JP6761599B2

JP6761599B2 - バレル研磨方法

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Publication number: JP6761599B2
Application number: JP2016210110A
Authority: JP
Inventors: 直幸荻原
Original assignee: Sintokogio Ltd
Current assignee: Sintokogio Ltd
Priority date: 2016-10-27
Filing date: 2016-10-27
Publication date: 2020-09-30
Anticipated expiration: 2036-10-27
Also published as: JP2018069359A

Description

本発明は、金属製部品のバレル研磨方法に関する。

金属製部品のバリ取りや面粗度調整を行うために、バレル研磨機を用いることは広く知られている（たとえば、特許文献１）。バレル研磨は、ワークである金属製部品と研磨メディアと（湿式の場合は、さらに水とコンパウンド）をバレル槽に投入し、これらを流動させることで研磨メディアをワークに接触させて研磨する。

特開２０１５−１６８０５４号公報

バレル研磨を行っている際、ワークはメディアの流動に追従して移動している。その為、凹部が形成されているワークにおける凹部や隅角部の研磨は、凸部や外郭の研磨の進行に比べて遅い。従って、凹部表面や隅角部の面粗度が要求されている場合、全体として研磨時間が長くなる。

上記に鑑み、本発明では凹部が形成されている金属製部品や隅角部を有する金属製部品を効率よくバレル研磨する方法を提供する。

本発明の一側面は、凹部が形成された金属製部品のバレル研磨方法である。このバレル研磨方法は、下記（１）〜（４）の工程を含む。
（１）金属製部品であるワークを研磨治具に固定する工程。
（２）バレル研磨機のバレル槽内の所定の位置に固定されるようにワークをセットする工程。
（３）バレル槽に研磨媒体を投入する工程。
（４）バレル研磨機を作動させてワークを研磨する工程。

本発明の一側面の研磨媒体は、乾式バレル研磨の場合は研磨メディア及び必要に応じて研磨助剤、湿式バレル研磨の場合は研磨メディア及び水及び必要に応じてコンパウンド、を指す。本発明の一側面では、ワークが固定されているので研磨メディアが凹部に接触する機会が増える。したがって、ワークの研磨時間を短縮することができる。

本発明の一実施形態は、前記ワークを研磨する工程は、前記バレル研磨機を作動させることでバレル槽を振動させると共に、該バレル槽に投入された研磨媒体を撹拌する工程を含んでもよい。この時、マスのバレル槽の底部からの高さの最小値をＨ_１、最大値をＨ_２としたときに、前記ワークの被研磨面と前記バレル槽の底部との距離ｄが、ｄ≦（Ｈ_１＋Ｈ_２）×３／４となるようにワークをセットしてもよい。ここで、最小値Ｈ_１及び最大値Ｈ_２は研磨中における研磨媒体で形成されるマスの流動状態をバレル槽の中央部におけるマスの流動方向での縦断面形状で代表させた際のマスの位置を指す。研磨メディアが十分に撹拌しており、かつ研磨メディアに十分な荷重がかかっていることにより研磨力が増大していることから、ワークの研磨時間を短縮することができる。

本発明の一実施形態は、ワークの被研磨面をマスの流動状態を示す縦断面形状における水平方向の中心よりマスの高さが最小値Ｈ_２となる側にセットしてもよい。ワークが固定されていることでマスの流動状態が阻害されるが、この位置にセットすることで阻害の影響を小さくすることができる。

本発明の一実施形態は、ワークの凹部を凹曲面の溝とし、研磨媒体における研磨メディアは球形としてもよい。凹曲面に沿うように研磨メディアが接触するので、凹部を効率よく研磨することができる。この場合、より効率よく研磨するための、研磨メディアの径をこの溝の幅の５０〜９０％としてもよい。

本発明の一実施形態は、ワークの凹部を一方向に伸延する溝とし、この溝がマスの流動面に対して垂直となるようにワークをセットしてもよい。流動している研磨メディアが溝全体に接触するので、均一に研磨することができる。

本発明の一側面及び一実施形態により、凹部が形成された金属製部品を効率よく研磨する方法を提供することができる。

本発明の一実施形態における研磨の態様を示す模式図である。図１（Ａ）はマスの流動方向での縦断面形状を示す断面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）におけるＡ−Ａ断面図、である。本発明の一実施形態で研磨したワークを示す模式図である。本発明の一実施形態において、ワークをセットする位置を説明するための模式図である。本発明の一実施形態のバレル研磨方法を説明するためのフロー図である。

本発明のバレル研磨方法の一実施形態を、図を参照して説明する。ここでは、ワークをボックスタイプの振動バレル研磨機で研磨した場合を例示する。なお、以下の説明において「上・下・右・左」方向は特に断りのない限り図中の方向を指す。

本発明の一実施形態で用いた振動バレル研磨機１０を図１に示す。振動バレル研磨機１０は上部が開口した研磨槽１１を備え、バネ１２を介して台座１３上に設置されている。

研磨槽１１はその下部にベアリング１４を備え、カウンターウェイト１５を固定させた回転軸１５ａを、ベアリング１４を介して回転自在に固定する。回転軸１５ａは回転を伝達するカプラ１６を介してモータ１７に接続されている。

研磨槽１１はキャビティ１１ａを有しており、キャビティ１１ａには研磨メディアＰと水とコンパウンドとが投入されている。モータ１７を作動させると、研磨槽１１に投入された研磨メディアＰ及び水及びコンパウンドで形成されるマスＭは図１（Ａ）に示すようにバレル槽１１で流動状態になる。

ワーク２０は研磨治具３０に固定され、研磨槽１１の内部にセットされている。ワーク２０は流動状態にあるマスＭの研磨メディアＰと接触することで研磨される。

本実施形態で研磨するワーク２０は、図２に示すようなコ字状の鋼材であって、内側の隅角部に凹曲面の溝２１が形成されている。即ち、本実施形態で研磨するワークＷは、一方向（同図で上下方向）に伸延する溝２１であり、その溝２１は凹曲面で形成されている。ここでは、ワーク２０の凹曲面の溝２１、及び内壁面２５ａ、２５ｂ、２５ｃを研磨する方法について図３、４をさらに用いて説明する。

（Ｓ０１：ワークを研磨治具に固定する工程）
ワーク２０を研磨治具３０に固定する。研磨治具３０は、被研磨面を露出させた状態でワーク２０を固定でき、且つ研磨時に変形しない強度を有しており、且つマスＭに対して耐食性を有していれば、その形態は特に限定されない。本実施形態では板状の鋼材を研磨治具３０とした。ワーク２０を固定する面にはワーク２０を把持するための把持具３１が設けられており、把持具３１を介して４つのワーク２０を並列に固定した。

（Ｓ０２：ワークを研磨槽内にセットする工程）
研磨治具３０に固定されたワーク２０を研磨槽１１のキャビティ１１ａに固定されるようにセットする。本実施形態では、ボルトを介して研磨治具３０を研磨槽１１に固定した。固定する向きは、図１（Ａ）の視点で溝２１が垂設され、且つこの溝２１がマスＭに対して所定の位置となるようにセットする。ワーク２０をセットする位置についての詳細は後述する。

（Ｓ０３：研磨媒体を投入する工程）
バレル槽１１のキャビティ１１ａに、研磨媒体である研磨メディアＰ、水、コンパウンドを投入する。研磨メディアＰは、砥粒を樹脂に分散させて形成された研磨メディア（樹脂メディア）、セラミックス質の研磨メディア（セラミックスメディア。砥粒及び粘土質を混練して焼成した研磨メディア（焼成メディア）や砥粒同士を焼結した研磨メディア（焼結メディア））、金属で構成される研磨メディア（金属メディア）、等から適宜選択することができる。

研磨メディアＰの形状は、被研磨面の形状に合わせて適宜選択される。本実施形態の被研磨面は凹曲面の溝２１、及び内壁面２５ａ、２５ｂ、２５ｃであり、凹曲面の溝２１は研磨メディア１１と接触する機会が他の面に比べて少ない。従って、凹曲面の溝２１に対して研磨メディア１１が接触する機会を増加させることで、ワーク１１全体の研磨時間を短縮することができる。本実施形態の研磨メディア１１は、球形状とした。

また、研磨メディア１１の径を適宜選択することで、凹曲面の溝２１に対して研磨メディア１１が接触する機会をさらに増加することができる。研磨メディア１１の径を、凹曲面の溝２１の幅に対して５０〜９０％、より好ましくは７５〜８５％とするとよい。研磨メディア１１の径が小さすぎると研磨メディア１１自体の研磨能力が小さく、大きすぎると凹曲面の溝２１と接触する機会が減少する。

コンパウンドは目的に応じて、コンパウンドの種類および量を適宜選択することができる。目的は、例えば（１）〜（１０）のいずれかを挙げることができる。
（１）研磨力の向上
（２）研磨メディアの洗浄および研磨力の持続（研磨メディアの目詰まりを防止）
（３）被加工物の洗浄
（４）被加工物の光沢度の向上
（５）被加工物のスケールの除去。
（６）被加工物の油脂の除去
（７）被加工物に防錆効果を付与、または被加工物の変色の防止
（８）被加工物表面に打撃痕の形成を防止
（９）水を軟化
（１０）被加工物が硬脆材料の場合、チッピングの抑制

（Ｓ０４：研磨する工程）
モータ１７を作動させるとカウンターウェイト１５が回転し、カウンターウェイト１５の回転に応じて研磨槽１１が楕円形の軌道を描きながら振動する。この振動により研磨媒体は流動状態になり、マスＭを形成する。ここで、マスの流動状態を図３に示す。図３は図１（Ａ）と同じ視点であり、研磨中における研磨メディアＰを含むマスＭの流動状態をバレル槽の中央部における研磨メディアの流動方向での縦断面形状を示す。マスＭの流動方向での断面形状で代表されたマスＭの形状は、研磨槽１１の底部１１ｂからの高さの最小値をＨ_１、最大値をＨ_２とすることができる。ここで、研磨槽１１の縦断面形状において、底部１１ｂの湾曲部での最大幅Ｄの１／４、１／２、３／４の位置でのマスＭの上面ａ、ｂ、ｃの３点を結んだ仮想直線と研磨槽１１との交点をそれぞれＨ_１、Ｈ_２とすることができる。

マスＭを形成する流動状態の研磨メディアＰがワーク２０と接触することにより、ワークが研磨される。ここで、ワーク２０は図１（Ａ）における研磨槽１１の左右方向中央よりマスの高さ位置がＨ_２方向である左方にセットされている。通常のバレル研磨では、ワークは固定せず研磨メディアと共に流動状態にすることで研磨を行うが、本実施形態ではワーク２０を固定しているので、この固定によりマスＭの流動が阻害される。マスＭの流動が過度に阻害されると、研磨メディアＰが研磨を行うのに十分な運動エネルギーを有しない状態でワークと接触し、またはワーク２０と研磨メディアＰが接触する機会が減少するので、十分に研磨を行うことができない。本実施形態のように、ワーク２０をマスＭの高さが最小値となる側に配置することで、マスＭの流動の阻害によるワーク２０の研磨への影響を少なくすることができる。

また、ワーク２０は、マスＭが被研磨面に向かって流動するようにセットされている。即ち、本実施形態においてはコ字状の脚部２２がマスＭの高さが最大値となる側（図１（Ａ）における右方向）となるようにセットされている。

本実施形態のワーク２０は図２における上下方向に平行する二本の溝２１が形成されている。ワークは、この溝２１がマスＭの流動面に対して垂直となるようにセットされている。即ち、図１（Ａ）では、溝２１が上下方向となるようにワークがセットされている。マスＭの流動に係るベクトルは、マスＭの流動面に対する平行方向（図１（Ａ）における紙面鉛直方向）より、垂直方向（同図における上下方向）の方が大きい。本実施形態のようにワーク２０をセットすることで、研磨効率を向上させることができる。

マスＭは流動形状内で速度分布を有している。また、位置によって上方に位置する他の研磨メディアＰの質量が加わり、研磨力が増大している。これらを鑑み、ワーク２０の被研磨面の高さ位置とバレル槽の底部１１ｂとの距離ｄがｄ≦（Ｈ１＋Ｈ２）×３／８となるようにワーク２０をセットするのが好ましい。ｄが大きすぎると、上方に位置する他の研磨メディアＰの質量が不十分で研磨力が小さい。

さらに、（Ｈ_１＋Ｈ_２）×１／８≦ｄ≦（Ｈ_１＋Ｈ_２）×３／８となるようにワーク２０をセットするのがより好ましい。即ち、本実施形態ではワーク２０の底面２４の高さ位置が（Ｈ_１＋Ｈ_２）×１／８以上であり、天面２３の高さ位置が（Ｈ_１＋Ｈ_２）×３／８以下とするのが好ましい。ｄが小さすぎるとワーク２０の底面２４とキャビティ１１ａとの隙間が小さくなり、マスＭの流動が阻害される恐れがある。

（Ｓ０５：ワークを回収する工程）
モータ１７を所定時間作動させた後、即ち所定時間研磨を行った後、モータ１７の作動を停止する。次いで、研磨治具３０を研磨槽１１から取り外した後、把持具３１によるワーク２０の把持を解除し、ワーク２０を回収する。回収したワーク２０を水洗し、必要に応じて防錆処理を行い研磨が完了する。

次に、本実施形態のバレル研磨方法で金属製部品を研磨した結果について説明する。

ワークは、図２に示すようにコ字状で内側の隅角部に凹曲面の溝（４〜５ｍｍ幅）が形成された鋼材（５０ｍｍ×３５ｍｍ×２０ｍｍのクロムモリブデン鋼）を用いた。

このワークをボックスタイプの振動バレル研磨機（新東工業株式会社製：ＶＦ−１４２３Ｗ型）にセットし、２時間研磨を行った。この時、ワークをセットする方向、ワークをセットする位置、研磨メディアの形状及び寸法、を変更してそれぞれ研磨を行った。

研磨後、２本の溝に対して図２における天面より底面に向かって１０ｍｍ、２５ｍｍ、４０ｍｍの位置にて表面粗さＲａ（ＪＩＳＢ０６０１：１９９４にて規定）をそれぞれ測定し、「研磨の進行」と「仕上げ程度のばらつき」の評価を行った。評価基準は以下のようにした。
＜研磨の進行＞
研磨前及び研磨後の表面粗さＲａの平均値をそれぞれ算出した。そして、「（研磨前の表面粗さの平均値）−（研磨後の表面粗さの平均値）」を算出し、この値を用いて以下の通り評価した。
○：算出した値が０．１７以上
△：算出した値が０．１０以上０．１７未満
×：算出した値が０．１０未満
＜仕上げ程度のばらつき＞
研磨後の表面粗さＲａの平均値を算出した。そして、「（研磨後の表面粗さ）−（研磨後の表面粗さの平均値）」の絶対値を算出し、「（算出した絶対値）／（研磨後の表面粗さの平均値）×１００」を算出し、この値を用いて以下の通り評価した。
○：算出した値が５％以内
△：算出した値が５％以上９％未満
×：算出した値が９％以上

結果を表１に示す。表１における記載は以下の通りである。
＜ワークの向き＞
ワークをセットする方向を指し、垂直・水平はマスの流動面にするワークの溝の方向を示す。
＜ワークの高さ位置＞
ワークをセットする高さ位置を指す。天面・底面は図２における位置と同じであり、研磨槽のキャビティ底部からの距離を示す。
Ａ：ワークの天面及び底面からキャビティ底部までの距離が、共に（Ｈ_１＋Ｈ_２）×１／４以上（Ｈ_１＋Ｈ_２）×３／４を充足する。
Ｂ：ワークの天面からキャビティ底部までの距離が、（Ｈ_１＋Ｈ_２）×１／４以上（Ｈ_１＋Ｈ_２）×３／４を充足するが、ワークの底面からキャビティ底部までの距離が、（Ｈ_１＋Ｈ_２）×１／４未満である。
Ｃ：ワークの底面からキャビティ底部までの距離が、（Ｈ_１＋Ｈ_２）×１／４以上（Ｈ_１＋Ｈ_２）×３／４を充足するが、ワークの天面からキャビティ底部までの距離が、（Ｈ_１＋Ｈ_２）×３／４を超える。
＜ワークの水平位置＞
ワークをセットする水平位置（図３における左右方向）を指す。マスの上面が最小値となる側の研磨槽の壁面の水平位置をゼロ点とし底部の湾曲部での最大幅をＤとして、ワークをセットする水平位置を以下の通り示す。
Ａ：１／４×Ｄ
Ｂ：１／２×Ｄ
Ｃ：３／４×Ｄ
＜メディア＞
Ａ：球形状であり、径がφ２ｍｍの焼結メディア
Ｂ：球形状であり、径がφ４ｍｍの焼結メディア
Ｃ：球形状であり、径が６ｍｍの焼結メディア
Ｄ：球形状であり、径が１２ｍｍの焼結メディア
Ｅ：三角柱形状であり、４ｍｍ×４ｍｍ×４ｍｍの焼結メディア

＜ワークの向きの影響＞
マスの流動面にするワークの溝の方向が垂直である実施例１は「研磨の進行」及び「仕上げ程度ばらつき」の評価が共に○評価であったが、ワークの向きが水平でありその他の条件は実施例１と同じである実施例２は共に△評価となった。△評価は実用で使用するには問題のない程度に低い評価であり、研磨条件を最適化することで○評価となる可能性がある評価である。しかし、水平にセットすることで流動する研磨メディアの運動エネルギーが垂直方向の場合に比べて十分に伝わらなかったので、評価が低下したと推測される。

＜ワークの高さ位置の影響＞
ワークの天面及び底面からキャビティ底部までの距離が（Ｈ_１＋Ｈ_２）×１／８〜（Ｈ_１＋Ｈ_２）×３／４を充足する実施例１は「研磨の進行」及び「仕上げ程度のばらつき」の評価が共に○評価であった。これに対し、ワークの天面からキャビティ底部までの距離が、（Ｈ_１＋Ｈ_２）×１／４〜（Ｈ_１＋Ｈ_２）×３／４を充足するが、ワークの底面からキャビティ底部までの距離が、（Ｈ_１＋Ｈ_２）×１／４未満である実施例３は、「研磨の進行」の評価が△評価であった。これは、ワークの底面と研磨槽の底部との距離が短くなったことにより研磨メディアの流動化が阻害されたためであると推測される。
また、ワークの底面からキャビティ底部までの距離が、（Ｈ_１＋Ｈ_２）×１／４〜（Ｈ_１＋Ｈ_２）×３／４を充足するが、ワークの天面からキャビティ底部までの距離が、（Ｈ_１＋Ｈ_２）×３／４を超える比較例１は、「研磨の進行」及び「仕上げ程度のばらつき」の評価が共に×評価であった。これは、ワークの天面近傍では研磨メディアに負荷される他の研磨メディアの荷重が不足することで、ワークの底面近傍での研磨力と大きな差が生じたためであると推測される。

＜ワークの水平位置の影響＞
ワークの水平位置が１／４×Ｄを満たす実施例１は「研磨の進行」及び「仕上げ程度のばらつき」の評価が共に○評価であった。これに対し、１／２×Ｄである実施例４は「研磨の進行」の評価が△評価であった。これは、流動するマスの高さが最大値Ｈ_２となる研磨槽壁面との距離とワークとの距離が短くなったことで、流動が阻害されて研磨力が低下したためと推測される。
この距離がさらに短くなった比較例３は、「研磨の進行」の評価が×評価、「仕上げ程度のばらつき」の評価が△評価となり、さらに評価が低下した。

＜研磨メディアの影響＞
溝の幅の７５〜８５％を満たす径の球形状の研磨メディアを使用した実施例１は「研磨の進行」及び「仕上げ程度のばらつき」の評価が共に○評価であった。また、溝の幅の５０〜７５％を満たす径の球形状の研磨メディアを使用した実施例５及び溝の幅の８５〜９０％を満たす径の球形状の研磨メディアを使用した実施例５は、「研磨の進行」及び「仕上げ程度のばらつき」の評価が共に△評価であった。これより、溝の幅の７５〜８５％を満たす径の球形状の研磨メディアを使用することで、より効率よく研磨できることがわかった。
一方、溝の幅より大きい径の球形状の研磨メディアを使用した比較例３は、「研磨の進行」及び「仕上げ程度のばらつき」の評価が共に×評価であった。これは、研磨メディアが溝の凹曲面に十分に接触しなかったことに起因すると推測される。また、球形状以外の形状の研磨メディアを使用した比較例４は、「研磨の進行」の評価が△評価、「仕上げ程度のばらつき」の評価が×評価となった。これは、研磨メディアの鋭角部が凹曲面に接触することで、凹曲面に打痕が発生したことによると推測される。

本発明の一側面及び一実施形態のバレル研磨方法は、リニアガイドにおけるブロックやスラスト玉軸受の軌道盤など凹部が形成された金属製部品の研磨に用いることができる。

本発明の一側面及び一実施形態のバレル研磨方法は、凹曲線である溝が形成されたワークの研磨ばかりでなく、Ｖ字の溝等他の形状の溝が形成されたワークの研磨にも用いることができる。

１０振動バレル研磨装置
１１バレル槽
１１ａキャビティ
１１ｂ底部
１２バネ
１３架台
１４ベアリング
１５カウンターウェイト
１５ａ回転軸
１６カプラ
１７回転モータ
２０ワーク
２１溝
２２脚部
２３天面
２４底面
２５ａ、２５ｂ、２５ｃ被研磨面
３０研磨治具
３０ａ把持具
Ｍマス
Ｐ研磨メディア

Claims

凹部が形成された金属製部品のバレル研磨方法であって、
前記金属製部品であるワークはコ字状であり、該ワークの内側の隅角部には一方向に伸延する凹曲面の溝である凹部が形成されており、
前記金属製部品であるワークを研磨治具に固定する工程と、
バレル研磨機のバレル槽内の所定の位置に固定されるように前記ワークをセットする工程と、
前記バレル槽に研磨媒体を投入する工程と、
前記バレル研磨機を作動させて前記ワークを研磨する工程と、
を含み、
前記ワークを研磨する工程は、前記バレル研磨機を作動させることでバレル槽を振動させると共に、該バレル槽に投入された研磨媒体を撹拌する工程を含み、
前記ワークをセットする工程では、前記溝がバレル槽の中央部における前記マスの流動方向での縦断面において垂設されるように前記ワークをセットし、
前記ワークをセットする位置は、研磨中における研磨媒体で形成されるマスの流動状態をバレル槽の中央部における前記マスの流動方向での縦断面形状で代表させ、
前記縦断面形状において、マスのバレル槽の底部からの高さの最小値をＨ_１、最大値をＨ_２としたときに、前記ワークをセットした時の天面と前記バレル槽の底部との距離が（Ｈ_１＋Ｈ_２）×１／８以上であり、且つ底面と前記バレル槽の底部との距離が（Ｈ_１＋Ｈ_２）×３／８以下であり、
前記縦断面形状においてマスの上面が最小値となる側の研磨槽の壁面の水平位置をゼロ点とし底部の湾曲部での最大幅をＤとしたときに、ワークの水平位置がＤ／４〜Ｄ／２であり、
前記ワークを研磨する工程は、前記バレル研磨機を作動させることでバレル槽を振動させると共に、該バレル槽に投入された研磨媒体を撹拌する工程を含み、
前記研磨媒体における研磨メディアは、前記溝の幅の５０〜９０％の径の球形である
ことを特徴とするバレル研磨方法。
（ここで、Ｈ_１及びＨ_２は、研磨槽の縦断面形状において、底部の湾曲部での最大幅の１／４、１／２、３／４の位置でのマスの上面の３点を結んだ仮想直線と研磨槽との交点を指す）
前記ワークの被研磨面を、前記縦断面形状における水平方向の中心よりマスの高さが最小値Ｈ_２となる側にセットすることを特徴とする請求項１に記載のバレル研磨方法。