6. 除去加工 特殊加工 Removal processing: advanced processes

機械創成学Ｉ Creation and Production I

主な材料加工法 Manufacturing processes

成形加工 除去加工 付加加工

塑性加工

粉末・射出成形

切削加工

研削加工

特殊加工

接合・溶接

表面改質・処理

鋳造

めっき、蒸着

Forming processes Removal processing Joining processes

Casting

Plastic forming

Powder processing Injection molding

Cutting

Grinding

Advanced processes

Bonding and welding

Surface treatment, modification

特殊加工とは？ What is advanced machining processes?

従来の機械的加工技術（切削、研削、塑性加工）に対し、まったく 新しい加工原理による新しい加工技術の総称。 The processes based on non-mechanical means of material removal.

①機械的エネルギーに加え、( ) を利用した加工法。 In addition to mechanical energy, ( ) are used in advanced machining processes. ②従来の加工技術では加工困難な( ) が可能。 Ability to machine materials having ( ).

特徴 Characteristics

特殊加工の分類 Classification of advanced machining

加工機構

Mechanism

従来の加工法

Conventional

machining

特殊加工

Advanced machining

微細加工

Micro-fabrication

機械的エネルギー

Mechanical energy

切削加工

Cutting

研削加工

Grinding

ラッピング

Lapping

超音波加工

Ultrasonic machining

ウォータージェット加工

Water-jet machining

噴射加工

Abrasive-jet machining

イオンビーム加工

Ion-beam machining

スパッタリング

Sputtering

熱エネルギー

Thermal energy

放電加工 Electro-discharge

machining

電子ビーム加工

Electron-beam machining

レーザー加工

Laser-beam machining

化学作用

Chemical action

ドライエッチング

Dry etching

ウェットエッチング

Wet etching

電解加工Electrochemical

machining

超音波加工 Ultrasonic machining

工具（ホーン）に( ) を与え、工具と工作物の間に( ) を入れて、軽い圧力で加工する。 The tip of the tool vibrates ( ). Material is removed from a surface by microchipping and erosion with ( ).

特長 Advantages： (1) ( ) の加工が容易 Best suited for materials that are ( ). (2) 複雑な断面形状の穴の加工が可能。 Suited for machining a complex cross- sectional shape hole

JSMEテキストシリーズ 加工学Ⅰ-除去加工-，丸善（株），2006

ホーン：軟鋼、黄銅等

Horn : mild steel, brass

工作物

Workpiece

工具

Tool

工具

Tool

Transducer

Amplitude

工作物

Workpiece

噴射加工 Abrasive-jet machining

●研磨材を不活性ガスに乗せて噴射し、工作物に衝突させ、( ) により1) 硬脆材料の穴あけ、複雑形状創成、 2) バリ取り、 3) 酸化膜等の除去 などを行う加工。

A high-velocity jet of dry air, nitrogen, or carbon dioxide containing abrasive particles is aimed at the workpiece surface to preform operations such as 1)cutting small holes, slotsl or intricate patterns in very hard or brittle materials, 2)deburring, 3) removing oxides and other surface films, etc.

ウォータージェット加工 Water-jet machining

●小口径（1mm以下）のノズルから噴射する( )によって加工物が除去される。プラスチック、紙、布、ゴム、皮革、 ガラス、木材などの穴あけ、溝加工に用いられる。 ( ) sprayed from jet-nozzle (diameter: less then 1mm) acts like a saw and cuts a narrow groove in the material including plastics, fabrics, rubber, wood products, paper, and leather. A pressure level of about ( ) is generally used.

Nozzle

Water jet 銅 Copper

エポキシ Epoxy ウレタン・スポンジ Urethane, sponge

コルク Cork

電解加工 Electrochemical machining

●( )を利用し、わずかずつ加工物を取り除く加工方法。 Material is removed from a surface by the high rate of ( ).

陽極：工作物 Anode: workpiece

電解液 Electrolyte solution

超硬合金バイトの研削などに 応用。

特徴： (1)加工速度が早く、材料を選ばない（導体）。 (2)工具も磨耗せず、変質層を生じにくい。

工作物(+)

Workpiece

工作物

Workpiece

ダイヤモンド砥粒

Diamond particle ダイヤモンド砥石

Diamond grinding

wheel

（＋）

陽極被膜

Anode

（ー）

電解液

Solution

(casode)

陰極：電極工具 Cathode: tool

放電加工 Electrical-discharge Machining (EDM)

●工具（黄銅、鋼、グラファイトなど）と工作物との間に( ) を起こして、工作物を飛散させる。 Material is removed from a workpiece surface by the erosion caused by ( ) between tool-workpiece gap.

特徴 Advantages： ①セラミックス、超硬合金の加工も容易 Ability to machine ceramics and carbides ②( ) ③加工変質層が薄い Thin affected layer ④加工の方向性が少ない。Less anisotropy of machining

ワイヤー放電加工 Wire EDM

電子ビーム加工 Electron-beam machining

●高真空中(10-4～10-6 Torr)で加熱されたW（タングステン）陰極から出た ( ) させ、局部的に高温にして、加工する。 The energy source in electron-beam machining is high-velocity electrons, which strike the workpiece surface and generate heat.

●穴あけ加工 Hole making 金属、石英ガラス、サファイア、ダイヤモンド Metals, Silica glass, sapphire, diamond

特徴 Characteristics： (1) 加工中の汚染が少ない （真空中のため） Less contamination (2) 硬質材料の精密加工が可能 High precision processing (3) (4) 高真空が必要 Vacuum chambers have limit capacity (5) X線が照射される Hazardous X-rays is produced.

レーザ加工 Laser-beam machining

強い指向性・高エネルギーの( )する。 A laser (an acronym for light amplification by stimulated emission of radiation) focuses optical energy on the surface of the workpiece. The highly focused, high-density energy source melts and evaporates portions of the workpiece.

●熱伝導率が大きいと、十分に加熱されないことがある。 Insufficient heating ← too high heat conductivity ●レーザパワー密度（レーザパワー/照射面積）を調整、表面温度を制御できる。 Laser power density (laser power/irradiation are) can be controlled.

アシストガス アシストガス アシストガス

レーザ光の吸収 Absorption of laser energy

温度の上昇 Temperature rise

溶融層の形成 Formation of melting layer

溶融層の蒸発 vaporization

アシストガスによる飛散

Scattering by assist gas

熱伝導 Heat

transfer 溶融層 Melting layer

加工穴

Hole

Lens

Assist gas

Mirror

Laser gas Discharge electrode

Assist gas Assist gas Assist gas

Applications

Aircraft

Automobile

Machinery gears

Integrated circuit package

Gear for MEMS

Features in integrated circuit

微細加工技術 Micro-manufacturing

100 mm 100 nm

Mic

ro-m

anu

fact

uri

ng

バイトや砥石、研磨剤の代わりに( )

を利用する。

( ) are used as tools instead of cutting tool, grinding wheel, and abrasives.

ｴﾈﾙｷﾞ

液体 Aqueous fluid

ｴﾈﾙｷﾞ

気体 Gaseous matter

固体 Solid body

原子

ｴﾈﾙｷﾞ

e

e e

e

( )させた状態。電子、イオン等からなる。 A plasma is a distinct state of matter containing a significant number of ( ) , a number sufficient to affect its electrical properties and behavior.

微細加工技術 Micro-manufacturing

プラズマの作り方 How to produce plasma

(1) 大気圧の1万分の一ぐらいの圧力（ ）にする Vacuate the chamber up to 10-2 Pa ( ) (2) 高い電界をかけると、電子が加速して、ガス分子に衝突する。 Electric field is impressed to accelerate electrons and they collide gas molecules. (3) エネルギーを持った中性粒子や、イオンが作られる＝プラズマ Plasma (high energy neutral particles and ions) is produced.

e

e

電子 electron

ガス分子 gas molecules

プラズマ Plasma

電子 electron

高エネルギー中性粒子 High energy neutral particles

正イオン Positive ion

負イオン Negative ion

マスク mask マスク

mask

物理的／化学的エッチング Physical/chemical etching

(1) プラズマ中のイオンを電界で加速させる。 Ions in plasma are accelerated with impressed electric field (2) 材料に当てて( )する。 Materials are removed by ( ).

● ●

(1) プラズマ中の高エネルギー中性粒子が 表面に付着。 High energy neutral particles contact with the surface of material (2) ( ) して表面から離脱する。 Materials are detached from the surface by ( )

●

電界 Electric field イオン Ion

マスク

Mask

電界 Electric field イオン Ions

マスク

Mask

シリコンのエッチング Silicon etching

シリコン（基板材料、電極材料として使用される）をエッチングし、シリコン酸化膜上でエッチングを停止させる。 Etch silicon, used for substrate or electrode materials, and stop etching on silicon oxide layer.

Cl Cl+

Cl Cl Cl Cl

マスク Mask

シリコン Silicon

Cl+

SiClx

Cl Cl Cl Cl

Cl+

Si-Si binding energy : < 2eV Si-O biding energy : > 9eV

シリコン酸化膜 SiO2 layer J. Vac. Sci. Technol. B18, pp. 2495, 2000

Cl+のｴﾈﾙｷﾞｰを低くしておけば、Siだけエッチングされる。Only Si is etched when energy of Cl+ is between 2 and 9 eV.

本日のまとめ Today’s summary

●特殊加工 advanced processes： 従来の機械的加工技術（切削、研削、塑性加工）に対し、まったく 新しい加工原理による新しい加工技術の総称。 The processes based on non-mechanical means of material removal.

◆機械的エネルギーに加え、熱エネルギー、化学的作用、電気・光エネルギー を利用した加工法。 In addition to mechanical energy, thermal energy, chemical action, electric/optical energy are used in advanced machining processes. ◆従来の加工技術では加工困難な難加工材料の加工および難加工形状の加工が 可能。 Ability to machine materials having high strength, high hardness, too brittle materials, too flexible materials, and complex shape.

＜主な特殊加工方法＞ 超音波加工、ウォータージェット加工、噴射加工、放電加工、電子ビーム加工、レーザー加工、微細加工技術（スパッタリング、イオンミリング、RIE）