超音波加工硬くて脆い材料の穴掘削

導入

対照的に、超音波加工は、   化学組成、材料の微細構造、およびワークの物理的特性を変更せずに残す非熱、非化学的、非電気加工プロセスです。超音波衝撃粉砕（UIG）または振動切断と呼ばれることもあるため、UMプロセスを使用して、高度な材料で幅広い複雑な特徴を生成できます。

UMは、40 HRC（Cスケールで測定されたロックウェル硬度）を備えた導電性材料と非金属材料の両方を加工するために使用できる機械的材料除去プロセスです。 UMプロセスは、精密なマイクロフィーチャー、丸い形の穴と奇数の穴、ブラインドキャビティ、OD/ID機能の機械加工に使用できます。複数の機能を同時にドリルすることができ、多くの場合、合計加工時間を大幅に削減します。

高周波、低振幅エネルギーがツールアセンブリに送信されます。研磨スラリーの一定のストリームは、ツールとワークピースの間を通過します。研磨スラリーと組み合わせた振動ツールは、材料を均一に研磨し、ツール形状の正確な逆画像を残します。このツールは素材と接触しません。研磨粒のみがワークピースに接触します。

UMプロセスでは、低周波電気信号がトランスデューサーに適用され、電気エネルギーを高頻度（〜20 kHz）機械振動に変換します（図2を参照）。この機械的エネルギーは、ホーンとツールアセンブリに伝達され、既知の振幅で超音波周波数でツールの一方向の振動をもたらします。振動の標準振幅は通常0.002インチ未満です。このプロセスの電力レベルは、50〜3000ワットの範囲です。静的荷重の形でツールに圧力が加えられます。

研磨スラリーの一定のストリームは、ツールとワークピースの間を通過します。一般的に使用される研磨剤には、ダイヤモンド、炭化ホウ素、シリコン炭化物、アルミナが含まれ、研磨穀物は水または適切な化学溶液に懸濁されています。切断ゾーンに研磨粒を提供することに加えて、スラリーは破片を洗い流すために使用されます。研磨スラリーと組み合わせた振動ツールは、材料を均一に研磨し、ツール形状の正確な逆画像を残します。

超音波加工は、研磨粒に非常に低い力をかける必要があるゆるい研磨加工プロセスであり、材料要件の削減と表面への損傷を最小限に抑えることができます。 UMプロセス中の材料除去は、3つのメカニズムに分類できます：研磨粒子をワークピース（メジャー）に直接叩くことによる機械的摩耗（メジャー）、自由変動研磨剤の影響（マイナー）、およびキャビテーション誘発性侵食と化学効果（マイナー）の影響によるマイクロチップ。²

材料除去速度と機械加工された表面で生成される表面粗さは、使用される研磨粒の種類とサイズ、振動の振幅、材料の多孔性、硬度、靭性など、材料特性とプロセスパラメーターに依存します。一般に、材料除去率は、材料の硬度が高い（H）および骨折靭性（KIC）の材料の場合は低くなります。

超音波加工のパラメーター：

超音波振動機械加工法は、困難なトマシン材料の効率的な切断技術です。 USMメカニズムは、これらの重要なパラメーターの影響を受けていることがわかります。  

ツール振動の振幅（A0）

ツール振動の頻度（F）  

ツール材料  

研磨剤の種類

研磨剤の穀物サイズまたはグリットサイズ - D0  

フィード力-F  

toolツールの接触エリア - a  

水のスラリー中の研磨剤の体積濃度 - C  

corws硬度に対するワークピースの硬度と硬度の比率。 λ=σw/σt

製造技術は、金属やその合金などの材料用によく開発されていますが、陶器やガラスなどの硬くて脆い材料の製造には依然としてかなりの問題があります。それらの優れた物理的および機械的特性は、長い機械加工サイクルと高い生産コストにつながります。材料除去のために液体スラリーに吊り下げられたゆるい研磨粒子を使用した超音波加工（USM）は、これらの材料を製造するための効果的な方法と考えられています。この作業は、最初にUSMの簡単な概要を示し、次にメッシュフリーの数値技術である滑らかな粒子流体力学（SPH）を使用して、このプロセスのシミュレーションモデルの開発に主に対処します。 2つの研磨粒子の影響を受けた作業面の亀裂形成は、USMにおける材料除去と研磨粒子の相互作用を理解するために研究されています。シミュレーション結果を検証するために、実験も実施されます。 SPHモデルは、USMの研究に役立つことが証明されており、加工性能を予測できます。

ガラス、セラミック、クォーツクリスタルなどの硬くて脆い材料は、高硬度、高強度、化学的安定性、低密度などの優れた特性により、近年ますます注目を集めています。これらの材料で作られた高性能製品は、半導体、光学成分、航空宇宙、自動車産業など、さまざまな工業分野で重要な役割を果たします[1、2]。ただし、長い機械加工サイクルや高い生産コストなどのかなりの問題は、硬くてもろい材料の製造に依然として存在します。特に困難なのは、高加工効率、高いアスペクト比、および残留応力とマイクロクラックを持たない良好な表面を備えたマイクロ/ナノ構造の生産です。したがって、これらの材料の精度で効率的なマイクロマシン技術を開発するためには、重要な必要性があります。

硬くて脆い材料を機械加工するために、放電機械加工やレーザービーム加工などの非伝統的な機械加工技術が提案されています。ただし、これらのプロセスでさえ、機械加工された表面が常にリキャスト層や熱応力などの熱誘発性損傷を受けるという顕著な制限があります。超音波加工（USM）は、導電性と非導電性の両方の硬く脆性材料の両方を製造するためのもう1つの代替方法です。これは、熱や化学効果に苦しむことなく総機械的プロセスとして知られているため、USMは機械加工オブジェクトを熱的に損傷したり、残留ストレスや化学的変化のかなりのレベルを引き起こすように見えません。