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磁性 流体利 用の作用砥粒数制御研磨* 黒 部 利 次** 示 野 和 弘*** 今 中 治†

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Academic year: 2022

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(1)1525. JSPE-54-08 '8 8-08-1525. 研究論 文. 磁性 流体利 用の作用砥粒数制御研磨* 黒. 部. 利. Grain. 次**. 示. 野. Number Controlled. 和. Toshiji. Kurobe,. 弘***. Lapping. with. 今. 中. Magnetic. 治†. Fluid. Kazuhiro Shimeno, Osamu lmanaka. Need for the controllable finishing of materials such as semiconductors and ceramics, has remarkably increased in the fields of electronics and precision machinary. A new lapping method has been developed by utilizing functional magnetic fluid which has the ability to move in the magnetic field. The magnetic fluid is a suspension of fine magnetite Fe3O4(smaller than 150A) in liquid. This lapping method is based on the floatation of nonmagnetic grains suspended into the magnetic fluid in the magnetic field. Lapping experiments were conducted on soda lime glass. It was found from the experiments that the new lapping method is able to control the stock removal rate through. varying the. present method may be usefully employed in finishing Key words: field-assisted lapping, magnetic fluid,. 1.. 緒. current to the electromagnet.. such parts as aspherical stock removal, control. The. lenses.. が 行 え るか ど うか を実 験 的に検 討 したもの で あ る.磁. 言. 性 流体 は液相 中 に コロ イ ドサ イズ(150A以 下)の 強磁 近 年,情 報 機器 や精 密機器 が 高性能化 す るに伴 って, そ れ らを構成 す る機 械 部品の 加工 精度 も一段 と厳 し く. 性 微粉 末 を分 散 させ た コロ イ ド溶 液 であ って,磁 気 に 感 応す る可動 流体9)で あ る.重 力 によ る沈 降や 磁場 に. な って きてい る.ま た,自 由曲面 の表 面創 成 に対 す る. よ る粒 子の凝 集 ・分散 な どが起 こ らず安定 なコロイド. 要求 も高 い.こ れ らの ニーズ に対 応す べく新 しい研磨 法 が最 近種 々開発 され て きてい る.磁 場 や 電場1)を 利. 分 散状態 をと る流 体 であ る.し か し,磁 性 流体 は磁場 の 印加 に よって その見 か けの比重 が変 わ る性質 を有 し. 用 した研磨法 もその一 つで あ る.磁 場 を援 用 した研磨. て いる 。本研 究 は磁性 流体 の この性質 に着 想 を得て行. 法 と して は,磁 性 流体 を利用 した研磨技 術2)〜6)と 磁. った もので あ る.. 性砥粒 を利用 した研 磨技 術7)が あ る.い ず れ も磁 気 に 感応 す る機能 性材料 を活 用 して い る点 に特 徴が あ る.. まず,原 理 を満 たす 研磨装 置 を作製 し,ガ ラス につ いて研 磨加工 を行 った.. 研磨効 率の観 点か ら,磁 気吸 引研 磨工具 を 用 いた新形 式の磁 気研磨 法8)も 開発 され て い る.. 2.. 加. 工. 原. 理. 本研 究 は,磁 性流 体 を利用 して 作用砥 粒数 制御加 工 磁 性流 体 を用 いた作 用砥粒 数制 御加工 の 加工原理 に つ いて検 討す る.研 磨 は非磁 性砥 粒 を使用 して 高分 子. *原 稿 受付 昭 和62年10月28日.昭 和59年 度 精 機 学 会春 季大会 学術講 演会(昭 和59年3月26日)に て 発表 ** 正 会 員 金沢大 学工 学部(金 沢市 小立野2一 40‑20) *** 学 生 会 員. 金 沢 大 学 工 学 部(現,(株)ニ. 粘弾 性体 の ラ ップ 面上 で行 われ るもの とす る.ラ ップ に は適 当な大 きさの孔 が多数 格子 状 に穿 孔されている. ラ ップ は研磨 槽底 部 に貼付 され,研 磨槽 に は研磨媒 体. コ ン;. と して磁 性流 体が所 定量 入 れ られ 満 たされ て いる.電. 東京 都品川 区西大 井1‑6‑3) † 正 会 員 富山職 業訓練 短 期大学校(魚 津市 川縁 1289‑1). 磁石 は研 磨槽 直下 に置 かれ,か つ,砥 粒 は あ らか じめ 孔底 に入 れ られて い るもの とす る. 125.

(2) 精 密 工 学 会 誌 54/8/1988. 1526. と な る.η. は 流 体 の 粘 度 で あ る.. 磁 場 を 印 加 し な い 場 合 を考 え る と,V=V'と れ るの で,式(3),式(4)か η/ρ. とな る.し. 等置さ. ら,係 数c'はc=18. たが っ て,. (5) 式(5)か. ら,()内. の値 が正な らば砥粒 は浮上 し. 負 な らば沈 降 す ること にな る。す な わち,電 磁石 に流 す電流(磁 場 の強 さ)を 制御す る ことに よ って砥粒 に 浮上 力 を付 与 す るこ とが で きるこ とを式(5)は. Flg. 1 Floatation machanism. 示し. て い る. 研 磨 は,ラ ップ に貼付 して い る回転 デ ィス クを回転. 原 理 の理解 を容 易 にす るため,孔 を一 つ含 む ラップ の断 面 を図1に 示 す.鉛 直方向 をz軸 にと り,砥 粒 が. さ せ ることに よ り行 わ れ るが,デ ィス クの 回転 に伴 っ. 磁 場か ら受 け る力 をFと す ると運動 方程式 は次式 とな る.. に 向か って流 動す る.磁 場印加 に よ って浮 上す る砥 粒. て研 磨液 には 遠心力 が働 き,ラ ップ面上 を研磨槽外壁 は,こ の 研磨 液の流 動 に よって逐次 ラ ップ面上 に移送 (供 給)さ れ て い く。磁 場 を強 くす ること によって浮 上 砥粒数 も増 加 す ると考え られ るので,磁 場の援 用に. (1). よ って作 用砥 粒数 制御 加工 が可能 とな るもの と思 われ た だ し,mは. 砥 粒の質 量,rは. 合 の半径,cは. る.. 砥粒 を球 と仮 定 した場. 抵 抗係 数 で ある.砥 粒 は磁場 か ら受 け 3.. る力Fの ほか にラ ップの 回転 に伴 う遠 心力(水 平方向). 実. 験. 方. 法. も作用 す るが,こ こで は砥 粒の 浮上 に着 目 して い るの 3.. で 遠心 力の 効果 は考慮 の外 にお くもの とす る.. 油 圧装 置 よ り構 成 され てい る.非 磁性 材の 黄銅製の 回. (2) 粒 の 体 積,M:砥. 粒の. 存 在 す る位 置 で の 磁 性 流 体 の 平 均 磁 化,▽H:磁. 場勾. 配,ρ:砥. こ で,v:砥. 粒 の 密 度,ρ':磁. 力 加 速 度.式(2)を 中 で の 移 動 速 度Vを. 転 デ ィスクに は幅広 の溝 が切 って ある.そ の溝形状 は 内径105× 外径175× 深 さ10闇 であ る,溝 底 には ラップ が貼 り付 け られ,溝 は研 磨槽 とな る.溝 には研磨媒体 と して磁性 流 体が入 れ られ る.回 転 デ ィスク 円盤 は下. 性 流 体 の 密 度,g:重. 式(1)に. 代 入 し,砥. 部回 転軸 に はめ合 わ されて いる.軸 は ラジ アル軸受 及. 粒の流 体. び ス ラス ト軸 受 を介 してベ ローズ と接 して いる.加 工. 求 め る と,. 圧 は,油 圧 に よ り軸 を上下方 向 に滑 らか に変位 させ る こ とによ り付 与 され る. (3). た だ し,c'=3c/π こ こ で,流 降)す. 電磁石 は加 工物 の真 下 に設 置 され,磁 極 は黄銅 円盤 間 近 に置かれ る.電 磁 石 は黄 銅管 に φ0.8㎜ のエナ メ ル 線 を2300回 巻 いて作 製 した.通 電 に伴 う電磁 石の発. ρで ある 。. 体 中 の 砥 粒 が 重 力 の み に よ っ て 運 動(沈. る場 合 を 考 え る,ス. 実 験 装置. 新 しく製作 した磁気 ラッ ピング装置 の概 略図 を図2 に示 す.装 置 は回転デ ィスク,加 工保 持具,電 磁石,. 磁性 流体 を介 して非 磁 性砥粒 に加 わ る力Fは,. で 表 さ れ る9).こ. 1. 熱 を防 止す る ため,磁 石内壁 に水 道水 を通水 す る構造. トー ク スの 式 か ら沈 降 速 度. とな って いる.磁 場の 強 さは電磁 石 に流す電 流を制御. V'は,. す るこ とによ り変 化 させ る 。磁場 の強 さは ホール素子 (歓 業電気 製,GK‑300)を. 用 いて測定 した.図3に. 場 の強 さと電流 の関 係 を示 す.図3で,白. (4) 126. 磁. 丸印 は加工.

(3) 1527. 烹 部 ・小 野 ・今 中 : 磁 性 流 体 利用 の作 用 砥 粒 数 制 御 研 磨. Fig. 4 Schematics. Table. 1. of. Visco-eastic of. Fig. 2 Lapping. drilled. hole. arrangement. properties. lap. setup. 3.. 2. 実 験条 件. 研 磨 槽 溝 底 に貼 付 す る ラ ップ と して 発 泡 ポ リウ レ タ ン シ ー ト(九 重 電 気 製,厚. さ3mm)を. 用 い た.ラ. に は あ らか じめ 砥 粒 を た め て お く た め に 図4に う な 孔 を多 数 穿 孔 し た.孔. の 直 径 は5㎜,孔. ップ. 示す よ. の間隔 は. 10㎜ で 格 子 状 に あ け て い る.先 に 開 発 し た 表 層 粘 弾 性 測 定 装 置12)を を 表1に. 用 いて測定 したラ ップの粘 弾性 測定 値. 示 す.測. 定 値1は. プ の 粘 弾 性 値 を,Hは を 表 す.u,v,α. 未 使 用(virgin材)の. 使 用 済 み(used材)の は 瞬 間 弾 性,遅. と つ く変 位 を そ れ ぞ れ 表 す.τ 定 値 か ら み て 、1とHで. ラッ もの の値. 延 弾 性,粘. 性 にも. は 遅 延 時 間 で あ る.測. は か な り 差 の あ る こ とが わ か. る. 磁 性 流 体 は 水 ベ ー ス の も の を 用 い た.マ Fig. 3 Relation. between. and exciting. magnetic. field. 濃 度40wt%の. strength. 磁 性 流 体(タ. る 。 研 磨 媒 体 と し て は,そ. current. グネ タイ ト. イ ホ ー 工 業,W‑40)で. あ. の磁 性流 体 に同量 の蒸留 水. を 加 え て 希 釈 し た も の を 使 用 し た.砥 粒 と して,非. 磁. 物表面(ラ ップ上側 の面)で の磁場 の強 さ を示 し,黒. 性 体 の アル ミ ナ 砥 粒WA#400(平. 用. 丸印 はラ ップ 下側 の面(溝 底 〉で の値 を表 す.図 か ら,. い た.研 磨 剤 濃 度 は 体 積 比 で11%で. 磁場の強 さは電流 が増 え るに つれ て増大 す る ことがわ か る.. を 使 用 した.前. 均 粒 径40μm)を あ る.. 加 工 物 と し て 厚 さ3mmの ソ ー ダ 石 灰 ガ ラ ス(φ25mm) 加 工 は ア ル ミナ 砥 粒(#400)を. ハ ン ドラ ッ プ で 行 っ た.研. 加工物 は上 部回転軸 に直接貼 り付 け られ る.上 下 回. 4.1m/min(10rpm),加. 転軸 は無段変 速モ ー タによ りプー リを介 して回転 させ られ る.. hを 標 準 と し た. 127. 用 いて. 磨 条 件 は,平 均 加 工 速 度. 工 圧2.4×104Pa,加. 工 時 間1.

(4) 1528. Fig.5. 精 密 工 学 会 誌54 /8 /1988. Scratching. mode of. lapping. surface. 4. 実 験結 果及 び考 察. Fig.6. Relation. between. and exciting. acting. grain. number. removal. rate. current. まず初 めに 作用砥 粒数 につ いて 実験 的検 討 を行 った. 測 定 は次 の よ うに して行 った.鏡 面 に仕 上 げ られた試 料 を上部 回転軸 に貼 り付 け,ラ ップ上 に静 か に載置し, 死 荷 重 を付 与 す る.電 磁石 に電 流 を流 して磁 場 を発生 さ せ,磁 性 流体 中 で上下 の回 転軸 をそ れぞ れ回転 させ る.そ の後 試料 を軸 か ら取 り外 し加 工面 を光 学顕微 鏡 で観 察す る.観 察結果 の 一例 を図5に 示 す.図5は. 試. 料 を1回 転 さ せた ときの加 工面 の様 子 を示 して い る. 作 用砥 粒数 は写 真 に見 られ る引 っか き痕 の数 を数 え る こ とに よって測定 した.写 真 か ら,加 工 は ほ とん ど砥 粒 の微 小引 っか きによ る切 削作 用 に よって営 まれ て い る ことがわ か る.写 真 上 か ら引 っか き痕 を読 み取 るの で,読 取誤差 はかな り入 る と考 え られ る.し か し。磁 場 の強 さ に よる引 っか き痕 の数 の相 対的 変化 は把握 し. Fig.7. 得 るもの と思 われ る.. Relation. between. and exciting. 作用 砥粒数 の 値 は,加 工 面上 の 単位面 積 当た りの引 っか き痕の数 で表示 した.以 下 の 実験 で,引 っか き痕. stock. current. 2)を 示 す.図 か ら,電 流が増 す に連れ て表面粗 さが次. の 測定 の偏 りを防 ぐため観 察 は4か 所 で行 った.す な わ ち,円 周方 向 に互 い に90° 隔た って い る外 周近傍 の. 第 に小 さ くな るこ とが わ かる.こ の ように,電 圧 を印 加 す る ことに よって加 工量 が増大 し表面 粗 さが低減 す. 場 所(1.3×0.85mm)で. るの は次の理 由に よる もの と思わ れ る.2章. 測定 し,そ の平均 値 を作用砥 粒. 数 と した.測 定 結果 を図6に 示 す.図6は1hラ. ッピ. で述べ た. よ うに,磁 場 が強 くな るに従 って砥粒 は低磁 場側 に排. ング した後 の作 用砥粒 数 の値 を示 して い る.図 か ら,. 除 されやす くな り,浮 上 す る砥粒 数 も増 す.す なわ ち. 電 磁石 に流 す電 流 を増 す につ れて 次第 に作 用砥粒 数が. 加 工面 に移送 され る砥 粒数 が増大 す るこ とに よるため. 多 くな ってい くこ とがわ か る.こ の測定 結果 は,電 流. と推察 され る.図9に. (磁場)に よ って作用 砥粒 数 を制 御 し得 るこ とを示 し. 加工量 と加 工時 間の 関係を示 す. 図 には比較 の ため蒸留 水 を研 磨媒 体 と して 用い た実験. て いる.. 結 果 も併記 して い る.図9か. ら,当 然 な ことでは ある. 図7に 単位 加 工距離 当た りの加 工量 と電 流の 関係 を. が加工 時間 が長 くな るに つれて加 工量 は次 第に多 くな. 示 す.図7か ら,電 流 が増 す につ れて加 工量 が多 くな る ことがわ か る.加 工圧 が大 き い程 加工 量 も多 い.図. る.し か し,増 加 の度 合 は電 磁石 に流 す電流 が大 きい. 8に,図7に. 程 多 い.. 示 した試 料 の表面 粗 さ(十 点平 均粗 さR. 図10に 加工 時 間 と作 用砥粒 数 の関係 を示 す.図10か 128.

(5) 1529. 黒 部 ・不 野 ・今中 : 磁 性 流 体 利 用 の作 用 砥 粒 数 制 御 研 磨. Fig.8. Relation. between. and exciting. Fig.9. Relation. sarface. roughness. Fig.10. current. between. and machining. Relation. between. and machining. stock. removal. Fig.11. time. Relation. between. and machining. acting. grain. number. time. surface. roughness. time. ら,作 用砥 粒数 は加工 初期 に急減 す るが,30min経 過 す. に ほとん ど砥 粒 が供給 されな いと考 え られ,破 砕細 粒. るあた りか ら一定 の値 とな る.磁 場 を印加 した場 合の. 化 して い く砥 粒 の微小 除去 加工 に よ って,硬 磨 が進 む. 方が,印 加 しない場合 に比 べて作 用砥 粒数 が多 い こと がわか る.磁 場 印加 に よって絶 えず砥粒 が 孔底 か ら浮. ため と考 え られ る. 図12に 砥粒 径 と単位 加工 距離 当 た りの加 工 量の 関係 を示 す｡図12か ら,粒 径 が大 きい ほ ど加 工量 が多 くな. 上 して くるた め と考 え られ る.図10に 見 られ る作用砥 粒数の加工 初期 の急減 は,次 の理 由に よるもの と考 え. る ことがわ か る.し か しなが ら,粒 径が10μm以 下 と. られ る.ラ ップの孔底 にはあ らか じめ一定 量の 砥粒 が. 小 さ くな る と,加 工量 には変化 が み られ ず一 定の値 に. 入れ られ てい るため,磁 場 印加 直後 に浮上 す る砥粒数 は最 も多 い と推 察 され る.し か し,孔 底 に は砥 粒の供. な る.こ の こ とは多分,微 粒砥粒 の浮上 に対 し溶媒 の 粘 性抵 抗 が大 き く影響 して くるた めで はな いか と思 わ. 給はな いので その後の 時間 経過 と ともに浮 上砥粒 数 は. れ る.し か し,液 の粘 度 を操作 す る ことに よ って10μ. 次第 に減少 してい くもの と考 え られ る.. m以 下 の微 粒 に対 して もあ る程 度効 果 は期 待 し得 るも の と考 え られ る.. 図11に 加工 時間 と表 面粗 さの 関係 を示す.磁 場 を印 加 した場 合に は,30min経 過 後 はほぼ 一定 の表面 粗 さに な るの に対 し,印 加 しな い場 合 に は表 面粗 さは徐 々に. 図13,図14に マグ ネ タ イ ト濃 度 と作用 砥粒 数及び 加 工 量 の関係 を示 す.図13,図14か ら,マ グ ネ タイ ト濃. 小 さ くな って い く.磁 場 を印加 しな い場合 に は加 工面. 度 を0か ら40%ま で順 次 増す と作用 砥粒 数 も加工量 も 129.

(6) 精 密 工 学 会 説54/8/1988. 1530. Fig.12. Influence. of. grain. size. on stock. Fig.14. removal. Relation. between. concentration. (3) (4). stock. removal. and. of magnetite. 表 面 粗 さ は磁 場 の 強 さ が 増 す に つ れ 低 減 す る. 砥 粒 の 大 き さ が 増 す に つ れ 加 工 量 も 増 加 す る. し か し,砥 粒 径 が10μm以. 下 の砥 粒 に つ いて は加. 工 量 は 一 定 と な り,磁 場 の 効 果 は 見 ら れ な か った (5). マ グ ネ タ イ ト濃 度 を0か. ら40%へ. と順次増 すと. 作 用 砥 粒 数 も加 工 量 も そ れ に 伴 っ て 増 加 す る. 参. Fig.13. Relation. between. and concentration. acting of. grain. number. magnetite. 次 第 に増 加す るこ とが わ か る.こ れは,マ グ ネタ イ ト 濃 度の増 加 は磁場 に対 す る研磨媒 液 の見 か けの比重 が 増 す ため と推 察 され る. 5.. 結. 論. 磁 気 に感応 す る磁性 流体 を用 い て作用 砥粒 数制御 方 式 の新研 磨法 を 開発 した.基 本原 理 を満 た す装置 を作 製 しガ ラス につ いて実 験 を行 った結 果次 の結 論 を得 た. (1). 重 力の 作用 方向 に磁 場勾 配 が大 き くな る研 磨装 置 を作製 した.作 用砥 粒数 と磁 場 の強 さの 関係 を 調べ た結 果,装 置 は所 期 の性能 を有 して いる こと が わか った.. (2). 考. 文. 献. 1) 黒 部 利 次,今 中 治,坂 谷 勝 明:電 気 泳 動 現 象 孝 用 に よ る表 面 研 磨 −Field‑assisted Fine Finishing(FFF)に 関 す る研 究,精 密 工 学 会 誌, 52,3(1986)547. 2) 今 中 治,黒 部 利 次,松 島 一 晃:磁 性 流 体 利 用に よ る砥 粒 加 工,昭 和56年 度 精 機 学 会 春 季 大 会 学 術 講 演 会 講 演 論 文 集,(1981)774. 3) T.Kurobe,O.lmanaka and S.Tachibana : Magnetic Field‑assisted Fine Finishing, Bu11.JSPC,17,1,(1983)49. 4) T.Kurobe and O.lmanaka:Mgnetic Field‑ assisted Fine Finishing,Prec.ERgr｡,6,3, (1984)119. 5) 今 中 治,上 村 康 幸:磁 場 援 用 に よ る 砥 粒 加 工 一 加 工 量 の 局 部 的 制 御 性 の 検 討,生 産 研 究,37, 11(1985)500. 6) 河 田 研 治,谷 泰 弘:磁 性 流 体 を 用 い た 磁 気 浮揚 研 磨 法 の 研 究(第1報)一 磁性 流体 の研磨液 と し て の 特 性 と磁 気 浮 揚 研 磨 法 の 原 理,精 密 工 学 会 誌,53,6(1987)953. 7) 進 村 武 男,高 沢 孝 哉,波 多 野 栄 十:磁 気 研 磨 法 σ 研 究(第1報)一 加 工 原 理 と 二,三 の 研 磨 特 性, 精 密 工 学 会 誌,52,5(1986)851. 8) 国 枝 正 興,中 川 威 雄:曲 面 研 磨 ロボ ッ ト用 磁 力研 磨 工 具 の 加 工 特 性,砥 粒 加 工 学 会 誌,31,238 (mg87)7. 9) 下 飯 坂 潤 三:磁 性 流 体 に つ い て,日 本 レオロジ ー 学 会 誌,5(1977)95. 10) 今 中 治,黒 部 利 次,佐 藤 彰:ポ リ シ ャ表 層 σ 動 的 粘 弾 性 挙 動,精 密 機 械,49,9(1983)1209.. 電 磁石 に流 す電 流 を増 す(磁 場 を強 くす る)と 作用 砥粒 数 は増 え加工 量 も増加 す る. 130.

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