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南部洋平* 落合一裕* 秋葉大輔** 永久保輝昭**
Study on Micro Fabrication
－ Micro Long Drilling of the Nozzle for Diesel Engine －
NANBU Youhei*，OCHIAI Kazuhiro*，AKIBA Daisuke**，NAGAKUBO Teruaki**
抄録
現在、船舶用ディーゼルエンジンの燃料噴射ノズルに対してφ 0.2mm、深さ4mm(アス
ペクト比20)以上の微細深孔をあける要望がでてきている。しかし、船舶用ディーゼルエ
ンジンに使用されるステライトは難削材であり、現状では対応できていない。本研究では
微細深孔ドリルに対してシンニング加工を行うことによって、切削動力を最大30%減少さ
せ、刃先への切粉溶着を抑制することができた。さらに、微細径ドリルに対して、特別な
技術を要せずに正確なシンニング加工を施すことができる装置を開発し、φ 0.2mm のド
リルに対して左右対称にシンニングを行った。
キーワード：微細深孔ドリル、シンニング、燃料噴射ノズル
１ はじめに
近年、ディーゼルエンジンにおいては、NOx
やCO2 を削減し、燃費の大幅向上を求める燃料
高圧噴射の技術革新（コモンレール方式など1)～2)）
が進んでいる。乗用車・トラックでは既に実用化
されているが、2004 年秋より、船舶用ディーゼ
ルエンジンにも排ガス規制が施行され3)、今後も
規制の強化が予想されることから、船舶用ディー
ゼルエンジンにも同方式を適用する必要性が高ま
ってきている。
燃料噴射を高圧にすると、ノズル径を絞る必要
があり、このため燃料噴射孔は微細化・深孔化す
ることになる。また、船舶の場合、エンジンは航
海中、長時間の高負荷(最高出力の85%位)連続
* 生産技術部
** 日本ノッズル精機㈱
運転を強いられるため、材料には耐熱・耐摩耗性
に優れたステライトが用いられている。ステライ
トは高硬度でさらに引張強度も有するため、ドリ
ル加工時の切削動力は他の難削材と比べても大き
く、加工難易度の高い材料である。
この材料に対して燃料高圧噴射技術を導入する
ためには、φ 0.2mm 深さ4mm 以上、つまりアス
ペクト比20 以上の微細深孔をあける必要がある
が、現状では対応できていない。
そこで本研究では、産学官連携による微細深孔
加工研究会(日本ノッズル精機㈱、埼玉大学、埼
玉県産業技術総合センター)を発足させ、燃料噴
射ノズルに対する微細深孔加工について研究を進
めている4)。
埼玉県産業技術総合センター研究報告第４巻（2006）
埼玉県産業技術総合センター研究報告第４巻（2006）
２ 研究方法
2.1 手法
微細な孔をあける手法については、目標を達成
するための精度や能率を考慮して、また、部品の
外形加工後にそのまま加工できるという段取り替
えの削減や、専用機械を必要としない利点を考慮
して、微細深孔ドリル加工を採用した。
2.2 検討事項
微細深孔ドリル加工では、切粉の排出が困難で
あるうえ、切削時において発生する熱の逃げ場が
ないという特徴がある。このことから、加工点の
温度が非常に高くなるため、切粉のドリル刃先へ
の溶着が発生し易いという問題がある。
また、ドリル先端の中心部分、いわゆるチゼル
エッジでは、加工対象物の塑性変形による除去加
工になっているため、大きなスラスト方向圧力が
かかる。太いドリルであれば、十分な強度がある
ためその圧力に耐えて加工を行うことができる
が、微細径ドリルではドリル自身の座屈を招いて
しまう。そのため、微細径ドリルになるほど小さ
いチゼルエッジが望まれる。
これらの問題を解決する手法として、チゼルエ
ッジに切り欠きを入れるシンニングに着目し、微
細深孔ドリルに対する効果について検討した。
2.3 実験装置
実験には、高速加工機（ASV400、東芝機械㈱
製） を使用した。この機械は最高回転数が
50000rpm の空気静圧スピンドル5）～6)を搭載し、
圧縮空気を供給している状態では回転部に金属接
触がないことから、回転精度が高く低振動であり、
微細加工には有利であると考えられる。
スラスト方向の切削動力の測定には切削動力計
（9254、日本キスラー㈱製）を使用し、図2 のよ
うな構成で実験を行った。
図１ 加工スラスト力測定の実験装置
動力計（スラスト力）
データ
レコーダ
ワーク
ドリル
３ 結果及び考察
3.1 シンニングの効果について
シンニングの効果を確認及び加工条件の検討を
するために同形状のシンニング有り、シンニング
無しのドリル（図2、3 に刃先のSEM 写真）を
用いて、表１の加工条件で加工を行い、そのとき
のスラスト方向の切削動力を測定した。
図２ シンニング無し図３ シンニング有り
表１ 加工条件
工具径φ 0.2mm
回転数5000 ～ 50000rpm
ステップ量25 μ m
加工深さ2mm 、4mm
１刃当りの送り1.2 μ m
送り速度12 ～ 120mm/min
10 孔連続でφ 0.2mm、深さ2mm の貫通孔加工
を行ったときの切削動力の推移を図4 に示す。な
お、1孔目の最初のステップでの切削動力を、0
孔目としてグラフには示した。
切削動力はシンニング有りのドリルは無しのド
リルに比べて常に20 ～ 30%低い値となり、シン
ニングを行うことによってドリルにかかる負荷が
軽減できていることが分かる。
図４ 加工孔数と切削動力の関係(t=2mm)
0
5
10
15
20
25
0 2 4 6 8 10 12
加工孔数[孔]
スラスト力[N]
シンニング無
シンニング有
回転数 : 5000rpm
１刃あたりの送り : 0.0012mm
送り速度 : 12mm/min
埼玉県産業技術総合センター研究報告第４巻（2006）
続いて、1 刃当りの送り量を一定にして、送り
速度、回転数を変化させたときの切削動力を図5
に示す。送り速度を変化させても、シンニング有
りのドリルは無しのドリルに比べて低い切削動力
となっている。また、送り速度を変化させても、1
刃当りの送り量を一定にすれば切削動力はほとん
ど変わらない。
図５ １刃当りの送り量一定のときの切削動力
続いて、φ 0.2mm、深さ4mm の貫通孔加工を
行った。
1 刃当りの送り量を一定にすれば切削動力がほ
ぼ変わらないという前項の結果より、加工時間短
縮のため、一番送り速度の速い条件で加工を行っ
た。
このときの切削動力を図6に示す。深さ2mm
のときと同様に、シンニング有りのドリルは無し
のドリルに比べて常に15 ～ 25%低い切削動力と
なり、シンニングが有効に機能していることが分
かった。
図６ 加工孔数と切削動力の関係(t=4mm)
0
5
10
15
20
0 2 4 6 8 10 12
加工孔数[孔] ス
ラ
ス
ト
力
[
N]
シンニング無
シンニング有
回転数 : 50000rpm
１刃あたりの送り : 0.0012mm
送り速度 : 120mm/min
0
5
10
15
20
25
0 20 40 60 80 100 120 140
加工孔数[孔]
スラスト力[N]
シンニング無
シンニング有
回転数 : 5000～50000rpm
１刃あたりの送り : 0.0012mm
送り速度 : 12～120mm/min
また、加工後のドリル刃先をSEM 観察したも
のを図7、8 に示す。切粉の溶着に注目すると、
シンニング有りのドリルの方が溶着が少なく、良
好な加工が行われていることが分かった。
図７ シンニング無し図８ シンニング有り
3.2 シンニング装置の開発
3.2.1 シンニング装置の概要
φ 0.2mm の微細径ドリルへのシンニング加工
は一般に難しく、できたとしても技能に頼らざる
得ないのが現状である。そこで本研究では、微細
径ドリルへの高精度なシンニング加工を、簡便に
行うことができる装置を開発した。
図9および図10 に示すように、観察位置と加
工位置を分離し、その間の移動を、軽量なドリル
チャック部を精密ステージに載せて制御すること
で行えるようにした。これにより、カメラ等で観
察をするスペースを確保することができ、ドリル
のセッティングを正確に行うことができる。
図９ シンニング装置（観察位置）
図１０ シンニング装置（加工位置）
また、微細径ドリルへのシンニング加工では、
ドリルの素材である超硬の微粒子径が相対的に大
きくなり、シンニング加工によってチッピングが
生じる恐れがある。本装置では、シンニング加工
状態において、図11 のようにドリルのシンニン
グ加工部を砥石の切削面に対して揺動させる機構
を有しているため、シンニング面の面粗度を向上
させることができ、加工エッジでのチッピングの
発生を抑制できる。
図１１ 揺動の効果
3.2.2 シンニング加工実験
まず、φ 0.8mm のドリルに対して、揺動は行
わずにシンニング加工を行った。加工条件は表2
のとおり。
表２ 加工条件
砥石回転数2700rpm
砥石径φ 125mm
砥石先端R 0.25mm
砥石粒度#1000
加工したドリルの拡大写真を図12 に示す。左
右対称に良好に加工できていることが分かる。
図１２ φ0.8mmドリルへのシンニング加工
砥石
回転方向
シンニング面
砥石
ドリル
加工エッジ
揺動無し
砥石
回転方向
砥石
ドリル
揺動
シンニング面
加工エッジ
揺動有り
また加工後のドリルを横から拡大した写真を図
13、図14 に示す。切り込み深さ70 μ m 程度の
加工ができていることが分かる。
A 部
図１３ シンニング加工後
図１４ シンニング加工後（A部拡大）
3.2.3 加工再現性の確認
加工再現性の確認を行うため、φ 0.8mm のド
リル先端に、同じ加工条件、同じステージ移動量
で4 本連続して加工を行った。ドリル１本につき
2カ所加工するため、計8回の加工でのシンニン
グ加工のエッジ先端座標を測定した。結果を図15
に示す。
図１５ シンニング加工エッジ先端座標
この結果より、本装置の加工再現性が±約5 μ
m に収まることが確認された。
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30
X軸方向誤差[μm]
Z軸方向誤差[μm]
埼玉県産業技術総合センター研究報告第４巻（2006）
この誤差は、切り込み方向の移動を手動で行っ
ていることや、ドリル自体の形状精度によるもの
と考えられる。切り込み方向の移動については、
自動ステージに切り替えることで解消されると考
えられる。
3.2.4 φ0.2mmドリルへのシンニング加工
続いて、φ 0.2mm のドリルに対してシンニン
グ加工を行った。加工条件は表3 のとおり。
表３ 加工条件
砥石回転数2700rpm
砥石径φ 125mm
砥石先端R 25 μ m
砥石粒度#4000
加工したドリル先端のＳＥＭ拡大写真を図16
に示す。φ 0.2mm の微細径ドリルにも左右対称
にシンニング加工が行うことができた。
図１６ φ0.2mmドリルへのシンニング加工
また、加工面の面粗度を非接触三次元測定器で
測定した。測定箇所が微小であり、JIS 規格を満
たす測定距離は取れなかったため、比較のための
参考値とはなるが、揺動無しでRz91.4nm だった
ものが、揺動有りでRz45.9nm となり約50%低減
されている。
４ まとめ
ドリルの刃先にシンニングを行い、切削動力の
測定、及び刃先のSEM 観察をすることによって、
微細深孔ドリルに対するシンニングの効果につい
て検討を行った。
その結果、微細深孔ドリルに対してシンニング
を行うことによって、切削動力が最大30%減少
し、切粉の溶着を抑制できることが分かった。
さらに、微細径ドリルに対して、特別な技術を
要せずに正確なシンニング加工を施すことができ
る装置を開発した。φ 0.8mm 微細径ドリルに対
して加工実験を行った結果、加工再現性が±約5
μ m 以内となることを確認した。また、φ 0.2mm
ドリルに対しても、左右対称にシンニング加工が
行うことができ、揺動を行うことによって、シン
ニング面の表面粗さが約50%低減されることも
確認できた。
来年度は、シンニング加工したφ 0.2mm の微
細深孔ドリルを用いて、微細深孔加工の実験を行
っていきたい。
謝辞
本研究を進めるにあたり、多大な御協力、御指
導を頂きました埼玉大学の堀尾健一郎教授、金子
順一助手、フジノン㈱の松田信一参事(技術アド
バイザー、客員研究員)に感謝の意を表します。
参考文献
1) 中野良治他：高出力ガス機関KU30GA の開
発、三菱重工技報、38、4(2001)202
2) 三木好信：電子制御ME 型機関と排気エミッ
ション制御、将来燃料と原動機に関する最新情
報講演論文集、日本内燃機関連合会、(2002)2
3) 船舶に排ガス規制、日本経済新聞、42217(2003)
4) 南部、落合、秋葉、清水、永久保：光通信、
半導体等関連部品のための超微細深穴加工の研
究、埼玉県産業技術総合センター研究報告、3、
(2005)172
5) 百地武：空気静圧軸受搭載高速加工機による
微小径穴あけ加工例、ﾂｰﾙｴﾝｼﾞﾆｱ、39、5(1998)36
6) 嶽岡悦雄：ﾏｼﾆﾝｸﾞｾﾝﾀによる金型高効率・高精
度加工、機械技術、43、6(1995)24
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