JP2011067902A - 研磨材混合流体研磨装置及び研磨方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金型等の金属部材の内部に連通して形式された中空部の内面研磨に効果的な安価で研磨性に優れた研磨材混合流体研磨装置及びそれを用いた研磨方法の提供を目的とする。
【解決手段】金属部材内部に連通して形成された中空部の内面研磨装置であって、連通した中空部の一方の開口部と他方の開口部にそれぞれ連結する一対の、研磨材混合流体の貯留タンクと、当該一対の貯留タンクの内圧を交互に増圧する増圧手段とを有し、研磨材混合流体が前記中空部内部を、往復流入出することで中空部内面が研磨されることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、金属内部、例えば金型等の冷却又は温調等を目的に形成される流路内部を研磨するのに効果的な研磨装置及び研磨方法に関する。

水等の流体に遊離砥粒等の研磨材を混合したスラリー状の混合流体を金属部品やセラミック部品の内部に形成した貫通孔等に高速流動させて、その内面を研磨する方法は公知である（特許文献１）。

しかし、従来の高速流動研磨の対象となる製品は、ステンレス鋼製細管やセラミックフエルール細管等の比較的直線状の孔の内面の研磨を対象するものであり、金型等に形式された３次元的な流路内面の研磨には有効でなかった。

特開２００３−３００１４８号公報

本発明は、金型等の金属部材の内部に連通して形式された中空部の内面研磨に効果的な安価で研磨性に優れた研磨材混合流体研磨装置及びそれを用いた研磨方法の提供を目的とする。

本発明に係る研磨材混合流体研磨装置は、金属部材内部に連通して形成された中空部の内面研磨装置であって、連通した中空部の一方の開口部と他方の開口部にそれぞれ連結する一対の、研磨材混合流体の貯留タンクと、当該一対の貯留タンクの内圧を交互に増圧する増圧手段とを有し、研磨材混合流体が前記中空部内部を、往復流入出することで中空部内面が研磨されることを特徴とする。

前記研磨材混合流体研磨装置を用いることで、レーザー光造形にて製作された焼結製の金属部材内部に連通して形成された中空部に研磨材混合流体を強制流入し、中空部内面を研磨することができる。
ここで本発明は、金属粉末をレーザー光にて焼結しながら薄い膜状に積層し、３次元的に焼結させた金属光造形金型に好適である。

本発明は３次元的な中空部の内面研磨に有効で、特にレーザー光を用いた光造形焼結金型等の金属部材の内部に形成した３次元中空部の内部表面の研磨に、研磨材混合流体を強制流入するだけで容易に表面仕上げができる。

本発明に係る研磨装置の構成例を模式的に示す。 遊離砥粒による研削、研磨の原理図を示す。 研磨試験・評価に用いた金型の構造を示す。 研磨時間による流路内面の表面粗さの変化例を示す。 研磨時間による表面粗さＲａ［μｍ］の変化を測定したグラフを示す。 研磨時間の経過に伴う流路表面の観察結果を示す。 遊離砥粒の大きさ及び濃度と流路表面粗さ変化を示す。 （ａ）は遊離砥粒の大きさと表面粗さの関係を示し、（ｂ）は遊離砥粒の濃度と表面粗さの関係を示す。

本発明に係る、研磨材混合流体を用いた研磨装置の構成例を示す。
金型等の金属部材からなるワークＷに連通して設けた流路等の中空部の一方の開口部と他方の開口部に配管部材等の連結具１１ａを介して、一対の貯留タンク１１をそれぞれ連結する。
貯留タンク１１は水、油等の流体２１に、研磨材としての遊離砥粒２０を混合してある。
貯留タンク１１は、遊離砥粒２０と流体２１との混合流体をワークＷの内部に形成した流路に強制流入できるように増圧手段に連結されている。
ここで増圧手段は、研磨材混合流体をワークＷの連通流路に高速強制流入できるものであれば特に構造が限定されるものでないが、本実施例にあっては、シリンダー状の増圧部１２に配設したピストン１３ａを、油圧、エアー圧、電動等にて往復運動させるシリンダー１３に連結した例になっている。
このシリンダー１３も図１において左右の増圧部１２を交互に増圧できれば手段、構造に限定がない。
例えば、油圧シリンダーに対して油圧ポンプ１４、エアー圧シリンダーに対してエアーポンプ１４を用いることができ、また電動シリンダーを採用することもできる。
本実施例では、貯留タンク１１と増圧部１２とを分離して設けた例になっているが増圧部を貯留タンクに一体的に形成してもよい。

図１にてワークＷの左右に連結した貯留タンク１１の一方を増圧し、研磨材混合流体をワークＷに形成した流路内に強制流入させ、他方の貯留タンク１１に戻るようになっていて、一対の貯留タンク１１を交互に増圧することで流路内を研磨材混合流体が往復流入出する。

遊離砥粒にて研削・研磨できる原理図を図２に示す。
遊離砥粒とは、個々の研磨材粒子が遊離状態になっているものをいい、水や油等の流体に混合するとスラリー状になり、混合流体に強制的な流れを生じさせると、砥粒が加工物（ワーク）の表面に接触し、この表面を研削・研磨する。
砥粒材質には特に制限はなく、アルミナ系砥粒、炭化ケイ素系砥粒、ジルコニアアルミナ系砥粒が例として挙げられ、安価に入手しやすい点ではアルミナ砥粒がよい。

研磨材混合流体による研磨条件を検討するために用いた金型の構造例を図３に示す。
実際に研磨が必要とする金型等は内部に設けた、冷却又は温調用の媒体を流すための流路等、３次元的な流路である。
近年、金型の冷却効率、温調効率を高めるのに３次元流路を形成することが検討されている。
そのような流路を形成する手段として、鉄粉等焼結が可能な金属粉末を薄い膜状に積層し、ＹＡＧレーザー、ＣＯ_２レーザー等のレーザー光をプログラミングに基づいて焦点照射することで３次元的に焼結形成する方法が検討されている。
このような金属光造形法では、焼結によるものであるために表面粗さが粗いことから、キャビティ面等は切削加工等で仕上げ加工するが、冷却用、温調用等の媒体流路は工具が入らず、従来のような切削加工ができない。
そこで図３に示した金型Ａ，Ｂの分離型を用いて試験評価した。

金型Ａ，Ｂはそれぞれ金属粉末を用いて、レーザー光焼結による光造形金型であり、図３（ｂ）に示すようにＲ＝２．５ｍｍ、Ｌ＝８０ｍｍの半円溝を金型Ａ，Ｂの対向面に形成し、パッキン材でシールすることで擬似的な流路を形成した。

このような試験型を用いて、砥粒アルミナ、粒度＃１５０（平均粒径９７．５μｍ）、砥粒濃度２．０ｖｏｌ％、流速２０ｍ／ｓｅｃ、１往復当たりの研磨距離４０ｍの条件にて研磨した結果を図４のグラフに示す。
この結果、焼結したままの研磨前の表面粗さが図４（ａ）に示すように算術平均粗さＲａ＝２４μｍ、最大高さＲｙ＝１１５μｍであったものが、５００ｓｅｃ後はＲａ＝１０μｍ、Ｒｙ＝４１μｍ、９０００ｓｅｃ後は、Ｒａ＝３．２μｍ、Ｒｙ＝１４μｍとなっていた。
この際の表面粗さＲａの時間経過を図５のグラフに示し、表面写真を図６に示す。

次にアルミナ砥粒のうち、粒度＃６０（平均粒径３０２．５μｍ），＃１５０（平均粒径９７．５μｍ），＃３２０（平均粒径７２．５μｍ）の３種を用いて、それぞれの砥粒の体積濃度での研磨時間と表面粗さ変化を調査した結果を図７のグラフに示す。
この結果、砥粒の平均粒径が大きいものの方が速く研磨できることは想定できたが、意外にも砥粒の平均粒径が大きくても表面粗さが小さく仕上がることが判明した。

そこで、同一の研磨時間にて表面粗さに対する粒度及び濃度の影響を調査した結果を図８に示す。
この結果、表面粗さを小さく仕上げるには、相対的に粗い粒度＃６０が最もよく、砥粒の濃度の影響は比較的小さいことが明らかになった。
従って、金属粉末をレーザー光造形した焼結金型にあっては砥粒材質がアルミナである場合に砥粒の平均粒径が９０〜３５０μｍの範囲がよいことが明らかになった。
また、砥粒濃度は少なくとも２〜１６ｖｏｌ％の範囲で影響が小さかった。

次に上記に示した砥粒平均粒径９０〜３５０μｍの範囲及び２〜１６ｖｏｌ％の濃度範囲、流速１０〜３０ｍ／ｓｅｃの範囲の条件にて３次元形状の流路や分枝状の流路を形成した焼結金型の研磨を実施した結果、充分に実用的な表面に仕上がった。

１１ 貯留タンク
１２ 増圧部
１３ シリンダー
１４ ポンプ
２１ 流体
Ｗ ワーク

Claims (3)

1. 金属部材内部に連通して形成された中空部の内面研磨装置であって、
   連通した中空部の一方の開口部と他方の開口部にそれぞれ連結する一対の、研磨材混合流体の貯留タンクと、当該一対の貯留タンクの内圧を交互に増圧する増圧手段とを有し、研磨材混合流体が前記中空部内部を、往復流入出することで中空部内面が研磨されることを特徴とする研磨材混合流体研磨装置。
2. レーザー光造形にて製作された焼結製の金属部材内部に連通して形成された中空部に研磨材混合流体を強制流入し、中空部内面を研磨することを特徴とする研磨方法。
3. 焼結製の金属部材が、金属粉末をレーザー光にて焼結しながら薄い膜状に積層し、３次元的に焼結させた光造形金型であることを特徴とする請求項２記載の研磨材混合流体による研磨方法。