JP2006062033A - ３次元自由曲面を有する部材の研磨工程 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の３次元自由曲面を有する部材を電解砥粒研磨とその他の研磨方法を組み合わせる事により研磨時間の短縮を図ることができる研磨工程を提供する。
【解決手段】複数の３次元自由曲面を有する部材の研磨工程において、電解砥粒研磨手段と、バレル研磨手段、バフ研磨手段、電子ビーム加工手段、およびショットブラスト手段の１種類以上とを組み合わせて研磨を行う。
【選択図】図１−（ａ）

Description

本発明は複数の３次元曲面を有する部材の研磨方法に関するものである。

被加工物が、例えば金型その他の複雑な凹凸表面を有する金属部材等のような任意の自由曲面を鏡面研磨するものとして、電解により被加工物表面に生じる不働態皮膜を砥粒で除去し、それによって被加工物表面を鏡面研磨するようにした電解砥粒研磨が提案されている。（特許文献１参照）。
特公平４−２０７２７号公報（特許請求の範囲の請求項１、２頁４欄〜４頁７欄、および第３図）

しかしながら、上記の従来技術は、複数の３次元曲面を有する部材が例えばチタンの場合、機械加工（切削、研磨）が難しく、その研磨を電解砥粒研磨で行っても、表面粗さが０．１μｍRa以下を実現するには研磨時間に長時間を要してしまう問題点を有する。

そこで、本発明は上述した点に鑑み、複数の３次元自由曲面を有する部材を電解砥粒研磨とその他の研磨方法を組み合わせる事により研磨時間の短縮を図ることを目的とするものである。

前記課題を達成する本発明の第１の態様は、複数の3次元自由曲面を有する部材の研磨工程において、電解砥粒研磨手段と、バレル研磨手段、バフ研磨手段、電子ビーム加工手段、およびショットブラスト手段の１種類以上とを組み合わせて研磨を行うことにより微小な取りしろでワークの形状を崩さない精密な研磨と、複雑な凹凸表面を有する任意の自由曲面に対し、高能率な研磨加工を可能にしたことを特徴とする３次元自由曲面を有する部材の研磨工程にある。

したがって、電解砥粒研磨手段にバレル研磨手段、バフ研磨手段、レーザー研磨手段、及びショットブラスト手段とを組み合わせて研磨することにより、その相乗効果によって研磨時間の大幅な短縮を図ることができる。

本発明の第２の態様は、第１の態様において、上記の研磨された３次元自由曲面を有する部材の表面粗さは、０．１μｍRa以下を実現したことを特徴とする３次元自由曲面を有する部材の研磨工程にある。

したがって、大幅な研磨時間の短縮と共に表面粗さが、０．１μｍRa以下の実現を図ることができる。

本発明の第３の態様は、第１、および第２の態様において、上記のバレル研磨手段は電解砥粒研磨手段の前又は／及び後の工程で行うものであり、且つ荒バレル研磨又は／及び仕上げバレル研磨であることを特徴とする３次元自由曲面を有する部材の研磨工程にある。

したがって、３次元自由曲面を有する部材の複雑な形状の内面を研磨するのに適しているバレル研磨手段を電解研磨手段の前後の工程でバレル研磨手段を併用し、且つ荒バレル研磨又は／及び仕上げバレル研磨を適用し、より表面粗さ（Ra）の最小化と研磨時間の短縮を図ることができる。

本発明の第４の態様は、第１、第２、および第３の態様において、上記の電解砥粒研磨手段は、電解砥粒自動研磨又は／および電解砥粒手動研磨で行うものであることを特徴とする３次元自由曲面を有する部材の研磨工程にある。

したがって、上記の構成によれば、電解砥粒研磨手段は、電解砥粒自動研磨又は／および電解砥粒手動研磨を行うものであるので、３次元自由曲面を有する部材の形状及び研磨する部位が複雑であり研磨しにくい場合は電解砥粒手動研磨を適用し、電解砥粒自動研磨、電解砥粒手動研磨を使い分け、研磨時間の短縮を図ることができる。

以下、本発明の実施形態を説明する。

図1−（ａ）〜（ｇ）は本発明の電解砥粒研磨手段（電解砥粒自動研磨手段または／および電解砥粒手動研磨手段）と、バレル研磨手段、バフ研磨手段、電子ビーム加工手段、およびショットブラスト手段の１種類以上とを組み合わせて研磨を行う工程フローチャートの例を示すものである。
図１−（ａ）本発明の電解砥粒研磨手段（電解砥粒自動研磨手段または／および電解砥粒手動研磨手段）と、バレル研磨手段、バフ研磨手段、電子ビーム加工手段、およびショットブラスト手段の１種類以上とを組み合わせて研磨を行う工程フローチャートの１例を、図１−（ｂ）は２例を、図１−（ｃ）は３例を、図１−（ｄ）は４例を、図１−（ｅ）はの５例を、図１−（ｆ）は６例を、図１−（ｇ）は７例をそれぞれ示すものである。

なお、上記の図1−（ａ）〜（ｇ）は本発明の電解砥粒研磨手段（電解砥粒自動研磨手段または／および電解砥粒手動研磨手段）と、バレル研磨手段、バフ研磨手段、電子ビーム加工手段、およびショットブラスト手段の１種類以上とを組み合わせて研磨を行う工程フローチャートの１〜７例を示すものであり、これに限定されるものではない。
以下に、上記のそれぞれの研磨手段について、具体的に説明する。

図２〜４は本発明の電解砥粒研磨手段である電解砥粒自動研磨装置の自動化ラインの１例を示したものである（特願2004-220354号参照のこと）。
図２は平面図を、図３は正面図、図４は側面図を示したものである。
上記の電解砥粒自動研磨装置の自動化ラインはパレット搬入レーン３−１とパレット搬出レーン３−２からなるパレット搬送ライン３と、研磨ライン４と、該パレット搬送ライン３と該研磨ライン４間でのパレット移動手段（オートパレットチェンジャー＝ＡＰＣ(Auto Palette Changer)）１０からなり、該パレット搬送手段は該搬入レーン３−１と該搬出レーン３−２の２列で平行配置され、該搬入レーン３−１は研磨前の該パーツ（複数の３次元自由曲面を有する部材）１を搭載した該パレット２が図２の矢印方向（紙面に向かって右から左方向に）に搬送され、該搬出レーン３−２は研磨後の該パーツ（複数の３次元自由曲面を有する部材）１を搭載した該パレット２を図２の矢印方向（紙面に向かって左から右方向に）に搬送させる。
該研磨ライン４は該研磨槽５、該ツールホルダー６、該スピンドル７で構成され、図２に示すごとく該研磨槽５と該ツールホルダー６は一体的になっており、テーブル９上を図３のＸ軸方向に移動するものである。また、該スピンドル７は図３のＺ軸方向（紙面に向かって上下方向）、及び図４のＹ軸方向に移動するものである。
パレット移動手段１０は該搬送ライン３と該研磨ライン４の一方端に跨って、図２、及び２において紙面に向かって左端に設置され、パレット移動手段１０を構成するパレット該搬送アーム１１は図４に示すごとくＺ軸方向（紙面に向かって上下方向）、及び決められた高さでのＹ軸方向（該搬送ライン３、及び該研磨ライン４の長手方向に対して直角な方向）に動くことによって、研磨前のパーツ（複数の３次元自由曲面を有する部材）１が搭載された該パレット２を該搬入レーン３−１から該研磨ライン４の該研磨槽５に移し、研磨後のパーツ（複数の３次元自由曲面を有する部材）１を該研磨槽５から該搬出レーン３−２に移すものである。
図４の制御装置１３は本発明の電解砥粒自動研磨装置を構成する搬送ライン３、研磨ライン４、及びパレット移動手段１０を自動的に制御するためのＣＰＵで構成された制御装置１３である。
上記の本発明の電解砥粒自動研磨装置の自動化ラインは、該搬送ライン３と該研磨ライン４はそれぞれのラインの長手方向で平行に配置されているので、ラインの長さを短くでき、かつ、面積的にも無駄のない配置となっており、設置場所にフレキシビィリティを有するものである。さらに、該搬送ライン３と該研磨ライン４間の該パーツ（複数の３次元自由曲面を有する部材）１の移動はパレット搬送アーム１１によるパレット移動手段１０により自動化を実現している。さらに、複数の３次元自由曲面を有する該パーツ（複数の３次元自由曲面を有する部材）１を研磨するのに、複数の３次元自由曲面に応じて複数種類の該研磨工具８を必要とし、該研磨工具８を自動的に交換できる自動工具交換手段（オートツールチェンジャー＝ＡＴＣ（Auto Tool Changer））手段を備え、かつ、複数の３次元自由曲面を有する該パーツ（複数の３次元自由曲面を有する部材）１の電解砥粒研磨を複数の３次元自由曲面に応じた複数の該研磨工具８により自動化を実現したものである。
上記において、電解砥粒研磨は、研磨前の該パーツ（複数の３次元自由曲面を有する部材）１がセットされた該研磨槽５が図３のＸ軸方向に動き、該研磨工具８がチャッキングされた該スピンドル７付近で停止される。停止された該パーツ（複数の３次元自由曲面を有する部材）１の３次元自由曲面ｋ1の近傍に該スピンドル７が降下し、回転する該スピンドル７の該研磨工具８が該パーツ（複数の３次元自由曲面を有する部材）１の３次元自由曲面に接触し、接触部分にノズル１２から電解液（砥粒なし、または砥粒を含む）を流しながら、該研磨工具８をマイナス極、該パーツ（複数の３次元自由曲面を有する部材）１をプラス極として電解液を介して該研磨工具８と該パーツ（複数の３次元自由曲面を有する部材）１間に電流をながし電解砥粒研磨が行われる。

次に、電解砥粒研磨手段の電解砥粒手動研磨について、図５〜７に基づき説明する（特願2003-097904号参照のこと）。
図５において、研磨工具８は研磨工具回転シャフト１５を有し、前記研磨工具回転シャフト１５は回転駆動機１８によりフレキシブル回転シャフト１７を介して回転するものである。前記回転駆動機１８は回転駆動機用電源２７により駆動される。
上記研磨工具８の研磨工具回転シャフト１５の回転は、図７−（ａ）に示すように、研磨工具回転シャフト１５の軸の中心点Ｏを中心に回転しながら、研磨工具回転シャフト１５の軸の中心点Ｏが円Ｐの半径ｒの円周上を移動しながら回転する揺動回転をするものである。このような回転について説明すると、図７−（ａ）において、Ｏは研磨工具８の中心点であり、Ａは研磨工具１上の任意の点（実際には研磨電極の先端設けられた研磨体の外周に相当する）であり、ＲはＯからＡまでの距離（実際には研磨工具８の中心点から研磨体２６外周までの半径）であり、ω１は研磨工具８の回転数を示すものであり、研磨工具８は工具中心点Ｏを中心にして回転数ω１で回転している。更に、工具回転をしながら研磨工具８の中心点Ｏは、円Ｐの円周上を移動しながら回転数ω2で回転する。この回転が揺動回転である。
図６に示すように、研磨工具８の研磨工具回転シャフト１５の先端部には研磨砥粒を含有する粘弾性体である研磨体２６が形成されている。前記研磨体２６には螺旋状のスリット１６が形成されており、前記スリット１６の間には銅線からなる電極線１４が嵌め込まれている。そして、前記電極線１４は研磨工具８の電極工具回転シャフト１５に電気的に接続されている。前記電極線１４はスリット１６の深さよりも直径小さくし、研磨体２６の表面よりも出ないようにする。
図５において、電解液供給装置１９は電解液２３をシリンジ２０から圧送するものであり、シリンジ２０より電解液２３が供給される。
電解液２３の供給は、図６に示すように研磨体２６が被加工物の金属部材１に当接する箇所の近傍に供給され、供給された電解液２３は電解液回収容器２５に回収される。
図５において、整流器２４より直流電流供給用電線２１を介して、研磨体２６とスリット１６に埋め込まれている電極線１４をマイナス電極、被加工物の金属部材１をプラス電極として電流が印加される。
図５において、電流を流す直流電流供給用電線２１は回転駆動機１８とフレキシブル回転シャフト１７の取付け部に接続され、電極線１４から研磨工具８の研磨工具回転シャフト１５とフレキシブル回転シャフト１７を通って電流が流れるものである。
被加工物の金属部材１に印加された電流は電解液２３を通して電極線１４に流れる。流す電流は電流計２２で電流を読み取り、電流密度で管理する。
上記の３次元自由曲面の電解砥粒手動研磨装置は、回転駆動機１８と研磨工具８はフレキシブルなシャフトで連結されているので、研磨工具８の大きさが小さくでき、かつ重量も小さくなり、手動で小さな部材の複雑な３次元自由曲面を研磨することが可能となる。また、研磨工具８の回転はシャフトの軸中心の回転と共にシャフトの軸中心点が円Ｐの円周上を移動しながら回転する揺動回転をするものであるので、研磨に際し発熱が少なく、熱くなりにくい、また研磨力が向上し、早く作業ができる、また小さい力で研磨でき、研磨面がきれいである、また巻き込みがなく、跳ね返りもないので安全である、細部まで研磨ができ、エッジ部、稜線部をダラさずに偏った研磨が防止できる、研磨体の目詰まりを起こし難く、研磨体の長寿命化が可能となるものである。

次に、バレル研磨手段について説明する。
バレル研磨手段は一般的にバレル研磨と呼ばれているものであり、被加工物と研磨材（メディア）との相対摩擦によるバリ取り、表面研磨などの加工をおこなう方法である。特殊な工具などを必要とせず、面を均一に処理することができる。
荒バレル研磨と仕上げ研磨の違いは、荒バレル研磨は仕上げバレル研磨よりも研削力が強い、整面する働きを有するものをいい（仕上げバレルの前処理）、仕上げバレル研磨は研削力はあまりなく、鏡面にする作用を有するものをいい、メディアの大きさ、材質（セラミック、プラスチック、プラスチックよりも弾性のあるもの）、及び湿式か乾式などを適宜選んで決められる。

次に、バフ研磨手段について説明する。
布製またはその他の材料で作られた研磨輪（バフ）の周囲（表面）に種々の研磨剤を付けて研磨輪（バフ）回転させて素材を研磨するものである。素材表面に光沢を出したい場合などに仕上げ研磨として有効である。部材の平面、凸面の仕上げ研磨に適している。

次に、電子ビーム加工手段について説明する。
非常に短い時間内に電子ビームを広範囲に照射し、表面より２μｍ程度の深さにおいて急速溶解と急速冷却が行われることによって面粗さ面粗さでは、加工する前の約１／４程度に面粗度を良くすることが可能であり、また急熱急冷により加工表面はアモルファス化されるので、より光沢が増し、錆にも強い面が得られる。仕上げ研磨に有効である。

次に、ショットブラスト手段について説明する。
無数のメディア（鉄粉の様な硬い物から、ガラスパウダー、クルミの殻の粉、ナイロン樹脂の粉など）をエアーの力で高速で製品表面に投射し、スケール除去及び表面研磨を行うもの。広範囲を短時間で均一に処理できる。

次に、本発明の複数の３次元曲面を有する部材について説明する。その１例を図８−（ａ）〜（ｃ）に示す。同図−（ａ）は１例の１つ目を示す断面図であり、同図−（ｂ）は１例の２つ目を示す断面図であり、同図−（ｃ）は１例の３つ目を示す斜視図である。ｋ1〜ｋ4は研磨面を示すものである。
また、複数の３次元曲面を有する部材の材質は、チタン（Ｔｉ）、ステンレス、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）など機械加工（切削、研磨）が難しい金属に適用できる。

次に、上記の図１−（ａ）〜（ｇ）に示す、本発明の電解砥粒研磨手段（電解砥粒自動研磨手段または／および電解砥粒手動研磨手段）と、バレル研磨手段、バフ研磨手段、電子ビーム加工手段、およびショットブラスト手段の１種類以上とを組み合わせて研磨を行う工程フローチャートの１〜７例における研磨時間の結果を比較例と共に表１〜４に示す。
表１は図８−（ａ）の研磨面ｋ1を研磨した場合、表２は図８−（ｂ）の内面ｋ2を研磨した場合、表３は図８−（ｂ）の外面ｋ3を研磨した場合、表４は図８−（ｃ）の外面ｋ4を研磨した場合の結果を示したものである。各表中の%は研磨率を示し、30%は表面粗さ０．４μｍRa以下を、50%は表面粗さ０．３５μｍRa以下を、60%は表面粗さ０．３μｍRa以下を、65%は表面粗さ０．２８μｍRa以下を70%は表面粗さ０．２５μｍRa以下を、80%は表面粗さ０．２μｍRa以下を、85%は表面粗さ０．１８μｍRa以下を、90%は表面粗さ０．１５μｍRa以下を、95%は表面粗さ０．１２μｍRa以下を、100%は表面粗さ０．１μｍRa以下の場合を示し、○は実施する工程、―は実施しない工程、△は電解砥粒研磨時間が他の工程の追加によって時間短縮される工程、×は他の工程の追加によって廃止できる工程を示すものである。





上記の表１〜４の結果から、本発明の３次元自由曲面を有する部材の研磨工程は、比較例に比べて、研磨時間の大幅な短縮が図られることが明らかである。
このように本発明の３次元自由曲面を有する部材の研磨工程は、電解砥粒研磨手段にバレル研磨手段、バフ研磨手段、ショットブラスト手段、電子ビーム加工手段の１種類以上を組み合わせることにより、研磨時間の大幅な短縮が図られ、複雑な凹凸表面を有する任意の自由曲面に対し、高能率な研磨加工を可能にすると共に、微小な取りしろでワークの形状を崩さない精密な研磨を実現した画期的な研磨工程の提供を可能にしたものである。

なお、上記の表１〜４は、上記の図１−（ａ）〜（ｇ）の工程フローチャートの１例を示すものである。

本発明の電解砥粒研磨手段にバレル研磨手段、バフ研磨手段、ショットブラスト手段、電子ビーム加工手段の１種類以上を組み合わせることにより、研磨時間の大幅な短縮が可能となり、手動研磨よりも大幅な研磨時間の短縮が図られた電解砥粒研磨手段よりもさらに研磨時間の短縮が可能となり、複数の３次元自由曲面を有するパーツの精密研磨に寄与するところ大である。

本発明の電解砥粒研磨手段（電解砥粒自動研磨手段または／および電解砥粒手動研磨手段）と、バレル研磨手段、バフ研磨手段、電子ビーム加工手段、およびショットブラスト手段の１種類以上とを組み合わせて研磨を行う工程フローチャートの１例を示すものである。 本発明の電解砥粒研磨手段（電解砥粒自動研磨手段または／および電解砥粒手動研磨手段）と、バレル研磨手段、バフ研磨手段、電子ビーム加工手段、およびショットブラスト手段の１種類以上とを組み合わせて研磨を行う工程フローチャートの２例を示すものである。 本発明の電解砥粒研磨手段（電解砥粒自動研磨手段または／および電解砥粒手動研磨手段）と、バレル研磨手段、バフ研磨手段、電子ビーム加工手段、およびショットブラスト手段の１種類以上とを組み合わせて研磨を行う工程フローチャートの３例を示すものである。 本発明の電解砥粒研磨手段（電解砥粒自動研磨手段または／および電解砥粒手動研磨手段）と、バレル研磨手段、バフ研磨手段、電子ビーム加工手段、およびショットブラスト手段の１種類以上とを組み合わせて研磨を行う工程フローチャートの４例を示すものである。 本発明の電解砥粒研磨手段（電解砥粒自動研磨手段または／および電解砥粒手動研磨手段）と、バレル研磨手段、バフ研磨手段、電子ビーム加工手段、およびショットブラスト手段の１種類以上とを組み合わせて研磨を行う工程フローチャートの５例を示すものである。 本発明の電解砥粒研磨手段（電解砥粒自動研磨手段または／および電解砥粒手動研磨手段）と、バレル研磨手段、バフ研磨手段、電子ビーム加工手段、およびショットブラスト手段の１種類以上とを組み合わせて研磨を行う工程フローチャートの６例を示すものである。 本発明の電解砥粒研磨手段（電解砥粒自動研磨手段または／および電解砥粒手動研磨手段）と、バレル研磨手段、バフ研磨手段、電子ビーム加工手段、およびショットブラスト手段の１種類以上とを組み合わせて研磨を行う工程フローチャートの７例を示すものである。 本発明の電解砥粒研磨手段の電解砥粒自動研磨装置の自動化ラインの１例を示したものであり、その平面図を示す。 本発明の電解砥粒研磨手段の電解砥粒自動研磨装置の自動化ラインの１例を示したものであり、その正面図を示す。 本発明の電解砥粒研磨手段の電解砥粒自動研磨装置の自動化ラインの１例を示したものであり、その側面図を示す。 本発明の電解砥粒研磨手段の電解砥粒手動研磨装置の斜視図を示すものである。 図４の○部の拡大詳細図を示すものである。 図４の電解砥粒手動研磨装置での研磨工具８の工具回転と揺動回転の動作を示す説明図を示すものである。 図４の電解砥粒手動研磨装置での研磨工具８の研磨工具回転と揺動回転の軌跡を示すものである。 本発明の複数の３次元自由曲面を有する部材の１例を示すものであり、１例の１つ目を示す断面図である。 本発明の複数の３次元自由曲面を有する部材の１例を示すものであり、１例の２つ目を示す断面図であり、同図（ｃ）は１例の３つ目を示す斜視図である。 本発明の複数の３次元自由曲面を有する部材の１例を示すものであり、１例の３つ目を示す斜視図である。

符号の説明

１ 複数の３次元自由曲面を有する部材
２ パレット
３ 搬送ライン
３−１ 搬入レーン
３−２ 搬出レーン
４ 研磨ライン
５ 研磨槽
６ ツールホルダー
７ スピンドル
８ 研磨工具
９ テーブル
１０ パレット移動手段
１１ 搬送アーム
１２ ノズル
１３ 制御装置
１４ 電極線
１５ 研磨工具回転シャフト
１６ 弾性体のスリット
１７ フレキシブル回転シャフト
１８ 回転駆動機
１９ 電解液供給装置
２０ シリンジ
２１ 直流電流供給用電線
２２ 電流計
２３ 電解液
２４ 整流器
２５ 電解液回収容器
２６ 研磨体
２７ 回転駆動機用電源
Ｏ 研磨工具回転シャフトの軸中心点
Ａ 研磨工具上の任意の点
Ｒ ＯからＡまでの距離
Ｐ 揺動中心点
ｒ 揺動半径
ω1 研磨工具回転シャフトの回転数
ω2 揺動回転数
ｋ1 図８−（ａ）の複数の３次元自由曲面を有する部材の研磨面を示す。
ｋ2 図８−（ｂ）の複数の３次元自由曲面を有する部材内面の研磨面を示す。
ｋ3 図８−（ｂ）の複数の３次元自由曲面を有する部材外面の研磨面を示す。
ｋ4 図８−（ｃ）の複数の３次元自由曲面を有する部材の研磨面を示す。

Claims (4)

1. 複数の３次元自由曲面を有する部材の研磨工程において、電解砥粒研磨手段と、バレル研磨手段、バフ研磨手段、電子ビーム加工手段、およびショットブラスト手段の１種類以上とを組み合わせて研磨を行うことにより微小な取りしろでワークの形状を崩さない精密な研磨と、複雑な凹凸表面を有する任意の自由曲面に対し、高能率な研磨加工を可能にしたことを特徴とする３次元自由曲面を有する部材の研磨工程。
2. 上記の研磨された３次元自由曲面を有する部材の表面粗さは、０．１μｍRa以下を実現したことを特徴とする請求項１に記載の3次元自由曲面を有する部材の研磨工程。
3. 上記のバレル研磨手段は電解砥粒研磨手段の前又は／及び後で行うものであり、且つ荒バレル研磨又は／及び仕上げバレル研磨を含むことを特徴とする請求項１、及び２に記載の3次元自由曲面を有する部材の研磨工程。
4. 上記の電解砥粒研磨手段は、電解砥粒自動研磨又は／および電解砥粒手動研磨を行うものであることを特徴とする請求項１、２、及び３に記載の3次元自由曲面を有する部材の研磨工程。