IJAT Vol.10 p.780 (2016) | Fuji Technology Press: academic journal publisher
要旨
化学強化ガラス板は、強度および硬度に優れていることがよく知られている。これらの特性は、携帯端末に使用されるタッチスクリーンにとって有利である。しかし一方で、ガラス板を加工する際には不利に働く。
例えば、穴あけ加工時には、穴の入口側および出口側の周囲にチッピングやクラックが発生し、さらに工具摩耗も大きい。そのため、加工面の品質や加工効率は低くなり、穴あけ加工は非常に困難である。
本研究では、直径 1 mm 以下の電着ダイヤモンド工具を用いて、化学強化ガラス板に高品質な穴を加工するための小径穴あけ方法について述べる。開発した直径 0.5 mm の工具を用いることで、通常の穴あけ方法によりガラス板に貫通穴を加工できることを示した。
キーワード： 化学強化ガラス、貫通穴、電着ダイヤモンド工具、チッピング寸法
1. 緒言
ガラス、セラミックス、サファイア、石英、半導体結晶材料などの硬脆材料は、光学部品、情報通信機器、航空宇宙・自動車部品など、さまざまな分野で使用されている。これらの部品では、小型化、高精度化、高機能化のために、高精度な加工が求められる。
このような材料の穴あけ加工方法としては、研削加工、超音波加工、レーザ加工、放電加工、エッチングなどがある。超音波加工では、加工速度が低いことや工具摩耗比が高いことが問題となる。レーザ加工や放電加工では、加工精度や加工面性状が十分でなく、切りくずの排出も難しい。エッチングでは、加工コストが高く、有害物質が発生する場合がある。
一方、研削加工は高品質な加工面を得られるため、広く利用されている。この加工では、小径の電着工具がよく用いられる。電着工具は、シャンク成形工程と砥粒の電着工程によって製作されるため、工具製作コストが低い。
そこで本研究では、著者らの研究室で開発した直径 1 mm 以下の電着ダイヤモンド工具を用いて、貫通穴加工を試みた。本研究の対象は、化学強化ガラス板である。
スマートフォンやタブレット端末などの携帯端末では、液晶パネルの保護材として化学強化ガラス板が使用されている。このガラスは化学処理により強化されている。ガラス表面部には圧縮応力が存在し、内部には引張応力が存在する。表面の圧縮応力はクラックの発生を防止するが、その一方で加工を困難にする。
化学強化ガラス板に対しては、超音波振動援用加工により貫通穴加工が可能であることが報告されている。しかし、通常の穴あけ加工を適用して成功した報告は少ない。
本研究の目的は、化学強化ガラス板に対して高品質な穴を得るための小径穴あけ方法を確立することである。既報では、2つの平面部を持つ電着ダイヤモンド工具を開発し、その工具を用いてソーダライムガラスおよびセラミックスに貫通穴加工を行った。適切な穴あけ技術を用いれば、同じ工具を化学強化ガラス板の穴あけにも適用できると考えられる。
2. 実験装置
2.1 電着ダイヤモンド工具の特徴
図1に、本研究室で開発した電着ダイヤモンド工具先端部の模式図とSEM写真を示す。
工具は、円筒形状の本体部と半球状の先端部から構成されている。また、工具側面の一部が除去されている。この切り欠き部を、本研究では「除去側」と呼ぶ。この除去部は、図2に示すように、穴あけ加工中の切りくず排出性を改善するためのものである。
切りくず排出の様子は、高速度ビデオカメラによって観察されている。開発した工具は、市販工具よりも切りくず排出性能が高いことが確認されている。穴あけ加工中には、切りくずを積極的に排出する必要がある。
工具シャンクの材質は超硬合金である。加工に関与する未切削部の公称直径は 0.5 mm であり、その一方の側面から 0.125 mm 分が除去されている。切り欠き長さは 3.5 mm である。この側面は研削により除去されており、形成された空間を通じて切りくずが排出される。
合成ダイヤモンド砥粒は、ニッケルによって電着されている。砥粒粒度は #1000 であり、砥粒の平均直径は 15 µm である。工具は、金属シャンク上にダイヤモンド砥粒を単層で電着することにより製作された。砥粒分布はランダムである。電着長さは 5 mm である。
図1(b)の黒い斑点が合成ダイヤモンド砥粒であり、白い領域がニッケル電着層である。
2.2 実験方法
実験に用いた化学強化ガラス板の特性を表1に示す。比較のため、ソーダライムガラスの特性値も示されている。
実験に用いたガラス板の厚さは 1 mm である。化学強化ガラスは、主に圧縮応力 CS と圧縮応力層深さ DOL によって分類される。DOL は、化学強化ガラスに導入された圧縮応力が表面からどの深さまで存在するかを表す値であり、物理的な表面からガラス内部の応力がゼロとなる位置までの距離として定義される。
本実験で用いたガラス板の仕様書には、圧縮応力 CS が 950 MPa、DOL が 50 µm と記載されている。このガラス板は高い強度と剛性を持つ。イオン交換によって強化されており、ソーダライムガラスの約5倍の強度を持つ。そのため、このガラス板は特に硬く、かつ脆い。
加工時には、この機械的特性のために、過大な工具摩耗や穴周辺のチッピングが発生する。
2.3 実験方法
図3に、本研究で提案する穴あけシステムの実験装置の模式図を示す。
実験には、高速スピンドルを備えたNCフライス盤を用いた。スピンドル回転数は制御ボックスにより制御され、工具はコレットチャックで把持した。
研削力のスラスト方向成分を測定するため、工作物と工作機械テーブルの間に圧電式動力計を設置した。測定された力はチャージアンプで増幅し、記録システムに保存した。
工作物は、左右2枚のクランプ板により機械治具へ固定した。工作物の下側には裏当て材を設置しなかった。
加工液には、水道水で約10倍に希釈したエマルションを用いた。加工液はノズルから供給した。
穴あけ条件は、以下の通りである。
| 項目 | 条件 |
|---|---|
| 工具径 | 0.5 mm |
| ガラス厚さ | 1 mm |
| スピンドル回転数 | 30,000 min⁻¹ |
| 送り速度 | 1 mm/min |
| 砥粒粒度 | #1000 |
| 砥粒平均径 | 15 µm |
| 加工液 | 10倍希釈エマルション |
| 裏当て材 | なし |
3. 実験結果
3.1 工具損傷の観察
図4(a)、(b)、(c)に、それぞれ 10穴目、20穴目、28穴目の加工後における工具先端部の損傷状態を示す。これらの写真は、SEMの反射電子像モードで観察されたものである。
反射電子像では、原子番号によって信号強度が変化し、組成の違いが2次元的なコントラストとして表示される。穴あけ回数が増えるにつれて、観察対象は明るく見えるようになった。
図1(b)と図4(a)では、コントラストの変化はほぼ同じ程度であり、工具はほとんど損傷していなかった。しかし図4(b)では、工具中心から約 0.1 mm 離れた位置の砥粒が脱落していた。図4(c)では、脱落した砥粒数が大幅に増加し、工具先端周辺に白い領域が残っていた。この白い領域は工具シャンク、すなわち超硬合金であると考えられる。したがって、ニッケル層が剥離したと判断される。
一方で、穴あけ回数が増えても切りくずの付着は見られなかった。これは、直線状の側面を持つ工具によって切りくずが排出されたためである。
図5(a)は、28穴目加工後の工具先端部を二次電子像で観察したものである。このモードは、対象表面の形状観察に適している。図中では、図4(c)の白い領域に相当する工具先端部に、同心円状の複数の摩耗痕が確認できる。これは、脱落した砥粒および発生した切りくずによって、ニッケル層が損傷したためと考えられる。
図5(b)は、28穴目加工後における加工側と除去側の境界部を反射電子像で示したものである。除去側は比較的損傷が少なかった。一方、加工側ではニッケル層の損傷と砥粒摩耗の両方が確認された。ガラスは非常に硬いため、砥粒は容易に摩耗する。
3.2 加工穴の外観
図6に、デジタルマイクロスコープで観察した加工穴の外観を示す。
市販工具を通常の方法で使用した場合には、出口側でガラス板が破損した。しかし、本研究室で開発した工具を用いることで、超音波振動を使用せずに、ガラス板に貫通穴を加工することに成功した。
入口側と出口側の穴径は、おおむね同じ大きさであった。しかし、入口側のチッピング寸法は小さく、出口側のチッピング寸法は大きかった。
図7に、穴あけ回数と穴径の関係を示す。穴径は工具径よりも大きく、加工穴数が増加するにつれて小さくなった。出口側の穴径低下は、入口側よりもやや大きかった。
穴あけ回数が増加すると、工具先端の砥粒が摩耗したと考えられる。その結果、工具先端がテーパ状になったものと考えられる。
図8に、穴あけ回数と穴の最大チッピング寸法の関係を示す。入口側のチッピング寸法は 0.05 mm 未満であったが、出口側はそれより大きかった。
最大チッピング寸法の平均値は、最大チッピング寸法の総和を総穴あけ回数で割ることにより算出した。入口側の平均値は 0.020 mm、出口側の平均値は 0.307 mm であった。出口側の最大チッピング寸法は、入口側の約15倍であった。
チッピングは出口側でより頻繁に発生した。これは、ガラス板の穴あけ時に出口側で大きな引張応力が発生したためと考えられる。ソーダライムガラスと同様に、このガラス板は圧縮荷重には強いが、引張荷重には弱い。
3.3 穴あけ力の変化
図9に、穴あけ深さとスラスト力の関係を示す。
ここで穴あけ深さとは、ガラス表面、すなわち加工原点から工具先端までの距離であり、工具の送り量に相当する。
力の変化は、以下の3つの領域に分けられる。
- 0〜0.07 mm
- 0.07〜0.9 mm
- 0.9〜1.25 mm
加工開始直後に力が急増した後、領域1では力が徐々に増加した。ソーダライムガラスの穴あけでは、この領域1の変化は観察されなかった。化学強化ガラスの場合、この変化はガラス表層に存在する大きな圧縮応力層によるものと考えられる。
領域2では、力はほぼ一定であった。この領域では、工具が引張応力層を加工し始めており、圧縮応力層を加工するときの穴あけ力は、引張応力層を加工するときよりも大きかった。
領域3では、力が急激に低下してゼロに近づいた後、徐々に低下した。この変化は、ソーダライムガラスで見られた変化と同様であった。
出口側で大きなチッピングが発生したため、穴あけ深さが 1 mm に達した時点で力は急激に低下した。その後、工具の進行に伴ってガラスが徐々に削り取られたため、力はゆっくりと低下した。
3.4 スラスト力と穴あけ回数
図10に、穴あけ回数と領域2における平均スラスト力の関係を示す。
丸印は1穴目から27穴目までの穴あけ回数を示している。28穴目は、加工中にガラスが破損したためプロットしていない。28穴目のスラスト力は、急激に増加した後、すぐにゼロまで低下した。
スラスト力は、穴あけ回数の増加に伴って徐々に増加した。この増加は、図5に示したように、砥粒が摩耗したことによるものである。
近似直線の傾きは 0.01 であり、この値は砥粒摩耗率を表す。この結果は、著者らが以前行ったソーダライムガラスを用いた研究結果と類似している。
ただし、化学強化ガラスの穴あけ距離は、ソーダライムガラスの約 1/2 であった。工具寿命を延ばすためには、砥粒を慎重に選定する必要がある。
3.5 貫通位置と穴あけ回数
図11に、穴あけ回数と貫通位置の関係を示す。
図中の点は、領域2において力が急激に低下した位置を示している。プロットされたデータは穴あけ深さである。クラックの進展によって穴が貫通した場合、貫通時の穴あけ深さは浅くなる。
貫通位置は、ガラス板の圧縮応力層内部である 0.95〜0.99 mm の範囲であった。穴あけ回数が増加すると、スラスト力が大きくなり、貫通深さは浅くなった。
スラスト力が小さい場合、貫通深さは深くなり、出口側のチッピング寸法は小さかった。したがって、チッピング寸法を小さくするためには、穴が貫通する前にスラスト力を低下させる必要がある。
4. 結論
本研究では、直径 0.5 mm の電着ダイヤモンド工具を用いて、化学強化ガラス板に対する通常加工による小径穴あけ方法を検討した。本研究で得られた結果は、以下のようにまとめられる。
- 直径 0.5 mm の工具を用いることで、厚さ 1 mm の化学強化ガラス板に貫通穴を加工することに成功した。
- この 0.5 mm 工具を用いた場合、出口側の最大チッピング寸法は入口側よりも大きかった。
- 穴あけ回数が増加するにつれて、スラスト力は大きくなり、貫通時の穴あけ深さは浅くなった。
現場向けに言い換えると
この論文の重要点は、以下です。
φ0.5 mm の電着ダイヤモンド工具を 30,000 rpm、送り 1 mm/min で回し、厚さ 1 mm の化学強化ガラスに貫通穴をあけているという内容です。
ただし、出口側の欠けはかなり大きく、平均で 0.307 mm あります。入口側は 0.020 mm 程度なので、問題はほぼ出口側です。
実用で使うなら、この論文条件をそのまま使うよりも、
貫通直前に送りを落とす
ペック加工にする
裏当て材を使う
出口側を保護する
工具摩耗が進んだら早めに交換する
といった対策が必要だと思います。
3. 電着ダイヤモンド工具はドリルと違うか
結論として、普通のドリルとは違う。
普通のドリルは、先端の切れ刃で材料を切削する。
一方、電着ダイヤモンド工具は、工具表面に固定されたダイヤモンド砥粒で材料を削る。
つまり加工のイメージは、
ドリルで切るというより、細いダイヤモンド砥石でガラスを研削して穴をあける加工
に近い。
ただし、回転工具をZ方向に送って穴をあけるため、加工方法としては「ドリル加工」に近い。
4. PCDドリルとの違い
PCDドリルは、電着ダイヤモンド工具よりも普通のドリルに近い。
| 工具 | 加工イメージ | 普通のドリルとの近さ |
|---|---|---|
| 電着ダイヤモンド工具 | ダイヤ砥粒で研削する | やや遠い |
| PCDドリル | ダイヤモンド製の切れ刃で削る | 近い |
| 超硬マイクロドリル | 通常の切削ドリル | 最も近い |
ただし、ガラス加工ではPCDドリルでも金属のようにきれいに切削するわけではなく、切削・微小破砕・研削が混ざった加工になる。
また、論文で使われるPCDマイクロ工具は、EDMなどで特殊形状に作る研究用工具が多く、市販品として簡単に入手できるとは限らない。
5. ガラスのドリル穴あけに近い論文
今回の目的が、回転スピンドルに小径工具を取り付けて、Z方向送りでガラスに穴をあける加工であれば、最も近いのは以下。
- Mizobuchi et al., 2016, IJAT
- 化学強化ガラス
- φ0.5 mm
- 電着ダイヤモンド工具
- 通常の穴あけ加工で貫通穴加工
- Mizobuchi et al., 2011, 精密工学会誌
- ガラス板
- ステップドリリング
- クラック抑制
- Mizobuchi et al., 2014, 砥粒加工学会誌
- 電着ダイヤモンド工具の開発
- 破壊寸法低減
工具として普通のドリルに近いものを見たい場合は、PCDマイクロドリル系の論文も参考になるが、現場再現性としては電着ダイヤモンド工具の方が近い。
6. 論文で使用された工具仕様
| 項目 | 内容 |
|---|---|
| 工具種類 | 電着ダイヤモンド工具 |
| 工具径 | φ0.5 mm |
| 母材 | 超硬合金 |
| 先端形状 | 円筒＋半球状 |
| 先端R | R0.25 mm程度 |
| 側面形状 | 一部を平面状に除去 |
| 側面除去量 | 片側0.125 mm |
| 側面除去長さ | 3.5 mm |
| 電着長さ | 5 mm |
| 砥粒 | 合成ダイヤモンド |
| 粒度 | #1000 |
| 平均砥粒径 | 約15 µm |
| 電着材 | ニッケル |
| 電着層 | 単層電着 |
この工具の特徴は、単なる丸棒状のダイヤ工具ではなく、切りくず・ガラス粉を排出するために側面を一部削っている点である。
7. 論文での加工条件
| 項目 | 条件 |
|---|---|
| 被削材 | 化学強化ガラス |
| ガラス厚さ | 1 mm |
| 工具径 | φ0.5 mm |
| 回転数 | 30,000 min⁻¹ |
| 送り速度 | 1 mm/min |
| 周速 | 約47.1 m/min |
| 送り量 | 約0.033 µm/rev |
| 加工液 | 水道水で約10倍希釈したエマルション |
| 加工液供給 | ノズル供給 |
| 裏当て材 | なし |
| 工作機械 | 高速スピンドル付きNCフライス盤 |
| 測定 | 圧電式動力計でスラスト力を測定 |
この条件で、厚さ1 mmの化学強化ガラスにφ0.5 mmの貫通穴加工を行っている。
8. 加工結果
論文では、開発した工具により、超音波振動を使わずに化学強化ガラス板へ貫通穴を加工できた。
ただし、出口側のチッピングが大きい。
| 項目 | 結果 |
|---|---|
| 入口側平均チッピング寸法 | 0.020 mm |
| 出口側平均チッピング寸法 | 0.307 mm |
| 出口側チッピング | 入口側の約15倍 |
| 工具状態 | 10穴目では損傷小、20穴目で砥粒脱落、28穴目で損傷大 |
| 28穴目 | ガラス破損 |
問題は主に出口側の欠けである。
9. 必要トルクの概算
論文では、トルクそのものは測定されていない。
測定されているのは主にスラスト力である。
図から見ると、スラスト力はおおよそ 0.6〜1.0 N程度。
工具径がφ0.5 mmなので、半径は0.25 mm。
接線方向の抵抗を仮に 0.2〜1.0 N とすると、
トルク = 接線方向抵抗 × 工具半径
となるため、
0.00005〜0.00025 N・m
つまり、
0.05〜0.25 mN・m程度
と概算できる。
余裕を見ても、加工トルクとしては、
0.1〜1.0 mN・m程度
あれば足りる可能性が高い。
ただし、これは論文からの概算であり、正確な測定値ではない。
10. トルクより重要な点
この加工では、必要トルクそのものは非常に小さい。
それよりも、以下の要素が重要。
| 重要項目 | 理由 |
|---|---|
| 振れ精度 | φ0.5 mmのため、振れが大きいと穴径拡大・欠け・工具摩耗につながる |
| 送り制御 | 1 mm/min以下を安定して送る必要がある |
| クーラント供給 | ガラス粉の排出、目詰まり防止、発熱低減 |
| 出口側対策 | 論文でも出口側チッピングが大きい |
| 工具寿命 | 20穴前後で砥粒脱落が見られる |
| コレット精度 | 小径工具では把持精度が加工結果に直結する |
11. φ0.45 mm工具で加工する場合の目安
φ0.45 mmで、論文の周速約47 m/minに合わせる場合、回転数は約33,000 rpmとなる。
| 項目 | 目安条件 |
|---|---|
| 工具径 | φ0.45〜0.5 mm |
| 回転数 | 30,000〜35,000 rpm |
| 送り | 0.1〜0.3 mm/minから開始 |
| 慣れてきた場合 | 0.5〜1.0 mm/min |
| ペック量 | 0.01〜0.05 mm/回 |
| 加工液 | 必須 |
| 裏当て材 | 使用推奨 |
| 貫通直前 | 送りを落とす |
論文条件の1 mm/minは成立しているが、出口欠けが大きいため、最初から使うにはやや攻めた条件と考えられる。
12. 工具の作り方
この工具は、以下の流れで作る。
- φ0.5 mm程度の超硬丸棒を用意する
- 先端をR0.25 mm程度の半球状に研削成形する
- 側面を長さ3.5 mm、深さ0.125 mm程度削る
- 洗浄・脱脂する
- 電着範囲以外をマスキングする
- #1000、平均15 µm程度のダイヤ砥粒を配置する
- ニッケルめっきで砥粒を単層固定する
- 外観、寸法、砥粒の付き具合を確認する
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