0.1ミクロン！超精密加工ツールはこちら

マンドレルマルチセンサーその場測定。写真提供：国立防衛工科大学

超精密工作機械の基本部品の加工・応用技術のブレークスルーは、製造業の存続と発展を強力に技術的に支えます。しかし、それ以前は、我が国は超精密工作機械とその主要な基礎部品を主に輸入に頼っていました。

国内外のシャフト部品の円筒部分を丸く加工する場合、基本的には超精密円筒研削盤に頼って作業を行っています。直径100mm、長さ300mmの軸芯を例に分析すると、我が国で使用されている円筒研削盤ではおそらく1ミクロンから2ミクロンの範囲の研削精度レベルが達成できると考えられます。

一方、海外で使用されている同様の装置による研削効果は、0.3 ミクロンから 0.5 ミクロンというより高い基準に達することができます。

工作機械や主要コンポーネントの技術的問題を解決するため、国立国防技術大学のダイ・イーファン教授と彼のチームは、一定の外周円を持つシャフト部品の形状を変更するプロセス技術を5年かけて開発した。これにより、軸芯加工の真円精度は0.1ミクロンまで可能となります。また、超精密空気静圧スピンドルの開発にも成功しました。

最近、中華人民共和国の中国計量研究所によるテストの結果、この静圧スピンドルに関連するパラメータは国際的に先進的なレベルに達しました。この問題は、我が国の超精密加工精度のレベルを効果的に向上させることができます。

関連する研究成果は「マテリアルズ」誌に順次掲載され、同時に「マイクロマシナリー」誌にも掲載されました。

超精密部品をシャベルのように研削します

私の国の超精密工作機械と主要な基本部品は、以前は主に輸入されていました。その理由は、最大の技術的問題は、コア部品を加工できる機械が不足していることです。このような機械を「作業機械」といいます。

端的に言えば、他の機械や機械を作る機械です。工作機械とも呼ばれます。たとえば、旋盤、研削盤、プレーナー、ボール盤などはすべてこのカテゴリに分類されます。さまざまな道具を作るための道具であり、産業を強化するための基本的な基盤です。

一般的な機械加工のプロセスは、実際には工作機械の精度を部品に「コピー」した結果です。つまり、精度の高い工作機械の条件が整わなければ、精度の高い部品を加工することはできません。

これらの高精度部品の存在がなければ、機械そのものはもちろん、高精度の部品や工作機械を組み立てることもできません。高精度部品を製造するための工作機械などの設備の整備が整わなければ、超精密工作機械業界全体の発展が制約されてしまいます。

Dai Yifan 氏のチームは、最新の光学製造技術の分野で研究開発活動を行っています。すると、実は最終的な光学部品の精度が、加工装置そのものの精度をはるかに超えているという事態が判明したのです。少しわかりにくいですが、機器の精度はそこまで高くありませんが、部品の精度は非常に高いということです。光学製造の基本原理は何ですか?

このようにして、高いエラーポイントを段階的に削除します。これを精密進化処理と呼びます。そういうことなのです。それが真実です。研究チームは現在、精度進化の原理を機械加工分野の高度精密加工に応用しようとしている。

これを行った後、彼らは最終的に処理の基礎となるロジックを変更し、特にシャフト部品の表面の真円度を対象とした一連の決定的修正プロセス技術を開発しました。この技術のおかげで、これまで精度を制限していたいわゆる作業機械条件の壁が完全に取り払われました。

決定論的成形プロセスはどのように機能するのでしょうか? Dai Yifan 氏は、シャベルを使って地面を滑らかにするようなものだと例えました。つまり、凸面の土をかき出し、地面が特に滑らかになるまで何度も繰り返します。

さらに同氏は、円筒形状を得る高精度真円度計、材料の除去量をデジタル制御できる時間制御研削盤、特定の空間位置での研削工具の滞留時間を取得する専用のコンピュータープログラムなど、一連のデジタル機器によって実現されたと指摘した。

機械が経験豊富な労働者に取って代わる

Dai Yifan のチームは、新技術を使用して、精度進化の原理に基づいた時間制御研削加工技術を突破しました。この技術により、円筒部品の現場での加工と検査を統合したプロセス手法を確立し、最終的に超精密気力静圧スピンドルの開発に成功しました。

中国計量研究所が実施した関連試験によると、空気静圧スピンドルの半径方向振れ値は 15 ナノメートル未満、端面振れデータも 15 ナノメートル未満であることが結果からわかりました。このジャンプの具体的な概念は、人間の髪の毛の直径の 6,000 分の 1 に相当します。したがって、地球と同じ大きさの主軸があると仮定すると、回転運動によって生じる振幅範囲は 1 メートルを超えません。

テスト結果はそこにあります。空気静圧スピンドルの半径方向の静的剛性は 200 N/ミクロンを超え、軸方向の静的剛性も 200 N/ミクロンを超えます。

これは、今日の人々が理解できる言葉で言えば、スピンドルが 20 キログラムの重力負荷に耐えることができ、この条件下では、スピンドルはまったく動かず、動かないことを意味します。その変形は間違いなく1ミクロンを超えません。この1ミクロンって何ですか？それは人間の髪の毛の直径の1パーセントです。

米国の超精密分野で最高レベルを代表する同社の製品マニュアルに注目してみると、上に挙げた技術指標は上記の指標と全く同じであり、当社の方が少しでも高いことが分かります。要するに、それだけです。

現在、国内外でシャフト部品の外周の真円度をコンマ数ミクロンレベルまで加工・研磨することが可能です。精度を向上させたい場合は、基本的には手動の研削とトリミングに頼ることができます。 「私たちのような新技術は、非常に経験豊富なマスターワーカーに依存するという問題を取り除くことができます。それは、現代の工業化モデルに従って比較的簡単な状態で生産を組織することができます。そして、それらの超精密基本コンポーネントの高効率大量生産とその後の広範な応用を促進します。」

戴宜凡氏は、超精密工作機械の基本部品の加工・応用技術における画期的な進歩は、製造業の存続と発展に強力な技術的サポートを提供すると述べた。これにより、ハイエンド工作機械産業チェーンのサポート業務が改善されます。これにより、高性能機能コンポーネントの競争力が大幅に向上します。これにより、ハイエンド精密工作機械や超精密工作機械の国産化を推進できます。

さらに、Dai Yifan 氏は、これらの重要な技術的進歩は、超精密加工作業中の検出と誘導において主要コンポーネントが直面する問題の解決にも効果的な役割を果たすだろうと付け加えました。特に、超精密機器やコアプロセスの問題解決に役立ちます。これにより、ハイエンドのコア部品が超精密機械加工の量産というタスクを完了し、最終的には科学研究結果の急速な変革という目標を達成することができます。

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