したという報告がある。GaoとVenkatesh[61]は、光学部品の表面品質の向上に関して、研削時間を90%から50%に短縮することで、最終的な表面品質が85%向上したことを示している。

 

メモ

脆性材料は、その原子間結合力によって決まる[5]。この結合力が臨界的な引張応力を超えると、単結晶あるいは多結晶の脆性材料において、それぞれ特定のき裂進展面や結晶粒間／粒内破壊面に沿って亀裂が進行する[1]。

この文章は、脆性材料の破壊メカニズムについて説明しています。簡単に言うと、脆性材料の強度は原子間の結合力によって決まっており、その結合力を超える引張応力がかかると、材料が破壊されるということを述べています。

解釈のポイント
脆性材料の強度は原子間結合力に依存する

材料は、原子同士が結びつくことで成り立っています。この結びつきを「原子間結合」と呼びます。
例えば、ダイヤモンドのように強い結合を持つ材料は硬いですが、一方で割れやすい（脆い）性質を持つことがあります。
臨界的な引張応力（クリティカルテンションストレス）を超えると破壊が始まる

材料に外力が加わると、その内部に応力（力の分布）が生じます。
特に引張応力（材料を引き伸ばそうとする力）が材料の結合強度を超えると、原子同士の結びつきが壊れ、破壊が始まります。
破壊の進行パターン

単結晶材料（例：シリコン、サファイア）では、特定のき裂進展面（クリーブ面、結晶の割れやすい面）に沿って亀裂が進む。
多結晶材料（例：セラミックス、ガラス）では、亀裂が**結晶粒の境界（粒界）や結晶内部（粒内）**に沿って進行する。
具体例
単結晶のシリコンウェハを割ると、特定の方向に沿ってパキッと割れる（き裂進展面に沿った破壊）。
ガラスを割ると、亀裂が不規則に広がる（結晶粒を持たないアモルファス構造のため）。
まとめ
この文章は、脆性材料の破壊が「原子レベルの結合力を超える引張応力」によって起こり、単結晶と多結晶で亀裂の進行パターンが異なることを説明しています。

 

 

 

下地層の欠陥としては、アモルファス化[7]、ナノボイド[8]、ナノ結晶のずれ[9]などがあり、これらが互いに連結・成長して最終的に中央亀裂、放射状亀裂、側方亀裂へと発展する。

脆性材料でDMMが達成されると、ナノメートル級の表面粗さが得られ、表面および下地層の損傷はほぼゼロに近づき、その後の研磨工程をほとんど要しない。

精密／超精密旋削プロセスでは、単刃切削工具を用いて超精密旋盤で加工を行うため、これを単点加工プロセス（SPMP: Single Point Machining Process）とも呼ぶ

変形（弾性的／延性的）や破壊は応力状態に依存するのであって、応力の大きさそのものだけで変形モードが変化するとは考えにくいという指摘がある。

切り込み深さを減らすだけでは応力状態は保ったまま応力の大きさを下げることになり、結果として小さな切り込み深さで優れた表面品質が得られるのは、必ずしも切り込み深さだけでなく応力状態の影響が大きいということである。より浅い切り込み深さでもマイクロクラックは生じ得るが、応力状態によってはそれが成長しない場合がある。この仮説は、Griffonら[18]がガラスのDMM中に砥粒が材料に衝突して発生した局所的熱集中により、切刃近傍に高い熱圧縮応力が生じ、切り込み領域内で局所的な熱塑性変形が誘起されたと報告した結果とも一致する。また、極めて小さな荷重と切り込み深さ、さらにゼロ／ネガティブレーキ角を組み合わせた高い静水圧条件下では、常温で脆性材料が延性変形を起こす可能性が高まることも示されている[19]。例えば、真っすぐな刃先をもち、サイド切れ角が大きい工具を用いてシリコン（Si）を0 MPaと400 MPaの圧力下で切削実験を行ったところ、0 MPaでは顕著な破壊損傷が観察されたものの、400 MPaでは損傷が最小限で滑らかな溝が確認された[19]。

下地層とは

「下地層」とは、加工によって表面の直下に生じる領域のことを指します。具体的には、切削や研削などの加工工程で、表面に現れる加工痕だけでなく、そのすぐ下にある微細な構造や組織の変化、変形、あるいは損傷などが起こる部分を意味します。

例えば、脆性材料の延性モード加工（Ductile Mode Machining：DMM）の場合、加工中に発生する応力や温度の影響により、表面だけでなくその直下の層においても、アモルファス化、ナノ結晶の変形、微小亀裂の発生などが見られることがあります。これらは、製品の最終的な性能や信頼性に大きな影響を及ぼすため、下地層の状態を適切に評価し、制御することが重要です。

 

 

著者らは、レーキ角0°のダイヤモンド工具と切り込み深さより大きな刃先半径の組み合わせが、「実質的なネガティブレーキ角」を形成し、高い静水圧応力を生じさせることでDMMを実現していると結論づけた。一方、-25°のレーキ角をもつ工具では、実質的にさらに大きなネガティブレーキ角をとることになり、表面品質に悪影響を及ぼしたという。

クリアランス面とは

**クリアランス面（clearance face）**とは、切削工具のうち、切刃（切り先）から後方に続く工具表面のことです。日本語では「逃げ面」と呼ばれることもあります。

役割
切削加工時に、工具が工作物の表面と余分に接触してしまうと摩擦が増え、熱や振動、工具摩耗が大きくなってしまいます。クリアランス面は、工具と工作物が必要以上に当たらないように角度をつけて削ってあり、加工面との接触を減らしてスムーズな切削を行えるようにする面です。

関連する角度：クリアランス角
クリアランス面が工作物と成す角度のことを「逃げ角」や「クリアランス角」と呼びます。この角度が小さすぎると工作物との不必要な接触が増え、大きすぎると工具強度が下がってしまうため、適切な角度の設定が重要です。

他の面との違い

すくい面（rake face）：切りくずが流れる面。工作物と最初に当たり、切りくずの排出方向に影響する。
クリアランス面（clearance face）：切りくずが流れ去った後に、工具が工作物の表面と過度に接触しないよう逃げを作る面。
まとめると、クリアランス面は、切削時の不要な接触や摩擦を減らすために設けられた工具の面であり、加工品質や工具寿命を左右する大切な要素の一つです。

プラウ作用とは何ですか？

プラウ作用（プラウ効果）とは、切削加工の際に切削工具が材料を十分に切断できず、材料を押しのける（すくい上げる）ことで、加工面に大きな圧力や変形を引き起こす現象を指します。

具体的には、工具の先端が十分に鋭くなかったり、適切な切削条件（切り込み深さ、切削速度、工具角度など）が保たれていなかったりすると、工具が材料を切るのではなく、むしろすき（耕す）ような働きをして材料を押し広げたり、変形させたりすることがあります。これにより、下地層の損傷や表面粗さの悪化、さらには加工中の余計な摩擦や熱の発生など、製品の品質に影響を与える可能性があります。

 

 

 

単点加工プロセス（SPMP）で脆性材料を延性モード加工するには、すくい角が0°またはネガティブであること、および適切な加工条件が必要となるようだ。しかし、大きなネガティブすくい角を用いると、下地層変形領域が大きくなり、DMMには不利となる可能性がある[45]。

 

一方で、切削工具の刃先は非常に高温・高圧の環境にさらされ、蓄積された弾性エネルギーを解放するため、急速に摩耗してしまう

この文章は、切削工具の刃先がどのようにして摩耗するのかを説明しています。ポイントを分かりやすく解説します。

1. 切削工具の刃先が受ける環境
切削工具の刃先は、高温・高圧の過酷な環境で加工を行います。
切削時、工作物（削られる材料）と刃先の間に強い摩擦が発生するため、刃先の温度が急上昇します。
また、刃先には材料を削るための**大きな機械的負荷（圧力）**が加わります。
2. 弾性エネルギーの蓄積と解放
加工中、刃先には材料との接触で**弾性エネルギー（外力によって蓄えられたエネルギー）**が蓄積されます。
この弾性エネルギーは、材料の変形や切削くず（チップ）の形成に使われますが、刃先の摩耗にも影響を与えます。
例えば、ある程度の負荷がかかると、刃先に蓄積された弾性エネルギーが一気に解放されることがあります。
これが、工具の微小な破壊や摩耗を加速させる要因となります。
3. 刃先の急速な摩耗
温度が高くなると、工具材料の強度が低下し、摩耗が加速します。
**高圧がかかることで、刃先が塑性変形（永久的に変形）**しやすくなります。
繰り返しの負荷と熱の影響で、工具の表面が微細なクラック（亀裂）や摩耗によって劣化していきます。
4. 結論
この文章が言いたいのは、「切削工具の刃先は高温・高圧の環境にさらされることで、蓄積された弾性エネルギーが解放され、摩耗が急速に進行する」ということです。

例えば、高速で金属を切削するとき、刃先が赤熱することがあります。これは摩擦による発熱が大きく、刃先が耐えられなくなるためです。結果として、工具寿命が短くなり、頻繁な交換が必要になります。