JP5220367B2 - 精密ロール旋盤およびロール微細加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、精密ロール旋盤に係り、特に、加工前にワークとバイトの位置合わせを行うときに、ダイヤモンドバイトにチッピングが生じないように改良した精密ロール旋盤に関する。

ロールを加工する工作機械には、ロール旋盤がある。ロール旋盤は、ダイヤモンドバイトなどを取り付けた刃物台を往復台に設置した旋盤である。主軸台でロールを回転させ、往復台を前後方向（Ｘ軸）に送りながら周方向の溝を加工するのが基本的な使い方である。軸方向に溝を加工する場合は、主軸台（Ｃ軸）でロールを割り出しながら、往復台を左右方向（Ｚ軸）に高速移動させることにより、軸方向に溝を創生することができる。

近年、機械制御技術の進歩によって、旋盤による超精密加工が実現されている。これにより、旋盤でも光学レンズの成形に用いる金型を加工できるようになってきている。例えば、本出願人は、フレネルレンズ成形用の金型を加工する立旋盤を提案している（特許文献１）。この立旋盤では、フレネルレンズ成形金型のＶ形レンズ溝を高精度に加工することができる。

最近では、液晶パネルのバックライトに使用されるレンチキュラーレンズシート、クロスレンチキュラーレンズシート、プリズムシートなどを押出成形により成形することが検討されている。

そこで、本出願人は、これらのレンズシートの押出成形に用いるロールを加工する精密ロール旋盤を提案している（特許文献２乃至６）。
特開２００４−３５８６２４号公報 特願２００６−１３００６６号 特願２００６−１３５５６０号 特願２００６−１５６３８８号 特願２００６−１６５１４４号 特願２００６−１６６４０４号

この種の旋盤による超精密加工では、旋盤の刃物台に使用するダイヤモンドバイトへの精度要求がますます大きくなってきている。このため、バイトの負担が増大し、バイトの摩耗、チッピングが起きないようにする方法を確立することが急務の課題とされている。
特に、ロール旋盤では、加工前の準備として、バイトとワークの関係を把握するため、刃物台を動かしてバイトの先端をワークに当てる作業が行われる。このとき、バイトの刃先にチッピングが生じやすいことが指摘されている。これは次のような理由があるからである。

実際には、加工をする前のワークは、あらかじめその形状が正確にわかっているわけではない。また、ワークの表面にはメッキ等でコーティングされていることが多い。さらに、ワークを機械に取り付ける時に芯が出てないことがある。このため、ロール状のワークの場合、同軸度、真円度は厳密には出ていないので、バイトの先端がどの位置でワークに当たるのか、加工範囲のどの位置では、切込はどれぐらいになるのかは実際にやってみないとわからない。

そこで、加工する前に一度、刃物台を動かしてバイトをワークの表面に当てて、機械のどの位置でバイトの先端とワークの距離が０になるかを調べている。バイトの刃先とワークの距離が０になる位置がわかったら、その位置とワークの全面加工を行う。超精密加工は、全面が加工できた後で行うことになる。

従来、機械にワークを取り付けた後、最初にバイトを接触させるためバイトを移動させる方向は、ワークの中心に向かってワーク表面を突く方向になる。このような方向は、ダイヤモンドバイトの刃先にチッピングを生じさせる原因となる。ダイヤモンドの結晶構造の性質上、ダイヤモンドバイトはワークをすくう方向には強くなっているが、突く方向には強く作られていないからである。特に、超精密加工に用いるダイヤモンドバイトでは、その刃先は鋭くなっているため、突っ込むときの衝撃により、チッピングが生じやすい。

また、ロールの超精密加工では、微細加工の範囲が広い。例えば、長さ７５０mm×直径３１０mmのロールを加工する範囲は、７５０mm×９７３mmの平板加工に相当する。このため、バイトへの負荷が重く摩耗が大きいという問題がある。

そこで、本発明の目的は、前記従来技術の有する問題点を解消し、加工の前にバイトの刃先をワークに突く方向から当てて、バイトとワークの位置合わせを行なう必要をなくし、バイトへの負担を軽減し、特に、ダイヤモンドバイトの場合に、刃先のチッピングをなくし、ダイヤモンドバイトによる超精密加工を保証できるようにした精密ロール旋盤を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、微細加工範囲が広くなるロール加工を高精度に実現できるように、バイト刃先のチッピングをなくし、バイトへの負荷を低減し得るロール微細加工方法を提供することにある。

前記の目的を達成するために、本発明は、ベッドと、前記ベッド上に設置され、ワークであるロールの一端をチャックで保持しながら該ロールに回転を与える主軸を有する主軸台と、前記主軸台に対向して前記ベッド上に配置され、前記ロールの一端を回転自在に支持する心押台と、前記ロールの長手方向（Ｚ軸）を移動可能に前記ベッド上に設置されたサドルと、ロールの長手方向と直角の方向（Ｘ軸）に移動可能に前記サドル上に設置されたテーブルと、前記テーブル上に設置され、バイトが取り付けられた刃物台を有する旋回台と、を備え、前記刃物台は、複数本のバイトが固定された刃物台本体と、前記刃物台本体に取り付けられ前記刃物台本体に固定された前記バイトとは別のバイトを前記ロールの長手方向と直角でかつバイト刃先のすくい方向に移動させる直線軸（Ｙ軸）を構成するバイト移動機構と、を有することを特徴とするものである。
また、本発明は、ワークであるロールの一端をチャックで保持しながら該ロールに回転を与える主軸を有する主軸台と、主軸台に対向してベッド上に配置され、前記ロールの一端を回転自在に支持する心押台と、前記ロールの長手方向（Ｚ軸）を移動可能に前記ベッド上に設置されたサドルと、ロールの長手方向と直角の方向（Ｘ軸）に移動可能に前記サドル上に設置されたテーブルと、前記テーブル上に設置され、バイトを前記ロールの長手方向と直角でかつバイト刃先のすくい方向（Ｙ軸）に移動可能な刃物台を有する旋回台と、を備えた精密ロール旋盤を用いて前記ロールの表面に微細な溝を精密加工をするロール微細加工方法において、前記バイトを、前記ロールの中心線を含むＸ−Ｚ平面よりも下の位置であって、バイトが前記Ｙ軸方向上方に移動すると前記ロールの表面に刃先が接触すると想定される位置に位置決めする工程と、前記バイトの刃先がすくい方向から前記ロールに接触するまで当該バイトを前記Ｙ軸方向に移動させる工程と、前記バイトの刃先と前記ロールとの距離が０になったＸ軸上の位置を固定し、前記バイトをＺ軸方向に送り、前記ロールに全面加工を行い加工の基準を確立する工程と、前記バイトをすくい方向から前記ロールに切り込み、前記ロールの表面に微細な溝を１本ずつ加工する超精密本加工の工程と、からなることを特徴とするものである。

また、本発明では、バイト移動機構は、前記刃物台本体に一体的に前記刃物台本体に取り付けられる刃物台アタッチメントとして構成することができる。

本発明では、前記刃物台アタッチメントは、刃物台に取り付けられるアタッチメント本体と、Ｙ軸サーボモータと、Ｙ軸方向のバイトの位置を検出する位置検出器と、バイトを保持するバイトホルダを有する可動体と、サーボモータの出力を前記バイトホルダに伝動するボールねじ機構と、が一体的にユニット化されたアタッチメントでとして構成することができる。

本発明によれば、加工の前にバイトの刃先をワークに突く方向から当てて、バイトとワークの位置合わせを行なう必要がなくなるので、バイトへの負担を軽減し、特に、ダイヤモンドバイトの場合に、刃先のチッピングをなくし、ダイヤモンドバイトによる超精密加工を保証することができる。

また、本発明によれば、ロールに微細な溝を１本加工するごとに、バイトの刃先をワークに突く方向から当てる代わりに、すくう方向から入れられるので、バイトの刃先への負担が軽くなり、微細加工範囲が広くなるロール加工を高精度に実現できるようにバイトの摩耗を低減することができる。

以下、本発明による精密ロール旋盤の一実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
図１および図２において、参照番号１０は、ベッドを示す。このベッド１０の上には、主軸台１２、心押台１４、往復台１６が配置されている。ワークはロール形状のロールＷであり、主軸台１２と心押台１４とで回転自在に支持されている。
主軸台１２は、ベッド１０の長手方向の一端部に配置されている。この主軸台１２は、本体部１７と、主軸１８と、この主軸１８の先端に取り付けられたチャック１９と、主軸１８を駆動するサーボモータ２０を含む。主軸１８は本体部１７に内蔵されている図示しない油静圧軸受により支持されている。チャック１９は、ロールＷの軸を把持し、主軸１８の回転をロールＷに伝達する。

この主軸台１２では、主軸１８を駆動するサーボモータ２０は、主軸１８を直接駆動するビルトイン型のサーボモータとして構成されている。主軸１８の回転量は、エンコーダ２３により検出される。このエンコーダ２３の検出信号をフィードバックして主軸１８の位置制御および速度制御を行うことにより、主軸台１２にはロールＷの円周方向の割出しを行う割出し軸（Ｃ軸）としての機能と、主軸１８を一定の回転数（数百回転まで）で連続回転させる機能が付加されている。

次に、図１、図２において、心押台１４は、主軸台１２に対向してベッド１０上に配置されている。ベッド１０の上面には図示しない案内面が設けられ、心押台１４は移動可能に設置されている。心押台１４は、従来一般の心押軸の代わりに主軸２４を備えており、この主軸２４に取り付けたチャック２５でロールＷの軸を回転自在に支持する。このような心押台１４は、サーボモータを持たない点を除いて基本的な構成は主軸台１２と同様のものである。

次に、往復台１６について説明する。
往復台１６は、ロールＷの軸方向に移動可能にベッド１０上に設置されているサドル２６を含む。このサドル２６の上には、ロールＷの軸方向と直角な方向に移動可能にテーブル２８が設置されている。

本実施形態の精密ロール旋盤では、サドル２６を送る軸がＺ軸で、サドル２６上でテーブル２８を送る軸がＸ軸である。そして、この精密ロール旋盤では、Ｘ軸、Ｚ軸の他、主軸台１２にはＣ軸、テーブル２８に設けられた刃物旋回台３０にはＢ軸および、以下に詳細に説明するように、バイトを昇降させるＹ軸が設けられており、合計５軸制御の工作機械である。

図３は、刃物旋回台３０の正面を示す。刃物旋回台３０の上には、刃物台３２が取り付けられている。この実施形態の場合、刃物台３２は、刃物台本体３３と、刃物台アタッチメント３４とから構成されている。刃物台アタッチメント３４は、刃物台本体３３に対して着脱できる。

刃物台本体３３には、周方向に所定の間隔でバイト３１が配列されている。この実施形態では、バイト３１が３本、刃物台３２を９０度ごとに旋回させることで割り出せるようになっているが、バイト３１を４本にして旋回６０度毎に割り出すようにするなど、種々の形態がある。刃物台本体３３には、超精密加工の場合にはダイヤモンドバイトが使用される。なお、この刃物台本体３３に取り付けられているバイト３１の高さ位置（芯高）は、機上で測定して手動で調整可能となっている。

次に、刃物台アタッチメント３４によって構成されたバイト移動機構について説明する。図４において、この刃物台アタッチメント３４は、アタッチメント本体３５と、Ｙ軸サーボモータ３６と、リニアスケール３７と、Ｙ軸方向、すなわち上下方向に移動可能な可動ブロック３８と、バイトホルダ３９と、ボールねじ機構４０を含む。

Ｙ軸サーボモータ３６は、減速機４１を介して、ボールねじ４３と連結されている。可動ブロック３８の上部には、ボールねじ４３に螺合するボールナット４４が固定されている。可動ブロック３８の下部には、バイトホルダ３９が固定されている。このバイトホルダ３９には超精密加工に用いるダイヤモンドバイト４２が取り付けられている。なお、４５は可動ブロック３８の移動を案内するガイドである。

このような刃物台アタッチメント３４は、アタッチメント本体３５のフランジ部３５ａにボルトを締め込むことで、刃物台本体３３に取り付けることができる。 このような刃物台アタッチメント３４により構成されるバイト移動機構は、バイトホルダ３８に取り付けられたダイヤモンドバイト４２を上下に移動させることができ、本実施形態のロール旋盤では、Ｙ軸を構成している。

次に、ロール旋盤のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸と、ダイヤモンドバイト４２の移動方向との関係について説明する。
図３において、Ｙ軸によりダイヤモンドバイト４２の移動する方向は、ロールＷとの関係では、回転するロールＷにおいて、ダイヤモンドバイト４２の刃先がすくい角をもってロールＷの表面をすくうように切削していく切削方向と平行な方向（すくい方向）である。これに対して、Ｘ軸によりダイヤモンドバイト４２が移動する方向は、ロールＷの半径方向、すなわち、ダイヤモンドバイト４２の刃先がロールＷの中心に向かって突き込む方向と平行な方向である。Ｚ軸で移動する方向は、ロールＷの長手方向である。

なお、刃物台アタッチメント３４を取り外した場合には、刃物台本体３３に取り付けてあるバイト３１を使って加工することもできる。この場合、刃物台本体３３は、旋回軸Ｂ軸回りに旋回することができるので、必要なバイト３１を割り出すことができる。また、刃物台本体３３では、バイト３１の刃先の高さ位置（Ｙ軸方向）は、バイト３１の下に図示しないライナをおいておくことにより、ライナの厚さで調整することができるようになっている。

本実施形態による精密ロール旋盤は、以上のように構成されるものであり、刃物台本体３３に刃物台アタッチメント３４を取り付けた場合の加工について説明する。
加工前には、ロールＷを、主軸台１２と心押台１４に取り付けるときに芯出しを行なってから、次のようにして、ロールＷと、刃物台アタッチメント３４のダイヤモンドバイト４２の位置関係を把握する作業を行う。

まず、図３において、刃物台本体３３に取り付けてある刃物台アタッチメント３４が、ロールＷに向ようにＢ軸で割り出す。そして、テーブル２８ごと刃物旋回台３０をＸ軸で送って、ダイヤモンドバイト４２を図３に示す位置で停止させる。

この位置では、ダイヤモンドバイト４２の刃先は、ロールＷの中心線を含むＸ−Ｚ平面上よりも下の位置にあるとともに、Ｙ軸で上方に移動させるとロールＷに刃先が接触すると想定される位置になっている。このようなダイヤモンドバイト４２の位置は、あらかじめ機上での測定等によってわかっているとする。

次いで、図４において、刃物台アタッチメント３４では、Ｙ軸サーボモータ３６に駆動された可動ブロック３８とともにダイヤモンドバイト４２が上昇する。そして図５においてダイヤモンドバイト４２の刃先がロールＷの表面に接触すれば、このときのＸ軸上の位置は、ダイヤモンドバイト４２の刃先とロールＷの距離が０になっていることがわかる。

以上のようにして、本実施形態によれば、刃物台本体３３に刃物台アタッチメント３４を取り付けることにより、ダイヤモンドバイト４２を切削方向に動かすことが可能な直線軸Ｙ軸を付加することができる。

これにより、従来行われていた加工前のバイトとワークとの位置合わせにおいては、ダイヤモンドの結晶構造の性質上、衝撃に弱い方向である突く方向にダイヤモンドバイト４２を動かす必要がなくなる。

Ｙ軸の方向は、ダイヤモンドバイト４２の刃先がロールＷの表面をすくう方向に一致しており、最初にダイヤモンド４２を接触させる場合には、ロールＷの表面をすくう方向になる。当然のことながら、この方向にはダイヤモンドバイトの刃先の強度はダイヤモンドの性質から極めて強くなっている。したがって、その刃先（エッジ）が鋭くなっている超精密加工に用いるダイヤモンドバイトであっても、刃先にチッピングを生じさせることはなく、安全かつ正確にダイヤモンドバイト４２とロールＷの位置合わせの作業を行うことができる。

こうして、ダイヤモンドバイト４２の刃先とロールＷの距離が０になるＸ軸上の位置がわかったら、そのＸ軸上の位置を固定して、ダイヤモンドバイト４２をＺ軸で送ってロールＷの加工範囲に全面加工を行う。この全面加工により、加工の基準が確立する。ダイヤモンドバイト４２による超精密本加工は、その後で行うことになる。

この超精密本加工では、例えば、ロールＷの全面に亘って微細な溝を周方向に加工する。この場合、ロールＷに微細な溝を１本加工するごとに、ダイヤモンドバイト４２の刃先をロールＷに突く方向から当てる代わりに、Ｙ軸を使ってすくう方向から入れられるので、ダイヤモンドバイト４２の刃先の負担が軽くなる。すなわち、ロールＷに微細な溝を加工する場合、加工範囲が広くなる上に、微細な溝であるがゆえに溝の本数が膨大な数になる。このため、１本の溝の加工が終了して次の溝を加工する度に、上記のようにＹ軸を使ってすくう方向からダイヤモンドバイト４２を入れることにより、ダイヤモンドバイト４２の刃先の負担が軽くなり、ロール１本の本加工全体ではダイヤモンドバイト４２の摩耗を低減させる効果が顕著なものとなる。

なお、本実施形態の精密ロール旋盤では、刃物台本体３３から刃物台アタッチメント３４を取り外しても、刃物台本体３３のバイト３１により、通常のロール旋盤の用法にしたがって、ロールを加工することができることはもちろんである。

以上、本発明に係る精密ロール旋盤について、刃物台アタッチメントを取り付けることより、Ｙ軸を付加する実施形態を挙げて説明したが、本発明は、この実施形態に限定されるものではなく、当初から固定的にＹ軸を構成するようにしてもよい。

本発明の一実施形態による精密ロール旋盤を示す側面図である。 同精密ロール旋盤の平面図である。 本発明の一実施形態による精密ロール旋盤の刃物台に刃物台アタッチメントが取り付けられた状態を示す側面図。 刃物台アタッチメントを示す側面図。 刃物台アタッチメントでバイトが移動し、ロールと接触した状態を示す側面図。

符号の説明

１０ ベッド
１２ 主軸台
１４ 心押台
１６ 往復台
２６ サドル
２８ テーブル
３０ 刃物旋回台
３１ バイト
３２ 刃物台
３３ 刃物台本体
３４ 刃物台アタッチメント
３６ Ｙ軸サーボモータ
３８ 可動ブロック
３９ バイトホルダ
４０ ボールねじ機構
４２ ダイヤモンドバイト
Ｗ ロール

Claims (5)

1. ベッドと、
   前記ベッド上に設置され、ワークであるロールの一端をチャックで保持しながら該ロールに回転を与える主軸を有する主軸台と、
   前記主軸台に対向して前記ベッド上に配置され、前記ロールの一端を回転自在に支持する心押台と、
   前記ロールの長手方向（Ｚ軸）を移動可能に前記ベッド上に設置されたサドルと、
   ロールの長手方向と直角の方向（Ｘ軸）に移動可能に前記サドル上に設置されたテーブルと、
   前記テーブル上に設置され、バイトが取り付けられた刃物台を有する旋回台と、を備え、
   前記刃物台は、複数本のバイトが固定された刃物台本体と、前記刃物台本体に取り付けられ前記刃物台本体に固定された前記バイトとは別のバイトを前記ロールの長手方向と直角でかつバイト刃先のすくい方向に移動させる直線軸（Ｙ軸）を構成するバイト移動機構と、を有することを特徴とする精密ロール旋盤。
2. バイト移動機構は、前記刃物台本体に一体的に前記刃物台本体に取り付けられる刃物台アタッチメントとして構成されたことを特徴とする請求項１に記載の精密ロール旋盤。
3. 前記刃物台アタッチメントは、刃物台に取り付けられるアタッチメント本体と、Ｙ軸サーボモータと、Ｙ軸方向のバイトの位置を検出する位置検出器と、バイトを保持するバイトホルダを有する可動体と、サーボモータの出力を前記バイトホルダに伝動するボールねじ機構と、が一体的にユニット化されたアタッチメントであることを特徴とする請求項２記載の精密ロール旋盤。
4. 前記刃物台アタッチメントに取り付けられるバイトは、ダイヤモンドバイトであることを特徴とする請求項３に記載の精密ロール旋盤。
5. ワークであるロールの一端をチャックで保持しながら該ロールに回転を与える主軸を有する主軸台と、主軸台に対向してベッド上に配置され、前記ロールの一端を回転自在に支持する心押台と、前記ロールの長手方向（Ｚ軸）を移動可能に前記ベッド上に設置されたサドルと、ロールの長手方向と直角の方向（Ｘ軸）に移動可能に前記サドル上に設置されたテーブルと、前記テーブル上に設置され、バイトを前記ロールの長手方向と直角でかつバイト刃先のすくい方向（Ｙ軸）に移動可能な刃物台を有する旋回台と、を備えた精密ロール旋盤を用いて前記ロールの表面に微細な溝を精密加工をするロール微細加工方法において、
   前記バイトを、前記ロールの中心線を含むＸ−Ｚ平面よりも下の位置であって、バイトが前記Ｙ軸方向上方に移動すると前記ロールの表面に刃先が接触すると想定される位置に位置決めする工程と、
   前記バイトの刃先がすくい方向から前記ロールに接触するまで当該バイトを前記Ｙ軸方向に移動させる工程と、
   前記バイトの刃先と前記ロールとの距離が０になったＸ軸上の位置を固定し、前記バイトをＺ軸方向に送り、前記ロールに全面加工を行い加工の基準を確立する工程と、
   前記バイトをすくい方向から前記ロールに切り込み、前記ロールの表面に微細な溝を１本ずつ加工する超精密本加工の工程と、
   からなることを特徴とするロール微細加工方法。

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