JP2012192510A - 総型砥石の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、１回の研削だけで、所望の形状の総型砥石が得られる総型砥石の製造方法を提供する。
【解決手段】縁部を面取り前の円板状の加工用砥石１１を水平回転させつつ、水平に保持した円柱形状のツルアー２を、加工用砥石１１の縁部に、該縁部が断面円弧状に面取りされるよう上下動させながら接触させるとともに加工用砥石１１の中心に向けて前進させる研削工程を有する総型砥石の製造方法であって、上記研削工程において、ツルアー２の工具軌跡を、総型砥石の加工形状にツルアー２の研削後の半径（ｒ´）だけ離間した軌跡とする総型砥石の製造方法。
【選択図】図２

Description

本発明は、成形型を加工するための総型砥石を、１回の研削で所望形状とできる総型砥石の製造方法に係り、特に、シリンドリカルレンズやトロイダルレンズ等のレンズ用成形型の加工に適した総型砥石の製造方法に関する。

総型砥石は、研削加工機のツルアーを所定の工具軌跡を描くように往復運動させながら加工用砥石と接触させて、加工用砥石が所望の形状になるように研削し、製造されている。

一般に、工具軌跡は、研削後に得られる総型砥石の研削面の表面形状に対してツルアーの半径分だけ離間させた距離を描くように設定される。これは、ツルアーの総型砥石との接触表面が、目的とする総型砥石の表面形状を描くため、研削に好適であるとして用いられている。

ところが、このような工具軌跡としても、実際には研削する際に、研削加工機等に起因する種々の誤差要因による形状誤差を有するため、所望の形状への精度の良い加工ができなかった。

そこで、加工された総型砥石の表面形状を測定し、その表面形状と目的の表面形状との加工誤差を算出して、この加工誤差に基づいて、総型砥石の修正加工を少なくとも１回、多くの場合は複数回の修正加工を行うことで、所望の総型砥石を得ていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−１１７６４５号公報

しかしながら、特許文献１の発明においては、従来と同様、形状誤差が出ること自体を改善するものではなく、形状誤差が出た砥石に対して、さらに同様の研削を行うことで、目的の表面形状へと近づけていくもので、加工するたびに表面形状を確認し、その誤差を修正する修正加工を行うため、操作が煩雑で、複数回の加工を行うため、効率的な加工方法ではなかった。

そこで、本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、総型砥石を研削加工機により加工して得る際に、１回の研削だけで、所望の形状の総型砥石が得られる総型砥石の製造方法の提供を目的とする。

本発明の総型砥石の製造方法は、縁部を面取り前の円板状の加工用砥石を水平回転させつつ、水平に保持した円柱形状のツルアーを、前記加工用砥石の縁部に、該縁部が断面円弧状に面取りされるよう上下動させながら接触させるとともに前記加工用砥石の中心に向けて前進させる研削工程を有する総型砥石の製造方法であって、前記研削工程において、前記ツルアーの工具軌跡を、前記総型砥石の加工形状に前記ツルアーの研削後の半径だけ離間した軌跡とすることを特徴とする。

本発明においては、ツルアーの工具軌跡を、研削工程におけるツルアーの摩耗量も考慮に入れることで、１回の研削で総型砥石を所望形状とでき、効率的に総型砥石を製造できる。なお、このツルアーの摩耗量を算出するためには、事前に従来法による加工を行い、その際の摩耗量を基にツルアーの工具軌跡を決定すればよい。

本発明の総型砥石の製造方法によれば、１回の研削で所望の形状を有する総型砥石を得ることができ、従来行われていた、加工誤差の算出や、その加工誤差に基づいて修正加工する工程を省略できる。そのため、この総型砥石の製造方法は、加工操作を簡便にできると共に、加工時間を短縮でき、極めて効率的に総型砥石を製造できる方法である。

本発明の研削工程を説明するための総型砥石及びツルアーの斜視図である。 本発明の総型砥石の製造方法を説明する側断面図である。 図２の研削工程における、ツルアーの工具軌跡を説明する図である。 得られた総型砥石による、成形型加工を説明する図である。 図４の成形型で得られるシリンドリカルレンズを示した図である。 本発明の第２の実施形態における、ツルアーの水平方向への往復移動について説明する図である。 実施例１で得られた総型砥石により加工した成形型の加工面形状について、表面形状の測定結果を示したグラフである。

以下、本発明について図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
本発明の一実施形態としては、図１乃至図３に示した総型砥石の製造方法が挙げられる。ここで、図１は本発明の総型砥石の製造方法における、研削後の加工用砥石及びツルアーの斜視図であり、図２は本発明の総型砥石の製造方法を説明する図であって、加工用砥石の（ａ）研削前の状態、（ｂ）研削後の状態を示した。ここで、図２は、図１の視点Ａから見た砥石とツルアーの側断面図（砥石回転軸３の中心軸を通る直線の切断線による垂直断面図）を表わしている。また、図３は図２の研削工程における、ツルアーの工具軌跡を説明する図である。

まず、総型砥石を製造する工程の概略を説明する。
最初に、総型砥石に加工される前の円板状の加工用砥石を用意する。そして、加工用砥石の縁部を、総型砥石形状に研削するが、その研削の際、図１に示したような配置で、加工用砥石の縁部に、ツルアー２を接触させながら移動させ、縁部を所望の形状に加工していく。図１に示した円板状砥石は、研削後の総型砥石１を示し、これは後述する図２（ｂ）に相当する状態である。本発明に特徴的なのは研削工程におけるツルアーの動作である。

以下、より具体的に、本発明の総型砥石の製造方法の各工程を説明する。
まず、本発明の総型砥石の製造方法では、加工用砥石１１は円板状であり、その円板の中心を研削加工機の砥石回転軸３に取り付けて固定し、水平回転させる（図２（ａ））。このとき、水平回転の回転速度は、通常、６〜１２ｍ／ｓである。また、ここで用いられる加工用砥石１１の砥粒としては、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素等の公知の砥粒が用いられ、結合材としてはレジノイド、ビトリファイド、メタル等の公知の結合材が用いられる。

次に、この水平回転している加工用砥石１１の縁部に、円柱状のツルアー２を接触させて研削を行う（図１及び図２（ｂ））。このとき、ツルアー２もその円柱状の底面がツルアー回転軸４に固定されて軸回転されており、さらに、ツルアー２を加工形状に合わせて上下に往復移動させることで研削する。このツルアー２の軸回転の回転速度は、通常、０．２〜０．８ｍ／ｓである。ここで用いられるツルアー２の種類は、ＧＣ（グリーンカーボン）砥石、ビトリファイドダイヤモンド砥石、単石ダイヤモンドツルアー、軟鋼材等の公知のものが用いられる。

このように水平回転している円板状の加工用砥石１１の縁部を研削することで所望の加工形状（表面形状）を有する縁部へと加工をして総型砥石１とする。

また、ツルアー２により加工用砥石１１を研削する際、ツルアー２は加工用砥石１の縁部の加工形状に合わせて上下動を繰り返す往復運動により（図２（ａ）参照）、加工用砥石１の縁部の研削を漸次進めていき、所望の形状に近づけていく。例えば、加工用砥石１１の縁部を図２（ｂ）のように断面形状が円弧状となるように加工する場合には、ツルアー２の加工用砥石１１との接触面が加工後の表面形状を描くように往復運動させる。なお、この方法自体は、従来の総型砥石の製造方法と変わるものではない。

ところで、この往復運動をさせる際に描く工具軌跡は、従来法では、研削前のツルアーの表面が研削後の砥石の表面形状を描くように、研削後の加工形状に対して、研削前のツルアーの半径（ｒ）だけ離間した軌跡となるようにしていた。ところが、このようにして研削を進めていくと、加工用砥石１１だけではなく、ツルアー２の表面も摩耗するため、研削が終了した後のツルアー２の半径（ｒ´）は、研削前よりも小さくなってしまっていた（ｒ＞ｒ´；図２）。その摩耗によって、砥石の加工形状が所望の形状とは異なるものとなってしまい、改めて修正研削をする必要が生じ、効率的な製造方法とは言えなかった。

そこで、本発明においては、上記の研削時の上下に往復運動させる際の工具軌跡を、ツルアー２の研削前の状態から算出するのではなく、ツルアー２が加工用砥石１１を研削した後のツルアー２の形状から算出するものとした。すなわち、予め、ツルアー２の研削後の摩耗状態を考慮に入れて、ツルアー２の動きを制御するものである。

なお、このツルアー２の摩耗状態を把握するために、本発明の総型砥石の製造方法を行うにあたっては、事前に、同一の加工用砥石１１及びツルアー２を使用した従来法による総型砥石の研削を行う（工具軌跡を研削前のツルアーの半径ｒだけ離間させたものとする）。

そして、研削後のツルアー半径（ｒ´）は、その研削した後のツルアーの摩耗量（ｗ）を調べ、研削前のツルアー半径と摩耗量とから算出（ｒ´＝ｒ−ｗ）、又は直接加工した後のツルアーの半径を測定、により決定すればよい。

このようにして決定した本発明のツルアー２の工具軌跡は、図３にその説明図を示した。なお、本明細書でいう工具軌跡とは、ツルアー２の中心軸２ａが描く軌跡を意味する。

図３は図２（ａ）と同一の視点から見た研削前の状態を示した図である。加工用砥石１１の輪郭は実線で、研削後の表面形状は破線で示した。また、ツルアー２の中心軸２ａは、一点鎖線で示したように、研削後の加工形状に、研削後のツルアー２の半径ｒ´だけ離間した軌跡を描くようにする。

このような工具軌跡にして研削を進めていくと、研削終了直前には、ツルアー２の表面が摩耗しており、その摩耗した表面が描く軌跡は、目的としている総型砥石の表面形状とほぼ一致し、得られる表面形状は目的の形状との誤差が極めて小さく、修正加工を要しないものとなる。

なお、実際の研削の始まりは、ツルアー２を加工用砥石１１に接しないように（図３で言えば左側に）十分に離れた距離から、上記説明した工具軌跡（一点鎖線）を描きながら徐々に加工用砥石１１に近づけていき、研削を開始する。最初は、加工用砥石１１の上部と下部がツルアー２と接触し、削られていき、所定の上下往復回数に従い、ツルアー２を加工用砥石１１の中心に向けて前進させながら、ツルアー２と加工用砥石１１の接触部分を研削する。

加工用砥石１１の縁部が全て研削されたときに、砥石が所定の加工形状となっているため、研削の終了とする。研削の終了は、予め十分な加工量となるようにツルアー２を前進させる距離を設定しておいて自動で動作させたり、縁部の側面を加工用砥石１１とは異なる色で着色しておいて、その着色部分が全て研削により無くなったのを人が目視で判断して操作したり、すればよい。

なお、上記説明において、総型砥石の加工表面については、縁部の断面形状が円弧状とする場合を例示して説明したが、この円弧状には、円弧の他に、２次以上の多項式で表現される曲線の断面形状も含む。ここで、断面を円弧に加工した場合には、いわゆる球面レンズ用（後述するシリンドリカルレンズ又はトロイダルレンズ）の成形型を作成でき、断面を２次以上の多項式で表現される曲線の断面形状に加工した場合には、いわゆる非球面レンズ用（後述する非球面シリンドリカルレンズ又は非トロイダルレンズ）の成形型を作成できるものである。いずれの場合にも、予め摩耗量を調べた上で、加工後のツルアーの半径を算出又は測定し、加工後の表面形状（加工形状）に対して上記加工後のツルアーの半径だけ離間した工具軌跡を描くようにツルアーの動作を制御すればよい。

上記のようにして得られた総型砥石１は、例えば、レンズ用の成形型の加工に用いられる。図４に示したように、成形型に対して総型砥石１を水平回転させながら、矢印（破線）に従って成形型の表面に沿って移動させて加工を行い、加工を終えた後は矢印（点線）に従って退避動作を行わせることで、所望の形状に加工された成形型５０が得られる。このように溝状態に形成された加工面によってレンズを成形すると、図５に示したシリンドリカルレンズ又は非球面シリンドリカルレンズと呼ばれる円柱形状を軸方向で切断した形状のレンズが得られる。
通常のシリンドリカルレンズの成形型の加工は、小半径の砥石を往復させて形状を加工していく。本総型砥石を用いることで往復回数を極端に少なくできる。

また、図４において、総型砥石１を成形型の表面に沿って移動させることなく、成形型加工面の中央に総型砥石１を垂直に押し込むように移動させて加工すると、総型砥石１の輪郭形状を反映した成形面が形成される。このような成形型からはトロイダルレンズ又は非トロイダルレンズと呼ばれるシリンドリカルレンズ又は非球面シリンドリカルレンズをさらに長軸方向に湾曲させた形状のレンズを成形するのに使用できる。

（第２の実施形態）
本実施形態は、第１の実施形態において、研削時のツルアー２の動作を改良した他の実施形態である。図６は、この実施形態を説明する図である。なお、図６は、図１の視点Ｂから見た平面図である。

第１の実施形態では、ツルアー２は、表面形状に合わせて上下に往復運動させるだけであったが、この実施形態では、さらに、左右の動きも加えて研削を行うものである。すなわち、図６に示したように、加工用砥石１１の平面形状である円の接線方向（矢印方向）にツルアー２を水平移動させるものである。

第１の実施形態のように左右に固定した状態で研削を行うと、ツルアー２の加工用砥石１１との接触部である中央が摩耗し易く、鞍状に湾曲した平面形状となってしまう場合がある。このようになると、場合によっては、点接触での研削ではなく面接触の研削となってしまい、面接触となった場合には、加工用砥石１１を所望の形状に研削できなくなる場合がある。

ところが、本実施形態のように左右方向にも往復運動させながら研削を行うと、ツルアー２の表面における摩耗が中央部のみに集中することなく均一に生じるため、総型砥石の形状誤差を抑制でき、研削操作時の不具合を生じることもない。

このとき、左右への動きは、回数が多いほど好ましく、加工用砥石１１の円板厚さをＴ、ツルアー２の半径をＲｔ、左右への往復回数をｎとした場合、往復回数ｎは下記式（１）を満たす範囲に設定するのが好ましい。

なお、本実施形態のように研削を行う場合には、事前のツルアーの摩耗量の算出においても同様に、加工用砥石１１の平面形状である円の接線方向にツルアーを水平移動させて、同様の条件として算出することは言うまでもない。

以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。

まず、本発明の総型砥石の製造方法を実施する前に、従来の方法によって総型砥石を加工し、その加工結果に基づいてツルアーの加工後の半径を算出し、算出された加工後の半径を用いて本発明の総型砥石の製造方法を実施した。以下、詳細に説明する。

（実施例１）
［加工後のツルアー半径の算出］
加工用砥石として、直径４０ｍｍ、厚さ７ｍｍの円板状のレジンボンドダイヤモンド砥石を、ツルアーとして、直径８ｍｍ、長さ１０ｍｍの円筒形状のビトリファイドダイヤモンド砥石を準備した。なお、加工用砥石の縁部は断面が半径４mmの円となる形状である。

このとき、目的とする総型砥石の縁部形状は、その断面が近似半径４ｍｍの非球面形状であり、まずは、この目標形状に対して誤差１０μｍ程度の粗加工を行った。次に、目的の垂直断面形状に対して、ツルアー半径だけ離間した軌跡を描くように上下動するツルアーの工具軌跡を設定し、さらに、図６で説明した上方から見た時に加工用砥石の接線方向に往復運動する動きも加えて、図１に示したようにツルアーを加工用砥石の縁部に接触させながらツルーイング（研削）を行い、総型砥石を製造した。

なお、このとき、上下動１回するごとに、ツルアーを加工用砥石の中心側へ２μｍ移動させツルーイングし、このとき研削開始から研削終了までのツルーイング量は１００μｍであった。また、図６の接線方向への往復運動回数ｎは上下動１回あたり１００回とした（上記式（１）で表わされる好ましいｎの範囲は２８≦ｎ≦１７５である）。

得られた総型砥石は、目標の加工形状に対して３１μｍの誤差が依然として残っており、このままでは製品とできず、さらに加工する必要があった。また、ツルアーの摩耗量をマイクロメータで測定したところ３０μｍであり、このときツルアーの半径は３．９７ｍｍ（４ｍｍ−０．０３ｍｍ）であった。

［本加工］
次に、上記と同一の加工用砥石及びツルアーを準備し、上記で決定した加工後のツルアーの半径を適用し、目的の断面形状に加工後のツルアー半径だけ離間した軌跡を描くように上下動するツルアーの工具軌跡を設定した以外は、上記ツルーイング方法と同様の操作によりツルーイングを行い、総型砥石を製造した。

上記の操作により得られた総型砥石を用い、図４に示したように超硬合金製の成形型に非球面シリンドリカル形状の加工面が形成されるように加工を行った。成形型は直径４０ｍｍ、厚さ１０ｍｍの円柱形状であり、非球面シリンドリカル形状の加工面は深さ１．６ｍｍの凹形状で、短軸方向断面は非球面式であらわされる非球面形状である。成形型は事前に目標形状に対する誤差１０μｍ程度に粗加工されており、加工前に砥石との接触判定用の着色を加工面に施した。図４の軌跡を２μｍずつ金型と砥石の距離を接近させながら繰り返し、金型の着色が砥石により全て除去されたことを肉眼で確認できた時点で砥石形状が金型に転写されたと判断し、加工を終了した。

加工された金型の短軸方向の非球面形状について、設計値との誤差を３次元測定機ＵＡ３Ｐ（パナソニック株式会社製、商品名）にて調べた。設計値との誤差について得られた結果を図７に示した。ここで言う設計値の誤差とは、設計値から球面（曲率）成分を除いた誤差を示したものである。この結果から、目標形状に対する誤差は３．１μｍであり、非球面シリンドリカル光学素子として十分な精度であることが確認できた。

本発明の総型砥石の製造方法は、総型砥石の製造に広く用いられ、特に、シリンドリカル（様）レンズ、トロイダル（様）レンズを成形する成形型加工用の総型砥石として有用である。

１…総型砥石、１ａ…総型砥石ベース，１ｂ…砥粒層、２…ツルアー、２ａ…中心軸、３…砥石回転軸、４…ツルアー回転軸、１１…加工用砥石、５０…成形型、５１…シリンドリカルレンズ

Claims (5)

1. 縁部を面取り前の円板状の加工用砥石を水平回転させつつ、水平に保持した円柱形状のツルアーを、前記加工用砥石の縁部に、該縁部が断面円弧状に面取りされるよう上下動させながら接触させるとともに前記加工用砥石の中心に向けて前進させる研削工程を有する総型砥石の製造方法であって、
   前記研削工程において、前記ツルアーの工具軌跡を、前記総型砥石の加工形状に前記ツルアーの研削後の半径だけ離間した軌跡とすることを特徴とする総型砥石の製造方法。
2. 前記研削工程の前に、前記総型砥石の加工形状にツルアーの研削前の半径だけ離間した軌跡とした工具軌跡とした以外は前記研削工程と同一条件で研削し、前記研削によりツルアーの摩耗量を測定するか、直接研削後のツルアーの半径を測定することで、前記ツルアーの研削後の半径を算出する請求項１記載の総型砥石の製造方法。
3. 前記ツルアーを、前記回転する加工用砥石の接線方向（水平方向）に往復移動させながら研削する請求項１又は２記載の総型砥石の製造方法。
4. 前記総型砥石の加工形状が、縁部断面を円弧とするシリンドリカルレンズ又はトロイダルレンズの成形型を形成するための総型砥石である請求項１乃至３のいずれか１項記載の総型砥石の製造方法。
5. 前記総型砥石の加工形状が、縁部断面を２次以上の多項式で表現される曲線とする非球面シリンドリカルレンズ又は非トロイダルレンズの成形型を形成するための総型砥石である請求項１乃至４のいずれか１項記載の総型砥石の製造方法。

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