JP2022145548A - 遠心バレル研磨方法 - Google Patents

Abstract

【課題】凹部を有する形状のワークを遠心バレル研磨する場合に、凹部と、それ以外の箇所との間の表面粗さの差を小さくすることで、ワークにおける表面粗さのばらつきを抑制することを目的とする。【解決手段】ワークを研磨する遠心バレル研磨方法では、研磨工程において、凹部を有するワークと、２ｇ／ｃｍ３以上のタップ密度の研磨材とを投入し、相対遠心加速度Ｆが１０＜Ｆ＜４０に規定される範囲となり、回転速度比ｎ／Ｎが－０．９＜ｎ／Ｎ＜－０．１、で規定される範囲となるように、バレル槽２３の自転回転速度ｎ及び公転回転速度Ｎが設定されている。【選択図】図１

Description

本発明は、ワークを遠心バレル研磨する技術に関する。

特許文献１には、バレル槽を、自転軸を中心に自転させつつ公転軸を中心に公転させることで、バレル槽内に投入されたワークを研磨する遠心バレル研磨方法が記載されている。

特開２０２０－０６９５４５号公報

凹部を有する形状のワークを遠心バレル研磨する場合がある。このような形状のワークでは、遠心バレル研磨において、ワークの凹部の内面が研磨されにくいため、例えば、研磨により外周面の表面粗さは小さくなっても、ワークにおける凹部の内面の表面粗さが大きなままになる場合がある。その結果、ワークにおいて、表面粗さにばらつきが生じることが懸念される。

本発明は、上記課題に鑑みたものであり、凹部を有する形状のワークを遠心バレル研磨する場合に、凹部の内面と、それ以外の箇所との間の表面粗さの差を小さくすることで、ワークにおける表面粗さのばらつきを抑制することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明では、ワークを研磨する遠心バレル研磨方法に関する。遠心バレル研磨方法では、バレル槽に、凹部を有するワークと、研磨材とを投入する投入工程と、バレル槽を、自転軸を中心に自転させつつ、公転軸を中心に公転させることで、バレル槽に投入されたワークを研磨する研磨工程と、を実行する。投入工程では、２ｇ／ｃｍ^３以上のタップ密度の研磨材をバレル槽に投入する。研磨工程では、Ｎを、前記バレル槽の公転回転速度とし、ｎを、バレル槽の自転回転速度とし、バレル槽の公転方向を正とし、Ｒを、バレル槽の公転軸を中心とする公転半径とし、Ｆ＝４π^２×Ｎ^２×Ｒ／ｇを、バレル槽の公転により当該バレル槽に加わる遠心加速度に対する重力ｇの比である相対遠心加速度とした場合に、１０＜Ｆ＜４０、－０．９＜ｎ／Ｎ＜－０．１、で規定される範囲となるように、バレル槽の自転回転速度ｎ及び公転回転速度Ｎが設定されている。
ここで研磨材とは、砥材が母材に含有されたもの、母材のみで構成されたもの、または砥材が母材の表面にコーティングされたもののいずれかを指す。それらに加えて、必要に応じて砥材を別体として添加したものであってもよい。

本発明者は、バレル槽内で、研磨材をワークにおける凹部の内面に侵入させ易くし、かつ研磨材を凹部の内面で安定的に流動させることができれば、凹部の内面を好適に研磨できるとの着想に至った。一般的には、バレル槽の自転回転速度ｎと公転回転速度Ｎとの関係は、自転回転速度ｎを公転回転速度Ｎに対して反対方向であり、かつ絶対値を同じにすることで、研磨材の摩耗を抑制しつつ、ワークを好適に研磨できることが知られている（即ち、ｎ／Ｎ＝－１）。この点、発明者は、鋭意、研究を重ねた結果、比較的、タップ密度の大きい研磨材を用いると共に、バレル槽の自転回転速度ｎの絶対値を、公転回転速度Ｎの絶対値よりも遅くすることにより、研磨材を凹部の内面に侵入させ易くすることができるとの知見を得た。なお、バレル槽が自転しない場合、研磨材が流動しないため、ワークを研磨することができない。即ち、自転回転速度ｎに対する公転回転速度Ｎの比であるｎ／Ｎを、－０．９＜ｎ／Ｎ＜－０．１に設定する。また、バレル槽の公転に伴う遠心力により研磨材に加わる力を大きくすることで、バレル槽の自転に伴う研磨材の流動が安定し、凹部の内面を好適に研磨できる。この点、発明者は、鋭意、研究を重ねた結果、相対遠心加速度Ｆを、１０＜Ｆ＜４０の範囲に設定することで、凹部の内側に侵入した研磨材の流動を安定させることができるとの知見を得た。なお、相対遠心加速度Ｆが４０を大幅に超える場合、研磨効率が著しく低下し、研磨材によるワークへの圧痕も多くなるので、研磨品質も劣化させてしまう。よって上限値を４０としている。また、相対遠心加速度Fが１０よりも大幅に小さい場合、研磨材が凹部に十分押し付けられず、凹部から溢れ出てしまう。よって下限値を１０としている。また、研磨材として、タップ密度が２ｇ／ｃｍ^３以上のものを用いる。ここで、「タップ密度」は、定められた条件下で、粉体を容器に入れ容器をタップし、粉体間の隙間を詰めた状態で粉体重量を容器体積で割って得られる密度である。ここでは研磨材を容器に入れ、容器をタップして得られた時の研磨材の密度をいう。なお、砥材を別体として添加した場合は、別体で添加された砥材を除いたタップ密度が２ｇ／ｃｍ^３以上のものを用いる。これにより、凹部を有する形状のワークを遠心バレル研磨する場合に、凹部の内面における表面粗さが、ワークのそれ以外の面の表面粗さと比べて同等になり、ひいては、ワークの表面粗さのばらつきを抑制することができる。

本発明によれば、凹部を有する形状のワークを遠心バレル研磨する場合に、ワークの表面粗さのばらつきを抑制した好適な研磨を行うことができる。

研磨装置の構成図。 凹部を有するワークを説明する図。 従来の遠心バレル研磨工程におけるバレル槽内でのワークと研磨材との移動を説明する図。 本発明の遠心バレル研磨工程におけるバレル槽内でのワークと研磨材との移動を説明する図。 研磨量と、研磨効率と、相対遠心加速度との関係を説明する図。 遠心バレル研磨の工程を説明する工程図。 ワークのうち凹部を有する側の面の形状を説明する図。 ワークのうち凹部を有さない側の面の形状を説明する図。 図７に示すワークのＡ－Ａ矢視での断面図。

＜第１実施形態＞
本実施形態に係る研磨装置を、図面を参照しつつ説明する。図１に示す研磨装置１００は、ワークに対して遠心バレル研磨を行うことが可能な装置である。研磨装置１００は、操作盤１０と、シーケンサ１１と、公転用駆動回路１２と、自転用駆動回路１３と、バレル機構部２０とを備えている。

まずは、バレル機構部２０の構成を説明する。バレル機構部２０は、太陽軸２１、ターレット盤２２、バレル槽２３、公転用モータ２４、自転用モータ２５を、主に備えている。太陽軸２１は、所定方向に回転可能に取り付けられた軸部材であり、本実施形態では、公転軸の一例である。ターレット盤２２は、太陽軸２１により貫通されており、太陽軸２１を中心に回転可能に保持されている。

バレル槽２３は、ワーク５０及び研磨材Ｍを収容可能な多角形状の容器である。バレル槽２３は、自転軸２８を有しており、この自転軸２８を介してターレット盤２２に対して、自転可能に取り付けられている。本実施形態では、バレル槽２３は、自転軸２８の延びる方向で見た場合に、６角形の断面を有する容器である。図１では、ターレット盤２２には、４つのバレル槽２３が自転可能に取り付けられている。なお、バレル槽２３の自転軸２８は、ターレット盤２２において、太陽軸２１が貫通する位置の中心から公転軌道半径Ｒだけ偏心して配置されている。バレル槽２３には、ワークや研磨材を内部に投入可能な投入開口が設けられている。

公転用モータ２４は、ターレット盤２２を回転させるための駆動源である。公転用モータ２４の出力軸には、公転用駆動プーリ２６が取り付けられている。ターレット盤２２の外周には、Ｖベルトを介して、公転用駆動プーリ２６と連結される不図示の公転用従動プーリが設けられている。公転用モータ２４の出力軸が回転することで、Ｖベルトが駆動し、ターレット盤２２を回転させることができる。

自転用モータ２５は、バレル槽２３を自転させるための駆動源である。自転用モータ２５の出力軸には、自転用駆動プーリ２７が取り付けられている。自転用モータ２５の回転は、周知の遊星歯車機構を介して、バレル槽２３に伝達され、バレル槽２３をターレット盤２２の回転方向Ｄ１と逆方向Ｄ２に自転させる。例えば、遊星歯車機構として、太陽軸２１に固定された太陽プーリと、太陽軸２１に固定され、太陽プーリとともに回転する太陽ギヤと、自転軸２８に固定された遊星ギヤと、太陽ギヤの回転速度を減速させて遊星ギヤに伝達する減速ギヤとを備えている。また、自転用駆動プーリ２７と太陽プーリとの間には、伝達部材であるＶベルトが掛け渡されている。これにより、自転用モータ２５の出力軸の回転に応じて、太陽プーリが回転し、太陽軸２１及び太陽ギヤを回転させる。太陽ギヤの回転速度は、減速ギヤにより減速され、遊星ギヤに伝達される。その結果、遊星ギヤが固定された自転軸２８を中心としてバレル槽２３が回転方向Ｄ２で自転する。

シーケンサ１１は、所定のプログラムをメモリに記憶したプログラマブルコントローラである。シーケンサ１１には、操作盤１０から研磨装置１００の稼働条件に応じた各信号が入力される。操作盤１０に対する操作により設定可能な稼働条件は、例えば、自転回転速度ｎ、公転回転速度Ｎ、研磨時間、及び加減速時間である。

シーケンサ１１からの出力は、公転用駆動回路１２及び自転用駆動回路１３に入力される。公転用駆動回路１２は、シーケンサ１１から入力された稼働条件に応じた信号に応じて、公転用モータ２４の公転速度Ｎ、及び研磨時間を制御するための駆動信号を出力する。本実施形態では、公転用駆動回路１２は、センサにより検出されたターレット盤２２の回転速度を、目標速度に近づけるべく、公転用モータ２４の公転回転速度Ｎをフィードバック制御する。自転用駆動回路１３は、シーケンサ１１から入力された稼働条件に応じた信号に応じて、自転用モータ２５の自転速度ｎ、及び研磨時間を制御するための駆動信号を出力する。本実施形態では、自転用駆動回路１３は、センサにより検出されたバレル槽２３の回転速度を、目標速度に近づけるべく、自転用モータ２５の自転速度ｎをフィードバック制御する。なお、公転用駆動回路１２及び自転用駆動回路１３は、公転用モータ２４及び自転用モータ２５それぞれの回転速度をオープン制御するものであってもよい。

上記構成の研磨装置１００において、凹部を有するワークを遠心バレル研磨する場合に、研磨後のワークにおける凹部の内面と、それ以外の箇所との間で、表面粗さにばらつきが生じる場合がある。図２は、凹部５４を有するワーク５０の一例を示している。なお、図２に示すワーク５０では、凹部５４を有する箇所を主に図示し、それ以外の箇所の図示を省略している。ワーク５０は、本体部５１と、本体部５１から外側に延びる延設部５２と、延設部５２の先端に形成された球状部５３とを有している。即ち、球状部５３は、延設部５２を介して本体部５１に繋がっている。ワーク５０において、球状部５３における延設部５２の端と繋がる側の箇所と、本体部５１における延設部５２の端と繋がる箇所との間には、凹部５４が形成されている。図２に示すワーク５０を、研磨装置１００により遠心バレル研磨した場合、特に、凹部５４における内側面の表面粗さが、ワーク５０の他の部位の表面粗さと比べて大きいまま（素材のまま）になる場合がある。

図３，図４は、ワーク５０において凹部５４を中心とした断面視である。なお、図３，図４では、説明を容易にするため、図示されている研磨材Ｍは、バレル槽２３に投入される実際の研磨材Ｍよりも少ない。バレル槽２３におけるＤ２方向での自転に伴い、バレル槽２３内の研磨材Ｍは、ワーク５０と共に流動する。このとき、研磨材Ｍの一部が、凹部５４の内側に侵入し、凹部５４の内面を研磨する。

ワーク５０の表面と接触する研磨材の量が多いほど、研磨力を向上させることができるため、ワーク５０における凹部５４の内側に侵入する研磨材Ｍが多いほど、凹部５４の内面に対する研磨力を向上させることができる。一般的に、バレル槽２３の自転回転速度ｎと公転回転速度Ｎとの関係は、自転回転速度ｎを公転回転速度Ｎに対して反対方向であり、かつ絶対値を同じ（即ち、ｎ／Ｎ＝－１）にすることで、研磨材Ｍの消耗を抑制しつつ、ワーク５０を良好に研磨できることが知られている。しかし、相対遠心加速度Ｆが１０より小さく、且つ絶対値を同じにすると、研磨材Ｍの押し付け力が弱い上に、図３に示すように凹部５４内に研磨材Ｍが浸入しにくいため、研磨材Ｍが凹部５４の内部に滞留しない場合がある。また、研磨材Ｍが凹部５４の内側に侵入しても、凹部５４から溢れ出てしまう場合がある。この結果、凹部５４を十分に研磨することができない。また、バレル槽２３が自転しない場合（即ち、ｎ＝０）、バレル槽２３内で研磨材Ｍが流動しないため、ワーク５０を研磨することが不可能となる。

そこで、研磨装置１００において、ワーク５０を研磨する際に、自転回転速度ｎに対する公転回転速度Ｎの比が下記（式１）を満たす範囲となるように、自転回転速度ｎ及び公転回転速度Ｎを定める。言い換えると、バレル槽２３の自転回転速度ｎを公転回転速度Ｎよりも遅くすることで、研磨材Ｍを凹部５４の内側に侵入させ易くしている。なお、マイナスは、自転回転速度ｎと、公転回転速度Ｎとが逆方向であることを示している。
－０．９＜ｎ／Ｎ＜－０．１ … （式１）

また、凹部５４の内側に滞留した研磨材Ｍの流動性を安定させることができれば、凹部５４の内面に対する研磨力を向上させることができる。図４に示すように、バレル槽２３内のワーク５０及び研磨材Ｍには、バレル槽２３の公転に伴う遠心加速度Ｆｃが加わる。図４では、図３で示す遠心加速度Ｆｃよりも大きな遠心加速度Ｆｃが、研磨材Ｍに加わっている。特に、遠心加速度Ｆｃは、凹部５４の内側に侵入した研磨材Ｍを、凹部５４の内面に向けて押し付ける力となる。ここで、研磨材Ｍには大きな相対遠心加速度Ｆが加わるとともに、ｎ／Ｎは上記（式１）で示す範囲に制御される。すると、研磨材Ｍは凹部５４内に滞留するようになり、凹部５４に強い力で押し付けられつつ凹部５４内で細かく動くことになる。

本実施形態では、バレル槽２３の公転に伴い研磨材Ｍに加わる遠心加速度Ｆｃを、研磨力を高いレベルで維持しつつ、研磨材Ｍの摩耗を極力抑制する観点から決定している。図５は、横軸を相対遠心加速度Ｆとして、縦軸を、研磨量Ｑと、研磨効率Ｅとした図である。なお、相対遠心加速度Ｆは、バレル槽２３の公転によりバレル槽２３に加わる遠心加速度Ｆｃに対する重力加速度ｇの比であり、下記（式２）により算出される値である。なお、相対遠心加速度Ｆの単位は、無次元である。
Ｆ＝４π^２×Ｎ^２×Ｒ／ｇ … （式２）
なお、Ｎは、公転回転速度であり、単位は［ｒｐｓ］である。Ｒは図１に示した公転軌道半径であり、単位は［ｍ］である。ｇは重力加速度であり、単位は［ｍ／ｓ^２］である。重力加速度は、９．８［ｍ／ｓ^２］を用いてもよい。

研磨量Ｑは、単位時間（例えば、３０分）当たりのワークの研磨量（研磨の際に削り取られたワークの重量）であり、単位は［ｍｇ］である。研磨効率Ｅは、ワークの単位時間当たりの研磨量Ｑと、研磨材の単位時間当たりの摩耗量Ｗとの比として定義された値であり、下記（式３）により算出される。なお、研磨効率Ｅの単位は、無次元である。
Ｅ＝Ｑ／Ｗ … （式３）

研磨効率Ｅは、ワーク５０の研磨量Ｑを研磨材の摩耗量Ｗで除した値であるから、研磨材Ｍの摩耗が所定量に達したときワーク５０の研磨がどれくらい進んだかを表す指標となる。言い換えると、ワーク５０の研磨が所定量に達したときに研磨材Ｍの摩耗がどれくらい抑えられたかを表す指標とも言え、ワーク５０の研磨の進行と研磨材Ｍの摩耗の進行とを勘案した上で、研磨材Ｍがワーク５０の研磨に対してどれだけ効率的に貢献したかをあらわす指標である。

研磨装置１００は、バレル槽２３の自転により研磨材Ｍ及びワーク５０を流動させながら、公転に起因する遠心加速度Ｆｃを研磨材Ｍ及びワーク５０に付与することによって研磨を行うものであるから、相対遠心加速度Ｆと研磨量Ｑ及び研磨効率Ｅとの間には、相関がある。即ち、ワーク５０の研磨量Ｑは、バレル槽２３の自転回転速度ｎに比例する流動量と、相対遠心加速度Ｆの影響を受けると考えられる。そこで、図５に示す図において、研磨量Ｑと研磨効率Ｅとが最適となる相対遠心加速度Ｆの範囲を決定している。

図５に示すように、相対遠心加速度Ｆが大きくなるのに伴い、ワーク５０の研磨量Ｑが増加しているのに対し、研磨効率Ｅは総じて低下する傾向にある。一方で、研磨効率Ｅは、点Ｅβで変曲点（極小値）を取る下凸状に推移した後、点Ｅγで変曲点（極大値）を取る上凸状に推移する。これらを、相対遠心加速度Ｆの範囲（領域ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ）を定義して詳細に説明する。なお、領域ａは、研磨効率Ｅαでの相対遠心加速度Ｆよりも小さな値を示す領域である。領域ｂは、研磨効率Ｅαでの相対遠心加速度Ｆから、研磨効率Ｅβでの相対遠心加速度Ｆを除く値までの領域である。領域ｃは、研磨効率Ｅβでの相対遠心加速度Ｆから、研磨効率Ｅγでの相対遠心加速度Ｆを除く値までの領域である。領域ｄは、研磨効率Ｅγでの相対遠心加速度Ｆから、研磨効率Ｅδでの相対遠心加速度Ｆを除く値までの領域である。領域ｅは、研磨効率Ｅδでの相対遠心加速度Ｆ以上の領域である。ここで、研磨効率Ｅにおいて、点Ｅαは、研磨効率Ｅの変曲点Ｅγ（極大点）と同じ値を示す値である。点Ｅδは、研磨効率Ｅの変曲点Ｅβ（極小点）と同じ値である。

相対遠心加速度Ｆが領域ａの範囲である場合、研磨効率Ｅが領域ｂ，ｃ，ｄ，ｅよりも高いものの、研磨量Ｑが著しく少ないため、良好な領域とは言えない。加えて、相対遠心加速度Ｆが１０よりも小さいと、研磨材Ｍ及びワーク５０をバレル槽２３の内面側へ押し付ける力が弱く、ひいてはワーク５０を十分に研磨することができない。一方、相対遠心加速度Ｆが領域ｅの範囲である場合、研磨量Ｑは高い値となるものの、研磨効率Ｅが著しく低下する。特に、相対遠心加速度Ｆが４０を大幅に超える場合、研磨材によるワークに対する圧痕が増えるとともに研磨効率Ｅが著しく低下する。このときワークが脆性材料から成ると、ワークに欠け割れを生じさせることも懸念される。

このことから、相対遠心加速度Ｆが領域ｂ，ｃ，ｄ付近の値（１０＜Ｆ＜４０）である場合に、研磨効率Ｅは、高い値を維持しており、良好な領域と言える。特に、相対遠心加速度Ｆが領域ｃ，ｄ付近の値（１５＜Ｆ＜３５）である場合に、研磨効率Ｅの値が特に高い値（Ｅβ＜Ｅ＜Ｅγ）に維持されている。

本実施形態では、研磨装置１００において、ワーク５０を研磨する際に、上記（式２）により算出される相対遠心加速度Ｆが下記（式４）を満たすように、公転回転速度Ｎの値を定めている。
１０＜Ｆ＜４０ … （式４）

また、研磨量Ｑと研磨効率Ｅとを共に高い値に維持するとの観点から、相対遠心加速度Ｆが下記（式５）を満たすように、公転回転速度Ｎの値を定めてもよい。
１５＜Ｆ＜３５ … （式５）

次に、研磨装置１００を用いた遠心バレル研磨方法の手順を、図６を用いて説明する。
図６に示す各工程に先立って、作業者は、操作盤１０を操作することで、研磨装置１００の稼働条件を入力する。稼働条件としては、公転回転速度Ｎ、自転回転速度ｎ、稼働時間、及び加減速時間等である。なお、これら稼働条件は、作業者が操作盤１０を操作することで、値を直接入力することに限定されず、例えば、作業者が操作盤１０を操作して選択されたワーク種別に応じて、シーケンサ１１が値を読み出すものであってもよい。この場合において、シーケンサ１１は、ワーク種別に対応させて稼働条件を記憶しておけばよい。

ステップＳ１１（以下、ステップを単にＳと記載する。）では、バレル槽２３に対して、ワーク５０と、第１研磨材Ｍ１とを投入する第１投入工程を実施する。第１投入工程で使用される第１研磨材Ｍ１として、例えば、砥材を母材である結合材で結合させた研磨石を用いている。第１研磨材Ｍ１に含まれる砥材は、ワーク５０の硬度よりも高い硬度の砥材を用いる。また、第１研磨材Ｍとして、タップ密度が２［ｇ／ｃｍ^３］以上の研磨材を用いる。ここで、「タップ密度」は、研磨材を容器に入れ容器をタップし、研磨材間の隙間を詰めた状態での重量を容器体積で割って得られる密度である。

Ｓ１２では、バレル槽２３を自転させつつ、ターレット盤２２の回転により公転させることで、ワーク５０を研磨する粗仕上げ研磨工程を実行する。具体的には、作業者は操作盤１０を操作することで、シーケンサ１１に対してバレル槽２３の自転及び公転を開始させる。シーケンサ１１は、公転用駆動回路１２及び自転用駆動回路１３に、稼働条件に応じた信号を出力することで、公転用駆動回路１２に公転用モータ２４を駆動させ、自転用駆動回路１３に自転用モータ２５を駆動させる。本実施形態では、Ｓ１２で実施される粗仕上げ研磨工程が、第１研磨工程の一例である。

Ｓ１２で実行される粗仕上げ研磨工程では、シーケンサ１１から出力される自転回転速度ｎと公転回転速度Ｎとは、相対遠心加速度Ｆと、回転速度比「ｎ／Ｎ」とを、上記（式１），（式４）を満たすように、その値が定められている。なお、第１研磨材Ｍ１の種別に応じて、Ｓ１２で実行される粗仕上げ研磨工程を、複数回に渡り実施するものであってもよい。

粗仕上げ研磨工程での稼働時間が経過すると、公転用モータ２４及び自転用モータ２５の駆動が停止し、所定期間の経過後、Ｓ１３に進み、回収工程を実行する。回収工程では、ワーク５０及び第１研磨材Ｍ１をバレル槽２３から取り出し、ワーク５０と第１研磨材Ｍ１とを分別し、ワーク５０の洗浄を行う。なお、第２投入工程のＳ１４までに時間間隔が所定時間以上空く場合に、ワーク５０を防錆処理したり、ワーク５０を乾燥さてもよい。

Ｓ１４では、Ｓ１３で回収されたワーク５０を、第２研磨材Ｍ２と共に、再びバレル槽２３に投入する第２投入工程を実行する。第２研磨材Ｍ２に含まれる砥材は、第１投入工程で投入される研磨材Ｍ１の砥材よりも硬度の高い砥材を用いる。また、第２研磨材Ｍ２は、第１研磨材Ｍ１よりもタップ密度が小さいものを用いる。これは、後述するＳ１５での最終仕上げ工程において、第２研磨材Ｍ２が凹部５４の内面に当たる力を、粗仕上げ研磨工程よりも弱めるためである。これにより、粗仕上げ研磨工程で形成された凹部５４の内面の凹凸を最終仕上げ工程によりなだらかにすることができ、ワーク５０の表面粗さを、いっそう小さくすることができる。例えば、第２研磨材Ｍ２は、クルミ等の植物性の母材に、砥材であるダイヤモンドをコーティングさせた研磨石であり、タップ密度は０．７［ｇ／ｃｍ^３］以下である。

Ｓ１５では、バレル槽２３を自転させつつ、ターレット盤２２の回転に伴い公転させることで、ワーク５０を研磨する最終仕上げ工程を実行する。Ｓ１５で実行される最終仕上げ工程においても、シーケンサ１１は、自転回転速度ｎと公転回転速度Ｎとを、上記（式１），（式４）を満たす値に設定する。なお、Ｓ１５で設定される自転回転数ｎと公転回転数Ｎとは、Ｓ１２で設定される自転回転数ｎと公転回転数Ｎと同じ値とならなくともよい。本実施形態では、Ｓ１５で実施される最終仕上げ工程が、第２研磨工程の一例である。

Ｓ１６では、Ｓ１５での最終仕上げ工程の実行後にワーク５０を回収する回収工程を実行する。Ｓ１５での回収工程は、Ｓ１３での回収工程と同様である。

＜実施例１＞
次に、図６で示した工程に従い、ワーク５０を遠心バレル研磨した実施例１を説明する。
実施例１では、粗仕上げ研磨工程として、第１粗仕上げ工程と、第２粗仕上げ工程とを実施した後、最終仕上げ工程を実施した。２回の粗仕上げ研磨工程において、表１に示される条件に従い、ワーク５０を研磨装置１００により研磨した。具体的には、第１粗仕上げ工程では、研磨時間を６０［ｍｉｎ］に設定した研磨を３回実施した。第２粗仕上げ工程では、研磨時間を６０［ｍｉｎ］に設定した研磨を１回実施した。第１粗仕上げ工程では、第１研磨材Ｍ１として、砥材を含有しない母材のみからなる研磨石（チップトン製 ＰＳ－２）を用い、砥材としてＧＣ＃６０００（メジアン径３．１μｍ）を別添加した。第２粗仕上げ工程では、第１研磨材Ｍ１として、前記研磨石（チップトン製 ＰＳ－２）を用い、砥材としてさらに細かいＧＣ＃８０００（メジアン径２．７μｍ）を別添加した。研磨石ＰＳ－２は、アルミナを主成分としてシリカを含有する母材を焼成結合させた研磨石であり、タップ密度は、３．８［ｇ／ｃｍ^３］である。また、砥材であるＧＣは炭化ケイ素からなり新モース硬度は１３である。

最終仕上げ工程では、研磨時間を６０［ｍｉｎ］に設定した遠心バレル研磨を２回実施した。最終仕上げ工程では、第２研磨材Ｍ２として、ソフトメディア（チップトン製 ＳＭＤ－３６）を用いた。ソフトメディアは、ダイヤモンド砥材を、クルミやコーンコブ等の植物性の母材にワックスでコーティングさせた研磨石である。また、砥材の新モース硬度は、１４であり、タップ密度は、０．７［ｇ／ｃｍ^３］である。

比較例１では、実施例１と同様の工程に対して、相対遠心加速度Ｆと回転速度比ｎ／Ｎとを、上記（式１），（式４）と異なる条件で実施した。具体的に述べると、Ｆ＝７．５、ｎ／Ｎ＝―１の条件で研磨した以外は実施例１と同じ条件である。

実施例１と、比較例１とにおいて、各工程での表面粗さＲａ［μｍ］を測定した。具体的には、ワーク５０において、本体部５１での表面粗さＲａ１、球状部５３での表面粗さＲａ２、及び凹部５４での表面粗さＲａ３を測定した。加えて、各工程での、表面粗さＲａ１，Ｒａ１，Ｒａ３の平均表面粗さＡＲａを算出した。更に、各測定結果Ｒａ１，Ｒａ２，Ｒａ３間の差のうち、絶対値で値が最大なものを最大ばらつきＭＶとして示す。なお、表１において、実施例１及び比較例１それぞれに、研磨前の表面粗さを示している。

まずは、実施例１での表面粗さの測定結果について説明する。
第１粗仕上げ工程の実施後は、全ての測定箇所での表面粗さＲａ１，Ｒａ２，Ｒａ３は、研磨前の表面粗さよりも小さくなっており、平均表面粗さＡＲａ（０．１２３）は、研磨前の平均表面粗さＡＲａ（０．３６４）よりも小さな値となった。第１粗仕上げ工程の実施後において、凹部５４の内面での表面粗さＲａ３と、それ以外の測定箇所での表面粗さＲａ２，Ｒａ３との間で、値に大きな違いがなかった。第１粗仕上げ工程での表面粗さの最大ばらつきＭＶ（０．０１７）は、研磨前の最大ばらつきＭＶ（０．１０７）よりも小さな値であった。

第２粗仕上げ工程の実施後は、全ての測定箇所での表面粗さＲａ１，Ｒａ２，Ｒａ３は、研磨前の表面粗さよりも小さくなっており、平均表面粗さＡＲａ（０．１１７）は、研磨前の平均表面粗さＡＲａ（０．３６４）よりも小さな値となった。第２粗仕上げ工程の実施後において、凹部５４の内面での表面粗さＲａ３と、それ以外の測定箇所の表面粗さＲａ２，Ｒａ３との間で、値に大きな違いがなかった。第２粗仕上げ工程での表面粗さの最大ばらつきＭＶ（０．００８）は、研磨前の最大ばらつきＭＶ（０．１０７）よりも小さな値であった。

最終仕上げ工程の実施後において、全ての測定箇所での表面粗さＲａ１，Ｒａ２，Ｒａ３が、第１，第２粗仕上げ工程の実施後の測定箇所での表面粗さＲａ１，Ｒａ２，Ｒａ３よりも小さくなっており、平均表面粗さＡＲａ（０．０５１）は、第１，第２粗仕上げ工程の実施後でのいずれの平均表面粗さＡＲａ（０．１２３，０．１１７）よりも小さな値となった。最終仕上げ工程の実施後において、凹部５４の内面での表面粗さＲａ３と、それ以外の測定箇所の表面粗さＲａ２，Ｒａ３との間で、値に大きな違いがなかった。最終仕上げ工程での表面粗さの最大ばらつきＭＶ（０．０３３）は、第１，第２粗仕上げ工程の最大ばらつきＭＶ（０．０１７，０．００８）よりも大きな値となったが、研磨前の最大ばらつきＭＶ（０．１０７）より小さいものであり、平均表面粗さＡＲａも第１，第２粗仕上げ工程よりも小さくなったので、目視上も満足のいく仕上がりとなった。

次に、比較例１での表面粗さの測定結果を説明する。比較例１において、第１粗仕上げ工程の実施後は、全ての測定箇所での表面粗さＲａ１，Ｒａ２，Ｒａ３が、研磨前の表面粗さよりも小さくなっており、平均表面粗さＡＲａ（０．１１９）は、研磨前の平均表面粗さＡＲａ（０．２８０）よりも小さな値となった。しかし、第１粗仕上げ工程の実施後において、凹部５４の表面粗さＲａ３は、それ以外の２か所での表面粗さＲａ１，Ｒａ２よりも大きな値となった。このため、最大ばらつきＭＶ（０．０３５）は、研磨前の最大ばらつきＭＶ（０．０２５）よりも大きな値となった。

比較例１において、第２粗仕上げ工程の実施後は、全ての測定箇所での表面粗さＲａ１，Ｒａ２，Ｒａ３が、研磨前の表面粗さよりも小さくなっており、平均表面粗さＡＲａ（０．１２３）は、研磨前の平均表面粗さＡＲａ（０．２８０）よりも小さな値となった。しかし、第２粗仕上げ工程の実施後において、凹部５４の表面粗さＲａ３は、それ以外の２か所での表面粗さＲａ１，Ｒａ２よりも大きな値となった。具体的には、最大ばらつきＭＶ（０．０６０）は、研磨前の最大ばらつきＭＶ（０．０２５）及び第１粗仕上げ工程の実施後の最大ばらつきＭＶ（０．０３５）よりも大きな値となった。

比較例１において、最終仕上げ工程の実施後は、全ての測定箇所において、表面粗さＲａ１，Ｒａ２，Ｒａ３が、第１，第２粗仕上げ工程の実施後の表面粗さよりも小さくなっており、平均表面粗さＡＲａ（０．０８０）は、研磨前の平均表面粗さＡＲａ（０．２８０）よりも小さな値となった。しかし、最終仕上げ工程の実施後において、凹部５４の表面粗さＲａ３は、それ以外の２か所での表面粗さＲａ１，Ｒａ２よりも大きな値となった。これにより、最大ばらつきＭＶ（０．０８９）は、研磨前の最大ばらつきＭＶ（０．０２５）及び第１，第２荒仕上げ工程の実施後の最大ばらつきＭＶ（０．０３５，０．０６０）よりも大きな値となった。

実施例１と比較例１とにおける表面粗さの測定結果を総括する。
実施例１では、第１，第２粗仕上げ工程及び最終仕上げ工程の実施により、ワーク５０における全ての測定点で表面粗さＲａ１，Ｒａ２，Ｒａ３の低下がみられた。また、実施例１では、第１，第２粗仕上げ工程、及び最終仕上げ工程を順に実施することで、最大ばらつきＭＶの低下がみられた。即ち、ワーク５０において、凹部５４と、それ以外の箇所との間で、表面粗さＲａ１，Ｒａ２，Ｒａ３の低下度合いに大きな差が生じていないためである。

これに対して、比較例１では、第１，第２粗仕上げ工程及び最終仕上げ工程の実施により、ワーク５０における各測定点で表面粗さＲａ１，Ｒａ２，Ｒａ３は、おおむね低下した。しかし、比較例１では、第１，第２粗仕上げ工程、及び最終仕上げ工程を順に実施することで、最大ばらつきＭＶが増加した。これは、凹部５４の内側での表面粗さＲａ３の低下度合いが、他の測定点での表面粗さＲａ１，Ｒａ２の低下度合いよりも小さいためである。即ち、研磨装置１００において、上記（式１）、（式４）を満たすように、公転速度目標値ＴＮと自転速度目標値Ｔｎとを設定することで、ワーク５０における凹部５４と、それ以外の箇所との間で、研磨量の差が小さくなり、表面粗さのばらつきを低減することができた。

＜実施例２＞
次に、図６で示した工程に従い、ワーク５０とは異なるワークを遠心バレル研磨した実施例２を説明する。図７は、実施例２で使用されるワーク６０のうち、凹部を有する側の面の形状を説明する図である。図８は、実施例２で使用されるワーク６０のうち、凹部を有さない側の面の形状を説明する図である。図９は、図７で示すワーク６０におけるＡ－Ａ矢視での断面図である。

実施例２での測定対象となるワーク６０は、円板状の部材であり、凹部が形成される側の面である凹面６１と、凹部が形成されない側の面である平坦面６５とを有している。図７に示されるように、凹面６１には、紙面において凹面６１の下側に位置する下側凹部６２、紙面において凹面６１の右側に位置する右側凹部６３、及び紙面において凹面６１の上側に位置する上側凹部６４を有している。各凹部６２～６４は、凹面６１に対して厚み方向に落ち込んだ窪みである。一方、図８に示されるように、ワーク６０の平坦面６５には、凹部が形成されていない。

実施例２では、粗仕上げ研磨工程を実施した後、最終仕上げ工程を実施した。また、実施例２では、粗仕上げ研磨工程において回転速度比ｎ／Ｎを上記（式１）の範囲内で設定した異なる遠心バレル研磨を行った。具体的には、実施例２_１では、粗仕上げ研磨工程において回転速度比ｎ／Ｎを、「-０．８」で設定し、実施例２_２では、粗仕上げ研磨工程において回転速度比ｎ／Ｎを、「-０．６」に設定した。実施例２_３では、粗仕上げ研磨工程において回転速度比ｎ／Ｎを、「-０．４」に設定し、実施例２_４では、粗仕上げ研磨工程において回転速度比ｎ／Ｎを、「-０．２」に設定した。比較例２では、（式１）と異なる条件、即ち、粗仕上げ研磨工程において回転速度比ｎ／Ｎを、「-１．０」に設定した。粗仕上げ工程では、研磨時間を４０［ｍｉｎ］に設定し、第１研磨材Ｍ１として、砥材を含有しない母材のみからなる研磨石（チップトン製 ＰＳ－２）を用い、砥材としてＧＣ＃６０００（メジアン径３．１μｍ）を別添加した。研磨石ＰＳ－２は、実施例１と同様に、タップ密度が３．８［ｇ／ｃｍ^３］であり、砥材であるＧＣは炭化ケイ素からなり新モース硬度は１３である。これ以外の条件は、実施例１と同様の条件（即ち、表１に示されるＦ＝２０．０）である。

最終仕上げ工程では、研磨時間を４０［ｍｉｎ］に設定した遠心バレル研磨を実施した。最終仕上げ工程では、第２研磨材Ｍ２として、第１実施例と同様、ソフトメディア（チップトン製 ＳＭＤ－３６）を用い、それ以外の条件は、第１実施例と同様である。

表２では、各実施例２_１～２_４及び比較例２において、下側凹部６２での表面粗さＲａ４、右側凹部６３での表面粗さＲａ５、上側凹部６４での表面粗さＲａ６、下側平面６６での表面粗さＲａ７、左側平面６７での表面粗さＲａ８、上側平面６８での表面粗さＲａ９の測定値に加えて、各工程での表面粗さＲａ４～Ｒａ９の平均表面粗さＡＲａを算出した。更に、各表面粗さＲａ４～Ｒａ９の標準偏差Ｓを算出した。また、標準偏差Ｓの評価を行い、０．１０以下を「◎」（特に良好）、０．２０以下を「〇」（良好）、０．２５以下を「△」（わずかに良好）、それ以上を「×」（不良）とした。なお、表２において、実施例２及び比較例２それぞれに、研磨前の表面粗さを示している。

なお、下側平面６６、左側平面６７、上側平面６８は、図８で示す平坦面６５において符号が付された位置であり、凹面６１の下側凹部６２、右側凹部６３、上側凹部６４それぞれに対応する位置でもある。

実施例２_１～２_４及び比較例２において、いずれも粗仕上げ工程の実施後に、全ての測定箇所での表面粗さＲａ４～Ｒａ９は、研磨前の表面粗さよりも小さくなった。また、いずれも最終仕上げ工程の実施後に、全ての測定箇所での表面粗さＲａ４～Ｒａ９は、粗仕上げ工程実施後の表面粗さよりも小さくなった。

最終仕上げ工程の実施後の標準偏差評価は、実施例２_４（ｎ／Ｎ＝－０．２）で「△」（わずかに良好）となった。実施例２_３（ｎ／Ｎ＝－０．４）で「〇」（良好）となった。実施例２_２（ｎ／Ｎ＝－０．６）及び実施例２_１（ｎ／Ｎ＝－０．８）で、「◎」（特に良好）となった。また、比較例２（ｎ／Ｎ＝－１．０）では、「×」不良となった。以上の結果より、粗仕上げ工程において、研磨装置１００の相対遠心加速度Ｆを２０．０に設定し、回転速度比ｎ／Ｎを－０．８≦ｎ／Ｎ≦－０．４で規定される範囲で設定することで、ワーク６０の表面粗さのばらつきをいっそう抑制することができた。更に好ましくは、研磨装置１００の回転速度比ｎ／Ｎを－０．８≦ｎ／Ｎ≦－０．６で規定される範囲で設定することで、ワーク６０の表面粗さのばらつきを格段に抑制することができた。

以上説明した本実施形態では、以下の効果を奏することができる。
研磨装置１００において、研磨工程での稼働条件を、１０＜Ｆ＜４０、及び－０．９＜ｎ／Ｎ＜－０．１を満たすように、バレル槽の自転回転速度ｎ及び公転回転速度Ｎが設定される。これにより、凹部を有する形状のワークを遠心バレル研磨する場合に、凹部５４の内面における表面粗さが、ワークのそれ以外の箇所での表面粗さと比べて同等になり、ひいては、ワークの表面粗さのばらつきを抑制することができる。

研磨工程では、相対遠心加速度Ｆが、１５＜Ｆ＜３５で規定される範囲となるように、バレル槽の自転回転速度ｎ及び公転回転速度Ｎが設定されている。これにより、凹部を有する形状のワークを遠心バレル研磨する場合に、研磨効率Ｅを高い値に維持しつつ、ワークの表面粗さのばらつきを抑制することができる。

研磨工程では、－０．８≦ｎ／Ｎ≦－０．４で規定される範囲となるように、バレル槽の自転回転速度ｎ及び公転回転速度Ｎが設定されている。これにより、凹部を有する形状のワークを遠心バレル研磨する場合に、ワークの表面粗さのばらつきをいっそう抑制することができる。さらに好ましくは、－０．８≦ｎ／Ｎ≦－０．６で規定される範囲となるように設定されると、ワークの表面粗さのばらつきを格段に抑制することができる。

粗仕上げ研磨工程の後に実行される最終仕上げ工程では、粗仕上げ研磨工程よりもタップ密度の小さい第２研磨材Ｍ２を用いる。これにより、粗仕上げ研磨工程で形成された凹部５４の内面の凹凸を最終仕上げ工程によりなだらかにすることができ、ワークの表面粗さを、いっそう平滑化することができる。

第１投入工程では、ワークよりも硬度の高い砥材を含む第１研磨材Ｍ１を、バレル槽２３に投入する。これにより、粗仕上げ研磨工程において、ワークにおける凹部の内面に対する研磨力を高めることができ、例えば、ワークの加工目等を除去する能力が高まり、最終仕上げ工程での研磨を向上させることができる。

第２投入工程では、第１研磨材Ｍ１よりも硬度の高い砥材を含む第２研磨材Ｍ２を、バレル槽２３に投入する。これにより、ワークにおける凹部の内面に対する研磨力を高めることができ、ひいては、ワークにおける表面粗さをいっそう平滑化することができる。

＜他の実施形態＞
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
上述した実施形態では、第１研磨材Ｍ１は、アルミナを主成分とする母材のみを焼成結合した研磨石に対して砥材を別添加したものであった。これに代えて、第１研磨材Ｍ１は、母材のみのものや、砥材と母材としての粘土質結合材とを焼成結合したもの、更には、砥材が母材の表面にコーティングされたものを用いても良い。上述した実施形態では、第２研磨材Ｍ２は、砥材が母材の表面にコーティングされたソフトメディアであった。これに代えて、第２研磨材Ｍ１は、母材のみのものや、砥材と母材としての粘土質結合材とを焼成結合したものであってもよい。第１，第２研磨材Ｍ１，Ｍ２は、母材を形成する結合材が金属又は合成樹脂により構成されていてもよいし、砥材を含有又は表面にコーティングする母材に加えて、更に、砥材を別体として添加したものであってもよい。

上述した実施形態では、研磨装置１００は、公転用モータ２４及び自転用モータ２５それぞれを駆動させて、バレル槽２３を自転及び公転させた。これに代えて、公転用モータ２４のみを駆動させることで、バレル槽２３を自転及び公転させてもよい。この場合において、公転用モータ２４における出力軸の回転を、不図示の伝達機能を介して太陽軸に伝達すればよい。

１００…研磨装置、２３…バレル槽、５０…ワーク、５４…凹部、Ｍ…研磨材

Claims (7)

1. ワークを研磨する遠心バレル研磨方法であって、
   バレル槽に、凹部を有するワークと、研磨材とを投入する投入工程と、
   前記バレル槽を、自転軸を中心に自転させつつ、公転軸を中心に公転させることで、前記バレル槽に投入されたワークを研磨する研磨工程と、
   を実行し、
   前記投入工程では、２ｇ／ｃｍ^３以上のタップ密度の前記研磨材を前記バレル槽に投入し、
   Ｎを、前記バレル槽の公転回転速度とし、
   ｎを、前記バレル槽の自転回転速度とし、
   前記バレル槽の公転方向を正とし、
   Ｒを、前記バレル槽の公転軸を中心とする公転半径とし、
   Ｆ＝４π^２×Ｎ^２×Ｒ／ｇを、前記バレル槽の公転により当該バレル槽に加わる遠心加速度に対する重力ｇの比である相対遠心加速度とした場合に、
   前記研磨工程では、
   １０＜Ｆ＜４０、
   －０．９＜ｎ／Ｎ＜－０．１、
   で規定される範囲となるように、前記バレル槽の前記自転回転速度及び前記公転回転速度が設定されている遠心バレル研磨方法。
2. 前記研磨工程では、
   前記相対遠心加速度が、１５＜Ｆ＜３５で規定される範囲となるように、前記バレル槽の前記自転回転速度及び前記公転回転速度が設定されている請求項１に記載の遠心バレル研磨方法。
3. 前記研磨工程では、
   －０．８≦ｎ／Ｎ≦－０．４で規定される範囲となるように、前記バレル槽の前記自転回転速度及び前記公転回転速度が設定されている請求項１又は２に記載の遠心バレル研磨方法。
4. 前期研磨工程では、
   －０．８≦ｎ／Ｎ≦－０．６で規定される範囲となるように、前記バレル槽の前記自転回転速度及び前記公転回転速度が設定されている請求項１又は２に記載の遠心バレル研磨方法。
5. 前記投入工程は、前記研磨材として第１研磨材が投入される第１投入工程であり、
   前記研磨工程は、前記第１投入工程の後に実行される第１研磨工程であり、
   前記第１研磨工程の後に、前記ワークと、前記第１投入工程で投入される前記第１研磨材よりもタップ密度の小さい第２研磨材とを前記バレル槽に投入する第２投入工程と、
   前記第２投入工程の後に、前記バレル槽を、前記自転軸を中心に自転させつつ、前記公転軸を中心に公転させることで、前記バレル槽に投入されたワークを研磨する第２研磨工程と、を実行し、
   前記第２研磨工程では、
   １０＜Ｆ＜４０、
   －０．９＜ｎ／Ｎ＜－０．１、
   で規定される範囲となるように、前記バレル槽の前記自転回転速度及び前記公転回転速度が設定されている請求項１～４のいずれか一項に記載の遠心バレル研磨方法。
6. 前記第１研磨材の前記砥材は、前記ワークよりも硬度が高い請求項５に記載の遠心バレル研磨方法。
7. 前記第２研磨材の前記砥材は、前記第１研磨材の前記砥材よりも硬度が高い請求項５又は６に記載の遠心バレル研磨方法。

Images