フ ァ イ ン セ ラ ミ ッ ク ス の ホ ー ニ ング 加 工* 被 削性 と切 り くず生成機構
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(2) 上 田 ・花 見 ・裏 ・山 本. Table. 1. Characteristics. : フ ァ イ ンセ ラ ミ ッ ク スの ホ ー ニ ン グ加 工. 1 13 9. of ceramics. σb=84MPaと. し て い る.. Si3N4とSiCに. 対 して は 前. 報 で 述 べ た よ う に,C50〜 70の 範 囲 の 砥 石 が 適 切 で あ り,砥 石 の 切 削 性 に重 点 を 置 くた めC50と る.砥. して い. 粒 は い ず れ も粒 度. 140/170で. じん 性 の 大 き い. 人 造 ダ イ ヤ モ ン ドMBG‑ 660(G.E.社. 製)を. 用 いて. い る.実 験 装 置,測 定 装 置, 加 工 液 は 前 報 と同 様 で あ る.実. 験条 件 は ホーニ ン グ. 速 度V=30m/min,交. 差. 角2θ=20°,ス =70mm,オ. トロ ー クS ー バ ラ ンa=. 10mmで. あ り,1回. の 加. 工 時 間 を,Al2O3,SiO2 で は1min,Si3N4,SiC, Si3N4(C)で て い る.ま ち,砥 SiC. Al2O3. Si3N4. 1. SEM. photographs. of microstructure. た,実. 2. SD sticks. recommended. for ceramic. 験 に先 だ. み を良 くす る た め,A12O3, は1min,他. の 材. of ceramics. 料 で は5min前 Table. し. 石 と加 工 材 料 の な じ. SiO2で Fig.. は5minと. 加 工 を行 っ. て い る.. honing. 3. 2. 加工 材料 の被 削性. 各 種 セ ラ ミ ッ ク ス を加 工 した 結 果 が 図2で 軸 が 砥 石 圧 力 几,縦. 軸 が 比 加 工 抵 抗ks1),切. 当 す る砥 石 切 込 み 深 さd1),仕 る.被. た が っ て,被. 削量 に相. 上 面 平 均 粗 さRaで. 削 性 の 良 い 材 料 で はksが. な る.し. あ る.横. 小 さ く,dが. あ. 大 き く. 削 性 の 良 い も の か らSiO2,. い 長 柱 状 の β 型 窒 化 け い 素 が 入 り組 ん だ 構 造 と な っ. Al2O3,Si3N4,SiCの. 順 に な る こ とが わ か る.こ. て お り,先 の2つ. はSiCを. 示 した材 料 の 強 度 と同 じ順 に. 度 は β‑Si3N4が. と大 き く異 な っ て い る.Si3N4の. 強. な っ て い る.各 加 工 材 料 で は,Pnが. 複 雑 に 入 り組 ん で い る ほ ど大 き く な. る2)3).. が 大 き く な っ てkSが 3.. 3. 1. 除 き,表1に. 加. 工. 試. て い る が,Sicで 験 に あ る.砥. 大 き く な る とd. 減 少 す る正 常 な切 削形 態 を示 し. はPn≒3.5MPa付. ち,こ れ 以 上 の 圧 力 で はdが 実 験 方 法. の順. 近 で ピー ク を持. 減 少,ksが. 増 大 す る傾 向. 石 が こ の 圧 力 を境 に して 切 削 状 態 か ら 目 つ. ぶ れ 状 態 へ 移 行 し て い る た め で あ る.一 方,同. じ種 類. ろ=3mm)で. 円 筒 外 面 を仕 上 げ る外 面 ホ ー ニ ン グ加 工. の 材 料Si3N4とSi3N4(c)を. 小さ く. で 行 っ た.使. 用 し た 砥 石 を 表2に. dの 大 き いSi3N4(c)の. 実 験 は1本. の 棒 状 砥 石(作 業 面:長. さl=50mm,幅. 示 す.こ. れ らの 砥 石. 比 較 す る と,ksが. 方 が は る か に加 工 しや す い こ. は これ まで 行 っ た 研 究 結 果 か ら各 セ ラ ミ ッ ク ス 材 料 の. とが わ か る.特. 加 工 に適 切 と考 え られ る砥 石 で あ る.Al203,SiO2に. 10倍 程 度 も差 が あ り,同. は集 中 度C100,砥. い 素 で も メ ー カ が 異 な れ ば大 き な 差 が あ り,デ ー タ の. Si3N4(C)に. 石 曲 げ強 さ σb=140MPa,Si3N4,. はC50,σb=100MPa,SiCに. はC50,. に,dはPn=2.5MPaで. 取 扱 い に は 注 意 を要 す る. 13 1. 比較す ると. じ常 圧 焼 結 法 に よ る 窒 化 け.
(3) 精 密 工 学 会誌 54 /6 /19 88. 1 1 40. Si3N4(C). Al2O3. SiO2. Fig.. 2. Comparison. SiC. Si3N4. of machinability. of ceramics. き,左 上 に あ る材 料 ほ ど被 削 性 が 悪 く,右 下 に あ る 材 料 ほ ど被 削 性 が 良 い と判 断 で き る. FCD50は. 鉄 鋼 材 料 の 中 で も被 削性 の 良 い 材. 料 に入 る が,SiO2,Al2O3は. この 材 料 よ りも. 被 削 性 が 良 くな っ て い る. 3. 3. 加 工 面,切. り くず の 観 察. 切 り くず が 生 成 さ れ る機 構 を 調 べ る た め, 加 工 物 仕 上 面 お よ び 切 り くず を 観 察 し て み た. 加 工 後 のSi3N4表. 面 の 電 顕 写 真 を 図4に. 示 す.材. 料 表 面 に あ る ク レー タ の 形 状 を知 る. た め,そ. の レ プ リカ を とっ て 観 察 し て お り,. 写 真 で は ク レ ー タ が 突 起 と して み え て い る. 図 に み ら れ る よ う に,#150砥. Fig.. 図2の dで. 3. ks-d. relation. 結 果 よ り比 加 工 抵 抗ksを. 整 理 し な お した 結 果 が 図3で. で は 図2に. 砥 石切 込 み深 さ あ る.な. み る よ う にPn>3.6MPaで. 球 状 黒 鉛 鋳 鉄FCD50を. た,図. お,SiC. 砥 石 が 目つ. ぶ れ 型 と な っ て 加 工 状 態 が 異 な る た め,こ デ ー タ は 除 外 し て い る.ま. 石 で加 工 した. れ らの. に は比 較 の た め,. 加 工 し た 結 果(定. 切込 み. ホ ー ニ ン グ加 工,V=40m/min,2θ=15.,SD150 MC50砥. 石,無. あ る.図. に み る よ う に,鋳. #150 stick (Pn =3.8 MPa). 添 加 ス ピ ン ドル 油 使 用)4)も 加 え て. ミ ッ ク ス に 対 して もksとdの. 鉄 と同様 い ず れ の セ ラ 間 に は両対 数 グラ フ. 上 で ほ ぼ 直 線 関 係 が あ り,寸 法 効 果 を 示 して い る. また,加. #600 stick (Pn = 2.3 MPa). Fig. 工 材 料 の 被 削 性 を簡 単 に 判 別 す る こ とが で 132. 4. Micrographs sticks with. of Si3N4 surfaces honed different grain size. by diamond.
(4) 上 田 ・花 見 ・裏 ・山 本:フ. ァ イ ン セ ラ ミ ック ス の ホ ー ニ ン グ加 工. 図1と 比 較 す る と,そ い.こ. 1141. の 大 き さや 形 状 は 構 造 粒 子 に近. れ に 対 し,(c)はSi3N4の. 切 り くず で あ る が,. 表 面 に 多 数 の 小 さ な 突 起 を も っ て お り,Al2O3と な 違 い の あ る こ とが わ か る.図1の と,長 柱 状 の β‑Si3N4が. 大き. 構 造 粒 子 と比 べ る. 入 り組 ん で ひ とか た ま り と. な っ て い る と考 え る こ と が で き る.図6は. 光 学顕微 鏡. 写 真 か ら切 り くず 径 を 測 定 し た 結 果 で あ る.#150砥 石 で 加 工 し た 場 合 を み る と,Si3N4で 大 き な切 り くず が あ り,広. は10μm以. 影 した 写 真 に は含 ま れ な か っ た が,数 き な 切 り くず も み ら れ た.こ. Al2O3. 十 μm程 度 の 大. れ に対 し,Al2O3で. 布 の 幅 が 狭 く,平 均 径 も4.5μmと (a ). 上 の. く分 布 して い る.ま た,撮. は分. 図1の. 微 細 構造 に. み られ る粒 子 径 に 近 い 値 と な っ て い る.こ. れ らの結果. を 合 わ せ る と,Al2O3で. は 主 に 粒 界 で 破 壊 が 起 こ り,. 構 造 粒 子 の 大 き さが 基 本 単 位 と な っ て 多 数 の 切 り くず が 生 成 され る.こ し,Si3N4で. の た め被 削性 が 良 くな る.こ. 入 り組 ん だ か た ま. り と な っ て 除 去 され て ゆ くた め,粒. 内 破 壊 も起 こ り被. 削 性 が 悪 くな る と考 え る こ とが で き る.一 粒 度 が 高 く(砥 粒 径 が 小 さ く)な (b ). (c ). Al2O3. 5. Chips. formed. に 生 じた ク レ ー タ(図4)が by honing. 4.. い る.し か も,そ れ らの 大 き さ は 大 き い もの で50μm こ ろ が,粒. 石の き な切. 小 さ く な る こ と と よ く対. 応 し て い る.. 表 面 に は 切 削 条 痕 に 沿 っ て 多 数 の ク レ ー タが 存 在 し て. 以 上 もあ る.と. 方,砥. る に 伴 い,大. り くず は減 少 し,平 均 径 も小 さ くな っ て お り,加 工 面. Si3N4. Pri= 2.3 MPa Fig.. れ に対. は長 柱 状 の β‑Si3N4が. 度 の 高 い#600砥. 引 っか き試 験. 切 り くず 生 成 機 構 を さ ら に 詳 し く調 べ る た め,単. 石 に よる. 粒. 加 工 面 に な る と ク レー タ は極 端 に 小 さ く浅 く な っ て い. ダ イ ヤ モ ン ド工 具 を用 い て セ ラ ミ ッ ク ス 材 料 の 引 っ か. る.ま た,前 報 よ り#1200砥. き試 験 を行 っ た.. い る.し. た が っ て,こ. 石 で は鏡 面 が 得 られ て. れ ら の ク レ ー タ は材 料 固 有 の も. 4. 1. 実 験 方 法. の で は な く,砥 粒 に よ る材 料 除 去 に よ っ て生 じた もの で あ る こ とが わ か る. そ こで,次. に切 り くず を調 べ て み た.切. くず は加 工 開 始 直 後,加. り. 工 液 と共 に採 取 し,. 超 音 波 洗 浄 器 に か け て 切 り くず を 一 つ 一 つ 分 離 した 後,メ. ン ブ ラ ン フ ィ ル タ(ト ー ヨー 製). で濾 過 し,フ. ィル タ に 残 存 す る切 り くず を顕. 微 鏡 で 観 察 し た.フ ィル タ は ボ ア サ イ ズ5,3, 1μmの3種. 類 を 用 い た が,径. が1μm以. 下. の切 り くず は顕 微 鏡 の 限 界 や フ ィル タ と の判 別 の 困 難 さか ら,測 定 か ら除 外 した.な. お,. 平 均 径 は切 り くず の 長 径 とそ れ に 直 角 な方 向 の 径 の平 均 と して い る. 図5に. 切 り くず の 電 顕 写 真 を 示 す.(a)は. メ ン ブ ラ ン フ ィ ル タ上 のAl2O3切 で あ り,(b)は. そ の1つ. り くず 粉. を 拡 大 し た もの で あ. Al2O3 Fig.. る.切 り くず の 表 面 は 比 較 的 な め ら か で あ り, 133. Si3N4 6. Distributions. of chip. diameter.
(5) 精 密工 学 会 誌 54/6/1988. 1142. り,の. こ ぎ り状 の 波 形 とな っ て い る.す. な わ ち,工. 具 が 前 進 す る と高 ぜ い 性 材 料 で あ る セ ラ ミ ッ ク ス は 大 き く変 形 で きな い た め 急 速 に 抵 抗 が 大 き くな り, 材 料 強 度 を 越 え た と き破 壊 が 起 こ っ て 切 り くず が 生 成 さ れ る.こ の と きFtは て,材. 急 激 に 低 下 す る.し た が っ. 料 の 強 度 を評 価 す る 場 合 に は平 均 的 な 力 よ り. も ピ ー ク値 に注 目 しな け れ ば な ら な い.な. お,図. 中. の 矢 印 は この 点 で ダ イ ヤ モ ン ド工 具 が 破 損 し た こ と を表 し て い る.(c)はSi3N4をFnが 引 っ か い た 場 合 で あ る が,(b)に. 大 きい状 態 で 比 べFtの. 変動の. 波 長 が 長 く な っ て い る. Fig.. 7. Equipment. for scratching. 図9は. test. 図8に. 対 応 した 引 っ か き痕 で あ る.(a)の. Fnが 小 さ い 場 合 に は 引 っ か き痕 は浅 くな め らか で, 工 具 形 状 が そ の ま ま転 写 さ れ て お り,試 料 の微 小 破 砕. (a) SiC (Fn = 55 N). に よ っ て わ ず か の切 り くず が 生 成 され て い る と考 え る こ とが で き る.こ れ に 対 し,Fnが 大 き い(b)に. な る と,. ラ テ ラ ル き裂 に よ る も の と考 え られ る5)6)大 き な 貝 殻. (b) SIC (Fn = 122 N). 状 の 破 壊 跡 が み られ,工. (c) Si3N4,(Fn = 288 N). 具 形 状 を は る か に上 まわ る 深. くて 広 い 引 っ か き痕 と な っ て い る.(c)はSi3N4で. あ. る が,(b)と. っ. 同 様 ラ テ ラ ル き裂 に よ る大 破 壊 や,引. か き 痕 底 部 に は ダ イ ヤ モ ン ド工 具 との 摩 擦 に よ る 条 痕,お. よ び 条 痕 と垂 直 方 向 を もつ 多 数 の 小 さな ク ラ ッ. ク(コ ー ン き裂 と考 え られ る)が み られ る. 図10はAl2O3を Fig.. 8. Output. waves. of scratching. 引 っ か き試 験 装 置 を 図7に 大 き さ10×20×25mmの. 示 す.動. resistance. く ず で あ る.径 が,数. 力 計 に 固 定 した. 引 っ か い た と き に 生 成 され た 切 り が100μm程. 度 の大 きな もの もあ る. の上 で は 大 半 が 図 の よ う な 数 μm程. 長 方 体 の セ ラ ミックス. (a). 表 面 を一 定 荷 重 を加 え た 円 す い 形 ダ イ ヤ モ ン ド工. SiC(Fn=55 N). 具(ロ ッ ク ウ ェ ル 硬 度 計 用 圧 子,先 端 角120°,ノ ー ズ 半 径200μm)で. 引 っか き,そ の と きの 引 っ か き. 抵 抗 接 線 分 力Ft,垂. 直 分 力Fnを. 測 定 し た.動. 計 は 精 密 微 小 移 動 台 に 固 定 され て お り,ス モ ー タ に よ っ て1mm/sの. 力. テ ップ. 速 度 で 駆 動 し た.使. 用. (b). し た セ ラ ミ ッ ク ス 材 料 は ホ ー ニ ン グ加 工 用 円 筒 形. SiC(Fn=122 N). 試 料 と同 一 ロ ッ トで 焼 結 したAl2O3,Si3N4,SiC 及 びSiO2で け る た め,焼. 度 の もの で. あ る.試. 料 表面 は前加 工 の影 響 を避. 結 面 を そ の ま ま使 用 した.焼. 結面の. 粗 さ は 引 っ か き条 痕 に 比 べ て 十 分 小 さ い.な. お,. 工 具 先 端 の 摩 耗 状 態 を 実 験 前 後 に顕 微 鏡 で 調 べ,. (c). そ の 影 響 が 入 る の を 防 い だ. 4. 2 SiCの. Si3N4(Fn=288 N). 引 っ か き痕 と引 っ か き抵 抗 出 力 波 形 引 っ か き 抵 抗 の 出 力 波 形 を 図8(a),(b). に 示 す.(a)は. 押 付 荷 重Fnが. Fnが 大 き い場 合 で あ る.Fnが. 小 さ い場 合,(b)は 小 さ い と きFtに. は →. ほ と ん ど変 化 が な く,な め ら か な 出 力 と な っ て い る が,Fnが. 大 き くな る と 君 の 変 動 は大 き くな. Fig. 13 4. 9. Scratches. Scratching made. by Rockwell. direction conical. diamond.
(6) 上 田 ・花 見 ・裏 ・山 本:フ. 1143. ァ イ ン セ ラ ミ ッ クス の ホー ニ ン グ加 工. る が,一. 方,粒. 度 の 高 い#600砥. 石 で は1個. の切 れ 刃. に 作 用 す る 力 が 小 さ く,大 半 の 切 れ 刃 は摩 擦 主 体 状 態 に あ る と考 え る こ とが で き る.す. な わ ち,切. 削量 に重. 点 を置 く加 工 で は切 れ 刃 に作 用 す る荷 重 を 大 き く して 切 り くず 排 出 状 態 とす れ ば よ く,逆 に,加. 工 面 を 向上. して 鏡 面 を得 た い場 合 に は荷 重 を 小 さ く して 摩 擦 主 体 状 態 で 加 工 し な け れ ば な ら な い と い え る. Fig.. 10. Chips. of Al2O3 made. by scratching. 5.. test. 結. 言. Al2O3,Si3N4,SiC,SiO2と. い ったセ ラ ミックス を. ホ ー ニ ン グ加 工 し,そ の 被 削 性 に つ い て 検 討 す る と共 に,こ. れ ら の 材 料 の 引 っか き試 験 を行 い,切. り くず が. 生 成 さ れ る機 構 に つ い て も検 討 を加 え て み た.得. られ. た 主 な 結 果 を ま と め る と次 の よ う に な る. (1). SiO2,Al2O3は. 極 め て 被 削 性 が 良 く,Si3N4,. SiCの 順 で 悪 くな る. (2). Al2O3は. 構 造 粒 子 の大 き さが 基 本単 位 となっ. て 切 り くず が 生 成 さ れ,粒 対 し,Si3N4で. は長 柱 状 の β 粒 子 が 入 り組 ん だ か. た ま り と して 生 成 さ れ,粒 Fig.. 11. Relation sectional. between normal load area A of scratches. 界 破壊 が主 となるの に. 内 破 壊 も起 こ して い る. と考 え ら れ る.. Fn and cross. (3 ). 加 工 状 態 に は大 き く分 け て2つ. の 状 態 が あ り,. あ り,ホ ー ニ ン グ 加 工 時 の 切 り くず と同 程 度 の 大 き さ. 切 れ 刃 に作 用 す る 力 が 大 き く な る と摩 擦 主 体 領 域. で あ る.. か ら切 り くず 排 出 領 域 へ と変 化 す る.後 者 の 領 域. 4. 3. で は 加 工 面 に 大 規 模 破 壊 が 生 じ て 大 量 の 切 り くず. 引 っ か き量. 図11は. 工 具 押 付 荷 重Fnが. 響 を調 べ た 結 果 で あ る.引. 積 を表 面 粗 さ計 で ラ ン ダ ム に10か 均 値Aで. 表 し て い る.図. 所 測 定 し,そ. に み る よ う に,い. 料 につ い て もあ る臨 界 押 付 荷 重Fncか Aが. 増 加 し て い る.す. が 生 成 さ れ,後. 引 っか き量 に及 ぼ す影. な わ ち,Fnc以. ずれ の 材 終 わ り に,実. ら急 激 に 断 面 積 下の荷重 で は. (株),瑞. き痕 が 生 じ る.と. こ ろ が,FnがFncを. が試 料 に大 き く食 い 込 み,大. (b),(c)の. 参 考 文 献. よ うな引 っか 1). 上 田 隆 司,花 見 眞司,裏 匡 史,平 野 聡,山 本 明:フ ァ イ ンセ ラ ミ ッ ク スの ホ ー ニ ン グ加 工 ― 砥 石 集 中 度 ・粒 度 の 影 響,精 密 工 学 会 誌,52,11(1986)1889.. 2). H. Knoch, K. A. Schwets and A. Lipp : Microstructure Development in Silicon Nitride, in Progress in Nitrogen Ceramics (ed. by F. L. Riley) , Martinus Nijhoff Publishers, Boston, (1983) 381. Y. Goto, H. Ohta and M. Komatsu : Preferred Orientation and Mechanical Pronerties of Pressureless Sinter-. 越 え る と,工 具. 破 壊 が 起 こ っ て切 り くず. 料 表 面 に は 図9. よ うな 大 き な 引 っ か き痕 を生 じ る こ と に な. る.し た が っ て,Fnc以. 下 を 摩 擦 主 体 領 域,Fnc以. 3). 上. ed. を切 り くず 排 出領 域 と分 け る こ とが で き る. そ こ で,ホ る と,#150砥. ー ニ ン グ 加 工 した 仕 上 面(図4)を. の切 れ 刃 に作 用. す る 力 が 大 き く な っ て 切 れ 刃 は切 り くず 排 出 状 態 に あ 135. Nitride,. 窯 業 協 会 誌,94,1(1986)167.. T. Ueda and A. Yamamoto : Honing Conditions for Effective Use of Diamond and Cubic Boron Nitride Sticks, J. Engg. Ind., Trans. ASME, 109, Aug. (1987) 179.. 5). 田 中芳 雄,井 戸 守:セ ラ ミ ッ クス の 機 械 加 工 に お け る材 料 除 去 機 構,機 械 と工 具,6(1983)33.. 6). B. Lawn and R. Wilshaw : Indentation Fracture, Principles and Applications, J. Mater. Sci., 10, (1975) 1049.. 観察す. た多 数 の ク レ ー タが 存 在 す る.こ の こ と か ら,粒 度 の. Silicon. 4). 石 に よる加 工面 には切 り くず を排 出 し. 低 い砥 石 で は切 れ 刃 数 が 少 な く,1個. 本 グ リー ス(株)に 深 謝 す. る.. が大 量 に生 成 さ れ る よ う に な り,引 っ か き エ ネ ル ギ ー の 多 くが 切 り くず 生 成 に 使 わ れ,試. 験 材料 の提 供 を受 けた 日本 特 殊 陶 業. 穂 研 磨 砥 石(株),日. り くず を ほ とん ど生 成 し な. い.こ の と き,試 料 表 面 に は 図9(a)の. 者. さ を 向 上 す る こ とが で き る.. の平. 引 っ か き エ ネ ル ギ ー の 大 部 分 が 工 具‑試 料 間 の 摩 擦 や 試 料 の 変 形 に 費 や さ れ,切. に 多 数 の ク レー タ が 残 る が,前. の 領 域 で は切 り くず の 生 成 量 は 少 な く,仕 上 面 粗. っか き量 は 引 っ か き 痕 断 面.
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