JP2007222988A - 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を向上することのできる球体の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、窒化ケイ素セラミックスやサイアロンセラミックスよりなる球状の加工サンプル７の表面を砥石２ａ、３ａによりラッピング加工する球体のラッピング加工方法であって、砥石２ａ、３ａは加工サンプル７よりも高硬度の砥粒を含んでいる。加工サンプル７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を加工サンプル７と砥石２ａ、３ａとの間に供給してラッピング加工する。
【選択図】図１

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、窒化ケイ素セラミックスまたはサイアロン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、その加工能率や加工速度はあまり速くない。

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、たとえば球状の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が２５０ｍ／分以下の比較的遅い条件が適用される。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。

また、特開２０００−２１０８６２号公報（特許文献２）には、セラミック球の加工方法として、同軸配置された一対の円盤の対向する研磨面間に球体を挟持し、いずれか一方の円盤を他方に対して相対的に軸回転させて球体を研磨する研磨方法において、研磨効果の異なるラップ液を使用することが開示されている。この技術では、遊離砥粒を混入したラップ液が砥石定盤の目立て作用に関与して研磨量を増加させることができる。しかし、砥石の目詰まりによる加工能率の低下は防止できるものの、原理的に加工能率を向上させるものではない。また遊離砥粒の作用によって砥石定盤の磨耗を促進してしまうことから、ランニングコストに問題がある。

また、特開平５-８４６５６号公報（特許文献３）や特開平８-２５７８９７号公報（特許文献４）には、磁気流体を用いた研磨方法が開示されている。この方法では高能率のラッピング加工を行なうことができるが、磁気流体を用いるために装置構成が複雑であり、また１ロットの加工個数が少ないことから量産加工には不向きである。特に球体のラッピング加工では球体の平均直径にばらつきがないことが要求されるが、この方法では多数の球体を製造する場合、ロット間の平均直径を揃える必要があり工程管理が極めて困難である。

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さらに別の技術として、特開２００３−１４５４１６号公報（特許文献５）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。
特開平７−１３２４４８号公報 特開２０００−２１０８６２号公報 特開平５-８４６５６号公報 特開平８-２５７８９７号公報 特開２００３−１４５４１６号公報

しかしながら、上記特許文献５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、研磨材料を製造するために、被研磨セラミックスとなる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、研磨材料の製造するのに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、球体のラッピング処理能率を向上することは困難であった。

したがって、本発明の目的は、球体のラッピング処理能率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、窒化ケイ素セラミックスまたはサイアロン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球体のラッピング加工方法であって、研磨材料は被加工物よりも高硬度の砥粒を含んでいる。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、窒化ケイ素セラミックスまたはサイアロン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球体のラッピング加工装置であって、被加工物よりも高硬度の砥粒を含む研磨材料と、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、窒化ケイ素セラミックス球体やサイアロンセラミックス球体のラッピング処理の能率向上および低コスト化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、被加工物と被加工物より高硬度の砥粒を含む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を機械的に除去し、新たな被加工物の表面を作り出す。そして、新たな被加工物の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、ラッピング所理能率を向上することができる。また研磨材料の劣化を抑止することができる。

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、研磨材料に被加工物よりも硬質な砥粒を選択するため、研磨の際の研磨材料の変形を抑止することができ、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、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、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よりなっており、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は、上記砥粒はダイヤモンド、ＣＢＮ、および炭化ホウ素からなる群より選ばれる少なくとも１種以上の材料よりなっており、かつ上記砥粒の粒度が４００番より小さい場合に特に有効である。

上記の材料は、優れた硬度を有しているため砥粒として適している。また、上記砥粒の粒度が４００番より細粒、好ましくは８００番より細粒である条件で加工される場合においては、トライボケミカル反応による被加工物の反応生成物の除去量が、機械的に除去される被加工物の除去量に対して相対的に大きくなるため、化学的な除去と機械的な除去との大きな相乗効果を得ることができる。

本発明のラッピング加工方法において好ましくは、少なくとも一方に前記研磨材料を取り付けた同軸配置された一対の円盤において、互いに対向する研磨材料面に球体を挟持するとともに、前記円盤の一方を回転させることにより前記球体を研磨する球体の加工方法である。より好ましくは、少なくとも一方の前記円盤の前記研磨材料を取り付けた面に、球体が転動する溝が回転軸と同軸に形成された球体のラッピング加工方法である。

これにより、球状の被加工物に対してラッピング処理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。
図１は本発明の一実施の形態における球体のラッピング加工装置の構成を示す斜視図である。図１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１は、２つの定盤２および３と、供給管４と、排水管５と、タンク６とを主に備えている。タンク６の構造については後述する。定盤２および３はともに円の平面形状を有しており、定盤２および３の各々の表面に装着された砥石に溝２ａおよび３ａが形成されている。２つの定盤に形成された溝２ａおよび３aは複数の加工サンプル７の各々を挟むように、向かい合って配置されている。定盤３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３は駆動される。一方、定盤２は、油圧シリンダ（図示せず）などの押圧機構によって定盤３の方向へ適切な圧力で押圧される。

定盤２および３の間には、供給管４の一端が接続されている。供給管４はポンプ（図示せず）を介してタンク６内へ延在している。供給管４によって加工液８（図２）が加工サンプルと砥石との間に供給される。また、定盤２および３の下には排水管５が接続されており、排水管５はタンク６内へ延在している。加工液８は排水管５を介してタンク６内へ排水され、タンク６から供給管４を介して定盤２および３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７は、シュート９を介して定盤２の溝２ａと定盤３の溝３ａとの間に供給され、溝２ａおよび３ａの砥石によって研磨された後、シュート１０を介してコンベア上へ排出される。

砥石２ａ、３ａは、加工サンプル７よりも高硬度の砥粒を含んでいる。具体的には、ダイヤモンド、ＣＢＮ、または炭化ホウ素などよりなる砥粒を含んでいる。砥粒の粒度は４００番より小さく、好ましくは８００番より小さい。これは、細粒で加工するほど、トライボケミカル反応による被加工物の反応生成物の除去量が、機械的に除去される被加工物の除去量に対して相対的に大きくなるため、より化学的な除去と機械的な除去との大きな相乗効果を得ることができるからである。また、砥石２ａ、３ａ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、３に固定されている。

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タンクの構成を示す断面図である。図２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１は、筐体としてのタンク６をさらに備えている。タンク６は３つの滞留槽１１ａ〜１１ｃを有しており、滞留槽１１ａ〜１１ｃの各々にはいずれも加工液８が満杯に入っている。加工液８の液面の高さは、滞留槽１１ａ（第１槽）が最も高く、次いで滞留槽１１ｂが二番目に高く、滞留槽１１ｃ（第３槽）がもっとも低い。これにより、滞留槽１１ａの上部から溢れ出した加工液８は滞留槽１１ｂへ流れ込み、滞留槽１１ｂの上部から溢れ出した加工液８は滞留槽１１ｃへ流れ込む。また、排水管５の他端は滞留槽１１ａ内に差し込まれており、これにより滞留槽１１ａには排水管５から排出された加工液８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１１ｃ内に差し込まれており、これにより滞留槽１１ｃの加工液８がポンプ１４の動力により供給管４から砥石２ａ，３ａへ供給される。つまり、加工液８はタンク６などを通じて循環して使用される。

また、滞留槽１１ｃ内には温度計１３が設けられている。また、タンク６の外周にはヒータ１４ａが取り付けられており、供給管４の外周にはヒータ１４ｂが取り付けられている。温度計１３、ヒータ１４ａおよび１４ｂ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１４ａおよび１４ｂを加熱し、それにより加工液８の温度を制御する。その結果、適切な温度の加工液８を砥石２ａ，３ａ上へ供給することができる。加工液８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８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８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１１ａ内には滞留槽１１ａ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１１ａ上には滞留槽１１ａ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１１ａ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１１ａへ水を供給する。その結果、滞留槽１１ａ〜１１ｃ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、加工サンプル７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８を砥石２ａ，３ａ上に供給する。加工液８中の粒子の硬度は加工サンプル７の硬度以下であり、加工液８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。これにより、加工サンプル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、上記粒子によって被加工物が機械的に除去される。また加工液８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８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２ａ，３ａの目詰まりを防止することができる。さらに、上記粒子を加工液８中に均一に分散させることができる。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。加工液８のｐＨ調整には、アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、アンモニウム塩などの無機塩基や、エチレンジアミン、エタノールアミンなどの有機塩基などを用いることができる。

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７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２ａ，３ａによる加工サンプル７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７への接触頻度を高め、上記粒子の単位堆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７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２ａ，３ａ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２ａ，３ａの粒度と同等以下とすることにより上記粒子が砥石２ａ，３ａによる加工サンプル７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。

加工サンプル７と砥石２ａ，３ａとの間から流れ出した加工液８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８は、排水管５を介してタンク６の滞留槽１１ａの底部に供給される。滞留槽１１ａへの加工液８の供給により、滞留槽１１ａ内の加工液８が滞留槽１１ａと滞留槽１１ｂとを隔てる隔壁の上部から溢れ出し、滞留槽１１ｂへ流れ込む。このとき、滞留槽１１ａに供給された加工液８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、滞留槽１１ｂ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８に含まれる異物は滞留槽１１ａの底部に滞留し滞留槽１１ｂに流れ込み難くなるが、滞留槽１１ａから滞留槽１１ｂへ流れ込む加工液８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８に含まれる異物が除去される。同様に、滞留槽１１ｃを設けることで加工液８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８が供給管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。

本実施の形態の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７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７の反応生成物が生じる。砥石２ａ、３ａは、この反応生成物を除去すると同時に加工サンプル７の表面も機械的に除去し、新たな加工サンプル７の表面を作り出す。そして、新たな加工サンプル７の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７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７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、本実施の形態のラッピング加工方法および加工装置１によれば、砥石２ａ、３ａ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、砥石のサイズや形状にも制約がない。また加工液８は、加工サンプル７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、ラッピング所理能率を向上することができる。また砥石の劣化を抑止することができる。

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１１ａに供給された加工液８に含まれる異物の粒径は加工サンプル７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１１ａの底部に滞留し滞留槽１１ｂおよび１１ｃに流れ込み難くなるが、上記粒子は滞留槽１１ａにおいて均一に分散し滞留槽１１ｃとほぼ同一の濃度で滞留槽１１ｂおよび１１ｃに流れ込む。その結果、上記異物のみを除去した加工液８を再び供給することができ、加工液８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８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。

本実施例では、砥石粒度および加工液がラッピング加工の加工速度に及ぼす影響について調べた。具体的には、図１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１/４インチの直径を有する球形状のものを使用した。砥石としてはダイヤモンド砥石を使用し、粒度が１７０番〜８００番の範囲で変化させてそれぞれラッピング加工した。砥石は２つの両方の定盤にそれぞれ取り付け、砥石面に被加工物が転動する回転軸と同心の複数の溝を設けた。比較例Ａ１および本発明例Ａ２では１７０番の粒度のダイヤモンドを使用し、比較例Ｂ１および本発明例Ｂ２では４００番の粒度のダイヤモンドを使用し、比較例Ｃ１、比較例Ｃ２、および本発明例Ｃ３〜Ｃ９では８００番の粒度のダイヤモンドを使用した。比較例Ｄ１では砥石を使用せず、定盤（鋳物定盤）にて加工サンプルをラッピング加工した。砥石と定盤との間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Ａ１、比較例Ｂ１、および比較例Ｃ１：従来の加工液である白灯油系の油性加工液を使用した。

比較例Ｃ２：粒子を混合することなくエマルジョン型の水溶性切削油をそのまま使用した。

本発明例Ａ２、本発明例Ｂ２、本発明例Ｃ３、および比較例Ｄ１：エマルジョン型の水溶性切削油と、２質量％相当のシリカ微粒子が添加されたコロイダルシリカ水溶液（フジミインコーポレーティッド製、ＣＯＭＰＯＬＡＤ５０）とを混合した混合加工液（以下、エマルジョン混合加工液と記す）を使用した。

本発明例Ｃ４〜本発明例Ｃ７：エマルジョン型の水溶性切削油に２質量％の酸化ケイ素（シーアイ化成製、Ｎａｎｏｔｅｋ）、酸化鉄（戸田工業製、１００ＥＤ）、酸化クロム（日本化学工業製、クロメックスＳ−１）、または酸化チタン（シーアイ化成製、Ｎａｎｏｔｅｋ）をそれぞれ分散させた加工液を使用した。

本発明例Ｃ８：ソリューション型の水溶性切削油と、２質量％相当のシリカ微粒子が添加されたコロイダルシリカ水溶液とを混合した混合加工液（以下、ソリューション混合加工液と記す）を使用した。

本発明例Ｃ９：２質量％相当のシリカ微粒子が添加されたコロイダルシリカ水溶液を使用した。

それぞれの試料についての同一砥石粒度の比較例に対するラッピング加工の加工速度比を表１に示す。

表１を参照して、特に４００番以上の粒度の細かい砥石を用いた場合に、本発明例の加工速度は比較例の加工速度に比べて大きく向上している。一方、比較例Ｄ１ではエマルジョン混合加工液を使用しているにも関わらず加工速度が低くなっている。したがって、本発明例の加工速度の向上は、砥石の硬度と加工液との相乗効果によるものであると考えられる。

また、本発明例Ｃ３と本発明例Ｃ９とを比較して、コロイダルシリカ水溶液を単独で使用した本発明例Ｃ９でも加工速度は向上しているものの、エマルジョン混合加工液を使用した本発明例Ｃ３の方が加工速度の向上が大きい。一方、比較例Ｃ２と本発明例Ｃ３とを比較して、エマルジョン型水溶性切削油を単独で使用した比較例Ｃ２では加工速度があまり向上していないことから、本発明例Ｃ３の加工速度の向上は、エマルジョン型水溶性切削油とコロイダルシリカとの相乗効果によるものであると考えられる。

また、比較例Ｃ１と本発明例Ｃ４〜本発明例Ｃ７とを比較して、本発明例Ｃ４〜本発明例Ｃ７の加工速度はいずれも２．９倍〜３．１倍程度まで大きく向上している。このことから、エマルジョン混合加工液を使用する代わりに、所定の酸化物粒子をエマルジョン型水溶液に添加しても加工速度が向上することがわかる。

さらに、比較例Ｃ１と本発明例Ｃ８とを比較して、本発明例Ｃ８の加工速度は３．２２倍にまで大きく向上している。このことから、エマルジョン混合加工液を使用する代わりに、ソリューション混合加工液を使用しても加工速度が向上することがわかる。

本実施例では、実施例１で使用した加工液とは異なる加工液を使用し、砥石粒度および加工液がラッピング加工の加工速度に及ぼす影響について調べた。具体的には、実施例１と同様のラッピング加工方法および加工装置を用いて、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。砥石としては、比較例Ｅ１および本発明例Ｅ２では１７０番の粒度のダイヤモンドを使用し、比較例Ｆ１および本発明例Ｆ２では４００番の粒度のダイヤモンドを使用し、比較例Ｇ１および本発明例Ｇ２〜Ｇ６では８００番の粒度のダイヤモンドを使用した。比較例Ｈ１では砥石を使用せず、定盤（鋳物定盤）にて加工サンプルをラッピング加工した。本実施例の加工液としては以下のものを使用した。

比較例Ｅ１、比較例Ｆ１、および比較例Ｇ１：従来の加工液である白灯油系の油性加工液を使用した（実施例１の比較例Ａ１、比較例Ｂ１、および比較例Ｃ１とそれぞれ同じ）。

本発明例Ｅ２、本発明例Ｆ２、本発明例Ｇ２、および比較例Ｈ１：２質量％相当のシリカ微粒子が添加されたコロイダルシリカ水溶液を準備し、水で希釈することによりコロイダルシリカ水溶液のｐＨ１１に調整して使用した。

本発明例Ｇ３〜本発明例Ｇ６：０．００１ｍｏｌ／ｌの濃度のＫＯＨ水溶液に２質量％の酸化ケイ素、酸化鉄、酸化クロム、または酸化チタンをそれぞれ分散させた加工液を使用した。

それぞれの試料についての同一砥石粒度の比較例に対するラッピング加工の加工速度比を表２に示す。

表２を参照して、特に４００番以上の粒度の細かい砥石を用いた場合に、本発明例の加工速度は比較例の加工速度に比べて大きく向上している。一方、比較例Ｈ１ではコロイダルシリカ水溶液を使用しているにも関わらず加工速度が低くなっている。したがって、下本発明例の加工速度の向上は、砥石の硬度と加工液との相乗効果によるものであると考えられる。

また、比較例Ｇ１と本発明例Ｇ３〜本発明例Ｇ６とを比較して、本発明例Ｇ３〜本発明例Ｇ６の加工速度はいずれも１．８倍〜２倍程度まで大きく向上している。このことから、コロイダルシリカ水溶液を使用する代わりに、所定の酸化物粒子を水溶液に添加しても加工速度が向上することがわかる。

なお、本発明例Ｇ２〜Ｇ６のラッピング加工を行なう際に、加工液のｐＨを２〜１３の範囲で変化させ、酸化ケイ素、酸化鉄、酸化クロム、または酸化チタンよりなる粒子の加工液中での分散状態を評価した。具体的には、ＫＯＨ水溶液に上記粒子を添加し、ビーカで１０分間攪拌し、５時間放置した後の状態を観察した。その結果、ｐＨ５〜ｐＨ９では粒子は凝集沈殿し再分散させることは困難であったが、ｐＨ２〜ｐＨ５およびｐＨ９〜ｐＨ１３では粒子は分散状態を保持しているか、あるいは沈殿していても再分散が可能であった。

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８００番の粒度のダイヤモンドを使用し、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と、２質量％相当のシリカ微粒子が添加されたコロイダルシリカ水溶液（上記本発明例Ｃ３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３に示す。なお、図３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３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。

本発明は、軸受転動体やボールバルブなどに使用される窒化ケイ素セラミックス球やサイアロンセラミックス球の加工に好適である。

本発明の一実施の形態における球体のラッピング加工装置の主な構成を示す斜視図である。 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。 本発明の実施例３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 ラッピング加工装置、２，３ 定盤、２ａ，３ａ 砥石（溝）、４ 供給管、５ 排水管、６ タンク、７ 加工サンプル、８ 加工液、９，１０ シュート、１１ａ〜１１ｃ 滞留槽、１２ 温度制御装置、１３ 温度計、１４ ポンプ、１４ａ，１４ｂ ヒータ、１５ 給水源、１６ 水位制御装置、１７ 水位計。

Claims (10)

1. 窒化ケイ素セラミックスまたはサイアロン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球体のラッピング加工方法であって、
   前記研磨材料は前記被加工物よりも高硬度の砥粒を含み、
   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であることを特徴とする、請求項１に記載のラッピング加工方法。
3. 前記液体は水または水溶液よりなり、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に記載のラッピング加工方法。
4. 前記粒子の硬度は前記被加工物の硬度以下であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか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. 前記砥粒はダイヤモンド、ＣＢＮ、および炭化ホウ素からなる群より選ばれる少なくとも１種以上の材料よりなり、かつ前記砥粒の粒度が４００番より小さいことを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載のラッピング加工方法。
7. 少なくとも一方に前記研磨材料を取り付けた同軸配置された一対の円盤において、互いに対向する研磨材料面に球体を挟持するとともに、前記円盤の一方を回転させることにより前記球体を研磨す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. 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１〜７のいずれかに記載のラッピング加工方法。
9. 窒化ケイ素セラミックスまたはサイアロン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、
   前記被加工物よりも高硬度の砥粒を含む前記研磨材料と、
   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。
10. 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９に記載のラッピング加工装置。

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