JP2014047092A - 被加工物の加工方法および加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加工効率および加工品質を向上させたセラミックス製被加工物の外周面の加工方法を提供する。
【解決手段】回転可能に設けられ円筒状の外周面２を有するセラミックス製の被加工物１を加工する加工方法であって、外周面２の接線方向からレーザ３８を照射して外周面２を加工する加工部３０と、外周面２に冷却用クーラント４８を供給して被加工物１を冷却する冷却部４６と、外周面２を研磨する砥石４０とは、被加工物１の回転軸に直交する同一平面上に、レーザ３８と冷却用クーラント４８と砥石４０とが互いに干渉しないように、被加工物１の回転方向に順に配置される。加工方法は、外周面２にレーザ３８を照射するとともに冷却用クーラント４８を供給しながら、被加工物１を回転させて砥石４０によって外周面２を研磨する工程を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、被加工物の加工方法および加工装置に関し、特に、円筒状の外周面を有するセラミックス製の被加工物の加工方法、および、当該被加工物を加工するための加工装置に関する。

従来、一般に行われているセラミックスの加工方法として、ダイヤモンドホイール、ダイヤモンドソー、ダイヤモンドバイトおよびダイヤモンド砥石などの工具を用いて、切断、研削・研磨などの加工を施す方法がある。これらの方法では、セラミックス材料のもつ高い機械強度、硬度により加工能率が低い問題があり、砥石や工具にダイヤモンドを使用するためコスト面での問題もある。

上記の方法に対して、レーザや電子ビームなどの高密度エネルギーを照射することによって加工する方法が提案されており、一般的に穴あけ・切断・スクライビング加工が知られている。さらに円筒状ワークの外径面を研削する方法として、特開昭５９−１２０３９０号公報（特許文献１）、特開昭６０−２３１５８８号公報（特許文献２）および特開平０７−０４８１８９号公報（特許文献３）に示す方法が提案されている。いずれも円筒状ワークを回転させながら加工面にレーザを照射する加工方法であり、かつ加工中にレーザ光ないしはワークを移動させることで加工寸法および加工位置を制御することができる。

またレーザなどの熱加工と物理的、化学的作用を組み合わせた加工として、特開昭６４−７７５０６号公報（特許文献４）、特開昭６２−３４７２７号公報（特許文献５）、特開昭６１−１５２３４５号公報（特許文献６）がある。

特開昭５９−１２０３９０号公報 特開昭６０−２３１５８８号公報 特開平０７−０４８１８９号公報 特開昭６４−７７５０６号公報 特開昭６２−３４７２７号公報 特開昭６１−１５２３４５号公報

円筒状ワークの外径面の加工に関して、特開昭６０−２３１５８８号公報（特許文献２）および特開平０７−０４８１８９号公報（特許文献３）に、レーザを利用して円筒外径を加工する方法が図示されている。これらの方法では、被加工面である円筒外径に対して垂直にレーザ光が照射されるため、数百μｍの除去加工ができる高エネルギーレーザを照射した場合には、被加工物に熱影響が生じる問題がある。また精密な軸受用セラミックころの径寸法を満足する寸法制御が困難である。

特開昭５９−１２０３９０号公報（特許文献１）に示す加工方法は、被加工面である円筒外径の接線方向に対して水平にレーザ光を作用させることから、被加工物の熱影響は少ない加工方法である。しかし、完全に熱影響のない状態にするのは困難であり、精密な軸受用セラミックころの径寸法を満足する寸法制御も難しい。

特開昭６４−７７５０６号公報（特許文献４）、特開昭６２−３４７２７号公報（特許文献５）、特開昭６１−１５２３４５号公報（特許文献６）では、レーザ加工に加えて、エッチングや超音波加工、研削加工を行なうことによってそれぞれの加工の特長を活かした効率的な加工を目指すものである。しかしながら、工程が２工程以上になってしまうことから、ころ材のような単純形状では、加工効率の点で問題がある。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、加工効率および加工品質を向上させた、セラミックス製被加工物の外周面の加工方法および加工装置を提供することである。

本発明に係る被加工物の加工方法は、回転可能に設けられ円筒状の外周面を有するセラミックス製の被加工物を加工する加工方法であって、外周面の接線方向からレーザを照射して外周面を加工する加工部と、外周面に冷却用クーラントを供給して被加工物を冷却する冷却部と、外周面を研磨する砥石とは、被加工物の回転軸に直交する同一平面上に、レーザと冷却用クーラントと砥石とが互いに干渉しないように、被加工物の回転方向に順に配置される。加工方法は、被加工物を準備する工程と、外周面にレーザを照射するとともに冷却用クーラントを供給しながら、被加工物を回転させて砥石によって外周面を研磨する工程とを備える。

好ましくは、研磨する工程において、レーザが照射され加工された外周面に冷却用クーラントを供給して外周面を冷却する。好ましくは、冷却用クーラントは水溶性クーラントである。

好ましくは、被加工物はサイアロンまたは窒化ケイ素系セラミックス製である。
本発明に係る加工装置は、回転可能に設けられ円筒状の外周面を有するセラミックス製の被加工物の外周面に対し、外周面の接線方向からレーザを照射して外周面を加工する、加工部と、外周面を研磨する砥石と、外周面に冷却用クーラントを供給して被加工物を冷却する冷却部と、を備える。加工部と冷却部と砥石とは、被加工物の回転軸に直交する同一平面上に、レーザと冷却用クーラントと砥石とが互いに干渉しないように、被加工物の回転方向に順に配置される。

好ましくは、冷却部は、外周面を砥石によって研磨するときに、レーザが照射され加工された外周面に冷却用クーラントを供給する。好ましくは、冷却用クーラントは水溶性クーラントである。

好ましくは、被加工物はサイアロンまたは窒化ケイ素系セラミックス製である。

本発明の被加工物の加工方法によれば、連続加工性を有する加工方法を提供でき、被加工物の加工効率および加工品質を向上することができる。

本実施の形態に係る加工装置の概略構成を示す模式図である。 比較例１の加工装置の概略構成を示す模式図である。 比較例２の加工装置の概略構成を示す模式図である。

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。

図１は、本実施の形態に係る加工装置１００の概略構成を示す模式図である。一例として、図１に示す加工装置１００を用いて、被加工物１を加工する機構を説明する。被加工物１は、円筒または円柱形状を有し、円筒状の外周面２を有する。たとえば、被加工物１は、軸受に用いられるセラミックころであってもよい。加工装置１００は、被加工物１を回転可能に支持する図示しない支持部を備える。被加工物１は、駆動力源として機能する支持部が発生する回転力を受けて、図１中に示す矢印方向に、回転軸まわりに回転可能に設けられている。

加工装置１００は、レーザ３８を発生するレーザ光源である加工部３０を備える。レーザ３８は、回転している被加工物１の外周面２に対し、外周面２の接線方向から入射される。レーザ３８が外周面２に照射されることにより、外周面２が研削され、被加工物１の径が小さくなるように、被加工物１は加工される。加工装置１００は、レーザ加工によって生じる被加工物１の溶融物を吹き飛ばすための機構、たとえば図示しないアシストガス噴出部などをさらに備えてもよい。

加工装置１００はまた、砥石４０を備える。砥石４０は、加工部３０で発生したレーザ３８により外周面２が加工された被加工物１に対し、外周面２を研磨する。砥石４０はたとえばダイヤモンド製であって、円筒状の外周面を有する。砥石４０の外周面に対し被加工物１の外周面２が摺動することにより、被加工物１の外周面２が研磨される。図１に示すように、砥石４０に外周面２が接触した状態で被加工物１が回転することにより、外周面２が研磨される。加工装置１００は、冷却部４６をさらに備える。冷却部４６は、被加工物１の外周面２を砥石４０によって研磨するときに、被加工物１に冷却用クーラント４８を供給して、被加工物１を冷却する。

加工部３０と冷却部４６と砥石４０とは、被加工物１の回転軸に直交する同一平面上に配置されている。加工部３０と冷却部４６と砥石４０とは、レーザ３８と冷却用クーラント４８と砥石４０とが互いに干渉しないように配置されており、図１中の矢印で示す被加工物１の回転方向に順に配置されている。被加工物１の回転に伴って、レーザ３８が照射され研削された外周面２に冷却用クーラント４８が供給され、その後外周面２が砥石４０で研磨される。このようにして外周面２が加工され、所望の径および所望の表面粗さの外周面２を有する被加工物１が得られる。

冷却部４６から供給される冷却用クーラント４８は、水溶性クーラントであることが望ましい。水溶性クーラントを使用することにより、所望の仕様の外周面２を有する被加工物１を得るために必要な加工時間を短縮することができる。

加工装置１００で加工される被加工物１の材質は、セラミックスが望ましい。被加工物１の材質が樹脂や鉄系の材料である場合、被加工物１にレーザ３８を照射すると、加工部位が溶融し、砥石４０への付着が生じる。また溶融による凹凸が加工部位に生じ、寸法が安定しない。その結果、加工が適切に進行しなくなる。

より望ましくは、被加工物１の材質は、窒化ケイ素またはその複合化合物である。レーザ光による加工作用点では、加工物とその近傍の表層部とに大きな熱勾配が生じる。アルミナのように熱衝撃に弱いセラミックスを用いる場合、冷却用クーラントにより被加工物１が急冷されたときに割れが生じてしまう。窒化ケイ素は、耐熱衝撃性に優れ加工後の熱影響が少なく、被加工物１の外周面２に欠陥が生じることを抑制できるので、より高品質な加工が可能になるため好適である。

次に、上述した加工装置１００による被加工物１の加工方法について説明する。当該加工方法では、まず、被加工物１を準備し、被加工物１の外周面２を砥石４０の外周面に接触させる。加工部３０と砥石４０と冷却部４６とは、被加工物１の回転軸に直交する同一平面上に配置されている。加工部３０と砥石４０と冷却部４６とは、レーザ３８と冷却用クーラント４８と砥石４０とが互いに干渉しないように、被加工物１の回転方向に順に配置されている。加工部３０は、被加工物１の外周面２の接線方向から、外周面２に対しレーザ３８を照射する。冷却部４６は、外周面２に冷却用クーラント４８を供給する。

図示しないモータなどの駆動力源で発生した回転力が被加工物１へ伝達されて、被加工物１は回転する。被加工物１を回転させながら、外周面２に対し外周面２の接線方向からレーザ３８を照射する。これにより、被加工物１の外周面２がレーザ加工され研削される。

被加工物１の外周面２は、レーザ３８の照射により研削されるとともに、ダイヤモンド製の砥石４０によって研磨される。図１に示すように、外周面２にレーザ３８を照射するとともに、冷却用クーラント４８を供給しながら、被加工物１を回転させて砥石４０によって外周面２を研磨する。外周面２の研磨と同時に、被加工物１に冷却用クーラント４８が供給されて被加工物１は冷却される。被加工物１の回転によって、レーザ３８が照射され加工された外周面２に冷却用クーラント４８を供給されて、外周面２は冷却される。さらに、被加工物１の回転によって、外周面２の冷却用クーラント４８が供給された部位が、砥石４０により研磨される。

このようにして、所望の寸法まで被加工物１の加工を進行することにより、所望の径を有するとともに所望の表面粗さの外周面２を有する被加工物１が得られる。レーザ３８による研削と砥石４０による研磨とを並行して行なうことにより、被加工物１の加工効率を向上することができる。被加工物１の加工寸法および加工精度は、被加工物１に対するレーザ３８および砥石４０の位置調整によって決められる。そのため、複数の被加工物を均一な加工寸法および加工精度に加工することができるので、被加工物１の加工品質を向上することができる。

さらに、被加工物１に対するレーザ３８および砥石４０の位置関係を調整することで、様々なサイズの被加工物１を所望の寸法に精度よく加工することができる。これにより、加工の汎用性を達成することができる。

被加工物１の加工効率および加工精度を比較する実験を行なった。被加工物として、円柱形状に成形し、一般的な条件で焼結を行なった、窒化ケイ素系セラミックスを供した。加工取代は直径で４００μｍとした。したがって、加工取代は半径で２００μｍである。

実施例１では、図１に示す上述した加工装置１００を用いて被加工物を加工した。比較例１では、レーザによる加工方法で被加工物を加工した。図２は、比較例１の加工装置の概略構成を示す模式図である。図２に示す加工装置では、回転する被加工物１の円筒状の外周面２に対し、外周面２の接線方向からレーザ３８が照射され、外周面２が研削加工される。

比較例２では、砥石による加工方法で被加工物を加工した。図３は、比較例２の加工装置の概略構成を示す模式図である。図３に示す加工装置では、砥石４０に外周面２が接触した状態で被加工物１が回転することにより、砥石４０の外周面に対し被加工物１の外周面２が摺動し、外周面２が研磨される。被加工物１の回転に伴って、砥石４０で研磨された外周面２に冷却用クーラント４８が供給され、被加工物１が冷却される。

比較例３では、図２に示すレーザによる加工を行なった後、図３に示す砥石による加工を行なう加工方法で、被加工物を加工した。

実施例１および比較例１〜３では、１００個の被加工物の加工時間および加工精度の比較を行なった。実施例１および比較例１〜３の結果を表１に示す。

比較例１のレーザによる加工方法では、総加工時間は１９８０ｓｅｃであった。形状精度は比較試験で最も劣っていた。比較例２の砥石による加工方法では、総加工時間は１０５６０ｓｅｃを要した。形状精度は良好であった。比較例３のレーザと砥石とを組み合わせた加工方法では、総加工時間は２４９０ｓｅｃであった。形状精度は良好であった。

本発明の加工装置１００を使用した実施例１の加工方法では、加工時間は１１４０ｓｅｃと比較例１〜３と比べて最も高い加工効率を示した。形状精度も良好であった。これらの結果により、比較例１〜３の加工方法と比較して、実施例１の加工方法は、加工効率および加工精度において優れていることが示された。

本発明に係る加工装置１００に適した冷却用クーラントを調査する実験を行なった。図１に示す加工装置１００を用いた、レーザ３８による外周面２の研削と砥石４０による外周面２の研磨とを連続して行う加工方法（連続加工）により、被加工物１を加工した。このとき、冷却部４６から冷却用クーラント４８を供給しない加工方法を比較例４、冷却用クーラント４８をエアーにした加工方法を比較例５、冷却用クーラント４８を油性クーラントにした加工方法を比較例６、および、冷却用クーラント４８を水溶性クーラントにした加工方法を実施例２とした。

また、図２に示す装置を用いて被加工物１の外周面２をレーザ加工してから、１０ｓｅｃをあけ、その後図３に示す装置を用いて被加工物１の外周面２を砥石４０により研磨する加工方法（断続加工）により、被加工物を加工した。このとき、冷却用クーラント４８を供給しない加工方法を比較例７、冷却用クーラント４８をエアーにした加工方法を比較例８、冷却用クーラント４８を油性クーラントにした加工方法を比較例９、および、冷却用クーラント４８を水溶性クーラントにした加工方法を比較例１０とした。

実施例２および比較例４〜１０では、１００個の被加工物の総加工時間の比較を行なった。実施例２および比較例４〜１０の結果を表２に示す。

被加工物１を連続加工した場合において、冷却用クーラント４８を用いない比較例４では、総加工時間は３２６０ｓｅｃであった。冷却用クーラント４８にエアーを用いた比較例５では、総加工時間は２１３０ｓｅｃであった。冷却用クーラント４８に油性クーラントを用いた比較例６では、総加工時間は１５２０ｓｅｃであった。冷却用クーラント４８に水溶性クーラントを用いた実施例２では、総加工時間は１１６０ｓｅｃであった。

被加工物１を断続加工した場合において、冷却用クーラント４８を用いない比較例７では、総加工時間は３８９０ｓｅｃであった。冷却用クーラント４８にエアーを用いた比較例８では、総加工時間は３１１０ｓｅｃであった。冷却用クーラント４８に油性クーラントを用いた比較例９では、総加工時間は２４８０ｓｅｃであった。冷却用クーラント４８に水溶性クーラントを用いた比較例１０では、総加工時間は２０６０ｓｅｃであった。

これらの結果から、本発明の連続加工方式は、断続加工方式に比べて加工時間を短縮できるので好ましいことが明らかとなった。さらに、冷却用クーラント４８として水溶性クーラントを使用すれば被加工物１の加工時間を一層短縮できるので、冷却用クーラント４８として水溶性クーラントが好適であることが明らかとなった。

本発明に係る加工装置１００に適した被加工物１の材質を調査する実験を行なった。ポリアミド、ナイロン、ＳＵＳ、ＳＵＪ２、アルミナ、窒化ケイ素およびサイアロンを円柱形状に成型したもの１００個を実験に供した。加工後の被加工物１の外観から、加工可否を評価した。結果を表３に示す。

比較例１１，１２に示すプラスチック材料、すなわちポリアミドおよびナイロンは、融点がセラミックスと比較して低いため、レーザ光が被加工物１に照射された瞬間に加工部周囲の部位も溶融する。この溶融物が砥石に付着し、加工不可であった。

比較例１３，１４に示す鉄系材料、すなわちＳＵＳおよびＳＵＪ２に関しては、溶融したドロスが外径面に付着し、加工不可であった。

比較例１５に示すアルミナ材では、加工はできたものの、加工後の被加工物１の表層に大きなクラックが生じており、品質に問題があった。

実施例３，４に示す窒化ケイ素およびサイアロンは、加工後の熱影響が少なく、被加工物１の表層に欠陥が生じなかった。これらの結果から、窒化ケイ素およびサイアロンが本発明に係る加工装置１００に適した材質であることが示された。

以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、軸受などに使用されるセラミックころの加工方法および加工装置として、好適に適用され得る。

１ 被加工物、２ 外周面、３０ 加工部、３８ レーザ、４０ 砥石、４６ 冷却部、４８ 冷却用クーラント、１００ 加工装置。

Claims (8)

1. 回転可能に設けられ円筒状の外周面を有するセラミックス製の被加工物を加工する加工方法において、
   前記外周面の接線方向からレーザを照射して前記外周面を加工する加工部と、前記外周面に冷却用クーラントを供給して前記被加工物を冷却する冷却部と、前記外周面を研磨する砥石とは、前記被加工物の回転軸に直交する同一平面上に、前記レーザと前記冷却用クーラントと前記砥石とが互いに干渉しないように、前記被加工物の回転方向に順に配置され、
   前記被加工物を準備する工程と、
   前記外周面に前記レーザを照射するとともに前記冷却用クーラントを供給しながら、前記被加工物を回転させて前記砥石によって前記外周面を研磨する工程とを備える、被加工物の加工方法。
2. 前記研磨する工程において、前記レーザが照射され加工された前記外周面に前記冷却用クーラントを供給して前記外周面を冷却する、請求項１に記載の被加工物の加工方法。
3. 前記冷却用クーラントは水溶性クーラントである、請求項１または請求項２に記載の被加工物の加工方法。
4. 前記被加工物はサイアロンまたは窒化ケイ素系セラミックス製である、請求項１から請求項３のいずれかに記載の被加工物の加工方法。
5. 回転可能に設けられ円筒状の外周面を有するセラミックス製の被加工物の前記外周面に対し、前記外周面の接線方向からレーザを照射して前記外周面を加工する、加工部と、
   前記外周面を研磨する砥石と、
   前記外周面に冷却用クーラントを供給して前記被加工物を冷却する冷却部と、を備え、
   前記加工部と前記冷却部と前記砥石とは、前記被加工物の回転軸に直交する同一平面上に、前記レーザと前記冷却用クーラントと前記砥石とが互いに干渉しないように、前記被加工物の回転方向に順に配置される、加工装置。
6. 前記冷却部は、前記外周面を前記砥石によって研磨するときに、前記レーザが照射され加工された前記外周面に前記冷却用クーラントを供給する、請求項５に記載の加工装置。
7. 前記冷却用クーラントは水溶性クーラントである、請求項５または請求項６に記載の加工装置。
8. 前記被加工物はサイアロンまたは窒化ケイ素系セラミックス製である、請求項５から請求項７のいずれかに記載の加工装置。

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