共同研究・競争的資金等の研究課題

超硬合金などの硬い材料の表面や，付加製造によって製造されたを超精密表面に仕上げるために，高速流体噴射研磨（FJP）の除去率を向上させることが求められている．複雑な光学表面や人工関節などのアプリケーションがある． そこで本研究では，FJPの加工精度を維持しつつ除去率を向上させるために，超音波キャビテーションをノズル内に発生させることで気泡をジェットに添加する方法を提案した．研磨液の流れと超音波の伝播をシミュレーションし，超音波FJPが実現可能であることを確認した．さらに，超音波FJPを行うための装置を開発した．この方法では，表面粗さを悪化させることなく除去率を380%向上させることが可能である．

欧米の協力の下に日本が2015年度に打上げる硬Ｘ線望遠鏡と軟Ｘ線望遠鏡を搭載したＸ線天文衛星ASTRO-Hの開発は終了し、現在は打ち上げ前の種々のテストを行っている。高性能な硬Ｘ線望遠鏡を開発するには現状の円錐近似の反射鏡ではなく、正確な回転放物面と回転双曲面からなる反射鏡が必須であり、軽量化のためには超精密な非球面金型からレプリカ法で非球面反射鏡基板を製作する方法がベストである。 従来は前加工のし易さからアルミニウム合金を超精密ダイヤモンド切削し、それに無電解ニッケルを成膜し、ダイヤモンド切削と研磨で非球面金型を製作する方法と合成石英を研削・研磨して非球面金型を製作する方法を研究開発して来た。しかし、日米欧の経済状態から次世代の硬Ｘ線望遠鏡にはより安価に非球面金型を製作する技術の開発が急務となった。特に、合成石英の非球面研磨では所用の形状を創成するのに年単位の時間が必要であった。 そこで、本年度は、前加工が極めて容易なグラファイトを金型材料として採用し、非球面切削後に炭化珪素を化学気相成長させ、その表面をこの研究で開発したShape Adaptive Grinding (SAG)工具で研削する方法を見出した。この工具は研究室内で極めて容易に製作でき、工具寿命も10時間以上あり、表面粗さ0.4nm Ra以下の面を従来法に比べ１～2桁高能率な10～100mm3/minの除去速度で加工できることを見出した。液晶用ガラスをＸ線反射鏡基板として使う場合に使用できる非球面金型をこのSAG研削のみで製作できることが判明し、次世代の高性能硬Ｘ線非球面望遠鏡の新しい製作法として注目を浴びている。 この研究により研究分担者は国際生産工学アカデミー(CIRP)より2015年8月にTaylor Medalを受賞することになった。

The mechanism of material removal boosting in ultrasonic fluid jet polishing was investigated. Macro-scale fluid vibrations were found to cause increased erosive action by abrasive particles. The fundamental understanding of this novel process opens the door to optical and medical applications. Fluid jet polishing is a very flexible method for polishing small and complex surfaces, such as aspheric lenses for smartphones or dental implants, but was however inefficient. With this research, the productivity of FJP was greatly enhanced, which will benefit consummers of such important products.

Phase1:Develop nano-cutting system and model. Phase2:Study tool-chip interaction (retardation/stagnation zone). Phase3:Study influence of crystal orientation. Phase4:Develop model of crystal orientation.

The research consists of 3 phases: (1) Understand nanoparticle agglomerates formation, and conditions for their disintegration; (2) Produce a tank and nozzle system for homogeneous mixing of nanoparticles with gas; (3) Implement an actual nano-blasting system and assess its machining performance. 本研究では、砥粒均質化法を研究・実施した。この方法は、超音波振動による円筒形キャビティ内の音響流の生成に基づくものである。この方法は、ワークピースに衝突するナノブラストノズルに、バラバラになった砥粒を噴射する前に適用することができます。 実験では、一次粒子径が2μm以上の粒子の凝集を良好に解砕できることを確認した。2μmより小さい粒子の場合、一部の凝集体が残りました。 このプロセスにより、粒子堆積と材料除去の境界付近の条件で、表面のブラスト加工ができることが示された。2μmの砥粒をガラス加工に用いた場合、ほとんどの加工条件において、超音波振動を加えると表面粗さが顕著に小さくなることがわかりました。 超精密研磨方法には、流体ジェット研磨 (FJP) やイオンビーム研磨 (IBF) など、いくつかの種類があります。 これら 2 つの特定のプロセスでは、材料除去する粒子のサイズと速度、および実装コストが大きく異なります。 FJPとIBFの中間の粒径と速度の砥粒を空気中で使用する方法を開発することで、装置の複雑さとコストを簡素化しながら、表面仕上げ粗さの向上を実現しました。 ナノブラストプロセスは日本の光学製造産業に適用できる。光学を使用する他の産業に利益をもたらすことが期待されています (例えば：車用の HUD、エンターテイメント用の AR ヘッドセット)。