超音波振動を援用した難削材料への小径ドリル・形彫り加工 …...Ultrasonic spindle Ultrasonic vibration Dynamometer Tool Tool path Z Y X Depth of cut (1μm)

Isobe Lab. Nagaoka University of TechnologyIsobe Lab. Nagaoka University of Technology

超音波振動を援用した難削材料への超音波振動を援用した難削材料への小径ドリル・形彫り加工小径ドリル・形彫り加工

平成平成2424年年55月月2929日日

〒940-288

長岡市上富岡町1603-1

TEL/FAX 0258-47-9862E-mail [email protected]://iprec.nagaokaut.ac.jp

長岡技術科学大学長岡技術科学大学

機械系機械系

磯部浩已磯部浩已


小径穴加工に対する市場の要求小径穴加工に対する市場の要求

【ドリル加工でのブレークスルー】・スピンドル回転速度向上・・・・困難・工具の高剛性化

・・・・・・・・・・・困難・工具の形状やコーティング・・・・困難

●被削材の要求超硬合金、セラミックス、SUS、焼入鋼、シリ

コンなどの硬脆材

カーボン含有テフロン、ガラスエポキシ基

板などの複合材

新たな加工技術の導入が必要！！新たな加工技術の導入が必要！！

小径工具による小径工具による切削速度不足切削速度不足

穴径、幾何形状への穴径、幾何形状への要求精度要求精度

バリの発生バリの発生工具の短寿命工具の短寿命

ステップフィードのステップフィードの必要性必要性

傾斜穴加工、傾斜穴加工、曲面への加工曲面への加工

曲げモーメント作用による曲げモーメント作用による工具変形、破損工具変形、破損

穴深さ／工具径比穴深さ／工具径比の向上の向上

【放電加工、レーザー加工でのブレークスルー】・加工速度が遅い→少量生産向け・加工精度，加工変質層→二次加工が必要不可欠

●加工精度など難削材でありながら、一般材料と同程度の

加工精度が要求される一方、加工時間、加

工単価に対する要求が厳しい

●その他の要求バリレス加工、ピンカド加工、クロス穴加工

超音波振動を援用した切削加工を小径ドリル加工に適用する超音波振動を援用した切削加工を小径ドリル加工に適用する


深リブ加工や細溝加工は深リブ加工や細溝加工は放電加工放電加工によって行われてきたによって行われてきた

超硬合金超硬合金は高硬度かつ耐摩耗性に優は高硬度かつ耐摩耗性に優

れているれている

→→

加工方法は加工方法は放電加工放電加工が主流が主流

・金型寿命を短くする・金型寿命を短くする・変質層深さが管理できない・変質層深さが管理できない・手仕上げによる除去→加工時間が長い・手仕上げによる除去→加工時間が長い

→角部のダレや平面度の劣化→角部のダレや平面度の劣化

機械加工による金型成形が要求されている

加工変質層の発生加工変質層の発生

・超音波振動援用加工及び慣用加工によるPCD工具を用いた超硬V30 の加工を行い, 工具摩耗, 実切り込み深さ, 加工抵抗, 切り屑を比較

①金型形状から・・・ ②金型材料から・・・②金型材料から・・・

金型加工に対する市場の要求金型加工に対する市場の要求


切削速度：切削速度：FF = 50mm/min= 50mm/min、切り込み深さ（設定値）：、切り込み深さ（設定値）：

dd = 50= 50mmワーク材質：アルミニウム、工具材質・形状：サーメット、先端ワーク材質：アルミニウム、工具材質・形状：サーメット、先端RR：：45um45um、すくい角、すくい角00°°

ヘール工具

4040mm

切り込み深さの増加⇒切

削抵抗の減少バリの抑制効果

60kHz4m

ワーク

超音波振動なし超音波振動なし超音波振動あり超音波振動あり rrcc = = 4040m / 40m / 40mm切削比切削比：：

rrcc = = 2020m / 50m / 50mm

剪断角剪断角：：

= = 2121°° = = 4545°°

5 10 150

10

20

30

40

50

切削

動力

　N

時間 sec

水平分力

垂直分力

　超音波振動　あり

　超音波振動　なし

超音波振動によって、切れ味が鋭くなった超音波振動によって、切れ味が鋭くなった↓↓

なんらかの変化が起きているなんらかの変化が起きている

振動加工の概念は説明できるが、振動加工の概念は説明できるが、明快な現象説明を探求する必要がある明快な現象説明を探求する必要がある

超音波振動の効果超音波振動の効果

二次元切削加工における現象変化二次元切削加工における現象変化


①切りくずの①切りくずの微細化による微細化による排出性の向上排出性の向上

③発熱のない③発熱のない除去加工除去加工

②潤滑剤が少量②潤滑剤が少量oror不要不要

スピンドル回転スピンドル回転＋＋

超音波振動超音波振動

ワーク ④加工抵抗の小さい④加工抵抗の小さい「滑らか」な加工「滑らか」な加工

加工抵抗を非常に小さくし，工具の変形や発熱が小さいため，加工抵抗を非常に小さくし，工具の変形や発熱が小さいため，剛性の低い小径ドリル加工に適している剛性の低い小径ドリル加工に適している

二次元超音波切削の解析動画

二次元慣用切削の解析動画

ツイストドリルツイストドリル

超音波振動援用ドリル加工原理超音波振動援用ドリル加工原理

様々な方法が提案されている様々な方法が提案されている↓↓

ドリルの軸方向振動ドリルの軸方向振動による超音波加工による超音波加工


超音波振動援用加工のためのスピンドルを具現化する技術超音波振動援用加工のためのスピンドルを具現化する技術

研削方法、研削工具及び研削加工装置研削方法、研削工具及び研削加工装置（特願（特願20082008--041827041827））

定格回転数定格回転数

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・20,000rpm20,000rpm静的振れまわり静的振れまわり

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・0.60.6μμｍｍエアベアリング供給圧エアベアリング供給圧

・・・・・・・・・・・・

0.5MPa0.5MPaエアベアリング流量エアベアリング流量

・・・・・・・・・・・・・・

130Nl/min130Nl/minタービン供給圧タービン供給圧

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・0.45MPa0.45MPaタービン流量タービン流量

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・200Nl/min200Nl/minラジアル剛性ラジアル剛性

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・3.5N/3.5N/μμｍｍスラスト剛性スラスト剛性

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・13N/13N/μμm m

振動加工装置とホルダー振動加工装置とホルダー（特許第（特許第46259634625963号）号）

振動加工機に用いられる振動加工機に用いられる

可視化装置（特許可視化装置（特許

44654754465475号）号）

超音波振動加工装置超音波振動加工装置

（特許（特許45127374512737号）号）


ピック方向ピック方向送り方向送り方向

スピンドル回転スピンドル回転

球状工具の超音波振動球状工具の超音波振動周波数周波数6060ｋＨｚ、振幅ｋＨｚ、振幅0.20.2～～0.50.5mm

ダイヤモンド電着工具の例ダイヤモンド電着工具の例

電着部SR0.5mm

シャンク径

4mm

mm

超音波振動援用加工のためのスピンドルを具現化する技術超音波振動援用加工のためのスピンドルを具現化する技術

工具周速度：工具周速度：vv rotrot =0.1m/s=0.1m/s

振動速度（瞬時値）：振動速度（瞬時値）：vv vibvib =1.9m/s=1.9m/s

振動加速度（瞬時値）：振動加速度（瞬時値）：

vibvib =2=2××101066GG

工具半径に無関係に得られる切削速度

大きな衝撃力

発振周波数：発振周波数：60kHz60kHz工具振動振幅：工具振動振幅：55mm--maxmax工具半径：工具半径：0.1mm0.1mmスピンドル回転速度：スピンドル回転速度：10,000rpm10,000rpm

小径回転工具への適用

脆性材の加工に最適


インコネルに対する超音波ドリル加工インコネルに対する超音波ドリル加工

••

被削材：インコネル被削材：インコネル600600

••

使用工具：超硬ソリッド工具使用工具：超硬ソリッド工具φφ0.30.3

••

回転数：回転数：5000rpm(5000rpm(外周切削速度：外周切削速度：0.15m/s)0.15m/s)

••

送り速度：送り速度：9.6mm/min9.6mm/min（チップロード：（チップロード：0.960.96μμm/revm/rev））

••

穴深さ：穴深さ：1mm1mm

××

１０穴加工１０穴加工

••

ステップ送り：ステップ送り：0.1mm0.1mm

••

超音波振動振幅：超音波振動振幅：1.51.5μμmm

••

クーラント：不水溶性クーラント：不水溶性((ユニカットジネンユニカットジネン))

加工前塗布加工前塗布

••

ホルダーホルダー

4N02274N0227--22

••

振れ回り：振れ回り：33μμmm以下以下

慣用加工慣用加工超音波加工超音波加工


慣用加工慣用加工・・・食い込み時のすべりが大きい・・・食い込み時のすべりが大きい（大きいもので，工具半径分のすべり）（大きいもので，工具半径分のすべり）

22穴目穴目 55穴目穴目 1010穴目穴目

超音波加工超音波加工・・・・食い込みが良好である・・食い込みが良好である

22穴目穴目 55穴目穴目 1010穴目穴目


工具摩耗および凝着状態工具摩耗および凝着状態

慣用加工慣用加工超音波加工（振幅超音波加工（振幅1.51.5µµmm））


慣用加工

ドリルのフルート部の凝着と切りくずドリルのフルート部の凝着と切りくず超音波加工超音波加工

振幅振幅1.51.5µµmm

振幅振幅22µµmm

1mm

300µm 400µm


穴あけ個数の比較穴あけ個数の比較

6

31

超音波援用加工超音波援用加工により慣用加工よりもにより慣用加工よりも約約55倍の穴あけ加工倍の穴あけ加工が可能であった。が可能であった。

3232穴目に超音波振動を穴目に超音波振動をOFFOFFで加工した場合，ドリルは食いつかずに，上滑りで加工した場合，ドリルは食いつかずに，上滑り

して折損した。して折損した。

超音波振動加工（振幅超音波振動加工（振幅1.5um1.5um））慣用加工慣用加工

６穴６穴加工可能加工可能

３１穴３１穴加工可能加工可能

折損折損↑↑

超音波ＯＦＦ→折損超音波ＯＦＦ→折損


・切削条件・切削条件

ドリルドリル

超硬ソリッド超硬ソリッド

ΦΦ0.5mm0.5mmワークワーク

純チタン純チタン

板厚板厚4mm4mm

送り速度送り速度 ff 1000mm/min1000mm/min回転速度回転速度 nn 15,000rpm15,000rpm

チップロードチップロード 33.333.3μμm/revm/rev

ステップフィードステップフィード

1010μμmm穴深さ穴深さ

貫通（貫通（500500ステップ）ステップ）

純チタンに対する貫通穴加工純チタンに対する貫通穴加工


超音波振動加工超音波振動加工

・・・・・・

バリが抑制されているバリが抑制されている

1

21

30

181

貫通穴・・・入口側のバリの状態貫通穴・・・入口側のバリの状態

1 30

181 210

100um100um

100um100um

1 21090 162

100um100um 100um150um

1 90 203 210

慣用加工慣用加工・・・・・・

強固なバリが発生強固なバリが発生


30 1

210 18

0 1

10 181

貫通穴・・・出口側の穴の位置精度およびバリの状態貫通穴・・・出口側の穴の位置精度およびバリの状態

超音波振動加工超音波振動加工

慣用加工慣用加工

・・・・・・

穴位置精度悪い穴位置精度悪い →→ 穴の真直度が悪い？穴の真直度が悪い？

100um100um

1 90

100um100um

162 210

・・・・・・

バリが目立つ？バリが目立つ？

100um100um

1 162

100um100um

203 210


PCDPCD工具による超硬工具による超硬V30V30の加工実験の加工実験

Tool φ1.3 PCD toolSpindle speed 10000 min-1

Feed rate 10mm/minDepth of cut 1μmTotal depth of cut 10μmCoolant Dry

Workpiece Cemented carbide V30

Ultrasonic vibration 40kHz/2.5μm

Machining conditionUltrasonic spindle

Ultrasonic vibration

Dynamometer

ToolTool path

ZYX

Depth of cut (1μm)

Stroke (3.8mm)

小径工具は剛性が低い→実際の切り込み深さが小さくなってしまう

実切り込み深さを超音波振動援用加工と慣用加工において比較する


500μm

工具と加工手順工具と加工手順

500μm

40

φ1.3

10mm

ToolTool PCD toolPCD toolCorporationCorporation MituikokuinMituikokuinDiameterDiameter 1.3mm1.3mmOverall lengthOverall length 40 mm40 mmShank diameterShank diameter 4mm4mmShank materialShank material WCWCPCD length PCD length 1.3mm1.3mm

10m

Work piece

3.8mm

1m

2.8mm

基準面

溝底面


加工面の粗さ，外観加工面の粗さ，外観

1mm1mm

200m 200m

0.190.19mRzmRz 0.160.16mRzmRz

ConventionaConventionaｌｌ

grindinggrinding Ultrasonic grindingUltrasonic grinding


加工溝の深さ加工溝の深さ

1mm

溝部

9μm

1mm

10μm

慣用加工と比較して, 超音波振動援用加工は実切り込み深さが10μmとなった

基準面溝部

基準面




工具摩耗工具摩耗

200m

200m

200m

200m

BeforeBefore

AfterAfter

BeforeBefore

AfterAfter



500μm


加工抵抗加工抵抗

FyFz

Fx

0

2

4

6

8

10With vibrationWithout vibration

Mac

hini

ng fo

rce

N

0 0.01 0.02 0.030

2

4


Time sec

Mac

hini

ng fo

rce

N

0

2

4

6

8


Mac

hini

ng fo

rce

N

Measuring time 30ms Sampling frequency 100kHzNumber of sampling points 3000pointｓ

Sampling condition

Fx

Fy

Fz

Tool revolution

Feed direction


想定される業界想定される業界

マザーマシンを用いた加工技術→ものづくりの基幹マザーマシンを用いた加工技術→ものづくりの基幹

・金型製造業・・・特に超硬合金への機械加工・金型製造業・・・特に超硬合金への機械加工

・難削材を用いた部品製造・・・航空・宇宙・半導体など・難削材を用いた部品製造・・・航空・宇宙・半導体など

・柔軟な素材：食料品，紙，フィルム素材・柔軟な素材：食料品，紙，フィルム素材

従来技術ではブレークスルーできなかった加工の実現従来技術ではブレークスルーできなかった加工の実現

＝＞＝＞

新たな市場確保新たな市場確保

実用化に向けた課題実用化に向けた課題

・加工現象がいまだに不明確・加工現象がいまだに不明確

→→

加工条件設定が試行錯誤加工条件設定が試行錯誤

・・・加工理論の確立と最適加工条件導出のシステム化・・・加工理論の確立と最適加工条件導出のシステム化

・切削速度に制限あり？・切削速度に制限あり？

→→

単位時間あたりの加工量に制限単位時間あたりの加工量に制限

・・・加工単価の高い加工向け，小径・微細加工向け・・・加工単価の高い加工向け，小径・微細加工向け


企業への期待企業への期待

・加工に困っている場合には，まずは連絡ください・加工に困っている場合には，まずは連絡ください（いくつかの戦略を持っています）（いくつかの戦略を持っています）

・新たな市場確保に積極的である・新たな市場確保に積極的である（超音波加工は，慣用加工が可能な領域には適用しても効果がない）（超音波加工は，慣用加工が可能な領域には適用しても効果がない）

お問い合わせ先お問い合わせ先

〒940-288

長岡市上富岡町1603-1

TEL 0258-47-9279FAX 0258-47-9040E-mail [email protected]

長岡技術科学大学総務部産学・地域連携課長岡技術科学大学総務部産学・地域連携課

知的財産係知的財産係

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