JP2006082213A - 削り加工と鏡面研磨の方法および削り加工・鏡面研磨装置 - Google Patents

削り加工と鏡面研磨の方法および削り加工・鏡面研磨装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 部材の表面処理において、同心状の削り加工が行えるとともに鏡面研磨も同一作業により行える削り加工と鏡面研磨の方法を提供すること
【解決手段】 研磨対象(試料1)を支持台4の上に固定し、その試料1に対して研磨バイト2を非接触に対面させて隙間には磁気研磨液3を存在させる。磁気研磨液3には非磁性の砥粒を混合し、増粘剤としてαセルロースなどを混合する。研磨バイト2は、永久磁石11を円柱体10の中心に埋め込んでバイト面は中心が奥底になる窪み形状とし、駆動モータ5により回転させる。永久磁石11の磁場により研磨液中に生成した磁気クラスタが、液中の砥粒を試料1の表面に押さえつけ作用し、研磨液の流動に伴って砥粒が動き回る。試料1は定位置に支持した状態とするので周速が速い外周側で研削が進む。
【選択図】 図1

Description

本発明は、精密機械部品や金型そしてガラス材料などの表面に対して同心状の削り加工と鏡面研磨とを同時に行うことのできる削り加工と鏡面研磨の方法および削り加工・鏡面研磨装置に関するもので、より具体的には、研磨対象に対して研磨工具を非接触に対面し、これらの間に磁気研磨液を存在させて非磁性の砥粒により研磨を行うことの改良に関する。
研磨対象の表面を鏡面に仕上げる技術として、遊離砥粒を分散させた研磨剤を研磨対象とラップ定盤との間に介在させた状態で両者を擦り合わせる動作を行うラッピングや、ラッピングよりも微細な砥粒を用い、ポリッシングパッドと呼ばれる柔らかい工具により研磨対象との擦り合わせ動作を行うポリシングなどが行われている。
なお、磁気研磨液を用いる研磨の技術には、例えば特許文献1に見られるようなものが知られている。これには、磁気研磨液における分散粒子を調整することにより研磨液の性能を改善し、精密な研磨、仕上げ加工に適用し得るような技術の提案がある。
特開2002−170791号公報
部材の表面処理に関して、同心状の削り加工を行うとともに鏡面に研磨したいという要求がある。この2つの処理は同時同一の作業によって加工できればコストを減らすことができ、生産性が上がるメリットがあって好ましい。
この要求は、例えば光学レンズの加工などに見られる。つまり、近年は超小型カメラを組み込んだ携帯電話機などが普及している。係る組み込み用途では、レンズは超小径のものが求められることはもちろんであるが、安価であることが重要な要求仕様になっている。このため、同心状の削り加工とともに鏡面研磨が行えると、コスト低減に大いにメリットが生じることになる。
しかしながら、従来は対応し得るような技術の提案がなく、レンズ面を得るような同心状の削り加工と鏡面研磨とは、それぞれ独立した別々の作業工程において行われる技術しかなかった。
この発明は上記した課題を解決するもので、その目的は、部材の表面処理において、同心状の削り加工が行えるとともに鏡面研磨も同一作業により行える削り加工と鏡面研磨の方法および削り加工・鏡面研磨装置を提供することにある。
上記した目的を達成するために、本発明に係る削り加工と鏡面研磨の方法は、研磨対象に対して同心状の削り加工と鏡面研磨とを同時に行うような削り加工と鏡面研磨の方法であって、研磨対象に対して研磨工具を非接触に対面させてそれぞれに支持し、前記研磨工具の支持部に回転手段および磁場を発生する磁場発生源を設け、前記研磨対象と前記研磨工具との間に磁気研磨液を存在させて当該磁気研磨液には増粘剤および非磁性の砥粒を混合しておき、前記研磨対象は定位置に支持した状態で前記回転手段により前記研磨工具を回転するとともに、前記磁場発生源により前記磁気研磨液に時間的に定常的あるいは変動的な磁場を加えるようにした。
また、本発明の削り加工・鏡面研磨装置は、研磨対象に対して同心状の削り加工と鏡面研磨とを同時に行うための削り加工・鏡面研磨装置であって、研磨対象を定位置に支持する第1支持部と、研磨工具を支持する第2支持部とを備えて両支持部が対向する配置として前記研磨対象に対して前記研磨工具を非接触に対面させ、前記研磨工具の支持部に回転手段および磁場を発生する磁場発生源を設け、前記研磨対象と前記研磨工具との間に磁気研磨液を存在させて当該磁気研磨液には増粘剤および非磁性の砥粒を混合しておき、前記研磨対象は定位置に支持した状態で前記回転手段により前記研磨工具を回転するとともに、前記磁場発生源により前記磁気研磨液に時間的に定常的あるいは変動的な磁場を加える構成とした。
また、前記研磨バイトは、非磁性体からなる円柱体に同心に永久磁石を埋め込み、前記研磨対象に対面させるバイト面は中心の前記永久磁石が奥底になる窪み形状とし、当該永久磁石により磁場を発生する構成としたり、あるいはまた、非磁性体からなる円柱体に対して環状の永久磁石を同心に複数を埋め込み、磁性部位と非磁性部位とが同心に交互に繰り返す構成としたりするとよい。
また、上記各発明において使用する磁気研磨液としては、動粘度0.01〜100mm/s程度の水やケロシン等の分散媒中に、粒子径1〜80μmの強磁性粒子を好ましくは10〜95wt%分散させた流体に対して、粒子径10〜50nmの球形マグネタイト粒子が電気絶縁性を有する水やケロシン等の分散媒に一様に分散した流体を好ましくは5〜90wt%混合した複合流体に、粒子径0.01〜100μmの非磁性の砥粒を混合し、さらに増粘剤としてαセルロースなどの繊維状物質あるいはポリビニルアルコール等の樹脂を混合して形成したものをもちいることができる。
したがって本発明では、回転動作する研磨バイトは磁場発生源を有し、このため研磨バイトと研磨対象との間に磁場が作用し、磁気研磨液において磁気クラスタが生成する。例えば、上述した組成からなる磁気研磨液において、強磁性粒子(例えば鉄粒子),マグネタイト粒子が磁気吸引力により多数が凝集して磁気クラスタとなる。磁気クラスタは、磁束に沿うので研磨対象に対立して針状に多数が立ち並び、これにより磁気研磨液中に存在する砥粒が研磨対象の表面に押えつけられる。また、磁気クラスタに絡み込まれた砥粒もあるので、それらも研磨対象の表面に押えつけられる。
係る状態で研磨バイトが回転動作することから、砥粒は研磨対象の表面を接触しつつ運動する。このため、研磨対象の表面の凸部を砥粒が研削し、より平滑な表面が得られる。
このとき、研磨バイトの外周部は内周部よりも周速が速いため研削の効率がよく、すなわち回転する研磨バイトでは内側に比べて外側が研削が進み、このため、研磨面は中央部の削り量が少なくて外周に向かって深く削り込まれる研削になり、中央から同心状に外周へ凹んでいく削り加工が行える。また、磁気クラスタの分布は磁場発生源による磁場の分布に対応する。このため磁場の分布を調整することで研磨バイトの削り特性を適宜に変えることができ、所望の曲率面となるような削り加工が行い得る。
また、上述した組成からなる磁気研磨液を用いた場合、その磁気研磨液にはαセルロース等の増粘剤を含むので、添加した増粘剤は磁気クラスタを保持するように作用する。その結果、多数の砥粒が研磨対象の表面に接触する状況を促進でき、同心状の削り加工および鏡面研磨を高効率に行えるようになる。
本発明に係る削り加工と鏡面研磨では、磁気研磨液において生成した磁気クラスタが押さえ力を発現し、砥粒に研削を行わせることになり、研磨対象は定位置に支持した状態とすることから、同心状の削り加工が行えるとともに、鏡面研磨も同一作業により行える。したがって、部材の表面処理において、例えばレンズ面となるような同心状の削り加工が行えて加工コストを低減でき、生産性を格段に向上することができる。
図1は、本発明の好適な一実施の形態を示している。本実施の形態において、削り加工・鏡面研磨装置は、研磨対象(試料1)を支持台4に固定し、その試料1に対して研磨バイト2を非接触に対面させるとともに、対面させた間には磁気研磨液3を存在させ、研磨バイト2は例えば永久磁石など磁場を発生する磁場発生源を有していて駆動モータ5により回転させて、磁気研磨液3に生成した磁気クラスタの作用により流体研磨を行う構成になっている。
支持台4は天面に試料1を固定し、スプリングネジ6によりトラバース装置7の基台8に取り付ける構成をとる。支持台4の裏底側には、接触式のロードセル9を配置している。つまり、トラバース装置7の基台8を動かすことで支持台4の上下位置を初期設定し、加工時に生じる押さえ力の状況をロードセル9により検出するようになっている。
研磨バイト2は、非磁性体からなる円柱体10に同心に永久磁石11を埋め込んだ構成を採り、それら両者の取り合い関係を所定に設定している。すなわち、図2に示すように、円柱形状の永久磁石11をただ一つだけ円柱体10の中心に埋め込むとともに、試料1に対面させるバイト面は中心の永久磁石11が奥底になる窪み形状とし、円柱体10の直径w2,永久磁石11の直径w1,窪み部の深さh,窪み部の幅w3に関して、
w2/w1=3
w3/h=4
w3=(w2−w1)/2
1.0 ≦ w2/w1 ≦ 3.0
0.1 ≦ h/w3 ≦ 10.0
という設定にしている。
また、研磨バイト2は、図3(a),(b)に示すように、非磁性体からなる円柱体10に環状の永久磁石11を同心に複数を埋め込み、磁性部位と非磁性部位とが同心に交互に繰り返す構成を採ることもよい。
駆動モータ5には、例えばボール盤,旋盤,NC旋盤,フライス盤などの回転駆動機構を用いることができ、出力軸に連結したチャック部12に研磨バイト2の軸を取り付けし、着脱が行える構成になっている。
このような構成によれば、研磨バイト2と試料1との間では、図4に示すように、磁束が生じて磁気研磨液3において磁気クラスタ13が生成する。つまり、研磨バイト2には永久磁石11を埋め込んであるので磁場が作用し、永久磁石11と試料1との間で磁束が生じ、強磁性粒子(例えば鉄粒子),マグネタイト粒子が磁気吸引力により多数が凝集して磁気クラスタ13となる。磁気クラスタ13は、磁束に沿うので試料1に対立して針状に多数が立ち並ぶことになる。
このとき、磁気研磨液3においては、増粘剤として加えたαセルロース14が磁気クラスタ13の相互間に織り込み状態に位置を占める。さらに非磁性の砥粒15を加えてあるので、これは磁気クラスタ13に絡み込まれるものもあるが、多くは試料1の表面に存在することになる。したがって、針状に立ち並ぶ磁気クラスタ13および織り込み状態のαセルロース14とによって、磁気研磨液3の中に存在する砥粒15が試料1の表面に押さえつけられる。また、磁気クラスタ13およびαセルロース14に絡み込まれた砥粒15もあるので、それらも試料1の表面に押えつけられる。
係る状態で研磨バイト2が回転動作することから、砥粒15は試料1の表面を接触しつつ運動する。このため、試料1の表面の凸部を砥粒15が研削し、より平滑な表面が得られる。つまり、鏡面研磨が行える。
このとき、研磨バイト2の外周部は内周部よりも周速が速いため研削の効率がよい。その結果、回転する研磨バイト2では内側に比べて外側が研削が進む。このため、研磨面は中央部の削り量が少なく、外周に向かって深く削り込まれる研削になり、中央から同心状に外周へ凹んでいく削り加工が行える。また、磁気クラスタ13の分布は永久磁石11による磁場の分布に対応し、このため磁場の分布を調整することで研磨バイト2の削り特性を適宜に変えることができ、所望の曲率面となるような削り加工が行い得る。
この削り加工は、逆に言えば中央が凸形状で同心状に外周へ凹んでいく加工であるので、レンズ表面の曲率面の加工そのものと言え、すなわち、レンズ面となるような同心状の削り加工が行える。
磁場が定常的では、磁気クラスタ13は磁束に沿って整列して立ち並び、磁力により整列状態が保持されるので砥粒15が試料1の表面(研磨面)に適度に当たって研磨が行える。また、磁場が変動的では、磁気クラスタ13は動揺し、このときも砥粒15が研磨面に適度に当たり研磨が行える。このように、試料1に対して研磨バイト2を接触させずに所定に隔てた非接触の状態であっても、磁気クラスタ13およびαセルロース14の押さえ作用により研磨することができ、流体研磨が行える。
また、磁気研磨液3には増粘剤としてαセルロース14を含むので、添加した増粘剤は磁気クラスタ13を保持するように作用し、その結果、多数の砥粒が研磨対象の表面に接触する状況を促進でき、同心状の削り加工および鏡面研磨を高効率に行えるようになる。もちろん、本発明では必ずしも増粘剤は必要ではなく、増粘剤を添加しない磁気研磨液を用いても良い。
したがって、本発明に係る削り加工と鏡面研磨によれば、磁気研磨液3において生成した磁気クラスタ13が押さえ力を発現し、砥粒15に研削を行わせることになる。そして、試料1は定位置に支持した状態とすることから、例えばレンズ面となるような同心状の削り加工が行えるとともに、鏡面研磨も同一作業により行える。
なお、図5に示す研磨バイトは、後述する評価試験で用いた比較例である。この比較例の研磨バイトは、円柱形状の永久磁石11をただ一つだけ円柱体10の中心に埋め込み、バイト面は窪ませずに平坦とし、円柱体10の直径w2,永久磁石11の直径w1に関して、
1.0 ≦ w2/w1 ≦ 3.0
という設定にしている。この比較例の研磨バイトによれば、研磨面を平面に仕上げることができ、通常の鏡面研磨が行える。
(実施例1)
図1に示す削り加工・鏡面研磨装置を用いて試料の研磨および同心状の削り加工を行った。つまり、本発明の効果を実証するため、加工の条件を替えて複数の試料を研磨し、それら各試料について同心状の削り加工の状態および表面粗さRa(算術平均粗さ)を評価した。
磁気研磨液としては表1に示す組成とし、表2に示す条件により評価試験を行っており、その結果、同表に合わせて示すような削り加工の状態および表面粗さRaが得られた。
Figure 2006082213
Figure 2006082213
つまり、磁気研磨液はその組成に、非磁性の砥粒として粒子径0.05μmのアルミナを含み、さらに増粘剤としてαセルロースを含むものとする。評価試験の条件は表2に示すように、試料は真鍮,SUS304,アルミ,亜鉛,アクリル,ジュラルミンからなる合計10個とし、研磨バイトは図2に示す(a),図3に示す(b),図5に示す(比較例)の3つとし、回転数は500rpm、試料との間隔は1mm、研磨時間は1時間としている。
その結果、番号2の試料、つまり比較例の研磨バイトでは鏡面研磨は行えるものの同心状の削り加工は行えないことを確認した。そして、他の試料では1.5〜14.9μm程度の表面粗さRaが得られること、および同心状の削り加工によって削り部が適正に形成できていることを確認した。
この削り部は、中央から同心状に外周へ凹んでいっており、いわゆるレンズ表面のような曲率面が得られた。予想し得るように、この削り加工では加工時間を長くすると削り深さが深くなり、加工時間と削り深さとの関係は表3に示すような関係にあることを確認した。
Figure 2006082213
また、図6は表3のデータを作図した削り深さのグラフ図であり、加工時間が1時間では削り部の深さが64.7μmで、表面粗さRaは10.7nmが得られた。このように、削り深さは加工時間に正の相関があるので、加工時間を調整することで適宜な削り深さを得ることができる。
すなわち、本発明に係る削り加工と鏡面研磨によれば、部材の表面処理において、同心状の削り加工が行えるとともに鏡面研磨も同一作業により行うことができ、本発明の有用性が確認できた。
(実施例2)
次に、試料をガラス板とし、研磨バイトは図3に示す(b)として、レンズ加工を模擬した評価試験を行った。ここでは、磁気研磨液は表1に示す組成であり、回転数は500rpm、試料との間隔は1mm、研磨時間は2時間としている。
その結果、削り部は、図7に示すように同心状に形成できた。そして、図8に示すように、中央から同心状に外周へ凹んでいっており、最外周の深さは10μmが得られた。また、表面粗さRaは加工前が784nmであり、当該削り部では14nmが得られた。
したがって、この場合も、同心状の削り加工が行えるとともに鏡面研磨も同一作業により行うことができ、いわゆるレンズ表面のような曲率面が得られるという本発明の有用性が確認できた。
本発明に係る削り加工・鏡面研磨装置の好適な一実施の形態を示す構成図である。 研磨バイトの好適な例1を示す断面図である。 研磨バイトの好適な例2を示し、(a)が断面図、(b)がそのバイト面を示す平面図である。 磁気クラスタによる流体研磨を示す説明図である。 研磨バイトの比較例を示す断面図である。 表3のデータを作図した削り深さのグラフ図である。 同心状の削り加工を説明する平面図である。 同心状の削り加工を説明する断面図である。
符号の説明
1 試料(研磨対象)
2 研磨パッド
3 磁気研磨液
4 支持台
5 駆動モータ
6 スプリングネジ
7 トラバース装置
8 基台
9 ロードセル
10 円柱体
11 永久磁石
12 チャック部
13 磁気クラスタ
14 αセルロース
15 砥粒

Claims (6)

  1. 研磨対象に対して同心状の削り加工と鏡面研磨とを同時に行うような削り加工と鏡面研磨の方法であって、
    研磨対象に対して研磨工具を非接触に対面させてそれぞれに支持し、
    前記研磨工具の支持部に回転手段および磁場を発生する磁場発生源を設け、
    前記研磨対象と前記研磨工具との間に磁気研磨液を存在させて当該磁気研磨液には増粘剤および非磁性の砥粒を混合しておき、
    前記研磨対象は定位置に支持した状態で前記回転手段により前記研磨工具を回転するとともに、前記磁場発生源により前記磁気研磨液に時間的に定常的あるいは変動的な磁場を加えることを特徴とする削り加工と鏡面研磨の方法。
  2. 前記磁気研磨液は、
    動粘度0.01〜100mm/s程度の水やケロシン等の分散媒中に、粒子径1〜80μmの強磁性粒子を分散させた流体に対して、粒子径10〜50nmの球形マグネタイト粒子が電気絶縁性を有する水やケロシン等の分散媒に一様に分散した流体を混合した複合流体に、粒子径0.01〜100μmの非磁性の砥粒を混合し、さらに増粘剤としてαセルロースなどの繊維状物質あるいはポリビニルアルコール等の樹脂を混合して形成されていることを特徴とする請求項1に記載の削り加工と鏡面研磨の方法。
  3. 研磨対象に対して同心状の削り加工と鏡面研磨とを同時に行うための削り加工・鏡面研磨装置であって、
    研磨対象を定位置に支持する第1支持部と、研磨工具を支持する第2支持部とを備えて両支持部が対向する配置として前記研磨対象に対して前記研磨工具を非接触に対面させ、
    前記研磨工具の支持部に回転手段および磁場を発生する磁場発生源を設け、
    前記研磨対象と前記研磨工具との間に磁気研磨液を存在させて当該磁気研磨液には増粘剤および非磁性の砥粒を混合しておき、前記研磨対象は定位置に支持した状態で前記回転手段により前記研磨工具を回転するとともに、前記磁場発生源により前記磁気研磨液に時間的に定常的あるいは変動的な磁場を加えることを特徴とする削り加工・鏡面研磨装置。
  4. 前記研磨バイトは、非磁性体からなる円柱体に同心に永久磁石を埋め込み、前記研磨対象に対面させるバイト面は中心の前記永久磁石が奥底になる窪み形状とし、当該永久磁石により磁場を発生することを特徴とする請求項3に記載の削り加工・鏡面研磨装置。
  5. 前記研磨バイトは、非磁性体からなる円柱体に対して環状の永久磁石を同心に複数を埋め込み、磁性部位と非磁性部位とが同心に交互に繰り返す構成とすることを特徴とする請求項3に記載の削り加工・鏡面研磨装置。
  6. 前記磁気研磨液は、
    動粘度0.01〜100mm/s程度の水やケロシン等の分散媒中に、粒子径1〜80μmの強磁性粒子を10〜95wt%分散させた流体に対して、粒子径10〜50nmの球形マグネタイト粒子が電気絶縁性を有する水やケロシン等の分散媒に一様に分散した流体を5〜90wt%混合した複合流体に、粒子径0.01〜100μmの非磁性の砥粒を混合し、さらに増粘剤としてαセルロースなどの繊維状物質あるいはポリビニルアルコール等の樹脂を混合して形成されていることを特徴とする請求項3から5のいずれか1項に記載の削り加工・鏡面研磨装置。
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