砥石周速度 Vs m/s
最大表面粗さ Rz μm
図４．５．１－６ 砥石周速度と加工面表面粗さの関 係
図４．５．１－７ 良好な表面粗さを示した研削加工面の外観
この切り屑の砥粒や砥石作業面への凝着・付着は、砥粒一刃当たりの切込み量が比較的大 きい粗加工時にはあまり問題とはならなかったが、鏡面加工時のように一刃当たりの切込 み量が非常に小さくなる領域では、大きな問題となる。鏡面加工時において、砥石周速度
を低下させると、相対的に一刃当たりの切込み量は大きく作用し、切り屑の凝着・付着は 低減されると推測され、このため、軟質金属の場合、砥石周速度の低下とともに表面粗さ が小さくなったものと考えられる。
一方、高硬度材である SKD11の場合、軟質金属に比べて研削開始圧力が高いことが推測 され、今回試作したダイヤモンド砥石のような弾性砥石を用いた場合には、研削性能の高 い（切れ味の良い）加工条件の選択が必要となる。研削加工時において、その研削性能は、
被削材および工具の硬さの差が大きいほど良いとされている。ここで、砥石周速度を増加 させると、一刃当たりの切込み量が減少し、砥粒（砥石）は、より硬く作用する。したが って、砥石周速度の増加とともに、高硬度材の研削性は良好になったものと考えられる。
これらのことから、スクラッチ傷の問題が少ない高硬度材の鏡面研削加工の場合は、砥石 周速度の増加とともに表面粗さが小さくなったものと考えられる。
(５) 結 言
本報では、試作微粒ダイヤモンド砥石を用いて、各種金属材料の鏡面研削試験を行っ た。その結果、得られた知見は次のとおりである。
・試作レジンボンドダイヤモンド砥石（#4000）を用いて、ステンレス鋼、合金工具鋼 の良好な鏡面研削加工が可能であった。
・微粒ダイヤモンド砥石によるチタン合金の鏡面研削加工は、砥粒への切り屑凝着等の ため困難であった。一方、GC 砥石を用いた鏡面研削加工では、比較的良好な鏡面加 工特性を示した。
・SUS630 等の比較的軟質な金属の鏡面加工の場合、砥石周速度を低く設定した方が表
面粗さの値は小さくなった。一方、合金工具鋼等の高硬度材の鏡面研削加工では、砥 石周速度を高く設定した方が表面粗さの値は小さくなった。
参考文献
〔1〕平成 12年度地域ものづくり対策事業成果普及講習会用テキスト：HID ランプ用透光 性アルミナの安価な製造方法の確立と利用、香川県産業技術センター(2000)38-54
〔2〕佃 昭：セラミックスの微構造と研削加工面品位、セラミックス、39(2004)998-1001
〔3〕佃 昭、近藤祥人、坂東慎之介、高木純一郎、劉猛：微粒ダイヤモンドホイールによる 硬脆材料の鏡面研削加工に関する一考察、ABTEC2002（2002年度砥粒加工学会学 術 講演会講演論文集）B44
〔4〕佃 昭、近藤祥人：マイクロ－メゾマシニング技術に関する研究、香川県産業技術センタ ー研究報告 No.5 (2004)19-21
〔5〕佃 昭、近藤祥人：マイクロ－メゾマシニング技術に関する研究、香川県産業技術センタ ー研究報告 No.6 (2005)17-20
〔6〕黒島泰幸、近藤祥人、佃 昭、岡田昭次郎：チタン合金の研削、香川県工業技術セン ター昭和 59年度業務年報 17-20
（香川県産業技術センター 佃 昭、熱田俊文）
４ ． ６ 特 殊 加 工
４ ． ６ ． １ レ ー ザ 焼 入 れ
(１ ) 緒 言
レ ー ザ 加 工 の 種 類 は 、 穴 あ け ・ 切 断 等 の 除 去 加 工 か ら 溶 接 、 熱 処 理 ま で 非 常 に 多 岐 に わ た っ て い る 。 こ こ で は 、 レ ー ザ 焼 入 れ を 切 削 ・ 研 削 等 の 加 工 と 集 約 し て 、 単 一 の 工 作 機 械 上 で の 一 貫 処 理 を 行 う こ と を 想 定 し 、 そ の た め の 基 礎 実 験 を 行 っ た 結 果 に つ い て 報 告 す る 。
レ ー ザ 焼 入 れ の 特 長 は 、 ビ ー ム の 出 力 や 位 置 を 制 御 す る こ と に よ り 、 処 理 を 必 要 と す る 部 分 の み を 狙 っ た 焼 入 れ が で き る こ と で あ る 。 こ れ は 、 入 熱 量 を 必 要 最 小 限 に で き る こ と を 意 味 す る 。 レ ー ザ 以 外 の 焼 入 れ 法 で は 、 処 理 の 必 要 な 部 分 を 含 ん だ 大 面 積 に 処 理 を 施 し 、 発 生 し た 歪 を 研 削 等 に よ り 修 正 す る の が 普 通 で あ る 。 例 と し て 、 金 型 加 工 に お い て は 、 通 常 は 全 面 焼 入 れ が 行 わ れ る が 、 用 途 に 対 し て は 切 れ 刃 部 な ど 一 部 分 の み へ の 処 理 で 十 分 で あ る こ と が 多 い 。 部 品 加 工 に お い て は 、 摺 動 面 な ど へ の 部 分 焼 入 れ に 高 周 波 焼 入 れ や 浸 炭 焼 入 れ が 用 い ら れ る が 、 こ れ ら に 関 し て も 多 く の 場 合 、 処 理 を 必 要 と す る 部 分 に 対 し て 過 剰 な 領 域 が 焼 入 れ さ れ る 。 歪 の 修 正 の た め の 後 加 工 は 、 前 後 の 工 程 か ら の 段 取 り 替 え を 必 要 と し 、 リ ー ド タ イ ム に 占 め る 割 合 は 比 較 的 大 き い 。 レ ー ザ 焼 入 れ を 用 い て 入 熱 量 を 小 さ く 抑 え れ ば 、 歪 の 発 生 は 少 な く 、 後 加 工 を 不 要 と す る こ と が 可 能 で あ る 。
ま た 、 レ ー ザ の 発 振 器 お よ び 光 学 系 は 非 常 に コ ン パ ク ト な も の も あ り 、 単 独 で 使 用 す る だ け で な く 、 他 種 の 工 作 機 械 上 に 組 み 込 ん で の 使 用 が 可 能 で あ る 。 こ の よ う な 工 作 機 械 の 複 合 化 は 、 工 程 の 集 約 を 実 現 し 、 素 材 か ら 製 品 ま で の 加 工 工 程 を 工 作 機 械 上 で 一 貫 し て 行 う こ と が 可 能 と な る 。 特 に 複 雑 微 細 形 状 の 加 工 に お い て 、 精 度 の 向 上 、 リ ー ド タ イ ム の 大 幅 な 短 縮 が 期 待 で き る 。
機 上 熱 処 理 に 用 い る レ ー ザ と し て は 、 フ ァ イ バ 伝 送 の で き る レ ー ザ が 有 利 で あ り 、 代 表 的 な も の と し て YAG レ ー ザ が あ る 。 近 年 で は 、 新 し い タ イ プ の レ ー ザ と し て 、 フ ァ イ バ ー レ ー ザ や 半 導 体 レ ー ザ が 登 場 し て い る 。 特 に 半 導 体 レ ー ザ は 、 ス ポ ッ ト 径 が 大 き く 、 ビ ー ム 断 面 の 強 度 分 布 が 均 一 で あ り 、 や や 広 い 範 囲 の 焼 入 れ に 好 適 な 特 性 を 有 し て い る 。
一 方 、 複 雑 形 状 金 型 の 切 刃 部 な ど 、 微 小 域 へ の 処 理 を 志 向 す る 場 合 、 ビ ー ム 径 が 小 さ く 、 処 理 条 件 の 自 由 度 が 大 き い こ と が 必 要 で あ り 、 小 出 力 の パ ル ス レ ー ザ が 有 効 で あ る と 考 え ら れ る 。
本 項 で は 、 金 型 切 刃 部 を 想 定 し た 微 細 領 域 の 熱 処 理 に パ ル ス YAG レ ー ザ を 適 用 し 、 そ の 有 効 性 お よ び 基 礎 的 な 加 工 特 性 に つ い て 検 討 を 行 っ た 。
(２ ) 実 験 内 容
実 験 条 件 を表 ４ ．６ ．１ － １に 示 す 。本 研 究 に 用 い た レ ー ザ は 、最 大 出 力 550W の ラ ン プ 励 起 パ ル ス YAG レ ー ザ で あ る 。 ビ ー ム を 焦 点 距 離 120mm の レ ン ズ で 集 光 し て 被 加 工 材 表 面 を 直 線 走 査 し 、焼 入 れ 処 理 を 行 っ た 。被 加 工 材 は S50C と し 、ビ ー ム 吸 収 率 を 高 め る た め 、予 め 表 面 に グ ラ フ ァ イ ト ス プ レ ー を 塗 布 し た 。ア シ ス ト ガ ス に は Ar を 用
い 、 照 射 ス ポ ッ ト 直 近 に 設 置 し た ノ ズ ル よ り 噴 出 さ せ た 。
表 ４ ． ６ ． １ － １ 実 験 条 件
レ ー ザ 加 工 機 住 友 重 機 械 工 業 JK701H 集 光 レ ン ズ 焦 点 距 離 f=120 mm
材 質 S50C (焼 鈍 材 ) 表 面 粗 さ Ra0.4
被 加 工 材
表 面 処 理 Gr ス プ レ ー 塗 布 焦 点 位 置 d=+6～ +14 mm 走 査 速 度 v=100～ 500 mm/min 平 均 出 力 Pa=150 W
パ ル ス ピ ー ク 出 力 Pp=200, 440, 1000 W パ ル ス 周 波 数 fp=100 Hz
種 類 Ar 圧 力 0.3 MPa ア シ ス ト ガ ス
流 量 30 l/min
(３ ) 実 験 結 果 お よ び 考 察 (３ － １ ) 断 面 の 硬 さ 分 布
平 均 出 力 を 150W、 走 査 速 度 を 500mm/min に 固 定 し 、 パ ル ス ピ ー ク 出 力 お よ び 焦 点 位 置 を 変 化 さ せ た と き の 、 レ ー ザ 照 射 中 心 に お け る 深 さ 方 向 の 硬 さ 分 布 を図 ４ ． ６ ． １ － １に 示 す 。 焦 点 位 置 d は 、 被 加 工 材 表 面 を 0 と し 、 深 さ 方 向 を 負 と す る 。 表 面 溶 融 が 認 め ら れ た 条 件 に 対 し て は 、 白 抜 き の プ ロ ッ ト を 用 い た 。 い ず れ の 条 件 に お い て も 、 照 射 中 心 部 の 硬 さ は ほ ぼ 同 一 で あ り 、 幅 30μ m 程 度 の 遷 移 領 域 を 挟 ん で 母 材 硬 さ に 達 す る 分 布 を 示 し た 。 最 高 硬 さ は HV750 程 度 で あ り 、 通 常 の 焼 入 れ 処 理 と ほ ぼ 同 等 の 値 が 得 ら れ て い る 。
(３ － ２ ) 焼 入 れ 部 の 組 織
被 加 工 材 断 面 の 光 学 顕 微 鏡 写 真 の 例 を図 ４ ． ６ ． １ － ２に 示 す 。 被 検 面 を 広 く と る た め 、 被 加 工 材 表 面 に 対 し 斜 め 研 磨 し 、 組 織 を 観 察 し た 。 素 地 は フ ェ ラ イ ト と パ ー ラ イ ト の 混 合 組 織 で あ り 、 硬 さ 分 布 に お い て 硬 さ が 母 材 硬 さ か ら 上 昇 し 始 め る 点 と ほ ぼ 一 致 し て 、 素 地 の フ ェ ラ イ ト 粒 が 残 存 し た ま ま パ ー ラ イ ト 部 の み が 白 色 均 一 な 組 織 へ と 変 化 し た 。 こ の 白 色 組 織 は 急 速 加 熱 冷 却 時 特 有 の マ ル テ ン サ イ ト 組 織 [1]と 思 わ れ 、 素 地 と の 境 界 は 、加 熱 温 度 が A1 変 態 点 に 達 す る 点 に 対 応 す る と 考 え ら れ る 。照 射 中 心 に 近 づ く に 従 い 、 フ ェ ラ イ ト 粒 は 不 明 瞭 に な り 、 全 体 が 針 状 組 織 を 呈 す る 。 こ の 領 域 で は 加 熱 温 度 が 高 い た め 、 通 常 の 焼 入 れ マ ル テ ン サ イ ト 組 織 に 近 づ い て い る と 考 え ら れ る 。 本 実 験 の 範 囲 内 で は 、 い ず れ の 条 件 に お い て も 同 様 の 組 織 が 観 察 さ れ た 。 硬 さ の 遷 移 領 域 の 幅 は 、 照 射 中 心 部 に お け る 均 一 硬 さ の 領 域 に 比 べ 非 常 に 狭 い こ と か ら 、 以 後 の 考 察 で は こ の 境 界 の 内 側 を 焼 入 れ 硬 化 域 と し て 扱 う こ と と し た 。
0 200 400 600 800
0.00 0.10 0.20 0.30
表面からの距離 mm
硬さ HV0.5
d=+6mm d=+8mm d=+10mm
0 200 400 600 800
0.00 0.10 0.20 0.30
表面からの距離 mm
硬さ HV0.5
d=+8mm d=+10mm d=+12mm
0 200 400 600 800
0.00 0.10 0.20 0.30
表面からの距離 mm
硬さ HV0.5
d=+8mm d=+10mm d=+12mm d=+14mm
Pp=200W
Pp=440W
Pp=1000W
0.00 -0.10 -0.20 -0.30
図 ４ ． ６ ． １ － １ 深 さ 方 向 の 硬 さ 分 布 (v=500mm/min， 白 抜 き の プ ロ ッ ト は 表 面 溶 融 )
50μ m
深 さ 方 向 幅 方 向
照 射 中 心
母 材 硬 化 域
図 ４ ． ６ ． １ － ２ 断 面 の 組 織 (v=500mm/min,Pp=200W,d=+8mm)
(３ － ３ ) 焼 入 れ 部 の 表 面 プ ロ フ ァ イ ル
ビ ー ム 走 査 方 向 に 垂 直 な 断 面 の 表 面 プ ロ フ ァ イ ル お よ び 表 面 の 電 子 顕 微 鏡 写 真 を図 ４ ． ６ ． １ － ３に 示 す 。 照 射 部 に は 、 相 変 態 に よ る 体 積 変 化 に 起 因 す る と 思 わ れ る 盛 り 上 が り が 観 察 さ れ た 。 表 面 溶 融 の な い 条 件 で は 、 盛 り 上 が り の 高 さ は 最 大 数 μ ｍ 程 度 で あ り 、実 用 的 に は 大 き な 問 題 に な ら な い と 考 え ら れ る 。な お 、図 中 d=+6 の 条 件 で は 表 面 溶 融 が 認 め ら れ 、 照 射 中 心 部 に お い て 表 面 粗 さ に 比 べ 大 き い 溝 を 生 じ て い る 。 こ れ は 溶 融 金 属 が ガ ス で 吹 き 飛 ば さ れ た 痕 と 考 え ら れ る 。 本 項 に お い て は 、 こ の 溝 が 生 じ た 条 件 を 、 表 面 溶 融 が 起 こ っ た も の と し て 扱 っ た 。
(３ － ４ ) 処 理 条 件 と 焼 入 れ 硬 化 域 の 関 係
パ ル ス ピ ー ク 出 力 お よ び 焦 点 位 置 と 、焼 入 れ 硬 化 域 の 幅 、深 さ と の 関 係 を図 ４ ．６ ． １ － ４に 示 す 。 ピ ー ク 出 力 が 増 加 す る と 、 硬 化 域 の 幅 、 深 さ は 大 き く な る が 。 表 面 溶 融 が 生 じ や す く な る こ と が わ か る 。 焦 点 位 置 を 固 定 し た 場 合 、 ピ ー ク 出 力 の 変 化 に 対