微細放電加工によるステンレス鋼箔の超微細穴加工 ○在川功一，峠 睦（熊本大学大学院），倉田和浩，渡邉純二（熊本大学工学部） 雪田勝也，木戸満輝（緒方工業株式会社） １． 緒言 表 1 微細放電加工における加工条件 現在，微細放電加工はインクジェットプリンタのノ ズル穴などの高精度微細穴加工を中心に，多くのマイ 被削材 SUS316L,20×20mm,厚さ 123µm クロ加工に利用されてきており，特に最近は小径深穴 電極 W，W+ナノダイヤ 加工の重要性が高まってきている．そこで本研究では， めっき これまで加工が困難であった 10µm 以下の微小径深 コンデンサー容量 Ni-B-W 無電解めっき 穴加工を実現することを目的とし，微細放電加工実験 電圧 50, 80, 110V を行った．被削材は半導体工場の高純度ガス配管に多 電極送り速度 2.0µm/s 用されている高純度オーステナイト系ステンレス鋼 電極送り量 150µm SUS316L であり，精密微小流量用バルブの流量制御 電極回転数 3000rpm 0(浮遊容量), 10, 100, 230pF に用いられるオリフィスの微細穴加工への適用を想 定している． 微細放電加工では，加工の際に起こるアーク放電が 非常に放電期間の短い（数µs から数百µs）パルス状短 アーク放電であることにより，加工点は 7500℃から 10000℃以上の高温下にさらされている．そのため， 穴を連続加工する場合，電極の損耗による加工精度の 低下が問題となっている．そこで，ナノダイヤの高い 伝熱特性に着目し，タングステン電極にナノダイヤを Ni-B-W めっきで析出させ，加工特性を調べた． また，別の試みとして加工液にイオン交換水を用い， 表 2 ナノダイヤ析出めっき実験条件 エッチング（前処理） 10sec めっき液および濃度 Ni-B-W 5% めっき時間 30,60min めっき温度 60±2℃ 触媒付与（パラジウム） 180sec ナノダイヤ 0～500nm, 0.25g/500ml 分散剤 1ml/500ml 攪拌子 弱回転 放電加工において加工油よりも電気伝導率が大きい イオン交換水を使用したときの効果を検討した． ３．実験結果および考察 3.1 ナノダイヤ析出めっき実験の結果 ２．実験条件及び実験方法 図1 はタングステン電極に表2 のめっき条件によっ 試料は縦横 20×20mm，厚さ 123µm の SUS316L ス てナノダイヤ共析めっき（30 分）を行った後の電極 テンレス鋼である．電極には直径 300µm のタングス の状態を表している．このとき，電極は WEDG 法に テンを用い，WEDG 法を用いて任意の直径に成形し よって直径 100µm に成形されており，その上にめっ ている．WEDG 法とは工具電極となるワイヤが連続 き処理を行っているため，ナノダイヤ電極の直径は 的にワイヤガイド上に送られ被加工軸との間に微細 120µm となっている．また，図 2 はナノダイヤの析出 放電を発生させて加工する方法である．これによって， 状態を表した SEM 画像である．このことより，電極 高精度な電極の成形が可能となっている．成形した電 には十分ナノダイヤが析出していることがわかる． 極にはナノダイヤを Ni-B-W めっきで析出させる．表 3.2 ナノダイヤ析出電極による微細穴加工 1 に放電加工の主な加工条件，表 2 にナノダイヤ析出 めっきの条件をそれぞれ示す． 図 1 に示すナノダイヤ析出電極を用い，20 穴連続 加工実験を行った．図 3 は加工後の電極状態であり， 図1 図4 ナノダイヤ析出電極 境界部拡大図 図 2 ナノダイヤ析出状態写真 図5 ナノダイヤ電極加工穴 図3 図6 加工後の電極状態 タングステン電極加工穴 先端から約 100µm の部分のめっきが剥がれてい 30 SEM 画像である．図 4 より，左側にはナノダイヤ 25 析出めっきが残存しており，右側にはタングステ ン素材が現れていることがわかる．図 5 および図 6 にナノダイヤ電極およびタングステン電極でそ 穴径の差[μm] る．図 3 の赤丸で示した部分の拡大図が図 4 の 20 15 10 れぞれ加工を行った出口側の穴の状態を示す．図 5 5 の穴の出口は図 6 の穴の出口に比べ，良好な形 0 ナノダイヤ電極 タングステン電極 0 状となっていることがわかる．図 7 はタングステ 5 10 穴№ 15 20 ン，ナノダイヤ両電極によって加工した穴の入口 穴径と出口穴径の差を表したグラフである．この 図7 両電極の入口，出口穴径の差 グラフより，5 穴目まではタングステン電極に比 べ，ナノダイヤ電極の方が穴径の差が小さくなっ のである．加工時間が短い方が電極が高温下にさ ているが，6 穴目以降はタングステン電極とそれ らされている時間が短くなるため，電極の磨耗を ほど差が無いことがわかる．これは図 3 および図 抑制できるのではないかと考え，現在研究を進め 4 で示したように，放電加工の進行に伴ってナノ ている． ダイヤ共析めっきがはく離，脱落したためと考え られる．また，電極磨耗量もタングステン電極が 表3 各条件での 10 穴連続加工時間の比較 約 300µm であったのに対し，ナノダイヤ電極は約 素材電極＋加工油 45min 350µm であった．このことより，ナノダイヤ電極 ナノダイヤ電極＋加工油 50min では，穴の精度に関しては従来のタングステン電 素材電極＋イオン交換水 15min 極に比べ良好になったものの，電極磨耗に関して の改善は認められなかった． 3.3 イオン交換水を用いた微細穴加工 ４．結言 ナノダイヤ電極では穴精度の改善は見られた 現在，別の試みとして行っているイオン交換水 ものの，磨耗に関しては改善されなかった．今後 を用いた微細穴加工について簡単に述べる．現在 はイオン交換水の実験と平行して引き続き実験 行っている実験からイオン交換水を加工油の変 を行っていく． わりに用いる場合，加工油での加工時間に比べ， ［問い合わせ先］ イオン交換水の加工時間の方が短くなることが わかった．表 3 はその加工時間の比較を表したも 熊本大学大学院 在川功一 TEL：096-342-3743，FAX：096-342-3734 E-mail：[email protected]
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