(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工屑の排出能力の向上と粒子分散型誘電流体中の砥粒の転動を加速するために、１０〜８０度の傾斜角度に保持される小径管の内部に工具電極を内挿し、該工具電極と小径管との間に前記誘電流体を配置させるために、低周波交流高電圧を印加して前記誘電流体にクーロン力を作用させ、前記誘電流体中の砥粒の転動を加速するために小径管を長さ方向に繰り返し摺動させつつ回動させ、この小径管とは０．１mm／s以上の相対速度差にて工具電極を小径管の長さ方向に繰り返し摺動させ、工具電極の表面にて転動する砥粒により小径管内面を研磨仕上げすることを特徴とする小径管の内側面仕上げ加工方法。
【請求項２】
粒子分散型誘電流体は、粒子径０．０５〜３０μmの電気的誘電性を持つ絶縁性粒子、半導体粒子から選ばれる砥粒を、溶媒粘度１〜５００cStの絶縁性を有する分散媒に０．１〜５０wt％の濃度で分散させてなることを特徴とする請求項１に記載の小径管の内側面仕上げ加工方法。
【請求項３】
粒子分散型誘電流体に印加する電界印加条件は、０．５〜４kＶ／mmとし、そのときの周波数は０．０５〜１００Hzであり、波形は方形波ならびに正弦波や方形波でデューティ比で３０〜７０％であることを特徴とする請求項１又は２に記載の小径管の内側面仕上げ加工方法。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか一項に記載の仕上げ加工が可能である装置であって、
小径管の傾斜保持機構と、小径管の長さ方向への繰り返し摺動を可能とする機構と、工具電極の小径管内での往復を可能とする機構とを備えることを特徴とする小径管の内側面仕上げ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば輸送機器のエンジン用燃料供給、クリーンルーム用高純度ガスの供給、分析機器に用いられる流体輸送（カラム又はキャピラー）に用いられる小径管の内側面仕上げ加工技術に適用して、その仕上げ粗さを１μm以下を達成することによりその流体制御を容易とし、燃料供給においては省エネルギーに貢献すると共に、クリーンルーム用や分析機器等のパイプでは高品質な製品供給に貢献できる小径管の内側面仕上げ加工方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種の製品の製造に際し、研磨加工は極めて重要な技術である。この研磨技術の進展によって、例えば半導体やストレージ技術の向上が図られ、その他にも多種の分野の製品に適用され、精密化や省エネルギー化、或いは高能率化が進められている。
【０００３】
この研磨加工としては、現状、化学研磨の一種である電解研磨が用いられているが、環境負荷の面から、或いは工業的なコスト対応面からも、さらに磁気研磨など種々の方法が提案され、それぞれ一長一短がある。しかし、特にこの小径管に関する精密研磨方法として工業性に富んだ実用性に優れた方法は、ほとんどない。
本発明者らは、精密研磨として用いられ、シリコーンオイルに砥粒を分散させた機能性流体を開発し、交流電界を与えながら研磨することで良好な研磨特性が得られる電界砥粒制御技術を用いた研磨、仕上げ方法を既に提案している（例えば特許文献１など）。
【特許文献１】特許第３５９５２１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記特許文献１に開示される方法は、粒子分散型誘電流体に、繰り返し極性を変化させる電場を与えて分散微粒子を誘起、運動させ、加工試料の被加工面に衝突させることにより、研磨、仕上げ等の加工を行うことができる方法であり、平面状或いは薄肉の加工対象には優れた効果が得られているが、立体性に富んだ形状、例えばパイプ状の加工対象に対しては十分な効果が得られなかった。
【０００５】
このパイプ状の加工対象として、例えば自動車用燃料供給に用いられる小径管がある。この小径管の製法は多段工程による引き抜き法であって、入れ子となるプラグを挿入し、塑性加工により製造される。製造された小径管の内面の表面は粗く、搬送流体がその凸凹に停留し易いため、高精度な流体制御が困難となっている。現在、このような小径管の内側面仕上げは化学研磨によって仕上げているが、この化学研磨による仕上げ粗さは３μm程度であってより高度な流体制御としては不十分であった。
【０００６】
そこで、本発明は、例えば燃料供給に用いられる小径管の内側面仕上げ加工技術に適用でき、その流体制御を容易とし、省エネルギーに貢献できるような小径管の内側面仕上げ加工方法を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らが得た知見によると、小径管の内側面仕上げに際し、前述の粒子分散型誘電流体による研磨仕上げ方法を適用しただけでは、十分な効果が得られず、様々な手段の相乗効果によって、長さが数mにも及ぶ小径管の内側面を仕上げ粗さ１μm以下にて仕上げ研磨できることを見出したものである。
上記手段を以下に具体的に記載すると、
(１)小径管を１０〜８０度の傾斜角度に保持して研磨すること。
(２)小径管を回動（＝回転；軸方向に自転）させること。
(３)工具電極と小径管に、０．１mm／s以上の相対速度差を与えてそれぞれ繰り返し摺動（＝往復動）させること。
即ち本発明は、加工屑の排出能力の向上と粒子分散型誘電流体中の砥粒の転動を加速するために、１０〜８０度の傾斜角度に保持される小径管の内部に工具電極を内挿し、該工具電極と小径管との間に前記誘電流体を配置させるために、低周波交流高電圧を印加して前記誘電流体にクーロン力を作用させ、前記誘電流体中の砥粒の転動を加速するために小径管を長さ方向に繰り返し摺動させつつ回動させ、この小径管とは０．１mm／s以上の相対速度差にて工具電極を小径管の長さ方向に繰り返し摺動させ、工具電極の表面にて転動する砥粒により小径管内面を研磨仕上げすることを特徴とする小径管の内側面仕上げ加工方法、及び装置に関するものである。
【０００８】
換言すると本発明は、(Ａ)重力を効率よく使って加工屑の排出性の向上すること，(Ｂ)電界によるクーロン力の作用で、砥粒は工具電極に付着し、工具電極と小径管内面との少ない隙間に入り込むことができ、そのため加工圧が砥粒に与えられることで研磨が進むこと，(Ｃ)砥粒に与える転動性は工具電極に付着した砥粒と小径管との間で作られる相対速度によって、砥粒の転動が進む。さらに交流電界を与えることで、砥粒の付着性と電界の極性変化によって砥粒は運動し、凝集性も抑えられると同時に砥粒の転動性が向上すること，を特徴とする。
【０００９】
前記粒子分散型誘電流体は、粒子径０．０５〜２０μmの電気的誘電性を持つ絶縁性粒子、半導体粒子から選ばれる砥粒を、溶媒粘度１〜５００cStの絶縁性を有する分散媒、例えばワックス又はシリコーンオイル、或いはオレイン酸やオリーブオイルなどの植物オイルに分散させてなることが望ましい。
【００１０】
前記粒子分散型誘電流体に印加する電界印加条件は、０．５〜４kＶ／mmとし、そのときの周波数は０．０５〜１００Hzであり、波形は方形波ならびに正弦波や方形波でデューティ比で３０〜７０％であることが望ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の小径管の内側面仕上げ加工方法は、本願出願人による粒子分散型誘電流体による研磨仕上げ方法を、小径管の内側面仕上げに適用するものであって、(１)小径管を１０〜８０度の傾斜角度に保持して研磨したことにより、砥粒の転動促進、研磨屑の排出能力の向上が図られる。また、(２)小径管を回動させたことにより、研磨品位の均一化が図られる。さらに、(３)工具電極と小径管に０．１mm／s以上の相対速度差を与えてそれぞれ繰り返し摺動させたことによって、砥粒が転動を生じやすくなり、この転動する砥粒により小径管内面を研磨仕上げする。そして、前記誘電流体にクーロン力を作用することにより、加工圧力を与えられ、砥粒の補足も可能となり、また交流電界であるため転動作用もある。結果として、長さが数mにも及ぶ小径管の内側面を仕上げ粗さ１μm以下にて仕上げ研磨できるという効果が得られる。
そのため、本発明を例えば燃料供給に用いられる小径管に適用した場合には、その内面を滑らかに仕上げることができ、燃料が停滞することなく搬送されるため、高精度な流体制御を容易とすることにより、省エネルギーに貢献できる。また、例えばクリーンルーム用高純度ガスの供給、分析機器に用いられる流体輸送（カラム又はキャピラー）に用いられる小径管に適用した場合には、その流体制御を容易とすることにより、高品質な製品供給に貢献できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明は、小径管の内側面仕上げに際し、前述の粒子分散型誘電流体による研磨仕上げ方法を適用し、さらに以下の(１)〜(３)の条件を満たすことにより、長さが数mにも及ぶ小径管の内側面を仕上げ粗さ１μm以下にて仕上げ研磨できるという効果が得られることを見出したものである。
(１)小径管を１０〜８０度の傾斜角度に保持して研磨すること。
(２)小径管を回動させること。
(３)工具電極と小径管に０．１mm／s以上の相対速度差を与えてそれぞれ繰り返し摺動させること。
【００１３】
以下に前記(１)〜(３)の条件についてそれぞれ詳細に説明する。
前記(１)の条件は、小径管を１０〜８０度の傾斜角度に保持するのであって、傾斜角度が１０度に満たない場合、砥粒の転動促進も、研磨屑の排出能力の向上も果たされない。また、８０度を越える場合、重力の効果によって、砥粒分散流体の排出も進行し、研磨効果が乏しくなる。
【００１４】
前記(２)の条件は、小径管を回動、即ち軸方向に回転（自転）させるのであって、回転速度は１０〜５００rpmの範囲が好ましい。回転方向はどちらでもよく  時計回り反時計でもよい。回転速度が１０rpmに満たない（遅い）と、砥粒の転動効果が得られにくく、研磨品位の均一化が図られない。また、回転速度が５００rpmより大きい（速い）と、砥粒の転動が高速回転に追従できず、押し込み加工となり加工面を荒らしてしまう。
【００１５】
前記(３)の条件は、工具電極と小径管に０．１mm／s以上の相対速度差を与えてそれぞれ繰り返し摺動させるのであって、工具電極と小径管に別々の駆動源からそれぞれの条件にて電界印加を与えてもよいし、同一の駆動源からバネ等を用いて締結し、その伸縮作用によって、工具電極と小径管の動きに時間差並びに速度差を与えて相対速度を発生させることで、砥粒に転動作用を与えてもよい。
この(３)の条件を満たさない場合、即ち工具電極と小径管を摺動させない場合や、何れか一方のみを摺動させる場合には、長い小径管では十分な仕上げ研磨ができない。また、相対速度差が、０．１mm／sに満たない場合にも、十分な仕上げ研磨ができない。
【００１６】
前記(１)〜(３)の条件が満たされない場合には、上述の効果は到底得られない。
例えば前記(１)の条件を満たさない場合には、砥粒の転動促進も、研磨屑の排出能力の向上も果たされない。また、前記(２)の条件を満たさない場合には、研磨品位の均一化が図られない。さらに、前記(３)の条件を満たさない場合には、長い小径管では十分な仕上げ研磨ができない。
【００１７】
本発明に用いられる粒子分散型誘電流体は、繰り返し極性を変化させる電場を与えた場合に、分散粒子が誘起され、被加工面に衝突することにより、加工が行える挙動を示すものであって、前記特許文献１にも開示される流体である。具体的には、溶媒粘度１〜５００cStのワックス又はシリコーンオイル等の絶縁性を有する分散媒中に、粒子径０．０５〜３０μmの電気的誘電性を有する絶縁物粒子、半導体粒子の微粒子を０．１〜５０wt％の濃度で分散させることが好ましい。
前記絶縁性を有する分散媒の溶媒粘度は、５００cStより大きくなると、小径管の内部に流入しづらくなると共に入口部に砥粒が集まり、形状品位の劣化（ダレ等）が生じ易くなる。分散微粒子の粒子径は、３０μm以上では内側面表面を粗らし、０．０５μm以下では研磨効率が悪くなる。また、その濃度は、５０wt％以上では、流動性が悪くなり、研磨に必要な転動性が悪化する。
【００１８】
この粒子分散型誘電流体に用いられる微粒子（砥粒）としては、その比誘電率が前記分散媒の比誘電率より１以上大きいものが望ましい。それにより、誘電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、電気的な特性として、絶縁性（誘電性）を有し、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。
これら砥粒を前記誘電流体中に含有させる場合には、超音波分散機などにて均一に分散させればよい。
【００１９】
また、本発明に適用される小径管は、例えば自動車用燃料供給に用いられるもの、或いはクリーンルーム用高純度ガスの供給に用いられるものなどを挙げることができる。その長さは５０mm以上であれば２〜５mであってもよく、内径は１〜１０mmのものが適用される。
そして、例えば小径管の材質が金属の場合には、金属は誘電率を有しないため、生じる加工屑は、クーロン力によって影響を受けず、加工屑の排出は重力によって加速される。また、セラミックス等の材質でも、砥粒と誘電率が異なる場合は同様の効果が得られる。
【００２０】
小径管の内部に内挿する工具電極は、材質については特に限定するものではなく、例えばビニール被覆電線とシリコングラス（表面がつるつるとアヤメ状）では殆ど相違はなかった。
また、工具電極と小径管との間に、砥粒分のスペース確保をするために、電界によるクーロン力を作用させ、砥粒が工具電極に付着させる。またミクロンオーダーの隙間スペースとなると、見かけ上流体の粘度が低下するため砥粒として動き易くなる。
【００２１】
さらに、本発明にて前記誘電流体にクーロン力を作用させる目的で印加される低周波交流高電圧は、電界強度０．５〜４kＶ／mmとし、そのときの周波数は０．０５〜１００Hzで、波形は方形波ならびに正弦波の極性変化を伴う波形や方形波でデューティ比で３０〜７０％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。
前記電界強度は、０．５kＶ／mm以下では砥粒の運動制御効果が低下し、４kＶ／mm以上では放電現象を生じる可能性を有し，被削材へのダメージが高まる．又，小径管内面や工具電極の被覆にダメージを与える危険性もある。周波数は、前記範囲以外では、砥粒の応答性が悪くなり、転動性が低下し、本研磨の特徴である機能性が損なわれる。また、デューティ比は、前記範囲以外では、電界のエネルギーが低下し、砥粒の応答性が悪くなるため、本研磨の機能が損なわれる。
【実施例】
【００２２】
１．粒子分散型誘電流体の作製
分散粒子として平均粒径３μmのアルミナを用い、１５cStの粘度を有するシリコーンオイル（信越シリコーン製）を分散媒として用い、超音波分散器を用いて分散処理を１８０s行い、分散粒子の濃度を２５wt％に調整した。
【００２３】
２．電界印加条件
電界は、電界制御装置より発生させて供給した。印加した電界は、シンセサイザー（アジレント製33120A）が基本信号を発生し、利得2000の高電圧電源（トレック製model 20/20B）にて増幅させた。これらの信号の観測には、デジタルオシロスコープ（アジレント製54645A）を使用した。ここで、誘電流体への電界印加条件は、印加電圧２kＶ／mm，周波数１Hz，繰り返し矩形波このときのデューティ比は５０％とした。
【００２４】
３．研磨実験装置
装置の原理を図１に示した。詳しい詳細図を図２に示した。この図２には、小径管の被研磨面に於ける均一研磨面を得るために回転機構を取り付け、その状態下で工具電極下に集まる砥粒の様子と工具電極によって砥粒に与えられる加工圧の様子を示す。また、砥粒の挙動については図３に示した。工具電極と小径管に相対速度が発生するように、例えば逆回転させることによって砥粒には転動が生じ、効果的な研磨特性が得られる。さらに、図４は、小径管の被研磨面において研磨がどのように進行するかを示す図であり、これが研磨のメカニズムを示す。
小径管は、傾斜角度αが１０度から８０度で調整可能である。
工具電極と小径管の内側面間に、前記粒子分散型誘電流体を保持・配置させた。
前記誘電流体の滴下は、管の入り口（Ａ）部から工具電極に沿って行なった。
工具電極は、小径管内での往復運動を与えるためにリニア駆動用ボイスコイルモータに取り付けた。交流電流を与えて往復運動ができるようにした。
小径管と工具電極に相対往復運動（反対方向に動かすことまたは速度差を持たすこと）を生じさせて、誘電流体中の砥粒の転動を促すため、工具電極は小径管内を通してＡ，Ｂの固定金具で直線状になるように引っ張り固定した。固定した個所は、リニアモータに締結され、リニアモータの往復運動に伴い、工具電極も往復運動する。本装置では、小径管の繰り返し摺動運動機構としてばねを用いて２個目のリニアモータを採用することなく小径管の繰り返し摺動運動を得ることができた。勿論、個別に採用しても良い。さらに、繰り返し摺動運動は、回転モータにカムやボールねじを取り付けて、又は、小径管において長手方向長が短いものは、ピエゾ素子などを用いた微細変位を発生する装置を用いて相対速度発生源として実現することも容易に推定可能である。
【００２５】
４．研磨条件
工具電極への電界印加；交流電界２kV，１Hzの矩形波
小径管の長さ方向への繰り返し（往復）摺動運動の周波数；３．８Hz
工具電極の小径管内での往復運動の周波数；７Hz
小径管の回転数；７５rpm
小径管の傾斜角度α；４５度
工具電極の材質；ビニル被覆電線，外径；１．８mm，内径（電線部）１．０mm
小径管の材質；ST52NBK:鉄系シームレス素材，外径６．３５mm，内径２．２mm
【００２６】
５．実験結果及び考察
結果；表面粗さ（研磨前；Ｒｙ５〜６μm）
５分研磨後；Ｒｙ１．５〜２μm
１０分研磨後；Ｒｙ０．２〜０．８μm
２０分研磨後；Ｒｙ０．２〜０．４μm
工具電極の表面には、ある周期を持って砥粒が付着し、その変化量は濃淡の縞模様を呈した。このような現象は、工具電極に与えた印加電界の周波数によって生じるものと考えられる。この工具電極上の砥粒の堆積によって柔らかな砥石となって機能を発現し、仕上げ加工を実現したものと推察される。そして、１０分の研磨でも仕上げ粗さ１μm以下を達成できることが確認された。
【００２７】
比較として、工具電極及び小径管を摺動させることなく同条件で研磨試験を行ったところ、２０分後も殆ど研磨仕上げが進行しなかった。
また、どちらか一方の摺動でも、砥粒が転動せず、研磨仕上げに悪影響を与えた。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】実施例にて用いた研磨実験装置の原理（概略）を模式的に示す斜視図である。
【図２】実施例にて用いた研磨実験装置を示す上面図である（この装置全体に傾斜を付ける）。
【図３】本発明における電界砥粒研磨を模式的に示す断面図である。
【図４】本発明における研磨のメカニズムを示す模式図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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