JP4912824B2

JP4912824B2 - 研削盤

Info

Publication number: JP4912824B2
Application number: JP2006278830A
Authority: JP
Inventors: 山本　　優
Original assignee: SHIGIYA MACHINERY WORKS Ltd
Current assignee: SHIGIYA MACHINERY WORKS Ltd
Priority date: 2006-10-12
Filing date: 2006-10-12
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2026-10-12
Also published as: JP2008093787A

Description

本発明は、ワークを支持し特定中心線回りへ回転させるワーク支持回転手段と、砥石軸回りへ回転されワークに対しワーク回転半径方向へ相対変位される研削砥石とを備えた研削盤に関する。

研削盤において、特許文献１に示すように、研削状況を把握するためにＡＥ（アコースティックエミッション）センサが設けられることがある。このＡＥセンサはワーク研削中の研削焼けの発生、研削砥石の目詰まりの発生や切れ味の良否などを検出するものとして使用されている。

また研削盤において、特許文献２に示すように、ワーク研削箇所の剛性値を入力データなどから演算する剛性演算手段が設けられることがあるが、この剛性演算手段で得られる剛性値はワーク研削箇所の実際上のそれに正確に合致するものとなり難い。

特開２０００−２３３３６９号公報特開平４−２２３８６７号公報

上記ＡＥセンサはアコースティックエミッションシグナル（周波数が例えば１００ｋＨｚ〜１０００ｋｚ程度の超音波領域である振動波或いは音波）を検出するものとして既に公知であるが、本発明者等は研削盤上でのＡＥセンサの特性を実験により確認する過程で、研削盤のシステム系に変化がなければ、つまりワークの形状及び寸法や、加工条件に変化がなければ、研削盤上に固定されたＡＥセンサはワークの研削中における研削抵抗に比例した出力を正確に発生するという事実を知るに至ったのである。

本発明は、このような知見に基づいて研削中のワークの研削箇所に対応した剛性を高精度に算出させることを可能とした研削盤を提供することを目的とする。

本発明に係る研削盤は、ワークを支持し特定中心線回りへ回転させるワーク支持回転手段と、砥石軸回りへ回転されワークに対しワーク回転半径方向へ相対変位される研削砥石とを備えた研削盤において、ワークの研削中に研削抵抗に対応した出力を得るためのＡＥセンサと、研削中のワーク研削箇所の撓みを実測する撓み実測手段とを設けると共に、前記ＡＥセンサの出力から検出される研削抵抗の大きさと前記ワークの撓み量とから前記ワーク研削箇所の剛性を算出する剛性演算手段を設けた研削盤である。

特に、この研削盤では、前記撓み実測手段が、前記研削砥石がワークに向かって切り込んでワークを研削している砥石台のＸ軸方向の第一の座標値を検出し、一方では前記第一の座標値から後退して前記研削砥石をワークから離し再度ワークに向かって進ませて前記研削砥石がワークに接触したときの砥石台のＸ軸方向の第二の座標値を検出し、これら第一及び第二の座標値に基づいてワーク研削箇所の撓み量を実測する。

また請求項２に記載したように、前記撓み実測手段が、精研の終了直前のワーク研削箇所の撓み量を実測する構成とする。

さらには請求項３に記載したように、前記撓み実測手段が、研削砥石がワークから離れた際の研削液による冷却時間経過に伴うワークの熱変形量を、前記第一及び第二の座標値に基づいて実測されたワーク研削箇所の撓み量から減算して厳密な撓み量を実測する構成である。

上記した本発明によれば、研削砥石がワークに切り込んでいく最中の第一の座標値を検出しているので、研削砥石がワークに向かって押されている状態であるので、研削砥石や研削盤自体、ワークの撓み量を含めた座標値となる。

一方、一旦後退させて再度研削砥石をワークに接触させて第二の座標値を求める。第一及び第二の座標に基づいて求める撓み量は、研削砥石がワークに実際に研削をしている状態での撓み量であり、求められる剛性は実態にあったものとなる。

請求項２に記載のものによれば、精研の終了直前のワーク研削箇所の剛性が算出されるため、この算出の行われたワークのスパークアウト研削において、ＡＥセンサの出力から検出される研削抵抗と、この算出された剛性とから、加工中の撓み量が正確に実測されるものとなり、研削抵抗による撓み量を考慮することにより、高精度な研削加工が行えるものであり、また同一形状及び寸法のワークを繰り返し研削する場合には最初の１本のワークについて剛性を算出し、２本目からは１本目で算出した剛性を使用して研削中の撓みを正確に検出することができるようになり、例えば、ワークの研削点の撓み量が一定値を超えないように、砥石台送り速度を制御するような研削の実行が可能となる。

請求項３に記載のものによれば、前記第一の座標値から第二の座標値を検出するまでのあいだ研削砥石をワークから離すため、この間、研削液による冷却が進みワークが熱変形するので、これを修正することができる。

本発明に係る研削盤の実施例を図１〜図９を参照して説明する。
図１は円筒体やカムなどを研削するさいに使用される一般的なＣＮＣ研削盤を示し、１はベッド、２はベッド１上に左右方向（Ｚ軸方向）の移動自在に設けられたワーク支持テーブル、３はベッド１上に前後方向（Ｘ軸方向）の移動自在に設けられた砥石台である。

４はベッド１と同体部位に設けられたワーク支持テーブル２送り用のサーボモータで、ワーク支持テーブル２を図示しないネジ送り機構を介してＺ軸方向へ送り移動させるようになされている。５はベッド１と同体部位に設けられた砥石台３送り用のサーボモータで、砥石台３を図示しないネジ送り機構を介してＸ軸方向へ送り移動させるようになされている。

ワーク支持テーブル２上には主軸台６及び心押し台７を備えたワーク支持回転手段が形成されている。８は主軸台６上に設けられた主軸９を駆動するためのサーボモータ、１０は砥石台３上の砥石軸１１に固定された研削砥石、１２は砥石軸１１を回転させるためのモータである。主軸台６には主軸９と同心状に配置された主軸センタ１３ａ及びケレ回し１３が設けられ、また心押し台７には主軸９と同心状に配置された心押しセンタ１４が設けられる。このさい、心押し台７の代わりに右主軸台を設け、これに主軸センタ１３ａと同様の部材を主軸９と同心状の同期回転可能に設けることもできる。またワーク支持テーブル２上にはワークｗの研削中にこれの直径を測定するものとした定寸装置１５が設けられている。この定寸装置１５はワークｗの周面に当接される接触子を具備したものとなされる。

図２において、１６はＡＥセンサで、砥石軸１１の中心部で研削砥石１０の近傍に固定状に埋設されている。ＡＥセンサ１６の出力部は砥石軸１１の反砥石側の軸端に固定された送信部１７と電気的に結合されている。１８は送信部１７から送信された信号を非接触状態で受信する受信部で、砥石軸１１を回転自在に支持する軸受１９と同体状に固定された支持片２０に固定されている。この受信部１８は各部を制御するための数値制御装置２１と電気的に結合されている。２２は研削砥石１０の外周を覆う砥石カバーである。

ＡＥセンサ１６周辺の構成は図３に示すように変形することもできるのであって、この例では、ＡＥセンサ１６は砥石軸１１の砥石側の軸端に固定状に埋設され、送信部１７はＡＥセンサ１６を覆うようにＡＥセンサ１６の外側に砥石軸１１と同体状に固定され、受信部１８は砥石カバー２２に支持片２０を介して固定されている。図２中の各部に対応する箇所には同一符号が付してある。

上記したＣＮＣ研削盤の使用にさいしては、数値制御装置２１に組み込まれたコンピュータに自動的な研削を実行させるためのプログラムを記憶させる。そして、主軸センタ１３ａ及びケレ回し１３と心押しセンタ１４との間に、ワークｗを位置させ、これの各端部をこれら主軸センタ１３ａ及び心押しセンタ１４に固定状に把持させる。このさい、ワークｗの中心は主軸９の回転中心に合致される。この後、各部を作動状態となして、自動的な研削を開始させる。

この自動的な研削における各部の作動を順に説明する。
先ず、モータ１２が回転され、研削砥石１０が回転駆動される。また、必要に応じサーボモータ４が回転され、ワーク支持テーブル２がＺ軸方向へ移動される。これによりワークｗが主軸台６などと共に移動され、研削すべきワークｗはＸ軸方向上で研削砥石１０と対向した状態となされる。続いて、砥石台３はＸ軸方向の機械座標上で、図４に示すように、予めプログラムで特定されている基準位置である座標位置ｐ１に位置される。

この後、数値制御装置２１に組み込まれた高速前進機能部２３が次のように作動する。
即ち、研削砥石１０を前進させる前にＡＥセンサ１６を作動状態とする。このとき、研削砥石１０はワークｗに接触していないため空転していて空気を研削している状態となる。したがってＡＥセンサ１６は研削砥石１０の研削抵抗（研削抵抗と研削主分力の比は研削条件が同一であれば定数となるため、研削主分力でもよい。ここに、研削主分力とは研削点に作用する研削抵抗の分力の一つで研削点を通る砥石接線方向の力を言うものである。）が殆どゼロであることを示すゼロ出力を発し、このゼロ出力が送信部１７及び受信部１８を経て数値制御装置２１に伝達される。

上記ゼロ出力が数値制御装置２１により確認されたことにより、数値制御装置２１に組み込まれた砥石台送り制御手段２４が砥石台３を図４に示すようにワークｗへ近づけるべく特定速度Ｖｋで高速前進させる。この高速前進中にもＡＥセンサ１６は研削抵抗を検出するべく出力を発し続けるのであり、数値制御装置２１はこの出力を比較的短い時間間隔Δｔでサンプリングし、各サンプリング時点での研削抵抗を即時的に検出する。

こうして特定された研削抵抗が、予め設定された特定値を超えたとき、砥石台送り制御手段２４は研削砥石１０の切込み速度が予め決定されている粗研時の切込み速度（砥石台送り速度）Ｖｐ１に合致するように砥石台３の前進速度を低下させる。
即ち、例えば、図５Ａに示すようにプランジカット研削を実行するときは砥石台送り速度を粗送り速度に低下させるのであり、また図５Ｂに示すようにトラバースカット研削を実行するときはワーク支持テーブル２の送り方向を切り替えるときの砥石台３のＸ軸方向の送り量を粗研に対応した大きさとなすことで砥石台送り速度が粗送り速度となされる。

以上のような高速前進機能の作動が行われた後は、図４に示すように粗研又は中粗研を行った後、必要に応じバックオフを実行して、最後にスパークアウトを実行する。なお粗研と中粗研に分けないで中粗研の段階をも粗研として粗研時の砥石台送り速度で研削することも差し支えない。図４中、Ｖｐ１１は中粗研時の砥石台送り速度であり、Ｖｐ２は精研時の砥石台送り速度である。

数値制御装置２１には撓み実測手段２６及び剛性演算手段２７が組み込まれており、次にこれら手段の作動について図６及び図７を参照して説明する。
即ち、剛性演算手段２７が図６のステップ（１）に示すように、図４中の精研が終了する直前（スパークアウトが開始される直前）に、ＡＥセンサ１６の出力から研削抵抗（研削主分力）を即時的に実測する。これと同時に、撓み実測手段２６がこの時点の砥石台３のＸ軸方向の第一の座標値Ｘ１を読み込む。次に図６のステップ（２）に示すように、研削砥石１０を後退させてワークｗから離反させる。そして図６のステップ（３）に示すように再び前進させて研削砥石１０をワークｗに接触させるのであり、この接触開始点をＡＥセンサ１６の出力から検出し、この検出時点の砥石台３のＸ軸方向の第二の座標値Ｘ２を読み込む。次に図６のステップ（４）に示すように、これら座標値Ｘ１、Ｘ２の差値を演算し、この差値をワーク研削箇所の見なし撓み量ΔＬとする。そして図６のステップ（５）において、剛性演算手段２７が精研終了直前の研削抵抗を上記見なし撓み量ΔＬで除して剛性を算出する。

このように算出された剛性は、例えば、スパークアウト研削における研削抵抗による撓み量を特定する上で寄与するものであり、この撓み量を考慮した高精度な研削が可能となる。またスパークアウト研削において極微少の砥石台送りを実行する場合にワークｗの撓み量を一定値よりも小さく抑えるように研削する上でも寄与するのである。

また同一の研削盤により同一形状及び寸法のワークｗの同一箇所を研削する場合、同一研削箇所の剛性は同一であると推測されるのであり、したがって剛性の算出は最初の１本目のワークｗについてのみ実施し、２本目以降のワークｗの研削においてはこれの剛性の算出は行わず、一本目で算出された剛性を使用して実施して差し支えない。このさい、二本目以降の粗研、中粗研及び精研などの各段階において、ワークｗの撓み量を一定値よりも小さく抑えるように研削する上でも寄与する。

上記した剛性の算出ではワークｗの熱変形量を考慮してないが、上記の見なし撓み量ΔＬは厳密にはワークｗの実際の撓み量にワークｗの熱変形量が加わったものとなっている。この熱変形量を無視することが適当でない場合は上記の見なし撓み量ΔＬから熱変形量を減算してワークｗの実際の撓み量を算出し、先の精研終了直前の研削抵抗をこの実際の撓み量で除して厳密な剛性を算出する。

剛性算出時のワークｗの熱変形量は数値制御装置２１に組み込まれた熱変形量検出機能部２８により算出するのであって、該熱変形量検出機能部２８の作動について、図８及び図９を参照して説明する。

図８のステップ（１）に示すように、例えば図４に示すような研削条件でワークｗをスパークアウト直前まで切込み，そのときの研削抵抗（研削主分力でもよい）ｑｓを測定しておき、次に図８のステップ（２）に移行し、砥石台３を極微小量（２０μｍ程度）急速後退させて、ワークｗから研削砥石１０を離反させる。その状態でワークｗに回転を与えたまま研削液を注ぎ続ける作動を維持させる。一方では、図８のステップ（３）に示すように、砥石台３の急速後退時点から、定寸装置１５の出力する寸法信号により特定される熱変形量ｄθｗを微少時間間隔△ｔで検出する。こうして得られる熱変形量ｄθｗのデータは図９の（ａ）に示すようなものとなる。図８のステップ（４）では各検出時点ごとの熱変形量ｄθｗを任意な特定長さの判定間隔ｎ・△ｔで平均化することを繰り返す。そして図８のステップ（５）ではこの平均化処理が予め定めた測定時間Ｔｋまで繰り返されたかを判定し、繰り返されたときは図８のステップ（６）へ移行する。

図９（ａ）から判断されるように、１分程度で熱変形量ｄθｗは収束するが，研削能率の観点からは，この無駄時間を待つことはできない。そこで、図８のステップ（６）において、図９（ｂ）中のＴｋ（凡そ１０秒）の時点まで測定したデータを用いて、外挿推測データを作成する。この外挿推測データの関数は予め実験的に決定されるものである。

そして図８のステップ（７）では十分に収束した状態の熱変形量ｄθｋを確定するのであり、具体的には例えば外挿推測データにおいて、砥石台急速後退後の時間Ｔｓが７０秒〜８０秒経過したときの熱変形量ｄθｋを特定し、これを剛性算出時のワークｗの熱変形量とするのである。

この熱変形量ｄθｋを使用して算出された特定研削箇所の剛性は、システム系が変化しなければ、つまりワークの形状及び寸法と、加工条件が同一であれば変化することはない。したがって研削盤で同一の形状及び寸法のワークを順次に研削する場合には、最初の１本目のワークについてのみ剛性を算出しておけばよいのであり、２本目以降の研削にはこの剛性をそのまま使用することができる。

上記実施例では、スパークアウト直前で、剛性を算出する作動を行わせたが、これに限定するものではなく、例えば図４において粗研から中粗研へ移行するときに行われるバックオフ時に研撓み量を計測して剛性を算出するようにしてもよい。このように実施すれば、剛性算出のための砥石台３の後退を行う必要がなくなり、研削能率を高く維持する上で有益である。

本発明で使用されるＣＮＣ研削盤を示す平面図である。上記研削盤の砥石軸周辺の構造を示す断面図である。上記砥石軸周辺の変形例を示す図である。上記研削盤で実行される標準の研削過程を示す図である。上記研削盤による研削過程を示しており、Ａはプランジカット研削の説明図でＢはトラバースカット研削の説明図である。剛性を算出するときのフロー図である。剛性を算出するときの研削砥石及びワークの位置関係を示す説明図である。熱変形量検出機能部の作動を示すフロー図である。熱変形量検出機能部の作動により得られるデータを示す図である。

符号の説明

６主軸台（ワーク支持回転手段）
７心押し台（ワーク支持手段）
９主軸（ワーク支持手段）
１０研削砥石
１１砥石軸
１３ａ主軸センタ（ワーク支持手段）
１４心押しセンタ（ワーク支持手段）
１６ＡＥセンサ
２４砥石送り制御手段
２６撓み実測手段
２７剛性演算手段
ｑ研削抵抗
ｗワーク

Claims

ワークを支持し特定中心線回りへ回転させるワーク支持回転手段と、砥石軸回りへ回転されワークに対しワーク回転半径方向へ相対変位される研削砥石とを備えた研削盤において、ワークの研削中に研削抵抗に対応した出力を得るためのＡＥセンサと、研削中のワーク研削箇所の撓みを実測する撓み実測手段とを設けると共に、前記ＡＥセンサの出力から検出される研削抵抗の大きさと前記ワークの撓み量とから前記ワーク研削箇所の剛性を算出する剛性演算手段を設け、
さらに前記撓み実測手段が、前記研削砥石がワークに向かって切り込んでワークを研削している砥石台のＸ軸方向の第一の座標値を検出し、一方では前記第一の座標値から後退して前記研削砥石をワークから離し再度ワークに向かって進ませて前記研削砥石がワークに接触したときの砥石台のＸ軸方向の第二の座標値を検出し、これら第一及び第二の座標値に基づいてワーク研削箇所の撓み量を実測するものとなされていることを特徴とする研削盤。
前記撓み実測手段が、精研の終了直前のワーク研削箇所の撓みを実測する構成であることを特徴とする請求項１記載の研削盤。
前記撓み実測手段が、研削砥石がワークから離れた際の研削液による冷却時間経過に伴うワークの熱変形量を、前記第一及び第二の座標値に基づいて実測されたワーク研削箇所の撓み量から減算して厳密な撓み量を実測する構成であることを特徴とする請求項１又は２記載の研削盤。