JP2014104553A

JP2014104553A - 研削加工方法および研削加工装置

Info

Publication number: JP2014104553A
Application number: JP2012260368A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Shiyakushi; 徹夫杓子
Original assignee: Komatsu NTC Ltd
Current assignee: Komatsu NTC Ltd
Priority date: 2012-11-28
Filing date: 2012-11-28
Publication date: 2014-06-09

Abstract

【課題】ワークピースを効率よく研削して加工時間を短縮する技術を提供する。
【解決手段】砥石２とワークピースＷを回転させて接触させることにより前記ワークピースＷの表面を研削する研削加工装置１であって、前記砥石２と前記ワークピースＷとを相対的に往復移動させる送り駆動部５３と、所定の第１の速度で前記砥石２を相対的に前記ワークピースＷ側に送ることにより前記砥石２と前記ワークピースＷを接触させた後、前記第１の速度から前記第１の速度よりも速い第２の速度に加速し、前記第２の速度で前記砥石２を相対的に前記ワークピースＷ側に送り、前記第２の速度から第３の速度に減速した後に、前記ワークピースＷの表面位置が仕上げ加工速度への切り替え位置に達するまで、前記第３の速度で前記砥石２を相対的に前記ワークピースＷ側に送るように前記送り駆動部５３を制御する制御装置６と、を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、被加工物の表面研削などに使用される研削加工方法および研削加工装置に関し、特に、その加工に要する時間を短縮する技術に関する。

ワークピース（被加工物）の表面を平面に研削する研削加工装置は、ワークピースの表面と砥石の表面を平行にし、それぞれ回転させながら送り機構によって砥石をワークピースに接触させることにより、ワークピースを研削する。例えば、特許文献１には、送り機構によって砥石をワークピース側に送ってワークピースを研削する研削加工装置が開示されている。この研削加工装置は、荒研削加工から仕上げ研削加工というように、送り位置に対する送り速度を制御することにより、良好な精度の研削結果を得ることを可能にしている。

特許第４３３８４５８号公報

特許文献１の技術では、仕上げ研削加工によってワークピース表面の位置精度および性状の向上が図られているため、高い精度でワークピースの加工を終了することができる。しかしながら、荒研削加工において単に一定の研削速度で送り制御をしているため、必ずしも効果的に加工時間の短縮が図られているとは言えなかった。

本発明の目的は、ワークピースを効率よく研削して加工時間を短縮する技術を提供することである。

本発明の研削加工装置は、砥石とワークピースを回転させて接触させることにより前記ワークピースの表面を研削する研削加工装置であって、前記砥石と前記ワークピースとを相対的に往復移動させる送り駆動部と、所定の第１の速度で前記砥石を相対的に前記ワークピース側に送ることにより前記砥石と前記ワークピースを接触させた後、前記第１の速度から前記第１の速度よりも速い第２の速度に加速し、前記第２の速度で前記砥石を相対的に前記ワークピース側に送り、前記第２の速度から第３の速度に減速した後に、前記ワークピースの表面位置が仕上げ加工速度への切り替え位置に達するまで、前記第３の速度で前記砥石を相対的に前記ワークピース側に送るように前記送り駆動部を制御する制御装置と、を有している。

本発明によれば、荒研削加工の初期の段階で本来の荒加工速度よりも速い速度で加工を進めることにより、ワークピースの研削が速く進み、研削加工の加工時間を短縮することができる。

本実施形態による研削加工装置における研削に関する構成を示す図である。砥石２とワークピースＷの位置関係を説明するための図である。研削加工装置における制御に関する概略の構成を示すブロック図である。本実施形態による研削加工装置の動作例について説明するためのグラフである。

本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態による研削加工装置における研削に関する構成を示す図である。本実施形態の研削加工装置は、一例として、ワークピース側を送り方向に固定しておき、砥石側をそのワークピースの方向に送り移動させ、接触させることにより、ワークピースの表面を研削する装置である。

研削加工装置１は、図１に示すように、ワークピースＷの表面を研削する砥石２と、ベース部材３０と、ベース部材３０の上面に配置されたワーク支持部４０および研削加工部５０と、研削加工装置１の作動を制御する制御装置６と、を備えている。べース部材３０の上面において、図１の右側の領域にワーク支持部４０が配置され、図１の左側の領域に研削加工部５０が配置されている。

また、本実施形態の研削加工装置１は、軸方向が横方向に配置された砥石回転軸５５の前端面に砥石２が取り付けられた横形の研削装置を示すが、本発明は、縦形での実施も可能である。

ワーク支持部４０は、支持台４１と、支持台４１に設けられたワーク回転軸４２と、ワーク回転軸４２を回転させるための駆動モータ４３と、ワークピースＷを保持するチャック４４と、を備えている。

支持台４１は、ベース部材３０の上面に固定されており、支持台４１から研削加工部５０に向けてワーク回転軸４２が設けられている。ワーク回転軸４２は、支持台４１の上部に設けられた駆動モータ４３によって、ワーク回転軸４２の中心軸４２Ａ回りに回転するように構成されている。

チャック４４は、ワーク回転軸４２の前端面に設けられており、ワークピースＷを真空吸着によって保持するものである。

研削加工部５０は、固定台５１と、固定台５１に連結された送り台５２と、送り台５２を移動させるための送り駆動部５３と、送り台５２に取り付けられた支持台５４と、支持台５４に設けられた砥石回転軸５５と、砥石回転軸５５を回転させるための駆動モータ５６と、を備えている。

固定台５１は、ベース部材３０の上面に固定されている。固定台５１の上部には、送り台５２が図１の左右方向（Ｘ方向）にスライド自在に連結されている。送り駆動部５３は、送り台５２を図１の左右方向に移動させる機構である。

支持台５４は、送り台５２の上部に取り付けられており、支持台５４からワーク支持部４０に向けて砥石回転軸５５が突出している。

砥石回転軸５５は、支持台５４の内部に設けられた駆動モータ５６によって、砥石回転軸５５の中心軸５５Ａ回りに回転するように構成されている。砥石回転軸５５の前面端には、砥石２が取り付けられている。

なお、本実施形態では砥石２側を移動させることにより、砥石２とワークピースＷとを相対的に送り移動させる例を示しているが、本発明がこれに限定されることはない。他の例として、ワークピースＷ側を移動させるものであってもよく、あるいは砥石２側とワークピースＷ側の双方を移動させるものであってもよい。

研削加工装置１の動作としては、砥石２とチャック４４に保持したワークピースＷを回転させている状態で、砥石２を送り方向においてワークピースＷに近づけるように移動させ、砥石２をワークピースＷに接触させることによりワークピースＷを研削する。

図２は、砥石２とワークピースＷの位置関係を説明するための図である。

砥石回転軸５５に取り付けられた砥石２と、チャック４４に保持されたワークピースＷとは、互いの中心軸をずらして平行に向き合っている。砥石２の端面がワークピースＷの中心Ｗ_０に接するように位置決めされている。研削加工時には、砥石２は回転しながら、所望の加工速度でワークピースＷ側に送られる。

図３は、研削加工装置１における制御に関する概略の構成を示すブロック図である。

研削加工装置１には各種センサが備えられている。このセンサの１つに、例えば、ワークピースＷの表面位置を検知する厚みセンサＳ_１がある。厚みセンサＳ_１は接触式によるものでも非接触式によるものでもよい。厚みセンサＳ_１は、チャック４４の表面位置とワークピースＷの表面位置とを検知し、そのうちのワークピースＷの表面位置を制御装置６に通知するものであってもよく、あるいはそれらの差分をワークピースＷの厚みとして制御装置６に通知するものであってもよい。

また、他のセンサとしては、砥石２の送り量を検知する送り位置検出器Ｓ_２がある。

制御装置６は、センサＳ_１，Ｓ_２からの通知を利用して、送り駆動部５３を制御し、砥石２の送り速度あるいは位置を制御することにより、ワークピースＷを所望の厚みまで研削する。その際、制御装置６は、砥石２がワークピースＷに接触するまではセンサＳ_２の送り位置検出器から通知される砥石２の送り量に基づいて送り制御を行い、ワークピースＷの研削が始まってからは厚みセンサＳ_１から通知されるワークピースＷの表面位置あるいは厚みに基づいて送り制御を行う。あるいは、全てセンサＳ_２から通知される位置に基づいて送り制御を行うこともできる。

本実施形態の制御装置６による研削加工パターンには、高速かつ高精度の研削を可能にするため、荒研削加工とその後の仕上げ研削加工とが含まれている。

まず、荒研削加工と仕上げ研削加工を含む研削加工全体の概略の流れについて説明する。

制御装置６は、まず砥石２をワークピースＷの近傍まで迅速に接近させた後、空走速度で送りを開始する。空走は、砥石２をワークピースＷに接触させるときの衝撃を緩和するための動作であり、砥石２を回転させながら、接触時にワークピースＷや砥石２にダメージを与えない程度の送り速度でワークピースＷ側に送る。

ここでは一例として、研削加工装置１は砥石回転軸５５にかかる負荷を計測する測定器を備えており、砥石２がワークピースＷに接触したことを、砥石回転軸５５にかかる負荷の変化から検知することにしてもよい。砥石回転軸５５にかかる負荷は例えば砥石駆動用の駆動モータ５６の電流によって計測することができる。

他の例として、研削加工装置は砥石回転軸５５の回転数を計測する測定器を備えており、砥石２がワークピースＷに接触したことを、砥石回転軸５５の回転数の変化から検知することにしてもよい。砥石回転軸５５の回転数は砥石駆動用の駆動モータ５６の回転数として計測することができる。

砥石２がワークピースＷに接触した時点から荒研削加工が始まる。本実施形態の荒研削加工では、荒加工速度を一時的に速めることにより、ワークピースＷを研削する時間を短縮する。この荒研削加工の詳細については後述する。

荒研削加工が所定距離だけ、またはワークピースＷが指定の厚みになるまで進行すると、仕上げ研削加工に移行する。仕上げ研削加工では、比較的低速な仕上げ加工速度で砥石２をワークピースＷ側に送り、ダメージやうねり等の加工精度を達成するための研削を行う。加工目標位置までワークピースＷを研削したら、砥石２を元の位置に戻して加工を終了する。

次に、荒研削加工について更に詳細に説明する。

本実施形態の研削加工装置１では、荒研削加工において、制御装置６は、まず第１の工程として、空走開始位置から所定の空走速度（第１の速度）で砥石２をワークピースＷ側に送ることにより、砥石２とワークピースＷを接触させる。空走速度は、砥石２との接触時にワークピースＷや砥石２にダメージを与えない程度の送り速度である。

砥石２がワークピースＷに接触した後、制御装置６は、空走速度よりも速い促進荒研削速度（第２の速度）Ｖｐｃｈに加速し、促進荒研削速度Ｖｐｃｈで砥石２をワークピースＷ側に送る。促進荒研削速度Ｖｐｃｈは、荒研削加工を迅速に進める加工速度であり、本来の荒研削速度（第３の速度）Ｖｐｃよりも高速に設定される。促進荒研削速度は、要求される最終研削精度に制限され、例えば荒研削速度Ｖｐｃの数倍程度に設定すればよい。ＶｐｃｈとＶｐｃとの関係の一例を式（１）に示す。

Ｖｐｃｈ＝ａ×Ｖｐｃ（１＜増速係数ａ≦３）・・・（１）

また、荒加工速度Ｖｐｃは、荒加工終了時のダメージ深さ等の加工精度が、例えば、次の仕上げ研削加工により最終加工目標を達成できる範囲でできるだけ早い速度に設定される。

その後、研削が進んで所定の条件が満たされると、送り駆動部５３は、促進荒研削速度Ｖｐｃｈから荒研削速度Ｖｐｃに減速する。さらに、送り駆動部５３は、ワークピースＷの表面位置が、仕上げ加工速度への切り替え位置に達するまで、荒研削速度Ｖｐｃで砥石２をワークピースＷ側に送る。

促進荒研削速度Ｖｐｃｈから荒研削速度Ｖｐｃへ切り替える上記所定の条件としては様々なものを採用しうる。

例えば、予め設定しておく加工パターンにおいて、促進荒研削速度Ｖｐｃｈによる加工を終了する位置をワークピースＷの厚みまたは表面位置によって定めておいてもよい。その場合、その位置に達したら送り駆動部５３は加工パターンに従って砥石回転軸５５の送り速度を切り替える。

また他の例として、促進荒加工速度Ｖｐｃｈによる加工を終了する位置を、仕上げ加工速度に切り替える位置（仕上げ研削加工開始位置）からの残距離によって設定しておいてもよい。その場合、送り駆動部５３は、ワークピースＷの厚みまたは表面位置が仕上げ研削加工開始位置から所定の残距離以内に達したら通常荒加工速度Ｖｐｃに減速する。

更に他の例として、促進荒加工速度Ｖｐｃｈによる加工を行う時間を予め設定しておくことにしてもよい。その場合、送り駆動部５３は、促進荒加工速度Ｖｐｃｈによる加工を予め設定しておいた時間だけ実行したら、荒加工速度Ｖｐｃに減速する。

更に他の例として、促進荒加工速度Ｖｐｃｈでの研削加工時、砥石２または砥石回転軸５５にかかる負荷が所定値に達したら、促進荒加工速度Ｖｐｃｈでの送り制御を終了し、荒加工速度Ｖｐｃに切り替えることにしてもよい。その場合、送り駆動部５３は、例えば測定器で計測される砥石駆動用の駆動モータ５６の電流が所定値に達したら、促進荒加工速度Ｖｐｃｈから荒加工速度Ｖｐｃに切り替えればよい。

ワークピースＷがサファイアなどの硬度が極めて高い材質の場合、砥石２がワークピースＷに接触しても荒研削加工の初期段階ではワークピースＷがほとんど削れない期間が生じうる。硬度の極めて高いワークピースＷでは、砥石２を大きな加工力でワークピースＷに押し当てなければ継続的な研削ができないが、研削加工装置の弾性変形がある程度まで進まないうちは砥石２をワークピースＷに押し当てる力が十分とならないからである。これに対して、上述のように負荷が所定値に達するまで促進荒加工速度Ｖｐｃｈで送り制御を行うことで、砥石２がワークピースＷに接触してから十分な力で押し当てられるまでの期間を短縮することができる。

図４は、本実施形態による研削加工装置の動作例について説明するためのグラフである。図４（Ａ）は、荒研削加工において従来通り加工速度を一定とする場合を示す比較例であり、図４（Ｂ）は、本実施形態により荒研削加工の加工速度を一時的に速める場合を示す例である。図４におけるセンサ値はワークピースＷの表面位置の計測値である。また、図４における負荷は、砥石２を押し当てる加工力によってワークピースＷに加わる負荷の値である。

図４（Ａ）の比較例を参照すると、送り駆動部５３は、砥石２がワークピースＷに接触する前から荒研削加工が終了するまで、一定速度で加工を行っている。

それに対して、図４（Ｂ）に示した本実施形態では、砥石２とワークピースＷが接触したことが検知されると、送り駆動部５３は、加工速度を促進荒加工速度Ｖｐｃｈに一時的に上げた後、荒加工速度Ｖｐｃに戻している。その後は、送り駆動部５３は、荒研削加工の終了（仕上げ研削加工の開始）まで荒加工速度Ｖｐｃで加工を行っている。

本実施形態では、荒研削加工の初期の段階で荒加工速度Ｖｐｃよりも速い促進荒加工速度Ｖｐｃｈで加工を進めることにより、図４（Ａ）の比較例に比べてワークピースＷの研削が速く進み、仕上げ研削加工に移行するタイミングを早めることが可能となっている。そして、その結果として研削加工全体の加工時間を短縮することができる。

なお、図４では、砥石２をワークピースＷに接触させるまでの送り速度（接触前速度）と荒研削速度Ｖｐｃとを等しくしているが、これは単なる一例であり、本発明がこの例に限定されることはない。例えば、接触前速度と荒研削速度Ｖｐｃとは異なっていても何ら問題はない。また接触前速度と荒研削速度Ｖｐｃのどちらが他方よりも早くてもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、これらは全て本発明を説明するための例示であり、これらの実施形態のみに本発明の範囲を限定する趣旨ではない。従って、本発明は、その要旨を逸脱することなく、他の様々な形態で実施することが可能である。

Ｓ_１、Ｓ_２…センサ、１…研削加工装置、２…砥石、３０…ベース部材、４０…ワーク支持部、４１…支持台、４２…ワーク回転軸、４２Ａ…中心軸、４３…駆動モータ、４４…チャック、５０…研削加工部、５１…固定台、５２…台、５３…送り駆動部、５４…支持台、５５…砥石回転軸、５５Ａ…中心軸、５６…駆動モータ、６…制御装置、

Claims

砥石とワークピースを回転させて接触させることにより前記ワークピースの表面を研削するための研削加工方法であって、
所定の第１の速度で前記砥石を相対的に前記ワークピース側に送ることにより前記砥石と前記ワークピースを接触させる第１の工程と、
前記第１の速度から前記第１の速度よりも速い第２の速度に加速した後に前記第２の速度で前記砥石を相対的に前記ワークピース側に送る第２の工程と、
前記第２の速度から第３の速度に減速した後に、前記ワークピースの表面位置が仕上げ加工速度への切り替え位置に達するまで、前記第３の速度で前記砥石を相対的に前記ワークピース側に送る第３の工程と、
を有する研削加工方法。
前記第２の速度で前記砥石を相対的に前記ワークピース側に送っているとき、前記ワークピースの表面位置が、前記仕上げ加工速度への切り替え位置から所定の距離以内に達したら、前記第３の速度に減速する、請求項１に記載の研削加工方法。
前記第３の速度は、前記仕上げ加工速度に対する荒加工速度であり、
前記第２の速度は、前記荒加工速度よりも速い速度に設定される、
請求項１または２に記載の研削加工方法。
砥石とワークピースを回転させて接触させることにより前記ワークピースの表面を研削する研削加工装置であって、
前記砥石と前記ワークピースとを相対的に往復移動させる送り駆動部と、
所定の第１の速度で前記砥石を相対的に前記ワークピース側に送ることにより前記砥石と前記ワークピースを接触させた後、前記第１の速度から前記第１の速度よりも速い第２の速度に加速し、前記第２の速度で前記砥石を相対的に前記ワークピース側に送り、前記第２の速度から第３の速度に減速した後に、前記ワークピースの表面位置が仕上げ加工速度への切り替え位置に達するまで、前記第３の速度で前記砥石を相対的に前記ワークピース側に送るように前記送り駆動部を制御する制御装置と、を有する研削加工装置。