JP3077994B2 - 電解ドレッシング研削装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、機械加工分野における研削加工で用いられ
る加工法及び加工装置に係わり、特に、鏡面性状と精密
状創成を実現するための変位テーブル及び電解ドレッシ
ング研削を用いた鏡面形状創成方法及び装置に関する。

（従来の技術） 従来、光学レンズやミラー等の精密な鏡面性状と形状
精度を有する超精密機能部品の加工は、極めて複雑かつ
多数の加工工程を必要としている。その加工工程は、ま
ず、研削加工で大まかな製品形状を付与した後にラッピ
ングやポリッシングといった遊離砥粒を用いた研磨加工
が行われている。このような加工方法は、極めて原始的
であり、しかも生産性の向上のみならず自動化が困難な
ために、未だに人的手段に頼る割合が少なくない。

本発明者等は、高精度メタルボンド超微粒砥石（CIFB
−Ｄ砥石）に微弱な電気分解によるインプロセスドレッ
シング作用を付与することによって、極めて安定性に富
む高能率な鏡面研削加工方法を開発し、特願昭63−1230
5号に提案した。この電解インプロセスドレッシング研
削法によって、特に硬脆材料の鏡面研削加工を全工程に
おいて適用できるようになり、例えば、光学レンズ、放
射光ミラー等の総合的加工システムの開発が望まれてい
る。

一方、加工中に被加工物を積層形圧電素子などの固体
アクチュエータにより、加振駆動させることによって、
被加工物の衝撃破壊作用による高加工能率化を目的とす
る砥粒加工用被加工物加振装置が特願昭62−155340に提
案されている。この装置においては、高強度メタルボン
ド超砥粒砥石との複合効果が期待されている。

更に、上記電解インプロセスドレッシング研削法の長
所である研削性能の恒常性、高研削比及び高精度化とい
った特性を活かしつつ、より高除去能率を狙って、これ
らの加工原理及び装置を融合させた電解ドレス振動研削
加工方法及び装置が特願平１−51327号に提案されてい
る。

（発明が解決しようとする課題） 上述したように、本発明の目的とする硬脆材料から成
る光学レンズや放射光ミラーあるいは純平面の研削加工
に対して、従来の低結合性砥石研削、ラッピング、ポリ
ッシングによる加工方法を用いると、長大な加工時間を
必要とし、しかも人的手段によるので精度が安定せず、
生産性が低い等の種々の問題があった。また、上記電解
インプロセスドレッシング研削、電解ドレス振動研削等
の加工方法を用いて、精密鏡面性状、形状精度を可能と
する方法は未だ開発されていない。特に、レンズやミラ
ーは形状的に放物面、球面、非球面を有するので、この
ような面の形状精度を研削加工において達成することは
極めて困難であった。

本発明は、本発明者等が開発した上記電解インプロセ
スドレッシング研削加工、電解ドレス振動研削加工等の
基礎技術に基づき、単に振動破砕加工を行うのではな
く、精密位置決め用変位テーブルと鏡面研削法とを融合
させて精密な鏡面性状、高い形状精度を可能とし、品質
管理、短納期化、自動化を実現する超精密鏡面形状創成
研削加工方法及び装置を提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段） 上記の課題は、回転駆動される導電性砥石と、該導電
性砥石を陽極側とし、導電性砥石の砥石面に接触するよ
うに供給される研削液を陰極側として、上記陽極と陰極
との間に電圧を印加するための給電手段と、被加工物を
固定的に保持するための上板を有し、且つ、被加工物を
上記砥石面に向かって微小変位させたり、微小角度だけ
傾斜させたりするように上板を変位させるためのアクチ
ュエータを有する変位テーブルと、アクチュエータの各
々に変位駆動信号を供給する駆動信号供給手段と、上記
アクチュエータの各々の変位及び加工負荷を検知するた
めのセンサと、上記駆動信号供給手段が出力する変位駆
動信号を上記センサが出力する検出信号に応じて制御し
て、被加工物に所望量の変位及び傾斜を正確に付与する
ために、変位テーブルの変位量及び傾斜量を適宜補正す
るための平行処理制御装置とを備えている、被加工物に
鏡面性状の曲面の研削加工を行うための電解ドレッシン
グ研削装置によって達成することができる。

（作 用） 以下に、本発明を更に詳細に説明する。

CIFB−Ｄ砥石は、鋳鉄ファイバーの基材にダイヤモン
ド砥粒を混合・焼結したもので、砥粒は鋳鉄ファイバー
の強い結合力によって保持されている。電解ドレッシン
グ研削は、前記CIFB−Ｄ砥石と電極間の研削液を介して
微弱電流を供給し、インプロセスで目立てを行い、その
砥粒の突き出しにより切削に近い作用で硬脆材料を容易
に除去加工するものである。従って、微細砥粒のCIFB−
Ｄ砥石を用いて、これに微弱電流を制御して印加するこ
とにより、確実な砥粒の突き出しが維持されて、極めて
高精度な表面性状の鏡面が得られる。

また、本発明の目的とする球面、非球面の形状加工
は、変位テーブルの正確な位置的制御によって行われ
る。第７図（Ａ）〜（Ｄ）は球面、非球面加工の形状形
態を示す。または第6A図、第6B図には、加工状態及び変
位テーブルを位置制御する３本のアクチュエータの配置
を示す。更に第5A図、第5B図には、変位テーブルの姿勢
の遷移過程を模式図で示す。

まず、第７図（Ａ）の凹面形状加工の際の各アクチュ
エータの位置制御を第5A図の遷移過程で説明する。砥石
面がワーク面と接触を始める過程ａから、接触し所定の
形状加工を終える過程ｇまでの間に与えられる各変位の
関係を図示してある。本加工の場合、第6A図のアクチュ
エータ62、63の変位は常に同一である。加工開始前の過
程ａにおいては全アクチュエータ変位は０であるが、砥
石とワークの接触開始過程ｂと共にアクチュエータ61を
62、63に対し大きく変位させる。過程ｃに至りアクチュ
エータ61の変位を小さくし中間過程ｄにおいては全変位
を同等とする。以降はｅ、ｆ過程と順次アクチュエータ
62、63の変位を61より大きくさせ、最終過程ｇで再び全
変位を０とする。

これに対し、第７図（Ｂ）の凸形状では、上述の凹形
状の制御の場合とアクチュエータ61と62、63の変位関係
としては全く逆の制御を与える。Ａ−Ａ断面に関する形
状であるため、アクチュエータ62及び63の変位は第5A図
に示す各過程と同様同一に制御される。

更に、第７図（Ｃ）、同（Ｄ）の形状は２方向断面に
曲面形状をもつ形状加工の場合である。同図（Ｃ）で
は、同図（Ａ）の場合と同一のＡ−Ａ断面に関する制御
と、これに直交するＢ−Ｂ断面に関する制御過程（第5B
図参照）の組み合わせが必要になる。それぞれの制御
は、変位ソフトウエアによる対処で同時に行うことが可
能である。ただし、１方向断面凸／凹面及び２方向断面
凸面に関しては、カップ砥石による加工が可能であるも
のの、２方向断面凹面に関しては第6B図に示すようなス
トレート砥石の使用が前提となってくる。しかし、制御
方向は、第5A図に示すＡ−Ａ断面に関する凹面の同一の
方向が適用できる。上述の加工形状の複合形状は、当然
それぞれの制御方式の組み合わせで可能である。

上記で説明した変位テーブルの制御方式は、３本のア
クチュエータを用いた例で示したが、アクチュエータの
数を４本またはそれ以上とすることにより、駆動本数の
均等な位置制御の割り当てが可能となる。また、加工施
工によるデータの蓄積が制御システムのCPUの記憶装置
に対してなされ、適正な変位テーブルの制御方式、制御
条件を確立することが可能である。

（発明の効果） 本発明は、一般の平面研削盤などの上に本発明の変位
テーブルをセットして電解ドレッシング研削を採用する
ことにより、変位テーブルの正確な微小位置決め制御と
微細砥粒先端による研削が複合されるので、多くの効果
をもたらすことができる。例えば、加工機固有の振動、
低動剛性のような精密研削に致命的な問題から回避し
て、また、加工中に負荷が加わっても変位テーブルの可
変剛性的な制御プログラムを適用して回避できる。その
結果、一般の低精度加工機上で高精度の平面、平面性状
加工を実現することが可能になった。

また、本発明によれば、レンズ、ミラー等の球面、非
球面を高精度な面性状かつ精密形状で創成することがで
きる。つまり、従来極めて困難とされたガラス、シリコ
ン、炭化ケイ素等の硬脆材料の球面、非球面あるいは純
平面を創成することが可能になった。従って、このよう
な材質を強いられる特殊機能性部品、例えば放射光ミラ
ー等を所望の形状を付与し、かつ表面粗さ、平面度等の
表面性状を高精度に作製することが可能になった。更
に、本発明により、従来の製造工程を一新し、自動化、
無人化が可能な加工工程に移行すると共に高品質、高性
能の製品を提供することができる。

（実施例） 以下に、本発明を図面を用いて詳細に説明する。

第１図は本発明を実施するための装置全体の構成図で
ある。電解ドレッシングにより精密に形状及び砥粒の突
き出しが付与された導電性砥石５は、研削機械の回転軸
にセットされ回転駆動する。電解インプロセスドレッシ
ング研削は、砥石５を（＋）極の電位に設定するための
給電体２及び砥石面に近接して設置された（−）電極３
を介して、電源装置１から供給される電力により開始さ
れる。この時、導電性研削液が導電性砥石面と（−）電
極間にクーラントノズル４によって供給される。これら
の手段によって、導電性砥石面は加工中でも常時砥粒の
突き出しが維持されるため、微細砥粒による鏡面性状の
付与、並びに精密な形状加工に対処することができる。

一方、同図においては、前記電解インプロセスドレッ
シング研削加工と平行して、研削加工機12上に設置され
た変位テーブル（第２図に詳細に示す）13の駆動によ
り、被加工物17の位置が精密に制御される。この時、変
位テーブルは、その変位駆動信号を供給する駆動信号供
給手段14及び、変位テーブル内部に組み込まれた実変位
・負荷を加工中に計測する検出手段からの信号を中継す
る計測信号中継手段15の平行処理制御装置16によって、
極めて精密に変位駆動・制御が行われる。

第２図は、第１図の変位テーブル13の構造を示す平面
断面図である。この変位テーブルは、被加工物を保持・
位置決めする上板18とテーブル全体を研削加工機上に保
持するベース19とに大別できる。これらの間に、前記ベ
ースから上板の所定の変位・位置決めを実現するための
駆動手段であるアクチュエータ20が配置されている。ア
クチュエータの下端部は、ベース上面に固定され、アク
チュエータ上端部には、上板と接しアクチュエータの変
位を上板に伝達するための伝達板片21が固定されてい
る。この伝達板片は、精密な位置決めのために３本ある
アクチュエータの、個々の異なる変位を確実に上板18に
伝達できるようにその中央部に曲面立体形状が施されて
いる。これと同時に、精密な位置決めを実現するため、
伝達板片21上部と上板18が常時所定の圧力で確実に接す
るよう、予圧支柱22が予圧スプリング23の弛緩力を得、
上板18とベース19とでアクチュエータ20を所定の予圧で
密着させる機構を有す。また、上板18外周部及びベース
部19外周部には、実加工で必要となる加工液（クーラン
ト）が変位テーブル内部へ侵入するのを防止するＯリン
グ24、25が配され、上板部ケーシング26及びベース部ケ
ーシング27の内面によってシールされる。この時、上板
部ケーシング26下面とベース部ケーシング27上面間には
薄板28が挟まれ、各部固定用ボルト29、30、31により、
薄板28と上板18、上板部ケーシング26と薄板28、薄板28
とベース部ケーシング27、及びベース部ケーシング27と
ベース19が確実に固定・保持される。従って、薄板28
は、ひいては上板18とベース部19間に、加工中にせん断
力（上板部を水平方向に押す力）が加わった場合にも、
充分な横方向剛性が実現される。更に、上板18とベース
19との実変位もしくは、両者間に存在する負荷を検出す
るためのセンサ32が、保持・固定具34によりベース19底
部に配置されている。センサはリング状アクチュエータ
20の中央に貫通し、伝達板片21下面から伸びる検出棒33
と対向もしくは接触して変位を検出して、外部の制御系
からアクチュエータに信号入力し、上板18を駆動する。
また、ベース19底部には、加工液の侵入を防止するベー
ス底面ケーシング35及びベース底面シール薄板36が固定
されている。複数本あるアクチュエータ、センサの駆動
及び検出信号を伝達するためのケーブルは、ベース底面
ケーシング等に設けられた穴を介して、変位テーブル外
部に通じている。実際の加工時には、変位テーブル上板
18上面部に固定される被加工物固定・保持用の試料板37
が装着される。更に、変位テーブルベース部19には加工
機上への装着を容易なものとするため、固定・保持用の
手段が設けられている。

第３図は、変位テーブルの制御システムのブロック図
である。第２図に示す変位テーブル13の制御は以下のよ
うに行われる。変位テーブルの駆動量を検知したセンサ
32からの信号39は、所定の振幅に増幅するアンプ42を介
し、その信号の一部がシステムオペレータへと表示する
目的で接続されたシンクロスコープ43に伝達され、また
一方はA/D変換器44に導入される。A/D変換器44を介し
て、検出信号は制御システムの心臓部であるCPU45へと
入力される。CPUで演算された信号はD/A変換器46に入
り、アクチュエータ20の駆動回路40へと出力され、アク
チュエータの電力を供給する直流電源41により駆動す
る。CPU45からは、前記２系統の入出力信号の他に、シ
ステム・オペレータに本システムの駆動・制御状態を表
示するディスプレー47、並びに駆動・制御結果をハード
コピー化するためのプリンタ48に接続されている。CPU
における信号処理としては、初期のソフトウェア上で演
算処理された駆動信号をD/A変換器を介し、変位テーブ
ルのアクチュエータに供給するための指令処理を受け持
ち、一方ではA/D変換器から入力された検出信号を参照
することで、初期の変位テーブル駆動信号が適正なもの
であるか否かを判断し、その駆動信号にインプロセスで
補正・修正を加えるフィードバック機能をも備えてい
る。尚、このCPUは、本制御システム単体で、変位テー
ブルの制御機能に加え、研削加工機も連動して制御でき
る適用性を備えている。

以下に、硬脆材料の炭化ケイ素を用いて放射光ミラー
（凹面鏡）を想定し、径30mm×長さ51mmのサンプルで加
工した実験例を説明する。第１図の研削加工機及び機器
等の仕様を第１表に示す。

まず、＃100C砥石等を用いてCIFB−Ｄ砥石のツルーイ
ングを行い、また電解ドレッシングにより初期目立てを
行った。電解ドレッシング研削加工は粗仕上、中仕上、
最終仕上の３段階で行うこととし、変位テーブルは最終
仕上においてのみ使用した。このときの研削条件は、砥
石周速1200m/min、送り速度100mm/min、である。次に、
被加工物の炭化ケイ素を研削加工機にセットした変位テ
ーブル上に接着固定し、粗粒CIFB−Ｄストレート砥石＃
600により径30mm×長さ51mmの丸棒を角材に加工した。
切り込み量は15μｍである。続いてあらかじめツルーイ
ング及び目立てを行ったCIFB−Ｄ砥石＃1200に交換し
て、粗仕上で被加工物の表面に形成された梨地面を光沢
が得られる程度に中仕上を行った。切り込み量は15μｍ
である。この状態で初期加工平面度0.5μｍ前後であっ
た。最終仕上は微粒CIFB−Ｄ砥石＃4000によるElid鏡面
研削を、切り込み量を２μｍと１μｍの２段階で行っ
た。このときのElid条件は、印加電圧90V、ピーク電流2
4A、パルス周波数on12μｓ、off3μｓである。凹面ミラ
ーの曲率はR60mである。変位テーブルは１バス当たりの
加工距離51mm中において、最大変位6.5μｍの指定・制
御を施した。これは、加工開始点から単調に変位を増や
し被加工物中央部で最大変位とし、再び単調に減少させ
るという極めて精密なＲ加工の制御である。その結果、
第４図に示すような、加工面形状も最大変位部で6.5μ
ｍの凹部が創成された。変位テーブルの仕様を第２表
に、また変位テーブル制御系の仕様を第３表に示す。
尚、変位テーブルのアクチュエータは、150V印加時に1
6.5μｍの変位が得られる。

第４図において、加工面粗さを測定した結果、R_a＝６
〜8nm、R_max＝40〜50nmが得られ、Elid研削に本質的な
微細砥粒先端による塑性流動に近い面を呈していること
がわかった。

本実施例において、通常の加工機に＃4000CIFB−Ｄ砥
石によるElid研削を適用し、変位テーブルに所定の制御
を施し、高精度の面性状かつ精密形状の創成を実現する
ことができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による装置の構成を示す概略図であ
り、 第２図は、第１図の変位テーブルの構成を示す断面図で
あり、 第３図は、変位テーブルの制御システムのブロック図で
あり、 第４図は、本実施例で研削加工した精密形状加工品の例
を示す図であり、 第5A図及び第5B図は、変位テーブルの姿勢の遷移過程を
模式的に示す図であり、 第6A図及び第6B図は、加工状態及び変位テーブルを位置
制御する３本のアクチュエータの配置を示す図であり、 第７図は、被加工物の加工形状形態の例を示す図であ
る。 （符号の説明） １……電源、２……給電体、３……陰電極、 ４、４″……クーラントノズル、５……砥石、 12……研削加工機、13……変位テーブル、 14……駆動信号供給手段、 15……計測信号供給手段、 16……平行処理制御装置、17店……被加工物、 18……上板、19……ベース、21……伝達板片、 20、61、62、63……アクチュエータ、 22……予圧支持、23……スプリング、 24、25……Ｏリング、 26、27、35……ケーシング、 28、36……薄板、 29、30、31……固定用ボルト、 32……センサ、33……検出棒、 34……固定具、37……試料板、 39……センサ信号、40……駆動回路、 41……直流電源、42……アンプ、 43……シンクロスコープ、 44……A/D変換器、45……CPU、 46……D/A変換器、47……ディスプレー、 48……プリンタ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｂ２４Ｂ 53/00 Ｂ２４Ｂ 53/00 Ｄ (72)発明者 鍾 兆偉 埼玉県和光市広沢２番１号 理化学研究 所内 (56)参考文献 特開 平２−53557（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−188266（ＪＰ，Ａ) 実開 平１−138563（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭63−67070（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭63−74269（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B24B 13/00 B23H 5/00 B23H 5/06 B23Q 1/30 B24B 41/06 B24B 53/00

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転駆動される導電性砥石と、該導電性砥
   石を陽極側とし、導電性砥石の砥石面に接触するように
   供給される研削液を陰極側として、上記陽極と陰極との
   間に電圧を印加するための給電手段と、被加工物を固定
   的に保持するための上板を有し、且つ、被加工物を上記
   砥石面に向かって微小変位させたり、微小角度だけ傾斜
   させたりするように上板を変位させるためのアクチュエ
   ータを有する変位テーブルと、アクチュエータの各々に
   変位駆動信号を供給する駆動信号供給手段と、上記アク
   チュエータの各々の変位及び加工負荷を検知するための
   センサと、上記駆動信号供給手段が出力する変位駆動信
   号を上記センサが出力する検出信号に応じて制御して、
   被加工物に所望量の変位及び傾斜を正確に付与するよう
   に、変位テーブルの変位量及び傾斜量を適宜補正するた
   めの平行処理制御装置とを備えている、被加工物に鏡面
   性状の曲面の研削加工を行うための電解ドレッシング研
   削装置。
2. 【請求項２】上記アクチュエータの作動方向の中心軸線
   上に、上記センサが配置されている、ことを特徴とする
   請求項（１）に記載の装置。
3. 【請求項３】上記アクチュエータは、上記上板の面に沿
   って少なくとも３つ配置されている、ことを特徴とする
   請求項（１）に記載の装置。
4. 【請求項４】上記アクチュエータは積層形の圧電素子で
   ある、ことを特徴とする請求項（１）に記載の装置。