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研磨加工とは?基本的な定義と種類・方法の基礎を徹底解説

研磨加工

研磨加工は、物体の表面を滑らかにするために行われる重要な作業です。

本記事では、研磨加工の基本的な定義と種類、方法について詳しく解説します。
研磨加工には切削や研削といった機械的なエネルギーを使用する方法や、化学エネルギーや電気エネルギー、光エネルギーを利用する方法があります。

種類に関する解説から、代表的なラッピング・ポリシングについて詳しいところまで見ていきましょう。
本記事を読むことで、研磨加工の基礎知識を深められます。

河田 研治
監修者:河田 研治

株式会社斉藤光学製作所技術顧問。専門が「研磨加工」と「微粒子分散」の技術コンサルタント。1976年、東北大学工学部を卒業後にタイホー工業株式会社 中央研究所にて磁性流体や研磨加工の研究に従事。1987年、東京大学より工学博士号(機械工学)を授与。2001年から3年間、東京大学生産技術研究所の客員教授。その後10年間は、研磨材メーカーの株式会社フジミインコーポレーテッド。さらにその後10年間は、国立研究開発法人 産業技術総合研究所 招聘研究員だった。

研磨加工とは?

まずは、研磨加工とは何なのかを見ていきましょう。

あいまいな研磨の定義

ネットで研磨加工について調べてみると、「研磨と研磨材の種類」というホームページには以下のように書かれています。

研磨(けんま)とは、物体の表面を少しずつ削り落とすことで、表面の凹凸を滑らかにしていく作業工程のことです。

もう少し詳しく言えば、ものを削っていく「研削作用」と、表面に光沢やツヤを出していく「琢磨作用」の両方を「研磨」と呼んでおり、研磨の種類によっては「削り取る作用」がほとんど起きないものもあります。

実際の加工現場では、後者の琢磨作用のみを研磨といったり、前者を研削と定義したり、厳密に使い分けている業界・分野もあります。
ですが、研磨はこのように物を削る作用と、磨いてツヤを出していく作用の両方で使われる用語です。

引用元:研磨の意味

「なんだか、あいまいだなあ・・」と思いませんか?

私の尊敬する、研磨界の大御所 安永暢男先生は、著書「研磨加工の基礎知識」で、以下のようにはっきり「あいまい」だと仰っています。

『実は、研磨加工は古くから利用されてきた技術・技能であるためか、その定義はあいまいで、明確な規定がないのが実情です。砥粒加工学会が編集した『切削・研削・研磨用語辞典』でも、研磨加工とは「工具に摺り付けて研ぎ磨くこと」、「工具であるラップ、ポリッシャ、砥石などに研磨剤や研磨液を介して工作物を擦り付ける加工操作の研磨法」と大ざっぱな定義にとどまっています。』

引用元:研磨加工の基礎知識

研磨の一般的な定義

こうまであいまいだと、あまり学問としては成り立たなくなってしまいそうですが、大丈夫です。
最近では、切削・研削・研磨の三つの加工法を、以下2つの違いで明確に区別する考え方が一般的になっています。

  • 加工に関与する切れ刃の数
  • 工作物の形状を決定する原理(形状転写の原理)

具体的にどのように違うのでしょうか?

切削・研削・研磨の違い

研磨加工の種類について、下記の図を使用して分かりやすく説明します。

研磨と研削、切削の違い
図1.各加工法における工具切れ刃数と形状転写の原理

単刃工具加工と多刃工具加工の違い

まず、加工に関与する切れ刃の数は、旋盤に代表される切削では、バイトの刃一つです(稀に複数の場合もあるが、それでも2~数個)。
それに対し、砥石を用いる研削において、砥石を構成する砥粒の刃は無数にあります。
研磨材を水などに溶いた研磨材スラリーを使う研磨加工においても刃の数は無数にあります。

このように、「単刃工具」加工である切削と「多刃工具」加工の研削や研磨とは明確に違いです。

工作物の形状を決定する原理の違い

次に、工作物の形状を決定する原理(形状転写の原理)の違いに目を向けてみましょう。
切削や研削では、切れ刃を保持する工具(バイトや砥石)の運動や変位がそのまま加工面に転写されることになります。
このことを「運動転写原理」と言います。

一方、研磨においては工具の運動ではなく、工作物に工具(研磨の場合はパッドや金属定盤、あるいは固定砥粒定盤が工具となる)をバネ力で押し付ける圧力で形状を転写する原理=「圧力転写原理」を用いています。

このように、「運動転写原理」を用いる切削や研削と、「圧力転写原理」を用いる研磨とは明確に区別できることになります。

研磨の歴史と目的

さて、ここで研磨の歴史を紐解いてみると、古くは一万年ほど前の石器時代にさかのぼります。
このころの遺跡から発掘される数多くの石器刃物類に研磨の跡が見られました。
当時は、刃物としての機能を得ることを目的として研磨が行われていたことが分かります。

縄文時代から弥生時代になると耳飾りやペンダントといった装飾品に研磨の跡が見られます。
美しい艶や形にその価値を見出すデザイン機能を得ることが研磨の目的でした。

さらに、海外に目を向けて時代も進むと、ルネサンス時代のガリレオが造ったとされる望遠鏡に使用されたガラスレンズに究極の研磨の跡が見られます。
光の屈折や集光といった光学上の機能まで研磨の目的は進んでいったのでした。

このような経緯を踏まえて、研磨とは何かを考えてみます。
研磨とは、「物体の表面を少しずつ削り落とすことにより、表面の凹凸を滑らかにしていく作業のこと」です。
個々の材料の特徴を活かした機能を付与し、材料の価値を高めるために行われてきたと言えるでしょう。

研磨に求められる要件

最近の研磨は、非常に高度な形状精度や、加工の品位・品質、さらに高い能率・効率といった要件が求められてきています。
具体的に、現在の研磨加工に求められる要件は以下の通りです。

  1. 加工精度 その1.「平坦性」:反りや縁ダレといった工作物の形状精度、加工面の平坦度
  2. 加工精度 その2.「平滑性」:加工面の表面粗さ、光沢度など
  3. 加工品位 その1.「無欠陥」:表面の傷や内部のダメージ、加工変質層、残留応力など
  4. 加工品位 その2.「無汚染」:金属汚染、パーティクル、有機物汚染など
  5. 加工能率 「効率性」:除去能率、スループット

以上の5つのポイント、「平坦性」「平滑性」「無欠陥」「無汚染」「効率性」については日頃、充分注意を払ってクレームの起きないように作業することが大事です。

研磨加工法の種類

現在行われている研磨加工法は以下の図の通り、使用するエネルギーや砥粒の使い方などに分類して示します。

図2.研磨加工法の分類

上図のように、大別すると以下の4つに分類できます。

  • 機械的なエネルギーを使用する「機械加工」
  • その他のエネルギー
    • 化学エネルギー
    • 電気エネルギー
    • 光エネルギー

機械的なエネルギーを使用する機械加工

まず、機械的なエネルギーを使用する機械加工について見ていきましょう。

機械加工は図1に示したように、加工に関与する切れ刃の数によって、以下2つに分かれます。

  • 切削:単刃工具を使用する
  • 砥粒加工:それ以外のもの

さらに、砥石や研磨シート/フィルムなど、砥粒を樹脂等により結合して使用する「固定砥粒加工」と、砥粒を水などに溶いた研磨材スラリーを使用する「遊離砥粒加工」に分類されます。

「固定砥粒加工」のうち、「研削」は図1で説明したように「運動転写原理」を用いて工作物の形状を決定する方法であるため、狭義の研磨法からは除外されます。
固形の砥石に押し当てたり、シート状に固めた研磨材に押し当てたりする方法が研磨加工法の一方の勢力としてしばしば用いられています。

しかし、世の中でもっとも広く用いられているのは、遊離砥粒加工であるラッピングやポリシングです。
このほか、樽(バレル)の中に砥粒と小径の工作物を混入して回転させて研磨する「バレル研磨」なども「遊離砥粒加工」に含まれます。

その他のエネルギーを使用する研磨

その他のエネルギーを利用する研磨法には、一例として以下のようなものがあります。

  • 薬品の化学作用で表面を溶かしながら研磨する「化学研磨」
  • 電気エネルギーを利用して、電気分解で工作物である各種金属を溶かすことにより表面を仕上げる「電解研磨」

研磨加工の手順・やり方

研磨加工の手順・やり方は、各研磨法によって異なります。
ここでは、最も汎用的な研磨法である、ラッピング/ポリシングについて見ていきましょう。
ラッピングとポリシングは、それぞれ以下の役割があります。

  • ラッピング:比較的大きい砥粒を用いるため加工速度も比較的高く、工作物を所定の形状や寸法に作りこむのに適している
  • ポリシング:ラッピングの後に、表面状態や寸法を精密に仕上げる

より具体的な内容は次の通りです。

ラッピング

ラッピングは、工作物(ワークともいう)を鋳鉄や金属で作られたラップと呼ばれる板状の工具で数~数μmオーダーの砥粒(粗くて工作物よりも硬い材質のものが使用される)を水や石油などを適量混合したスラリーを、その間に介在させて、互いにこすり合わせます。

それにより、砥粒の切れ刃によって、工作物の表面を微小量ずつ取り除いていきます。

ポリシング

ポリシングは、工作物を樹脂や布で作られたポリシャと呼ばれる工具に適当な圧力で押し付け、サブミクロン~数十nmオーダーの非常に細かい砥粒(微細で軟質なもの)を使用して仕上げていきます。

ポリシングは最終仕上げの研磨法として位置づけられており、加工ダメージを極力減らすことが必要です。
このため、工作物と化学的に反応する砥粒や添加剤、加工液が使用されることもあります。

まとめ

研磨は、物体の表面を削り落として凹凸を滑らかにする作業で、材料の特徴を活かした機能を付与します。

現代の研磨では高度な形状精度や品質が求められ、平坦性、平滑性、無欠陥、無汚染、効率性などの要件を満たす必要があります。
そのため、弊社のようなプロの技術が不可欠です。

研磨について、お困りのことがありましたら、お気軽にお問い合わせください。

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