ラッピングプロセス徹底解説：原理、種類、材料、用途

こんにちは、読者の皆さん。今回の記事では、ラッピングプロセスとそのサブトピックである定義、作動原理、種類、材料、利点、欠点、用途について詳しく学びます。

ラッピングプロセスとは

ラッピングは、工作物の寸法精度と表面仕上げを向上させる低圧力機械加工プロセスです。ラッピングプロセスでは微細な研磨粒子を用いて工作物表面に切削作用を行います。

工作物をラッピングプレートに擦り付け、その間に粉末研磨粒子または研磨ペーストを介在させます。機械または手作業で行います。

ラッピングプロセスは工作物表面を平滑化し、機能性と美観を向上させます。また、2つの工作物間の正確な嵌合確保や微小な不完全さの修正にも用いられます。

ラッピングプロセスの原理

ラッピングプロセスの基本的な作動には3要素が関与します：工作物、ラッピングプレート、研磨粒子。

研磨粒子をラッピングプレート上に散布し、工作物をその上で擦ります。

プレートと工作物の相対運動時に力が加わると、研磨粒子が工作物から微小な材料を除去します。研磨粒子は工作物表面の微視的な山と谷を削平・低減させる傾向があります。

ラッピングプロセスの特徴

• 使用研磨粒子の粒度は所望の表面滑らかさに応じて120〜1,200メッシュの範囲
• 研磨材は粉末状、または適切なオイルやグリース（ビークル）と混合して使用
• 材料除去量は非常に少なく、約0.025mm
• 手作業または機械で実施可能
• 一般的に鋼材などの硬質材料がラッピングされる
• 他の表面仕上げプロセスと比較して加圧が低い

ラッピングプロセスの種類

ラッピングプロセスには2種類があり、それぞれさらに細分化されます：

1. 手ラッピング
2. 機械ラッピング

1. 手ラッピングプロセス

すべての力が手作業で加えられるラッピングプロセスを手ラッピングと呼びます。工作物の表面品質向上に用いられる手ラッピングシステムには2種類あります。

1.1 平面ラッピング

ラッピングプレートは灰色鋳鉄製で、金属切り屑と廃研磨粒子を集める溝が設けられています。

所望の粒度の研磨材をラップ上に振りかけ、工作物を慎重に擦ります。必要に応じて同メッシュの研磨材を追加し、適切な流体を使用します。熟練オペレーターによる実施が必要です。完了後、次回使用に備えてラップを清掃します。

注意： 過剰な研磨材使用はラップを損傷し、不適切な仕上げやラップ破損を招く可能性があります。

1.2 円筒ラッピング

円筒工作物の内外面ラッピング用ラップは、軟鋳鉄、銅、黄銅製です。

内面ラッピングでは、ラップを内径に密着させ、工作物に対してランダムな軸方向運動を行います。これにより工作物とラップ両方の表面仕上げが向上します。研磨粒子はオイルやグリースと混合して使用。

外面ラッピング用ラップはリングラップと呼ばれ、ネジで様々な径に調整可能です。工作物を旋盤で保持して回転運動を与え、リングラップを往復させます。オイル・グリース混合研磨材を使用できます。

2. 機械ラッピングプロセス

機械を用いてラッピング操作を行う場合を機械ラッピングと呼びます。工作物タイプに応じた様々な機械ラッピングプロセスを以下に示します。

2.1 立型ラッピング盤

立型ラッピングセットアップは下ラップ、上ラップ、工作物保持装置で構成されます。工作物を下ラップ上に置き、ジョブホルダーで位置決めします。上ラップは工作物の荷降ろし・積み込みに使用します。

操作開始前にペースト状ビークルと混合した研磨粒子をラップに塗布します。平面ラッピングでは下ラップを固定し、円筒ラッピングでは下ラップを移動させます。

立型ラッピング盤で加工される工作物の例：精密ゲージブロック、ローラーベアリングのローラー、ボールベアリングの球。

別タイプの立型セットアップでは、下ラップに研磨布を固定し、同一工作物をワークホルダー上でランダムに移動させてラッピングします。これをトランスポージングと呼びます。

注意： 平面加工時は下ラップを固定する必要があり、そうでないと倒れる恐れがあります。

2.2 センターレスラッピング盤

センターレスロールラッピングは、調整ローラー、ラッピングローラー、工作物、Vノッチファイバースティックで構成されます。調整ローラーはモーターで駆動されセットアップに回転運動を与えます。

ラッピングローラーは反対方向から工作物をラッピングします。ラッピングローラー径は調整ローラー径の2倍。両ローラーは安定性と低コストのため鋳鉄製です。

ローラーに研磨粒子を結合。Vノッチファイバースティックで工作物を保持しローラー間に供給。工作物は非常に低速で往復運動しながらローラー間に送られます。研磨粒子の作用により材料除去が起こります。センターレスラッピングでは0.05µmの極めて微細な仕上げが可能です。材料除去は非常に遅いです。

2.3 球面ラッピング盤

球体工作物をラッピングする機械は異なる構造を持ちます。2つのスピンドルを使用します。

工作物を第1スピンドルに取り付け回転運動を与えます。第2スピンドルで工具を工作物に対して一定角度で保持します。工具スピンドルから工作物に圧力も加えられます。工作物に回転運動を与えると、研磨工具と工作物の接触により材料除去が起こります。

2.4 ベルトラッピング

ベルトラッピングは、ラッピング用研磨布ベルトを使用します。ベルトはモーターで駆動され、2つのホイールで駆動されます。工作物をホイール上のベルトに手で接触させます。工作物と移動ベルトの接触後に材料除去が起こります。低精度仕事に便利なラッピング方法で、工作物クランプの必要がありません。

ラッピングプロセス用研磨材

• 工作物材料硬度に応じて異なる研磨材を使用
• 硬質材料用：炭化ケイ素、溶融アルミナ
• 軟質材料用：酸化クロム、未溶融アルミナ、ガーネット

ラッピングプロセス用ビークル

ラッピングプロセス用ビークルは一般的に水溶性オイル、植物油、鉱油、ワセリン、グリースです。ビークルには以下の特性が必要です。

• 研磨粒子が混合時に均一に分散し、ダマがないこと
• 温度変化で粘度が影響されないこと
• 高温で蒸発しないこと
• 金属表面の腐食を促進しないこと
• 無毒であること
• 工作物に付着せず、簡単な洗浄で除去可能であること

ラッピングプロセス対象材料

ラッピングプロセスを受けられる元素・化合物は多数あります。主なもの：鋳鉄、セラミックス、タングステン、プラスチック、炭素化合物、ステンレス鋼、青銅、ゴム、シリコン。

ラッピングプロセスパラメータ

• ラッピング速度： 理想的なラッピング操作では1.5〜4 m/sの範囲
• ラッピング圧力： 材料硬度と研磨粒子により依存。軟質材料で10〜30 kPa、硬質材料で最大70 kPa
• ラッピング代： ラッピング時間に比例。代が増えると時間も増加。被削材にも依存：
  • 鋳鉄：0.2mm
  • アルミニウム合金：0.1mm
  • 軟鋼：0.05〜0.1mm
  • 焼入れ鋼：0.005〜0.02mm

ラッピングプロセスの利点

• 材料表面の山と谷を低減し表面仕上げを向上、美観も付与
• 嵌合部品間の摩擦を低減し、嵌合部品寿命を延長
• 工作物の幾何形状と寸法を向上、完璧な嵌合を保証
• プロセスに伴う熱が最小限のため、工作物表面内部に熱応力が発生しない
• シンプルさとコンピュータ制御の不在により、非熟練労働者でも実施可能
• 平行に配置された2部品間の平行度を向上、各種接合作業に有利

ラッピングプロセスの欠点

• 研磨材損失が多く高コスト。研磨作業での研磨材使用量増加が生産コスト上昇を招く
• プロセスが非常に遅い。金属除去率が極めて低く、加工時間が長くなり生産率低下
• 廃棄物管理が課題。大量の研磨廃棄物が発生し、処分が困難
• 一部の研磨化合物が工作物表面に埋め込まれ、後から工作物損傷を招く可能性
• 一般的に自動化されておらず、労働集約的で生産コスト増大

ラッピングプロセスの用途

• 他の方法では研磨困難な硬脆金属の研磨
• 遅い材料除去率を活かしたガラス等の加工
• 冶金試験用試料作製に広く使用
• 均一な材料除去特性を活かしたバルブ製造
• 自動車産業での各種研磨作業