JP4215228B2

JP4215228B2 - 卓上４軸鏡面加工装置

Info

Publication number: JP4215228B2
Application number: JP30397699A
Authority: JP
Inventors: 整大森; 豊山形; 精守安; 晋也森田; 宗明浅見; 隆寛三浦; 裕二須磨
Original assignee: SHINSEDAI KAKOSHISUTEMU CO.,LTD.; RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: SHINSEDAI KAKOSHISUTEMU CO.,LTD.; RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 1999-10-26
Filing date: 1999-10-26
Publication date: 2009-01-28
Anticipated expiration: 2019-10-26
Also published as: KR20010060207A; JP2001121397A; KR100769002B1; TW522072B; SG90187A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子・光学デバイス、金型部品等の超精密加工技術に係わり、更に詳しくは、硬質脆性材料や超硬金属等であっても高精度かつ高能率に複雑形状を鏡面に加工する卓上４軸鏡面加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
家庭や研究室等で小型部品を機械加工するために卓上旋盤、卓上フライス盤、等が広く用いられている。これらの卓上加工装置は、比較的加工しやすい材料、例えば銅、アルミニウム、木材、プラスチック等を対象としている。これに対して、加工しにくい材料、例えば電子・光学デバイスに用いるファインセラミックス、光学ガラス、半導体単結晶等の硬質脆性材料や金型部品等の超硬金属等は、被加工物（ワーク）が小型であっても、従来は汎用の大型機械を用いざるを得なかった。そのため、卓上旋盤等のように、手軽に使用でき、かつ硬質脆性材料や超硬金属等であっても高精度かつ高能率で加工できる卓上加工装置が従来から要望されていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、かかる卓上加工装置を実現しようとすると、以下の問題点があった。
（１）硬質脆性材料や超硬金属等を自由な形状に加工するには、ワークを３次元（例えばＸ，Ｙ，Ｚ方向）に高精度に移動する必要がある。この場合、通常、ワークを水平面内で２方向（例えばＸ，Ｙ方向）に移動させるが、そのため、Ｘ，Ｙ方向に直進ガイドやＮＣ駆動機器が張出し、卓上加工装置の設置面積が過大になってしまう。
（２）この問題を回避するため、ワークを水平面内では１方向（例えばＹ方向）のみに移動させ、工具を鉛直面内で２方向（例えばＸ，Ｚ方向）に移動させると、工具を案内する直進ガイドが大型となる。特に、工具の交換等を容易にするため、直進ガイドやＮＣ駆動機器から片持ちで支持した取付ヘッド上に工具を取り付けると、加工抵抗による取付ヘッドのたわみ等により高精度加工が不可能になる。更に、硬質脆性材料や超硬金属等を加工するには、砥石を用いた研削加工が最適であるが、研削加工の加工抵抗は通常の切削加工に比べて大きいため、ヘッドのたわみ等の変位が更に大きくなってしまう。
（３）砥石を用いた研削加工の場合に、工具（砥石）自体を回転してワークを加工する必要がある。この場合、砥石回転軸の方向が１方向（例えばＺ方向）のみでは、ワークの加工形状の制約が大きい。そのため、砥石回転軸を２方向（例えば、Ｙ，Ｚ方向）に設ける必要があるが、その場合、砥石駆動機構が複雑・大型化し、卓上加工装置が更に大型化してしまう。
【０００４】
本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、工具を取り付ける取付ヘッドのたわみ等の変位が少なく、２方向の砥石回転に対応でき、かつ設置面積を小さく装置を小型化することができ、これにより硬質脆性材料や超硬金属等であっても高精度かつ高能率で加工できる卓上４軸鏡面加工装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
研削加工に用いる砥石は、短時間で目が詰まってしまうため、通常、能率化が困難である。また、この問題を解決するために、電解インプロセスドレッシング研削法（以下、ＥＬＩＤ研削法）が本発明の発明者等により開発されている。本発明はかかるＥＬＩＤ研削を適用して加工抵抗を低減し卓上４軸鏡面加工装置の実現を図るものである。
【０００６】
すなわち、本発明によれば、被加工材（１）を取付け鉛直なＢ軸を中心に数値制御で回転駆動するθテーブル（４）と、導電性砥石（２）を取付けその軸心を中心に回転駆動するスピンドル（６）と、スピンドルの回転軸ＣをＢ軸に平行なＺ軸方向とＢ軸に水平に直交するＹ軸方向に着脱自在に取り付ける砥石取付ヘッド（８）と、砥石取付ヘッドのＸ軸まわり及びＺ軸まわりのねじれを防止するねじれ防止ガイド（１０）と、砥石取付ヘッドをＸ軸方向及びＺ軸方向に数値制御で直動するＸ・Ｚテーブル（１２）と、θテーブルをＸ−Ｚ面に水平に直交するＹ軸方向に数値制御で直動するＹテーブル（１４）と、電極及び／又は被加工材を電気的に加工する電気加工手段とを備え、
前記ねじれ防止ガイド（１０）は、砥石取付ヘッド（８）をＸ軸方向に案内する平行な２軸ロッドガイド（１１ａ）と、該２軸ロッドガイドの両端を支持する両端支持ブロック（１１ｂ）と、両端支持ブロックをＺ軸方向に案内する平行な２軸ロッドガイド（１１ｃ）とからなり、
前記電気加工手段は、砥石を回転給電体を介して陽極とし、前記電極を陰極とする電力供給手段（１６）と、前記砥石と電極間に導電性加工液を供給する加工液供給手段（１８）とからなり、前記電極を砥石に非接触で電解して除去する電解ドレッシング、または、前記電極を一時的もしくは間欠的に砥石に接触させる放電ツルーイングを行うことで、前記電極を電気的に加工する、ことを特徴とする卓上４軸鏡面加工装置が提供される。
【０００７】
この構成により、Ｙテーブル（１４）でワークを水平面内ではＹ方向のみに移動させ、Ｘ・Ｚテーブル（１２）で砥石を鉛直面内でＸ，Ｚ方向に移動させるので、Ｘ方向への張出しがなく設置面積を小さくできる。また、ねじれ防止ガイド（１０）で砥石取付ヘッド（８）のＸ軸まわり及びＺ軸まわりのねじれを防止するので、Ｘ・Ｚテーブル（１２）との協働で砥石取付ヘッド（８）を案内しながら、そのたわみ等の変位を小さくできる。更に、砥石取付ヘッド（８）がスピンドル（６）の回転軸ＣをＺ軸方向とＹ軸方向に着脱自在に取り付けるようになっているので、砥石取付ヘッドを脱着するだけで、２方向の砥石回転に対応でき、砥石駆動機構の複雑・大型化を回避することができる。
【０００８】
また、数値制御機構等を含まない簡単な構成のねじれ防止ガイド（１０）でＸ軸まわり及びＺ軸まわりのねじれを防止し、かつＸ・Ｚテーブル（１２）でＸ軸方向及びＺ軸方向に数値制御するので、砥石取付ヘッドの変位を小さくでき、Ｘ軸及びＺ軸を高精度に数値制御できる。
さらに、非接触で電極を電解する電解ドレッシングと、接触させる放電ツルーイングの両方が適用でき、電極の高精度ツルーイングと、加工しながらのＥＬＩＤ研削が可能となる。従って、硬質脆性材料や超硬金属等であっても高精度かつ高能率で加工できる。
【０００９】
また、前記スピンドル（６）は、Ｘ−Ｚ面に平行なＸ・Ｚ取付面（６ａ）と、Ｘ−Ｙ面に平行なＸ・Ｙ取付面（６ｂ）とを有し、Ｘ・Ｚ取付面とＸ・Ｙ取付面は互いに反対に砥石取付ヘッド（８）に取付可能に構成されている。
この構成により、Ｘ・Ｚ取付面（６ａ）とＸ・Ｙ取付面（６ｂ）を単に反対にして砥石取付ヘッド（８）に取付けるだけで、スピンドル（６）の回転軸ＣをＹ軸方向とＺ軸方向の２方向の砥石回転に対応でき、かつ砥石駆動機構を小型化できる。
【００１１】
θテーブル、Ｘ・Ｚテーブル、Ｙテーブルを数値制御する数値制御装置（２０）とを備え、３直進軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）および１回転軸（θ）の同時もしくは逐次制御により、被加工材の自由曲面のＥＬＩＤ研削加工を行う。
この構成により、数値制御装置（２０）（例えば、パーソナルコンピュータ）で制御することにより、簡易な数値制御が可能となり、高精度加工が実現できる。
【００１２】
前記導電性砥石（２）は、導電性粉末と非導電性粉末を焼結もしくはメッキにより固化するのがよい。この構成により、円板状、円筒形、ボールノーズ形等の導電性回転砥石を容易に製造することができる。
【００１３】
前記導電性砥石（２）は、底面、外周面、エッジ部を有する回転体とし、これらの部位の全て、もしくはいずれか１つ以上の部位により、被加工材を加工する。この構成により、導電性砥石を回転させながら、被加工材を複雑形状に加工することができる。
【００１４】
前記被加工材（１）は導電性材料からなり、かつ前記導電性砥石と電気的に絶縁され、加工中に前記電極と接触する。この構成により、被加工材と導電性砥石との間での放電を回避しながら、被加工材に電極を接触させて被加工材を放電加工することができる。
【００１５】
導電性砥石（２）と被加工材（１）との接触を検出するＡＥセンサもしくは前記導電性材料からなる被加工材と前記導電性砥石との間に電圧を印加してその接触による電位差・電流変化を検知する接触検出手段を備え、該接触検出手段により、前記電気加工手段のＯＮ−ＯＦＦ制御を行う。この構成により、導電性砥石（２）と被加工材（１）との接触に連動して電気加工手段をＯＮ−ＯＦＦ制御することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
図１は本発明による卓上４軸鏡面加工装置の全体斜視図であり、図２はその正面図、図３はその左側面図である。
【００１７】
図１〜図３に示すように、本発明の卓上４軸鏡面加工装置は、θテーブル４、スピンドル６、砥石取付ヘッド８、ねじれ防止ガイド１０、Ｘ・Ｚテーブル１２、Ｙテーブル１４及び電気加工手段を備える。
【００１８】
本発明の卓上４軸鏡面加工装置により加工する被加工材１は、例えば電子・光学デバイスに用いるファインセラミックス、光学ガラス、半導体単結晶等の硬質脆性材料や金型部品等の超硬金属である。また、この被加工材１を加工する工具は、導電性砥石２である。この導電性砥石２は、底面、外周面、エッジ部を有する回転体であり、これらの部位の全て、もしくはいずれか１つ以上の部位により、被加工材１を研削加工する。また、この導電性砥石２は、導電性粉末と非導電性粉末を焼結もしくはメッキにより固化することで製造する。この構成により、円板状、円筒形、ボールノーズ形等の導電性回転砥石２を容易に製造することができ、この導電性砥石２を回転させながら、被加工材１を複雑形状に加工することができる。
【００１９】
θテーブル４は、クロスローラーベアリングで回転可能に支持され、パルスモータ４ａにより、鉛直なＢ軸を中心に数値制御で回転駆動される。このθテーブル４の上面に被加工材１が取付けられる。また、この例では、被加工材１は導電性材料（例えば、超硬金属）からなり、導電性砥石２と電気的に絶縁されている。
【００２０】
スピンドル６は、導電性砥石２が取付けられ、その軸心を中心に回転駆動する。このスピンドル６は、例えばＡＣ１００Ｖ、５０／６０Ｈｚの電源で駆動され、導電性砥石２を最大２万ｒｐｍで回転する。
また、このスピンドル６は、Ｘ−Ｚ面に平行なＸ・Ｚ取付面６ａと、Ｘ−Ｙ面に平行なＸ・Ｙ取付面６ｂとを有する。この２つの取付面６ａ，６ｂは、例えばボルトの着脱により、スピンドルの回転軸ＣをＢ軸に平行なＺ軸方向とＢ軸に水平に直交するＹ軸方向に着脱して取り付けることができるように構成されている。
【００２１】
この構成により、図１〜３に示すように取り付けることにより、スピンドル６の回転軸ＣをＹ軸方向にセットすることができ、逆にＸ・Ｚ取付面６ａとＸ・Ｙ取付面６ｂを単に反対にして砥石取付ヘッド８に取付けるだけで、スピンドル６の回転軸ＣをＺ軸方向にセットすることができる。なお、この場合には、導電性砥石２として円筒形砥石、カップ砥石、ボールノーズ砥石等を用いるのがよい。従って、スピンドル６の回転軸ＣをＹ軸方向とＺ軸方向の２方向の砥石回転に対応でき、かつ砥石駆動機構を小型化できる。
【００２２】
ねじれ防止ガイド１０は、砥石取付ヘッド８をＸ軸方向に案内する平行な２軸ロッドガイド１１ａと、この２軸ロッドガイド１１ａの両端を支持する両端支持ブロック１１ｂと、両端支持ブロック１１ｂをＺ軸方向に案内する平行な２軸ロッドガイド１１ｃとからなる。両端支持ブロック１１ｂには、２軸の平行なロッドを直線的に案内するリニアベアリングが組み込まれており、砥石取付ヘッド８を上下左右に低抵抗で自由に移動させ、かつＸ軸まわり及びＺ軸まわりのねじれを防止している。
この構成により、砥石２に作用する加工抵抗を砥石取付ヘッド８を介して２軸ロッドガイド１１ａ，１１ｂで受け、砥石取付ヘッド８のＸ軸まわり及びＺ軸まわりのねじれを防止することができる。また、この構成でＸ・Ｚテーブル１２でＸ軸方向及びＺ軸方向に数値制御するので、Ｘ・Ｚテーブル１２のガイドを小さくでき、かつ砥石取付ヘッド８の変位を小さく抑えて、Ｘ軸及びＺ軸を高精度に数値制御できる。
【００２３】
Ｘ・Ｚテーブル１２は、Ｖ溝とクロスローラーでＸ軸方向及びＺ軸方向に案内され、パルスモータ１２ａにより砥石取付ヘッド８をＺ軸方向に数値制御で直動し、図示しない別のパルスモータ１２ａにより砥石取付ヘッド８をＸ軸方向に数値制御で直動する。また、Ｙテーブル１４は、同様にＶ溝とクロスローラーでＹ軸方向に案内され、パルスモータ１４ａによりθテーブル４をＹ軸方向に数値制御で直動する。なお、パルスモータを用いてオープン回路の替わりにリニアセンサを用いたフィードバック制御により数値制御を行ってもよい。
この構成により、砥石取付ヘッド８のたわみ等の変位を小さく抑えることができるので、Ｘ・Ｚテーブル１２とＹテーブル１４により、ワーク１と工具２を相対移動されて３軸ＮＣ制御を精度よく行うことができる。また、Ｙテーブル１４は、θテーブル４の半径分で直径分を加工できるため、そのストロークを半減でき、パルスモータ１４ａ等の突出を防止できる。なお、９は、全体又は部分的に透明なカバーであり、卓上４軸鏡面加工装置を覆い、作動中に内部を観察できるようになっている。
【００２４】
電気加工手段は、電極２２及び／又は被加工材１を電気的に加工する。この電気的加工には、電解ドレッシングと放電ツルーイングを含む。この電気加工手段は、砥石２を回転給電体（図示せず）を介して陽極（＋）とし、電極２２を陰極とする電力供給手段１６と、砥石２と電極２２間に導電性加工液を供給する加工液供給手段１８とからなる。電極２２は、砥石２の加工面と一定の間隔を隔てているのがよいが、電極を砥石に一時的に接触するように構成してもよい。
この構成により、非接触状態で電極２２を電解して除去する電解ドレッシングと、一時的又は間欠的に接触させる放電ツルーイングとの両方が適用できる。従って、電極の高精度ツルーイングと、加工しながらのＥＬＩＤ研削が可能となり、硬質脆性材料や超硬金属等であっても高精度かつ高能率で加工でき、平均粗さＲａ１０ｎｍ以下に鏡面加工することが可能となる。
【００２５】
数値制御装置２０は、θテーブル４、Ｘ・Ｚテーブル１２及びＹテーブル１４を数値制御し、３直進軸Ｘ，Ｙ，Ｚおよび１回転軸θを同時もしくは逐次制御して被加工材１の自由曲面のＥＬＩＤ研削加工を行う。
また、導電性砥石２と被加工材１との接触を検出するＡＥセンサを有する接触検出手段（図示せず）を備え、この接触検出手段により、電気加工手段のＯＮ−ＯＦＦ制御を行い、導電性砥石２と被加工材１との接触に連動して電気加工手段をＯＮ−ＯＦＦ制御するようになっている。
【００２６】
なお、本発明は、上述した実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更できることは勿論である。
【００２７】
【発明の効果】
上述した本発明の構成により、Ｙテーブル１４でワークを水平面内ではＹ方向のみに移動させ、Ｘ・Ｚテーブル１２で砥石を鉛直面内でＸ，Ｚ方向に移動させるので、Ｘ方向への張出しがなく設置面積を小さくできる。また、ねじれ防止ガイド１０で砥石取付ヘッド８のＸ軸まわり及びＺ軸まわりのねじれを防止するので、Ｘ・Ｚテーブル１２との協働で砥石取付ヘッド８を案内しながら、そのたわみ等の変位を小さくできる。更に、砥石取付ヘッド８がスピンドル６の回転軸ＣをＺ軸方向とＹ軸方向に着脱自在に取り付けるようになっているので、砥石取付ヘッドを脱着するだけで、２方向の砥石回転に対応でき、砥石駆動機構の複雑・大型化を回避することができる。
【００２８】
また、簡単な構成のねじれ防止ガイド１０でＸ軸まわり及びＺ軸まわりのねじれを防止し、かつＸ・Ｚテーブル１２でＸ軸方向及びＺ軸方向に数値制御するので、砥石取付ヘッドの変位を小さくでき、Ｘ軸及びＺ軸を高精度に数値制御できる。更に、Ｘ・Ｚ取付面６ａとＸ・Ｙ取付面６ｂを単に反対にして砥石取付ヘッド８に取付けるだけで、スピンドル６の回転軸ＣをＹ軸方向とＺ軸方向の２方向の砥石回転に対応でき、かつ砥石駆動機構を小型化できる。更にまた、非接触で電極を電解する電解ドレッシングと、接触させる放電ツルーイングの両方が適用でき、電極の高精度ツルーイングと、加工しながらのＥＬＩＤ研削が可能となる。従って、硬質脆性材料や超硬金属等であっても高精度かつ高能率で加工できる。
【００２９】
従って、本発明の卓上４軸鏡面加工装置は、工具を取り付ける取付ヘッドのたわみ等の変位が少なく、２方向の砥石回転に対応でき、かつ設置面積を小さく装置を小型化することができ、これにより硬質脆性材料や超硬金属等であっても高精度かつ高能率で加工できる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による卓上４軸鏡面加工装置の全体斜視図である。
【図２】図１の正面図である。
【図３】図１の左側面図である。
【符号の説明】
１被加工材（ワーク）
２導電性砥石
４ θテーブル
６スピンドル
６ａＸ・Ｚ取付面
６ｂＸ・Ｙ取付面
８砥石取付ヘッド
９カバー
１０ねじれ防止ガイド
１１ａ，１１ｃ２軸ロッドガイド
１１ｂ両端支持ブロック
１２Ｘ・Ｚテーブル
１４Ｙテーブル
１６電力供給手段
１８加工液供給手段
２０数値制御装置
２２電極

Claims

被加工材（１）を取付け鉛直なＢ軸を中心に数値制御で回転駆動するθテーブル（４）と、導電性砥石（２）を取付けその軸心を中心に回転駆動するスピンドル（６）と、スピンドルの回転軸ＣをＢ軸に平行なＺ軸方向とＢ軸に水平に直交するＹ軸方向に着脱自在に取り付ける砥石取付ヘッド（８）と、砥石取付ヘッドのＸ軸まわり及びＺ軸まわりのねじれを防止するねじれ防止ガイド（１０）と、砥石取付ヘッドをＸ軸方向及びＺ軸方向に数値制御で直動するＸ・Ｚテーブル（１２）と、θテーブルをＸ−Ｚ面に水平に直交するＹ軸方向に数値制御で直動するＹテーブル（１４）と、電極及び／又は被加工材を電気的に加工する電気加工手段とを備え、
前記ねじれ防止ガイド（１０）は、砥石取付ヘッド（８）をＸ軸方向に案内する平行な２軸ロッドガイド（１１ａ）と、該２軸ロッドガイドの両端を支持する両端支持ブロック（１１ｂ）と、両端支持ブロックをＺ軸方向に案内する平行な２軸ロッドガイド（１１ｃ）とからなり、
前記電気加工手段は、砥石を回転給電体を介して陽極とし、前記電極を陰極とする電力供給手段（１６）と、前記砥石と電極間に導電性加工液を供給する加工液供給手段（１８）とからなり、前記電極を砥石に非接触で電解して除去する電解ドレッシング、または、前記電極を一時的もしくは間欠的に砥石に接触させる放電ツルーイングを行うことで、前記電極を電気的に加工する、ことを特徴とする卓上４軸鏡面加工装置。
前記スピンドル（６）は、Ｘ−Ｚ面に平行なＸ・Ｚ取付面（６ａ）と、Ｘ−Ｙ面に平行なＸ・Ｙ取付面（６ｂ）とを有し、Ｘ・Ｚ取付面とＸ・Ｙ取付面は互いに反対に砥石取付ヘッド（８）に取付可能に構成されている、ことを特徴とする請求項１記載の卓上４軸鏡面加工装置。
θテーブル、Ｘ・Ｚテーブル、Ｙテーブルを数値制御する数値制御装置（２０）とを備え、３直進軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）および１回転軸（θ）の同時もしくは逐次制御により、被加工材の自由曲面のＥＬＩＤ研削加工を行うことを特徴とする請求項１記載の卓上４軸鏡面加工装置。
前記導電性砥石（２）は、導電性粉末と非導電性粉末を焼結もしくはメッキにより固化することを特徴とする請求項１に記載の卓上４軸鏡面加工装置。
前記導電性砥石（２）は、底面、外周面、エッジ部を有する回転体とし、これらの部位の全て、もしくはいずれか１つ以上の部位により、被加工材を加工することを特徴とする請求項１記載の卓上４軸鏡面加工装置。
前記被加工材（１）は導電性材料からなり、かつ前記導電性砥石と電気的に絶縁され、加工中に前記電極と接触することを特徴とする請求項１記載の卓上４軸鏡面加工装置。
導電性砥石（２）と被加工材（１）との接触を検出するＡＥセンサもしくは前記導電性材料からなる被加工材と前記導電性砥石との間に電圧を印加してその接触による電位差・電流変化を検知する接触検出手段を備え、該接触検出手段により、前記電気加工手段のＯＮ−ＯＦＦ制御を行うことを特徴とする請求項１記載の卓上４軸鏡面加工装置。