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工作機械産業
切削・研削加工におけるDo-It-Yourself工具の進展
半導体分野や工学分野において多くの新素材が利用されるようになり、本来であれば特定の新素材の硬度や化学反応性などを考慮し、最適化した工具を用いたいところである。しかし工具メーカーがタイムリーに工具特性を最適化し、製品ラインアップに加えることは難しいのが現実である。このような背景の中で、工作機械のユーザーが自ら加工目的に最適化した工具、いわゆる“Do-It-Yourself(DIY)工具”を作製し、より効果的、効率的に工作機械の性能を最大限利用するとともに、新規素材にも柔軟に対応するという試みが進んでいる。
工具の開発状況
切削加工や研削加工における精度や加工能率は、工作機械、工具、加工条件、被加工物の組み合わせで決定される。近年、工作機械の位置決め精度、剛性、制振特性、熱的安定性などの性能は著しく進歩している。
一方、工具メーカーも開発を進め、切削工具や研削砥石の加工性能を向上させている。しかし工具を特定の工作機械に最適化することは少ない。つまり剛性の高い工作機械、熱的安定性に優れる工作機械などに、それぞれ最適に調整した工具を製造するよりも、量産性の観点から、広く、多くの工作機械で使うことができる工具を製品ラインアップとしてそろえることになっているのが現状である。
加工目的に最適化した工具、いわゆる“DIY工具”
切削工具においては切れ刃形状の創成、コーティングなどの最適化の検討が進んでいる。例えば、多結晶ダイヤモンド(PCD)工具などは、ユーザーが自ら放電加工などによりさまざまな切れ刃形状を創成し、切削性能の改善を検討している。また工作機械メーカーもそれを支援するため、PCD工具による鏡面加工ができるように、機上でPCD工具の形状創成ができるシステムを用意している。単結晶ダイヤモンド工具の切れ刃創成についても、同様にダイヤモンドの化学摩耗を促進させる素材を用いて、機上で切れ刃を創成する研究が進められており、大型の光学部品の超精密加工において重要な技術となっていくことであろう。
市販のコーティング工具の問題点は、量産性を向上させるために犠牲にしているコーティングの表面粗さや刃先丸みの増大である。ユーザーは市販工具をそのまま使用するのではなく、各種研磨技術を用いたコーティングの表面粗さの改善を行うことで、切削性を向上できる。またダイヤモンドコーティング工具では、レーザーを用いた刃先丸みの改善、つまり刃先の鋭利化を行うことが検討されており、単結晶ダイヤモンド工具のように精密・微細切削に用いられることが示されている。
このように、切削におけるDIY工具は一見ハードルが高いように思えるが、ユーザーが自ら工夫して、切れ刃形状などを創成できる技術が進化している。今後はユーザー自身がコーティング組成をオーダーメードできる仕組みや、ユーザー自身が卓上コーティング装置を保有するような時代が来るかもしれない。
研削砥石のDIY工具の分野では①耐熱性、耐摩耗性、自生作用などを考慮した新規ボンド材②切りくず排出性などを考慮した砥粒配列③冷却や制振を考慮した砥石構造④ボンドとの密着性を考慮した被覆砥粒―などに着目した研究開発が進められている。これらのDIY工具の導入を加速させるためには、3次元(3D)プリンティングなどのマテリアル・プリンティング技術を導入し、ユーザーが自在にツールを設計・製造できる少量多品種の製造プロセスを確立することと、そのために必要な素材を選定することが重要である。
DIY工具の応用が期待されている分野の一つは、社会的ニーズが高い次世代半導体ウエハーや光学部品の高品位加工である。近年、炭化ケイ素(SiC)や窒化ガリウム(GaN)など次世代半導体用ウエハーや、石英ガラスやゲルマニウムなどの光学部品では、さらなる高性能化のために、高い加工品質が求められている。それぞれの分野や工程において求められている研削砥石の性能が異なり、それぞれに適した砥石を作製するためには、マテリアル・インフォマティクス(MI)的なアプローチも必要である。
切削コーティングのDIY化に向けた検討
切削工具のコーティングには、さまざまな方式の化学気相成長(CVD)や物理気相成長(PVD)が用いられている。超硬工具に用いられるCVDは比較的高温で成膜される熱CVDであり、密着性に優れ、高純度で結晶性が高く、厚膜が容易に得られるなどの特徴がある。
一方、PVDはプラズマを用いるイオンプレーティングやスパッタリング法が主な成膜法であり、①比較的低温で密着性の良いこと②元素や組成比を選べること③非平衡系の化合物コーティングが成膜できること―が特徴となる。アークイオンプレーティング法(AIP)やホローカソード放電方式(HLC)は、近年広く用いられているPVDの成膜法である。最近では、スパッタリング法の平滑性とAIPの密着性と成膜速度などの利点を両立させた大電力マグネトロンスパッタリング(HiPIMS)法などが用いられている。
コーティングの構造としては、多層膜化が進んでいる。それぞれの層に低摩擦特性や耐熱性などを分担させて多層化することで、切削性能を高性能化している。これらの取り組みは高価な装置が必要であることから、DIY化に向かないが、どのようなコンセプトで工具を設計するべきかの指針を与えてくれる。
コーティングのDIY化に向けた第一段階は、市販コーティング工具へのイオン注入などの表面改質が考えられる。そのために、有効な方法の一つは、イオンビーム照射による表面改質や、イオンビームアシスト蒸着法(IBAD)による成膜である。例えばイオンビーム照射により表面に窒素イオンを注入し、硬化できる。またIBADではイオンビーム照射により反応性が高くなり、①結晶が均一で微細化すること②その結果、摩擦係数や耐摩耗性が向上すること(図1)③さらに基板との密着性が高くなること―が明らかになっている。今後、DIY化に向けて研究開発が進むことが期待される。
研削砥石のDIY化に向けた検討
メタルボンド砥石やビトリファイド砥石に比べて成形温度の低いレジンボンド砥石は、DIY化に向けてさまざま樹脂材料が検討されている。
通常、耐熱性がある熱硬化性樹脂であるフェノール樹脂やポリイミド樹脂などが用いられているが、ツルーイングのしやすさや、3Dプリンターへの応用を容易にすることを目的として熱可塑性樹脂の検討も進められている。
そもそも研削砥石は複合材料であるが、どのようなフィラーを混合するかでその性能が大きく変化する。特にカーボンナノチューブ(CNT)などのナノフィラーを添加することで、ボンド材の特性を大きく変化させることができることから、注目すべき技術であると言える。ただしCNTは凝集しやすい材料であるため、その複合化において、均一分散性を保つことと、高濃度化することを実現しなければならない。DIY化のためには、ユーザーが使いやすい素材を用意することが重要である。
そこでCNTの凝集を発生させず濃度を制御し高濃度化できる素材として、樹脂被覆CNTが開発されている。CNTをあらかじめ樹脂被覆することで、均一分散性を得ることができる。例えばポリイミドに高濃度のCNTを複合した研削砥石は、従来のものに比べて高温耐摩耗性、熱伝導性が向上し、砥石寿命が向上することが示されている。
また砥粒保持力を改善するための砥粒のコーティング技術が開発されており、化学的にも機械的にもボンドとの密着性を向上できるCNT被覆砥粒なども開発されている。CNTの複合化の効果はレジンボンド砥石のみならず、最表面にCNT複合めっき層を付与した電着軸付き砥石や電着ワイヤなどでも工具の長寿命化などの効果が確認されている(図2)。
今後、切削・研削工具のDIY化に向けた装置的、素材的な環境が整っていくことが期待できる。つまり、ユーザーが与えられた市販工具で加工に取り組むのではなく、自ら工具に対してアイデアを出し、アイデア次第では、DIY工具により、ユーザー自身が加工能率や加工精度などの面で大きなアドバンテージを得られる時代になる可能性があると言えよう。
【執筆】
秋田県立大学
システム科学技術学部 機械工学科
教授 鈴木 庸久
切削加工関連展示会
●INTERMOLD2024
4月17日から19日までの3日間、大阪・咲洲のインテックス大阪で、金型加工に関する展示会「INTERMOLD2024(第35回金型加工技術展)」が開催される。日本金型工業会とテレビ大阪が主催し、インターモールド振興会が運営する。金型設計・製造や各種成形加工の最新技術、それを支える工具などが集まる。
来場は事前登録制(無料)。来場者証を持参しない場合は入場料3000円が必要。開催時間は10時から17時。「金型展2024」「金属プレス加工技術展2024」と同時開催される。同3展示会は6月26日から28日まで、名古屋・金城ふ頭のポートメッセなごやでも開かれる。
●JIMTOF2024
11月5日から10日までの6日間、東京・有明の東京ビッグサイトで「第32回日本国際工作機械見本市(JIMTOF2024)」が開催される。主催は日本工作機械工業会(日工会)と東京ビッグサイト。工作機械や関連機器が一堂に会する、モノづくりの総合見本市だ。
同展は欧州国際工作機械見本市(EMO)、米国の国際製造技術展(IMTS)、中国国際工作機械見本市(CIMT)と並ぶ、世界4大工作機械見本市の一つ。隔年で開催されるJIMTOFに合わせて最新技術や製品を開発する企業が多いのも特徴で、2022年に開催された前回展では、日工会会員出展者の64%が新製品を披露した。
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