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研削加工とは

研削加工 (英: grinding) とは、円形の砥石で工作物の表面を研削加工することです。

高速回転する砥石を工作物に押し当て、工作物表面を少しずつ削り、目的の形状へ仕上げる加工法です。研削加工は、研磨加工とよく似ていますが、研磨は砥石ややすり・バフ等を用いて一定の圧力をかけて加工を行い、表面の「平面度・きれいさ」を追求します。

一方、研削は一定の切り込み量で加工を行うことで、仕上がり後の「寸法精度」を追求します。

研削加工の使用用途

研削加工は、鋳造や鍛造、切削加工を行った工作物に対する仕上げとして多くの工業用の部品や製品に利用されます。特に自動車産業や産業用機械類を中心に、研削加工の用途は、シャフトや軸受け、エンジン内部の可動部分 、ブレーキディスクなどの精密仕上げです。

また、家具などの製造、家電製品の軸受、丸鋸などの製造にも使われます。非常に硬い工作材が加工できることから、シリコンウエハや電子部品内部で使用する水晶やサファイアなどの鉱物の加工など、半導体産業での活用も広まっています。

研削加工の原理

1. 平面研削

平面研削は、平面研削盤を使用して、工作物の平面を加工します。テーブルに工作物を固定して、テーブルを前後上下に移動させて研削します。また、2つの方式があり、砥石軸がテーブル対して垂直である縦軸方式と平行である横軸方式です。テーブルの移動方法や軸の方向の組み合わせなどにより、多種類の加工方法があります。

2. 円筒研削

円筒研削は、円筒研削盤を使用して円筒の工作物の外面を研削する加工です。トランバース研削、プランジ研削、アンギュラ研削と呼ばれる方式があります。

トランバース研削は工作物を往復させて研削する方式です。プランジ研削は、工作物を回転させながら砥石を工作物に垂直にあてて研削します。アンギュラ研削は、砥石を傾斜させて工作物の外面と端面を同時に研削できる方式です。

3. 内面研削

内面研削は、内面研削盤を使用して穴のある工作物の内面を研削する加工法です。普通型とプラネタリ型と呼ばれる方式があります。

普通型は工作物の内面に砥石を入れて、工作物と砥石の両方を回転させて加工する方式です。プラネタリ型は工作物の内面で砥石だけを回転・公転させて加工する方式で、大きい工作物やバランスをとるのが難しい工作物に採用されます。

4. センタレス研削

センタレス研削は、円筒研削と同様に円筒の外側を削る方法です。しかし、両者は工作物の固定方法が異なります。

センタレス研削では支持刃、調整車、砥石の3点で工作物を均等に支え、回転する砥石を工作物に当てて工作物が自然に回るように調整します。このため、工作物表面を均一に仕上げることが可能です。

シリンダのロッドのような細い円筒や長い円筒の加工に適しています。工作物を固定する工程が不要なため大量生産に向き、均一な仕上げが可能です。

研削加工の特徴

1. 高精度な加工

1度の加工での切り込み量が小さいため、加工精度が良くなります。研削砥石を構成する砥粒の1つ1つに刃としての役割を持たせ、高速で回転して使用するので、切くずはきわめて小さくなります。したがって、切削工具による仕上面より粗さが非常に良好で、寸法精度も良好です。

2. 高硬度材料の加工が可能

研削砥石の切刃は非常に硬い鉱物質の粒子でるため、超硬合金や陶磁器でも容易に加工できます。砥石に自生作用があるため、切れ味を維持しながら少しずつ削ります。切削工具では削れない材料でも研削可能です。

3. 高い表面粗度

少しずつ削っていくため、なめらかな表面仕上げが可能です。

4. 切刃の自生作用

研削砥石は、使用中に切刃が磨耗すると、砥粒が脱落して新しい切刃と気孔が生じます。したがって、切削工具のような研ぎ直しの必要はありません。

5. 高い生産性

研削加工は、1回の切り込み量は小さいが、砥石は高速で回転し、周速が他の切削加工の10倍以上なので、加工の生産性は、高くなります。

研削加工のその他情報

研削砥石について

研削加工に使用する研削砥石は、「砥粒」「結合剤」「気孔」の3つの要素を使用して加工物を研削します。

• 砥粒
  1粒1粒が刃物となって工作物を削ります。砥粒は使用して削れなくなると脱落し、新しい砥粒が出来て作業を続けられます。
• 結合材
  砥粒を保持するものであり、種類や配合する量によって性能を調整します。
• 気孔
  砥粒の間にある隙間で、削りかすが入り、回転の遠心力で排出されます。

また、砥石の問題として、「目つぶれ」「目詰まり」「目こぼれ」が発生します。これらが発生すると、工作物が削れない状態になります。

• 目つぶれ
  研削条件が悪いと、砥粒が脱落せず砥石表面が平坦になります。
• 目詰まり
  削りかすや砥粒が気孔に入り込んでしまう現象です。
• 目こぼれ
  砥粒が工作物を削る前に脱落してしまうことです。

旋盤加工

旋盤加工とは

旋盤加工とは、旋盤と呼ばれる工作機械を利用した機械加工法のひとつです。

被加工物をチャックと呼ばれる工作機械の爪部に挟み、旋盤に組込された駆動モーターで主軸を回転させて、側面や正面からバイト (刃物) を押し当て切り子を排出しながら形状を作り出す切削加工に分類されます。

旋盤加工の使用用途

一般的な切削加工方法として幅広い用途で活用されています。 軸物加工に適している加工法であるため、軸シャフトやねじ類の精密加工に用いられることが多いです。

一方で被加工物の形状に合わせて、使用する旋盤、バイト選択、加工油選択、回転速度や送り速度等の加工条件を最適化する必要があり、高精度加工を行うにためはある程度以上の熟練を要します。

手動操作の旋盤は作業者が複数の工程を加工するため、大量生産には向いてません。 近年は、CAD上の設計データを基にして自動でカッターパスが計算された数値データで切削加工を行うNC旋盤 (NC加工) やCNC旋盤が利用されており、高精度・大量生産が可能です。

旋盤加工の原理

 旋盤加工は被加工物の大きさや用途別に複数の種類があります。

• 正面旋盤
  一般的に普及している工作機械で、正面削りを行う旋盤です。
• 縦旋盤
  加工台に被加工物を固定し加工台を回転させた上で、上下左右に移動するバイトを動かして切削加工を行う旋盤です。
• 卓上旋盤
  作業台の上に設置できる小型の旋盤で、主に小径物や加工力が低い製品を削る旋盤です。
• NC旋盤
  バイトの加工軌跡を数値制御によって動かすことで、複雑形状が安定して加工できる旋盤です。

旋盤加工の特徴

1. 加工の方法

旋盤加工は被加工物 (母材) を回転させながら加工を行います。加工物は対称形状となり、真円度や直径寸法精度や形状精度が得られます。ただしチャッキング方法にコツが存在し、加工前に被加工物の芯ブレを必要な精度以下に調整する必要があります。

切削バイトは被加工物に最適な材質や刃先形状を選ぶ必要があり、被加工物の送り速度や主軸の回転数、加工油のかけ方等を最適化する必要があります。また立体形状が必要な場合は、フライス盤と組合せて加工する必要があります。

2. 加工時の考慮点

被加工物は各種金属材、樹脂材、木材、セラミック材等が該当します。 加工するためには材料硬度や加工熱による被加工物の変形、芯ブレなどを考慮した上で、被加工物の回転速度、バイト送り速度、切削切り込み量や加工する順番、バイトの選択、切削油の種類と油かけ方を適切に選ぶ必要があります。また被加工物へバイトを当てる方式の違いで、複数の加工方法が存在します。

• 外周削り
  被加工物の外周にバイトを押し当て削ります。
• 内周削り
  被加工物の内側が除去された状態で、内周にバイトを当て削ります。
• ねじ切り
  専用バイトとねじ切り送りで、ねじ形状を作ります。
• 穴あけ
  回転している被加工物へドリルを当て、加工物の中心に穴を開けます。
• 突っ切り
  専用バイトを押し当て、被加工物へ溝切および切断をします。

旋盤加工のその他情報

1. 加工時の安全留意点

被加工物が回転する加工のため、チャックへの巻込み事故や内部プーリーでの挟まれ事故等が発生する工作機械です。安全に留意するポイントを示します。

• 加工物のチャッキングやバイト取付けに十分留意する。
• 切込量が多い切削条件や、超高速回転で切削しない。
• 切削加工で切り子が飛散する場合があるため作業時は必ず保護具、保護メガネを着用して作業する。
• 巻込みや挟まれ事故が起きる危険性が十分にあるため旋盤加工機の周りに、加工に不要な道具等は置かない。
• 旋盤加工時には軍手等はせず、巻き込み事故に注意する。

2. 旋盤加工の切削工具

　旋盤加工はバイトと呼ばれる切削工具を使用します。被加工物や加工方法の違い、作業工程に合わせて最適なバイトを選びます。

バイト構造

• ムクバイト
  旋削用バイトです。グラインダーで刃先を成形して使用します。
• ろう付けバイト
  刃先がろう付けされているバイトです。複数の種類がありますが、刃先を自由な形に成形して使用することが可能です。
• スローアウェーバイト
  チップを保持するホルダーと加工チップで構成されます。専用ホルダー向けチップを、加工に応じて交換しながら使用します。被加工物や加工方法によってチップの形状や材質を選択します。

バイトの種類

• 片刃バイト
  外形や端面加工をします。
• 剣バイト
  剣形のバイトです。外形や端面加工をします。
• 突っ切りバイト
  ワークを切り落とすために使います。
• ねじ切りバイト
  ねじ切り加工をするために使います。
• ローレット
  ローレット加工をするために使います。

熱カシメとは

熱カシメとは、圧着したい2つの工作物を上下から挟んで接触部を加圧する加工方法です。

加圧部分には電極 (チップ) を当てながら電気を流して熱を発生させるか、その他の方法で熱を発生させてワークを溶かし接合させます。

熱カシメの種類

熱カシメの種類にはいろいろな加熱方式があり様々な方法が提案されています。

1. インパルスウェルダー

インパルスウェルダーとは、点溶接機 (熱カシメ) 機とも呼ばれ、電流を流すと電極部分の抵抗体が発熱する方式です。 発熱した抵抗体は300℃以上に加熱されて工作物を溶かし、その後冷えた空気を吹きかけ直て室温まで戻します。

具体例としては、熱可塑性樹脂の円筒状先端部を高温溶解した後に圧接し、その後冷却用空気を当てて瞬時に冷やすものです。 特に、ネジ止めが難しい場所や、隙間があまりない場所で樹脂接合を行う場合に使用されます。

この装置は、パルス電源で電流のON/OFFをするため微妙な加熱調整ができ、樹脂加熱時の糸引きを抑えて綺麗な仕上りを実現できます。

ある装置では多点の溶着チップとパルス制御を用いて、多点ワークの同時加熱を行えます。 さらにパルス方式は短時間で電流をON/OFFするため、電力消費は低く抑えられます。 また、高温のチップ部は瞬時に空気冷却されるため、火傷を防ぎ安全に作業できます。

インパルスウェルダーの使用用途は下記の4つです。

• プラスチック同士の溶着 (特に熱可塑性樹脂) 
• プラスチックと金属の溶着
• 金属と金属の溶着 (特に金属板同士の組み合わせ) 
• リード線、リッツ線、マグネットワイヤーの溶着 (ヒュージング) 

2. 超音波ウェルダー

超音波を発するホーンをワークに押し当て、溶着を行う部位に超音波を集中させます。 ホーンは超音波により高速振動し、プラスチック部分はその振動に伴う摩擦熱で溶け出します。 溶着後すぐに振動を止めると、摩擦熱は無くなるため温度が瞬時に下がり固着されます。

この工法はプラスチックを接着剤やビスを用いない接合方法として開発され普及しました。 そして、プラスチック同士やプラスチックと金属板等の溶着固定にも使用されています。

超音波ウェルダーの使用用途は下記の通りです。

• プラスチックパーツと金属パーツ
• プラスチック同士の溶着 (ガスライター、電源アダプター、金属の端子配線部、ICチップ内の金属配線) 

3. 赤外線ウェルダー

C.I.T (英: Contoured Infrared Technology) は、起伏のある部材を赤外線で加熱溶着する工法です。 エミッタと呼ばれる赤外線を放射する部分とワークは、数ｍｍ以上の間隔を保ち完全に非接触状態になります。

エミッタ部から放射された赤外線は、ワーク表面とその内部まで加熱するため樹脂深くまで溶解し溶融層を厚くすることが可能です。 そのため、ワーク同士の接合強度は他の工法より強くなります。

赤外線ウェルダーの使用用途は下記の通りです。

• 衝撃や熱に弱い電子部品を表面実装したPCB
• 多数の部品を実装した基板の一括カシメ
• 高さが異なるカシメ部を含むコンポジット部品

タフトライド処理とは

タフトライド処理とは、塩浴軟窒化処理と呼ばれる表面硬化処理の商標名で、鉄系金属の表面に炭素と窒素を侵入させ、炭化物と窒化物による硬化層を形成させる熱処理方法です。

熱処理の方法としては、溶融塩浴熱処理法に分類されます。ドイツのデグサ社が開発したタフトライド法 (tafftriding) によるもので、デグサ社が特許と商標権を持っています。

日本ではデグサ社から商標権を得た事業者がタフトライドの名称を使用していましたが、2007年に独占契約の交渉が決裂したことを受け、現在は「イソナイト法」という商標が使われています。実際の処理方法も同一です。ただし、ものづくりの現場では現在でもタフトライドという商標が広く認知されています。

タフトライド処理の使用用途

タフトライド処理は鋳鉄、ステンレス、炭素鋼等の機械部品に使われています。特に耐久性が求められる部品に使われており、表面硬さの向上による耐摩耗性、耐焼付き性、耐食性の向上が期待できます。具体的な使用用途は、以下の通りです。

1. 自動車用部品

エンジンギア、エンジンバルブ、カムシャフト、クランクシャフト、オイルポンプ、ユニバーサルジョイント

2. 各種家電製品

各種切削部品、プレス部品

3. 金型

アルミサッシ用押し出し金型

4. 工具

キリ、ボブカッター

5. ポンプ用部品

ベーンポンプ、ソレノイドポンプ、スクリューポンプ

6. 機械部品

スクリューヘッド、船のメーンシャフト用ギアカップリング、スラストワッシャ、旋盤チャック

タフトライド処理の原理

タフトライド処理は、まず鉄系部材を高温 (500～600℃) のシアン化合物溶液に1～3時間浸します。処理品の表面では高温溶液により金属元素と窒素が結合して、硬い窒化膜が形成されます。窒化膜の厚さは数十ミクロン程度の薄い層ですが、硬度は加工前の材料に比べて非常に高く、耐摩耗性、耐かじり性 (焼き付き防止) 、耐食性、耐熱性を改善することが目的です。

塩浴軟窒化とは別に「窒化」と言う処理もあります。窒化と軟窒化の違いは、硬化層である窒化膜の厚さです。窒化の方が硬化層は厚くなりますが、処理時間が長くなります。軟窒化が1~3時間ほどの処理時間であるのに対して、窒化では20時間以上の処理時間が必要です。タフトライド、イソナイトともに軟窒化処理に含まれます。

タフトライド処理の特徴

タフトライド処理には、大きく6つの特徴があります。

1. すべての鉄系金属に有効である

タフトライド処理は全ての鉄系金属に対して使えます。普通鋼、構造用合金鋼、工具鋼、高速度鋼、ステンレス鋼、各種鋳鉄、鉄系焼結金属など、それぞれの材質と目的に合わせた処理が可能です。

2. 寸法変化が少ない熱処理方法である

鉄系金属の熱処理方法として知られる焼き入れは、処理すると寸法変化が生じてしまいます。焼き入れは処理温度が高く、材料を硬化させるために「変態」という、金属材料の結晶格子構造の変化を利用しているためです。

結晶格子構造が変化することによって、一つの結晶格子に含まれる鉄の原子の数も変わるので、形状にも影響が出てきます。タフトライド処理であれば、影響が出る温度よりも低い温度で処理されるため、焼き入れのような寸法変化は極めて少ないです。

3. 耐摩耗性の向上

塩浴軟窒化によって金属の表面層には化合物層が形成されます。この化合物層は硬さが高く、部品の耐摩耗性を向上させることができます。さらに、化合物層には非金属的性質があり、動摩擦係数はμs=0.05~0.12と低い値を示します。塩浴軟窒化された最表面は初期摩耗で滑らかになり、相手と馴染みやすいこともあわせて、耐摩耗性の向上が見込まれます。

4. 疲労強度の向上

塩浴軟窒化処理によって、金属材料の表面に硬い化合物層が形成されるため、部品の疲労強度を向上させることができます。疲労強度が高くなれば、部品を小型軽量に設計したり、より負荷の高い使い方もできます。その他、金属材料の種類を低廉化するとによって、製品のコストダウンにつなげることも可能です。

5. 耐焼付き性の向上

前述した変態を利用した焼き入れでは、温度が高くなると材料の軟化が起こります。タフトライド処理された化合物層は300~600℃の温度域でも軟化することがないので、部品に高い耐焼付き性を与えられます。

6. 耐食性が高い

処理によって形成された化合物層は炭素や窒素が多く含まれるため、非金属的性質を持っています。よって腐食しにくく、亜鉛めっきやユニクロめっきと同程度の耐食性を有しています。タフトライド処理は、部品の機械的強度と耐食性を同時に向上させることができます。

スロッター加工とは

スロッター加工とは、工作物 (ワーク) を立て方向に削る加工方法です。

工作物 (ワーク) を回転式のテーブルに固定後、上下方向に動く刃物台 (ラム） に切削工具のバイトを取り付けます。その後ラムを上下に動かすと、バイトがワークを少しずつ削り所定の形を彫り出します。

また、この加工装置はワーク内面を削るだけでなく、テーブルを回転または傾けることで円筒加工やテーパー加工等のいろいろな加工が可能です。これにより、モータ―、シャフトや歯車、カムなどの伝動機器の部品に様々な機能を有する溝を加工することを目的として使用されます。

加工した溝にキーを組み込んだり、加工した部品同士を組み合わせて連結、接続したりすることで、動力を伝達する機能が得られます。

スロッター加工の使用用途

スロッター加工は、加工形状によって様々な方式があります。

1. キー溝加工

図1. キー溝加工

キー溝加工とは、回り止めを差し込むための長方形の溝加工です。軸が回転する力をギアーに伝達する場合、空回り防止用キーを掘る溝加工です。

この穴にキーを差し込むことで、軸と軸穴部を固定して軸の回転を連結部分に伝えます。主な使用用途は、シャフト、ギア、プーリー、軸加工等の加工です。

2. スプライン加工

スプライン加工とは、キー溝加工と機能は同じですが、複数本の長方形の溝を掘る加工方法です。軸と歯車を結合して軸の回転運動を歯車へ伝えます。主な使用用途は、大ギア、軸、プーリー等の加工です。

3. インボリュート加工

インボリュート加工とは、溝の形が長方形で、細い先細りの溝を掘る加工方法です。 また、スプライン加工より溝の数が多くなります。主な使用用途は、クラッチ板、ドライブホイール等の加工です。 

4. テーパ加工

テーパ加工とは、ワークを加工する際、その厚み、直径、幅がだんだん先細るようにする加工方法です。 よく「テーパーをつける」と言われる形状は、このような形を指しています。主な使用用途は、円筒形状の内側にテーパー加工を実施し、キー溝を作る加工です。

5. アリ溝加工

アリ溝加工とは、ワーク表面に近づくにつれて、掘った溝幅が細くなる台形形状の溝の加工方法です。加工方法が難しく、台形形状を加工する工具が必要となるため、加工技術が重要です。主な使用方法は、Oリングが脱落しないように溝を掘る加工です。

6. その他の加工

その他の加工形状として、四角形や六角形などの角穴を掘る加工方法が挙げられます。また、半月形状の加工も可能です。主な使用用途は、レンチやボルトに六角形の形状を掘る加工です。

スロッター加工の原理

図2. スロッター加工の方法

スロッター加工は、スロッターバイトという先端がとがった形状の工具を上下方向に動かして溝を掘っていきます。加工品を水平2方向および回転できるテーブルに取り付け、上下方向に作動するラムに取り付けた工具により、各種溝加工を行います。 

スロッター加工の特徴

スロッター加工の特徴は、旋盤やフライス、マシニングセンタなどでは加工できない様々な形状の溝加工ができることです。時間をかけて少しづつ溝を掘っていくため、底が行き止まりとなっている部分の加工もできます。

同じ溝加工する方法としてブローチ加工がありますが、工具が一気に溝を加工するため、大量生産に向いています。それに対して、スロッター加工は加工時間が長く、作業効率は比較的低いため、少量生産に向いています。

スロッター加工のその他情報

1. スロッター加工の課題

スロッター加工は、一般的な材料や溝形状は問題なく加工できますが、難削材や小径で軸長が長い部材への加工では加工精度が出ない、下加工や仕上げ加工など工程を分ける必要があるなどの課題があります。

2. スロッター加工の対策

図3. ガイドブッシュを用いたスロッター加工

前述した課題の対策としては、加工内面にガイドブッシュを入れて、加工時のビビりや工具の逃げを抑える方法があります。そのため、スロッター加工機械にもガイドブッシュを組み込める機能が必要となりますが、部材の材質や要求される加工精度に応じて適用されています。

ヒュージング加工とは

ヒュージング加工とは、束ねられた電子機器用被覆線 (リッツ線・リード線・マグネットワイヤー等) の絶縁コーティングを取り去りカシメる方法です。

銅線から作られた被覆線は一般に先端がバラバラになり易いため、これをまとめて一体化することが必要です。 また、この被覆線は銅線に絶縁コーティングがあるためこの被膜を破る為には、薬品除去するかまたは加熱溶解します。

ヒュージング加工では抵抗溶接の原理を利用して溶接電流を流して加熱します。 そして圧力を加えながら被覆膜を溶かして溶着し先端部を一体化します。

次に一体化した先端部を上下から挟み込んで均一な圧力を加え、非常に密着した状態を作りだします。 そのため、二次加工として先端部を抵抗ロウ付けして熱カシメを行うことができます。

ヒュージング加工の種類

ヒュージング加工には下記のような種類があります。

1. 大容量インバータ式溶接

モーターコイル等に利用されるマグネットワイヤーを束ねた被覆線の接合に使用されます。 このワイヤーは電気機器用の巻き線用であり、電気エネルギーを鉄芯等を使って磁気エネルギーに変換します。ワイヤーは一般的にエナメル等の皮膜で覆われているため使用用途により耐熱性能が変わりますが、最高使用温度は120℃となります。

束ねられたマグネットワイヤー製のコイルとU字端子を溶接する場合、皮膜除去が溶接の邪魔になります。 大容量インバータ式溶接は通電と加圧により皮膜除去を行いこの課題を解決します。 このヒュージング加工は、電流量、圧力、潰れ量等の条件をあらかじめ設定し自動溶接できます。多線マグネットワイヤーのコイルとU字端子のヒュージングなどに使用されます。

2. インバーター式抵抗溶接を使用したヒュージング

高精度の上下位置コントロールにより、あらかじめ設定した仕上がり寸法になった時点で装置への通電を強制停止し精密な寸法精度を実現できるようになります。 また、細かい通電時間制御により、徐々に加熱しながら皮膜を除去し最適な条件で溶接を行います。圧着端子と多数のエナメル線の接合に使用されます。

高周波誘導加熱とは

高周波誘導加熱とは、導体に巻き付けたコイルに高い周波数の交流電流を流すことで、導体を加熱する加熱方式のことです。

特に火力を使用せず電源制御だけで行われるこの加熱方法は環境負荷を低く抑えるため、作業環境の改善や地球環境保護の観点からも注目されています。

また、主に金属を加熱するこの方法は、作業対象物を直接触らず加工できるため安全です。さらに、一般家庭用には、IH炊飯器、IHクッキングヒータ、IH鍋、IHホットプレート、IHフライパン等の各種製品が使われています。 なお、IHはinduction heating (誘導加熱) の略称です。

高周波誘導加熱の使用用途

高周波誘導加熱は、工業や一般家庭で様々な用途に使用されています。

1. 一般家庭の用途

電磁調理器 (IH) は、クッキングヒーターとして有名です。IHヒーターはトッププレートとコイルから構成されています。コイルに交流電流を流すことで磁場が生じ、この磁場が調理器具を通過することで渦電流が生じ、調理器具を加熱することができます。

従って、電気を流さない材質 (セラミックス・ガラスなど) の調理器具は、渦電流を発生させられないためIHヒーターで加熱することができません。

2. 工業の用途

加工用途としては、高周波誘導溶接が溶接法として使用されています。IH (誘導加熱) 式自動ろう付け、はんだ付け装置としてIH方式が使用されています。

金属の強度を上げる方法として、焼き入れと焼き戻し装置があります。 たとえば鉄は焼き入れを行うと硬化し機械強度が増しますが、靭性 (粘り強さ) が失われ、脆くなってしまいます。

高周波誘導加熱で焼き入れを行うと、加熱対象の表面が強く加熱され、表面が硬く内部は靭性が高い材料にすることが可能です。この特性を生かし、摺動部のある自動車部品の焼き入れ処理に高周波誘導加熱が用いられることがあります。

図1. 摺動部を持つ部品への高周波焼入れ

各種金属の溶解装置にも使用されます。具体的には、真空溶解炉、金属溶解炉、雰囲気溶解炉などです。アルミ押し出し用ヒータなどの各種ヒータ、接着剤の硬化促進装置に用いられることもあります。

高周波誘導加熱の原理

1. 渦電流の発生

金属 (導体) の周りにコイルを巻きつけて交流駆動の電流を流すと、磁界の方向が絶えず変化する交番磁界が出現します。 導体内に磁界が生じると、レンツの法則によりその金属の中に「渦電流」と呼ばれる電流が発生します。

2. 渦電流による加熱

この「渦電流」により金属内に「ジュール熱」が発生します。ジュール熱の発生原理を図1にて説明します。 

図2. ジュール熱の発生原理

また、磁界の変化による「ヒステリシス損失」によっても導体が加熱されます。ヒステリシス損失とは、磁場の交流変化に伴い導体の磁性分子が振動・摩擦することで熱としてエネルギーが放出される現象のことです。

渦電流損 (渦電流によるジュール熱) と、ヒステリシス損失は併せて「鉄損」と呼ばれます。高周波誘導加熱においては、渦電流損とヒステリシス損失の相乗効果で導体を加熱しています。

3. 表皮効果と近接効果

交流電流の周波数を高くすると、「表皮効果」が強くなります。表皮効果とは、導体に交流電流・交番磁場を印加した際、渦電流が導体表面に集中する現象のことです。

図3. 表皮効果

表皮効果に加え、「近接効果」も生じます。近接効果とは、近接した導線に流れる電流の向きが反対方向の場合、動線同士を引き寄せるような電流密度分布になる効果のことです。

導体は渦電流によるジュール熱により加熱されるため、周波数を高くすると「表皮効果」と「近接効果」の相乗効果により、導体の表面が強く加熱されます。この性質を利用して、材料の表面のみを焼き入れしたい場合などに高周波誘導加熱が用いられることがあります。

高周波誘導加熱の種類

高周波誘導加熱には、直接加熱方式と間接加熱方式の2種類があります。

1. 直接加熱方式

加熱する金属内に直接「渦電流」を流して加熱する方法です。加熱対象に電流が流れる必要があるため、絶縁体はこの方式で加熱することができません。

2. 間接加熱方式

セラミックスやガラス等の絶縁体を加熱する場合は、電気を通す容器 (導体) に加熱する物質 (絶縁体) を入れて加熱を行います。

表面分析とは

表面分析とは、分析したい対象物 (サンプル) の表面に電子線、X線、イオン等を励起源として当て、照射した部位から放出された電子、イオン等を検出してサンプルの状態を分子・原子レベルで明らかにする手法です。

表面分析装置を使用することによって、他の手法では不可能な物質の化学状態や元素組成なども分析できるようになります。

表面分析の使用用途

1. XPS (X線光電子分光法:X-ray Photoelectron Spectroscopy)

図1. XPSによる試料表面のスペクトル分析事例

有機物 (ポリマー含む) や半導体、その他の無機物の分析が可能です。事例として、シリコンウェハにコバルトを蒸着した試料を測定した光電子スペクトルを示します。 (図1)

横軸は光電子の運動エネルギーを結合エネルギーに換算して示しています。つまり、照射した特性Ｘ線のエネルギーから電子の運動エネルギーを引き算しています。

結合エネルギー＝ (X線のエネルギー) － (電子の運動エネルギー) 

なお、イオンエッチングを使用すれば、更なる深さ方向の分析も可能です。

2. TOF-SIMS (飛行時間型二次イオン質量分析法:Time of Flight Secondary Ion Mass Spectrometry)

半導体表面の汚染物質解析、有機材料の分子量測定及び有機物の偏析の解明に使用されます。 微量元素の高感度分析が可能なため、元素分布の3D表示ができます。

3. AES (オージェ電子分光法:Auger Electron Spectroscopy)

リチウムより大きな原子核の元素について定性分析、半定量分析が可能です。 なお、イオンエッチングを使用すれば更なる深さ方向の分析もできます。

表面分析の原理

図2. 表面分析の励起源と検出信号

サンプル表面に励起源を当てると、その刺激を受けて表面原子のエネルギー状態が変化します。その変化に伴い表面原子から種々の電子やイオン等が放出され、その放出粒子を検出器で分析することにより、サンプル表面の状態や構造を明らかにすることが可能です。

分析するサンプルに当てる励起源の種類により、サンプル表面のどれくらいの深さまで届くかが変わります。また、表面に当てる粒子の種類により、表面から放出される粒子等の種類も変わるため、いろいろな分析装置が提案されています。

表面分析の種類

分析するサンプルの表面の深さや、分析する表面の原子 (分子) により、様々な分析法が用意されています。

1. XPS (Ｘ線光電子分光法:X-ray Photoelectron Spectroscopy)

別名ESCA (Electron Spectroscopy for Chemical Analysis) と呼ばれる分析手法です。高真空状態にサンプルを置きその表面にＸ線 (アルミニウムのKa線、マグネシウムのKa線) を当てると、サンプル表面から光電子が放出されます。

この光電子のエネルギースペクトル (光電子強度と結合エネルギー) を検出器で調べると、サンプル表面の元素組成や結合状態が分かります。特に、サンプル表面のごく薄い層 (数ナノメートル) の分析を得意とした方法です。

2. TOF-SIMS (飛行時間型二次イオン質量分析法:Time of Flight Secondary Ion Mass Spectrometry) 

高真空状態にサンプルを置き、その表面にイオンビーム (ガリウム、金、ビスマス等のイオン) を当てると、サンプル表面からイオンが放出されます。この放出イオン (二次イオン) には低いエネルギーから高いエネルギーまでの幅があり、そのエネルギー差に応じて検出器までの到達時間が異なります。

この到達時間 (飛行時間) はイオンの質量に関係し、その情報から元素分析が可能です。そのため、深さサブミクロン以下で、微量の元素組成や有機物の化学構造の情報が高い精度で得られます。

3. AES (オージェ電子分光法:Auger Electron Spectroscopy)

サンプル表面に電子線を当てると、入射した電子が表面物質のエネルギー状態を変化させて「オージェ電子」と呼ばれる電子を放出します。この電子は元素毎に固有なエネルギーを持っているため、そのエネルギーを調べることにより元素分析が可能です。

表面処理とは

表面処理とは、工作物 (ワーク) 表面に何らかの機械的、化学的、物理的な処理を行う加工方法の総称です。

表面処理の目的

表面処理の目的としては、加工の前処理として実施される場合と、加工自体がワークの価値を高める場合があります。

具体的には、ワーク表面の密着性、機械的強さ、耐酸化、絶縁性等の多くの特性を高めることで価値が上がります。また、外観的な美しさや光沢を出し、商品の価値を高めるために表面処理を施すケースも多いです。

表面処理の使用用途

表面研磨、エッチング、電着、蒸着、溶融被膜、拡散浸透、コーティング、陽極酸化処理などの表面処理は、対象の材質や目的に合わせて方法が選択されます。

1. 表面研磨

表面研磨は光沢のある部品・製品の加工に採用されます。

• バフ研磨法
  布が回転する機械に、研磨材をつけたワークをこすりつけて部品 (製品) を磨きます。メッキ仕上げの処理として使用されます。
• バレル研磨法
  容器の中にワークと研磨材 (研磨石) 、コンパウンドを入れて、装置を回転させ互いに摩擦しながら研磨します。機械部品のバリ取り、光沢仕上げ、平滑仕上げ等の研磨として一般的に普及しています。

2. エッチング

エッチングは、はんだ付けやメッキ処理前の脱脂、酸化物除去に採用されます。

3. 電着

電着はメガネフレームや、家電製品のフレームに採用されます。電解ニッケルメッキは、機械部品の表面処理として一般的に用いられています。無電解ニッケルメッキと比べて、安価な処理です。メッキの膜厚が電気の流れ方向に影響されるため、複雑な形状をした部品や均一な膜厚を求める場合には向いていません。

4. 蒸着

蒸着は半導体製造工程で使用する金属薄膜の形成プロセスとして有名です。化学反応により、表面と膜が一体となる化学蒸着 (CVD: Chemical Vapor Deposition) と、堆積により表面に膜を形成する物理蒸着 (PVD: Physical Vapor Deposition) が広く用いられています。

5. 溶融被覆

• 溶融メッキ法
  アルミニウムやスズ、亜鉛等の低融点の金属を溶かした溶融炉の中に、ワーク (主に鉄鋼) を漬けてメッキします。鉄鋼製品から送電鉄塔まで幅広く使用されています。
• 溶射法
  高温で溶かした金属を溶射ガンを使ってワーク (主に鉄鋼) 表面に噴射して被膜を形成します。製造装置やエンジンなど工業製品から電子機器まで幅広い分野で使われています。

6. 拡散浸透

拡散浸透はクロム、亜鉛、アルミニウムを気体中で加熱し鉄鋼表面に合金層を形成する場合に採用されています。また、半導体製造工程では、シリコン基板上にホウ素やリン等の物質をシリコン内部へ拡散させる方法として知られています。

7. コーティング

コーティングはワーク表面 (主に鉄鋼) に塗料、樹脂、油脂、ガラスをコーティングし、ワーク表面の汚れ、キズ、酸化防止を行います。有名な例としては自動車の塗装があります。

8. 表面清浄

表面洗浄はワークに何らかの加工を行う前処理として、表面の異物、汚れを落とします。溶剤を使用した超音波洗浄が一般的に使用されています。

SUSなどの金属部品を溶接した際に生じる変色や黒皮の除去や、切削部品に残留した切削油、手汗、微細傷、バリを取り除くために酸洗の工程が広く用いられています。

9. 陽極酸化処理

陽極酸化処理はワーク表面の耐摩耗性、耐腐食性を向上させるために採用されています。アルミニウムの表面をアルマイトにするアルマイト処理が代表的な例です。そのほか、絶縁性や熱伝導率の向上目的としても、アルマイト処理は採用されています。

表面処理の原理

前述した通り、表面処理は工業的な技術として機械的な研磨、化学的薬品処理または物理的な熱・蒸発・溶融等の様々な方法があります。表面処理の方法によって原理は異なります。

1. 表面研磨

表面研磨とは機械的な方法でワーク表面を研磨材を用いて擦り、表面を滑らかにし光沢を与える表面処理方法です。

2. エッチング

エッチングとは化学的な表面処理の方法で、薬品を使いワーク表面を溶解して汚れ、酸化被膜や特定物質を取ります。

3. 電着

電着とは電気化学反応を利用する表面処理の方法で、電解液中にワーク金属を浸し電気を流して物質表面に金属被膜を析出させる方法です。

4. 蒸着

蒸着とは特定の金属や非金属の蒸気を発生させて、その物質を金属表面に付着させる表面処理方法です。

5. 表面清浄

表面洗浄とは、酸アルカリ溶液、有機溶剤によって汚れを落としたり、錆除去したりして表面処理をする方法です。

6. 溶融被覆

溶融被膜は、溶かした金属の中にワークを浸漬して被膜を作って表面処理する方法と、溶かした金属をワーク表面に吹き付けて表面処理する方法があります。

7. 拡散浸透

拡散新党とは、ある物質を加熱・蒸発させてワーク表面内部へ拡散浸透させ表面処理する方法です。

8. コーティング

コーティングとは、ワーク表面に非金属物質を薄く塗りつけて被膜を形成し表面処理する方法です。

9. 陽極酸化処理

陽極酸化処理とは、電解液中でワークを陽極にして電解し、ワーク表面に皮膜を形成して表面処理する方法です。

穴あけ加工とは

穴あけ加工とは、工作物 (ワーク) を固定し、ドリル等の回転工具で円筒状の穴を開ける加工方法です。

一般的に機械加工では、単純な穴あけ加工だけではなくその後の穴内部を仕上げる「リーマ加工」や穴内部にネジを切る「タップ加工」等を含みます。

穴あけ加工の使用用途

穴あけ加工は、木材、鉄板、アルミ板、鋼板等のワークに対して様々なドリルを使用して行われます。その際、加工する素材や板厚に合った適切なドリルと切削手段を選択することが重要です。

1. 基本的な穴あけ加工

多種類のドリルを使用してワークの穴あけ加工を行う方法です。 ワーク外部まで貫通する作業は「通し穴」です。 また、穴あけを途中でやめる作業は「止まり穴」と呼ばれています。

2. 座ぐり加工

開けたネジ穴に深さ1ｍｍ程度のより広い穴を追加工し、ネジ頭部を隠してネジ締め付けを確実にする方法です。この場合「エンドミル」等の工具を用い、鍛造、鋳造で製作されたネジ穴の加工に使用されます。

3. リーマ加工

ドリルを使用して開けた穴の内側を滑らかに精度良く仕上げる加工法です。ここで使用する「リーマ」と呼ばれる棒状工具は、開けた穴の内側に接触させて面の粗さや真円度を改善します。「リーマ」の「切れ刃」部分をワークにこすり続けて、高精度加工を可能にします。

4. タップ加工

ドリルを使用して開けた穴の中にネジを作る方法です。「タップ」と呼ばれる「らせん状のネジ形工具」を回転させながら穴に入れてネジ山を作り出していきます。

穴あけ加工の原理

穴あけ加工は、固定した材料にドリルやリーマなどの工具で穴をあけることで成り立ちます。刃の部分が回転し、被削材の接触部分を削り取ることで、穴をあける加工です。

原理上切りくずが出ることから、ドリルには切りくずを排出するためのリード部があり、さらにホルダに取り付けるためのシャンク部、穴をあけるためのツイストドリル部で構成されます。

穴あけ加工の種類

穴あけ加工は主に浅穴あけ加工、深穴あけ加工、ソリッドドリリング加工、トレパニング加工、カウンターボウリングの5種類があります。

1. 浅穴あけ加工

ドリル直径と比較して3倍の長さ以下の加工方法です。 木材加工ではよく用いられる加工です。

2. 深穴あけ加工

ドリル直径と比較して10倍の長さを超える加工方法です。深穴あけ加工では、加工中にドリルが折れるリスクがあるので作業状況を注視しながら行いましょう。

3. ソリッドドリリング加工

無垢 (未加工) のワークを穴あけする方法です。

4. トレパニング加工

穴の中心に円筒状のコアを残して、穴の周囲を削る方法です。 穴の中に芯を残すため、ワークを貫通させる場合に使用される方法です。

5. カウンターボウリング

既に加工された穴を大きくする加工方法です。 開けた穴内部の仕上がり面をさらに高い精度で加工します。

穴あけ加工のその他情報

穴あけ加工で用いられる機械

穴あけ加工に用いられる機械は主にボール盤、旋盤、フライス盤、マシニングセンタ、ターニングセンタの5つがあります。

1. ボール盤
ボール盤は穴あけ加工をするための代表的な機械です。ドリルを回転させてワークに穴をあけます。NC装置を搭載したNCボール盤はNCプログラムにより制御 (NC加工) できます。

2. 旋盤
旋盤にドリルや中ぐりを取り付けると穴あけ加工ができます。ボール盤はドリルが回転しますが、旋盤はワークを回転させることで穴をあけます。NC装置を搭載したものもあります。

3. フライス盤
フライス盤にドリルを取り付けてドリルを回転させることでワークに穴あけ加工ができます。NC装置を搭載したものもあります。

4. マシニングセンタ
工作物の取り換えなしに、多種類の加工を行うNC工作機械です。フライスやドリルを取り付けることによりワークに穴あけ加工ができます。通常は3軸ですが、回転軸・傾斜軸の2軸を足した5軸マシニングセンタは立体的な加工や複雑な加工をすることができます。

5. ターニングセンタ

回転工具やATC (自動工具交換装置) などが搭載されたNC旋盤よりも多機能な機械で、ドリルやフライスを取り付けることでワークに穴あけ加工ができます。