(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
結合剤の主成分が可逆的に相変化する特性を有する高級アルコール又はワックス又はそれらの混合物であり、この結合剤に粒子径が０．１〜５０μｍの電気的誘電性を持つ砥粒を分散させた液状組成物に、電場強度０．５〜５ｋＶ／ｍｍ，周波数０．１〜２００Ｈｚの交流電界を印加し、砥粒が共振して動きが微振動に変化する状態において電極間にて分散配向させた状態で冷却固化したことを特徴とする電界により砥粒の分布及び配列を制御可能な砥石。
【請求項２】
可逆的に相変化する特性を有する高級アルコール又はワックス又はそれらの混合物を融点以上に加熱して液状とし、この結合剤に粒子径が０.１〜５０μmの電気的誘電性を持つ砥粒を分散させて液状組成物とし、該液状組成物を付形空間に充填した状態で、電場強度０.５〜５kＶ／mm，周波数０．１〜２００Hzの交流電界を印加し、砥粒が共振して動きが微振動に変化する状態において電極間にて分散配向させた状態で冷却固化することを特徴とする電界により砥粒の分布及び配列を制御可能な砥石の製造方法。
【請求項３】
結合剤の主成分が可逆的に相変化する特性を有する高級アルコール又はワックス又はそれらの混合物であり、この結合剤に粒子径が０.１〜５００μmの電気的絶縁性を持つ砥粒を分散させた液状組成物に、電場強度０.５〜５kＶ／mm，周波数０.１〜２００Hzの交流電界を印加して砥粒を均一に配向させた状態で冷却固化した砥石を用い、電気的絶縁性を有する流体状の溶媒に誘電性砥粒を分散させた流体を研磨潤滑剤として滴下しながら且つ交流電界を加えながら研磨するようにしたことを特徴とする表面仕上げ工法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、温度により可逆的に相変化する結合剤を用い、用途に応じた研磨面、特に高品位な面精度を有する研磨面を提供することができる，電界により砥粒の分布及び配列を制御可能な砥石、その製造方法、表面仕上げ工法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より研磨又は研削工程は工業製品の工程において重要な位置を占め、比較的粗く研磨又は研削する粗研磨から、鏡面のような高品位な研磨面が提供される精密研磨まで種々の表面仕上げ工法が提供されている。
【０００３】
特に精密研磨は高品質の工業製品を製造して各種技術の革新並びに進展を図る上で重要な技術であるため、多くの研磨媒体が提案されている（例えば特許文献１，２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平４−３３６９５４号公報
【特許文献２】
特開２０００−３５１９６０公報
【０００５】
特許文献１などは、磁性流体を利用した液状の研磨媒体が知られている。この液状の研磨媒体は、オングストロームオーダーの磁性粒子を分散させた磁性流体中に砥粒を分散させたものであって、この液状研磨媒体に磁界を与えた状態下において、体積力が発生し分散していた砥粒に対して加工圧と相対運動が被加工面に対して与えられることによって、研磨又は研削が進行するものである。
また、特許文献２などには、脂肪酸エステルを用いた固形状の研磨媒体が提案されている。この固形状の研磨媒体は、温度により相変化する特性を有する脂肪酸エステルを磁性流体などの磁性を有する流体に砥粒を分散させ、加温しながら溶融状態時に磁界を印加しながら被加工物に流しこみ、被加工物の加工面形状に合った状態で固化させる工法である。前記磁性溶融研磨流体が固化する前に相対振動を供給伝達させる工具を流体に挿入し、固化後に振動を供給することによって、磁性クラスター間に保持配向した固定砥粒は従来の固定砥粒すなわち砥石と同様に機能し、任意被加工面の形状に沿って表面粗さを仕上げる工法として知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記特許文献１などの液状の研磨媒体は、磁界を印加すると、流体内部の磁性体が数珠状にクラスターを形成し、これらクラスター間の隙間に非磁性体である砥粒が局在化した状態で配向する。ここで、被加工面と相対運動させることにより研磨が進展するが、研磨加工により生じた研削屑片等が砥粒と共にクラスター間に保持され、研削屑片等が被加工面に押し付けられてスクラッチ痕を形成したり、或いは被加工面に対する砥粒の接触応力が弱いという問題や、高品位な被加工物の表面に対しては、砥粒を保持する磁性体は研磨効果を向上させる効果が見こめないという問題があった。また、微細箇所の研磨には磁界発生装置が大きく不向きであった。さらに、被加工物が磁性体の場合も配向させるために大きな磁界を集中させる必要があり、被加工物に残留磁界を形成し、磁粉の付着や製品同士の付着を引き起こし、加工能率やその後の表面処理工程において加工品位の低下をまねく原因となっていた。そのため、粗研磨用としても精密研磨用としても満足できる加工を行えるものではなかった。
【０００７】
また、前記特許文献２などの固形状の研磨媒体は、その製造過程において液状の物質に磁界を印加した状態で固化させる。磁界を印加した状態に磁性体が存在すると磁極間において磁性体が配向して数珠状に並ぶ。この時、左右に並んだ磁性体は同極を呈するために反発し、前記数珠状に配置した磁性体間に空隙が形成される。非磁性の砥粒は磁性体間に補足され、結合材によって固化させる。すなわち砥粒は磁界の向きに沿って、見かけ上の配向がなされる。このため、全体量に占める砥粒量の割合は抑制され、よって高品位な研磨効果を得ることは困難である。さらに再利用化するためには、構成材料が少ない工法が有利である。この砥石の場合には結合材の相変化を利用し、容易なリサイクル性を特徴とするものである。また、この砥石は、印加する磁界分布によっては、砥粒が存在する位置に不均一分布を生ずる可能性を有していた。したがって、粗研磨用としては満足できる加工を行えることもあるが、精密研磨用としては到底満足できる加工を行えるものではなかった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記に鑑み提案されたもので、結合剤の主成分が可逆的に相変化する特性を有する高級アルコール又はワックス又はそれらの混合物であり、この結合剤に粒子径が０．１〜５０μｍの電気的誘電性を持つ砥粒を分散させた液状組成物に、電場強度０．５〜５ｋＶ／ｍｍ，周波数０．１〜２００Ｈｚの交流電界を印加し、砥粒が共振して動きが微振動に変化する状態において電極間にて分散配向させた状態で砥粒を配向させた状態で冷却固化したことを特徴とする電界により砥粒の分布及び配列を制御可能な砥石に関するものである。
【０００９】
また、本発明は、可逆的に相変化する特性を有する高級アルコール又はワックス又はそれらの混合物を融点以上に加熱して液状とし、この結合剤に粒子径が０.１〜５０μmの電気的誘電性を持つ砥粒を分散させて液状組成物とし、該液状組成物を付形空間に充填した状態で、電場強度０.５〜５kＶ／mm，周波数０．１〜２００Hzの交流電界を印加し、砥粒が共振して動きが微振動に変化する状態において電極間にて分散配向させた状態で冷却固化することを特徴とする電界により砥粒の分布及び配列を制御可能な砥石の製造方法をも提案するものである。
【００１０】
さらに、本発明は、結合剤の主成分が可逆的に相変化する特性を有する高級アルコール又はワックス又はそれらの混合物であり、この結合剤に粒子径が０.１〜５０μmの電気絶縁性を持つ砥粒を分散させた液状組成物に、電場強度０.５〜５kＶ／mm，周波数０.１〜２００Hzの交流電界を印加して砥粒を均一に配向させた状態で冷却固化した砥石を用い、かつ電気絶縁性を有する流体状の溶媒に誘電性砥粒を分散させた流体を研磨潤滑剤として滴下しながらかつ交流電界を加えながら研磨するようにしたことを特徴とする表面仕上げ工法をも提案する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明に用いる結合剤は、融点以上に加熱した状態では液状で、分散媒として機能するが、融点以下に冷却した場合には固化して結合剤として機能するものであり、主成分として可逆的に相変化する特性を有する天然又は合成の高級アルコール又はワックス又はそれらの混合物を用いる。
相変化する温度、即ち融点が４５℃より高いと、常温では固化しているため、研磨又は研削加工で特殊な温度雰囲気を必要としないため好ましい。また、加温して溶融した粘度（溶融粘度）は１〜１５０cSt、特に１０〜１００cStであることが望ましい。この理由としては、溶融粘度が１cStよりも低いと、熱による気化と熱対流による攪拌が激しく生じ、電界印加による均一な配向性を発現することが困難となり、逆に溶融粘度が１５０cStよりも高いと、電界印加による配向効果が得られ難いからである。
使用可能な高級アルコールとしては、例えば炭素数１６のセチルアルコールを挙げることができ、このセチルアルコールは融点４６〜５５℃で、常温で白色の固形状のロウ様物質である。
また、飽和炭化水素を主成分とする（パラフィン）ワックスの融点は８０〜１１５℃である。しかも溶融時の粘度は１０mPsと低く、砥粒との分散性が高いため、粒度の低い砥粒を用いる際に特に有効である。
【００１２】
また、上記結合剤に分散させる砥粒は、粒子径が０.１〜５０μmであって、電気的誘電性を有する絶縁性粒子、半導体粒子、金属粒子であり、一般的に粗研磨用としては粒子径が大きなものを用いれば良く、一般的に精密研磨用としては粒子径が小さなものを用いれば良い。さらに電気的誘電性については、砥粒の比誘電率が前記溶媒の比誘電率よりも１より大きいものが望ましい。それにより砥粒は液状組成物中で電場を受けて力を誘発する。
使用可能な砥粒としては、硬度が被加工物の硬度と同等或いはそれ以上であるか、被加工物とメカノケミカル作用を有するものが用いられる。具体的にはダイアモンドやコランダム、エメリー、ザクロ石、珪石、焼成ドロマイト、溶融アルミナ、人造エメリー、炭化珪素、酸化ジルコニウムなど、或いはメカノケミカル研磨に使用される酸化クロムや酸化珪素、酸化鉄、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化セリウム、炭化マグネシウム、炭酸バリウムなどが挙げられる。
【００１３】
前記結合剤を融点以上に加熱して相変化させて液状とし（液化させ）、前記砥粒を分散させた液状組成物とする。結合剤に加える砥粒は５〜４０wt％が望ましい。この理由としては、砥粒の添加量が５wt％より少ないと、研磨効率が低く、逆に４０wt％より多いと、砥石が脆くなり研磨が進展しない。また溶液状において、砥石の流動性が低下し、配向性が低下することから、砥粒の分散性が低下し、高品位な表面性状を得る砥石の生成を得るには不適当となるからである。また、砥石としての剛性も低下し、寿命を短くしてしまう。
この液状組成物を無電界の状態で放置すると、分散させた砥粒が重力により沈降し、分離してしまう。本発明では、この液状組成物を任意の形状にするための付形空間に充填した後、交流電界を印加して砥粒を配向させる。
印加する交流電界は、立ち上がりが１００Ｖ／μsec以上の繰り返しでプラス、マイナスに振れる方形波の交流電場であって、そのときの周波数は０.１〜２００Hz、電場強度は±０.５〜５kＶ／mmである。印加周波数が０.１Hz未満では砥粒の移動距離があまりに小さく沈降する可能性があり、２００Hzを超えると砥粒が周波数に対して応答できず動けなくなることがある。
このような交流電界を印加して砥粒を配向させた状態で結合剤の融点以下に冷却すると、液状組成物の結合剤が相変化（固化）し、研磨や研削に供される砥石となる。
【００１４】
例えば型彫り放電加工で創製した製品と電極との間に前記液状組成物を加熱しながら充填する。この充填時には、液状組成物は流動性を有しているので、流し込む、或いは圧入することにより容易に充填される。
そして、前記交流電界を掛けながら融点以下に冷却し、固化完了と同時に電界印加も終了する。得られた砥石は、液状が固化して（分散媒が結合剤となって）砥粒を保持している固化体である。
その後、前記型彫り放電加工機で創製した製品と電極に相対運動を与えながら加工圧をあたえて、効果的に表面を仕上げることができる。
【００１５】
こうして得られた本発明の砥石は、交流電界を印加して砥粒自体を配向させた状態で固化させているものであって、従来の磁界を印加した状態で固化させた研磨媒体のように磁性体のクラスター間の隙間に砥粒を局在化するものではないので、精密研磨にも好適に利用できるものである。また実験により磁性体を用いた研磨方法と本発明の表面仕上げ工法における研磨効率を比較すると、１.５程度研磨効率が向上させることが可能となった。
【００１６】
また、従来の砥石では使用中に目詰まりが生じ、ドレッシング作用（目立て）が必要になるが、本発明で得られた砥石は、被加工面と砥石との間に生じる摩擦熱により、砥石表面の結合剤が溶け出しドレスがかり目詰まりを解消することができる。
【００１７】
特に電気絶縁性を有する流体状の溶媒に誘電性砥粒を分散させた流体を研磨潤滑剤として滴下しながらかつ交流電界を加えながら研磨するようにした本発明の表面加工方法では、セルフドレッシング機能が発現され、砥粒の切れ刃を抑制することができる。
尚、ここで研磨潤滑剤中に用いられる電気絶縁性を有する液体状の溶媒としては、例えばシリコーン等を挙げることができ、誘電性砥粒としては、前記結合剤に分散させた砥粒と同様のものを用いることができる。
【００１８】
【実施例】
結合剤として、軟化点が８０℃で、１１５℃における粘度が１０mPsである合成ワックスを用いた。
この結合剤に、５〜１０μmのダイヤモンド砥粒を３０wt％混ぜて容器に入れ、高温炉によって加熱して溶かし流体状にした。その後、交流高電圧１.５kＶ／mmを加えながら高温炉から取りだして冷却すると固化した砥石を得た。砥石中の砥粒は電界方向に沿って配向させることができた。
配向処理が終了すると、電界の印加を止めて、得られた砥石を研磨又は研削装置に取りつけ、仕上げ作業を行うことが可能となった。その際、被加工面と砥石との間に生じる摩擦熱により、砥石表面の結合剤が溶け出しドレスがかり目詰まりを解消することができた。
さらに交流電界を印加しながら、且つシリコーンにダイヤモンド等の砥粒を混合した液体を研磨潤滑剤として滴下しながら研磨すると、セルフドレッシング機能が発現され、砥粒の切れ刃を抑制することができる表面仕上げ工法となった。また、砥石として電界の印加方向に配向させることが可能のため、例えば磁性体を用いた砥粒の配向方法より配向度が良好で濃度が濃く緻密に、即ち硬い砥石が創製できた。
したがって、研磨能率に関しても、磁性を用いた砥粒整列法に比べると電界を加えて整列させたほうが硬さでは、それぞれ１４Ｎ／mm2から１８Ｎ／mm2で３０％程度硬く、その効果によって研磨効率は１.５倍良好となり、さらに表面粗さは１／２の高品位を得ることができ、明瞭な表面仕上げ効果を確認することができた。
【００１９】
以上本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明は前記した実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した構成を変更しない限りどのようにでも実施することができる。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の砥石及びその製造方法は、用途に応じた研磨面、特に高品位な面精度を有する研磨面を提供することができる。
さらに、本発明の表面仕上げ工法は、セルフドレッシング機能が発現され、砥粒の切れ刃を抑制することができる。