What is advanced machining processes?

機械・知能系５セメ
5th semester
平成23年機械・知能系５セメスター
そうせいがく
創成学
Creation and Production
6. 除去加工特殊加工
Removal processing: advanced processes
主な材料加工法 Manufacturing processes
成形加工
Forming processes
鋳造 Casting
除去加工
Removal processing
切削加工 Cutting
付加加工
Joining processes
接合・溶接
Bonding and welding
塑性加工 Plastic forming
粉末・射出成形
Powder processing
Injection molding
研削加工 Grinding
表面改質・処理
特殊加工
Advanced processes
Surface treatment,
modification
めっき、蒸着
特殊加工とは？ What is advanced machining processes?
従来の機械的加工技術（切削、研削、塑性加工）に対し、まったく
新しい加工原理による新しい加工技術の総称。
The processes based on non-mechanical means of material removal.
特徴 Characteristics
①機械的エネルギーに加え、(
) を利用した加工法。
In addition to mechanical energy, (
) are used in advanced machining processes.
②従来の加工技術では加工困難な(
) が可能。
Ability to machine materials having (
).
特殊加工の分類 Classification of advanced machining
加工機構
Mechanism
従来の加工法
Conventional
machining
特殊加工
Advanced machining
機械的エネルギー切削加工
Mechanical energy Cutting
研削加工
Grinding
ラッピング
Lapping
超音波加工
Ultrasonic machining
ウォータージェット加工
Water-jet machining
噴射加工
Abrasive-jet machining
熱エネルギー
Thermal energy
放電加工 Electro-discharge
machining
電子ビーム加工
Electron-beam machining
レーザー加工
Laser-beam machining
化学作用
Chemical action
微細加工
Micro-fabrication
イオンビーム加工
Ion-beam machining
スパッタリング
Sputtering
ドライエッチング
Dry etching
ウェットエッチング
Wet etching
電解加工Electrochemical
machining
超音波加工 Ultrasonic machining
工具（ホーン）に(
) を与え、工具と
工作物の間に(
) を入
れて、軽い圧力で加工する。
The tip of the tool vibrates (
).
Material is removed from a surface by microchipping
and erosion with (
).
Amplitude
特長 Advantages：
(1) (
ホーン：軟鋼、黄銅等
Horn : mild steel, brass
工具
Tool
) の加工が容易
Best suited for materials that are (
).
(2) 複雑な断面形状の穴の加工が可能。
Suited for machining a complex crosssectional shape hole
Transducer
工作物
Workpiece
工具
Tool
工作物
Workpiece
JSMEテキストシリーズ加工学Ⅰ-除去加工-，丸善（株），2006
噴射加工 Abrasive-jet machining
●研磨材を不活性ガスに乗せて噴射し、工作物に衝突させ、(
)
により1) 硬脆材料の穴あけ、複雑形状創成、 2) バリ取り、
3) 酸化膜等の除去などを行う加工。
A high-velocity jet of dry air, nitrogen, or carbon dioxide containing abrasive
particles is aimed at the workpiece surface to preform operations such as
1)cutting small holes, slotsl or intricate patterns in very hard or brittle materials,
2)deburring, 3) removing oxides and other surface films, etc.
ウォータージェット加工 Water-jet machining
●小口径（1mm以下）のノズルから噴射する(
)によって加工物が除去される。プラスチック、紙、布、ゴム、皮革、
ガラス、木材などの穴あけ、溝加工に用いられる。
(
) sprayed from jet-nozzle (diameter: less then 1mm) acts like a saw
and cuts a narrow groove in the material including plastics, fabrics, rubber, wood
products, paper, and leather. A pressure level of about (
) is generally used.
Nozzle
Water jet
銅 Copper
エポキシ Epoxy
コルク Cork
ウレタン・スポンジ
Urethane, sponge
電解加工 Electrochemical machining
●(
)を利用し、わずかずつ加工物を取り除く加工方法。
Material is removed from a surface by the high rate of (
).
。
ダイヤモンド砥石
Diamond grinding
wheel
ダイヤモンド砥粒
Diamond particle
陰極：電極工具
Cathode: tool
陽極：工作物
Anode: workpiece
工作物
Workpiece
工作物(+)
Workpiece
（＋）
陽極被膜
Anode
（ー）
電解液
Solution
(casode)
電解液
Electrolyte solution
放電加工 Electrical-discharge Machining (EDM)
●工具（黄銅、鋼、グラファイトなど）と工作物との間に(
を起こして、工作物を飛散させる。
Material is removed from a workpiece surface by the erosion caused by
(
) between tool-workpiece gap.
特徴 Advantages：
①セラミックス、超硬合金の加工も容易 Ability to machine ceramics and carbides
②(
)
③加工変質層が薄い Thin affected layer
④加工の方向性が少ない。Less anisotropy of machining
)
ワイヤー放電加工 Wire EDM
電子ビーム加工 Electron-beam machining
●高真空中(10-4～10-6 Torr)で加熱されたW（タングステン）陰極から出た (
) させ、局部的に高温にして、加工する。
The energy source in electron-beam machining is high-velocity electrons,
which strike the workpiece surface and generate heat.
特徴 Characteristics：
(1) 加工中の汚染が少ない
（真空中のため）
Less contamination
(2) 硬質材料の精密加工が可能
High precision processing
(3)
●穴あけ加工 Hole making
金属、石英ガラス、サファイア、ダイヤモンド
Metals, Silica glass, sapphire, diamond
(4) 高真空が必要
Vacuum chambers have limit capacity
(5) X線が照射される
Hazardous X-rays is produced.
レーザ加工 Laser-beam machining
強い指向性・高エネルギーの(
)
する。
A laser (an acronym for light amplification by stimulated emission of radiation) focuses optical energy
on the surface of the workpiece. The highly focused, high-density energy source
melts and evaporates portions of the workpiece.
Discharge electrode
Assist gas
アシストガス
Assist gas
Assist gas
アシストガス
アシストガス
Laser gas
Mirror
Assist gas
熱伝導
Heat
transfer
溶融層
Melting layer
レーザ光の吸収
溶融層の形成
Absorption of laser energy
Formation of melting layer
温度の上昇
加工穴
Hole
溶融層の蒸発 vaporization
アシストガスによる飛散
Scattering by assist gas
Lens
Temperature rise
●熱伝導率が大きいと、十分に加熱されないことがある。
Insufficient heating ← too high heat conductivity
●レーザパワー密度（レーザパワー/照射面積）を調整、表面温度を制御できる。
Laser power density (laser power/irradiation are) can be controlled.
微細加工技術
Micro-manufacturing
Applications
Aircraft
Automobile
Machinery gears
100 mm
Gear for
MEMS
Features in
integrated
circuit
100 nm
Micro-manufacturing
Integrated
circuit
package
微細加工技術
Micro-manufacturing
バイトや砥石、研磨剤の代わりに(
)
を利用する。
(
) are used as tools instead of cutting tool, grinding
wheel, and abrasives.
e
原子
e
ｴﾈﾙｷﾞ
固体
Solid body
(
ｴﾈﾙｷﾞ
液体
Aqueous fluid
ｴﾈﾙｷﾞ
e
e
気体
Gaseous matter
)させた状態。電子、イオン等からなる。
A plasma is a distinct state of matter containing a significant number of (
) , a number sufficient to affect its electrical properties and behavior.
プラズマの作り方 How to produce plasma
(1) 大気圧の1万分の一ぐらいの圧力（
）にする
Vacuate the chamber up to 10-2 Pa (
)
(2) 高い電界をかけると、電子が加速して、ガス分子に衝突する。
Electric field is impressed to accelerate electrons and they collide gas molecules.
(3) エネルギーを持った中性粒子や、イオンが作られる＝プラズマ
Plasma (high energy neutral particles and ions) is produced.
ガス分子
gas molecules
電子 electron
e
電子 electron
高エネルギー中性粒子
High energy neutral particles
正イオン Positive ion
e
負イオン Negative ion
マスク mask
マスク
mask
プラズマ
Plasma
物理的／化学的エッチング Physical/chemical etching
(1) プラズマ中のイオンを電界で加速させる。
Ions in plasma are accelerated with impressed
electric field
(2) 材料に当てて(
)する。
Materials are removed by (
).
イオン
Ion
(1) プラズマ中の高エネルギー中性粒子が
表面に付着。
High energy neutral particles contact with
the surface of material
(2) (
)
して表面から離脱する。
Materials are detached from the surface by
(
)
電界 Electric field
イオン
Ions
マスク
Mask
マスク
Mask
●
●
電界 Electric field
●
シリコンのエッチング Silicon etching
シリコン（基板材料、電極材料として使用される）をエッチングし、シリコン酸化膜
上でエッチングを停止させる。
Etch silicon, used for substrate or electrode materials, and stop etching on silicon oxide layer.
Cl+
Cl
Cl+
SiClx
Cl+
マスク
Mask
Cl Cl Cl Cl
シリコン Silicon
Cl Cl Cl Cl
シリコン酸化膜 SiO2 layer
Si-Si binding energy : < 2eV
Si-O biding energy : > 9eV
J. Vac. Sci. Technol. B18, pp. 2495, 2000
Cl+のｴﾈﾙｷﾞｰを低くしておけば、Siだけエッ
チングされる。Only Si is etched when energy
of Cl+ is between 2 and 9 eV.
本日のまとめ Today’s summary
●特殊加工 advanced processes：
従来の機械的加工技術（切削、研削、塑性加工）に対し、まったく
新しい加工原理による新しい加工技術の総称。
The processes based on non-mechanical means of material removal.
◆機械的エネルギーに加え、熱エネルギー、化学的作用、電気・光エネルギー
を利用した加工法。
In addition to mechanical energy, thermal energy, chemical action, electric/optical
energy are used in advanced machining processes.
◆従来の加工技術では加工困難な難加工材料の加工および難加工形状の加工が
可能。
Ability to machine materials having high strength, high hardness, too brittle
materials, too flexible materials, and complex shape.
＜主な特殊加工方法＞
超音波加工、ウォータージェット加工、噴射加工、放電加工、電子ビーム加工、
レーザー加工、微細加工技術（スパッタリング、イオンミリング、RIE）

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