JP2009095973A - 砥石成形装置および砥石成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ツルーイングに代表される砥石成形工程において、金型を加工するための工作機械と同じ機上にて砥石成形を行うことができ、精密な芯出し作業することなく金型加工に移行することができる、汎用的な砥石成形装置および砥石成形方法を提供する。
【解決手段】 平面の研削面を有する砥石研削工具７を主回転軸２まわりに回転させつつ、主回転軸２と所定の角度をなす砥石回転軸９まわりに砥石１０を回転させて研削することにより、砥石１０の先端部を、主回転軸２と砥石回転軸９の交点を中心とする球形に成形することができる。また、砥石研削工具７および砥石１０を回転させつつ、砥石１０を所定の経路に沿って移動させることによって、砥石１０の先端部にトーリック部を成形することも可能である。
【選択図】 図１

Description

本発明は砥石成形装置および砥石成形方法に関する。

軸対称のレンズ、プリズムなどの光学部品などを成形加工するための成形用金型は、非常に高い精度の形状および表面粗さが必要とされている。このような高い精度の形状及び表面仕上げが要求される成形用金型を加工する方法として、被加工物及び砥石を各軸回りに回転させ、被加工物が所定の加工形状になるように、工作機械で加工軸を移動走査させて加工する研削加工方法がある。

近年の光学製品の小型化、高性能化に従って、成形用金型の外形は小さく、また曲率半径も小さくなってきており、小径溝加工が求められることが多い。そのため、金型の研削加工において、先端が球に成形された砥石を用いる場面が増えている。

しかし、砥石は上記研削加工によって摩耗し、砥面の形状は変化し、断面形状が真円でなくなったり偏心が生じたりする。それによって加工精度は低下し、また砥石自体にも偏摩耗が生じ、被加工物の加工精度はさらに低下する。

そこで、摩耗による加工精度低下を防ぐため、定期的に砥石の砥面を形直しする「ツルーイング」と呼ばれる砥石成形工程が必要となる。一般的に砥石を球面にツルーイングする方法としては、（１）単石ダイヤで研削成形する方法と（２）カップ型砥石で研削成形を行う方法が挙げられる。

しかし、（１）単石ダイヤで研削成形する方法では、砥石の先端を球形に成形するために単石ダイヤを移動させる位置制御が難しく別途プログラムを必要とする上に、成形中に生じるダイヤの摩耗を考慮する必要があり、結果として砥石の先端を球形に成形することは非常に困難である。また、（２）カップ型砥石で研削する方法では、成形する球径に応じてカップ型砥石のサイズを選択する必要があり、すなわち多種のカップ型砥石をストックしておく必要がある。また、厳密な球形に形成するためにはカップ型砥石の正確な位置決めが必要となり、結果として高コストを招く。

さらに、ツルーイングを実施するため、金型の研削加工に供せられる砥石を工作機械から外し、別の工作機械でツルーイングを実施し、その後再び元の工作機械に装着するという手順を踏む必要があるが、砥石を工作機械に装着する際に回転中心にズレが生じるため、ツルーイングしてもなお加工精度が向上しないという問題があった。そこで、加工精度を保つためにはツルーイングの度に精密な芯出し作業を行う必要があり、そのため工作機械を占有する時間が増加し、その結果コストが増加する原因となっていた。

一方、先端がトーリックに成形された砥石も、球径に形成された先端と同様、金型の加工において好んで用いられている。先端が鋭角に仕上げられた砥石よりも加工中の摩耗が少なく、高精度な金型加工を短時間にすることが可能となるからである。しかし、従来トーリックに成形するには単石ダイヤで成形加工するより他なく、球形に成形する以上に高度な技術が要求され、多大な時間を要していた。
特開平８−２２９７９２号公報 特開２００１−１５７９６３号公報

そこで、多数の工具を在庫として保有する必要のない、汎用的な装置であって、金型を加工するための工作機械と同じ機上にて砥石成形を行うことができ、精密な芯出し作業を省くことができる砥石成形装置および砥石成形方法が求められていた。

本発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、平面の研削面を有する砥石研削工具と、前記砥石研削工具を回転させる第１回転手段と、前記第１回転手段の回転軸と所定の角度をなす砥石回転軸まわりに砥石を回転させる第２回転手段と、前記所定の角度を保持しつつ前記砥石研削工具と前記砥石との相対位置を接離自在とする並進手段とを備えることを特徴とする砥石成形装置である。

請求項１に記載の発明によれば、汎用性のある単数の工具を用いて砥石先端近傍を球状に成形することが可能な砥石成形装置を提供することができる。また、従来のように成形する球の径ごとに工具を用意する必要はなく、一種類の砥石研削工具で任意の球径に対応することができる。

請求項２に記載の発明は、前記第１回転手段は真空チャックまたは電磁チャックを備え、前記砥石研削工具は前記真空チャックまたは前記電磁チャックに吸着された工具保持具に保持されていることを特徴とした請求項１に記載の砥石成形装置である。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明による効果が得られるほか、砥石の成形が終了した後、砥石の位置を全く動かすことなく砥石研削工具を取り外すことができ、それに代えてワークを装着することができるため、芯出し作業をすることなく、金型の加工に移行することができる。

請求項３に記載の発明は、前記砥石研削工具が、少なくとも一つの面の表面にダイヤモンド砥粒を備える直方体部材と、先端に溝を有する棒状のシャフト部材とを備え、前記直方体部材が前記シャフト部材の軸と傾斜しつつ前記溝に挟持されることを特徴とした請求項１または２に記載の砥石成形装置である。

請求項３に記載の発明によれば、請求項１または２に記載の発明による効果を得られるほか、単純な形状の部材の組み立てによって砥石成形工具を作成することができ、コスト低減が実現される。また、研削面に偏摩耗が生じた場合、直方体部材をずらしてシャフト部材にセットして再び使用することによって、研削面全面を万遍無く使用することができる。さらに、直方体部材は挟持されることによって研削面が全面露出するため、砥石を成形加工するあいだ砥石と砥石研削工具とが干渉するおそれがない。

請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の砥石成形装置を用いる砥石成形方法であって、前記所定の角度が４５°であり、前記研削面と前記第１回転手段の回転軸とのなす角度が４５°となるよう前記砥石研削工具が設置され、前記砥石研削工具を回転させる工程と、前記砥石回転軸まわりに砥石を回転させる工程と、前記砥石の先端部を前記砥石研削工具の回転軸上まで移動させる工程とを備えることを特徴とする砥石成形方法である。

請求項４に記載の発明によれば、基端部が円柱で先端部が円柱に滑らかに繋がる半球である形状の砥石を成形する方法を提供する。さらに、砥石研削工具の交換をすることなく、砥石の先端部を任意の径の球形に成形することができる。また、多種の球径を成形するのに多種の砥石研削工具を必要とせず、単一の砥石研削工具で対応することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１または２に記載の砥石成形装置を用いる砥石成形方法であって、前記研削面と前記第１回転手段の回転軸とのなす角度が前記所定の角度以上であるよう前記砥石研削工具が設置され、前記砥石研削工具を回転させる工程と、前記砥石回転軸まわりに砥石を回転させる工程と、前記砥石の先端部を前記砥石研削工具の回転軸上まで移動させる工程とを備えることを特徴とする砥石成形方法である。

請求項５に記載の発明によれば、基端部から先端部に向けて半径が徐々に小さくなっていく円錐状部分を有し、先端部が円錐に滑らかに繋がる球状の部分を有する形状の砥石を成形する方法を提供する。さらに、砥石研削工具の交換をすることなく、先端部に形成される球の径を任意に仕上げることができる。なお、当該方法によって成形される、基端に向けて径が徐々に大きくなるような円錐状の形状の砥石は、曲げモーメントが大きい個所において剛性が大きいため、金型を加工する際の砥石自身の変形が抑えられ、加工時間が短く高精度な加工が可能となる。

請求項６に記載の発明は、請求項４または５に記載の砥石成形方法により砥石を成形する工程と、前記第１回転手段から前記砥石研削工具を取り外す工程と、前記第１回転手段にワークを取り付ける工程と、前記ワークを回転させる工程と、前記砥石回転軸周りに前記砥石を回転させる工程と、前記砥石の先端部を前記ワークの被加工部に移動させる工程とを備えることを特徴とする金型加工方法である。

請求項６に記載の発明によれば、砥石を成形したのち、同じ工作機械を用いて金型の加工を行うことができるような金型加工方法を提供する。砥石の成形が完了すると、砥石の球形の中心位置は砥石研削工具の回転軸と砥石回転軸の交点上にあるが、それを全く動かすことなく金型の加工に移行することができる。そのためワークの回転軸と砥石の球の中心との間に芯ズレが生じず、精度の高い金型加工が可能となる。

請求項７に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の砥石成形装置を用いる砥石成形方法であって、前記所定の角度が４５°であり、前記研削面と前記第１回転手段の回転軸とのなす角度が４５°となるよう前記砥石研削工具が設置されており、前記砥石研削工具を回転させる工程と、前記砥石回転軸まわりに砥石を回転させる工程とを備え、前記第１回転手段の回転軸と前記研削面との交点を原点とし、前記第１回転手段の回転軸をＺ軸とし、前記第１回転手段から前記原点に向かう方向をＺ軸の正の方向とし、前記第１回転手段の回転軸を含み前記砥石回転軸に平行な面をＹ−Ｚ平面とし、前記砥石回転軸がベクトル（０，１，１）と平行となる右手系の直行座標系をとり、前記砥石の半径をｒ_ｓとし、前記砥石と前記研削面との接点と、前記原点との間の距離をｒとしたときに、前記並進手段を用いて、前記直行座標系において下記の数式３で表される経路に沿って、前記砥石の先端面の中心を移動させる工程をさらに備え、前記砥石の先端の縁部に半径ｒ_ｔのトーリック部を形成することを特徴とする砥石成形方法である。

請求項７に記載の発明によれば、請求項１〜３のいずれかに記載の砥石成形装置を用いて砥石の先端にトーリック部を成形することができる。また、このとき成形されるトーリック部の半径を任意に設定することができる。

請求項８に記載の発明は、請求項７記載の砥石成形方法を実現することを特徴とするプログラムである。

請求項８に記載の発明によれば、ＮＣ研削盤などの数値制御装置にプログラムを組み込むことによって、砥石の先端にトーリック部を成形する装置を提供することができる。

請求項９に記載の発明は、請求項７記載の砥石成形方法を実現するプログラムを記憶したことを特徴とするコンピュータが読み取り可能な記憶媒体である。

請求項９に記載の発明によれば、記憶媒体を介してＮＣ研削盤などの数値制御装置にプログラムを組み込むことが可能となり、砥石の先端にトーリック部を成形する装置を提供することができる。

請求項１０に記載の発明は、前記所定の角度が４５°であり、前記研削面と前記第１回転手段の回転軸とのなす角度が４５°となるよう前記砥石研削工具が設置されており、前記第１回転手段の回転軸と前記研削面との交点を原点とし、前記第１回転手段の回転軸をＺ軸とし、前記第１回転手段から前記原点に向かう方向をＺ軸の正の方向とし、前記第１回転手段の回転軸を含み前記砥石回転軸に平行な面をＹ−Ｚ平面とし、前記砥石回転軸がベクトル（０，１，１）と平行となる右手系の直行座標系をとり、前記砥石の半径をｒ_ｓとし、前記砥石と前記研削面との接点と、前記原点との間の距離をｒとしたときに、前記並進手段を制御して、前記直行座標系において下記の数式４で表される経路に沿って、前記砥石の先端面の中心を移動させる砥石移動制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の砥石成形装置である。

請求項１０に記載の発明によれば、砥石の先端に任意の半径のトーリック部を成形することが可能な砥石成形装置を提供することができる。

本発明によれば、汎用性のある単数の工具を用いて先端近傍を球状に成形することが可能な砥石成形装置を提供することができる。また、従来のように成形する球の径ごとに工具を用意する必要はなく、一種類の砥石研削工具で任意の球径に対応することができる。

つぎに、この発明の実施の形態について図面に基づき説明する。なお、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な実施の形態であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。

本発明に係る実施の形態のうち、砥石成形に係る形態を図１および図２に示す。図１は本発明に係る実施の形態を示す斜視図であり、図２は砥石研削工具近傍の拡大側面図である。１は第１回転手段であり、主回転軸２を中心に回転するよう、支持台３に支持されされている。支持台３は剛に支持されている。第１回転手段１の先端には真空チャック５を介して工具保持具６が吸着されている。さらに工具保持具６には砥石研削工具７が嵌挿され締結されている。砥石切削工具７は、先端に溝が彫られたシャフト部材７１が、直方体部材７２を当該溝で挟み込み保持して、ボルト７３で締め込まれている。直方体部材７２はダイヤモンドが電着された研削面７４を有する。

８は第２回転手段であり、その先端には砥石１０が保持されており、砥石回転軸９を中心に回転する。第２回転手段８は砥石回転軸調整テーブル２３に結合され、砥石回転軸９の傾斜角は砥石回転軸調整テーブル２３によって調整される。砥石回転軸調整テーブル２３は、Ｙ軸テーブル１１に結合され、Ｙ軸方向に摺動する。また、Ｙ軸テーブル１１は、Ｘ軸テーブル１２に結合され、Ｘ軸方向に摺動する。さらに、Ｘ軸テーブル１２は、Ｚ軸テーブル４に結合され、Ｚ軸方向に摺動する。

図３は本発明に係る実施の形態のうち、金型加工に係る形態を示す。図１に示した砥石成形に係る形態とほとんど同じであるが、第１回転手段１により回転を受けるのが、工具保持具６および砥石研削工具７に代わって、ワーク保持具１３およびワーク１４となっているという点が異なっている。

（砥石成形）
次に上記構成の動作のうち、砥石成形について説明する。まず、成形したい砥石の形状に応じて砥石研削工具７を選択し、それを工具保持具６にセットする。砥石研削工具７の形状と、成形される砥石の形状の関係を図４〜６に示す。

図４は、砥石研削工具７の研削面７４と主回転軸２とのなす角度αが４５°であり、砥石回転軸９と主回転軸２のなす角度βも４５°である場合の説明図である。この場合砥石１０は、基端部が円柱で、先端がそれに滑らかに繋がる半球であるという、２つの部分から構成される形状に形成される。その円柱および半球の半径は、主回転軸２と砥石回転軸９との交点から、回転により研削面７４が描く軌跡である円錐面１６に下ろした垂線の長さに相当し、球状部の中心１５は、主回転軸２と砥石回転軸９との交点に位置する。すなわち、砥石先端に形成される半球の半径は、砥石成形工程時における砥石の位置によってのみ決定される。

なお、この方法によって成形される砥石は、先端が球状であるため、砥石成形後、砥石回転軸９をさらに傾けて金型加工に使用することも可能となる。さらに、金型加工とは独立に、別の工作機械に搭載して使用することも可能となる。

図５は、砥石研削工具７の研削面７４と主回転軸２とのなす角度αが、砥石回転軸９と主回転軸２のなす角度βより大きい場合の説明図である。この場合砥石１０は、基端部が円錐で、先端部がそれに滑らかに繋がる球状部を有し、さらにその先端に円錐が滑らかに繋がるという、３つの部分から構成される形状に形成される。その球状部の半径は、主回転軸２と砥石回転軸９との交点から、回転により研削面７４が描く軌跡である円錐面１６に下ろした垂線の長さに相当し、球状部の中心１５は、主回転軸２と砥石回転軸９との交点に位置する。すなわち、砥石先端に形成される球状部の半径は、砥石成形工程時における砥石の位置によってのみ決定される。

なお、この方法によって成形される、基端に向けて径が徐々に大きくなるような円錐状の形状の砥石は、曲げモーメントが大きい個所において剛性が大きいため、金型を加工する際の砥石自身の変形が抑えられ、加工時間を短く抑えることができ、高精度な加工が可能となる。なお、この方法によって成形される、先端に円錐部が残った砥石であっても、窪みの深さがあまり深くない金型を加工する場合であれば、研削に用いる部分を球状部に限定しても十分加工可能となる。

図６は、砥石研削工具７の研削面７４と主回転軸２とのなす角度αが、砥石回転軸９と主回転軸２のなす角度βより大きく、かつ角度αと角度βの合計が９０°となる場合の説明図である。この場合砥石１０は、基端部が円錐で、先端がそれに滑らかに繋がる球状部であるという、２つの部分から構成される形状に形成される。その球状部の半径は、主回転軸２と砥石回転軸９との交点から、回転により研削面７４が描く軌跡である円錐面１６に下ろした垂線の長さに相当し、球状部の中心１５は、主回転軸２と砥石回転軸９との交点に位置する。すなわち、砥石先端に形成される球状部の半径は、砥石成形工程時における砥石の位置によってのみ決定される。

なお、この方法によって成形される、基端に向けて径が徐々に大きくなるような円錐状の形状の砥石は、曲げモーメントが大きい個所において剛性が大きいため、金型を加工する際の砥石自身の変形が抑えられ、加工時間を短く抑えることができ、高精度な加工が可能となる。また、先端が球状であるため、砥石成形後、砥石回転軸９をさらに傾けて金型加工に使用することも可能となる。

なお、図４〜６に示すいずれの場合においても、砥石１０の先端が、砥石回転軸９と回転により研削面７４が描く軌跡である円錐面１６との交点まで到達しないよう、砥石１０の位置を制御することによって、先端の一部のみが球状部分を有するような砥石も適宜作成可能である。

図４〜６に示すいずれのパターンの形状に砥石を成形するか決定した後、それに応じた砥石研削工具７を工具保持具６にセットし、さらに工具保持６を真空チャック５に吸着させて保持する。

なお、図２において、回転軸を構成するシャフト部材７１が、研削面７４を有する直方体部材７２を挟み込んで保持するという、主に２つの部材から構成された砥石切削工具７を示しているが、この場合単純形状の部品の組み立て品であるため、コスト的に有利である。しかも、研削面７４に偏摩耗が生じた場合、直方体部材７２を少しずらしてシャフト部材７１にセットした上で再び使用することができるため、研削面７４の全面を、万遍無く使用することができる。また、研削面７４は全面露出しているため、砥石を成形加工するあいだ砥石１０と砥石研削工具７とが干渉するおそれがない。しかし、機械加工で一体に削り出された砥石研削工具７や、溶接で一体に形成された砥石研削工具７も使用可能であり、その場合、剛性を高く仕上げることができるため、加工精度が向上するという利点がある。その一方で、シャフト部材７１と直方体部材７２をヒンジを介して結合することも可能であり、その場合、主回転軸２と研削面７４とのなす角度αを調整できるため、１つの砥石切削工具７だけで図４〜６に示した形状パターンの砥石を成形することができる。いずれの砥石切削工具を使用するかは、適宜選択するべきものである。

また、砥石研削工具７は、真空チャック５を介して第１回転手段１に接続されているが、この場合、砥石研削工具７を主回転軸２の方向に何ら移動させることなく、脱着が可能である点で好適である。ここで、真空チャックに代えて電磁チャックを適用しても同様な効果が得られるため好適である。その一方で、爪で保持する形式のチャックは、砥石研削工具７を脱着する際軸方向に移動させる必要はあるものの、適用自体は可能であり、その場合、強固な保持力を有することができる点で好適である。

次に成形対象である砥石１０を第２回転手段８の先端部にセットし、砥石回転軸９まわりに回転可能とする。そして、図４〜６に示した形状パターンのうち、所望の形状が得られるよう、研削面７４と主回転軸２とのなす角度αを考慮したうえで、砥石回転軸９と主回転軸２とのなす角度βを、砥石回転軸調整テーブル２３を動かすことによって調整しセットする。

第１回転手段１および第２回転手段８を回転させ、砥石１０を所定の経路を通るよう送りながら研削する。この際、Ｙ軸テーブル１１、Ｘ軸テーブル１２およびＺ軸テーブル４がそれぞれ摺動することにより、砥石１０が、砥石回転軸９と主回転軸２とのなす角度βを保持したまま、並進することが可能となる。各回転手段の回転速度および砥石１０を送る速度は、砥石１０の硬度や求める精度等に応じて適宜選択する。所定の位置まで砥石１０が送られ研削が完了すれば、砥石の成形は終了する。成形終了時、主回転軸２と砥石回転軸９との交点に、砥石の先端部に形成された球状部の中心１５が位置する。なお、この実施の形態では砥石１０が並進するよう構成されているが、上記Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸のテーブルを、第１回転手段１が保持された支持台３の下に適用すると、砥石１０は固定となる一方で砥石成形工具７が並進することになり、相対的には同様の効果が得られる。

以上に、一般的な砥石の成形について記述したが、砥石による金型の研削加工の合間におこなわれる、砥石の形直し作業である「ツルーイング」の場合も、手順は全く同じである。

ここで、砥石のツルーイングの方法として一般に普及している、カップ型砥石を使用したツルーイングについて、図７を用いて述べる。

図７において１７はカップ型砥石であり、棒状の軸部１８と円筒状のカップ部１９より構成されている。カップ型砥石１７はカップ型砥石回転軸２０を中心に回転して使用される。カップ部１９の円筒の中心がカップ部中心２１である。

カップ型砥石１７を使用して砥石をツルーイングする場合、カップ型砥石回転軸２０とカップ中心２１の同心度が厳密に要求される。ここで図８に示すようにカップ型砥石回転軸２０とカップ中心２１との間に偏心があれば、成形された砥石１０の砥面は荒くなるからであり、またそれに起因してその砥石１０を用いた金型加工においても加工精度が低下するからである。このことは、カップ型砥石１７自体の製作コストが高い要因となっている。さらに、ツルーイング終了時、砥石１０の凸部がカップに中に入り込んでいるため、カップ型砥石１７を工作機械から取り外すとき、カップ型砥石１７と砥石１０とを、カップ砥石回転軸２０の方向に、相対的に離間することが必須となる。そして、ツルーイング終了時、砥石先端部に成形された球状部の中心２２はカップ砥石回転軸２０の上に存在しているが、この取り外す作業に際して、これらの位置関係にずれが生じるリスクが伴う。

またさらに、カップ型砥石１７の位置と砥石１０の位置関係についても高精度が要求される。もし所定の位置からずれたままツルーイングがなされた場合、砥石の頂点に突起や窪みなどが現れたり、砥石の先端の球径が所望の径と異なる場合が生じるからである。

それに対して、本実施の形態においては、前述のように砥石研削工具７は単純な形状の部品の組み立て品あり、工具製作段階において何ら同心度を考慮する必要はない。その結果、低コストで工具を入手することができる。また、砥石研削工具７と砥石１０の位置関係も、カップ型砥石に求められる程の厳密さが要求されることなく、所望の球径が精度よく得られる。さらに、以下に詳述する通り、砥石研削金具７は、主回転軸２の方向に何ら動かすことなく取り外すことができるため、主回転軸２と砥石先端部の球状部の中心１５がずれるというリスクを伴わない。

（金型加工）
次に金型加工について説明する。以下前述の砥石成形で用いた工作機械と同じ工作機械を用い、成形された砥石１０をそのまま金型加工に使用する手順を述べるが、成形された砥石を取り外して別の工作機械に取り付けて使用することは何ら制限されるものではない。

砥石研削工具７を第１回転手段１から取り外す。真空チャック５を用いているため、砥石１０を全く移動させることなく、砥石研削工具７を取り外すことができる。すなわち、主回転軸２と砥石回転軸９との交点が、砥石先端部の球状部の中心１５であるという位置関係は維持されたまま、次の工程に移行することができるため、位置の再調整作業を要せず、高精度に金型を加工することができる。ここで、真空チャックに代えて電磁チャックを適用した場合も、同様の手順で同じ効果が得られる。

なお、真空チャック５に代えて、爪を有する一般的なチャックも適用可能であるが、この場合は、工具を取り外す際砥石１０を退避させる必要がある。しかし、このとき動かす方向としてはＺ軸方向のみでよく、砥石先端部の球状部の中心１５と主回転軸２との位置のずれを必要最小限に抑えられる。

次に被加工物であるワーク１４をワーク保持具１３に装着し、ワーク保持具１３を真空チャック５で第１回転手段１に装着する。その後、第１回転手段１および第２回転手段２を回転させる。そして砥石１０を所定の経路に動かし、ワーク１４を研削し、所望の形状の金型に仕上げる。

（トーリック成形）
次に砥石の先端をトーリックに成形する実施形態について説明する。この実施形態では、図１および２に示された、砥石の先端を半球に成形する場合と同様の装置を使用し、研削面が回転することによって形成される円錐面において、円錐面の頂点から一定の距離隔てた円周上を、砥石と研削面との接点が動くように砥石を並進させることによって、砥石の先端にトーリック部を成形するものである。

まず、先端をトーリックに成形するために動かすべき砥石の経路について、図を用いて説明する。図９は、研削面の回転面である円錐面と、トーリックに成形する工程における砥石の位置とを示した図である。図１０は、接点Ｅと砥石回転軸９とを含む平面で、円錐面３０および砥石１０を切断して見た断面図である。図１１は、成形された砥石の先端の拡大図である。図１２は、トーリック部の半径による砥石の経路の違いを示す図である。

ここで、砥石１０を動かす経路を定義するための座標系について、図９に基づいて説明する。研削面７４と主回転軸２とのなす角度は４５°に設定されており、砥石回転軸９と主回転軸２とのなす角度も４５°に設定されている。主回転軸２と研削面７４との交点を原点Ｏとし、主回転軸２をＺ軸とし、第１回転手段１から原点Ｏに向かう向きをＺ軸の正の向きとする。また、Ｚ軸を通りかつ砥石回転軸９に平行な面をＹ−Ｚ平面とし、このＹ−Ｚ平面上でＺ軸に垂直で原点Ｏを通る軸をＹ軸とする。このときＹ軸の正の向きは、砥石回転軸９において、砥石１０から第２回転手段８に向かうベクトルをＹ軸に投影したときの向きである。そして、原点Ｏを通りＹ−Ｚ平面に垂直にＸ軸をとり、右手系の座標系となるようにＸ軸の正の向きをとる。砥石回転軸９のベクトルは、この座標系を基準とすると、（０，１，１）のベクトルと平行となる。

第１回転手段１を回転させると、研削面７４は主回転軸２の周りに回転し、その回転面は、原点Ｏを頂点とした頂角９０°の円錐面３０となる。すなわち、円錐面状の研削面を有する工具を回転させることと等価となる。砥石１０の先端部がこの円錐面３０に当接しつつ、砥石１０が砥石回転軸９の周りに回転することによって、砥石１０の先端部に軸対称の形状が形成される。

ここで、図９（ａ）に示すように、砥石１０の半径をｒ_ｓ、砥石１０の先端に形成されるトーリック部３２の半径をｒ_ｔとする。また、円錐面３０の頂点（原点Ｏ）から母線に沿ってｒだけ隔てた円錐面３０上の円周３１と、砥石１０とを当接させながら、砥石１０の先端を成形するものとする。

図９（ｂ）に示すように、円錐面３０と砥石１０との接点をＥ点とし、Ｅ点をＸ−Ｙ平面に投影した点と原点Ｏとを結んだ直線Ａと、Ｙ軸とがなす角をθとすると、Ｅ点の座標は次のように表わされる。

次に、円錐面３０および砥石１０を、Ｅ点と砥石回転軸９とを含む平面で切断して見た断面図である図１０を参照しつつ、Ｅ点と砥石１０の先端に形成されるトーリック部３２の中心Ｆ点との関係について説明する。Ｆ点は、Ｅ点における円錐面３０の法線方向に、Ｅ点からｒ_ｔだけ隔てた位置に存在する。Ｅ点における円錐面３０の単位法線ベクトルｄ^→は次のように表わされる。

したがって、トーリック部３２の中心Ｆ点の座標は、Ｅ点の座標に、単位法線ベクトルｄ^→にトーリック部３２の半径ｒ_ｔを乗じたものを加算することにより求められ、次のように表わされる。

次に、円錐面３０と砥石１０との接点Ｅ点と、砥石回転軸９との関係について、図１０に基づいて説明する。円錐面３０と砥石１０との接点がＥ点で、トーリック部３２の中心がＦ点で示されている。さらに、砥石１０におけるトーリック部３２と円柱部３３との境界線が乗る面を境界面３４とし、境界面３４と砥石回転軸９との交点をＰ点とする。さらに、砥石１０の先端面３５と砥石回転軸９との交点をＱ点とする。

Ｆ点からＰ点に向かう単位ベクトルをベクトルｅ^→とし、砥石回転軸９に沿ってＱ点からＰ点に向かう単位ベクトルをベクトルａ^→とする。また、ベクトルａ^→とベクトルｄ^→のなす角をφとする。ベクトルａ^→は砥石回転軸９の方向ベクトルであり、単位ベクトルであるため、次のように表わされる。

砥石回転軸９の方向を一定に保ったまま砥石１０は並進するので、ベクトルａ^→はθの関数とはならず、不変である。次に、角φは、ベクトルａ^→とベクトルｄ^→との内積の関係より、次のように表わされる。

ベクトルａ^→、ベクトルｄ^→およびベクトルｅ^→の関係は、ベクトルａ^→とベクトルｄ^→のなす角がφであり、かつベクトルａ^→とベクトルｅ^→とが垂直であることから、ベクトルｅ^→は以下のように表わされる。

したがって、Ｐ点の座標は、Ｆ点からＰ点までの距離（ｒ_ｓ−ｒ_ｔ）を単位ベクトルｅ^→に乗じたものを、Ｆ点の座標に加算することにより求められ、次のように表わされる。

さらに、Ｑ点の座標は、Ｐ点からＱ点までの距離ｒ_ｔを単位ベクトルａ^→に乗じたものを、Ｐ点の座標から減ずることにより求められ、次のように表わされる。

このＱ点の座標は、θを助変数とした三次元の曲線を描き、この曲線が砥石１０の先端に半径ｒ_ｔのトーリック部を形成するために動かすべき経路となる。なお、砥石１０の先端を、Ｘ−Ｙ平面における第１象限および第４象限で動かして研削するため、Ｘ≧０となるθの範囲でのみ砥石の研削が可能となる。すなわち、砥石を動かす経路は、次のような値の範囲を変化するθで定義される。

このとき、φの範囲は以下のようになる。

すなわち、砥石１０の先端に形成されるトーリック部３２は、図１１に示すように中心角３６が９０°以下となる。すなわち、砥石１０の先端に非トーリック部３７が形成され、トーリック部３２と非トーリック部３７との境界付近に尖部３８が形成される場合がある。しかし、この砥石を金型加工に用いる場合、滑らかな部分で金型を削ればよく、実用上問題はない。砥石の半径ｒ_ｓに比べてｒを大きく取る、すなわち主回転軸２から十分離れたところで砥石１０を研削することによって、φの領域を大きくすることができ、すなわち非トーリック部３７の領域を小さくすることができる。なお、トーリック部の半径ｒ_ｔを砥石の半径ｒ_ｓと一致させると、砥石先端に半球が成形されることになるが、この場合φ＝０の位置まで加工することが可能となり、先端に非トーリック部３７が残ることはなく、完全な半球を成形することができる。

図１２に、砥石の先端をトーリックに形成するために動かすべき砥石の先端の中心点Ｑ点の経路について、３種例示する。経路４０は、ｒ：ｒ_ｓ：ｒ_ｔ＝４０：１０：０、すなわち砥石の先端を半径がゼロのトーリックに成形するための経路である。また、経路４１は、ｒ：ｒ_ｓ：ｒ_ｔ＝４０：１０：５の砥石を成形するための経路である。また、経路４２は、ｒ：ｒ_ｓ：ｒ_ｔ＝４０：１０：１０、すなわち砥石の先端を半球に成形するための経路である。図１２に示すように、半球でないトーリック部を形成するための経路４１は、Ｚ座標が一定の平面上には乗らず、かつＸ−Ｙ平面において半涙形の形状を描く。これに対して、半球を形成するための経路４２は、円周３１が乗る平面と同一の平面上に乗り、かつＸ−Ｙ平面において完全な半円を描く。なお、図１２において、経路４０，４１，４２はＸ≧０の範囲内で定義されているが、これらの経路とＹ−Ｚ平面に関して対称な経路（図１２（ｂ）において破線で示す）に沿って砥石を動かしても、全く同じ形状を成形することができる。

次に、実際の加工手順について説明する。ここで使用する装置は、図１および２に示された、砥石の先端を半球に成形する場合と同様のものである。砥石研削工具７を工具保持具６にセットし、さらに工具保持具６を真空チャック５に吸着させて保持する。このとき、図４に示すように、研削面７４と第１回転手段１の主回転軸２とのなす角度αが４５°となるよう、砥石研削工具７を選択する。

次に成形対象である砥石１０を第２回転手段８の先端部にセットし、砥石回転軸９まわりに回転可能とする。砥石回転軸調整テーブル２３を動かすことによって、図４に示すように、砥石回転軸９と主回転軸２とのなす角度βを４５°にセットする。

次に第１回転手段１および第２回転手段８を回転させ、砥石１０を所定の経路に沿って動かしながら研削することによって、砥石１０の先端をトーリックに成形することができる。図１に示すＸ軸テーブル１２、Ｙ軸テーブル１１およびＺ軸テーブル４を同時制御により動かすことによって、砥石を上記経路を通るように動かすことが可能となる。さらに、本加工にＮＣ研削盤を用いる場合、砥石１０がこの経路を通るようＮＣプログラムを作成しておけば、同時３軸制御により研削加工を行うことが容易となり、高精度の形状を成形することが可能となる。Ｘ軸テーブル１２、Ｙ軸テーブル１１およびＺ軸テーブル４を同時に制御して、砥石を所定の経路に沿って動かす砥石移動制御手段（図示省略）を設けることによって、砥石の先端にトーリック部を成形する砥石成形装置を実現することができる。

砥石移動制御手段は、砥石の先端面の中心の経路を規定したプログラムであり、Ｘ軸テーブル１２、Ｙ軸テーブル１１およびＺ軸テーブル４に対し、それぞれの軸方向の移動量について指令を与えるものである。数式１２においてθは助変数であるが、θの取りうる値の範囲内（数式１３参照）にて、適当数に分割することにより離散的なθの値を定義し、その離散的なθの値それぞれについてＸ、Ｙ、およびＺ座標値を求め、これらの座標値に基づいて各軸テーブルに指令を与えることができる。ここで、砥石成形装置にプログラムを組み込むために用いられる記憶媒体として、ＣＤ−ＲＯＭなど種々の公知の記憶媒体を採用することができる。

なお、第１回転手段１および第２回転手段８の回転速度、砥石の移動速度は、砥石研削工具７の状態や砥石１０の材質等に応じて適宜設定される。また、経路上において砥石１０を移動させる向きは適宜選択されるものであるが、Ｙの値が徐々に小さくなる向き（図９（ｂ）における上から下向き）に砥石１０を動かすと、円柱部とトーリック部との境界から砥石の先端に向けて順に加工されるため、工具にかかる負担が小さく好適である。

この加工方法によって、単石ダイヤで成形するよりも短時間で砥石の先端をトーリックまたは半球形に加工することができる。

また、砥石の加工にあたって研削面７４のうち砥石１０と当接する点Ｅを任意の位置に設定することができるため、研削面７４を万遍無く使用することができ、研削面７４の偏摩耗を防止することができる。そのため、成形されるトーリック部の形状の精度は向上する。

さらに、砥石先端の加工の経路を定義する座標の原点が、主回転軸２上に位置するため、砥石先端の加工に続いて金型を加工する場合、金型の回転中心と砥石の中心とを合わせる工程を省略することが可能となる。また、斜軸加工でのクロス研削方式およびパラレル研削方式の両方に使用することができる。

本発明の実施の形態において砥石成形に係る形態を示す斜視図である。 本発明の実施の形態において砥石成形に係る形態を示す拡大側面図である。 本発明の実施の形態において金型加工に係る形態を示す斜視図である。 基端が円柱で先端が半球となるような砥石が成形される場合の、主回転軸と砥石回転軸の位置関係を示す説明図である。 基端が円錐で先端部に球状部を有し、さらにその先端が円錐半球となるような砥石が成形される場合の、主回転軸と砥石回転軸の位置関係を示す説明図である。 基端が円錐で先端が球状部となるような砥石が成形される場合の、主回転軸と砥石回転軸の位置関係を示す説明図である。 カップ型砥石を用いたツルーイングを示す説明図である。 カップ型砥石の偏心を示す説明図である。 研削面の回転面である円錐面と砥石の位置とを示す説明図である。 図９において、円錐面と砥石との接点Ｅと、砥石回転軸とを含む平面で、円錐面および砥石を切断して見た断面図である。 成形された砥石の先端の拡大図である。 トーリック部の半径のよる砥石の経路の違いを示す説明図である。

符号の説明

１ 第１回転手段
２ 主回転軸
３ 支持台
４ Ｚ軸テーブル
５ 真空チャック
６ 工具保持具
６１ 吸着面
７ 砥石研削工具
７１ シャフト部材
７２ 直方体部材
７３ ボルト
７４ 研削面
８ 第２回転手段
９ 砥石回転軸
１０ 砥石
１１ Ｙ軸テーブル
１２ Ｘ軸テーブル
１３ ワーク保持具
１４ ワーク
１５ 球状部の中心
１６ 円錐面
１７ カップ型砥石
１８ 軸部
１９ カップ部
２０ カップ型砥石回転軸
２１ カップ中心
２２ 球状部の中心
２３ 砥石回転軸調整テーブル
３０ 円錐面
３１ 円周
３２ トーリック部
３３ 円柱部
３４ 境界面
３５ 先端面
３６ 中心角
３７ 非トーリック部
３８ 尖部
３９ 経路
４０ 経路
４１ 経路
４２ 経路
α 研削面と主回転軸とのなす角
β 砥石回転軸と主回転軸とのなす角

Claims (10)

1. 平面の研削面を有する砥石研削工具と、
   前記砥石研削工具を回転させる第１回転手段と、
   前記第１回転手段の回転軸と所定の角度をなす砥石回転軸まわりに砥石を回転させる第２回転手段と、
   前記所定の角度を保持しつつ前記砥石研削工具と前記砥石との相対位置を接離自在とする並進手段とを備える
   ことを特徴とする砥石成形装置。
2. 前記第１回転手段は真空チャックまたは電磁チャックを備え、
   前記砥石研削工具は前記真空チャックまたは前記電磁チャックに吸着された工具保持具に保持されている
   ことを特徴とした請求項１に記載の砥石成形装置。
3. 前記砥石研削工具が、
   少なくとも一つの面の表面にダイヤモンド砥粒を備える直方体部材と、
   先端に溝を有する棒状のシャフト部材とを備え、
   前記直方体部材が前記シャフト部材の軸と傾斜しつつ前記溝に挟持される
   ことを特徴とした請求項１または２に記載の砥石成形装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の砥石成形装置を用いる砥石成形方法であって、
   前記所定の角度が４５°であり、
   前記研削面と前記第１回転手段の回転軸とのなす角度が４５°となるよう前記砥石研削工具が設置され、
   前記砥石研削工具を回転させる工程と、
   前記砥石回転軸まわりに砥石を回転させる工程と、
   前記砥石の先端部を前記砥石研削工具の回転軸上まで移動させる工程とを備える
   ことを特徴とする砥石成形方法。
5. 請求項１〜３のいずれかに記載の砥石成形装置を用いる砥石成形方法であって、
   前記研削面と前記第１回転手段の回転軸とのなす角度が前記所定の角度以上であるよう前記砥石研削工具が設置され、
   前記砥石研削工具を回転させる工程と、
   前記砥石回転軸まわりに砥石を回転させる工程と、
   前記砥石の先端部を前記砥石研削工具の回転軸上まで移動させる工程とを備える
   ことを特徴とする砥石成形方法。
6. 請求項４または５に記載の砥石成形方法により砥石を成形する工程と、
   前記第１回転手段から前記砥石研削工具を取り外す工程と、
   前記第１回転手段にワークを取り付ける工程と、
   前記ワークを回転させる工程と、
   前記砥石回転軸周りに前記砥石を回転させる工程と、
   前記砥石の先端部を前記ワークの被加工部に移動させる工程とを備える
   ことを特徴とする金型加工方法。
7. 請求項１〜３のいずれかに記載の砥石成形装置を用いる砥石成形方法であって、
   前記所定の角度が４５°であり、
   前記研削面と前記第１回転手段の回転軸とのなす角度が４５°となるよう前記砥石研削工具が設置されており、
   前記砥石研削工具を回転させる工程と、
   前記砥石回転軸まわりに砥石を回転させる工程とを備え、
   前記第１回転手段の回転軸と前記研削面との交点を原点とし、
   前記第１回転手段の回転軸をＺ軸とし、前記第１回転手段から前記原点に向かう方向をＺ軸の正の方向とし、
   前記第１回転手段の回転軸を含み前記砥石回転軸に平行な面をＹ−Ｚ平面とし、
   前記砥石回転軸がベクトル（０，１，１）と平行となる右手系の直行座標系をとり、
   前記砥石の半径をｒ_ｓとし、
   前記砥石と前記研削面との接点と、前記原点との間の距離をｒとしたときに、
   前記並進手段を用いて、前記直行座標系において下記の数式１で表される経路に沿って、前記砥石の先端面の中心を移動させる工程をさらに備え、
   前記砥石の先端の縁部に半径ｒ_ｔのトーリック部を形成する
   ことを特徴とする砥石成形方法。
   

   
8. 請求項７記載の砥石成形方法を実現する
   ことを特徴とするプログラム。
9. 請求項７記載の砥石成形方法を実現するプログラムを記憶した
   ことを特徴とするコンピュータが読み取り可能な記憶媒体。
10. 前記所定の角度が４５°であり、
    前記研削面と前記第１回転手段の回転軸とのなす角度が４５°となるよう前記砥石研削工具が設置されており、
    前記第１回転手段の回転軸と前記研削面との交点を原点とし、
    前記第１回転手段の回転軸をＺ軸とし、前記第１回転手段から前記原点に向かう方向をＺ軸の正の方向とし、
    前記第１回転手段の回転軸を含み前記砥石回転軸に平行な面をＹ−Ｚ平面とし、
    前記砥石回転軸がベクトル（０，１，１）と平行となる右手系の直行座標系をとり、
    前記砥石の半径をｒ_ｓとし、
    前記砥石と前記研削面との接点と、前記原点との間の距離をｒとしたときに、
    前記並進手段を制御して、前記直行座標系において下記の数式２で表される経路に沿って、前記砥石の先端面の中心を移動させる砥石移動制御手段をさらに備える
    ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の砥石成形装置。
    

    

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