CN102343550B - 磨削方法以及磨床 - Google Patents

Abstract

本发明提供磨削方法以及磨床。使用在砂轮基体(71)的外周具备砂轮层(72)的砂轮基体型砂轮，通过超声波传感器(14)将超声波经由磨削液(20)输出到砂轮层(72)，使用根据从砂轮层(72)的表面反射的反射波与从砂轮基体(71)的外周表面反射的反射波的到达时间差以及砂轮层(72)的音速来计算砂轮层(72)的厚度的超声波测量装置控制构件(34)，基于根据测量出的砂轮层(72)的厚度与砂轮基体(71)的外径而算出的砂轮(7)的外径，对磨削工序以及整形修整工序进行控制。

Description

磨削方法以及磨床

本申请主张于2010年7月27日提出的日本专利申请号2010-168011的优先权，并在此援引该日本专利申请的说明书、附图以及摘要的全部内容。

技术领域

本发明涉及磨削动作控制，详细来说，涉及测量磨削中的砂轮的外径变化并对磨削动作进行控制的磨削方法以及磨床。

背景技术

在磨削过程中，砂轮的外径通过磨削所导致的砂轮的消耗、修正砂轮的砂轮层而变化。对于检测该外径的变化量从而控制磨削动作而言，磨削精度、磨削效率的提高是不可或缺的。作为砂轮的外径的测定方法，日本特开平11-277428号公报公开了使用接触式探针测量砂轮的磨削部的表面位置从而算出砂轮外径的技术。

另外，日本特开平5-104407号公报公开了通过超声波测定方法来测定砂轮的磨损的技术。

在日本特开平11-277428号公报中，由于使用由低热膨胀材料制的臂部保持的接触式探针，并利用包括转印销的磨削、转印销表面位置的测量的砂轮测定工序来算出砂轮的外径，所以需要测量的工序，从而导致磨床的运转率降低。

在日本特开平5-104407号公报中，由于利用砂轮表面与超声波传感器头的距离的变动来测量砂轮的磨损量，所以超声波传感器头的设置位置与砂轮的旋转中心位置的距离的变化也包含于磨损量的变动，从而产生误差。特别地，难以降低温度变化引起的构成部件的热膨胀所导致的距离变动。通过构成部件使用低热膨胀材料、或者将环境温度保持恒定，在理论上能够减小距离的变动，但需要昂贵的材料或温度控制装置。

发明内容

本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种通过简便的结构，即使在磨削状态或整形修整状态下，也能够在短时间内测量砂轮的外径，廉价地提高磨床的运转率的磨削方法以及磨床。

根据本发明的一个方面，其是使用在砂轮基体的外周具备砂轮层的砂轮对磨削工件进行磨削的磨削方法，其中，基于通过以下所述工序而算出的砂轮的外径，对磨削动作以及整形修整动作进行控制，所述工序包括：算出砂轮基体的外径和砂轮层的厚度的工序、算出从砂轮层的表面反射的反射波到达超声波传感器的时间与从上述砂轮基体的外周表面反射的反射波到达超声波传感器的时间的到达时间差的工序、以及算出砂轮的外径的工序。

由于根据从砂轮外径减少前的砂轮层的表面反射的反射波和从砂轮基体的外周表面反射的反射波的到达时间差、与从砂轮外径减少后的砂轮层反射的反射波和从砂轮基体的外周表面反射的反射波的到达时间差的差，以及砂轮层的音速，测量砂轮外径的减少量，因此能够测量不会受到超声波头与砂轮的距离的变化的影响的正确的砂轮外径。

另外，由于能够在磨削液附着于砂轮的表面的状态下测定砂轮外径，因此也能够在整形修整过程中以及整形修整之后实施砂轮的外径测定工序。因此，能够使砂轮的外径测定工序所需要的时间缩短、使磨床的运转率的降低减少。

根据本发明的另一方面，将部件音速设为在砂轮层的构成部件的音速中最快的音速，将缩短时间设为在多个位置测定的缩短时间中最短的时间，算出规定减少量。

根据本发明的又一方面，将部件音速设为在砂轮层的构成部件的音速中最慢的音速，将缩短时间设为在多个位置测定的缩短时间中最长的时间，算出规定减少量。由于能够特定被除去的砂轮层的构成部件，从而能够正确的算出使用该部件的音速的除去量，故能够测定正确的砂轮外径。

根据本发明的又一方面，在工件的磨削过程中测量砂轮的外径，将外径的变化量作为基于磨削的砂轮的消耗量，对磨削动作进行控制。在磨削过程中在短时间内测定砂轮的外径，使用该砂轮的外径的值，能够判定砂轮的磨削开始位置的变更、砂轮的消耗量，从而判定是否进行整形修整。由此，能够缩短空磨削时间、在使用到砂轮的寿命极限之后实施整形修整，能够使效率提高以及磨削成本降低。

根据本发明的又一方面，在砂轮的整形修整过程中测量上述砂轮的外径，将外径的变化量作为基于整形修整的砂轮的除去量，对整形修整动作进行控制。由于在整形修整过程中能够连续地测定砂轮外径的变化，故能够控制基于实际的砂轮除去量的不进行无用的砂轮除去的、正确的整形修整动作，能够使砂轮成本降低。

附图说明

从以下的参照附图对具体实施方式进行的说明能够清楚本发明的上述的和进一步的目的、特征和优点，其中，对相同或相似的要素标注相同或相似的标号。

图1是表示本实施方式的磨床的整体结构的概要图。

图2是图1的侧视图。

图3是表示本实施方式的砂轮的结构的概要图。

图4是本实施方式的超声波测量的原理图。

图5是表示本实施方式的超声波反射波的测定的图。

图6是表示本实施方式的砂轮的砂轮层的构造的详细图。

图7(a)和图7(b)是本实施方式的砂轮层的示意图。

图8是表示本实施方式的磨削工序的流程图。

图9是表示本实施方式的砂轮外径测定工序的流程图。

图10是表示本实施方式的整形修整动作的概要图。

图11是表示本实施方式的整形修整工序的流程图。

具体实施方式

以下，参照图1～图11并基于圆筒磨床的实施例，对具备通过本发明的超声波测量机进行的砂轮外径测定工序的磨削工序、以及整形修整工序的实施方式进行说明。

如图1及图2所示，磨床1具备机座2，在机座2上具备可沿X轴方向往返移动的砂轮座3、以及可沿与X轴正交的Z轴方向往返移动的工作台4。砂轮座3旋转自由地支承砂轮7，且具备使砂轮7旋转的未图示的砂轮轴电机，砂轮轴电机具备测量砂轮7的旋转相位的未图示的相位检测器。如图3所示，砂轮7是具有在金属制的砂轮基体71的外周具备砂轮层72的结构的砂轮基体型砂轮。在砂轮座3的上表面设置有由保持部13、超声波传感器14、以及磨削液供给喷嘴15构成的超声波测量装置12。工作台4具备：主轴5，其旋转自由地支承工件W的一端，且由未图示的主轴电机旋转驱动；以及尾座6，其旋转自由地支承工件W的另一端，工件W由主轴5和尾座6支承，在磨削加工时被旋转驱动。旋转自由地支承由整形修整电机11旋转驱动的整形修整辊9的整形修整装置10，附设于主轴5。

该磨床1具备通过执行规定的程序来执行自动化的磨削工序、整形修整工序、砂轮外径测定工序的控制装置30。作为控制装置30的功能性结构，具备：控制砂轮座3的进给的X轴控制构件31；控制工作台4的进给的Z轴控制构件32；控制整形修整装置10的整形修整控制构件33；控制超声波测量装置12的超声波测量装置控制构件34；以及控制砂轮7的旋转的砂轮轴控制构件35等。

以下，结合图3～图8对在上述的磨床1测定砂轮7的外径的方法进行说明。

以下，对砂轮7的外径测定的原理进行说明。如图3所示，如果将砂轮基体71的外径设为Dc、将砂轮层72的厚度设为Wt，则砂轮7的外径D1成为D1＝Dc+2·Wt。如果砂轮基体71的外径Dc已知，则能够通过测量在磨削时消耗的砂轮层72的厚度Wt来算出砂轮7的外径D1。砂轮基体71的外径Dc是通过在砂轮7的制造时等预先测量而已知的。

砂轮层72的厚度Wt通过以下的方式进行测量。如图4所示，超声波传感器14被配置为，超声波输出方向与砂轮层72的外周面正交，在超声波传感器14与砂轮层72的外周面之间充满有利用磨削液供给喷嘴15供给的磨削液20，距砂轮层72的外周面有规定距离。从超声波传感器14输出的超声波在磨削液20中传导而到达砂轮层72的表面。此时，超声波的一部分被反射，其余在砂轮层72的内部传导而到达砂轮基体71的外周面，此处，超声波也有一部分被反射，其余在砂轮基体71的内部传导。此处，利用超声波传感器14接受从砂轮层72反射的超声波和从砂轮基体71的外周面反射的超声波。如图5所示，如果将2个反射波的到达时间差设为ΔT，将砂轮层72内部的超声波的音速设为V，则砂轮层72的厚度Wt能够以Wt＝ΔT·V/2的方式测定。

如图6所示，砂轮层72是由磨粒721、结合材料722、以及骨料723的具有不同音速的多个材料形成的复合材料。因此，砂轮层72内部的音速V是由各材料固有的音速以及各材料在砂轮层72的占有比率决定的平均的音速。

因此，即便砂轮层72的除去量在任何部位都是恒定的，但由于因部位不同而引起的占有比率的偏差、表面层的被除去的材料的种类，有可能因部位不同而导致2个反射波的到达时间差产生差。结果，担心在砂轮层72的厚度测定上产生误差。

为了解决以上的课题，按照以下的方式进行超声波测量。

将多个砂轮层的超声波测量实施部位定在规定的位置，测定该部位的初始的砂轮层厚度Wt0、以及从砂轮层72的表面反射的超声波到达超声波传感器14的时间与从砂轮基体71的外周面反射的超声波到达超声波传感器14的时间的到达时间差ΔT0，并存储在控制装置内。具体而言，将部位1的初始砂轮层厚度设为Wt10、将到达时间差设为ΔT10，将部位n的初始砂轮层厚度设为Wtn0、将到达时间差设为ΔTn0。

以规定部位1为例对砂轮层的厚度变化的测定方法进行说明。砂轮层减少后的规定部位1的第1次的砂轮层72的厚度变化ΔWt11为，规定部位1的2个反射波的到达时间差的初始值ΔT10与测量时的到达时间差ΔT11的差分ΔT10-ΔT11，与实际测量的规定部位1的表层的被除去的材料的音速V的积的1/2。即，作为ΔWt11＝(ΔT10-ΔT11)·V/2，规定部位1的第1次测量时的砂轮层72的厚度Wt11能够作为Wt11＝Wt10-ΔWt11＝Wt10-(ΔT10-ΔT11)·V/2而算出。同样地，规定部位1的第2次的砂轮层72的厚度Wt12能够作为Wt12＝Wt11-(ΔT11-ΔT12)·V/2而算出。以下，能够通过依次对相对于上一次的砂轮层厚度的厚度变化量进行减法运算来测定现在的砂轮层厚度。

以上的说明在砂轮层72的被除去的部分的音速为恒定的情况下成立，但如已经叙述的那样，砂轮层72是由具有不同的音速的多个材料形成的复合材料。因此，若砂轮层的除去进展顺利，则通过除去不同的材料而改变音速，因此断绝了上述的连续性，通过对相对于上一次的砂轮层厚度的厚度变化量进行减法运算来计算不成立。

因此，在多个部位进行对相对于上述的砂轮层厚度的厚度变化量进行减法运算的操作，仅使用被除去的材料是单独的且能够特定被除去的材料的音速的部位的数据来进行减法运算，从而使连续性成立。

具体而言，结合使如图6所示那样的3种材料随机混合而成的砂轮层72模型化的图7a以及图7b进行说明。图7a是砂轮层的厚度为Wt10、厚度变化量为ΔWt11、由在表层配置有厚度比ΔWt11大的骨料723的第1部分；在表层配置有厚度比ΔWt11小的骨料723的第2部分；在表层配置有厚度比ΔWt11大的磨粒721的第3部分；以及在表层配置有厚度比ΔWt11大的结合材料722的第4部分构成的模型图。图7b是表示从初始状态表层除去厚度ΔWt11的量之后进一步除去ΔWt12的状态。

将磨粒721的音速设为V1、将结合材料722的音速设为V2、将骨料723的音速设为V3，设定为V1＞V2＞V3。由于表层被除去ΔWt11而使得砂轮层的厚度从Wt10减少到Wt11，所以从各部分的砂轮层72的表层反射的超声波到达超声波传感器14的时间与从砂轮基体71的外周面反射的超声波到达超声波传感器14的时间的到达时间差从ΔT10缩短到ΔT11。将缩短的时间差(ΔT10-ΔT11)表示为Δt，将对应于第1部分～第4部分的Δt表示为Δt1～Δt4。Δt取决于被除去的材料的音速和除去量ΔWt11，由于在第1部分中骨料723被除去，故成为Δt1＝ΔWt11/V3，同样地，由于在第3部分中磨粒721被除去，故成为Δt3＝ΔWt11/V1，由于在第4部分中结合材料722被除去，故成为Δt4＝ΔWt11/V2。由于在第2部分中骨料723与结合材料722的双方被除去，故Δt2成为与各自的材料的除去量对应地缩短的时间的和。

此处，比较缩短的时间差Δt的大小，由于除去量为各部分相同，故Δt的大小与除去部件的音速成反比例，即，成为Δt1＝ΔWt11/V3＞Δt4＝ΔWt11/V2＞Δt3＝ΔWt11/V1，由于第2部分的平均音速Va为V2＞Va＞V3，故成为Δt1＞Δt4＞Δt2＞Δt3。在多个测定部分之中，Δt最小的部分为只除去磨粒721的部分，Δt最大的部分为只除去骨料723的部分。除去多个材料的部分的Δt存在于该最大值与最小值之间。因此，作为Δt的最小值的Δtmin与作为材料的音速的最大值的V1的积、或者作为Δt的最大值的Δtmax与作为材料的音速的最小值的V3的积，成为砂轮层的除去量。即，在砂轮层的除去量大致相等的同一部位测定多个部位的缩短时间Δt，能够通过求得Δtmin与作为材料的音速的最大值的V1的积、或者Δtmax与作为材料的音速的最小值的V3的积来算出砂轮层的正确的除去量。

对于同一部位的测定，将超声波测定头14配置于与砂轮7的磨削作用面对置的位置，利用砂轮驱动电机所具备相位检测器对砂轮7的旋转相位进行测定并在同一旋转相位进行测定。

通常的砂轮层的构成部件的大小为50μm以上，由于作为测定对象的砂轮层的除去量在10μm以下，故在多个测定部位内相当的部位进行同一材料内的除去。

结合图8的流程图对具体的超声波测量方法进行说明。

在砂轮7的交换安装时，记录砂轮基体外径Dc、初始砂轮层厚度Wt0、从n处的规定部位的砂轮层72的表面反射的超声波到达超声波传感器14的时间与从砂轮基体71的外周面反射的超声波到达超声波传感器14的时间的到达时间差ΔT10～ΔTn0(STP1)。根据砂轮外径测定指令，在超声波传感器14与砂轮7之间的间隙经由磨削液供给喷嘴15供给磨削液20(STP2)。将砂轮7的旋转相位分度(determine)为规定的相位(STP3)。从超声波传感器14向砂轮层72输出超声波(STP4)。记录从n处的规定部位的砂轮层72的表面反射的超声波到达超声波传感器14的时间与从砂轮基体71的外周面反射的超声波到达超声波传感器14的时间的到达时间差ΔT11～ΔTn1(STP5)。使用式子Δt1＝ΔT10-ΔT11～Δtn＝ΔTn0-ΔTn1对n处的规定部位的到达时间差ΔT的缩短时间Δt进行计算(STP6)。选定缩短时间Δt1～Δtn的最大值Δtmax与最小值Δtmin(STP7)。使用式子ΔWt1＝Δtmax·V3或者式子ΔWt1＝Δtmin·V1对砂轮层除去量ΔWt1进行计算(STP8)。使用式子Wt1＝Wt0-ΔWt1对砂轮层的厚度Wt进行计算(STP9)。将砂轮7的外径D作为D＝Dc+2·Wt1进行计算(STP10)。将初始值改写为Wt＝Wt1、ΔT1＝ΔT11～ΔTn＝ΔTn1(STP11)。停止磨削液(STP12)。

综上所述，对于砂轮层的除去量，选择仅除去单一材料的部位的数据，并使用通过除去而引起的超声波的反射时间的差以及被除去的材料的音速来算出除去量，故能够正确地测量砂轮层的厚度，作为结果能够测定正确的砂轮7的外径。另外，由于对于测定能够在几ms以下的短时间内进行测定，能够与磨削液的存在无关地进行测定，所以能够在磨削工序、整形修整工序的中途进行测定。

在上述的磨床1中，结合图9所示的流程图对使用砂轮7将工件W进行切入磨削的磨削工序进行说明。

在旋转驱动砂轮7的状态下，将工件W以能够由主轴5与尾座6保持的方式搬入(STP1)。使工作台4移动到工件W的加工部与砂轮7的磨削作用面对应的位置(STP2)。使工件W旋转，以快速进给的方式使砂轮座3前进至砂轮7的表面从工件W的表面离开规定量的位置(STP3)。以粗磨削进给的方式使砂轮座3前进至砂轮7的表面从工件W的精磨削外径表面离开C1的位置(STP4)。以精磨削进给的方式使砂轮座3前进至砂轮7的表面与工件W的精磨削的外径表面接触的位置，结束磨削(STP5)。以快速进给的方式使砂轮座3后退至砂轮7的表面从工件W的精磨削外径表面离开C0的位置(STP6)。起动通过超声波测量装置测定砂轮7的磨削作用面的外径的砂轮外径测定工序(STP7)。与STP7同时平行，将工件W搬出到磨床的机床外(STP8)。判定在STP7测量出的砂轮外径是否因磨削所导致的磨损而成为规定值以下(STP9)。在砂轮外径为规定值以下的情况下，进行规定的整形修整工序(STP10)，在STP10结束后，结束磨削工序。在砂轮外径比规定值大的情况下直接结束磨削工序。

综上所述，由于通过测定砂轮外径，在每个磨削工序测定磨削所导致的砂轮的磨削作用面的磨损量，从而判定砂轮可否使用，因此与在磨削预先设定的个数的工件之后实施整形修整的以往的磨削方法比较，能够有效地使用砂轮，进一步，也能够防止异常磨损所导致的不良工件的产生。

接着，结合图10、图11对使用利用上述超声波进行的砂轮外径测定的砂轮7的整形修整工序进行说明。

如图10所示，砂轮7的磨削作用面由于磨削所导致的磨损而砂轮外径减小，能够与未使用于磨削的部分产生阶梯。除去该阶梯进而将磨削作用面除去规定的量，由此保持砂轮7的形状精度和锋利是整形修整的目的。砂轮的除去量作为需要的最小限度避免砂轮无谓的消耗是重要的。因此，需要测定消耗了的磨削作用面的外径与测定整形修整过程中的除去量。

磨削作用面的外形通过已经叙述的磨削工序的砂轮外径测定工序被测定，基于磨削作用面的外形的减少量判定是否需要进行整形修整。

结合图11的流程图对具体的整形修整方法进行说明。

利用工作台4使整形修整辊9沿Z轴方向移动，向图10所示的开始位置d分度(STP1)。使整形修整辊9与砂轮7旋转，使砂轮7沿X轴方向以与整形修整辊9接近的方式前进(STP2)。

接着，利用工作台4使整形修整辊9以与砂轮7接触的状态沿Z轴方向右进，在砂轮7与整形修整辊9的接触结束的位置e停止(STP3)。实施砂轮外径测定工序(STP4)。判定除去是否结束。如果结束则向(STP10)转移，如果未结束则向STP6转移(STP5)。通过使砂轮7沿X轴方向前进规定量，将整形修整辊9切入砂轮7(STP6)。将整形修整辊9在与砂轮7接触的状态下通过工作台4左进，在砂轮7与整形修整辊9的接触结束的位置d停止(STP7)。实施砂轮外径测定工序(STP8)。判定除去是否结束。如果结束则向STP10转移，如果未结束则向STP2转移(STP9)。在除去结束后，使砂轮座后退(STP10)。对工作台进行分度并结束整形修整周期(STP11)。

综上所述，由于在整形修整工序中针对每个砂轮除去的工序都能够在短时间内测定砂轮外径，故能够进行需要的最小限度内的砂轮除去的整形修整，能够防止砂轮的无谓的消耗。

Claims (7)

1.一种磨削方法，其是使用在砂轮基体的外周具备砂轮层的砂轮对工件进行磨削的磨削方法，其特征在于，

基于通过以下工序而算出的所述砂轮的外径，对磨削动作以及整形修整动作进行控制，

所述工序包括：

记录所述砂轮基体的外径、所述砂轮层的厚度亦即第1厚度、以及从所述第1厚度的砂轮层的表面反射的反射波到达超声波传感器的时间与从所述砂轮基体的外周面反射的反射波到达所述超声波传感器的时间的到达时间差亦即第1时间差的工序；

记录从所述砂轮层的厚度亦即第2厚度的砂轮层的表面反射的反射波到达超声波传感器的时间与从所述砂轮基体的外周表面反射的反射波到达所述超声波传感器的时间的到达时间差亦即第2时间差的工序；

算出所述第1时间差与所述第2时间差的差亦即缩短时间的工序；

利用构成所述砂轮层的部件的音速亦即部件音速与所述缩短时间的积，算出规定减少量的工序；

从所述第1厚度减去所述规定减少量而算出所述第2厚度的工序；以及

根据所述第2厚度的倍数与所述砂轮基体的外径的和，算出所述砂轮的外径的工序。

2.根据权利要求1所述的磨削方法，其特征在于，

将所述部件音速设为在所述砂轮层的构成部件的音速中最快的音速，将所述缩短时间设为在多个部位测定的所述缩短时间中最短的时间，算出所述规定减少量。

3.根据权利要求1所述的磨削方法，其特征在于，

将所述部件音速设为在所述砂轮层的构成部件的音速中最慢的音速，将所述缩短时间设为在多个部位测定的所述缩短时间中最长的时间，算出所述规定减少量。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的磨削方法，其特征在于，

在所述工件的磨削过程中测量所述砂轮的外径，将外径的变化量作为基于磨削的所述砂轮的消耗量，对所述磨削动作进行控制。

5.根据权利要求1～3中任一项所述的磨削方法，其特征在于，

在所述砂轮的整形修整过程中测量所述砂轮的外径，将外径的变化量作为基于整形修整的所述砂轮的除去量，对所述整形修整动作进行控制。

6.根据权利要求4所述的磨削方法，其特征在于，

在所述砂轮的整形修整过程中测量所述砂轮的外径，将外径的变化量作为基于整形修整的所述砂轮的除去量，对所述整形修整动作进行控制。

7.一种磨床，其特征在于，具备：

工件支承构件，其支承工件且使所述工件驱动；

砂轮支承构件，其支承在砂轮基体的外周具备砂轮层的砂轮，并利用驱动装置对该砂轮进行旋转驱动；

驱动构件，其使所述工件支承构件与所述砂轮支承构件相对移动，以利用所述砂轮对所述工件进行磨削；

超声波测量构件，其向所述砂轮层输出超声波，并根据从所述砂轮层的表面反射的反射波与从所述砂轮基体的外周表面反射的反射波的到达时间差以及所述砂轮层的音速来测量所述砂轮层的厚度；

砂轮整形修整构件，其对所述砂轮进行整形修整；以及

控制构件，其基于通过以下工序而算出的所述砂轮的外径，对磨削动作以及整形修整动作进行控制，

所述工序包括：

记录所述砂轮基体的外径、所述砂轮层的厚度亦即第1厚度、以及从所述第1厚度的砂轮层的表面反射的反射波到达超声波传感器的时间与从所述砂轮基体的外周面反射的反射波到达所述超声波传感器的时间的到达时间差亦即第1时间差的工序；

记录从所述砂轮层的厚度亦即第2厚度的砂轮层的表面反射的反射波到达超声波传感器的时间与从所述砂轮基体的外周表面反射的反射波到达所述超声波传感器的时间的到达时间差亦即第2时间差的工序；

算出所述第1时间差与所述第2时间差的差亦即缩短时间的工序；

利用构成所述砂轮层的部件的音速亦即部件音速与所述缩短时间的积，算出规定减少量的工序；

从所述第1厚度减去所述规定减少量而算出所述第2厚度的工序；以及

根据所述第2厚度的倍数与所述砂轮基体的外径的和，算出所述砂轮的外径的工序。