JP4837448B2 - 精密ロール旋盤 - Google Patents

Description

本発明は、三角錘や四角錐が縦横に配列する凹凸パターンをロールの外周面に加工できる精密ロール旋盤に関する。

ロールを加工する工作機械には、ロール研削盤やロール旋盤がある。ロール研削盤は、主軸台、心押台、往復台を備えており、往復台には研削砥石が設けられている。

従来、ロール研削盤では、ロールの外周面を砥石で研削する加工の他、外周面に溝を加工することが行われる。特許文献１には、溝を切削する切削鋸刃を有する溝加工装置を往復台に設けたロール研削盤が記載されている。

ロール旋盤は、ダイヤモンドバイトを取り付けた刃物台を往復台に設置した旋盤である。主軸台でロールを回転させ、往復台を前後方向（Ｘ軸）に送りながら周方向の溝を加工するのが基本的な使い方である。軸方向に溝を加工する場合は、主軸台（Ｃ軸）でロールを割り出しながら、往復台を左右方向（Ｚ軸）に高速移動させることにより、軸方向に溝を創生することができる。

近年、機械制御技術の進歩によって、旋盤による超精密加工が実現されている。これにより、旋盤でも光学レンズを成形する金型を加工できるようになってきている。例えば、本出願人は、フレネルレンズ成形用の金型を加工する立旋盤を提案している（特許文献２）。この立旋盤では、フレネルレンズ成形金型のＶ形レンズ溝を高精度に加工することができる。

ところで、液晶表示装置の普及により、液晶パネルのバックライトに使用されるレンズシートの需要が増大している。この種のレンズシートには、前述したフレネルレンズの他、レンチキュラーレンズシート、クロスレンチキュラーレンズシート、プリズムシートなどがある。

最近では、転写ロールを用いて、レンチキュラーレンズシート、クロスレンチキュラーレンズシート、プリズムシートを押出成形により成形することが検討されている。
特開２００３−９４２３９号公報 特開２００４−３５８６２４号公報

レンチキャラーレンズシート用の転写ロールの場合には、ロールの外周面に周方向の溝を一定のピッチで精密に加工すればよいので、ロール旋盤でも加工が可能である。

これに対して、クロスレンチキュラーレンズやプリズムシート用の転写ロールの場合には、四角錘（四角ピラミッド）、三角錐（三角ピラミッド）の形状パターンを加工しなければならない。

このうち、四角錘の形状パターンを加工するために、ロールの表面に周方向の溝と軸方向の溝を縦横に切削することが検討されている。また、三角錘の形状パターンを加工する方法として、ロールの外周面に周方向に延びる溝と螺旋状に延びる溝を組み合わせて加工することが検討されている。しかし、従来のロール旋盤では、これらの超精密加工にうまく対応できなかった。

そこで、本発明の目的は、前記従来技術の有する問題点を解消し、ロールの表面に、三角ピラミッドのような立体形状パターンを高精度に加工できるようにする精密ロール旋盤を提供することにある。

前記の目的を達成するために、本発明は、ベッドと、前記ベッド上に設置され、ワークであるロールの一端をチャックで保持しながら該ロールに回転を与えるとともに、ワークの円周方向の割出しを行う割出し軸（Ｃ軸）を有する主軸台と、前記主軸台に対向して前記ベッド上に配置され、前記ロールの一端を回転自在に支持する心押台と、前記ロールの長手方向（Ｚ軸）を移動可能に前記ベッド上に設置されたサドルと、ロールの長手方向と直角の方向（Ｘ軸）に移動可能に前記サドル上に設置されたテーブルと、前記テーブル上に設置され、バイトが取り付けられた刃物台を有する旋回台と、を備え、前記刃物台は、駆動源のサーボモータと、バイトを保持するバイトホルダと、前記バイトホルダの軸を回転自在に支持する軸受と、前記バイトホルダの軸に前記サーボモータの回転を出力する減速機とが一体構造にユニット化され、前記ロールに螺旋溝を切削するために、前記バイトの刃先のすくい面が螺旋溝の方向と直角になるように前記バイトを旋回させるバイト旋回軸（Ａ軸）を有し、前記旋回台は、前記刃物台が着脱自在に取り付けられるとともに、当該刃物台の替わりに異なる形式の他の刃物台に交換可能であり、前記他の刃物台は、複数のバイトと、フライカッターを回転させるフライカッタスピンドル装置とを備えることを特徴とするものである。

本発明によれば、ロールに螺旋溝と横溝を組み合わせるといったロール加工により、三角ピラミッドが縦横に連続するパターンを加工することができる。さらに、三角ピラミッドを加工する場合には、刃物旋回台のＢ軸には割り出しに加えて、刃先の位置を修正して位置決めする機能をもっているため、螺旋溝の精密な加工面を得ることができる。

以下、本発明による精密ロール旋盤の一実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態による精密ロール旋盤を示す側面図で、図２は同精密ロール旋盤の平面図である。
図１および図２において、参照番号１０は、ベッドを示す。このベッド１０の上には、主軸台１２、心押台１４、往復台１６が配置されている。工作物はロール形状のロールＷであり、主軸台１２と心押台１４とで回転自在に支持されている。
主軸台１２は、ベッド１０の長手方向の一端部に配置されている。この主軸台１２は、本体部１７と、主軸１８と、この主軸１８の先端に取り付けられたチャック１９と、主軸１８を駆動するサーボモータ２０を含む。主軸１８は本体部１７に内蔵されている図示しない油静圧軸受により支持されている。チャック１９は、ワークＷの軸を把持し、主軸１９の回転をワークに伝達する。この主軸台１２では、サーボモータ２０は、ワークＷを高速で回転させるために主軸１８を駆動する。これに加えて、エンコーダ２２によりサーボモータ２０の回転量を検出し、サーボモータ２０の回転量を制御することにより、主軸台１２にはワークＷの円周方向の割出しを行う割出し軸（Ｃ軸）としての機能が付加されている。なお、主軸台１２の軸受には、油静圧軸受の他、空気軸受、ベアリング軸受であってもよい。

次に、心押台１４は、主軸台１２に対向してベッド１０上に配置されている。ベッド１０の上面には図示しない案内面が設けられ、心押台１４は移動可能に設置されている。心押台１４は、従来一般の心押軸の代わりに主軸２３を備えており、この主軸２３に取り付けたチャック２５でロールＷの軸を回転自在に支持する。このような心押台１４は、サーボモータを持たない点を除いて基本的な構成は主軸台１２と同様のものである。

次に、往復台１６について説明する。
往復台１６は、ロールＷの軸方向に移動可能にベッド１０上に設置されているサドル２６を含む。このサドル２６の上には、ロールＷの軸方向と直角の方向に移動可能にテーブル２８が設置されている。本実施形態の精密ロール旋盤では、サドル２６を送る軸がＺ軸で、サドル２６上でテーブル２８を送る軸がＸ軸である。
図３は、ベッド１０やサドル２６からカバー類を取り外した状態で旋回台３０を示す図である。図４は、旋回台３０の断面を示す。本実施形態による旋回台３０は、旋回台本体３１を含む。

旋回台３０の天板３２には、刃物台３３が着脱可能に取り付けられている。この刃物台３３は、バイトホルダ３４と、軸受３５、減速機３７、サーボモータ３８とが一体になった構造にユニット化されており、刃物台３３を天板３２に取り付け、あるいは取り外せるようになっている。

バイトホルダ３４には、ダイヤモンドバイト３６が保持されている。このバイトホルダ３４の軸は、軸受３５によって回転自在に支持されている。この軸受３５には、減速機３７の出力軸が連結されており、入力軸にはサーボモータ３８が連結されている。したがって、サーボモータ３８の回転は、減速機３７で減速されてバイトホルダ３４に伝達される。後述するように、サーボモータ３８の制御により、ダイヤモンドバイト３６を旋回させるＡ軸が構成されている。

図４において、旋回台本体３１の内部には、主軸４０が設けられている。この主軸４０は、スラストブッシュ４１、ラジアルブッシュ４２により回転自在に支持されている。この実施形態では、これらスラストブッシュ４１と主軸４０の下端面、ラジアルブッシュ４２と主軸４０の間には約１５μｍの隙間が形成され、それぞれ主軸４０のスラスト荷重、ラジアル荷重を高圧空気で支持する空気静圧軸受を構成している。空気静圧軸受の代わりに油静圧軸受にしてもよい。主軸４０には天板３２が連結されている。

天板３２には、駆動軸５０が同軸に取り付けられている。この駆動軸５０にはサーボモータ５１のロータ５１ａが固定され、これにより、ステータ５１ｂともにビルトイン型のサーボモータ５１が旋回台本体３１の内部に組み込まれている。このサーボモータ５１により駆動軸５０が回転駆動されることにより、天板３２とともに刃物台３３が旋回し、刃物台３３のダイヤモンドバイト３６を割り出すＢ軸が構成されている。

図３において、サドル２６の上面には、逆Ｖ形に案内面が形成されたＸ軸ガイドレール４０が延びており、このＸ軸ガイドレール４０には、リテーナにより保持された多数のコロが配列された有限型の転がり案内４１が設けられている。同様に、ベッド１０の上面には、逆Ｖ形に案内面が形成されたＺ軸ガイドレール４２が延び、このＺ軸ガイドレール４２には、有限型の転がり案内４３が設けられている。

なお、サドル２６を送るＺ軸送り駆動装置と、旋回台３０を搭載したテーブル２８を送るＸ軸送り駆動装置はともに、リニアモータから構成されている。図３において、参照番号４７は、Ｘ軸送り機構のリニアモータを構成する永久磁石列を示し、４８は、Ｚ軸ガイドレール４２と平行に延びる永久磁石列を示す。

図４において、参照番号５２は、ＮＣ装置を示す。このＮＣ装置５２は、Ｘ軸、Ｚ軸、Ａ軸、Ｂ軸、Ｃ軸を数値制御する。Ａ軸の場合、Ａ軸サーボ機構５４と、ダイヤモンドバイト３６の回転角度を検出するエンコーダ５３とによって、位置制御ループが組まれ、ＮＣ装置５２からの指令と、エンコーダ５３からの位置フィードバックを比較し、ダイヤモンドバイト３６のすくい面が指令した角度になるようにサーボモータ３８が制御されるようになっている。また、Ｂ軸についても、Ｂ軸サーボ機構５７と、エンコーダ５６によって位置制御ループが組まれ、主軸４０に割出し軸を機能をもたせるＢ軸が構成されている。

次に、以上のように構成される精密ロール旋盤を用いたロール加工について説明する。
図５は、ロールＷの表面に溝加工する場合のダイヤモンドバイト３６の刃先の位置を示し、図６（ａ）は周方向の溝６０とダイヤモンドバイト３６の刃先との相対的な位置関係を説明する図である。
この図６（ａ）に示すように、周方向に溝６０を切削する場合は、ダイヤモンドバイト３６のすくい面３６ａは、溝方向Ｆに対して直角になっている。従来のロール旋盤では、バイトを割り出しときには、バイトのすくい面と溝の関係は上記のように固定されているのが通常である。

ところが、図６（ａ）において、ダイヤモンドバイト３６のすくい面の向きがこのままでは、ロールＷを回転させながらＺ軸で送り、螺旋状に溝を切削しようとすると、精密な加工を行うことができない。

本実施形態の刃物台３０では、ダイヤモンドバイト３６のすくい面の向きを割り出すＡ軸があるので、図６（ｂ）に示すように、指令通りにダイヤモンドバイト３６を正確に旋回させてダイヤモンドバイト３６のすくい面３６ａが螺旋溝６１の方向Ｆと直角にすることができる。これにより、螺旋溝６１の精密な加工面を得ることができる。

次に、図７に示すのは、以上のような刃物台３３のＡ軸機能を利用してロールに加工する、三角錐いわゆる三角ピラミッドが縦横に配列した凹凸パターンである。この実施形態では、三角ピラミッドの凹凸パターンをロール表面に加工することにより、プリズムシートの押出成形に用いる転写ロールを加工する。このような三角ピラミッドのパターンは、基本的に、互いに正逆反対方向に回りながら延びるＶ形の第１螺旋溝６４、第２螺旋溝６５とＶ形の横溝６２とを組み合わせて加工する。この実施例の場合、第１螺旋溝６４と第２螺旋溝６５のねじれる角度は同じである。

そこで、第１螺旋溝６４の加工について説明すると、図８（ａ）において、矢印方向にロールＷを回転させ、ダイヤモンドバイト３６をロールの軸方向に送りながら加工する。すなわち、刃物台３３のダイヤモンドバイト３６のすくい面をＡ軸で第１螺旋溝６４に対して直角にするとともに、主軸台１２のサーボモータ２０でロールＷを回転させる。そして、ダイヤモンドバイト３６でロールＷに切込み、往復台１６をＺ軸で送ることで第１螺旋溝６４を旋削することができる。以後、順次、加工開始位置をＣ軸で割り出しながら、同じようにして第１螺旋溝６４を連続して加工すればよい。

次に、第２螺旋溝６５を加工するには、図８（ｂ）において、矢印方向にロールを逆転させ、第１螺旋溝６４のときと同様に、主軸台１２でロールＷを回転させＺ軸で送ることで、第１螺旋溝６４とは逆回りの第２螺旋溝６５を第１螺旋溝６４に交差するように加工することができる。

こうして、第１螺旋溝６４および第２螺旋溝６５を連続して加工した後、横溝６２を図８（ｃ）のように加工する。この横溝６２の加工は、螺旋溝の加工に使った刃物台３３に替えて、図９に示すようなフライカッタースピンドル装置７１を有する刃物台７０を旋回台３０に取り付けて切削する。

図８において、天板３２の片側には、刃物台７０が着脱可能に取り付けられている。フライカッタスピンドル装置７１は、刃物台７０に固定されたブラケット７２によって支持されている。刃物台７０は略半円柱の刃物台で、周方向に所定の間隔でダイヤモンドバイト３６が配列されている。刃物台７０の上面には、フライカッタースピンドル装置７１の重量とバランスさせるためのカウンタウェイト７４が設置されている。

フライカッタースピンドル装置７１は、本体部７１ａと、サーボモータ７５と、フライカッター７７が取り付けられたカッターホルダ７６を含む。本体部７１ａの内部では、図示されないカッタースピンドルが空気軸受により支持されており、このカッタースピンドルはサーボモータ７５により直接駆動され、高速で回転する。カッタスピンドルの先端に取り付けられているカッターホルダ７６は、周速を大きくするため円板状のカッタホルダである。このカッターホルダ７６の外周部にはダイヤモンドバイトからなるフライカッター７７が１個保持されている。この場合、カッタスピンドル装置７１は、カッタースピンドルをＸ軸方向とＺ軸方向に共に直角な姿勢で支持し、フライカッター７７をＸ−Ｚ平面内で高速に回転させる。刃物台７０に取り付けられているダイヤモンドバイト３６の刃先は、フライカッター７７の回転するＸ−Ｚ平面と同じ平面内にある。

このように刃物台７０にはフライカッタスピンドル装置７１を設置してあるので、次のようにして、横溝６２を加工できる。

すなわち、Ｂ軸でフライカッタースピンドル装置７１を割り出し、Ｃ軸でロールＷの横溝６２を加工すべき周方向の位置を割り出す。

そこで、フライカッタースピンドル装置７１を駆動し、高速で回転させながらフライカッター７７をＸ軸方向に切り込ませる。そして、往復台１６をＺ軸で送
りながら横溝６２をフライカット方法により切削する。フライカッター７７には、理想の切削速度（約３００ｍ／分）を与えながら加工できるので、横溝６２を高精度に加工できる。以下、ロールＷをＣ軸で割り出しながら、螺旋溝６４、６５が交差する部分を通るようにして横溝６２を一定のピッチで連続して加工する（図８（ｃ）参照）。

以上のように、刃物台３３と刃物台７０を使い分けることにより、一台のロール旋盤で、図７に示すような三角ピラミッドの凹凸パターンをロール表面に加工することが可能になり、プリズムシートの押出成形に用いる転写ロールのように超精密加工の要求される製品であっても加工できるようになる。

本発明の一実施形態による精密ロール旋盤の側面図。 同精密ロール旋盤の平面図。 同精密ロール旋盤の備える刃物旋回台の斜視図。 同精密ロール旋盤の刃物旋回台の一部断面正面図。 ロールに周方向の溝を加工するときのバイト刃先の姿勢を示す図。 バイトを旋回させるＡ軸の作用を説明する図。 本発明の精密ロール旋盤により加工する三角ピラミッドの凹凸パターンを示す図。 三角ピラミッドを加工する順序の説明図。 ロールに軸方向の溝を加工するための刃物台を交換した刃物旋回台の一部断面正面図。

符号の説明

１０ ベッド
１２ 主軸台
１４ 心押台
１６ 往復台
１９ チャック
２０ サーボモータ
２６ サドル
２８ テーブル
３０ 刃物旋回台
３３ 刃物台
３４ バイトホルダ
３５ 軸受
３６ ダイヤモンドバイト
３７ 軸受
３８ サーボモータ
６０ 縦溝
６２ 横溝
６４ 第１螺旋溝
６５ 第２螺旋溝
７０ 刃物台
７１ フライカッタスピンドル装置

Claims (2)

1. ベッドと、
   前記ベッド上に設置され、ワークであるロールの一端をチャックで保持しながら該ロールに回転を与えるとともに、ワークの円周方向の割出しを行う割出し軸（Ｃ軸）を有する主軸台と、
   前記主軸台に対向して前記ベッド上に配置され、前記ロールの一端を回転自在に支持する心押台と、
   前記ロールの長手方向（Ｚ軸）を移動可能に前記ベッド上に設置されたサドルと、
   ロールの長手方向と直角の方向（Ｘ軸）に移動可能に前記サドル上に設置されたテーブルと、
   前記テーブル上に設置され、バイトが取り付けられた刃物台を有する旋回台と、を備え、
   前記刃物台は、駆動源のサーボモータと、バイトを保持するバイトホルダと、前記バイトホルダの軸を回転自在に支持する軸受と、前記バイトホルダの軸に前記サーボモータの回転を出力する減速機とが一体構造にユニット化され、前記ロールに螺旋溝を切削するために、前記バイトの刃先のすくい面が螺旋溝の方向と直角になるように前記バイトを旋回させるバイト旋回軸（Ａ軸）を有し、
   前記旋回台は、前記刃物台が着脱自在に取り付けられるとともに、当該刃物台の替わりに異なる形式の他の刃物台に交換可能であり、前記他の刃物台は、複数のバイトと、フライカッターを回転させるフライカッタスピンドル装置とを備えることを特徴とする精密ロール旋盤。
2. 前記旋回台は、刃物台を旋回させ、この刃物台のバイトまたはフライカッターを割り出す刃物台旋回軸（Ｂ軸）を有することを特徴とする請求項１に記載の精密ロール旋盤。

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