JP2010538842A - 被加工表面の研磨装置および研磨方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、研磨工具が配置されかつ被加工物ホルダ５と相互作用する工具ホルダ３を備えており、これらの被加工物ホルダ５および工具ホルダ３が互いに対して第１の方向および第１の方向とは異なる第２の方向に運動可能である、研磨装置１に関する。研磨工程の少なくとも一部を再現可能および文書化可能にすることを目的とする。この目的のために、第１の方向９と第２の方向１０、１２とに対して垂直である第３の方向２０において、工具ホルダ３を可撓性にする。

Description

本発明は、研磨工具が配置されかつ被加工物ホルダと相互作用する工具ホルダを備えており、これらの被加工物ホルダおよび工具ホルダが互いに対して第１の方向および第１の方向とは異なる第２の方向に運動可能である、研磨装置に関する。さらに、本発明は被加工表面の研磨方法に関する。

このような研磨装置は例えばＤＥ ２７ ４２ １１３ Ａ１により知られている。この研磨工具は第１の方向に往復運動するようになされている。研磨工具がその中へと降下される被加工物は回転させられ、その結果、研磨工具と被加工物との間で第２の方向に運動が起こる。被加工物は支持ホイールによって外側から保持されており、またこれらの支持ホイールは同時に回転するように駆動されることから、それにより工具が回転される。

研磨、研削およびホーニングは表面を加工する手法であるが、これらは不特定の刃を用いて材料の切削を行う。旋削およびフライス加工などの他の加工手法は、制御された切削により表面を切削変形（ｃｕｔｔｉｎｇ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ）させる。この場合、切削により痕跡が残るのを実質的に回避することはできない。

研削中は、表面加工は実質的に材料の切削に限定されるが、研磨では、プラスチックまたは部分的なプラスチックにより表面構造上に粗さが突出している部分（ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ ｐｅａｋ）が形成され、それらを平坦にする。ミクロ研削と研磨との間の境界領域である、ミクロ領域またはナノ領域で行われる表面加工手法は、まだ科学的に完全に研究されてはいない。

また、現在でも、一部の表面研磨は依然として実質的に手作業のみで行われている。これは、例えば、コールド・フロー（ｃｏｌｄ ｆｌｏｗｉｎｇ）技術などにより金属被加工物の再成形に使用される工具などに当てあまる。この場合、研磨された工具表面の構造が、再成形工程および再成形工具の寿命に大きく影響する。研磨の場合、回転対称な再成形工具は、例えば、研磨ベンチまたは回転旋盤の回転チャック内に吊り下げられて回転される。その後、作業者が、研磨工具を用いて、アライメントに平行に手動で往復運動される再成形工具の機能表面を研磨する。研磨工具は、通常、例えば炭化珪素（カーボランダム）で作られた研磨石、または、ダイヤモンド・ペーストなどの研磨手段付着の木製棒である。研磨作業中、作業者は、所望の研磨結果に段階的に近づけるために、頻繁に仕上がりを確認し、例えば接触圧、回転速度、および／または手の動きなどの様々なパラメータを変更し、さらには、必要に応じて研磨工具を交換する。研磨工具を交換するたびに、より精巧な研磨工具を用いて研磨を継続する前に、粗くなった研磨手段の残りを除去するために、研磨される表面を十分に洗浄する必要がある。これを行わない場合、その後の研磨において、粗くなった研磨手段の残りにより被加工表面上に痕跡が残る可能性がある。したがって、研磨を行うには作業者にかなりの経験が必要となる。例えば、作業者の手の動かし方、研磨工具の交換時期およびそのやり方、個々の研磨ステップをいかに良好に互いに適合させるかなどの、作業者によって左右され得る種々のパラメータが研磨結果に影響する。同型の再成形工具または再成形工具部品が通常１年で数百という単位で使用されるような、例えばコールド・モルダなどの、大量の製品を連続して製造するのに使用されるシステムでは、それらの再成形工具の品質が様々な作業者の手作業による仕事に左右されてしまうという欠点がある。その結果、研磨品質にばらつきがあることにより、再成形工具の動作寿命に過度の偏りが出る。そうした場合、ばらつきの範囲が３倍から５倍になることがある。

研磨される表面を調整することは困難である。したがって、表面の光沢を評価するだけでは不十分である。表面が適切な研磨ステップを経て作られていない場合、表面が輝いており見かけ上強固な再成形工具でもすぐに破損する可能性がある。

表面の最終品質を試験するには多大な労力が費やされることから、そのような試験は稀にしか行われない。工程および製品の文書化が不足していることで、一定の製造品質を確保することが妨げられ、特に保証された製造工程または製造システムに関して、現在の文書化要件には非常に不十分にしか対応していない。

また、再成形工具を手動で研磨することは、手作業が大部分を占めることから、非常にコストがかかってしまう。さらに、特に、通常このような身体を動かす動作を同時に勤務時間の間じゅうずっと行わなければならないことから、手作業による動作および受ける圧力は作業者の作業負荷となる。

加えて、作業者は、限定された速度および接触圧でのみしか研磨工具を動かすことができない。研磨工程において、良好かつ高速に研磨を行うのに必要となる力学的出力を得るために、通常、被加工物の回転は比較的高速となるように選択される。結果、研磨経路、すなわち、被加工表面を横断する研磨工具によって描かれる経路は、被加工物の回転の実質的に接線方向すなわち実質的に環状に延びる。先行の加工ステップによりつけられた回転痕跡などの被加工物上の一般的な加工痕跡は通常はやはり接線方向に延びていることから、手作業による研磨のみで除去することは困難である。これにより、研磨時間が長くなったり、その最終的な品質が低品質となったりする。

作業者の手の動きが比較的大きい場合（通常は数センチメートルの範囲）、さらに、被加工物の軸方向中央領域が端部領域より大幅に研磨されてしまうということが起こる。これは特に被加工物が小さい場合に当てはまる。研磨工程におけるこの軸方向の不規則性も研磨時間が長くなることまたは被加工物の軸方向端部領域の研磨結果が低品質になることの原因である。

ＤＥ １９９ ４７ ００６ Ａ１が、車両ブレーキ・ドラムの最終研削を行うのに使用される研削ブロック・ホルダを示している。この研削ブロック・ホルダは、中にいくつかの研削工具が挿入される工具ホルダを有する。工具ホルダは、ボルトおよびばねを用いて、いくつかの自由度で動けるような形でホルダに取り付けられる。工具ホルダが被加工物に作用するときの力は位置決めによって設定される。

ＵＳ ２００２／００３１９８７ Ａ１が、ディスク表面をホーニングによって滑らかにするデバイスを示している。ホーニングに使用される工具はカルダン方式で吊り下げられる。これは、被加工物に対するこの工具の位置をある程度の範囲内で自由に制御できることを意味する。

ＤＥ ２７ ４２ １１３ Ａ１ ＤＥ １９９ ４７ ００６ Ａ１ ＵＳ ２００２／００３１９８７ Ａ１

本発明は、研磨工程を少なくとも部分的に再現可能にして文書化に適合させるという課題に基づく。

この課題は、導入部で言及した研磨装置を用いることにより解決される。これは、工具ホルダの第１および第２の方向に対して垂直である第３の方向において、工具ホルダが可撓性となるように作られることによる。

したがって、第３の方向は、被加工物ホルダによって保持される被加工物の被加工表面に対して実質的に垂直である。最も単純な形では、被加工物ホルダの運動が被加工物に直接に伝達される。可撓性の実施形態により、研磨工具をある程度の力で被加工表面に押圧することができる。これにより、工具ホルダを機械的に誘導できるようになり、機械の制御下で第１および第２の方向に運動させることができるようになる。結果、第３の方向における位置決めの重要度が軽減される。工具ホルダの可撓性の実施形態により、研磨工具を被加工物の表面に適合させることでき、また、相対的な運動により、被加工物の表面を研磨するために研磨工具を第１および第２の方向において被加工物の表面を横断するように摺動させることができる。第３の方向において工具ホルダの位置が変化することにより接触力がわずかに増大または減少されるが、通常それらは研磨工程において許容可能である。研磨用の機械を使用することにより、研磨工程を文書化して再現することが可能となる。被加工物と工具との間の相対的な運動は様々な形で行われてよい。被加工物は研磨装置の一部である被加工物ホルダ内に配置され得る。また、被加工物ホルダは研磨装置とは別個に作られてもよく、研磨の際には、研磨装置により、例えば床上のレールを用いて、工具ホルダを被加工物に（またはその逆）接近させる。被加工物ホルダは、例えば、研磨装置から分離されて配置される旋盤または他の工作機械であってよい。これにより、製造時に被加工物を操作する全体の労力を低減することができる。

好適には、工具ホルダは第３の方向における剛性が最も低い。したがって、工具ホルダは第１および第２の方向における剛性の方が高いことになる。そのため、研磨工具は、工具ホルダの変形の危険性がなく第１の方向にある程度の力で運動され得る。それにより、研磨工具の運動を比較的正確に制御できるようになり、研磨工具を所定の研磨経路に沿わせて誘導することができるようになる。工具ホルダの第１および第２の方向における剛性は、研磨工具が第１および第２の方向において振動すなわち振動しないくらいの大きさでなければならない。工具ホルダは第３の方向において可撓性となるように作られることから、第３の方向では剛性がかなり低くなる。第１の方向の剛性は第３の方向の剛性の少なくとも５倍である。すなわち、第１の方向で工具ホルダを変形させるのに必要となる力は、第３の方向で同程度に変形させるときの力の少なくとも５倍である。

好適には、工具ホルダは、第２の方向において、第３の方向の剛性の少なくとも５倍の剛性を有する。これは、研磨工具が被加工物に対して接線方向に変位されるまたは被加工物に対して運動することによって振動するのを防止することの助けにもなる。

好適には、工具ホルダは、その最大有効直径の少なくとも１０倍の長さを有する。円形断面の場合、有効直径がその直径となる。断面が円形ではない場合、有効直径は断面積の平方根となる。比較的長い工具ホルダを使用することには２つの利点がある。１つ目は、長い工具ホルダを用いることにより、工具ホルダがその内部に開口空間をごくわずかしか有していない場合でも、被加工物を工具ホルダ内に貫入してそこで研磨を行うことも可能となることである。二つ目は、長い工具ホルダを用いることにより第３の方向において剛性が必然的に低下し、問題のない程度で可撓性特性（ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｒｏｐｅｒｔｙ）が確保されることである。

好適には、振動運動を加えることにより被加工物ホルダと研磨工具との間の相対的な運動を無効化するような駆動装置が設けられる。被加工物ホルダと研磨工具との間の相対的な運動により、研磨経路を画定することができ、研磨工具がそれに沿って被加工物を横断するように誘導される。そのとき、研磨工具が振動することにより研磨が行われる。最も単純な形では、研磨工具はこのときに研磨経路の周りを正弦状に運動する。

この振動運動の振動数は２０Ｈｚから１００Ｈｚまでの範囲であることが好ましい。その場合、被加工物ホルダ内に収容されている研磨される被加工物の表面を横断する研磨工具を比較的高速で運動させることが可能である。第１の方向で振動運動が行われる場合、言及した振動数の振動により、第１の方向における運動による影響を第２の方向における運動による影響と少なくとも同程度の大きさにすることができる。また、研磨経路が各スポットのほぼすべてを様々な角度で通過するような形で、研磨工具を被加工物の表面を横断するように運動させることも可能である。これにより優良な研磨結果が得られる。

好適には、振動運動の振幅は０．０５ｍｍから５ｍｍまでの範囲である。好都合には、振動運動の振幅は、この振動運動の方向に研磨工具が延在する長さより短い。したがって、第１の方向において非常に均等な分布で研磨作業を行うことができる。

好適には、駆動装置は、振動の振動数および／または振動の振幅を変化させる制御デバイスに連結される。これらの変化は乱数発生器またはプログラムによって制御されてよい。また、手動で制御デバイスを起動することも可能である。振動運動のパラメータを変化させることは、そうでなければ正弦状の運動時に起こる表面上での干渉パターンの形成を防止することの助けとなる。加えて、振動運動のパラメータを制御することにより、研磨工程に影響を与えることも可能である。

好適には、制御デバイスは、第２の方向における相対的な運動を振動運動より遅い速度となるように制御する。これは少なくとも部分的に研磨工程に適用される。これにより、第１の方向において主要な要素を有する研磨経路が形成される。

好適には、研磨工具は第１の方向に運動可能であり、被加工物ホルダは第２の方向に運動可能である。これは、異なる方向の運動に対して別の駆動装置が使用されてよいことを意味する。運動の制御を切り離すことで、研磨工具を所定の経路に沿わせて誘導することが容易となる。

好適には、被加工物ホルダは５０ｒｐｍから１００ｒｐｍまでの範囲の速度で回転する。特に、回転対称な被加工物を用いた実施形態が有利である。被加工物が被加工物ホルダによって回転される場合、研磨工具が回転軸に平行に単純な直線運動を行うことにより、研磨される被加工物のすべての領域を確実に研磨することができる。また、回転運動により被加工物の正面側を研磨することもできる。

有利には、可撓性特性が異なるいくつかの工具ホルダが提供される。個々の工具ホルダの可撓性特性すなわち剛性により、研磨工程に影響を与えることができることから、所望の研磨工程に適合する工具ホルダを選択することができる。

研磨工具ごとに異なるコードを設けることが好ましく、各コードは少なくとも１つの所定の工具ホルダのみに適合される。研磨ステップを向上させるためには、より精巧な工具を使用しなければならない。精巧な工具を用いる場合、接触圧が低い方がやはり都合がよい。剛性の異なる工具ホルダを使用することで接触圧に影響を与えることができる場合、工具ホルダの運動を制御することがより容易になる。基本的には、その場合、工具ホルダは研磨工程のすべてのステップにおいて同じ方式で運動され得ることから、工具ホルダおよび研磨工具を交換することを除いて、研磨装置を変更する必要はない。コード化により、特定の研磨工具に過度の力が一切作用しないようにすることが可能となる。好都合には、工具ホルダは研磨工具のそれぞれの精密度に合わせて用意される。

好適には、研磨工具は中間ホルダにより工具ホルダに取り付けられる。これにより取り扱いが簡単になる。

好適には、工具ホルダは、少なくとも２つの運動軸を有する自動ハンドリング機（オートマット（ｈａｎｄｌｉｎｇ ａｕｔｏｍａｔ）上に配置される。ハンドリング自動機は、例えば従来型の産業用ロボットであってよい。このような産業用ロボットは、しばしば、６つもの運動軸、すなわち３つの直進運動軸と３つの回転運動軸とを有する。

好適には、駆動装置および／または工具ホルダおよび／またはハンドリング自動機には、運動センサおよび／または動力センサが設けられる。これらのセンサにより、研磨装置が、被加工物に対する研磨工具の運動および／または研磨工具と被加工物との間の力を測定することが可能となる。これにより、例えば、研磨工具の摩耗を監視および補償することができる。

好適には、被加工物ホルダおよび工具ホルダは互いに対して角度を変更することができる。具体的には、被加工物と研磨工具との間で付加的な運動として振動を行うことにより、表面の実質的に各ポイントが多くの方向に研磨されるような、被加工物を横断する研磨工具の運動経路を設定することが可能となる。これにより研磨結果が向上する。

好適には、特に被加工物上での研磨工具の位置により、被加工物への研磨工具の接触圧を制御することができる。この実施形態では、各研磨工程において、最良の結果をもたらす接触圧で各スポットを加工することが可能である。例えば曲線を有する被加工物を研磨しなければならない場合、内側半径によって形成される曲線には、外側半径によって形成される曲線または円筒形表面の直線とは異なる接触圧が必要となる場合がある。また、接触圧が制御可能であることにより、研磨工程を様々な材料または表面に適用することが可能となる。

好適には、研磨装置は、圧力流体、具体的には圧力空気によって操作される、接触圧に影響を与えるための接触圧装置を有する。この接触圧装置はハンドリング自動機に組み込まれていてよい。しかし、この接触圧装置はハンドリング自動機と工具ホルダとの間に位置されてもよい。圧力流体を使用することは特に簡単な方策である。圧力流体内の圧力により、接触圧装置が研磨工具に作用するときの力が決定される。気体の圧力流体の場合、さらに、ある程度まで圧縮可能であるというさらなる利点もあり、研磨工程により好ましい結果をもたらすような融通性が付加的に得られる。圧縮空気は、いかなる場合でも、ほとんどの製造工場で使用可能である。

好適には、圧力流体の圧力は制御デバイスによって制御される。制御デバイスは、圧力を変化させることにより、被加工物への研磨工具の所望の接触圧を簡単に調節することができる。

本発明はまた、被加工表面の研磨方法に関し、その間に、予備加工（ｐｒｅｍａｃｈｉｉｎｇ）により表面内に微小な凹部が形成され、研磨によりそれらの凹部の間を突出している表面の一部が変形される。このような実施形態では、潤滑剤を表面に良好に分散させることが可能となる。この予備加工で形成される凹部の深さは、例えば、１μｍから１０μｍまで、好適には３μｍから５μｍまでの範囲であってよい。残りの表面が研磨されることにより、優れた特性を有する被加工表面が得られるこの方法により、凹部の間を突出している表面部分だけを研磨するだけで十分となる。凹部が未加工のままでよい理由は、このことが潤滑剤が分散されるのを妨害しないためである。

以下で、図面に関連した好適な実施形態に基づいて本発明を説明する。

研磨装置の概略図である。 被加工物のところにある研磨工具を備える工具ホルダの第１の実施形態の図である。 工具ホルダの第２の実施形態の図である。 既存技術水準における研磨痕跡（ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ ｔｒａｃｋ）を有する被加工表面の概略図である。 本発明による研磨痕跡の図である。 図５の断面図である。 ３つの異なる加工状態の表面構造の概略図である。

図１に示した研磨装置１は、この操作状態では、被加工物２と、工具ホルダ３上に配置される研磨工具４（図２）とを有する。

この場合、被加工物２は回転対称となるようになされており、したがって、回転チャック５の形態の被加工物ホルダ内で保持され得る。回転チャック５が回転することにより、被加工物２が回転運動させられる。

工具ホルダ３は、自動ハンドリング機７すなわち産業用ロボットの腕６上に配置される。自動ハンドリング機７は合計で６つの運動軸を有する。すなわち、自動ハンドリング機７は、腕６の頂部のところに配置される振動用駆動装置８を３つの直進方向に運動させることができ、また、駆動装置８を３つの回転軸を中心として旋回させることができる。工具ホルダ３は振動用駆動装置８に連結される。

振動装置８は、例えば、モータの回転を直線的な振動運動に変換する従来型の偏心駆動装置（ｅｃｃｅｎｔｅｒ ｄｒｉｖｅ）を有していてよい。以下では、この運動方向を「第１の方向９」と呼ぶ。

自動ハンドリング機７の腕６は工具ホルダ３を運ぶことができることから、研磨工具４を被加工物２に対して実質的に任意のランダムな位置および方向へと運ぶことができる。回転チャック５が回転すると、被加工物２の表面が第２の方向１０（図２）で運動する。したがって、第１の方向９における運動は自動ハンドリング機７によって制御され、この運動もまた、振動用駆動装置８によって制御される振動運動を無効化する。第２の方向１０における運動は回転チャック５によって引き起こされる。第１の方向９および第２の方向１０の運動を重ね合わせることにより、被加工物２の内側１１ａまたは外側１１ｂ上の実質的に任意の位置まで到達することができる。図２では、工具ホルダ３に対して局所的な第２の方向を示す矢印が加えられている。

スクリーン１５を備えるキーボード１４によって起動され得る制御ユニット１３が、自動ハンドリング機７の運動と回転チャック５の運動との両方を制御する。また、制御ユニット１３は、振動用駆動装置８の制御、すなわち振動用駆動装置８の振動数および／または振幅の変更を行うこともできる。振動数および／または振幅のこのように変更は乱数発生器によって行われてよい。また、この変更をプログラム制御下で行うことも可能である。

保護カバー１６は直線的に変位可能であることから、操作者は被加工物２および工具ホルダ３まで手を届かせることができる。しかし、研磨工程を自動で行っている間は、保護カバー１６は回転する被加工物２および自動ハンドリング機を覆うように押し込まれている。

タオル・ホルダ１７ａが、研磨工程の各パートの後で被加工物２を洗浄するために、通常時はアルコールまたは別の洗浄剤に浸漬されているペーパー・タオルを保持する。自動ハンドリング機の後方に、使用されたタオルを処分するための廃紙バスケット１７ｂが設けられる。

保護カバー１６には、保護カバー１６が開いているときに、制御ユニットにより回転チャック３および自動ハンドリング機７のいずれも起動されることがないようにするための安全スイッチ（図示せず）が設けられる。しかし、研磨装置１で手動による研磨もやはり可能にするために作業場２７が設けられており、作業者はここで回転チャックを起動および制御することができる。したがって、作業者が機械制御ユニットによって負傷することは一切ない。

次に、図２は、被加工物２と工具ホルダ３との相互作用を拡大して示している。工具ホルダ３は断面１９を有する棒１８の形態である。ここでは、断面１９は楕円形である。すなわち、断面１９は、第１の方向９と第２の方向１２とに対して垂直である第３の方向２０より、第２の方向１２の方が大きい。棒１８の長さは断面１９の有効直径の少なくとも１０倍である。断面１９が円形の場合、有効直径は通常の直径となる。断面１９の形状が円形状ではない場合、有効直径は断面積の平方根となる。

工具ホルダ３の頂部のところに配置される研磨工具４はホーニング砥石の形態であってよい。工具ホルダ３は、自動ハンドリング機７により軸方向において予め決められた形で誘導される。自動ハンドリング機７によって引き起こされる運動は第１の方向９の振動運動によって無効化される。この運動の振動数は２０Ｈｚから１００Ｈｚまでの範囲である。この運動の振幅は０．０５ｍｍから５ｍｍまでの範囲である。回転チャックの回転速度は５０ｒｐｍから１０００ｒｐｍまでの範囲である。振幅は、研磨工具４の第１の方向における長さより小さくなるように選択される。これにより、第１の方向で行われる研磨作業がかなり一様に分布される。

詳細に示されていない一方式では、自動ハンドリング機７、自動ハンドリング機７の腕６、および／または工具ホルダ３は加速度センサおよび／または力センサを装備していてもよく、その場合、制御デバイス１３により、研磨工具４の運動ならびに／または研磨工具４と被加工物２との間の力を最大３軸で測定することができる。したがって、例えば、研磨工具４の接触圧または摩耗を監視して補償することができる。

図３は工具ホルダ３の修正実施形態を示している。この工具ホルダ３は、ストラット２１により第２の方向に互いに連結される２つの棒１８ａ、１８ｂを有する。

一方の端部には、中間ホルダ２２により工具ホルダに取り付けられる研磨工具４がある。他方の端部には取付具２３があり、その取付具を用いて、工具ホルダ３が振動駆動装置８に連結される。

有利には、工具ホルダ３は、炭素またはガラス繊維強化プラスチックで作れていてよく、あるいは、例えばチタンといったような軽金属で作られていてもよい。さらに、工具ホルダ３の棒１８、１８ａ、１８ｂは、例えば、１本の管の形態、共通のスリーブ内にあるいくつかの細い棒の形態、または、グリッド構造として作られていてもよい。研磨工具４は、例えば、接着剤、ねじ、またはラッチ連結により工具ホルダ３に連結されてよい。

図２および３に示した工具ホルダの設計では、工具ホルダ３は第１の方向９において最も剛性が高い。この方向では、工具ホルダ３は実質的に可撓性ではない。

第２の方向１２では工具ホルダ３の剛性はある程度低くなる。しかし、第３の方向２０では工具ホルダ３は可撓性となる。すなわち、剛性はかなり低くなる。第２の方向１２における剛性は第３の方向２０における剛性の少なくとも５倍の大きさである。第２の方向１２および第３の方向２０に等しい力を作用させた場合、工具ホルダ３は第３の方向２０に少なくとも５倍変形する。

研磨工具４のこのたわみ軸受けにより、一定の許容差で自動ハンドリング機７を制御することができる。図１を参照すると、ハンドリング自動機７は、例えば、工具ホルダ３と駆動装置８との接点が常に被加工物２の内側１１の数センチメートル下方にくるように工具ホルダ３を誘導する。その結果、工具ホルダ３が第３の方向２０に変形されるようになる。その場合、研磨工具４はある程度の力で被加工物２の内側１１上に静止する。

別法として、被加工物の幾何形状を入力した後、制御ユニット１３が、研磨中の被加工物２と研磨工具４と間の第３の方向２０における距離をほぼ一定に維持するためにプログラム制御により工具ホルダ３を運動させることができる。被加工物の幾何形状が単純である場合、この入力は、例えば被加工物および研磨工具の軸方向の延在長さといったような個別のパラメータから構成されてよい。複雑な被加工物の幾何形状は、例えば、設計プラグラムから直接に取り入れられたり、コンピュータを利用して操作者によって入力されたり、または、システムによって自動で測定されたりしてよい。

研磨工具４が摩耗した場合、あるいは別の研磨工具を使用しなければならない場合、通常、ハンドリング自動機７の運動制御を変更する必要はない。研磨工具４に作用する力がわずかに変更される。しかし、この変更もやはり許容範囲内である。

研磨工具４が被加工物２の内側１１を横断するように誘導される場合、最新技術による工程（図４）では、実質的に第２の方向に延在する波形の研磨痕跡２４ができる。同じ方向１０に延在するような欠陥２５が存在する場合、例えば旋削痕跡といったようなこの欠陥２５を研磨によって実質的に除去することはできない。

図５は本発明による研磨痕跡２６を示している。これらの研磨痕跡は、波長、振幅、および方向９における位置が異なっていることが分かる。これらの研磨痕跡が欠陥２５と交わる場合、欠陥２５に対して角度が比較的大きい研磨痕跡２６が多数存在することにより、欠陥２５はより高速かつ確実に除去される。このことは図６の拡大図にも示されている。

通常、いくつかの研磨工程は被加工物２を完全に研磨するように実施される必要があり、各研磨工程では前のステップより精巧な研磨工具４が使用される。ここでは、この選択はやはり操作者によって行われる。操作者は、研磨工具４を用いた研磨工程が既に所望の効果をもたらしたかどうか、または、研磨工程を延長する必要があるかどうかを検査することもできる。

ある状況下では、精巧な研磨工具が必要とする接触圧は小さい。簡単な形でこれを実現するために、各研磨工具４はそれ自体の工具ホルダ３を有する。もちろん、１つの工具ホルダ３が１組の研磨工具４のために用意されてもよい。その場合、工具ホルダ３および研磨工具４は互いに適合されるようにコード化される。このコード化は、ある特定の品質の研磨工具４が、特定の１つの工具ホルダ３の取付幾何形状のみに適合される取付幾何形状を有するという単純な形で行われてよい。その後で研磨工具４を交換する必要がある場合、全工具ホルダ３が自動ハンドリング機から取り外されて、新しい工具ホルダが取り付けられる。しかし、操作者は、研磨工程後に、スクリーン１５が次の研磨工程に使用するのに適切な研磨工具４を表示するという支援を受けることができる。

上述したように、被加工物への研磨工具の接触圧は制御され得る。この目的のために、好都合には、例えば圧力空気といったような圧力流体を用いて操作され得る接触圧デバイス２８が設けられる。圧力流体の圧力は制御デバイス１３によって制御されてよい。この目的のために、制御デバイス１３は、詳細には示されない圧力センサまたは力センサに連結されてよい。図２では、接触圧デバイスは棒１８に作用するように示されている。しかし、この位置は１つの例を示しているにすぎない。接触圧デバイスは、例えば、自動ハンドリング機７内または振動用駆動装置８内といったような別の場所に配置されてもよい。上述した圧力センサまたは力センサにより、接触圧を制御することも可能となる。

研磨工具４の振動速度、すなわち第１の方向９における運動速度を、研磨される表面の第２の方向１２における運動速度より高くなるように選択することが好都合である場合がある。速度関係を変更することにより、研磨される表面を横断するように研磨工具４が誘導されるときの角度を別の角度に設定することができる。第１の方向９の運動速度が、研磨される表面の第２の方向１２における運動速度より高い場合、研磨痕跡の大部分が、回転対称な被加工物に関連して最もよく見られる加工痕跡をほぼ横断するように延在することになり、これらの痕跡をより素早く除去することを意味する。

図６に示すように、振動運動の各ストロークにおける研磨工具４の運動角度を別の角度にするために、自動ハンドリング機７により、工具ホルダ３と被加工物２と間の角度アライメントを変更することもできる。それにより、非回転対称の被加工物や被加工物の正面側１１ｃを研磨することも可能となる。

制御ユニット１３または別のコンピュータを使用して、振動数、振幅、および、軸方向における工具の位置の変化を予め計算することができる。この目的のために、例えば考えられる角度変化が最も大きい研磨痕跡２６が、研磨される被加工表面１１の各ポイントを確実に横断するようにするために、例えば、既知の最適化手法が使用されてよい。この計算は、例えば旋回痕跡２５が通常存在するような、被加工表面１１の領域が既知である場合などでは、それまでの加工履歴を考慮して行われてよい。例えば、それに従って研磨作業の軸方向の分布を制御することができる。さらに、研磨工具の振動運動の振動数および振幅を、例えば、被加工物２の回転軸からの研磨工具４までの半径距離とは無関係に、および／または、使用される研磨工具４の精密度とは無関係に決定することができ、それにより、相対速度（すなわち、ピーク値または有効値）を予め指定した範囲内に維持することができる。

本発明による装置１は、意外にも、コールド・フロー用の再成形工具２を研磨するのに特に適している。特にこの分野では、今日までの経験により、人間の作業員の経験および判断能力を機械に置き換えることが不可能であることが分かっていることから、手動による研磨が随所に使用される。再成形工具２を研磨する前に、通常、高硬度旋削、研削、フライス加工またはエロージョンなどの加工工程により表面を非常に高精度の仕上げ寸法まで成形する。したがって、研磨工程では、表面１１の幾何形状を変化させるべきではなく、表面１１のマイクロ構造および粗さ品質をさらに精巧なものにする。これは、光学的に識別可能なパターンまたは誤差を回避するという１つの目的のために通常は研磨される、例えば、日用品、ウォーター・アーマチュア（ｗａｔｅｒ ａｒｍａｔｕｒｅ）、プラスチック用金型、または鏡面を有する製品といったような、他の金属製品の表面の研磨とは異なる。したがって、これらの被加工物は非常に精巧に研磨されなければならないだけではなく、大きく波打っていたり微小形状誤差があったりしてはならない。しかし、再成形工具２の場合、予備加工された表面１１に対して研磨工程を行うことができ、したがって、研磨工具４を比較的自由に位置決めしながら研磨工程を行うことができる。

未加工の被加工物２を予備加工した後、表面１１には加工痕跡２５が残ることから、表面１１のマイクロ構造を損傷させることなくこれらの加工痕跡２５を除去するために研磨を行うことになる。特に、表面１１のすぐ下の金属グリッド構造が例えば疲労などにより損傷することは回避しなければならない。本発明による装置１を用いて研磨を行う場合、最終的には、突出している加工粗さ部分および加工痕跡は慎重に除去されることになる。これにより、表面１１の上層はさらに滑らかになるが、表面のすぐ下の層の構造は維持される。例えば段差といったような大きな構造は、研磨工程後も残るが、やはり滑らかになる。しかし、このような構造は、コールド・フロー用の再成形工具の品質および寿命にはほとんど影響しない。

本発明による装置１はまた、マイクロ切削が一様に分布されて行われるような、被加工物の表面の加工に極めて適している。例えば、１μｍ以下のわずかな材料層を被加工表面の全体にわたって切削することができ、表面１１上での切削および切削の分布は完全かつ正確に制御される。驚くべきことに、これにより全く新しい加工工程を行うことが可能となり、したがって、やはり全く新しい表面構造を製造することが可能となる。

油または他の潤滑剤を収容して分散させるのに適している凹部または溝を、例えばホーニングにより、機械部品の摺動表面といった被加工表面内に形成することは既に知られている。これにより、機械の作動中に摺動表面に潤滑剤を分散させることが容易になる。この場合、潤滑が確実に行われることにより摺動表面の寿命が延びる。しかし、現在までに知られている、このような凹部を作るための手法にはいくつかの欠点がある。１つ目は、凹部の深さおよび幅が、例えばホーニング砥石といったような加工工具を選択することによって実質的に制御されることである。この場合、これらのパラメータの制御が比較的粗雑になる可能性がある。二つ目は、凹部が形成される被加工表面の占有率が、加工時間を変更することによって制御されることである。凹部の表面占有率を高くするためには、加工工具を複数回にわたって被加工表面を横断するように誘導しなければならない。このため、加工工具を凹部の幅に対して大雑把にしか位置決めすることができない。これにより、被加工表面上での凹部の分布が不規則になる危険性が増してしまい、これは、摺動表面の剛性および潤滑性能に影響が出る可能性があることを意味する。

そこで、本発明による、被加工物の被加工表面を研磨するための方法を用いると、やはり微小ではあるが比較的深い凹部を被加工表面内に形成することが可能となり、凹部が占める表面の相対占有率および表面全体における凹部の分布を正確に制御することができる。これは、予備加工の際に微小凹部を表面内に形成させることと、凹部の間を突出している一部の表面を研磨により変形させることとによって達成される。

図７は、本発明による方法の一実施形態に従って加工された、被加工物の被加工表面２９を通る概略断面ａ、ｂ、ｃを示している。実施例として、断面ａ、ｂおよびｃは、円筒形の公称表面３４に沿った加工表面２９を示している。ここでは、公称表面３４および公称表面３４の曲線に対して垂直な方向を極端な比率で示している。この被加工表面は、例えば、転がり軸受け、玉軸受けまたはすべり軸受けの中の軸受け胴、ロール部またはボールなどの、軸受け用の軸受け表面または摺動表面として作られてよい。

また、例えば、金属シート鍛造プレス用の深絞り工具、あるいは、ワイヤ、棒またはパイプの引抜き加工用の絞り工具といったような再成形工具上の再成形表面も、本発明による方法によって有利に加工され得る。

加工表面２９を、既に予備加工の段階において、対応する許容差を遵守して、被加工物の機械的機能に必要な形状にした。同時に、またはその後で、凹部３０を有する多少規則性のある波構造を加工表面２９内に形成した。凹部３０は、例えば、高硬度旋削、フライス加工または研削によって形成され得る。凹部３０は、有利には１μｍから１０μｍまで、さらに有利には３μｍから５μｍまでの深さと、有利には１０μｍから５００μｍまで、好適には１００μｍから２５０μｍまでの幅すなわち波長とを有する。区間ａは、このような加工状態の被加工表面２９を示している。凹部３０の間には、突出部すなわち隆起部３１が突出している。突出部すなわち隆起部３１は部分的に公称表面３４の上に突出している。

次に、被加工表面２９を、凹部３０の間を突出している突出部すなわち隆起部３１を変形させるように研磨した。この加工状態を区間ｂに示す。突出部すなわち隆起部３１は部分的に水平になっており、加工表面２９のほぼ３分の１を占める、公称表面３４に沿って延在する滑らかな摺動表面３２が形成されており、残りの部分には凹部３０が存在する。凹部の底面３５は依然として研磨による加工を受けていない。同時に、摺動表面３２は、例えば軸受け表面または再成形表面といったような被加工物の機能表面を形成している。作動中、この機能表面上には凹部３０から潤滑剤が供給されることから、機能表面上には流体力学的な潤滑剤膜が形成される。切削を変更することにより、摺動表面３２と凹部３０との間の表面の関係性を調整することができ、それにより、被加工表面２９の剛性および潤滑性能に影響を及ぼすことができる。切削部を大きくして被加工表面２９の中での摺動表面の占有率を例えば８０％くらいに高くすると、機能表面の剛性を確実に高めることができ、一方切削部を小さくして被加工表面２９の中での摺動表面の占有率を例えば２０％くらいまで低くすると、表面２９の潤滑剤を取り入れて分散させる能力が向上する。

区間ｃは、さらに別の研磨工程の後の被加工表面２９の加工状態を示している。しかし、ここでは比較的柔らかい研磨工具を使用した。この工程では、摺動表面３２の縁部３３にわずかに丸みをつけた。縁部３３に丸みがつけられたことにより、縁部３３が潤滑剤膜を分断する危険性が低減されることから、このことは潤滑剤膜の維持に寄与する。

凹部３０を備える被加工表面２９を研磨する場合、得られる工具または機械部品の表面２９の潤滑性能において、研磨により凹部３０が完全には除去されないこと、および、研磨中に切り離される材料が凹部３０内に流れ込まないことが特に重要である。また、このような再成形工具または機械部品の剛性においては、摺動表面３２を慎重に制御しながら適切かつ均等に研磨することが特に不可欠である。それにより、１つには、摺動表面３２の全体が平坦になり、さらには、摺動表面３２のすぐ下に存在する金属グリッド構造が疲労により損傷することがなくなる。これは、例えば本発明による研磨装置によって行われる、慎重に制御された研磨工程によってのみしか達成されない。

１ 研磨装置； ２ 被加工物； ３ 工具ホルダ； ４ 研磨工具；
５ 回転チャック； ６ 腕； ７ 自動ハンドリング機； ８ 振動駆動装置；
９ 第１の方向； １２ 第２の方向； １３ 制御ユニット； １４ キーボード； １５ スクリーン； １６ 保護カバー。

Claims (21)

1. 研磨工具が配置されかつ被加工物ホルダと相互作用する工具ホルダを備えており、前記被加工物ホルダおよび前記工具ホルダが互いに対して第１の方向および前記第１の方向とは異なる第２の方向に運動可能である、研磨装置であって、前記ホルダ（３）が、前記第１の方向（９）と前記第２の方向（１０、１２）とに対して垂直である第３の方向（２０）において可撓性となるように作られる、ことを特徴とする研磨装置。
2. 前記工具ホルダ（３）が前記第３の方向（２０）において剛性が最も低い、ことを特徴とする、請求項１に記載の研磨装置。
3. 前記工具ホルダ（３）が、前記第２の方向（１０、１２）において、前記第３の方向（２０）の剛性の少なくとも５倍の剛性を有する、ことを特徴とする、請求項１または２に記載の研磨装置。
4. 前記工具ホルダ（３）がその最大有効直径の少なくとも１０倍の長さを有する、ことを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の研磨装置。
5. 振動運動を加えることにより前記被加工物ホルダ（５）と前記研磨工具（４）と間の相対運動を無効化する駆動装置（８）が設けられることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の研磨装置。
6. 前記振動運動の振動数が２０Ｈｚから１００Ｈｚまでの範囲である、ことを特徴とする、請求項４または５に記載の研磨装置。
7. 前記振動運動の振幅が０．０５ｍｍか５ｍｍまでの範囲である、ことを特徴とする、請求項４から６のいずれか一項に記載の研磨装置。
8. 前記駆動装置（８）が、振動の振動数および／または振動の振幅を変化させる制御デバイス（１３）に連結される、ことを特徴とする、請求項４から７のいずれか一項に記載の研磨装置。
9. 前記制御デバイス（１３）が、前記第２の方向（１０、１２）における相対的な運動を前記振動運動より遅い速度となるように制御する、ことを特徴とする、請求項８に記載の研磨装置。
10. 前記研磨工具（４）が前記第１の方向（９）に運動可能であり、前記被加工物ホルダ（５）が前記第２の方向（１０、１２）に運動可能である、ことを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の研磨装置。
11. 前記被加工物ホルダ（２）が５０ｒｐｍから１０００ｒｐｍまでの範囲の速度で回転する、ことを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の研磨装置。
12. 可撓性特性が異なるいくつかの工具ホルダ（３）が設置されることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか一項の記載の研磨装置。
13. 研磨工具（４）ごとに異なるコードが設けられ、各コードが少なくとも１つの所定の工具ホルダ（３）のみに適合される、ことを特徴とする、請求項１２に記載の研磨装置。
14. 前記研磨工具（４）が中間ホルダ（２２）により前記工具ホルダ（３）に取り付けられる、ことを特徴とする、請求項１２または１３に記載の研磨装置。
15. 前記工具ホルダ（３）が、少なくとも２つの運動軸を有するハンドリング自動機（７）上に配置される、ことを特徴とする、請求項１から１４のいずれか一項に記載の研磨装置。
16. 前記駆動装置（８）および／または前記工具ホルダ（３）および／または前記ハンドリング自動機（７）に運動センサおよび／または力センサが設けられる、ことを特徴とする、請求項１５に記載の研磨装置。
17. 前記被加工物ホルダ（５）および前記工具ホルダ（３）が互いに対して角度を変更することができる、ことを特徴とする、請求項１から１６のいずれか一項に記載の研磨装置。
18. 特に前記被加工物（２）上での前記研磨工具（４）の位置により、前記被加工物（２）への前記研磨工具（４）の接触圧が制御可能である、ことを特徴とする、請求項１から１７のいずれか一項に記載の研磨装置。
19. 圧力流体、具体的には圧力空気によって操作される、接触圧に影響を与えるための接触圧装置（２８）を有することを特徴とする、請求項１８に記載の研磨装置。
20. 前記圧力流体の圧力が制御デバイス（１３）によって制御される、ことを特徴とする、請求項１９に記載の研磨装置。
21. 被加工表面（２９）の研磨方法であって、その間に、予備加工により前記表面（２９）内に微小な凹部（３０）が形成され、研磨により前記凹部（３０）の間を突出している前記表面の一部（３１）が変形される、方法。

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