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(2) 黒部 ・久保 ・板 垣:鋼 球の回転ス ピン制御研磨. の負 荷 が 行 わ れ て い た た め,荷 重 の 設 定 は 必 ず し も 容 易 で は な か っ た.そ. こ で,鋼. 球 の 研 磨 用 に新 た に 図3に. 示す 装 置 を作. 製 し直 し,下 方 か ら ばね 圧 を 利 用 して ラ ッ プ 圧 を 与 え る 構 造 と して い る.ま た,本 装 置 は θの 値 を 連 続 的 に 変 え ら れ る 構 造 と な っ て い る,図4に シ ス テ ム は,ボ. 本 研 磨 装 置 の シ ス テ ム 構 成 図 を 示 す.本. ー ル 研 磨 装 置,荷. 重 負 荷 装 置,回 転 駆 動 装 置,. ラ ッ プ 盤 回 転 制 御 装 置,等 か ら構 成 さ れ て い る.ボ ー ル の 研 磨 は,上. 側 の 内 ・外 側 の ラ ッ プ 盤 と下 側 の ラ ッ プ 盤 の す き ま に. ボ ー ル を挿 入 し,研 磨 剤 を 塗 布 して 行 わ れ る. ラ ッ プ 盤 は鋳 鉄(FC20)で. 作 製 さ れ て い る.ラ. 状 寸 法 は,上 側 の 内 ラ ッ プ 盤Cの 盤Bの. 外 径 寸 法 は102mmで. も に14mmで 溝 角90° Fig.2. Kinematics. of a ball in the developed. method. あ る.厚. あ る.ラ ッ プ盤C,Bを の 円弧 状 分 割V溝. 2.2供. ップ盤 の形. 外 径 寸 法 は68mm,外 さ はC,Bの. ラ ップ. ラ ップ 盤 と. 組 み 合 わ せ る こ と に よ り,. を 形 成 す る.. 試 材 と加 工 条 件. ラ ッ ピ ン グ 実 験 は 鋼 球 に つ い て 行 っ た.ボ ー ル は,高 炭 素 ク ロ ム 鋼(SUJ2)の. 素 球 で 直 径 は3/8inchで. 1回 の ラ ッ ピ ン グ 実 験 に8個. あ る.. の ボ ー ル を 供 し た.本. 実 験で. は,下 側 ラ ッ プ 盤 に 平 面 形 状 の ラ ッ プ 盤 を 使 用 し て い る た め, ボ ー ル は ラ ッ プ 面 上 で 安 定 な 位 置 を 取 り得 な い.そ こ で,ボ ー ル を 保 持 す る た め の 器 具(リ テ ー ナ)を 作 製 し た.リ テ ー ナ は, ア ク リル 樹 脂 製 の 円 環(外 径85mm× で あ る.円 環 に は,外 径70mmの の 穴 が8個. 内 径55mm×. 厚 み3mm). 円 周 上 に等 間 隔 に直 径10mm. うが た れ て い る.被 研 磨 ボ ー ル は そ の 穴 に挿 入 され. る.こ の た め,研 磨 中 に 各 ボ ー ル が 互 い に 衝 突 し傷 つ く恐 れ は な い. 研 磨 用 砥 粒 は,平. 均 粒 径3μmの. 用 い た 、 ラ ッ プ 剤 に は,菜 加 し た も の を用 いた.ラ. ア ル ミ ナ 砥 粒(Al203)を. 種 油 に5.88vol%の. ッ プ 剤 は,実. ラ ッ プ 面 に 塗 布 し,実 験 開 始 後15分. 濃 度 で 砥 粒 を添. 験 前 に1.0×103mm3を 毎 に0.5×103mm3補. 給し. た. Fig.3. Schematic. view of lapping. machine. 3,実. 3.1θ. 験結 果 およ び考 察. 一 定研 磨. θが 研 磨 特 性 に い か な る 影 響 を 及 ぼ す の か につ い て 検 討 し た.そ の 際 の,各. ラ ッ プ盤 の 回 転 数 ωA,ωB,ωCの. 式 に よ り算 出 し た.そ Table. 1. Relation lapping. Fig.4. Schematic diagram of lapping system. 本 研 磨 法 の 場 合,各. ラ ッ プ 盤 の 角 速 度 ωA,ωB,ωCの. 値を. 適 当 に 選 ぶ こ と に よ っ て,θ の 値 を 任 意 に 制 御 し得 る こ と を 式 (1)が 示 して い る. 前 報4)で は,ス. ピ ン 角度 制 御 型 ボ ー ル 研 磨 法 の 原 理 の 確 認. を 目 的 に 研 磨 装 置 を 製 作 し,セ ラ ミ ッ ク ス 球(窒. 化 け い 素 球). の研 磨 を 行 っ た.し か し こ の 装 置 の 場 合 ,空 気 圧 を 介 し て 荷 重. 1346精. 密 工 学 会 誌Vol,65,No. .9,1999. の 結 果 を 表1に. between. spin. plate ƒÖA, ƒÖB, ƒÖC. angle ƒÆ. 値 は,次. 示 す. and. rotating. speed. of.
(3) 黒部 ・久保 ・板 垣:鋼 球の回転 スピン制御研磨. Fig.5. Relation. between. stock. removal. and. spin. angle ƒÆ. Fig.8. Optical micrographs. and profiles of ball surface. の 値 と な っ て い る. Fig.6. Relation. between. deviated. diameter. of ball. and spin. angle ƒÆ. 図6に,θ. と直 径 不 同 量 の 関 係 を 示 す.直. よ う に し て 求 め た.研 (8個)に て20回. 磨 後,リ. つ い て,1個1個 測 定)し,都. 径 不 同 量は 次 の. テ ー ナ に 挿 入 さ れ て い る鋼 球. そ の 直 径 を 測 定(測 定 部 位 を 変 え. 合160か. 所 の直 径 の標準 偏差 を求 めて直 「. 径 不 同 量 を 算 出 し た.一 概 に は い え な い が,こ の 値 が 小 さ い ほ ど,ボ. ー ル の 真 球 度 が 良 い こ と に な る.. 図6か ら,素 球 の 直 径 不 同 量 に 比 して 研 磨 後 の 鋼 球 の 直 径 不 同 量 が 小 さ く な って お り,回 転 ス ピ ン制 御 型 ボ ー ル 研 磨 法 に よ り鋼 球 の 真 球 度 が 向 上 して い る こ と が わ か る. 図7に,θ. と 表 面 粗 さRaの. 加 工 済 み の 鋼 球8個. 関 係 を 示 す.プ ロ ッ ト し た 値 は,. か ら無 作 為 に4個. を 抽 出 し,そ れ ら の ボ ー. ル に つ い て 粗 さ を 測 定 し て 求 め た も の で あ る.そ の 際,1個. の. ボ ー ル に つ い て 方 向 を 適 宜 変 え て3回. の. 測 定 し,都. 合12個. デ ー タ の 平 均 値 を 表 面 粗 さ と して い る.実 験 に 供 した 素 球 の 表 Fig.7. Relation. between. surface. roughness. and. spin. angle ƒÆ. 面 粗 さ はRa値 で353.14nmで. あ る の で,研 磨 に よ っ て い ず れ の. θ の 場 合 も 著 し く表 面 粗 さが 低 減 して い る様 子 が わ か る.図7 か ら,表 面 粗 さ に 蘭 し て も45° の と こ ろ で 値 が 急 変 し て い る こ とが 知 れ る.領 域1で は,θ の 値 が 増 え る につ れ て 徐 々 に 表 〓θ が加 工 量 に 及 ぼ す 影 響 を 図5に. 示 す.加. 工 量 の 算 出 は次. の 方 法 で 行 っ た 、す な わ ち,一 度 に加 工 で き る鋼 球 の 個 数 は8 個 な の で,鋼. 球 の 総 質 量 を 加 工 前 後 で 計 量 し,そ. ボ ー ル の 数 で 割 っ た 値 を ボ ー ル1個 る.図5か. の質 量減 を. 当 た りの 加 工 量 と し て い. ら,θ の 値 が45° の 点 を 境 に し て,0〜45°. と45〜90°. の範囲. の 範 囲 で は,加 工 量 に 明 り ょ う な 差 が あ る こ とが. わ か る.い ま,0〜45°. ま で の 範 囲 を 領 域1,45〜90°. の範 囲. を領 域IIと 定 め る と,領 域1で は 加 工 量 が 比 較 的 多 く,ほ ぼ 一 定 の 値 を 示 す.一 方,領. 域IIで は,加 工 量 は 領 域1の 値 に比 し. て 少 な く,80°. 付 近 で 極 値 を 示 す カ ー ブ を 描 く.領 域1とIlの. 境 界(45°)の. 値 は,1,llの. 領 域 にお け る 加 工 量 の ほ ぼ 中 間. 面 粗 さ は増 加 す る 傾 向 が あ る.一 方,領. 域llで は 約90㎜. 辺 り. で一 定 の値 を示す 。 図8に,研. 磨 し た 鋼 球 の 光 学 顕 微 鏡 写 真 と触 針 式 粗 さ 計 で. 測 定 し た プ ロ フ ィ ー ル を 示 す.図8に. は,θ. が20°. と60° の. 結 果 と,さ ら に 比 較 の た め 素 球 の 測 定 結 果 も 記 載 し て い る.図 8か ら,θ が20° の 場 合 表 面 粗 さ は 最 も小 さ く,60° の 場 合 は 表 面 粗 さ は 幾 分 大 き い.以. 下 に,な. ぜ θの 値 が45°. を境 に著. し く研 磨 様 態 が 変 化 す る の か 考 察 す る. 鋼 球 の 研 磨 は,ラ ップ 剤 を 各 ラ ッ プ 盤 に 所 定 量 塗 布 して 行 っ た.こ の た め,研 磨 中 は 鋼 球 の 表 面 に ス ラ リー(溶 媒 中 に砥 粒 を 懸 濁 し た 液)が ま とわ りつ き な が ら研 磨 が な さ れ て い る と考. 精 密 工 学 会 誌Vol.65,No.9,1999. 1347.
(4) 黒部 ・久保 ・板 垣:鋼 球の回転スピ ン制 御研磨. 図11か. ら,在 来 法 お よ び θ を20° 一 定 で 研 磨 し た 場 合 に 比. べ,θ を 連 続 的 に変 化 さ せ て 研 磨 し た 場 合 に は,直 径 不 同 量 が 著 し く低 減 す る 様 子 が わ か る.し た が っ て,ラ ッ ピ ン グ 中 に θ の 値 を 連 続 的 に 変 化 さ せ る こ と は,ボ ー ル の 真 球 度 を 向 上 さ せ る 上 で 極 め て 大 き な 効 果 を 有 す る と推 察 さ れ る. 図12に,加 60°,連. Fig.9. Slurry. distribution. depending. on. spin. 工 量 と θの 関 係 を示 す.図12に. 続 変 化,と. は,θ. を20。°,. した 場 合 の 実 験 結 果 が 示 さ れ て い る .図12. angle ƒÆ. え られ る.鋼 球 は 回 転 ス ピ ン運 動 を し て い る の で,ス ラ リー に は 遠 心 力 と重 力 が 同 時 に 作 用 し(図9),そ. の 合力 方向 にス ラ. リー が 流 動 す る こ と に な る.こ の た め,ス ラ リ ー の 分 布 形 態 は θの 値 に よ っ て 変 わ る こ と に な り,研 磨 様 態 も θ依 存 性 を 示 す と 予 想 さ れ る.図9は,領. 域1と 領 域llに お け る ス ラ リ ー の 分. 布 状 態 を そ れ ぞ れ 表 して い る.図 に 示 す 一 点 鎖 線 の 円 は,ス ラ リー の分 布 の 様 子 を 模 式 化 して 示 し て い る.ま た,〓. 印は ス. ラ リー が 力 を 受 け て 流 れ よ う とす る方 向 を 表 し て い る. 実 験 に 使 用 し た ラ ッ プ 盤 のV溝 2か ら,α ニQ=45°. 角 度 は90° で あ る た め,図. と な る .し た が っ て,θ=45°. ル の 赤 道 面 が ラ ッ プ盤Bに. の所 でボ ー. 丁 度 接 す る こ と に な る.こ の た め,. Fig.10. Number. of revolutions. of each. lap. and spin. θ=45° の 角 度 を 壇 に研 磨 特 性 が 変 化 す る こ と が 予 想 さ れ る. 図9の. 一 点 鎖 線 で示 す よ う に,θ が 領 域1の. 内 外 ラ ッ プ盤B,Cの. 場 合 は,上 側 の. ラ ッ プ 面 に ス ラ リ ー が 行 き 渡 りや す く な. る と 考 え ら れ る.一 方,領. 域IIの 場 合 は,ラ. ッ プ盤B,Cに. ス. ラ リー が そ れ ほ ど 多 く行 き 渡 らな く な る.こ の た め,領 域IIで は 加 工 量 が 減 少 した も の と 推 察 さ れ る. も し,鋼 球 が ラ ッ プ 剤 で 完 全 に 満 た され た 状 態 で 研 磨 が な さ れ る と仮 定 す る と,理. 論 解 析3)に 準 じ た加 工 量 が 得 られ る と. 推 察 され る. 3.2θ. 連続 変 化の研 磨. ボ ー ル の 研 磨 は,真 球 面 か ら 隔 た っ て い る 凸 部 を選 択 的 に 取 り除 く作 業 で あ り,よ り早 く 高 精 度 に加 工 す る こ とが 求 め られ て い る.そ こで,ラ ッ ピ ン グ 中 にお け る 被 研 磨 球 の θを 強 制 的 に 変 化 させ る こ と に よ っ て,真 球 度 が 向 上 す る の か ど うか 検 討. Fig.11. Deviated. diameter. of balls. した. 実 験 は,研 磨 時 間 を60分 重 を0.147N,自. と し,被 研 磨 鋼 球1個. 転 速 度 を1600rpmに. 各 ラ ッ プ 盤 の 回 転 数 を,図10の. 当た りの荷. 設 定 して 行 っ た: よ う に360秒. と し て 時 間 に対 し て 連 続 的 に 変 化 さ せ て,θ 続 的 に 変 化 す る よ う に設 定 した,図10に. を1サ. イ クル. が0〜360°. に連. は,そ の と き の ボ ー. ル の θの 値 も併 記 して い る. ラ ッ プ 剤 の 補 給 は,実 験 開 始 後2.5サ イ ク ル(15分 ご と に 行 っ た.そ. して,総. 研 磨 時 間 が60分. 間)経 過. とな った時点 で実. 験 を 終 了 し た. 図11に,θ. を連 続 的 に変 化 させ た場 合 の 直径 不 同量 を示. す.図11に は,比 較 の た め 素 球,在 来 法(θ=6°),θ 一 定 に して 研 磨 した 場 合 の 結 果 を 併 記 し て い る .. 1348精. 密 工 学 会 誌Vol.65,No.9,1999. を20° Fig.12. Stock removal. of balls. angle ƒÆ. of balls.
(5) 黒 部 ・久保 ・板垣:鋼 球の回転 スピ ン制 御研磨. Fis.13. か ら,θ. Surface. roughness. of balls. を連 続 的 に 変 化 させ た 場 合 の 加 工 量 は,θ. が20° 一. 定 の 場 合 の 結 果 と ほ ぼ 同 じ 値 で あ る こ とが わ か る.一 般 に は, θ を 連 続 的 に 変 え た 場 合,そ の 加 工 量 は θ一 定 の 条 件 で 研 磨 し た 場 合 の 加 工 量 の 平 均 値 と な る は ず で あ る.と こ ろ が,θ を 連 続 的 に変 化 さ せ た 場 合 に は,予 測 値 よ り も大 き な 値 と な っ た. こ の 結 果 は,次 の こ と を物 語 っ て い る.θ を ラ ッ ピ ン グ 中 に 強 制 的 に変 化 さ せ る こ と に よ っ て,理 想 球 面 か ら 隔 た っ た 突 出 部 を 選 択 的 に 除 去 す る 能 力 が 増 大 す る と 考 え られ る. 図13に,θ. を連 続 的 に 変 化 さ せ た 場 合 の 表 面 粗 さ の 測 定 結. 果 を 示 す,図13に. は,素 球 の 値 と在 来 法 で 研 磨 した と き の 値,. そ れ に20° の 場 合 の 値 も 併 記 し て い る.図13か. ら,在 来 法 と. 20° の 場 合 の 表 面 粗 さ の 値 は ほ ぼ等 し い こ と が わ か る.一 方, θを 連 続 的 に 変 化 させ た 場 合 に は,若 干 で は あ る が 前 二 者 に 比 し て 表 面 粗 さ の 値 は 小 さ くな っ て い る. 図14に,研. 磨 し た 鋼 球 の光 学 顕 微 鏡 写 真 を 示 す.図14に. は,比 較 の た め 素 球 の 観 察 結 果 も併 記 し て い る,図14か 来 法 で研 磨 し た 場 合 と θを20°. Fig.14. に 設 定 して 研 磨 し た 場 合 の 表. and profiles of ball surface. 分 布 が そ れ らの 領 域 で 異 な る こ と に 起 因 して い る と考 え ら れ る.. 面 粗 さ は ほ ぼ 同 じ で あ る こ と が わ か る.し か し,θ を 連 続 的 に 変 化 さ せ た 場 合 は,表. Optical micrographs. ら,在. (3)θ. 面 粗 さ の 値 は 幾 分 小 さ く な る.. 連 続 変 化 研 磨 の 場 合 に は,ボ. に 向 上 す る.ま. た,加. ール の真 球 度が 飛躍 的. 工 量 も 比 較 的 多 く,θ. 角一 定 の実. 験 の 場 合 の 最 高 値 と 同 程 度 で あ っ た.. 4.結. 言 謝. 辞. 新 し く製 作 した 回 転 ス ピ ン 制 御 型 研 磨 装 置 を 用 い て,鋼 球 の 研 磨 を 行 っ た.自 転 軸 角 度 θ を 一 定 に して 研 磨 し た 場 合 と θ を 強 制 回 転 させ た 場 合 につ い て,研 磨 特 性 の 比 較 検 討 を 行 っ た. そ の 結 果,以 (1)新. 鋼 球研 磨装 置は金沢 大学工学 部工 作セ ンターで 製作 された も の で あ り 記 し て 謝 意 を 表 す.. 下 の 結 論 が 得 られ た. 参. 規 に 開発 した θ強 制 回 転 研 磨 装 置 は 所 定 の 性 能 を 有. 考. 文. 献. し て い る こ と を 確 認 し た. (2)θ. を 一 定 に して 研 磨 し た 場 合 に は,加 工 量 お よ び 表 面. 粗 さ の 値 が 領 域1(0°<θ<45°)と <90°)で. 領 域II(45°. θ. 明 らか に 異 な る こ とが わ か っ た.ま た,直 径. 不 同 量 もそ れ らの 領 域 で 違 い が み られ た.θ を 一 定 に し て 研 磨 す る 場 合,45°. 以 下 の 値 に θを設定 して研磨 す る. 2)井 戸. ップ剤 の. 受,岩. 守,羽 地. 波 全 書,岩. 波 書 店(1975)92.. 務:ミ ニ ア チ ュア 玉 軸 受,日 刊 工 業 新 開 社,(1961). 147, 3)黒 部 利 次,角. 田久 也,小 野 田. 誠:ス. 報)一 研 磨 機構 の 理 論 的 解 析 一,精 4)黒 部 利 次,角. こ とが 望 ま し い. 領 域1と 領 域11で 研 磨 特 性 が 異 な る の は,ラ. 1)曽 田 範 宗:軸. 田 久 也,小 野 田. 誠:ス. ピン 角 度 制 御 型 ポー ル 研 磨(第1 密 工 学 会 誌,62,12(1996)1773. ピ ン角 度 制 御 型 ボー ル 研 磨(第2. 報)一 窒 化 け い 素球 の研 磨 一,精 密 エ学 会 誌,63,5(1997)726.. 精 密 工 学 会 誌Vol,65.No.9,1999. 1349.
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