超音波加工（USM）：基礎、プロセスパラメータ、構成要素、主要メリット
本記事では超音波加工について説明します：1. 超音波加工（USM）と超音波加工工具 2. USMのメカニズム 3. USMのプロセスパラメータとその効果 4. 超音波加工の構成要素 5. USMの特性。
目次：
- 超音波加工（USM）と超音波加工工具
- USMのメカニズム
- USMのプロセスパラメータとその効果
- 超音波加工の構成要素
- USMの特性
1. 超音波加工（USM）と超音波加工工具：
加工への超音波利用は、1945年にL. Balamuthによって初めて提案されました。装置と技術に関する最初の報告は1951〜52年に登場。1954年までに、超音波原理を用いた工作機械が設計・製造されました。当初、USMは放電加工で処理された部品の仕上げ操作として用いられていました。しかし、放電加工の発展によりこの用途は重要性を失いました。
しかし、固体エレクトロニクスのブームにより、電気非導体、半導体、脆性材料の加工がますます重要になり、超音波加工が再び重要性と注目を集めるようになりました。近年、さまざまなタイプの超音波工作機械が開発されています。もちろん、USM技術はまだ完璧とは言えません。
基本的なUSMプロセスは、延性でタフな材料で作られた工具が非常に高い周波数で振動し、工具とワーク表面の小さな隙間に研磨スラリーが連続的に流れることを含みます。工具は均一な力で徐々に送り込まれます。硬い研磨粒の衝撃が硬く脆いワーク表面を破壊し、ワーク材料が微小な摩耗粒子として除去され、研磨スラリーによって運び去られます。工具材料はタフで延性があるため、はるかに遅い速度で摩耗します。
2. USMのメカニズム：
超音波加工の物理学は完全でも無争議でもありません。
USM中の材料除去の理由は以下と考えられています：
(i) 工具による研磨粒子のワーク表面へのハンマリング、
(ii) 自由研磨粒子のワーク表面への衝撃、
(iii) キャビテーションによる浸食、および
(iv) 使用流体に関連する化学作用。
多くの研究者が超音波加工の特性を予測する理論を開発しようとしました。M.C. Shawによるモデルは一般的に受け入れられており、その限界はあるものの、材料除去プロセスをかなりよく説明しています。このモデルでは、ワークと接触する粒子への工具の直接衝撃（材料除去の大部分を占める）が考慮されています。
また、以下の仮定がなされています：
(i) ワーク材料除去率は、衝撃あたりのワーク材料体積に比例、
(ii) ワーク材料除去率は、サイクルあたりの衝撃粒子数に比例、
(iii) ワーク材料除去率は、周波数（単位時間あたりのサイクル数）に比例、
(iv) すべての衝撃は同一、
(v) すべての研磨粒は同一で球形。
ここで、直径dの剛性球形研磨粒がワーク表面に衝突する場合を考えます。図6.9は、ある瞬間にこの衝撃によって生じるインデンテーションを示しています。
Dを任意の瞬間のインデンテーション直径、hを対応する貫入深さとすると、図6.9から——
サイクル中の各種工具位置は図6.11に示す通り。位置Aは工具面が研磨粒に接触する瞬間、AからBへの移動期間が衝撃を表す。工具が最下部位置にあるときの、粒子による工具とワーク表面へのインデンテーションは図6.12に示す。工具が位置Aから位置Bまで移動した距離がh（総インデンテーション）であれば——
流動応力σとブリネル硬度Hは同じであるため、式(6.6)と(6.7)から——
これは振動工具による研磨粒の直接ハンマリング作用を通じた材料除去率です。高速で動く工具面によって反射された一部の粒子もワーク面に衝突し、そのような自由移動粒子によるインデンテーションを推定できます。図6.13は工具によって反射された粒子を示す。振動中、工具面の最大速度は2πvA。
研磨粒の元の速度は小さいため、その最大速度は明らかに2πvAのオーダー。したがって、このような衝突粒子の最大運動エネルギーは——
ρは研磨材料の密度。このような衝突粒子によるインデンテーションで接触力がインデンテーションに比例して直線的に増加すると仮定すると——
通常条件下でhwとh'wの値を比較すると、h'wはhwに比べて非常に小さく、したがって大部分の材料は直接衝突する研磨粒によって除去されることが結論付けられます。
関係式(6.11)は材料除去率がd1/4に比例することを示唆しますが、実際にはdに比例します。この理論予測と観察事実の不一致は、Shawによって以下のように説明されました。
研磨粒の実際の形状は球形ではなく、図6.14のようになっています。滑らかな表面ではなく、平均直径d1の突起を持っています。
突起の平均直径は、粒子の公称直径dの2乗に比例することが観察されています。したがって——
関係式(6.18)はMRRがdに比例することを示し、これは実験的にも確認されています。
Shaw理論にはいくつかの限界があります。例えば、A、F、vの変化効果を正しく予測できません。Fが増加すると、図6.15のようにMRRは増加します。これは関係式(6.18)でも確認されます。しかし実際には、あるFの値を超えると研磨粒が重負荷で粉砕されるため、Qは減少し始めます。
3. USMのプロセスパラメータとその効果：
プロセスに影響を与える重要なパラメータは：
(i) 周波数：
関係式(6.18)からわかるように、MRRは周波数に比例して直線的に増加。実際にもMRRは周波数とともに増加します（図6.16a参照）が、実際の特性は完全に直線的ではありません。MRRは理論予測値よりやや低くなる傾向があります。
(ii) 振幅：
振動振幅を増加させると、関係式(6.18)からMRRは増加すると予想されます。実際の変化の性質は、さまざまな周波数値で図6.16bに示す通り。再び、実際の特性は理論予測とはやや異なります。主な不一致の源は、平均速度（=A/(T/4)）を考慮して貫入持続時間Δtを計算したことにあります。Δtの変化特性——
——は、近似式（h/A)(T/4)から得られるものとかなり異なります。
(iii) 静的荷重（送り力）：
静的荷重（送り力）の増加に伴い、MRRは増加傾向にあります。しかし実際には、粒子が粉砕され始める一定の臨界力値を超えると減少傾向になります。様々な振幅における送り力に対するMRRの変化の性質は図6.17aに示す通り。
(iv) 工具とワークの硬度比：
ワーク硬度と工具硬度の比はMRRにかなり大きく影響し、特性は図6.17bに示す通り。硬度に加え、ワーク材料の脆性が非常に支配的な役割を果たします。表6.2は、他のパラメータを同一に保ったときのさまざまなワーク材料の相対材料除去率を示しています。明らかに、より脆い材料の方がより速く加工されます。
(v) 粒子サイズ：
関係式(6.18)はMRRが平均粒径dに比例して上昇することを示唆します。しかし、dが大きくなり振幅Aの大きさに近づくと、粉砕傾向が増し、図6.18aのようにMRRが低下します。
(vi) スラリー中の研磨材濃度：
濃度はサイクルあたりの衝撃粒子数と各衝撃の大きさを直接制御するため、MRRはCに依存すると予想されます。しかし関係式(6.18)はMRRがC1/4に比例すると示唆。実際の変化は、B4CとSiC研磨材で図6.18bに示す通り。これは理論予測とかなり良く一致。MRRはC1/4で増加するため、Cが30%を超えるとMRRの増加はかなり低くなります。したがって、濃度をさらに増やしてもあまり役立ちません。
スラリーに使用される流体の物理的特性（粘度など）もMRRに影響。実験では粘度が増加するとMRRが低下することが示されています（図6.19a）。
MRRはUSM操作の性能判断において非常に重要な考慮事項ですが、得られる仕上げ品質も適切な評価のために考慮する必要があります。USM操作では、表面仕上げは主に研磨粒子のサイズに依存。図6.19bは、ガラスと超硬をワーク材料とした場合の、平均粒径に対する表面不均一の平均値の典型的な変化を示しています。
ガラスの場合、表面仕上げが粒径に対してはるかに敏感であることがわかります。これは、高硬度の場合、脆性破壊によって剥離する破片のサイズが衝突粒子のサイズにあまり依存しないためです。
USMの材料への影響：
関与する切削力が非常に小さいため、プロセスは顕著な応力と発熱を生じません。したがって、材料構造は影響を受けません。ただし、穴あけ時に穴の出口側でチッピングが発生する可能性があります。これを避けるため、脆性材料のワークは通常ガラス製のベースに固定されます。
4. 超音波加工の構成要素：
機械の重要な構成要素は：
(i) 音響ヘッド：
音響ヘッド（図6.22）はおそらく機械で最も重要な部分。その機能は工具に振動を生成すること。高周波電流を供給する発生装置、これを機械的運動（高周波振動）に変換する変換器、ヘッドを保持するホルダー、振動を機械的に増幅しながら工具に伝達する集中器で構成されます。
ほとんどの変換器は磁歪原理で動作。高効率、15〜30kHz範囲での高信頼性、低電源電圧、シンプルな冷却配置のため。損失を減らすためにスタンピングを使用（トランスと同様）。寸法は固有周波数が電源周波数と一致するように選択。ほぼすべての現代機械は、ニッケル製（厚さ0.1〜0.2mmのスタンピング）の磁歪変換器を使用。
集中器の主目的は、切削に必要なレベルまで振幅を増幅すること。さまざまなタイプの集中器が使用されます（図6.23a）。図6.23bは、変換器-集中器アセンブリの縦振動振幅がどのように増幅されるかを示しています。システムは図示のように節点で本体に保持されなければならないことに注意。
(ii) 送り機構：
送り機構の目的は、加工操作中に作業力を適用すること。工具の移動を示す計器が加工深度を表示。
送り機構の基本タイプは：
(a) 分銅タイプ、
(b) ばねタイプ、
(c) 空気圧・油圧タイプ、
(d) モータータイプ。
(iii) 工具：
工具は強靭でありながら延性のある金属で作られます。一般的にステンレス鋼と低炭素鋼が工具製造に使用。アルミニウムと真鍮の工具は、鋼工具よりそれぞれ10倍と5倍速く摩耗。幾何学的特徴はプロセスによって決定。工具についての外接円直径は、集中器端部直径の1.5〜2倍を超えないこと。工具はできるだけ短く剛性高くすべきです。
工具を中空にする場合、内部輪郭は外部輪郭と平行にして均一摩耗を確保。壁や突起の厚さは研磨粒サイズの少なくとも5倍以上。中空工具では壁厚を0.5〜0.8mm未満にしないこと。工具設計時、側面クリアランスを考慮。通常研磨粒サイズに依存して0.06〜0.36mmのオーダー。
(iv) 研磨スラリー：
最も一般的な研磨材は——(i) 炭化ホウ素（B4C）、(ii) 炭化ケイ素（SiC）、(iii) コランダム（Al2O3）、(iv) ダイヤモンド、(v) ホウ素ケイ化物（非常に効率的）で、その研磨力はB4Cより約10%高い。B4Cは他の中で最高かつ最も効率的だが高価。SiCはガラス、ゲルマニウム、一部のセラミックスに使用。SiCでの切削時間はB4Cより約20〜40%長い。コランダムははるかに効率が低く、切削時間はB4Cの約3〜4倍。ダイヤモンド粉はダイヤモンドとルビーの切削のみに使用。
水がスラリーの流体として最も一般的に使用されますが、ベンゼン、グリセリン、オイルなど他の液体も使用されます。粘度が増加するとMRRが低下することがわかっています。
5. USMの特性：
産業技術