JP2004249417A - 電界砥粒による刃先研磨仕上げ方法、刃先を有する微細部品の作製方法、及び刃先を有する微細部品 - Google Patents

Abstract

【課題】ドリルやボールエンドミル等の微細工具や注射針などの刃先を高品位に、且つ短時間に研磨仕上げし、その長寿命化を可能にする電界砥粒による刃先研磨仕上げ方法、刃先を有する微細部品の作製方法、及び刃先を有する微細部品を提案する。
【解決手段】本発明は、微細部品の刃先を回転電極とし、表面に加工パッドを取り付けた回転電極定盤との間に、２０℃にて１〜１０００ｃＳｔの粘度を有するシリコーンオイル中に、粒子径が０．１〜３０μｍの電気的誘電性を持つ砥粒を１〜５０ｗｔ％分散させた機能性流体を介在させて、電界強度±０．３〜５ｋＶ／ｍｍ，周波数０．１〜３０Ｈｚの交流電界を印加すると共に加工面圧を与えながら微細工具を回転させて刃先を研磨仕上げすることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ドリルやボールエンドミル等の微細工具や注射針などの刃先を高品位に、且つ短時間に研磨仕上げし、その長寿命化を可能にする電界砥粒による刃先研磨仕上げ方法、刃先を有する微細部品の作製方法、及び刃先を有する微細部品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高精度な金型や部品等の形状創成加工に活用できる高速ミリングが研究開発され、専用ＣＡＤ／ＣＡＭ、高速マシニングと並んで微細工具の開発が重要な研究要素となっている。
従前より、ドリルやボールエンドミル等の微細な回転工具は砥石によってその刃を作製（研削、研磨）していた。
この微細な回転工具に用いる材質は、被削材の高硬度化に伴い、タングステン系合金やダイヤモンドの次に硬いといわれるｃＢＮ材が用いられるようになってきており、工具の作製の難易度が高まっている。
さらに時代は軽薄短少化が著しく、金型にも微細加工が求められ、工具の直径が１ｍｍ以下の工具が求められている。微細工具の誕生により、人手による砥石を用いた刃先の面取り仕上げ加工は困難となっている。
工具の作製方法は、砥石を用いて刃を作製する。そのため、微細工具の刃先には微細な加工痕が残り、この加工痕が被削材の面に転写する事、特に靱性に乏しいｃＢＮ系微細工具では、刃先に残存する微細な凸部が被削材に接触するときに被削材を押し込み、局部的に高い応力が発生し、その反力が工具の微細な凸部に掛かることで、チッピングと言う欠け（欠損）を生じて工具の寿命を短命化させるという問題点がある。
【０００３】
また、靱性に優れた素材をコーティングしたコーティング工具も知られているが、ブラスト処理や砥粒を用いた磁気研磨をコーティング工具の前処理として行うことにより、刃先状態のばらつきを改善する試みもなされている（例えば非特許文献１など）。
【０００４】
【非特許文献１】
２００２年砥流加工学会学術講演会講演論文集，第３２３頁〜第３２８頁
【０００５】
しかし、この方法でも、微細工具の刃先を高品位に研磨仕上げすることができなかった。また、加工時間が長いという問題もあった。
【０００６】
その他の方法としては、ホーニング・ブラスト等があり、大きい凸部を飛ばすことができるという利点を有するものである。
しかし、この方法では、脱落した部分から微細クラックが発生する可能性が大きいという問題があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、前述の問題を解消し、微細工具の刃先を高品位に、且つ短時間に研磨仕上げし、工具の長寿命化を可能にする方法を提案することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記を鑑み提案されたもので、微細部品の刃先を回転電極とし、表面に加工パッドを取り付けた回転電極定盤との間に、２０℃にて１〜１０００ｃＳｔの粘度を有するシリコーンオイル中に、粒子径が０．１〜３０μｍの電気的誘電性を持つ砥粒を１〜５０ｗｔ％分散させた機能性流体を介在させて、電界強度±０．３〜５ｋＶ／ｍｍ，周波数０．１〜３０Ｈｚの交流電界を印加すると共に加工面圧を与えながら微細工具を回転させて刃先を研磨仕上げすることを特徴とする電界砥粒による刃先研磨仕上げ方法に関するものである。
【０００９】
また、本発明は、前記の刃先研磨仕上げ方法で研磨仕上げする工程を含むことを特徴とする刃先を有する微細部品の作製方法をも提案する。
【００１０】
さらに、本発明は、前記の作製方法にて作製されたことを特徴とする刃先を有する微細部品をも提案する。
尚、本発明における刃先を有する微細部品とは、主としてドリルやボールエンドミル等の工具であるが、例えば注射針（この場合の刃先とは、針先を指す。）などでも良い。
【００１１】
【作用】
前記本発明によると、３分程度の短い加工時間で、直径数ｍｍ程度の微細部品でも、例えば直径１ｍｍ以下の微細工具の刃先を処理することも可能であって、すなわち刃先の凸部を滑らかにする事で、被削材の加工仕上がり面が良好となる。その効果として、未処理工具で加工した場合には被削材の加工仕上がりはＲｙで５〜１０μｍ程度であるのに対し、処理後の工具ではＲｙで３μｍ以下程度とすることができる。また工具の寿命を１．２〜３倍程度へ延ばすことができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明に用いる機能性流体（液状組成物）は、以下の溶媒と砥粒からなる。
溶媒は、２０℃において１〜１０００ｃＳｔの粘度を有するシリコーンオイルを主成分として用いる。
砥粒は、粒子径が０．１〜３０μｍの電気的誘電性を持つ絶縁性粒子、半導体粒子、金属粒子であり、加工幅（１〜５０μｍ）に応じてそれ以下の粒子径のものを用いる。この砥粒の電気的誘電性については、砥粒の比誘電率が前記溶媒の比誘電率より１以上大きいものが望ましい。それにより砥粒は液状組成物中に与えられた電界勾配によって砥粒にクーロン力が（誘発）される。
この砥粒としては、加工性（研磨性）が必要であるため、その硬度が被加工物（微細部品の刃先）の硬度と同等或いはそれ以上であるか、被加工物（微細部品の刃先）とメカノケミカル作用を有するものが用いられる。具体的にはダイヤモンドやコランダム、エメリー、ザクロ石、珪石、焼成ドロマイト、溶融アルミナ、人造エメリー、炭化珪素、酸化ジルコニウム、立方晶系窒化ホウ素ｃＢＮなど、或いはメカノケミカル研磨に使用される酸化クロムや酸化珪素、酸化鉄、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化セリウム、炭化マグネシウム、炭酸バリウムなどが挙げられる。
そして、前記溶媒中に、前記砥粒を混合して超音波分散機などにて均一に分散させて液状組成物とする。つまり凝集させないことが必要である。また、砥粒濃度は、１〜５０ｗｔ％とするが、５０ｗｔ％を超えると均一分散が困難となり、１ｗｔ％に満たないと研磨効率が低いものとなる。
【００１３】
また、本発明にて印加する交流電界は、電界強度±０．３〜５ｋＶ／ｍｍ，周波数０．１〜３０Ｈｚ、波形は立ち上がりが３０〜５００Ｖ／μｓｅｃの繰り返しでプラス、マイナスに振れる方形波や正弦波である。印加周波数が０．１Ｈｚ未満では流体としての流動性を悪化させること，砥粒が沈降する可能性があり、３０Ｈｚを超えると砥粒が周波数に対して応答できず動けなくなる。
【００１４】
本発明の対象である微細部品は、その先端の刃先が回転電極として用いられるものであって、特に材質を限定するものではないが、例えばタングステン合金系やｃＢＮ材などの超硬材や導電性を有する脆性材、プラスチックさらに砥粒を保持しながら加工を進める銅合金やステンレス、さらに焼入れ鋼などを用いることができる。また、この微細部品を回転電極として用いるのであるが、回転速度を１０〜２００ｒｐｍ程度とすることが望ましい。
【００１５】
上記微細部品が兼ねる回転電極に対する他方の回転電極定盤は、表面に絶縁材より形成される加工パッドを取り付けたものであって、この回転電極定盤をＸ−Ｙ軸テーブルとし、それに対して垂直方向をＺ軸とすると、微細部品はＺ軸に垂直状若しくは傾斜状に配して高速回転するように制御する。
また、微細部品（工具等の）刃先部の面取り幅は、工具直径の１０％以下とする。
刃先部の面取り形状を施す方法として、回転電極の回転方向を時計方向、回転定盤の回転方向を反時計方向とすることにより、砥粒に対して相対速度を与え、砥粒に回転運動が生じ、面取り研磨が進行する。
前記のような流体、部品の回転方法方向、並びに回転定盤の回転方向、回転条件を微細部品に所定時間与えることにより、同様な刃先面取り加工を形成することが可能となる。
【００１６】
【実施例】
〔予備実験〕
実験装置の模式図を図１に示した。
この装置を用い、ダイヤモンドパウダーを分散させた機能性流体を相対運動しているボールエンドミルと回転テーブルの間に滴下し、交流電界を印加した状態における砥粒挙動をＣＣＤカメラで観察したところ、ボールエンドミルの刃先に多くの砥粒が電界の変化に応答して付着する現象が見られた。この現象により、ボールエンドミルと回転テーブル間で砥粒が転動し、短時間に刃先の仕上げ加工が完了するものと考えられた。
【００１７】
〔研磨仕上げ実験〕
試料として、直径２ｍｍの超硬合金ＷＣ製ボールエンドミルを用いた。
機能性流体は、溶媒として、信越シリコーン製ｋｆ−９６（粘度１００ｃＳｔ）を用い、砥粒として、平均粒径８μｍの東名ダイヤモンド製のダイヤモンドパウダーを２０ｗｔ％に調整し、混合後に超音波分散器で３０秒間分散させて作製した。ボールエンドミルの刃先仕上げ時間を１２０秒間の一定とし、ボールエンドミルの回転速度は３０ｒｐｍ、仕上げテーブルは４０ｒｐｍとした。印加する交流電圧は１．５ｋＶ、周波数は０．８Ｈｚとした。
得られたボールエンドミルは、工具としての寿命が従来のものに比べて２倍程度長いものであることがその後の実験で確認された。また、研磨前の刃先はＲｙで５μｍ程度であったが、処理後の刃先はＲｙで２μｍ程度とすることができた。
【００１８】
〔加工実験〕
得られたボールエンドミルの効果を調べるため、被削材としてＳＳ４００を用い、工具を取りつけた主軸回転数６０００ｒｐｍ、送り速度１３６ｍｍ／ｍｉｎ、切り込みｚ軸０．２ｍｍの加工条件にて加工実験を行った。結果は図２に示す。
即ち図４，図５に示すように、未仕上げ処理ボールエンドミルによる加工では、加工開始部と加工終端部とで著しい差異があるのに対し、図２，図３に示すように、仕上げ処理済みボールエンドミルによる加工では、加工開始部と加工終端部とで殆ど差異は認められなかった。
【００１９】
以上本発明の実施例を示したが、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の構成を変更しない限りどのようにでも実施することができる。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、従来に比べて極めて短い加工時間で、数ｍｍ程度或いはそれ以下の微細部品に適用でき、例えば直径１ｍｍ以下の微細工具などの刃先を処理することも可能であって、材質等を制限することもなく、高品位に研磨仕上げすることができるものである。
また、得られた微細工具などの刃先は、刃先の凸部が滑らかになり、その効果として工具の寿命化を可能とするものであり、高速ミリングに好適に適用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例における研磨仕上げの実験装置を模式的に表した斜視図である。
【図２】実施例における加工実験の結果（表面性状結果）を示す光学顕微鏡写真であって、仕上げ処理済みボールエンドミルによる加工開始部における加工後の表面性状を示す光学顕微鏡写真（４０倍）である。
【図３】実施例における加工実験の結果（表面性状結果）を示す光学顕微鏡写真であって、仕上げ処理済みボールエンドミルによる加工終端部における加工後の表面性状を示す光学顕微鏡写真（４０倍）である。
【図４】実施例における加工実験の結果（表面性状結果）を示す光学顕微鏡写真であって、未仕上げ処理ボールエンドミルによる加工開始部における加工後の表面性状を示す光学顕微鏡写真（４０倍）である。
【図５】実施例における加工実験の結果（表面性状結果）を示す光学顕微鏡写真であって、未仕上げ処理ボールエンドミルによる加工開始部における加工後の表面性状を示す光学顕微鏡写真（４０倍）である。

Claims (3)

1. 微細部品の刃先を回転電極とし、表面に加工パッドを取り付けた回転電極定盤との間に、２０℃にて１〜１０００ｃＳｔの粘度を有するシリコーンオイル中に、粒子径が０．１〜３０μｍの電気的誘電性を持つ砥粒を１〜５０ｗｔ％分散させた機能性流体を介在させて、電界強度±０．３〜５ｋＶ／ｍｍ，周波数０．１〜３０Ｈｚの交流電界を印加すると共に加工面圧を与えながら微細工具を回転させて刃先を研磨仕上げすることを特徴とする電界砥粒による刃先研磨仕上げ方法。
2. 微細部品の刃先を回転電極とし、表面に加工パッドを取り付けた回転電極定盤との間に、２０℃にて１〜１０００ｃＳｔの粘度を有するシリコーンオイル中に、粒子径が０．１〜３０μｍの電気的誘電性を持つ砥粒を１〜５０ｗｔ％分散させた機能性流体を介在させて、電界強度±０．３〜５ｋＶ／ｍｍ，周波数０．１〜３０Ｈｚの交流電界を印加すると共に加工面圧を与えながら微細部品を回転させて刃先を研磨仕上げする刃先研磨仕上げ方法で研磨仕上げする工程を含むことを特徴とする刃先を有する微細部品の作製方法。
3. 微細部品の刃先を回転電極とし、表面に加工パッドを取り付けた回転電極定盤との間に、２０℃にて１〜１０００ｃＳｔの粘度を有するシリコーンオイル中に、粒子径が０．１〜３０μｍの電気的誘電性を持つ砥粒を１〜５０ｗｔ％分散させた機能性流体を介在させて、電界強度±０．３〜５ｋＶ／ｍｍ，周波数０．１〜３０Ｈｚの交流電界を印加すると共に加工面圧を与えながら微細部品を回転させて刃先を研磨仕上げする刃先研磨仕上げ方法で研磨仕上げする工程を含む作製方法にて作製されたことを特徴とする刃先を有する微細部品。

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