第6章 結 論
6.1研 究 成 果 概 要
本 研 究 は マ イ ク ロせ ん 断 加 工 に お け る切 り 口面 の 安 定 性 確 保 に 向 け て,材 料 結 晶 粒 径 とプ ロセ ス 条 件 の影 響 を 解 明 す る こ と を 目的 と した.具 体 的 に は,金 型 の位 置 合 わせ 技 術 の 精 度 向 上 に 取 り組 み,SUS304 材 を 被 加 工 材 と して 結 晶 粒 径 が せ ん 断 加 工 特 性 に 与 え る影 響 の 解 明 に 関 す る下 記 の検 討 を 行 っ た.
①工具位置合わせ精度がマイクロせん断加工に及ぼす影響の実験的検証
②材料 の結晶粒径がマイクロせん断加工安定性お よび工具摩耗に及ぼす影響の実験的検証
③ ク リアランス条件お よび材料結晶粒径におけるマイ クロせ ん断変形形態の定量解析
④実験的検証および数値化解析によるマイクロせん断加工に適 した結晶粒径およびプ ロセス 条件 の導出
そ の 結 果,オ ー ス テ ナ イ ト系 ス テ ン レ スSUS304の マ イ ク ロ せ ん 断 加 工 に お け る,微 細 穴 切 り 口 面 の 安 定 加 工 に 対 し て,次 の3点 を 明 ら か に し た.
1.ナ ノ メ ー トル 精 度 デ ジ タ ル ク リ ア ラ ン ス 調 整 シ ス テ ム の 開 発 に よ り,金 型 の 位 置 合 わ せ プ ロ セ ス を こ れ ま で の1μm単 位 か らO.Olμmま で 調 整 精 度 を2桁 向 上 し,切 り 口 面 の 円 周 方 向 の ば ら つ き を 従 来 の0.Olmmレ ベ ル か ら0.001mmま で1/10に 抑 制 し た.
ll.せ ん 断 過 程 に お け る結 晶 粒 径 がせ ん 断 加 工 に 与 え る影 響 を,EBSD解 析 に よ っ て 定 量 評 価 し, 結 晶 粒 径 お よ び 各 種 プ ロセ ス 条 件 に お け る,加 工 誘 起 変 態 とひ ず み 分 布 が 切 り 口面 に及 ぼす 影 響 を解 明 した.
皿.せ ん 断 変 形 の 実 験 的 検 証 お よびFEM解 析 を 統 合 的 に 評 価 した 結 果,切 り 口面 の 安 定 化 に は 加 工 誘 起 変 態 量 とひ ず み 分 布 を,結 晶 粒 径 とプ ロ セ ス 条 件 の 選 択 に よ っ て 管 理 す る こ と が 有 効 で あ る こ と を示 した.
6.2研 究 成 果1:ナ ノ メ ー トル 精 度 デ ジ タ ル ク リ ア ラ ン ス 調 整 シ ス テ ム の 開 発
従 来,金 型 の 位 置 合 わ せ は マ イ ク ロ メ ー トル 精 度 で 加 工 され た 金 型 部 品 を,マ イ ク ロ メ ー トル 精 度 の 金 型 に 組 込 み,こ れ を 金 型 の職 人 が ア ナ ロ グ 技 術 で組 み 合 わ せ,マ イ ク ロ メ ー トル 単 位 に 調 整 す る こ と が 限 界 で あ っ た.本 研 究 で は,パ ンチ と ダ イ の位 置 合 わせ を金 型 に 組 込 ん だ ナ ノ メ ー トル 精 度 のX‑yピ エ ゾ式 ス テ ー ジ に よ っ て行 う こ とで デ ジ タル 化 した.金 型 の調 整 精 度 は 従 来 の1μm単 位 か ら0.Olμmま で2桁 の 精 度 向 上 を 果 た し,穴 の 円周 方 向 にお け る破 断 量 は ク リア ラ ン ス にず れ を 生 じ る こ とな く均 一 化 が 図 られ,従 来 の破 断 長 さの ば らつ き を0.Olmmレ ベ ル か ら0.001mm単 位 ま で1/10に 縮 小 した.
金 型 の 位 置 合 わ せ 精 度 の ナ ノ メ ー トル 化 とデ ジ タ ル プ ロ セ ス 化 に よ っ て,革 新 的 な 精 度 向 上 と生 産 性 を 実 現 可 能 な金 型 制 御 技 術 を 開 発 した.こ の 技 術 に よ っ て マ イ ク ロせ ん 断加 工 の 位 置 合 わ せ は 標 準 化 が 図 られ,デ ジ タ ル 化 に よ っ て 調 整 難 度 が 下 が り,例 え ば これ ま で ク リア ラ ン ス 調 整 が難 し く加 工 が 困 難 で あ っ た 板 厚0.Olmmの 金 属 箔 の 異 形 穴 加 工 等 が 実 現 可 能 と な っ た.以 上 か ら,結 晶 粒 の 変 形 状 態 を機 械 的 な 誤 差 を 最 小 化 して 評 価 す る体 制 を構 築 し,従 来 の位 置 合 わ せ 精 度 不 足 に 対 し て 課 題 解 決 の 方 向 性
を示 して 学 術 的 な 解 析 を行 う環 境 を 整 えた.
6.3研 究 成 果II:結 晶 粒 径 と各 種 プ1コセ ス 条 件 に お け る,加 工 誘 起 変 態 とひ ず み 分 布 が 切 り 口面 に
及ぼす影響の解明
板 厚 を0.lmm,パ ン チ 直 径 を0.08mmと し たSUS304材 の 微 細 穴 の せ ん 断 加 工 を 例 に,結 晶 粒 を微 細 化 し た 条 件 と一 般 的 な 結 晶 粒 の せ ん 断 加 工 特 性 を,ク リア ラ ン ス を パ ラ メ ー タ と し て 検 討 を行 っ た.加 工 影 響 層 のEBSD解 析 か らせ ん 断 変 形 の 定 量 化 を 図 り,結 晶 粒 の 破 断 開 始 メ カ ニ ズ ム を解 明 した.
研 究 結 果 か ら結 晶 微 細 化 材 の 採 用 時 に は,特 に 破 断 量 に ば らつ き が 現 れ る こ とを 明 らか に し た.結 晶 粒 が 小 さい 微 細 結 晶 粒 径(15μm)で は 加 工 誘 起 マ ル テ ンサ イ ト変 態 層 が 穴 の 円 周 方 向 に 厚 く な り,結 晶 粒 の破 断 挙 動 が脆 性 的 に な る こ とで 結 晶 粒 が 任 意 の 位 置 で破 断 を 開 始 で き る 条 件 が 整 う こ とで 破 断 開 始 位 置 の ば らつ きが 大 き く な る結 晶 粒 の 破 断 開始 機 構 を 明 らか に した.
一 般 材(結 晶 粒 径7 .5μm)の よ うな粗 大結 晶粒 で は,せ ん断変 形 に抵抗 を示 す要 素 と して加 工硬化 したオ ー ス テ ナ イ ト相 の 結 晶 方 位 と加 工 誘 起 マ ル テ ン サ イ ト相 の分 布 が,結 晶 粒 の せ ん 断 変 形 を 不 均 質 にす る
こ とで,破 断 開始 位 置 が ば らつ く こ と を 明 らか に した.
中 間 の 結 晶 粒 径 を持 つ 結 晶 粒 径3.0μm材 で は,マ イ ク ロ な 穴 の 円周 方 向 にお け る加 工 誘 起 マ ル テ ンサ イ ト相 の 厚 さが 薄 く な り,マ ク ロ な加 工誘 起 変 態 とオ ー ス テ ナ イ ト加 工 硬 化 相 の 結 晶 方 位 の 影 響 も薄 れ る.マ イ ク ロ の せ ん 断 変 形 要 素 とマ ク ロ の せ ん 断 変 形 要 素 が 最 適 化 して 破 断 開 始 位 置 が 安 定 化 す るせ ん 断 変 形 機 構 を 明 らか に した.
ク リア ラ ン ス を 一 般 材 の 結 晶 粒 径 で あ る7.5μmよ り も小 さ く設 定 す る場 合 に は,結 晶粒 径 を3.Oμmと す る こ とで 切 り 口面 が 安 定 す る こ と を示 し,結 晶 粒 径 選 択 の 有 効 性 と適 用 範 囲 を示 した.
これ らの 研 究 成 果 は,単 に デ ー タ の 提 供 に 留 ま らず,マ イ ク ロせ ん 断 加 工 の 評 価 手 法 と して 別 の 材 料 や 別 条 件 に用 い られ る こ とが 期 待 で き る.
6.4研 究 成 果 皿:マ イ ク ロせ ん 断 加 工 の 切 り 口面 安 定 性 に 及 ぼ す 材 料 結 晶粒 径 とプ ロセ ス 条 件 の 影
響の解明
結 晶 粒 のせ ん 断 変 形 に 関 す る実 験 的 検 証 お よ びFEM解 析 を統 合 して 評 価 し,結 晶粒 径 が 切 り 口面 の 安 定 性 に影 響 を与 え る こ と を 明 らか に した.FEMに よ る数 値 解 析 か らEBSDに よ る変 形 過 程 の 考 察 と同 様
な傾 向 と な る こ と を確 か め た.
これ ら の解 析 に よ り,SUS304材 の マ イ ク ロせ ん 断過 程 で は,各 結 晶粒 は せ ん 断 変 形 を 受 け る 中 で4段 階 に 渡 っ て せ ん 断 変 形 が 進 み,① 変 形 開 始 前 の オ ー ス テ ナ イ ト相,② オ ー ス テ ナ イ ト加 工 硬 化 相,③ 無 拡 散 の加 工 誘 起 マ ル テ ン サ イ ト相,④ せ ん 断 変 形 した 加 工 誘 起 マ ル テ ンサ イ ト相 の4状 態 を 選 択 しな が
らせ ん 断 変 形 が 進 ん で い く過 程 を 明 らか に した.
ク リア ラ ン ス は切 り 口面 の 長 さ を決 め る重 要 な 要 素 で あ る.本 研 究 の 対 象 範 囲 は,一 般 材 の 結 晶 粒 径 が7.5μmで,ク リア ラ ン ス の 絶 対 値 は最 も大 き くて も10.0μmで あ り,一 般 材 の 結 晶 粒 径 以 下 の 領 域 で 加 工 特 性 を調 査 した 範 囲 に 留 ま る.し た が っ て本 研 究 か ら は,SUS304材 の マ イ ク ロせ ん 断 加 工 に お い て は ク リア ラ ン ス を 一 般 材 の 結 晶 粒 径 を考 慮 して か ら決 定 す る必 要 が あ り,一 般 材 の 平 均 粒 径 以 下 に ク リ ア ラ ン ス を設 定 す る場 合 に は,結 晶 粒 が 微 細 化 した結 晶 粒 径3.Oμm材 の 採 用 が 望 ま しい と言 え る.
こ の研 究 に よ っ て,マ イ ク ロせ ん 断 加 工 に お け る 結 晶粒 径 選 択 の 必 要 性 と効 果 を 実 証 し,今 後 の 微 細 材 採 用 に お け る指 針 と な るデ ー タ を示 した.結 晶 微 細 化 材 の 変 形 過 程 を 明 らか に し て 最 適 な 結 晶粒 径 を 導 い た こ と は,今 後 の マ イ ク ロ部 品採 用 にお け る標 準 的 な材 料 の 選 択 方 法 を提 案 し た だ け で な く,切 り 口面 の 安 定 性 や 工 具 耐 用 を両 立 した 生 産 性 あ る加 工 部 品 の 実 現 を可 能 と した.単 に 精 度 を 向 上 した 微 細 部 品 で あ るだ け で な く,こ れ ま で エ ッチ ン グ 加 工 等 に 頼 っ て い た 金 属 箔 加 工 を マ イ ク ロせ ん 断 加 工 に 工 法 転 換 す る こ とが 可 能 とな り,マ イ ク ロ塑 性 加 工 採 用 分 野 の 拡 大 に 貢 献 で き る と考 えて い る.
6.5今 後 の課 題
本 研 究 で 取 り組 ん だ 工 具 位 置 合 わせ 精 度 向 上 が マ イ ク ロせ ん 断 加 工 に 及 ぼ す 影 響 の 検 証 や,材 料 結 晶 粒 径 とプ ロセ ス 条 件 が マ イ ク ロせ ん 断 加 工 の 切 り 口面 安 定 性 に 及 ぼ す 影 響 の 解 析 に は,解 決 す べ き課 題 が 残 され て い る.以 下 に列 記 し,今 後 解 決 を 図 っ て い く.
1.工 具 加 工 精 度 の ナ ノ メ ー トル 化 と微 細 穴 加 工 現 象 の解 明
本 研 究 で は 工 具 加 工 精 度 の 向 上 に は 取 り組 め て い な い.従 来 の ワイ ヤ ー カ ッ ト放 電 加 工 等 の エ ネ ル ギ ー 加 工 で は ,概 ねサ ブマ イ ク ロメー トル が加 工 限界 と考 え られ て い る.こ の現 状 を超 えるた め には,さ
らに 小 さ い エ ネ ル ギ ー で 工 具 を加 工 す る 必 要 が あ り,イ オ ン加 工 技 術 の 工 具 加 工 へ の 展 開 に よ っ て 課 題 解 決 を 目指 す.
イ オ ン加 工 技 術 の 代 表 で あ る プ ラ ズ マ 加 工 を 用 い て パ ン チ や ダ イ を製 作 し,機 械 加 工 や エ ネ ル ギー 加 工 と のハ イ ブ リ ッ ト化 を 図 りナ ノ メ ー トル 精 度 化 を 達 成 した い.
具 体 的 に は,ア ル ゴ ン ス パ ッ タ 技 術 に よ るパ ン チ お よび ダ イ の 加 工 で あ り,窒 素 イ オ ン に よ る 鉄 系 工 具 の 窒 化 技 術 で あ る.こ れ ら技 術 を 実 用 レベ ル ま で 技 術 構 築 す る こ とで,マ イ ク ロ塑 性 加 工 分 野 の 工 具 精 度 向 上 を 目指 して い く.
II.マ イ ク ロせ ん 断 加 工 へ の微 細 結 晶 材 の適 用 拡 大
本 研 究 で は オ ー ス テ ナ イ ト系 ス テ ン レスSUS304の マ イ ク ロせ ん 断 プ ロセ ス の 検 証 に 取 り組 ん だ の み で あ る.ス テ ン レス 材 の微 細 粒 鋼 は 他 にSUS316材 やSUS316L材 の 開 発 が 進 ん で お り,微 細 結 晶 材 の マ イ ク ロせ ん 断 特 性 をSUS304材 と比 較 し,材 料 結 晶粒 径 と プ ロセ ス 条 件 の影 響 を検 討 す る必 要 が あ る.
産 業 分 野 と して は 鉄 系 だ け で な く非 鉄 系 の チ タ ン や ア ル ミ,銅 合 金 な ど につ い て も 結 晶 微 細 化 材 の 加 工 現 象 解 明 か ら微 細 結 晶 材 の採 用 効 果 を検 証 して い き た い.
皿.微 細 結 晶 材 の 加 工 現 象 解 明 の 拡 大
ス テ ン レ ス材 の微 細 粒 鋼 材 加 工 技 術 構 築 は ま だ 始 ま っ た ば か りで あ る.こ れ ま で に 切 削加 工 や レー ザ ー 加 工 ,塑 性加 工で はせ ん断加 工,絞 り加 工が 一部 報告 され てい るの み で ある.曲 げ加 工や成 形加 工等 の別 の加 工 工 法 に お い て も最 適 な 結 晶 粒 径 の 存 在 が 考 え られ,変 形 状 態 の 定 量 化 と数 値 解 析 に よ っ て 解 明 を 図 る必 要 が あ る.
マ イ ク ロせ ん 断加 工 の 高 度 化 余 地 は 残 され て い る.我 が 国 か ら,新 た な マ イ ク ロせ ん 断加 工 領 域 を創 出す る べ く,研 究 開 発 を進 め て い く所 存 で あ る.