無酸素銅クラス1とその精密機械加工 高田 晃*、酒井 修二**、木村 久司**、中原 具隆** (*日立伸材株式会社、**日立電線株式会社) 1. 緒言 無酸素銅は導電性・耐水素脆性・加工性に優れ、電子 管・粒子加速器などの高真空機器用材料として使用され ている。このような用途に使用される電子管用無酸素銅 はASTM規格で金属組織の健全性からクラス1∼5に分 類されている。日立電線では、独自技術である真空脱ガ ス方式を用いて無酸素銅クラス1の量産に成功してい る。この無酸素銅の製造技術に加えて、日立電線グルー プは基盤技術として、塑性加工、機械加工技術を有する。 本報告では、無酸素業クラス1の製造方法と特性に加 えて、機械加工部門の能力、精度の向上に対する最近 の取組について報告する。 2. 無酸素銅クラス1の製造方法と特性 2.1 真空脱ガス方式 図1に真空脱ガス装置を備えた全連続無酸素銅溶解鋳 造設備を示す。真空脱ガス装置とは、保持炉上に設置し た真空脱ガス槽と真空ポンプにより脱ガスを行う装置 である。脱ガス槽内の到達真空度と残留水素濃度、脱ガ ス時間、電磁攪拌等の検討を加えることによりASTM規格 を満足する無酸素銅クラス1の量産化に成功している。 2.2日立無酸素銅クラス1の諸特性 図2は、ASTM-F68規格における無酸素銅の結晶組織判 定チャートを示す。結晶組織中のミクロポロシティが少 ないほど健全であり、クラス1は最も健全なクラスであ る。 図3は、無酸素銅鋳塊の水素濃度を真空脱ガス処理有 無の比較において示したものである。脱ガス処理を行っ たものの水素濃度は0.3−0.4 PPMである。これに対 し脱ガス処理を行わなかったものの水素濃度は、0.35− 0.7 PPMと高くばらつきも大きい。経験的に水素濃度 が0.6 PPMを超える無酸素銅の金属組織は残留ガス によるミクロポロシティが著しく真空用途には適さな い。以上より真空脱ガス処理を行った無酸素銅は真空用 途に充分耐えうるものと判断できる。 表1は無酸素銅クラス1の化学成分分析例を示すが、 ASTM-F68の無酸素銅の規格を充分に満足している。無酸 素銅クラス1の気体昇温脱離特性を、クラス3及びアル ミニウムと比較したものが図4である。水素、一酸化炭 素、二酸化炭素いずれにおいても、ガス成分脱離が最も 少ないのが無酸素銅クラス1、次いでクラス3、アルミ ニウムとなった。 3.無酸素銅機械加工製品 日立電線の機械加工部門である日立伸材では電子管 用製品・加速器用空洞品等の無酸素銅の機械加工品(図 5)を製造している。最近では薄膜製造設備のヒートシン クであるバッキングプレート(図6)が大幅な売上の伸び を示している。バッキングプレートは冷却能力を向上さ せるため内部に水路(図6)を有している。水路は、切削 によって設けた溝の上に蓋を溶接することによって形 成する。溶接は、当社独自技術である摩擦攪拌接合(図 7)によって行っている。摩擦攪拌接合は、回転ツールを 接合部に押しつけ、被接合金属どうしを塑性流動させる ことにより接合する。金属組織が塑性流動組織であるこ とから、図7に示すように摩擦攪拌接合部の機械的特性 は母材と遜色なく、電子ビーム溶接に比較して優れてい る。また溶接後の反りも小さく、機械加工による反りの 除去、矯正による反り直し等の後処理を大幅に省くこと が可能である。 4.機械加工部門の今後の方向 4.1 機械加工部門の現状の取組 パッキングプレート、加速器用空洞を中心に供給能力 及び精度の向上に対する顧客からの要求が強くなって きている。これに応えるべく機械加工部門では各種の取 組を行っている。無酸素銅の機械加工の特徴として次の ようなものがある。 ①膨張係数、熱伝導率ともに大きいため、加工中の熱に よる寸法変化が大きい。 ②弾性係数が小さいため、ハンドリングによる寸法変化 が大きい。 熱による寸法変化に対しては、加工室内の空調化、水溶 性切削油の適用、切削抵抗低減対策等各種の温度変化抑 制対策を行っている。ハンドリングによる寸法変化に対 しては、治具の改善による歪抑制等の対策を行っている。 また昨年末より大幅な寸法精度向上及び能力向上を 狙って、さらに空調範囲を広げるとともに強力重切削 CNC旋盤(以下「新設CNC旋盤」と称す。)及び5軸複合マ シニングセンター(以下「新設複合加工機」と称す。)を 導入した。それぞれについて以下に説明する。 4.2 新設CNC旋盤による加工能力向上 本旋盤の基本仕様は表2に示すとおりであり、特徴は 次の通りである。 ①設備剛性が高いため大型ワークの連続重切削が可能 であると同時に加工精度が向上する。 ②芯間が2000mm以上あるため長尺ワークにも対応可能 である。 ③ターニングセンター仕様のため工程を省略ができ、か つ再セッティングによる加工誤差を小さくできる。 表2 強力重切削CNC旋盤基本仕様 指定ない単位:mm X軸移動量 345 最大加工径 φ650 Z軸移動量 2100 標準加工径 φ374 主軸回転数 2400rpm 最大加工長 2063 工具回転数 3000rpm 工具ホルダ 12本 加速器用空洞部品でテスト加工を行った結果は以下の ようになった。従来の加工工程は、 ①ブランク加工→②粗加工(一次)→③粗加工(二次) →④ザグリ穴加工→⑤横穴加工→⑥仕上加工(一次) →⑦仕上加工(二次) の7工程を要していた。今回のテスト加工では、②∼⑥ の工程を新設CNC旋盤の1工程で加工することにより3 工程に短縮し、時間的にも大幅な短縮を図ることができ た。 4.3 新設複合加工機による加工能力向上 基本仕様は表3、基本構成は図8に示すとおりである。 表3 新設複合加工機の基本仕様 指定ない単位:mm X軸移動量 600 最大ワーク φ400×400 Y軸移動量 425 最大重量 200kg Z軸移動量 450 ATC工具数 36本 主軸回転数 12000rpm 新設複合加工機の特徴は次の通りである。 ①5軸ミーリング加工に加えて旋削加工ができる。 ②複雑形状の加工が高効率にできる。 ③工程省略によるリードタイムの短縮が図れる。 ④再セッティングによる加工誤差が極めて少ない。 ⑤高剛性であるため加工精度が向上する。 以上をまとめると高付加価値でロットが中規模以下の 製品に適した複合加工機という位置づけとなる。 丸型バッキングプレートでテスト加工を行った結果 を以下に報告する。従来の加工工程では、 ①板抜き→②ブランク→③水路加工 の3工程を要していたが、テスト加工では②③を1工程 で加工することにより、時間的にも大幅な短縮を図るこ とができた。 4.4 新設CNC旋盤・複合加工機の加工精度向上 新規に導入した2台の設備は高い設備剛性による精度 の向上をうたっている。テストカットによって精度の確 認を行った結果を以下に報告する。テストカットは無酸 素銅を外径φ200の板に加工し、三次元測定器により外 径及び平坦度を測定した。結果は図9の通りであり、外 径、平坦度ともに2−3倍の精度向上を確認した。 5.まとめ ①日立電線では、無酸素銅の全連続溶解鋳造設備に真空 脱ガス装置を導入し、ASTM-F68に規定される最高品質 の無酸素銅クラス1の量産を行っている。 ②同時に基盤技術として塑性加工・機械加工を持ってお り、これまで加速器用空洞・導波管・電子管用製品・ スパッタリング゙装置用バッキングプレートの製造実 績がある。 ③機械加工部門としての日立伸材は、今後高精度化・高 効率化の方向に進むべく、強力重切削CNC旋盤・5軸複 合マシニングセンターの導入をはじめとした各種施策 を実施中である。 文献 (1)山本佳紀、「粒子加速器用無酸素銅(ASTM-F68)の 諸特性」第2回高エネ研・メカワークショップ報告集 (2)小野純夫、「無酸素銅の摩擦攪拌接合」第 3 回高エ ネ研・メカワークショップ報告集 図1 図2 ASTM-F68 における無酸素銅の結晶組織判定チャート 図3 表1 図4 電子管用製品 線形加速器用空洞品 加速管用モニターブロック 電子管(完成品) シンクロトロン用空洞品 真空ガスケット 図5 無酸素銅の機械加工品 内部水路断面 用途:液晶・ディスク等の 薄膜製造設備の部品 角型バッキングプレート 用途:CD、DVD等のメディア用 薄膜製造設備 丸型バッキングプレート 図6 スパッタリング装置用 無酸素銅バッキングプレート 機械的性質 溶接後反り 図7 摩擦攪拌接合(FSW) Y425 X6 00 Z450 B A 図8 5軸複合マシニングセンターの基本構成 テストカット結果(外径) 199.830 外径(mm) 199.820 199.810 199.800 199.790 199.780 199.770 既設CNC旋盤 SL-403B旋盤 スーパーミラー400 テストカット結果(平坦度) 平坦度(mm) 0.070 0.060 0.050 0.040 0.030 0.020 0.010 0.000 既設CNC旋盤 SL-403B旋盤 スーパーミラー400 図9 新設CNC旋盤・複合加工機の テストカット結果(精度)
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