超音波ねじり振動を利用した硬脆材料の延性モード切削

2000 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12750103
• Research Institution: Shizuoka Institute of Science and Technology
• Principal Investigator: 越水 重臣 静岡理工科大学, 理工学部, 講師 (20267868)
• Keywords: 硬脆材料 / 延性モード切削 / 単結晶シリコン / 臨界切込み深さ / 超音波ねじり振動

Research Abstract

硬脆材料を機械加工する場合、ある臨界切込み深さを超えて小さくしていくと表面に脆性損傷のない高品位な加工面が得られる「延性モード加工」に遷移することが知られている。しかしながら、その臨界切込み深さは0.1μm程度と微小であり、切込み深さをその値以下に制御しながら加工するのは困難であるし、また高い生産性も望めない。そこで、本研究では、工具刃先に超音波ねじり振動を加えることにより、臨界切込み深さを増大させ、延性モード加工を容易にし、硬脆材料の高精度・高能率加工を実現することを目的とする。
まず、超音波ねじり振動工具を製作した。製作した装置では、ダイヤモンド工具刃先を周波数27kHz、振幅30μmでねじり振動させることに成功した。その振動工具を超精密微小変位テーブルの上に配置し、切削試験装置を製作した。この超精密微小変位テーブルは、切込み分解能5nm、真直度10nm以下という性能を持つ。超音波ねじり振動する工具に対して、工作物を載せたテーブルが切込み量を制御しながら送られるため、精密切削が実現される。
単結晶シリコンの切削試験を行い、超音波ねじり振動を付加した場合とそうでない場合で、切削面性状を比較した。特に、加工面にクラックやチッピングなどが発生し始める延性-脆性遷移の臨界切込み深さを比較し、超音波ねじり振動付加の効果を調べた。超音波振動を付加しない場合、臨界切込み深さは0.15μmであったのに対して、超音波振動を付加した場合、臨界切込み深さは8.5μmであった。超音波ねじり振動の付加によって、臨界切込み深さを約60倍に増大させることがわかった。