1999年度（平成11年度） | 資料集 | 大分県産業科学技術センター

平成11年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

高周波振動付加によるセラミックスの

高能率・高精度研削加工に関する研究（第1報）

水 江 宏

機械電子部

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要旨

耐摩耗性・耐熱性が要求される機械部晶の材料として、セラミックス等の硬脆材料が注目されているが、その

加工は能率・精度の面で多くの問題を抱えている。この問題を解決する一手法として、高周波（超音波）振動を

付加した研削加工に関して多くの研究開発がなされている。本研究では、セラミックス等の被削材や加工液に高

周波振動を付加した研削加工実験を行い、研削抵抗や穴入り口でのカケについて有効性を確認した。

Tabl el 実験条件 1．はじめに

セラミックス等の高能率加工法として、高周波（超音

波）振動を付加した研削加工に関して多くの研究開発が

なされているl つ 振動を付加する要素としては工具・被削

材・加工液等が考えられるが、工具側に振動を付加する

方法が多くを占めている。これは、工具やスピンドルは

振動付加に適した設計が可能なためであるっ

一方、被削材に振動を付加する場合は、要求に応じて

被削材の大きさ・形状・材質が千差万別で振動発生が難

しいが、振動の波長に対して被削材が十分に小さければ、

形状・材質が多少変化しても振動を付加することは容易

である．。

そこで、本研究開発では、小型の加工部品を対象とし

て被削材および加工液に高周波振動を付加した研削加工

実験を行いその有効性を検証した。

2．実験内容

微細加工分野では有効と予想される被削材や加工棟に

高周波振動を付加する方法について、3種類の実験を行

った′ つ

①被削材に高周波振動を付加した穴加工

②被削材に高周波振動を付加した輪郭（側面）加工

③加工液に高周波振動を付加した穴加工

これらの実験で使用した共通の条件をTabl el に示す。

2．1被削材に高周波振動を付加した穴加工

切りくず排出等の問題を抱える穴加工については、工

三井精機工業（株）製

ジグ研削盤3GCN

型

電着ダイヤモンド軸付き砥石 （株）ニッカトー製アルミナ2．5t

（曲強さ300MPa、密度3．9g／cm3）

水溶性研削油剤

日本特殊陶業−（株）製ボルト締め

ランジュバン型超音波振動子D4520

日本エマノン（株）製

高周波電源EGR−3200BAFL

日本キスラー（株）製

加工動力計9257B＋アンプ5011

サーマ／レアレイコーダWR8500

オリンパス光学工業（株）製 実体顕微鏡SZX12

（株）フォトニクス製 光ファイバー

方式非接触変位計PM−3HF

加工機

工具 被削材

加工液 超音波振動子

高周波発振器

研削抵抗測定

研削抵抗記録

観察顕微鏡

振幅測定装置

具を振動させる従来の高周波振動加工では研削抵抗の飛

躍的な低減（1／10∼1／30程度）が多く報告されている。

そこで、被削材に高周波振動を付加する方法と従来の

方法と比較するための穴加工の実験を行った。加工性能

は主にZ軸（穴中心軸）方向研削抵抗と被削材の穴入

り口部分でのカケ状態の確認により評価した。

実験方法をFi g．1に示す。工具のZ軸方向（上下方

向）の運動は、切りくず除去促進のためドリルサイク′ レ

を模した上下運動の繰返しサイクルとした。また、回転

うために、主軸の工具回転に加えジグ研削盤の特性から

工具回転軸をオフセットした遊星回転運動を付加した。

ジグ研削盤のテーブル上に加工動力計を設置し、超音

波振動子を固定するために作製した円筒状の保持具を加

工動力計上に固定した。被削材は、超音波振動子の端面

に直接ボルト止めして、Z軸方向に振動を付加できるよ

うにした。

高周波振動が加工面に鉛直に生じるようにした。工具の

動きは、切込み軸が常に加工面に対して鉛直方向を向く

C軸制御加工を行い、加工中は工具のチョッビング運動

（高速上下運動）を付加した。

加工条件をTabl e2に示す。直径3．Ommの工具では乾

式による浅穴加工実験を、直径2．Ommの工具では湿式

によるLノD＝1程度の穴加工実験を行った。主軸回転数

は振動効果が最も大きいと予想される低回転数を選択し

た。それぞれの条件で被削材の振動子への取り付け方法

が異なったため、振動数も若干異なることとなった。

Tabl e2 加工条件

加工条件をTabl e 3に示す。加工送り速度と切込み量

を変化させて、研削抵抗を測定した。送り速度と切込み

量はC軸輪郭加工時の標準的条件としたが、主軸回転数

は振動効果を高めるため穴加工同様低めに設定した。

Tabl e3 加工条件

2．2 被削材に高周波振動を付加した輪郭（側面）加エ

ジグ研削盤の特性を生かしたC軸（xン・平面上の切込

み軸）制御による輪郭加工においては、一般に剛性の低

い小径工具になると加工能率が大きく低下する。そこで、

加工能率の向上を目的に被削材に高周波振動を付加した

輪郭加工実験を行い研削抵抗、表面粗さにより評価したっ

実験方法をFi g．2に示す（つ振動方向がⅩ軸方向を向く

ように超音波振動子保持具を加工動力計上で寝かせて固

定し、 工具側面（円筒形状の外周部）での輪郭加工時に

2．3 加工液に高周波振動を付加した穴加工

高周波振動による切りくずの効果的な排除を目的に、

被削材及び工具の先端を加工液に浸潰した状態で、加工

平成11年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

工穴の状態は、ほとんどの場合高周波振動加工の方が入

り口のカケが少なかった。

工具摩耗の状態は、直径3．Ommの工具での実験では

抵抗で加工性能を評価した。

Fi g．3に実験方法を示す。加工動力計上に加工液を満

たした加工液漕を設置し、加工液中に被削材と超音波振

動子を配置する。加工液の水位は被削材表面から約

5m

m

上方とした。工具の運動はZ軸方向・回転方向と

もに2．1穴加工実験と同様とした。

5

〇

一

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︶長屋壷蔭塵取意

g

己呂呵﹁○拙迷︽

0．05 0．1 0．15 0．2

加工送り速度（mm／mi n）

工具：電着タ÷ィヤ￠3．0′ ／＃120被削材：アルミナ

主軸回転数：9，000r pm 加工送り速度：0．上0．2mt n／mi n 切込み量：10．01上皿′ ′ ′ 〔・yCl e 遊星回転数：80r pm

遊星回転of f s et ：R＝0．5mm 加工液：dr y

Fi g．4 工具直径3．Ommでの加工送り速度と

軸方向研削抵抗の関係

Tabl e 4に加工条件を示す。振動を付加する対象以外

は2．1穴加工実験と同条件とした。

Tabl e4 加工条件

︵

Z

︶遠慮藁蔭直願衰

g

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K

0 0．2 0．4 0．6 0．8 加工送り速度（mm／mi n）

1 1．二

工具：電着タ∼ィヤ￠2．0．／＃120被削材：アルミナ

主軸回転数：9，000r pm 加工送り速度：0．2−1．Omm／mi n 切込み量ニ20，01上m／cycl e 遊星回転数：160r pm 遊星回転0汀s et ：R＝0．25mm加工液：Wet

Fi g．5 工具直径2，Ommでの加工送り速度と

軸方向研削抵抗の関係 3．実験結果および考察

3．1被削材に高周波振動を付加した穴加エ

Fi g．4に直径3．Ommの工具での浅穴加工時における、

加工送り速度に対する軸方向研削抵抗を示す。慣用加工

に比べて研削抵抗は約1／8∼1／2に減少しており、十分

な効果が得られたっ 特に送り速度0．15111m／mi nの場合最

も効果が大きかったっ

Fi g．5に直径2．Ommの工具での穴加工時における、加

工送り速度に対する軸方向研削抵抗を示す。慣用加工に

比べて研削抵抗は約l ／4∼1／2に減少しており、十分な

効果が得られた。慣用加工の送り速度1．Omm／mi nでは

研削抵抗の変動に異常が生じており、送り速度の限界付

近であると思われる′ ′

Fi g．6に工具径1用価mでの穴入り口の状態を示す。加

高周波振動付加 振動なし

Fi g．6 穴入り口の状態

顕微鏡で観察する限り、高周波振動加工と慣用加工では

違いは認められなかった。砥粒の脱落等の大きな工具損

傷は発生しておらず、今回の加工条件はまだ余裕のある

条件範囲と思われる。

以上のとおり、慣用加工と比べて、有効性が認められ

を付加した従来の振動加工に比べて若干劣る結果となっ

た。この理由は二つ考えられる。第一に、従来の振動加

工では工具の振幅が20〃m以上（20k王i z 時）であるのに

対して、本実験では被削材の振幅は6．0〃弱であり振動

による衝撃力は大きく異なっている。振動方向の衝突速

度は約1／3∼1／4と考えられるので、衝突速度が研削抵

抗の低減に直接影響すると仮定すると、振幅を大きくす

ることにより、従来の振動加工と木方法との性能差はよ

り小さくなると考えられる。第二に、工具砥粒のすき間

（チップポケット）に詰まった切りくずは、従来の工具

振動では、詰まった切りくずに直接加速度が与えられる

が、木方法では与えられないため、工具と被削材の相対

運動は同等でも詰まってしまった切りくず除去に与える

影響は大きく異なる。しかしながら、本方法では加工直

後の切りくずによる目詰まり状態は確認されておらず、

木方法においても切りくず除去効果は＋分であり二番目

の影響は小さいものと考えられる。

また、微細加工の領域では大きすぎる振幅が工具寿命

・加工精度に悪影響を与えることもあるので、振幅に制

限を受ける微細加工領域では、従来の振動加工と木方法

の加工性能の差がなくなり、装置の簡便さ等の木方法の

有効性が発現するものと推測できる。

加工穴入り口のカケの状態は従来の振動加工とほぼ同

様の結果となった。

3．2 被削材に高周波振動を付加した輪郭（側面）加工

Fi g．7にXY方向研削抵抗の慣用加工時と高周波振動

加工時の変化を示す。研削抵抗の大幅な低減と変動幅の

縮小が認められる。

Fi g．8に輪郭加工における送り速度と研削抵抗の関係

を示す。また、Fi g．9に輪郭加工における切込み量と研

削抵抗の関係を示す。慣用加工に比べて研削抵抗は約

1／4∼1／2に減少しており、十分な効果が得られた。送

り速度が増加するほど、また、切込み量が増加するほど

高周波振動の効果が大きくなった。

Fi g．10に送り速度20m

m

／m

血、切込み量80〃m

での

被削材の表面状態を示す。慣用加工では工具回転ととも

に切りくずが被削材に押しつけられ、いわゆる「こびり

つき」状態となっていることがわかる。高周波振動加工

では無理なく研削されいる。

Fi g．11に送り速度20m

m

／n血、切込み量80〃m

での

被削材の表面粗さを示す。慣用加工では切りくずによる

自己研磨作用により、良好な表面粗さを示した。高周波

振動加工では、従来の振動加工同様慣用加工に比べて劣

る結果となった。

輪郭加工において工具半径方向に高周波振動を付加す

触

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工具：電着タ♪ィヤモント’ ￠2．0／′ 削50 被削材：アルミナ 主軸回転数：9，000r pn】 加工送り速度：20n甘I l ／ml n 切込み量：80〟n】 チリヒeンク、、サイクル：200r pm チ叩ヒ○ ンク■ ’ストローク：3．Omm 研削液：dr y

Fi g．7 ⅩY方向の研削抵抗の変化

0 10 20 30

加工送り速度（mm／′ mi n）

工具：電着タ∼ィヤ￠3．0／＃120被削材：アルミナ 主軸回転数：9，000r pm

切込み量：40〃m チョソヒPンク÷サイクル：200r pm

チョッヒ○ ンク∼ストローク：3．Omm 加工液：dr l r

Fi g．8 輪郭加工における送り速度と研削抵抗の関係

︵

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︶長屋藁蔭

30 40 50 60 70 80 切り込み量（〃m）

90

被削材：アルミナ

加工送り速度：20mm／mi n

チョッヒeンク■サイク−レ：200r 印

加工液：dユーy 工具：電着タ÷ ィヤ￠3．0．／′机20

主軸回転数：9，000r pm 切込み量：40 − 80鳥m

チョッヒ1ンク÷ ストいク：3．Onl m

平成11年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

3．3 加工液に高周波振動を付加した穴加エ

Fi g．12に穴深さに対する研削抵抗の変化を示す。慣用

加工に普通給油を行った加工と比較して、穴深さ

0．5mm以下では加工液に高周波振動を与えた効果が若

干認められるが、穴深さ 0．5mm以上では慣用加工とほ

ぼ同等の結果となり高周波振動を加工液に付加した有効

性は認められなかった。 慣用加工（高周波振動無し） 高周波振動付加

Fi g．10 輪郭加工における被削材表面状態

5

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︶媒史藁蔭亘ヰ惑

慣 送

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方

一向

Z Ra＝1・29￣甘ⅧTこ−＝R咋10・34草竺

軸 方

向

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動 加 工 一考 り 方 向 ∼l l ：l l l l

……；‡ 方 向 Ra＝2・2紙料軸≒笹‡3す華■￣十 引‖ L⊥…＿，． Z8gll

0 0．5 1 1．5 2

穴深さ（mm）

工具：電着タ∼ィヤ￠2．0／＃150 被削材：アルミナ 主軸回転数：9，000r pm 加工送り速度：0．40mm／mi n 切込み量：20．0〃m√／cycl e 遊星回転数：160r pm 遊星回転of f s et ：R＝0．25mm 加工液：Wet Or di ppi ng

Fi g．12 浸漬液に高周波振動を付加した場合の

穴深さに対する研削抵抗の変化

今回の条件では、高周波振動の効果はないという結果

となった。振動による衝撃破砕効果は当初から期待でき

なかったが、切りくず除去効果も研削抵抗の変化から確

認されなかったゥ

しかし、共同研究者である徳島県の加工液に振動を与

える放電加工の実験では、十分な効果を上げている。徳

島県の加工は、工具直径が非常に小さく、超音波発生源

にウェルダー用振動子とホーンを用いて加工局部にホー

ン先端を接近させており、加工の規模に対して、超音波

エネルギーが非常に大きい条件で実験を行っていると考

えられる。

そこで、今後本実験においても工具直径をより小さい

ものとし、ウニルダー用振動子セットを徳島県から借用

して研削加工に応用する予定である。研削加工と放電加

工では加工方式が全く異なっているが、加工規模に対し

て超音波エネルギーが十分大きくなれば、切りくず除去

の効果が得られると期待できる。

本方法はもっとも簡便に高周波振動を付加できる方法

であり、工具、被削材に振動を付加する方法ほど大きな

効果が得られなくても、効果の程度によっては十分有用

であるといえる。 Fi g、11輪郭加工における表面粗さ

る研究はこれまで行われておらず、本結果により慣用加

工に比べて加工能率の向上が確認できた。微細加工（小

径工具の加工）では工具横方向の剛性が極めて小さくな

るため、木方法による研削抵抗低減が一層有利になると

考えられる。

本実験では一軸（Ⅹ軸）方向の振動で一軸（Y軸）方

向の加工を行った。通常の加工ではXY軸方向の同時加

工が行われるので、今後実用化のためには、被削材を

ⅩY軸の振動（円形振動）を付加しその効果を確認する

必要がある。

また、表面粗さの問題については、輪郭加工において

も被削材のZ軸方向の振動付加による好影響も考えら

れるので実験で確認するとともに、粗加工と仕上げ加工

3．4 振幅・周波数の関係

振動子に直接被削材を取り付ける方法は、一般的では

なく周波数・振幅に与える影響は明らかではない。そこ

で、高周波電源の出力と振動子端面に取り付けた被削材

表面の振幅・周波数について測定した。Fi g．13に電源

出力・振幅・周波数の関係を示す。公称20khz の振動子

であるが、被削材及び取り付け具の影響により共振周波

数は18．1虻i z に下がっている。また、高周波電源の出力

を最小に保てば出力レベル5の時約5．4〃m

程度の振

幅を生じていることがわかる。

参考文献

（1）（社）日本電子機械工業会、超音波工学、コロナ社

（2）道津ら、精密工学会春季大会講演論文p184D75等

0

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︵＞∈︶塑閻魔塵稟匡庭

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15 16 17 18 19

周波数（kHz ）

高周波電源出力レベル：1

︵＞

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亡︶塑圃塵締嚢堅疲

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周波数（kHz ）

高周波電源出力レベル：5

Fi g，13 電源出力・振幅・周波数の関係

4．おわりに

①被削材に高周波振動を付加した穴加工では、慣用加

工に比べて研削抵抗は約1／8∼1／2に減少しており、

十分な効果が得られた。

また、穴入り口のカケでも有効性が確認された。

②被削材に高周波振動を付加した輪郭（側面）加工で

は、慣用加工に比べて研削抵抗は約1／4∼1／2に減

少しており、十分な効果が得られた（。

また、表面粗さは慣用加工の方が良かった。

3加工液に高周波振動を付加した穴加工では、有効性