JP4118829B2 - 超平滑研削方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉄鋼、非鉄金属などの金属やセラミック、ガラス、プラスチックなどの非金属
等の工作物の表面を平滑面に仕上げる超平滑研削加工方法に関するものである。

近年、機器の高品位化や低価格化が、従来にも増して急速に押し進められつつある。これ
に伴い、部品の高精度化や高平滑化等についての要求は強くなっている。現在、金属、非
金属工作物の加工工程において高平滑仕上げを行うには、まず、粗粒の砥石で粗研削を行
い、その後、細粒・微粒の砥石を用いて、仕上加工をした後、最終的に、ラッピングやポ
リシング等の研摩加工により、高平滑面に仕上げている。

しかし、このような加工工程を経て、高平滑面に仕上げる加工法では、加工工程が変わる
毎に工作物を移し替える必要があり、そのための多くの時間を要する。さらに、ラッピン
グやポリシング等の定圧力加工法で、高平滑面に仕上げる研摩加工は、加工精度を向上す
ることが出来ず、また、工作物表面の除去速度（単位時間当たりの研削による除去量）が
非常に小さいため、所要の加工量を加工するのに長時間を要する。

このようなことから、現在行われている研摩加工を用いる高平滑仕上げ法では、最終仕上
加工工程を終えるまでに、多大の時間と労力を要し、加工コストが非常に大きくなってい
る。このため、その改善策が、近年の高品位加工における加工価格の低減化への強い要求
にとともに、従来にも増して、大きく期待されている。

ラッピングやポリシング等のように遊離砥粒を用いて、定圧力で高平滑面に仕上げる研摩
加工に替わる改善策の一方法として、研削加工による高平滑仕上げが、従来から、検討さ
れてきている。砥粒を固定した砥石を用いる研削加工では、高精度な研削盤の切込み装置
で、砥石を工作物に切込んで研削することにより、高能率な仕上げ加工を行うことができ
る。したがって、研削加工で高平滑仕上げが可能になれば、（１）加工能率の向上や工作
物の移し替え工程の省略による総加工時間の短縮と（２）高平滑に加えて高精度で加工が
出来る等の利点が生じる。

このような研削加工による高平滑加工は、研摩加工の代替までとはいかなくとも、研摩加
工に近い高平滑仕上げが行えれば、研摩加工工程における大幅な加工時間の短縮につなが
る。このため、研削加工による高平滑仕上げへの期待は非常に高いものがある。

しかし、現在行われているプランジ研削法やトラバ−ス研削法で、通常、仕上面粗さ1μm
（Ry値)以下にすることは簡単ではない。特に、100nm(Ry値)以下の鏡面の仕上面を得るこ
とは難しく（非特許文献１）、研摩加工に替わり得るような高平滑研削加工は非常に難し
いのが現状である。

このようなことから、最近、本発明者は、新たな概念の高平滑研削法を開発した（特許文
献１、非特許文献２）。

特開2003-94296号公報 小林昭監修:超精密生産技術体系（第１巻）基本技術、フジテクノシステム(1995)p.181 安井平司：精密工学会誌、第69巻、第12号(2002) pp.1713-1717

本発明者が開発した前記の高平滑研削法を、横軸角テ−ブル型平面研削に適用する場合の
例を、図１の斜視図に模式的に示す。まず、（１）砥石１又は工作物２を、砥石の回転方
向「（以下、本明細書において、「砥石の回転方向」は、工作物表面を回転により砥石が
転がったと仮定した場合の転がる方向を意味する）とは直角方向に、砥石１の１回転当た
りの砥石の回転方向と直角方向の工作物２の送り量f_Gn（以下、「工作物直角送り量」と
記す）が、砥石の回転方向と直角な切れ刃逃げ面３の摩耗幅w _n 以下の送り速度になるよう
に送り、砥石−工作物接触幅を加工する（第１の要件）。なお、前記摩耗幅w _n は、異なる
切れ刃逃げ面が連なっていると見なされる場合には、その総和の逃げ面幅となる。
（２）その後、「幾何学的に計算される砥石−工作物の干渉高さ」（砥石の回転方向に平
行な仕上面粗さHpに相当）が、「要求する高平滑仕上面粗さ」Hmax以下になるように、砥
石の回転方向に微少な送り量fpだけ、砥石１又は工作物２を間欠的に移動する（第２の要
件）。そして、次の砥石−工作物接触幅を仕上げる。このようなことを繰り返して、工作
物全面を高平滑面に仕上げることができる。この方法は、研摩加工に替え得る、又は、研
摩加工に近い高平滑面に仕上げる研削加工方法である。

図１に示すような、通常の横軸角テ−ブル型平面研削盤で、超平滑研削を行う場合に適用
すると、研摩加工法に比較すると加工能率は良いが、研削加工としては、工作物表面の除
去速度が遅く加工能率が悪い。円筒研削法や曲面研削法等の場合も同様と言える。このた
め、加工能率を格段に改善できる方法および装置の開発が強く期待されている。本発明は
、超平滑研削を行う場合に、加工能率を格段に向上させる加工方法の開発を課題としてい
る。

本発明者は、高平滑研削法の加工能率を決めるパラメ−タを用いて、加工能率を数式化し
、その数式と実用的技術を基に、実用化出来る最大高平滑加工能率を決めて、高能率超平
滑加工を行う方法を開発した。
すなわち、本発明は、（１）砥石を工具として用いて仕上げる平面研削法、円筒研削法、
内面研削法、曲面研削法等の各種研削法で、砥石または工作物を、砥石の回転方向と直角
方向に、砥石１回転当たりの工作物送り量f_Gnが、砥石の回転方向と直角な切れ刃逃げ面
摩耗幅未満の送り速度になるように送ることにより、砥石−工作物接触幅を加工した後、
「幾何学的に計算される砥石−工作物の干渉高さ」が、「要求する高平滑仕上面粗さ」Hm
ax未満になるように、工作物または砥石を砥石の回転方向に平行方向に間欠的に微少送り
量fpだけ移動して、次の砥石−工作物接触幅を仕上げていくことを繰り返して、工作物全
面を高平滑面に仕上げる高平滑研削加工方法において、下記（１）式で定まる工作物表面
の除去速度M（ただし、tは砥石切込深さ、Ngは砥石回転数）、
M＝f_Gn・t・fp・Ng――(１) 、
下記（２）式で定まる最大仕上面粗さ (Hp)_LIM（ただし、Dgは砥石直径）、
(Hp)_LIM＝（fp）²／4Dg ――(2) 、
下記（３）式で定まる砥石直径に関係する許容最大砥石回転数［（Ng）max］ _G （ただし、
Vgは砥石周速度で、（Vg）max は許容最大砥石周速度）、又は（４）式で定まる砥石軸直
径に関係する許容最大砥石軸回転数［（Nｇ）max］ _P （ただし、（D・N ）max は砥石軸直
径Dと軸回転数Nの積の許容最大値、Dpは使用する砥石軸直径）、
［（Ng）max］ _G =（Vg）max ／π・Dg ――(３)、
［（Ng）max］ _P =（D・N）max ／Dp――(４) 、
の各式において、（２）式の(Hp) _LIM の拘束条件である砥石直径Dgについては、 (Hp) _LIM
が、前記「要求する高平滑仕上面粗さ」Hmax未満になることを満たして、かつ、（１）式
のＭを最大とする拘束条件であるNgについては、（３）式と（４）で求められる（Ng）ma
xの値以下を満たして仕上げ面粗さ100nm以下の超平滑研削加工を行う方法、である。

また、本発明は、砥石軸を砥石の回転方向に直角方向へ傾け角θで傾けることによって、
傾けない場合の仕上面粗さHpに対して、下記（５）式で定まる仕上面粗さHmax とするこ
とを特徴とする上記（１）の超平滑研削加工を行う方法、である。
Hmax＝Hp ・sinθ＝[（fp） ²／4Dg ] ・sinθ――（５）

本発明の超平滑研削加工法は、次のような効果がある。
１）通常の研削盤で、一般に良く使用される直径の砥石を用いた、現用の一般的研削技術
を超平滑研削法に適用した場合に比較して、加工能率を10倍にもすることが出来る。
２）本超平滑研削加工法によって形成される平滑度は、通常の研削盤で、現用の一般的研
削技術を超平滑研削法に適用した場合で行った場合と、同程度になる。
３）小径の砥石を使用する場合、製造価格も少なく、また、安価な小さな研削盤で、加工
が可能であると言う利点もある。

本発明の超平滑研削加工法を、平面研削に適用する場合を例にとって以下に詳細に説明す
る。図１に示す高平滑研削加工法を実施するには、次の制約を満たす必要がある。
（１）砥石または工作物を、砥石の回転方向と直角方向に、砥石１回転当たりの工作物送
り量（ｆ_Gn）が、砥石の回転方向と直角な切れ刃逃げ面摩耗幅（異なる切れ刃逃げ面が連
なっていると見なされる場合には、その総和の逃げ面幅）未満の送り速度になるように送
ること、
（２）「幾何学的に計算される砥石−工作物の干渉高さ」が、「要求する高平滑仕上面粗
さ」未満になるように、工作物または砥石を砥石の回転方向に平行方向に間欠的に微少量
（fp）移動すること。

（１）の要件を考えると、現状の砥石の形直しと目直しで形成し得る砥石作業面の平坦化
にはある限界があるため、図２に示すように、砥石１回転当たりの工作物直角送り量f_Gn
は、幾らでも大きく出来るのではなく、許容最大工作物直角送り量(ｆ_Gn)cr（図２の場合
は約40μm程度）があり、それ以上にすると、仕上面粗さが急激に悪くなるので、大きく
できない。

また、(２)の要件から、所要の仕上面粗さを得るためには、例えば、角テ−ブル型横軸平
面研削では、形成される仕上面粗さHpが幾何学的にHp＝（fp）²／４Dg（Dg：砥石直径）
の関係を基に求められることから、この関係を用いて、最大仕上面粗さ(Hp)_LIMを得るた
めのfpとDgを決める必要があり、(Hp) _LIM の拘束条件である砥石直径Dgについては、「要
求する高平滑仕上面粗さ」Hmax未満になることを満たすようにする。

一方、被研削物の表面の除去速度Mについて、研削条件パラメ−タを用いて数式を導出す
ると、図１に示す横軸角テ−ブル型平面研削の例では、超平滑研削を行う場合の単位時間
あたりの除去量、すなわち、除去速度Mは、1研削パスあたりの砥石の回転方向直角除去面
積をSとすると、次式で示される（図１参照）。

M＝S・v_wn ――（Ａ）（ここで，v_wn ＝f_Gn・Ng：砥石の回転方向に直角方向の砥石の送
り速度、Ng：砥石回転数）、
また、除去面積Sは、図１の模式図からわかるように、次式で近似出来る。
S≒(1/2)・l_c・g_max――（Ｂ）（ここで，l_c＝(t・D_g)^0.5:接触弧長さ、Dｇ＝２Rg：砥石
直径、t：砥石切込深さ、 g_max＝fp・(4t/ D_g) ^0.5: 最大砥石切込み深さ）。

(Ｂ)式を（Ａ）式に代入し、整理すると、除去速度は、
M＝f_Gn・t・fp・Ng――(１)、
となる。

したがって、本発明の研削方法では、f_Gn、t、fp、Ngの値によって工作物表面の除去速度
Mが求まり、これらの値を大きくすることで、工作物表面の除去速度を向上させることが
できる。そこで、それらのパラメ−タの増大の可能性を検討してみる。まず、最初にｆ_Gn
であるが、上述の（１）の要件を満たす必要があることから、ｆ_Gnを大きくするのは、現
状では限界があり、非常に小さな値の約40μm/revが限度である。

次いで、第２番目の砥石切込み深さｔについては、取り代と関係する量であり、適当に変
化し得る量ではない。ただし、取り代が大きい場合には、砥石軸剛性が耐える範囲で、悪
い研削現象発生（研削焼け・割れ等他）以下の範囲までは、砥石切込みを大きくすること
は可能と言える。

第３番目に、fpであるが、上述の（２）の制約を満たす必要があり、次式を満足しなけれ
ばならない。
(Hp)_LIM＝（fp）²／４Dg――(２)

上式からわかるように、fpを増加すると、砥石直径を、その２乗で大きくしなければ同じ
仕上げ面粗さを得ることが出来ない。図３に、Dgをパラメ−タとした、fpと仕上げ面粗さ
Hpの関係を示す。砥石直径はφ10mm〜φ300mmの範囲で示しているが、通常良く使用され
ているのは、φ100mm〜φ300mm程度までである。

また、超平滑研削面、すなわち100nm（Rz）以下の表面粗さの研削面を得ようとする場合
、例えば、Hp=100nmの表面粗さの場合を考え、砥石直径Dgとfpの範囲をみると、例えば、
φ10mmの砥石では、fpは約80μm/revであり、一方、φ300mmの砥石ではfpは約450μm／re
vとなり、約5.4倍大きくし得る。

最後に、砥石回転数Ngであるが、これは、実用的な許容最大砥石回転数を、砥石の回転破
壊に関係する許容最大砥石周速度（Vg）max=π・Nｇ・Dg（通常の砥石製造技術では、100
m/s）以下にすることや、砥石軸の軸直径Dと軸回転数Nの積により決められるD・N値の許
容最大値である（D・N）max（現状：2,500,000程度）以下にすることが（１）式のＭを最
大とする拘束条件になる。

したがって、砥石直径に関係する許容最大砥石回転数［（Ng）max］ _G 又は砥石軸直径に関
係する許容最大砥石軸回転数［（Ng）max］ _P は、下記の式（３）又は（４）の式を用いて
、計算決定し、（Ng）maxの値以下の砥石回転数で使用することが必要である。
［（Ng）max］ _G =（Vg）max ／π・（Dg）max ――(３)
［（Ng）max］ _P =（D・N）max ／Dp――(４)（Dp:使用する砥石軸直径）

砥石直径と回転数の積が一定なので、使用できる許容最大砥石回転数は、砥石直径の減少
に反比例して増加する。例えば、φ300mmの砥石を使用する場合に比較して、φ10mmの砥
石を使用すると、最大回転数は、30倍まで大きくできる。

以上のように、工作物表面の除去速度Mを増大するには、fpとNgの増加が適当と考えられ
るが、それらの最大許容値は、砥石直径に関係し、砥石直径を減少すると、それに反比例
して許容最大砥石回転数を大きくすることが出来るが、許容最大送り量は、1/2乗に反比
例してしか、大きくできない。このことから、除去速度Mは、基本的に、砥石直径を減少
して、砥石回転数を大きくする方が、より大きく増大し得ることになる。

例えば、同じ表面粗さを得るためには、砥石直径φ300mmの砥石の方が、砥石直径φ10mm
の場合よりも、fpを増加することにより、除去速度を5.4倍まで増加することが出来る。
この一方、許容最大砥石回転数の観点からすれば、砥石直径φ10mmの場合の方が、砥石直
径φ300mmの砥石の場合よりも、30倍大きくできることになり、基本的に、小さな砥石直
径のものを、高速で回転させる方が、fpを小さくする必要があるが、大きな除去速度まで
増加し得ると言える。

以上、角テ−ブル型横軸平面研削の場合を例にとって、工作物表面の除去速度の向上を検
討したが、その場合、図１に示すように、砥石作業面と工作物との角度は直角（90度）で
あった。この角度を、立軸平面研削による超平滑平面研削の図４の例で示すように、砥石
を傾けて研削を行うと、幾何学的仕上面粗さHmaxが、次式で表される。

Hmax＝Hp・sinθ＝[（fp） ²／4Dg ]・sinθ ――(５)、
従って、図１に示す横軸研削の場合の砥石軸を大きく傾ければ、同じ砥石直径のものを用
いても、仕上面粗さを小さく抑えることが出来る。このことを利用すれば、上述のように
小径砥石を用いても、砥石の回転方向平行間欠送り量fpを小さくせずに対処し得る。また
、（５）式を変形すると、次のように書き換えられる。

fp＝［Hmax・4Dg／sinθ］^0.5――(６) 、

図５は、砥石の回転方向平行間欠送り量fpおよび傾き角θと幾何学的仕上面粗さHｐの関
係を示すものである。なお、傾き角θは、工作物に対して横軸研削の場合を90度とし、そ
れを直角に傾けた場合を0度としている。図５より、横軸平面研削における砥石軸を大き
く傾け、傾き角θを小さくすると、幾何学的仕上面粗さは、非常に小さくなるのがわかる
。例えば、傾き角θを3度程度にし、立軸研削に近いものとすると、fp＝60μmとしても、
Hmaxは4nmとなり、十分に小さくすることが出来る。なお、砥石径φ100mmの場合は、fp＝
40μmで、4nmとなる。また、砥石軸を傾けると、砥石の回転方向平行間欠送り量fpを大き
くしても、幾何学的仕上面粗さを小さくし得ることもわかる。

図６は、砥石周速度を通常の砥石周速度50m/sとし、（１）通常の研削で良く使用される
砥石としては小さい方の砥石径である砥石径φ100mmの砥石を用いて、角テ−ブル型横軸
平面研削盤で超平滑面に仕上げる研削を行う場合と、（２）小径砥石であるφ14mmを用い
て立軸研削盤で、傾き角θを3度とし、高平滑面に仕上げる研削を行う場合の除去速度を
比較したものである。φ100mmの砥石とφ14mmの砥石の回転数はそれぞれ、約159rpsと約1
137rpsになる。

なお、両研削法の場合とも、砥石１回転当たりの工作物直角送り量はf_Gn＝20μm/revと同
じにしている。また、両研削方法の場合とも、形成される幾何学的仕上面粗さは、約4nm
としている。このため、砥石の回転方向平行間欠送り量fpは横軸研削の場合はfp＝40μm
、立軸研削の場合はfp＝60μmを用いて、計算している。図６より、工作物表面の除去速
度は、約10倍になり、格段に加工能率を向上し得るのがわかる。

超高速スピンドル砥石軸をもつ立型研削盤に直径φ14mmの小径砥石軸を取り付け、60000r
pm（1000rps）の超高速回転で、10mm角の炭化けい素ファインセラミックを超平滑平面研
削加工を行った。砥石は、粗粒の粒度＃140、集中度50のメタルボンド砥石を使用した。
研削液はソリュブルを用いた。砥石軸は工作物表面に垂直方向に対して3度傾けて取り付
けた。工作物直角送り量f_Gnを5μm/rev、砥石切込深さｔを5μm、砥石の回転方向に平行
な間欠送り量fpを90μm/revとした。砥石回転数は、通常の横軸平面研削の比較的速い回
転数である（3600rpm/60rps）に比較して、17倍(60000rpm/1000rps)になっている。一方
、砥石周速度Ｖｇは、約50m/sで、通常の砥石製造技術の範疇にある。単位時間当たりの
研削による除去量Mは0.37mm³/minであった。

図７に、実施例１により研削した炭化けい素ファインセラミックの工作物の表面の光干渉
式高精度表面測定器（WYKO）による二次元粗さ測定によるＸ、Ｙプロファイルを示す。図
７よりわかるように、実際に得られた砥石の回転方向平行仕上面粗さは、Ｐ−Ｖ値で14nm
（図７では、Ｒｔ値）、Ｒａ値で3nm以下であり、一方、砥石の回転方向直角仕上面粗さ
は、Ｐ−Ｖ値で約23nm、Ｒａ値で約4nmとなっており、高能率に超平滑研削加工が行えた
ことが分かる。

本発明の方法により、平面研削、円筒研削、内面研削、曲面研削等に適用することを目的
として、超高速スピンドル砥石軸をもつ研削盤に小径砥石を取り付け、金属（鉄鋼・非鉄
金属）や非金属（セラミック・ガラス・プラスチック）等の超平滑研削を行うことができ
る。また、平面研削や曲面研削等に適用することを目的として、超高速スピンドル砥石軸
をもつ立型研削盤や立型NC研削盤等に小径砥石を取り付け、砥石軸を垂直方向に対して小
さく傾けて超平滑研削を行うことができる。

本発明の超平滑研削法の原理を横軸角テ−ブル型平面研削に適用する場合の例を模式的に示す斜視図である。 砥石１回転当たりの工作物直角送り速度f_Gnと仕上面粗さの関係（H_3D：256μm角面積についての仕上面粗さ、Hp：砥石の回転方向平行測定長さが256μmについての仕上面粗さ、Hn：砥石の回転方向直角測定長さが256μmについての仕上面粗さ）を示すグラフである。 各種砥石直径に対する砥石の回転方向平行間欠送り量と幾何学的砥石の回転方向仕上面粗さの関係を示すグラフである。 本発明の方法により小径砥石を超高速回転する方法を平面研削へ適用し、高能率超平滑研削加工を行う方法を示す模式図である。 砥石軸の傾け角θおよび砥石の回転方向平行間欠送りfp と幾何学的仕上げ面粗さＨｍａｘの関係を示すグラフである。 通常の横軸平面研削盤で、良く使用される砥石直径の砥石を用いて超平滑研削を行う場合と立型研削盤で、小径砥石を用い、小さな傾け角θで超平滑研削を行う場合の除去速度の比較結果を示すグラフである。 実施例１により研削した炭化けい素ファインセラミックの工作物の表面の光干渉式高精度表面測定器（WYKO）による二次元粗さ測定によるＸ，Ｙプロファイルを示す図面代用写真である。

Claims (2)

1. 砥石を工具として用いて仕上げる平面研削法、円筒研削法、内面研削法、曲面研削法等の
   各種研削法で、
   砥石または工作物を、砥石の回転方向と直角方向に、砥石１回転当たりの工作物送り量f_{G
   n}が、砥石の回転方向と直角な切れ刃逃げ面摩耗幅未満の送り速度になるように送ること
   により、砥石−工作物接触幅を加工した後、
   「幾何学的に計算される砥石−工作物の干渉高さ」が、「要求する高平滑仕上面粗さ」Hm
   ax未満になるように、工作物または砥石を砥石の回転方向に平行方向に間欠的に微少送り
   量fpだけ移動して、次の砥石−工作物接触幅を仕上げていくことを繰り返して、
   工作物全面を高平滑面に仕上げる高平滑研削加工方法において、
   下記（１）式で定まる工作物表面の除去速度M（ただし、tは砥石切込深さ、Ngは砥石回転
   数）、
   M＝f_Gn・t・fp・Ng――(１) 、
   下記（２）式で定まる最大仕上面粗さ (Hp)_LIM（ただし、Dgは砥石直径）、
   (Hp)_LIM＝（fp）²／4Dg ――(2) 、
   下記（３）式で定まる砥石直径に関係する許容最大砥石回転数［（Ng）max］ _G （ただし、
   Vgは砥石周速度で、（Vg）max は許容最大砥石周速度）、又は（４）式で定まる砥石軸直
   径に関係する許容最大砥石軸回転数［（Nｇ）max］ _P （ただし、（D・N ）max は砥石軸直
   径Dと軸回転数Nの積の許容最大値、Dpは使用する砥石軸直径）、
   ［（Ng）max］ _G =（Vg）max ／π・Dg ――(３)、
   ［（Ng）max］ _P =（D・N）max ／Dp――(４) 、
   の各式において、
   （２）式の(Hp) _LIM の拘束条件である砥石直径Dgについては、(Hp) _LIM が、前記「要求する
   高平滑仕上面粗さ」Hmax未満になることを満たして、
   かつ、（１）式のＭを最大とする拘束条件であるNgについては、（３）式と（４）で求め
   られる（Ng）maxの値以下を満たして
   仕上げ面粗さ100nm以下の超平滑研削加工を行う方法。
2. 砥石軸を砥石の回転方向に直角方向へ傾け角θで傾けることによって、傾けない場合の仕
   上面粗さHpに対して、下記（５）式で定まる仕上面粗さHmax とすることを特徴とする請
   求項１記載の超平滑研削加工を行う方法。
   Hmax＝Hp ・sinθ＝[（fp） ²／4Dg ] ・sinθ――（５）

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