超精密加工：種類と技術

超精密加工とは、極めて高いレベルの精度と表面品質を達成する精密製造プロセスを指す。その定義は相対的なもので、技術の進歩とともに変化する。

現在、この技術はサブミクロン、さらにはナノメートルレベルの寸法や形状を、ナノメートルスケールの表面粗さで実現することができる。超精密加工には、超精密切削加工（超精密旋盤加工、超精密フライス加工など）、超精密研削加工、超精密ラップ加工、超精密特殊加工などがある。

超精密切断

超精密切削加工は、主にダイヤモンド工具を用いた旋削加工で、非鉄合金、光学ガラス、大理石、炭素繊維板のような非金属材料の加工に用いられる。超精密切削で達成される高精度は、ダイヤモンド工具と非鉄合金の親和性の低さに加え、その優れた硬度、耐摩耗性、熱伝導性によるものである。

さらに超精密切削では、高精度エアベアリング、エアフローティングガイド、位置決め検出部品、恒温・防振・制振などの対策が採用されている。

これにより、表面粗さRa値は0.025μm以下、幾何学的精度は0.1μmまで確保され、航空宇宙、光学、民間用途で超精密切削がますます普及し、高精度化が進んでいる。

超精密研削

超精密研削とは、サブミクロンレベルからナノメートルレベルへの加工方法。加工精度0.1μm以上、表面粗さRa値0.025μm以下を実現する研削方法を指し、鉄鋼、セラミックス、ガラスなどの硬脆材料の加工に適している。

超精密研削により、従来の研削・研磨工程を省き、必要な表面粗さを得ることができます。超精密研削により、正確な幾何学的形状と寸法を確保するほか、鏡面仕上げの表面粗さを得ることができます。

超精密ラッピング

超精密ラップ加工には、メカニカルラップ加工、ケモメカニカルラッピング加工、フロートラップ加工、弾性放出加工、マグネットラップ加工などがある。超精密ラッピングで加工された部品の球面振れ公差は0.025μmに達することができ、表面粗さRa値は0.003μmに達することができる。

超精密ラッピングの主な条件は、正確な温度制御、振動のない加工、クリーンな環境、小さくて均一な砥粒です。また、高精度な検出方法も不可欠です。

超精密特殊加工

超精密特殊加工技術は、21世紀の最も有望な技術の一つとして国際的に認められている。電気的、熱的、光学的、電気化学的、化学的、音響的、特殊な機械的エネルギーなどのエネルギー形態を使用して、材料を除去したり追加したりする加工方法を指す。

主な適用対象としては、難加工材料（チタン合金、耐熱ステンレス鋼、高強度鋼、複合材料、エンジニアリングセラミックス、ダイヤモンド、ルビー、硬化ガラス、その他の高硬度、高靭性、高強度、高融点材料など、）難加工部品（複雑な三次元空洞、穴、集合穴、狭いスロットなど）、低剛性部品（薄肉部品、弾性要素など）、高エネルギー密度ビームによる溶接、切断、穴あけ、溶射、表面改質、エッチング、微細加工を実現するプロセス。

これらの加工方法には、レーザー加工技術、電子ビーム加工技術、イオンビーム・プラズマ加工技術、電気加工技術などが含まれるが、ここでは簡単に紹介するにとどめる。

レーザー加工

レーザー加工は、レーザー発振器で高エネルギー密度のレーザー光を被加工物の表面に集光します。吸収された光エネルギーは瞬時に熱エネルギーに変換され、その密度に基づいて穴あけ、精密切断、マイクロ偽造防止マークの生成を実現することができる。

レーザー加工装置と技術の急速な発展に伴い、100kWを超える高出力レーザーやキロワットレベルの高ビーム固体レーザーが登場し、マルチステーション、長距離作業用の光ファイバーが装備された。

レーザー加工装置の高出力と自動化レベルのため、CNC制御とマルチ座標リンクが広く採用され、レーザー出力監視、自動焦点、および工業用テレビディスプレイなどの補助システムを備えています。現在、レーザー穴あけによって達成される最小穴径は0.002mmであり、レーザー切断の薄い材料の速度は15m/minに達することができ、切断ギャップはわずか0.1〜1mmの間である。

レーザーによる表面強化、表面再溶解、合金化、アモルファス加工技術の応用はますます広がっており、電子工学、生物学、医療工学におけるレーザー微細加工は、かけがえのない特殊加工技術となっている。

電子ビーム加工

電子ビーム加工では、真空中で陰極から陽極に向かって負電子を連続的に放出する。電子は加速され、カソードからアノードへの移行中に非常に細く高エネルギー密度の電子ビームに集束する。高速の電子が被加工物の表面に当たると、その運動エネルギーが熱エネルギーに変わり、材料が溶けて蒸発し、真空から取り出される。

電子ビームの強度と偏向方向を制御し、ワークベンチのx、y方向の変位を数値制御（CNC制御と多座標連結を使用）と組み合わせることで、パンチング、成形切断、エッチング、フォトリソグラフィー露光、その他のプロセスを実現できる。

電子ビーム加工技術は国際的に成熟しつつあり、打ち上げロケットや宇宙船のような主要な耐荷重部品の大型構造物の組合せ溶接や、航空機の梁、フレーム、着陸装置部品、エンジン・インテグラル・ローター、ケーシング、パワーシャフト、原子力装置の圧力容器のような重要な構造部品の製造に広く使用されている。

また、集積回路製造では、可視光よりもはるかに波長の短い電子ビームフォトリソグラフィ露光が広く採用されており、0.25μmのラインパターン解像度を実現している。

イオンビーム加工

イオンビーム加工は、イオン源から発生したイオンを真空中で加速・集束させ、被加工物の表面に当てる。電子ビーム加工に比べ、イオンはプラスの電荷を持ち、質量が電子の数百万倍と大きいため、加速後に大きな運動エネルギーを得ることができる。

イオンビーム加工は、運動エネルギーを熱エネルギーに変換して加工物を加工するのではなく、微細な機械的衝撃エネルギーに依存している。イオンビーム加工は、表面エッチング、超清浄洗浄、原子・分子レベルの切断に使用できる。

マイクロ放電加工

マイクロ放電加工は、工具電極と被加工物間のパルス火花放電によって引き起こされる局所的な高温によって、絶縁加工液中の金属を除去します。このプロセスには巨視的な切削力は必要ありません。精密な微小送りと組み合わせた単一パルス放電エネルギーの精密な制御により、極めて微細な金属材料を除去することができます。

マイクロシャフト、穴、狭いスロット、平面、曲面の加工が可能です。ハイエンドの放電加工とワイヤーカットにより、マイクロメートルレベルの加工精度を実現し、3μmのマイクロシャフトと5μmの穴の加工が可能です。

マイクロ電解加工

微量電解加工では、導電性の加工液中で水を水素イオンと水酸イオンに分解する。陽極となる被加工物表面の金属原子は、金属陽イオンとなり電解液中に溶解し、徐々に電解されます。これらは電解液中の水酸基イオンと反応し、金属水酸化物の沈殿物を形成するが、工具の陰極は摩耗しない。

また、加工過程において、工具と被加工物の間に巨視的な切削力が発生することもない。電流密度と電解位置を精密に制御することで、ナノメートルレベルの精密電解加工を実現し、表面に加工応力を発生させない。

微小電解加工は、鏡面研磨、精密薄肉化、ストレスのない加工を必要とする場合によく使用されます。電解加工の用途は幅広く、ブレードや一体型インペラーからケーシング、ディスクリング部品、深い小穴加工にまで及びます。

高精度の金属反射鏡は電解加工で加工できる。現在、電解加工機の最大電流容量は50,000Aに達し、CNC制御やマルチパラメーター適応制御が導入されている。

複合加工

複合加工とは、電解研磨、超音波電解加工、超音波電解研磨、超音波放電、超音波切断など、複数の異なるエネルギーや方法を用い、それぞれの長所を組み合わせた加工技術を指す。

複合加工は単一の加工方法よりも効果的で、応用範囲も広い。