JP2732215B2

JP2732215B2 - 非磁性材の磁気研磨法

Info

Publication number: JP2732215B2
Application number: JP4777694A
Authority: JP
Inventors: 木清鈴; 松哲太郎植
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-02-22
Filing date: 1994-02-22
Publication date: 1998-03-25
Anticipated expiration: 2013-03-25
Also published as: JPH07237114A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は磁気研磨法とりわけ非磁
性材に対する磁気研磨法に関する。

【０００２】

【従来の技術及びその技術的課題】研磨法の一つとして
磁気研磨法が知られている。この方法はワーク自体が磁
化されて磁石となり、磁性砥粒を吸引して研磨に必要な
加工圧が発生するため良好に研磨を行える利点があり、
通常法では容易ではない部位のみがきや微細バリ取りな
どに利用されている。しかしながら、この磁気研磨法は
鉄や鉄鋼などの磁性材に対しては有効であるが、非磁性
材には磁性研磨材が付着しないため円周方向に研摩材が
向いてしまい、磨きを行えなかった。この対策として
は、ワークの下に鉄板などの強磁性体を配して行う方法
があるが、いちいちそれら部材を使用することは煩雑で
ある。また、磁極が届かないような厚い材料やパイプ材
及び異形状の材料のみがきを行うことが非常に困難であ
り、抜本的な対策とは言い難かった。

【０００３】本発明は前記のような問題点を解消するた
めに創案されたもので、その目的とするところは、各種
の非磁性材を比較的簡単に高能率で良好な面粗さに磁気
研磨することができる方法を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明は、非磁性ワークを研磨するにあたり、棒状また
は円板状の磁気を帯びた工具の先端に磁性研磨材を吸着
させ、非磁性ワークの被加工面を工具先端側面から法線
方向で所定の間隔を置いて対峙する位置に配し、この状
態で工具を回転させることにより磁性研磨材を遠心力に
より半径方向に広げて前記工具先端側面に対向して位置
する被加工面に磁性研磨材５を遠心力により押し付け、
該遠心力による法線方向の力と工具回転に伴う接線方向
の力を磁性研磨材から非磁性ワークに作用させてみがき
を行うようにした構成としている。本発明は金属、非金
属の各種非磁性材に適用することができ、また、研磨対
象面も平坦面、球面ないし非球面、３次元自由曲面など
各種形状に適用することができる。

【０００５】以下本発明を添付図面に基いて説明する。
図１は本発明方法を実施する装置の一例を示しており、
１はフライス盤、マシニングセンタなど所望の加工機械
の主軸ないし回転軸（以下、主軸という）、２は前記主
軸１に取り付けられた工具、３は前記工具２を外囲する
電磁石であり、加工機械に取り付けられた研磨用ホルダ
４から伸びるアーム４０に保持され、励磁電流を流すこ
とにより工具２の先端部に所定の磁気を与え、工具２の
先端に磁性研磨材５を吸着させるようになっている。６
は工具先端部の側方すなわち法線方向に前記磁性研磨材
５と対峙するように配された非磁性ワークであり、所望
の固定機構８たとえばバイス８１とホルダ８２などによ
ってＸ−Ｙテーブルなどの可動テーブル７に取り付けら
れ、可動テーブル７の駆動により所定の送りが与えるよ
うになっている。

【０００６】非磁性ワーク６としては金属系、非金属系
のものなど任意である。前者としては、銅及びその合
金、アルミニウムおよびその合金、ステンレス鋼、超硬
合金などが挙げられる。後者としては、光学ガラスなど
の各種ガラス、アルミナ、炭化珪素、窒化珪素、ジルコ
ニアなどで例示される各種セラミックス、アクリルなど
で代表される各種プラスチック、あるいは金属、セラミ
ックプラスチックの少なくとも２種以上からなる複合材
などが挙げられる。工具２としては、棒状、筒状、また
は円板状の各種のものを使用することができる。図１は
棒状段付き工具を用いているが、図２(a)のように、段
のないストレート工具、(b)のように下端に円板２ａの
付いた円板状工具、(c)のように円板２ａを多段に付け
た多段工具、(d)のように厚い円板２ｂの外径面が曲面
となった円弧工具、(e)のように厚い円板２ｂの外径面
が錘形となった頂角工具、(f)のようにスリット２ｃを
有するスリット工具、(g)のように傾斜した円板２ｄを
有する傾斜板工具など各種のものを使用することができ
る。磁性研磨材５としては、強磁性体粒子の内部に砥粒
が混入された複合研磨材、強磁性体粒子と砥粒を混合し
あるいは機械的に砥粒を強磁性体粒子にめりこまさせた
混合研磨材、複合研磨材または混合研磨材に金属短繊維
を混入した短繊維混合研磨材などを使用することができ
る。砥粒としては、ワークの材質に応じてダイヤモン
ド、SiC、Al₂O₃、立方晶窒化けい素などで代表される硬
質砥粒、CeO₂やCr₂O₃などで代表される軟質砥粒を選択
すればよい。砥粒粒径は要求される表面粗さに応じてた
とえば0.2〜65μmの範囲から選定すればよい。

【０００７】図３と図４は工具２の先端に磁性研磨材５
を吸着させた状態で図示しない可動テーブル７を作動さ
せることにより非磁性ワーク６の被加工面６０を工具先
端外面から法線方向で所要の距離(以下加工隙間という)
ＣL離れた位置に対峙させた状態を示しており、被加工
面６０は磁性研磨材５に接触している。このとき、磁性
研磨材５は工具２の先端外面（先端側面）２００から底
面２０１にかけた領域にリング状に吸着されている。こ
の状態で主軸１を駆動して工具２を回転させながら、可
動テーブル７を作動させて非磁性ワーク６に所望の送り
を与えるものである。こうすれば、工具２の回転に伴
い、遠心力Ｆによって磁性研磨材５は図５と図６で模式
的に示すように工具半径方向に広がり、それによって被
加工面６０には磁性研磨材５による法線方向研磨荷重Ｐ
Ｎが作用すると共に、工具回転に伴う接線方向荷重ＰＴ
が作用し、これらの荷重により図７と図８のように被加
工面６０が研磨される。６００は研磨部である。本発明
はもちろん工具２を回転させた状態で非磁性ワーク６の
被加工面６０を加工間隙ＣＬに移動し、その状態で送り
を与えるようにしてもよい。

【０００８】前記した加工隙間という)CLは、これが小
さいほど法線方向研磨荷重ＰＮが大となって研磨深さが
増し、加工隙間CＬが広くなると、法線方向研磨荷重
（＝研磨深さ)が低下し、ワークの表面粗さが低下す
る。つまり加工隙間ＣLと法線方向研磨荷重PNはほぼ反
比例関係を示す。従って、非磁性ワークの材質(主とし
て硬度)等にもよるが、加工隙間CＬは一般に３ｍｍ以下
である。好ましくは０．２〜２．０ｍｍである。工具周
速Ｖｓは、最大研磨深さＨｍａｘと法線方向研磨荷重Ｐ
Ｎに影響を及ぼし、加工間隔CＬが一定の条件におい
て、工具周速Ｖｓが大であるほど最大研磨深さＨｍａｘ
は比例的に増大するが、高速域(通常200m/min以上)に達
すると研磨深さは一定になる傾向を示す。法線方向研磨
荷重ＰＮは、工具周速Ｖｓが低速域(通常100m/min以下)
では一定の傾向を示し、低速域を超えると急増し、高速
域(通常200m/min以上になると一定になる傾向を示す。
このように、法線方向研磨荷重ＰＮと最大研磨深さＨｍ
ａｘが一定になる理由は必ずしも明確ではないが、工具
周速が増加すると遠心力も増大し、砥粒が円周方向に引
っ張られて密集する力が弱まるためと考えられる。ま
た、工具周速Ｖｓは過度に高速例えば300m/min以上とい
うようにあまり大であると研摩材が飛散するため不適当
である。したがって工具周速Ｖｓは、ワーク材質等にも
よるが、一般的に75〜250m/min好適には100〜230m/min
の範囲である。一般に、回転半径をｒとし、工具周速を
Ｖｓとすると、質量ｍの物体に作用する遠心力ＦはＦ＝
ｍ（Ｖｓ²／ｒ）となる。磁性研磨材５を剛体と考え、
その質量(ｍ＝１ｇ)が一点に集中したと仮定しても遠心
力はかなり小さい。しかしながら、加工間隔CL(被加工
面６０と工具２の間隔)を小さくすれば、遠心力によっ
て広がった磁性研磨材５が狭い加工隙間CＬに無理やり
押し込まれることによりウェッジ効果が生ずる。このた
め、法線方向研磨荷重ＰＮは工具周速が100m/min以下の
低速域でも、200m/min以上の高速域でもほとんど変化せ
ず、適切な研磨を行うことができる。そして、磁性研磨
材５が磁力線の強さの影響で工具２のエッジ部すなわち
側面と底面の境界領域に集中するため、研磨能率が向上
するのである。

【０００９】ワークの送り速度については、法線方向研
磨荷重ＰＮとは関係がないが、最大研磨深さＨｍａｘは
送り速度が速くなるにつれて減少し、研磨能率が低下す
る傾向を示す。なお、砥粒供給量については、法線方向
研磨荷重ＰＮは研摩材供給量を増しても変化せず、最大
研磨深さＨｍａｘも変化しない傾向を示す。磁性研摩材
として混合研摩材を使用した場合には、砥粒の混入率を
あまり高くすると着磁時に工具から砥粒が脱落するた
め、通常の場合、砥粒混入率は5〜20wt%である。砥粒粒
径はこれの大小と法線方向研磨荷重ＰＮは関係がない
が、表面粗さには影響を及ぼし、砥粒粒径が大きいほど
表面粗さは低下する。励磁電流は励磁密度と比例関係に
立ち、励磁電流は法線方向研磨荷重ＰＮと比例関係にあ
り、最大研磨深さＨｍａｘとも比例関係に立つ。すなわ
ち、励磁電流が減少するとともに磁束密度が低下して磁
力が弱まるため、研磨能率が低下する。したがって、一
般励磁電流は０．３Ａ以上が好ましい。

【００１０】なお、本発明によって非磁性ワーク６の広
い面の磨き(平面磨き)を行う場合には、図９(a)のよう
に工具２の経路をＸ軸方向およびＺ軸方向に矩形経路制
御するか、あるいは(b)のように工具経路をヘリカルス
キャン経路にすればよい。これらは主軸1をプログラム
制御することにより実現できる。そしてヘリカルスキャ
ン経路を採用すれば、平坦度の高い研磨面を得ることが
できる。なお、本発明は場合によっては電磁石に代えて
永久磁石を使用することもできる。

【００１１】

【実施例】次に本発明の実施例を示す。実施例１ (1)磨き機械として縦型マシニングセンタを使用し、こ
れに図1のように磁気研磨用ホルダを取付けた。工具と
して段付き棒状工具(φ２５ｍｍ、鋼材製）を使用し、
電磁コイルに励磁電流２Ａを流して工具先端部に磁束密
度９００ガウスを与えるようにした。磁性研磨材として
は強磁性体粒子と砥粒との混合研磨材を使用した。具体
的には、鉄粉(粉径７４〜１０６μｍ)０．９ｇとダイヤ
モンド砥粒(粒径：0.5〜3μｍ)０．１ｇを乳鉢で混合し
たものである。磁性研磨材総供給量はＭ＝１ｇで、磁気
研磨時にはみがき加工油を若干滴下した。ワークは幅４
０×長さ２００×厚さ３ｍｍの６０／４０黄銅板材(引
張り強さ４００ＭＰａ，ＥＩ＝４３％）を用いた。ワー
クの初期表面粗さはＲmax≒１．０μｍである。前記ワ
ークはこの実験では精密バイスに固定したプラスチック
板に接着剤によって固定した。

【００１２】この実験では各種研磨条件を採用したが、
標準的なみがき条件は、Ｖｓ＝２１０ｍ／ｍｉｎ、CL＝
０．７５ｍｍ、送り方向はX軸とし、送り速度Ｖｗ＝５
０ｍｍ／ｍｉｎ、移動距離Ｌ＝３０ｍｍ、パス回数ｎ＝
８回(約５分)とし、それらを種々変化させて影響を調べ
た。なお、本発明法によるみがき部位断面形状はみがき
条件によって変化するが、一般に磁石エッジ部近傍のみ
がき深さが大きくなり、従って、特に断らない限りみが
き深さ（Ｈｍａｘ）は最大みがき深さを示すことにす
る。〔工具周速Vsの影響について〕加工間隙ＣLを０．７５ｍｍとして工具周速Ｖｓの影響
を調べた。その結果を図１０に示す。この図から明らか
なように、最大研磨深さＨｍａｘ(研磨能率)は、周速に
比例して増大し、Ｖｓ＝２００ｍ／ｍｉｎでＨｍａｘ＝
４０μｍ（８パス後）になっている。しかし、それ以上
周速を増大しても研磨深さは増大しない。Ｖｓ≧３００
ｍ／ｍｉｎでは砥粒が飛散し始めるため、不適であっ
た。法線方向研磨荷重ＰNはＶｓ＝５０〜１００ｍ／ｍ
ｉｎでは約４０ｇｆと一定であるが、Ｖｓ＝１００〜２
００ｍ／ｍｉｎの範囲では急増し、それ以上では一定
（Ｐｎ≒７５ｇｆ）となった。また、研磨荷重が大きい
ほどみがき深さが深くなった。

【００１３】〔加工間隙の影響について〕Ｖｓ＝２００〜３００ｍ／ｍｉｎで加工能率は最大値を
示したことから、Ｖｓ２１０ｍ／ｍｉｎとして加工間隙
CLを種々変化させ、研磨深さと表面粗さおよび法線方向
研磨荷重ＰNを調べた。その結果を図１１に示す。この
図から、加工間隙CLが狭いほど法線方向研磨荷重PNが高
くなり(CL=0.5mmで約75gf)、結果として加工能率も増大
することがわかる。また、加工間隙CLが狭いほど最大研
磨深さＨｍａｘも増大し、ＣL＝０．５ｍｍにおける研
磨深さはＨｍａｘ＝５０μｍと深くみがかれていること
がわかる。また、表面粗さについては、ＣL≦１．５ｍ
ｍでの粗さは約0.12〜０．２μｍとなった。しかし、Ｃ
Lが１．５ｍｍを超えると、表面粗さは悪化している。
これは砥粒がワークから離れ過ぎて研磨能率及び研磨荷
重が減少するためである。

【００１４】〔みがき断面形状について〕工具周速Vsを種々変えた場合のみがき断面形状を図１２
(ａ)に示し、加工隙間CLを種々変えた場合のみがき断面
形状を図１２(b)に示す。工具周速が速いほど、また、
加工間隙が広いほどみがき幅も広くなることがわかる。〔送り速度について〕 CL=0.75mmとして送り速度を50〜200mm/minと変化させ、
その影響を調べた。法線方向研磨荷重PNは、送り速度と
は無関係に約70gfとなっており、最大研磨深さは、送り
速度が速くなるにつれて減少し、研磨能率が低下するこ
とがわかった。表面粗さについては、送り速度と無関係
にRmax≒0.2μmとなった。〔砥粒供給量について〕 CL=1.0mmで砥粒供給量Mを1〜2.5gに変化させた結果、法
線方向研磨荷重PNは変化がなく、約50〜60gfとほぼ平均
的となった。また最大研磨深さＨｍａｘも≒30μmで一
定であった。表面粗さはRmax≒0.1μmとなった。〔砥粒混入率について〕 CL=0.75mmとして、砥粒混入率を5〜20wt%に変化させ、
その影響を調べた結果、法線方向研磨荷重PNは63〜70gf
とほぼ一定であり、最大研磨深さＨｍａｘも≒40μmで
一定であった。〔励磁電流について〕前記標準的なみがき条件において、コイルの励磁電流を
0.5〜2Aの範囲で変化させた。その結果、法線方向研磨
荷重PNは励磁電流の減少とともに直線的に約75gfから約
25gfまで減少し、最大研磨深さＨｍａｘも約35μmから
約27μmに減少した。但し、表面粗さは、励磁電流と無
関係にRmax≒0.2μmとなった。これはパス数8回で十分
な研磨深さが得られているためである。

【００１５】実施例2 本発明法により平面磨きを行った。ワーク、磁性研摩
材、工具は実施例１と同じであり、磨き条件は、Ｖｓ＝
２１０ｍ／ｍｉｎ、CL＝０．７５ｍｍ、励磁電流２Ａ、
研摩材供給量Ｍ＝１ｇ、磨き範囲２０×５０ｍｍ、磨き
時間１０min（４０パス）とした。工具経路は、矩形経
路、ヘリカルスキャン経路を採用した。矩形経路は、長
方形を描くようにして４つの辺を直角に経路を作り、ル
ープさせ、Ｚ軸方向を上下に送り移動させることにより
行った。ヘリカルスキャン経路は、Ｚ軸方向を３０°傾
斜させ、平行四辺形を描くようにして工具経路を作り、
ループさせ、Ｘ軸方向を左右に送り移動させることによ
り行った。この結果広い面を磨くことができ、矩形経路
の場合には、表面粗さRmax≒0.４μmと良好な面粗さを
得ることができた。ヘリカルスキャン経路の場合には、
矩形経路よりも平坦度が良好でしかもRmax≒0.２μmと
さらに良好な面粗さを得ることができた。

【００１６】実施例３本発明によりステンレス鋼(SUS304)と光学ガラス(BK4)
を研磨した。ステンレス鋼は幅40×長さ200×厚さ3mm、
初期面がRmax≒1.0μm、光学ガラスは幅100×長さ100×
厚さ20mm、初期面がRmax≒1.0μmである。磁性研摩材、
工具は実施例1と同じ条件とし、磨き条件をＶｓ＝２１
０ｍ／ｍｉｎ、送り速度50mm/min、CL＝０．７５ｍｍ、
磨き距離L=30mm、パス回数8回(5min)、励磁電流２Ａ、
研摩材供給量Ｍ＝１ｇとした。その結果、法線方向研磨
荷重PNはステンレス鋼、光学ガラスともPN=70gfであっ
た。また、表面粗さは、ステンレス鋼、光学ガラスとも
Rmax≒0.２μmとなり、良好な面粗さが得られた。最大
研磨深さＨｍａｘはステンレス鋼が12.13μm、光学ガラ
スが7.97μmとなった。また、上記実施例2と同じく矩形
経路とヘリカルスキャン経路をとって研磨したところ、
広い面の研磨を行うことができた。

【００１７】実施例4 砥粒としてCr₂O₃(粒径0.5μm)を使用し、加工液としてp
H2.5の水を使用するほか上記実施例3の研磨条件と同じ
条件でSi₃N₄セラミックスをメカノケミカルポリシング
した。その結果、Rmax≒0.０５μmという良好な仕上げ
面粗さが得られた。

【００１８】

【発明の効果】以上説明した本発明によるときには、棒
状または円板状の磁気を帯びた工具２の先端に磁性研磨
材５を吸着させ、非磁性ワーク６の被加工面６０を工具
先端側面から法線方向で所定の間隔を置いて対峙する位
置に配し、この状態で工具２を回転させることにより磁
性研磨材５を遠心力により半径方向に広げ、工具先端側
面に対向して配置した非磁性ワーク６に磁性研磨材５を
遠心力により押し付け、これにより被加工面に法線方向
の力ＰＮを作用させ、また工具回転に伴う接線方向の力
ＰＴを作用させて磁性研磨材５で非磁性ワーク６をみが
くため、非磁性材を比較的簡単にしかも十分な研磨能率
で研磨することができるという優れた効果が得られる。
請求項４によれば、工具先端側面と非磁性ワークの被加
工面の隙間を３ｍｍ以下とするので、遠心力によって広
がった磁性研磨材が工具側面とこれに対向する被加工面
６０の狭い加工隙間に無理やり押し込まれることにより
ウェッジ効果が得られ、法線方向研磨荷重ＰＮを工具周
速が低速域でも高速域でもほとんど変化させず適切な研
磨を行うことができるというすぐれた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法の実施装置の一例を示す正面図であ
る。

【図２】本発明に使用する工具例を示す側面図である。

【図３】本発明における研磨開始前の状態を示す側面図
である。

【図４】同じくその底面図である。

【図５】本発明の研磨開始時の状態を示す側面図であ
る。

【図６】同じくその側面図である。

【図７】本発明の研磨中の状態を示す斜視図である。

【図８】同じくその側面図である。

【図９】本発明により平面研磨を行うときの工具経路を
示す説明図である。

【図１０】本発明を適用したときの工具周速と最大研磨
深さ、法線方向研磨荷重の関係を示すグラフである。

【図１１】本発明を適用したときの加工隙間と最大研磨
深さ、表面粗さ、法線方向研磨荷重との関係を示すグラ
フである。

【図１２】工具周速と研磨面断面形状の関係および加工
隙間と研磨面断面形状の関係を示す説明図である。

【符号の説明】

２工具３電磁石５磁性研摩材６非磁性ワーク

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】非磁性ワークを研磨するにあたり、棒状ま
たは円板状の磁気を帯びた工具２の先端に磁性研磨材５
を吸着させ、非磁性ワーク６の被加工面６０を工具先端
側面から法線方向で所定の間隔を置いて対峙する位置に
配し、この状態で工具２を回転させることにより磁性研
磨材５を遠心力により半径方向に広げて前記工具先端側
面に対向して位置する被加工面６０に磁性研磨材５を遠
心力により押し付け、該遠心力による法線方向の力と工
具回転に伴う接線方向の力を磁性研磨材から非磁性ワー
クに作用させてみがきを行うようにしたことを特徴とす
る非磁性材の磁気研磨法。
【請求項２】非磁性ワーク６が金属、非金属、金属と非
金属の複合材のいずれかである請求項１に記載の非磁性
材の磁気研磨法。
【請求項３】磁性研磨材５が、複合研摩材、混合研摩
材、短繊維混合研摩材のいずれかである請求項１または
２に記載の非磁性材の磁気研磨法。
【請求項４】工具先端側面と非磁性ワークの被加工面の
隙間を３ｍｍ以下として行う請求項１ないし３のいずれ
かに記載の非磁性材の磁気研磨法。