厳しいセラミック材料の加工
超音波加工技術は、製造者が高度なセラミック部品のスループットを向上させるのに役立ちます。
防衛システム用の次世代ミサイル・ドームから、医療産業用ヒップ・インプラント・コンポーネントに至るまで、セラミック材料の機械的特性は、幅広い用途に理想的です。 酸化アルミニウム（アルミナ）および窒化ケイ素のようなセラミック材料は、多くの有益な性質、すなわち、極端な靭性、高温に耐える能力、および化学腐食に対する耐性を有する。 これらの特性などは、優れた耐久性を持つ部品を必要とするデザイナーにとってセラミックを魅力的なものにしています。 残念なことに、これらの同じ特性はまた、適切な技術なしに克服することが困難な製造上の課題を提示する。
ダイヤモンドが含浸された回転切削工具を使用してコンピュータ数値制御（CNC）工作機械でより柔らかい光学ガラスで作られた部品を効果的に製造することができます。 しかし、この方法をセラミックスに適用すると、工具およびワークピースが材料の硬度により大きな力に耐えるので、切削工具ははるかに速い速度で摩耗します。 増加した力を補うために、機械のオペレータは工具のスピンドル速度を上げながら、切削送り速度（工具が部品に移動する速度）を下げなければなりません。 最終的には、サイクルタイムが長くなり効率が低下します。
超音波加工
超音波アシスト加工として知られている技術は、従来のCNC加工に伴う課題を克服するのに役立ちます。 超音波マシニングセンタ*には、費用効果の高いセラミック部品の加工技術が組み込まれています。 超音波加工は、回転工具に上下振動を加えることを含み、これにより、これらの非常に硬い材料をより自由に切断することが可能になる。
振動の振幅は小さく（マイクロメートル）、工具が理想周波数で振動しているときに材料を除去するのに効果的です。 キロヘルツ（kHz）で測定した理想周波数を維持することにより、機械が最高の効率で実行され、予測可能な結果が得られます。
独自のソフトウェア**は、初期セットアップ中に周波数掃引を実行することにより、各ツールの理想発振周波数を決定します。 周波数掃引は、ジョブに使用されているツールのサイズ、形状、質量を分析することにより、最適な周波数（通常は20〜40kHz）を特定します。 理想的な周波数が決定されてサイクルが始まると、超音波加工のピーク性能を維持するために、部品が機械加工されている間に自動的に周波数が調整されます。 周波数のシフトは、工具が部品に接触しているときの加工条件の変化に応じて、数ヘルツから数百ヘルツの範囲であり得る。
硬質セラミック材料の高度な機械加工プロセスは、次のような利点をもたらします。
加工中にワークと工具の力が大幅に減少し、加工速度と切削速度を自由に変更できます
標準の研削盤/フライス盤と比較してサイクル時間が短縮
部品と工具にかかる力が低減された結果、最小の工具摩耗と長い工具寿命
より予測可能な工具寿命による機械加工部品の精度向上
ツーリングコストの削減
スピンドルのスピードを低下させます。
さらに、超音波加工は、標準的なCNC研削/粉砕に比べて表面品質が改善されています。 これは、必要な部品仕様を達成するために後続の研磨プロセスが必要な場合に特に重要です。 パーツの表面形状と粗さがグラインドプロセスの後でより正確になればなるほど、研磨に要する時間は短くなります。
OptiPro Systemsが開発したOptiSonic™シリーズなど。 ** OptiPro Systemsによって開発されたIntelliSonic™。
テストと結果
徹底的なテストでは、超音波加工技術を使用してセラミックス材料の製造効率を高める方法が示されています。 場合によっては、標準的なCNC加工と比較して、サイクル時間が50％以上短縮されました。 最近、異なる切断シナリオにおける超音波加工の能力を評価するために2つの試験が実施された。
第1の試験は、アルミナの超音波加工を含む。 アルミナ系の工業用セラミックスは、純度に応じてグループ分けされています。 高純度アルミナは、より要求の厳しい用途に理想的です.1超音波加工の利点を測定するために、それぞれ直径16mm、深さ50mmの円形ポケットをアルミナに機械加工しました。 直径12.7mmのダイヤモンド工具に超音波援助を加えることによって、スピンドルを1,650mm /分のプログラムされた送り速度で8,511RPMに設定した。 各ポケットは6分30秒のサイクルタイムで完了した。 比較すると、従来のCNCフライス盤を使用してこれらの穴の1つを機械加工するには1時間を要し、過度の摩耗のために各穴の後に工具を交換する必要があった。 超音波加工機に使用されたダイヤモンド工具は、12個の穴を形成した後に摩耗がほとんど見られなかった。
第2の試験は、窒化ケイ素に対する超音波加工の有効性を決定するために行われた。 窒化珪素には独特の結晶粒組織があり、非常に高い靭性を持つだけでなく、非常に高い耐熱衝撃性も有しています2。この試験では、4 mmのダイヤモンドコアドリルでZ軸送りを行い、穴の深さは13mmです。 超音波援助では、コアの穿孔パラメータにはスピンドル速度6,511 RPMと送り速度1 mm / minが含まれていました。 1mm /分の送り速度は小さく見えるが、窒化ケイ素の極度の硬度を考えると理想的である。 これらのパラメータでは、穴を完成するまでの総サイクル時間は標準CNC加工の3倍の15分であった。
拡張された機能
セラミック部品の市場が拡大し続ける中、メーカーに最新の技術が搭載されていることが重要です。 超音波マシニングセンタは、標準的なCNC研削/フライス盤より多くの機能を提供し、さまざまなアプリケーションに最適です。 ダイヤモンド研削工具に超音波振動を加えることで、軽量部品、長いコア、小さな穴、または複雑な幾何学的フィーチャーを必要とする場合でも、効率が向上し、工具寿命が向上します。 超音波マシニングセンタを使用する製造業者は、新しいツールを購入する時間と費用を節約しながら、セラミック部品のスループットを向上させることができます。
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