JP7133205B2 - Diamond polishing apparatus and diamond polishing method - Google Patents
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本発明は、ダイヤモンドの共摺り研磨において、加熱手段や冷却手段を用い、被研磨材であるダイヤモンドと、ダイヤモンド研磨工具との間に温度差を生じさせて、それぞれの硬度を調整することにより、ダイヤモンド研磨工具の摩耗の抑制や、研磨の高効率化を可能とするダイヤモンド研磨装置及びダイヤモンド研磨方法に関するものである。 In the co-grinding of diamond, the present invention uses a heating means or a cooling means to generate a temperature difference between the diamond to be polished and the diamond polishing tool, thereby adjusting the hardness of each. The present invention relates to a diamond polishing apparatus and a diamond polishing method capable of suppressing wear of a diamond polishing tool and improving polishing efficiency.
従来から、ダイヤモンドの研磨において、研磨工具の劣化の抑制や、高効率化を目的にした技術が開発されてきている。例えば、特許文献１には、高温において金属との化学反応によりダイヤモンド膜の平滑化を行う研磨装置において、研磨過程におけるダイヤモンドとの接触部分の面積が、ダイヤモンドの総加工面積よりも小さくなるように、ダイヤモンドに対する金属加工工具の接触部分を構成し、研磨過程において、金属加工工具とダイヤモンドの接触部分の温度を連続的に変化させながら、接触部分を相対的に移動しつつ、摺動するように、構成し、さらに、金属加工工具とダイヤモンドの接触部分の温度を変化させるために、加熱手段と冷却手段を備えていることを特徴とするダイヤモンド膜の研磨装置が開示されている。
Conventionally, in diamond polishing, techniques have been developed for the purpose of suppressing deterioration of polishing tools and improving efficiency. For example,
そして、この技術によれば、ダイヤモンド膜の熱化学的反応を利用した研磨加工装置において、熱化学的反応による研磨加工の加工能率に大きな支配要因となる温度を連続的に変化させて、研磨加工を可能にしたことにより、効率の良いダイヤモンド膜の加工が可能になるとしている。 According to this technique, in a polishing apparatus that utilizes a thermochemical reaction of a diamond film, the temperature, which is a major controlling factor in the polishing efficiency of the polishing process using the thermochemical reaction, is continuously changed to perform the polishing process. By making it possible, it is possible to process the diamond film with high efficiency.
また、特許文献２には、ダイヤ電着ロールによって被研磨材を研磨する研磨方法において、該ダイヤ電着ロールの外周面にスプレーノズルにより水を噴霧して該ダイヤ電着ロールの表面を水の蒸発熱によって冷却する方法であって、該スプレーノズルからの噴霧水量を研磨後の該被研磨材の表面に水が残留しない水量とすることを特徴とする研磨方法が開示されている。
Further, in
この技術によれば、水をダイヤ電着ロールに噴霧して、その蒸発潜熱を利用し、ダイヤ電着ロールを冷却するため、ダイヤ電着ロールの劣化を遅らせることができ、また、この水の蒸発熱量は大きいところから、空冷などに比べて、効率良くダイヤ電着ロールを冷却することができ、その結果、ダイヤ電着ロールの寿命を著しく長くし、研磨コストを大幅に低減できるとしている。 According to this technique, water is sprayed onto the diamond electrodeposited roll, and the latent heat of evaporation of the water is used to cool the diamond electrodeposited roll. Since the amount of heat of evaporation is large, the diamond electrodeposited roll can be cooled more efficiently than air cooling, etc. As a result, the service life of the diamond electrodeposited roll can be remarkably extended, and the polishing cost can be greatly reduced.
しかしながら、特許文献１に開示されている技術では、熱化学反応の制御を目的としているため、系全体の温度を変化させているものであり、また、このような熱化学研磨方式は、非酸化雰囲気で行うなどの必要があるため、装置の製造や運用のコストが大きなものとなってしまう。さらに、特許文献２に開示されている技術では、被研磨材がコンクリート、研磨工具がダイヤ電着工具を対象としているものである。
However, the technique disclosed in
また、上記特許文献に記載されている研磨技術は、装置の高コスト等の理由から、金銭的な面から、高額な設備投資が難しい現場においては、採用されにくく、一般的には、ダイヤモンド同士を摺り合わせる研磨（共摺り研磨）の技術が利用されることが多い。しかし、ダイヤモンドの共摺り研磨技術は、ダイヤモンドの研磨工具の消耗・劣化が激しく、ランニングコストが高いといった問題が指摘されている。 In addition, the polishing technique described in the above patent document is difficult to adopt in the field where it is difficult to make a large capital investment from a financial point of view due to the high cost of the equipment, etc. Polishing (co-grinding polishing) is often used. However, it has been pointed out that the diamond co-grinding technique has a problem that the diamond polishing tool wears out and deteriorates rapidly, and the running cost is high.
そこで、本発明が解決しようとしている課題は、こういった問題に対応するためのもので、研磨工具の長寿命化のために、研磨工具の摩耗を低減し、さらに、研磨の高効率化を可能とするダイヤモンド研磨装置及びダイヤモンド研磨方法を提供することにある。 Therefore, the problem to be solved by the present invention is to cope with such problems, and in order to extend the life of the polishing tool, it is necessary to reduce the wear of the polishing tool and improve the efficiency of polishing. An object of the present invention is to provide a diamond polishing apparatus and a diamond polishing method that make it possible.
上述の課題を解決するために、本発明は、以下の技術的手段を講じている。
即ち、請求項１記載の発明は、被研磨材のダイヤモンド表面と接触させることで当該ダイヤモンド表面を共摺り研磨するダイヤモンド研磨工具と、前記ダイヤモンド研磨工具を一定荷重で、前記被研磨材のダイヤモンド表面に線接触又は面接触にて押し当てる押し当て手段とを有し、前記被研磨材のダイヤモンドを加熱する加熱手段と、前記ダイヤモンド研磨工具を冷却する冷却手段を備え、前記加熱手段、及び／又は、前記冷却手段により前記被研磨材のダイヤモンドと、前記ダイヤモンド研磨工具との間に、温度差を生じさせ、その状態で、前記ダイヤモンド研磨工具により、前記ダイヤモンド表面を共摺り研磨することを特徴としたダイヤモンド研磨装置である。
In order to solve the above problems, the present invention takes the following technical measures.
That is, the invention according to
さらに、請求項２記載の発明は、請求項１記載のダイヤモンド研磨装置であって、前記押し当て手段は、前記ダイヤモンド研磨工具を、前記被研磨材のダイヤモンド表面に押し当てる方向において、前後移動させることが可能に構成されており、前記ダイヤモンド研磨工具が、前記被研磨材のダイヤモンド表面に、断続的に押し当たるよう制御されることを特徴としている。
Further, the invention according to
そして、請求項３記載の発明は、被研磨材のダイヤモンドを加熱するとともに、ダイヤモンド研磨工具を冷却することで、前記被研磨材のダイヤモンドと、前記ダイヤモンド研磨工具との間に、温度差を生じさせ、その状態で、ダイヤモンド研磨工具を一定荷重で、被研磨材のダイヤモンド表面に線接触又は面接触にて押し当てることにより、前記ダイヤモンド研磨工具で、前記ダイヤモンド表面を共摺り研磨することを特徴としたダイヤモンド研磨方法である。 In the third aspect of the invention, the diamond as the material to be polished is heated and the diamond polishing tool is cooled, thereby generating a temperature difference between the diamond as the material to be polished and the diamond polishing tool. In that state, the diamond polishing tool is pressed against the diamond surface of the material to be polished with a constant load in line contact or surface contact, thereby co-grinding the diamond surface with the diamond polishing tool. It is a diamond polishing method.
そして、請求項４記載の発明は、請求項３記載のダイヤモンド研磨方法であって、前記ダイヤモンド研磨工具を、前記被研磨材のダイヤモンド表面に押し当てる方向において、前後移動させることにより、前記ダイヤモンド研磨工具が、前記被研磨材のダイヤモンド表面に、断続的に押し当たるよう制御することを特徴としている。
The invention according to
本発明に係るダイヤモンド研磨装置及びダイヤモンド研磨方法によれば、被研磨材と研磨工具の間に温度差を生じさせるため、被研磨材と研磨工具相互の硬度を調整することができ、その結果、研磨工具の摩耗の抑制や、研磨の高効率化を図ることができる。 According to the diamond polishing apparatus and the diamond polishing method according to the present invention, since a temperature difference is generated between the material to be polished and the polishing tool, the mutual hardness of the material to be polished and the polishing tool can be adjusted. It is possible to suppress the abrasion of the polishing tool and improve the polishing efficiency.
続いて、本発明に係るダイヤモンド研磨装置及びダイヤモンド研磨方法の第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係るダイヤモンド研磨装置の第１の実施形態を示した構成概略図である。また、１０はダイヤモンド研磨装置、１２は被研磨材のダイヤモンド、１４はダイヤモンド研磨工具、１６は押し当て手段、１８は加熱手段を示している。
Next, a first embodiment of a diamond polishing apparatus and a diamond polishing method according to the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a first embodiment of a diamond polishing apparatus according to the present invention. 10 is a diamond polishing apparatus, 12 is a diamond to be polished, 14 is a diamond polishing tool, 16 is pressing means, and 18 is heating means.
まず、本発明に係るダイヤモンド研磨装置及びダイヤモンド研磨方法によって、ダイヤモンド研磨工具１４の摩耗を抑制する理論について説明する。まず、ダイヤモンドは、温度によって硬度が変化し、高温では硬度が低下することが知られている（「工業用材料としてのダイヤモンド」島田尚一「材料」第３４巻、第３８４号、１００３－１０１１頁参照）。また、被研磨材のダイヤモンドをヒーターで加熱し、加熱した被研磨材の硬度を硬さ試験機で測定してみたところ、図１２に示すように、測定箇所ａ～ｆ何れにおいても、高温で加熱することにより、硬度が低下していることが分かる。なお、グラフ中、２５は未加熱状態の温度、そして、１００、１１０、１２０は加熱温度を示し、単位は、それぞれ、ｄｅｇＣである。
First, the theory of suppressing wear of the
つまり、ダイヤモンド同士（同材料）による共摺り研磨において、被研磨材と研磨工具が異なる温度であれば、それぞれの硬度が異なることになるわけである。従って、被研磨材の硬度を低下させ、研磨工具の硬度を維持するために、被研磨材を加熱し、且つ、研磨工具を被研磨材よりも低温の状態に維持することで、研磨工具の摩耗抑制に繋げることが可能となる。 In other words, in co-grinding between diamonds (of the same material), if the material to be polished and the polishing tool are at different temperatures, the respective hardnesses will be different. Therefore, in order to reduce the hardness of the material to be polished and maintain the hardness of the polishing tool, the material to be polished is heated and the polishing tool is maintained at a lower temperature than the material to be polished. It becomes possible to lead to wear suppression.
ここで、本実施形態におけるダイヤモンド研磨装置１０は、図１に示すように、被研磨材のダイヤモンド１２の表面と接触させることで、被研磨材のダイヤモンド１２の表面を共摺り研磨するダイヤモンド研磨工具１４と、ダイヤモンド研磨工具１４を一定荷重で、被研磨材のダイヤモンド１２の表面に線接触又は面接触にて押し当てる押し当て手段１６とを有している。
Here, as shown in FIG. 1, the
さらに、本実施形態は、被研磨材のダイヤモンド１２を加熱する加熱手段１８を備え、この加熱手段１８は、被研磨材のダイヤモンド１２を加熱させることにより、被研磨材のダイヤモンド１２と、ダイヤモンド研磨工具１４との間に、温度差を生じさせ、その状態で、ダイヤモンド研磨工具１４により、被研磨材のダイヤモンド１２の表面を共摺り研磨するというものである。なお、本実施形態では、加熱手段１８には、円筒状の被研磨材のダイヤモンド１２の内部に挿置されたヒーターを使用している。
Further, the present embodiment includes a heating means 18 for heating the
続いて、本実施形態におけるダイヤモンド研磨装置及びダイヤモンド研磨方法について詳細に説明していく。図１に示すように、ダイヤモンド研磨装置１０において、被研磨材のダイヤモンド１２は、図示しない回転装置により、矢印で示す方向に回転している。
Next, the diamond polishing apparatus and diamond polishing method according to the present embodiment will be described in detail. As shown in FIG. 1, in a
そして、ダイヤモンド研磨工具１４は、押し当て手段１６により、一定の荷重で、被研磨材のダイヤモンド１２の表面に線接触又は面接触にて押し当てられ、研磨圧力が得られる構造となっている。なお、本実施形態では、押し当て手段１６は、バネ部材を用いている。
The
続いて、本実施形態では、被研磨材のダイヤモンド１２を加熱する加熱手段１８が備えられており、この加熱手段１８が、被研磨材のダイヤモンド１２を加熱する構成となっている。加熱手段１８が、被研磨材のダイヤモンド１２を加熱すると、ダイヤモンド研磨工具１４のダイヤモンド部分との間に温度差が生じ、被研磨材のダイヤモンド１２の硬度が、ダイヤモンド研磨工具１４のダイヤモンド部分の硬度よりも低くなる。
Next, in this embodiment, a heating means 18 for heating the
そうすると、ダイヤモンド研磨工具１４により、被研磨材のダイヤモンド１２の表面を共摺り研磨した際に、ダイヤモンド研磨工具１４の摩耗を抑えることが可能となり、また、研磨の高効率化も図ることができるわけである。従って、本実施形態では、ダイヤモンド研磨工具１４による被研磨材のダイヤモンド１２の研磨を行う前に、予め、加熱手段１８により、被研磨材のダイヤモンド１２の温度をダイヤモンド研磨工具１４のダイヤモンド部分の温度よりも高くしておき、研磨作業中も、同様に温度関係を維持するように設定しておくようにする。
Then, when the surface of the
なお、本実施形態では、加熱手段１８は、円筒状の被研磨材のダイヤモンド１２の内部に挿置されているが、例えば、外部に設置しても良く、加熱効率が良ければ、その構成箇所は、本発明を限定するものではない。
In this embodiment, the heating means 18 is inserted inside the
続いて、本発明に係るダイヤモンド研磨装置及びダイヤモンド研磨方法の第２の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図２は、本発明に係るダイヤモンド研磨装置の第２の実施形態を示した構成概略図である。符号については、２０が冷却手段、２２が冷却水、２４が冷却水管、２６が水量調整バルブ、２８がポンプを示している以外は、図１と同様である。
Next, a second embodiment of the diamond polishing apparatus and diamond polishing method according to the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing a second embodiment of a diamond polishing apparatus according to the present invention. The reference numerals are the same as those in FIG. 1 except that 20 denotes cooling means, 22 denotes cooling water, 24 denotes cooling water pipes, 26 denotes a water volume control valve, and 28 denotes a pump.
本実施形態におけるダイヤモンド研磨装置１０は、図２に示すように、被研磨材のダイヤモンド１２の表面と接触させることで、被研磨材のダイヤモンド１２の表面を共摺り研磨するダイヤモンド研磨工具１４と、ダイヤモンド研磨工具１４を一定荷重で、被研磨材のダイヤモンド１２の表面に線接触又は面接触にて押し当てる押し当て手段１６とを有している。
As shown in FIG. 2, the
さらに、本実施形態は、ダイヤモンド研磨工具１４を冷却する冷却手段２０を備え、この冷却手段２０は、ダイヤモンド研磨工具１４を冷却させることにより、被研磨材のダイヤモンド１２と、ダイヤモンド研磨工具１４との間に、温度差を生じさせ、その状態で、ダイヤモンド研磨工具１４により、被研磨材のダイヤモンド１２の表面を共摺り研磨するというものである。
Furthermore, the present embodiment includes a cooling means 20 for cooling the
なお、本実施形態では、冷却手段２０は、水量調整バルブ２６と、ポンプ２８によって、ダイヤモンド研磨工具１４に接触する冷却水管２４に、冷却水２２を流通させるもので、この冷却水２２により、ダイヤモンド研磨工具１４を冷却させる。
In this embodiment, the cooling means 20 circulates cooling
続いて、本実施形態におけるダイヤモンド研磨装置及びダイヤモンド研磨方法について詳細に説明していく。図２に示すように、ダイヤモンド研磨装置１０において、被研磨材のダイヤモンド１２は、図示しない回転部材により、矢印で示す方向に回転している。
Next, the diamond polishing apparatus and diamond polishing method according to the present embodiment will be described in detail. As shown in FIG. 2, in the
そして、ダイヤモンド研磨工具１４は、押し当て手段１６により、一定の荷重で、被研磨材のダイヤモンド１２の表面に線接触又は面接触にて押し当てられ、研磨圧力が得られる構造となっている。なお、本実施形態では、押し当て手段１６は、バネ部材を用いている。また、本実施形態における被研磨材のダイヤモンド１２と、ダイヤモンド研磨工具１４の仕様は、第１の実施形態における仕様と同様である。
The
続いて、本実施形態では、ダイヤモンド研磨工具１４を冷却する冷却手段２０が備えられており、この冷却手段２０が、ダイヤモンド研磨工具１４を冷却する構成となっている。冷却手段２０が、ダイヤモンド研磨工具１４を冷却すると、被研磨材のダイヤモンド１２との間に温度差が生じ、被研磨材のダイヤモンド１２の硬度が、ダイヤモンド研磨工具１４のダイヤモンド部分の硬度よりも低くなる。
Next, in this embodiment, cooling means 20 for cooling the
そうすると、ダイヤモンド研磨工具１４により、被研磨材のダイヤモンド１２の表面を共摺り研磨した際に、ダイヤモンド研磨工具１４の摩耗を抑えることが可能となり、また、研磨の高効率化も図ることができるわけである。従って、本実施形態では、ダイヤモンド研磨工具１４による被研磨材のダイヤモンド１２の研磨を行う前に、予め、冷却手段２０により、ダイヤモンド研磨工具１４の温度を被研磨材のダイヤモンド１２の温度よりも低くしておき、研磨作業中も、同様に温度関係を維持するように設定しておくようにする。
Then, when the surface of the
続いて、本発明に係るダイヤモンド研磨装置及びダイヤモンド研磨方法の第３の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図３は、本発明に係るダイヤモンド研磨装置の第３の実施形態を示した構成概略図である。符号については、図１、図２と同様である。
Next, a third embodiment of the diamond polishing apparatus and diamond polishing method according to the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing a third embodiment of a diamond polishing apparatus according to the present invention. Reference numerals are the same as in FIGS. 1 and 2. FIG.
本実施形態におけるダイヤモンド研磨装置１０は、図３に示すように、被研磨材のダイヤモンド１２の表面と接触させることで、被研磨材のダイヤモンド１２の表面を共摺り研磨するダイヤモンド研磨工具１４と、ダイヤモンド研磨工具１４を一定荷重で、被研磨材のダイヤモンド１２の表面に線接触又は面接触にて押し当てる押し当て手段１６とを有している。
As shown in FIG. 3, the
さらに、本実施形態は、被研磨材のダイヤモンド１２を加熱する加熱手段１８と、ダイヤモンド研磨工具１４を冷却する冷却手段２０を備え、この加熱手段１８、及び／又は、冷却手段２０により、被研磨材のダイヤモンド１２と、ダイヤモンド研磨工具１４との間に温度差を生じさせ、その状態で、ダイヤモンド研磨工具１４により、被研磨材のダイヤモンド１２の表面を共摺り研磨するというものである。
Further, the present embodiment comprises a heating means 18 for heating the
なお、本実施形態では、加熱手段１８には、円筒状の被研磨材のダイヤモンド１２の内部に挿置されたヒーターを使用することで、被研磨材のダイヤモンド１２を加熱し、また、冷却手段２０は、水量調整バルブ２６と、ポンプ２８によって、ダイヤモンド研磨工具１４に接触する冷却水管２４に、冷却水２２を流通させるもので、この冷却水２２により、ダイヤモンド研磨工具１４を冷却させる。
In this embodiment, the heating means 18 uses a heater inserted inside the
続いて、本実施形態におけるダイヤモンド研磨装置及びダイヤモンド研磨方法について詳細に説明していく。図３に示すように、ダイヤモンド研磨装置１０において、被研磨材のダイヤモンド１２は、図示しない回転部材により、矢印で示す方向に回転している。
Next, the diamond polishing apparatus and diamond polishing method according to the present embodiment will be described in detail. As shown in FIG. 3, in the
そして、ダイヤモンド研磨工具１４は、押し当て手段１６により、一定の荷重で、被研磨材のダイヤモンド１２の表面に線接触又は面接触にて押し当てられ、研磨圧力が得られる構造となっている。なお、本実施形態では、押し当て手段１６は、バネ部材を用いている。また、本実施形態における被研磨材のダイヤモンド１２と、ダイヤモンド研磨工具１４の仕様は、第１の実施形態における仕様と同様である。
The
続いて、本実施形態では、被研磨材のダイヤモンド１２を加熱する加熱手段１８が備えられており、この加熱手段１８が、被研磨材のダイヤモンド１２を加熱する構成となっている。また、本実施形態では、ダイヤモンド研磨工具１４を冷却する冷却手段２０が備えられており、この冷却手段２０が、ダイヤモンド研磨工具１４を冷却する構成となっている。
Next, in this embodiment, a heating means 18 for heating the
加熱手段１８が、被研磨材のダイヤモンド１２を加熱し、一方で、冷却手段２０が、ダイヤモンド研磨工具１４を冷却すると、被研磨材のダイヤモンド１２との間に温度差が生じ、被研磨材のダイヤモンド１２の硬度が、ダイヤモンド研磨工具１４のダイヤモンド部分の硬度よりも低くなる。
When the heating means 18 heats the
そうすると、ダイヤモンド研磨工具１４により、被研磨材のダイヤモンド１２の表面を共摺り研磨した際に、ダイヤモンド研磨工具１４の摩耗を抑えることが可能となり、また、研磨の高効率化も図ることができるわけである。従って、本実施形態では、ダイヤモンド研磨工具１４による被研磨材のダイヤモンド１２の研磨を行う前に、予め、加熱手段１８により、被研磨材のダイヤモンド１２を加熱するとともに、冷却手段２０により、ダイヤモンド研磨工具１４の温度を被研磨材のダイヤモンド１２の温度よりも低くしておき、研磨作業中も、同様にこれらの温度関係を維持するように設定しておくようにする。
Then, when the surface of the
なお、本実施形態では、加熱手段１８は、円筒状の被研磨材のダイヤモンド１２の内部に挿置されているが、例えば、外部に設置しても良く、加熱効率が良ければ、その構成箇所は、本発明を限定するものではない。
In this embodiment, the heating means 18 is inserted inside the
（実験１）
続いて、本実施形態におけるダイヤモンド研磨装置及びダイヤモンド研磨方法によるダイヤモンド研磨実験を行った。また、本実験における被研磨材のダイヤモンド１２は、円筒状で、直径が１８．８ｍｍ、そして、粗さがＲｚ２．５２ｕｍ（平均値）のＣＶＤダイヤモンド膜を用い、さらに、ダイヤモンド研磨工具１４は、被研磨材のダイヤモンド１２との接触面の曲率半径が９．４ｍｍ、軸方向距離が６ｍｍ、被研磨剤のダイヤモンド１２との接触面積が３．０１×６＝１８．０６ｍｍ２となるものを用いている。
(Experiment 1)
Subsequently, a diamond polishing experiment was conducted using the diamond polishing apparatus and the diamond polishing method according to the present embodiment. The
ところで、ダイヤモンド膜の共摺り研磨では、ダイヤモンド砥粒が使用されるが、この砥粒は、研磨時に摩耗し、砥粒形状及び接触面積が変化するため、微視的な研磨原理は動的に変化している。このため、本実験では、砥粒を用いずに、被研磨材に総形のＣＶＤダイヤモンドブロックを用い、ダイヤモンド研磨工具１４として採用した。ダイヤモンド研磨工具１４は、バネ（バネ定数：２．９［Ｎｍｍ－１］）によって、被研磨材に押し当てられる機構とした。
By the way, diamond abrasive grains are used in the co-grinding of a diamond film, and these abrasive grains are worn during polishing, and the shape and contact area of the abrasive grains change. is changing. Therefore, in this experiment, a formed CVD diamond block was used as the
また、ダイヤモンド研磨工具１４は、銅部材にダイヤモンドブロックが固定され、銅部材に空洞を設け、水によって冷却される構造とした。さらに、冷却時は、室温に等しい水が注入され、流量は、最小３０から最大１５０［ｍＬ ｍｉｎ－１］まで制御可能な構成とした。本実験では、精密旋盤（理研製鋼、ＲＢＬ－５１）を使用し、被研磨材を回転させた。また、被研磨材の加熱は、円筒被研磨材内部に、定格５０Ｗのカートリッジヒータを固定し、入力電圧によって出力を制御する構成とした。実験条件は、次表（表１）に示した通りで、研磨速度、研磨加重と研磨時間は一定とした。
The
また、実験種類は、次表（表２）に示した通りである。なお、表中の実験番号１は、被研磨材が非加熱、研磨工具が非冷却で、従来の共摺り研磨によるものである。 Further, the types of experiments are as shown in the following table (Table 2). Experiment No. 1 in the table is based on conventional co-grinding with the material to be polished not heated and the polishing tool not cooled.
本実験では、各実験種類での被研磨材の粗さの変化と、研磨工具の研磨圧力方向の長さの変化（摩耗量）を計測した。表面粗さは、最大高さ粗さＲｚ［μｍ］を採用し、レーザー顕微鏡を用い、Ｒｚの変化を評価した。また、被研磨材と、研磨工具の温度計測も行った。なお、被研磨材の温度計測場所は、研磨工具との接触する直前の位置、研磨工具の温度計測場所は、研磨工具保持具内を通る冷却水管を流れる冷却水温、及び、非冷却の条件では、研磨工具の保持具の温度を計測した。 In this experiment, changes in the roughness of the material to be polished and changes in the length of the polishing tool in the polishing pressure direction (wear amount) were measured for each type of experiment. The maximum height roughness Rz [μm] was adopted as the surface roughness, and changes in Rz were evaluated using a laser microscope. In addition, the temperatures of the material to be polished and the polishing tool were also measured. The temperature of the material to be polished is measured at the position immediately before contact with the polishing tool. , the temperature of the holder of the polishing tool was measured.
まず、実験番号３と４の実験終了時の排水タンクの水温を次表（表３）に示す。また、図６に、本実験での被研磨材の粗さと研磨工具の摩耗量の関係を示す。本グラフ中、Ｒｚ約１．５以下、摩耗量約４以下の領域は、従来法（非加熱、非冷却）よりも研磨工具摩擦量が小さく、且つ、被研磨材の粗さが小さいため、効率的な研磨条件であることを意味している。 First, the following table (Table 3) shows the water temperature in the drain tank at the end of the experiment Nos. 3 and 4. FIG. 6 shows the relationship between the roughness of the material to be polished and the wear amount of the polishing tool in this experiment. In this graph, the region where Rz is about 1.5 or less and the wear amount is about 4 or less has a smaller amount of abrasive tool friction than the conventional method (non-heating, non-cooling), and the roughness of the material to be polished is small. This means that the polishing conditions are efficient.
ここで、実験番号３のように、被研磨材の加熱、研磨工具の冷却の実験条件で得た結果は、上記のＲｚ約１．５以下、摩耗量約４以下の領域であるため、従来法よりも、被研磨材の研磨量が多く、且つ、研磨工具の摩耗が少ない研磨装置及び研磨方法であることが判明した。 Here, as in Experiment No. 3, the results obtained under the experimental conditions of heating the material to be polished and cooling the polishing tool are in the region of Rz about 1.5 or less and the wear amount about 4 or less. It has been found that the polishing apparatus and the polishing method can polish the material to be polished more and cause less abrasion of the polishing tool than the method.
また、被研磨材の加熱のみの条件（実験番号２）は、従来法よりも研磨工具の摩耗量が多く、また、被研磨材の研磨量も多いことから、従来法の加速試験に該当する。即ち、加熱のみの条件も研磨時間の短縮に寄与するということが分かる。 In addition, under the condition of only heating the material to be polished (Experiment No. 2), the amount of wear of the polishing tool is greater than that of the conventional method, and the amount of polishing of the material to be polished is also large, so it corresponds to the accelerated test of the conventional method. . That is, it can be seen that the condition of only heating also contributes to shortening the polishing time.
また、冷却能力は、冷却水の温度変化から得られるが、ポンプの熱影響が無視できるとすると、冷却熱量ｑ［Ｊ］は、注入及び排水タンクの水温の差ｄｔ［Ｋ］から次式（数１）で得られる。 Also, the cooling capacity can be obtained from the temperature change of the cooling water, but assuming that the thermal effect of the pump can be ignored, the cooling heat quantity q [J] can be calculated from the difference dt [K] between the water temperatures of the injection and drainage tanks by the following equation ( It is obtained by Equation 1).
上式で、ｍは水量であり、ｃは水の比熱である。１［ｓ］当たりの熱量は、電力［Ｗ］に等しいため、実験番号３及び４の実験結果から温度差を用いると、それぞれの冷却能力［Ｗ］は、実験番号３（加熱、冷却）が、３．２［Ｗ］、そして、実験番号４が、１．５［Ｗ］と計算される。 where m is the amount of water and c is the specific heat of water. Since the amount of heat per 1 [s] is equal to the power [W], using the temperature difference from the experimental results of Experiment Nos. 3 and 4, the cooling capacity [W] of Experiment No. 3 (heating, cooling) is , 3.2 [W], and Experiment No. 4 is calculated as 1.5 [W].
被研磨材への加熱量がヒーターへの入力熱量とした場合、実験番号３において、外部からの加熱と冷却の熱収支Ｑ［Ｗ］は、加熱量ＱＨ［Ｗ］と冷却能力Ｑｃ［Ｗ］の差分であるので、以下の式（数２）で表される。従って、ＱＨが３０［Ｗ］、Ｑｃが３．２［Ｗ］のとき、実験系に対し、２６．８［Ｗ］の加熱とみなすことができる。 When the amount of heat applied to the material to be polished is the amount of heat input to the heater, in Experiment No. 3, the heat balance Q [W] between heating and cooling from the outside is the heating amount Q H [W] and the cooling capacity Q c [ W], it is represented by the following equation (equation 2). Therefore, when QH is 30 [ W ] and Qc is 3.2 [W], it can be regarded as heating of 26.8 [W] for the experimental system.
なお、ダイヤモンドの熱伝導率は、１０００～２０００[Wm-1K-1]と高いため、系全体の温度が均一化しやすい。従って、被研磨材の加熱のみの条件（実験番号２）及び研磨工具の冷却のみの条件（実験番号４）では、被研磨材と、研磨工具の硬度差が表れにくい条件であったことが推測される。 Since diamond has a high thermal conductivity of 1000 to 2000 [Wm -1 K -1 ], the temperature of the entire system can be easily uniformed. Therefore, it is speculated that under the condition of only heating the material to be polished (Experiment No. 2) and the condition of only cooling the polishing tool (Experiment No. 4), the difference in hardness between the material to be polished and the polishing tool was unlikely to appear. be done.
このため、被研磨材の加熱のみや、研磨工具の冷却のみの条件では、熱的非平衡状態時に研磨を行うことが望まれる。そこで、図４の本発明に係るダイヤモンド研磨装置の第４の実施形態を示した構成概略図に示すように、図１等に示される押し当て手段１６に代えて、往復運動手段３０によって、ダイヤモンド研磨工具１４を被研磨材のダイヤモンド１２の表面に押し当てる方向において前後移動させるようにしても良い。そうすると、被研磨材のダイヤモンド１２とダイヤモンド研磨工具１４は断続接触となり、上記の熱的非平衡状態が維持され、被研磨材のダイヤモンド１２とダイヤモンド研磨工具１４との間に、大きな硬度差が得られやすくなる。
For this reason, it is desirable to perform polishing in a state of thermal non-equilibrium under the condition of only heating the material to be polished or cooling the polishing tool. Therefore, as shown in FIG. 4, which is a schematic configuration diagram showing a fourth embodiment of the diamond polishing apparatus according to the present invention, the diamond is The polishing
（実験２）
続いて、以下に示す表４、５の実験を行った。なお、実験装置の構成は、上記実験１と同様である。また、従来の共摺り研磨は、被研磨材及び研磨工具に対し外部から加熱及び冷却が行われていないので、実験番号１に該当する。
(Experiment 2)
Subsequently, the experiments shown in Tables 4 and 5 below were conducted. The configuration of the experimental apparatus is the same as in
研磨条件は、表４に示し、表５の全ての実験種類において共通とした。なお、研磨圧力は、被研磨材と研磨工具の接触部の断面を圧力の加わる面積とし、冷却は、室温（約１９℃）と同じ温度の水を使用した。そして、被研磨材の表面粗さと研磨工具の摩耗量を計測し、ダイヤモンドの共摺り研磨の熱影響を評価した。 Polishing conditions are shown in Table 4, and were common to all experimental types in Table 5. The polishing pressure was applied to the cross-section of the contact portion between the material to be polished and the polishing tool, and cooling was performed using water at the same temperature as room temperature (approximately 19°C). Then, the surface roughness of the material to be polished and the amount of wear of the polishing tool were measured to evaluate the thermal effect of diamond co-grinding.
まず、表５中、実験番号３及び４の冷却水温の変化を図７に示す。実験番号３及び４の実験結果から平均の温度差を用いると、それぞれの冷却能力［Ｗ］は、実験番号３（冷却のみ）が、３．６［Ｗ］、そして、実験番号４が、５．４［Ｗ］と計算される。
First, FIG. 7 shows changes in cooling water temperature in Experiment Nos. 3 and 4 in Table 5. In FIG. Using the average temperature difference from the experimental results of
被研磨材への加熱量がヒーターへの入力熱量とした場合、実験番号４において、外部からの加熱と冷却の熱収支Ｑ［Ｗ］は、加熱量ＱＨ［Ｗ］と冷却能力Ｑｃ［Ｗ］の差分であるので、以下の式（数２）で表される。従って、ＱＨが２０［Ｗ］、Ｑｃが５．４［Ｗ］のとき、実験系に対し、１４．６［Ｗ］の加熱とみなすことができる。 When the amount of heat applied to the material to be polished is the amount of heat input to the heater, in Experiment No. 4, the heat balance Q [W] between heating and cooling from the outside is the amount of heating Q H [W] and the cooling capacity Q c [ W], it is represented by the following equation (equation 2). Therefore, when QH is 20 [ W ] and Qc is 5.4 [W], it can be regarded as heating of 14.6 [W] with respect to the experimental system.
表面粗さは、算術平均粗さＲａ［μｍ］及び最大高さ粗さＲｚ［μｍ］について、レーザー顕微鏡を用い、Ｒａ及びＲｚの変化を評価した。その結果を図８及び図９に示す。図中の線は、実験点の最小二乗法による近似直線である。実線は実験番号１、長点線は実験番号２、短点線は実験番号３、一点鎖線は実験番号４をそれぞれ表す。 For surface roughness, changes in Ra and Rz were evaluated using a laser microscope for arithmetic mean roughness Ra [μm] and maximum height roughness Rz [μm]. The results are shown in FIGS. 8 and 9. FIG. The line in the figure is an approximation straight line obtained by the least-squares method of the experimental points. A solid line represents Experiment No. 1, a long dotted line represents Experiment No. 2, a short dotted line represents Experiment No. 3, and a dashed line represents Experiment No. 4, respectively.
Ｒａ及びＲｚの両方において、冷却のみの実験番号３は、従来法よりも研磨時間が増加することを示し、冷却のみは本条件では効果が表れ無いことが明らかとなった。なお、加熱のみの実験番号２は、従来法よりわずかに研磨時間が短く、加熱及び冷却の実験番号４は、最も研磨時間が短い。 For both Ra and Rz, Experiment No. 3 with only cooling showed that the polishing time was longer than the conventional method, and it was clarified that only cooling had no effect under this condition. Experiment No. 2 with only heating has a slightly shorter polishing time than the conventional method, and Experiment No. 4 with heating and cooling has the shortest polishing time.
また、図８において、表面粗さが大きい領域では、加熱冷却法は、従来法に比べ、研磨時間を約３０％に短縮している。また、表面粗さ１μｍＲｚ付近では、研磨時間が約５０％に短縮していることが示された（図９）。またさらに、加熱冷却法は、前述の通り、実験系に対し１４．６［Ｗ］の加熱であるから、系への外部加熱量が大きいと研磨時間が短くなることが分かる。 In addition, in FIG. 8, the heating and cooling method shortens the polishing time by about 30% compared to the conventional method in the region where the surface roughness is large. Moreover, it was shown that the polishing time was shortened to about 50% when the surface roughness was around 1 μmRz (FIG. 9). Furthermore, since the heating and cooling method heats the experimental system at 14.6 [W] as described above, it can be seen that the polishing time is shortened when the amount of external heating to the system is large.
続いて、研磨工具の摩耗量と被研磨材の表面粗さの関係を図１０及び図１１に示す。研磨工具は押し当て方向に摩耗するため、摩耗量は押し当て方向の距離［μｍ］を顕微鏡（キーエンス製、ＶＨＸ－１０００）によって計測した。また、図中の線は、実験点の最小二乗法による近似直線である。 10 and 11 show the relationship between the wear amount of the polishing tool and the surface roughness of the material to be polished. Since the polishing tool wears in the pressing direction, the amount of wear was measured by measuring the distance [μm] in the pressing direction with a microscope (Keyence VHX-1000). The line in the figure is an approximation straight line obtained by the method of least squares of experimental points.
表面粗さ１μｍ［Ｒｚ］付近において、加熱冷却法は従来法に比べ、摩耗量が約６０％に低減され、また、加熱のみは、約２０％に低減され、最も摩耗量が小さいことが分かる。従って、本発明は、効率的な研磨装置であり、研磨方法であると言える。なお、前述の研磨時間と熱収支の関係に、研磨工具摩耗を考慮すると、系への外部熱収支は最適値Ｑｏｐ［Ｗ］が存在することが示唆される。 At a surface roughness of around 1 μm [Rz], the heating and cooling method reduces the amount of wear to about 60% compared to the conventional method, and only heating reduces the amount of wear to about 20%, indicating that the amount of wear is the smallest. . Therefore, it can be said that the present invention is an efficient polishing apparatus and polishing method. Considering the abrasion of the polishing tool in the above relationship between the polishing time and the heat balance, it is suggested that the external heat balance to the system has an optimum value Q op [W].
続いて、図５に、本発明に係るダイヤモンド研磨装置の第５の実施形態を示す。これは、円筒状の被研磨材のダイヤモンド１２の外部から、レーザーを用いて被研磨材のダイヤモンド１２を加熱する構成の一例を示したものである。つまり、前述の各実施形態における被研磨材のダイヤモンド１２全体を加熱する構成と異なり、外部の熱源は、被研磨材のダイヤモンド１２がダイヤモンド研磨工具１４と接触する直前の一部分を加熱することができるため、エネルギー効率が高くなる。
Next, FIG. 5 shows a fifth embodiment of the diamond polishing apparatus according to the present invention. This shows an example of a configuration in which a laser is used to heat the
１０ ダイヤモンド研磨装置
１２ 被研磨材のダイヤモンド
１４ ダイヤモンド研磨工具
１６ 押し当て手段
１８ 加熱手段
２０ 冷却手段
２２ 冷却水
２４ 冷却水管
２６ 水量調整バルブ
２８ ポンプ
３０ 往復運動手段
10
Claims (4)
前記ダイヤモンド研磨工具を一定荷重で、前記被研磨材のダイヤモンド表面に線接触又は面接触にて押し当てる押し当て手段と、
を有し、
前記被研磨材のダイヤモンドを加熱する加熱手段と、前記ダイヤモンド研磨工具を冷却する冷却手段を備え、
前記加熱手段、及び／又は、前記冷却手段により前記被研磨材のダイヤモンドと、前記ダイヤモンド研磨工具との間に、温度差を生じさせ、その状態で、前記ダイヤモンド研磨工具により、前記ダイヤモンド表面を共摺り研磨することを特徴としたダイヤモンド研磨装置。 A diamond polishing tool that co-grinds the diamond surface by contacting with the diamond surface of the material to be polished;
pressing means for pressing the diamond polishing tool with a constant load against the diamond surface of the material to be polished in line contact or surface contact;
has
A heating means for heating the diamond of the material to be polished, and a cooling means for cooling the diamond polishing tool,
A temperature difference is generated between the diamond to be polished and the diamond polishing tool by the heating means and/or the cooling means. A diamond polishing apparatus characterized by performing rubbing polishing.
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