硬 ぜ い材 料 の マ イ ク ロ切 削 にお け る塑 性 変 形 型 材 料 除 去 の可 能 性*
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(2) 杉 田 ・ 上田 ・遠 藤: 硬 ぜ い 材 料 の マ イ ク ロ切 削 に お け る塑 性 変 形 型 材 料 除 去 の 可 能 性. Fig.. 2. Model. of elastic. sliding. 213 9. contact. 工 作 物 に ガ ラ ス を 選 ん で 行 っ た. 3. 1. 応 力 解 析. 図 2 に 示 す よ う に,先. 端半径 R の円すい圧子が工. 作 物 に 垂 直 荷 重 P で 弾 性 接 触 し,接 fP(fは. 摩 擦 係 数)を. Fig.. 3. Distribution and. 線方向に摩擦力. 受 け な が ら す べ る.こ. of. direction. of. maximum minimum. principal. stress ƒÐ1. principal. stress ƒÐ2. の と き,. 切 削 に お け る切 込 み は 圧 子 と 工 作 物 の 近 接 量 d と し, d が 変 化 し た と き の 応 力 分 布 の 変 化 に 注 目す る.接 円 半 径 a と近 接 量dは,Hertzの. 触. 接 触 理 論 か ら次 式. で 示 さ れ る.. (3 ) (4 ) こ こ に,Kは. 弾 性 定 数 で あ る.. 応 力 分 布 は,Hamiltonら 算 し た.応. の 解 析 方 法2 ) を 用 い て 計. 力 はP0=3P/2πa2,. し た. そ し て,摩. 長 さは a で無次 元化. 擦 係 数fは,後. を 踏 ま え て 0.4 と した.図. に述 べ る実 験 結 果. 3 に は,き. 裂伝 播 に つ いて Fig.. 考 察 す る た め に 最 大 主 応 力 σ1の 分 布 と最 小 主 応 力 σ2 の 方 向 を 計 算 した 結 果 を 示 す.図4に. は,塑. と は 重 要 で あ る.な て い る た め,ほ. of equivalent. stress. に,. ち ら も接 触 後 縁 に 発 生 す る こ. お,こ. こでは ガ ラスを モデ ル と し. と ん ど 問 題 な い が,単. 料 を 取 り扱 う場 合,厳. Distribution. 性 変形 の. 臨 界 条 件 を 求 め る た め に 相 当 応 力 分 布 を 示 す.特 σ1と σEの 最 大 値 が,ど. 4. 結 晶,多. 結晶材. 密 に は 結 晶 の 異 方 性,粒. 界の 影. 響 な ど も考 慮 した 解 析 が 必 要 で あ る. 3. 2 Kcと. 温 度 解 析 σYの 温 度 依 存 性 を 考 慮 す る た め,切. す な わ ち す べ り速 度vを. 削速 度. パ ラ メ ー タ に,Jaegerの. 移. Fig.. 動 熱 源 理 論3)を 用 い て 工 作 物 内 の 温 度 分 布 を 求 め た. こ の と き,熱. 源qは,弾. 3. 3. 性 す べ り接 触 モ デ ル の 接 触. 切 削 速 度vと. 面 摩 擦 仕 事 と した.. 5. Distribution. of temperature. 塑 性 変 形 に 基 づ く材 料 除 去 が 起 こ る条 件 切 込 みdを. パ ラ メ ー タ に,き. 裂伝播. 型,塑 性 変 形 型 の 材 料 除 去 が 生 じ る 臨 界 条 件 を 求 め る. き裂 伝 播 を 論 じ る た め に は, 工 作 物 内 に き 裂 の 存 在 を. (5 ) 図 5 に ｖ=1000m/min. 仮 定 し な け れ ば な ら な い.ま. の と き の 温 度 分 布 を 示 す.. 最 高 温 度 は, 接 触 円 後 縁 に 現 れ, そ の 値 はvに. め に は,工. 比例. た,塑. して お か な け れ ば な ら な い. 3.1節. す る.. ら,き 14 5. 性変 形 を論 じ るた. 作 物 の ど こで 最 初 に 降 伏 が 生 じ る か を 把 握 と3.2節. の結果か. 裂 伝 播 に 関 係 す る σ1,塑 性 変 形 に 関 係 す る σE,.
(3) 214 0. 精 密 工 学 会 誌52/12/1986. Fig.. 6. Dependency ting speed. of material removal type on cut and depth of cut (analytical results ). Fig.. 7. Dependency speed and. of material depth of cut. removal type on cutting (experimental results ). ま た 温 度 も 接 触 円後 縁 で 最 大 と な る こ とが わ か る. そ こで, 接 触 円 後 縁 で の 工 作 物 の 変 形 挙 動 か ら, き裂 伝 播 型 か 塑 性 変 形 型 か を判 別 す る. ま ず,. き 裂 伝 播 型 の 臨 界 条 件 は,接. に 長 さ2c,. 深 さafの. を 仮 定 し,モ の と き,応. 触 円後縁. 半 楕 円 状 表 面 き裂 の 存 在. ー ドIの 破 壊 に よ っ て 考 え る 。 こ. 力 拡 大 係 数 は,次. 式 の よ うに 示 され. る.. (a ) Fig.. (6 ) こ こ に,Qはk=1‑(af/c. d 8. :. Chip. 3 ƒÊm. (b ). morphology. Cutting. and. speed. ; 1 000. d. machined m/min,. :. 0.2 ƒÊm. surface. of glass. Rake. angle. ). d. ; 0•‹. ) を 母 数 とす る第 2. 種 完 全 楕 円 積 分 で あ る. ま た, 降 伏 はMises の 条 件 σE≧σYで 判 定 す る.そ KIcと. して,ガ. σYの 温 度 依 存 性 を 考 慮 工 し,き. 塑 性 変 形 が 起 こ る 臨 界 条 件 を 求 め た.こ σYは,塑. ラス の. 裂 伝 播, の とき. 性 変 形 の 有 無 を 知 る 目安 と な る ビ ッ. カ ー ス 硬 度 か ら 算 出 し た(σY(T)〓. 1.06HV (a. (T) ). 図 6 に,す. 計 算 結 果 を 示 す.塑. 付 近 か ら 現 れ,ま. ラ ス に つ い て は,500m/min. 1,5 ƒÊm. (b. morphology. Cutting. speed. and. machined. ; 100 m/min,. :. 1,6ƒÊm. surface. Rake. angle. of Si ; 0•‹. パ ラ メー タに した. た δが 小 さい 程 の こ と に よ り,ガ 以上 の切 削速度. 下 の 切 込 み に す れ ば,材. 昇 に よ るKIc,σYの. : Chip. 性 変 形 型 材 料 除 去 は,v=. き 裂 伝 播 は 起 こ り に くい.こ. で1μm以. d 9. べ り速 度 す な わ ち 切 削 速 度vと. 近 接 量 す な わ ち 切 込 みdを. 500m/min. ) Fig.. 変 化 が 生 じ,塑. 料 の温 度 上 性 変 形 に基. (a ). d. :. 6 ƒÊm. (b ). d. :. 2,5 ƒÊm. づ く材 料 除 去 の 可 能 性 が 高 く な る こ と が わ か Fig.. る.. 10. Chip. morphology. stabilized Cutting. 4.. 実験 結 果お よび考 察. 弾 性 す べ り接触 モデ ルで 考察 した臨 界 切 削条 件 の妥 14 6. and. machined. surface. of partially. ZrO2 speed. ; 200. m/min,. Rake. angle. ; 0•‹. 当 性 を 明 ら か に す る た め に,予. 備的 実験 と して ダイヤ. モ ン ド圧 子 に よ る ガ ラ ス とSi単. 結 晶 の 切 削 を 行 った..
(4) 杉 田 ・上 田 ・遠 藤: 硬 ぜ い 材 料 の マ イ ク ロ切 削 に お け る 塑 性 変 形 型 材 料 除 去 の 可 能 性. 仕 上 面 に き裂 が 残 留 す る か ど うか で,き 性 変 形 型 か を 判 別 した.図7に. に つ い て 考 察 し た.そ. 裂 伝播 型 か塑. 切 削 速 度 と切 込 み を パ. ラ メ ー タに 実 験 し た 結 果 を 示 す.ガ. ラ ス の 場 合,切. 度 500m/min. 削. 速 度 500m/min付. 近 か ら 切 込 み を 大 き く し て も き裂. は 残 留 し な い.こ. れ は,図6のaf=0.01μmの. ば,塑. の 結 果,ガ. 以 上,切. 込 み 1μm. 場 合. そ して,円. ス の 場 合 切 削 速 度 500m/min以. ほ と ん ど み られ な い.こ. れ はSiの. 熱 伝 導 率 が ガ ラス. ま で 大 き く し て も,き. よ り大 き い こ と か ら,こ. の 切 削 速 度 範 囲 で はKIc,σY. と が わ か った. ス,Si,ZrO2を. ー ダで 切込 み が制. ま で の 切 削速 度 が 得 られ る,エ ア ス ラ イ ドを 用 い た 高 速‑イ して,刃. 裂伝 播 に よ る材料 除 去 で は な. 成 し,表. ク ロ切. ま た,高. 速 マ イ ク ロ切 削 装 置 で ガ ラ. 切 削 した と こ ろ,連 続 型 切 り くず が 生. 面 粗 さ 0.1μm. 以下 の良好 な仕 上 面 が得 られ. た.. 先 ノ ー ズ 半 径100μm,. 最 後 に,切. 削 装 置 設 計 に あ た り適 切 な 指 針 を 賜 り ま. した 大 阪 大 学 工 学 部 井 川 直 哉 教 授 に 厚 く御 礼 申 し上 げ. す く い 角0° の ダ イ ヤ モ ン ド工 具 を 用 い,切 削 速 度 200 〜400m/min , 切 込 み 1 μm以 下 の 条 件 で,ガ ラ ス,. る と と も に,切. Si,ZrO2を. 株 式 会 社 不 二 越 に 深 く感 謝 し ます.ま. 切 削 し た.そ. 観 察 例 を 図8,9,10に. の 切 り く ず と仕 上 面 のSEM. 示 す.い. た,仕. 粗 さ も 0.1μm. 面 下 に微 小. 以 下 で あ っ た.し. か し,表. な き 裂 が 残 留 し て い る か ど うか は,さ. 上面. 参 考. らに 詳 細 な 検 討. 結. 言. う こ と か ら,切. 力,温. 2). G. M. Hamilton & L. E. Goodman : The Stress Field Created by a Circular Sliding Contact, J. Appl. Mech., 33, (1966 ) 371. J. C. Jaeger : Moving Sources of Heat and the Temperature at Sliding Contacts, Proc. Roy. Soc. New South Wales, 76, (1942 ) 203.. 3). 度 解析 を行. 削 速 度 と切 込 み を 中 心 に 材 料 除 去 過 程. 文 献. 橋 本 知 明,上 田 完 次,遠 藤 勝 義,杉 田 忠 彰: セ ラ ミ ッ ク ス の マ イ ク ロ切 削 に 関 す る 研 究(第 3 報)― 焼結 アル ミナ の 切 削 中 の き裂 挙 動, 昭 和 58 年 度 精 機 学 会 秋 季 大 会 学 術 講 演 会 講 演 論 文 集(1983 ) 499.. 硬 ぜ い 材 料 の 高 速 マ イ ク ロ切 削 の 基 本 モ デ ル と し て 弾 性 す べ り接 触 モ デ ル を 提 案 し,応. 研 究遂 行. 1). が 必 要 で あ る. 5.. た,本. か ら感 謝 致 し ま す.. 性 変形 型. 材 料 除 去 が 起 こ って い る と考 え られ る.ま. 削 装 置 作 製 に あ た り御 協 力 い た だ い た. に あ た り御 協 力 を い た だ い た 大 学 院 生 岸 本 昭 夫 氏 に 心. ず れ もせ ん 断 変 形 に よ. る と思 わ れ る連 続 型 切 り くず が 観 察 さ れ,塑. ラ. 上 で は 切 込 み を 6μm. く, 塑 性 変 形 に よ る 材 料 除 去 が 生 じ る可 能 性 が あ る こ. の 大 き な 変 化 が 得 られ な か っ た か ら だ と 考 え られ る.. 削 装 置 を 試 作 した.そ. 以 下 で 切 削 を行 え. す い 圧 子 に よ る 切 削 を 行 っ た 結 果,ガ. 場合速度依存性 は. ア ベ ア リン グ,エ. 削速. とが 計 算 か ら得 ら れ た.. 方,Siの. 御 で き, 3500m/min. ラ ス の 場 合,切. 性 変 形 に 基 づ く材 料 除 去 が 可 能 で あ る と い う こ. に よ く一 致 し て い る.一. 以 上 の 結 果 を 踏 ま え,0.1μmオ. 214 1. と思 わ れ る. しか し翻 って 切 削 現 象 とい う立 場 か ら眺 め た場 合,超 精 密 切 削 に は 未 知 の 部 分 が 多 く残 され て い る よ うに 思 わ れ る.た とえば 切 削 単位 が 小 さ くな る こ とに よ り,見 か け上 の比 切 削抵 抗 は 通 常 の 数倍 に も達 し,結 晶 の 方 向性 が切 削 特 性 に大 き な影 響 を 及 ぼす.超 精 密 切 削 加 工技 術 を今 後 よ り広 く発 展 させ て い くた め に は,切 削 加 工 の 限 界 は どこ に あ る の か とい うこ とを 念頭 に お いて,科 学 的 な 立場 か ら切 削 現 象 の 本 質 を 探 求 す る こ とが重 要 で あ ろ う と考 え られ る.同 様 の こ とは 超精 密 切 削加 工 に直 結 した工 作機 械,工 具,被 削材,計 測 技 術,加 工 環境 につ いて も言 え る. 最 近 に お け る本 会 誌 の 特 集 号 で は,工 作 機械 や工 具,計 測技 術 に関 す る話 題 は 取 り上 げ られ て い る もの の,超 精 密 切 削 加工 技 術 そ の もの が 正 面 か ら取 り上 げ られ て い な い. そ こで本 特 集 号 で は異 な る立場 の方 々 に,超 精 密 切 削加 工 技 術 とそ の関 連 分 野 の 見 直 しの上 に立 って,今 後 の展 開 に つ い て展 望 して いた だ くと共 に,具 体 的 に最 新 技 術 の御 紹 介 を い た だ い た.執 筆 者 各位 に厚 く御 礼 申 し上 げ る次 第 で あ る. な お,今 回御 紹 介 い た だ い た技 術 は,当 該 関 連 分 野 のす べ て を 網羅 して い る訳 で は な く,紙 面 の都 合 な らび に企 業 の 御 都 合 に よ り,他 の 興 味 あ る最 新 技 術 の 御 紹 介 が で きな か った こ とを 申 し添 えて お く. (森 脇 俊 道). 編 集後 記 我 々が 日常 生 活 を営 み,ま た 産 業 活 動 に 従 事 す る に あ た って,様 々の 分野 で いわ ゆ る超 精 密 切 削 加工 技 術 の恩 恵 を 蒙 っ て い る.よ く知 られ て い る例 と して,古 くは 家庭 用 ビデ オ ヘ ッ ドの 加工 に,ま た比 較 的 最 近 で は コ ン ピ ュー タ 用 ハ ー ドデ ィス ク,レ ーザ プ リンタ用 ポ リゴ ン鏡 の 加工 に 超精 密 ダイ ヤモ ン ド切 削 技 術 が応 用 され て い る こ とを あ げ る こ とが で き る. 超 精 密 切 削 加工 技 術 が 導 入 され た こ とに よ り,製 品 の要 とな る高 精 度 部 品 の加 工 コ ス トが 大 幅 に低 下 し,同 時 に生 産 性 が飛 躍 的 に 向上 した.例 えば 最 新 の 自 動 化 され た ポ リゴ ン鏡 加 工 機 は,1 台 で年 間10万 個 の ポ リ ゴ ン鏡 を 加工 す る能 力 が あ る と され て お り,こ の 数 は 我 が 国 で 現在 生産 され て い る レーザ プ リン タの 年 間 生 産 台 数 で あ る十 数万 とい う数 に 近 い値 で あ る. 最 近 で は超 精 密 切 削 加 工技 術 の 応用 は,従 来 の 軟 質 金 属 を対 象 と した もの か ら,プ ラス チ ックスや ガ ラ ス,さ らに は鋼 を は じめ とす る種 々の金 属 材 料 の 加工 へ と広 が りつ つ あ る.ま た この よ うな 先端 加工 技 術 は 新製 品 の 開 発,在 来 製 品 の 画期 的 な性 能 向上 や コス トダ ウ ンに直 結 す る こ とが 多 く,一 般 に 知 られ な い と こ ろで の 技 術開 発 が 進 め られ て い る と も聞 く.い ず れ にせ よ超 精 密 切 削加 工 は実 用 面 か ら の 研 究 開発 が 先 行 して お り,今 後 もそ の傾 向 は変 わ らな い 14 7.
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