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(2) 黒部 ・森本:θ 角制 御法に よる窒化ケイ 素球の研削加工. 度 θを 自 転 軸 角 度 と呼 ぶ.θ は,幾 何 学 的 計 算 に よ り 式(1)で. し た 液)を 注 入 す る.そ. して,槽. 内 に 設 置 し て い る(1),(2),(3). 表 さ れ る.. の 各 砥 石 定 盤 が 埋 没 す る ま で 入 れ る. ダ イ ヤ モ ン ド砥 石 と して は,粒 •¬ (1). 様 を 示 す.ま ま た,ボ ー ル の 自転 速 度 ωbは,計 算 の 結 果 次 式 で 表 さ れ る.. 度#800と#1500の2種. の 砥 石 を 作 製 し実 験 に 供 した.表1に,ダ. 2.3評. た,図4に. 類. イ ヤ モ ン ド砥 石 の 仕. ダ イ ヤ モ ン ド砥 石 の 概 略 図 を 示 す.. 価 方法. ボ ー ル の 研 削 加 工 の 評 価 は,(1)加 工 量,(2)表 面 粗 さ,(3)真 球 •¬(2). 度,等. を測 定 して 行 な っ た.加. 工 量 の 測 定 は 次 ぎ の 手 川頁で 行. な っ た.加 工 後,ボ ー ル を超 音 波 洗 浄 し精 密 直 示 天 秤 で そ の 重 量(8個)を. 秤 量 す る.加 工 前 の 重 量 と 比 べ 加 工 に よ る ボ ー ル1. 個 当 りの 質 量 減 を 求 め 加 工 量 と し た.表 面 粗 さ の 測 定 は,触 針 式 表 面 粗 さ 計(東 京 精 密 製:サ ー フ コ ム1400A)を. 用 いて 行 な っ. た.そ の 際,加 工 した ボ ー ル4個 に つ い て,ボ ー ル1個 当 り測 定 の 方 向 を 適 宜 変 え て3回 測 定 し,都 合12回 値 を 求 め て 表 面 粗 さ と した.さ. のデ ー タの 平均. ら に,ボ ー ル の研 磨(仕. 上 げ). 状 態 を 詳 し く見 る た め に,光 学 顕 微 鏡 を 用 い て 表 面 の 観 察 を 行 な っ た. ボ ー ル の 真 球 度 の 測 定 は,日. 本 工 業 規 格(JISB1501)に. 記. 載 さ れ て い る 軸 受 鋼 球 に 関 す る 測 定 方 法(最 小 外 接 円 法)に 準 拠 して 行 な っ た. 2.4実 Fig.2. Kinematics. of. ball. 験条 件. grinding. 被 研 磨 試 料 と し て,窒 化 ケ イ 素 球(Si3N4)を 実 験 に 供 し た.研 本 研 磨 法 の 場 合,各 砥 石 の 角 速 度 ωA,ωB,ωCの. 値 を適 当. 削 加 工 は,粒 度 の 異 な る2種 類 の ダ イ ヤ モ ン ド砥 石 を 用 い て 行. に 選 択 す る こと に よ っ て,θ の 値 を任 意 に 制 御 し得 る こ と を 式. な っ た.加 工 液 に は 菜 種 油 を 使 用 し た.実 験 条 件 を 表2に 示 す.. (1)が 示 して い る.こ れ に 対 し 在 来 法 の 場 合,θ の 値 は ラ ッ プ 盤 の 形 状 で 決 定 され る の で 任 意 の 値 に 変 え る こ と は で き な い, 2.2回 図3に,実. 転 ス ピン制御 研磨 装置. 研 削 加 工 実 験 は,ボ ー ル が 常 時 加 工 液 に浸 か っ た 状 態 で 行 な う た め,加 工 前 に 菜 種 油 を 研 磨 槽 に100㎝3供 15minご. 験 装 置 の 概 略 図 を 示 す.装 置 は,下 部 内 外 砥 石 定. と に10cm3補. 給 した.加. 給 し,加 工 中 は. 工 時 間 は60minと. 重 は,ボ ー ル1個 に つ き2.248N一. 定 と し た.1回. し,研 磨 荷 の 実 験 に,直. 盤(1),(2)と 上 部 平 面 砥 石 定 盤(3)の 研 磨 部,そ れ ら を 駆 動 ・制 御. 径1/4inchの. す る 回 転 駆 動 シ ス テ ム,研 磨 槽,等 か ら構 成 さ れ て い る.V溝. ぶ つ か ら な い よ う に,ま た,ボー ル が 等 間 隔 を 保 っ て 転 動 す る. は,(1),(2)の 下 定 盤 を 互 い に 向 か い合 わ せ る こ と に よ っ て 形 成. よ う に,ア ク リル 樹 脂 製 の リテ ー ナ を 作 っ て そ の 穴 の 中 に ボ ー. され る.実 験 に 際 し,研 磨 槽 内 に ス ラ リー(溶 媒 に砥 粒 を 懸 濁. ル を 挿 入 し た.リ テ ー ナ の 形 状 ・寸 法 は,外 形84mmx内. ボ ー ル を4個 供 し た.研 磨 中 は,ボ ー ル が 互 い に. Table 1. (1) Outer. Fig.3. Schematic. view. of grinding. machine. Specification. grinding. Fig.4. of grinding. 径56mmx. stone. (2) Inner grinding stone. stone. (3) Faat. grinding. Schematic. view. stone of. grinding. 精 密 工 学 会 誌Vol.67,No.9,2001. stone. 1469.
(3) 黒部 ・森本:θ 角制御法 による窒化ケイ素 球の研削加工. Table. 2. Grinding. condition. Fig. 7. Effect of spin angle B on sphericity. (a) As-received. Fig.5. Relation. between. stock. removal. and. spin. angle ƒÆ. (b) # 800 Fig.6. Relation. between. surface. 厚 さ2m皿 の 円 環 で,半 径35mmの. roughness. and. spin. (c) Fig.8. angle ƒÆ. 位 置 に 直 径11皿mの 穴 が8個 等. Curves of sphericity. の 値 が 大 き く な る に した が って 表 面 粗 さ が 次 第 に 低 減 して 行 く こ とが わ か る.低 減 の 度 合(直 線 の 傾 き)は,#800砥. 間 隔 を 保 っ て 穿 孔 さ れ て い る.. 3.実 験結 果 及 び考察. 砥 石 で ほ ぼ 同 じ で あ る.し 砥 石 の 方 が#1500砥. 3.1自. 転 軸 角 度 θの 影 響. 図5に,θ. と加 工 量 の 関 係 を 示 す.実 験 は,加 工 時 間 を60min,. ボ ー ル の 自 転 速 度 を1600rpmと. # 1500. 図7に,θ. し て 行 っ た,図5か. ら,θ の 値. 石 と#1500. か し な が ら,粗 さ の 絶 対 値 は#800. 石 よ り も大 き い.. と真 球 度 の 関 係 を 示 す.比 較 の た め に,図 に は 研. 磨 前 の 素 球 の 測 定 結 果 も併 記 して い る.図7か. ら,#800砥. 石. の 場 合 は θの 値 が 増 加 す る に つ れ て 真 球 度 は 直線 的 に低 減 して. が 増 加 す る に つ れ て 加 工 量 が 緩 や か に増 す こ と が わ か る.こ れ. い く様 子 が わ か る.一 方,#1500砥. は,θ の 値 が 大 き く な る に つ れ て ボ ー ル と砥 石 と の 間 の 見 か け. す る に つ れ て 真 球 度 の 値 は 急 減 す る が,角 度 が20度. を越 え る. の 研 削 作 用 距 離 が 増 す た め と思 わ れ る.図5か. と逆 に 増 加 に 転 じ大 き な 値 とな る.図7は,#1500の. 砥石 を用. 対 値 は 粒 径 の 大 き い#800砥 が わ か る.図6に,θ. 石 の 方 が#1500砥. と 表 面 粗 さ の 関 係 を 示 す.実 験 に 用 い た. 研 磨 前 の 素 球 の 表 面 粗 さ はRaで351nmで. 1470精. ら,加 工 量 の 絶 石 よ り多 い こ と. 密 工 学 会誌Vol.67,No.9,2001. あ る.図6か. ら,θ. い θの 値 を20度. 石 の 場 合 に は θの 値 が 増 加. に し て 研 磨 し た 場 合,極. めて 優れ た真球 度が. 得 られ る こ と を 物 語 っ て い る.こ れ ら の 様 子 は,図8に 球 度 曲 線 か ら も わ か る.#1500砥. 示 す真. 石 の 場 合 に,真 球 度 の 値 が.
(4) 黒部 ・森本:θ 角制御法 による窒化ケイ 素球の研削加工 θ に 対 して 下 に 凸 の 曲 線 を 示 す の は次 ぎ の 理 由 に よ る も の と思. 石 に 比 して 大 き く な る と考 え られ る.切 削 深 さ は 加 工 量 に 比 例. わ れ る.. す る と考 え ら れ る の で,#800砥. ボ ー ル の 加 工 は,ボ ー ル が 砥 石 と接 触 す る 界 面 で 研 削 作 用 を 受 け る こ と に よ っ て 行 な わ れ る.そ の加 工様 態 は,ボ ー ル の 回転 状. 石 の 方 が#1500砥. 石 よ りも加. 工 量 が 大 き く な っ た も の と 思 わ れ る. 図10に,#800砥. 石 に 関 す る 自 転 速 度 ωbと 加 工 量 の 関 係 を. 態 に依 存 す る30).ボ ー ル の 回 転 を水 平 成 分 と 垂 直 成 分 に 分 けて 考. 示 す.図10か. え た 場 合,水 平 成 分 は 線 す べ りに相 当 し垂 直 成 分 は 旋 回 す べ りに. 的 に 増 加 す る こ と が わ か る.加. 対 応 す る.線 す べ りは ラ ッ プ 平 面 に 平 行 で あ り,旋 回 す べ りは そ. 度(回 転 ス ピ ン 制 御 法)の 方 が3.5度(在. 来 法)の. れ に垂 直 で あ る.一 般 に,線 す べ り成 分 は旋 回 す べ り成 分 に 比 し. 分 大 き い こ と が わ か る.加 工 量 が,ωbの. 値 が 大 き くな る に つ. て 研 磨 に 寄 与 す る割 合 が著 し く小 さ い と言 わ れ て い る7).図7に. れ て 直 線 的 に 増 加 す る の は,ボ ー ル の 自 転 速 度 が 大 き くな る に. 示 す よ うに,θ の 値 を 増 や す こ と は ボ ー ル の 旋 回 成 分 を増 大 さ せ. つ れ て 砥 石 に よ る ボ ー ル の見 か け の研 削 作 用 距 離 が 増 加 す る こ. る こ とに 等 し い.こ の こ と は,加 工 量 の 増 加 を伴 う こ と を意 味 す. と が 原 因 と 考 え られ る.. る.#1500砥. 石 の 場 合,θ の 値 を20度 以 上 に 増 大 させ る と真 球 度. が 悪 くな る の は,加 工 量 の増 大 に伴 っ て研 削 抵 抗 が 増 加 し,そ れ に 随 伴 す る 形 で ボ ー ル の 運 動 が 不安 定 に な っ た た め で は な い か と 考 え られ る.一 方,θ の 値 が20度 以 下 の とき は 線 す べ り成 分 が 旋 回 す べ り成 分 に比 して 優 勢 と な り,そ れ に 伴 って 研 削 抵 抗 も 小 さ くな る た め 真 球 度 が 良 く な っ た もの と推 察 され る.下 に 凸 の 曲 線 が 得 られ た の は こ の こ とが 要 因 と思 わ れ る. 3.2自. #1500の. 転 速 度 ωbと 加 工 量 の 関 係 を 示 す.図9か. ら,#800,. い ず れ の 砥 石 の 場 合 と も ωbの 値 が 増 す に つ れ て 加 工. 量 は 増 加 す る こ とが わ か る.し の 方 が#1500砥. か し,増 加 の 割 合 は#800砥. 石 よ り も大 き い.ωbの. 量 が 増 加 す る の は,ボ. 図11に,ボ 11は,粗. 値が 大 き くな るにつ れて 加 工量 が 直線 工 量 の 絶 対 値 は,θ. の 値 が60 場 合 よ り幾. ー ル の 自 転 速 度 ωbと 表 面 粗 さ の 関 係 を 示 す.図. さ の 低 減 に 及 ぼ す 粒 径(砥. て 調 べ た も の で あ る.図11か. 石 の 番 手)の. 影響 につ い. ら,表 面 粗 さ は ボ ー ル の 自転 速. 度 と は 無 関 係 に ほ ぼ 一 定 の 値 と な る こ とが わ か る.#800砥 の 場 合 はRaで. 約95nm,#1500砥. 実 験 結 果 か ら,0〜3000rpmの. 石 はRaで. 約68nmと. 石. な る.本. 速 度 域で は表 面粗 さはボ ール の. 自 転 速 度 に ほ と ん ど依 存 し な い と い え る.砥 石 に つ い て 比 較 す. 転 速度 の影 響. 図9に,自. ら,ωbの. 石. 値 が増 す につ れて 加工. ール の 自転速 度 が大 き くな る につれ て. ボ ー ル と砥 石 の 見 か け の 研 削 作 用 距 離 が 増 す こ とが 原 因 と考 え ら れ る.加 工 量 は,一 般 に研 削 距 離 に 比 例 して 増 え る の で,砥 粒 の 研 削 作 用 距 離 が 増 す と加 工 量 は 増 え る こ と に な る.加 工 量 が 砥 石 に よ っ て 異 な る の は,ダ. イ ヤ モ ン ド粒 の 切 削 深 さ が 影. 響 して い る と考 え られ る.#800砥 そ れ よ り も 大 き い た め,#800砥. 石 の 砥 粒 径 は#1500砥. 石の. 石 の 場 合 切 削 深 さ は#1500砥. る と,#1500砥. 石 の 方 が#800の. も の よ り幾 分 表 面 粗 さ の 値 が. 小 さ い.表 面 粗 さ が ボ ー ル の 自転 速 度 に ほ と ん ど依 存 しな い の は,次 ぎ の 理 由 に よ る と 考 え られ る 。負 荷 荷 重 を 一 定 と して 研 削 した 場 合 に は,砥 粒 の 加 工 物 へ の 押 し込 み 力 も 一 定 とな る と 考 え られ る.表. 面 粗 さ は,砥. 粒 の 押 し込 み と 引 っ 掻 き 作 用 に. よ っ て 創 成 さ れ る の で,荷 重 が 一 定 の 場 合 砥 粒 の 粒 度 が 定 ま る と 粗 さ も 自 ず と 決 ま る と考 え られ る.表 面 粗 さが 自転 速 度 に 依 存 しな い の は,砥 粒 の 押 し込 み 力 が 自転 速 度 と直 接 的 関 係 が な い た め と思 わ れ る. 図12に,#800砥 を 示 す.図12か. 石 に 関 す る 自転 速 度whと. 表 面 粗 さの 関係. ら,回 転 ス ピ ン制 御 法 の 方 が 在 来 法 に 比 較 し. て 幾 分 で は あ る が 表 面 粗 さ の 値 が 小 さ くな る こ とが わ か る.. Fig.. Fig.. 9. 10. Relation. Relation. between. between. stock. stock. removal. removal. and. and. spin. spin. rate ƒÖb. rate ƒÖb. Fig. 11. Effect of spin rate wh on surface. roughness. Fig.. Effect. roughness. 12. of spin. rate. wb on surface. 精 密 工 学 会 誌Vol.67,No.9,2001. 1471.
(5) 黒部 ・森本:θ 角制御法 による窒化ケ イ素 球の研削加工. 図13に,ボ に は,研. ー ル の 自 転 速 度co,と 真 球 度 の 関 係 を 示 す.図. 磨 前 の 素 球 の 測 定 結 果 も 併 記 し て い る.図13か. ら,. ボ ー ル の 自 転 速 度 が 増 す と急 激 に 真 球 度 は 良 く な り,500〜 1500rpmの. 範 囲 で は ほ ぼ 一 定 の 値 と な る こ と が わ か る.し. #800砥. 石 の 場 合 よ り も 真 球 度 の 値 は 小 さ い こ と が わ か る.自. 転 速 度 が1500rpmを. 越 え て 大 き くな る と真 球 度 が 悪 くな る の は. 次 ぎ の 理 由 に よ る も の と思 わ れ る. か. ボ ー ル の 自 転 速 度 が 速 くな る と,ボ ー ル に か か る遠 心 力 も大. し,そ の 範 囲 を 越 え て さ ら に 自 転 速 度 が 大 き く な る と 真 球 度 は. き くな る.装 置 の 剛 性 が 高 く な い 場 合 に は,ボ ー ル の 遠 心 力 が. 逆 に 悪 く(大. 大 き く な る と装 置 が 振 動 す る こ とが 予 想 さ れ る.事 実,ボ ー ル. き な 値 に)な. る.図13か. ら,#1500砥. 石の方 が. の 遠 心 力 が 大 き く な る と装 置 は 振 動(剛 性 不 足 の た め)し 相 当 の 騒 音 が 発 生 した.こ の こ と は,ボ ー ル の 遠 心 力 が 大 き く な る と ボ ー ル の 研 磨 状 態 が 不 安 定 に な る こ と を意 味 す る.ボ ー ル の 不 安 定 回 転 は 真 球 度 の 悪 化 を もた らす,高 速 度 域 で 真 球 度 が 悪 く な っ た の は こ の こ と が 原 因 して い る と言 え る.図14の 度 曲 線 は,こ. 真球. の こ と を 如 実 に 示 して い る と 思 わ れ る.. 4.結. 言. 回転 ス ピ ン制 御 法 によ り窒 化 ケイ 素球 の研 削実 験 を行 なっ た.そ の結果,次 ぎの結 論が 得 られ た. (1)3軸 Fig. 13. Effect of spin rate ws on sphericity. 回 転 対 応 型 ボ ー ル 研 削 砥 石 を 新 し く 製 作 し,所. 期. の 性 能 を 有 して い る こ と が 確 認 され た. (2)自 転 軸 角 度 θの 値 が 大 き い 方 が 加 工 能 率 が 良 く,ボ ー ル の 表 面 性 状 も優 れ て い る. (3)ボ ー ル の 自転 速 度 ωbの 値 が 増 え る に つれ て,加. 工量 は. 増 加 す る.し か し,表 面 粗 さ は ボ ー ル の 自 転 速 度 に 依 存 しな い. (4)真 球 度 は,ボ. ー ル の 自 転 速 度 ωbの 値 が 大 き くな る と 良. く な る が,1500rpm以. 上 に な る と 逆 に 悪 く な る.. 謝. (a) As-received. 辞. 新 し く開 発 した ボ ー ル 研 磨 装 置 は,金. 沢 大学 技術 支援 セ ン. タ ー で 製 作 され た も の で あ る.ま た,ダ イ ヤ モ ン ド砥 石 は ノ リ タ ケ ダ イ ヤ(㈱ よ り提 供 を 受 け た も の で あ り,こ こ に 記 し て 謝 意 を 表 す.. 参 考 文 献 1) 今 中. 治:セ. ラ ミ ッ ク 加 工 ハ ン ドブ ッ ク,日 刊 工 業 新 聞 社,. (1987)2. 2) 井 戸. 守,羽. 地. 務:ミ. ニ ア チ ュ ア 球 軸 受,日. 刊工 業新 聞. 社,(1961)147. 3) 曽 田 範 宗:軸. 受,岩. 波 書 店(1975)92.. 4) 黒 部 利 次,角 田 久 也,小 野 田 研 磨(第1報)―. 誠:ス ピ ン 角 度 制 御 型 ボ ー ル. 研 磨 機 構 の 理 論 解 析―,精. 密 工 学 会 誌,. 62.12(1996)1773. 5) 黒 部 利 次,角. 田 久 也,小. ル 研 磨(第2報)― (b). (c). # 800 Fig.14. # 1500. 密 工 学 会 誌Vol.67,No.9.2001. ピン角度 制御 型 ボー 密 工 学 会 誌,. 削 ・研 削 加 工 学 下,共. 立 出 版(1971)23.. 7) 軸 受 ・潤 滑 便 覧 編 集 委 員 会 編:軸 受 便 覧,日 刊 工 業 新 聞 社, (1961).. 1472精. 誠:ス. 63,5(1997)726. 6) 臼 井 英 治:切. Curves of sphericity. 野田. 窒 化 け い 素 球 の 研 磨―,精.
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