［ 特論 ］リンギング現象と鏡面ラップ技法

　リンギング現象と鏡面ラップ技法

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細目次	●前書き	→
	●リンギング現象とは重力問題であるということ	→
	●リンギング現象の有用性について	→
	●リンギング現象の弊害	→
	●鏡面ラップ技法について	→

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□前書き

　リンギング現象の本質と言えば、いわゆる「分子間引力説」が正しい。
　現代物理学の教えるところに拠れば、この世界には４つの力があって、「重力」と「電磁気力」、「強い力」と「弱い力」があるとされている。このうち、物質界に働く力は「重力」と「電磁気力」になるのだが、原子それ自体は原子核にある陽子とそれを取り巻く電子との間での電磁気力は中和され平衡されているから電気的にはニュートラルになるから、何らの力も発現しない。
　結果として「重力」だけが残るから、リンギング力というものは重力の作用としてもたらされるものであるということに帰結する。

　「重力」という問題は、ニュートンの古典的物理学からアインシュタインの現代物理学に至る、しかしまた、この現在に至ってもなお物理学上の最大のアポリア（難題）であり続けているテーマであるから、リンギング現象という卑近な現象からどこまでこのアポリアにアクセスできるかは分からない。　
　しかしながら、問題へのアクセスの視角を確固としたものにすることによって、リンギング現象をもたらすべき鏡面ラップ技法について、さまざまに有益な示唆がもたらされるであろうことは間違いない。

　以下に、既に他の論稿でも論じてきていることとの重複を恐れずに、ここでまとめて論じようと考える。


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□リンギング現象とは重力問題であるということ

　２個のブロックゲージのそれぞれの測定面を合わせるとピタッとくっつくわけなのだが、そのくっつき方が「吸着力」に基づいているという認識から始まる。
　リンギングという現象について、それが「接着」という現象であって、「接着して離れ難い抵抗力」という理解が一方でなされる場合があるのだが、そうではなくて、積極的にくっついていく「吸着力」であって、「吸着するから分離させることに抵抗を生じる」と理解されなければならない。
　「接着」か「吸着」かは、そこから出発するべきリンギングという現象の理解について、決定的とも言える違いが生じていくだろう。

　「吸着力」ということは、実際には、そこには「引力」が働いているわけで、ニュートン力学（古典物理学）では、二つの物体間に働く引力というものは、　
「二つの物体の質量に比例し、その二つの物体間の距離の二乗に反比例する」という定式に法則化されている。高校物理で学ぶ基本常識ではある。

　この法則式に基づけば、二個のブロックゲージの質量というものは些細なものでほとんど無視できる程のものなのだが、その間の距離が小さくなればなるだけ相互間に働く引力というものは大きなものとなり、計算上では、その間の距離がゼロとなった場合、相互間に働く引力は「無限大」になるということが示唆される。引力が無限大になるということの実際的な意味は、二個の物体が完全に一体化して分離され得ない状態ということを示唆するものである。

　従って、二個のブロックゲージの間の「距離」というものを考えた場合、二面間の距離が微小に接近すればするだけ、その面間に働く引力が大きくなるという、そういう理屈なのである。

この場合、ニュートン力学では「質点」というものを前提に置いているのだが、リンギング現象を考える場合には、二面間のそれぞれの表面上に並ぶ原子の間での引力を考えるから、「質点」ということは成り立たない。
　「質点」ではなく、向き合った原子一個ずつの間に働く引力を考えるのだが、その原子一個一個は固体として存在している集合構造にあるから、引力の作用は複雑な方向性が交錯した状態に置かれる。

　ブロックゲージの面というものが、可能な限りの平坦度と面粗度が実現されていれば、その表面では原子の並びが一様なものとなるから、二面間では、その面積に応じた原子間引力が働くことになる。

　量子力学的な知見に拠れば、二個の原子間に働く引力というものを採り上げた場合、それぞれの原子は原子核とその外周の電子殻との間では電気的に中性となっている訳なのだが、相互の引力に基づいてどこまでも近接できるというものではなくて、双方の原子の電子殻同士のの反発力によって、一定の距離以上には近接できないということになる。物体が物体として存在できるのは、この原子間引力と反発力との間でのバランスができている状態が保たれているからであって、ただ、この「バランスが取れている」ということのためには、更にいろいろな条件がまとわりついてきているということのようである。

　これらの事々は、「表面物理」とか「固体物理」といったタイトルで研究されているのだが、なかなか一筋縄では理解できない分野である。
　参考できた文献（刊行書）を幾つか掲記しておこう。

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　藤田英一著　　アグネ技術センター刊　　1999年6月初版3刷
　『金属物理　ー材料科学の基礎ー　』　

　H.P.Myers著　永澤訳　　アグネ技術センター刊　1993年3月初版1刷
　『固体物理学概論』

　J,N,イスラエルアチヴィリ著　近藤/大島訳　朝倉書店刊　2009年9月第13刷
　『分子間力と表面力　第２版』

　Charles Kittel著　宇野他訳　丸善刊　平成24年10月第7刷
　『キッテル　固体物理学入門　第８版』（ハードカバー版

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　以上のことを踏まえると、リンギング現象を実現しようとすれば、ワーク表面の平坦度と面粗度を可能な限り高めるということが必要なのだが、こういったことは当然昔から弁えられていたことなのであって、ヨハンソン社のブロックゲージを手にして「どうすればこれだけリンギング力が強い仕立て上げが可能なのか？」という問題意識は広く共有されてきたのであった。

　ただ、私らの立場から言えば、現状においてリンギング現象が確保されているブロックゲージが、どういう条件の下でそのリンギング力が失われるか？を考えるわけである。


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□リンギング現象の有用性について

　ブロックゲージの寸法というものは、単体では、その両測定面の平坦度（平面度）と面粗度、平行度によって寸法値が実現されている。その故に、Ａブロックゲージのａ寸法値と、Ｂブロックゲージのｂ寸法値を組み合わせたものの寸法値が正しく（ａ＋ｂ）寸法値であるためには、その組み合わせた面の間に何らの挿雑物も介在していないということが保証されていなければならない。
　この場合、挿雑物がないということは、物理的に、これら両ブロックゲージの測定面間でリンギングできているということで保証される。
　従って、ブロックゲージを使用する場合、リンギングしないとか、リンギング力がひどく劣弱であるという場合は、ブロックゲージ表面が一定の磨損が生じているとか、微細なキズを被っているとかが原因と考えられ、場合によっては寸法基準として用いるには不適合であるとして「差し替え」「廃棄」しなければならないということになる。

　リンギング力が劣化してきている、あるいは、リンギング力の発生が阻害されていると判断される場合、それは、ブロックゲージ表面上に生じたキズの盛り上がり（カエリ）の所為であるとか、床上に落下させた場合に生じたカエリだとかを補修する方法として、アルカンサス砥石でブロックゲージ表面を摺り合わせるという方法が広く採用されている。
　アルカンサス砥石の研磨力というものは、表面のキズ等の盛り上がりを除却する力はあっても、ブロックゲージ表面を研磨してしまうだけの効用はない。従って、ブロックゲージ表面を削り込むという心配はしないで済むから、ブロックゲージ表面をアルカンサス砥石で摺り合わせても、それによってブロックゲージの寸法値に何らか悪影響を及ぼすということはない。
　ここら辺りの点において、従前より何か「誤解」が根強く存してきていたのではないかと思えるのだが、つまり、アルカンサス砥石は超微細な精密研磨に用いられる砥石であるから、アルカンサス砥石でブロックゲージ表面を摺り合わせるということは、超微小な寸法値においてブロックゲージ表面を「一皮剥く」ことであると理解されているようではある。
　実際には、アルカンサス砥石はブロックゲージ表面を削り込むような研磨力（ラップ力）はないから、逆に、ブロックゲージの表面メンテナンスに使用できるべき効用を発揮するものであるということなのである。

　さて、上述の、二個のブロックゲージをリンギングさせた場合に実現される（ａ＋ｂ）寸法について、もう少し考えないといけないことがある。
　Ａブロックゲージのａ寸法というのは、そのブロックゲージの校正証明書の記述に明らかなように、「最大値」「最小値」並びに「中央値」がある。
　つまり、ブロックゲージのａ寸法には、決して理想的な平面度と平行度が実現されているわけではなく、それぞれに「偏差」があるわけである。
　そのように「偏差」があるブロックゲージを複数個リンギングさせて組み合わせた場合、そこで実現される寸法値はそれぞれの「偏差」が累積したものとならざるを得ないということが示唆される。平行度に「偏差」がある複数のブロックゲージをリンギングさせた場合、その「偏差」が組み合わせ方によっては全体として倍加されたり中和されたりするのである。
　従って、複数個のブロックゲージをリンギングさせて組み合わせたものの全体の寸法精度がどうなっているかは、校正証明書に記載されている中央値を単純に合算（算術和）されたものとなっているとは言えないわけで、換言すれば、ＪＩＳ１級の精度条件を充足しているブロックゲージを複数個組み合わせたものがなお全体としてＪＩＳ１級ブロックゲージの精度条件を充足しているとは、直ちには言えない。

　リンギングさせて組み合わせたブロックゲージ全体の寸法値は、誤差論でいう「最小二乗法」で計算したものが穏当な数値が算出できていると考えているのだが、「最小二乗法」で計算するということの正当化根拠は積極的には論証できていない。
　
　１００ｍｍの単体ブロックゲージを最大寸法値とするブロックゲージセットでは、そのそれぞれが相互にリンギングするわけで、問題は特に生じないのだが、２００ｍｍやそれ以上のいわゆる「長尺ブロックゲージ」では、そのリンギング力が劣弱であったり、ほとんどリンギング力が発現し得ないものがあるようである。オプチカルフラット（０．１μｍ）でブロックゲージ面を検証すると、光筋が現れない程の密着性を示すから、当然リンギング力が確保できているはずと考えるのだが、実際にはそうではないわけである。
　その原因理由はいろいろと推測できるのであるが、ブロックゲージ測定面が幾分か寸法値に影響しないレベルで「丸み」を帯びて仕立て上がっているのではないか？というのが私の臆断ではある。


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□リンギング現象の弊害

　ハサミゲージの製作に際して、ブロックゲージ表面とゲージ測定面との間でリンギング現象を生じる場合、つまり、ブロックゲージの寸法を精確にハサミゲージの寸法として写し取られている場合、リンギングによる抵抗感が「ゲージ寸法がブロックゲージ寸法よりも小さい」と判断される場合がある。
　ゲージ測定面がリンギングするという程に仕立て上げられているとは誰も想定できることではないからなのだが、実際には、１μｍ小さな寸法のブロックゲージを組み合わせて測定すれば「スカスカ」に通過する。従って、ゲージ寸法はブロックゲージ寸法通りに仕立て上げられていると判断されて然るべきなのだが、なかなかそう判断されがたい。
　こういう場合には、極薄の油膜層をブロックゲージとハサミゲージ測定面との間に介在させることによって、リンギング現象の発現を抑止することができる。油膜層の介在によって二面間に「距離」が設定されることによって、二面間に働くリンギング力が抑止されるのである。

　リンギング現象を生起させる面粗度というものは、おおむね＃８０００程度以上の粒度の研磨砥粒を使用した場合である。従って、＃３０００程度で仕立て上げる場合では、このような問題は最初から起こらない。


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□鏡面ラップ技法について

　ラップに関する一般の教科書・参考書の類によると、工程を「ラップ工程」と「ポリッシュ工程」とに区分し、「ラップ工程」ではワークの表面仕上がりが「梨地」になり、「ポリッシュ工程」でワーク表面が「鏡面」に仕立て上げられると説明されているものが存する。
　この場合、「ラップ」も「ポリッシュ」も、ワークに対する砥粒加工であることは同一であって、加工技術に何か本質的な性格区分が成り立っているわけではない。強いて言えば「ラップ工程」というのは鏡面加工に至るその準備段階としての「粗加工」段階を言い、「ポリッシュ工程」というのは、そのラップ工程で結果しているワーク表面の凹凸を消除して鏡面に仕立て上げる段階を言う。
　従って、「ラップ工程」では「梨地仕上がり」で、「ポリッシュ工程」では「鏡面仕上がり」であるということは加工工程の設計上は当然のことを言っているだけで、そこに何か技法上の本質的な違いが示されているわけではない。
　実際上、粗加工に用いたラップ盤で、そのまま砥粒等を入れ替えて鏡面加工に用いるということはほとんど無理なことで、従って、それぞれの工程段階に応じて専用のラップ盤を設置せざるを得ない。こういうことが語られている訳なのである。

　これに対して、ハンドラップの世界では、＃６００〜＃３００００に至るまで、採用する砥粒を差し替えて、全く同一の技法で砥粒加工を行うわけだから、その全工程を「ラップ工程」と指称しており、敢えて「ポリッシュ工程」といったことは意識されては来なかった。

　機械ラップの場合の「ポリッシュ工程」の独自性として、砥粒がワーク表面に対して切り込むのではなくてラップ痕の凹凸の凸を消除するだけの研磨力が発揮されれば良いという点から、比較的微細で軟らかな砥粒が採用されるべきであろうし、それに対して「ラップ工程」では、その前段階の加工痕やワーク表面の歪みや変形を強力に除却する必要があるために、その加工効率の観点からも、比較的大きくラップ能力の高い砥粒が採用されることになる。その違いはある。但し、鏡面ラップ工程を「ラップ工程」と「ポリッシュ工程」の二段階に段階区分するということは分かりやすい区分ではあるのだが、それが三段階であっても四段階に細分されても、その必要性というものは具体的なワークの加工の必要性に基づくことになるだろう。

　ハンドラップの場合は、特に焼き入れをしたダイス鋼（ＳＫＤ１１／ＨＲｃ６０）のハサミゲージ製作の場合、
　粗い下仕上げ→＃６００（＃８００）
　中間仕上げ　→＃１５００
　　　　　　　　この段階でオプチカルフラットが使えるようになる。
　鏡面仕上げ　→＃３０００（〜＃１００００）
という、三段階区分でラップ工程を手順化している。

　「鏡面ラップ」という場合、正当な定義を言うならば、「ラップ痕が視認されない見えないワーク表面の仕立て上がり」ということになりそうなのだが、ラップ痕というものは加工する限りはどこまでも残存していくものであるから、視覚の分解能以下のラップ痕跡を実現すべき痕跡の「幅」と「深さ」は数値化できるだろう。
　ただし、鏡面仕立てができているからと言って、そのワーク表面でリンギング現象が確認されるということにはならない。ワーク表面の平面度・平坦度が確保されなければならないのである。

　現在では、「超砥粒」を採用した丸砥石で平面研削するということが広く普及してきているようで、その粒度が＃数千番相当が各種というから、その研削によって非常に優れた平面加工ができるということになる。ラップ盤でのラップ加工とどちらが便宜かという点については私からは何とも言えないのだが、加工レベルの深化という方向性ははっきりしている。

　最期に、簡単な鏡面ラップの方法について示しておこう。
　直方体（板形状）のＳＫ工具鋼・焼き入れのパーツをサンプルとする。
　平面研削盤で６面を研削仕上げしたものの１面をラップ仕上げする。

　一つは、固定砥粒ラップ/乾式の技法に依る。
　＃６００〜＃８００程度のＧＣ（またはＷＡ）砥石をラップ定盤として、その砥石面上でサンプルの１面をラップする。ヘア・ライン状のラップ痕が残るから、それを消除するため、任意の粒度の「研磨シート」を定盤上に設置して、それでサンプル・ワーク面を摺り合わせる。
　これだけのことなのだが、砥石も研磨シートも直ぐに目詰まりを生じてその研磨力を喪失するから、その対応が煩雑ではある。研磨シートは全くの消耗品扱いになるから、そのコストはバカにならない。

　二つは、遊離砥粒ラップ/湿式の技法に依る。
　同様に、＃６００〜＃８００程度のＧＣ（またはＷＡ）砥石をラップ定盤として、その砥石面上でサンプルの１面をラップする。
　平面研削盤で研削しただけの状態での面粗度は非常に粗いものだるから、直接に砥粒ラップを仕掛けると効率が非常に悪い。
　鋳物製定盤上にＷＡラップ砥粒とラップ油（灯油／スピンドル油／マシン油）を合わせて、ワーク面をラップする。ラップ砥粒の粒度やラップ油の油種の選択は、ラップ能力のあり方を勘案して適切に選択する。
　この方法にとどまると、ラップ痕を消除することがなかなかに困難であるから、燐青銅製のラップ定盤を準備して、１〜３μｍの粒度のダイヤモンド・ペーストでラップする。鋳物製定盤を使用しても良いのだろうが、ダイヤモンド・ペーストの粒度の差し替えを行う場合、差し替え以前のダイヤモンド粒子の除却が厄介になるから、燐青銅製定盤を用いる方が、定盤面の仕立て直しをする場合に遙かに簡便になる。
　最終にダイヤモンド砥粒ラップを行うのは、ダイヤモンド砥粒は非常に硬いものであるから、ラップしたワーク表面の光輝性（光の反射効率）が高まるためである。

　念のために付け加えると、「遊離砥粒ラップ/乾式」とでも言えばいいのか、酸化クロムの乾燥粉末でワーク表面を「磨く」という技法が考えられるのであるが、焼き入れ鋼に対しての磨き能力は劣弱である。

　ラップ痕を消去するべく「磨き」によって鏡面を作ろうとする場合、金型等の凹んだ面を研磨・磨きするという需要がありそうで、かなり以前のことになるのだが、テレビで一度報道されていたことがあった。
　それによると、杉の棒（つまりは、割り箸の棒！）の先にダイヤモンド・ペーストを塗りつけて、それでワークの凹面を擦り込んでいくというわけなのである。
　「嘘だろう！？」ということなのである。
　こういう目的の場合には、丸棒・三角棒・角棒・・・と、さまざまな形状に成型されたアルカンサス砥石が市販されている（特殊形状についても特注可能なのだ！）から、それとダイヤモンド・ペーストとを組み合わせて作業工具とすると良いのである。アルカンサス砥石は軟らかいものでありながら砥粒保持力は大きいから、非常に便宜なのである。
　（更に言えば、アルカンサス砥石はＧＣ砥石で簡単に成型加工できるから、作業目的に合うようにＧＣ角砥石で棒先を微細・精妙に調製することもできる。）



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