振動援用切削メカニズムの分子動力学解析

背景

超音波振動援用切削のように，振動を援用した延性材料の加工により，加工性および加工品質向上に対する有効性（塑性変形や切削抵抗の低減，切りくず排出の円滑化など）は周知の通りであるが（図1，図2参照），微視的レベルでその加工現象を扱うなどした例はほとんどなく，振動援用加工メカニズムは未解明である．

図1 慣用切削と振動切削の違い

図2 慣用切削と振動切削の違い

目的

・分子動力学解析による振動援用加工における材料除去メカニズムの解明

・最適加工条件の予測

分子動力学解析の概要

工作物をアルミニウム単結晶，工具をダイヤモンド単結晶に想定する．原子間相互作用の記述にはモースポテンシャルを用いる．三次元的な原子間相互作用が考慮できる平面ひずみ問題を扱い，アルミニウムの(111)表面に対応する平面の原子の動きをシミュレーションする．工作物は原子レベルで完全な表面を持っているものとする．ここでは，工具と工作機械との間の剛性は考慮しない．

工具を50m/sの速度で工作物表面から8番目の原子層（Alは2nm）の深さまで押し込んだ後，工作物表面に水平な方向に移動させることにより，切削する．ここでは，切削速度50m/s，振動ありの場合の振幅4nm，周波数4GHzとして検討してみる．

得られた成果

・振動をさせた方が工具の進行方向への原子の移動，すなわち塑性流動が抑えられることが理解できた（図3）．

(a) 振動無付加

(b) 振動付加

図3 振動の有無による加工プロセスの相違

文部科学省科学研究費補助金若手研究(B) H15～16年度 No. 15760074

「マイクロ・ナノマシニングにおける加速度と振動の有効性」（代表清水淳）

現在の状況

・加工速度、加速度、振動による効果を解明

・振動パラメータによる影響を解明

・シミュレーションの３次元化を検討中

参考論文

(1) J.Shimizu, H.Tanaka, L.Zhou, H.Eda: Molecular Dynamics Analysis of Ultra High-Acceleration and Vibration Cutting, Key Engineering Materials, 257-258, (2004.１) pp.21-26

(2) Jun Shimizu, Libo Zhou, Hiroshi Eda: Molecular Dynamics Simulation of Vibration-Assisted Cutting: Influences of Vibration Parameters，International Journal of Manufacturing Technology and Management, 7, 1/2 (2006.5) pp.120-129

(3) Jun Shimizu, Libo Zhou, Hiroshi Eda: Molecular Dynamics Simulation of Vibration-Assisted Cutting: Influences of Vibration, Acceleration and Velocity, International Journal of Nanomanufacturing, 1, 1 (2006.11) pp.105-116