JP4640353B2

JP4640353B2 - 砥石の製造方法

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Publication number: JP4640353B2
Application number: JP2007036039A
Authority: JP
Inventors: 宗久郡嶋; 智明中筋; 浩仁横田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-02-16
Filing date: 2007-02-16
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2022-04-15
Also published as: JP2007160505A

Description

この発明は、例えば空調機用スクロール圧縮機に内蔵されるスクロール（渦巻き羽根）の側面加工や、金型の仕上げ加工等に使用される砥石の製造方法に関するものである。

スクロール圧縮機に内蔵されるスクロールの側面加工に使用される工具のひとつにエンドミルがある。図１２は、スクロール（渦巻き羽根）の側面加工に使用されるエンドミル１００を示すものである。図１２において、１０２は切れ刃、１０３は切れ刃１０２同士の間にある溝、１０４は心厚、１０５はエンドミル１００を治具等で掴む部分として機能するシャンク、１０６は切れ刃１０２のねじれ角である。図１３は、被削材であるスクロール１０７を示すものであり、スクロール１０７はスクロール歯１０８を有している。

エンドミル１００によってスクロール１０７のスクロール歯１０８の側面加工を行う際には、モータ等の回転ユニットにエンドミル１００のシャンク１０５を取り付け、回転ユニットによってエンドミル１００を回転させる。その際、エンドミル１００の切れ刃１０２がスクロール歯１０８の側面に接触しながらスクロール形状に沿うように、スクロール１０７またはエンドミル１００が移動されることで、スクロール歯１０８の側面加工が行われる。

しかしながら、エンドミル１００による側面加工では、スクロール歯１０８の加工面に対し切れ刃１０２の接触する位置が切れ刃１０２のねじれによって変化する。特に、ねじれ角１０６が小さいほど切れ刃１０２の接触する位置の変化が大きくなる。このようにエンドミル１００による側面加工では、シャンク１０５が取り付けられる位置から切れ刃１０２の接触する位置との間の距離が大きく変化するため、加工負荷が大きく変動し、高い加工精度を確保し得ない問題がある。また、溝１０３が大きく心厚１０４が小さい小径のエンドミル１００では、剛性が小さくなり、エンドミル１００が撓んで加工精度が低下する問題も有している。

そこで、この種の加工には、砥石が使われることが多くなってきている。結合材がビトリファイドやレジンなどで構成される一般砥石は、砥粒と結合材粉末を混合、攪拌し、所望の形状に成形後、焼結して生成されるために、微少孔が存在し、このため、切り屑の排出性は悪くない。一方、電着砥石は、メッキで砥粒を保持して製造しているために、一般砥石に存在する微少孔が存在せず、切り屑の排出性が悪い。

図１４は、スクロールの側面加工に使用される円柱状の電着砥石１０９を示すものである。図１４において、１１０は円柱状の台金、１１１は台金１１０の側面にニッケルまたはクロム等によって形成されるメッキ層、１１２はメッキ層１１１の表面に一層配置されるＣＢＮ、ダイヤモンド等の砥粒であり、砥粒１１２は、電着によってメッキ層１１１にランダムに密集して固定されている。

このような電着砥石１０９を用いてスクロール１０７のスクロール歯１０８の側面加工を行う際には、モータ等の回転ユニットに電着砥石１０９の砥粒１１２が電着されない砥石台金１１０の部分を取り付け、回転ユニットによって電着砥石１０９を回転させる。その際、切れ刃である砥粒１１２がスクロール歯１０８の側面に接触しながらスクロール形状に沿うように、電着砥石１０９またはスクロール１０７が移動されることで、スクロール歯１０８の側面加工が行われる。

上記従来の電着砥石１０９においては、砥粒１１２が砥石の表面全体にランダムに密集して配置されているために、ツルーイングの有無に関わらず、切れ刃としての多数の砥粒が加工面に作用することになり、加工負荷が大きいという問題がある。特に、小径の砥石は軸剛性が小さいため、変形し易く、加工負荷の増大により、砥石が撓んで加工精度が悪くなったり、砥石寿命が短くなる問題がある。

ＪＩＳ規格におけるＪＩＳＢ４１３０、ＪＩＳＢ４１３１には、ＣＢＮ、ダイヤモンド電着砥石の砥粒の粒度、砥石の形状に関する開示がある。しかし、この開示は、砥粒１１２の粒度、砥石台金１１０の形状に関するものであり、砥石台金１１０の表面の砥粒１１２の配置について示したものではない。

つぎに、砥石のツルーイング法とドレッシング法に関する技術が、ＪＩＳ規格におけるＪＩＳＢ４１３４、ＪＩＳＢ４１３５、ＪＩＳＢ４１３６あるいはＪＩＳＢ４１３７に示されている。これらは、ツルーイングまたはドレッシングのための工具を砥石に接触するように設置して、ツルーイングとドレッシングをするものである。

これらＪＩＳ規格に示された従来技術は、工具を接触させる方式であるため、ツルーイングまたはドレッシング時に加工抵抗が発生し、意図しない切れ刃の消耗、砥粒の脱落、結合剤の消耗が発生し、さらに工具の低寿命の問題もある。また、剛性の低い小径軸付き砥石、薄刃砥石あるいは小径エンドミルなどに対しては、変形や割れなどを来たす欠点がある。

そこで、レーザ光を用いて非接触でツルーイングあるいはドレッシングを行う技術が提案されている。非接触のドレッシング・ツルーイングに関する技術としては、図１５に示すものがある（例えば特許文献１）。この従来技術においては、砥石１１３の停止時または回転時のいずれかに、砥石使用面１１４ａまたは砥石補助使用面１１４ｂに対してレーザ発振器１１５よりレンズ１１６を通してレーザを照射して、結合剤を溶融、蒸発させ、砥粒突き出し量、砥粒輪郭を調整する。ポータブル共焦点レーザ顕微鏡１１７によって砥石使用面１１４ａまたは砥石補助使用面１１４ｂが観察されており、フィードバック機構１１８は、この観察情報を用いて所望の突き出し量を得るためのレーザ最大出力、パルス幅などの最適条件および所望砥石輪郭を得るためのレーザ照射位置の最適条件を決定し、決定した最適条件をレーザ発振器１１５にフィードバックする。

特開平１１−２８５９７１号公報

上記従来の非接触式のドレッシング・ツルーイング法には、赤外、紫外線吸収および不純物選択吸収が起こる波長以外の波長を有するレーザ光を使用して、砥粒に損傷を与えることなく、砥石の使用面もしくは砥石の補助使用面の結合剤のみを溶融して蒸発させることにより砥粒の突きだし量および砥石輪郭を制御することは開示されているが、砥粒の粒径ばらつき、さらには砥石の作用砥粒の高さばらつきなどを制御することは何等開示されていない。

このように従来の電着砥石は、砥粒が砥石の表面全体にランダムに密集して配置されているために、切れ刃としての多数の砥粒が加工面に作用することになり、加工負荷が大きくなり、高い加工精度を得ることが困難である。また、従来の電着砥石は、切り屑の排出性が悪い。

また、上記従来の非接触式のドレッシング・ツルーイング法には、砥粒の粒径ばらつき、さらには砥石の作用砥粒の高さばらつきなどを制御することは開示されていない。

この発明は上記に鑑みてなされたもので、加工負荷を減少させて、高精度の加工を可能とするとともに、切り屑の排出性を向上させた砥石を得ることを目的とする。

上記目的を達成するため、この発明の砥石の製造方法は、円柱状の台金の円周面に砥粒がランダムに固定される砥石を回転させ、砥石の円周面の接線方向からレーザ光を照射し、レーザ光あるいは砥石を移動させることにより、レーザ光のツルーイング軌跡を螺旋状とし各砥粒の高さを揃え先端を平坦化する工程と、砥石にレーザ光を照射し砥粒の固定面に溝を形成する工程とを備え、そして、砥粒の固定面に溝を形成する工程は、砥石の円周面の接線方向または法線方向からレーザ光を照射しながら砥石を軸方向に移動させて第一の溝を螺旋状に形成し、螺旋の開始点の位相をずらしてレーザ光を照射して第二の溝を螺旋状に形成することを特徴とする。

この発明によれば、レーザ光の照射によりツルーイングを施して砥粒の高さを揃えて先端を平坦化するとともに、レーザ照射により砥粒固定面に溝を形成するようにしており、これにより加工面精度および切り屑の排出性が向上し、加工負荷が減少する砥石を製造できる。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる砥石の好適な実施の形態を詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による砥石５０の構成を示す図である。この場合は、砥石５０を電着砥石としている。図１において、電着砥石５０は、円柱状の台金５１と、この台金５１の円周面に形成されるニッケルまたはクロム等のメッキ層５２と、メッキ層５２の表面に一層または多層配置されるＣＢＮ、ダイヤモンド等の砥粒５３とを備えている。砥粒５３は、電着によってメッキ層５２上に、連続的に螺旋状に固定されている。また、各砥粒５３は、レーザ光照射により高さが揃えられている。

このような砥石５０を用いて、前述したスクロール歯などの被削材を加工する際には、モータ等の回転ユニットに砥石５０の把持部５４を取り付け、回転ユニットによって砥石５０を回転させる。その際、回転している砥石側面を被削材に接触させて加工を実行する。

砥石５０としては、電着に限らず錫等の金属材料により砥粒が固定されるメタルボンド砥石、長石等のガラス結晶材料により砥粒が固定されるビトリファイド砥石、またはフェノール等の樹脂材料により砥粒が固定されるレジンボンド砥石としてもよい。

図１に示す砥石５０は、図２に示す工具の非接触調整装置によってツルーイングされて、砥粒５３の高さが揃えられる。

図２において、砥石５０はモータ６０のスピンドル（回転軸）に取り付けられている。モータ６０は、ＸＹ方向に移動可能な移動テーブル６１上に取り付けられている。移動テーブル６１には、レーザ照射箇所に対応する位置に保護板６２が配設されている。この移動テーブル６１の移動およびモータ６０の回転は、制御ユニット６３によって制御されている。

レーザ制御装置６４によりレーザ発振器６５が制御される。ＹＡＧレーザなどのレーザ発振器６５から照射されたレーザ光６６は集光レンズを含む光学系６９を介して砥石５０に照射される。レーザ光６６の照射状態および砥石５０の状態が、カメラなどの観察ユニット６７によって観察されている。観察ユニット６７の観察結果は、総合制御装置６８に入力されるとともに、オペレータが確認できるようにモニタ（図示せず）などに出力されている。観察ユニット６７、レーザ制御装置６４および制御ユニット６３は、総合制御装置６８により統括的に制御されている。

この工具の非接触調整装置においては、モータ６０によって回転される電着砥石５０の位置は、制御ユニット６３による移動テーブル６１の移動制御によって任意に調整される。レーザ発振器６５から照射されたレーザ光６６は集光レンズを含む光学系６９を経由することで、そのビーム径が絞り込まれる。このビーム径が絞り込まれたレーザ光が砥石５０に照射されることにより、砥石５０をツルーイングする。観察ユニット６７で砥石５０の表面を確認しながら、レーザ照射位置を調整することで、所要の目標位置を狙ってレーザ光６６を照射する。

砥石５０をツルーイング加工する際には、モータ６０を回転させて砥石５０を回転させる。この状態で、図３に示すように、レーザの照射位置および照射方向を制御して、最外周の砥粒５３に対し砥石５０の接線方向からレーザ光６６が照射されるようにすることで、砥粒５３のレーザが照射された最外周部分を溶融、蒸発させて除去する。そして、砥石５０の軸方向に移動テーブル６１を移動させるかあるいは光学系６９を移動させてレーザ光６６を砥石５０の軸方向に移動させることで、レーザ照射位置を砥石５０の軸方向に移動させる。この結果、レーザ光のツルーイング軌跡は螺旋状となる。このようなツルーイングを行って、砥粒５３の高さを一定に揃える。

図４は、実施の形態１による砥石の機能を説明するために砥石側面の１ピッチ分を展開した図である。この場合、各砥粒５３は、球状で、同一サイズとする。また、図４（ｂ）に示すように、各砥粒５３のメッキ層５２の表面からの突き出し高さは一定とする。図４（ｂ）に示すように、前述したツルーイングによって、全砥粒５３の先端は平坦状となっている。

平坦部５３ａの幅（直径）をＨとし、隣接する２つの砥粒５３の回転軸方向の中心間距離をＫとすると、Ｈ＝Ｋが成立し、かつ各砥粒５３が斜めに接するように、各砥粒５３を配置する。この配置を繰り返して展開図では直線状になるように砥粒５３を電着して、砥粒５３を螺旋状に配置する。

回転している砥石５０の側面を被削材に接触させて被削材に対する研削加工を行う際には、回転している砥石５０の切れ刃である砥粒５３の先端の平坦部５３ａが被削材に転写される。この時、平坦部５３ａを形成した一つの砥粒５３が被削材の表面部を除去した後、隣接する次の砥粒５３が少し遅れて被削材の表面部の軸方向にＫだけずれた部分を除去する。ここで、Ｈ＝Ｋとしたことで、各砥粒の平坦部５３ａが切れ目なく、連続的に被削材に転写されることになる。

このように、実施の形態１においては、砥粒５３を螺旋状に配置したので、砥粒５３が被削材の加工面に対し連続的に転写されるように配置されるようになり、加工面精度が向上する。また、隣接する砥粒５３を斜めにかつ接するように配置するようにしたので、１つの砥粒が被削材に接触してからつぎの砥粒が被削材に接触するまでの間隔が短くなり、加工負荷の変動が小さくなる。

なお、隣接する砥粒同士は接していなくてもよく、少し離れるように配置されても良い。また、各砥粒は、全体的にみて、概ね螺旋状に配置されていればよく、局所的にみれば千鳥状に配置されていてもよい。すなわち、或る砥粒に対し、隣接する砥粒は、Ｈ≧Ｋを満たす放射状方向の任意の位置に存在しても良く、異なる方向に２つ以上の砥粒が存在してもよい。

実施の形態２．
つぎに、図５に従って実施の形態２について説明する。図５は、先の図４と同様、砥石５０の側面を展開した図である。

図５において、レーザ光を照射して砥粒高さを揃えた各砥粒５３の先端の平坦部５３ａの幅の平均をＨとし、砥粒直径の平均をｄとし、螺旋のねじれ角度をθとすると、ねじれ角度θを
ｃｏｓ^−１（Ｈ／ｄ）≦θ＜９０°
の範囲の角度としている。

このように、各砥粒が形成する螺旋のねじれ角度θをｃｏｓ^−１（Ｈ／ｄ）≦θ＜90°とすることで、隣接する各砥粒５３の平坦部５３ａが被削材の加工面に対し確実に重なり合って転写されるので、加工面精度がさらに向上する。例えば、粒度８０に相当する球状砥粒の直径が約１８０μｍ、ツルーイングで砥粒直径の１／４を除去し平坦部５３ａが９０μｍとなったとすると、ｃｏｓ^−１（Ｈ／ｄ）＝６０°となる。砥石台金の直径は砥粒数によるが、例えばθ＝６０°で連続して接している砥粒数が６０個あり、かつこの６０個の砥粒が砥石の台金の直径の一周分に相当すると、砥石台金の直径は約３ｍｍとなる。

実施の形態３．
つぎに、図６を用いてこの発明の実施の形態３について説明する。図６は、実施の形態３による砥石７０を示す図である。

この電着砥石７０は、円柱状の台金７１と、この台金７１の円周面に形成されるニッケルまたはクロム等のメッキ層７２と、メッキ層７２の表面に一層だけ配置されるＣＢＮ、ダイヤモンド等の砥粒７３と、レーザ照射により形成される螺旋状の溝７４とを備えている。

ここで、各砥粒７３は、先の実施の形態１、２のように、螺旋状に配置されるのではなく、電着によってランダムに密集して配置固定されている。また、各砥粒７３は、レーザ光照射によりツルーイングされ、その高さが揃えられており、各砥粒７３の先端は平坦状となっている。さらに、メッキ層７２および砥粒７３上に、レーザ照射によって螺旋状の溝７４が形成されている。

ランダム配置された各砥粒７３に対しては、図２に示した工具の非接触調整装置を用いて、各砥粒の接線方向からレーザ光を照射することで、各砥粒の高さを揃えるツルーイングを実行する。

また、螺旋状の溝７４も図２に示した工具の非接触調整装置を用いて、レーザ照射により形成される。すなわち、砥石７０の接線方向または法線方向にレーザ光を照射しながら砥石７０の軸方向に集光レンズを含む光学系６９あるいは移動テーブル６１を移動させて螺旋状に溝を形成する。ここで、溝７４間のピッチが狭すぎる場合は、砥粒７３のほとんどが除去されてしまうので、溝７４間のピッチが砥粒７３の直径より大きくなるように、集光レンズを含む光学系６９あるいは移動テーブル６１を移動制御する。

この実施の形態３による砥石７０においては、各砥粒に対しツルーイングを施しているので、実施の形態１と同様に、回転した砥石の切れ刃である先端の平坦部が被削材に転写されることになり、加工面精度が向上する。しかし、螺旋状に溝７４が形成されていない場合は、被削材の加工面に作用する砥粒数は多くなるため、加工負荷が増加する。

そこで、この実施の形態３においては、螺旋状に溝７４を形成することで被削材の加工面に作用する砥粒数を少なくし、加工負荷が減少させるようにしている。また、溝７４を形成することで切り屑の排出性も向上する。すなわち、この実施の形態３のように、螺旋状に溝７４を形成することは、実施の形態１のように砥石を螺旋配置したものと、砥石表面の形状がみかけ上ほぼ同じとなり、これにより実施の形態１と同様の効果が得られるのである。

実施の形態４．
つぎに、図７を用いてこの発明の実施の形態４について説明する。図７は、実施の形態４による砥石７５を示す図である。

この実施の形態４の砥石７５においては、平行に２本の螺旋状の溝７６，７７を形成している。すなわち、前述のようにして、砥石７５の接線方向または法線方向からレーザ光を照射して一本目の溝７６を螺旋状に形成し、螺旋の開始点の位相を１８０度ずらし、再度レーザ光を照射して２本目の溝７７を形成している。螺旋の開始点の数を３本以上に増やすようにしてもよい。

この実施の形態４による砥石においては、螺旋状に溝を複数形成するようにしているので、被削材の加工面に作用する砥粒数がさらに少なくなり、加工負荷が減少する。また、複数の螺旋溝を形成することで切り屑の排出性がさらに向上する。

実施の形態５．
つぎに、図８を用いてこの発明の実施の形態５について説明する。図８は、実施の形態５による砥石８０を示す図である。この実施の形態５の砥石８０においては、接線方向または法線方向からレーザ光を照射することにより、綾目状の溝８１を形成している。

この実施の形態５による砥石８０においては、綾目状に溝を形成するようにしているので、被削材の加工面に作用する砥粒数がさらに少なくなり、加工負荷が減少する。また、複数の螺旋溝を形成することで切り屑の排出性がさらに向上する。

実施の形態６．
つぎに、図９〜図１１を用いてこの発明の実施の形態６について説明する。図９は、実施の形態６による電着砥石９０を示す図である。図９（ａ）は電着砥石９０の研削面を示す平面図、図９（ｂ）はその側面図である。

この実施の形態６においては、周面にではなく平面上に砥粒が配置される円板状の砥石に本発明を適用するようにしている。

この電着砥石９０は、その中央に凹部９１が形成されており、その周囲のリング状部分に研削面が形成される。すなわち、中央に凹部９１が形成された円板状の台金９２のリング状の平面に、ニッケルまたはクロム等のメッキ層９３が形成され、このメッキ層９３の表面に一層または多層で、ＣＢＮ、ダイヤモンド等の砥粒９４が電着によってランダムに密集して固定されている。

また、各砥粒９４は、レーザ光照射によりツルーイングされ、その高さが揃えられており、各砥粒９４の先端は平坦状となっている。さらに、リング状の研削面上には、レーザ照射によって放射状の溝９５が形成されている。

この電着砥石９０においては、円板軸を中心に回転させながら、砥石９０と被削材とを相対的に移動させることで、電着砥石の砥粒を平面状の被削材に接触させ、研削加工を実行する。

なお、レーザ照射によって形成される溝９５としては、図１０に示すような、螺旋状であってもよいし、さらに同心円状などの任意の形状を採用しても良い。また、砥石９０としては、電着に限らず錫等の金属材料により砥粒が固定されるメタルボンド砥石、長石等のガラス結晶材料により砥粒が固定されるビトリファイド砥石、またはフェノール等の樹脂材料により砥粒が固定されるレジンボンド砥石でもよい。さらに、円板状の砥石としては、図９および図１０に示すようなリング状の研削面に限るわけでなく、図１１に示すような円板の平面全体を研削面とするような砥石に対しても本発明を適用するようにしてもよい。

このように実施の形態６による砥石においては、レーザ照射により砥粒の高さを揃えるようにしているので、被削材の加工面精度が向上する。また、溝９５を形成することで、被削材の加工面に作用する砥粒数を少なくして、加工負荷を減少させている。また、溝９５を形成することで、切り屑の排出性が向上する。

なお、図９〜図１１に示した円板状の砥石において、その平面状の研削面上に、先の実施の形態１のように、砥粒を螺旋状（渦巻き状）に配置するようにしてもよい。

本発明の実施の形態１による電着砥石を示す図である。本発明の実施の形態１による電着砥石をツルーイングするための工具の非接触調整装置を示す図である。本発明の実施の形態１による電着砥石をツルーイングするときの状態を示す図である。本発明の実施の形態１による電着砥石の展開図である。本発明の実施の形態２による電着砥石の展開図である。本発明の実施の形態３による電着砥石を示す図である。本発明の実施の形態４による電着砥石の構成図である。本発明の実施の形態５による電着砥石の構成図である。本発明の実施の形態６による電着砥石を示す図である。本発明の実施の形態６による電着砥石を示す平面図である。本発明の実施の形態６による電着砥石を示す平面図である。エンドミルを示す図である。被削材を示す平面図である。従来の電着砥石を示す図である。従来のドレッシング・ツルーイング技術を示す図である。

符号の説明

５０，７０，７５，８０，９０砥石（電着砥石）、５１，７１，９２台金、５２，７２，９３メッキ層、５３，７３、９４砥粒、５３ａ平坦部、５４把持部、６０モータ、６１移動テーブル、６２保護板、６３制御ユニット、６４レーザ制御装置、６５レーザ発振器、６６レーザ光、６７観察ユニット、６８総合制御装置、６９光学系、７４，７６，７７，８１，９５溝、９１凹部。

Claims

円柱状の台金の円周面に砥粒がランダムに固定される砥石を回転させ、前記砥石の円周面の接線方向からレーザ光を照射し、前記レーザ光あるいは前記砥石を移動させることにより、レーザ光のツルーイング軌跡を螺旋状とし前記各砥粒の高さを揃え先端を平坦化する工程と、前記砥石に前記レーザ光を照射し前記砥粒の固定面に溝を形成する工程とを備え、
前記砥粒の固定面に溝を形成する工程は、砥石の円周面の接線方向または法線方向からレーザ光を照射しながら前記砥石を軸方向に移動させて第一の溝を螺旋状に形成し、螺旋の開始点の位相をずらし前記レーザ光を照射して第二の溝を螺旋状に形成することを特徴とする砥石の製造方法。