JP2018075655A - 超音波バリ取り・研磨方法および超音波バリ取り・研磨装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ワークのバリ取りや表面研磨を、研磨液を使用した超音波放射により行うに際し、大量のワークを処理することができ、しかも、操作が簡単で、バリ取り・研磨能力を飛躍的に高めることができるようにする。【解決手段】 砥粒を混濁させた研磨液を貯留する研磨液貯留槽３内にワークを収容し、この研磨液貯留槽３の少なくとも一部を、超音波洗浄槽２の洗浄液中に浸漬するとともに、超音波洗浄槽２の洗浄液を循環脱気回路５を通して循環させながら洗浄液から脱気し、また研磨液貯留槽３の研磨液を循環脱気回路１３を通して循環させて研磨液から脱気する。そして、超音波洗浄槽２の超音波振動子１２を作動させて洗浄液に向けて超音波を発振することで、研磨液貯留槽３内のワークのバリ取り・表面研磨を行う。【選択図】 図１

Description

本発明は、超音波を使用してバリ取り・表面研磨を行う技術に関する。

従来、例えば切削加工時等に発生するワークのバリ取りや表面研磨を行う際、洗浄液中に砥粒を混濁させた研磨液を準備し、この研磨液中に超音波を発振することによって、研磨液中にキャビテーション（空洞の真空核）を発生させ、このキャビテーションの発生から崩壊に伴う衝撃力と砥粒の研磨作用を利用してバリ取り・研磨を行うような技術が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。ところが、これらの技術は、超音波洗浄槽の中に直接砥粒を混在させてバリ取り・研磨を行うため、ワークのバリ取り・研磨はより効果的に行われるものの、超音波洗浄槽の内壁も同様に研磨され、装置の耐久性に問題を生じるため、本出願人は肉厚の薄い薄肉容器内に砥粒が混在した研磨液とワークを収納して密封し、この密封した薄肉容器を超音波洗浄槽の洗浄液中に浸漬して、洗浄液中に超音波を発振することで、薄肉容器内のワークのバリ取り・研磨を行うような技術を提案している（特許文献３参照。）。この際、この技術では、薄肉容器内の研磨液の溶存酸素量を所定量以下にすることで、研磨能力を一層向上させることができる旨記載されている。

特開平９−１０９００４号公報 特開２００９−２３０５４号公報 特開２０１６−４３４３４号公報

ところが、上記特許文献３の技術の場合、ワークを薄肉容器内に収納して密封する必要性から、ワークとして、例えば注射針とか手術用メス等の小型医療機器などに限定され、しかも、大量のワークを同時処理するには限界があった。
また、薄肉容器内の研磨液から脱気する際、別途準備した真空引き容器内で真空引きする必要があり、研磨液の溶存酸素量を所定量以下にするための操作が複雑であり、また、脱気の確実性に問題があった。

そこで本発明は、ワークのバリ取りや表面研磨を、研磨液を使用した超音波放射により行うに際し、大量のワークを同時処理することができ、しかも、操作が簡単で、バリ取り・研磨能力を飛躍的に高めることができるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するため本発明は、砥粒を混濁させた研磨液を貯留する研磨液貯留槽内にワークを収容し、この研磨液貯留槽の少なくとも一部を、超音波洗浄槽の洗浄液中に浸漬するとともに、超音波洗浄槽の洗浄液を循環させて循環する洗浄液から脱気する一方、前記研磨液貯留槽の研磨液を循環させて循環する研磨液から脱気し、超音波洗浄槽の超音波振動子を作動させて洗浄液に向けて超音波を発振することで、研磨液貯留槽内のワークのバリ取り・表面研磨を行うようにした。

そして装置としては、貯留した洗浄液に向けて超音波振動子から超音波を発振することのできる超音波洗浄槽と、この洗浄槽の洗浄液の一部を循環させて循環する洗浄液から脱気することのできる洗浄液循環脱気機構と、前記洗浄槽内の所定の位置に位置決めすることにより少なくともその一部を前記洗浄液中に浸漬することができ且つ砥粒が混濁した研磨液を貯留する研磨液貯留槽と、この研磨液貯留槽に貯留される研磨液の一部を循環させて循環する研磨液から脱気することのできる研磨液循環機構を設けた。

このように、砥粒を混濁させた研磨液を貯留する研磨液貯留槽の一部を超音波洗浄槽内の洗浄液中に浸漬し、洗浄液中に向けて超音波を発振することにより、研磨液貯留槽内の研磨液にもキャビテーション（空洞の真空核）を発生させることができ、内部に収容されるワークのバリ取り・研磨は、砥粒の研磨効果も相俟って極めて効果的に行われる。
なお、研磨液貯留槽を洗浄液中に浸漬する程度は、洗浄液の液面と研磨液の液面が一致する程度の浸漬が好ましいが、必ずしも両者を一致させる必要はなく、洗浄液の液面が研磨液の一部に重なるような状態の浸漬程度でもよい。

この際、超音波洗浄槽内の洗浄液から脱気するとともに、研磨液貯留槽内の研磨液から脱気することにより、洗浄液中に発生した強力なキャビテーションが研磨液貯留槽内の研磨液にも効果的に伝達され、研磨液で発生するキャビテーションの衝撃力を強力にしてワークのバリ取り・研磨能力を向上させることができる。なお、研磨液を循環させて脱気する際、中空糸などを使用して脱気しようとすると、砥粒が混在するため中空糸の目がすぐ詰まり、目が詰まると脱気できなくなるため、研磨液循環脱気手段としては、研磨液を脱気室内に導入し、研磨液に向けて所定周波数の超音波を発振すると同時に脱気室内の空気を真空引きすることで脱気する真空脱気塔とすることが好ましい。

砥粒を混濁させた研磨液を貯留する研磨液貯留槽内にワークを収容し、この研磨液貯留槽の少なくとも一部を超音波洗浄槽の洗浄液中に浸漬するとともに、この超音波洗浄槽の洗浄液中に超音波を放射することで、研磨液貯留槽のワークのバリ取り・研磨を行うようにすれば、キャビテーションの衝撃力によるバリ取り効果と砥粒による表面研磨作用が極めて効果的に行われる。この際、超音波洗浄槽の洗浄液と、研磨液貯留槽の研磨液からそれぞれの循環脱気機構により脱気することで、研磨液中のキャビテーションの衝撃力が強大となりバリ取り・研磨効果を一層高めることができる。

本発明に係る超音波バリ取り・研磨装置の一例を示す全体構成概要図である。 同超音波バリ取り・研磨装置の超音波洗浄槽側ユニットの構成と研磨液貯留槽側ユニットの構成に分解して示す説明図であり、（ａ）は超音波洗浄槽側ユニットの説明図、（ｂ）は研磨液貯留槽側ユニットの説明図である。

本発明に係る超音波バリ取り・研磨の構成例について添付した図面に基づき説明する。
本発明に係る超音波バリ取り・研磨技術は、ワークのバリ取りや表面研磨を行うに際し、ワークを研磨液中に浸漬して超音波を発振することでバリ取り・研磨能力を飛躍的に高め、しかも大量のワークを効率的に処理することができるようにされ、しかも、作業や操作が極めて簡単であることを特徴としている。

すなわち、図１、図２に示すように、本発明に係る超音波バリ取り・研磨装置１は、超音波洗浄槽２を備えた超音波洗浄槽側ユニット２Ａと、研磨液貯留槽３を備えた研磨液貯留槽側ユニット３Ａが組み合わせられて一体化された装置として構成されており、前記超音波洗浄槽２内には、洗浄水を主体とする洗浄液が貯留されるとともに、前記研磨液貯留槽３内には、洗浄水に砥粒を混濁させた研磨液が貯留されている。
そして、この研磨液貯留槽３の少なくとも一部は、前記超音波洗浄槽２の洗浄液中に浸漬するよう組み合わせられて一体化されており、後述する超音波洗浄槽ユニット２Ａ側の超音波振動子による洗浄液のキャビテーションの衝撃の影響が、研磨液貯留槽３を通して内部の研磨液に伝達され、研磨液中でもキャビテーションが生じるようにされている。

それでは、以下、超音波洗浄槽側ユニット２Ａの装置構成と、研磨液貯留槽側ユニット３Ａの装置構成について順次説明する。

超音波洗浄槽側ユニット２Ａは、図２（ａ）にも示すように、超音波洗浄槽２に隣接するオーバーフロー槽４を備えており、このオーバーフロー槽４と超音波洗浄槽２の間には、洗浄液を循環させて循環中の洗浄液から脱気する循環脱気回路５が接続されている。

そして、この循環脱気回路５の途中には、洗浄液に含まれる異物を除去するためのストレーナ６や、循環ポンプ７や、ろ過器モジュール８が設けられており、その下流には、真空中空糸モジュール９が配設されるとともに、この真空中空糸モジュール９には、真空ポンプ１０が接続されている。

そして、洗浄液が真空中空糸モジュール９の内部を中空糸を通過する間に、中空糸の周囲から真空ポンプ１０で真空引きすることにより、洗浄液中に溶解する気体を脱気できるようにされている。ちなみに、この脱気の程度は、洗浄液中の気体の量が２ｍｇ／ｌ程度以下としている。
なお、この真空中空糸モジュール９の数等は任意である。

また、真空中空糸モジュール９の更に下流側には熱交換器２０を設けており、洗浄液を所定温度以下に冷やした後、超音波洗浄槽２に戻すようにされている。ちなみに、この熱交換器２０による洗浄液の冷却は、１２℃程度以下としている。このように、洗浄液中の気体の量を２ｍｇ／ｌ程度以下にし、且つ洗浄液の温度を１２℃程度以下にすることにより、超音波を放射した際のキャビテーションの衝撃効果をより高めることが可能である。
なお、この熱交換器２０には、最初の段階で超音波洗浄槽２内に洗浄液を給水するための冷却水給水ライン１１が接続されている。

また、前記超音波洗浄槽２の下面側には、複数の超音波振動子１２が設けられており、超音波洗浄槽２内の洗浄液に向けて超音波を放射できるようにされている。ちなみに、この超音波振動子１２の振動周波数は、洗浄液に強力なキャビテーションを発生させるため２０〜２５ＫＨｚ程度としている。

前記研磨液貯留槽側ユニット３Ａは、図２（ｂ）にも示すように、研磨液貯留槽３内の研磨液を循環させて脱気する循環脱気回路１３を備えている。

この循環脱気回路１３には、上流側から下流側に向けて、砥粒を最初の段階で回収するための遠心分離フィルタ１４、研磨液から脱気するための真空脱気塔１５、残留する砥粒を回収するためのストレーナ１６、循環ポンプ１７が順に設けられており、循環ポンプ１７を通過した研磨液を再び研磨液貯留槽３に戻すようにしている。

前記真空脱気塔１５は、内部に脱気室を備えており、この脱気室内に研磨液を導入できるようにされている。そして、この脱気室の上部には、湿気の水分等を取り除くオートドレントラップ１８を介して真空ポンプ１９を接続するとともに、脱気室の下方には、導入した研磨液に向けて超音波を放射することのできる不図示の超音波振動子が内蔵されている。そして、この真空脱気塔１５には、導入する研磨液の導入量を制御することのできる不図示の制御回路を接続しており、例えば研磨液の液面を上限レベルａと中間レベルｂとの間に設定して超音波振動子を作動させ、キャビテーションの衝撃で発生した気泡を真空ポンプ１９の作動によって吸引し、脱気するようにしている。そして脱気した研磨液を下流に送るよう制御する。
ちなみに、真空脱気塔１５に内蔵される超音波振動子の振動周波数は、研磨液に気泡を効果的に発生させることのできる３５〜４５ＫＨｚが好適である。

そして、前記したように、超音波洗浄槽側ユニット２Ａの超音波洗浄槽２の内部に、研磨液貯留槽側ユニット３Ａの研磨液貯留槽３を入れて、研磨液貯留槽３の少なくとも一部が超音波洗浄槽２の洗浄液中に浸漬するような状態、すなわち、洗浄液の液面が研磨液貯留槽３内の研磨液の一部と重なるような状態で組み合わせて一体化する（図１）。

以上のような装置構成におけるバリ取り・研磨方法について説明する。

バリ取り・研磨しようとするワークを研磨液貯留槽３内に収容し、超音波洗浄槽２に蓋２１をして外部と遮断した後、研磨液貯留槽側ユニット３Ａの循環脱気回路１３を通して研磨槽３の研磨液の一部を循環させて循環する研磨液から脱気すると同時に、超音波洗浄槽ユニット２Ａ側の循環脱気回路５を通して超音波洗浄槽２内の洗浄液の一部を循環させ、循環する洗浄液から脱気する。
なお、超音波洗浄槽２の洗浄液は熱交換器２０によって１２℃程度以下に保持されており、循環脱気回路５による循環脱気によって洗浄液中の気体の量は２ｍｇ／ｌ程度以下とされる。

次いで、超音波洗浄槽２の超音波振動子１２が駆動されて、洗浄液中に超音波が発振されると、強力なキャビテーションが発生し、このキャビテーションの衝撃は研磨液貯留槽３を通して内部の研磨液に伝達され、内部の研磨液中でも強力なキャビテーションが発生する。
そして、この研磨液貯留槽３の研磨液のキャビテーションによる衝撃力と砥粒の研磨作用により、ワークのバリ取り・研磨が強力に行われ、バリ取り効果のみならず、ワークの表面研磨が効率的に行われる。

なお、上記のバリ取り・研磨工程において、研磨液貯留槽側ユニット３Ａの循環脱気回路１３の遠心分離フィルタ１４やストレーナ１６を通して回収された砥粒は、必要に応じて次工程のバリ取り・研磨において、研磨槽３内に戻され補充される。

以上のような方法によって、ワークのバリ取りや表面研磨が極めて効率的に行われ、しかも研磨液貯留槽３のワーク収納量を多くすることで、比較的大型のワークや大量のワークを効率的に処理することができる。

なお、本発明は以上のような実施形態に限定されるものではない。本発明の特許請求の範囲に記載した事項と実質的に同一の構成を有し、同一の作用効果を奏するものは本発明の技術的範囲に属する。

ワークのバリ取り効果のみならず、ワークの表面研磨も同時に行うことができるため、例えば切削後のワークの後処理等において、今後広い分野で普及することが期待される。

１…バリ取り・研磨装置、２…超音波洗浄槽、２Ａ…超音波洗浄槽側ユニット、３…研磨液貯留槽、３Ａ…研磨液貯留槽側ユニット、５…循環脱気回路（超音波洗浄槽側ユニット）、９…真空中空糸モジュール、１２…超音波振動子、１３…循環脱気回路（研磨液貯留槽側ユニット）、１５…真空脱気塔。

Claims (4)

1. 砥粒を混濁させた研磨液を貯留する研磨液貯留槽内にワークを収容し、この研磨液貯留槽の少なくとも一部を、超音波洗浄槽の洗浄液中に浸漬する工程と、超音波洗浄槽の洗浄液を循環させて循環する洗浄液から脱気する工程と、前記研磨液貯留槽の研磨液を循環させて循環する研磨液から脱気する工程と、超音波洗浄槽の超音波振動子を作動させて洗浄液に向けて超音波を発振することで、研磨液貯留槽内のワークのバリ取り・表面研磨を行う工程からなる超音波バリ取り・研磨方法。
2. 前記循環する研磨液から脱気する手段は、研磨液を脱気室内に導入し、研磨液に向けて所定周波数の超音波を発振すると同時に脱気室内の空気を真空引きすることで行う真空脱気であることを特徴とする請求項１に記載の超音波バリ取り・研磨方法。
3. 貯留した洗浄液に向けて超音波振動子から超音波を発振することのできる超音波洗浄槽と、この洗浄槽の洗浄液の一部を循環させて循環する洗浄液から脱気することのできる洗浄液循環脱気機構と、前記洗浄槽内の所定の位置に位置決めすることにより少なくともその一部を前記洗浄液中に浸漬することができ且つ砥粒が混濁した研磨液を貯留する研磨液貯留槽と、この研磨液貯留槽に貯留される研磨液の一部を循環させて循環する研磨液から脱気することのできる研磨液循環機構を備えたことを特徴とする超音波バリ取り・研磨装置。
4. 前記循環する研磨液から脱気する手段として、研磨液を脱気室内に導入し、研磨液に向けて所定周波数の超音波を発振すると同時に脱気室内の空気を真空引きすることで行う真空脱気塔を備えたことを特徴とする請求項３に記載の超音波バリ取り・研磨装置。

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