JPH0985614A - 超精密磨き工具 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＥＥＭ加工等において、面粗さの低下の原因
とされる工具と工作物との間の砥粒懸濁液の膜厚が極小
となりかつ抵抗エネルギが高くなる傾向を解消するた
め、工具の変形抵抗を少なくすることによって、表面粗
さの精度の向上を達成する。 【解決手段】 工具軸１０と同心的に回転体工具本体を
形成し、その内部に所定圧の気体が封入される閉空間が
画成される弾性薄膜部材１４を気密に工具軸１０に取り
付け、工具軸１０に閉空間に開口する通路１６を形成す
るとともに、閉空間に封入した気体を封止可能な弁１７
を通路１６に接続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、工作物と工具との
間に砥粒懸濁液を流しながら超仕上げ加工をするための
超精密磨き工具に係り、特に、工具の変形抵抗を小さく
することによって仕上げ面の面粗さの精度向上を達成で
きるようにした超精密磨き工具に関する。

【０００２】

【従来の技術】工作物の超仕上げ加工では、従来、サブ
ミクロンオーダーの精度が得られれば十分であったが、
最近では、数１０ｎｍ以下、なかには原子オーダーの面
粗さの精度までが要求されるようになっている。原子オ
ーダーの面粗さを可能とするものとしては、ＥＥＭ加工
（Elastic Emission Machining）法がある。このＥＥＭ
加工法は、加速した砥粒懸濁液を工作物と工具との間に
流して、砥粒を工作物の表面に衝突させることによって
工作物の表面を超仕上げ加工する方法である。

【０００３】ＥＥＭ加工法では、その砥粒としては、粒
度が例えば、０．１μｍ以下の極く微細粒の砥粒を使用
可能な上に、この砥粒自体は液体中に懸濁していること
から、通常の研磨の場合とは異なって砥粒の工作物表面
への衝突もやわらかく、従って、表面性状の欠陥のない
オングストロームオーダの除去が可能な超仕上げ加工法
として注目されている技術である。

【０００４】ここで、図５は、ＥＥＭ加工法において、
中実のポリウレタン球を工具１として用いて工作物５の
表面を超仕上げ加工をする従来例を示す図で、工具１と
工作物５との間に懸濁液４が流れるときに、工作物５の
表面に衝突する砥粒６の動きを模式的に点線で表わして
いる。

【０００５】この工具１は、図４に示すようなＥＥＭ加
工装置で用いられるもので、ＮＣ工作機械の主軸頭３０
には、十字ばね３１を介して研磨ヘッド３２が支持さ
れ、この研磨ヘッド３２に取り付けた無段変速モータ３
３から回転トルクが工具１に伝達されるようになってい
る。工作物５は、台３４に固定されるとともに、この台
３４とともに懸濁液が流れる加工容器３５に収容されて
ＮＣテーブル３６上に取り付けられる。加工容器３５で
は、懸濁液は、ダイヤフラムポンプ３７によって循環
し、また、恒温装置３８によって液温が一定に保たれる
ようになっている。

【０００６】図６は、工具１の中心から工作物の表面に
垂線を下ろした位置を原点Ｏとしてこの原点Ｏからの距
離に対する懸濁液の膜厚さの変化を示したグラフであっ
て、工具１が一回回転する間に、懸濁液の膜厚はＡ→Ｂ
→Ｃ→Ｄと変化することを示している。

【０００７】この図６において、距離を表わす横軸のマ
イナス方向は、工具１と工作物５との間にできる間隙へ
の流体の入口方向側で、プラス方向は、流体の出口方向
に対応している。また、ψは、弾性流体理論を用い数値
解析をした衝突角である（出典 「精密機械」第４６巻
第６号 （１９８０年６月））。

【０００８】また、Ａ点は、懸濁液の入口側遠点、Ｂ点
は工具１の回転とともに懸濁液がつれ回りして工作物５
と工具１との間に入り込む位置に相当する入口側点、Ｃ
点は、懸濁液が工作物と工具の間から排出され始める出
口側点、Ｄは出口側遠点である。この図からはっきりと
わかるように、Ｂ点では、懸濁液の膜厚がＣ点と較べて
小さくなっているのは、図７に示すように、Ｂ点とＣ点
とでは、Ｂ点の方が運動エネルギやエネルギ密度が極大
となっているためである。

【０００９】その原因としては、Ｂ点では、工具１の回
転でつれ回りする懸濁液の衝突角が大きく、圧力が極大
となるがそれ以上に工具の変形が少ない。工具の変形が
少ない理由としては、 角変化（図８） 工具の剛性 短時間なため粘弾性体の流動抵抗が大きい ことが考えられる。工具の変形については、Ｂ点では、
図８に示されるように、一定の回転角速度で回転する工
具１では、Ｂ点で半径変化率が最大となるが、同時に最
大となる変形抵抗と遠心力が重なり合い、工具の変形を
抑え、実際の変形量は極小となっている。

【００１０】Ｂ点を通過した懸濁液４は、その流れ方向
は工作物５の表面と平行になって、工作物５と工具１の
間の微小隙間を流れると、懸濁液４に作用する摩擦抵抗
による流速の遅延が圧力増加を生じさせるとともに、流
れと直角方向にも拡散するので、総合ではＡ点に較べ急
激に圧力は低下する。また、Ｂ点からＯ点の間では、こ
の圧力が低下する反面、工具１での半径変化量の減少に
伴う変形抵抗変化率の低下とから懸濁液４の膜厚が徐々
に厚くなってくる。やがてＯ点を越えると、工具１の半
径方向の変化は縮みから伸びに転じる結果、回転の遠心
力と工具１の弾性回復とにより、膜厚の変化は抑制され
るものの、圧力の面では低下していく。そして、Ｃ点を
越えると、工具１は元の球形に復元してそれ以上の半径
変化が停止するので、懸濁液４の膜厚は一挙に増加しな
がらＤ点に至る。

【００１１】このような経過を経る懸濁液４の流れで
は、工具１と工作物５との間に形成される懸濁液の膜厚
の変化が仕上げ面の面粗さの精度に大きな影響を与える
ことが知られている。特に、ＥＥＭ加工における膜厚と
面精度の関係については、膜厚が薄くなる上に、エネル
ギの集中する傾向が強いほど、加工を行なったときの面
粗さの精度の低下がみられるという結果が得られてい
る。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】工具１のような回転体
の外周部で加工する工具では、図６ないし図８における
Ｂ点のように膜厚が極小でエネルギの集中して極大とな
る傾向があるのは、工具の直径が小さいもの、あるいは
剛性が大きく変形エネルギの高いものであることが判明
している。従って、表面粗さの精度を劣化させる要因と
して、工具の剛性による変形抵抗の大きさが問題となる
が、従来のＥＥＭ加工に用いられる工具では、面粗さと
の関係において工具の変形抵抗について着目されること
がなかった。

【００１３】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、工具の変形抵抗を少なくするこ
とによって、表面粗さの精度の向上を達成する超精密磨
き工具を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、本発明は、工具軸と同心的に回転体工具本体を形
成し、その内部に所定圧の気体が封入される閉空間が画
成される弾性薄膜部材を気密に前記工具軸に取り付け、
前記工具軸に前記閉空間に開口する通路を形成するとと
もに、前記閉空間に封入した気体を封止可能な弁を前記
通路に接続することを特徴とするものである。

【００１５】前記の超精密磨き工具の構成においては、
工具軸と同心的に円板状のフランジを軸方向に一定間隔
をおいて複数枚設け、これらのフランジを弾性薄膜部材
によって被覆連結して円筒状の工具本体を形成し、前記
フランジが３枚以上ではフランジを介して隣り合う各室
がフランジに形成した孔によって連通接続されるように
構成することができる。この構成によれば、弾性薄膜部
材と工作物の表面との接触面積を増やすことができる。

【００１６】また、前記弁は、工具軸の軸端に設けられ
ガス供給源に接続した時に開となり、ガス供給源と断絶
されると閉じ閉空間内のガスの圧力を保持するセルフシ
ール機能を有するものとして構成することにより、本発
明の超精密磨き工具を単体の工具として使用することが
できる。

【００１７】なお、前記弾性薄膜部材は、好適には、ゴ
ム膜または高分子薄膜からなるもので、加工条件によっ
ては、さらに、その外表面に極めて軟らかいポリシング
クロスを貼付するようにしてもよい。

【００１８】

【発明を実施するための形態】以下、本発明の超精密磨
き工具を実施する一形態について添付の図面を参照して
説明する。図１において、１０は、本発明を実施した磨
き工具の工具軸であり、この工具軸１０はその基端部で
工作機械側に連結されるようになっている。また、工具
軸１０の中間部にはフランジ１１と、先端部でＯリング
１２を介して密閉的に装着されているカラー１３との間
にタイヤ形状の工具本体をなし、その内部に閉空間が形
成されている弾性薄膜部材１４が軸１０と同心的に取り
付けられている。弾性薄膜部材１４の材料には、ゴム
膜、高分子重合体の薄膜を用いることができる。

【００１９】この実施形態では、カラー１３に対して押
圧可能なように押えねじ１５を工具軸１０の先端に螺着
させて、この押えねじ１５を締めることによってカラー
１３の軸方向の移動を規制するようにして、弾性薄膜部
材１４をフランジ１１とカラー１３との間で固定できる
ようになっている。

【００２０】また、工具軸１０には、同心的に弾性薄膜
部材１４の内部にガスを封入するためのガス通路１６が
形成されている。このガス通路１６の出口は、弾性薄膜
部材１４の内部の閉空間に開口し、入口側には、弁１７
が組み込まれている。この弁１７は、ガス（例えば、空
気）を供給する配管を接続して空気を弾性薄膜部材１４
に送り込むと開の状態になり、弾性薄膜部材１４の内部
のガス圧力が所定の値に達した後、配管を引き抜くと圧
力が保持されるセルフシール機能を有する逆止め弁が用
いられるようになっており、工具を単体工具として使用
することができる。

【００２１】次に、以上のように構成される磨き工具の
作用について説明する。この磨き工具によれば、回転さ
せながら、工具本体の弾性薄膜部材１４の外周面を工作
物の被加工表面に押し付けると、内部に封入されている
ガスの圧縮力によって工作物を一定加圧力で押圧しなが
らＥＥＭ加工法による研磨を行なえる。

【００２２】また、この磨き工具では、弾性薄膜部材１
４の内部に封入されているガスの粘性は極微であるため
に、剛性は小さくなる。

【００２３】回転する工具と工作物の間に砥粒懸濁液を
流しながら、研磨を行なうと、従来技術の項で説明した
ように、剛性の小さな弾性薄膜部材１４は変形するが、
弾性薄膜部材１４自体は薄い膜であって、それ自体の変
形抵抗は非常に小さくガス内圧の上昇による変形抵抗を
含めても、内部まで充満した工具に比べ極微である。

【００２４】工具と工作物の間に形成される懸濁液の膜
厚の変化や、工具の変形については、図６や図７と同じ
ように考えることができるが、この磨き工具の場合、わ
ずかな変形抵抗であるために、Ｂ点のように、面粗さ精
度低下の誘因となる膜厚が極小となる上に、大きな変形
抵抗によるエネルギの集中が加わるという現象を解消で
きる。

【００２５】また、工具が変形したときの圧力は、ガス
特性からどの部分でも均一になるので、変形抵抗が一様
となる結果、従来技術の項で述べたようなＢ点における
エネルギの極大値を下げる効果が得られ、一層の表面粗
さの向上が可能となる。

【００２６】なお、以上の説明では、ＥＥＭ加工用とし
て用いた実施形態について説明したが、一般の仕上げ加
工のポリッシングにおいても、同じような変形抵抗と面
粗さの精度との関係があるので、本発明をＥＥＭ加工以
外のポリッシング加工に適用しても有効である。その場
合、図２に示すように、弾性薄膜部材１４の外表面に
は、砥粒保持特性を有する極めて軟らかく、従って、変
形抵抗の小さいポリシングクロス１８を貼付するように
すれば好適である。

【００２７】次に、本発明の他の実施形態による磨き工
具について、図３を参照して説明する。この実施形態で
は、弾性薄膜部材２０を工具軸１０と同心的に設けた少
なくとも２枚以上のフランジ２１の外周に被着して円筒
体（フランジ２１が２枚の場合）蛇腹状（フランジ２１
が３枚以上）の工具本体を構成したものである。この実
施形態のように、フランジ２１を３枚以上設けることに
よって、弾性薄膜部材２０の内部には、フランジ２１に
よって小区画のガス室２２が形成されている。そして、
フランジ２１のうち両端のフランジを除いて通孔２３が
形成されており、各ガス室２２は、通孔２３を介して連
通し合い、これによって各ガス室２２は、等圧に保たれ
るようになっている。ガス室２２には、図１の実施形態
と同じように逆止め弁１７、ガス通路１６を使ってガス
を充填できるようになっている。

【００２８】この実施形態によれば、フランジ２１でガ
ス室２２を区画することによって、工作物に対する接触
面積が増大するという利点が得られる。

【００２９】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、回転体の工具本体を弾性薄膜部材にガスを封
入する形式のものとして構成したので、研磨中の工具の
変形抵抗をガスの内圧上昇によるわずかな変形抵抗だけ
にすることができるため、膜厚が極小になった部分に、
大きな変形抵抗が作用してエネルギの集中が加わるとい
う現象を解消でき、これにより、ＥＥＭ加工法のように
原子オーダの面粗さの精度が問題となる超仕上げ加工で
の精度向上が達成される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による超精密磨き工具の一実施形態を示
す断面図。

【図２】工具本体の外表面にポリシングクロスを貼付す
る変形例を示す説明図。

【図３】本発明の他の実施形態による超精密磨き工具の
断面図。

【図４】ＥＥＭ加工装置の概略構成説明図。

【図５】ＥＥＭ加工法において球状の工具と工作物の間
の砥粒懸濁液の流れを示す模式図。

【図６】ＥＥＭ加工法における工具中心からの位置と懸
濁液の膜厚との関係を示す図。

【図７】ＥＥＭ加工法における工具中心からの位置とエ
ネルギの変化を示す図。

【図８】工具が回転したときの半径方向の変化率を示し
た模式図。

【符号の説明】

１ 工具 ４ 懸濁液 ５ 工作物 １０ 工具軸 １１ フランジ １２ Ｏリング １３ カラー １４ 弾性薄膜部材 １５ 押えねじ １６ 通路 １７ 弁 ２０ 弾性薄膜部材 ２２ 通孔

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】工具軸と同心的に回転体工具本体を形成
   し、その内部に所定圧の気体が封入される閉空間が画成
   される弾性薄膜部材を気密に前記工具軸に取り付け、前
   記工具軸に前記閉空間に開口する通路を形成するととも
   に、前記閉空間に封入した気体を封止可能な弁を前記通
   路に接続することを特徴とする超精密磨き工具。
2. 【請求項２】工具軸と同心的に円板状のフランジを軸方
   向に一定間隔をおいて複数枚設け、これらのフランジを
   弾性薄膜部材によって被覆連結して円筒状の工具本体を
   形成し、前記フランジが３枚以上ではフランジを介して
   隣り合う各室がフランジに形成した孔によって連通接続
   されるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の超
   精密磨き工具。
3. 【請求項３】前記弁は、工具軸の軸端に設けられガス供
   給源に接続した時に開となり、ガス供給源と断絶される
   と閉じ閉空間内のガスの圧力を保持するセルフシール機
   能を有することを特徴とする請求項１または２に記載の
   超精密磨き工具。
4. 【請求項４】前記弾性薄膜部材は、ゴム膜または高分子
   薄膜からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれ
   か１項に記載の超精密磨き工具。
5. 【請求項５】ＥＥＭ加工装置用の工具として用いられる
   ことを特徴とする請求項４に記載の超精密磨き工具。