超音波バニシング加工の高精度化に適した非共振駆動方式および傾斜機能材ホーンの開発

• Project/Area Number: 22K03846
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 18020:Manufacturing and production engineering-related
• Research Institution: Takushoku University
• Principal Investigator: 渡辺 裕二 拓殖大学, 工学部, 教授 (30201239)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2024: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000); Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: 超音波加工 / 鏡面加工 / 超音波バニシング加工 / 精密加工 / パルス駆動 / ホーン形状 / 傾斜機能材 / パルス音源 / バニシング加工 / パルス波の増幅 / 超音波応用加工 / 超音波振動伝送体 / 傾斜機能材料 / パルス駆動音源

Outline of Research at the Start

バニシング加工は、金属やセラミックの旋削・研削後に表面に残る微細な凹凸を工具で押し潰すことで、表面の円滑度を向上させる技術である。超音波振動を使うと、その加工を高速かつ精密に実現できる。しかし、従来の大振幅の連続振動を用いた超音波バニシング加工では、振動工具が対象物表面に接触した時の衝撃による加工の不均一や過剰加工、滑りによる加工位置精度の低下などが避けられない。そこで本研究では、「パルス状振動を発生する非共振駆動方式」および「傾斜機能材料の音速分布を利用したパルス状振動の増幅方式」を確立し、より高精度の超音波バニシング加工に適用できる装置を開発する。

Outline of Annual Research Achievements

超音波バニシング加工において生ずる工具の跳躍や横滑りなどによる加工精度低下の防止のため、本研究ではパルス波の利用を提唱している。パルス波は１つ１つの凹凸を確実に均すことが可能である。一方、入力する電気エネルギーが小さく、出力としての力学的エネルギーが共振系に対して小さいので、工具端面において所定の振動振幅を得る事が難しい。今年度はパルスの増幅方法の確立のため、傾斜機能材料を用いて昨年度に試作したパルス増幅ホーンの実験による評価と、ホーン形状に関してテーパーを設けた場合の増幅効果のシミュレーションによる評価を並行して行った。
機能傾斜材料を用いて音速分布を設けたホーンは、以下のように２つの問題が明らかとなった。材料の音速比の問題と製作上の問題である。ここでは、ジルコニア（音速5800m/s）とチタン合金（音速5060m/s）を用いた。ジルコニア側からチタン合金側にパルスを伝搬させると振幅が増幅するというアイデアである。実験の結果、音速比が小さいため、有意差のある増幅効果が見られなかった。同時に、材料自体がグラデーションをもって分布するのではなく、製造上の理由から層状になることが分かった。そのため、境界面における多重反射のため、パルス形状を保ったまま伝搬させることが極めて困難であることが判明した。
一方、テーパーによる形状効果検証のシミュレーションにおいては、ホーン端部に衝撃を与えた場合の伝搬状況を確認した。均一材料について、先端に向かって単純に径を絞り込む形状が有効であることがわかった。

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

パルス波の増幅方法について、機能傾斜材料を用いて音速分布を持たせたホーンの効果確認を優先して検討してきた。2022年度の試作依頼先企業との議論により、材料として採用したのはジルコニアとチタンであった。相性が良く、粉末を焼結する際も剥離などが小さいと考えた。またジルコニアは加工も可能であり、振動子との連結ネジも加工できることから、本研究に適した材料と判断した。しかし、実際の製法は成分比を変えた粉末を積層して焼結させるため、境界面が生成される。今年度は試作したホーンに圧電振動子を連結してパルス駆動を試みたところ、残響振動の発生が充分に抑制できなかった。境界面の存在による多重反射と考えている。また、パルス波の振幅増幅についても、有意差のある効果が得られなかった。十分な音速差ではなかったためと考えている。
その後、層を生成しない製法について複数の企業に問い合わせたが、論文発表のみで実績がない、再現性が保証できないなどの理由で停滞している。着手前の調査が不十分であった。
一方、形状効果によるパルス波増幅については、シミュレーション結果および現有ホーンによる試行実験のいずれも増幅効果が得られており、今後は形状効果の検証を優先する。

Strategy for Future Research Activity

現在までに、パルス波駆動のための圧電振動子の作成手法（圧電セラミックを積層したランジバン型振動子）、パルス波駆動のための駆動電圧波形の制御方法（残響振動の抑制法）、実験装置一式および加工表面の評価装置等が整備された。さらに、今年度は最終年度としてホーン形状の効果検証に絞って進めている。昨年度試作したいくつかのホーンから、ジュラルミンホーンの先端にジルコニア工具を結合したタイプを採用し、諸条件下でのバニシング加工後の表面評価を進め、最適加工条件を提示する。パルス駆動自体の駆動方法に関しては超音波シンポジウム、加工結果の評価については塑性加工学会にて公表したい。