2020 Fiscal Year Research-status Report
骨に近い低弾性率を有するニオブチタン合金の高能率加工技術の構築
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20K04200
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| Research Institution | Kanazawa Institute of Technology |
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Principal Investigator |
加藤 秀治 金沢工業大学, 工学部, 教授 (90278101)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
森本 喜隆 金沢工業大学, 工学部, 教授 (00290734)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 駆動型ロータリー工具 / ニオブチタン合金 / ヘール加工 / 高能率加工 / 切削機構 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，変形性股関節症の治療に使用される人工股関節システムのステム形状の成形を目指しており，これに用いられるニオブチタン合金材料の高能率加工技術の構築を行うものである．この材料は材料固有の特性である人骨に近い弾性を有しており，かつ精密鋳造法により一次成形品が供給しやすい材料である．しかし，極めて高い難加工性を有しているため，骨の代替え材料として優れた医療用材料であるにもかかわらず使用に至っていない．
本研究では，生体適合性に優れ低い弾性率を有するニオブチタン合金材料を使用し，加工表面の材料組織的な信頼性を担保した上で丸駒チップ工具とシリンダ形状の円筒端面外周部を切れ刃とするロータリ工具を用いて切取り厚さを薄く制御することヘール加工との組み合わせによる高能率加工技術の構築を目的にしている．
本年度はコロナ感染拡大に伴い年度初めに予定していたニオブチタン材料の入手が困難となっため、円筒端面外周部を有するロータリ工具を用いたヘール加工による高能率加工の構築にターゲットを絞りチタニウム合金材材料を用いた加工特性の検討を試みた。
超硬合金製駆動型ロータリー工具を用いたヘール加工において、湿式条件下で工具周速50m/min，送り速度9000mm/min条件を用いることにより加工能率の向上が図れることを明らかとした．さらに，オイルミスト供給による摩擦係数の低減により，切れ刃への凝着が抑制されることを明らかとし，工具寿命の延長と仕上げ面粗さ3.2マイクロメートルを得た．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
4: Progress in research has been delayed.
Reason
コロナ感染拡大に伴い当初の計画を4月にスタートさせることが難しくなり、実験が8月までできない状況が続いた。その後も学内での活動時間の制限を受けながらの活動となり、予定していた内容の65％程度の進捗となっている。
本研究は生体適合性に優れ低い弾性率を有するNb-Ti 合金材料を使用し，加工表面の材料組織的な信頼性を担保した上で丸駒チップ工具とシリンダ形状の円筒端面外周部を切れ刃とするロータリ工具を用いて切取り厚さを薄く制御することヘール加工との組み合わせによる高能率加工技術の構築を試みるものである．
2020年度は比較的小さな面積の加工を対象とした小形高速ミーリング加工機によるラジアスタイプのエンドミルを想定した加工と、比較的大きな面積の加工を目指した同時5軸制御の複合加工機を用いたロータリ工具によるヘール加工の2つの加工方式について検討した。極薄型切りくずを生成する条件を担保した切削条件の選定を実施する計画であったが、実際のところは、前者はニオブチタン合金を用いて適正な条件を明らかとする段階まで進捗しているが、後者はコロナ感染拡大に伴い材料メーカにおける原材料の調達が困難となったため、ニオブチタン合金材料が入手できなくなった。このため、代替材料としてチタニウム合金（Ti6Al4V）材料を用いて研究を推進することに切り替え、条件選定と加工特性の把握までは完了した。
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| Strategy for Future Research Activity |
2021年度は当初の予定通り、前年度に実施した高能率加工を実現するための加工条件の最適化の内容を踏まえて，最適条件下における切削メカニズムの検証を行う予定である．2020年度の積み残し部分を含め、一部取り組み内容を変更して推進していく予定である。
実際には加工面極表面層における結晶系や結晶方位の観察を行い，表面性状を評価する微視的組織観察による加工変質層の検証を行う。高速度ビデオカメラによる極薄切りくずの生成状態の観察と二次元モデルによる切削挙動の詳細観察を実施することにより切削機構の解明を試みる。
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| Causes of Carryover |
コロナ感染拡大により、研究開始の遅延が生じたため当初予定していた設備の発注が難しくなったこと。また、研究を推進するために必要な工具なども予定した時期に間に合わない状況が生じたため、使用金額の違いを生じることとなった。
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