JP2008023691A - 研削装置及び制御プログラム、研削方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加工変質層を抑制することを可能とする。
【解決手段】研削盤本体７に移動可能に支持された砥石台３と、砥石台３に回転駆動可能に支持され砥石台３の移動と共に研削移動が可能な砥石５と、砥石台３を駆動して研削移動を可能とするサーボモータ９と、研削盤本体７側に支持された工作物Ｗを砥石５によりインフィード研削過程及びスパークアウト研削過程の研削サイクルにより研削加工するようにサーボモータ９を制御するコントローラ１１とを備えた研削装置１であって、コントローラ１１は、インフィード研削過程終了時における工作物Ｗの弾性変形量と工作物Ｗの表面に形成される加工変質層との関係を考慮した研削サイクルでサーボモータ９の制御を行わせることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、砥石により工作物を研削加工する研削装置及び制御プログラム、研削方法に関する。

研削加工を行うと、加工された工作物表面には研削抵抗や研削熱が作用して、金属組織や硬さが変化し、或いは残留応力が残ることは知られている。この工作物表面に残る変化は、加工変質層と言われている。加工変質層が発生すると工作物の品質を損なうため、加工変質層が残らない加工が求められている。

このため、砥石車の加工表面に垂直に研削液を供給する直角ノズルと、研削点に研削液を供給するストレートノズルとを設け、直角ノズルからの研削液は流速を５．０ m/s以上とし、ストレートノズルからの研削液の流量を２５〜５０リットル/minの範囲とすることにより、少ない研削液でより効率良く冷却を可能とし、加工変質層の低減を図るようにした研削装置がある。

しかし、研削液を用いた冷却のみで加工変質層を抑制することには限界があり、研削液の流量制御も煩雑であった。

特開２０００−１０８０３２号公報

解決しようとする問題点は、研削液を用いた冷却のみで加工変質層を抑制することには限界があり、研削液の流量制御も煩雑であった点である。

本発明は、研削液の流量制御に係わらず加工変質層を抑制するため、制御部は、インフィード研削過程終了時における工作物の弾性変形量と工作物の表面に形成される加工変質層との関係を考慮した研削サイクルで駆動部の制御を行わせることを最も主要な特徴とする。

本発明の研削装置及び制御プログラム、研削方法では、インフィード研削過程終了時における工作物の弾性変形量と工作物の表面に形成される加工変質層との関係を考慮した研削サイクルで駆動部の制御を行わせるため、加工変質層を抑制することができる。

研削液の流量制御に係わらず加工変質層を抑制するという目的を、研削サイクルの工夫により実現した。

［研削装置］
図１は、本発明の実施例１に係る研削装置の概略構成図である。

図１のように、研削装置１は、砥石台３及び砥石５と工作物Ｗとが装置本体である研削盤本体７に支持され、砥石台３を駆動部としてのサーボモータ９により駆動する構成となっている。

砥石台３は、ボールスプライン等により研削盤本体７に支持され、研削盤本体７に移動可能に支持されている。

砥石５は、砥石台３に回転可能に支持された砥石車であり、モータにより回転駆動される構成となっている。砥石５は、砥石台３の移動と共に研削移動が可能となっている。砥石台３の移動は、砥石５が工作物Ｗに切り込む方向と砥石５の回転軸に沿った送り方向となっている。

サーボモータ９は、砥石台３の駆動により砥石５の研削移動を可能とするものであり、制御部としてコンピュータにより構成されたコントローラ１１により制御される構成となっている。

砥石台３の位置は、例えばサーボモータ９に取り付けられたロータリーエンコーダ１３の出力をコントローラ１１に入力することで検出している。

コントローラ１１は、工作物Ｗを砥石５によりインフィード研削過程及びスパークアウト研削過程の研削サイクルにより研削加工するようにサーボモータ９を制御するステップによりコンピュータを動作させる制御プログラムを備え、前記ステップは、インフィード研削過程終了時における工作物Ｗの弾性変形量と工作物Ｗの表面に形成される加工変質層との関係を考慮した研削サイクルでサーボモータ９の制御を行わせる制御プログラムとなっている。
研削サイクルは、工作物Ｗの材質等に応じて、例えば制御マップ形式でコントローラ１１のＲＯＭ等に複数種格納されている。但し、同一の工作物Ｗを研削加工する場合は、単一の研削サイクルを設定しておくこともできる。

コントローラ１１は、前記インフィード研削過程終了時における工作物Ｗの弾性変形量と工作物Ｗの表面に加工変質層の深さとを一致させるように前記研削サイクルを行わせることで、短時間の研削加工でありながら、加工変質層を無くすことができる。

工作物Ｗの弾性変形量は、前記砥石５から砥石台３及び研削盤本体７を経て工作物Ｗに至る間の静剛性から予め求めている。加工変質層の深さは、研削抵抗との関係から予め求めている。

［研削加工］
図２は、本発明の実施例に係る研削サイクルにより研削加工動作を行わせるフローチャートである。

電源スイッチが投入される等すると、図２のフローチャートが開始される。

ステップＳ１では、「初期設定」の処理が実行される。この処理では、砥石台３の初期位置の設定、タイマーのリセット等が行われ、ステップＳ２へ移行する。

ステップＳ２では、「工作物の材質の読み込み」の処理が実行される。この処理では、工作物Ｗの材質等からその硬さが分かるため、切り込み量の設定との関係から研削抵抗が分かる。

ステップＳ３では、「研削サイクルの読み込み」の処理が実行される。この処理では、研削抵抗から求められる加工変質層の深さと、装置の静剛性から予め求められている工作物Ｗの弾性変形量との関係から、所望の研削サイクルが読み出され、ステップＳ４へ移行する。なお、同一の工作物Ｗのみの加工であるときは、始めから研削サイクルを設定しておくこともできる。

ステップＳ４では、「研削サイクルによりサーボモータ駆動」の処理が実行され、読み出された研削サイクルにより工作物Ｗが砥石５により研削加工され、ステップＳ５へ移行する。

ステップＳ５では、「砥石の位置読み込み」の処理が実行される。この処理では、ロータリーエンコーダ１３からの信号により砥石台３の位置が演算され、この位置に応じて砥石５の切り込み量が求められ、選択した研削サイクルの切り込み量を維持するようにサーボモータ９が制御される。

ステップＳ６では、「研削しろ終了か？」の判断処理が実行される。この処理では、研削サイクルにより設定された研削しろが研削されたか否かの判断がなされ、研削されていれば（ＹＥＳ）、ステップＳ７へ移行し、研削されていなければ（ＮＯ）、ステップＳ５の処理が繰り返される。

ステップＳ７では、「タイマーの読み込み」の処理が実行される。この処理では、予め設定された時間をカウントするタイマーが動作し、この時間が読み込まれ、ステップＳ８へ移行する。
ステップＳ８では、「スパークアウト研削時間経過か？」の判断処理が実行される。この処理では、研削しろ分の研削が終了した後、設定時間のスパークアウト研削を行わせるものであり、スパークアウト研削時間が経過していなければ（ＮＯ）、ステップＳ７の処理が繰り返され、スパークアウト研削が継続される。スパークアウト研削時間が経過していれば（ＹＥＳ）、処理は終了する。
次に、図３〜図１０を用いて、加工変質層を抑制できる研削サイクルの根拠について説明する。図３は、静剛性が相対的に高い研削システムによるプランジ研削サイクルを示すグラフ、図４は、静剛性が相対的に低い研削システムによるプランジ研削サイクルを示すグラフ、図５は、切り込み量と研削抵抗との関係のグラフ、図６は、研削抵抗と加工変質層深さとの関係のグラフ、図７は、図４の研削サイクルにおける加工変質層深さを示すグラフ、図８は、図５の研削サイクルにおける加工変質層深さを示すグラフ、図９は、切り込み量が相対的に小さい場合の研削サイクルを示すグラフ、図１０は、り込み量が相対的に大きい場合の研削サイクルを示すグラフである。

［研削サイクル］
研削加工は、砥石を工作物に切り込んでいくプランジ研削と、工作物を砥石の回転軸方向に送りながら加工を行うトラバース研削とに大別されるが、説明を簡単にするために、プランジ研削を例に挙げて説明する。しかしながらここで提案する方法はそのままトラバース研削方法にも適応できる。

図３を用いてプランジ研削サイクルについて説明する。縦軸は工作物寸法、横軸は研削時間を示している。研削加工前の工作物寸法をＡの点で、またこのサイクルで削り取る研削しろをＡ０で示す。この点Aから直線ＡＢに沿って砥石台を目標とする工作物寸法Ｂまで直線的に切り込んでいく。この過程は切込みを行う過程であるのでインフィード研削過程と呼ばれている。

研削加工システムは研削盤、砥石，加工物によって構成されており、これらが加工に伴って発生する研削抵抗によって弾性変形するため、インフィード研削過程においては点ＡＣＤに沿って工作物寸法が減少し、砥石台の送りであるＡＢとは一致せず、時間遅れを持っている。両曲線の差は砥石と工作物との間に発生する弾性変形量に相当する。点Ｂにおける工作物寸法はDとなり、ＢＤ間の寸法は切り残し量として知られている。したがって、この切り残し量を排除するため、一般的には砥石台を点Ｂの位置に置いたまま研削加工を継続している。この過程をスパークアウト研削と呼んでいる。スパークアウト研削過程では、砥石と工作物間の研削抵抗が徐々に減少するため、工作物寸法は点Ｅで目標の値となる。

図４は図３と同様なプランジ研削サイクルを示しているが、これは図３と異なり、研削システムの剛性が低い場合を示しており、砥石と工作物間の弾性変形量が大きな場合である。図４においては弾性変形量が図３に比べて大きく、このためスパークアウト研削過程が長くなり、サイクル全体が終了する総研削時間が長くなっており、加工能率が悪いことになる。

［加工変質層深さ］
加工変質層の生成要因は研削抵抗と研削熱であるといわれている。すなわち研削加工に伴って発生する加工変質層の深さはこれらの研削抵抗と研削熱に依存することになる。ただし研削熱は加工によって発生したエネルギーの一部が熱に変換するものと考えられるので、加工変質層の深さは研削抵抗に依存すると単純に考えても間違いではない。また、研削抵抗は砥石の工作物への切込み量にほぼ比例して増加する傾向があるので、切込み量と研削抵抗との関係を図５のように表すことができることが知られている。

また、実験によって確認したところ、加工変質層の深さは研削抵抗に伴って増加する傾向があることから、両者の関係を図６のように示すことができる。同図には加工変質層の深さと研削抵抗との関係をａ，ｂ，ｃの３種類で示しているが、いずれも研削抵抗の増加に伴って加工変質層の深さが増加する傾向は同じである。これらの関係に基づいて研削サイクルにおける加工変質層の深さがどのように変化するかを考えることにするが、簡単のため曲線ｂを例にとって以下の説明を行う。なお、曲線ａ，ｃに示すような傾向をとる場合においても考え方は同じである。

［研削サイクルにおける加工変質層の深さ］
図７，８は図３，４に示したものと同じプランジ研削サイクルを示しているが、これらには図６の曲線bに基づいて得られた加工変質層の深さを示している。

図７において、点Ａから工作物の寸法は減少し始めるが、点Ｃに達するまでの過程では研削抵抗が徐々に増加する。その後研削抵抗は一定の値となり、曲線ＣＤで示す工作物寸法の減少過程は砥石台の切込み量を表す直線ＡＢと同じ傾きを持つ。点Ｂにおいて砥石台の切込みを停止すると工作物寸法は徐々に減少して目標の値であるＥに到着する。

その間加工変質層が生成されるが、これの深さは曲線ＡＣ間では徐々に増加してＡＦとなり、直線ＣＤ間では一定の深さをもって直線ＦＧのように変形する。ここでスパークアウト研削を行うと、それ以前のインフィード研削過程で生成された加工変質層の深さは維持され直線ＧＨのように推移する。この結果点Ｂで示した工作物の最終寸法ＤＢと点Ｇで示した加工変質層の深さＤＧとの差分だけ、すなわち直線ＢＧの分だけＤ加工変質層が残ることになる。

これに対して、研削加工システムの剛性が低い図８の場合は、インフィード研削過程で生成される加工変質層の深さＤＧは弾性変形量ＤＢよりも小さく、スパークアウト研削過程でこの弾性変形分を削り取ってしまうため、最終的に加工変質層は残らず、良好な仕上面品質が得られることになる。

上述したように研削加工システムの剛性が低いと、弾性変形量を削り取るために必要とされるスパークアウト研削過程の時間が長くなるため、加工能率という観点からは好ましくないが、この弾性変形量を積極的に利用することにより、加工終了後に加工変質層の残らない、良好な仕上面が得られるという利点がある。これらの関係を考慮し、加工能率を高くし、かつ加工変質層が残らないような最適な研削サイクルとする。但し、加工時間を短縮するときは、多少加工変質層を残してもよい。

［最適研削サイクルの考え方］
図９は、図８と同様にプランジ研削を行った場合のサイクルを示す。この場合、インフィード研削過程終了時における加工変質層の深さＤＧは、このときの弾性変形量ＤＢよりも小さいため、スパークアウト研削過程終了後に加工変質層は残らない。

図１０は、同じ量の研削しろＡ０を加工しているが、加工能率を向上、すなわち加工時間を短くするためにインフィード研削過程において設定の切込み量を大きくした場合である。切込み量を大きく、すなわちＡＢの傾きを大きくすると、目標とする工作物の寸法に達するまでの研削時間０Ｂが短くなり、研削終了までの時間０Ｅが短くなるため、加工能率が向上する。

しかしながら、切込み量を大きくするとこれに伴って研削抵抗が大きくなり、その結果図５，６に示したように加工変質層の深さが深くなる。図１０の場合ではインフィード研削過程終了後における加工変質層の深さＤＧが、このときの弾性変形量ＤＢよりも大きくなっているため、スパークアウト研削を行っても加工変質層を取り去ることができない。

そこで、加工変質層を残さず、研削加工を行うためには、次のような方法が有効である。

［適切な設定切り込み量の選択］
予め研削盤、砥石、工作物から構成される研削加工システムの静剛性を調べておけば、図１０に示したインフィード研削過程終了後の弾性変形量ＤＢを予測することが可能である。また、図６に示した研削抵抗と加工変質層の深さとの関係を調べておくことによって、図１０に示したインフィード研削過程終了時の加工変質層の深さＤＧも予測できる。これらのデータに基づいてＤＢとＤＧの両者が同じ値となる設定切込み量（図１０におけるＡＢの傾き）を設定すれば、加工変質層を残さずに最も効率的な加工サイクルを設計することが可能となる。
もちろん、余裕を持って設定切込み量を与えれば、加工変質層の残らない良好な品質をもった工作物を得ることができることは言うまでも無い。

［実施例１の効果］
本発明の実施例１に係る研削装置及び制御プログラム、研削方法では、インフィード研削過程終了時における工作物Ｗの弾性変形量と工作物Ｗの表面に形成される加工変質層との関係を考慮した研削サイクルでサーボモータ９の制御を行わせるため、加工変質層を抑制することができる。

弾性変形量と加工変質層の深さとを一致させる研削サイクルでサーボモータ９の制御を行わせる場合は、研削加工時間が最短でありながら、加工変質層を無くすことが可能となる。

図１１は、本発明の実施例２に係り、インフィード研削過程を２段階で構成した研削サイクルを示すグラフである。

前記コントローラ１１は、前記インフィード研削過程を研削抵抗の大きなものから同小さなものへ移行させる複数段階、例えば２段階設けることもできる。なお、複数段階としては、３段階以上に設定することもできる。
実施例１では、設定切込み量の大きさが加工変質層の深さに依存するため、研削能率をこれ以上向上することができない。そこで、図１１に示すような研削サイクルにすることで研削能率を向上させることができる。この研削サイクルは２つのインフィード研削過程と１つのスパークアウト研削過程から構成されている。

まず、インフィード研削過程（１）において通常の設定切込み量より大きく切込みをセットし、目標とする研削しろＡ０のうちの一部を研削する。この過程を同図ではＡＢで示している。この過程では設定の切込み量が大きいため、加工変質層の深さはＡＦＧという経路をたどり、弾性変形量ＤＢよりもより深い加工変質層ＤＧが形成される。
次に、同図の点Ｂにおいて設定切込み量を小さくする（インフィード研削過程（２））と、研削抵抗が小さくなるため、この過程における加工変質層の深さは直線ＬＮで表したようになる。
しかしながらインフィード研削過程（１）の終了点における加工変質層の深さはＤＧであるため、インフィード研削過程（２）の進行に伴って、加工変質層の深さはＡＦＧＭＮのように推移する。
インフィード研削過程（２）の終了後スパークアウト研削が行われるため、この終了点における加工変質層の深さＫＮがこの点における弾性変形量であるＫＩよりも小さければ、これをスパークアウト研削過程で削除することが可能である。
この研削サイクルによれば、生成される加工変質層の深さの大小に係わらずインフィード研削過程（１）における設定切込み量をセットできるため、加工能率を向上することが可能となる。

この研削サイクルの概要は、次のとおりである。

１）インフィード研削過程において設定する切込み量（ＡＢの傾き）は、この過程で生成される加工変質層の深さＤＧがこの過程終了点における弾性変形量ＤＢと未切込みＢＰの和ＤＰよりも小さければ問題が無い。したがって、ここで設定できる最大の切込み量は図３，４を参照して得られる最大値とすることができる。これを数式で示すと次のようになる。

ＤＧ ＜ ＤＰ
２）インフィード研削過程において設定する切込み量（ＢＩの傾き）は、この過程の終了点における加工変質層の深さKNがこの点における弾性変形量KIよりも小さい範囲で設定しなければならない。これを数式で示すと次のようになる。

ＫＮ ＜ ＫＩ
３）このサイクルの制約条件は上記の２点のみであり、この条件のもとでサイクルを構成することにより、加工変質層の残らない良好な表面品質を持った加工を実現できる。

なお、加工変質層が多少残っても加工時間を短縮したいときは、これに適した研削サイクルを選択することも可能である。
［その他］
上記実施例では、プランジ研削を例にとって説明したが、トラパース研削にも適用することができる。

上記実施例では、研削装置及び制御プログラムについて説明したが、研削盤本体７側に支持された工作物Ｗを砥石５によりインフィード研削過程及びスパークアウト研削過程の研削サイクルにより研削加工するように駆動部を操作する研削方法であって、前記インフィード研削過程終了時における工作物Ｗの弾性変形量と工作物Ｗの表面に形成される加工変質層との関係を考慮した研削サイクルで研削方法として実現することもできる。

研削装置の概略構成図である（実施例１）。 研削サイクルにより研削加工動作を行わせるフローチャートである（実施例１）。 静剛性が相対的に高い研削システムによるプランジ研削サイクルを示すグラフである（実施例１）。 静剛性が相対的に低い研削システムによるプランジ研削サイクルを示すグラフである（実施例１）。 切り込み量と研削抵抗との関係を示すグラフである（実施例１）。 研削抵抗と加工変質層との関係を示すグラフである（実施例１）。 図４の研削サイクルにおける加工変質層深さを示すグラフである（実施例１）。 図５の研削サイクルにおける加工変質層深さを示すグラフである（実施例１）。 切り込み量が相対的に小さい場合の研削サイクルを示すグラフである（実施例１）。 切り込み量が相対的に大きい場合の研削サイクルを示すグラフである（実施例１）。 複数段のインフィード研削過程を有する研削サイクルを示すグラフである（実施例２）。

符号の説明

１ 研削装置
３ 砥石台
５ 砥石
７ 研削盤本体（装置本体）
９ サーボモータ（駆動部）
１１ コントローラ（制御部）
Ｗ 工作物

Claims (7)

1. 装置本体に移動可能に支持された砥石台と、
   前記砥石台に回転駆動可能に支持され砥石台の移動と共に研削移動が可能な砥石と、
   前記砥石台を駆動して前記研削移動を可能とする駆動部と、
   前記装置本体側に支持された工作物を前記砥石によりインフィード研削過程及びスパークアウト研削過程の研削サイクルにより研削加工するように前記駆動部を制御する制御部とを備えた研削装置であって、
   前記制御部は、前記インフィード研削過程終了時における前記工作物の弾性変形量と工作物の表面に形成される加工変質層との関係を考慮した研削サイクルで前記制御を行わせる
   ことを特徴とする研削装置。
2. 請求項１記載の研削装置であって、
   前記制御部は、前記弾性変形量と加工変質層の深さとを一致させる研削サイクルで前記制御を行わせる、
   ことを特徴とする研削装置。
3. 請求項１又は２記載の研削装置であって、
   前記工作物の弾性変形量は、前記砥石から砥石台及び装置本体を経て工作物に至る間の静剛性から予め求めた
   ことを特徴とする研削装置。
4. 請求項１〜３の何れかに記載の研削装置であって、
   前記加工変質層の深さは、研削抵抗との関係から予め求めた
   ことを特徴とする研削装置。
5. 請求項１〜４の何れかに記載の研削装置であって、
   前記制御部は、前記インフィード研削過程を研削抵抗の大きなものから同小さなものへ移行させる複数段階設けた
   ことを特徴とする研削装置。
6. 装置本体に移動可能に支持された砥石台と、
   前記砥石台に回転駆動可能に支持され砥石台の移動と共に研削移動が可能な砥石と、
   前記砥石台を駆動して前記移動を可能とする駆動部とを備え、
   前記装置本体側に支持された工作物を前記砥石によりインフィード研削過程及びスパークアウト研削過程の研削サイクルで研削加工するように前記駆動部を制御するステップによりコンピュータを動作させる研削装置の制御プログラムであって、
   前記ステップは、前記インフィード研削過程終了時における前記工作物の弾性変形量と工作物の表面に形成される加工変質層との関係を考慮した研削サイクルで前記制御を行わせる
   ことを特徴とする研削装置の制御プログラム。
7. 装置本体に移動可能に支持された砥石台と、
   前記砥石台に回転駆動可能に支持され砥石台の移動と共に研削移動が可能な砥石と、
   前記砥石台を駆動して前記移動を可能とする駆動部とを備え、
   前記装置本体側に支持された工作物を前記砥石によりインフィード研削過程及びスパークアウト研削過程の研削サイクルで研削加工する研削方法であって、
   前記インフィード研削過程終了時における前記工作物の弾性変形量と工作物の表面に形成される加工変質層との関係を考慮した研削サイクルで研削加工する
   ことを特徴とする研削方法。
   

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