超音波加工：高周波振動による精密除去加工の原理と応用

超音波加工とは？

超音波加工（Ultrasonic Machining、USM）は、超音波振動加工とも呼ばれ、高周波振動と研磨粒子を組み合わせて工作物から材料を除去する減材製造プロセスです。

超音波工具は微小な振動を繰り返し発生させ、時間の経過とともに工作物から材料を除去します。工作物表面に対して垂直または直交方向に、振幅0.05〜0.125mm（0.002〜0.005インチ）で工具が移動します。

微細な研磨粒子を水と混合してスラリー（研磨液）を形成し、工作物と工具先端に供給します。研磨材の典型的な粒度は100〜1000メッシュ（番号が大きいほど微粒子）で、より微細な粒子（粒度番号大）ほど滑らかな表面仕上げが得られます。

超音波振動加工は、微細クラック発生メカニズムにより、脆性材料および高硬度材料に対して特に有効です。

超音波加工では、工具が振動してマイクロサイズの粒子を工作物へ高速投射します。粒子は通常水や他の液体と混合されスラリー状態になります。超音波工具が作動すると、これら粒子が高速で工作物表面に投射され、粒子の研磨作用により工作物表面から材料が削り取られます。

機械に装着される切削工具は、工作物より軟らかい材料で作られます。一般的に軟鋼やニッケルが使用されます。工具が振動すると、研磨スラリー（液体）が供給され、研磨粒子・粒子を含みます。

工作物が粒子と接触するまで研磨スラリーを供給し続けます。液体中の粒子により、工作物の脆性が表面で研摩され、同時に工具も徐々に変形します。

超音波加工にかかる時間は、振動工具の周波数に大きく依存します。また、研磨スラリーの粒子サイズ、剛性、粘度にも依存します。

研磨液に使用される粒子は、通常ホウ酸カルシウム（ボロンカーバイド）または炭化ケイ素（シリコンカーバイド）が用いられ、他より高剛性だからです。スラリー液の粘度が低ければ、使用済み研磨材を容易に排出できます。

回転超音波振動加工（RUM）では、垂直振動する工具が工具の垂直中心線を中心に回転可能です。研磨スラリーの代わりに、工具表面にダイヤモンドを埋め込み、工作物表面を研削します。

回転超音波マシンは、ガラス、石英、構造用セラミックス、チタン合金、アルミナ、炭化ケイ素などの先進セラミックス・合金の加工に特化。高精度な深穴加工に使用されます。

RUMは比較的新しい製造プロセスで、現在も広範に研究中。現在、マイクロレベルへの適用や、フライス盤同様の動作を可能にする研究が進められています。

化学補助超音波加工（CUSM）では、化学反応性研磨液を使用し、ガラス・セラミックス材料の加工性を大幅向上させます。フッ化水素酸などの酸性溶液を用いると、従来の超音波加工と比較して材料除去率と表面品質を大幅に改善できます。

CUSMでは加工時間と表面粗さが減少する一方で、追加的な化学反応性により入口プロファイル径がわずかに拡大します。この拡大を抑制するには、スラリーの酸含有量を慎重に選定し、使用者安全と製品品質を両立させる必要があります。

超音波加工の用途：

材料除去が可能な他の製造プロセスは多数ありますが、それらは通常強靭・耐久性のある工作物に限定されます。超音波加工は、ガラス、セラミックス、石英など硬く脆い材料で作られた工作物を含め、ほぼ全タイプの工作物から材料除去が可能という点でユニークです。

工作物がガラス、セラミック、石英のいずれであっても、物理寸法を超音波加工で変更できます。

超音波加工は工作物の加熱を必要としません。熱変動に敏感な工作物でも、この加工プロセスで安全に加工可能。超音波加工中、工作物温度は一定に保たれます。つまり、加熱も冷却も不要です。

さらに、超音波加工は多くの他の機械加工プロセスより高い公差（許容差）を実現します。他の加工プロセスでは不可能な高公差で工作物を加工できます。

一方で超音波加工にはいくつか欠点があり、その一つは平均より遅い材料除去率です。工作物から材料を除去する特に速い方法ではありません。逆に、ほとんどの他の機械加工プロセスより遅いです。大量生産プロセスを求める製造企業にとって、超音波加工は不適切な選択となり得ます。

遅い材料除去率に加え、超音波加工は深穴加工に対応していません。工作物に予め穴を開けてから超音波加工工具を適用することは珍しくありません。しかし穴が深すぎると、スラリーが穴内部まで到達できません。

製造プロセス