JP4367857B2 - 部分球状体の加工方法及び加工用球体 - Google Patents

Description

本発明は、人工関節等に用いられる、他部材との接合部分等を除いて球状となっている部分球状体の加工方法に関し、特に、球面の研削及び／又は研磨加工を高能率で行え、加工コストを低減可能な加工方法に関する。

セラミックスの球体は、丈夫で且つ研磨により高い表面精度が得られることから、特殊な転がり軸受の他、人工関節の骨頭部に用いられるなど、その用途は年々広がりを見せており、多くの分野への応用が期待されている。こうしたセラミックスの球体に関しては、従来から能率良く且つ高精度に球面を加工するための方法が各種提案されていた。このような従来の球体研磨加工方法の例として、特公平５−４１３９４号公報、特開平８−２５７８９７号公報に記載されるものがある。
特公平５−４１３９４号公報 特開平８−２５７８９７号公報

従来の球体の研磨加工方法は前記各特許文献に示されるものとなっており、複数の球状素材の表面を一度に研磨できるなど、高精度の球体が高能率で得られるものの、こうした研磨方法が対象とする加工前の素材はあくまで球状体である。一方、人工関節に用いられるセラミックス製の球体は、一部が他の部材に取付けられるための取付部分とされていることから、完全な球体ではなく、球体の一部を除去したような部分球状体となっている。こうした人工関節用をはじめとする部分球状体の球面研磨については、加工対象が完全な球状体ではないため、従来の球体の研磨加工方法が適用できず、図３に示すように、部分球状体素材１００の球面形状でない端部を所定の回転軸１１０端部に連結して部分球状体素材１００を回転させた状態で、球面状の凹部を有する研磨用工具１５０を部分球状体素材１００の球面部分に当ててまんべんなく移動させながら研磨する方法を採る他なく、こうした特別な研磨方法を用いて部分球状体毎に作業を行っていくことから、研磨加工に手間がかかると共に加工コストが大きくなってしまうという課題を有していた。

本発明は前記課題を解消するためになされたもので、完全な球状ではない部分球状体に対しても、適切に球面の研削及び／又は研磨加工を行えるようにし、高能率且つ低コストで高精度の球面を得られる部分球状体の加工方法、及び当該方法で用いられ、一般的な高能率の球体研削及び／又は研磨方法で加工可能な加工用球体を提供することを目的とする。

本発明に係る部分球状体の加工方法は、球状体の一部を除去し、非球面部分に凹部又は凸部を設けた形状の部分球状体からなる、セラミックスで形成される被加工体と、前記球状体における前記被加工体を除く部分に相当し、非球面部分に前記被加工体の凹部又は凸部に嵌合する凸部又は凹部を設けた形状の別の部分球状体からなる、前記被加工体と同一の材質のセラミックスで形成される補助材とをホットメルト型接着剤を介した接着により接合して略球状に一体化し、得られた略球状体を、略球状の加工対象物を転動させながら表面各部を研削及び／又は研磨して真球度を高めていく形式の球体加工装置を用いて前記接着剤の軟化しない温度条件で研削及び／又は研磨し、所定精度範囲内の球体とした後、加工済の前記球体を接着剤が軟化する温度域まで加熱して、被加工体と補助材との接合を解除して分離させ、加工済の被加工体を得るものである。

このように本発明によれば、部分球状体である被加工体の球体として欠けている部分にこれを補完する他の部分球状体である補助材を補って一体の略球状体とし、この略球状体に対して球体加工装置で研削及び／又は研磨加工を行うことにより、部分球状体であっても通常の球状素材同様に球面の研削及び／又は研磨加工が行え、能率良く且つ高精度の球面を得ることができ、加工コストも大幅に低減できる。また、加工前作業としては被加工体に補助材を接合するのみであり、且つ研削及び／又は研磨加工後の後作業は被加工体と補助材を分離して加工済の被加工体を得るのみであることから、加工前後に複雑な作業を行う必要が無く、球面の研削及び／又は研磨加工自体が球体加工装置を用いることで手間を軽減させられるのと合わせて、加工工程全体の作業性が向上する。

このように本発明によれば、補助材の素材を被加工体と同じ材質の素材とし、被加工体と補助材を一体化した略球状体の球面の研削及び／ 又は研磨加工中における表面の加工条件を被加工体部分と補助材部分で略同一とすることにより、加工過程で通常の単一の球状素材と同様な砥石又は研磨剤との接触、研磨状態となり、精度の高い球面が得られることとなる。

このように本発明によれば、被加工体と補助材との接着にホットメルト型接着剤を用い、接着剤を加熱して軟化させた状態で被加工体と補助材の間に介在させて接着に用いる一方、研削及び／又は研磨加工後は加工済の略球状体ごと加熱して接着剤を軟化させ、接着力を低下させて被加工体と補助材とを容易に分離できることにより、接着剤の加熱、冷却のみで被加工体と補助材の接着及び分離作業が行えることとなり、被加工体に対する補助材の着脱が容易となって取扱い性に優れると共に、加工作業全体の能率がさらに向上する。

また、本発明に係る加工用球体は、球状体の一部を除去し、非球面部分に凹部又は凸部を設けた形状の部分球状体からなる、セラミックスで形成される被加工体に対し、前記球状体における前記被加工体を除く部分に相当し、非球面部分に前記被加工体の凹部又は凸部に嵌合する凸部又は凹部を設けた別の部分球状体からなる、前記被加工体と同一の材質のセラミックスで形成される補助材を形成し、当該補助材を前記被加工体にホットメルト型接着剤を介した接着により接合して略球状に一体化させて構成されるものである。
このように本発明によれば、部分球状体である被加工体に別の部分球状体である補助材を補って一体化し、略球状体としての取扱いを可能とすることにより、被加工体の球面の研削及び／ 又は研磨に際して通常の球状素材と同様に一般的な球体加工装置で加工を行えることとなり、部分球状体に対しても精度の高い球面の研削及び／ 又は研磨加工が行えると共に、加工能率の高い研削及び／ 又は研磨加工方法を適用すれば低コストで球面精度に優れる部分球状体を得られる。

以下、本発明の一実施の形態を図１及び図２に基づいて説明する。図１は本実施の形態に係る部分球状体の加工方法における加工対象の被加工体と補助材の組合せ状態説明図及び形成された加工用球体の正面図、図２は本実施の形態に係る部分球状体の加工方法で利用する球体加工装置の概略構成図である。

前記各図において本実施の形態に係る部分球状体の加工方法は、球状体の一部を除去した形状の部分球状体からなる被加工体１０と、前記球状体における被加工体１０を除く部分に相当する形状の別の部分球状体からなる補助材２０とを接合して略球状に一体化し、得られた略球状の加工用球体３０を、略球状の加工対象物を転動させながら表面各部を研削及び／又は研磨して真球度を高めていく公知の球体加工装置５０を用いて研削及び／又は研磨し、所定精度範囲内の球体とした後、加工用球体３０における被加工体１０と補助材２０との接合を解除して分離させ、加工済の被加工体１０を得るものである。

前記被加工体１０は、球体のうち球面部分の一部を除去した形状の人工関節骨頭部用とされる部分球状体であり、この部分球状体の形状に原料を成形したものを焼成して得られるセラミックスとなっている。この被加工体１０の非球面部分には、加工後における他部材の取付等に用いられる凹部１１も設けられる。

前記補助材２０は、被加工体１０の球体として欠けた部分を補完して球体を構成可能な別の部分球状体であり、被加工体１０と同一材質のセラミックス製とされるものである。補助材２０の非球面部分には、被加工体１０の凹部１１に嵌合する凸部２１が突設されており、補助材２０と被加工体１０との接合の際の心合わせを容易にすると共に、接合面を増やして接着等の際の強度を高める役割を果す。この補助材２０は、被加工体１０と同一材質とする他、被加工体１０と同一の硬度を備える別の素材で形成することもできる。

前記加工用球体３０は、被加工体１０と補助材２０とを接合一体化した略球状体であり、被加工体１０と補助材２０との接合は接着剤４０を介した接着によるものとされる。この接着剤４０は、常温で硬質又は半硬質状態を維持する一方、所定温度以上の高温で軟化するホットメルト型接着剤であり、接着時は十分軟化する温度まで加熱して被加工体１０と補助材２０の各接着対象面に塗布され、この被加工体１０と補助材２０の接着対象面同士を圧着させ、この状態を保持したまま常温まで温度を下げると、接着剤４０が硬化して強固な接着力が得られる仕組みである。接着後の加工用球体３０に対しては、接着剤４０が軟化しない温度条件下で加工が行われ、加工終了後、加工用球体３０を加熱して接着剤４０が軟化する温度域に到達させて、被加工体１０と補助材２０とを分離する。

前記球体加工装置５０は、加工液５４中において回転可能なテーパスラスト５１とその周囲のガイドリング５２により形成される環状Ｖ溝中に加工対象の球状素材を配置し、回転軸をテーパスラスト５１及びガイドリング５２の中心から偏心させて配置される回転砥石５３に球状素材を押付けつつ、回転砥石５３を回転させると、球状素材が前記Ｖ溝の中を転がりながら表面を研削及び／又は研磨加工される仕組みの公知の装置であり、詳細な説明を省略する。

次に、本実施の形態に係る部分球状体の加工方法を適用した加工過程について説明する。まず、成形原料の焼成により、部分球状体の被加工体１０と、これを補完して一つの略球状体とし得る補助材２０をそれぞれ得る。これら被加工体１０と補助材２０を加熱により軟化させた接着剤４０を用いて接着し、常温で接着剤４０を硬化させて両者を完全に一体接着状態とする。この被加工体１０と補助材２０を接着一体化して得られた略球状の加工用球体３０は、通常の球状体同様、球体加工装置５０で研削及び／又は研磨加工が行えることとなる。

加工用球体３０を球体加工装置５０にセットし、球体加工装置５０を作動させて研削及び／又は研磨を行うと、加工用球体３０は表面を一様に研削及び／又は研磨されてより完全な球体に近付いていく。補助材２０が被加工体１０と同じ材質とされ、硬度も等しくなっていることから、加工用球体３０の球面の加工中における表面の加工条件を被加工体１０部分と補助材２０部分で同一にでき、加工過程で回転砥石や他の支持部分、加工液との接触、研削及び／又は研磨状況が通常の一体の球状素材と同等となり、球体加工装置５０の能力を問題なく発揮させて精度の高い球面が得られることとなる。所定時間研削及び／又は研磨して所望の寸法精度や表面粗さ等を満たす球体形状が得られたら、球体加工装置５０を停止させ、加工された加工用球体３０を球体加工装置５０から取出せば加工完了となる。

この後、加工済の加工用球体３０を、被加工体１０側の表面に傷等が付かないよう保持しながら加熱し、接着剤４０が軟化する温度域まで到達させる。接着剤４０が加熱により軟化すると、被加工体１０と補助材２０との接着が維持できなくなるため、両者を分離し、必要に応じて被加工体１０から残った接着剤４０を除去しつつ、常温まで放置する。被加工体１０が常温に戻ると、これと実際に組合わせて用いる他の部材に取付けるなどの組立て作業が行える。

このように、本実施の形態に係る部分球状体の加工方法においては、部分球状体である被加工体１０の球体として欠けている部分にこれを補完する他の部分球状体である補助材２０を補って一体の加工用球体３０とし、この加工用球体３０に対して球体加工装置５０で研削及び／又は研磨加工を行うことから、部分球状体であっても通常の球状素材同様に球面の研削及び／又は研磨加工が行え、能率良く且つ高精度の球面を得ることができ、加工コストも大幅に低減できる。また、加工前作業としては被加工体１０に補助材２０を接着するのみであり、且つ加工後の後作業は被加工体１０と補助材２０を分離して加工済の被加工体１０を得るのみであることから、加工前後に複雑な作業を行う必要が無く、球面の研削及び／又は研磨加工自体が球体加工装置５０を用いることで手間を軽減させられるのと合わせて、加工工程全体の作業性が向上する。

なお、前記実施の形態に係る部分球状体の加工方法においては、被加工体１０と補助材２０との接合にホットメルト型の接着剤４０による接着を利用するようにしているが、これに限らず、温度により硬軟が変化する接着剤の代りに、被加工体１０と補助材２０間に介在させて硬化させ、接着状態を得る一方、加工後には被加工体１０の表面性状に影響を与えない溶剤で溶解又は軟化させて接着状態を解除可能となるタイプの接着剤を用いることもでき、前記実施形態同様に被加工体と補助材の接着及び分離作業が容易に行え、取扱い性に優れる。

また、前記実施の形態に係る加工用球体においては、被加工体１０に凹部１１を設ける一方、補助材２０に凸部２１を設けて、被加工体１０と補助材２０との接合の際凹部と凸部を嵌合させる構成としているが、この他、被加工体１０側に凸部、補助材２０側に凹部をそれぞれ設けたり、凸部と凹部を複数組設けたりする構成とすることもできる。

本発明の一実施の形態に係る部分球状体の加工方法における加工対象の被加工体と補助材の組合せ状態説明図及び形成された加工用球体の正面図である。 本発明の一実施の形態に係る部分球状体の加工方法で利用する球体加工装置の概略構成図である。 従来の部分球状体の加工方法を示す説明図である。

符号の説明

１０ 被加工体
１１ 凹部
２０ 補助材
２１ 凸部
３０ 加工用球体
４０ 接着剤
５０ 球体加工装置
５１ テーパスラスト
５２ ガイドリング
５３ 回転砥石
５４ 加工液
１００ 部分球状体素材
１１０ 回転軸
１５０ 研磨用工具

Claims (2)

1. 球状体の一部を除去し、非球面部分に凹部又は凸部を設けた形状の部分球状体からなる、セラミックスで形成される被加工体と、前記球状体における前記被加工体を除く部分に相当し、非球面部分に前記被加工体の凹部又は凸部に嵌合する凸部又は凹部を設けた形状の別の部分球状体からなる、前記被加工体と同一の材質のセラミックスで形成される補助材とをホットメルト型接着剤を介した接着により接合して略球状に一体化し、得られた略球状体を、略球状の加工対象物を転動させながら表面各部を研削及び／又は研磨して真球度を高めていく形式の球体加工装置を用いて前記接着剤の軟化しない温度条件で研削及び／又は研磨し、所定精度範囲内の球体とした後、加工済の前記球体を接着剤が軟化する温度域まで加熱して、被加工体と補助材との接合を解除して分離させ、加工済の被加工体を得ることを
   特徴とする部分球状体の加工方法。
2. 球状体の一部を除去し、非球面部分に凹部又は凸部を設けた形状の部分球状体からなる、セラミックスで形成される被加工体に対し、前記球状体における前記被加工体を除く部分に相当し、非球面部分に前記被加工体の凹部又は凸部に嵌合する凸部又は凹部を設けた別の部分球状体からなる、前記被加工体と同一の材質のセラミックスで形成される補助材を形成し、
   当該補助材を前記被加工体にホットメルト型接着剤を介した接着により接合して略球状に一体化させて構成されることを
   特徴とする加工用球体。

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