JP6078155B2 - Fine particle knife and cutting apparatus using the fine particle knife - Google Patents

Fine particle knife and cutting apparatus using the fine particle knife Download PDF

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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。   The present invention relates to a tool / device used for micro-cutting, and more particularly to a fine particle knife used for micro-cutting and a cutting device that performs processing using the fine particle knife.

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。   With the development of society, miniaturization of industrial products has become an important feature of high quality, and the point to realize the shift to miniaturization of products is the improvement of the level of micro component processing technology.

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。   At present, in various micro component processing technologies, micro cutting has become one of the important means. Micro cutting mainly includes micro turning, micro milling and micro special machining. Above all, in micro structure manufacturing and material removal processing, micro milling has a very high potential for development, and it has the disadvantage that it cannot process complex 3D micro parts with a single silicon micro structure processing material. In addition to overcoming the above, it has become an effective means to realize micro machining for small structural parts of various materials such as metals, alloys, composite materials, ceramics, glass, silicon, etc. In particular, it has a greater advantage in processing precision micro parts having a feature size of 0.01 μm to 1 mm. However, in micro milling, when the cutting layer thickness reaches several micrometer to sub-micron level, the cutting edge of the micro milling cutter is subjected to a very large stress, and a very large amount of heat is generated per unit area. The demand for milling used for micro milling is very high because the temperature is very high locally.

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。   Currently, countries such as the United States, Germany, Japan, etc. have developed a series of micro milling cutters that simply reduce the overall size or local feature size compared to traditional milling cutters. Instead, it is a kind of special cutting tool tailored to the characteristics and processing principles of micro milling. For example, Tokyo Electro-Communication University of Japan created a micro milling cutter with a diameter of 0.2 mm using single crystal diamond by a polishing method. The German University of Karlsruhe has created a micro milling cutter with a diameter of φ100 μm using hard alloy tools by ion beam sputtering and laser beam forming. In addition, the diameter of a micro milling cutter obtained by the ion beam sputtering method using M42 high-speed steel and C2 hard alloy material by Sandia National Laboratories and Louisiana Institute of Technology can reach φ25 μm. However, micro milling cutters still have complicated processing steps, high manufacturing costs, a small number of products, strict requirements for use conditions, limited service life, etc. Can not meet the demands of cutting tools.

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。   On the other hand, micro-cutting is a rapid and low-cost micro-part machining method that is not subject to processing material limitations, and the processing quality of parts (eg, accuracy, surface roughness, etc.) Dynamic characteristics, etc.). Machine tool performance is mainly related to the spindle, workbench and control system, the diameter of the cutting tool used in micro cutting is very small, and the spindle rotation in the micro cutting machine to improve machining efficiency The speed is very fast.

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。   In order to meet the torque requirements, conventional micro-cutting devices usually employ a bearing with a mixed angle contact with the electric spindle, and such a bearing undergoes thermal expansion due to frictional heat, and typically has a maximum rotational speed of 6 Does not exceed 10,000 rpm. Air bearings should be used when the rotational speed is higher, but the torque provided by the air bearing is slightly smaller, and the maximum rotational speed of the main shaft by the air bearing can now reach 200,000 rpm. In order to obtain a slightly higher cutting speed, the taper angle of the spindle and the taper angle of the high-speed cutting hilt (pattern) coincide. The work table of a precision machine tool for micro cutting is usually driven by a linear motor. Compared to the normal drive by, for example, a ball screw, the linear motor drive system has no accumulated error caused by friction and electromagnetic coupling, and is caused by wear. There is no loss of accuracy, there is no gap, a relatively large acceleration can be provided, and the accuracy of the linear motor drive system can reach ± 1 μm. Precision machine tools for micro cutting. Although it is excellent in rigidity and vibration is small, many are equipped with various sensors and actuators, and the control requirements for the surrounding environment are severe, so the processing cost of micro parts is relatively high.

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。   As mentioned above, the cutting devices currently used for micromachining are too complex in structure, or the production and manufacturing costs are too high, and the environmental requirements during operation are relatively high. It is not so easy and cannot meet the demands of large-scale production.

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。   The first technical problem to be solved by the present invention is to provide a fine particle knife having a simple structure and easy to process, which can be used for micro cutting in view of the current state of the existing technology.

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。   The second technical problem to be solved by the present invention is to provide a cutting apparatus that is simple in overall structure, low in manufacturing cost, and easy to operate in view of the current state of the existing technology.

発明を解決するための手段Means for Solving the Invention

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。   In order to solve the first technical problem described above, the technical solution adopted by the present invention is as follows. A fine particle knife, wherein the fine particle knife includes a knife body and a knife head, the knife head is provided on an outer surface of the knife body so as to protrude outward, and a geometric size of the knife head is 10 nm to 1 mm. It is characterized by being.

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。   Preferably, the knife head is designed to have a convex pointed shape, and only one knife head can be provided on the outer surface of the knife body. The knife body may have a regular three-dimensional geometric structure, for example, a spherical or elliptical shape, or may have an irregular arbitrary shape.

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。   In order to improve cutting efficiency, more preferably, the knife head is designed to have a convex pointed shape, and a plurality of the knife heads distributed at intervals can be provided on the outer surface of the knife body. .

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。   In order to maintain the knife head in a downward state and the knife head consistently contacts the cutting surface, a counterweight block is preferably provided in the knife body for deflecting the knife head downward from start to finish.

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。   In order to solve the second technical problem described above, the technical solution adopted by the present invention is as follows. A cutting device, the cutting device comprising a fine particle knife, a cutting work table, a micro jet nozzle located above the work table, and a hydraulic device for supplying a spray liquid to the micro jet nozzle, Relative linear movement is performed between the cutting work table and the micro jet nozzle. The fine particle knife includes a knife body and a knife head, and the knife head is provided on the outer surface of the knife body so as to protrude outward. The knife head has a geometric size of 10 nm to 1 mm, a counter weight block for deflecting the knife head in the knife body downward is provided in the knife body, and the microjet nozzle has the hydraulic device. An injection chamber connectable to the liquid discharge line, and an injection port is installed at the bottom of the injection chamber. An annular flow is formed, the particulate knife is collected by the annular flow, and the outer diameter of the particulate knife corresponds to the inner diameter of the annular flow.

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。   Preferably, the cutting work table can be installed so as to perform a linear movement, and the microjet nozzle is fixedly installed so as not to move.

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。   More preferably, the work table can be installed so as not to move while being fixed, and the microjet nozzle is installed to perform linear movement.

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。   More preferably, the cutting work table and the microjet nozzle can be installed so as to perform linear movement along the opposite directions at the same time.

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。   Preferably, the microjet nozzle includes a nozzle base and a spray head to form a stable annular flow while facilitating processing and assembly, and the nozzle base has a through-hole penetrating along the axial direction. The spray head is connected to the bottom of the nozzle base, the spray head is provided with a plurality of injection small holes distributed in a ring shape along the circumferential direction at a position corresponding to the through hole, The plurality of injection small holes form the injection port.

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。

Figure 0006078155
As a more preferable method, the cutting apparatus of the present invention can be realized by adopting the following structure. A cutting device comprising a fine particle knife, a cutting work table, a micro jet nozzle located above the work table, and a hydraulic device for supplying a jet liquid to the micro jet nozzle, including the cutting work table and the cutting work table Relative linear movement is performed with respect to the micro jet nozzle, and the fine particle knife includes a knife body and a knife head, and the knife head is provided on an outer surface of the knife body so as to protrude outward, and the knife head The microjet nozzle is provided with an injection chamber that can be connected to the liquid discharge line of the hydraulic device, and an injection port is installed at the bottom of the injection chamber. In which an annular flow is formed, the inner diameter of the annular flow corresponds to the outer diameter of the particulate knife, and at the same time the center of gravity of the particulate knife is away from the centerline of the annular flow The following initial conditions are satisfied between the fine particle knife and the microjet nozzle.
Figure 0006078155

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。 Where k is the coefficient of action, r is the distance from the center of gravity of the particle knife to the point of action of the microjet in the particle knife, ρ is the density of the microjet liquid, and v 0 is the microjet's density. The velocity at the injection port of the micro jet nozzle, g is the acceleration of gravity, h is the height from the bottom of the micro jet nozzle to the contact point between the micro jet and the fine particle knife, f is the coefficient of static friction, and m is the coefficient of static friction. The mass of the fine particle knife, θ is the depression angle between the connecting line from the point of action of the vertical component force of the microjet to the fine particle knife to the center of the circle and the vertical outer diameter of the fine particle knife. Therefore, in a situation where the fine particle knife is rotating, the work table can be linearly moved with respect to the microjet nozzle at the same time, and cutting is realized by the rotation of the fine particle knife.

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。   Preferably, the cutting work table can move linearly, and the microjet nozzle is fixed and does not move.

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。   More preferably, the cutting work table can be fixed and cannot move, and the micro jet nozzle performs linear movement.

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。   More preferably, the cutting work table and the microjet nozzle can be installed so as to perform linear movement along the opposite directions at the same time.

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。   Preferably, the microjet nozzle includes a nozzle base and a spray head, and the nozzle base is provided with a through-hole penetrating along an axial direction, and the spray head is connected to a bottom portion of the nozzle base, and the spray base is provided. The head is provided with a plurality of injection small holes distributed in a ring shape along the circumferential direction at a position corresponding to the through hole, and the plurality of injection small holes form the injection port. The structure of the micro jet nozzle described above is easy to process and assemble, and since the spray liquid sprayed from the spray port can form a stable annular flow, the work stability and processing accuracy of the fine particle knife are guaranteed. Is done.

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。   Compared with the prior art, the fine particle knife of the present invention has the following advantages.

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。   A knife head is installed on the outer surface of the fine particle knife body. The size range of the knife head is 10nm to 1mm (micrometer level or nanometer level), and the cutting edge of the knife head is extremely thin, realizing nanometer level cutting. can do. The whole structure of the fine particle knife is simple and easy to process and manufacture. Since the fine particle knife does not need to be attached to the spindle of a machine tool and driven by the rotation of the spindle unlike the conventional cutting tool, the cutting apparatus using the fine particle knife does not need the spindle and has a simple structure.

本発明の切削装置は以下の利点がある。   The cutting device of the present invention has the following advantages.

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。   First, since the cutting edge in the knife head of the fine particle knife is extremely thin and has reached the micrometer level or nanometer level, it is possible to realize nanometer level cutting. Next, micro-cutting is performed by rotating the micro-knife with a micro jet or by “pinching” the micro-knife, so that the micro-jet is attached to the spindle of a machine tool like a conventional cutting tool. There is no need to drive by rotation of the main shaft, and the main shaft is unnecessary in the cutting apparatus. Thus, the overall structure is simpler. In addition, the microbeam can take away the energy generated in the cutting process in a timely manner, thereby greatly reducing the non-uniform deformation field generated by the heat-force coupling action, resulting in dimensional effects in the micro-cut deformation region, non-uniformity This is a kind of new micro-cutting method that reduces the influence of strain and dislocation on shear deformation stress and shear deformation, and guarantees the quality and work efficiency of micro-cutting.

本発明の実施例に係る微粒子ナイフの構造図である。1 is a structural diagram of a fine particle knife according to an embodiment of the present invention. 図1に示す微粒子ナイフの立体断面図である。FIG. 2 is a three-dimensional sectional view of the fine particle knife shown in FIG. 図1に示す微粒子ナイフを採用した切削装置である。2 is a cutting device employing the fine particle knife shown in FIG. 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。It is a stress-analysis figure of the fine particle knife which concerns on the Example of this invention. 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。It is an effective action area calculation figure under the jet action of the fine particle knife which concerns on the Example of this invention. 本発明の実施例に係る切削装置のノズル断面図である。It is nozzle sectional drawing of the cutting device which concerns on the Example of this invention. 図6に示すノズルの底面図である。FIG. 7 is a bottom view of the nozzle shown in FIG. 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。It is the cutting device of the other kind of fine particle knife structure employ | adopted as the Example of this invention.

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。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings and examples.

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。   Embodiments of the present invention relate to a micro cutting tool and a micro cutting technique. Unlike normal cutting, the depth of cutting when performing micro cutting is typically from the micrometer level to the nanometer level. Since the size of the crystal grain of the general material is several micrometers, this means that the micro cutting is performed inside the crystal grain, and the cutting process cuts each crystal grain. This inevitably results in a sharp increase in cutting stress per unit area, which generates a significant amount of heat per unit area of the blade, raising the temperature of the cutting edge, resulting in high temperature, high stress working conditions. End up.

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。   In order to solve the above-described problems in the micro-cutting process, as shown in FIGS. 1 to 8, a new cutting apparatus is provided in this embodiment. The cutting device includes a fine particle knife, a cutting work table 3, a micro jet nozzle 4 located above the cutting work table 3, and a hydraulic device for supplying a jet liquid to the micro jet nozzle 4. Is provided with an injection chamber, a liquid inlet is provided at the top of the injection chamber, and the liquid inlet is connected to the liquid outlet line of the liquid outlet. An injection port is installed at the bottom of the injection chamber, the injection port forms an annular flow, and the outer diameter of the fine particle knife 1 corresponds to the inner diameter of the annular flow. The micro jet nozzle 4 includes a nozzle base 41 and a spray head 42. The nozzle base 41 is provided with a through-hole 411 penetrating along the axial direction. The spray head 42 is connected to the bottom of the nozzle base 41, and the spray head 42 is provided with a plurality of injection small holes 421 distributed in a ring shape along the circumferential direction at positions corresponding to the through holes.

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。   The cutting apparatus of the present embodiment performs cutting by employing a fine particle knife as a cutting tool. As shown in FIGS. 1 and 2, the fine particle knife 1 includes a knife body 11 and a knife head 12, and the knife head 12 has a convex pointed shape. On the outer surface of the knife body 11, one or a plurality of knife heads 12 distributed at intervals can be installed. The geometric size of the knife body 11 is usually at the millimeter or micrometer level, preferably the size range can be selected between 20 μm and 10 mm. The knife head 12 is placed on the outer surface of the knife body 11 so as to protrude outwardly, the geometric size of the knife head 12 must be smaller than the geometric size of the knife body, and the geometric size range of the knife head 12 is preferably Is on the micrometer or nanometer level from 10 nm to 1 mm. The knife body of the fine particle knife according to the present embodiment may have a regular solid geometric structure such as a spherical shape or an oval shape, and the knife body may have other irregular solid shapes such as FIG. An irregular crystal structure or the like may be used as in the knife body 1 ′ shown.

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。   Among them, the following several types of movement methods can be provided between the fine particle knife 1, the micro jet nozzle 4 and the cutting work table 3. In the first type, the micro jet nozzle 4 is fixedly installed, the fine particle knife 1 is fixedly stored in the micro jet nozzle 4, and the cutting work table 3 can perform linear movement with respect to the micro jet nozzle 4. . In the second type, the cutting worktable 3 is fixedly installed, the fine particle knife 1 is fixedly stored in the microjet nozzle 4, and the microjet nozzle 4 can move linearly with respect to the cutting worktable 3. . In the third type, the fine particle knife 1 is fixedly accommodated in the microjet nozzle 4, and the microjet nozzle 4 and the cutting work table 3 simultaneously move linearly along opposite directions. In the fourth type, the cutting work table 3 is fixedly installed, the fine particle knife 1 rotates, and the microjet nozzle 4 moves linearly. In the fifth type, the fine particle knife 1 rotates, the microjet nozzle 4 is fixedly installed, and the cutting work table 3 moves linearly with respect to the microjet nozzle 4. In the sixth type, the fine particle knife 1 performs rotational movement, and the microjet nozzle 4 and the cutting work table 3 simultaneously perform linear movement along opposite directions.

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。   When employing the first, second, and third types of motion methods described above, a counterweight block 2 is provided in the knife body 11 of the fine particle knife, and the counterweight block 2 is located in the knife body 11. The knife head 12 is deflected downward all the time and is brought into contact with the cutting surface. During processing, the spray head of the micro jet nozzle forms an annular flow using the liquid as a medium, and the annular flow acts on the surface of the fine particle knife, and an inward horizontal component force and a downward vertical component force are applied to the fine particle knife surface. And generate The inward horizontal component has the effect of “pinching” the fine particle knife, and, like tweezers, firmly “pinches” the fine particle knife below the microjet nozzle. When the downward vertical component force and the counterweight block both act on the fine particle knife so that the knife head 12 faces downward from time to time and relative movement occurs between the cutting work table and the microjet nozzle. Cutting on the workpiece can be realized.

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。   When employing the fourth, fifth and sixth types of motion methods described above, the fine particle knife must be subjected to the action of a single torque in order to achieve rotation of the fine particle knife at the water potential. Therefore, the fine particle knife is placed on the material surface to be processed, the symmetrical centerline of the jet water flow is separated from the rotation center of the fine particle knife, and part of the fine particle knife is in contact with the water jet beam and the other part is not in contact with it. To. This contact portion is referred to as an action area. The working area is subjected to the pressure action of the water beam. Since the non-contact area is not subjected to pressure action, the pressure is zero. Due to the presence of this differential pressure, rotational torque is generated and the fine particle knife can be rotated. When the gravity line of the fine particle knife and the jet center line overlap and the contact area on both sides of the jet and fine particle knife is equal, the pressure is distributed symmetrically, so net torque is not generated for the fine particle knife. The particle knife does not rotate due to the water potential. When the center of gravity of the particle knife and the jet center line do not overlap, that is, when the particle knife center of gravity is placed away from the center line of the microjet nozzle, there is a pressure difference between the two sides of the particle knife in the water potential. The pressure difference exists and produces a rotational torque in the particulate knife, which can rotate about its axis. As a result, the fine particle knife rotates under the torque action, and when the micro jet nozzle moves horizontally at the same time, the fine particle knife rotates while moving, and the relative movement between the work table and the micro jet nozzle cuts the workpiece. To complete.

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。

Figure 0006078155
Specifically, when adopting the fourth type, fifth type and sixth type of movement method for the fine particle knife 1 and the cutting work table 3, in order to realize the rotation of the fine particle knife, the fine particle knife and the micro jet nozzle In addition, the following initial conditions must be satisfied.

Figure 0006078155

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。 In the above equation, k is the coefficient of action, r is the distance from the center of gravity of the fine particle knife to the point of action of the microjet at the fine particle knife, ρ is the density of the microjet liquid, and v 0 is the microjet. Of the microjet nozzle, g is the acceleration of gravity, h is the height from the bottom of the microjet nozzle to the contact point of the microjet and the fine particle knife, f is the coefficient of static friction, m is The mass of the fine particle knife, θ is a depression angle between the connecting line from the point of action of the vertical component force of the microjet to the fine particle knife to the center of the circle and the vertical outer diameter of the fine particle knife.

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。   The initial conditions described above are derived from the following dynamic analysis. If the shape of the fine particle knife is set to be almost spherical and this fine particle knife is the object of research, the stress distribution is as shown in FIG.

静止時、微粒子ナイフは平衡状態にあり、

Figure 0006078155
Figure 0006078155
により、
Figure 0006078155
Figure 0006078155
Figure 0006078155
を得ることができる。 When stationary, the fine particle knife is in equilibrium,
Figure 0006078155
Figure 0006078155
By
Figure 0006078155
Figure 0006078155
Figure 0006078155
Can be obtained.

運動量モーメント定理

Figure 0006078155
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、
Figure 0006078155
である。式(2)、式(3)、式(4)を式(6)に代入して解くと、
Figure 0006078155
が得られる。もし、Fyが存在するならば、sinθ−f >0でなければならず、即ち、
Figure 0006078155
である。微粒子ナイフが回転する初期状態の時、Fx=0で、式(7)を下記のように単純化する。
Figure 0006078155
Momentum moment theorem
Figure 0006078155
If the fine particle knife rotates, α> 0 must be satisfied, ie
Figure 0006078155
It is. Substituting equation (2), equation (3), and equation (4) into equation (6),
Figure 0006078155
Is obtained. If F y is present, sin θ−f> 0 must be satisfied, ie
Figure 0006078155
It is. In the initial state where the fine particle knife rotates, with F x = 0, Equation (7) is simplified as follows.
Figure 0006078155

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

Figure 0006078155
である。 When the jet strikes the particle knife, the pressure created on the surface of the particle knife is as shown in Figure 3
Figure 0006078155
It is.

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。   As shown in FIG. 5, the hatched portion is the area where the jet is maximally acting on the fine particle knife, ie, a 1/4 spherical surface (though represented by a semicircle in the figure). The best effect.

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、

Figure 0006078155
Figure 0006078155
で、式(12)を式(9)に代入すると、
Figure 0006078155
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。 If the area of action of the jet against the fine particle knife is S,
Figure 0006078155
Figure 0006078155
And substituting equation (12) into equation (9),
Figure 0006078155
become. Expression (13) is an initial condition for rotating the fine particle knife and performing cutting.

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。 Among them, π, r, ρ, g, f, and m are known, and k, v 0 , h, and θ are changing parameters.

以下、kとθの関係を確定する。   Hereinafter, the relationship between k and θ is determined.

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

Figure 0006078155
であることが分かる。
式(11)と式(14)とをまとめると、
Figure 0006078155
となり、整理して
Figure 0006078155
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
Figure 0006078155
で、式(17)を式(16)に代入してkの値域は
Figure 0006078155
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
Figure 0006078155
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。
Fx:微粒子ナイフに対する液体の水平合力
Fy:微粒子ナイフに対する液体の垂直合力
Ff:微粒子ナイフとワークピース表面との摩擦力
FN: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:Fy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:Fy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 When the jet strikes the fine particle knife, the projection of its working area (the area in contact with each other) is arcuate. Based on theoretical mechanics teaching material, the area S is
Figure 0006078155
It turns out that it is.
Summarizing Equation (11) and Equation (14),
Figure 0006078155
Be organized
Figure 0006078155
Is obtained. k and θ are variables related to each other, and are related to the jet, the size of the fine particles, the relative position between the two, and the like. According to Fig. 4, the range of the value of θ is
Figure 0006078155
Then, substituting equation (17) into equation (16), the range of k is
Figure 0006078155
It becomes. As described above, the initial condition for rotating and cutting the fine particle knife is
Figure 0006078155
It is. The definitions of the symbols in the above formulas (1) to (19) are as follows.
F x : Horizontal resultant force of the liquid against the fine particle knife
F y : normal force of liquid against fine particle knife
F f : Frictional force between fine particle knife and workpiece surface
F N : Support force of workpiece surface against fine particle knife
f: Static friction coefficient
r: Radius of the particle knife
m: Mass of fine particle knife
g: Gravity acceleration
e: Horizontal distance from F y action point to the particle knife circle center
J: Rotational inertia with respect to the center of mass of the fine particle knife
P: Pressure of the jet against the surface of the fine particle knife
h: Height from the bottom of the nozzle to the contact point of the jet and fine particle knife
k: coefficient of action
S: active area of the jet with respect to particulate Knife [rho: the density of the jet liquid theta: F included angle connecting line and in the vertical direction connecting the working point and the circle center of the y alpha: angular acceleration
v 0 : Speed at the nozzle exit of the jet

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)。   Therefore, if the presence of the rotational torque is maintained, the fine particle knife rotates without stopping, thereby realizing the rotation of the fine particle knife with water. In other words, the rotation of the fine particle knife produces a rotational torque by the jet pressure acting on the fine particle knife so that the wind turns the windmill, thereby rotating the fine particle knife. In fact, wind power is similar to the action on a windmill, and the particulate knife or “windmill” rotates due to the action of the “wind” generated by the jet stream. In addition, the rotation direction of the fine particle knife is determined by the initial position of the water potential and the shape of the fine particle knife itself (the initial position is the water of the fine particle knife at the moment when the water potential succeeds in collecting the fine particle knife. Position in potential).

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。   By adopting a method of micro-cutting by rotating the fine particle knife with water or sandwiching the fine particle knife with water, the micro beam can take away the energy generated in the cutting process in a timely manner, and thereby the heat-force coupling action Significantly reduce the generated non-uniform deformation field, and reduce the effect of shear deformation stress and shear deformation energy such as dimensional effects, inhomogeneous strain, and dislocation on the micro cutting deformation area, and improve cutting efficiency and quality ing.

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。   In the actual work process (particulate knife is rotating), we can select single crystal silicon as the experimental material, adopting the spherical structure particulate knife 1 as shown in Fig. 1 and Fig. 2. Then, experiment with micrometer cutting and nanometer cutting, respectively. Since single crystal silicon is a brittle material, there is a brittle-ductile transition when processing brittle materials based on the principle of fracture mechanics. Cutting the cutting edge changes the potential energy of the cutting edge atoms on the workpiece surface and results in a sudden increase in the atomic kinetic energy of the silicon. A phase transfer to a disordered state is caused. Such a disordered state is located below the front edge of the cutting edge and as it progresses in the cutting direction, a cavity is then formed at the front, which is driven by the energy provided by the high strain energy of the cutting edge. . When strain energy is converted to kinetic energy, the cavity expands and eventually develops into a distinct crack. The chemical reaction energy between the air and the crystal increases the kinetic energy of the atoms, intensifies the kinetics of the atoms, lengthens the distance between the atoms, extends the cracks, causes delamination in the material, and creates chips. Formed and completes the cutting process.

Claims (12)

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であり、
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)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、微粒子ナイフ(1)。
A fine particle knife (1),
The microparticles knife (1) is provided with a knife body (11) Na Ifuheddo (12) and,
The knife head (12) is provided on the outer surface of the knife body (11) so as to protrude outward,
The geometric size of the knife head (12) is 10 nm to 1 mm,
The knife head (12) has a convex cusp shape,
In the knife body (11), there is provided a counterweight block that deflects the knife head (12) in the knife body (11) downward all the time.
A fine particle knife (1) characterized in that
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、The outer surface of the knife body (11) is provided with a plurality of the knife heads (12) distributed at intervals.
ことを特徴とする、請求項1に記載の微粒子ナイフ(1)。The fine particle knife (1) according to claim 1, characterized in that
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。
The fine particle knife (1) according to claim 1, a cutting work table (3), a micro jet nozzle (4) located above the cutting work table (3), and a jet liquid on the micro jet nozzle (4) A cutting device comprising a hydraulic device for supplying
Among them, a relative linear movement is performed between the cutting work table (3) and the micro jet nozzle (4),
The micro jet nozzle (4) is provided with an injection chamber that can be connected to the liquid discharge line of the hydraulic device, and an injection port is installed at the bottom of the injection chamber, and the injection port forms an annular flow. ,
The particulate knife (1) is collected by the annular flow, and the outer diameter of the particulate knife (1) corresponds to the inner diameter of the annular flow;
The cutting apparatus characterized by the above-mentioned.
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、請求項に記載の切削装置。
The cutting work table (3) performs linear movement, and the micro jet nozzle (4) is fixed and does not move.
The cutting apparatus according to claim 3 , wherein:
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、請求項に記載の切削装置。
The cutting work table (3) is fixed and does not move, and the micro jet nozzle (4) performs linear movement,
The cutting apparatus according to claim 3 , wherein:
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、請求項に記載の切削装置。
The cutting work table (3) and the micro jet nozzle (4) perform linear movement along opposite directions at the same time.
The cutting apparatus according to claim 3 , wherein:
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、請求項からのいずれか1項に記載の切削装置。
The micro jet nozzle (4) includes a nozzle base (41) and a spray head (42),
The nozzle base (41) is provided with a through hole (411) penetrating along the axial direction,
The spray head (42) is connected to the bottom of the nozzle base (41),
The spray head (42) is provided with a plurality of injection small holes (421) distributed in a ring shape along the circumferential direction at a position corresponding to the through hole (411),
The plurality of injection small holes (421) form the injection port,
The cutting device according to any one of claims 3 to 6 , wherein
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
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
Figure 0006078155

を満たし、
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、
ことを特徴とする、切削装置。
The fine particle knife (1) according to claim 1 , a cutting work table (3), a micro jet nozzle (4) located above the cutting work table (3), and a jet liquid to the micro jet nozzle (4). A cutting device provided with a hydraulic device to supply ,
Relative linear movement is performed between the previous SL cutting worktable (3) and microjet nozzle (4),
The micro jet nozzle (4) is provided with an injection chamber that can be connected to the liquid discharge line of the hydraulic device, and an injection port is installed at the bottom of the injection chamber, and an annular flow is formed at the injection port. The inner diameter of the annular flow corresponds to the outer diameter of the fine particle knife (1),
And, the center of gravity line of the fine particle knife (1) is set away from the center line of the annular flow, the following initial conditions between the fine particle knife (1) and the microjet nozzle (4)
Figure 0006078155

The filling,
Where k is the coefficient of action, r is the distance from the center of gravity of the particulate knife (1) to the point of action of the microjet in the particulate knife (1), ρ is the density of the microjet liquid, v 0 is the velocity at the injection port of the microjet nozzle (4), g is the gravitational acceleration, h is the contact point between the microjet and the fine particle knife (1) from the bottom of the microjet nozzle (4) F is the coefficient of static friction, m is the mass of the fine particle knife (1), θ is the connecting line from the point of action of the vertical component force of the microjet to the fine particle knife (1) to the center of the circle. The depression angle between the vertical outer diameters of the fine particle knife (1),
The cutting apparatus characterized by the above-mentioned.
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、請求項に記載の切削装置。
The cutting work table (3) performs linear movement, and the micro jet nozzle (4) is fixed and does not move.
The cutting apparatus according to claim 8 , wherein
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、請求項に記載の切削装置。
The cutting work table (3) is fixed and does not move, and the micro jet nozzle (4) performs linear movement,
The cutting apparatus according to claim 8 , wherein
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、請求項に記載の切削装置。
The cutting work table (3) and the micro jet nozzle (4) perform linear movement along opposite directions at the same time.
The cutting apparatus according to claim 8 , wherein
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、請求項から1のいずれか1項に記載の切削装置。
The micro jet nozzle (4) includes a nozzle base (41) and a spray head (42),
The nozzle base (41) is provided with a through hole (411) penetrating along the axial direction,
The spray head (42) is connected to the bottom of the nozzle base (41),
The spray head (42) is provided with a plurality of injection small holes (421) distributed in a ring shape along the circumferential direction at a position corresponding to the through hole (411),
The plurality of injection small holes (421) form the injection port,
The cutting apparatus according to any one of claims 8 to 11, wherein the cutting apparatus is characterized in that:
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