JPH012852A - 研削用ワークテーブル装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は研削用被削物加振装置に関するものである。

〔従来の技術とその問題点〕

ファインセラミックスなどの硬脆材料の加工法として、
超音波で代表される振動研削法が知られている。この方
法は通常の研削法のように工具を被削物に一定荷重で押
し付けるだけでなく、工具（砥石）を振動子のホーン先
端に取付けるなどして工具そのものに超音波振動を付加
し、砥粒を被削物に衝撃的に叩き込みなから脆性破壊を
集積するものである。

しかしながら、この方法は、工具それ自体を加振するた
め、砥石の形状、寸法に制約が生じると共に、研削加工
法の自由度も少ない点、ある決められた周波数で砥石を
共振させなければならないため機構が複雑となり、振動
形態も限られ、設備も高価となるなどの問題があった。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は前記のような問題点を解消するために研究して
創案されたもので、その目的は、ファインセラミックス
などのワークを砥石の制限や加工法の制限なく、簡単に
しかも高能率で研削加工することができる研削用被削物
加振装置を提供することにある。

この目的を達成するため本発明は、工具側を加振して研
削を行うのではなく、ワーク側を加振して研削を行うよ
うにし、しかもそのワーク側の加振を多自由度で行える
ようにしたもので、その特徴とするところは、研削機械
テーブルに取付けられる枠体と、枠体内に配された被削
物取付は用のテーブルと、前記テーブルのＸ方向、Ｘ方
向およびＺ方向をそれぞれ支持する複数組の圧電素子と
、それら圧電素子の作動を制御する装置を備えたことに
ある。

また、圧電素子の作動を制御する装置が、少なくともバ
イポーラ電源と、この電源からの電圧を所望の圧電素子
に割り当てると共に、圧電素子への電圧レベルを制御す
る手段とを有し、さらに要すれば、バイポーラ電源がフ
ァンクションジェネレータで周波数制御するようになっ
ているものを含む。また、枠体と研削機械テーブル間に
抵抗検出装置が介在され、フィードバック制御が行われ
るようになっているものを含むものである。

〔実　施　例〕

第１図ないし第５図は本発明による研削用被削物加振装
置の実施例を示している。第１図と第２図は装置本体を
例示しており、１は平面短形状の枠体であり、ＮＧ子テ
ーブルどで代表される所望の研削機械テーブル２に据付
けられる。この枠体１は剛体で作られ、底壁１０とその
まわりから立上る囲壁１１を備えている。

３は前記枠体１の中央に配された振動用テーブルであり
、固定手段３０たとえばバイス、マグネットチャック、
真空チャックなどにより被削物Ｗを着脱可能に固定する
ようになっている。

４ゆ研削砥石であり、たとえば鋳鉄粉や鋳鉄ファイバな
どをボンドとするものからなっている。

■〜０は前記振動用テーブル３のＸ方向、Ｘ方向および
Ｚ方向の各面にそれぞれ一端が接触するように枠体１に
配された複数組の圧電素子である。

前記圧電素子■〜■は、加振力が強く、かつ非共振点で
振動が可能なものが好適である。厚み方向に分担された
ウェハ状の圧電体セラミックスをその分担方向が互いに
対向するように積層した積層型のものは、小さい電圧よ
り大きな変位が得られ、早い応答性１反復再現性、温度
安定性などの面から有利である。

実施例においては、圧電素子■〜■は１２個用いられ、
Ｘ方向用の圧電素子■〜０はそれぞれ２個ずつ互いに一
定の間隔をおいて囲壁１１と振動用テーブル３間に配さ
れ、Ｘ方向用の圧電素子■〜■も同様な関係で配され、
Ｚ方向角の圧電素子■〜０は底壁１０と振動用テーブル
３の下面間に互いに等間隔で配されている。

前記各圧電素子■〜■は片側が囲壁１１または底壁１０
に接看剤などにより強固に固定され、各圧電素子■〜■
とでそれぞれペアをなす水平および垂直の各スプリング
５，５′により枠体１と振動用テーブル３が連結され、
テーブルの安定した動きを得るようになっている。また
、各圧電素子■〜０の他側と振動用テーブル３は、常に
接触し合い、一定予圧で圧電素子が固定されるよう、枠
体１と振動用テーブル３の寸法を規定するか、各スプリ
ング５，５′の引張力が調整されている。

なお、第１図と第２図は圧電素子単体を利用した場合で
あり、圧電素子■〜■がたとえばランジュバン型ピアシ
スタックタイプ、すなわちウェハ状にスライスした圧電
素子をある枚数重ね、中心に設けた穴にボルトを通して
上下端を一定予圧で固定したタイプを利用するような場
合には、必ずしもスプリング類を用いる必要はない、す
なわち、この場合には、スタック状の圧電素子の両端を
枠体１と振動用テーブル３の双一方に固定することがで
き、振動用テーブル３の変位は、圧電素子の伸びと中心
を通るボルトの弾性変形の釣合いにより生ずることにな
るのである。

１６は研削液の浸入、村上を防止するための防水手段で
あり、最も簡便には振動用テーブル３の周縁と枠体１間
に防水シート類を張設することで実現される。

第３図ないし第５図は、本発明における振動用テーブル
の駆動・制御システムを例示している。

第３図はフィードバックなしの基本的な構成を示してお
り、加工目的に応じて所望の圧電素子■〜■にそれぞれ
同じかまたは異なる電圧レベルで、かつ時間的に同時か
または時間差をおいて印加する機能を有している。具体
的には、バイポーラ電源（パワーアンプ）６と、これか
らの供給電圧を圧電素子■〜■に印加するための電気回
路を備えた制御ボッフスマと、該制御ボックス７内の電
気回路のベース側にＤ／Ａコンバータ回路を介して接続
され、所望のプログラム信号により供給電圧を所望の圧
電素子に割り当て、また電圧レベルを調整するマイク自
コンピュータ（またはパーソナルコンピュータ）８を備
えており、さらに好ましくはバイポーラ電源６の入力側
にファンクションジェネレータ、９が接続されている。

ファンクションジェネレータ９を併用した場合、これに
よる周波数制御とマイクロコンピュータ８による電圧レ
ベルおよび大まかな周波数制御の組合せが可能になるた
め、振動用テーブルに対する制御信号のフレキシビリテ
ィを増大することができる。

第４図はフィードバック制御系を組込んだ構成を示すも
ので、枠体１の下部と研削機械テーブル２の間に、ロー
ドセルやキスラーなどの抵抗検出器１２を介在させ、こ
の抵抗検出器１０からの研削抵抗信号出力部をアンプ１
３を介してマイクロコンピュータ８の入力ボートに接続
したものである。

第５図は本発明を複合研削方式、たとえば放電研削や電
解研削に適用した実施例を示しており、研削砥石４とワ
ーク（Ｗ）に対する給電ブラシ１４．１４’のリード線
をバイポーラ電源６に接続し、リード線間に研削砥石と
ワーク間に印加する電圧の極性切換えスイッチ１５を設
けている。図面中、１７はクーラントノズルである。

〔実施例の作用〕

本発明は前記のような構成からなるので、電圧を印加し
ない状態では、振動用テーブル３は各圧電素子■〜■あ
るいはスプリング５，５′を介して枠体１内で３軸方向
を支持され、通常のワークテーブルとして機能する。従
って、振動用テーブル３にワーク物Ｗを取り付け、研削
砥石４を駆動し、これをワークＷに所要の荷重で押し付
けつつ。

研削機械テーブル２により枠体１ごと移りさせることに
より通常の研削加工が行われる。

そして、バイポーラ電源６の電圧をマイクロコンピュー
タ８からの信号により圧電素子■〜０に選択的に印加す
れば、圧電素子■〜０はひずみ、このひずみが振動用テ
ーブル３に機械的に伝播されるため振動用テーブル３が
振動し、この結果ワークＷも振動する。この振動方向は
、圧電素子■〜■のどれに電圧を印加するかにより自由
に設定できる。すなわち、Ｚ軸方向用の圧電素子■〜■
に印加すれば背分力方向の振動が得られ、Ｙ軸方向用の
圧電素子■〜■に印加すれば主分力方向の振動が得られ
、Ｘ軸方向用の圧電素子■〜■に印加すれば左右方向の
振動が得られる。また、異種方向の圧電素子に同時に印
加すれば、２方向以上が複合した複雑な振動が得られる
。

さらに、本発明では各軸方向用の圧電素子がそれぞれ複
数個で１組となっているため、各組を構成する圧電素子
を同時に印加すれば並進振動が得られ、また、各組を構
成する圧電素子を時間差をおいて順次印加すれば、回転
振動を含む振動パターンを自在に形成できる。

また、上記の振動方向、振動パターンにおいて。

圧電素子の周波数を選定することで振動モードをたとえ
ば厚み縦振動から面積振動まで可変にすることができ、
振動振幅も印加電圧を調整することで自由に制御できる
。

詳述すると、第１図と第２図で示す座標系において、各
圧電素子■〜０に印加する電圧極性と変位方向、回転方
向の関係は下記のようになる。

＋Ｘ方向並進　：の＋、Φ÷、■−２Φ−＋Ｙ方向並進
　二〇＋、■＋、■−９［相］−＋２方向並進　二　　
　　　　　　　　　　〇÷ｔｏ＋ＩＱ＋ｌｏ＋Ｘ軸周り
正回転＝　　　　　　　　　　　　　ｅ＋劃−１Ｏ＋、
■−Ｙ軸周り正回転：　　　　　　　　　　　　　ｓ＋
、ｏ＋、ｏ−、ｏ−Ｚ軸周り正回転：Φ−、＠＋、＠÷
、Ｉ−，ロー、■＋、■＋、トこれより、振動用テーブ
ルを（ＸｓｙｙＺ）なる座標に移動するには、各圧電素
子に対し、■Ｘ、■Ｘ、■−Ｘ、■−Ｘ、■ｙ、■ｙ、
■−ｙ。

■−ｙ、■２．［相］２．■Ｚ９＠Ｚ に比例した電圧を印加すればよい。

また、振動用テーブルに（θＸ、θｙ、θＺ）なる回転
をさせるには。

■−θ２．■θ２．■θ２．■−０２，■−０２．■θ
Ｚ。

■θ２．■−θ２．■θＸ＋θｙ−［相］−θＸ十θｙ
。

■Ｘ−θｙ、■−Ｘ−θｙ に比例した電圧を印加すればよい。

そして、これらの並進と回転運動を複合させるには、 ■Ｘ−０２．■Ｘ＋０２．■−Ｘ＋０２．■−Ｘ−０２
゜■ｙ−０２．■ｙ＋０２．■−ｙ＋θ２．■−ｙ−θ
２゜■２＋θＸ＋θ）’　ｔ　＠’　ｚ−θＸ＋θＶ　
ｙ　４］）　ｚ＋θＸ−θ２゜■２−θＸ−θｙ に比例した電圧を印加すればよい。

ただ、各圧電素子に印加する電圧は十〜−で振らせるよ
りも＋側にシフトさせて、シフト電圧を中心に振らせる
方が制御しやすく、また、圧電素子に予圧を与え易い点
からも好ましいといえる。

その場合、シフト電圧Ｖｓとすれば、印加電圧は下記の
ようになる。

■ｖＳ＋ｘ−０２．■Ｖｓ＋ｘ十０２．■Ｖｓ−ｘ＋ｆ
Ｊｚ。

■Ｖ　ｓ　−ｘ−０２，■ｖｓ＋ｙ−ｏｚ、■Ｖｓ＋ｙ
＋０２゜■Ｖ　Ｓ　−ｙ　＋　Ｏｚ　、■Ｖｓ−ｙ−０
２゜■Ｖｓ＋ｚ＋（ｊｘ＋θｙ＊＠ｌＶｓ＋ｚ−θｘ＋
（ｌｙ。

■Ｖｓ＋ｚ＋θＸ−θｙ　ｙ　＠　Ｖ　ｓ　＋　ｚ　　
Ｏｘ−θｙそこで、たとえば振動用テーブルをＸＹ平面
内の楕円（長径Ａ、短径Ｂ）軌道に沿って並進運動させ
る場合には、時間の関数として、 ｘ＝Ａｃｏｓｗｔ、ｙ＝Ｂｓｉｎｗｔ　（ｗ＝＝２　π
／Ｔ、Ｔは一周する周期）なる電圧を印加すればよいこ
とがわかる。従って、その他（Ｘ、ｙ、Ｚ、θＸ、θｙ
、θ２）を様々な時間の関数として与えることにより圧
電素子の変位の限界内であらゆる振動パターンを創生ず
ることが可能となる。上記時間数たる制御信号はマイク
ロコンピュータ８にソフトウェアとして構築することに
より容易に創成することが可能である。

さらに、ファンクションジェネレータ９を併用した場合
、これの出力信号をＤＣ一定レベルに固定し、マイクロ
コンピュータ８の信号を第６図のようにすれば、振動用
テーブル３は前述したＸＹ平面内の楕円軌道を描くが、
ここでさらにファンクションジェネレータ９の信号周波
数や波形を変化させることにより、第７図（ａ）（ｂ）
（ｃ）に示すような複雑な波形を容易に得ることが可能
である。

そのため、これらの複雑な波形により第８図のように振
動用テーブルを楕円軌道を描かせつつ、その近傍で微少
振動を行わせることが可能である。

さらに、第４図のように抵抗検出器１２を介在させるこ
とで、フィードバック加ニジステムを容易に実現でき、
研削中の抵抗に応じて前記したフレキシブルな振動によ
る対応が可能となる。

すなわち、たとえば研削抵抗が大きくなると振動振幅が
増加するようにマイクロコンピュータ８にプログラミン
グすれば、抵抗による砥石やワークの逃げから生ずる削
り残し量を減少させることができる。また、切込み開始
時、あるいは終了時の抵抗変化を検出することにより、
積極的にワークのエツジの面取り加工を行うことも可能
であり、通常では起し易い硬脆材料のチッピングも防ぐ
ことができる。加工中の研削抵抗の変化はストレート型
砥石よりもカップ型砥石のような研削面積の変化する場
合に著しいため、本発明は特にカップ型砥石による面仕
上研削加工において効果的である。

また、第５図のように放電・電解研削加工と複合させた
場合には、振動用テーブル３の駆動用電源出力を砥石〜
ツー９間に印加する放電・電解用の電源として兼用する
ことが可能となる。そのため、何ら特別な電源ユニット
を付加する必要がなく、設備コスト、加工コストが節減
される。そのうえ、振動用テーブル３の変位を砥石〜ツ
ー９間の放電・電解発生の効果を周期させることも可能
となり１通常では実現できない相乗効果を期待すること
かできる。

なお、この加工において砥石〜ツー９間に印加する電圧
の極性も図示のような極性切換スイッチ１５により容易
に切換えでき、マイクロコンピュータ８からの指令によ
る自動切換えも可能である。

このため、ワーク側（＋）、砥石側（−）により、ワー
クの高能率除去を、またワーク側（−）、砥石側（＋）
により砥石の高能率ドレッシングを行える。

また、振動用テーブル３の複雑な制御にも拘らず、研削
抵抗の低減が見られない場合に砥石〜ツー９間の印加電
圧極性を自動切換えするよう予めプログラミングするこ
とで、加工を中断せずにインプロセスで自動ドレッシン
グを行うシーケンスを構成できる。

以上のことから、本発明を利用することにより次に例示
するような特徴ある研削を実現できる。

■振動テーブルがパライティーに富んだ振動を行えるた
め、工具を振動させるよりも被削物の微少破砕が促進さ
れ、研削抵抗が減少するため、除去量が増加し、研削が
高能率化する。

■振動により砥石のドレッシングが常時行われるため、
砥石の目詰りを解除あるいは緩和することができる。

■被削物の振動方向やパターンの自由度が高く、コント
ロールが容易であること、砥石の形状や寸法に制約がな
いことにより、高能率で複雑な形状の加工を行える。

■振動の自由度が高いため、砥石の切込み量を被削物の
材質に特有な塑性破壊領域に設定することが容易となり
、研磨面に近い良好な研削面粗さを得ることができる。

■砥石側の制約がないため、遊離砥粒を付加した研削加
工に適用すれば、被削物の振動により遊離砥粒の微少振
動が得られるため、研削面の良好な研磨効果と砥石の適
度なドレッシング効果が期待できる。

■放電加工を複合した研削加工に適用すれば、被削物と
砥石間の放電を効果的に促進できると共に、放電が均一
化するため、研削面の放電による除去効果と砥石の適度
なドレッシング効果が期待できる。

■電解を複合させた研削加工に適用すれば、振動により
電解液の浸透および流動を促進するため、研削面の研磨
効果ならびに砥石の適度なドレッシング効果が期待でき
る。

なお１本発明は工具側の加振を不可とするものではなく
、この方法との併用セ可能であることはいうまでもない
。また、研削加工用の他、切削加工等のためのワークテ
ーブルとしても用いることが可能である。

〔発明の効果〕

以上説明した本発明によるときには、通常の研削盤、マ
シニングセンタなど各種研削加工機の機側テーブルに搭
載するだけで、多自由度振動テーブル特性により硬脆材
料などを砥石の制限や加工法の制限なく、［単にしかも
高能率、高精度で研削加工することができるという優れ
た効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による研削用被削物加振装置の一実施例
を示す平面図、第２図は同じくその断面図、第３図は本
発明におけるテーブル駆動・制御系の一例を示す説明図
、第４図は他の駆動・制御系を示す説明図、第５図は本
発明を放電・電解研削と複合した実施例を示す説明図、
第６図は本発明におけるテーブル制御信号の一例を示す
線図、第７図（ａ）（ｂ）（ｃ）はファンクションジェ
ネレータを用いた場合の信号波形を示す線図、第８図は
第７図（ａ）により得られたテーブル軌道を示す線図で
ある。 １・・・枠体、２・・・研削機械テーブル、３・・・駆
動用テーブル、■〜０・・・圧電素子、６・・・バイポ
ーラ電源、７・・・制御ボックス、８・・・マイクロコ
ンピュータ、９・・・ファンクションジェネレータ、１
２・・・抵抗検出器。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）研削機械テーブルに取付けられる枠体と、枠体内
   に配された被削物取付け用のテーブルと、前記テーブル
   のＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向をそれぞれ支持する複数
   組の圧電索子と、それら圧電素子の作動を制御する装置
   を備えたことを特徴とする研削用被削物加振装置。
2. （２）圧電素子の作動を制御する装置が、少なくともバ
   イポーラ電源と、この電源からの電圧を所望の圧電素子
   に割り当てると共に、圧電素子への電圧レベルを制御す
   る手段とを有し、さらに要すれば、バイポーラ電源がフ
   ァンクションジェネレータで周波数制御するようになっ
   ているものを含む特許請求の範囲第１項記載の研削用被
   削加振装置。
3. （３）枠体と研削機械テーブル間に抵抗検出装置が介在
   され、フィードバック制御が行われるようになっている
   ものを含む特許請求の範囲第１項記載の研削用被削加振
   装置。