JP5049402B1 - 鏡面加工方法、鏡面加工機、鏡面加工具 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単に金属の表面を鏡面にする。
【解決手段】鏡面加工方法は、鏡面加工機１０による金属ＸＡ１の加工方法である。具体的に、鏡面加工方法は、凹となる微小な谷部Ｖと凸となる微小な山部Ｍとを有する金属ＸＡ１を、超音波振動する鏡面加工具１１のヘッド１１ａで打撃する際に、鏡面加工具１１を、ヘッド１１ａの下死点が谷部Ｖの最低点よりも手前となるように超音波振動させて、ヘッド１１ａで打撃される山部Ｍを谷部Ｖ側に塑性変形させることで、金属ＸＡ１の表面を鏡面化する。
【選択図】図３

Description

本発明は、金属の表面を鏡面にする鏡面加工方法、鏡面加工機、鏡面加工具に関する。

従来、金属の表面を鏡面にする方法として、ダイヤモンドの砥粒、あるいは溶融アルミナ質や炭化ケイ素質などの人造の砥粒を用いて研磨する方法が普及している（例えば、特許文献１参照）。この方法によれば、化学反応、微小切削、塑性流動などが同時に生じることで、表面の凹凸がなくなって鏡面になる。

具体的に、化学反応は、砥粒と表面との間で生じて新たな物質を生成する作用のことである。そして、微小切削は、表面の凹凸の山や、化学反応で生じた新たな物質を削り取る作用のことである。また、塑性流動は、熱や応力によって、表面の凹凸の山が、谷の方向に崩れるように移動する作用のことである。

特開２００６−３２０９９２号公報

砥粒は、径が５μｍ〜８０μｍ程度と小さく、加工後の表面に容易に付着する。このため、表面を洗浄して砥粒を除去する必要があり、面倒であった。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、簡単に金属の表面を鏡面にする鏡面加工方法、鏡面加工機、鏡面加工具を提供することを目的とする。

本発明は、以下の手段によって、上記課題を解決したものである。

上記目的を達成する本発明は、凹となる微小な谷部と凸となる微小な山部とを有する金属の表面に沿って、軸方向に振動する加工具のヘッドを面方向に移動させつつ、前記表面を前記ヘッドで直接打撃する際に、前記加工具を、前記ヘッドの下死点が前記谷部の最低点よりも手前となるように振動させて前記谷部を打撃せずに前記山部のみを打撃し、前記山部を前記谷部側に塑性変形させることで、前記表面における前記ヘッドを面方向に移動させた軌跡であって、前記ヘッドの面積より広い領域を鏡面化し、前記ヘッドは、前記表面とは異なる種類の物質からなり、前記表面との間に拡散接合を生じにくくしていることを特徴とする、鏡面加工方法である。

上記目的を達成する本発明は、上記発明において、１００μｍ以下の平均粗さを有する前記金属の表面を鏡面にすることを特徴とする、鏡面加工方法である。

上記目的を達成する本発明は、上記発明において、５０μｍ以下の平均粗さを有する前記金属の表面を鏡面にすることを特徴とする、鏡面加工方法である。

上記目的を達成する本発明は、上記発明において、前記金属の表面を、０．１μｍ以下の平均粗さを有する鏡面にすることを特徴とする、鏡面加工方法である。

上記目的を達成する本発明は、上記発明において、前記ヘッドは、前記金属の表面の平均粗さ以上の曲率半径を有する凸となる球面もしくは曲面、または平面であることを特徴とする、鏡面加工方法である。

上記目的を達成する本発明は、上記発明において、前記ヘッドは、１０μｍ以上の曲率半径を有する凸となる球面または曲面であることを特徴とする、鏡面加工方法である。

上記目的を達成する本発明は、上記発明において、前記加工具を、軸回りに回転させながら軸方向に振動させることを特徴とする、鏡面加工方法である。

上記目的を達成する本発明は、上記発明において、前記表面が曲面または球面であることを特徴とする、鏡面加工方法である。

上記目的を達成する本発明は、上記発明において、前記表面の一部の領域を鏡面化することを特徴とする、鏡面加工方法である。

上記目的を達成する本発明は、凹となる微小な谷部と凸となる微小な山部とを有する金属の表面に沿って、軸方向に振動する加工具のヘッドを面方向に移動させつつ、前記表面を前記ヘッドで直接打撃する際に、前記加工具を、前記ヘッドの下死点が前記谷部の最低点よりも手前となるように振動させて前記谷部を打撃せずに前記山部のみを打撃し、前記山部を前記谷部側に塑性変形させることで、前記表面における前記ヘッドを面方向に移動させた軌跡であって、前記ヘッドの面積より広い領域を鏡面化し、前記ヘッドは、前記表面とは異なる種類の物質からなり、前記表面との間に拡散接合を生じにくくしていることを特徴とする、鏡面加工機である。

上記目的を達成する本発明は、上記発明において、１００μｍ以下の平均粗さを有する前記金属の表面を鏡面にすることを特徴とする、鏡面加工機である。

上記目的を達成する本発明は、上記発明において、５０μｍ以下の平均粗さを有する前記金属の表面を鏡面にすることを特徴とする、鏡面加工機である。

上記目的を達成する本発明は、上記発明において、前記金属の表面を、０．１μｍ以下の平均粗さを有する鏡面にすることを特徴とする、鏡面加工機である。

上記目的を達成する本発明は、上記発明において、前記ヘッドは、前記金属の表面の平均粗さ以上の曲率半径を有する凸となる球面もしくは曲面、または平面であることを特徴とする、鏡面加工機である。

上記目的を達成する本発明は、上記発明において、前記ヘッドは、１０μｍ以上の曲率半径を有する凸となる球面または曲面であることを特徴とする、鏡面加工機である。

上記目的を達成する本発明は、上記発明において、前記加工具を、軸回りに回転させながら軸方向に振動させることを特徴とする、鏡面加工機である。

上記目的を達成する本発明は、凹となる微小な谷部と凸となる微小な山部とを有する金属の表面に沿って、軸方向に振動する自身のヘッドを面方向に移動させつつ、前記表面を前記ヘッドで直接打撃する際に、前記ヘッドの下死点が前記谷部の最低点よりも手前となるように振動させて前記谷部を打撃せずに前記山部のみを打撃し、前記山部を前記谷部側に塑性変形させることで、前記表面における前記ヘッドを面方向に移動させた軌跡であって、前記ヘッドの面積より広い領域を鏡面化するように用いられる鏡面加工具であって、前記ヘッドは、前記金属の表面の平均粗さ以上の曲率半径を有する凸となる球面もしくは曲面、または平面であると共に、前記表面とは異なる種類の物質からなり、前記表面との間に拡散接合を生じにくくしていることを特徴とする、鏡面加工具である。

上記目的を達成する本発明は、上記発明において、前記ヘッドは、１０μｍ以上の曲率半径を有する凸となる球面または曲面であることを特徴とする、鏡面加工具である。

本発明によれば、簡単に金属の表面を鏡面にすることが可能となる。

本発明の実施形態に係る鏡面加工機の概略図である。 鏡面加工具のヘッド部分を示す拡大図であり、（Ａ）はヘッドが平面である形態を示し、（Ｂ）はヘッドが球面または曲面である形態を示す。 鏡面加工具を振動させる範囲を説明する概略図である。 金属の塑性変形を説明する概略図であり、（Ａ）は加工前の状態を示し、（Ｂ）は加工後の状態を示す。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る鏡面加工機について詳細に説明する。

まず、図１および図２を用いて、鏡面加工機１０の構成について説明する。図１は、鏡面加工機１０の概略図である。図２は、鏡面加工具１１のヘッド１１ａ部分を示す拡大図であり、同図（Ａ）はヘッド１１ａが平面である形態を示し、同図（Ｂ）はヘッド１１ａが球面または曲面である形態を示す。なお、本図および以降の各図において、一部の構成を適宜省略して、図面を簡略化する。そして、本図および以降の各図において、部材の厚みなどを誇張して表現する。

図１に示す鏡面加工機１０は、加工対象となる金属ＸＡ１の表面を、超音波振動する鏡面加工具１１で打撃して塑性変形を生じさせることで鏡面にする工作機械である。この鏡面加工機１０は、ドリルやエンドミルなどによって切削加工を行う工作機械から簡単に転用できる。すなわち、切削加工用の工作機械のドリルやエンドミルなどを鏡面加工具１１に交換するだけで転用できる。

具体的に、鏡面加工機１０は、棒状の鏡面加工具１１と、この鏡面加工具１１を取外し可能に保持するスピンドル１２と、このスピンドル１２を軸回りに回転させるスピンドルヘッド（図示省略）と、このスピンドルヘッドを３次元方向に移動させる移動機構（図示省略）と、機械全体を制御するＮＣ装置（Numerical Control unit）（図示省略）と、を備えている。

鏡面加工具１１は、少なくとも先端のヘッド１１ａ部分が、超硬合金やセラミックス、あるいはダイヤモンドなどの物質からなる。ただし、ヘッド１１ａ部分は、加工対象となる金属ＸＡ１とは異なる種類の物質であることが好ましい。なお、鏡面加工具１１は、ドリルやエンドミルとは異なり、切削用の刃を有していない。

図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示すように、鏡面加工具１１には種々の形態のものがあり、これらを交換して使用できる。１つ目の形態として、ヘッド１１ａが平面のものがある。２つ目の形態として、ヘッド１１ａが球面のものがある。３つ目の形態として、ヘッド１１ａが曲面のものがある。ヘッド１１ａが球面や曲面の鏡面加工具１１を使用する場合、加工対象となる金属ＸＡ１の表面の平均粗さＲ（本実施形態では、十点平均粗さＲｚ）以上の曲率半径ｒのものを選択する。通常は、曲率半径ｒが１０μｍ以上のものを選択することが好ましい。

図１に戻って説明する。スピンドル１２は、超音波振動子１３と、超音波ホーン１４と、を備えている。超音波振動子１３は、軸方向に超音波振動を生じさせる。超音波ホーン１４は、超音波振動子１３で生じる超音波振動に共振して、当該超音波振動を増幅させる。そして、超音波ホーン１４は、増幅させた軸方向の超音波振動を鏡面加工具１１に伝達する。このようなスピンドル１２は、スピンドルヘッドに対して姿勢を変更できるように取り付けられている。すなわち、スピンドル１２は、鉛直下方に向けた姿勢を基本姿勢として、加工対象となる金属ＸＡ１の形状に応じて、基本姿勢から傾けた姿勢にすることができる。

このような鏡面加工機１０によれば、鏡面加工具１１を、加工対象となる金属ＸＡ１の表面に沿って所望する範囲で移動させつつ、軸回りに回転させながら軸方向に振動させることで、当該金属ＸＡ１の表面における所望する範囲を打撃することができる。

次に、図３および図４を用いて、鏡面加工機１０による鏡面加工方法について説明する。図３は、鏡面加工具１１を振動させる範囲を説明する概略図である。図４は、金属ＸＡ１の塑性変形を説明する概略図であり、同図（Ａ）は加工前の状態を示し、同図（Ｂ）は加工後の状態を示す。

加工対象となる金属ＸＡ１の表面は、凹となる微小な谷部Ｖと、凸となる微小な山部Ｍと、を有している。本実施形態の金属ＸＡ１の表面は、エンドミルで切削された状態であって、平均粗さをＲｚで示し、エンドミルのピックフィード（移動量）をＷで示す。

本鏡面加工機１０において、加工対象となる金属ＸＡ１の平均粗さＲｚは、１００μｍが限度である。すなわち、加工対象となる金属ＸＡ１の平均粗さＲｚは、１００μｍ以下である必要がある。なお、加工対象となる金属ＸＡ１の平均粗さＲｚは、小さいほど好ましく、５０μｍ以下であることが好ましい。そして、加工対象となる金属ＸＡ１の平均粗さＲｚは、１０μｍ以下であることがより好ましい。

まず、金属ＸＡ１の表面と、鏡面加工具１１のヘッド１１ａと、の間にブロックゲージ（図示省略）を介在させるなどして、鏡面加工具１１を所望の高さにセットする。

図３に示すように、所望の高さは、ヘッド１１ａが最も金属ＸＡ１の表面に近づいた場合に、当該ヘッド１１ａの下死点が谷部Ｖの最低点よりも手前となる高さである。すなわち、所望の高さは、ヘッド１１ａが谷部Ｖから距離ｈだけ離れた高さである。

そして、鏡面加工具１１を、金属ＸＡ１の表面に沿って所望する範囲で移動させつつ、軸回りに回転させながら軸方向にストロークＬで振動させる。ストロークＬは、加工対象となる金属ＸＡ１の平均粗さＲｚの２倍であることが好ましい。

これにより、ヘッド１１ａによって、山部Ｍのみが打撃される。すなわち、谷部Ｖは打撃されない。ひいては、図４（Ａ）および図４（Ｂ）に示すように、山部Ｍが谷部Ｖに向かって崩れるように塑性変形して、金属ＸＡ１の表面が鏡面になる。

このような鏡面加工機１０による上記の鏡面加工方法によれば、０．１μｍ以下、特に、０．０５μｍ以下の平均粗さＲｚを有する鏡面が得られる。そして、研磨による鏡面加工とは異なり、砥粒やスラッジ（研磨カス）を除去する必要がなく、簡単に鏡面が得られる。

また、切削加工用の工作機械を簡単に転用して実施できる点も便利で都合がよい。さらに、研磨による鏡面加工の場合には、金属ＸＡ１の表面に対し、１０μｍ〜１５μｍ程度の微小切削をするので、表面の形状が崩れるという問題があるが、本発明によれば、表面の塑性変形が生じるのみであり、このような問題は生じない。

そして、鏡面加工具１１を３次元方向に自由に移動させることができると共に、当該鏡面加工具１１の姿勢を自由に変更できるので、加工対象となる金属ＸＡ１の表面が平面の場合に限定されず、曲面や球面などの自由曲面の場合にも対応できる。また、金属ＸＡ１の表面の一部の領域を選択的に加工できる。このように、加工する場所、形状、模様を問わず、部分的に鏡面にすることができる。例えば、０．２ｍｍ幅の曲線鏡面にすることもできる。

また、鏡面加工具１１を軸回りに回転させながら加工するので、その回転が、鏡面加工具１１の取付け誤差やヘッド１１ａの形状誤差を吸収する。これにより、加工精度が向上する。もちろん、鏡面加工具１１を回転させない場合であっても、鏡面にすることはできる。

さらに、鏡面加工具１１のヘッド１１ａ部分が、加工対象となる金属ＸＡ１とは異なる種類の物質である場合には、ヘッド１１ａと金属ＸＡ１の表面との間に拡散接合が生じにくく、すなわち、ヘッド１１ａが金属ＸＡ１の表面にくっつきにくく、精度よく鏡面にすることができる。

本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、その趣旨および技術思想を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

すなわち、上記実施形態において、鏡面加工具１１を超音波振動させる場合を例に説明したが、本発明は、鏡面加工具１１を超音波の周波数帯域で振動させる必要はなく、それ以下の周波数帯域で振動させる場合であってもよい。ただし、振動させる周波数帯域は高ければ高いほど好ましい。すなわち、高速振動させることが好ましい。

１０ 鏡面加工機
１１ 鏡面加工具
１１ａ ヘッド
１２ スピンドル
１３ 超音波振動子
１４ 超音波ホーン
ＸＡ１ 金属
Ｒｚ 平均粗さ
ｒ 曲率半径
ｈ 距離
Ｖ 谷部
Ｍ 山部

Claims (18)

1. 凹となる微小な谷部と凸となる微小な山部とを有する金属の表面に沿って、軸方向に振動する加工具のヘッドを面方向に移動させつつ、前記表面を前記ヘッドで直接打撃する際に、前記加工具を、前記ヘッドの下死点が前記谷部の最低点よりも手前となるように振動させて前記谷部を打撃せずに前記山部のみを打撃し、前記山部を前記谷部側に塑性変形させることで、前記表面における前記ヘッドを面方向に移動させた軌跡であって、前記ヘッドの面積より広い領域を鏡面化し、
   前記ヘッドは、前記表面とは異なる種類の物質からなり、前記表面との間に拡散接合を生じにくくしていることを特徴とする、
   鏡面加工方法。
2. １００μｍ以下の平均粗さを有する前記金属の表面を鏡面にすることを特徴とする、
   請求項１に記載の鏡面加工方法。
3. ５０μｍ以下の平均粗さを有する前記金属の表面を鏡面にすることを特徴とする、
   請求項２に記載の鏡面加工方法。
4. 前記金属の表面を、０．１μｍ以下の平均粗さを有する鏡面にすることを特徴とする、
   請求項１〜３のいずれかに記載の鏡面加工方法。
5. 前記ヘッドは、前記金属の表面の平均粗さ以上の曲率半径を有する凸となる球面もしくは曲面、または平面であることを特徴とする、
   請求項１〜４のいずれかに記載の鏡面加工方法。
6. 前記ヘッドは、１０μｍ以上の曲率半径を有する凸となる球面または曲面であることを特徴とする、
   請求項１〜５のいずれかに記載の鏡面加工方法。
7. 前記加工具を、軸回りに回転させながら軸方向に振動させることを特徴とする、
   請求項１〜６のいずれかに記載の鏡面加工方法。
8. 前記表面が曲面または球面であることを特徴とする、
   請求項１〜７のいずれかに記載の鏡面加工方法。
9. 前記表面の一部の領域を鏡面化することを特徴とする、
   請求項１〜８のいずれかに記載の鏡面加工方法。
10. 凹となる微小な谷部と凸となる微小な山部とを有する金属の表面に沿って、軸方向に振動する加工具のヘッドを面方向に移動させつつ、前記表面を前記ヘッドで直接打撃する際に、前記加工具を、前記ヘッドの下死点が前記谷部の最低点よりも手前となるように振動させて前記谷部を打撃せずに前記山部のみを打撃し、前記山部を前記谷部側に塑性変形させることで、前記表面における前記ヘッドを面方向に移動させた軌跡であって、前記ヘッドの面積より広い領域を鏡面化し、
    前記ヘッドは、前記表面とは異なる種類の物質からなり、前記表面との間に拡散接合を生じにくくしていることを特徴とする、
    鏡面加工機。
11. １００μｍ以下の平均粗さを有する前記金属の表面を鏡面にすることを特徴とする、
    請求項１０に記載の鏡面加工機。
12. ５０μｍ以下の平均粗さを有する前記金属の表面を鏡面にすることを特徴とする、
    請求項１１に記載の鏡面加工機。
13. 前記金属の表面を、０．１μｍ以下の平均粗さを有する鏡面にすることを特徴とする、
    請求項１０〜１２のいずれかに記載の鏡面加工機。
14. 前記ヘッドは、前記金属の表面の平均粗さ以上の曲率半径を有する凸となる球面もしくは曲面、または平面であることを特徴とする、
    請求項１０〜１３のいずれかに記載の鏡面加工機。
15. 前記ヘッドは、１０μｍ以上の曲率半径を有する凸となる球面または曲面であることを特徴とする、
    請求項１０〜１４のいずれかに記載の鏡面加工機。
16. 前記加工具を、軸回りに回転させながら軸方向に振動させることを特徴とする、
    請求項１０〜１５のいずれかに記載の鏡面加工機。
17. 凹となる微小な谷部と凸となる微小な山部とを有する金属の表面に沿って、軸方向に振動する自身のヘッドを面方向に移動させつつ、前記表面を前記ヘッドで直接打撃する際に、前記ヘッドの下死点が前記谷部の最低点よりも手前となるように振動させて前記谷部を打撃せずに前記山部のみを打撃し、前記山部を前記谷部側に塑性変形させることで、前記表面における前記ヘッドを面方向に移動させた軌跡であって、前記ヘッドの面積より広い領域を鏡面化するように用いられる鏡面加工具であって、
    前記ヘッドは、前記金属の表面の平均粗さ以上の曲率半径を有する凸となる球面もしくは曲面、または平面であると共に、
    前記表面とは異なる種類の物質からなり、前記表面との間に拡散接合を生じにくくしていることを特徴とする、
    鏡面加工具。
18. 前記ヘッドは、１０μｍ以上の曲率半径を有する凸となる球面または曲面であることを特徴とする、
    請求項１７に記載の鏡面加工具。

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