(57)【要約】      （修正有）【課題】超硬ドリルや超硬並びにｃＢＮ等のボールエンドミル等の工具を用いる切削加工に際し、短時間に精度の高い加工を可能とした精密加工技術として用いられる切削加工方法及び切削加工装置を提案する。【解決手段】本発明の切削加工方法は、見かけ上の電極を高速で回転する工具とし、前記電極と被加工物との間に粘度が３０００〜１００００mm2／sの絶縁性流体を配置し、工具と被加工物との間に低周波交流高電圧を印加して前記絶縁性流体にクーロン力を作用させることにより、加工圧の加わる被加工物と工具との接触位置に前記絶縁性流体を配置制御させつつ工具を高速回転させて加工を行うことを特徴とする。【選択図】図１
2006247781.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
見かけ上の電極を高速で回転する工具とし、前記電極と被加工物との間に粘度が３０００〜１００００mm2／sの絶縁性流体を配置し、工具と被加工物との間に低周波交流高電圧を印加して前記絶縁性流体にクーロン力を作用させることにより、加工圧の加わる被加工物と工具との接触位置に前記絶縁性流体を配置制御させつつ工具を高速回転させて加工を行うことを特徴とする精密加工技術として用いられる切削加工方法。
【請求項２】
絶縁性流体は、ワックス又はシリコーンオイルであることを特徴とする請求項１に記載の精密加工技術として用いられる切削加工方法。
【請求項３】
低周波交流高電圧は、電界強度±１〜１０kV／mm、周波数０．１〜１００Hzであることを特徴とする請求項１又は２に記載の精密加工技術として用いられる切削加工方法。
【請求項４】
工具を電極として昇降機構及び回転機構を備えるＺ軸テーブルに一体に取り付け、他方の電極を移動機構を備えるＸ−Ｙ軸テーブルとし、Ｘ−Ｙ軸テーブル上に載置される被加工物と工具との間に粘度が３０００〜１００００mm2／sの絶縁性流体を配置可能な供給機構と、前記工具とＸ−Ｙ軸テーブルとの間に低周波交流高電圧を印加可能な電界制御機構とを有することを特徴とする精密加工技術として用いられる切削加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超硬ドリルや超硬並びにｃＢＮ等のボールエンドミル等の工具を用いる切削加工に際し、短時間に精度の高い加工を可能とした精密加工技術として用いられる切削加工方法及び切削加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
精密加工技術は、時代が嘱望する技術である。
例えば個々人の体質に配慮した合理的な医療、即ちテーラーメイド医療により、投薬の確度が高まり治癒時間の短縮が図られることが期待されている。これらの普及には、高信頼性を有する医療機器の開発が急務であるが、その中で注目されている医療診断器具は，μTAS（マイクロタス：Micro Total Analysis Systemの略）であり、検体より取り出した体液や反応試薬をマイクロチャネルで搬送する機能、液体を混合させる機能、マイクロセンサによる分析機能を搭載した小型・高度に集積した医療診断器具である。このマイクロチャネルは、各種の加工技術が提案されているが、現段階では非常に高価な製品になると推定されている。そのため、安価な医療診断器具を作製するためにも、μTASの基材であるガラス基板への微細なボールエンドミルを用いた切削加工に期待が寄せられている。
【０００３】
本発明者らは、既に砥粒分散型機能性流体を用いて、交流電界を印加しながら研磨や工具刃先の仕上げ加工に適用し、高能率で高品位な仕上がり面が得られる加工技術を確立している（特許文献１など）。
この特許文献１には、電界を与えると発生するクーロン力によって見かけ上の電極となる加工面近傍に砥粒分散型機能性流体を配置させ、砥粒分散型機能性流体中の砥粒を電極間にて活発に運動させ、その結果、刃先が容易に滑らかに仕上げられ、工具寿命の延命化が図られことが開示されている。
【特許文献１】特開２００３−３００１３１公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明者らは、これらの既存の研究結果を踏まえて、超硬ドリルやボールエンドミル等の工具を用いる切削加工時において、誘電率を持つ潤滑剤に電界を与えることにより、良好な仕上がり加工面を得ることができる加工技術を確立することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らが得た知見によると、特に近年、高速回転系のスピンドルの開発が進展し、これに伴い切削効率が低いものの複雑形状の加工に優れた小径工具への市場も浸透、進展し、放電加工のみで加工されていた複雑形状な金型は、高い加工能率を示す切削工法に変わり、かつ省エネルギー加工としての利点もある。さらに、ドライ加工では、環境に優しいという利点もあるが、その反面、工具の摩耗が激しく、被加工物にも熱による影響を与えるという欠点がある。また、既存の水溶性切削用潤滑剤は低粘度のため、高速に回転する工具に対して例えば１０００mm2／s程度或いはそれ以下の低粘度の潤滑剤を配置させた場合、工具の高速回転による遠心力で、低粘度の潤滑剤は飛散してしまう。一方、高粘度の潤滑剤を用いた場合、遠心力による飛散は抑えられるものの、潤滑剤は掻き揚げられてしまう。即ち、高粘度の潤滑剤は、高速回転する工具の先端部より上部へ移動し、保持されてしまう。
そこで、工具と被加工物の下部に配置した電極間に交流電圧を印加して誘電性を有する潤滑剤に電界を与えると、潤滑剤が工具先端部へクーロン力により吸引降下する。こうして、工具と被加工物との接触位置に潤滑剤を配置することができ、加工精度の高い切削加工を実現できることが見出された。
即ち本発明は、見かけ上の電極を高速で回転する工具とし、前記電極と被加工物との間に粘度が３０００〜１００００mm2／sの絶縁性流体を配置し、工具と被加工物との間に低周波交流高電圧を印加して前記絶縁性流体にクーロン力を作用させることにより、加工圧の加わる被加工物と工具との接触位置に前記絶縁性流体を配置制御させつつ工具を高速回転させて加工を行うことを特徴とする精密加工技術として用いられる切削加工方法、及びそれに用いられる切削加工装置に関するものである。
【０００６】
前記絶縁性流体は、ワックス又はシリコーンオイルであることが望ましい。
また、前記低周波交流高電圧は、電界強度±１〜１０kV／mm、周波数０．１〜１００Hzであることが望ましい。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の精密加工技術として用いられる切削加工方法及び切削加工装置は、電界によって高粘度の絶縁性流体の配置を工具の先端に制御かつ保持することができるものであって、潤滑剤としての絶縁性流体の飛散が抑制され、加工精度の高い切削加工を実現できるものである。
そのため、ガラス等を素材とする被加工物に精度の高い加工を短時間に施すことができ、各種の精密加工技術に応用することができる。例えば前述のμTAS等の基板や微細金型加工や細胞診断用の医療具の流路として応用することにより、安価な医療機器を提供でき、その普及に寄与するため、その社会的貢献度は極めて大きいものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明に用いられる高粘度の絶縁性流体は、潤滑剤として用いられるものであり、２０℃において粘度が３０００〜１００００mm2／s（cSt）の高粘度のシリコーンオイルやワックス等が用いられる。この粘度が１０００mm2／sに満たない場合、本発明の効果が十分に発揮されない。粘度が３０００mm2／s以上になると、効果が十分に認識される程度に大きくなる。
【０００９】
この絶縁性流体には、砥粒を含有させておいてもよく、そのような砥粒としては、粒子径が０．１〜３０μmの電気的誘電性を持つ絶縁性粒子、半導体粒子、金属粒子であり、加工幅（１〜５０μm）に応じてそれ以下の粒子径のものを用いる。この砥粒の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１以上大きいものが望ましい。それにより砥粒は絶縁性流体中に与えられた電界勾配によって砥粒に力が発現（誘発）される。
この砥粒としては、加工性（研磨・研削性）が必要であるため、その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。具体的には単結晶，多結晶ダイヤモンド、酸化セリウムＣｅＯ2、アルミナＡｌ2Ｏ3、酸化ランタンＬａ2Ｏ3、酸化プラセオジムＰｒ6Ｏ11、酸化ネオジムＮｄ2Ｏ3、弗化物、酸化カルシウム、トリウム，立方晶系窒化ホウ素ＣＢＮ等が挙げられる。
分散粒子として、を使用することができる。
これら砥粒を前記絶縁性流体中に含有させる場合、超音波分散機などにて均一に分散させればよい。
【００１０】
また、本発明に適用される被加工物は、例えばガラス等の絶縁物を挙げることができるが、その他にも、下部導電性固定電極との間に絶縁物を介することで、アルミなどの導電性材料にも適用することができる。
【００１１】
さらに、本発明にて印加される低周波交流高電圧は、電界強度±１〜１０kV／mm、周波数０．１〜１００Hzであることが望ましい。さらに、印加する周波数と波形は、加工量の大きい研磨においては立ち上がりの良い方形波や加工量の少ない研磨にあっては、立ち上がりがゆるやかでノイズ分が含まれない正弦波とすることが望ましい。
【００１２】
そして、本発明において、例えばボールエンドミル等の工具の先端に、前記高粘度の絶縁性流体（誘電性オイル）を滴下し、工具を高速回転させると、絶縁性流体が絡まり、上方へ移動する現象が確認される。その状態において、工具と被加工物（絶縁材）の下部に電極を配置し、工具と電極間に交流電界を与えると、クーロン力が絶縁性流体に作用し、下方へと吸引される。ここで、高粘度の絶縁性流体は、切削箇所において、極めて狭い空間に配置されるものとなる。このような状況下、即ち狭いＧＡＰ空間において、高粘度の絶縁性流体はその粘度が１／１０以下に低下することから、加工部に選択的に絶縁性流体が供給され、潤滑性が向上し、加工仕上げ面は良好な品位の仕上げ面が得られる。
【実施例】
【００１３】
〔実験方法〕
Ａ．潤滑剤
潤滑剤として、市水、粘度１０００mm2／st，５０００mm2／sのジメチルシリコーンオイルを用いた。
Ｂ．加工試料と工具
加工試料（被加工物）は、汎用のスライドガラスを用いた。
また、工具は直径１mmのＷＣ超硬製ボールエンドミル（協和精工(株)製）を用いた。
Ｃ．実験装置
実験装置の概要を図１に示した。０．１mmの分解能を有するＸ・Ｙ・Ｚ並進３軸のサブミクロンステージ（シグマテック製）を採用した。加工主軸は、電界供給が可能なようにエアースピンドルを用いた。エアースピンドルは１／２０減速機を具備し、切削工具は、φ３mmのシャンク径のＷＣ超硬製を用いた。加工主軸の固定は、周速ゼロの加工位置を避けるために工具と被加工物との傾きを４５度に保持して回転ステージ上に固定した。潤滑剤に交流高電圧を供給し、短絡事故を防止するために各軸の精密ステージ上には絶縁板を取り付けた。加工はＺ軸ステージで切り込み量を設定し、Ｘ軸テーブルを駆動させて行った。
【００１４】
〔電界供給システム（実施例１のみ）〕
潤滑剤に与える電界供給は、シンセサイザー（NF製1930A）を用いて信号を生成し、さらに利得2000の高電圧アンプ（Trek製model 20/20B）で昇圧しエアースピンドルに供給した。印加電界の波形は立ち上がりが良好な繰り返し方形波を採用した。
【００１５】
〔加工実験〕
加工実験手順を以下に示す。
１．５００倍のズームレンズを搭載したＣＣＤカメラにて拡大観察しながら工具先端と加工試料であるガラスとの原点の位置出しを行った。
２．回転速度１５００rpmのエアースピンドルを駆動した。
３．潤滑剤を滴下した。
４．（実施例１のみ）２．０kVの交流電界を印加し、立ち上がりが良好な繰り返し方形波、１Hzの周波数を与えた。回転工具と潤滑剤の挙動を観察した。
５．加工はＸ軸ステージの送り速度と切り込み量はそれぞれ２０mm／sと２０mmの一定とした。
６．キーエンス製形状測定顕微鏡VK-9500を用いて加工後の表面観察（×４００）と粗さの評価を行った。
【００１６】
〈比較例１〉
潤滑剤として市水を用い、電界を印加しなかった。
〈比較例２〉
潤滑剤として粘度１０００mm2／sのシリコーンオイルを用い、電界を印加しなかった。
〈比較例３〉
潤滑剤として粘度５０００mm2／sのシリコーンオイルを用い、電界を印加しなかった。
〈実施例１〉
潤滑剤として粘度５０００mm2／sのシリコーンオイルを用い、電界強度２kV、周波数１Hzの低周波交流高電圧を印加した。
【００１７】
〔実験結果〕
結果１；潤滑剤挙動観察
工具回転中に交流電界を印加した時の様子を観察した。
比較例２，３において、高粘度のシリーコンオイルの挙動は、工具の回転始動時に潤滑剤は絡め取られ、工具先端から上部へと移動した。
これに対し、実施例１では、交流電界を印加したため、見かけ上の電極である工具先端部に吸引力と重力が作用することで、印加周波数の周期に呼応しながら潤滑剤が流れ出す（流れ落ちる）挙動を呈した。
【００１８】
結果２；加工面評価
比較例１では、潤滑剤に市水を用いたので、加工痕は脆性損傷を伴っていた。
比較例２，３及び実施例１では、潤滑剤に高粘度のシリコーンオイルを用いたので、加工痕に脆性損傷は見られなかった。
特に実施例１では、交流電界を印加することで工具と被加工物との間に積極的に潤滑剤が供給され、加工後の表面粗さは良好な面が得られた。
【００１９】
結果３；表面粗さ
比較例１；
表面粗さRa  ０．８４mm    Ry  １３．５mm
比較例２；
表面粗さRa  ０．５５mm    Ry  ４．５２mm
比較例３；
表面粗さRa  ０．２７mm    Ry  ３．３９mm
実施例１；
表面粗さRa  ０．１４mm    Ry  ０．９５mm
【００２０】
以上の実験結果より、切削工具の先端にシリコーンオイルを潤滑剤として供給し、交流電界を印加しながらガラスを加工することで滑らかな加工仕上げ面が得られる新たな加工方法の基礎的な知見を得ることができた。
この現象は、電界の供給によって工具の刃先に潤滑剤が積極的に作用されたために良好な仕上げ面が得られたものと推察される。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
多種の精密加工技術に応用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】実施例にて用いた実験装置の概略を模式的に示す側断面図である。
【図１】
2006247781.tif 000003