論文
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(2) 杉 森 ・黒 部 ・広 瀬:旋 回 流 動 研磨 法 によ る高 硬 度 ス テ ン レス 鋼 微 細 穴の 仕 上 げ加 工 と 端 面の 面 取 り. 動)し. て 行 わ れ た.こ. の 操 作 に よ って,研. 磨液 は穴の裏 面側か. ら表 側 に 流 出 し穴 内壁 面 を研 磨 す る. 本 研 磨 法 の 場 合,研 磨 工 具 の 形 状 が 研 磨 特 性 に 影 響 を 及 ぼ す. この た め,次 の 手 順 で 研 磨 工 具 を 作 製 した.(1)φ1㎜ 工 具鋼 製 丸 棒 を,放電加工 成 す る.次. で φ0.49mm×. 長 さ7㎜. の高速度 の ピ ン に形. に,(2)一 定 の リー ド角 を持 っ た 凸 形 状 の ブ ロ ッ ク電. 極 を ワイ ヤ カ ッ ト放 電 加 工 機 で 作 製 す る.(3)ピ ン とブ ロ ック電. (a) Photographof waterjet cleanernozzle. 極 の 問 で 放 電 加 工 を行 い,溝. を 形 成 して 所 要 の研 磨 工 具 に仕 上. げ る. 2.2実. 験 条 件 お よ び評 価 方 法. 厚 さ15㎜. の ステ ン レ ス鋼 板 に,外 径0.5㎜. ×内 径0.2mm. の パ イ プ 電極 を用 い て 放 電 加 工 に よ っ て被 研 磨 用 の 微 細 穴 を 穿. (b) Schematicview of waterjet cleanernozzle Fig.1 Waterjet cleanernozzle. 孔 した,同. 一 条 件 で 数 十 個 の 穴 を 穿 孔 した が,そ. φ0.54㎜. で あ っ た.し. の平均 穴径は. か し,熱 処 理 後 ブ ラ ス ト処 理 を行 っ た. た め 試 料 表 側 の 穴 形 状 は い び っ に な り,平 均 穴 径 が φ0.52㎜ と小 さ く な っ た.実 験 条 件 を 表1に. 示 す.. 研 磨 後 の 穴 の 評 価 を 次 の 方 法 で 行 っ た.研 画 像 三 次 元 測 定 機(ス マ ー トス コ ー プ:OGP社. 磨 終 了後,非 製)を. の 寸法 測 定 な らび に 穴 外 観 の 顕 微 鏡 観 察 を行 っ た.次 内 壁 面 を評 価 す る た め に,穴. 接触. 用 いて穴 に,穴. の. の 中心位 置 を 通 る よ うに ワ イ ヤ カ. ッ ト放 電 加 工 機 に よ って 穴 の あ い た ステ ン レ ス鋼 板 を 切 断 した. 切 断 後,十. 分 脱 脂 洗 浄 した 後,触 針 式 表 面 粗 さ 計(ペ ル トメー. タ コ ン セ プ ト:マ ー ル 社 製)を. 用 い て 穴 の 内 壁 面 を長 手 方 向 に. 触 針 を 走 査 させ て 表 面 粗 さ を測 定 した.測 定 長 さ及 び カ ッ トオ フ値 は0.8㎜. で あ る.穴 の裏 面 側 エ ッ ジ部 の 形 状 測 定 に は,触. 針 式 表 面粗 さ 計 を 用 い て試 料 を45。 た.ま た,走. 査型 電 子 顕 微 鏡(SEM)に. 傾 け た状態 で測 定を行 っ よ っ て 穴 内壁 面 の 観 察. を 行 っ た.. 3.実 Fig.2. Schematic. diagram of polishing Polishing. 結. 果. method. 3.1研 Table 1. 験. condition. 磨委 勢の 影響. 従 来の旋回 流動研磨 法は,微 細穴(長 手方 向)を 鉛 直方 向に 立て研 磨液 を穴の 上端 面か ら供給 して研 磨す る方法 であ る.し か しなが ら,今 回 対象 と した ノズル は,そ の穴の長 手方向 は水 平方向 になってお り,穴 内壁 面の研 磨 も研 磨液 を水 平方 向に流 れ るよ うに して研 磨工具 を水平方 向に駆動 す るのが実際的 であ ると思 われ る.こ の場合,研 磨液 を鉛直 方向か ら流す方 法 と水 平方 向に流動 させ る方法 とで は,研 磨機構 が幾 分異 なるのでは ない か と考 え られ る.そ こで,研 磨 姿勢(研 磨 液の流動 方 向) が研 磨特性 に どのよ うな影 響 を及 ぼす のか以 下に検討 した. ステ ン レス鋼 板 に穿 った 穴を鉛 直(縦 型 と呼ぶ)と 水平(横 型 と呼ぶ)方 向 にセ ッ トして,実 験 を行 った.縦 型 の場合,穴 の裏面側 が上に なる よ うに配 置 し研 磨液 を穴上端面 か ら供 給 し た.横 型の場合,研 磨 液は穴 の裏面側 か ら供給 した.実 験 では, ス ラ リー に粒 径88μmの. 桃 の種 を添加 材 として加 えた研 磨液. を用 いて研磨 を行 った.図3に,研 磨 時間 と表面粗 さの関係 を 示す.図3か ら,い ずれの研 磨姿勢(縦,横 の流動)の 場合 も 表 面粗 さは加 工の 開始 と ともに急減 し,数 分 の後一 定の値 を と る ことが わか る.粗 さの低減 に要す る時 間は,縦 型 の方が横型 よ りも幾 分長 いがその漸減値 は ほぼ同程度 であ る と思われ る. 研 磨 液 は,ス 加 材(桃. ラ リー(オ. リー ブ 油 に 砥 粒 を懸 濁 させ た 液)に. 添. の 種 の粉 末)を 加 え た も の か ら成 っ て い る.実 験 中,. 適 宜研 磨 液 を補 充 した.研 を左 回 転(逆. 磨 は,左. ね じれ 溝 を有 した 研 磨 工 具. 回 転)さ せ な が ら穴 か ら 出 し入 れ(水. 平方 向に移. 図4に,10分 間研 磨 した後 の裏側 の穴の 光学顕微鏡 写真 を示 す. 図4か ら,横 型 の場 合穴下側エ ッジ部 の黒い輪郭 がやや濃 く見 え るが,縦 型 と比べ て大き な違 いは認 め られ ない.す なわち, 縦型 と横型で は研磨特性 は あま り違 わない と言 え る.そのため,. 精 密 工 学 会 誌Vol.69,No.1,2003. 075.
(3) 杉 森 ・黒 部 ・広 瀬:旋 回 流 動 研磨 法 によ る 高硬 度 ス テ ン レス 鋼 微 細 穴の 仕 上 げ加 工 と端 面の 面取 り. (a) Before polishing. (c) After polishing. (b) After polishing. for 20 minutes. for 3 minutes Fig.6 Fig.3. Influence. of polishing. time on surface roughness for the polishing. attitude. (b) Horizontal type. (a) Vertical type Fig.4. Edge profiles of the nozzle. Optical microgrph. of outside of the nozzle in back side of workuiece Fig.7. Influence. of polishing. time on the roundness. 条 件 の も とで 行 っ た.図5,図6の(a)に 面 形 状 を,(b),(c)に,3,20分 る.図5(a)か. of nozzle. 研 磨 前 の 表 面性 状 と表. 間 研 磨 した 後 の もの を 示 して い. ら,研 磨 前 の 試 料 の 場 合,ブ. た 表 側 の 穴 は ゆ が ん だ 穴(円)に. ラ ス テ ィ ン グ を施 し. な っ て お り,穴 端 部 は 内 側 へ. そ の 形 状 が くず れ 込 ん で い る こ と が わ か る。 一 方,ブ ン グ を 施 さな い 穴 の 裏 面 側 に は,表. (a) Before polishing. 存 して い る もの の 穴 の 形 状 は 良 好 で,エ ん ど見 られ な い.穴. ラステ ィ. 面に熱処 理に よる黒皮が残 ッ ジ 部 の くず れ も ほ と. の 内 壁 面 に つ い て 見 る と,放 電 加 工 面 特 有. の放 電 痕 は 見 られ ず 荒 れ た 面 に な っ て い る こ とが わ か る 。 穴 に研 磨 を施 した 図5,図6の(b),(c)を 3,20分. 見 る と,研 磨 時 間 を. と長 く して い く と 穴裏 面 側 エ ッ ジ部 は 角 が 取れ て 滑 ら. か に 丸 ま っ て い く こ とが わ か る.光 学 顕 微 鏡 像 で 黒 い 輪 郭 が 見 え る 部 分 は,角 が 丸 ま っ た 部 分 だ と 思 わ れ る.さ. (b) After polishing for 3 minutes. 穴 エ ッ ジ部 の ダ レ(形 状 の くず れ)は 立 っ て(シ. ャ ー プ な エ ッ ジ)く. らに,表 側 の. 徐 々に取れて 次第に角 が. る こ とが わ か る.ま た,穴 の ゆ. が み も取 れ て 丸 い 円 に な っ て く る.そ. こで,研. 磨 によって表側. の 穴 が ど の程 度 の 真 円 に な る の か 非 接 触 画 像 三 次 元 測 定機 を用 い て 評 価 した.真. 円 度 は,穴. の 円周 を8等 分 して8箇 所 の 点 か. ら算 出 され た も の で あ る.図7に,測. 定結 果 を示 す 。図7か. ら,. 研 磨 開 始 に 伴 っ て 急速 に真 円 度 の値 は 小 さ くな り,そ の 後 漸減. (c) After polishing for 20 minutes. 傾 向 を示 す こ とが わ か る.. Inner nozzle. Back side Fig.5. Optical. micrographs. Surface. 3.3エ. SEM micrographs. ッジ丸め に及 ぼす添加 材粒 径の影 響. 添 加 材(桃. of outside of nozzle and. の種)の. 88,175,197μmの3種. 以後 の実験で は穴の長手 方向 を水平に した横 型 で研 磨 を行 った. 32穴. 形態 の変 化. 図5に,穴. 真 を示す.図6に,穴. 裏. 面側エ ッジ部 の形状測 定の結果 を示 す.研 磨は,前 節 と同様 の. 076精. 密 工 学 会 誌Vol.69,No.1,2003. 内 壁 面 の 表 面 粗 さ とエ ッジ の 加 材 と して 粒 径. 類 の 桃 の 種 を用 い て,実 験 を 行 っ た.. 添 加 材 は,研 磨 工 具 の 溝 に 入 っ た 状 態 で穴 内 壁 面 に接 触 す る深 さに した 方 が 研 磨 能 率 が 上 が る5)こ. 長 手方 向を水平 に して研磨 した ときの穴 両端 面の. 光学顕微 鏡写真 と穴内壁 面のSEM写. 粒 径 が,穴. 丸 め に どの よ うな 影 響 を及 ぼ す か検 討 した.添. of inner nozzle. とが 明 らか と な っ て い る.. そ こ で,研 磨 工 具 を 穴 に挿 入 した 状 態 で 溝 底 面 か ら穴 内 壁 面 ま で の 距 離 と添 加 材 の 直 径 が ほ ぼ 同 一 に な る様 に,研 磨 工 具 の 溝 深 さ を添 加 材 の粒 径 に よ っ て 変 化 させ た.粒 径 が88μmの. 添加.
(4) 杉 森 ・黒 部 ・広 瀬:旋 回 流 動 研磨 法 に よ る 高硬 度 ス テ ン レス鋼 微 細 穴の 仕 上 げ 加 工 と端 面 の 面取 り. Fig.11. Fig.8. Effect of additive. (a) Additive. size on surface roughness. size:. 88 ƒÊm. Fig.12. (b). Water jet test. Additive. size:. Influence of distance between nozzle and load cell on water jet force. ら,大 き い 粒 径 の 添 加 材 を 用 い て 研 磨 した 方 が 小 さ い粒 径 の場. 197 ƒÊm. 合 よ り もエ ッ ジ 部 の 丸 め が 大 き い こ とが わ か る.そ Fig.9. Edge profiles of the nozzle and optical micrographs. こ で,こ. の. エ ッジ 部 の 形 状 変 化 を 定 量 的 に 評 価 す るた め,研 磨 に よ る裏 面. of outside of the nozzle in back side of workpiece. 側 の 穴 の 面 取 り量(穴. 端 面 の 穴 の 半径 一 穴 内 面 の 穴 の 半 径)の. 変 化 に つ い て 検 討 した.図10に,添 μmと. 加 材 の 粒 径 を88,175,197. して 研 磨 した 時 の研 磨 時 間 と面 取 り量 の 関係 を示 す.図. 10か ら,面 取 り量 は い ず れ の 粒 径 の 添 加 材 の 場 合 も研 磨 時 間 の 経 過 と と もに 次 第 に 増 加 して い く.し か しな が ら,7〜10分. 経過. す る辺 りで 飽 和 も し く は漸 増 傾 向 へ と推 移 す る.面 取 り量 の 絶 対 値 は,粒 径 の 大 き い 添 加 材 の 方 が 小 さな 粒 径 の 場 合 よ り も大 き い こ とが わ か る. 3.4洗. 浄機 用 ノズルへ の適 用. 旋 回 流 動 研 磨 法 に よ っ て 仕 上 げ た洗 浄 機 用 ノズ ル の 水 の 噴 射 性 能 に つ い て 調 べ た.ノ 0.52㎜)は. ズ ル は,図1に. 互 い に 反 対 方 向 に2個. れ ま で 検 討 して き た 方 法 で 行 っ た.す Fig.10. Influence. of polishing. time on chamfering. を 入 れ,微. length. 示 す も の で 穴(φ. あ け られ て い る.研 磨 は,こ な わ ち 中空 円 筒 に 研 磨 液. 細 穴 の外 側 か ら挿 入 され た 研 磨 工 具 に よっ て 外 に 研. 磨 液 を排 出 させ て研 磨 を行 っ た.研 磨 液 は,ス ラ リー に粒 径88. for additive size. μmの 桃 の 種 を 加 え た もの か ら成 っ て い る.研 磨 時 間 を5分 及 材 の 場 合,研 で は147μmの. 磨 工 具 の 溝 深 さを60μmと 溝 深 さ,197μmの. 深 さ と した.図8に,研. し,175μmの. 添加 材. 添加 材 の 場 合 は169μmの. 溝. 磨 時 間 と表 面 粗 さ の 関 係 を 示 す.図8. び10分. と した.水 の噴 射 性 能 は,一 定 圧 力(SOMPa.)の. ズル か ら噴 射 させ,こ. け る 荷 重 で評 価 した 。図11に,水. か ら,い ず れ の粒 径 の 添 加 材 の 場合 も研 磨 直 後 に 表 面 粗 さは 急. の様 子 を示 す.ノ. 減 し,そ の 後 ほ ぼ 一 定 の 値 を示 す こ とが わ か る.表 面 粗 さの 値. 図12に,ノ. に粒 径 依 存 性 は 認 め られ な い.. 影 響 に つ い て 検 討 した.添 加 材 と して粒 径88,197μmの2種 間研 磨 を 行 っ た.図9に,研. 類. 磨後 の穴. エ ッ ジ 部 の 形 状 を 測 定 した結 果 と 穴 の 外 観 写真 を 示 す.図9か. 円 盤(ロ. 水 をノ. ー ドセ ル)が 受. を ノ ズル か ら噴 射 させ た とき. ズ ル か ら出 た 水 は,あ. る程 度 広 が っ て い る.. ズル と ロー ドセ ル の 距離 と ロー ドセ ル の 受 け た荷 重. (噴射 力 と呼 ぶ)の 関 係 を示 す.図12か. 次 に,添 加 材 の 粒 径 に よ る 穴 裏 面側 エ ッ ジ部 の 丸 め に及 ぼ す. の 桃 の 種 を 用 い て,10分. れ を φ10mmの. ら,い ず れ も ノ ズ ル と. ロー ドセ ル が 離 れ る に従 っ て 噴 射 力 が 小 さ くな っ て い る の が わ か る.ま た,研 磨 後 の ノ ズ ル は研 磨 前 に 比 べ る と約3割 射 力 が 大 き く な っ て い る.し. 程度噴. か し,研 磨 時 間 に よ る差 は あ ま り. 大 き くな い とい え る.噴 射 性 能 の 向 上 は,研 磨 に よ っ て 穴 の 裏. 精 密 工 学 会 誌Vol,69,No.1,2003. 077.
(5) 杉 森 ・黒 部 ・広 瀬:旋 回流 動 研 磨 法 によ る 高 硬 度 ス テ ン レス 鋼 微 細 穴 の 仕上 げ加 工 と 端 面 の 面 取 り. 研 磨 作用が 重畳 して,次 第 に穴裏面側 エ ッジ部が 丸 くな ってい くもの と思 われ る.し か しなが ら,エ ッジ部 が丸 くな って くる と流れ の収縮 が少 な くなって い き穴エ ッジ部 での流 速 も研磨 開 始の とき よ りも遅 くな り安 定 した流れ に変 わ って い くと考 え ら れ る.このた め,研磨 時 間が一定時 間 に限 られ てい る場合 には, エ ッジ部 の丸 みは あ る程度 の と ころで飽 和す ると思 われ る.一 方,研 磨 液 が穴か ら流 出す る際,研 磨液 は主 に研 磨 工具のね じ れ 溝 に沿っ た方 向 に流れ,穴 エ ッジ部 はあ ま り削 られ ない もの と考 え られ る.研 磨 に よって穴 内壁面 は,削 られ るが穴の表側 のエ ッジ部 を丸 くす る作用 は少 な く,こ のた め角が シャー プに な るもの と思われ る. 最後 に,添 加 材 の大 き さの影響 につ いて考 え る.穴 エ ッジ部 の丸 め付 けは,前 述 の通 り研 磨液 が穴内壁 面 に吸 引 され る際 に 穴裏 側エ ッジ部 で急激 に絞 られ液 中の砥粒 や添加材 がエ ッジ部 に激 しく衝 突 して な され る.吸 引力 を一 定 とすれ ば,衝 突エネ ル ギー は砥 粒や 添加材 の大 き さ(粒径)に 依 存す る ことにな る. 粒径 の大 きな添 加材 を使用 して研磨 した場合,エ ッジ部 の面取 り長 さが 大 き くな るの は この理 由 に よる と思 われ る.こ れ は 図9の 結果 か ら良 くわか る.こ こで,穴 内壁 面 の表 面粗 さ(図8) の値 が粒径 にあま り依 存 しないの は,エ ッジ部 の丸 め機構 と表 面粗 さの低 減機構 が異 なる ことに よる と言 え る. Fig.13. Polishing model 5.結. 論. 面側 に丸 み付 けが な され,同 時 に穴内壁 面が 平滑 になった ため に もた らされ た もの と思 われ る.. 洗 浄機用 ノズル の仕 上げ加 工を想 定 して,高 硬度 ステ ン レス 鋼板 に穿 った微細 穴内壁 面の研 磨 と穴エ ッジ部の丸 めを旋 回流. 4.考. 動研磨 法 を適用 して行 った,そ の結果,次 の結論 を得た.. 察. 旋 回流動研 磨 は,ね じれ溝 のあ る研 磨 工具 と穴内壁 面で構成 され る,ね じ型粘性 ポンプの 作用 に よって研 磨液(ス ラ リー に. (1)穴 内壁面 の仕上 げ状態 に,穴 を鉛 直 も しくは水 平に して研 磨す る研磨 姿勢 の影響 は ほ とん どみ られ なか った.. 法で あ る.こ のため,研 磨工 具 を溝 のね じれ方 向 と同 じ方向 に. (2)穴 裏 面か ら研 磨液 を吸入 して表側 へ排 出す るこ とで,穴 裏 面側 エ ッジ部 の 丸み付 け と穴内壁 面 の平 滑化 が 可能 とな った.. 回転 させ る と研磨 液 は研 磨工 具の回 転に よっ て穴裏面側 の研磨. (3)添 加材 の桃 の種 の粒径 を大 きくす る と,面 取 り量 が増 えた.. 液 溜 りか ら研 磨 工具の溝 に沿 って穴 内壁 面に吸入 され,穴 表側 か ら排 出 され る.こ の 間,研 磨 工具 の回転 に よって研磨 工具 の. (4)ノ ズル を旋 回流 動 研磨 法 に よ って仕 上 げ る と洗 浄機 の噴 射力 が向上 した.. 添加材 を加 えた液)を 穴全域 に供給 しな が ら研磨 を行 う加 工方. ね じれ 溝 にそ って流動す る添加 材が,研 磨 工具外 周 を円周 方 向 に流動 してい る微 細砥粒 を保持 して一種 の弾性砥 石 を形成 して. 謝. 辞. 研 磨 を行 う.研 磨 姿勢 の影 響 が少な いのは,本 研 磨法が この よ うな研 磨機構 に よっ て行 われ るた め と考 え られ る. 次 に,穴 エ ッジ部 の丸 め(形 状 変化)に つ いて 考 える.図13 に,研 磨 液 が研磨液 溜 りか ら研 磨工具 のね じれ溝 に沿 って穴内 壁 面 に流入す る模式 図 を示 す.図13か. 終 わ りに,添. 加 材 を 提 供 い た だ い た 新 東 ブ レー タ ー(株)に 感謝. い た しま す.. ら,研 磨液 は研磨 工具の. 参 考 文 献. 回 転 に よって広い研 磨液溜 りの空間 か ら狭 い研 磨 工具の溝 部分 に流入す る.そ の際,研 磨 液 の流れ は研 磨 工具の ね じれ溝 に沿. の際,穴 エ ッジ部近 傍を流れ る研磨 液 中の砥粒 が激 しくエ ッジ. 4)杉. 部 に衝突 し研 磨作用 を行 うとともに,添 加 材 の桃 の種 も衝突 し. 5)杉. 水 誠 二:滴 水 穿 石,機 械 学 会 誌102,6(1999)342. 見 邦 英:水 で 物 を 切 る,機 械 学 会 誌,103,12(2000)796. ォ ー タ ジ ェ ッ ト学 会 編:ウ ォ ー タ ジ ェ ッ ト技 術 事 典,丸 善, (1993)126. 森 博,黒 部 利 次:放 電 加 工 微 細 穴 内 壁 面 の 高 速 旋 回 流 動 研 磨, 砥 粒 加 工 学 会 誌,45,2(2001)79. 森 博,黒 部 利 次:放 電 加 工 され た微 細 穴 内 壁 面 の 高 速 旋 回 流 動. 6)冨. 研 磨(第2報),砥 粒 加 工 学 会 誌,45,12(2001)591. 田 幸 雄:水 力 学,実 教 出 版,(2000)247.. う方向 だ けでな く様 々の方 向 か ら穴入 口に向か ってお り,穴 の 内部 に入 ると急激 に絞 られ その場所 で は流速 が速 くなる6) .そ. な が ら壁 面 に擦過 作 用を営む.ま た,桃 の種 に食い込 んだ砥 粒 は壁 面 に対 して研 削 作用 を及 ぼす もの と考 え られ る.こ れ らの. 078精. 密 工 学 会 誌Vol.69,No. .1,2003. 1)清 2)高 3)ウ.
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