JP5935089B2 - 高周波振動援用電解研削方法及びその装置 - Google Patents

Description

本発明は、研削砥石と被加工物との間に電解液を介し電圧を印加することにより電気分解しつつ研削砥石により被加工物を研削する電解研削装置に係り、特に研削砥石に高周波振動を伝搬することにより電解研削の効率を向上させ、かつ好適な表面粗さに仕上げることができる高周波振動援用電解研削方法及びその装置に関する。

従来、研削砥石と被加工物の表面との間に電解液を介し電圧を印加して被加工物の表面を電解研削する電解研削装置は存在している（特許文献１参照）。
この電解研削装置は、研削砥石と被加工物の間に電解液を介し電圧を印加して電解研削するものであり、研削《砥粒の運動エネルギー》と、電解《被加工物への電気エネルギー》の２つの要素を組み合わせた加工技術である。

特開平３−２５１３１７号公報

しかしながら、この従来の電解研削装置にあっては、加工する仕上げ面の表面粗さに限界があり、被加工物の仕上げ面の表面粗さを一定程度以上に向上させることができないという問題があった。
これは、電解研削における極間距離、すなわち砥石の母材（導電性）と被加工物（導電性）の間に位置するダイヤモンド砥粒（非導電性）の母材からの突出寸法が、極間距離を決定するスペーサの役割をするのであるが、この寸法設定が一般的に０．０２ｍｍ以上とされており、極間距離をこれ以下にすると、極間が短絡し電位を上げられなくなって電解反応が不安定になったり、停止したりすることがあった。

この極間距離が０．０２ｍｍ以上ということは、砥粒の少なくとも５０％を母材で保持すると想定した場合に、砥粒サイズは０．０４ｍｍ以上必要となり、これを砥石の粒度に換算すると＃４００よりも粗い、すなわち粒子径の大きい砥石しか電解研削に適さないこととなる。しかしながら、このサイズの粒子径では、被加工物を鏡面仕上げするまでの研削加工精度が得られず、そのため内面研削にあっては電解研削後にさらにホーニング盤による仕上げ工程が必要となっていた。

本発明は以上に述べた事情に鑑みて為されたものであって、その目的は、微細砥粒による電解研削を可能とし、加工精度の向上と効率化を図ることができる高周波振動援用電解研削方法及びその装置を提供することである。

上記解決課題に鑑みて鋭意研究の結果、本発明者は、これまでの装置・方法では安定した電解反応が起こらなかった０．０２ｍｍ未満の極間距離であっても、高周波振動を砥石に伝搬させることによって電解反応が誘引または促進されることを確認し、その研削条件を突き詰めることにより本発明の高周波振動援用電解研削方法及びその装置を案出するに至った。
すなわち本発明の高周波振動援用電解研削方法は、ＪＩＳ Ｒ６００１の精密研磨用砥石の粒度＃４００よりも粒子径の小さい非導電性の微細砥粒を、導電性結合材表面に突出させた砥石を用い、該砥石と被加工物との間隙すなわち前記微細砥粒の突出量を０．０２ｍｍ未満に設定し、前記砥石もしくは被加工物の何れかに高周波振動を加え、さらに前記砥石と被加工物の間に電解液を介して電気分解用の電圧を印加して電解研削加工することを特徴とする。
このような構成とすることにより、砥粒突出高さを０．０２ｍｍ未満の砥石を用い、極間距離、すなわち砥粒を保持している母材と被加工物との間隙を０．０２ｍｍ未満に設定した状態において、高周波振動を砥石に伝搬させることにより、砥石と被加工物との間で電解反応を誘引または促進させ、電解研削加工を行うことができる。

また、砥石と被加工物との間に印加する電解用電圧をＤＵＴＹ比５％〜５０％のパルス電流で、極間の平均電圧を１〜１０Ｖの範囲とすることを特徴とする。
これにより、高周波振動による電解誘引作用を生じさせるとともに、電解電流により被加工物の表面がピット状に溶解することによる表面粗さの劣化を最小限にして、加工精度を向上させることができる。

そして、本発明の高周波振動援用電解研削装置は、ＪＩＳ Ｒ６００１の精密研磨用砥石の粒度＃４００よりも粒子径の小さい非導電性の微細砥粒を、導電性結合材表面に突出させた砥石と、該砥石もしくは被加工物の何れかに高周波振動を加える加振手段と、前記砥石と被加工物との間に電解液を介して電気分解用の電圧を印加して電解加工する電解制御手段と、を備え、前記砥石と被加工物との間隙すなわち前記微細砥粒の突出量を０．０２ｍｍ未満に設定した状態で、前記高周波振動により砥石と被加工物の間の電解反応を誘引または促進して電解研削することを特徴とする。

本発明の高周波振動援用電解研削装置を示す説明図である。 本発明の高周波振動援用電解研削装置における研削状態を示す説明図である。 本発明の高周波振動援用電解研削装置における研削砥石と被加工物の間の電圧変化を示すグラフ図である。 本発明の高周波振動援用電解研削装置における電解研削中の研削抵抗を示すグラフ図である。 本発明の高周波振動援用電解研削装置における電解の設定電流値と電解誘引との関係を示す説明図である。 本発明の高周波振動援用電解研削装置における電解の電流密度と被加工物の表面粗さの関係を示す説明図である。 本発明の高周波振動援用電解研削装置における電解誘引に最適なパルス電源の設定条件を検証する説明図である。 本発明の高周波振動援用電解研削方法の作用を示す説明図であり、（Ａ）は砥石と被加工物が接触して停止した状態、（Ｂ）は砥石が回転し極間に電圧を印加した状態、（Ｃ）は高周波振動を砥石に伝搬させた状態をそれぞれ表している。 本発明の高周波振動援用電解研削方法により内面研削した被加工物の鏡面仕上げ状態を示す説明図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明に係る高周波振動援用電解研削装置を実施するための形態を詳細に説明する。図１〜図８は、本発明の実施の形態を例示する図であり、これらの図において、同一の符号を付した部分は同一物を表わし、基本的な構成及び動作は同様であるものとする。
＜構成＞
まず図１に示すように、本発明の高周波振動援用電解研削装置１は、研削砥石２を回転駆動する砥石スピンドル３とを備えるとともに、砥石スピンドル３には、その軸方向に例えば２０ｋＨｚ以上の周波数で高周波振動する高周波加振手段４を、研削砥石２と被加工物Ｗとの間に電解研削のための電解電源手段５を、そして高周波加振手段４と電解電源手段５を含む研削装置による研削加工を制御する制御手段６を備えている。
そして、図示しない砥石軸スライドが砥石スピンドル３を載置して砥石軸方向に往復動するとともに、被加工物Ｗをチャックする主軸は切り込み方向に移動する構成を有している。

図２は、研削砥石２と被加工物Ｗとが接触し、電解研削している状態をイメージ的に表している。研削砥石２は、ダイヤモンド砥粒などの非導電性の砥粒７を導電性結合材８により結合固化している。研削砥石２表面から突出した砥粒７が、被加工物Ｗを研削する状態において、砥粒７の突出高さが、研削砥石２と被加工物Ｗの極間距離であり、本実施形態にあっては砥粒７をＪＩＳ Ｒ６００１の精密研磨用砥石の粒度＃４００よりも小さい粒子径とすることにより、極間距離が０．０２ｍｍ未満に設定される。
そして、電解電源手段５は、予め設定した電解用電圧を研削砥石２と被加工物Ｗとの間に印加する。図中９は、研削砥石２と被加工物Ｗとの間に介在させる電解液、１０は電解により生成する電解生成物である。

＜研削方法＞
このような構成からなる本発明の高周波振動援用電解研削方法について、以下に詳述する。
始めに、電解研削において高周波振動を援用して電解が誘引されたことを確認する方法について説明する。
−電解反応のモニタリング−
［加工条件］
被加工物と硬度：クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ）、硬度５８ＨＲＣ以上の加工内周面がφ４ｍｍ、長さ９ｍｍの円筒体
砥石：粒度＃２０００のダイヤモンド電着砥石
砥粒突出量：０．００５ｍｍ
研削砥石の回転速度：４０００ｒｐｍ
主軸の回転速度：１０００ｒｐｍ
高周波振動：５１ｋＨｚ、８μｍ_ｐ−ｐ
パルス電源のＤＵＴＹ比：５０％
加工時間：６０ｓｅｃ

上記条件により高周波振動援用電解研削加工を行うとともに、研削砥石２と被加工物Ｗの間の電圧変化を測定し、その結果を図３に表し、またこれと同時に電解研削中の砥石にかかる研削抵抗を測定（動力計を使用）し、その結果を図４に表す。
この測定結果を検討すると、図３に示すごとく、加工の開始から（１）２５秒後、及び（２）３０秒後に急激な電圧上昇が確認されるとともに、図４に示すごとく、これと同じタイミングで研削抵抗が低下することが確認できる。
これらからして、電解による研削砥石２と被加工物Ｗの間の電圧が急激に上昇するポイントが、電解開始のポイントであると判断することができる。この極間の電圧が急上昇する現象は、高周波振動を極間に伝搬しなければ起きないことから、電解を誘引しているといえる。

−高周波振動による電解誘引の条件−
図５は、研削砥石２と被加工物Ｗの間に電解液を介して印加する電解電源の設定を変化させて、電解の設定電流値が一定以上の場合に電解を誘引するかを３つの条件で測定した。
そして、電解の電流値が６．５Ａ及び３．４Ａの場合には、高周波振動を加えると直に急激に電圧が上昇して、電解が誘引されることが確認できるが、１．８Ａでは高周波振動を加えても電解を誘引しないことがわかる。そして、この場合に被加工物の除去量が著しく少ないことも確認された。

図６は、３種の電解電流ごとの被加工物表面の表面粗さを示すグラフ図である。研削砥石２と被加工物Ｗの極間に流れるクーロン量は電解量に比例することから、加工効率を向上させるためには、極間の電流密度を上げることが必要となる。しかしながら、電流密度を上げると、被加工物の表面がピット状に溶解して表面粗さを劣化させると言う問題がある。
したがって、高周波振動援用電解研削において鏡面加工を行うためには、できるだけ低い適正な電流密度で電解研削を行うことが求められる。

図７は、低い電流値で電解誘引のための電解電源の最適設定を検証する実施例を表している。印加電圧とＤＵＴＹ比を調整し、極間に流れる平均電流値を２Ａに設定した３種類のパルス電流を作り、それらで高周波振動援用電解研削を行った。
これにより、電解誘引させるためには、電源パルス波を高電圧としつつも、ＤＵＴＹ比を低くすることが必要であり、これにより、より電流値が低い状態で高周波振動による電解誘引作用を起こすことができる。

図８は、本実施形態の高周波振動援用電解研削方法による電解研削加工を撮影した写真である。加工条件は、下記の通りである。
・砥石：ダイヤモンド電着砥石＃６００ 砥粒突出量０．０１ｍｍ
・被加工物：鉄板 厚さ０．０５ｍｍ
・パルス電源（出力）：３０Ｖ １Ａ ＤＵＴＹ比５０％（１μｓＯＮ，１μｓＯＦＦ）
・高周波振動周波数：５０ｋＨｚ 振幅０．００８ｍｍ_ｐ−ｐ

図８（Ａ）は、砥石と被加工物とを接触させ、その間に電解液を滴下した状態を示す。
図８（Ｂ）は、砥石を回転させ、極間に電解用電圧を印加し、これにより極間から水素の泡がわずかに発生した状態を示す。
図８（Ｃ）は、高周波振動を砥石に伝搬した状態。これにより極間から水素の泡が大量に発生し、極間が０．０２ｍｍ未満、さらに極が接触した状態でも電解反応が生じることが確認できる。

図９は、本実施形態の高周波振動援用電解研削方法による研削効果を示すものであり、筒状のクロムモリブデン鋼（ＳＣＭ）の内面に高周波振動援用電解研削を行い、その加工した内面を可視すべく切断して撮影した写真である。加工面が鏡面に仕上がっていて、画像を明解に反射していることがわかる。

本発明は、高周波振動を援用して狭い極間においても電解研削加工を可能とするものであり、材料の除去やその切り屑の排除、そして砥石の目詰まりの防止という物理的効果とともに、超音波により発生する気泡（キャビテーション）の圧壊時に発生する活性酸素等の援用を利用するものである。
超音波により発生したキャビテーションは、断熱圧縮過程でエネルギーが集中し、その気泡の圧壊時に五千〜数万度、千数百気圧の高温・高圧の局所場を形成する。そして、水や水溶液に超音波を照射したときに発生するキャビテーションの圧壊による高温反応場において、水分子は分解し、ＯＨラジカル等が生成する。このＯＨラジカルは、短時間に消滅するものの、高い酸化作用を有することから、電解誘引に効果的に作用するものと考えられる。

本発明の高周波振動援用電解研削方法は、金属等の各種素材を精密に研削加工する加工産業において利用することができるものである。

１…高周波振動援用電解研削装置
２…研削砥石
３…砥石スピンドル
４…高周波加振手段
５…電解電源手段
６…制御手段
７…砥粒
８…導電性結合材
９…電解液
１０…電解生成物
Ｗ…被加工物

Claims (7)

1. ＪＩＳ Ｒ６００１の精密研磨用砥石の粒度＃４００よりも粒子径の小さい非導電性の微細砥粒を、導電性結合材表面に突出させた砥石を用い、該砥石と被加工物との間隙すなわち前記微細砥粒の突出量を０．０２ｍｍ未満に設定し、
   前記砥石もしくは被加工物の何れかに高周波振動を加えつつ、さらに前記砥石と被加工物の間に電解液を介して電気分解用の電圧を印加して前記砥石の周辺にキャビテーションを発生させ、電解作用を誘引、促進した状態を作り出して、
   電解研削加工することを特徴とする高周波振動援用電解研削方法。
2. 砥石と被加工物との間に印加する電解用電圧をＤＵＴＹ比５％〜５０％のパルス電流で、極間の平均電圧を１〜１０Ｖの範囲とすることを特徴とする請求項１記載の高周波振動援用電解研削方法。
3. 前記砥石の周辺にキャビテーションを発生させ、電解作用を誘引、促進した状態に至る過程における前記砥石にかかる研削抵抗の時間変化及び前記砥石と前記被加工物との間の極間電圧の時間変化を測定することによりキャビテーション発生時の極間電圧の時間変化を得て、
   当該測定により得られた前記砥石にかかる研削抵抗の減少と同一のタイミングで得られた極間電圧の時間変化と同様の極間電圧変化が生じたときに、前記キャビテーションが発生したとみなして、前記電解研削加工することを特徴とする
   請求項１又は２に記載の高周波振動援用電解研削方法。
4. 前記極間電圧の時間変化において急激に電圧が上昇するタイミングと、前記研削抵抗の時間変化において研削抵抗が低下するタイミングとの一致により、前記キャビテーションの発生とみなすことを特徴とする
   請求項３に記載の高周波振動援用電解研削方法。
5. ＪＩＳ Ｒ６００１の精密研磨用砥石の粒度＃４００よりも粒子径の小さい非導電性の微細砥粒を、導電性結合材表面に突出させた砥石と、
   該砥石もしくは被加工物の何れかに高周波振動を加える加振手段と、
   前記砥石と被加工物との間に電解液を介して電気分解用の電圧を印加することにより電解加工する電解制御手段と、を備え、
   前記砥石と被加工物との間隙すなわち前記微細砥粒の突出量を０．０２ｍｍ未満に設定した状態で、前記高周波振動により前記砥石と被加工物との間に電解液を介して電気分解用の電圧を印加して、前記砥石の周辺にキャビテーションを発生させ、砥石と被加工物の間の電解反応を誘引または促進して電解研削することを特徴とする高周波振動援用電解研削装置。
6. 前記砥石と前記被加工物との間の極間電圧の時間変化を測定する電圧計をさらに有し、
   前記電圧計を用いた測定により得られた極間電圧の時間変化が所定のパターンを示すときに、前記キャビテーションが発生したとみなして、前記電解研削加工することを特徴とする
   請求項５に記載の高周波振動援用電解研削装置。
7. 前記砥石にかかる研削抵抗の時間変化を測定する動力計をさらに有し、
   前記極間電圧の時間変化が所定のパターンを示すときに、前記動力計による前記砥石にかかる研削抵抗が減少することを確認することを特徴とする請求項６に記載の高周波振動援用電解研削装置。