JP2018062045A - 凍結式ワーク固定方法およびワーク加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】凍結固定用液の過冷却時に台座並びにワークの一側部と他側部で熱収縮の差が生じていても、凍結チャック後において台座並びにワークの全体に熱歪が生じていない状態に凍結固定用液を凝固させることができ、ワークを台座の上面部に凍結チャックすることができること。【解決手段】高い熱伝導性を有する台座７が凍結固定用液６の凝固温度より所要高い温度において、台座７と台座７に載置するワークＷとの重なり面に凍結固定用液６を介在させ、台座７が冷却板３に載置された状態で、冷却板３からの冷熱の伝達により、台座７とワークＷの全体を凝固温度よりも所要低い凍結固定温度まで過冷却し、凍結固定温度に過冷却した時点より所要時間経過してから、凍結固定用液６に刺激を与えることにより凍結固定用液６を凝固させ、凝固した凍結固定用液６によりワークＷを台座７の上面部に凍結チャックする。【選択図】図１

Description

本発明は、ワークを機械加工する際にワークを台座の上面部に凍結チャックする凍結式ワーク固定方法およびこの凍結式ワーク固定方法を実施して機械加工するワーク加工方法に関する。

ワークに対してフライス加工、研削加工、旋削加工、研摩加工、切断加工、ダイシング加工、穴明け加工、彫刻加工などの加工機械は、機械加工を行う場合にワークを加工機械テーブル上にしっかりと固定するワーク固定手段を備えている。

従来、ワークが薄かったり、こわれやすかったり、複雑な形状であったりした場合に、ワークを確実、安定的に固定することができるワークの固定装置として、マグネットチャック、真空チャック、バイスなど機械チャック式に替わり、ワークの材質、形状などの制限がつきまとわない、凍結式ワーク固定装置および方法が知られている（特許文献１、２参照）。

特許文献１に開示された凍結式ワーク固定法は、シリコーンオイル又はこれを主成分とする高分子系凝固剤をワークと固定用治具表面の間に介在させ、この状態で高分子系凝固剤の凝固温度よりも低い温度の流体をワーク加工領域に加工液又は冷却気体を供給することにより機械加工におけるワークの凍結固定状態を維持する構成である。

特許文献２に開示された凍結式ワーク固定法は、冷却台と加工物と間の水を介在させ、この水を凍結させることにより冷却台の上面部に氷膜を介して加工物を固定している。そして、例えば−１０℃のクーラント液をかけて氷膜が解けないようにして機械加工を行う。

特許第３００８３４４号公報 特開２００４−３２２２９５号公報

特許文献１、２に開示された凍結式ワーク固定法は、以下のような問題点を有する。

例えば、リングギアに求められる１つの精度に、ギア中心に垂直な仮想平面に対するリングギアの平面加工をした端面の垂直度があり、例えば５μｍ未満とされる。本発明者は、特許文献１、２に開示された凍結式ワーク固定法を採用したワーク加工方法を実施した。具体的には、まず５００ｍｍ角の冷却板の上に４００ｍｍ角の台座を載置し、さらに、台座の上面部に凝固温度が１７℃である凍結固定用液を塗布してから、ワークとして３００ｍｍφのリングギアを端面が密着するように載置し、冷却板の冷却により台座と凍結固定用液とワークとを冷却し、この冷却に際し、台座の一側部に接触式温度計を接触させ１０℃の過冷却温度になったときに、物理的刺激を与えることにより凍結固定用液を凝固させた。次いで、ワークを凍結チャックした台座を冷却板から加工機械テーブル上に移載して固定した。次いで、５℃の加工液を加工領域にかけつつリングギアの上側の端面に対して精密機械加工（平面加工）を行った。
本発明者は、上記精密機械加工したリングギアについて、ギア中心に垂直な仮想平面に対するリングギアの平面加工した端面の垂直度を精密測定した結果、リングギアには、端面における一側部と他側部とに３０μｍの偏差が生じていたことが分かった。

そこで、本発明者は、３０μｍという大きな偏差が生じたことについて原因を探求した結果、以下の知見を得られた。

本発明者は、均一な肉厚のワークを載置した台座を冷却板に載置して冷却し、台座の周囲複数箇所に接触式温度計を接触させるとともに、ワークの周囲複数箇所に接触式温度計を接触させて、台座およびワークの温度降下を計測した。すると、台座およびワークが一側部で１２℃になったとき、他側部で１５℃までしか温度降下していない場合があった。台座およびワークの温度が均一ではない状態が生じる原因は、冷却板内に設けられた冷却液が通る液路が均一に分布して設けられていないことと考えられる。

次いで、本発明者は、肉厚が一側部と他側部で大きく異なるワークを載置した台座を冷却板に載置して冷却し、台座の周囲複数箇所に接触式温度計を接触させるとともに、ワークの周囲複数箇所に接触式温度計を接触させて、台座およびワークの温度降下を計測した。すると、台座およびワークが一側部で１０℃になったとき、他側部で１５℃までしか温度降下していない場合があった。台座およびワークの温度が均一ではない状態が生じる原因は、上述した、冷却板内に設けられた冷却液が通る液路が均一に分布して設けられていないことに加え、ワークの肉厚が大きく異なることによるものと考えられる。

したがって、従来の凍結チャック方法は、台座とワークの全体の温度が均一ではない状態で凍結チャックを行っていたものであることが判明した。上記のように台座およびワークが一側部で１０℃または１２℃、他側部で１５℃である過冷却状態で、凍結固定用液を凝固させて凍結チャックし、さらに機械加工において、加工領域に５℃のワーク冷却用流体をかけて凍結チャックを保持する場合、台座およびワークの一側部では１０℃または１２℃から５℃に温度降下し、他側部では１５℃から５℃に温度降下することになる。このため、台座およびワークの一側部と他側部とでそれぞれに生じる温度降下に基づく熱収縮量にも偏差が生じ、したがって、凍結チャック後に、台座およびワークの一側部と他側部との間で熱歪を生じ、並びにワークの密着面部の一側部と他側部との間でも熱歪を生じ、凍結固定用液の凝固膜も熱歪を生じていて、これがワークに変形を与えていることになり、変形を与えたワークに精密機械加工を行って、凍結チャックを解除すると、ワークに与えていた熱歪が解消され、ワークに加工誤差として顕在化することが判明した。

本発明は、上述のような問題点を解決するためになされたもので、台座とワークとの密着面部間に介在させる凍結固定用液の過冷却時に台座並びにワークの一側部と他側部で熱収縮の差が生じているにもかかわらず、凍結固定用液の凍結チャック後において台座とワークの全体に熱歪が生じていない状態に凍結固定用液を凝固させることができ、ワークを台座の上面部に凍結チャックすることができる凍結式ワーク固定方法を提供すること、および、この凍結式ワーク固定方法を用いてワークを機械加工することにより加工精度を向上させることができるワーク加工方法を提供することを目的としている。

本発明に係る凍結式ワーク固定方法は、上記目的達成のため、高い熱伝導性を有する台座が凍結固定用液の凝固温度よりも所要高い温度において、前記台座と前記台座に載置するワークとの重なり面に前記凍結固定用液を介在させ、前記台座が冷却板に載置された状態で、前記台座と前記ワークの全体を前記冷却板からの冷熱の伝達により、前記凝固温度よりも所要低い凍結固定温度まで過冷却し、前記凍結固定温度に過冷却した時点より所要時間経過してから、前記凍結固定用液に刺激を与えることにより前記凍結固定用液を凝固させ、凝固した前記凍結固定用液により前記ワークを前記台座の上面部に凍結チャックする構成である。

上記構成によれば、本発明に係る凍結式ワーク固定方法は、冷却板により冷却される台座の一側部と他側部とで温度差が存在する状態の過冷却温度で凍結固定用液を凝固させるのでなく、冷熱が台座全体に十分に伝わるように時間を経過させて台座およびワークに温度差が存在する状態を解消し、台座が全面的に均一な過冷却温度になってから凍結固定用液を凝固させる。このため、本実施の形態に係る凍結式ワーク固定方法によれば、凍結チャック後に更なる冷却を行っても、台座とワークの各部位の違いによって熱収縮量に差が生じることが無く、台座の上面部にワークを凍結チャックしている凍結固定用液にも熱歪を生じることが無いから、台座およびワークに熱歪を生じることが無い。したがって、本実施の形態に係る凍結式ワーク固定方法を用いたワーク加工方法において、ワークに対する加工精度を大幅に向上させることができる。

前記凝固温度よりも所要高い温度は、凝固温度よりも十度ないし十数度高い温度であることが好ましい。

この構成によれば、凍結固定用液の凝固温度と、過冷却温度である凍結チャック温度との差を大きく安定して保持でき、良好な凍結チャックを行なえる。

本発明に係る凍結式ワーク固定方法において、前記台座および前記ワークの全体が均一な凍結固定温度となるように冷却された時点は、前記台座が前記冷却板により冷却され始めたときから一定時間経過した時点とすることができる。

この構成によれば、台座およびワークの全体が均一な凍結固定温度に温度降下した時点については、予め実験により求められる一定時間経過した時点とすることで、凍結固定用液に刺激を与えるまでの待機時間を固定することができて、温度測定の必要がなく作業を容易化できる。

また本発明に係る凍結式ワーク固定方法において、前記台座が均一な凍結固定温度となるように冷却された時点は、前記台座および前記ワークの各側面部の複数箇所の接触式温度計による測定値が同一値になった時点とすることができる。

この構成によれば、冷却板により室温の台座の冷却を開始し、適当な時間が経過した時点で台座およびワークの各側面部の複数箇所の接触式温度計による測定値が同一値になったことを確認することで、台座が均一な凍結固定温度となるように冷却されたことを確認することができ、この時点以降に凍結固定用液に刺激を与えることにより前記凍結固定用液を凝固させることができる。

本発明に係る凍結式ワーク固定方法は、前記台座と、前記台座に重ねない状態の前記ワークと、前記台座と前記ワークとの重なり面に介在させる前の前記凍結固定用液とを、前記凝固温度より高いかつ近い温度に予備冷却し、次いで、前記台座と前記ワークとの重なり面に前記凍結固定用液を介在させ、その後に前記冷却板を冷却して、前記ワークを前記凍結固定温度まで冷却する構成とすることができる。

上記構成によれば、凍結式ワーク固定方法は、台座とワークと凍結固定用液とを予め、凍結固定用液の凝固温度より高いかつ近い温度に予備冷却するので、台座の上面部とワークとの密着面に介在する凍結固定用液の過冷却温度を予備冷却しない場合に比べて低くすることが容易になる。

本発明に係る凍結式ワーク固定方法は、前記冷却板は防振テーブル上に設置することにより前記冷却板に振動が加わらない状態で前記冷却板に載置された前記台座に対し前記過冷却する構成とするのが良い。

上記構成によれば、凍結式ワーク固定方法は、台座とワークの全体が凍結固定温度に過冷却される前に、周辺の機械装置の振動や地震等の予期しない振動によって、凍結固定用液が凝固してしまうことを回避でき、最初から凍結チャック作業をやり直す無駄を回避できる。

本発明に係る凍結式ワーク固定方法は、前記過冷却の前に、前記台座および前記ワークを風除けカバーで囲む構成とするのが良い。

上記構成によれば、凍結式ワーク固定方法は、台座とワークの全体が凍結固定温度に過冷却される前に、台座とワークとの間に介在する凍結固定用液に空調等の風が当たることで、凍結固定用液が凝固してしまうことを回避でき、最初から凍結チャック作業をやり直す無駄を回避できる。

本発明に係る凍結式ワーク固定方法は、前記風除けカバーは、前記冷却板に非接触となるように設けるのが良い。

上記構成によれば、凍結式ワーク固定方法は、風除けカバーを台座とワークに被せる際の振動が冷却板に伝わらないことで、凍結固定用液が凝固してしまうことを回避でき、最初から凍結チャック作業をやり直す無駄を回避できる。

本発明に係る凍結式ワーク固定方法は、前記台座は、前記ワークと同一の材質からなるものを使用するか、または前記ワークの線膨張係数および熱伝達率とほぼ同一値の材質からなるものを使用するのが良い。

上記構成によれば、凍結式ワーク固定方法は、凍結固定用液の凍結チャック後、凍結チャック温度よりもさらに低い温度に保ってワーク加工を行う場合に、凍結チャック面方向の熱歪を解消することができる。

本発明に係るワーク加工方法は、上記の凍結式ワーク固定方法により前記ワークを凍結固定した前記台座を、前記冷却板から取り外して加工装置の被加工位置に位置し、かつ前記加工装置に備える作業台上に前記加工装置に備える台座固定手段により前記台座を固定し、前記凍結固定用液の凝固温度よりも低い温度のワーク冷却用流体を前記ワークに当るように供給してワークの凍結固定状態を維持しながら加工工具により加工を行う構成である。

上記構成により、本発明に係る第１のワーク加工方法は、加工装置に凍結式ワーク固定方法を実施する凍結式ワーク固定手段を装備していなくても、ワークに過冷却温度になる液体をかけられるように付属設備を備えることで適用することができ、加工装置とは別に装備する凍結式ワーク固定装置において、上記の凍結式ワーク固定方法により台座の上面部にワークを凍結固定するものであり、かつ台座の上面部に熱収縮による歪が生じていない状態に凍結固定することができるので、台座を、加工装置の被加工位置に固定し、ワークに過冷却温度になる液体を当てて流し凍結固定を保持してワークに機械加工を行うと、台座およびワークの全体に熱収縮による歪が生じていない分だけ、従来の凍結式ワーク加工方法に比べ、一層高精密な加工を実現することができる。

また本発明に係る第２のワーク加工方法は、上記の凍結式ワーク固定方法に用いる前記冷却板であって、前記台座を固定する台座固定手段を付加した前記冷却板を含む冷却手段を備える加工装置の作業台上で、前記ワークを上記の凍結式ワーク固定方法により凍結固定し、引き続いて前記凍結固定用液の凝固温度よりも低い温度のワーク冷却用流体を前記ワークにかけてワークの凍結固定状態を維持しながら加工工具により加工を行う構成である。

上記構成により、本発明に係るワーク加工方法は、被加工位置に凍結式ワーク固定方法を実施する凍結式ワーク固定手段を装備し、およびワークに過冷却温度になる液体をかけられるように付属設備を備える加工装置に適用することができ、凍結式ワーク固定手段において上記の凍結式ワーク固定方法を適用して、台座の上面部にワークを凍結固定し、かつ台座およびワークの全体に熱収縮による歪が生じていない状態に凍結固定することができるので、ワークに過冷却温度になる液体を当てて流し凍結固定を保持してワークに機械加工を行うと、台座およびワークの全体に熱収縮による歪が生じていない分だけ、従来の凍結式ワーク加工方法に比べ、一層高精密な加工を実現することができる。

本発明によれば、台座とワークとの密着面部間に介在させる凍結固定用液の過冷却時に台座並びにワークの一側部と他側部で熱収縮の差が生じているにもかかわらず、凍結固定用液の凍結チャック後において台座とワークの全体に熱歪が生じていない状態に凍結固定用液を凝固させることができ、ワークを台座の上面部に凍結チャックすることができる凍結式ワーク固定方法を提供すること、および、この凍結式ワーク固定方法を用いてワークを機械加工することにより加工精度を向上させることができるワーク加工方法を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る凍結式ワーク固定方法を実施する凍結式ワーク固定装置を示す斜視図である。 本発明の第１の実施の形態に係る凍結式ワーク固定方法を示す工程図である。 本発明の第２の実施の形態に係る凍結式ワーク固定方法を示す工程図である。 本発明の実施の形態に係るワーク加工方法を示す工程図である。

以下、本発明に係る凍結式ワーク固定方法およびワーク加工方法の各実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本実施の形態に係る凍結式ワーク固定方法を実施することができる凍結式ワーク固定装置を示す図である。凍結式ワーク固定装置１は、加工機械と切り離された独立の装置として用意され、台座７と台座７上のワークＷとを凍結固定用液６で凍結チャックするための装置であり、冷却板３と、冷却液循環供給手段４と、を備えている。さらに、凍結式ワーク固定装置１は、防振テーブル装置８と、固定枠９と、風除けカバー１０とを備えている。

ワークＷは、材質、形状、および寸法等を問わない。例えば、ワークＷは、鉄系、銅系、アルミニウム系、チタン系等の金属製の物、プラスチック系、ガラス系、カーボン系、セラミック系、木質系、あるいはこれらの２種以上の複合材、水晶、ダイヤモンド、ＣＢＮ、ルビー、サファイヤ等の鉱物製の物であってよい。ここで、ワークとは加工対象物としての本来のワークに限定されず、抜き代材を装着したものを含むものである。

台座７は、高い熱伝導性を有する金属材料より選ばれる。ここで、高い熱伝導性を有する金属材料とは、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、ステンレス、その他の金属を含む。台座７は、高い熱伝導性の他に、防錆性を有し、下面部と上面部とが高精密に平行で、変形不容易な厚さの板状に形成されている。台座７は、凍結チャックに対して有利であるために上面部が極微細な粗さを有している。

台座７は、特に、ワークＷが多数でありかつ同一の金属材料である場合であって、凍結チャック温度よりも例えば５℃だけさらに低い温度のワーク冷却用流体をワークＷに当るように供給してワークＷの凍結固定状態を維持しながら加工工具により機械加工を行う場合には、該ワークＷと同一の金属材料で形成されるか、またはワークＷの線膨張係数および熱伝達率とほぼ同一値の金属材料で形成されることが望ましい。このような台座７の材料選択の理由は、上記の凍結チャックの後のワーク加工時に、凍結チャック温度よりもさらに５℃だけ冷却されることで、台座７とワークＷの線膨張係数および熱伝達率が大きく異なっていると、台座７の凍結チャック面方向の収縮寸法と、ワークＷの凍結チャック面方向の収縮寸法とに差が生じて、これに起因して、台座７とワークＷの少なくともいずれかに凍結チャック面に面方向に沿った熱歪が発生し、加工精度を低下させることにつながる可能性があることを回避するためである。

凍結固定用液６は、凝固点が水のそれよりも高く、表面張力が水よりも小さく、良好な撥水性を備え、化学的に安定で毒性がない高分子系凝固剤であることが好ましい。本実施の形態に係る凍結固定用液６は、常温に近い温度、例えば１７℃が凝固温度であるシリコーンオイル又はこれを主成分とする高分子系凝固剤を用いる。この高分子系凝固剤は、液状物、粘度調整剤を混入したクリーム状（バター状）ないしペースト状物、液状物と粘度調整剤を混入したクリーム状物ないしペースト状物、液状の高分子系凝固剤とクリーム状ないしペースト状の高分子系凝固剤との併用のいずれであってもよい。この高分子系凝固剤としては、例えば、低分子シリコーンオイルないし環状シリコーンオイル、環状ポリジメチルシロキサン、環状ジメチルシリコーンオイルなどと称されるシリコーンオイル、あるいはこれを主成分とするものなど挙げられる。クリーム状ないしペースト状物は、簡便にはシリコーンオイルに粘度調整剤（増ちょう剤）を配合することで得られるものである。クリーム状ないしペースト状の高分子系凝固剤はワークＷと台座７との密着面を含む外部周面までに塗着するのが凍結チャック力を効果的に発揮する。

冷却板３は、台座７を載置する平滑でかつ水平である上面部を有するとともに、内部に冷却循環通路２を有するとともに負圧吸着式の台座固定手段５を有する。冷却液循環供給手段４は、冷却板３内の冷却循環通路２に冷却液を循環供給して冷却板３を冷却するようになっている。

負圧吸着式の台座固定手段５は、一端が冷却板３の側面部に開通され、他端側が複数に枝分かれして冷却板３の上面部に開通された通気孔５ａと、この通気孔５ａの一端と連通接続された負圧発生手段（例えば真空ポンプ）５ｂとからなる。なお、台座固定手段５は、負圧吸着式に限定されず電磁マグネット吸着による台座固定機能を有する構成、あるいは冷却板３の上面部に付設された機械チャック式により台座固定機能を有する構成としても良い。図１に示す凍結式ワーク固定装置１が加工機械の作業テーブルに装備される場合には、加工時に冷却板３上の台座７が位置ずれすることが無いように、冷却板３に台座固定手段５が付設されている必要があるが、加工機械と切り離された凍結式ワーク固定装置にあっては、台座に加工負荷がかからないから、凍結式ワーク固定装置１の冷却板３には台座固定手段５が付設されていなくても良い。

冷却液循環供給手段４は、冷却循環通路２に対して供給する冷却液の供給量を可変制御できるように構成されている。冷却板３は、防振テーブル装置８上に載置され冷却循環通路２に冷却液の循環が行われない状態で、上面に載置される台座７およびワークＷと共に予備加熱される構成である。具体的には、冷却板３（または防振テーブル装置８のテーブル）の内部にヒータ（図示しない）がモールドされ、台座７の冷却を開始する前に必要に応じて、ヒータの熱で冷却板３と、台座７に載置されるワークＷと、台座７とワークＷとの密着面間に塗布される凍結固定用液６と、同一の所要温度に予備加熱される構成である。台座７の側面部の測定温度とワークＷの上面部の測定温度とが同一になれば、予備加熱温度に平行した状態と判断できる。

予備加熱温度は、凍結固定用液６の凝固温度を例えば１７℃とすると、これよりも例えば８℃ないし１８℃高い、２５℃の室温ないし３５℃となるようにセットされる。セット完了後は、ヒータによる予備加熱が打ち切られ、冷却板３の冷却を開始されるようになっている。したがって、台座７と、ワークＷと、凍結固定用液６は、２５℃の常温ないし３５℃のスタート温度から冷却されるようになっている。なお、冷却液循環供給手段４が設備される室内の温度が空調設備により２５℃ないし３０℃に保たれるときは、冷却板３の冷却を開始する前のヒータによる予備加熱は行われない。

そして、冷却スタート温度から第１の冷却時間が経過すると、凍結固定用液６の凝固温度よりも十数℃低い温度、例えば６℃になるように冷却されるようになっている。第１の冷却時間が経過時点は、冷却液循環供給手段４の冷却液の循環量の関数として予め実験により求めることができる。

凍結式ワーク固定装置１は、防振テーブル装置８上に冷却板３が載置される構成である。防振テーブル装置８は、詳細を図示しないが、例えば、ベースと、ベースに支えられ水平な二次元方向（水平面内）に移動可能なテーブルと、ベースとテーブルとを連結するように並列に設けられたばねおよびダンパーと、を備え、ベースに作用することがある振動をばねおよびダンパーで減衰することにより、テーブルを静止状態に保持するように構成されている。

固定枠９は、振動が防振テーブル装置８のテーブルに伝わらないよう、該テーブルと切り離されかつテーブルを取り巻いて設けられている。風除けカバー１０は、台座７が例えば矩形である場合、該矩形よりも一回り大きい矩形の筒壁部と、筒壁部の上部を閉じている上面部と、上面部に設けられた把手部１０ａと、を備え、台座７と該台座７上に重ねられるワークＷに風が当ることを避けるために固定枠９上に載置される。風除けカバー１０は、透明な樹脂製の成形体であり、外部から台座７およびワークＷを見ることができ刺激を与えることにより凍結固定用液６の凍結が行われる様子を観察できるようになっている。

図２は、本発明の第１の実施の形態に係る凍結式ワーク固定方法を示す工程図であり、図１に示す凍結式ワーク固定装置を使用して実施できる。この凍結式ワーク固定方法は、冷却スタート温度セット工程（ステップＳ２１）と、塗布工程（ステップＳ２２）と、冷却工程（ステップＳ２３）と、時間待ち工程（ステップＳ２４）と、凝固工程（ステップＳ２５）と、を有する。なお、事前に台座７とワークＷの表面の、油分と水分等を除去する洗浄工程を有する。

この凍結式ワーク固定方法は、台座７とワークＷとを重ね、台座７とワークＷとの重なり面に凍結固定用液６を介在させ、台座７が冷却板３に載置された状態で、冷却板３にモールドされたヒータ（図示しない）に通電して、冷却板３と、冷却板３に載置する台座７と、台座７に載置するワークＷと、が均一な予備加熱温度となるよう、具体的には、凍結固定用液６の凝固温度（例えば１７℃）よりも高い２５℃ないし３５℃となるように予備加熱し、次いで、冷却板３の冷却を開始し、第１の冷却時間を経過させることにより、冷却板３を凍結固定用液６の凝固温度よりも所要低い凍結固定温度となるよう、具体的には、６℃まで過冷却し、次いで、第２の冷却時間を経過させることにより、冷却板３と台座７とワークＷの全体を、６℃に安定するように冷却し、引き続いて、第２の冷却時間を経過後に、凝固温度よりも低い冷却温度となっている凍結固定用液６に刺激を与えることにより凍結固定用液６を一瞬で凝固させ、凝固した凍結固定用液６によりワークＷを台座７の上面部に凍結チャックするワーク固定方法である。

図２に示すスタート温度セット工程（ステップＳ２１）は、風除けカバー１０を取り外し、冷却板３上に台座７とワークＷとを重ね、冷却板３にモールドされたヒータ（図示しない）に通電して、冷却板３と台座７とワークＷとを２５℃ないし３５℃となるように予備加熱する工程である。スタート温度セット工程の存在意義は、次の塗布工程（ステップＳ２２）において、台座７とワークＷとの重なり面に介在させる凍結固定用液６を塗布して直ぐに凝固してしまうことを回避するためである。

塗布工程（ステップＳ２２）は、予備加熱されたワークＷを外して、台座７の上面部とワークＷの下面の一方または両方に凍結固定用液６を塗布し、ワークＷを台座７に重ね、風除けカバー１０を被せる工程である。この塗布工程では、凍結固定用液６が２５℃ないし３５℃となる。

冷却工程（ステップＳ２３）は、冷却板３の冷熱開始から第１の冷却時間を経過させることにより、台座７およびワークＷの全体を冷却板３からの冷熱の伝達により６℃に過冷却する工程である。

時間待ち工程（ステップＳ２４）は、第１の冷却時間の経過後、さらに第２の冷却時間を経過させることにより、冷却板３と台座７とワークＷの全体を、６℃に安定するように冷却する工程である。第２の冷却時間は、第１の冷却時間の経過時点より台座７およびワークＷの全体が６℃の均一な凍結固定温度となるように冷却された時間経過時点までの時間である。時間待ち工程（ステップＳ２４）は、台座７が凍結固定温度に過冷却した時点と、凍結固定用液６に刺激を与えることにより凍結固定用液６を凝固させる時点との間に設定する待機時間のことである。

第２の冷却時間は、例えば、冷却板３の上面部に第１の接触温度計を接触させるとともに、台座７の上面部の周方向等間隔となる複数箇所のそれぞれに第２の接触温度計を接触させ、さらにワークＷの周方向等間隔となる複数箇所のそれぞれに第３の接触温度計を接触させ、第１の接触温度計が６℃になってから、全ての第２の接触温度計並びに全ての第３の接触温度計が６℃に冷却されたときまでの時間経過を計測する方法を採用することで時間計測することができる。

凝固工程（ステップＳ２５）は、時間待ち工程（ステップＳ２４）の経過後に、凍結固定用液６に刺激を与えることにより凍結固定用液６を凝固させ、台座７の上面にワークＷを凍結固定する工程である。冷却板３の側面部に軽い衝撃を与えるだけで、凍結固定用液６に刺激を与えることができて、凍結固定用液６を凝固させることができる。また、風除けカバー１０を取り外して、台座７の上面に塗布され台座７とワークＷとの密着面からはみ出ている凍結固定用液６に対して、例えば釘などの先端部を突き当てることで、凍結結晶の核を作ることにより刺激を与え凍結固定用液６を凝固させてもよい。

なお、冷却工程（ステップＳ２３）では、凍結固定用液６の凝固温度１７℃よりも例えば５℃低い１２℃の過冷却温度にしてもよく、時間待ち工程（ステップＳ２４）では、上記の１２℃の過冷却温度を凍結固定温度となるように、上記の１２℃の過冷却温度が台座７およびワークＷの全体に及ぶように、時間の経過を待つことにしてもよい。ただし、凍結固定温度を１２℃に設定した場合には、凍結チャック後に台座７を冷却板３から取り外して加工装置の作業テーブルに取り付け、ワーク冷却用流体をかける時間の経過の前に、凍結固定用液６の凝固温度よりも高くなる可能性があるので、凍結固定用液６の過冷却温度はできるだけ低い方がよく、上述した例では６℃としている。したがって、１２℃の過冷却温度で凍結し、その後に、６℃にしてから、台座７を冷却板３から取り外す手法を排除しない。

加工装置１２によるワークＷに対する機械加工として、平面研削、成形研削、クリープ研削、円筒研削などの各種研削加工、旋削加工、研摩加工、切断加工、スライス加工、ダイシング加工、ミーリング加工、溝加工、穴明け加工、彫刻など態様を問わず適用可能である。

本実施の形態に係る凍結式ワーク固定方法およびワーク加工方法によれば、図２に示す時間待ち工程（ステップＳ２４）を設けるので、冷却板３により冷却される台座７とワークＷの少なくともいずれかの一側部と他側部とで温度差が存在する状態での過冷却温度で凍結固定用液を凝固させるのでなく、冷熱が台座７とワークＷの全体に十分に伝わるように時間を経過させて台座７とワークＷの全体に温度差が存在する状態を解消し、台座７とワークＷの全体が均一な過冷却温度になってから凍結固定用液６を凝固させる。このため、本実施の形態に係る凍結式ワーク固定方法によれば、凍結チャック後に更なる冷却を行っても、台座７とワークＷの各部位の違いによって熱収縮量に差が生じることが無く、台座７の上面部にワークＷを凍結チャックしている凍結固定用液６にも熱歪を生じることが無いから、ワークＷに熱歪を生じることが無い。したがって、本実施の形態に係る凍結式ワーク固定方法を用いたワーク加工方法において、ワークＷに対する加工精度を大幅に向上させることができる。

また、本実施の形態に係る凍結式ワーク固定方法およびワーク加工方法によれば、図２に示す冷却スタート温度セット工程（ステップＳ２１）を設けるので、凝固工程（ステップＳ２５）における凍結固定用液６を凝固温度よりも十分低い温度の過冷却とすることができる。さらに、本実施の形態に係る凍結式ワーク固定方法およびワーク加工方法によれば、防振テーブル８を設置すること、台座７およびワークＷを風除けカバー１０で非接触となるように囲むことによっても、凍結固定用液６を凝固温度よりも十分低い温度の過冷却とすることができる。

図３は、本発明の第２の実施の形態に係る凍結式ワーク固定方法を示す工程図であり、図１に示す凍結式ワーク固定装置を使用して実施できる。この凍結式ワーク固定方法は、塗布工程（ステップＳ３１）と、ワークセット工程（ステップＳ３２）と、冷却工程（ステップＳ３３）と、時間待ち工程（ステップＳ３４）と、凝固工程（ステップＳ３５）と、を有する。

図３に示す工程図では、図１に示す凍結式ワーク固定装置を備えている部屋が空調管理され凍結固定用液６の凝固温度よりも高い例えば２５℃ないし３０℃の室温に保たれていて、台座７とワークＷが室温下に置かれることにより、台座７とワークＷもほぼ室温に保たれていることを前提としており、このため、図２に示す冷却スタート温度セット工程（ステップＳ２１）がなく、塗布工程（ステップＳ３１）の後に、ワークセット工程（ステップＳ３２）がある点に特徴がある。

この凍結式ワーク固定方法は、室温に保たれている台座７とワークＷとを重ね、台座７とワークＷとの重なり面に凍結固定用液６を介在させ、台座７を冷却板３に載置し、台座７とワークＷとに風除けカバー１０が被った状態として、冷却板３の冷却を開始し、第１の冷却時間を経過させることにより、冷却板３を凍結固定用液６の凝固温度よりも所要低い凍結固定温度である６℃まで過冷却し、次いで、第２の冷却時間を経過させることにより、冷却板３と台座７とワークＷの全体を、６℃に安定するように冷却し、引き続いて、第２の冷却時間を経過後に、凝固温度よりも低い冷却温度となっている凍結固定用液６に刺激を与えることにより凍結固定用液６を一瞬で凝固させ、凝固した凍結固定用液６によりワークＷを台座７の上面部に凍結チャックするワーク固定方法である。

この凍結式ワーク固定方法において、台座７とワークＷとの重なり面に凍結固定用液６を介在させ、台座７を冷却板３に載置するまでの工程である塗布工程（ステップＳ３１）とワークセット工程（ステップＳ３２）は、手順に以下の３つの方法がある。

第１の手順として、台座７の上面部とワークＷの下面の一方または両方に凍結固定用液６を塗布してから台座７にワークＷを載置することにより、または台座７にワークＷを載置してから台座７とワークＷとの重なり面に凍結固定用液６を注入することにより、台座７とワークＷとの重なり面に凍結固定用液６を介在させ、次いで台座７を冷却前の冷却板３に載置する。この手順によれば、台座７を冷却板３に載置してから冷却板３を冷却開始するので、台座７が所定の過冷却温度になるまで時間を要し、台座７を冷却板３に載置してから凍結固定用液６に刺激を与えて凍結固定用液６を凝固させるまでの時間が長くなるが、台座７の冷却時の温度経過を冷却板３の冷却時の温度経過にほぼ一致させることができる。このため、冷却板３の冷却時の温度経過を予め測定することで、台座７が均一な凍結固定温度となるように冷却されたことを確認することができる。

第２の手順として、台座７を冷却前の冷却板３に載置し、次いで、台座７の上面部とワークＷの下面の一方または両方に凍結固定用液６を塗布してから台座７にワークＷを載置することにより、または台座７にワークＷを載置してから台座７とワークＷとの重なり面に凍結固定用液６を注入することにより、台座７とワークＷとの重なり面に凍結固定用液６を介在させる。この手順によれば、台座７を凍結固定温度に冷却された冷却板３に載置するので、台座７の上面が所定の過冷却温度になるまで時間を短縮させることができ、台座７を冷却板３に載置してから凍結固定用液６に刺激を与えて凍結固定用液６を凝固させるまでの時間を短くすることができて、作業性が向上する。

第３の手順として、台座７と、台座７に重ねない状態のワークＷと、台座７とワークＷとの重なり面に介在させる前の凍結固定用液６とを、凝固温度より高いかつ近い温度に予備冷却し、次いで、台座７とワークＷとの重なり面に凍結固定用液６を介在させ、その後に冷却板３を冷却して、ワークＷを凍結固定温度まで冷却する。この手順によれば、凍結式ワーク固定方法は、台座７とワークＷと凍結固定用液６とを予め、凍結固定用液６の凝固温度より高いかつ近い温度に予備冷却するので、台座７の上面部とワークＷとの密着面に介在する凍結固定用液６の過冷却温度を予備冷却しない場合に比べて低くすることが容易になる。第３の手順を採用する場合には、図２に示す塗布工程（ステップＳ２２）の前に、台座７とワークＷと凍結固定用液６とを上記予備冷却する予備冷却工程が入る。

図４は、本実施の形態に係る凍結式ワーク固定方法を取り入れた第１のワーク加工方法を示す図である。
本実施の形態に係るワーク加工方法は、図１に示す凍結式ワーク固定装置を用い、図２または図４に示す工程図を用いて上記に説明した第１または第２の凍結式ワーク固定方法により、台座７上にワークＷを凍結固定する。次いで、台座７を冷却板３から取り外し図３に示す加工装置１２の作業台１２ａに載置する。作業台座７に備えられた真空ポンプ５ａを含む負圧吸着式の台座固定手段により台座７を固定し、加工装置１２に備えたワーク冷却用流体供給手段１２ｃにより凍結固定用液の凝固温度６℃よりも低い温度、例えば４〜５℃のワーク冷却用流体１３をワークＷに当るように供給してワークＷの凍結固定状態を維持しながら加工工具１２ｂにより機械加工を行う。なお、台座固定手段は、作業台１２ａの上層部に電磁マグネット吸着による台座固定機能を有する構成、あるいは作業台１２ａの上面部の周囲に付設される機械チャック式により台座固定機能を有する構成としても良い。

第１のワーク加工方法によれば、加工装置１２に凍結式ワーク固定方法を実施する凍結式ワーク固定手段を装備していなくても、ワークＷに過冷却温度になるワーク冷却用流体をかけられるように付属設備を備えることで適用することができ、加工装置１２とは別に装備する凍結式ワーク固定装置において、上記の凍結式ワーク固定方法により台座７の上面部にワークＷを凍結固定するものであり、かつ台座７とワークＷの全体に熱収縮による歪が生じていない状態に凍結固定することができるので、台座７を、加工装置１２の被加工位置に固定し、ワークＷに過冷却温度になる液体を当てて流し凍結固定を保持してワークに機械加工を行うと、台座７とワークＷの全体に熱収縮による歪が生じていない分だけ、従来の凍結式ワーク加工方法に比べ、一層高精密な加工を実現することができる。

［実施例］
段落番号０００７に記載した３０μｍの偏差が生じたリングギアについて、本実施の形態に係る凍結式ワーク固定方法および第１のワーク加工方法を適用して再度機械加工し測定した。
すなわち、室温において、５００ｍｍ角の冷却板の上面と３００ｍｍφのリングギア（ワーク）の下面に凝固温度が１７℃であるシリコーンオイルからなる高分子系凝固剤を塗布してから、冷却板上にリングギアを重ね、冷却板の冷却を開始し、台座とワークの各側面部の４か所に接触式温度計を次々に接触させ、全ての測定温度がいずれも６℃の過冷却温度になったことを確認し、凍結固定用液に物理的刺激を与え凝固させた。次いで、ワークを凍結チャックした台座を冷却板から加工機械テーブル上に移載して固定し、５℃のワーク冷却用流体を加工領域にかけつつリングギアの上面に対して精密機械加工（平面加工）を行った。次いで、リングギアを取り外し、ギア中心に垂直な仮想平面に対するリングギアの平面加工した端面の垂直度を精密測定した。その結果、リングギアの端面における一側部と他側部とに１μｍの偏差が生じていた。この偏差は機械精度に起因するものと考えられる。

次に、本実施の形態に係る凍結式ワーク固定方法を取り入れた第２のワーク加工方法について説明する。
第２のワーク加工方法で使用する加工装置については、図４に示す加工装置１２に準ずるものであり、図示しない。第２のワーク加工方法で使用する加工装置は、図４に示す加工装置１２の作業台１２ａに図１に示す凍結式ワーク固定装置を備え、さらに図４に示すワーク冷却用流体供給手段１２ｃを備えている。

したがって、第２のワーク加工方法では、図１に示す凍結式ワーク固定装置を用いずに、加工装置に備えている凍結式ワーク固定装置を用いて台座上にワークを凍結固定する。次いで、ワーク冷却用流体供給手段により凍結固定用液の凝固温度６℃よりも低い温度、例えば４〜５℃のワーク冷却用流体をワークに当るように供給してワークの凍結固定状態を維持しながら加工工具により機械加工を行う。

第２のワーク加工方法によれば、被加工位置に凍結式ワーク固定方法を実施する凍結式ワーク固定手段を装備し、およびワークに過冷却温度になる液体をかけられるように付属設備を備える加工装置１２に適用することができ、凍結式ワーク固定手段において上記の第１または第２の凍結式ワーク固定方法を適用して、台座７の上面部にワークＷを凍結固定し、かつ台座７とワークＷの全体に熱収縮による歪が生じていない状態に凍結固定することができるので、ワークに過冷却温度になる液体を当てて流し凍結固定を保持してワークに機械加工を行うと、台座７とワークＷの全体に熱収縮による歪が生じていない分だけ、従来の凍結式ワーク加工方法に比べ、一層高精密な加工を実現することができる。

本発明によれば、台座とワークとの密着面部間に介在させる凍結固定用液の過冷却時に台座およびワークの一側部と他側部で熱収縮の差が生じているにもかかわらず、凍結固定用液の凍結チャック後において台座とワークの全体に熱歪が生じていない状態に凍結固定用液を凝固させることができ、ワークを台座の上面部に凍結チャックすることができるという効果を有し、凍結式ワーク固定方法、およびこの凍結式ワーク固定方法を用いるワーク加工方法全般に優れる。

１ 凍結式ワーク固定装置（冷却手段）
３ 冷却板
５ 台座固定手段
６ 凍結固定用液
７ 台座
８ 防振テーブル
１０ 風除けカバー
１２ 加工装置
１２ａ 作業台
１２ｂ 加工工具
１２ｃ ワーク冷却用流体供給手段
１３ ワーク冷却用流体
Ｗ ワーク

Claims (11)

1. 高い熱伝導性を有する台座が凍結固定用液の凝固温度よりも所要高い温度において、前記台座と前記台座に載置するワークとの重なり面に前記凍結固定用液を介在させ、
   前記台座が冷却板に載置された状態で、前記冷却板からの冷熱の伝達により、前記台座と前記ワークの全体を前記凝固温度よりも所要低い凍結固定温度まで過冷却し、
   前記凍結固定温度に過冷却した時点より所要時間経過してから、
   前記凍結固定用液に刺激を与えることにより前記凍結固定用液を凝固させ、
   凝固した前記凍結固定用液により前記ワークを前記台座の上面部に凍結チャックすることを特徴とする凍結式ワーク固定方法。
2. 前記凝固温度よりも所要高い温度とは、凝固温度よりも十度ないし十数度高い温度であることを特徴とする請求項１に記載の凍結式ワーク固定方法。
3. 前記台座および前記ワークの全体が均一な凍結固定温度となるように冷却された時点は、前記台座が前記冷却板により冷却され始めたときから一定時間経過した時点とすることを特徴とする請求項１または２に記載の凍結式ワーク固定方法。
4. 前記台座および前記ワークの全体が均一な凍結固定温度となるように冷却された時点は、前記台座および前記ワークの各側面部の複数箇所の接触式温度計による測定値が同一値になった時点とすることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の凍結式ワーク固定方法。
5. 前記台座と、前記台座に重ねない状態の前記ワークと、前記台座と前記ワークとの重なり面に介在させる前の前記凍結固定用液とを、前記凝固温度よりも十度ないし十数度高い温度から予備冷却を開始して前記凝固温度に近い降下温度に予備冷却し、次いで、前記台座と前記ワークとの重なり面に前記凍結固定用液を介在させ、その後に前記冷却板を冷却して、前記ワークを前記凍結固定温度まで冷却することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の凍結式ワーク固定方法。
6. 前記冷却板は防振テーブル上に設置することにより前記冷却板に振動が加わらない状態で前記冷却板に載置された前記台座に対し前記過冷却することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の凍結式ワーク固定方法。
7. 前記過冷却の前に、前記台座および前記ワークを風除けカバーで囲むことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の凍結式ワーク固定方法。
8. 前記風除けカバーは、前記冷却板に非接触となるように設けることを特徴とする請求項７に記載の凍結式ワーク固定方法。
9. 前記台座は、前記ワークと同一の材質からなるものを使用するか、または前記ワークの線膨張係数および熱伝達率とほぼ同一値の材質からなるものを使用することを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の凍結式ワーク固定方法。
10. 請求項１ないし９のいずれか１項に記載の凍結式ワーク固定方法により前記ワークを凍結固定した前記台座を、前記冷却板から取り外して加工装置の被加工位置に位置し、かつ前記加工装置に備える作業台上に前記加工装置に備える台座固定手段により前記台座を固定し、前記凍結固定用液の凝固温度よりも低い温度のワーク冷却用流体を前記ワークに当るように供給してワークの凍結固定状態を維持しながら加工工具により加工を行うことを特徴とするワーク加工方法。
11. 請求項１ないし９のいずれか１項に記載の凍結式ワーク固定方法に用いる前記冷却板であって、前記台座を固定する台座固定手段を付加した前記冷却板を含む冷却手段を備える加工装置の作業台上で、前記ワークを請求項１ないし９のいずれか１項に記載の凍結式ワーク固定方法により凍結固定し、引き続いて前記凍結固定用液の凝固温度よりも低い温度のワーク冷却用流体を前記ワークにかけてワークの凍結固定状態を維持しながら加工工具により加工を行うことを特徴とするワーク加工方法。

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