超音波振動を応用した微小摩擦の理解および精密リアルタイム摩擦制御に関する研究

利用超声波振动理解微小摩擦和精确实时摩擦控制的研究

• 批准号: 22K03865
• 负责人: 神 雅彦
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Nippon Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K03865/
• 关键词: 超音波振動; 摩擦; 切削; 研磨; 搬送

超精密加工および微小部品搬送に関する分野において，それぞれ，微細な切りくずによる加工面損傷，および部品同士や搬送機への付着が問題となっている．本研究では，その課題解決のために，要因となっている微小摩擦現象を正確に測定し，その摩擦を防止したり制御したりする手法を提案する．摩擦の測定および防止や制御の手法として，切削面や搬送界面に超音波振動を導入する．摩擦の測定においては，超音波振動を利用して微小摩擦特有の液架橋力などの各種微小力を同定する．摩擦の制御に関しては，超音波振動により，摩擦を精密にリアルタイムに制御する技術を開発する．研究初年度の実績として，実験装置の構築に関しては，摺動面には直径80mmのものを設計，製作した．超音波振動数は20kHzとし，振幅は0.05～0.2μmの範囲とした．微小な試験片には，最大のもので重量1.4g（1.0×0.5×0.5mm），最小のもので重量0.022g（0.25×0.125×0.125mm）のセラミックコンデンサーのチップを使用した．研究成果に関しては，はじめに，通常の条件において，実験した最大の試験片では最大静止摩擦係数が0.41であったものが，最小の試験片では，それが0.96に上昇することを確認した．つぎに，摩擦面に超音波振動を導入することで，試験片の大きさに係わらず，摩擦係数が0.1以下に低減することを明らかにした．当年度の研究により，第一に，微小試験片においては，重力以外の付着力が摩擦係数に大きく影響していることを同定することができた．第二に，摺動面に振幅50nm程度の微小な超音波振動を導入することで，付着力の影響をキャンセルすることができ，物体の大きさにかかわらず一定の摩擦係数とすることが可能となることがわかった．すなわち，超音波振動の振幅を調整することで，摩擦係数をリアルタイムにコントロールすることができる可能性を明らかにすることができた．

在超精密加工和微型零件的运输领域，由于细切屑而导致加工表面损坏以及零件彼此之间或与运输机器的粘附是问题。为了解决这个问题，本研究提出了一种精确测量引起该问题的微摩擦现象并预防或控制该摩擦的方法。将超声波振动引入切割表面和输送界面，作为测量、防止和控制摩擦的方法。在测量摩擦时，超声波振动用于识别各种微力，例如微摩擦特有的液体桥力。在摩擦控制方面，我们将开发利用超声波振动实时精确控制摩擦的技术。作为第一年研究的结果，关于实验设备的建设，我们设计并制造了直径为80毫米的滑动表面。超声波频率为20kHz，振幅为0.05～0.2μm。使用的显微测试件是陶瓷电容器芯片，最大重量为1.4g（1.0×0.5×0.5mm），最小重量为0.022g（0.25×0.125×0.125mm）。关于研究结果，我们首先确认，在正常条件下，测试的最大试件的最大静摩擦系数为0.41，但最小试件的最大静摩擦系数升至0.96。接下来，表明通过向摩擦表面引入超声波振动，无论测试件的尺寸如何，摩擦系数都降低至小于0.1。今年的研究结果是，我们首先能够确定，重力以外的粘附力对微型测试样本的摩擦系数有很大影响。其次，通过向滑动表面引入振幅约为 50 nm 的微小超声波振动，可以消除粘附的影响，从而无论物体的大小如何都可以保持恒定的摩擦系数。那换句话说，我们能够证明通过调整超声波振动的振幅来实时控制摩擦系数的可能性。