超音波加工によるセラミックマトリックス複合材料(CMC)の高効率化：高除去率、高品質穴加工、長寿命工具の実現

2025年11月18日


 

 超音波加工によるセラミックマトリックス複合材料(CMC)の高効率化：高除去率、高品質穴加工、長寿命工具の実現 



#80 Φ120mm 電着ダイヤモンド砥石と HIT HBT-40 超音波研削砥石ツールホルダモジュールを使用した結果、従来のCCB（カーボンセラミック・ブレーキディスク）の荒研削加工と比較して、材料除去率（MRR）が3.3倍、砥石寿命が3倍向上しました。また、HIT HBT-40 超音波ツールホルダモジュールとΦ5mmダイヤモンドドリルを用いた穴あけ加工では、加工サイクルタイムが5倍短縮、エッジクラック寸法が0.1mm以下、工具寿命が4倍に延びました。試験条件およびパラメータは表A～Dに示します。
 

 

CMCの加工が困難な理由

 

🔘 なぜ欠け、ほつれ、発熱が起こるのか？

 

低い破壊靭性と限られた塑性変形


セラミックマトリックス複合材料（CMC, Ceramic Matrix Composites）は破壊靭性が低く、ほぼ塑性変形を持たないため、材料が連続したせん断チップを形成せず、微小欠陥から亀裂が発生します。

スポーツカー用カーボンセラミックブレーキディスクの断片
(図1. スポーツカー用カーボンセラミックブレーキディスクの断片)

 

高硬度かつ高摩耗性のセラミック相


SiCやAl₂O₃などの非常に硬く摩耗性の高い相が、工具摩耗と摩擦を増大させ、工具－ワーク界面に熱を集中させます。

 

不均質で異方性の高い構造


繊維の不均一構造により切削抵抗が不安定になり、繊維－マトリックス界面の結合が弱いため、加工中に剥離や毛羽立ちが発生します。

 

熱伝導性の低さによる熱集中


多くのマトリックス材料は熱伝導率が低く、加工中に熱が蓄積しやすくなります。その結果、工具摩耗や焼けのリスクが高まります。

 

酸化による脆化


高温下では炭素を含む相が酸化脆化を起こし、靭性を低下させ、エッジ部のチッピングを促進します。


 

🔘 なぜ従来の研削・穴あけ加工がCMCではうまくいかないのか？

 

熱の発生と砥石の消耗による長い加工時間


CMCの研削加工は、セラミック相が極めて硬く、研磨性が高いため、ダイヤモンド砥粒が鈍化・脱落しやすく、加工速度が遅くなります。このため、切込み深さや送り速度を小さく設定せざるを得ず、加工熱の蓄積を招きます。結果として砥石の摩耗が早く、頻繁なドレッシングが必要になり、材料除去率は低下し、砥石消費は増加します。

 

長い加工時間・低い穴品質・著しい工具摩耗


CMCの穴あけ加工では、高硬度と不均質構造により工具リップが連続して硬質相と接触し、ダイヤモンドコーティングが急速に剥離します。亀裂を抑制するためには切削条件を緩和せざるを得ず、加工効率が大幅に低下します。
 
 

HIT超音波技術がCMC加工をどのように改善するのか

 

🔘 研削および穴あけにおける超音波メカニズム

 

研削プロセスにおける超音波メカニズム


超音波は軸方向（Z軸）において毎秒2万回以上の高周波微小振動を砥石に与えます。この振動により、砥石とワークが周期的に分離・衝突を繰り返し、従来の擦り切り摩擦が微小インパクト作用に変化します。これにより効率的な材料除去が可能になります。また、周期的な分離により切削液が界面に流入しやすくなり、冷却性と切りくず排出性が向上します。

HIT 超音波支援によるカーボンセラミックブレーキディスクの平面研削
(図2. HIT 超音波支援によるカーボンセラミックブレーキディスクの平面研削)

 

穴あけプロセスにおける超音波メカニズム


超音波による微小衝撃的切削作用が脆性相に微細な破壊（マイクロフラクチャ）を誘発し、粉末化や小さなチップ形成による制御除去が可能になります。また、短い接触時間と改善された破壊力学により、摩擦熱を低減し、切削液の流入性を向上させます。


 

🔘 HITによるCMCの超音波研削加工：方法と結果

 
表A. CMCの超音波研削加工条件
  材料   カーボンセラミック（C/SiC）ブレーキディスク    
  加工形状   平面研削（粗加工）
  ツールホルダ      HBT-40-W01 超音波研削砥石ツールホルダ
  砥石仕様        #80 Φ120mm 電着ダイヤモンド砥石   
 
 

[カーボンセラミック・ブレーキディスク（CCB）の平面研削加工] 加工方法

 
表B. パラメータ（従来加工 vs 超音波加工）
  主軸回転数
(S: min-1)		 送り速度
(mm/min)		  径方向切込み 
(Ae: mm)		  軸方向切込み 
(Ap: mm)		 超音波パワーレベル
(%)
HIT 超音波有り 5,952 1,200 20 0.020 100
従来のプロセス 900 0.008 -
 
 
  • HITの超音波技術は、砥石に高周波微振動を与え、加工中に周期的な衝撃と分離を発生させることで、冷却と切りくず除去を促進し、研削抵抗を低減します。
  • これにより、送り速度と切込み深さの増加が可能となり、材料除去率（MRR）が3.3倍向上しました。さらに、冷却効果と排出性の向上により、砥石寿命は3倍に延長されました。
 
 

[カーボンセラミック・ブレーキディスク（CCB）の平面研削加工] 加工結果

 
表C. 結果 ― 超音波加工による高い材料除去率（MRR）と長い砥石寿命
  材料除去率
(mm3/min)		 砥石寿命
(個／1砥石あたり)
HIT 超音波有り 480 3
従来のプロセス 144 1


HIT超音波研削による材料除去率の3.3倍向上
(図3. HIT超音波研削による材料除去率の3.3倍向上)


HIT超音波研削による砥石寿命の3倍延長
(図4. HIT超音波研削による砥石寿命の3倍延長)


🧠 この事例の詳細を見る：カーボンセラミック・ブレーキディスク（CCB）の平面研削加工




🔘 HITによるCMCの超音波穴あけ加工：方法と結果
 
表D. CMCの超音波穴あけ加工条件
  材料   カーボンセラミック（C/SiC）ブレーキディスク    
  加工形状   Φ5 x 5mm (盲穴)  *アスペクト比1:1  
  ツールホルダ        HBT-40 超音波ツールホルダ
  工具仕様       Φ5mm ダイヤモンドドリル
 
 

[カーボンセラミック・ブレーキディスク（CCB）の穴あけ加工] 加工方法

 
表E. パラメータ（従来加工 vs 超音波加工）
  主軸回転数
(S: min-1)		 送り速度
(mm/min)		 Q-ピークドリリング
(mm)		  軸方向切込み 
(Ap: mm)		 超音波パワーレベル
(%)
HIT 超音波有り  4,000~6,500  2~8  0.16~1.00  2.5~5 50
従来のプロセス 4,000 1 0.04 5 -
 
 
  • HIT超音波加工では、工具が周期的にワークに衝撃を与えることで、冷却性と切りくず排出性が向上し、推力と切削抵抗を低減します。
  • これにより、加工パラメータの最適化が可能となり、1穴あたりの加工時間を短縮、加工効率を5倍向上させました。
  • また、エッジクラック寸法が顕著に小さくなり、穴品質が5倍改善されました。
  • 同一条件下で比較すると、工具寿命は4倍に延長されました。
 
 

[カーボンセラミック・ブレーキディスク（CCB）の穴あけ加工] 加工結果

 
表F. 結果 ― 超音波加工による高効率化・高品質な穴加工・長寿命工具の実現
  加工時間
(分／1穴あたり)		 エッジクラック寸法
(mm)		 穴あけ数
(穴／1工具あたり)
HIT 超音波有り 3 0.1 12
従来のプロセス 15 0.5 3


超音波穴あけによる加工効率の5倍向上
(図5. 超音波穴あけによる加工効率の5倍向上)


超音波穴あけによる穴品質の5倍改善
(図6. 超音波穴あけによる穴品質の5倍改善)


超音波穴あけによる工具寿命の4倍延長
(図7. 超音波穴あけによる工具寿命の4倍延長)


🧠 この事例の詳細を見る：カーボンセラミック・ブレーキディスク（CCB）の穴あけ加工
 
 

産業分野でのCMC超音波加工の応用例

 

🔘 モータースポーツ産業：カーボンセラミックブレーキディスク（CCB）


カーボンセラミック・ブレーキディスクはモータースポーツ業界で広く使用されている - 写真提供 : Gemanis Industries LLC
(図8. カーボンセラミック・ブレーキディスクはモータースポーツ業界で広く使用されている - 写真提供 : Gemanis Industries LLC)


GTレースや耐久レースで広く使用されるCCBは、軽量・高剛性・高耐熱性を備え、ブレーキフェードに強い特性を持ちます。セラミックマトリックスにより、湿潤環境でも酸化や摩耗に強く、安定したペダルフィールを実現します。一方で、熱衝撃や衝撃荷重に敏感であり、高コストですが、耐久性と安定性を重視するチームに採用されています。


 

🔘 航空宇宙産業：CMC製航空機ブラケット


AIが生成した画像 : 航空宇宙産業で使用されるCMC製航空機ブラケットのシミュレーション
(図9. AIが生成した画像 : 航空宇宙産業で使用されるCMC製航空機ブラケットのシミュレーション)
 

エンジンナセル、排気ダクト、熱遮蔽部など高温領域に設置される航空機ブラケットにCMCが使用されます。CMCブラケットは軽量・高剛性・低熱膨張率を兼ね備え、高温下でも形状を保持します。また、熱伝導を局所化し、構造負荷を軽減する効果もあります。ただし、コストが高く、ノッチ感受性が強く、厳密な加工公差が必要です。
 
 

よくある質問（FAQ）

 

🔘 Q1. 高MRRを得るために適したダイヤモンド砥粒と結合剤は？


粗加工には#60～#120番手の粗粒ダイヤモンド砥石が推奨されます。電着ダイヤモンド砥石を使用することで切れ味を最大化し、短・中期運転に最適です。HIT超音波研削技術と組み合わせることで、研削抵抗を低減し、冷却および排出性を改善できます。

 

🔘 Q2. CMCの穴あけ加工に適した振幅は？


100％出力（約15µm振幅）は過剰な衝撃となり、マイクロチッピングや亀裂を誘発する場合があります。HITの超音波穴あけ技術では、断続的接触と破壊補助切削により、推力・トルクを低減し、エッジ損傷を抑制します。異方性の強いCMCでは、出力レベル50％前後が推奨されます。



💡 関連情報 - HIT超音波プロセスソリューション：先進材料（セラミックス、石英、ガラス、CMCなど）の加工事例

📖 参考文献

-
漢鼎智慧科技 Hantop Intelligence Tech.
✨先端材料向け超音波加工ソリューション✨
☎️ +886-4-2285-0838
📧 sales@hit-tw.com