JP2009023054A

JP2009023054A - 超音波バリ取り方法

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Publication number: JP2009023054A
Application number: JP2007189327A
Authority: JP
Inventors: Kenzo Kaneda; 堅三金田; Kazuhiko Iiumi; 和彦飯海; Kazumasa Watabe; 和正渡部
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2007-07-20
Filing date: 2007-07-20
Publication date: 2009-02-05

Abstract

【課題】樹脂のような比重が軽い砥粒を用いたり溶液を攪拌したりすることなく、砥粒の沈殿分離を抑制してバリ取り性能を向上させるのに適した超音波バリ取り方法を提供する。
【解決手段】比重が１．０〜３．１の範囲で調節されたポリタングステン酸ナトリウム水溶液１０中に、比重１．０〜４．０のダイヤモンド、ＢＮ、Ｂ₄Ｃ、ＳｉＣ、アルミナなどの固体粉末よりなる砥粒１１を添加し、その中にワーク３０を浸漬して超音波を印加することにより、ワーク３０のバリ取りを行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、バリ取り用の溶液中にワークを浸漬し、当該溶液に超音波振動を付与することにより、ワークのバリ取りを行う超音波バリ取り方法に関する。

従来のこの種の超音波バリ取り方法は、一般に、比重が１程度の水溶液または有機溶剤中に砥粒を添加した後、この溶液中にバリを有するワークを浸漬して、当該溶液に超音波を印加することにより、ワークのバリ取りを行うものである。

ここで、一般に砥粒は溶液よりも比重が大きく、しかも砥粒と溶液の比重差が大きいので砥粒が沈殿分離しやすく、溶液中に均一に分散しにくい。そのため、砥粒の添加効果が発揮されにくいという問題があった。

この問題に対して、たとえば特許文献１に記載されているように、炭化水素系の有機溶剤中に砥粒を添加するにあたって、砥粒として超高分子ポリエチレンなどの樹脂よりなる比重が軽く、硬度の低い固体粒子物質を利用する方法が提案されている。

また、特許文献２に記載されているように、溶液中の砥粒の沈殿分離を少なくするために、攪拌装置を取り付け、且つ砥粒添加割合も１．５〜５．０重量％と低い値に限定する方法が提案されている。また、特許文献３に記載されているように、砥粒の沈殿分離を防止するために洗浄液をポンプで循環させる方法も提案されている。
特開２００４−９１６１１号公報特開２００３−１２０２号公報特開平１１−１０２８８１号公報

しかしながら、上記したように、樹脂よりなる比重が小さい固体粒子物質を砥粒として利用する方法では、バリ取りの効果が弱い。また、攪拌装置を取り付けたり、ポンプで循環させたりすることによって溶液を攪拌する方法では、バリ取り装置が特別なものとなり、好ましくない。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、樹脂のような比重が軽い砥粒を用いたり溶液を攪拌したりすることなく、砥粒の沈殿分離を抑制してバリ取り性能を向上させるのに適した超音波バリ取り方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明者は、バリ取り用の溶液として、比重が１より大きい重液であって、かなり重い比重まで比重が任意に調節可能な溶液を求めるべく、鋭意検討を行った。その結果、後述の図２に示されるように、ポリタングステン酸ナトリウム水溶液が好適であることを、実験的に見出した。

すなわち、本発明の超音波バリ取り方法は、比重が１．０〜３．１の範囲で調節されたポリタングステン酸ナトリウム水溶液（１０）中に砥粒（１１）を添加し、その中にワーク（３０）を浸漬して超音波を印加することにより、ワーク（３０）のバリ取りを行うことを特徴とする。

ポリタングステン酸ナトリウム水溶液（１０）は、水溶液（１０）中のポリタングステン酸ナトリウムの割合を変えることによって比重が１．０〜３．１の範囲で任意に調節可能なものであり、比重が大きい砥粒（１１）を用いても、溶液（１０）中で砥粒（１１）が沈殿しにくい。そのため、本発明によれば、樹脂のような比重が軽い砥粒を用いたり溶液を攪拌したりすることなく、砥粒の沈殿分離を抑制してバリ取り性能を向上させるのに適した超音波バリ取り方法を提供することができる。

ここで、砥粒（１１）としては、比重１．０〜４．０である固体粉末を用いることができる。また、砥粒（１１）としては、ポリタングステン酸ナトリウム水溶液（１０）よりも比重が大きく且つ当該水溶液（１０）との比重差が最大１．２である固体粉末を用いることが好ましい。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。また、特許請求の範囲および本明細書に記載した「比重」とは、一般の辞書等に定義されているものであり、「ある物質の質量と、それと同体積をもつ標準物質の質量との比。通常、セ氏４度の水を標準物質とする。」ものである。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る超音波バリ取り装置１００の概略構成を示す図である。

この超音波バリ取り装置１００は、一般的な超音波洗浄器と同様の作動原理を備えるものである。超音波バリ取り装置１００は、溶液１０を入れる水槽２０を備えており、この水槽２０には、圧電振動子などの図示しない超音波発生手段により超音波が印加され、水槽２０内の溶液１０は超音波振動するようになっている。

溶液１０には、砥粒１１が添加されて均一に分散している。そして、溶液１０には、ワーク３０が浸漬されており、バリ取り時には、超音波振動する溶液１０において砥粒１１の作用により、ワーク３０のバリが削られるようになっている。

このような超音波バリ取りは、鉄鋼、ステンレス、アルミ、銅合金、樹脂製品など様々の硬度をもった材質のワーク３０に適用される。また、ワーク３０における初期のバリの形状や、要求される最終的バリの大きさなども様々である。

そのため、効果的にバリを除去するためには、溶液１０に添加する砥粒１１も様々の硬度、比重、粒径を持ったものを選択できるほうが望ましい。また、溶液１０中への砥粒１１の添加割合も幅広く制御できるほうが望ましい。このような要求に答えるために、本実施形態では、溶液１０として、ポリタングステン酸ナトリウムを水に溶解させてなるポリタングステン酸ナトリウム水溶液１０を用いている。

このポリタングステン酸ナトリウム水溶液１０は、固体粉末状のポリタングステン酸ナトリウムを水に添加して溶解させることにより作製できる。図２は、本発明者がポリタングステン酸ナトリウムの添加割合とポリタングステン酸ナトリウム水溶液１０の比重との関係を調査した結果を示す図である。

図２において、横軸にポリタングステン酸ナトリウム添加量（単位：重量％）、縦軸に上記比重を表す。この図２から、水中へのポリタングステン酸ナトリウムの添加量を増減することによって、水溶液１０の比重を１．０以上３．１以下の範囲で連続的に自由に制御できることがわかる。

また、このポリタングステン酸ナトリウム水溶液１０は無毒であり、工業的使用に適している。なお、比重が１よりも大きい重液としては、ポリタングステン酸ナトリウム水溶液（最大比重：３．１１）以外にも、ブロモホルム（最大比重：２．８９）、テトラブロモエタン（最大比重：２．９６）、ヨウ化メチレン（最大比重：３．３３）、クレリチ溶液（最大比重：４．２５）などがある。しかし、これらはいずれも毒性が強いため、工業的使用には適しない。

そして、このポリタングステン酸ナトリウム水溶液１０では、その比重を上記した範囲にて水よりも大きくできるので、比重が大きい砥粒１１を添加しても、当該水溶液１０中で砥粒１１が沈殿しにくく、超音波バリ取り時には、砥粒１１が均一分散するのでバリ除去効果が大きい。

ここで、砥粒１１としては、比重１．０〜４．０である固体粉末が挙げられる。具体的には、硬度大でバリ取り効果が大きいダイヤモンド（比重３．５、モース硬度１０．０）、ＢＮ（比重：３．５、モース硬度：９．７）、Ｂ₄Ｃ（比重：２．５、モース硬度：９．５）、ＳｉＣ（比重：３．２、モース硬度：９．３）、Ｓｉ（比重：２．３、モース硬度：７．０）、アルミナ（比重：４．０、モース硬度：９．０）、石英ガラス（比重：２．２、モース硬度：７．０）などが挙げられる。

砥粒研磨の分野においては、一般的に、砥粒の硬度が大きいほど、バリ取り効果が大きい。そのため、上記したようなダイヤモンド、ＢＮ、Ｂ₄Ｃ、ＳｉＣ、アルミナなどが砥粒として好まれる。もちろん、実際に工業用に採用する場合は、価格など、他の要因も考慮される。また、これらの砥粒としては、現在のところ、粒径についても多様なものが市販されている。

しかし、このような比重の大きな砥粒を超音波バリ取りに用いる場合、従来の溶液では沈んでしまい、均一な分散が難しく、バリ取り性能に劣る。それに対して、本実施形態では、溶液１０としては、最大３．１までの比重のポリタングステン酸ナトリウム水溶液１０が作製できるので、比重４．０のアルミナを砥粒１１に用いても、この比重３．１もしくはそれに近い比重の水溶液１０にアルミナを添加するようにすれば、超音波バリ取りを適切に行える。

実際に、本発明者は、比重１．０の水中では超音波をかけても砥粒１１としてのアルミナは均一分散しないが、比重３．１のポリタングステン酸ナトリウム水溶液１０中では均一分散することを確認した。

また、砥粒１１としてのアルミナについては、比重２．８よりも軽いポリタングステン酸ナトリウム水溶液１０中では、約３０分間の超音波バリ取り中に均一分散の状態から徐々に分離してくることが確認された。そして、砥粒１１の沈殿・分散のしやすさは、溶液１０の比重差が主原因であるから、アルミナ以外の上記砥粒１１についても、同様の傾向があるとみなすことができる。

つまり、長時間、均一分散性を保つためには、砥粒１１の比重はポリタングステン酸ナトリウム水溶液１０の比重より大きく、且つ砥粒１０と水溶液１０との比重差が１．２以内であることが望ましいことが、本発明者の検討によりわかった。

このように、本実施形態の超音波バリ取り方法は、ポリタングステン酸ナトリウムを水に添加して、ポリタングステン酸ナトリウム水溶液１０の比重を１．０〜３．１の範囲に調整し、この水溶液１０を上記水槽２０に入れ、そこへワーク３０を浸漬させ、この状態で、水槽２０を超音波振動させることにより、バリ取りを行うものである。

さらに、本実施形態の超音波バリ取り方法では、印加する超音波の周波数と音圧も重要である。一般的には、周波数が小さい超音波ほど、波長が長いので、比較的大きいバリを除去するのに適している。例えば、バリ取りに使用する際の超音波周波数は、２８ｋＨｚ単独でも良いし、２８ｋＨｚと４５ｋＨｚなどの複合周波数でも良い。

また、音圧は大きいほど、バリ取り効果は大きい。そのためには、上記水槽２０としては、単位面積当たりの超音波強度の大きい超音波洗浄器を用いると効果的である。本発明者は、ポリタングステン酸ナトリウム水溶液１０の比重と音圧との関係について調査した。その結果を図３に示す。

図３は、重液であるポリタングステン酸ナトリウム水溶液１０の比重と音圧の関係を示す図である。比重３．０、比重２．０のポリタングステン酸ナトリウム水溶液および比重１．０の水について、超音波を印加し、それぞれ上記水槽２０の液面から２ｍｍ間隔で各深さでの音圧を測定した。横軸に液面からの距離（単位：ｍｍ）、縦軸に音圧（単位：ｋｇ／ｃｍ²）を表す。

ここでは、超音波周波数は２８ｋＨｚとし、また、音圧の測定には新科産業のＳＭ−１０００を用いた。この場合、半波長毎に音圧変化の周期が現れるので、効果的にバリ取りをおこなうには、上記水槽２０内において音圧の高い位置に、上記ワーク３０を設置すればよい。

この図３からわかるように、深さによるばらつきは多少あるものの、ポリタングステン酸ナトリウム水溶液１０の比重が大きいほど、音圧が高くなることがわかる。また、本発明者の検討によれば、この図３における比重別の音圧比較と同様の傾向が、２８ｋＨｚ以外にも超音波バリ取りに用いられる超音波周波数について、確認された。

このように大きい音圧が得られるという点においても、重液であるポリタングステン酸ナトリウム水溶液１０は、水よりも超音波バリ取りに有効であることがわかる。

以上のように、本実施形態によれば、１．０〜３．１の範囲で比重が調節されたポリタングステン酸ナトリウム水溶液１０を用いることで、高い音圧が得られるとともに、この水溶液１０に砥粒１１を添加することによって、樹脂のような比重が軽い砥粒を用いたり溶液を攪拌したりすることなく、砥粒１１の沈殿分離を抑制してバリ取り性能を向上させることができる。

次に、本発明について、以下の実施例を参照して、より具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

（第１実施例）
図４は、本発明の第１実施例に係るワーク３０の形成方法を示す工程図である。このワーク３０は、パンチ穴３１が空けられたステンレス薄板３０であり、本例では、このパンチ穴３１のバリ取りの例を示す。

ステンレス薄板３０の材質はＳＵＳ３０４であり、その板厚は２００ミクロン、またパンチ穴３１の直径は２００ミクロンである。このステンレス薄板３０に対して、図４（ａ）に示されるように、パンチＰで穴をあけると余肉３１ａが発生する。

図示しないが、この余肉３１ａはテープ研磨で除去される。当該テープ研磨後のパンチ穴３１には、図４（ｂ）に示されるように、バリＢが存在する。このバリＢは、たとえば流体通過の妨げになるなどの不具合を生じる。テープ研磨後のバリＢの大きさを測定したところ、最大２５ミクロンであった。

そして、この図４（ｂ）に示されるワーク３０について、超音波バリ取りを行った。ここでは、比重３．１に調節した重液としてのポリタングステン酸ナトリウム水溶液中に１０重量％のダイヤモンドよりなる砥粒（比重：３．５、モース硬度：１０．０、粒径：１２〜２２ミクロン）を添加した。

次に、この中にテープ研磨後の上記ワーク３０を浸漬し、室温、２８ｋＨｚで１０分間、超音波を印加した。この時のワーク３０の部分の音圧は４ｋｇ／ｃｍ²であった。超音波処理後のバリＢの大きさを測定したところ、最大１．２ミクロンであり、適切にバリ取りが行われたことが確認された。

（第２実施例）
図５は、本発明の第２実施例に係るワーク３０の概略構成を示す図である。このワーク３０は、縦穴３２、横穴３３が内部の交差穴３４で交差して連通するように空けられたステンレス円柱材よりなるものであり、本例では、この交差穴３４内部のバリＢを除去する例を示す。このワーク３０は、直径２０ミリ、高さ５０ミリの円柱形状をなし、ＳＵＳ３０３材からできている。

また、ドリルで明けられた縦穴３２、横穴３３の直径はともに４ミリである。ここでは、縦穴３２、横穴３３にそれぞれ交互に数回ドリルを挿入することで交差穴３４内部のバリＢの発生をできるだけ抑えるようにしたが、この時のバリＢの大きさは、最大４５ミクロンであった。

このようなバリＢは、たとえば交差穴３４内部を流れる液体流量の均一性を阻害し、時には流れる作動液体によってバリＢが剥離・脱落し、通路内の機器に悪影響を与えるので好ましくない。

そして、この図５に示されるワーク３０について、超音波バリ取りを行った。ここでは、比重３．０に調節した重液としてのポリタングステン酸ナトリウム水溶液中に５重量％のＳｉＣよりなる砥粒（比重：３．２、モース硬度：９．３、最大粒子径：１２７ミクロン、５０％累積粒子径：５７ミクロン）を添加した。

次に、この中に上記ワーク３０を浸漬し、室温、２５ｋＨｚで１５分間、超音波を印加した。この時のワーク３０の部分の音圧は３．７ｋｇ／ｃｍ²であった。超音波処理後のバリＢの大きさを測定したところ、最大５．２ミクロンであり、適切にバリ取りが行われたことが確認された。

（第３実施例）
図６は、本発明の第３実施例に係るワーク３０の概略構成を示す図である。このワーク３０は、交差部分に貫通穴３５を有する十字型をなすアルミ製のワークであり、このアルミの切削によるバリＢを除去する例を示す。

この十字型のアルミワーク３０においては、長辺の長さＬ１が６０ミリ、短辺の長さＬ２が３０ミリ、貫通穴３５の直径が１５ミリ、ワーク３０の厚さが２０ミリである。このワーク３０は、１０５０の純アルミ押出し型材を２０ミリに切断してつくり、その後、切断面の面粗度を上げるため切削加工を施すものである。

この際、切削方向に応じて、図６に示されるようなバリＢが形成される。この時のバリＢの大きさは、最大３２ミクロンであった。バリＢが大きいと、たとえば他の部品との組付け精度に悪影響を与えるなどの不具合を生じる。

そして、この図６に示されるワーク３０について、超音波バリ取りを行った。ここでは、比重２．０に調節した重液としてのポリタングステン酸ナトリウム水溶液中に１０重量％のＢ₄Ｃ砥粒（比重：２．５、モース硬度：９．６、粒子径：５０ミクロン以下）を添加した。

次に、この中に上記ワーク３０を浸漬し、室温、４５ｋＨｚで１０分間、超音波洗浄した。この時のワーク３０の部分の音圧は２．５ｋｇ／ｃｍ²であった。超音波処理後のバリＢの大きさを測定したところ、最大４．０ミクロンであり、適切にバリ取りが行われたことが確認された。

このワーク３０を更に９５℃の１０％塩酸中に浸漬し、１００ｋＨｚで１５分間超音波洗浄で化学エッチングしたところ、バリＢは完全になくなり、エッジ部は丸みをおびた形状となった。

（他の実施形態）
なお、この砥粒入り重液としてのポリタングステン酸ナトリウム水溶液は超音波バリ取りだけでなく、現在、水に砥粒を混ぜている様々の砥粒加工技術にも応用することが可能である。例えばウォータージェット切断、液体ホーニング、噴流加工などである。これらにおいても均一分散砥粒の特徴が活かされるので、ワークの品質向上、作業性向上などに有効である。

本発明の実施形態に係る超音波バリ取り装置の概略構成を示す図である。ポリタングステン酸ナトリウムの添加割合とポリタングステン酸ナトリウム水溶液の比重との関係を示す図である。ポリタングステン酸ナトリウム水溶液の比重と音圧の関係を示す図である。本発明の第１実施例に係るワークの形成方法を示す工程図である。本発明の第２実施例に係るワークの概略構成を示す図である。本発明の第３実施例に係るワーク３０の概略構成を示す図である。

符号の説明

１０…ポリタングステン酸ナトリウム水溶液、１１…砥粒、２０…水槽、
３０…ワーク。

Claims

比重が１．０〜３．１の範囲で調節されたポリタングステン酸ナトリウム水溶液（１０）中に砥粒（１１）を添加し、その中にワーク（３０）を浸漬して超音波を印加することにより、前記ワーク（３０）のバリ取りを行うことを特徴とする超音波バリ取り方法。
前記砥粒（１１）として、比重１．０〜４．０の固体粉末を用いることを特徴とする請求項１に記載の超音波バリ取り方法。
前記砥粒（１１）として、前記ポリタングステン酸ナトリウム水溶液（１０）よりも比重が大きく且つ当該水溶液（１０）との比重差が最大１．２である固体粉末を用いることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波バリ取り方法。