超音波加工（USM）：構成要素、原理、メリット・デメリット、実用応用

超音波加工（USM）は、超音波振動加工とも呼ばれ、低振幅・高周波振動で工具を材料表面に押し当て、研磨粒子存在下で材料表面から材料を除去する機械加工プロセスです。

• 工具運動はワーク表面に対して垂直または直交方向。工具振幅は0.05〜0.125mm（0.002〜0.005インチ）。
• 微細研磨粒を水に混合してスラリー形成。このスラリーを加工中にワークと工具先端間に流す。スラリー中の研磨粒子がワーク表面からの材料除去を補助。研磨材粒度は通常100〜1000番。粒度が細かいほど（番号大）滑らかな表面仕上げが得られる。
• この加工プロセスは通常、脆性材料と高硬度材料の加工に使用される。

超音波加工の作動原理

超音波域（18〜40kHz）の高周波電流を用いて、低振幅・高周波の機械的振動を生成。この機械的振動を、研磨粒子スラリー形態で存在させながら部品表面加工に利用。スラリーは工具とワーク間を流れる。工具がワークに押し付けられると、研磨粒子を含むスラリーがワーク表面から材料を剥離させる。

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主要構成部品

超音波加工機は、トランスデューサー（変換器）とソノトロード（ホーン）、およびケーブルで接続された電子制御ユニットの2主要部品で構成。

各部品の機能は以下の通り：

1. トランスデューサー（変換器）：

主に圧電セラミック製シリンダーで構成。電気エネルギーを機械的振動に変換。トランスデューサーがソノトロードを低振幅・高周波で振動させる。

2. ソノトロード（ホーン）：

低炭素鋼製。一端がトランスデューサーと接続、他端に工具を保持。ソノトロードが低振幅・高周波で振動し、接触点で研磨作用によりワークから材料除去。

3. 制御ユニット：

電子発振器で構成、高周波交流を生成。生成周波数は通常超音波域の18〜40kHz。

USMの種類

1. 回転超音波振動加工（RUM）：

RUMでは、垂直回転工具がソノトロード軸を中心に回転許可。工具表面にダイヤモンドが浸透させられ、部品表面を研削。このタイプでは材料除去に研磨スラリーを使用しない。

2. 化学支援USM：

化学反応性研磨流体を加工プロセスに使用。

超音波加工プロセスの動作手順

• トランスデューサーとソノトロードをケーブルで制御ユニットに接続。
• 制御ユニットの電子発振器が高周波交流（18〜40kHz超音波域）を生成。
• この高周波交流をトランスデューサーに供給。トランスデューサーが交流を機械的振動に変換、接続されたソノトロードに伝達。
• トランスデューサーによりソノトロードが低振幅・高周波で振動。振動するソノトロードがワーク表面に衝突し材料除去。スラリーが工具とワーク間を流れ、表面からの材料除去を補助。
• 超音波加工用スラリーは体積比20〜60%の水、酸化アルミニウム、炭化ホウ素、炭化ケイ素粒子を含む。
• 以上が超音波加工の動作メカニズム。

メリット

• 脆性・高硬度材料を高精度で加工可能。
• ガラス、非導電性金属など、電気化学加工や放電加工では加工できない脆弱材料も加工可能。
• 高公差部品製造可能。
• 加工材料に歪みなし。ソノトロード対ワークで発熱しないため。
• 材料物理特性に変化なし。
• プロセスにバリが発生しないため、加工部品は仕上げプロセスが少なくて済む。

デメリット

• 微小切り屑・浸食機構のため材料除去率が遅い。
• ソノトロード先端摩耗が早い。
• 研磨スラリーが穴底まで流れられないため深穴加工困難（回転超音波加工除く）。
• 硬度45HRC以上（HRC：ロックウェル硬度スケール）の材料のみ加工可能。

応用

• 脆性・高硬度材料加工に一般的。ガラス、超硬合金、セラミックス、宝石、焼入れ鋼がUSMで加工される最も一般的材料。
• 非常に精密な加工手法で、マイクロ電気化学システム部品（微細構造ガラスウェーハ等）作成に使用。

参考：wikipedia.org