非従来型加工の探求：AJM、EBM、LBM、PAM技術

本記事では非従来型加工プロセスについて説明します：1. 研磨ジェット加工（AJM） 2. 電子ビーム加工（EBM） 3. レーザービーム加工（LBM） 4. プラズマアーク加工（PAM）。また、非従来型加工プロセス、その特性、分類についても学びます。

研磨ジェット加工（AJM）：

AJMでは、微細な研磨粒子の衝突によって材料除去が行われます。これらの粒子は高速の空気（またはガス）流とともに移動します。図6.1はプロセスと典型的なパラメータを示しています。研磨粒子の直径は通常0.025mm、空気は数気圧の圧力で吐出されます。

AJMのメカニズム：

研磨粒子が高速でワーク表面に衝突すると、衝撃によって微小な脆性破壊が生じ、続く気流が剥離した微小なワーク粒子（摩耗粒子）を運び去ります。これは図6.2a、6.2bに示されています。したがって、このプロセスはワーク材料が脆性で脆い場合により適していることがわかります。材料除去率（MRR）を推定するモデルが存在します。衝突する研磨粒子によるワーク表面のチッピングによるMRRは以下で表されます——

ここで、Zは単位時間あたりの衝突研磨粒子数、dは研磨粒の平均直径、vは研磨粒の速度、ρは研磨材料の密度、H_wはワーク材料の硬度（流動応力）、Xは定数です。

AJMのプロセスパラメータ：

プロセス特性は、以下を判断することで評価できます——(i) MRR、(ii) 切削形状、(iii) 生成表面の粗さ、(iv) ノズル摩耗率。

これらの量を制御する主要パラメータは：

(i) 研磨材（組成、強度、サイズ、質量流量）、

(ii) ガス（組成、圧力、速度）、

(iii) ノズル（形状、材質、ワーク表面からの距離と傾斜）。

これら各パラメータとその効果について説明します：

i. 研磨材：

主に2種類の研磨材が使用されます——(i) 酸化アルミニウム、(ii) 炭化ケイ素。一般的に酸化アルミニウム研磨材がほとんどの用途で好まれます。これらの粒子形状はあまり重要ではありませんが、ワーク表面での満足のいく摩耗作用のためには、鋭利なエッジを持つ必要があります。Al₂O₃とSiCの粉末は、公称粒径10〜50μmで入手可能。公称直径が15〜20μmの間で最良の切削が得られます。

研磨粉の再利用は推奨しません。——(i) 初回使用後に切削能力が低下、(ii) 汚染によりノズルの微小オリフィスが詰まるため。研磨粒子の質量流量はガスの圧力と流量に依存。ジェット内の研磨材質量分率（混合比）が増加すると、MRRは最初増加しますが、さらに混合比が増えると最大に達しその後低下します（図6.3a）。研磨材の質量流量が増加すると、MRRも増加します（図6.3b）。

ii. ガス：

AJM装置は通常、0.2〜1 N/mm²の圧力で動作。ガス組成は、速度-圧力関係がこの組成に依存するため、間接的にMRRに影響。高速度は、研磨材の質量流量を一定に保っても高いMRRをもたらします。

iii. ノズル：

ノズルはプロセス特性を制御する最も重要な要素の一つ。高速で流れる研磨粒と常に接触するため、材質は非常に硬く、著しい摩耗を避ける必要があります。通常、WC（超硬）またはサファイアが使用。通常動作では、オリフィス断面積は0.05〜0.2mm²。オリフィス形状は円形または長方形。ノズルの平均寿命は正確には不明。WCノズルは12〜30時間、サファイアノズルは約300時間持続。

AJMで最も重要な要因の一つは、ワーク表面とノズル先端の距離、通常ノズルチップ距離（NTD）と呼ばれます。NTDはワーク表面からのMRRだけでなく、形成されるキャビティの形状とサイズにも影響。図6.5はNTDの効果を示す。NTDが増加すると、ノズルを出た後の加速により、ワーク表面に衝突する研磨粒子の速度が増加。

これによりMRRが増加。さらにNTDを増やすと、大気の抗力により速度が低下し、最初はMRR増加を抑制し、最終的には減少させる。図6.6はNTDがMRRにどう影響するかを示す。

研磨ジェット機械は、単一メーカー（S.S. White Co., ニューヨーク）によって「Airbrasive」の名で製造・販売されています。

AJMの特性：  

電子ビーム加工（EBM）：

基本的に、電子ビーム加工も熱プロセスです。ここでは、高速電子の流れがワーク表面に衝突し、運動エネルギーがワーク材料に伝達されて激しい加熱を生じます。生成される熱の強度に応じて、材料は溶融または気化。電子ビームによる加熱プロセスは、強度に応じて焼鈍、溶接、または金属除去に使用可能。

十分な電圧を用いることで非常に高い速度が得られます。例えば、加速電圧150,000Vで電子速度228,478km/secが得られます。電子ビームは10〜200μm径のポイントに集光可能なため、パワー密度は6,500億W/mm²に達します。このようなパワー密度はあらゆる物質を即座に気化させます。したがって、EBMは極めて精密に制御された気化プロセスと言えます。EBMは微細穴あけと狭いスロット切削に適したプロセスです。

厚さ1.25mmまでのシートに、直径25〜125μmの穴をほぼ瞬時にあけられます。EBMで切削可能な最狭スロット幅は25μm。さらに、電子ビームは磁気偏向コイルで操作可能なため、複雑な輪郭加工が容易。しかし、加速電子が空気分子と衝突するのを防ぐため、プロセスは真空（約10^-5mmHg）で実施する必要があり、これにより大型ワークには不向きです。

電子ビームの幅広い用途を示すため、パワー密度対ホットスポット径のプロットを図6.69に示します。電子ビームの範囲が最大であることが明らか。これが電子ビームが加工だけでなく他の熱プロセスにも使用される理由です。

電子は陰極（熱したタングステンフィラメント）から放出され、グリッドカップでビーム形状が整え、陰極と陽極の大きな電位差で加速。電磁レンズでビームを集光。偏向コイルでビーム移動を任意に制御。

穴あけの場合、穴径はビーム径とエネルギー密度に依存。必要な穴径がビーム径より大きい場合、適切な半径で円運動させて偏向。EBMであけられたほとんどの穴は、ビーム入射側に小さなクレーターを持ちます。シート厚が0.1mm以上の場合、穴にはわずかなテーパー（2°〜4°）があります。表6.5にEBM穴あけの性能特性の概要を示します。

スロット切削時、加工速度は通常材料除去率、すなわち切削するスロットの断面に依存。厚さ0.1mmまでのシートではスロット側面はほぼ平行。厚い板では1°〜2°のテーパーが観察。ビーム入射側に少量の材料飛散が発生。表6.6に電子ビームのスロット切削能力の概要を示します。

必要電力は金属除去率にほぼ比例。P ≈ CQ、Cは比例定数。表6.7にさまざまなワーク材料のCの概算値を示します。

表6.7を用いて、与えられた条件での加工速度の大まかな推定が可能。

EBMのメカニズム：

電子は質量9.109×10^-31kg、電荷-1.602×10^-19クーロンの最小安定素粒子。電子がVボルトの電位差で加速されるとき、運動エネルギーの変化は1/2m_e(u²–u₀²) = eVで表せます。m_eは電子質量、uは最終速度、u₀は初期速度。放出電子の初期速度を無視できると仮定すると、電子速度u（km/sec）の最終式は——

u ≈ 600√V （6.67）

高速電子が材料表面に衝突すると、一層を乱すことなく貫通。その後、分子と衝突し始め、最終的に停止（図6.71）。電子が乱すことなく貫通する層を「透明層」と呼びます。

電子が格子原子と衝突し始めたときのみ、運動エネルギーを放出し熱が発生。したがって、熱の発生は材料内部、すなわち透明な表皮の下で起こることがわかります。電子が貫通できる全範囲（δ）は運動エネルギー、すなわち加速電圧Vに依存。以下が成り立つことがわかっています——

δはmm単位の範囲、Vはボルト単位の加速電圧、ρはkg/mm³単位の材料密度。

EBMの材料への影響：

電子ビーム加工では、周囲材料の温度を上昇させず（極めて薄い層を除く）、ワーク材料に影響を与えません。極めて高いエネルギー密度により、加工スポットから25〜50μm離れたワーク材料は室温のまま。このほか、プロセスが真空で達成されるため、ワーク汚染の可能性も低いです。

EBM特性の要約：

レーザービーム加工（LBM）：

高速電子ビームと同様、レーザービームも非常に高いパワー密度を生成可能。レーザーは空間的・時間的に高度にコヒーレントな電磁放射ビームで、波長は0.1μm〜70μm。しかし、加工動作の電力要件により、実効的な波長範囲は0.4〜0.6μmに制限されます。

レーザービームの光線は完全に平行で単色であるため、非常に小さな径に集光でき、10⁷W/mm²という高いパワー密度を生成可能。高出力開発には通常パルスルビーレーザーを使用。連続CO₂-N₂レーザーも加工操作で成功裏に使用されています。

ルビーロッドの周りにコイル状のキセノンフラッシュチューブを配置し、容器内壁の内面を高反射にして、ポンピング動作で最大光がルビーロッドに当たるように。コンデンサを充電し、トリガー電極に非常に高い電圧を印加してフラッシュを開始。放出されたレーザービームはレンズ系で集光され、集光ビームがワーク表面に当たり、気化と高速アブレーションによって微小な材料を除去。

溶融金属のごく一部が非常に速く気化するため、実質的な機械的衝動が生成され、液体金属の大部分が飛び出します。フラッシュチューブから放出されるエネルギーは、レーザーヘッドからレーザービームとして放出されるエネルギーよりはるかに大きいため、システムは適切に冷却される必要があります。

LBMプロセスの効率は非常に低い——約0.3〜0.5%。レーザーの典型的出力エネルギーは20J、パルス持続時間1ミリ秒。ピーク出力は20,000Wに達する。ビーム発散角は約2×10^-3ラジアン、焦点距離25mmのレンズを使用するとスポット径は約50μmになります。

電子ビームと同様、レーザービームも微細穴あけと極狭スロット切削に使用。直径250μmまでの穴をレーザーで容易にあけられる。寸法精度は約±0.025mm。ワーク厚が0.25mm以上の場合、1mmあたり0.05mmのテーパーが観察される。

LBMのメカニズム：

レーザービームによる加工は以下のフェーズで達成されます：

(i) レーザービームとワーク材料の相互作用、

(ii) 熱伝導と温度上昇、および

プロセス全体の正確な分析は困難で本書の範囲外。しかし、基本的な重要性を持つ単純な側面について、ワーク材料の温度上昇が融点までの部分のみを考慮し、気化とアブレーションは考慮しない形で議論します。

(i) レーザービームとワークの相互作用：

レーザービームの加工への応用は、ビームと固体ワーク材料の熱光学的相互作用に依存。したがって、ワーク表面が入射ビームエネルギーをあまり反射しないことが明らか。図6.74は固体表面にレーザービームが当たる様子。吸収光は媒質内に伝播し、そのエネルギーが徐々に格子原子に熱として伝達。吸収はランベルトの法則で記述されます——

I(Z) = I(0)e^−μz

I(z)は深さzでの光強度（図6.74）、μは吸収係数。エネルギーの大部分は表面のごく薄い層（典型的厚さ0.01μm）で吸収。したがって、吸収光エネルギーは表面自体で熱に変換され、レーザービームは熱フラックスと等価と見なせます。

(ii) 熱伝導と温度上昇：

3000Kの表面からの再放射はオーダーでわずか600W/cm²、入力フラックス10⁵〜10⁷W/cm²と比較して無視可能。解析を一次元にするため、ビームスポット径が浸透深さより大きいと仮定。また、熱伝導率、比熱などの熱的特性は温度変化の影響を受けないと仮定。

したがって、等価な熱伝導問題は、半無限大物体の表面（図6.75）における均一熱フラックスH(t)で表現。領域z>0の熱伝導方程式は——

定常状態での穴貫通：

溶融部分の寸法決定は非常に複雑。しかし、溶融ピット（または穴）が深く狭い場合、溶融部分からの熱伝導の大部分は側壁を通じて行われる。熱入力率が溶融部分の熱損失率と等しいとき、形状とサイズを維持。このような定常状態では、溶融部分の熱損失率（図6.77）は——

経験的にD ≈ 55dが成り立つ。したがって、ln(D/d) ≈ 4と近似でき、熱入力率と熱損失率を等置すると、以下の関係が得られる——

ビーム強度が非常に高い場合（>10⁷W/cm²）、加熱は非常に急速で、上記メカニズムは妥当しない。入射ビームが表面を急速に加熱し気化させる。したがって、ビームが当たるワーク表面は材料気化に伴って後退。表面が後退する速度をvとすると、材料を気化させるために必要な熱入力率（入射ビームからの熱入力率と等しい）は——

H ≈ vL, （6.82）

Lは単位体積の材料を気化させるのに必要なエネルギー。

LBM特性の要約：

プラズマアーク加工（PAM）：

プラズマは高温電離ガス。プラズマアーク加工は、高温プラズマの高速ジェットで実施。プラズマジェットがワークに衝突すると急速に溶融。PAMは電気を通すすべての材料に使用可能、酸素燃料ガス切断に耐性のある材料も含む。このプロセスはステンレス鋼、モネル、超合金プレートのプロファイル切断に広く使用されています。

プラズマは、流れるガスをアークの電子衝撃にさらすことで生成。このため、電極と陽極ノズル間にアークを設定し、ガスをこのアークを通過させる。

アークの高速電子がガス分子と衝突し、二原子分子や原子をイオンと電子に解離させ、ガスの電導率を大幅に上昇させ、プラズマ状態に。自由電子がさらに加速し、更なる電離と加熱を引き起こす。その後、イオンと自由電子が原子に、または原子が分子に再結合する際（これらは発熱反応）、更なる温度上昇が発生。

こうして高温プラズマが生成され、ノズルを通じてジェットとして噴出。材料除去のメカニズムは——(i) 加熱と溶融、(ii) プラズマジェットのブラスト作用による溶融金属の除去——に基づく。

詳細については標準ハンドブックおよび参考書を参照。ここでは読者がプロセスに慣れるための基本特性を列挙します。

PAM特性の要約：