超音波加工

超音波加工は、微細な研磨粒子が存在する状態で、工具を材料表面に対して高周波、低振幅で振動させることにより、部品の表面から材料を除去する減算製造プロセスです。工具は、0.05～0.125 mm (0.002～0.005 インチ) の振幅で部品の表面に対して垂直または直交方向に移動します。 ^[1]微細な研磨粒子は水と混合されてスラリーを形成し、部品と工具の先端全体に分散されます。研磨材の一般的な粒度は 100～1000 の範囲で、粒子が小さいほど (粒子番号が大きいほど) 表面仕上げが滑らかになります。^[1]

超音波振動加工^[2]は、微小亀裂のメカニズムにより 脆性材料や高硬度材料によく使用されます。

超音波振動機は、電気音響変換器とソノトロードという2つの主要部品で構成され、ケーブルで電子制御ユニットに接続されています。スラリー内の研磨粒子は、1秒間に何千回もワークピースに衝突し、自由切削工具として機能します。[ ^3]制御ユニット内の電子発振器は、通常超音波範囲の18〜40 kHzの高周波で振動する交流電流を生成します。変換器は、振動電流を機械振動に変換します。超音波加工では、圧電型と磁歪型の2種類の変換器が使用されています。

圧電トランスデューサー

これは、チタン酸バリウムなどの圧電セラミック片と、その表面にメッキされた 2 つの金属電極で構成されています。制御ユニットから電極に印加される交流電圧により、圧電素子がわずかに前後に曲がり、振動します。

磁歪トランスデューサー

これは、ワイヤーのコイルの中に鋼鉄などの 強磁性体の円筒が入っています。磁歪とは、磁界が変化すると物質の形状がわずかに変化する効果です。制御ユニットからコイルに供給される交流電流により、磁歪円筒内に交流磁場が生成され、振動ごとに円筒の形状がわずかに変化して振動を引き起こします。

トランスデューサーは、低振幅および高周波数でソノトロードを振動させます。^[4] ソノトロードは通常、低炭素鋼で作られています。^[1] 研磨スラリーの一定の流れが、ソノトロードとワークピースの間を流れます。このスラリーの流れにより、破片がワークの切断領域から流れ出ます。スラリーは通常、水懸濁液（体積比20〜60％）中の研磨炭化ホウ素、酸化アルミニウム、または炭化ケイ素粒子で構成されています。^[1] ソノトロードは、接触した場所で研磨によってワークピースから材料を除去するため、加工の結果、ソノトロードのプロファイルの完全なネガティブがワークピースに切り込まれます。超音波振動加工により、非常に複雑で不均一な形状を非常に高い精度でワークピースに切り込むことができます。^[4]

加工時間は、ワークピースの強度、硬度、多孔性、破壊靭性、スラリーの材質と粒子サイズ、およびソノトロードの振動の振幅によって異なります。 ^[4]加工後の材料の表面仕上げは、硬度と強度に大きく依存し、より柔らかく弱い材料はより滑らかな表面仕上げを示します。材料表面にマイクロクラックやマイクロキャビティの特徴が含まれるかどうかは、ワークピースの粒子の結晶学的配向と材料の破壊靭性に大きく依存します。^[5]

超音波振動加工は、物理的には、ワークピースの表面のマイクロチッピングまたは侵食のメカニズムによって機能します。研磨スラリーは高周波、低振幅の振動によって動かされるため、スラリーの衝撃力は大きく、高い接触応力が生じます。これらの高い接触応力は、スラリーの粒子とワークピースの表面との接触面積が小さいために生じます。脆性材料は亀裂メカニズムによって破損し、これらの高い応力は、表面からマイクロスケールのチップを除去するのに十分です。材料全体が破損するのは、応力領域が非常に局所的であるためです。ワークピースの表面に衝突して跳ね返るスラリーの粒子によって与えられる平均力は、次の式で特徴付けられます。

${\displaystyle F_{ave}={\frac {2mv}{t_{o}}}}$

ここで、mは粒子の質量、vは表面に衝突するときの粒子の速度、t _{o は}接触時間であり、次の式で近似できます。

${\displaystyle t_{o}\simeq {\frac {5r}{c_{o}}}\left({\frac {c_{o}}{v}}\right)^{\frac {1}{5}}}$

${\displaystyle c_{o}={\sqrt {\frac {E}{\rho }}}}$

ここでrは粒子の半径、co_はワークピースの弾性波速度、Eはワークピースのヤング率、ρは材料の密度である。^[1]

回転式超音波振動加工（RUM）では、垂直に振動する工具が工具の垂直中心線を中心に回転します。研磨スラリーを使用して材料を除去する代わりに、工具の表面にダイヤモンドを含浸させて部品の表面を研磨します。 ^{[1]回転式超音波加工機は、}ガラス、石英、構造用セラミックス、Ti合金、アルミナ、炭化ケイ素などの高度なセラミックや合金の加工に特化しています。^[6]回転式超音波加工機は、高精度で深い穴を開けるために使用されます。^[要出典]

回転超音波振動加工は比較的新しい製造プロセスであり、現在も広範囲に研究されています。現在、研究者たちはこのプロセスをマイクロレベルに適応させ、機械をフライス盤のように動作させようとしています。^{[引用が必要]}

化学支援超音波加工（CUSM）では、化学的に反応性の高い研磨液を使用して、ガラスやセラミック材料の加工性を高めます。フッ化水素酸などの酸性溶液を使用すると、従来の超音波加工に比べて、材料除去率や表面品質などの加工特性を大幅に向上させることができます。^[7] CUSMを使用すると加工時間と表面粗さが減少しますが、新しいスラリーの選択による追加の化学反応性により、入口プロファイルの直径は通常よりもわずかに大きくなります。この拡大の範囲を制限するために、スラリーの酸含有量を慎重に選択して、ユーザーの安全と高品質の製品を確保する必要があります。^[7]

超音波振動加工は、熱、化学、電気プロセスなどの加工物の物理的特性を変える可能性のある減法的な方法を使用しないため、従来の金属加工よりも脆く敏感な材料に多くの有用な用途があります。^[7]超音波法を使用して一般的に加工される材料には、セラミック、炭化物、ガラス、貴石、硬化鋼などがあります。^[1]これらの材料は、硬くて脆い材料の寸法精度と品質性能を確保するために、より正確な加工方法が求められる光学および電気アプリケーションで使用されます。超音波加工は、マイクロ構造ガラスウェーハなどのマイクロ電気機械システムコンポーネントの作成に使用できるほど正確です。^[8]

超音波振動加工は、小型部品だけでなく、構造部品にも使用されています。これは、この方法で得られる精度と表面品質が求められるためです。このプロセスでは、高品質の単結晶材料から安全かつ効果的に形状を作成できます。この形状は、通常の結晶成長では必要であるものの、生成が難しいものです。^[5]先進セラミックスが構造工学の領域で大きな割合を占めるようになるにつれ、超音波加工は、結晶学的特性を維持しながら適切な物理的寸法を保証する正確で効果的な方法を提供し続けるでしょう。^{[推測? ]}

超音波振動加工は、機械加工が難しいことが多い硬くて脆い材料で作られた部品を高精度で製造できるため、ユニークで非伝統的な製造プロセスです。^{[1]さらに、超音波加工は、}放電加工や電気化学加工などの代替方法では加工できないガラスや非導電性金属などの壊れやすい材料を製造することができます。 超音波加工では、加工された材料に歪みがないため、公差の大きい部品を製造できます。 歪みがないのは、ソノトロードからワークピースに対して熱が発生しないためであり、部品の物理的特性が全体的に均一に保たれるため便利です。 さらに、プロセス中にバリが生成されないため、完成部品を製造するために必要な操作が少なくなります。^[9]

超音波振動加工はマイクロチッピングまたは浸食メカニズムによって駆動されるため、金属の材料除去速度が遅くなり、研磨粒子がツールに絶えず衝突することでソノトロードの先端が急速に摩耗する可能性があります。^[1]さらに、研磨スラリーが穴の底に効果的に届かないため、部品に深い穴を開けることが困難になる可能性があります。^[9]回転式超音波加工は、スラリー切削液が存在せず、切削ツールがより硬いダイヤモンド研磨材でコーティングされているため、セラミックに深い穴を開けるのに効率的です。^[1]さらに、超音波振動加工は、硬度が少なくとも 45 HRCの材料にのみ使用できます。^[9]