JP2007160485A - 物品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】直接的な加工によって、所望の面粗度を有する物品、特に金属製品（典型的には金型）、を製造する方法を提供すること。
【解決手段】加工液に分散した加工粒を介在させながら、製造する物品の一部の形状を反転させた形状の加工面を有する工具を被削材の被加工面近傍において超音波振動させて、被削材の被加工面を精密加工する鏡面精密加工工程を含む方法によって物品を製造する。
【選択図】図１

Description

本発明は、物品の製造方法に関し、特に金属製品の製造方法に関する。

物品、例えば金属製品、は、使用目的に応じて所定の面粗度を有することが求められる。その例として、リフレックスリフレクタの成型に利用される金型について以下に説明する。

リフレックスリフレクタは、自動車、自転車、道路標示等において反射プリズム（反射器）として使用されており、他にも工場等においてセンサーの反射器等として使用されている。リフレックスリフレクタが自動車等の道路交通の分野で使用される場合、リフレックスリフレクタの反射性等は、安全性の観点から日本工業規格（ＪＩＳ）並びに国際規格により規定されている。例えば、日本においては、自動車に使用されるリフレックスリフレクタは、ＪＩＳ Ｄ１６１９の規格に基づいて測定された反射性能がＪＩＳ Ｄ５５００の規格を満たさなければ使用することはできない。

自動車等において使用されるリフレックスリフレクタは、一般に樹脂から形成され、図７に示すように、小さな面がそれぞれ直交して形成された反射素子を多数配列することによって構成されている。ここで、ＪＩＳ規格等を満足するリフレックスリフレクタを得るためには、高精度の面粗度及び面角度が要求される。一般に、リフレックスリフレクタは金型成型によって製造されているので、ＪＩＳ規格を満足するリフレックスリフレクタを得るためには、その金型の各面の面粗度及び面角度が重要となる。特に、金型の成型面が鏡面であることが要求される。

従来、このリフレックスリフレクタ製造用の金型を機械加工によって直接的に作製すると、ＪＩＳ規格を満足するリフレックスリフレクタを得ることができないでいた。その理由は、通常の切削加工では十分な面粗度を得ることができないためである。それに加えて、通常の研削加工ではリフレックスリフレクタ製造用金型に必要とされる、三面がそれぞれ直交する凹面の加工ができないためである。そのため、この金型は、高精度の面粗度（鏡面）及び面角度を有するピンを用いた電鋳によって製造されている。そこで、リフレックスリフレクタ製造用金型の従来の製造方法において使用するピンについてまず説明する。図８は、ピンの平面図であり、図８（ａ）はピン２１の軸側面から見た正面図、図８（ｂ）は、ピン２１の軸方向から見た上面図である。ピン２１は、通常正六角形の軸断面を有し、金型が電鋳される側の端部は、面取りされたように３つの加工面２１ａによって錘状体を形成している。３つの加工面２１ａは、直方体の角部分のようにそれぞれ直交していると同時に、鏡面仕上げされている。複数のピン２１は、図９に示すように、金型を製造するための原型を作製するために、束ね合わせられる。図９は、ピン２１を隙間無く配列したときの上面図であり、図１０は、図９のＡ−Ａ断面図である。

次に、ピン２１を用いて金型及びリフレックスリフレクタを製造する従来の方法を説明する。図１１（Ａ）〜（Ｅ）は、金型及びリフレックスリフレクタの製造方法を説明するための工程図である。まず、図１１（Ａ）の工程において、図９に示すように複数のピン２１を束ね合わせて原型を作製する。図１１（Ａ）は、ピン２１一列分の断面図である。次に、図１１（Ｂ）の工程において、電気鋳造によりピン２１の上に厚さ約１０ｍｍのメッキ層２２を形成する。次に、図１１（Ｃ）の工程において、メッキ層２２をピン２１から取り外し、金型の台座２３に嵌め込むことによって金型２４を形成する。次に、図１１（Ｄ）の工程において、金型２４を使用して樹脂を成型し、リフレックスリフレクタ２５を得る（図１１（Ｅ））。

図１１に示す工程においては、平板状のリフレックスリフレクタの製造方法を示したが、自動車において使用されるリフレックスリフレクタでは、曲面を有するものも必要とされることがある。その場合、図９〜図１１に示すような方法で曲面を形成するためには、ピン２１を束ねる際に、図１２に示すようにピン２１を段階的に上下にずらして配置しなければならない。しかしながら、そのような配置にすると、鏡面仕上げされていないピン２１の側面２１ｂが露出すると共に、側面２１ｂと隣接するピンの加工面２１ａとの交角が９０°にならないので、このような原型からリフレックスリフレクタを製造しても十分な反射性能を得ることはできない。そこで、ピン自体を楔状に形成することによって曲面を形成するもの（例えば、特許文献１参照）やピンの間に楔状のスペーサを配置することによって曲面を形成するもの（例えば、特許文献２参照）が知られている。

米国特許４７３３９４６号明細書 米国特許５５６５２２１号明細書

リフレックスリフレクタ用の金型の製造においては、規格を満たすリフレックスリフレクタを得るために、金型は、直接的に加工することができず、電気鋳造により製造されていた。図１１に示す工程のようにピン２１を用いてリフレックスリフレクタ２５を製造する場合、リフレックスリフレクタ２５の反射性は、ピン２１の小面（鏡面）２１ａの面粗度及び面角度に依存することになる。そのため、ピン２１は高精度でなければならず、束ね合わせる複数（通常１０００本以上）のピン２１の製造で約１ヶ月を要する。さらにピン２１を組み合わせた原型から電気鋳造によりメッキ層２２を作製するのに約３ヶ月を要する。したがって、ピン２１の製作からリフレックスリフレクタ２５の製造までは、およそ４ヶ月以上を要することになり、自動車業界においては、リフレックスリフレクタの製造スピードが、自動車のモデルチェンジの対応に大きな影響を及ぼす。特に、自動車メーカーにおいて開発スピードが高速化しており、リフレックスリフレクタの製造の所要時間が重要な要素となっている。

また、先に述べたように、自動車等において使用されるリフレックスリフレクタは、ＪＩＳ規格等を満たさなければならないが、配光試験に合格できない場合は、また数ヶ月かけてピン又は金型（メッキ層）からリフレックスリフレクタを作製し直さなければならなくなる。

デザイン面に関しても、ピンの束から曲面を有する場合、曲面に対してピンの角度を任意に配置することは困難であるばかりか、配光性能を出すことも難しくなる。したがって、自動車のリフレックスリフレクタのデザインは単純な形状にするしかなく、ピンの束からの金型製作はデザイン性の観点からも好ましくない。

環境面に関しても、従来の電気鋳造を使用する製造方法では、電気鋳造に製造時間が必要とされるだけではなく、クロム等を含有する有害な廃液が大量に排出される。したがって、環境問題、廃棄物処理コストの面からも電気鋳造の使用を避けることが望まれている。

したがって、リフレックスリフレクタ製造用金型のような所定の面粗度、特に鏡面、を必要とする物品においては、形状や大きさによらず直接的に加工することができる製造方法が望まれている。

本発明の目的は、直接的な加工によって、所望の面粗度を有する物品、特に金属製品、を製造する製造方法を提供することである。

本発明の主たる特徴は、工具を超音波振動させることによって、工具の加工面形状を被削材に転写させることにある。

本発明の第１視点によれば、加工液に分散した加工粒を介在させながら、製造する物品の一部の形状を反転させた形状の加工面を有する工具を被削材の被加工面近傍において超音波振動させて、被削材の被加工面を精密加工する鏡面精密加工工程を含む物品の製造方法を提供する。

上記第１視点の好ましい形態によれば、鏡面精密加工工程により、工具の加工面の形状を被削材の被加工面に転写形成する。別の好ましい形態によれば、工具の超音波振動は、工具の加工面から加工粒に対し、加工粒が被削材の被加工面に対し加工仕事を成すに十分な振動を与えるよう伝達される。別の好ましい形態によれば、鏡面精密加工工程において、工具の一軸方向に工具を超音波振動させる。別の好ましい形態によれば、鏡面精密加工工程において、工具の加工面と被削材の被加工面との間隔は、工具の加工面が被削材の被加工面に最も接近したときにおいて、加工粒の平均粒径の０．５倍〜０．９倍である。別の好ましい形態によれば、加工粒は、被削材を鏡面精密加工するが工具の加工面を保持しうる硬度を有する。

上記第１視点の好ましい形態によれば、加工粒は、結晶性乱層構造窒化硼素を含む。さらに好ましい形態によれば、加工粒は、結晶性乱層構造窒化硼素である。さらに好ましい形態によれば、結晶性乱層構造窒化硼素は、水性加工液に分散含有され、鏡面精密加工工程において、水性加工液を被削材の被加工面に供給することにより結晶性乱層構造窒化硼素を介在させる。さらに好ましい形態によれば、水性加工液における結晶性乱層構造窒化硼素の濃度は、０．０２質量％〜２０質量％である。さらに好ましい形態によれば、結晶性乱層構造窒化硼素の一次粒子の平均粒径は０．５μｍ以下である。

上記第１視点の好ましい形態によれば、鏡面精密加工工程において、工具の振動周波数は２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ、工具の振幅は０．０１μｍ〜１００μｍである。

上記第１視点の好ましい形態によれば、鏡面精密加工工程において使用する工具は柱状体を有し、柱状体の端部は、２以上の加工面から構成され、各加工面は互いに所定の交角で交わっており、鏡面精密加工工程において、工具の端部の形状が被削材の被加工面に転写される。さらに好ましい形態によれば、工具の加工面は、単結晶ダイヤモンドを有する加工面を成すか、複数のダイヤモンド粒子を含む加工面を成すか、又はダイヤモンド被膜を有する加工面を成す。

上記第１視点の好ましい形態によれば、本発明の物品の製造方法は、鏡面精密加工工程の後に、レーザを用いて被削材の表面を表面処理する仕上げ工程をさらに含む。

本発明の物品、特に金属製品（例えば金型）、の製造方法によれば、複雑な形状を有するリフレックスリフレクタ用金型のような所定の面粗度を必要とする物品であっても、直接的な加工により製造することができる。これにより、例えばリフレックスリフレクタ製造用金型のような物品の場合、製造時間の短縮、製造コストの削減、有害物質排出量の削減及びデザイン性の拡張を可能にする。詳細には、原型（例えばピン）の製作及び電気鋳造が不要となるので、物品の製造に要する時間を大幅に短縮することができる。物品（例えばリフレックスリフレクタ製造用金型）の製造時間の短縮によって、該物品及び該物品を使用して製造される製品（例えばリフレックスリフレクタ）の製造コストを削減することができると共に、該製品及び該製品を使用するその他の製品（例えば自動車）等の開発スピードを向上することができる。また、有害な廃液を排出する電気鋳造を行わないことにより、有害物質の使用・排出量、及び廃棄物処理費を抑えることもできる。さらに、工具の角度を被削材に対して任意に設定できる、すなわち曲面の中心方向から加工することができるので、電気鋳造による製造方法では困難であった曲面を有する物品（例えばリフレックスリフレクタ製造用金型）であっても容易に製作することができる。これにより、該物品を使用する製品（例えばリフレックスリフレクタ）のデザインの幅を広げることができる。

本発明の物品の製造方法は、金属材料（単体、合金、焼結体）、セラミックス等の非金属無機材料（焼成体、焼結体）、サーメット等の金属とセラミックスの複合材料等、さらにはプラスチック材料及びその複合材料等、種々の無機、有機又はこれらの複合材料（物品）に適用することができる。

本発明の物品の製造方法は、主として２つの工程を含む。第１工程は、物品（被削材）を所定の形状に粗加工する粗加工工程である。そして、第２工程は、所望の面粗度及び面角度を出すように物品（被削材）の粗加工面を精密加工する鏡面精密加工工程である。

第１工程の粗加工工程においては、被削材を所望の形状に荒削り可能なものであれば、いずれの切削加工法を使用しても良い。例えば、ミーリング加工によって被削材を加工することができる。第１工程においては、被削材の被加工面の面粗度が、算術平均高さＲａ（算術平均粗さ）において好ましくは５μｍ以下、より好ましくは２μｍ以下、さらに好ましくは１μｍ以下になるように加工する。

第２工程の鏡面精密加工工程においては、製造する物品の一部の形状を有する加工部を有する工具を使用し、その工具を超音波振動させることによって、工具の加工部の形状を被削材に転写させると共に、被削材の被加工面を鏡面加工する。図１に、鏡面精密加工工程の模式図を示す。図１においては、例として、加工部に１つの平面を有する工具を示している。工具１は、所定の形状及び面粗度を有する加工面１ａを有し、被削材２は、粗加工工程において所定の形状及び面粗度まで加工された被加工面２ａを有する（図１（ａ））。工具１と被削材２との間に、加工粒３ａを含有する加工液３を供給しながら、工具１を軸方向（図１においては縦方向）に超音波振動させて、被加工面２ａを加工する（図１（ｂ））。加工後、被削材２は、工具１の加工面１ａの形状を有することになり、その被加工面２ａは所定の面粗度、好ましくは鏡面状、になっている。図１においては、工具１の加工面１ａを平面にしてあるが、本発明においては、工具の加工面の形状は平面に限定されること無く、複数の面を有するものや角部や曲面を有する種々の形状に適用することができる。

鏡面精密加工工程においては、加工粒が被削材の被加工面に対し加工仕事を成すように、工具の超音波振動が、工具の加工面から加工粒に対し十分に伝達されるようにする。すなわち、被削材の被削面の粗さに応じて、工具の加工面と被削材の被加工面との間隔、加工粒の種類・粒径、超音波振動の周波数及び振幅等を適宜設定するようにすると好ましい。工具の加工面と被削材の被加工面との間隔は、超音波振動によって工具の加工面が被加工面に最も接近したときにおいて、好ましくは加工粒の平均粒径の０．５倍〜０．９倍、より好ましくは０．６倍〜０．８倍、さらに好ましくは０．６５倍〜０．７５倍になるようにする。

加工粒は、工具の加工面を保持する硬度を有することが好ましい。この場合、工具の材質の選択、加工面の保護、加工粒の選択等によって、工具の加工面を保持するようにする。こうすれば、仮に工具の加工面が少し加工されたとしても、鏡面加工を継続することができる。

工具は、一軸方向に超音波振動させるようにする。例えば、端部に加工面を有する柱状体の工具を使用する場合、工具の長手方向（軸方向）に工具を超音波振動させる。工具の振動周波数は、好ましくは２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ、より好ましくは３０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚ、さらに好ましくは２５ｋＨｚ〜４５ｋＨｚである。工具は、好適には軸方向に振動させるようにし、その振幅は好ましくは０．０１μｍ〜１００μｍ、より好ましくは０．１μｍ〜２０μｍ、さらに好ましくは０．５μｍ〜１０μｍである。また、工具は、ミーリング加工のように軸回転させながら超音波振動させることもできる。

工具と被削材との間に介在させる加工粒は、ダイヤモンド、窒化硼素系、アルミナ系、炭化珪素系、酸化珪素系、酸化鉄系、酸化クロム系等、様々な種類の加工粒から選択することができる。これらの加工粒としては、例えば、ダイヤモンド、立方晶窒化硼素、六方晶窒化硼素、乱層構造窒化硼素、アルミナ、炭化珪素、炭化硼素、酸化鉄、酸化クロム、コランダム、エメリー、ガーネット、スピネル、珪藻土、ドロマイト、トリポリ、浮石粉等が挙げられる。

加工粒は、結晶性乱層構造窒化硼素（以下、「結晶性ｔ−ＢＮ」と表記する）を含有すると好ましい。加工粒中の結晶性ｔ−ＢＮの含有率は、好ましくは５０質量％以上、より好ましくは７０質量％以上、より好ましくは８０質量％以上、さらに好ましくは９０質量％以上、最も好ましくは１００質量％である。ここで、以下に結晶性ｔ−ＢＮについて説明する。

窒化硼素には複数の結晶構造が知られており、例えば、六方晶系窒化硼素（以下、「ｈ−ＢＮ」と表記する）、非晶質（無定形）窒化硼素（以下、「ａ−ＢＮ」と表記する）、立方晶系窒化硼素（ｃ−ＢＮ）、菱面体晶系窒化硼素（ｒ−ＢＮ）等が知られている。ｈ−ＢＮは、硼素と窒素とから構成された発達した六角網目層が…ａａ’ａａ’ａａ’…のパターンで積層した結晶構造を有しているものであるが、本発明でいう結晶性ｔ−ＢＮは、長周期的にこの六角網目層の積層パターンに規則性のないものである。また、ａ−ＢＮは、硼素と窒素の六角網目層が発達しておらず、さらにこの未発達の六角網目層の積層パターンにも規則性のないものである。図２〜図４に、結晶性ｔ−ＢＮ、ｈ−ＢＮ及びａ−ＢＮの各粉末Ｘ線回折パターンを示す。図４に示すａ−ＢＮの粉末Ｘ線パターンは、２つの大きなブロードなピークからなるが、このような粉末Ｘ線回折パターンを有する窒化硼素又は１０００℃以下の加熱温度で製造された窒化硼素を文献によっては乱層構造窒化硼素（ｔ−ＢＮ）と表記しているものもある（例えば、資源・素材学会誌Ｖｏｌ．１０５（１９８９）Ｎｏ．２、Ｐ２０１〜２０４参照）。しかしながら、このような窒化硼素は、ａ−ＢＮ（非晶質ないし無定形）と表記することが適切であり、本発明でいう結晶性ｔ−ＢＮとは異なるものである。

図２に示す結晶性ｔ−ＢＮの粉末Ｘ線パターンに言及すると、図３に示すｈ−ＢＮの粉末Ｘ線パターンにおいては００２ピーク、１００ピーク、１０１ピーク、１０２ピーク及び００４ピークが顕著に現れているが、図２に示す結晶性ｔ−ＢＮの粉末Ｘ線パターンにおいては、ｈ−ＢＮの粉末Ｘ線パターンの１０１ピークに対応するピークがブロードになって、１００ピークに対応するピークと高角側で一部ないし大部分重なっている。また、ｈ−ＢＮの粉末Ｘ線パターンの１０２ピークに対応する結晶性ｔ−ＢＮのピークは、非常に弱くなってブロードの低いピークとなっているか、ピークの存在を認められない程弱くなっている。さらに、ｈ−ＢＮの粉末Ｘ線パターン００４ピークに対応する結晶性ｔ−ＢＮのピークはシャープになっている。本発明においては、ｈ−ＢＮの粉末Ｘ線パターンの００４ピークに対応するピークの回折角（２θ）の半値幅が０．６°以下であり、ｈ−ＢＮの粉末Ｘ線パターンの１００ピーク、１０１ピーク及び１０２ピークに対応する各ピークの占める面積（ピークの強度を意味する）Ｓ１００、Ｓ１０１及びＳ１０２の間にＳ１０２／（Ｓ１００＋Ｓ１０１）≦０．０２の関係を満たす窒化硼素を結晶性ｔ−ＢＮというものとする。

結晶性ｔ−ＢＮの一次粒子の平均粒径は１μｍ以下、より好ましくは０．６μｍ以下、さらに好ましくは０．４μｍ以下である。また、結晶性ｔ−ＢＮの粒径範囲は、８０％以上、好ましくは９０％以上、の粒子が、平均粒径の３分の１〜平均粒径の３倍の範囲にあると好ましい。

なお、結晶性ｔ−ＢＮの性状、製造方法等は特開平１０−２０３８０７号公報に詳細に記載されており、本発明においては結晶性ｔ−ＢＮに関する事項は当該公報を援用することとする。

結晶性ｔ−ＢＮは、加工液（潤滑剤又は水）に含有させて使用すると好ましい。加工液は、水性であっても非水性であってもよいが、水性加工液のほうが好ましい。特に、水性加工液は、潤滑油を乳化させているものが好ましく、乳化剤、粘度指数向上剤、流動点降下剤、腐敗防止剤、防錆剤、油性向上剤、消泡剤等を適宜含有させることができる。結晶性ｔ−ＢＮを水性加工液に含有させる場合、結晶性ｔ−ＢＮの濃度は、好ましくは０．０２質量％〜２０質量％、より好ましくは０．０５質量％〜５質量％、さらに好ましくは０．２質量％〜２質量％である。結晶性ｔ−ＢＮ含有水性加工液の組成は、工具、被削材、加工条件等に応じて適宜調整する。例えば、潤滑油としてマシン油を３０質量％〜６０質量％、乳化剤としてポリオキシエチレンポリオキシプロピレンアルキルエーテルを２質量％〜１５質量％、水を３０質量％〜６０質量％、結晶性ｔ−ＢＮを０．１質量％〜５質量％、そして数種の添加剤を混合して作製した水性加工油剤、又は当該水性加工油剤をさらに水又は別の水性加工剤で希釈して作製した水性加工油剤を使用することができる。結晶性ｔ−ＢＮ含有水性加工液の供給方法は、ポンプ圧によってノズルから被加工面に供給することが好ましく、その供給量は、好ましくは０．１Ｌ／分〜３０Ｌ／分、より好ましくは０．２Ｌ／分〜５Ｌ／分、さらに好ましくは０．３Ｌ／分〜１Ｌ／分である。結晶性ｔ−ＢＮ含有水性加工液に使用する材料（成分）や調整方法は、特開２００４−１８２８７９号公報及び特開２００５−１２６７３０号公報に記載されており、本発明においてはこれらの文献を援用する。また、結晶性ｔ−ＢＮ含有非水性加工液については、特開平１０−３３０７７５号公報に記載されており、本発明においてはこの文献を援用する。

第２工程の鏡面精密削り工程において使用する工具の加工部は、製造する物品の一部の形状を反転させた形状を有する。この工具を超音波振動させることにより、工具の加工部の形状を被削材に転写形成させる。工具は、好ましくは、柱状体を有し、加工部となる柱状体の端部は、１以上の加工面から構成される。工具が２以上の加工面を有する場合、加工面は、製造する物品の形状に対応する交角で交わっている。また、工具の加工面の面粗度は、製造する物品の所定の面粗度に対して好ましくは８倍以下、より好ましくは４倍以下、さらに好ましくは２倍以下、さらに好ましくは１倍以下である。

工具の材質は、被削材の材質や加工条件に応じて、炭素鋼、合金鋼、高速度鋼、超硬合金、セラミック、サーメット、ダイヤモンド等、適宜選択することができる。工具の加工面の面粗度は、所望の面粗度を有する金型が得られるように調整する。金型等の金属製品を加工する場合、少なくとも工具の加工面は、ダイヤモンド又はｃ−ＢＮを有していると好ましい。工具の加工面にダイヤモンド又はｃ−ＢＮを形成する方法としては、単結晶ダイヤモンドの接合、ダイヤモンド粒子又はｃ−ＢＮ粒子の電着金属による固着、ダイヤモンド粒子又はｃ−ＢＮ粒子の焼結体の固着、又は化学蒸着ないし物理蒸着によるダイヤモンド膜又はｃ−ＢＮ膜の形成等の方法が挙げられる。

工具の加工面にダイヤモンド粒子を分散含有させる場合、工具加工面に電着させた金属によって付着させてもよいし、またはダイヤモンド焼結体を工具に結合させても良い。被削材の被加工面を鏡面加工するために、ダイヤモンド粒子の粒径は、好ましくは♯５０〜♯５０００、より好ましくは♯１００〜♯３０００、さらに好ましくは♯２５０〜♯２０００である。ダイヤモンド粒子を付着させる工具の材質は、硬質のもの、例えば金属、高速度鋼、超硬合金、セラミックス等を使用することができ、特に電着付着させる場合、ＳＫ材、ステンレススチール（ＳＵＳ等）又は超硬合金が好ましい。

工具の加工面にダイヤモンド膜を形成する場合、化学蒸着（ＣＶＤ）、物理蒸着（ＰＶＤ）などの公知の方法で行うことができる。化学蒸着法は、炭化水素などの炭素含有ガスと水素ガスを原料としてダイヤモンド膜を形成するものであり、熱フィラメント法、マイクロ波プラズマＣＶＤ法、高周波プラズマＣＶＤ法、直流プラズマＣＶＤ法などが好適である。また、物理蒸着法は、イオンを基板に衝突させてダイヤモンドを形成するものであり、イオンビーム法、イオン化法、イオンビームスパッタ法、イオン注入法などが使用できる。ダイヤモンド被覆する工具の材質は、硬質かつ熱膨張係数が小さいものが適している。例えば、タングステン、チタン、クロル、ニッケル、ジルコニウム、バナジウム、アルミニウム、モリブデン、レニウム、ニオブ、タンタル、ハフニウム、鉄、銅、銀、金、白金、マンガン、サーメット、ステンレス鋼などの金属もしくはこれらの合金、又は窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化ホウ素などのセラミックス、などから選択することができる。硬度及び熱膨張係数の観点からすると、タングステンカーバイト、チタンカーバイト、タンタルカーバイトもしくはモリブデンカーバイト、又はこれらの複合物を主成分とする超硬合金が好ましい。ダイヤモンド被膜の厚さは、好ましくは０．５μｍ〜１００μｍ、より好ましくは１μｍ〜５０μｍ、さらに好ましくは２μｍ〜１０μｍである。

第２工程の鏡面精密加工工程においては、被削材の被加工面の面粗度が、算術平均高さＲａ（算術平均粗さ）において好ましくは０．１μｍ以下、より好ましくは０．０５μｍ以下、さらに好ましくは０．０１μｍ以下になるように加工する。例えば、リフレックスリフレクタ製造用金型の場合には、被加工面の面粗度Ｒａは、０．０５μｍ以下になると好ましい。

本発明の物品の製造方法は、第２工程の鏡面精密加工工程の後に、被削材の被加工面をさらに表面処理する第３工程をさらに含むことができる。第３工程としては、例えば、レーザ処理、めっき処理等が挙げられる。レーザ処理としては、例えば、被削材の被加工面にフェムト秒レーザをアブレーション閾値近傍の低エネルギー密度で照射するものがある。レーザ処理工程を行う場合、鏡面精密加工に使用した工具部分をレーザ加工ユニットに取り替えるか、又は切り替えるなどして、第２工程後の被削材を位置・姿勢制御ステージに装着及び固定したまま、追加のレーザ処理加工を行うことができる。また、めっき処理は、被削材の表面にニッケルめっき等の処理を施し、被削材表面を保護することができる。また、めっき処理は、レーザ処理工程の後に施しても良い。

次に、物品（例えば金型）の製造装置について説明する。当該製造装置は、上記において説明した物品の製造方法を適用するものであり、上記で説明した工具及び工具を超音波振動させる超音波振動部を備える。さらに、当該製造装置は、物品の被加工面を精密加工するために、工具の加工面と被削材の被加工面との相対的位置関係を１μｍ以下、好ましくは１ｎｍ以下、の精度で制御する制御部を備える。特に、制御部は、工具の加工面と被削材の被加工面との間隔を１μｍ以下、好ましくは１ｎｍ以下、の精度で制御する。超音波振動部は、上記で説明したような形態で工具を超音波振動させることができるものである。また、制御部は、リニアモータによって駆動されると好ましい。さらに、当該製造装置は、この他に、鏡面精密加工工程の工具と取替ないし切替可能な切削ユニット、研削ユニット等の加工ユニットやＣＣＤカメラ計測ユニット等の計測ユニットをさらに備えると好ましい。これらの種々のユニットは、被削材の位置・姿勢を変えることなく取替ないし切替可能であることが好ましい。これにより、鏡面精密加工工程を中断して、または鏡面精密加工工程後において、被削材の切削加工や計測を行うことが可能となる。

さらに当該製造装置は、第１工程の粗加工工程を行う切削部、及び／又は第３工程の仕上げ工程を行うレーザ部をさらに備えると好ましい。切削部は、ミーリング加工等の被削材の粗加工が可能なものであり、レーザ部は、上記で説明したようなレーザを被削材に対して照射可能なものである。また、当該製造装置は、加工粒を含有する水又は加工液を被加工面に供給する加工液供給部をさらに備えると好ましい。

次に、本発明の物品の製造方法を使用して、リフレックスリフレクタ製造用金型を製造するための工具（以下「金型製造用工具」という）について説明する。金型製造用工具の斜視図を図５に、上面及び側面を示す三面図を図６に示す。また、一般的なリフレックスリフレクタの模式図を図７に示す。リフレックスリフレクタ１１は、通常、図７に示すように、３つの反射面１２が互いに直交して１つの反射素子を形成し、当該反射素子が連続的に配列することによって形成されている。工具１は、このようなリフレックスリフレクタ１１を成型するための金型の製造（特に鏡面精密加工）に適したものである。工具１は、柱状であり、その端部に加工部を有する。加工部は、３つの加工面１ａ（１）〜（３）を有し、各面１ａ（１）〜（３）が互いに直交して錐体状（直方体の角部のような形状）、すなわち、従来の金型の電気鋳造に使用されていたピンの先端形状になっている。すなわち、加工面１ａの形状がリフレックスリフレクタ１１の反射面１２の形状に対応しており、工具１の加工部は、３つの反射面１２によって形成されたリフレックスリフレクタ１１の凸部の形状を有している。３つの加工面１ａ（１）〜（３）の各交角は、好ましくは８９°〜９１°であり、より好ましくは８９．５°〜９０．５°、さらに好ましくは８９．８°〜９０．２°である。さらに、各加工面１ａ（１）〜（３）は、単結晶ダイヤモンド、複数のダイヤモンド粒子又はダイヤモンド被膜を有すると好ましい。各加工面１ａ（１）〜（３）のダイヤモンドは、上記で説明したような単結晶体の接合、粒子の電着、焼結体の固着、ＣＶＤ又はＰＶＤ等で形成する。また、加工面１ａの面粗度は、算術平均高さ（算術平均粗さ）Ｒａにおいて、好ましくは０．１μｍ以下、より好ましくは０．０５μｍ以下、さらに好ましくは０．０１μｍ以下である。上記金型製造用工具を用いて本発明の物品の製造方法から製造された金型を使用して樹脂成型することによって、リフレクタを製造することができる。

面粗度（算術平均高さＲａ）が０．２μｍである４０ｍｍ×５０ｍｍの無酸素銅からなる被削材を鏡面精密加工した。使用する工具は、超硬合金の工具基部に棒状の単結晶ダイヤモンドを接合したものである。加工部の形状は円板状であり、その加工面は工具の軸と直交し、被削材の被加工面に対して平行になっている。単結晶ダイヤモンドの加工面の寸法はφ０．５ｍｍ、その算術平均高さＲａは０．１μｍであった。

工具の加工面と被削材の被加工面との距離は２．７μｍに設定し、工具は振動数４６ｋＨｚ、振幅５μｍ（振れ幅±２．５μｍ）で振動させた。被加工面には、加工粒として平均粒径０．３μｍの結晶性ｔ−ＢＮを含有する水性加工液を５Ｌ／分で、工具の刃先近くに位置するクーラントノズルから工具刃先に直接供給した。水性加工液は、結晶性ｔ−ＢＮを２質量％、マシン油を４０質量％、ポリオキシエチレンポリオキシプロピレンアルキルエーテルを７質量％、水を４０質量％、残部にその他の成分を含有する。

以上の条件で、被削材の中央部分の５ｍｍ×１０ｍｍの領域を約７分かけて鏡面加工した。詳細には、被削材の長手方向に送り速度０．４６ｍｍ／秒で１０ｍｍ送り、その送り速度のままで、横方向に０．２５ｍｍずらして１０ｍｍ戻る、を１行程として、横方向に０．２５ｍｍずらしながら合計９．５行程行った。その結果、被削材の被加工面は、面粗度（算術平均高さＲａ）０．０５μｍの鏡面になった。

本発明の物品の製造方法は、金型の製造に限定されることなく、種々の金属製品を含む物品の製造に利用することができる。

本発明の鏡面精密削り工程を示す模式図。 結晶性ｔ−ＢＮの粉末Ｘ線回折パターン。 ｈ−ＢＮの粉末Ｘ線回折パターン。 ａ−ＢＮの粉末Ｘ線回折パターン。 本発明の工具の一形態を示す斜視図。 図５に示す工具の上面及び側面を示す三面図。 リフレックスリフレクタの一部分を示す模式図。 リフレックスリフレクタ用の金型の製造に使用されるピンの（ａ）軸側面から見た平面図と（ｂ）軸上面からみた平面図。 図８に示すピンを束ね合わせて作製した原型の模式図。 図９のＡ−Ａ線の断面模式図。 リフレックスリフレクタを製造する従来の方法を説明するための工程図。 ピンを束ね合わせて曲面を形成する従来の方法を説明するための断面模式図。

符号の説明

１ 工具
１ａ 加工面
１ｂ 側面
２ 被削材
２ａ 被加工面
３ 加工液
３ａ 加工粒
１１ リフレックスリフレクタ
１２ 反射面
２１ ピン
２１ａ 加工面
２１ｂ 側面
２２ メッキ層
２３ 台座
２４ 金型
２５ リフレックスリフレクタ

Claims (15)

1. 加工液に分散した加工粒を介在させながら、製造する物品の一部の形状を反転させた形状の加工面を有する工具を被削材の被加工面近傍において超音波振動させて、前記被削材の前記被加工面を精密加工する鏡面精密加工工程を含むことを特徴とする物品の製造方法。
2. 前記鏡面精密加工工程により、前記工具の前記加工面の形状を前記被削材の前記被加工面に転写形成することを特徴とする請求項１記載の物品の製造方法。
3. 前記工具の超音波振動は、前記工具の前記加工面から前記加工粒に対し、前記加工粒が前記被削材の前記被加工面に対し加工仕事を成すに十分な振動を与えるよう伝達されることを特徴とする請求項１又は２記載の物品の製造方法。
4. 前記鏡面精密加工工程において、前記工具の一軸方向に前記工具を超音波振動させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の物品の製造方法。
5. 前記鏡面精密加工工程において、前記工具の前記加工面と前記被削材の前記被加工面との間隔は、前記工具の前記加工面が前記被削材の被加工面に最も接近したときにおいて、前記加工粒の平均粒径の０．５倍〜０．９倍であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の物品の製造方法。
6. 前記加工粒は、前記被削材を鏡面精密加工するが前記工具の前記加工面を保持しうる硬度を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の物品の製造方法。
7. 前記加工粒は、結晶性乱層構造窒化硼素を含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の物品の製造方法。
8. 前記加工粒は、結晶性乱層構造窒化硼素であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の物品の製造方法。
9. 前記結晶性乱層構造窒化硼素は、水性加工液に分散含有され、
   前記鏡面精密加工工程において、前記水性加工液を前記被削材の前記被加工面に供給することにより前記結晶性乱層構造窒化硼素を介在させることを特徴とする請求項７又は８記載の物品の製造方法。
10. 前記水性加工液における前記結晶性乱層構造窒化硼素の濃度は、０．０２質量％〜２０質量％であることを特徴とする請求項８に記載の物品の製造方法。
11. 前記結晶性乱層構造窒化硼素の一次粒子の平均粒径は０．５μｍ以下であることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか一項に記載の物品の製造方法。
12. 前記鏡面精密加工工程において、前記工具の振動周波数は２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ、前記工具の振幅は０．０１μｍ〜１００μｍであることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の物品の製造方法。
13. 前記鏡面精密加工工程において使用する前記工具は柱状体を有し、
    前記柱状体の端部は、２以上の加工面から構成され、
    各前記加工面は互いに所定の交角で交わっており、
    前記鏡面精密加工工程において、前記工具の前記端部の形状が前記被削材の前記被加工面に転写されることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の物品の製造方法。
14. 前記工具の前記加工面は、単結晶ダイヤモンドを有する加工面を成すか、複数のダイヤモンド粒子を含む加工面を成すか、又はダイヤモンド被膜を有する加工面を成すことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の物品の製造方法。
15. 前記鏡面精密加工工程の後に、レーザを用いて前記被削材の表面を表面処理する仕上げ工程をさらに含むことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載の物品の製造方法。
    
    

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