JP2015526306A - 微粒子ナイフ及び当該微粒子ナイフを用いた切削装置 - Google Patents

Abstract

本発明はナイフ本体とナイフヘッドとを備え、ナイフヘッドは外側に突出するようにナイフ本体の外表面に設けられ、ナイフヘッドの幾何サイズは10nm〜1mmである微粒子ナイフを開示している。本発明はさらに、前記微粒子ナイフ、切削作業台、マイクロジェットノズル、および液圧装置を備え、そのうち、マイクロジェットノズルには噴射室が設けられ、噴射室の底部には噴射口が設置され、当該噴射口では環状流が形成され、微粒子ナイフは環状流により捕集される切削装置を開示している。本発明に係る微粒子ナイフのナイフヘッドの刃先は極めて細く、マイクロメートルレベルまたはナノメートルレベルに達しているため、ナノメートルレベルの切削加工を実現することができる。微粒子ナイフは従来の刃具のように工作機械の主軸に取り付けて主軸の回転により駆動される必要がないため、微粒子ナイフを用いた切削装置は主軸が不要で、構造が簡単である。

Description

本発明はマイクロ切削に用いる工具/装置に関し、特にマイクロ切削加工に用いる微粒子ナイフ、及び、当該微粒子ナイフを用いて加工を行う切削装置に関する。

社会の発展に伴い、工業製品の小型化が高品質の重要な特徴となっており、製品の小型化への転換を実現するポイントはマイクロ部品加工技術のレベル向上にある。

目下、多様なマイクロ部品加工技術において、マイクロ切削は重要な手段の一つとなっている。マイクロ切削は主にマイクロターニング、マイクロミーリングとマイクロ特殊加工等を含む。中でも、マイクロ構造製造と材料除去加工において、マイクロミーリングは、非常に高い潜在的発展力を示しており、シリコンマイクロ構造法の加工材料が単一で、複雑な3次元マイクロ部品を加工できないという欠点を克服しただけではなく、加工材料の範囲を広め、金属、合金、複合材料、セラミック、ガラス、シリコン等の多様な材料の小型構造部品に対しマイクロ加工を実現する有効な手段となっており、特に、特徴サイズが０．０１μｍ〜1mmの精密マイクロ部品に対する加工についてより大きな優位性を持っている。しかし、マイクロミーリング加工において、切削層厚さが数マイクロメートルからサブミクロンレベルに達する時、マイクロミーリングカッターの刃先は非常に大きな応力作用を受け、単位面積あたり非常に大きな熱量が発生し、刃先の温度が局所的に極めて高くなるため、マイクロミーリングに使用されるフライスに対する要求は極めて高い。

現在、アメリカ、ドイツ、日本等の国は一連のマイクロミーリングカッターを開発しており、これらのマイクロミーリングカッターは、伝統的なミーリングカッターに対し、全体サイズ又は局部の特徴サイズを単純に縮小しただけでなく、マイクロミーリングの特徴と加工原理とに合わせられた一種の特殊な切削工具である。例えば、日本東京電気通信大学は、研磨法により単結晶ダイヤモンドを用いて直径がφ０．２ｍｍのマイクロミーリングカッターを作り出した。また、ドイツのカールスルーエ大学は、イオンビームスパッタリングおよびレーザビーム成形法により、硬質合金工具を用いて直径がφ１００μｍのマイクロミーリングカッターを作り出した。さらに、米国サンディア国立研究所と米国ルイジアナ工科大学が、M42高速度鋼およびC2硬質合金材料を用い、イオンビームスパッタ法により得たマイクロミーリングカッターの直径は、φ２５μｍに達することができる。しかし、マイクロミーリングカッターは依然として加工工程が複雑で、製造コストが高く、製品数が少なく、使用条件に対する要求が厳しく、使用寿命が制限を受けている等の問題が存在し、根本的にマイクロ切削の刃具に対する要求を満たすことができない。

他方、マイクロ切削は迅速且つ低コストのマイクロ部品機械加工法で、加工材料の制限を受けず、部品の加工品質（例えば、精度、表面粗さ等）は加工機械の性能（例えば、加工精度、動的特性等）と密接に関連している。工作機械の性能は主に主軸、作業台、および制御システムと関連しており、マイクロ切削で使用される刃具の直径は非常に小さく、加工効率を向上させるため、マイクロ切削加工機械における主軸の回転速度は非常に速い。

トルクの要求を満たすため、従来のマイクロ切削装置では、通常、電気主軸と混合角接触のベアリングを採用しており、このようなベアリングは摩擦熱により熱膨張を起こし、通常、最高回転速度が6万rpmを上回らない。回転速度がより高い時には、エアベアリングを採用すべきであるが、エアベアリングが提供するトルクはやや小さく、目下、エアベアリングによる主軸の最高回転速度を20万rpmに達せさせることができる。やや高い切削速度を得るためには、主軸のテーパー角と高速切削ヒルト（柄）のテーパー角とは一致する。マイクロ切削用精密工作機械の作業台は、通常、リニアモーターにより駆動されるが、例えばボールネジによる通常の駆動に比べ、リニアモーター駆動システムは、摩擦および電磁カップリングにより生じる累積誤差がなく、磨耗による精度損失もなく、隙間が存在せず、比較的大きな加速度を提供することができ、リニアモーター駆動システムの精度を±１μｍに達せさせることができる。マイクロ切削用精密工作機械は。剛度に優れ、振動が小さいが、多くは各種のセンサーとアクチュエータを備えており、周囲環境に対する制御要求が厳しいため、マイクロ部品の加工コストが比較的高くなっている。

上述したように、現在マイクロ加工に使用される切削装置は構造が複雑すぎる、又は、生産、製造のコストが高すぎる上、操作時の環境に対する要求が比較的高いため、組立と調節が何れもあまり容易でなく、大規模生産の要求を満たすことができない。

本発明が解決しようとする第一の技術問題は、上述した現有技術の現状を鑑み、マイクロ切削加工に用いることができる、構造が簡単で加工し易い微粒子ナイフを提供することにある。

本発明が解決しようとする第二の技術問題は、上述した現有技術の現状に鑑み、全体構造が簡単で、製造コストが低く、操作を実現し易い切削装置を提供することにある。

発明を解決するための手段

上述した第一の技術問題を解消するため、本発明が採用した技術案は以下の通りである。微粒子ナイフであって、前記微粒子ナイフはナイフ本体とナイフヘッドとを備え、前記ナイフヘッドは外側に突出するように前記ナイフ本体の外表面に設けられ、前記ナイフヘッドの幾何サイズは10nm〜1mmであることを特徴としている。

好ましくは、前記ナイフヘッドは凸状の尖形状に設計され、ナイフ本体の外表面には前記ナイフヘッドを一つだけ設けることができる。前記ナイフ本体は規則的な立体幾何形状の構造、例えば球状又は楕円形等であってもよく、非規則的な任意形状であってもよい。

切削効率を向上させるために、さらに好ましくは、前記ナイフヘッドは凸状の尖形状に設計され、前記ナイフ本体の外表面には間隔をあけて分布された複数の前記ナイフヘッドを設けることができる。

ナイフヘッドが下向きの状態を維持し、ナイフヘッドが一貫して切削加工面と接触するため、好ましくは、前記ナイフ本体内には前記ナイフヘッドを終始下向きに偏向させるカウンタウェイトブロックが設けられる。

上述した第二の技術問題を解消するため、本発明が採用した技術案は以下の通りである。切削装置であって、当該切削装置は微粒子ナイフ、切削作業台、当該作業台の上方に位置するマイクロジェットノズル、および前記マイクロジェットノズルに噴射液を供給する液圧装置を備え、その内、前記切削作業台と前記マイクロジェットノズルとの間では相対的な直線移動が行われ、前記微粒子ナイフはナイフ本体およびナイフヘッドを備え、前記ナイフヘッドは外側に突出するようにナイフ本体の外表面に設けられ、前記ナイフヘッドの幾何サイズは10nm〜1mmで、前記ナイフ本体内には前記ナイフ本体にあるナイフヘッドを終始下向きに偏向させるカウンタウェイトブロックが設けられ、前記マイクロジェットノズルには前記液圧装置の出液管路に連結可能な噴射室が設けられ、前記噴射室の底部には噴射口が設置され、当該噴射口では環状流が形成され、前記微粒子ナイフは当該環状流により捕集され、また、前記微粒子ナイフの外径は前記環状流の内径に対応する。

好ましくは、前記切削作業台は直線移動を行うように設置することができ、前記マイクロジェットノズルは固定して動かないように設置される。

さらに好ましくは、前記作業台は固定して動かないように設置することができ、前記マイクロジェットノズルは直線移動を行うように設置される。

さらに好ましくは、前記切削作業台とマイクロジェットノズルとは同時に相反方向に沿って直線移動を行うように設置することができる。

安定的な環状流を形成すると同時に、加工および組立を容易にするため、好ましくは、前記マイクロジェットノズルはノズルベースとスプレーヘッドとを含み、前記ノズルベースには軸方向に沿って貫通する貫通孔が設けられ、前記スプレーヘッドは前記ノズルベースの底部に連結され、前記スプレーヘッドには前記貫通孔に対応する位置に周方向に沿ってリング状に分布された複数の噴射小孔が設けられ、当該複数の噴射小孔が前記噴射口を形成する。

さらに好ましい方案として、本発明の切削装置はさらに以下の構造を採用することで実現することができる。微粒子ナイフ、切削作業台、当該作業台の上方に位置するマイクロジェットノズル、およびマイクロジェットノズルに噴射液を供給する液圧装置を備えた切削装置であって、その内、前記切削作業台と前記マイクロジェットノズルとの間では相対的な直線移動が行われ、前記微粒子ナイフはナイフ本体およびナイフヘッドを備え、前記ナイフヘッドは外側に突出するようにナイフ本体の外表面に設けられ、前記ナイフヘッドの幾何サイズは10nm〜1mmで、前記マイクロジェットノズルには前記液圧装置の出液管路に連結可能な噴射室が設けられ、前記噴射室の底部には噴射口が設置され、当該噴射口では環状流が形成され、前記環状流の内径は微粒子ナイフの外径に対応すると同時に、前記微粒子ナイフの重心線は前記環状流の中心線から離れるように設置され、前記微粒子ナイフとマイクロジェットノズルとの間では下記の初期条件が満たされていることを特徴としている。

上式において、kは作用係数で、rは前記微粒子ナイフの重心からマイクロジェットの当該微粒子ナイフにおける作用点までの間の距離で、ρはマイクロジェット液体の密度で、v₀はマイクロジェットの前記マイクロジェットノズルの噴射口における速度で、gは重力加速度で、hは前記マイクロジェットノズルの底部からマイクロジェットと前記微粒子ナイフとの接触点までの高さで、fは静摩擦係数で、mは前記微粒子ナイフの質量で、θはマイクロジェットの微粒子ナイフに対する垂直分力の作用点から円心までの連結線と微粒子ナイフの垂直方向外径の間の夾角である。よって、微粒子ナイフが回転運動を行っている状況において、同時に作業台がマイクロジェットノズルに対し直線運動を行うようにすることができ、微粒子ナイフの回転により切削加工を実現する。

好ましくは、前記切削作業台は直線移動を行うことができ、前記マイクロジェットノズルは固定して動かない。

さらに好ましくは、前記切削作業台は固定して動かないことができ、前記マイクロジェットノズルは直線移動を行う。

さらに好ましくは、前記切削作業台とマイクロジェットノズルとは同時に相反方向に沿って直線移動を行うように設置することができる。

好ましくは、前記マイクロジェットノズルはノズルベースとスプレーヘッドとを含み、前記ノズルベースには軸方向に沿って貫通する貫通孔が設けられ、前記スプレーヘッドは前記ノズルベースの底部に連結され、前記スプレーヘッドには前記貫通孔に対応する位置に周方向に沿ってリング状に分布された複数の噴射小孔が設けられ、当該複数の噴射小孔が前記噴射口を形成する。上述したマイクロジェットノズルの構造は加工および組立が容易であり、また、噴射口から噴射する噴射液が安定的な環状流を形成することができるので、微粒子ナイフの作業安定性と加工精度が保証される。

従来技術に比べ、本発明の微粒子ナイフには以下の利点がある。

微粒子ナイフ本体の外表面にナイフヘッドが設置され、ナイフヘッドのサイズ範囲は10nm〜1mm（マイクロメートルレベルまたはナノメートルレベル）で、ナイフヘッドの刃先が極めて細いため、ナノメートルレベルの切削加工を実現することができる。微粒子ナイフの全体構造が簡単で、加工・製造し易い。微粒子ナイフは、従来の刃具のように工作機械の主軸に取付けて主軸の回転により駆動される必要がないため、微粒子ナイフを利用する切削装置には主軸が必要でなく、構造が簡単である。

本発明の切削装置は以下の利点がある。

まず、微粒子ナイフのナイフヘッドにある刃先が極めて細く、マイクロメートルレベルまたはナノメートルレベルに達しているため、ナノメートルレベルの切削加工を実現することができる。次に、マイクロジェットにより、微粒子ナイフを回転駆動し、又は、微粒子ナイフを固定して“挟む”ことで、マイクロ切削を行うので、微粒子ナイフを従来の刃具のように工作機械の主軸に取付けて主軸の回転により駆動する必要がなく、切削装置には主軸が不要である。よって、全体構造がより簡単である。このほか、マイクロビームが、切削過程で発生したエネルギーを適時に持ち去ることにより、熱−力カップリング作用により生成される不均一変形場を大幅に減少させ、マイクロ切削変形域の寸法効果、不均質ひずみ、および転位等のせん断変形応力とせん断変形等に対する影響を低下させ、マイクロ切削の品質と作業効率が保証される、一種の新型のマイクロ切削加工方法である。

本発明の実施例に係る微粒子ナイフの構造図である。 図1に示す微粒子ナイフの立体断面図である。 図1に示す微粒子ナイフを採用した切削装置である。 本発明の実施例に係る微粒子ナイフの応力解析図である。 本発明の実施例に係る微粒子ナイフのジェット作用下での有効作用面積計算図である。 本発明の実施例に係る切削装置のノズル断面図である。 図6に示すノズルの底面図である。 本発明の実施例に採用される他の一種の微粒子ナイフ構造の切削装置である。

以下、図面及び実施例と合わせて、本発明を更に詳しく説明する。

本発明の実施例はマイクロ切削刃具とマイクロ切削技術に関する。通常の切削とは異なり、マイクロ切削を行う際の切削の深さは通常、マイクロメートルレベルからナノメートルレベルまでである。一般材料の結晶粒子の大きさは数マイクロメートルであるので、これはマイクロ切削が結晶粒子の内部で行われ、切削過程は一つ一つの結晶粒子を切削していることを意味している。これは必然的に単位面積あたりの切削応力の急激な増大をもたらし、これにより、刃の単位面積あたりにかなり大きな熱量が発生し、刃先の温度が上昇し、高温、高応力の作業状態になってしまう。

上述したマイクロ切削過程における問題を解決するため、図1〜図8に示されているように、本実施例では新たな切削装置を提供している。当該切削装置は微粒子ナイフ、切削作業台3、当該切削作業台3の上方に位置するマイクロジェットノズル4、および、マイクロジェットノズル4に噴射液を供給する液圧装置を備え、マイクロジェットノズル4には噴射室が設けられ、噴射室の頂部には入液口が設置され、入液口は液出装置の出液管路に連結されている。噴射室の底部には噴射口が設置され、当該噴射口は環状流を形成し、微粒子ナイフ1の外径は当該環状流の内径に対応する。マイクロジェットノズル4はノズルベース41とスプレーヘッド42とを含み、ノズルベース41には軸方向に沿って貫通する貫通孔411が設けられ、スプレーヘッド42はノズルベース41の底部に連結され、スプレーヘッド42には貫通孔に対応する位置に周方向に沿ってリング状に分布する複数の噴射小孔421が設けられる。

本実施例の切削装置は微粒子ナイフを刃具として採用することで切削加工を行う。図1、図2に示されているように、当該微粒子ナイフ1はナイフ本体11とナイフヘッド12とを備え、ナイフヘッド12は凸状の尖形状を呈する。ナイフ本体11の外表面には、間隔を空けて分布された一つ又は複数のナイフヘッド12を設置することができる。ナイフ本体11の幾何サイズは、通常、ミリメートルレベル又はマイクロメートルレベルで、好ましくはサイズ範囲を２０μｍ〜10mmの間で選択することができる。ナイフヘッド12は、外側に突出するようにナイフ本体11の外表面に設置され、ナイフヘッド12の幾何サイズはナイフ本体の幾何サイズより小さくなければならず、ナイフヘッド12の幾何サイズ範囲は、好ましくは10nm〜1mmのマイクロメートルレベルまたはナノメートルレベルである。本実施例に係わる微粒子ナイフのナイフ本体は規則的な立体幾何形状の構造、例えば球状又は楕円形等であってもよく、ナイフ本体は非規則的な他の立体幾何形状、例えば、図8に示すナイフ本体1’のように、非規則的な結晶構造等であってもよい。

そのうち、微粒子ナイフ1、マイクロジェットノズル4と切削作業台3の間では以下の数種類の運動方式を有することができる。第一種類では、マイクロジェットノズル4は固定的に設置され、微粒子ナイフ1はマイクロジェットノズル4内に固定的に収納され、切削作業台3はマイクロジェットノズル4に対し直線移動を行うことができる。第二種類では、切削作業台3は固定的に設置され、微粒子ナイフ1はマイクロジェットノズル4内に固定的に収納され、マイクロジェットノズル4は切削作業台3に対し直線移動を行うことができる。第三種類では、微粒子ナイフ1はマイクロジェットノズル4内に固定的に収納され、マイクロジェットノズル4と切削作業台3とは同時に相反する方向に沿って直線移動を行う。第四種類では、切削作業台3は固定的に設置され、微粒子ナイフ1は回転運動を行い、マイクロジェットノズル4は直線移動を行う。第五種類では、微粒子ナイフ1は回転運動を行い、マイクロジェットノズル4は固定的に設置され、切削作業台3はマイクロジェットノズル4に対し直線移動を行う。第六種類では、微粒子ナイフ1は回転運動を行い、マイクロジェットノズル4と切削作業台3とは同時に相反する方向に沿って直線移動を行う。

上述した第一種類、第二種類および第三種類の運動方式を採用する際、微粒子ナイフのナイフ本体11内にはカウンタウェイトブロック2が設けられ、当該カウンタウェイトブロック2は、ナイフ本体11にあるナイフヘッド12が終始下向きに偏向し、且つ切削加工面と接触するようにする。加工時、液体を媒体として、マイクロジェットノズルのスプレーヘッドは環状流を形成し、当該環状流は微粒子ナイフの表面に作用し、微粒子ナイフの表面に内側向きの水平分力と下向きの垂直分力とを生成する。内側向きの水平分力は微粒子ナイフに対し“挟む”作用があり、ピンセットのように、マイクロジェットノズルの下方にある微粒子ナイフをしっかりと“挟む”。下向きの垂直分力とカウンタウェイトブロックとが共に微粒子ナイフに作用することにより、ナイフヘッド12が終始下を向くようにし、切削作業台とマイクロジェットノズルとの間で相対的な運動が発生する時、ワークピースに対する切削を実現することができる。

上述した第四種類、第五種類と第六種類の運動方式を採用する際、水ポテンシャルにおける微粒子ナイフの回転を実現するためには、微粒子ナイフは１つのトルクの作用を受けなければならない。そのため、微粒子ナイフを加工待ちの材料表面に置き、ジェット水流の対称中心線を微粒子ナイフの回転中心から離し、一貫して微粒子ナイフの一部分がウォータージェットビームに接触し、他の部分は接触しないようにする。この接触部分を作用領域と称する。作用領域はウォータービームの圧力作用を受ける。接触していない領域は圧力作用を受けないため、圧力はゼロである。この差圧の存在により、回転トルクが発生し、微粒子ナイフが回転可能となる。微粒子ナイフの重心線とジェット中心線とが重なり、且つジェットと微粒子ナイフの重心線両側の接触面積が等しい時、圧力が対称的に分布するため、微粒子ナイフに対しネットトルクを発生しておらず、微粒子ナイフは水ポテンシャルにより回転しない。微粒子ナイフの重心線とジェット中心線とが重ならない時、即ち、微粒子ナイフの重心線がマイクロジェットノズルの中心線から離れるように設置される時、水ポテンシャルにおける微粒子ナイフの両側には圧力差が存在し、圧力差は微粒子ナイフにおいて回転トルクを生成し、微粒子ナイフはその軸線まわりを回転することができる。これにより、微粒子ナイフはトルク作用を受けて回転し、マイクロジェットノズルが同時に水平移動する時、微粒子ナイフは移動しながら回転し、作業台とマイクロジェットノズルと間における相対運動により、ワークピースに対する切削を完成する。

具体的に、微粒子ナイフ1と切削作業台3に対し第四種類、第五種類と第六種類の運動方式を採用する際、微粒子ナイフの回転を実現するためには、微粒子ナイフとマイクロジェットノズルとの間で、さらに下記の初期条件を満たさなければならない。

そのうち、上記式において、kは作用係数で、rは前記微粒子ナイフの重心からマイクロジェットの当該微粒子ナイフにおける作用点までの間の距離で、ρはマイクロジェット液体の密度で、v₀はマイクロジェットの前記マイクロジェットノズルの噴射口における速度で、gは重力加速度で、hは前記マイクロジェットノズルの底部からマイクロジェットと前記微粒子ナイフの接触点までの高さで、fは静摩擦係数で、mは前記微粒子ナイフの質量で、θはマイクロジェットの微粒子ナイフに対する垂直分力の作用点から円心までの連結線と微粒子ナイフの垂直方向外径の間の夾角である。

上述した初期条件は下記の力学分析により導き出される。微粒子ナイフの形状をほぼ球状体に設定し、この微粒子ナイフを研究対象とすれば、応力分布は図4に示される通りである。

静止時、微粒子ナイフは平衡状態にあり、

により、

を得ることができる。

運動量モーメント定理

により、もし、微粒子ナイフが回転すると、α＞0でなければならず、即ち、

である。式(2)、式(3)、式(4)を式(6)に代入して解くと、

が得られる。もし、F_yが存在するならば、sinθ−f ＞0でなければならず、即ち、

である。微粒子ナイフが回転する初期状態の時、F_x=0で、式(7)を下記のように単純化する。

ジェットが微粒子ナイフに突き当たる時、図3に示されているように、微粒子ナイフの表面で形成された圧力は

である。

図5に示されているように、ハッチング部分はジェットが微粒子ナイフに対して最大に作用する面積で、即ち、（図中では半円で表されるが）1/4の球面で、この時の作用効果が最もよい。

仮に、ジェットの微粒子ナイフに対する作用面積がSであるとすれば、

で、式(12)を式(9)に代入すると、

になる。式(13)は微粒子ナイフが回転し、且つ切削加工を行う初期条件である。

そのうち、π、r、ρ、g、f、mは既知であり、k、v₀、h、θは変化するパラメータである。

以下、kとθの関係を確定する。

ジェットが微粒子ナイフに突き当たる時、その作用面積（互いに接触する面積）の投影は弓形である。理論力学の教材に基づくと、その面積Sは

であることが分かる。
式(11)と式(14)とをまとめると、

となり、整理して

が得られる。kとθは互いに関連する変数で、ジェット、微粒子のサイズ、両者間の相対的な位置等に関連している。図4によると、θの値の範囲は

で、式(17)を式(16)に代入してkの値域は

となる。上述のように、微粒子ナイフが回転し、且つ切削を行う初期条件は

である。上述した式(1)から式(19)における符号の定義は下記の通りである。
F_x：微粒子ナイフに対する液体の水平合力
F_y：微粒子ナイフに対する液体の垂直合力
F_f：微粒子ナイフとワークピース表面との摩擦力
F_N：微粒子ナイフに対するワークピース表面の支持力
f：静摩擦係数
r：微粒子ナイフの半径
m：微粒子ナイフの質量
g：重力加速度
e：F_y作用点から微粒子ナイフ円心までの水平距離
J：微粒子ナイフの質量中心に対する回転慣性
P：微粒子ナイフの表面に対するジェットの圧力
h：ノズルの底部からジェット及び微粒子ナイフの接触点までの高さ
k：作用係数
S：微粒子ナイフに対するジェットの作用面積
ρ：ジェット液体の密度
θ：F_yの作用点と円心を結ぶ連結線と垂直方向の夾角
α：角加速度
v₀：ジェットのノズル出口における速度

よって、回転トルクの存在を維持すれば、微粒子ナイフは停止せずに回転し、これにより微粒子ナイフの水による回転を実現することができる。言い換えれば、微粒子ナイフの回転は風が風車を回すように、ジェットの圧力が微粒子ナイフに作用することで回転トルクが生成され、これにより、微粒子ナイフが回転する。実際に風力が風車に対する作用と類似し、微粒子ナイフつまり“風車”は、ジェット水流により生成された“風”の作用により回転する。また、微粒子ナイフの回転方向は、その水ポテンシャルにおける初期位置と微粒子ナイフそのものの形状とによって決められる（初期位置は、水ポテンシャルが微粒子ナイフを捕集するのに成功した瞬間の、微粒子ナイフの水ポテンシャルにおける位置）。

水による微粒子ナイフの回転、又は、水により微粒子ナイフを挟んでマイクロ切削を行う方法を採用することで、マイクロビームが切削過程で発生したエネルギーを適時に持ち去ることにより、熱−力カップリング作用により生成される不均一変形場を大幅に減少させ、マイクロ切削変形域の寸法効果、不均質ひずみ、および転位等のせん断変形応力とせん断変形エネルギー等に対する影響を低下させ、切削効率と品質を向上させている。

実際の作業過程において（微粒子ナイフは回転方式）、我々は単結晶シリコンを選択して実験材料にすることができ、図1、図2に示されているような球状構造の微粒子ナイフ1を採用してマイクロメートル切削とナノメートル切削との実験をそれぞれ行う。単結晶シリコンはぜい性材料であるため、破壊力学の原理に基づき、ぜい材料を加工する時にはぜい性−延性遷移が存在する。刃先の切り入れにより、ワークピース表面の刃先の原子のポテンシャルエネルギーが変化させられ、且つ、シリコンの原子運動エネルギーの突然の増加がもたらされ、原子の配列を打ち破ることで、局部の格子構造の無秩序状態への相移転が引き起こされる。このような無秩序状態は、刃先前部の下方に位置し、切削方向への進行に従い、その後、前部でキャビティが形成され、この過程では刃先の高いひずみエネルギーにより提供されるエネルギーで駆動される。ひずみエネルギーが運動エネルギーに転換される時、キャビティは拡張し、最後には、はっきりしたひび割れに発展する。空気と結晶体との化学反応エネルギーは、原子の運動エネルギーを増加させ、原子の運動が激化され、原子間の距離が長く伸ばされ、ひび割れを拡張させ、材料では剥離が発生し、切り屑が形成され、切削加工を完成する。

Claims (14)

1. 微粒子ナイフ(1)であって、
   当該微粒子ナイフ(1)は、ナイフ本体(11)とナイフヘッド(12)とを備え、
   前記ナイフヘッド(12)は、外側に突出するように前記ナイフ本体(11)の外表面に設けられ、
   前記ナイフヘッド(12)の幾何サイズは、10nm〜1mmである、
   ことを特徴とする微粒子ナイフ。
2. 前記ナイフヘッド(12)は、凸状の尖形状を呈し、
   前記ナイフ本体(11)の外表面には、前記ナイフヘッド(12)が設けられている、
   ことを特徴とする、請求項1に記載の微粒子ナイフ(1)。
3. 前記ナイフヘッド(12)は、凸状の尖形状を呈し、
   前記ナイフ本体(11)の外表面には、間隔をあけて分布された複数の前記ナイフヘッド(12)が設けられている、
   ことを特徴とする、請求項1に記載の微粒子ナイフ(1)。
4. 前記ナイフ本体(11)内には、前記ナイフ本体(11)にある前記ナイフヘッド(12)を終始下向きに偏向させるカウンタウェイトブロックが設けられている、
   ことを特徴とする、請求項2に記載の微粒子ナイフ(1)。
5. 請求項1に記載の微粒子ナイフ(1)、切削作業台(3)、前記切削作業台(3)の上方に位置するマイクロジェットノズル(4)、および、前記マイクロジェットノズル(4)に噴射液を供給する液圧装置、を備えた切削装置であって、
   その内、前記切削作業台(3)と前記マイクロジェットノズル(4)との間では相対的な直線移動が行われ、
   前記ナイフ本体(11)内には、前記ナイフ本体(11)に設けられた前記ナイフヘッド(12)を終始下向きに偏向させるカウンタウェイトブロックが設けられ、
   前記マイクロジェットノズル(4)には前記液圧装置の出液管路に連結可能な噴射室が設けられ、前記噴射室の底部には噴射口が設置され、当該噴射口は環状流を形成し、
   前記微粒子ナイフ(1)は前記環状流により捕集され、かつ、前記微粒子ナイフ(1)の外径は前記環状流の内径に対応する、
   ことを特徴とする、切削装置。
6. 前記切削作業台(3)は直線移動を行い、前記マイクロジェットノズル(4)は固定されて動かない、
   ことを特徴とする、請求項5に記載の切削装置。
7. 前記切削作業台(3)は固定されて動かず、前記マイクロジェットノズル(4)は直線移動を行う、
   ことを特徴とする、請求項5に記載の切削装置。
8. 前記切削作業台(3)と前記マイクロジェットノズル(4)とは、同時に相反する方向に沿って直線移動を行う、
   ことを特徴とする、請求項5に記載の切削装置。
9. 前記マイクロジェットノズル(4)は、ノズルベース(41)とスプレーヘッド(42)とを含み、
   前記ノズルベース(41)には、軸方向に沿って貫通する貫通孔(411)が設けられ、
   前記スプレーヘッド(42)は、前記ノズルベース(41)の底部に連結され、
   前記スプレーヘッド(42)には、前記貫通孔(411)に対応する位置に周方向に沿ってリング状に分布された複数の噴射小孔(421)が設けられ、
   当該複数の噴射小孔(421)は、前記噴射口を形成する、
   ことを特徴とする、請求項5から8のいずれか１項に記載の切削装置。
10. 請求項1に記載の前記微粒子ナイフ(1)、切削作業台(3)、前記切削作業台(3)の上方に位置するマイクロジェットノズル(4)、およびマイクロジェットノズル(4)に噴射液を供給する液圧装置、を備えた切削装置であって、
    その内、前記切削作業台(3)と前記マイクロジェットノズル(4)との間では相対的な直線移動が行われ、
    前記マイクロジェットノズル(4)には前記液圧装置の出液管路に連結可能な噴射室が設けられ、前記噴射室の底部には噴射口が設置され、当該噴射口では環状流が形成され、前記環状流の内径は前記微粒子ナイフ(1)の外径に対応し、
    かつ、前記微粒子ナイフ(1)の重心線は前記環状流の中心線から離れるように設置され、前記微粒子ナイフ(1)と前記マイクロジェットノズル(4)との間では下記の初期条件
    

    

    上式において、kは作用係数で、rは前記微粒子ナイフ(1)の重心からマイクロジェットの当該微粒子ナイフ(1)における作用点までの間の距離で、ρはマイクロジェット液体の密度で、v₀はマイクロジェットの前記マイクロジェットノズル(4)の噴射口における速度で、gは重力加速度で、hは前記マイクロジェットノズル(4)の底部からマイクロジェットと前記微粒子ナイフ(1)との接触点までの高さで、fは静摩擦係数で、mは前記微粒子ナイフ(1)の質量で、θはマイクロジェットの前記微粒子ナイフ(1)に対する垂直分力の作用点から円心までの連結線と前記微粒子ナイフ(1)の垂直方向外径の間の夾角である、
    を満たす、
    ことを特徴とする、切削装置。
11. 前記切削作業台(3)は直線移動を行い、前記マイクロジェットノズル(4)は固定されて動かない、
    ことを特徴とする、請求項10に記載の切削装置。
12. 前記切削作業台(3)は固定されて動かず、前記マイクロジェットノズル(4)は直線移動を行う、
    ことを特徴とする、請求項10に記載の切削装置。
13. 前記切削作業台(3)と前記マイクロジェットノズル(4)とは同時に相反する方向に沿って直線移動を行う、
    ことを特徴とする、請求項10に記載の切削装置。
14. 前記マイクロジェットノズル(4)は、ノズルベース(41)とスプレーヘッド(42)とを含み、
    前記ノズルベース(41)には、軸方向に沿って貫通する貫通孔(411)が設けられ、
    前記スプレーヘッド(42)は、前記ノズルベース(41)の底部に連結され、
    前記スプレーヘッド(42)には、前記貫通孔(411)に対応する位置に周方向に沿ってリング状に分布された複数の噴射小孔(421)が設けられ、
    当該複数の噴射小孔(421)は、前記噴射口を形成する、
    ことを特徴とする、請求項10から13のいずれか１項に記載の切削装置。

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