JP2014124831A - グリーン体の加工方法、セラミックころの製造方法およびグリーン体の加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】セラミックころの製造コストの低減を可能とするグリーン体の加工方法、セラミックころの製造方法およびグリーン体の加工装置を提供する。
【解決手段】グリーン体の加工方法は、円環状の第１加工面１１と、第１加工面１１の内側において対向する円弧状の第２加工面２３との間に、第１加工面１１および第２加工面２３に外周面９１が対向するように、グリーン体９０を供給する工程と、第１加工面１１に対して第２加工面２３が相対的に周方向に回転するように、第１加工面１１および第２加工面２３の少なくともいずれか一方を周方向に回転させることにより、グリーン体９０を自転および公転させつつグリーン体９０の外周面９１を第１加工面１１および第２加工面２３に接触させて加工する工程とを備えている。
【選択図】図２

Description

本発明はグリーン体の加工方法、セラミックころの製造方法およびグリーン体の加工装置に関し、より特定的には、セラミックころの製造コストの低減を可能とするグリーン体の加工方法、セラミックころの製造方法およびグリーン体の加工装置に関するものである。

一般に、転がり軸受の転動体などに使用されるセラミックス製のころ（セラミックころ）は、セラミック粉末を主原料とする原料粉末を成形して未焼結のころであるグリーン体を作製し、これを焼結した後、転走面となる外周面に研磨処理を行なうことにより所望の寸法、精度を有するセラミックころに仕上げることにより製造される。より具体的には、原料粉末の混合、造粒、成形、脱脂、焼成（焼結）、研磨のプロセスを経てセラミックころは製造される。そして、焼結後のころに対しては、センタレス研磨機による外径研磨加工が実施される。しかし、何ら対策を講じない場合、焼成後のころは円筒度が低いため、安定した回転や砥石との接触が得られず加工し難いばかりでなく、加工取り代が大きくなる。また、セラミックころは硬度が非常に高い。その結果、研磨加工に長時間を要する。また、粗研磨砥石の摩耗も大きくなる。そのため、製造コストが高くなることが、セラミックころの製造において問題となっている。

一方、セラミックころと同様に転がり軸受の転動体などに使用されるセラミックス製のボール（セラミックボール）においても同様の問題が存在する。このセラミックボールの製造においては、焼結前の原料粉末からなるボール（グリーンボール）の表面を加工して真球度を向上させておくことで、焼結後のセラミックボールの研磨時間を抑制し、製造コストを低減する方法が提案されている（たとえば、特許文献１〜４参照）。

特開２０１１−７３０７６号公報 特開２０１１−７３０７７号公報 特開２０１２−４０６９９号公報 特開平７−３１４３０８号公報

しかしながら、上記特許文献に開示されたグリーンボールの加工方法は、球状のグリーン体に特化した加工方法であり、ころ形状を有するグリーン体の加工に適用できるものではない。

本発明は、上述のような状況の下で創出されたものであって、その目的は、セラミックころの製造コストの低減を可能とするグリーン体の加工方法、セラミックころの製造方法およびグリーン体の加工装置を提供することである。

本発明に従ったグリーン体の加工方法は、円環状の第１加工面と、第１加工面の内側において対向する円弧状の第２加工面との間に、第１加工面および第２加工面に外周面が対向するように、セラミックスの原料粉末がころ状に成形されたグリーン体を供給する工程と、第１加工面に対して第２加工面が相対的に周方向に回転するように、第１加工面および第２加工面の少なくともいずれか一方を周方向に回転させることにより、グリーン体を自転および公転させつつグリーン体の外周面を前記第１加工面および第２加工面に接触させて加工する工程とを備えている。

本発明のグリーン体の加工方法では、グリーン体を自転および公転させつつ、相対的に周方向に回転する第１加工面および第２加工面に外周面を接触させてグリーン体を加工する。そのため、グリーン体の円筒度を有効に向上させることができる。その結果、当該グリーン体を焼結処理して得られるセラミックころの円筒度が向上し、研磨加工のコストが抑制され、製造コストを低減することができる。

上記グリーン体の加工方法においては、第２加工面が互いに間隔をおいて周方向に複数配置されることにより、外周面を加工する工程では、グリーン体の外周面は第２加工面と断続的に接触してもよい。これにより、グリーン体の円筒度を効率よく向上させることができる。また、第２加工面は、周方向において等間隔に配置されていてもよい。

上記グリーン体の加工方法においては、第１加工面は第１円周面に沿って配置され、第２加工面は、第１円周面と同心であり、第１円周面よりも直径の小さい第２円周面に沿って配置されていてもよい。これにより、一層有効にグリーン体の円筒度を向上させることができる。

上記グリーン体の加工方法においては、外周面を加工する工程では、第１加工面と第２加工面とは、周方向に沿って互いに逆向きに回転してもよい。これにより、グリーン体の円筒度を一層効率よく向上させることができる。

上記グリーン体の加工方法においては、外周面を加工する工程では、第２加工面が径方向外側に移動しつつ外周面が加工されてもよい。

加工の進行に従って、グリーン体の外径は徐々に小さくなる。そのため、これに合わせて第２加工面を径方向外側に移動させることにより、グリーン体の円筒度をさらに効率よく向上させることができる。

本発明に従ったセラミックころの製造方法は、セラミックスの原料粉末がころ状に成形されたグリーン体が準備される工程と、グリーン体の外周面が加工される工程と、外周面が加工されたグリーン体が焼結処理される工程とを備えている。そして、グリーン体の外周面が加工される工程では、上記グリーン体の加工方法により外周面が加工される。

本発明のセラミックころの製造方法によれば、焼結処理前に上記グリーン体の加工方法によりグリーン体の円筒度を向上させておくことにより、焼結処理後の外周面の研磨加工を短時間で完了させることが可能となり、セラミックころの製造コストを抑制することができる。

本発明に従ったグリーン体の加工装置は、セラミックスの原料粉末がころ状に成形されたグリーン体の外周面を第１加工面および第２加工面により加工するグリーン体の加工装置である。このグリーン体の加工装置は、円環状の内周面に沿って形成された第１加工面を有する第１部材と、第１加工面の内側において対向する円弧状の第２加工面を有する第２部材とを備えている。そして、第１加工面に対して第２加工面が相対的に周方向に回転するように、第１加工面および第２加工面の少なくともいずれか一方が周方向に回転可能となっている。このような構成を有することにより、本発明のグリーン体の加工装置によれば、上記本発明のグリーン体の加工方法を容易に実施することができる。

上記グリーン体の加工装置においては、第２加工面は、互いに間隔をおいて周方向に複数配置されていてもよい。これにより、グリーン体の外周面を第２加工面と断続的に接触させて当該外周面を加工することができる。その結果、グリーン体の円筒度を効率よく向上させることができる。また、第２加工面は、周方向において等間隔に配置されていてもよい。

上記グリーン体の加工装置においては、第１加工面は第１円周面に沿って配置され、第２加工面は、第１円周面と同心であり、第１円周面よりも直径の小さい第２円周面に沿って配置されていてもよい。これにより、一層有効にグリーン体の円筒度を向上させることができる。

上記グリーン体の加工装置においては、第１加工面と第２加工面とは、周方向に沿って互いに逆向きに回転可能となっていてもよい。これにより、グリーン体の円筒度を一層効率よく向上させることができる。

上記グリーン体の加工装置においては、第２加工面は、径方向に移動可能となっていてもよい。

加工の進行に従って、グリーン体の外径は徐々に小さくなる。そのため、これに合わせて第２加工面を径方向外側に移動させることにより、グリーン体の円筒度をさらに効率よく向上させることができる。

以上の説明から明らかなように、本発明のグリーン体の加工方法、セラミックころの製造方法およびグリーン体の加工装置によれば、セラミックころの製造コストの低減を可能とするグリーン体の加工方法、セラミックころの製造方法およびグリーン体の加工装置を提供することができる。

セラミックころの製造工程の概略を示すフローチャートである。 グリーン体の加工装置の構造を示す概略図である。 図２のグリーン体の加工装置の構造の一部を示す概略断面図である。 グリーン体の加工装置の構造の他の一例を示す概略図である。 図４のグリーン体の加工装置の構造の一部を示す概略断面図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
まず、本発明の一実施の形態である実施の形態１について説明する。図１を参照して、本実施の形態におけるセラミックころの製造方法では、まず工程（Ｓ１０）としてグリーン体準備工程が実施される。この工程（Ｓ１０）では、窒化珪素、酸化アルミニウム、サイアロン、炭化珪素などのセラミックスの原料粉末が準備され、造粒、成形、脱脂などのプロセスを経て、セラミックころの概略形状に成形されたグリーン体が準備される。

次に、工程（Ｓ２０）として実施されるグリーン体供給工程、工程（Ｓ３０）として実施される外周面加工工程を含むグリーン体の加工プロセスが実施される。これにより、グリーン体の円筒度が向上する。このグリーン体の加工プロセスについては、後述する。

次に、工程（Ｓ４０）として焼結工程が実施される。この工程（Ｓ４０）では、外周面が加工されることにより円筒度が向上したグリーン体に対して、ＨＩＰ（Ｈｏｔ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓ）などの加圧焼結、あるいは常圧焼結が実施される。これにより、セラミックころが得られる。

次に、工程（Ｓ５０）として仕上げ工程が実施される。この工程（Ｓ５０）では、工程（Ｓ４０）における焼結により得られたセラミックころに対して仕上げ研磨が実施される。このとき、セラミックころは硬度が極めて高く、その研磨には長時間を要するが、以下に説明するように本実施の形態では硬度の低いグリーン体の段階において高い円筒度に加工されていることにより、研磨を短時間で完了することができる。また、粗研磨のプロセスにおいて被加工物であるセラミックころのばたつき偏荷重が抑制され、粗研磨用砥石の摩耗や割れの発生を抑えることができる。以上の工程により、本実施の形態におけるセラミックころは完成する。

次に、上記グリーン体の加工プロセスについて詳細に説明する。まず、グリーン体の加工装置について説明する。図２を参照して、加工装置１は、円環状の内周面に沿って形成された第１加工面１１を有する第１部材としての外方部材１０と、第１加工面１１の内側において対向する円弧状の第２加工面２３を有する第２部材としての内方部材２０とを備えている。外方部材１０は、円環状の形状を有している。内方部材２０は、軸方向から見て扇形の形状を有するベース部材２１と、軸方向から見て扇形の形状を有し、ベース部材２１に比べて外周面が径方向外側に突出した加工部材２２とを含んでいる。ベース部材２１と加工部材２２とは周方向において交互に配置されている。また、環状の外方部材１０と円盤状の内方部材２０との間に形成される環状空間の軸方向一端を閉じるように、端面保持部材３０（下側定盤）が配置されている。端面保持部材３０の表面３１は、グリーン体９０の端面を保持する機能を有している。

図３を参照して、加工部材２２の外周面である第２加工面２３を含む領域には、グリーン体９０を加工するための加工層２２Ａが配置されている。一方、外方部材の内周面である第１加工面１１を含む領域には、グリーン体９０を加工するための加工層１０Ａが配置されている。加工層１０Ａおよび加工層２２Ａは、必ずしも両方必要なものではなく、たとえば加工層１０Ａは省略されてもよい。すなわち、外方部材１０の内周面である第１加工面１１は、グリーン体９０を加工する機能は有さず、グリーン体９０を保持する機能を有するものであってもよい。加工層１０Ａおよび加工層２２Ａは、グリーン体９０の外周面９１に接触することにより当該外周面９１を削り取ることにより加工できるものであれば、特にその構造等は限定されないが、たとえばステンレス鋼製のメッシュを加工層１０Ａおよび加工層２２Ａとして使用することができる。

次に、加工装置１を用いたグリーン体９０の加工について説明する。図１を参照して、グリーン体９０の加工においては、まず、工程（Ｓ２０）としてグリーン体供給工程が実施される。この工程（Ｓ２０）では、図２に示すように、外方部材１０と内方部材２０との間にグリーン体９０が配置される。このとき、グリーン体９０は、軸方向が外方部材１０および内方部材２０の軸方向に一致するように配置される。これにより、グリーン体９０の一方の端面は、端面保持部材３０の表面３１において保持される。また、グリーン体９０の外周面は、第１加工面１１および第２加工面２３に対向する。

次に、工程（Ｓ３０）として外周面加工工程が実施される。この工程（Ｓ３０）では、工程（Ｓ２０）において外方部材１０と内方部材２０との間に供給されたグリーン体９０の外周面が加工される。具体的には、図２を参照して、外方部材１０が矢印αに沿って周方向に回転する。一方、内方部材２０は、矢印βに沿って、外方部材１０とは反対向きの周方向に回転する。その結果、図３を参照して、グリーン体９０は矢印Ｂに沿って自転しつつ、外方部材１０と内方部材２０との間の領域を矢印Ａに沿って公転する。このとき、外方部材１０と加工部材２２との間に位置するグリーン体９０は、その外周面９１が第１加工面１１および第２加工面２３に接触する。その結果、グリーン体９０の外周面９１が加工される。一方、外方部材１０とベース部材２１との間に位置するグリーン体９０は、内方部材２０に接触することなく第１加工面１１上を転動する。このように、第２加工面２３に接触することにより外周面９１が加工される第２加工面接触工程（Ｓ３１）と、内方部材２０に接触することなく第１加工面１１上を転動する空転工程（Ｓ３２）とがグリーン体９０に対して交互に実施されることにより（図１参照）、外周面９１が加工され、グリーン体９０の円筒度が向上する。そして、所望の円筒度が達成される時間だけ工程（Ｓ３０）が実施されたところで外方部材１０および内方部材２０の回転が停止され、工程（Ｓ３０）が完了する。

上記工程（Ｓ２０）および（Ｓ３０）を含む本実施の形態におけるリーン体９０の加工方法では、グリーン体９０を自転および公転させつつ、相対的に周方向に回転する第１加工面１１および第２加工面２３に外周面９１を接触させてグリーン体９０を加工する。そのため、グリーン体９０の円筒度を有効に向上させることができる。その結果、当該グリーン体９０を焼結処理して得られるセラミックころの円筒度が向上し、焼結処理後のセラミックころ外周面の研磨加工を短時間で完了させることが可能となり、セラミックころの製造コストを抑制することができる。

また、第２加工面２３は１つであってもよいが、上記実施の形態のように互いに間隔をおいて周方向に複数配置されることにより、グリーン体９０の外周面９１は第２加工面２３と断続的に接触することとなる。これにより、グリーン体９０の円筒度を効率よく向上させることができる。また、複数の第２加工面２３は、周方向にランダムに配置されてもよいが、上記実施の形態のように周方向において等間隔に配置されることにより、グリーン体９０の円筒度を一層効率よく向上させることができる。

さらに、図２に示すように、第１加工面１１は第１円周面に沿って配置され、第２加工面２３は、第１円周面と同心であり、第１円周面よりも直径の小さい第２円周面に沿って配置されていることが好ましい。すなわち、外方部材１０と内方部材２０との回転軸は一致しており、第２加工面２３は第１加工面１１の内周側に位置する円周面に沿って配置されることが好ましい。これにより、グリーン体９０の円筒度を一層有効に向上させることができる。

また、図２を参照して、第２加工面２３が径方向外側に移動しつつ、グリーン体９０の外周面９１が加工されることが好ましい。より具体的には、加工部材２２は、グリーン体９０の加工の進行に伴って矢印γに沿って径方向に移動することが好ましい。このようにするより、グリーン体９０の外周面９１と第２加工面２３との接触を維持し、効率よくグリーン体９０の加工を進行させることができる。また、ベース部材２１は径方向に小さく出入りしながら、すなわち径方向に揺動しつつ徐々に矢印γに沿って移動することが望ましい。

（実施の形態２）
次に、本発明の他の実施の形態である実施の形態２について説明する。実施の形態２におけるグリーン体の加工方法および加工装置は、基本的には実施の形態１の場合と同様の構成を有し、同様の効果を奏する。しかし、実施の形態２におけるグリーン体の加工装置は、加工部材２２の形状等において異なる構成を有している。その結果、実施の形態２におけるグリーン体の加工方法では、グリーン体の外周面だけでなく端面も加工される点において、実施の形態１とは異なっている。

図４および図２を参照して、実施の形態２におけるグリーン体の加工装置１は、加工部材２２の端面部が径方向に延長されることによりつば部２４となっている点において、実施の形態１の加工装置１とは異なっている。図５を参照して、このつば部２４において端面保持部材３０に対向する側の面は、第３加工面２５となっている。この第３加工面２５を含む領域には、グリーン体９０の端面を加工するための加工層２４Ａが配置されている。一方、端面保持部材３０の表面は、第４加工面３１となっている。この第４加工面３１を含む領域には、グリーン体９０の端面を加工するための加工層３０Ａが配置されている。加工層２４Ａおよび加工層３０Ａは、必ずしも両方必要なものではなく、一方が省略されてもよい。加工層２４Ａおよび加工層３０Ａは、グリーン体９０の端面９２に接触することにより当該端面９２を削り取ることにより加工できるものであれば、特にその構造等は限定されないが、たとえばステンレス鋼製のメッシュを加工層２４Ａおよび加工層３０Ａとして使用することができる。

次に、実施の形態２における加工装置１を用いたグリーン体９０の加工について説明する。上述のように、実施の形態２におけるグリーン体９０の加工は、外周面９１と同時に端面９２が加工される点において、実施の形態１の場合とは異なっている。すなわち、実施の形態１の場合と同様にグリーン体９０が加工装置１内に供給され、外方部材１０および内方部材２０が回転すると、実施の形態１の場合と同様にグリーン体９０の外周面９１が加工される。このとき、実施の形態２においては、グリーン体９０の一方の端面９２が第３加工面２５と接触し、他方の端面９２が第４加工面３１と接触することにより、端面９２が加工される。これにより、グリーン体９０の外周面９１と同時に端面９２が加工される。

本発明のグリーン体加工の効果を確認する実験を行なった。実験の手順は以下の通りである。

上記実施の形態１において説明したグリーン体の加工装置１と同様の構造を有し、内径φ３００ｍｍの外方部材を備えた加工装置を準備した。そして、外方部材と内方部材との間に直径φ２４．６５ｍｍ（焼結後の狙い寸法：直径φ２０ｍｍ、長さＬ２０ｍｍ）の窒化珪素のグリーン体を３０個配置した。加工部材は、第２加工面が周方向において等間隔となるように配置した。そして、外方部材および内方部材を周方向に回転させることにより、グリーン体の外周面を加工した。加工の進行に従って、加工部材の第２加工面を径方向外側に徐々に移動させた。内方部材の回転速度は１００ｒｐｍとした。グリーン体に対する加工の完了後、グリーン体を焼結処理し、センタレス加工機により外径加工を実施し、直径φ２０ｍｍのセラミックころに仕上げた（実施例）。一方、比較のため、同様のグリーン体を準備し、グリーン体の加工を行なうことなく焼結処理を実施し、センタレス加工機により直径φ２０ｍｍのセラミックころに仕上げるプロセスも実施した（比較例）。そして、上記実施例および比較例のプロセスにおける加工時間および焼結体の寸法を測定し、両者を比較した。実験結果を表１に示す。

実施例のプロセスでは、グリーン体の加工に３分を要するものの、焼結体の円筒度が大幅に向上し、焼結体の外径加工時間が大きく低減された。その結果、実施例における加工時間の合計は、比較例に比べて大幅に低減された。このことから、本発明のグリーン体の加工方法および加工装置を採用することで、セラミックころの加工時間を低減し、セラミックころの製造コストを低減できることが確認された。

今回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えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて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変更が含まれることが意図される。

本発明のグリーン体の加工方法、セラミックころの製造方法およびグリーン体の加工装置は、製造コストの低減が求められるセラミックころのグリーン体の加工方法、製造コストの低減が求められるセラミックころの製造方法および製造コストの低減が求められるセラミックころのグリーン体の加工装置に、特に有利に適用され得る。

１ 加工装置、１０ 外方部材、１０Ａ 加工層、１１ 加工面、２０ 内方部材、２１ ベース部材、２２ 加工部材、２２Ａ 加工層、２３ 加工面、２４ つば部、２４Ａ 加工層、２５ 加工面、３０ 端面保持部材、３０Ａ 加工層、３１ 表面（加工面）、９０ グリーン体、９１ 外周面、９２ 端面。

Claims (9)

1. 円環状の第１加工面と、前記第１加工面の内側において対向する円弧状の第２加工面との間に、前記第１加工面および前記第２加工面に外周面が対向するように、セラミックスの原料粉末がころ状に成形されたグリーン体を供給する工程と、
   前記第１加工面に対して前記第２加工面が相対的に周方向に回転するように、前記第１加工面および前記第２加工面の少なくともいずれか一方を周方向に回転させることにより、前記グリーン体を自転および公転させつつ前記グリーン体の前記外周面を前記第１加工面および前記第２加工面に接触させて加工する工程とを備えた、グリーン体の加工方法。
2. 前記第２加工面が互いに間隔をおいて周方向に複数配置されることにより、前記外周面を加工する工程では、前記グリーン体の前記外周面は前記第２加工面と断続的に接触する、請求項１に記載のグリーン体の加工方法。
3. 前記外周面を加工する工程では、前記第１加工面と前記第２加工面とは、周方向に沿って互いに逆向きに回転する、請求項１または２に記載のグリーン体の加工方法。
4. 前記外周面を加工する工程では、前記第２加工面が径方向外側に移動しつつ前記外周面が加工される、請求項１〜３のいずれか１項に記載のグリーン体の加工方法。
5. セラミックスの原料粉末がころ状に成形されたグリーン体が準備される工程と、
   前記グリーン体の外周面が加工される工程と、
   前記外周面が加工された前記グリーン体が焼結処理される工程とを備え、
   前記グリーン体の外周面が加工される工程では、請求項１〜４のいずれか１項に記載のグリーン体の加工方法により前記外周面が加工される、セラミックころの製造方法。
6. セラミックスの原料粉末がころ状に成形されたグリーン体の外周面を第１加工面および第２加工面により加工するグリーン体の加工装置であって、
   円環状の内周面に沿って形成された前記第１加工面を有する第１部材と、
   前記第１加工面の内側において対向する円弧状の前記第２加工面を有する第２部材とを備え、
   前記第１加工面に対して前記第２加工面が相対的に周方向に回転するように、前記第１加工面および前記第２加工面の少なくともいずれか一方が周方向に回転可能となっている、グリーン体の加工装置。
7. 前記第２加工面は、互いに間隔をおいて周方向に複数配置される、請求項６に記載のグリーン体の加工装置。
8. 前記第１加工面と前記第２加工面とは、周方向に沿って互いに逆向きに回転する、請求項６または７に記載のグリーン体の加工装置。
9. 前記第２加工面は、径方向に移動可能となっている、請求項６〜８のいずれか１項に記載のグリーン体の加工装置。

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