Rapid Generation and Sliding Characteristics of Aligned Microtextures by Phase-Controlled Ultrasonic Cutting
| Project/Area Number |
21H01225
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 18020:Manufacturing and production engineering-related
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| Research Institution | Nagaoka University of Technology |
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Principal Investigator |
磯部 浩已 長岡技術科学大学, 工学研究科, 教授 (60272861)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
河野 大輔 京都大学, 工学研究科, 准教授 (80576504)
櫻田 陽 秋田工業高等専門学校, その他部局等, 准教授 (90442681)
原 圭祐 長岡技術科学大学, 工学研究科, 准教授 (30515812)
田浦 裕生 近畿大学, 理工学部, 准教授 (20334691)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
Fiscal Year 2022: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000)
Fiscal Year 2021: ¥9,230,000 (Direct Cost: ¥7,100,000、Indirect Cost: ¥2,130,000)
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| Keywords | 超音波加工 / マイクロテクスチャ / トライボロジー / 切削加工 / 光弾性法 / テクスチャリング / バイオミメティクス |
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| Outline of Research at the Start |
本研究の目的は，機械加工で生産される高精度で複雑な部品の表面に，高い機能性を有するマイクロテクスチャを，超音波切削加工によって整列配置して創成する技術の開発である．切削工具の振動状態を超音波周波数に比して充分に高速，かつ被削材送り運動に対して高精度に同期させることで，ピッチ数十μm，深さ数μmの整列配置されたマイクロテクスチャを工作機械で創成することで，生産性を落とすことなく機能性表面を創成できる特長がある．さらに，特徴的なテクスチャの摺動特性改善効果の発現メカニズムを理論的・実験的に明らかにし，テクスチャ構造・配列の設計指針を確立する．
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| Outline of Annual Research Achievements |
摺動面のトライボロジー特性改善の手法として表面テクスチャリングが知られている．本研究の目的は，機械加工で生産される高精度で複雑な部品の表面に，高い機能性を有するマイクロテクスチャを，超音波切削加工によって整列配置して創成する技術の開発である．切削工具の振動状態を超音波周波数に比して充分に高速，かつ被削材送り運動に対して高精度に同期させることで，ピッチ数～数十μm，深さ数μmの整列配置されたマイクロテクスチャを工作機械で創成するシステムを構築する．切削による成形仕上げ加工と同時にテクスチャリングできるので，生産性を落とすことなく機能性表面を創成できる点が大きな特長である．
本年度は，複屈折性を有する樹脂素材（主にアクリル樹脂）に，本加工手法でテクスチャを創成し，その構造が摺動特性に与える理由について，光弾性法でテクスチャに作用する応力状態から考察した。その結果，非テクスチャ面では，旋盤加工によるカスプの弾性変形が支配的であった。一方，テクスチャ構造では，広い面積で荷重を支えることで，被削材に作用する最大応力が低下することが確認できた。光弾性法で得られた結果について，ＦＥＭ解析を行い，検証とともに可視化結果の定量化も進めている。また，加工面の残留応力分布について，ＥＢＳＤ測定を開始した。超音波振動加工では，一般的には残留応力が減少するといわれているが，本加工手法のような被削材法線方向への振動での加工についての研究報告は少なく，原理について明らかにしていく。
研究成果については，論文投稿，学術講演会での口頭発表とともに，機械加工や要素に関する展示会にてサンプル展示を行うことで，共同研究へつなげることができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
テクスチャ構造により，そのトライボロジー特性が受ける影響について，実験的に明らかにできつつある。また，実用化に向けて，本加工手法を様々な材料に対して適用しなければならない。具体的には，ブッシュ素材における銅合金などの低硬度材や，耐摩耗特性を有するHRc60程度の高硬度焼入鋼である。予備実験の結果，両素材に対して，テクスチャリングが可能であり，また摩擦係数の低減効果が発現できた。これより，本手法の実用化に向けて，大きな一歩となった。
また，トライボロジー特性の改善効果について，実験的に検証するとともに，光弾性法による応力可視化によって明らかにすることができた。接触状態についてFEM解析により検証を進めることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度に向けて，実用化に向けてのフェーズを進めていく。本研究は，生産性を落とすことなく，トライボロジー特性を改善することができる。実用化されれば，多くの摺動部品の摩擦係数を減らすことができ，これはトータルとして大きなエネルギー削減効果を生み出す。実用化のためには，展示会等に積極的に参加するとともに，共同研究をからめながら研究を進めていく。
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Report
(2 results)
Research Products
(12 results)
