2023 Fiscal Year Research-status Report
多自由度超音波アクチュエータ工具電極を用いた高アスペクト比創成加工に関する研究
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22K03858
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| Research Institution | Niigata University |
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Principal Investigator |
平尾 篤利 新潟大学, 人文社会科学系, 准教授 (70455111)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 放電加工 / 超音波振動 / 深穴加工 / チタン合金 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
チタン合金は，優れた機械特性，高耐食性，さらに生体適合性などに優れている。しかし，この優れた機械特性のため，加工が難しい材料に分類されている。そこで本研究では，超音波振動を援用した放電加工法によってチタン合金（Ti-6Al-4V）を加工し，その加工特性を調査した。加工特性は，加工速度，電極消耗率および表面粗さを評価した。また，放電条件を詳細に解析するため，放電波形をリアルタイムで収集し，ウォーブレット変換した。放電の累積発生数を統計的に分類し，評価指標として放電発生率を算出した。ここでは，以下の内容について実施した。
(1)超音波振動を援用した放電加工における振幅と加工速度の関係
(2)超音波振動の振幅と表面粗さの関係
(3)放電加工と超音波振動の運動解析
放電加工における表面粗さは，一発一発の放電痕の連なりによって決定される。理論的に，一発の放電痕深さGとし，放電痕直径rとすることで算出することが可能となる。しかし，同一の放電条件を用いても，超音波振動の振幅値によって異なった表面粗さの結果となった。また，放電加工特性を調査した結果，加工速度，放電発生率，表面粗さおよび超音波振動の振幅には，線形的な関係がないことが分かった。このため，超音波振動を援用したチタン合金の放電加工において，加工効率と表面粗さを両立するためには，最適な放電加工条件および超音波振動の振幅値を用いることが重要となる。そこで，異なる振幅値を用いた流れ場解析よって，電極-被加工物間の流れ，極間圧力が加工特性におよぼす影響を調査した。
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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
超音波振動を援用した放電加工において振幅と加工速度の関係：放電加工において超音波振動を工具電極に援用した場合，加工速度は増大することが知られている。チタン合金に対しても同様の加工特性が得られるか調査した。これまでの結果と同様に，大きな振幅を用いた場合，加工速度は向上した。これは，超音波振動の援用によって，極間の介在物の除去効率が高くなり，加工速度が向上したものと考えられる。しかし，振幅が大きくなりすぎると，電極と被加工物が接触し，加工速度は低下した。
超音波振動の振幅と表面粗さの関係：超音波振動の振幅が大きくなると，良好な表面粗さを得ることができた。超音波振動の振幅値が表面粗さに影響しているものと考えられる。しかし，ある振幅を超えると表面粗さは低下した。このことから，得られる表面粗さには限界があることがわかる。
放電加工と超音波振動の運動解析：放電加工における極間の流れ場解析を実施した。ここでは，非定常流体および非圧縮流体として定義した。2次元の流れ場の簡易モデルでは，K-ε乱流モデルを採用した。電極振幅2μmにおける速度場と圧力の関係を示した。超音波振動によって，狭い極間の流体は乱流になることが分かった。この時，流体の圧力と速度の大きな変動が解析された。特に，加工穴の出口近辺で多数の渦が観察された。超音波振動の振幅が大きくなると，流体に伝達されるエネルギーも増大される。このエネルギーの増大によって，極間の流体内の流れは強くなり，流れの速度が速くなる。この結果，流体の圧力変動も大きくなることが分かった。
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| Strategy for Future Research Activity |
超音波振動を援用した放電加工は電極の振動（ここでは，振幅，振動モード，周波数）が重要となる。そこで，電極形状によってどのような振動形態となるのかを固有振動解析によってシミュレーションする。また，実際の電極の振動は，衝撃試験法およびレーザドップラー法を用いて計測する。衝撃試験法は，実際の電極の固有振動数を計測するのに使用する。また，実際の電極の振幅・振動モードなどはレーザドップラー振動計を用い，詳細な振動動作を計測する。これまでの結果，シミュレーション結果と実験結果の固有振動数は一致していた。最終的に，様々な形状・長さの電極を振動させることで，最適な放電加工用電極を検討する。
超音波振動を援用した電極の振幅が極間雰囲気へ与える影響は大きい。そこで，極間の直接観察を実施し，シミュレーション解析結果と比較する。これまでの解析結果から，振幅値によって極間の速度場，圧力などが変化することが分かっている。各種条件が極間雰囲気（極間に介在する気泡・加工屑）におよぼす影響の解明およびシミュレーション解析による極間現象を考察する。
放電加工は，一発の放電によって材料が除去されるメカニズムは未だ解明されていない。そこで，極間現象を直接観察する際，一発の放電現象をハイスピードマイクロスコープによって詳細に観察し，極間の一発の放電現象における材料除去メカニズムの解明を試みる。
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| Causes of Carryover |
【理由】超音波振動関係の機器の選定，半導体不足，受注生産などの影響で，納品・予算執行など遅延することが多くなり，次年度の使用額が生じた。
【使用計画】本年度，超音波振動を駆動するためのハイパワー電源，ドライバ等の購入を予定している。
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