(57)【要約】【課題】難削材に対し表面粗さ精度に優れ形状加工に好適な研削加工が可能で加工表面を改質しながら研削加工精度およびその効率を向上させる高周波振動援用プラズマ放電研削装置を提供する。【解決手段】砥粒を導電性結合材で結合させた研削砥石と、砥石スピンドル及びこれを高周波振動させる加振手段と、プラズマを発生させる高周波パルス電源を備え、被加工物と回転する研削砥石との間隔を砥粒の突き出し高さで決定させ、研削砥石を被加工物表面に対して軸方向に高周波振動させることで被加工物と研削砥石の砥粒とが接触する電極間の水にキャビテーションによるマイクロバブルを発生させ、かつ水の電気分解により発生する比較的大きい気泡をマイクロバブルに変化させ、電極間に高周波パルス電流を印加してプラズマを発生させ、被加工物をエッチングして被削性を向上させた改質層を生成し、研削砥石の砥粒が研削する。【選択図】図２
2015193074.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非導電性の砥粒を導電性結合材により結合固化させてなる研削砥石と、
該研削砥石を回転駆動する砥石スピンドルと、
該砥石スピンドルを軸方向に２０ｋＨｚ以上で高周波振動させる加振手段と、
上記研削砥石と被加工物との間に加工液を介してプラズマを発生させる高周波パルス電流を出力する高周波パルス電源と、を備え、
被加工物と回転する研削砥石との間隔を上記砥粒の極小サイズとして研削砥石を被加工物表面に沿って軸方向に高周波振動させることにより被加工物と研削砥石の砥粒とが接触する状態で１０μｍ以下の狭い電極間において水の電気分解により発生する気泡を微小なマイクロバブルに変化させるとともに、
上記被加工物と研削砥石の砥粒とが接触した状態での電極間に上記高周波パルス電源からの高周波パルス電流を印加してプラズマを発生させて、該プラズマが被加工物をエッチングすることによりその局所的な加工表面に被削性を向上させた改質層を生成し、
該改質層を上記研削砥石の砥粒が研削することを特徴とする高周波振動援用プラズマ放電研削装置。
【請求項２】
研削砥石は軸中心に加工液を通じて研削域に加工液を供給することを特徴とする請求項１記載の高周波振動援用プラズマ放電研削装置。
【請求項３】
非導電性の砥粒を導電性結合材により結合固化させてなる研削砥石と、
該研削砥石を回転駆動する砥石スピンドルと、
該砥石スピンドルを軸方向に高周波振動させる加振手段と、
上記研削砥石と被加工物との間に加工液を介してプラズマを発生させる高周波パルス電流を出力する高周波パルス電源と、を備えた高周波振動援用プラズマ放電研削装置において、
被加工物と回転する研削砥石との間隔を上記砥粒の極小サイズとして研削砥石を被加工物表面に沿って軸方向に２０ｋＨｚ以上で高周波振動させることにより被加工物と研削砥石の砥粒とが接触する状態で１０μｍ以下の狭い電極間において水の電気分解により発生する気泡を微小なマイクロバブルに変化させるとともに、
上記被加工物と研削砥石の砥粒とが接触した状態での電極間に上記高周波パルス電源からの高周波パルス電流を印加してプラズマを発生させて、該プラズマが被加工物をエッチングすることによりその局所的な加工表面に被削性を向上させた改質層を生成し、
該改質層を上記研削砥石の砥粒が研削することを特徴とする高周波振動援用プラズマ放電研削方法。
【請求項４】
研削砥石は軸中心に加工液を通じて研削域に加工液を供給することを特徴とする請求項３記載の高周波振動援用プラズマ放電研削方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、研削砥石に高周波振動を伝搬して被加工物を研削する研削装置に係り、特に高周波振動とプラズマと研削加工を好適に援用することにより、被加工物の加工表面の改質を行って難削材を効率よく高精度に研削したり、被加工物の加工表面に対して低摩擦化、耐摩耗性向上等の用途に応じて改質させて機能性インターフェースを創成したりすることが可能となる高周波振動援用プラズマ放電研削装置及びその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、研削砥石と被加工物の表面との間に電解液を介し電圧を印加して被加工物の表面を電解研削する電解研削装置は存在している（特許文献１参照）。
この電解研削装置は、研削砥石と被加工物の間に電解液を介し電圧を印加して電解研削するものであり、研削《砥粒の運動エネルギー》と、電解《被加工物への電気エネルギー》の２つの要素を組み合わせた加工技術である。
【０００３】
ただしこの電解研削装置は、電解反応を安定させるべく、電極間距離、すなわち砥石の母材である導電性結合材と被加工物の間隔を０．０２ｍｍ以上とする必要があり、そのため砥粒サイズを０．０４ミリメートル以上とすることから、このサイズの粒子径では、被加工物を鏡面仕上げするまでの研削加工精度が得られなかった。
そこで、砥粒サイズをより小さくし、０．０２ｍｍ未満の電極間距離であっても、電解反応が誘引または促進されるように、砥石に高周波振動を伝搬させて研削することで、これまでの装置・方法では安定した電解反応が起こらなかった０．０２ｍｍ未満の電極間距離であっても、高周波振動を砥石に伝搬させることによって電解反応が誘引または促進される高周波振動援用の電解研削装置を案出した。これにより加工精度が向上し被加工物を鏡面仕上げすることができるようになった（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平３−２５１３１７号公報
【特許文献２】特開２０１４−１４９１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した高周波振動を援用した電解研削装置は、これまでになく高精度の研削加工を可能にするものであった。ただし、小径内周面に対する従来の研削加工にあっては、表面粗さ精度を充足することは可能であっても、例えばチタン合金等の難削材の場合には加工抵抗が大きいことによる工具変形が生じて、素材の内周面の芯振れをなくす等の形状加工を行うことができず、また電解加工では電解作用の等方性があることにより加工方向の制御が困難で、加工前の被加工物の形状誤差を修正する能力が低いことから、同じく芯振れをなくす等の形状加工を行うことは不向きであった。
一方、放電加工にあっては、電解加工よりも正確な材料除去の方向制御が可能ではあるものの、加工表面が粗くなるとともに熱による変質層が生成されてしまうという問題があった。
【０００６】
本発明は以上に述べた事情に鑑みて為されたものであって、その目的は、難削材の小径内周面についても加工精度の向上と効率化を図ることができ、そして研削した加工面を用途に応じて改質させて機能性インターフェースを創成することができる高周波振動援用プラズマ放電研削装置及びその方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記解決課題に鑑みて鋭意研究の結果、本発明者はこれまで研削加工が困難であった難削材の小径内周面に対しても、表面粗さ精度に優れかつ形状加工に好適な研削加工が可能となる高周波振動援用プラズマ放電研削装置及びその方法を案出するに至った。
本発明の特徴は、電圧を印加した電極、すなわち研削砥石と被加工物、を接近させると、導電率が低い純水であっても電気分解して水素と酸素の気泡が電極間に発生し、この気泡を軸方向に高周波振動を与えることによりマイクロバブルに変化させ、ここに高周波パルス電流を電極に流すことで電極間に均一なプラズマ相を作る（プラズマは気相で発生しやすくなるため）ことにより、マイクロバブルが圧壊してＯＨラジカルなどの活性酸素が発生し、これが加工表面を均一に改質して研削加工しやすくするというものである。
高周波振動の機能としては、電極間に発生する気泡をマイクロバブルに変化させる、加工屑を速やかに排出する、電極表面を洗浄して加工効率を一定に保つ、などがある。
すなわち本発明の高周波振動援用プラズマ放電研削装置は、非導電性の砥粒を導電性結合材により結合固化させてなる研削砥石と、該研削砥石を回転駆動する砥石スピンドルと、該砥石スピンドルを軸方向に２０ｋＨｚ以上で高周波振動させる加振手段と、上記研削砥石と被加工物との間に加工液を介してプラズマを発生させる高周波パルス電流を出力する高周波パルス電源と、を備え、被加工物と回転する研削砥石との間隔を上記砥粒の極小サイズとして研削砥石を被加工物表面に沿って軸方向に高周波振動させることにより被加工物と研削砥石の砥粒とが接触する状態で１０μｍ以下の狭い電極間において水の電気分解により発生する気泡を微小なマイクロバブルに変化させるとともに、上記被加工物と研削砥石の砥粒とが接触した状態での電極間に上記高周波パルス電源からの高周波パルス電流を印加してプラズマを発生させて、該プラズマが被加工物をエッチングすることによりその局所的な加工表面に被削性を向上させた改質層を生成し、該改質層を上記研削砥石の砥粒が研削することを特徴とする。
このような構成とすることにより、チタン合金等の難削材においても研削加工を工具と被削材間の局所でのみ行うことができることから、加工後の形状精度を向上させることができる。
【０００８】
また、研削砥石は軸中心に加工液を通じて研削域に加工液を供給することを特徴とする。
これにより、小径で止まり穴の被加工物の内周面であっても研削域に好適に加工液を供給することができる。
【０００９】
そして、本発明の高周波振動援用プラズマ放電研削方法は、非導電性の砥粒を導電性結合材により結合固化させてなる研削砥石と、該研削砥石を回転駆動する砥石スピンドルと、該砥石スピンドルを軸方向に２０ｋＨｚ以上で高周波振動させる加振手段と、上記研削砥石と被加工物との間に加工液を介してプラズマを発生させる高周波パルス電流を出力する高周波パルス電源と、を備えた高周波振動援用プラズマ放電研削装置において、被加工物と回転する研削砥石との間隔を上記砥粒の極小サイズとして研削砥石を被加工物表面に沿って軸方向に高周波振動させることにより被加工物と研削砥石の砥粒とが接触する状態で１０μｍ以下の狭い電極間において水の電気分解により発生する気泡を微小なマイクロバブルに変化させるとともに、上記被加工物と研削砥石の砥粒とが接触した状態での電極間に上記高周波パルス電源からの高周波パルス電流を印加してプラズマを発生させて、該プラズマが被加工物をエッチングすることによりその局所的な加工表面に被削性を向上させた改質層を生成させ、該改質層を上記研削砥石の砥粒が研削することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の高周波振動援用プラズマ放電研削装置を示す説明図である。
【図２】本発明の高周波振動援用プラズマ放電研削装置を示す要部説明図である。
【図３】本発明の高周波振動援用プラズマ放電研削装置における砥石と被加工物の電極間での加工を示す説明図である。
【図４】本発明の高周波振動援用プラズマ放電研削装置における砥石と被加工物の電極間での加工を示す説明図である。
【図５】本発明の高周波振動援用プラズマ放電研削装置における砥石と被加工物の電極間での加工を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照しながら、本発明に係る高周波振動援用プラズマ放電研削装置を実施するための形態を詳細に説明する。図１〜図５は、本発明の実施の形態を例示する図であり、これらの図において、同一の符号を付した部分は同一物を表わし、基本的な構成及び動作は同様であるものとする。
＜構成＞
本発明の高周波振動援用プラズマ放電研削装置１は、図１に示すように、研削砥石２を回転駆動する砥石スピンドル３と、該砥石スピンドル３の軸方向に高周波振動を加えるための高周波振動用高周波パルス電源４と、研削砥石２と被加工物との間にプラズマ放電を生じさせるためのプラズマ放電用高周波パルス電源５と、研削域に研削加工用及びプラズマ放電用の加工液６を提供する加工液供給手段７と、を備えている。
砥石スピンドル３は、研削砥石２とともに軸中心に細孔を設け、そこに加工液供給手段７からの加工液６を通じて研削域に供給する。研削砥石２を通液型とすることにより、小径で止まり穴の被加工物の内周面であっても加工液を好適に供給しながら研削加工することができる。そして、高周波振動用高周波パルス電源４を稼動させることにより、砥石スピンドル３は２０ｋＨｚ以上の周波数で軸方向、すなわち図１のＺ軸方向に高周波振動しながら、Ｚ軸方向に往復動（揺動）しつつ、被加工物Ｗの内周面を研削する。
被加工物Ｗを載置固定するＹテーブル８はＹ軸方向に移動可能で、このＹテーブル８を載置するＸテーブル９はＸ軸方向に移動可能である。そして、Ｘテーブル９、Ｙテーブル８及び各パルス電源を含む高周波振動援用プラズマ放電研削装置１による研削加工を制御するための制御手段（図示せず）を別途備えている。
【００１２】
図２は、図１とは別の加工例であり、チャッキングされた被加工物Ｗの内周面Ｗａを研削砥石２が研削している状態をイメージ的に表している。研削砥石２は、ダイヤモンド砥粒などの非導電性の砥粒を導電性結合材により結合固化している。研削砥石２表面から突出した砥粒が、被加工物Ｗを研削する状態において、砥粒の導電性結合材からの突出高さが、研削砥石２と被加工物Ｗの電極間距離となる。本実施例の場合は、高精度の研削を行うために、砥粒の突出高さを２０μｍ未満、できれば１０μｍ未満とすることが好ましい。
【００１３】
そして、高周波振動用高周波パルス電源４は、研削砥石２を備えた砥石スピンドル３を軸方向に２０ｋＨｚ以上、できれば４０ｋＨｚ以上の周波数で、かつ振幅が数μｍ〜十数μｍで高周波振動させる。
プラズマ放電用高周波パルス電源５は、予め設定したプラズマ放電用電圧として、研削砥石２（正確には導電性結合材）と被加工物Ｗとの間に、砥粒の突出高さを電極間距離に設定して、１マイクロ秒以下（サブマイクロ秒）レベルのパルス幅の高周波パルス電流を印加する。
【００１４】
＜難削材の快削化加工の方法＞
このような構成からなる本発明の高周波振動援用プラズマ放電研削方法について、以下に詳述する。
まず、図３は加工前の研削域の状態を示しており、砥粒を結合し突出させた導電性を有する結合材、すなわち電極砥石１０と、被加工物Ｗとの間、すなわち砥粒の突出高さの電極間には、主に水からなる加工液６が供給されている。
【００１５】
次に図４は、高周波振動用高周波パルス電源４を稼動することにより電極砥石１０が図の左右方向に２０ｋＨｚ以上の高周波振動している状態を示している。
この状態で、加工液供給手段７から砥石スピンドル３及び研削砥石２を通じて供給される電極砥石９と被加工物Ｗとの間の加工液６は、導電率が低い純水を用いても電気分解して数百μｍの気泡が発生する。
この気泡は、狭小な電極間における高周波振動によって壊されて数μｍ又はそれ以下の均一な微小な気泡であるマイクロバブル１１へと変化していき、これにより電極間を加工液６の水（液相）と、マイクロバブル１１の空気（気相）とが均一に密に混じり合った液相・気相混合状態とする。そして高周波パルス電流を流すことでプラズマ相が発生しやすくなる。
またマイクロバブル１１は、圧壊時のエネルギーにより、高酸化力を有するＯＨラジカル等の活性酸素を生成するため、加工表面の改質に効果を発揮する。
【００１６】
そして電極砥石９が高周波振動している図４の状態に加えて、プラズマ放電用高周波パルス電源５を稼動することにより、図５に示すように、均一に液相・気相が満ちた極小な電極間の、電極砥石９と被加工物Ｗとが接触する個所に、微細放電による均一なプラズマ１２を発生させる環境を形成するものである。
上記プラズマ放電用高周波パルス電源５により電極間に電圧を印加すると、電極間には水の電気分解により不均一な大きさの気泡が発生するが、これも狭小な電極間における高周波振動によって壊されてマイクロバブル１１へと変化していく。
このプラズマ放電用高周波パルス電源５が電極砥石９と被加工物Ｗとの間に印加する電圧は、電極砥石１０と被加工物Ｗとの間で短絡することがなく、かつ過大な火花放電、アーク放電をしないように高周波パルスを設定する。そして、高周波振動により電極砥石１０と被加工物Ｗとの間の加工液６が霧化し、そしてキャビテーションによるマイクロバブル１１が発生している状態で、この電極間に電極砥石１０側を負極、被加工物Ｗ側を正極にして高周波パルス電圧を印加することにより、図２及び図５に示す均一なプラズマ１２を電極砥石１０と被加工物Ｗとが接触する個所に局所的に発生させる。
【００１７】
このプラズマ１２は、そこに位置する加工液６の水を電離し、これにより高酸化力を有するＯＨラジカル等の活性酸素をさらに生成するとともに、活性酸素は、研削砥石が接触する被加工物Ｗの表面を局所的にエッチングすることにより被削性を向上させた改質層１３を生成する。そして、この改質層１３を研削砥石が低加工圧にて、工具変形を伴うことなく好適に研削することができる。
このプラズマ１２の発生部位、及びキャビテーションによるマイクロバブル１１の発生部位が局所的であることと、そしてＯＨラジカル等の活性酸素が短寿命であることから、生成される改質層１３は被加工物Ｗの内周面Ｗａに広く及ぶことがなく、電極砥石１０の接触個所のみに限定されるため電解加工のように加工面以外をエッチングすることがない。
そして、改質層１３を研削砥石が研削して除去することにより発生する加工屑１４は、電極間に細かく散らばるものの、これらは高周波振動により研削域外へと排出されていくものである。また電極の表面も常に洗浄され活性化した状態を保つ。
【００１８】
本発明は、高周波振動とプラズマ放電を援用して電極間において被加工物を局所的に改質させ、研削加工を行うものであり、材料の除去やその切り屑の排除、そして砥石の目詰まりの防止という物理的効果とともに、プラズマの発生時や、高周波振動により発生するキャビテーションによる気泡の圧壊時に発生する活性酸素等を援用するものである。
高周波振動により発生したキャビテーションは、断熱圧縮過程でエネルギーが集中し、その気泡の圧壊時に五千〜数万度、千数百気圧の高温・高圧の局所場を形成する。そして、水や水溶液に高周波を照射したときに発生するキャビテーションの圧壊による高温反応場において、水分子は分解し、ＯＨラジカル等が生成する。生成したＯＨラジカルは、短時間で消滅するものの、高い酸化作用を有することから、被加工物の表面を改質する作用を発揮するものである。
【産業上の利用可能性】
【００１９】
本発明の高周波振動援用プラズマ放電研削装置及びその方法は、金属等の各種素材を精密に研削加工する加工産業において利用することができるものである。
【符号の説明】
【００２０】
１…高周波振動援用プラズマ放電研削装置
２…研削砥石
３…砥石スピンドル
４…高周波振動用高周波パルス電源
５…プラズマ放電用高周波パルス電源
６…加工液
７…加工液供給手段
８…Ｙテーブル
９…Ｘテーブル
１０…電極砥石
１１…マイクロバブル
１２…プラズマ
１３…改質層
１４…加工屑
Ｗ…被加工物
【図１】
2015193074.tif 000003
【図２】
2015193074.tif 000004
【図３】
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【図４】
2015193074.tif 000006
【図５】
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