JPH05170B2

JPH05170B2 -

Info

Publication number: JPH05170B2
Application number: JP62218633A
Authority: JP
Inventors: Tadatomo Suga; Osamu Imanaka
Original assignee: MARUTOO KK
Current assignee: MARUTOO KK
Priority date: 1987-09-01
Filing date: 1987-09-01
Publication date: 1993-01-05
Also published as: JPS6464766A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、ガラス、セラミツクス、単結晶など
の硬脆材料の鏡面加工技術に係り、詳しくは、硬
脆材料を機能材料または構造用材料として使用す
るときに必要な鏡面加工の手段ならびに、それに
使用する砥石材に関するものである。

［従来の技術］一般に、硬質の材料を加工するに際しては、ダ
イヤモンドを代表とする被加工物よりも硬質の砥
粒を使用する。しかし、このような方法では、硬
質砥粒が被化合物の表面を機械的に破壊し、材料
を除去することによつて加工が進行するため、加
工表面に加工変質層や残留応力が生じる恐れがあ
る。一方、これを避けるためには、材料を機械的
に除去するのではなく、化学的な手段によること
が行われ、その代表的な方法には、液相、気相の
エツチングがあり、また、電解研磨法も知られて
いる。しかし、これらのエツチングや電解研磨法
では、機械的研磨に比べて良好な幾何学的形状、
面精度が得られないことが欠点になつている。

そこで、上記のような欠点の排除を手段とし
て、機械的な加工に化学的な作用をも加える「メ
カノケミカル」の加工方法が提案された。この方
法では、砥粒として被化合物よりも軟質のものを
使用し、被加工物との接触面で固相反応を起こさ
せ、その生成物が被化合物から脱落することによ
り、加工が進行する。従つて、加工効率を上げる
ためには、砥粒として被加工物との反応性の高い
ものを選び、反応を起こし易い雰囲気で加工を行
ない、また、砥粒を加工面に能率よく供給するこ
とが必要となる。

ところで、以上の加工方法は、加工技術に新生
面を開拓したものであり、原理的に優れており、
この方法を応用した加工方法としては、被加工物
として選ばれたサフアイアの正面研磨を、酸化鉄
等を砥粒として使用して行つた発明（特公昭56−
23746号、発明の名称「軟質粒子による結晶材料
の高精度鏡面研磨法」）などが知られている。こ
の例では、石英ガラス、銅、クロスなどをポリシ
ヤとして使用し、ポリシヤと被加工物を相対的に
押し付けながら回転させ、その間に砥粒を供給す
る。砥粒と被化合物との間の固相反応を利用する
ため、これは大気中で乾式で行つており、湿式よ
りも効率が良く、代表的なメカノケミカルポリシ
ング法といてよい。

［発明が解決しようとする問題点］上記の発明は、その基本原理として優位性か
ら、大いに注目され、実用化が嘱望されている。
しかし、他の材料への適用や、被加工物の対象に
ついては進展が図られていない。その大きな理由
の第一は、この方法では、相互に押圧接触されて
いるポリシヤと被化合物との間に、砥粒を効率良
く連続的に供給することが必要であるが、とくに
乾式の場合に、砥粒の効率的かつ連続的な供給が
困難であるため、加工にむらができ、また砥粒が
十分に供給されなかつた部位では、被化合物がポ
リシヤと直接接触して損傷が残るなどの欠点があ
るためである。第二には、乾式で粉体の砥粒を扱
わなければならないため、操作性が悪く、作業環
境が悪くなるという欠点があるためである。

［問題点を解決するための手段］本発明は、上述の問題点を解決し、メカノケミ
カルポリシングの原理に基づく加工方法を改良し
て効率よく実施し、広く硬脆材料に適用できるよ
うにするために開発されたものであつて、メカノ
ケミカルポリシングに適した鏡面加工方法と、こ
れに使用する新しい砥石材を提供することを目的
としている。

本発明の骨子は、メカノケミカルポリシング
を、従来のようなポリシヤ上で遊離砥粒を使用し
て行うのではなく、新たに構成した砥石材をポリ
シヤのように被加工物に押しつけ、相対的に運動
させることによつて砥粒を供給する加工方法を要
旨とするものである。そして、上記問題点を解決
するために本発明が採用した技術手段による加工
方法は、ガラス、セラミツクス、単結晶などの硬
脆材料の被加工物を、被加工物より軟質の砥粒を
成形した砥石材を使用し、この砥石材を被加工物
の加工面に押し付けるとともに砥石材と被化合物
とを相対的に運動させることによつて、機械的な
加工と化学的な作用とを併用する硬脆材料の鏡面
加工方法において、被加工物との化学的反応性に
優れた砥粒と、熱可塑性ないし熱硬化性樹脂の樹
脂とを混合した複合体によつて砥石材を成形し、
砥粒を、ある程度固定しつつも被化合物との接触
によつて砥石材から容易に離脱させると共に、連
続的に被加工物の加工面に供給して鏡面加工する
ことを特徴とするものである。

また、本発明に係る砥石材は、その主体を構成
する砥粒として、いずれも被加工物との化学的固
相反応性に優れた材料を使用するものとし、砥粒を、ある程度固定しつつも被加工物との
接触によつて容易に離脱し、加工面に連続的に
供給できるように樹脂の混合させて成形した複
合体であつて、加圧下で加熱成形して被化合物
より軟質のもの、砥粒を、ある程度固定しつつも被加工物との
接触によつて容易に離脱し、加工面に連続的に
供給できるように焼結助剤および粘結材と混合
させて成形した複合体であつて、加圧下で加熱
成形したのち高温で焼成して、被加工物より軟
質の多孔質構造としたものであつて、上記砥石材が被加工物に押し付けら
れ、擦られることにより、砥粒はそのまま加工面
から離脱するが、上記砥粒は砥石材から連続的に
供給されることを特徴とするものである。

［実施例］本発明の加工方法を、一実施例として示す加工
装置に基づいて説明する。第１図は加工装置の一
部を断面で示す全体の正面図であつて、基本の構
成のみを示し、第２図はその要部の詳細図であ
る。図中において、１は加工装置、２はその基
台、３は加工部、４は被加工部５の支持部、６は
制御部である。基台２は本体２１と上面テーブル
２２とからなる枠組体であり、本体２１の内部上
方に加工部３を装備してある。加工部３は駆動装
置３１を主体とし、駆動電動機３２の駆動軸３３
をテーブル２２上に垂直に突出させている。駆動
軸３３の上端には、砥石材３４を水平に支持する
保持台３５が固定してあり、導線３６から給電さ
れる駆動電動機３２は保持台３５を回転させる。
保持台３５は通常装置のラツプ盤台に相当するほ
か、加工部３の構成は特に限定されるものではな
い。支持部４は、基台２の上面で、複数の支持脚
４１に支持される支持台４２を、垂直のスペーサ
４３を介して２段に枠組してあり、加工部３の上
方に延びる一側方には、上下のボール軸受４４を
介してスプライン４５を回転自在に垂直に支持
し、前記した駆動軸３３の直上方から所定の距離
ｅに偏心して位置させている。このスプライン４
５は、支持台４１上に配した駆動電動機４６か
ら、ギヤ組立体４７を経て駆動される。スプライ
ン４５の下端には、被加工物５の支持具４８が固
着されており、上端には調節可能の複数の荷重ピ
ース４９が挿通してあつて、スプライン４５を前
記保持台３５に押し付け、被加工物５と砥石材３
４とを当接させている。制御部６は制御盤６１を
本体２１に取付けてあり、上記の駆動電動機３２
と駆動電動機４６の作動を制御するスイツチ６２
を配備している。

次に、本発明の鏡面加工方法を使用する砥石材
３４の製造方法について説明する。第３図は砥石
材の成形装置７を概念的に示している。成形装置
７は、基台７１と、金型７２の周囲の加熱装置７
３と、矢印で示す加圧装置７４とからなり、金型
７２は筒形の空洞を有する雌型７５と、雌型７５
内に嵌入される雄型７６とで構成されている。加
熱装置７３はニクロム線で表示されており、金型
７２の外周に、絶縁用グラスウールを介して巻き
付けられている。加熱温度と加圧圧力とは、図示
しない制御装置から制御される。なお、図中の８
は断熱材である。

砥石材３４は円形の盤体に成形されて使用され
るものであるが、成形の工程は次のように実施さ
れる。

(1) 砥粒の選定の準備工程砥石材用の砥粒としては、金属、酸化物、窒
化物、珪化物、硼化物、炭化物などの粉体の単
体あるいは混合物を使用する。具体的には、酸
化クロムCr₂O₃、酸化鉄Fe₂O₃、酸化セリウム
CeO₂等が好適である。

(2) 樹脂の選定の準備工程樹脂としては、ポリアセタール、ポリエチレ
ン、アクリロニトリル、ポルフエニルサルフア
イドなどの熱可塑性樹脂、ないしは、フエノー
ル、エポキシなどの熱硬化性樹脂の単体あるい
は混合物を使用する。具体的には、アクリロニ
トリル、フエノール等が結合材として適してい
る。

(3) 砥粒と樹脂とによる混合体の調製工程樹脂を基材として使用する場合は、砥粒と樹
脂を、樹脂の体積分率で10％から80％混合し、
金型に充填する。

(4) 樹脂を使用しない場合の砥粒の調製工程砥粒のみから砥石材を形成する場合には、焼
結除剤と粘結材を加え、混合して金型に充填す
る。

(5) 成形の本工程砥粒と樹脂との混合物を成形装置７の雌型７
５内に充填し、無圧から300MPaの圧力で加圧
しながら180から220℃で熱間成形して樹脂を結
合材とした砥石材が得られる。

砥粒のみの場合には、砥粒を雌型７５内に充
填し、無圧から300MPaの圧力で加圧しながら
180から300℃で熱間成形したのち、これを乾燥
させ、1000℃から1800℃で焼成して、多孔質の
砥石材が得られる。

次に、本発明の鏡面加工方法について述べる。
第１図に示すように、本発明の鏡面加工方法の対
象となる被化合物５は、支持具４８の下面中心に
固着し、荷重ピース４９を加減して砥石材３４の
上面に当接して押し付け、スプライン４５、ギヤ
組立体４７を経て、駆動電動機４６によつて所定
の速度で回転させる。一方、上記のように成形し
て得られた砥石材３４を保持台３５の上面凹部に
固定し、駆動電動機３３によつて回転させる。被
化合物５は、自転しながら砥石材３４の上面を公
転することになり、ここで、鏡面加工が行われ
る。この加工の作用はメカノケミカルポリシング
であり、砥粒と被加工物との間で固相の化学反応
が行われると共に、この反応部分の薄い層を、押
し付け圧力を加えた砥粒と被加工物５との間の摩
擦力によつて除去して、加工するものであるが、
特に本発明においては、砥石材３４が被加工物５
に押し付けられ、擦られることによつて、砥粒は
加工面から離脱することから、上記砥粒は砥石材
３４から連続的にしかも自動的に加工面に供給さ
れるので、砥粒の供給の操作性を容易化すること
ができるばかりでなく、加工にむらを生ぜず、面
精度の高い鏡面加工を効率よく行うことができ
る。

［実施例］ (1) 本発明の加工方法を実験例によつて説明す
る。加工に使用する砥石材３４は直径10mmから
300mm、厚さ５mmから50mmとし、駆動電動機３
３を10〜400rpmで回転させ、被加工物５に対
して、荷重ピース４９を加減して、無圧から
20MPaの圧力となるように、スプライン４５
を介して被加工物５を砥石材３４の上面に当接
した。このとき、スプライン４５と駆動軸３３
との偏心ｅにより、被加工物５は砥石材３４の
外周の高速回転部分に臨み、加圧の下で加工さ
れた。被化合物５としては、窒化珪素焼結体を
選び、酸化クロムCr₂O₃を砥粒とし、体積分率
40〜70％のアクリロニトリル、あるいは体積分
率15〜40％のフエノールを樹脂として成形した
砥石材３４によつて、加圧能率22μｍ／Km・
MPaが得られ、表面あらさ40Åを実現した。
これは、同等の鏡面加工を1μｍのダイヤモン
ド砥粒によつて行つた場合の約５倍の加圧能率
に相当する。

(2) 第４図のａは砥石材の回転数と加工速度との
関係、ｂは加工圧力と加工速度との関係を示し
ている。この結果は、一般の機械的研磨と同様
の傾向であるが、回転数を上げると砥粒が被加
工物と接する頻度が増し、その分だけ化学反応
が多く起こり、また、加工時の押圧圧力を高く
すると摩擦が大きくなり、その発熱により界面
の活性化が進むと考えることができる。別途に
行つたＸ線マイクロ分析では、試料表面の元素
分析において、Cr原子の残留分が顕著に検出
された。また、Ｘ線光電子分光による分析で
は、加工面に検出されたCr原子は、イオンエ
ツチングによつて検出不能になり、反応層が
500Å以下の極めて薄い層であることから、化
学反応が加工に関与していることを裏付けると
いうことができる。

(3) 次に、窒化珪素焼結体を被加工物とし、砥粒
としてアルミナを使用した砥石材と、アルミナ
に酸化クロムCr₂O₃を加えて使用した砥石材に
ついて加工速度と比較実験を行つた。後者の酸
化クロムの混合量は20％である。その結果で
は、後者の加工速度は３倍以上であつた。前者
のアルミナは機械的研磨を行つているものと考
えられるが、これに、粒度がほぼ等しく、硬度
の低い酸化クロムを20％ほど混合しても、機械
的な加工速度が大幅に増加することは考えられ
ない。ここで、後者の砥石材が酸化クロムの砥
粒を含むことによつて、その活性が化学的に被
化合物と相性が良く、化学反応を伴つた結果、
加工速度が大きく上昇したと考えることができ
る。

(4) さらに、ボールベアリングの鋼球に代わるセ
ラミツクスの粗球体を被加工物とし、実験例１
と同様の砥石材によつて球面加工の実験を行つ
た。加工装置は市販品を改造したものであつ
て、回転自在の加工台の上面に平板の砥石材を
据付け、その上面に小間隔をおいて筒形の試料
ホルダを保持した。その内部に試料の球体を敷
き並べ、その上面に試料ホルダに内接する砥石
材の板を敷いて押え板とし、重りを載置した。
試料は上下面から砥石材で挟まれた状態に置か
れた。試料ホルダに駆動力を与えて自転させる
とともに、加工台に対して往復運動を与え、球
体にランダムに転がり摩擦の加工を行つた。加
工時間は47、290、350時間であり、球体の直径
は平均8.5mmからの減少量で加工の能率を評価
し、真球度は鋼球のJISに従つて評価し、さら
に、表面粗さを計測したところ、いずれも満足
な結果を得た。

［発明の効果］これを要するに、本発明は、硬脆材料のメカノ
ケミカルな加工方法を改良して、従来のような、
ポリシヤと被化合物との間の砥粒を供給すること
に代えて、被加工物との化学的反応性に優れた砥
粒と、熱可塑性ないしは熱硬化性樹脂の樹脂とを
混合した複合体によつて砥石材を成形し、砥粒を
ある程度固定しつつも被加工物との接触によつて
砥石材から容易に離脱させると共に、砥粒を連続
的に被加工物の加工面に供給して鏡面加工する方
法を提供し、このような新規構成の砥石材と被加
工物との押し付け圧力と相対運動とによつて、砥
石材自体から砥粒を連続的に供給するようにした
から、機械的や化学的な個々の方法に勝る加工方
法であることは勿論のこと、従来の技術において
問題点とされた前記欠点がすべて解消され、しか
も、硬脆材料において特に難削材とされていた窒
化珪素焼結体のような被加工物でも加工むらのな
い面精度の高い加工を効率よく行うことが可能と
なり、新しい脚光を浴びる素材の活用に一新紀元
を画することができる。また、上記加工方法に使
用される砥石材は、その材料に特殊な限定がな
く、しかも、構成の選択自由度が大きいから、セ
ラミツクス等の将来の用途に対しても、対応の可
能性を有しており、加工技術の向上と実用化に寄
与するところが大きく、まことに有意義でかつ画
期的である。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明に係る硬脆材料の鏡面加工方法お
よびそれに使用する砥石材の一実施例を説明する
ものであり、第１図は本発明の加工方法を実施す
る加工装置の正面図、第２図はその要部の側面
図、第３図は第２の発明の砥石材を製造する成形
装置の実施例を示し、第４図のａは砥石材の回転
数と加工速度（単位時間当り材料除去量）との関
係、ｂは加工圧力と加工速度（単位時間当りおよ
び単位加工長さ当り材料除去量）との関係を示
す。１……加工装置、２……基台、３……加工部、
４……支持部、５……被加工物、６……制御部、
７……成形装置、３２……駆動電動機、３３……
駆動軸、３４……砥石材、３５……保持台、４５
……スプライン、４６……駆動電動機、４８……
支持具、４９……荷重ピース、６１……制御盤、
７２……金型、７３……加熱装置、ニクロム線、
７４……加圧装置、７５……金型の雌型、７６…
…雄型。

Claims

【特許請求の範囲】１ガラス、セラミツクス、単結晶などの硬脆材
料の被加工物を、被加工物より軟質の砥粒を成形
した砥石材を使用し、この砥石材を被加工物の加
工面に押し付けるとともに砥石材と被化合物とを
相対的に運動させることによつて、機械的な加工
と化学的な作用とを併用する硬脆材料の鏡面加工
方法において、被加工物との化学的反応性に優れ
た砥粒と、熱可塑性ないしは熱硬化性樹脂の樹脂
とを混合した複合体によつて砥石材を成形し、砥
粒を、ある程度固定しつつも被化合物との接触に
よつて砥石材から容易に離脱させると共に、連続
的に被加工物の加工面に供給して鏡面加工するこ
とを特徴とする硬脆材料の鏡面加工方法。２ガラス、セラミツクス、単結晶などの硬脆材
料の被加工物を鏡面加工するための砥石材におい
て、該砥石材は、砥粒を、ある程度固定しつつも
被化合物との接触によつて容易に離脱し、加工面
に連続的に供給できるように樹脂と混合させて成
形した複合体であつて、砥粒は、被加工物との化
学的固相反応性に優れた金属、酸化物、窒化物、
珪化物、硼化物、炭化物などの粉体の単体あるい
は混合物から選ばれるものを使用し、樹脂は、ポ
リアセタール、ポリエチレン、アクリロニトリ
ル、ポリフエニルサルフアイドなどの熱可塑性樹
脂、ないしは、フエノール、エポキシなどの熱硬
化性樹脂の単体あるいは混合物を使用し、前記砥
粒と樹脂とを混合して加圧下で加熱成形し、被加
工物より軟質に成形してなることを特徴とする硬
脆材料の鏡面加工方法に使用する砥石材。３砥石材は、砥粒と焼結助剤および粘結材とを
混合させて成形した複合体であつて、砥粒は、被
化合物との化学的固相反応性に優れた粉体の単体
あるいは混合物から選ばれるものを使用し、前記
砥粒と焼結助剤および粘結材とを混合して加圧下
で加熱成形したのち高温で焼成し、被加工物より
軟質の多孔質構造としたことを特徴とする特許請
求の範囲第２項に記載の硬脆材料の鏡面加工方法
に使用する砥石材。