大面積PCD製品の従来の機械的研磨方法では、砥石が力による変形の結果生じるバンプに接触するため、研磨時間が長くなり、局所的な厚みの薄れが生じる。 筆者は、研磨中に研磨面が砥石の端面に接触することを可能にするダブルロッカー揺動治具を設計し、利用した。
一、PCD製品
二、PCD表面の研磨パラメータの選択
多結晶ダイヤモンドは硬度が高いため、研磨加工は通常、ダイヤモンド研磨粉（ペースト）と鋳鉄ディスク、または砥石を用いて行われる。 しかし、ダイヤモンド砥粒（ペースト）と鋳鉄円盤による研磨の効率は低すぎるため、ほとんどの研磨は砥石（砥石は被研磨物の研磨面との接触面積が大きいため広く使用されている）で行われているのが実情である
PCD表面研磨品質要件：
(1)表面粗さRa≦0.05μm
(2)一貫した表面光沢、屈折表面なし
(3) 研磨されていないエッジがない。
(4) 不均一な陰影のリングがない
(5) 傷や汚れがない
PCD表面研磨の要求品質を達成するために、砥石の幅、稠度、砥粒、砥石と工作物の速度、研磨圧力、砥石のドレッシング時間を合理的に選択する必要があります。
まず、砥石の砥粒の大きさと砥粒の濃度を適切に選択する必要がある。 砥粒の大きさが粗すぎると、工作物の表面粗さが得られない。砥粒の大きさが小さすぎると、加工効率が低く、砥粒の切れ味が短時間にとどまり、研磨時の摩擦力が高く、温度が上昇する。 砥石幅が狭すぎると、寿命が短く、砥石ドレッシングの頻度が高くなり、被研磨面と砥石の接触面が小さくなり、研磨効率が低くなる。砥石幅が広すぎると、砥石端面のレベリングが難しくなり、砥石内輪と外輪の線速差が大きくなり、砥石内外の消費量差が大きくなり、研磨時の摩擦接触面積が大きくなり、被研磨物の放熱状態が悪くなる。砥石作用層中のダイヤモンド砂の濃度が高いと、砥石と被研磨面の接触時間を短くすることができる。 砥石の作用層中のダイヤモンド砥粒の濃度が高いと、砥石と被研磨面との接触時間を短くすることができるが、コストが高く、砥石の劣化が早すぎて、被研磨面に傷がつくことがある。
通常、琢磨工程では被加工物は低速で回転させられますが、これは被加工物が滑らかな回転を維持するために有益です。 砥石は通常高速で回転するため、PCD表面と砥石表面の間に摩擦が生じ、熱影響が生じます。
研磨工程中、被研磨面と砥石面の接触は、同時に適切な圧力を加えなければならないが、圧力が低すぎると、ジッターが発生しやすく、研磨面が波打ち、圧力が高すぎると、砥石の消費が速くなり、摩擦温度が上昇するだけでなく、駆動モーターの過負荷につながる可能性がある。
砥石面のトリミングを長時間行わないと、砥石の切れ味が悪くなり、研磨面が砥石面と一致するのに時間がかかり、加工能率が悪くなる。砥石面のトリミングを頻繁に行うと、砥石の消耗が早くなる。 砥石端面の凹凸と移行部の凹凸は、研磨面の光沢を失わせ、時には傷をつける。
三、従来の研磨方法と研磨装置の問題点
従来の琢磨装置は、砥石の高速回転と固定された琢磨治具による低速回転で被研磨物を保持し、被研磨面を砥石の端面に接触させ、一定の接触圧を加える。
以前は、PCD製品の厚みが大きく、研磨する表面積が小さい場合（砥石エンドリングの幅以下またはそれに近い）、従来の研磨装置を使用して研磨を行うのが適切であった。 技術の進歩に伴い、PCD製品の大面積化は砥石幅の2倍以上となり、被研磨物の厚みも以前よりかなり薄くなった。 PCD製品の研磨面積が26cm2以上、厚みが2mm以下になると、力による変形で研磨面の平坦度が悪化し、研磨が難しくなる。 従来の研磨装置で大面積のPCD薄片を加工する場合、次のような問題がある：
(1)従来の研磨装置では、冶具（およびクランプされた被加工物）の回転中心と砥石の端面との間に相対的な動きがないため、被研磨面が砥石に接触しているとき、研磨面全体にわたる最初の接触点（または面）の分布が決定的に重要である。 初期接触点（または面）が少なく（適合不良として知られている）、比較的局所的である場合、これらの点または面を除去することによってのみ、他の点（または面）を砥石の端面に接触させることができる。 その結果、研磨時間が長くなり、加工効率が低下する。
(2)ワークの回転中心と砥石の端面との接触線が固定されているため、研磨面のすべての部分が砥石と接触している（完全に一致している）場合でも、ワークの研磨面の幅（長さまたは直径）が砥石のリングの幅より大きい場合、各部分の接触比率が異なり、ワークの外側の接触比率が中央の接触比率より明らかに小さくなり、研磨面に異なる明暗の屈折リングが発生しやすくなり、要求品質を満たすことができない。
(3)研磨中、研磨面の中央部は砥石の端に残り、中央部の摩擦熱は外周部の摩擦熱より大きい。 大面積で薄いPCD製品の場合、局所的な熱によりワークの変形が大きくなる。
(4) 応力変形は、被研磨面の平面に凹凸や歪みを生じさせる。 これは、砥石端面をドレッシングするか、砥石端面と被研磨面を研削して、砥石端面と被研磨面をできるだけ一致させる（被研磨面がより多くの接触点を得て均一になる）ことによってのみ達成できる。 しかし、応力変形はランダムであり、表面の歪みにより、各ワークの表面状態は大きく異なる。 あるワークのPCD表面に一致させるために砥石端面をトリミングまたは研削した場合、そのワークは別のワークと交換され、再び一致しなくなり、新たな一致を達成するために砥石を再度トリミングまたは研削しなければならない。
(5) 様々なPCD製品間の表面形状の違いにより、同じ砥石端面が両方のワークのPCD面に合わせて同時に再形成される可能性は極めて低い。 仮にそうであったとしても、1つの砥石で2つの大きなPCD製品を同時に研磨するため、摩擦温度上昇はさらに高くなり、ワークの中央部は砥石から解放されない（放熱性が悪い）。 従来の研磨装置（同じ砥石を使用）では、2つの大型PCD製品を同時に研磨するのに要する時間が大きく異なるだけでなく、研磨面が焼けやすいほど高温になる。
四、改善計画の特定
以上の分析から、研磨面と砥石端面との接触度を向上させることが、研磨効率を向上させるために不可欠であることは明らかである。 研磨プロセス中、被研磨面の回転中心が砥石端面の方向に移動するのを許容し、接触適合度を向上させるために適応接触機能を使用するのが有利である（特に中凸の変形研磨面の場合）。 ワークの回転中心が砥石端面の元の接触線から離れると、研磨面の砥石端面との元の接触点（面）の一部が剥離し（微視的に見ると、砥石端面は半径方向に沿って千鳥状になっており、平面ではない）、元の安定した接触状態が崩れる。 適応接触機能により、砥石端面と接触していない点（面）が砥石端面と接触するようになるため、新たな接触点（面）が追加され、相互の接触適合性が向上し、研磨時間が短縮される。
工作物の回転中心が砥石の端面に変位することには、次のような利点もある：
(1) 研磨プロセスは、砥石と被研磨面との相互研磨プロセスであり、被研磨物が変位する間に、砥石端部の高い位置が平坦化され、これにより、被研磨面に発生する可能性のあるリング状の屈折リングが除去されるだけでなく、砥石端部の平坦性のドレッシングの難易度も低減される。
(2)研磨面の中央と端と砥石の端面との接触確率がバランスされ、ワークがどこでも均一に加熱される。さらに、研磨面の大部分が砥石の端面から移動され、ワークの放熱条件が改善され、研磨工程による熱変形が減少する。
(3)表面の変形状態が異なるワークの同時研磨に要する時間を短縮。 被研磨面が砥石端面に順応するため、砥石端面を被研磨面に順応させるドレッシングが不要となり、ワークの放熱性が向上するため、同一研磨機（同一砥石）で大面積PCD製品2個同時研磨が可能となる。
砥石端面の接触線に対する研磨面の回転中心の変位を実現する方法には、スピンドル（砥石）を高速回転させながら偏心揺動を行う方法と、ワークの回転中心を砥石の半径方向に沿って、または一定の角度内（中心圧点が砥石端面から離れない）に変位させながら揺動を行う方法があるが、資料によると、海外で生産されている研磨装置は、砥石を高速回転させながら偏心揺動を行っている。
ダブルロッカー揺動機構の原理を利用し、回転、加圧、揺動、重ね合わせ片の接触に自己適応する治具を設計し、ワークが一定の角度内で揺動し（中心加圧点が砥石端面から離れない）、砥石端面の研磨面の回転中心の変位を達成できるようにしています：
(1)コストが低く、機械構造が比較的簡単で、従来の研磨装置の基本構造を維持できる（クランプ部のみ変更）。
(2)研磨環境は比較的悪い（粉塵が多い）ので、伝統的なスクリューとレール駆動機構の使用はコストが高く、粉塵が可動部に入りやすく、寿命が短くなる（保護が難しくなる）；カムや空気圧、油圧機構の使用は構造が複雑で、外部付属品が多い；一方、4リンク機構は構造が簡単で、動作が確実であるだけでなく、保護が簡単で、環境に適応でき、研磨装置に適している。
(3) オプションの4リンク機構のツインジョイスティック揺動機構は、1つの駆動モーターでワークの回転と回転中心の一定角度内の揺動を同時に行うことができる。
(4)操作の複雑さを増すことなく、元の固定構造冶具の多くの部分を使用することができる。
五、比較実験と分析
新構造（ダブルロッカー振動研磨治具を装備）と従来の研磨機（固定研磨治具を装備）との比較試験が行われた。
従来の研磨機では、新しい砥石が研磨面に一致しても、研磨面の平滑性が十分でなく、研磨効果が低い（研磨面に光沢がなく、傷がある）のに対し、新構造の研磨機では、研磨後の表面品質が要求を満たしており、研磨面がワークの変位中に砥石の端面にドレッシング効果を発揮していることが証明された。
従来の研磨機では、一定時間加工した後、研磨面の研磨部と未接触部の境界がはっきりしていることを確認し、砥石の端面をドレッシングせずに研磨を続けると、時間がかかるだけでなく、中心部のPCD層の厚みが薄くなる可能性があることを確認した。 新構造の研磨機で、同じ時間の加工を観察したところ、表面の研磨部と未接触部の境界が不鮮明で、エッジに接触痕があり、研磨後、研磨面の平坦度を確認したところ、研磨前と基本的に同じであった。 凹面を持つワークを選んでテストしたが、表面の研磨領域が端から中央まで広がっていることを除けば、状況は基本的に同じであった。
その結果、砥石の端面が基本的に被研磨面に一致しているにもかかわらず、新構造の平均加工効率は従来の研磨機よりも20％高いことがわかった。
2つの固定研磨治具を持つ研磨機で、2つのワーク（研磨面の変形量は同じ）を同時に加工し、研磨面の一方が砥石の端面に完全に接触し、もう一方が50％の接触痕しかない場合、砥石の切れ味を維持しないと（そうしないとワークの表面が焦げてしまう）、頻繁に加工を中断しなければならないほど、ワークの温度上昇が速く高いことを発見した。 その結果、研磨面の品質が要求を満たすだけでなく、1個あたりの加工時間は1個の場合より約10％高いだけで、2個間の研磨時間の差はわずかであることがわかった。 このことから、2つの両振り研磨治具を装着した研磨機は、従来の研磨機に比べて加工効率を80％向上させることができることが実証された。
六、結論
(1) 研磨において被研磨面が砥石の端面と一致しない場合、改良型研磨装置で研磨すると、従来の研磨装置に比べて加工能率が大幅に向上（少なくとも20％以上向上）し、被研磨物の放熱条件も大幅に改善される。
(2) 研磨面にリング状の屈折リングがないため、研磨ワークの表面品質が著しく向上する。
(3)改良された琢磨機では、砥石端面の仕上げは、滑らかな仕上げだけでなく、被琢磨面に可能な限り近づけることが要求される従来の琢磨機に比べ、難易度が低い。 新構造では、被研磨面と砥石端面が一致した段階で砥石端面を研磨すればよい。
(4) 多結晶ダイヤモンド用研磨装置の改良により、1台の装置で大型の多結晶ダイヤモンド製品2個を同時に研磨できるようになり、装置の稼働率が80％向上した。
