2015 Fiscal Year Annual Research Report
微細ダイヤモンド工具の加工性能最大化のためのプラズマ援用クーラントシステムの構築
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15H03906
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
片平 和俊 国立研究開発法人理化学研究所, 大森素形材工学研究室, 専任研究員 (70332252)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小茂鳥 潤 慶應義塾大学, 理工学部, 教授 (30225586)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 超精密加工 / ダイヤモンド工具 / 大気圧プラズマ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，新しい表面機能制御法として注目されている大気圧低温プラズマジェットを援用することで，加工中のクーラント効果を促進させ，微細ダイヤモンド工具の加工性能を最大限に引き出すことを目的としている．超精密加工中における冷却，潤滑，切り屑除去のためには，効果的な表面親水性が極めて重要な役割を果たす．本研究では，大気圧プラズマジェットを加工点に対しピンポイントで照射することで，クーラント効果の促進を狙っている．当該年度は，CVD 法により作製したSiC（CVD-SiC）に対し，プラズマ援用クーラントを用いてPCD微細ミーリング加工を行った．なお，実験には新規導入した高出力プラズマ発生装置（最大出力170W）を使用した．プラズマ援用クーラントを用いてPCD微細ミーリング加工を行ったCVD-SiCの加工面を観察した結果，平均表面粗さで1 nm以下という，精密研磨加工面を凌駕するほどの極めて高品位な表面が得られることが確認できた．また，加工面は全面に渡って，延性モードで安定的に加工されていた．さらに，加工前および加工後の工具の状態を確認したところ，プラズマジェットを援用することで，付着物の抑止に甚大な効果があるため，工具寿命改善・加工能率の向上が見込まれる．当該年度に実施した基礎実験により，プラズマ援用クーラントの効果発現要素とは，(1)被加工物表面の親水性向上による“工具⇔被加工物間極界面”のクーラント性能を向上させる現象，(2)工具表面のプラズマ処理により溶着性の高い酸化物でさえ付き難くする現象，(3)プラズマ状態の活性種の高反応性によって，切り屑の酸化を抑制し，他の生成物チップとして排出される現象，これらの現象が重畳的に作用すると示唆された．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本年度の取り組みで，超精密ミーリング加工における大気圧プラズマ援用クーラントの有効性を確認することができた．高出力大気圧プラズマ発生装置により高品位なプラズマを長時間安定して照射可能となったこと，ファイバ分光システムにより発生したプラズマの迅速評価が可能となったことが本年度の目標達成のカギとなった．これら新規導入した装置類を十分に活用することで研究を継続・加速することができたため，当初想定した以上の成果が得られたものと考える．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成28年度は“プラズマ援用クーラント条件の最適化，専用システム化”を実施する．まず，プラズマ援用クーラントの効果発現メカニズムの解析を進め，微細ダイヤモンド工具の加工性能を最大限に引き出すための必要条件を見極める．とくに昨年度に導入したマルチガスプラズマジェット装置を用いて，放電用ガス（主に窒素，アルゴン）と反応ガス（主に水素）を一定の割合で混合させることにより，クーラント効果の更なる向上を目指す．一方，本システムは，専用のプラズマジェットノズルを加工点近傍に設置する必要がある．限られたスペースかつ加工油や切り屑が飛び散る厳しい加工環境内に設置するために，ジェットノズル部，ガス供給部を含む装置一式を，よりコンパクトで防護性に優れるシステムへ高度化を図る．さらに，加工中の工具の切れ味を厳しくモニタリングできる検出システムとの統合化も検討する．また，高分解能CCDもしくはサーモグラフィにより工具表面状態の直接観察も試みる．被加工物の種類によっては，加工中，常に加工点をプラズマで覆い続ける必要があるため，工具の軌跡を先行して動くことができるようなノズルの保持・駆動機構を工夫する．さらに，本手法により，クーラント効果を大幅に促進させることが可能であれば，クーラントミストの吐出量を最小化し，環境負荷を低減（省エネ，廃油が出ない）させる効果，すなわちセミドライ加工MQL（Minimum Quantity Lubrication）との複合化も検討する．
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