機械加工の基礎：研磨加工

研磨加工は、硬い砥粒を用いて対象物の表面を削り取り、所定の寸法、形状、そして表面粗さに仕上げる除去加工の総称です。

旋盤やフライス盤による切削加工が、明確な形状を持った刃物で材料を削ぎ落とすのに対し、研磨加工は不定形の微細な刃物である砥粒が無数に集まった工具を使用します。この違いにより、研磨加工は切削加工では不可能な高硬度材料の加工や、ミクロン単位あるいはナノメートル単位の極めて高い寸法精度と平滑な表面仕上げを実現することができます。

現代の精密機械産業において、研磨加工は最終的な品質を決定づける最終仕上げ工程として位置付けられています。自動車のエンジン部品、スマートフォンのガラス、半導体ウェハ、そして巨大な望遠鏡の鏡に至るまで、その適用範囲は広く、ものづくりの精度を支える基盤技術です。

微細切削の集合体としてのメカニズム

研磨加工を巨視的に見れば、砥石を押し当てて削っているように見えますが、微視的に見れば、それは無数の小さな刃物による超高速切削の集合体です。

砥粒の挙動と切りくず生成

砥石の表面にある一つ一つの砥粒は、切削工具のバイトの刃先に相当します。しかし、バイトとは異なり、その形状は不規則であり、また被削材に対して非常に浅く食い込みます。砥粒が被削材に接触して通過する過程は、三つの段階に分けられます。第一段階は滑りです。砥粒が接触し始めますが、まだ食い込みが浅く、材料は弾性変形するだけで削り取られません。第二段階はかき取りです。材料は塑性変形を起こし、両側に盛り上がりますが、まだ切りくずとして分離されません。第三段階で初めて切削が起こります。食い込み深さがある限界を超えると、材料が剪断破壊され、切りくずとなって生成されます。研磨加工では、鋭利なバイトによる切削とは異なり、滑りやかき取りの割合が多くなります。さらに、砥粒のすくい角は一般的にマイナス、つまり負の角度を持っているため、材料を押し潰しながら削るような作用が強く働きます。

比研削抵抗とエネルギー

このメカニズムにより、単位体積の材料を除去するために必要なエネルギー、すなわち比研削エネルギーは、切削加工に比べて極めて大きくなります。一般的な旋削加工と比較して、数十倍から百倍ものエネルギーを必要とします。このエネルギーの大部分は熱に変換されるため、研磨加工においては熱の制御が最大の技術的課題となります。

砥石の三要素と五因子

研磨加工の主役である砥石は、単なる石ではなく、緻密に設計された複合材料です。その性能は、砥粒、結合剤、気孔の三要素によって構成され、さらに砥粒の種類、粒度、結合度、組織、結合剤の種類の五因子によって分類・管理されます。

砥粒

刃物となる硬質粒子です。一般鋼材の加工にはアルミナ質のWA砥粒などが、鋳鉄や非鉄金属には炭化ケイ素質のGC砥粒などが用いられます。さらに、焼入れ鋼や超硬合金などの難削材には、超砥粒と呼ばれるCBNやダイヤモンドが使用されます。

粒度

砥粒の大きさを表します。粗い粒度は能率的な粗加工に、細かい粒度は仕上げ加工に用いられます。番手と呼ばれる数字で表され、数字が大きいほど粒子は微細になります。

結合度

砥粒を保持する強さを表し、砥石の硬さとも呼ばれます。これは砥石自体の材質的な硬さではなく、砥粒が脱落しにくいか脱落しやすいかの度合いを指します。硬い材料を削る場合は、砥粒が摩耗しやすいため、新しい刃を次々と出すために結合度を低く、つまり軟らかく設定します。逆に軟らかい材料を削る場合は、結合度を高く設定します。

組織

砥石全体に占める砥粒の密集度合いです。砥粒同士の間隔が広い粗な組織は、切りくずの排出スペースであるチップポケットが大きくなるため、目詰まりしにくく、接触面積の大きい平面研削などに適しています。

結合剤

砥粒同士をつなぎ止める接着剤です。陶磁器のように焼き固めるビトリファイドボンドは、剛性が高く精密研削に適しています。合成樹脂で固めるレジノイドボンドは、弾性があり衝撃に強いため、切断砥石や重研削に適しています。

自生作用とツルーイング・ドレッシング

切削工具は切れ味が悪くなれば再研磨や交換が必要ですが、砥石には自ら切れ味を回復する独自の機能が備わっています。これを自生作用と呼びます。

自生作用のメカニズム

加工を続けると、砥粒の先端は摩耗して平坦になり、切れ味が低下します。すると、切削抵抗、研削抵抗が増大します。この抵抗が結合剤の保持力を上回ると、摩耗した砥粒は脱落したり、あるいは劈開して砕けたりします。その結果、その下から新しい鋭利な砥粒あるいは破断面が現れ、再び切れ味が復活します。このサイクルが適切に繰り返されることで、研磨加工は長時間連続して行うことが可能になります。

ツルーイングとドレッシング

しかし、自生作用だけに頼っていては形状精度を維持できません。そこで人為的な修正作業が必要になります。ツルーイング、形直しは、ダイヤモンドツールなどを用いて砥石の外周を削り、振れを除去して真円度を出したり、所定の形状に成形したりする作業です。ドレッシング、目立ては、砥粒の間に詰まった切りくずを除去し、結合剤を後退させて新しい砥粒を突出させ、切れ味を良くする作業です。一般的にツルーイングを行うと同時にドレッシングも行われることが多いですが、目的は明確に異なります。

研削熱と表面品位

前述の通り、研磨加工では多大な熱が発生します。切削加工では発生した熱の多くが切りくずと共に持ち去られますが、研磨加工では切りくずが微細であるため熱容量が小さく、熱の大部分が被削材、つまりワークへと流入します。これが深刻な問題を引き起こします。

研削焼け

ワーク表面の温度が変態点を超えて上昇すると、金属組織が変化します。焼入れ鋼の場合、高温になれば焼き戻し効果によって硬度が低下し、軟化してしまいます。さらに温度が上がれば再焼入れが起きて脆いマルテンサイト組織ができたりします。これらを総称して研削焼けと呼び、表面が酸化して変色するだけでなく、部品の強度や耐摩耗性を著しく損ないます。

研削割れ

熱による急激な膨張と、研削液による急冷、そして組織変化による体積変化が重なると、表面に引張残留応力が発生し、亀裂が生じることがあります。これを研削割れと呼びます。これらを防ぐためには、適切な研削液の供給、切れ味の良い砥石の選定、そして研削条件の最適化が不可欠です。

主な研削加工方式

対象物の形状によって、様々な研削盤と加工方式が使い分けられます。

平面研削

平らな面を作り出す加工です。ワークを磁気チャックなどでテーブルに固定し、高速回転する砥石の下を往復させます。砥石の外周を使う円筒砥石方式と、砥石の端面を使うカップ砥石方式があります。高精度な定盤や金型部品の加工に用いられます。

円筒研削

円筒状のワークの外周を仕上げる加工です。ワークの両端をセンタで支持して回転させ、そこへ回転する砥石を押し当てます。真円度や円筒度が求められるシャフトや軸受の加工における基本形です。

センタレス研削

円筒研削の一種ですが、ワークをセンタで支持しません。高速回転する研削砥石と、低速回転する調整砥石の間にワークを挟み込み、下からブレードで支えて加工します。ワークの芯出し作業が不要であり、長い棒材や小さなピンなどを連続的に通して加工できるため、量産部品の製造において極めて高い生産性を発揮します。

内面研削

穴の内側を仕上げる加工です。穴径よりも小さな砥石を高速回転させながら穴に挿入し、内面を研削します。砥石軸の剛性を確保しにくいため、高精度な加工には熟練あるいは高度な制御技術が必要です。

遊離砥粒加工と鏡面仕上げ

固定された砥石を使わず、砥粒を液状やペースト状にして加工する方法を遊離砥粒加工と呼びます。より平滑な面、あるいは鏡面を得るために用いられます。

ラップ加工

平坦な定盤、ラップ盤の上に研磨剤（砥粒と油の混合物）を広げ、その上でワークを押さえつけて摺動させる方法です。砥粒がワークと定盤の間で転がりながら微小な破壊を行うことで、極めて高い平面度と面粗さを実現します。ゲージブロックやメカニカルシールの摺動面などはこの方法で仕上げられます。

ポリシング

ラップ加工と似ていますが、定盤の上に柔らかい布やパッドを貼り、そこへ微細な砥粒を供給して磨く方法です。砥粒はパッドに保持されて弾性的にワークに作用するため、深い傷を残さず、光沢のある鏡面が得られます。

化学機械研磨 CMP

半導体ウェハの平坦化プロセスで用いられる技術です。化学的な腐食作用を持つ研磨液と、機械的な除去作用を持つ砥粒を併用することで、原子レベルで平滑かつダメージのない表面を創出します。

びびり振動の解析

研削加工において、表面に縞模様や鱗状の模様が現れることがあります。これはびびり振動と呼ばれる自励振動の一種です。

再生びびり

一度発生した振動によって砥石表面やワーク表面に微細な波打ちが形成されると、次の回転でその波打ちが振動を助長し、振幅が無限に増大していく現象です。機械系の剛性不足や、砥石のアンバランス、ドレッシング不良などが原因となります。回転数を変更して共振点をずらしたり、剛性の高い砥石軸を採用したりすることで対策します。

超精密加工への挑戦

現代の光学部品や電子デバイスでは、ナノメートルオーダーの形状精度と、原子オーダーの表面粗さが求められます。

ELID研削

電解インプロセスドレッシング研削の略です。導電性のボンドを使った微細な砥石を電極とし、加工中に電気分解を行うことで、目詰まりを化学的に除去し続けながら研削する方法です。これにより、数千番から数万番という極微細な砥粒を使った鏡面研削を、安定して行うことが可能になりました。

延性モード研削

ガラスやセラミックスなどの脆性材料は、通常は微小な割れ、クラックを伴いながら破壊除去されます。しかし、切り込み深さを極限まで小さくしていくと、ある臨界点以下で、金属のように塑性変形しながら削り取られる領域が存在します。これを延性モードと呼びます。この領域で加工を行うことで、脆性材料であってもクラックのない完全な鏡面を創成することができます。