JP2007222960A - ラッピング加工方法および加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ラッピング処理能率および研磨精度を向上することのできるラッピング加工方法および加工装置を提供する。
【解決手段】ラッピング加工方法は、セラミックスよりなる加工サンプル１０の表面を砥石６によりラッピング加工するラッピング加工方法であって、加工サンプル１０にトライボケミカル反応を起こさせるような粒子を含む加工液５を加工サンプル１０と砥石６との間に供給してラッピング加工する。加工液５はエマルジョン型の水溶性切削油またはソリューション型の水溶性切削油を含んでいることが好ましい。
【選択図】図２

Description

本発明は、ラッピング加工方法および加工装置に関し、より特定的には、セラミックスよりなる被加工物の表面を研磨材料によりラッピング加工するラッピング加工方法および加工装置に関する。

窒化ケイ素セラミックスやサイアロンセラミックスは、高強度、高硬度、高耐熱性、および高耐食性という優れた機械的性質を有しているため、軸受やエンジン部品などの機械部品として使用されている。一方で、上記のように優れた機械的強度を有しているために、窒化ケイ素セラミックスやサイアロンセラミックスは加工面から見て難研削性を有している。このため、窒化ケイ素セラミックスやサイアロンセラミックスなどの研削加工にはダイヤモンドやＣＢＮなどの高硬度の砥石や砥粒が用いられ、その加工能率はあまり高くない。

セラミックス材料に致命的欠陥を生じることなく加工能率を向上する技術として、特開平７−１３２４４８号公報（特許文献１）には、研削砥石の作業面の周速度および送り速度を最適化する技術が開示されている。具体的には、研削砥石の作業面の周速度を５０〜３００ｍ／秒とし、かつ研削砥石の作業面の作業方向への送り速度を５０〜２００ｍ／分とする技術が開示されている。

しかし、たとえばセラミックス材料に仕上げのラッピング処理を施す場合、砥石と被加工物の相対速度は２５０ｍ／分以下の比較的遅い速度条件が適用される。上記特許文献１の技術は、比較的速い加工速度でセラミックスを研削加工する場合を想定したものであるので、セラミックス材料に仕上げのラッピング処理を施す際の加工条件には適用することができなかった。

セラミックス材料のラッピング処理の能率を向上し得る技術として、特開２００３−１４５４１６号公報（特許文献２）には、トライボケミカル反応を利用した技術が開示されている。具体的には、セラミック焼結体で構成されている研磨材料であって、その焼結体の粒界、粒内、気孔の１種以上の部分に被研磨セラミックスを溶解反応させる元素を含んでいる研磨材料を用いて、セラミック材料を水中で研磨する技術が開示されている。これにより、水中でセラミックス材料の磨耗を促進させることができるので、ラッピング処理の能率を向上することができる。

また、セラミックス材料のラッピング処理の能率を向上し得る技術として、ファインセラミックス成形・加工と接合技術編集委員会編、「ファインセラミックス成形・加工と接合技術」、９１ページ〜９６ページ（非特許文献１）には、メカノケミカル反応を利用した技術が開示されている。具体的には、酸化クロム、酸化鉄、または酸化セリウムなどの軟質粒子を樹脂ボンドで固定した定盤を用いてワークが研磨される。この方法では、軟質粒子とワークとの接触点局部で高圧が生じて固相反応が生じる。そして固相反応による生成物が摩擦力によって除去され、ワークの研磨が進行する。
特開平７−１３２４４８号公報 特開２００３−１４５４１６号公報 ファインセラミックス成形・加工と接合技術編集委員会編、「ファインセラミックス成形・加工と接合技術」、９１ページ〜９６ページ

しかしながら、上記特許文献２の技術では研磨材料がセラミックス焼結体よりなっている。このため、研磨材料の製造の際、セラミックスの材料を混合して加圧成形および希ガス雰囲気における焼結などを行なう必要があり、複雑な製造工程を経る必要がある。また、研磨材料がセラミックス焼結体よりなっているため、研磨材料のサイズや形状にも制約がある。その結果、研磨材料を量産加工することが困難であるので、ラッピング処理能率を向上することは困難であった。

また、非特許文献１の技術は軟質粒子とワークとの摩擦熱による固相反応を利用しているので、非特許文献１の技術を湿式加工に適用すると摩擦熱が小さくなり、ラッピング処理能率が低下するという問題があった。この問題は引用文献１にも記載されている。また、研磨によって削り取られた軟質粒子で定盤が目詰まりし、ラッピング処理能率が低下するという問題があった。さらに、軟質粒子よりなる定盤は研磨の際に変形しやすいので、研磨精度が低下するという問題があった。

したがって、本発明の目的は、ラッピング処理能率および研磨精度を向上することのできるラッピング加工方法および加工装置を提供することである。

本発明のラッピング加工方法は、セラミックスよりなる被加工物の表面を研磨材料によりラッピング加工するラッピング加工方法であって、被加工物にトライボケミカル反応を起こさせるような粒子（以下、「上記粒子」と記すこともある）を含む液体を被加工物と研磨材料との間に供給してラッピング加工する。

本発明のラッピング加工装置は、セラミックスよりなる被加工物の表面を研磨材料によりラッピング加工するラッピング加工装置であって、研磨材料と、被加工物にトライボケミカル反応を起こさせるような粒子を含む液体を被加工物と研磨材料との間に供給するための供給部と、被加工物を含む液体を研磨材料から排出するための排水部と、第１槽と第２槽とを有する筐体とを備えている。第１槽には排水部から排出された液体が供給され、かつ第２槽には第１槽から溢れた液体が流れ込み、かつ第２槽の液体が供給部から供給される。

本願発明者は、ラッピング処理の能率および研磨精度の向上のために有効な手段について鋭意検討した結果、被加工物にトライボケミカル反応を起こさせるような粒子を含む液体を被加工物と研磨材料との間に供給することが有効であることを見出した。すなわち、本発明のラッピング加工方法および加工装置によれば、被加工物の摩擦面でトライボケミカル反応が起こり、被加工物の反応生成物が生じる。研磨材料は、この反応生成物を除去すると同時に被加工物の表面も機械的に除去し、被加工物の新たな表面を作り出す。そして、被加工物の新たな表面においてトライボケミカル反応が再び起こり、被加工物の反応生成物が生じる。本発明ではこのような作用が繰り返し起こる。その結果、被加工物の表面を化学的・機械的に除去することができるので、ラッピング処理能率を向上することができる。

ここで、トライボケミカル反応とは、被加工物に対して摩擦を加えることにより、その摩擦エネルギにより摩擦面で化学反応が進んで反応生成物が生じる現象である。トライボケミカル反応によれば、表面の化学反応が進まない温度および雰囲気でも化学反応を起こすことができる。被加工物の反応生成物は通常、元の被加工物よりも軟らかいため、被加工物そのものよりも除去しやすい。

また、本発明のラッピング加工方法および加工装置によれば、研磨材料がセラミックス焼結体よりなっている必要がないため、研磨材料を製造するために複雑な製造工程を経る必要がなく、研磨材料のサイズや形状にも制約がない。また上記液体は、被加工物にトライボケミカル反応を起こさせるような粒子を液体に添加することにより容易に得られる。したがって、ラッピング処理能率を向上することができる。

また、本発明のラッピング加工方法および加工装置によれば、研磨材料を自由に選択することができるので、研磨材料として軟質粒子を用いる必要がない。このため、研磨の際の研磨材料の変形を抑止することができるので、研磨精度を向上することができる。また、研磨によって削り取られた研磨材料は上記液体により除去されるので、研磨材料が目詰まりしにくくなり、ラッピング処理能率が向上する。

加えて、本発明のラッピング加工装置によれば、第１槽に供給された上記液体に含まれる異物（研磨粉や脱落した砥粒など）の粒径は被加工物にトライボケミカル反応を起こさせるような粒子の粒径に比べて大きいので、上記異物の沈降速度は上記粒子の沈降速度に比べて速い。このため、上記異物は第１槽の底部に滞留し第２槽に流れ込み難くなるが、上記粒子は第１槽において均一に分散し第１槽とほぼ同一の濃度で第２槽に流れ込む。その結果、上記異物のみを除去した上記液体を再び供給することができ、上記液体をリサイクルして使用することができる。

本発明のラッピング加工方法および加工装置において好ましくは、被加工物は窒化ケイ素またはサイアロンを含んでいる。

窒化ケイ素およびサイアロンは、トライボケミカル反応が起こりやすい材料であるので、本発明のラッピング加工方法および加工装置によるラッピング処理能率が特に高い。

本発明のラッピング加工方法および加工装置において好ましくは、上記液体はエマルジョン型の水溶性切削油またはソリューション型の水溶性切削油を含んでいる。

これにより、上記液体がラップ液としての役割を果たすとともに、上記粒子の分散溶媒としての役割を果たす。また、研磨材料の目詰まりを防止することができる。さらに、エマルジョン型の水溶性切削油またはソリューション型の水溶性切削油を用いることにより、上記粒子を上記液体中に均一に分散させることができる。

本発明のラッピング加工方法および加工装置において好ましくは、上記液体は水または水溶液を含んでおり、かつ上記液体のｐＨが９以上１２以下である。

これにより、上記液体がラップ液としての役割を果たすとともに、上記粒子の分散溶媒としての役割を果たす。また、水または水溶液中に粒子を均一に分散させるためには、表面電位を正または負に帯電させることが望ましい。ｐＨ５以上ｐＨ９未満の中性領域では、粒子の表面電位が０付近となり粒子同士の凝集が起こりやすく望ましくない。ｐＨ５未満の酸性領域では粒子の分散はしやすくなるものの、加工装置や研磨材料が腐食するという問題や液体の取り扱いの安全性への懸念がある。ｐＨ９以上ｐＨ１２以下のアルカリ性領域では、粒子の分散が良好で、かつ加工装置や研磨材料の腐食の問題がなく液体の取り扱いの安全性もあまり問題にならない。ｐＨが１２より大きいアルカリ性領域では、加工装置や研磨材料が腐食するという問題や液体の取り扱いの安全性への懸念がある。

本発明のラッピング加工方法および加工装置において好ましくは、上記粒子の硬度は被加工物の硬度以下である。

これにより、上記粒子によって被加工物がトライボケミカル反応を起こすとともに、上記粒子によって被加工物に無用な加工傷や欠陥が生じることを防止できる。

本発明のラッピング加工方法および加工装置において好ましくは、上記粒子は、ケイ素、鉄、クロム、およびチタンからなる群より選ばれる少なくとも１種以上の元素の酸化物よりなっている。

これらの酸化物は、セラミックスのトライボケミカル反応を促進させる効果を有するので上記粒子として適している。

本発明のラッピング加工方法および加工装置において、研磨材料の砥粒は被加工物と同等以上の硬度を有することが望ましい。

上記の研磨材料は、被加工物と同等以上の硬度の砥粒を有することで、トライボケミカル反応による反応生成物を効率的に除去することができるとともに、研磨材料の形状精度を維持することができる。

本発明のラッピング加工方法において好ましくは、少なくとも一方に研磨材料を取り付けた２つの定盤の間に被加工物を配置し、２つの定盤を相対的に移動させることにより被加工物をラッピング加工する。

これにより、被加工物に対して平面ラップ加工や球体のラップ加工を行なうことができる。

本発明のラッピング加工方法および加工装置において好ましくは、液体は室温より高く８０℃以下、より好ましくは６０℃以下の温度である。

液体の温度を室温よりも高くすることで、トライボケミカル反応が促進され、ラッピング加工処理能率をさらに向上することができる。また、液体の温度を８０℃以下、より好ましくは６０℃以下とすることで、作業の安全性や管理の容易性を確保することができる。

本発明のラッピング加工装置において好ましくは、供給部から供給する液体の温度を制御するための制御装置がさらに備えられている。

これにより、ラッピング加工処理に適する温度に液体の温度を制御することができるので、ラッピング加工処理能率をさらに向上することができる。

本発明のラッピング加工方法および加工装置によれば、ラッピング処理能率および研磨精度を向上することができる。

以下、本発明の一実施の形態について、図面を用いて説明する。
始めに、本実施の形態におけるラッピング加工装置の構成について、図１〜図３を用いて説明する。図１は本発明の一実施の形態におけるラッピング加工装置の主な構成を示す平面図であり、図２は本発明の一実施の形態におけるラッピング加工装置の主な構成を示す側面図である。図１および図２を参照して、本実施の形態におけるラッピング加工装置１は、セラミックスよりなる加工サンプル１０の表面を平面ラッピング加工するラッピング加工装置であって、２つの定盤２および３と、研磨材料としての砥石６と、供給部としての供給管４と、排水部としての排水口７および排水管８とを主に備えている。

２つの定盤２および３は３つの加工サンプル１０の各々を挟むように、平らな面が水平方向に延びるように配置されている。２つの定盤のうち下側の定盤２は円の平面形状を有しており、定盤２の上面には環状の砥石６が固定されている。定盤２および砥石６は、回転軸２ａに接続されたモータ（図示なし）によって一体となって自転可能とされている。２つの定盤のうち上側の定盤（アタッチメント）３は円の平面形状を有しており、回転軸３ａに接続されたモータ（図示なし）によって自転可能とされている。定盤３の表面には環状の溝（図示なし）が形成されており、この溝内に加工サンプル１０が配置される。定盤３は加工サンプル１０に対して下方向（定盤２の方向）の荷重を加え、加工サンプル１０を定盤２および３の間に固定する。定盤２および３の回転速度はたとえば２５０ｍ／分とされる。

定盤２上には、定盤３の他に供給管４の一端が配置されている。供給管４はポンプ（図示なし）を介してタンク９（図３）内へ延在している。タンク９の構造については後述する。供給管４によって液体としての加工液５が砥石６上に連続的に供給される。これにより、加工液５は加工サンプル１０と砥石６との間に供給される。また、砥石６および定盤２には排水口７が開口されている。排水口７は排水管８と接続されており、排水管８はタンク９内へ延在している。砥石６上に供給された加工液５は、排水口７および排水管８を通じてタンク９へ排出される。

加工サンプル１０は、セラミックスよりなっており、たとえば窒化ケイ素セラミックスやサイアロンセラミックスなどよりなっている。窒化ケイ素セラミックスおよびサイアロンセラミックスは、トライボケミカル反応が起こりやすい材料であるので、ラッピング処理能率を特に向上することができる。

砥石６は、加工サンプル１０と同等以上の硬度を有することが望ましい。たとえば窒化ケイ素を加工する場合には、ダイヤモンド、ＣＢＮ、炭化ホウ素、炭化ケイ素またはアルミナなどよりなる砥粒を含んでいることが好ましい。また、砥石６は、たとえばレジンボンド、ビドリファイドボンド、メタルボンド、または電着ボンドなどの結合材を用いて定盤２に固定されている。

図３は本発明の一実施の形態におけるラッピング加工装置のタンクの構成を示す断面図である。図１〜図３を参照して、本実施の形態におけるラッピング加工装置１は、筐体としてのタンク９をさらに備えている。タンク９は３つの滞留槽９ａ〜９ｃを有しており、滞留槽９ａ〜９ｃの各々にはいずれも加工液５が満杯に入っている。加工液５の液面の高さは、滞留槽９ａ（第１槽）が最も高く、次いで滞留槽９ｂが二番目に高く、滞留槽９ｃ（第２槽）がもっとも低い。これにより、滞留槽９ａの上部から溢れ出した加工液５は滞留槽９ｂへ流れ込み、滞留槽９ｂの上部から溢れ出した加工液５は滞留槽９ｃへ流れ込む。また、排水管８の他端は滞留槽９ａ内に差し込まれており、これにより滞留槽９ａには排水管８から排出された加工液５が供給される。さらに、供給管４の他端はポンプ１４を介して滞留槽９ｃ内に差し込まれており、これにより滞留槽９ｃの加工液５がポンプ１４の動力によって供給管４を通じて砥石６上へ供給される。つまり、加工液５はタンク９などを通じて循環して使用される。

また、滞留槽９ｃ内には温度計１３が設けられている。また、タンク９の外周にはヒータ１１ａが取り付けられており、供給管４の外周にはヒータ１１ｂが取り付けられている。温度計１３、ヒータ１１ａおよび１１ｂの各々は、温度制御装置１２と電気的に接続されている。温度制御装置１２は、温度計１３で測定された温度に基づいてヒータ１１ａおよび１１ｂを加熱し、それにより加工液５の温度を制御する。その結果、適切な温度の加工液５を砥石６上へ供給することができる。加工液５の温度は室温より高く８０℃以下であることが好ましく、６０℃以下であることがより好ましい。加工液５の温度を室温より高くすることで、トライボケミカル反応が促進され、ラッピング加工処理能率をさらに向上することができる。また、加工液５の温度を８０℃以下、より好ましく６０℃以下とすることで、作業の安全性や管理の容易性を確保することができる。

さらに、滞留槽９ａ内には滞留槽９ａの水位を測定するための水位計１７が設けられており、滞留槽９ａ上には滞留槽９ａ内に溶媒（たとえば水）を供給するための給水源１５が設けられている。水位計１７および給水源１５の各々は水位制御装置１６に電気的に接続されている。水位制御装置１６は、滞留槽９ａの水位が低いことを検知した場合には、給水源１５から滞留槽９ａへ水を供給する。その結果、滞留槽９ａ〜９ｃの水位を一定に保つことができる。

本実施の形態においては、上記のラッピング加工装置１を用いて、以下の方法により加工サンプルが加工される。

まず、定盤３にラッピング前の加工サンプル１０を取り付け、定盤２および３の間に配置する。次に、加工サンプル１０にトライボケミカル反応を起こさせるような粒子を含む加工液５を砥石６上に供給する。加工液５中の粒子の硬度は加工サンプル１０の硬度以下であり、加工液５中の粒子はたとえば酸化ケイ素、酸化鉄、酸化クロム、または酸化チタンなどよりなっている。これらの粒子を用いることによって加工サンプル１０のトライボケミカル反応を促進することができるとともに、加工サンプル１０を機械的に研磨することができる。また加工液５の溶媒は、たとえばエマルジョン（乳濁液）型の水溶性切削油、ソリューション（固溶）型の水溶性切削油、水、または水溶液などよりなっており、加工液の溶媒のｐＨは９以上１２以下である。これにより、加工液５がラップ液としての役割を果たすとともに、上記粒子の分散溶媒としての役割を果たす。また、砥石６の目詰まりを防止することができる。なお、「エマルジョン型」とは、水溶性切削油成分がコロイド状に分散して存在することのできる液体であり、「ソリューション型」とは、水溶性切削油成分が溶解して存在することのできる液体を意味している。

上記粒子の添加量は０．２質量％以上１５質量％以下であることが好ましく、０．５質量％以上５質量％以下であることがより好ましい。上記粒子の添加量を０．２質量％とすることにより、加工サンプル１０にトライボケミカル反応が起こりやすくなる。上記粒子の添加量を１５質量％以下とすることにより、上記粒子が砥石６による加工サンプル１０の機械的な除去の妨げになることを抑止することができ、加工速度の低下を抑止することができる。

また、上記粒子の平均粒径は３μｍ以下であることが好ましく、１μｍ以下であることがより好ましい。上記粒子の平均粒径を３μｍ以下とすることにより、加工サンプル１０への接触頻度を高め、上記粒子の単位体積あたりのトライボケミカル反応の反応効率を高めることができる。また溶媒中で上記粒子が沈殿しにくくなり、溶媒中での分散状態を維持することができる。これにより、加工サンプル１０の表面における加工生成物の生成効率を高め、加工速度を十分に向上することができる。また、上記粒子の粒度は砥石６の粒度と同等以下であることが好ましい。上記粒子の粒度を砥石６の粒度と同等以下とすることにより上記粒子が砥石６による加工サンプル１０の機械的な除去の妨げになることを抑止することができ、加工速度の低下を抑止することができる。

加工液５を砥石６上に供給した状態で、回転軸２ａおよび３ａの各々を回転させる。また定盤２の回転により、加工液５は加工サンプル１０と砥石６との間に流れ込む。その結果、定盤２および３と、３つの加工サンプル１０の各々との間にすべりが生じ、加工サンプル１０がたとえば球状にラッピング加工される。また加工サンプル１０の表面にトライボケミカル反応が生じる。

加工サンプル１０と砥石６との間から流れ出した加工液５には、研磨粉や脱落した砥粒などの異物が含まれている。異物が含まれている加工液５は、排水口７および排水管８を介してタンク９の滞留槽９ａの底部に供給される。滞留槽９ａへの加工液５の供給により、滞留槽９ａ内の加工液５が滞留槽９ａと滞留槽９ｂとを隔てる隔壁の上部から溢れ出し、滞留槽９ｂへ流れ込む。このとき、滞留槽９ａに供給された加工液５に含まれる異物の粒径は上記粒子の粒径に比べて大きいので、加工液５に含まれる異物の沈降速度は上記粒子の沈降速度に比べて速い。このため、加工液５に含まれる異物は滞留槽９ａの底部に滞留し滞留槽９ｂに流れ込み難くなるが、滞留槽９ａから滞留槽９ｂへ流れ込む加工液５に含まれる上記粒子の濃度はほとんど変わらない。これにより、加工液５に含まれる異物が除去される。同様に、滞留槽９ｃを設けることで加工液５に含まれる異物が一層除去される。そして、異物のみが除去された加工液５は所望の温度に加熱され、供給管４を介して再び供給される。

なお、本実施の形態においては、滞留槽が３個（３段）である場合について示したが、滞留槽の個数は任意であり、２個（２段）以上８個（８段）以下であることが好ましい。２個以上とすることにより比較的大きな粒径の異物を沈降させることができ、８個以下とすることにより上記粒子自体が沈降して上記粒子の濃度が低下することを抑止することができる。

本実施の形態におけるラッピング加工方法および加工装置１によれば、加工サンプル１０の摩擦面でトライボケミカル反応が起こり、加工サンプル１０の反応生成物が生じる。砥石６は、この反応生成物を除去すると同時に加工サンプル１０の表面も機械的に除去し、加工サンプル１０の新たな表面を作り出す。そして、加工サンプル１０の新たな表面においてトライボケミカル反応が再び起こり、加工サンプル１０の反応生成物が生じる。本実施の形態ではこのような作用が繰り返し起こる。その結果、加工サンプル１０の表面を化学的・機械的に除去することができるので、ラッピング処理能率を向上することができる。

また、砥石６がセラミックス焼結体よりなっている必要がないため、砥石６を製造するために複雑な製造工程を経る必要がなく、砥石６のサイズや形状にも制約がない。また加工液５は、酸化ケイ素などの粒子を溶媒に添加することにより容易に得られる。したがって、ラッピング処理能率を向上することができる。

また、砥石６を自由に選択することができるので、砥石６として軟質粒子を用いる必要がない。このため、研磨の際の砥石６の変形を抑止することができるので、研磨精度を向上することができる。また、研磨によって削り取られた砥石６は加工液５により除去されるので、砥石６が目詰まりしにくくなり、ラッピング処理能率が向上する。

一方、従来のように、加工サンプル１０に対してメカノケミカル作用やトライボケミカル作用を生じさせるような粒子を定盤に固定したラッピング方法では、本実施の形態ほどの加工精度と加工速度とを両立することは困難であり、また定盤の目詰まりによって加工効率がすぐに低下するため、量産加工には不向きである。本実施の形態のラッピング加工方法および加工装置によれば、従来のラッピング方法に比べて優れた効果を得ることができる。

加えて、本実施の形態のラッピング加工装置１によれば、滞留槽９ａに供給された加工液５に含まれる異物の粒径は加工サンプル１０にトライボケミカル反応を起こさせるような粒子の粒径に比べて大きいので、上記異物の沈降速度は上記粒子の沈降速度に比べて速い。このため、上記異物は滞留槽９ａの底部に滞留し滞留槽９ｂおよび９ｃに流れ込み難くなるが、上記粒子は滞留槽９ａにおいて均一に分散し滞留槽９ｃとほぼ同一の濃度で滞留槽９および９ｃに流れ込む。その結果、上記異物のみを除去した加工液５を再び供給することができ、加工液５をリサイクルして使用することができる。特に、従来のフィルタを用いて上記粒子の除去を行なうと、上記粒子がフィルタに捕獲され加工液５中の上記粒子の濃度が低下するという問題や、上記粒子によってフィルタが頻繁に目詰まりするなどの問題が生じる。

なお、本発明のラッピング加工装置は、上記のように水平方向に延びる２つの定盤の上に被加工物が配置される場合の他、鉛直方向に延びる２つの定盤に挟まれるように被加工物が配置される構造であってもよい。また以下に説明するように、定盤回転軸と同心状の溝部を少なくとも一方の定盤に有し、同溝部に球状の被加工物が装填されることで球体を加工する構造であってもよい。

図４は本発明の一実施の形態における他のラッピング加工装置の構成を示す斜視図である。図４を参照して、本実施の形態における球体のラッピング加工装置２１は、２つの定盤２２および２９と、供給管２４と、排水管２５と、タンク２６とを主に備えている。定盤２２および２９はともに円の平面形状を有しており、定盤２２および２９の各々の表面に装着された砥石に溝２２ａおよび２９ａが形成されている。２つの定盤に形成された溝２２ａおよび２９ａは複数の加工サンプル２３の各々を挟むように、向かい合って配置されている。定盤２９の回転軸はプーリと接続されており、モータ、プーリ、およびベルト（いずれも図示せず）によって構成される回転機構によって定盤２９は駆動される。一方、定盤２２は、油圧シリンダ（図示せず）などの押圧機構によって定盤２９の方向へ適切な圧力で押圧される。

定盤２２および２９の間には、供給管２４の一端が接続されている。供給管２４はポンプ（図示せず）を介してタンク２６内へ延在している。供給管２４によって加工液（図示せず）が加工サンプルと砥石との間に供給される。また、定盤２２および２９の下には排水管２５が接続されており、排水管２５はタンク２６内へ延在している。加工液は排水管２５を介してタンク２６内へ排水され、タンク２６から供給管２４を介して定盤２２および２９の間に供給される。

なお、ロータリーコンベア（図示せず）上の加工サンプル２３は、シュート２８を介して定盤２２の溝２２ａと定盤２９の溝２９ａとの間に供給され、溝２２ａおよび２９ａの砥石によって研磨された後、シュート２７を介してコンベア上へ排出される。

ラッピング加工装置２１では、前述のラッピング加工装置１とほぼ同様の原理により球状の加工サンプル２３がラッピング加工され、ラッピング加工装置１と同様の効果を得ることができる。

本実施の形態においては、被加工物を機械ラッピング加工により平面ラッピング加工する場合および球体をラッピング加工する場合について示したが、本発明はラッピング加工全般に適用可能であり、たとえば円筒ラッピング加工や、ハンドラッピング加工などにも適用可能である。

本実施例では、ラッピング加工の加工速度に及ぼす加工液の影響について調べた。具体的には、図１および図２に示すラッピング加工装置を用いて、窒化セラミックスよりなる加工サンプルをラッピング加工した。加工サンプルとしては直径１５ｍｍ×高さ１０ｍｍの円筒形状のものを使用し、アタッチメントに３つの加工サンプルを固定した。砥石としては、比較例１ではダイヤモンドを使用し、比較例２および本発明例３〜７ではアルミナを使用した。ダイヤモンドおよびアルミナの粒度はいずれも２０００番のものを使用した。砥石と下側の定盤との結合材としてはレジンボンドを使用した。また、加工液としては以下のものを使用した。

比較例１および２：従来の加工液である白灯油系の油性加工液を使用した。
本発明例３：水で適度に希釈したエマルジョン型の水溶性切削油（出光興産製、ダフニーミルクールＭＬ）に２質量％の酸化ケイ素（シーアイ化成製、Ｎａｎｏｔｅｋ）を分散させた加工液を使用した。

本発明例４：水で適度に希釈したエマルジョン型の水溶性切削油に２質量％の酸化鉄（戸田工業製、１００ＥＤ）を分散させた加工液を使用した。

本発明例５：水で適度に希釈したエマルジョン型の水溶性切削油に２質量％の酸化クロム（日本化学工業製、クロメックスＳ−１）を分散させた加工液を使用した。

本発明例６：水で適度に希釈したエマルジョン型の水溶性切削油に２質量％の酸化チタン（シーアイ化成製、Ｎａｎｏｔｅｋ）を分散させた加工液を使用した。

本発明例７：水で適度に希釈したソリューション型の水溶性切削油（出光興産製、ダフニーアクアクール）と２質量％の酸化ケイ素とを混合した混合加工液を使用した。

それぞれの試料についてのラッピング加工の加工速度比を表１に示す。なお、表１の加工速度比は、比較例１の加工速度を１とした場合の値である。

表１を参照して、本発明例３〜７では比較例２の１００倍以上の加工速度となっており、加工速度が大きく向上している。また、比較例１で使用しているダイヤモンドは、本発明例３〜７で使用しているアルミナよりも高い硬度を有しているにも関わらず、本発明例３〜７では比較例１と同等以上の加工速度が得られている。以上の結果より、本発明の加工液を使用することによって、加工能率が向上することがわかる。

本実施例では、ラッピング加工の加工速度に及ぼす加工液の温度の影響について調べた。具体的には、実施例１と同様の方法を用いて、窒化セラミックスよりなる加工サンプルをラッピング加工した。砥石としては２０００番の粒度のアルミナを使用し、砥石と下側の定盤との結合材としてはレジンボンドを使用した。また、加工液としては、エマルジョン型の水溶性切削油に２質量％の酸化ケイ素を分散させた加工液（上記本発明例３の加工液）を使用した。加工液の温度については１０℃〜８０℃の範囲で変化させてそれぞれの温度での加工速度を測定した。加工液温度とラッピング加工の加工速度比との関係を図５に示す。なお、図５の加工速度比は、加工液の温度が２０℃（室温）の場合の加工速度を１とした場合の値である。

図５を参照して、加工液の温度上昇とともに加工速度が向上している。この結果より、加工液の温度を室温より高くすることによって加工能率が一層向上することがわかる。

以上に開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態および実施例ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正や変形を含むものと意図される。

本発明のラッピング加工方法および加工装置は、窒化ケイ素セラミックスやサイアロンセラミックスのラッピング加工に好適である。

本発明の一実施の形態におけるラッピング加工装置の主な構成を示す平面図である。 本発明の一実施の形態におけるラッピング加工装置の主な構成を示す側面図である。 本発明の一実施の形態におけるラッピング加工装置のタンクの構成を示す断面図である。 本発明の一実施の形態における他のラッピング加工装置の構成を示す斜視図である。 本発明の実施例２における加工液温度と加工速度比の関係を示す図である。

符号の説明

１，２１ ラッピング加工装置、２，３，２２，２９ 定盤、２ａ，３ａ 回転軸、４，２４ 供給管、５ 加工液、６ 砥石、７ 排水口、８，２５ 排水管、９，２６ タンク、９ａ〜９ｃ 滞留槽、１０，２３ 加工サンプル、１１ａ，１１ｂ ヒータ、１２ 温度制御装置、１３ 温度計、１４ ポンプ、１５ 給水源、１６ 水位制御装置、１７ 水位計、２２ａ，２９ａ 溝、２７，２８ シュート。

Claims (9)

1. セラミックスよりなる被加工物の表面を研磨材料によりラッピング加工するラッピング加工方法であって、
   前記被加工物にトライボケミカル反応を起こさせるような粒子を含む液体を前記被加工物と前記研磨材料との間に供給してラッピング加工することを特徴とする、ラッピング加工方法。
2. 前記被加工物は窒化ケイ素またはサイアロンを含むことを特徴とする、請求項１に記載のラッピング加工方法。
3. 前記液体はエマルジョン型の水溶性切削油またはソリューション型の水溶性切削油を含むことを特徴とする、請求項１または２に記載のラッピング加工方法。
4. 前記液体は水または水溶液を含み、かつ前記液体のｐＨが９以上１２以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載のラッピング加工方法。
5. 前記粒子は、ケイ素、鉄、クロム、およびチタンからなる群より選ばれる少なくとも１種以上の元素の酸化物よりなることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のラッピング加工方法。
6. 少なくとも一方に前記研磨材料を取り付けた２つの定盤の間に前記被加工物を配置し、前記２つの定盤を相対的に移動させることにより前記被加工物をラッピング加工することを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載のラッピング加工方法。
7. 前記液体は室温より高く８０℃以下の温度であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載のラッピング加工方法。
8. セラミックスよりなる被加工物の表面を研磨材料によりラッピング加工するラッピング加工装置であって、
   前記研磨材料と、
   前記被加工物にトライボケミカル反応を起こさせるような粒子を含む液体を前記被加工物と前記研磨材料との間に供給するための供給部と、
   前記被加工物を含む前記液体を前記研磨材料から排出するための排水部と、
   第１槽と第２槽とを有する筐体とを備え、
   前記第１槽には前記排水部から排出された前記液体が供給され、かつ前記第２槽には前記第１槽から溢れた前記液体が流れ込み、かつ前記第２槽の前記液体が前記供給部から供給されることを特徴とする、ラッピング加工装置。
9. 前記供給部から供給する液体の温度を制御するための制御装置をさらに備える、請求項８に記載のラッピング加工装置。

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