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

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 22K03846
• 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
• Keywords: 超音波加工 / 傾斜機能材 / パルス音源 / バニシング加工 / パルス波の増幅

Outline of Annual Research Achievements

超音波振動の振動速度や振動応力を増幅するためのホーンについて、共振現象を利用せず、ホーン自体に音速分布を与えて大きさを制御する方式は前例がない。パルス波を増幅するために、基本的にはホーン内の音速を先端に向かって遅くなるよう傾斜的に分布させ、後方のパルス波が前方の波に追いつくようにすればよいと考えた。2022年度は形状効果と成分分布効果の２通りのアプローチで研究を始めた。
形状効果は、太い金属棒中の音速は遅く、細い棒中では速いことを利用した。申請時には先端を細くして振動エネルギーを集中させる方式を提案したが、実験の結果、音速分布効果による分散が優勢となり、振幅増幅効果が観測できなかったためである。そこで、先端を太くする円錐状のホーンを試作して実験した。ホーンには圧電素子を積層したボルト締めランジバン型振動子を装着し、実験条件は圧電素子に与える電圧の大きさ、すなわち与える力を一定とした。一様棒と比較して２倍程度の増幅効果が得られた。
成分による音速分布効果は、SPS（放電プラズマ焼結法）により、ジルコニア100%からチタン100%に成分を傾斜分布させたホーンを試作した。ジルコニアの音速は5800m/s、チタン（64Ti）の音速は5060m/sである。SPSの製法上、粉体の成分ごとに型に投入していくことから層状に分布する。境界面においては反射が生ずることから、その影響について精査している。
なお、試作依頼先企業と64Tiより音速が遅い純チタンもしくはアルミニウムの使用および境界面の無い製法について議論を続けている。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

遅延の理由は以下の２点である。
１．形状効果による音速分布実現に関する課題：　テーパを設けた金属棒の振動分布について、当初は先端に向けて細くした方が振動エネルギーの集中で増幅されると考えていたが、集中よりもむしろ細い棒の音速が速いことから波形の分散が生じ、先端における振幅の増幅が見られなかった。そこで発想を変えて先端を太くし、先端に向かって音速を遅くする方法に設計変更した。その結果、圧電素子に加える電圧の大きさを一定にした条件で、一様棒と先端を太くした円錐状のホーンにパルス波を加えたところ、一様棒に対して２倍近い振幅のパルス波が得られたところである。
２．SPSによる傾斜機能材ホーンの製作上の課題：　チタン粉末とジルコニア粉末の成分比を連続的に変えて音速分布を実現する計画であった。しかし製法上、いくつかの成分比の混合粉を順に型に投入していき、圧粉して焼結させることから層状となり、境界面が生ずる。2022年度は連続的に成分比を変える方法について検討を進めたが、解決案が見いだせなかった。そこで、境界面がどの程度影響するのかを検討するため、４層のホーンの試作から始めることにした。境界面では反射が起こることから、できるだけ境界面が生じない製法を引き続き議論している。現在、４層の成分比で試作したホーンについて、パルス波の伝搬状況をシミュレーションと実験によって確認しているところである。

Strategy for Future Research Activity

１．形状効果による音速分布実現に関する課題に対して：　金属棒の太さを連続的に変えて音速分布を設ける方法について、振動解析による形状効果の確認（円錐形状や指数関数的に断面積を変化させた形状におけるテーパ定数の最適設計法の見極め）を進める。
２．SPSによる傾斜機能材ホーンの製作上の課題に対して：　上述のように4層の試作ホーンについて振動伝搬解析を進めるとともに、（１）異なる成分比の粉体を投入する際に振動を与えることによって明確な境界面を生じさせない方法、（２）１０層もしくはそれ以上の層を設けることで境界面前後の音響インピーダンスを近づける方法、の２つの方法により試作を進める。
３．バニシング加工への応用に関して：　太さを連続的に変えて音速分布を設けたホーンを用いて、実際に超音波バニシング加工を試み、加工に必要なパルス波の変位振幅を確認する。その結果を上記１．と２．にフィードバックし、必要な音速分布と形状を確認し、設計方法の確立に供する。

Causes of Carryover

2022年度はSPSによる音速分布発現について、試作委託先企業の製法上の理由から境界面を除去できなかったため、境界面の影響を見極めることから始めることにした。そこで、2022年度は４層の成分分布のホーンを最低必要数だけ試作したため、最小限の支出に留まった。
2023年度はチタン100%とジルコニア100%の一様棒の作製により４層構造のパルス波伝搬との比較を行うとともに、研究代表者の発案による振動付加方式などの境界面除去法について、試作委託先企業の協力のもと製作を試みる。また、１０層構造のホーンの試作も行う計画である。次年度使用額はそれらの費用に充てる。
以上の試作を踏まえ、2023年度申請費用は最適構造のホーンの試作・加工費およびパルス波増幅に関する成果発表費用に充てる計画である。