JP2008238360A - 三次元磁石配列による磁気バレル研磨機 - Google Patents

Abstract

【課題】バレルメディアをより高い位置まで引き上げるとともに、研磨槽の内側部分に置かれた工作物を十分に研磨することができる三次元磁石配列による磁気バレル研磨機を提供する。
【解決手段】容器状をなす研磨槽１４のほぼ中央に筒状の中空部１６を形成し、この中空部に磁石１８を取り付けた回転体１７を配置するとともに、底面には磁石付き円盤１２を取り付けて、磁石付き回転体と磁石付き円盤とを研磨槽の適所に付設したモータ１３で回転させることにより、研磨槽内に工作物とともに投入されているバレルメディア２０がより広範囲に研磨槽内に分布するようにしたことを特徴とする三次元磁石配列による磁気バレル研磨機。
【選択図】図１

Description

本発明は、研磨槽のより広い範囲において研磨でき、研磨能力を向上させることができる三次元磁石配列による磁気バレル研磨機に関するものである。

磁気バレル研磨法は、ステンレス鋼、炭素鋼などの磁性体で出来たバレルメディア（研磨工具）に対して、周期的に変動する磁場を加えることにより、メディアに運動エネルギーを与えこれを利用して工作物を研磨する加工法である。
磁気バレル研磨機は磁場の印加方式により、電磁石型、永久磁石型等に分けられ、このうち永久磁石型は機構が簡便であるなどの理由により、小型の機械部品や宝飾品の研磨等においてすでに実用化されている。磁気バレル研磨法の最大の利点は従来のバレル研磨法と比べて、バレルメディアに高速で複雑な運動を与えられることである。このため微細バレルメデイアの使用によって、従来のバレル研磨では加工できなかった複雑微細形状の工作物を短時間に加工することができる。
そのような磁気バレル研磨機は、特開平７−６８４６２号公報（特許文献１参照）および特開平８−５２６５０号公報（特許文献２参照）等に示されている。

そこで、市販されている磁気バレル研磨機の構造を図１２に示す。強力な永久磁石３１を取り付けた磁石円盤３２をモータ３３により回転させることで、研磨槽３４内に回転変動磁場を発生させる。磁石円盤３２に取り付けてある永久磁石３１は図１３に示すような配置をしており、６個の永久磁石３１が円盤上に、中心から各半径ａ，ｂの円周上にそれぞれ３個ずつ１２０度間隔に取り付けられている、内側の磁石はＳ極が２個、Ｎ極が１個、外側の磁石にはＳ極が１個、Ｎ極が２個上向きになるように取り付けられている。

なお、上記磁石３１はすべてリング型ネオジウム磁石（φ１８×φ７×６）で、表面磁束密度は０．４０Ｔである。通常の研磨では強磁性のバレルメディア３５、水、コンパウンド３６、工作物３７などを入れた研磨槽３４がプレート３８上に置かれる、この時、研磨槽３４自体が回転するのではなく、磁石円盤３２の回転によって発生した回転磁場により、バレルメディア３５だけが駆動され、工作物に激しく衝突を繰り返すことで加工が行われる。
特開平７−６８４６２号公報 特開平８−５２６５０号公報

ところで、上記磁気バレル研磨機においては、研磨槽３４下部から磁界を発生しているため、研磨槽３４下部でのバレルメディア３５の運動は強いが、上部になるほど弱くなる。したがって、バレルメディア３５の到達高さには限界があり、ある高さまでしか工作物３７が研磨されない。

さらに、バレルメディア３５の回転時に作用する遠心力のため、バレルメディア３５が研磨槽３４外壁付近に集中し、研磨槽３４の内側部分に置かれた工作物を十分に研磨できないという問題があった。

本発明は、上記従来の磁気バレル研磨機におけるバレルメディアの到達高さの限界や、また研磨槽の内側部分に置かれた工作物を十分に研磨できないという問題点を解消し、バレルメディアをより高い位置まで引き上げるとともに、研磨槽の内側部分に置かれた工作物を十分に研磨することができる三次元磁石配列による磁気バレル研磨機を提供しようとするものである。

そのため、本発明に係る三次元磁石配列による磁気バレル研磨機は、容器状をなす研磨槽のほぼ中央に筒状の中空部を形成し、この中空部に磁石を取り付けた回転体を配置するとともに、底面には磁石付き円盤を取り付けて、磁石付き回転体と磁石付き円盤とを研磨槽の適所に付設したモータで回転させることにより、研磨槽内に工作物とともに投入されているバレルメディアがより広範囲に研磨槽内に分布するようにしたことを特徴とするものである。

本発明に係る三次元磁石配列による磁気バレル研磨機は、前記磁石を取り付けた回転体が、四角いブロック状の棒の各側面に永久磁石を１個ずつ計４個取り付けたものであることをも特徴とするものである。

本発明に係る三次元磁石配列による磁気バレル研磨機は、前記磁石を取り付けた回転体が、四角いブロック状の棒の各側面に永久磁石を１個ずつＮ極・Ｓ極を交互に計４個取り付けたものであることをも特徴とするものである。

本発明に係る三次元磁石配列による磁気バレル研磨機は、前記磁石を取り付けた回転体が、磁石付き円盤上において昇降可能としたことをも特徴とするものである。

本発明に係る三次元磁石配列による磁気バレル研磨機によれば、従来の磁気バレル研磨機におけるバレルメディアの到達高さの限界をなくしてバレルメディアをより高い位置まで引き上げることができ、また研磨槽の内側部分に置かれた工作物を十分に研磨することができるようになった。

以下この発明の三次元磁石配列による磁気バレル研磨機の実施の形態を図面に基いて詳細に説明する。
図１は本発明の三次元磁石配列による磁気バレル研磨機の１実施例を示す概略断面図、図２は磁石を取り付けた回転体を示す拡大斜視図、図３は図１の斜視図である。

本発明の三次元磁石配列による磁気バレル研磨機は図１〜図３に示すように、強力な永久磁石１１を取り付けた磁石付き円盤１２をモータ１３により回転させることで、研磨槽１４内に回転変動磁場を発生させるものである。磁石円盤１２に取り付けてある前記永久磁石１１は前記図１３に示すような配置をしている。なお、上記磁石はすべてリング型ネオジウム磁石（φ１８×φ７×６）で、表面磁束密度は０．４０Ｔである。

この発明においては、前記容器状をなす研磨槽１４の中心に筒状の中空部１６を形成し、この中空部１６に磁石１８を取り付けた回転体１７を配置するとともに、底面には磁石円盤１２を取り付けて、磁石付き回転体１７と磁石円盤１２とを研磨槽１４の適所に付設したモータ１３で回転させるようになっている。
そうすることにより、研磨槽１４内に回転変動磁場が発生して、研磨槽１４の内側部分に置かれた工作物１９が研磨される。
同時に、磁石１８を取り付けた回転体１７によって研磨槽１４内に工作物１９とともに投入されているバレルメディア２０が筒状の中空部１６の壁面に沿って引き上げられる。また、磁石付き回転体１７によって、回転するバレルメディア２０に作用する遠心力に抵抗して、バレルメディア２０を研磨槽１４の内側に引き寄せる効果を与え、研磨槽１４内にバレルメディア２０が所定の高さまで立体的、かつより均一に分布するようになる。
図１および図３において、２１はモータ等を収納するケース、２２はケース２１上において研磨槽１４を搭載したプレートである。

本発明に係る三次元磁石配列による磁気バレル研磨機における磁石１８を取り付けた回転体１７は、図２に示すように四角いブロック状の棒の各側面に永久磁石１８を１個ずつ計４個取り付けたものであり、かつ永久磁石１８のＮ極・Ｓ極を交互に配置したものであることが望ましい。

以後、この改良した研磨機の性能を従来型研磨機と様々な点で比較する実験を行うが、その際、以下のように研磨方式に名称を与えておく。
磁石円盤のみを設置されている従来の市販型研磨機による研磨方式を「Ａ」と表記する。
磁石の磁極をＮ、Ｓ交互に配置した回転体が、プレートから１５ｍｍと３０ｍｍの高さに設置された研磨方式をそれぞれ「Ｂ」および「Ｃ」と表示する。
同様に、回転体に磁石のＮ極がすべて外向きに配置された研磨方式を「Ｄ」（高さ１５ｍｍ）および「Ｅ」（高さ３０ｍｍ）と表記する。
以下の研磨実験では目的に応じて、工作物の形状や配置を変更した。いずれの実験でもバレルメディア６０ｇ、水２００ｃｃ、コンパウンド２ｃｃは同一条件とした。使用したバレルメディアはステンレス鋼製（ＳＵＳ３０４）で直径０．５ｍｍ、長さ５ｍｍ、質量約７．７ｍｇのピン状バレルメディアである。
磁石円盤と回転体の回転数も１７７０ｒｐｍと一定とした。研磨中のバレルメディアの分布を高速度ビデオカメラ （ＦＡＳＴＣＡＭ−ｈｖｃ：株式会社フォトロン製）を用いて撮影した。撮影は研磨槽の真上と横側から行ない、撮影速度は７２０コマ／秒とした。

工作物として断面形状１０×１０ｍｍの正方形、長さ６０ｍｍの黄銅（Ｃ３６０４ＢＤ）四角棒を使用した。実験を行う前にフライス盤により表面の前加工を行ない、表面粗さＲａ約１．０μｍとした。研磨槽の高さによる研磨状態の相違を調べるため、工作物は研磨槽の中心から半径４０ｍｍの位置（図１３のＰ１点）に研磨槽底面に垂直に立てて固定した。前加工した工作物の表面粗さが工作物ごとに多少違い、研磨能力を評価しにくいので、表面粗さによる研磨率Ｒを数１のように定義した。

研磨率Ｒの値が大きければ大きいほど、研磨能力が大きいことになる。本実験では研磨された工作物がＲ＞０．１の場合に有効に研磨できたと見なした。前述の５通りの研磨方式を用いて４０分間研磨を行った後、底面から１０〜４０ｍｍの範囲の５ｍｍ刻みの高さで工作物の表面粗さを測定した。粗さを測定する面は、研磨槽内を回転するバレルメディアが垂直に衝突する面とした。変化は図４ａないし図４ｃに、各高さにおける研磨係数Ｒの値は図４ｄにおいて研磨方式ごとに示した。

図４の結果から以下のようなことがわかる。先に述べた「有効研磨」の定義によると従来の研磨方式Ａでは約１５ｍｍの高さまでしか有効に研磨されないが、方式ＢとＣでは約３０ｍｍと３７ｍｍの高さまで、方式ＤとＥでは約２８ｍｍの高さまで有効に研磨できる。すなわち磁石付きの回転体を設置したＢ、Ｃ、Ｄ、Ｅ の４つの研磨方式では、いずれもＡ方式より研磨能力が高い。さらに、Ｂ方式よりＣ方式のほうが有効研磨高さが大きいことから、本実施例の条件の中では、磁石１８の設置高さは高い（３０ｍｍ）方が、高い位置での研磨能力を向上させる効果があることが明らかになった。その原因はバレルメディアが研磨槽内により均一に分布し、互いに衝突する機会が少なく、その結果運動エネルギーが大きくなったためだと考えられる。

磁石の極性配置を変えた場合、磁石が同じ高さに設置されたＢとＤ、ＣとＥの結果を比較すると、結果が異なっている。すなわち、磁石のＮ、Ｓ極が交互に配置された回転体を用いる研磨方式（Ｂ、Ｃ方式）では、すべてＮ極を外向きに配置した回転体による研磨方式（Ｄ、Ｅ方式）より、研磨能力が高いことがわかった。以上の結果から、回転体上の磁石の極性配置が研磨の結果に大きく影響することがわかった。これは、極性配置の違いにより磁場分布が異なるためだと考えられる。
図９と図１０は、それぞれ磁極が交互に配置された場合（Ｂ、Ｃ方式）と、Ｎ極をすべて外側に向けて配置した場合（Ｄ、Ｅ方式）の、回転体周囲のバレルメディア分布写真である。これらの写真は、底部の磁石円盤は取り外し、回転体を静止させた状態で撮影した。図中、白い矢印は推定される磁束線の方向を示している。磁束線方向にバレルメディアが大量に並んで分布しているのがわかる。しかし、Ｎ極のみの配置（図１０）では、磁石と磁石の中間に、バレルメディアの存在しない空白領域が認められる。一方、交互配置（図９）では、このような領域は認められない。さらに、交互配置の方がバレルメディアがより多様な方向を向いている。このような磁場分布の非均一性が研磨効率に影響を及ぼし、交互配置でより良好な研磨結果が得られたと推定される。

前記図４からみて、磁気バレル研磨装置の磁石配列を三次元的にすると、工作物の高い位置まで研磨されることがわかり、磁石の三次元配置の有効性が確認できた。さらに、回転体上に配置された磁石の設置高さや磁極の向きは、研磨能力に影響することがわかった。

本実施例では、断面形状が５×５ｍｍの正方形、長さ５０ｍｍの黄銅（Ｃ３６０４ＢＤ）四角棒を工作物として使用し、研磨実験を行う前にフライス盤により表面の前加工を行い、表面粗さをＲａ約１．０μｍとした。研磨槽の内側、外側においた工作物の研磨能力の相違を調べるため、工作物は研磨槽の中心から半径方向の３０ｍｍ（内側）と５０ｍｍ（外側）の位置（図１３のＰ２とＰ３点）に立てて固定し、Ａ、Ｂ、Ｃの三方式を用いて、３０分の研磨実験を行った。図５に、研磨率Ｒと工作物位置の関係を示す。Ａ方式では内側の研磨能力が小さく、外側が大きい（研磨率には約０．２５の差がある）。磁石つき回転体を使用したＢ、Ｃ方式では、内外側の研磨能力の差がＡ方式より小さく（研磨率には約０．０５の差しかない）なることがわかり、磁石付き回転体配置の有効性が確かめられた。

上記の結果から磁石付き回転体を設置したことにより、研磨槽内の研磨可能な領域（Ｒ＞０．１の領域）が広がったことが確認されたが、その原因はバレルメディアが存在する領域が高さ方向にも半径方向にも広がったためと考えられる。そのことを確かめるため、研磨中のバレルメディアの分布状態を調べることとした。高速度ビデオカメラを用いて、研磨槽の真上と横側から運動中のバレルメディアを撮影した。

図６はＡ、Ｂ、Ｃの三つの研磨方式における研磨中のバレルメディアを研磨槽の真上から撮影した写真である。写真からＢ方式とＣ方式では、Ａ方式よリバレルメディアが内側、外側ともほぼ均一に分布し、内側にも多数のバレルメディアが存在することが分かる。
なお前記結果からＢ、Ｃ方式磁石配列では、Ａ方式より内側、外側ともほぼ同じように研磨されていたが、この結果は、図６に示したバレルメディアの半径方向分布から予想される結果と定性的に一致する。

図７はＡ、Ｂ、Ｃの各研磨方式で研磨中のバレルメディア分布を研磨槽の横側から撮影した写真であり、黒いマーカー線の間隔が１０ｍｍである。また、図８は、図７の撮影画像をもとに、バレルメディアの分布をトレースにして示したものである（各高さ領域のメディアの本数は、実験ではモニタ画面上で計測したが、印刷画像ではメディア像が不鮮明なため、トレース像を掲載した）。Ａ方式では、高さ２０ｍｍ〜３０ｍｍの間にはバレルメディアが２、３本しか見られず、１０ｍｍ〜２０ｍｍの間に２０本ほど見られる。これに対して、Ｂ方式では２０ｍｍ〜３０ｍｍの間にはバレルメディアが１５本程認められ、１０ｍｍ〜２０ｍｍの間にはバレルメディアが多数存在するのがわかる。Ｃ方式では高い領域にもバレルメディアがより多く存在している。しかし、１５ｍｍ〜２５ｍｍの間にはバレルメディアがその上下の領域より多少少ない。図４（ｄ）に示されている研磨率Ｒの値は、Ｃ方式の場合、１５ｍｍ〜２５ｍｍの高さで小さくなっているが、その原因は、この領域にバレルメディアが少ないためと考えられる。図４に示したように、Ｂ、Ｃ方式の適用により、工作物の高い部分でもよく研磨されるようになった原因は、磁石付き回転体によりバレルメデイアがより高く上昇したためであることが確かめられた。

工作物に１０×１０×５ｍｍ（約４．５ｇ）のブロック状黄銅 （Ｃ３４０６ＢＤ）を用い、研磨前にフライス盤により表面粗さが Ｒａ約２μｍになるように前加工を行った。電子天秤を用い、実験前の工作物の重量を計り、固定されていない工作物５個とバレルメディア６０ｇ、水２００ｃｃ、コンパウンド２ｃｃを研磨糟に投入し、Ａ、Ｂ、Ｃの３つの方式で研磨を行なった。２０分、４０分、６０分研磨した工作物の減少量を測定し、研磨量とした。図１１は、Ａ、Ｂ、Ｃの３つの研磨方式における、研磨量と研磨時間の関係を示したものである。研磨量は研磨時間とともに増加している。研磨量は、わずかながらＡ方式よりもＢ、Ｃ方式のほうが大きい。しかしながら、いずれの加工方式でも６０分で研磨量はわずか Ａ：０．６４ｍｇ、Ｂ：０．８０ｍｇ、Ｃ：０．７６ｍｇと極めて小さい。この結果は、研磨機の改良は、研磨量の増加に対してもわずかながら寄与しているものの、研磨量自体は非常に小さく、本研磨法が‘削る’よりも‘磨く’ための仕上げ加工に適していることを示すものである。

上記各実施例では、永久磁石型の磁気バレル研磨機において、バレルメディアを従来の研磨機より高い位置まで上昇させ、背の高い工作物の研磨を可能にすること、さらにバレルメディアを研磨槽内により均一に分布させることを目的として、磁石配列を三次元的に改良した磁気バレル研磨機を示している。
１）試作した磁気バレル研磨機は、市販されている研磨機より、背が高い工作物（高さ：約３５ｍｍまで）でも均一に研磨できることと、研磨槽内の半径方向に広い範囲で研磨できることが明らかになった。
２） バレルメディア分布の観察から、改良した磁気バレル研磨機の磁石付き回転体の設置により、バレルメディアを上昇させる効果と研磨槽の内側へ引張る効果がともに向上することが示されている。また、これが上記１）で述べた研磨能力向上の原因であることも確認された。
３）回転体上の磁石配置高さおよび磁極配列は研磨機の研磨能力に影響し、磁極が交互に設置された方式の方が研磨能力が高いことがわかった。
４） 本研究における改良の結果、研磨量はごくわずかに上昇したが、研磨量自体は極めて微小であった。このことから、本研磨法が、工作物を削るよりも磨くのに適した加工法であることが確認された。

上記各実施例における三次元磁石配列による磁気バレル研磨機は、前記磁石１８を取り付けた回転体１７を磁石円盤１２上において昇降可能とすることも可能である。
そうすることによって、研磨槽内へ投入する工作物の量や高さ等に応じた適当な高さのバレルメディア分布を得ることが可能である。

この発明は、小型の機械部品や宝飾品の研磨等のみならず、従来のバレル研磨では加工できなかった複雑微細形状の工作物を短時間に加工するための三次元磁石配列による磁気バレル研磨機としても利用することができる。

本発明の三次元磁石配列による磁気バレル研磨機の１実施例を示す概略断面図である。 磁石を取り付けた回転体を示す拡大斜視図である。 図１の斜視図である。 ａ〜ｃは研磨によって生じる工作物の表面粗さの変化を示し、ｄは各高さにおける研磨係数Ｒの値を研磨方式ごとに示すグラフである。 研磨率Ｒと工作物位置の関係を示すグラフである。 Ａ、Ｂ、Ｃの三つの研磨方式における研磨中のバレルメディアを研磨槽の真上から撮影した写真である。（カラー写真を手続補足書にて提出） Ａ、Ｂ、Ｃの各研磨方式で研磨中のバレルメディア分布を研磨槽の横側から撮影した写真である。（カラー写真を手続補足書にて提出） 図７の撮影画像をもとに、バレルメディアの分布をトレースにして示したグラフである。 磁極が交互に配置された場合（Ｂ、Ｃ方式）の回転体周囲のバレルメディア分布写真である。（カラー写真を手続補足書にて提出） Ｎ極をすべて外側に向けて配置した場合（Ｄ、Ｅ方式）の、回転体周囲のバレルメディア分布写真である。（カラー写真を手続補足書にて提出） Ａ、Ｂ、Ｃの３つの研磨方式における、研磨量と研磨時間の関係を示したグラフである。 従来の磁気バレル研磨機の構造を示す概略断面図である。 磁石円盤に取り付けた永久磁石の配置を示す斜視図である。

符号の説明

１１ 永久磁石
１２ 磁石円盤
１３ モータ
１４ 研磨槽
１６ 中空部
１７ 回転体
１８ 磁石
１９ 工作物
２０ バレルメディア
２１ ケース
２２ プレート

Claims (4)

1. 容器状をなす研磨槽のほぼ中央に筒状の中空部を形成し、この中空部に磁石を取り付けた回転体を配置するとともに、底面には磁石付き円盤を取り付けて、磁石付き回転体と磁石付き円盤とを研磨槽の適所に付設したモータで回転させることにより、研磨槽内に工作物とともに投入されているバレルメディアがより広範囲に研磨槽内に分布するようにしたことを特徴とする三次元磁石配列による磁気バレル研磨機。
2. 磁石を取り付けた回転体が、四角いブロック状の棒の各側面に永久磁石を１個ずつ計４個取り付けたものであることを特徴とする請求項１記載の三次元磁石配列による磁気バレル研磨機。
3. 磁石を取り付けた回転体が、四角いブロック状の棒の各側面に永久磁石を１個ずつＮ極・Ｓ極を交互に計４個取り付けたものであることを特徴とする請求項２記載の三次元磁石配列による磁気バレル研磨機。
4. 磁石を取り付けた回転体が、磁石付き円盤上において昇降可能としたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の三次元磁石配列による磁気バレル研磨機。

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