JP5679544B2

JP5679544B2 - 切削装置

Info

Publication number: JP5679544B2
Application number: JP2010098989A
Authority: JP
Inventors: 智敬小川; 亮川端
Original assignee: 株式会社ナーゲル・アオバプレシジョン
Priority date: 2010-04-22
Filing date: 2010-04-22
Publication date: 2015-03-04
Anticipated expiration: 2030-04-22
Also published as: JP2011224753A

Description

本発明は、ワークの所定領域を均質に研削することができる研削装置に係り、特にホーニング装置に適用してワークの全加工領域に亘って完全に均一なクロスハッチ線を形成することができる研削装置に関する。

各種ワークの内周面の研削加工に用いられる研削装置、例えば内研装置やホーニング装置は、通常、モータ等により一定の回転速度（周速度）で回転駆動される砥石を砥石回転軸に方向（ワーク長手方向）に往復移動させることにより所望の研削加工を行っている。特にエンジンのシリンダ内壁面等の研削に用いられるホーニング装置は、加工ヘッド（ホーニングヘッド）の周面に装着した複数の砥石を拡径しながら研削加工を行うことにより、真円度の高い研削加工を行っている。

特開２００１−３２８０６１号公報

ところで砥石の往復移動は、一般的には砥石がワークの両端部（上端と下端）からそれぞれ１／３程度突出する位置を移動方向の転向点（上死点,下死点）として、両転向点間を往復移動させている。この際、往復移動機構の構成上、転向点近傍においてその移動速度が低下してしまう。特に機械式の往復移動機構では、ボールねじ機構等に大きな慣性力が作用するので、むしろ積極的に砥石の移動速度を減速しながらその移動方向を反転させることが必要である。

このように転向点近傍において砥石の移動速度が低下すると、例えば図６に示すように、ワークＷの上端近傍領域Ｕおよび下端近傍領域Ｄにおけるクロスハッチ線の交差角θｕ、θｄが、その中央領域Ｃにおけるクロスハッチ線の一定の交差角θｃに比較して小さくなってしまう（図６はワークＷの研削面に形成されるクロスハッチの様子を周方向に展開して模式的に示している）。このようなワークＷの両端近傍に生じる不均一なクロスハッチは、ワークＷの全加工領域における研削面の均質性を損なう要因となる。

これに対処すべく従来においては、例えば特許文献１のような提案も行われている。特許文献１の研削装置はエンジンシリンダの内壁面を研削するホーニング装置であって、回転駆動機構により回転駆動される砥石をその回転軸（砥石回転軸）に沿って往復移動させる往復移動機構を備えている。そして、ワークの円筒状内壁面を研削することができ、前記往復移動機構により往復移動される砥石の転向点近傍における当該砥石の移動速度の変化に応じて、前記回転駆動機構による砥石の回転速度を減速制御している。しかしながら、この研削装置であっても、ワークの上端及び下端近傍における加工領域では「ダレ」が生じてしまう（即ち、クロスハッチ交差角がワーク中央領域におけるクロスハッチ交差角より小さくなってしまう）。その結果、ワークＷの全加工領域おいて完全に均一なクロスハッチを形成することはできなかった。

また、従来、転向点における砥石の回転速度については最低回転速度を設定するのが常識であり、転向点において砥石の回転速度をゼロにすることはなかった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、ワークの全加工領域において完全に均質な研削面を得ることができる研削装置を提供することである。特に本発明は、回転駆動しながらその回転軸方向に往復移動させる砥石の転向点近傍であるワークの両端部においても完全に均一なクロスハッチを形成することができ、簡易な制御の下で研削加工精度の向上を図ることのできるホーニング装置を提供することを目的としている。

上述した目的を達成するべく本発明は、砥石を回転駆動する回転駆動機構と、前記砥石をその回転軸に沿って往復移動させる往復移動機構とを備えてワークを研削する研削装置であって、前記往復移動機構により往復移動される前記砥石の転向点近傍における前記砥石の移動位置に基づいて前記回転駆動機構による前記砥石の回転速度を減速し、前記砥石が前記転向点に到達すると前記砥石の回転速度をゼロにする回転速度制御手段を備えたことを特徴とする研削装置を提供する。

本発明では、砥石の移動位置を検出して、当該砥石が転向点に近づいたことが検出されると、当該砥石の移動速度を減速すると共に当該砥石の回転速度（周速度）を減速する。そして、前記砥石が転向点に至ると、当該砥石の移動速度をゼロにすると共に当該砥石の回転速度（周速度）もゼロにする。

また、本発明によれば、砥石を回転駆動する回転駆動機構と、前記砥石をその回転軸に沿って往復移動させる往復移動機構とを備えてワークを研削する研削装置であって、前記往復移動機構により往復移動される前記砥石の転向点近傍における前記砥石の移動速度の変化に基づいて前記回転駆動機構による前記砥石の回転速度を減速し、前記砥石の移動速度がゼロになると前記砥石の回転速度もゼロにする回転速度制御手段を備えたことを特徴とする研削装置が提供される。

この研削装置では、砥石の移動速度の減速に応じて砥石の回転速度を減速する。前記砥石が転向点に至ると砥石の移動速度はゼロになるので、当該砥石の回転速度（周速度）はゼロにされる。

本発明に係る研削装置によれば、往復移動機構により往復移動される砥石の転向点における砥石の回転速度をゼロにしているので、特に砥石の転向点近傍であるワークの両端部においても完全に均一なクロスハッチを形成することができる。換言すれば砥石の往復移動速度と回転速度（周速度）との関係を完全に同期させることにより、クロスハッチ線の交差角をワークの全加工領域において完全に一定化することができる。よって、ワークの全加工領域において均質な研削面を形成することができる（研削精度の均質化を図ることができる）。従って、高い加工精度を発揮し得る簡易な構成の研削装置を提供することができる。

図１は本発明の一実施例に係る研削装置の一例であるホーニング装置の要部概略構成を示す図である。図２は図１に示すホーニング装置における制御系の構成例を示す図である。図３は図１に示すホーニング装置の動作タイミングを示す図である。図４はホーニング加工の様子をワーク（シリンダ）と共に示す概略図である。図５は本発明の研削装置を使用したホーニング加工によりワークに形成されるクロスハッチ線を説明するための図である。図６は従来の研削装置を使用したホーニング加工によりワークに形成されるクロスハッチ線を説明するための図である。図７は本発明の第２実施例の研削装置の制御ユニットを示すブロック図である。

以下、添付図面を参照して本発明の研削装置の一例であるホーニング装置について説明をする。

第１実施例

図１に示されているように、ホーニング装置のホーニングヘッド１の周面には複数の砥石２が設けられている。これら砥石２はホーニングヘッド１の周方向に等角度間隔で取り付けられている。砥石２はバネ力や油圧等により所定の圧力でホーニングヘッド１の径方向に押し出すことができるようになっている。ホーニングヘッド１は、アーム３に軸支されたシャフト（回転軸）４の下端に装着されている。アーム３上に設けられたモータ（回転駆動機構）５により、ホーニングヘッド１はシャフト４と一体に回転駆動される。アーム３はほぼ水平に延びており、シャフト４はアーム３の自由端近傍から垂直方向に延びている。ホーニングヘッド１は、シリンダ等のワークＷの円筒内に位置されて回転し、砥石２によりシリンダの内壁面を研削する。モータ５には、モータ５の回転速度を検出するための回転速度センサ５ａ（図２）が付設されている。

アーム３の基端部は往復移動機構であるボールねじ６に支持されており且つ基端部の回転が規制されるようにボールねじ６に取り付けられている。ボールねじ６の下端にはモータ７が設けられており、ボールねじ６はモータ７の駆動により回転する。アーム３はボールねじ６の回転に伴ってボールねじ６の軸方向（図１の矢印Ａ方向）に移動可能に設けられている。ボールねじ６の両端はホーニング装置本体の筐体部８に軸支されている。下側の筐体部８の下面にモータ７が設けられている。ホーニングヘッド１の回転軸（シャフト４）は前記ボールねじ６の軸方向に平行に設けられ、矢印Ｂで示すように水平面内で回転しながら矢印Ｅで示すように垂直方向に上下移動可能に支持されている。モータ７には、アーム３の位置を検出するための位置センサ９（図２参照）が内蔵されている。この位置センサ９は、モータ７の回転数（回転角度）をモニタすることによりボールねじ６の回転数（即ち、ボールねじ６の送り量）を検出しアーム３の位置を算出している。アーム３の上下移動とホーニングヘッド１の上下移動は一体的に行われるので、アーム３の位置が分かればホーニングヘッド１の位置がわかる。

アーム３に支持されたホーニングヘッド１は、例えばモータ７の正転駆動によるボールねじ６の回転によりアーム３と共に下方向に移動される。モータ７が逆転駆動されるとボールねじ６が逆向きに回転するので、ホーニングヘッド１はアーム３と共に上方向に移動される。従ってモータ７の正転／逆転駆動によりホーニングヘッド１が上下に往復駆動される。ワークＷの内面に形成されるべきクロスハッチの角度２θ（図５）は予め設定されている。

尚、図１ではモータ５をシャフト４に直接連結しモータ７をボールねじ６に直接連結したものとして模式的に示してあるが、実際には減速機構等の回転伝達系を介してモータ５、７の回転力がシャフト４、ボールねじ６に伝達される。またモータ５、７としては、好ましくは、高精度に回転速度を制御することができるサーボモータが用いられる。

ホーニング装置は制御ユニット１０を有しており、モータ５、７は制御ユニット１０に接続されている。制御ユニット１０の詳細は図２に示されている。以下、図２を参照して制御ユニット１０の構成と動作を説明する。制御ユニット１０は高さ管理部１１を有しており、高さ管理部１１には、ホーニングヘッド１の高さの上限ＵＬと下限ＤＬに関するデータが入力されると共に、位置センサ９によって検出されるホーニングヘッド１（アーム３）の高さ位置Ｈのデータが入力される。上限ＵＬと下限ＤＬはワークＷの加工仕様に応じて決められる値であり、切削加工が始まる前に制御ユニット１０に入力される。上限ＵＬと下限ＤＬはワークＷの加工仕様（加工領域）に応じて予め設定されてホーニングヘッド１の往復移動範囲を規定する高さ上限と高さ下限である。高さ管理部１１は回転速度・方向制御部１２に接続され、回転速度・方向制御部１２は駆動アンプ１３に接続され、駆動アンプ１３はモータ７に接続されている。モータ７は、高さ管理部１１により管理されるホーニングヘッド１の高さ位置Ｈのデータに従い、回転速度・方向制御部１２の制御の下で駆動アンプ１３を介して回転駆動される。高さ管理部１１は、上限ＵＬおよび下限ＤＬと、位置センサ９によって検出されるホーニングヘッド１（アーム３）の高さ位置Ｈとを比較する。高さ管理部１１は、常時は一定の移動速度Ｖｈでホーニングヘッド１を往復移動させるべく指令を発しているが、ホーニングヘッド１が転向点（上死点または下死点）近傍に到達したとき、その移動速度を減速させるべく減速指令を発する。更に、高さ管理部１１は、ホーニングヘッド１の高さ位置Ｈがその上限ＵＬまたは下限ＤＬに達したとき、ホーニングヘッド１の移動速度をゼロにし移動の向きを反転させるべく反転指令を発する。回転速度・方向制御部１２には関数テーブル１９が接続されている。

上記のような指令を高さ管理部１１から受けて作動する回転速度・方向制御部１２は、常時は一定の速度Ｖｈでホーニングヘッド１を上方向または下方向に移動するべく、モータ７を所定の回転速度で駆動する。そして高さ管理部１１が前記減速指令を発したとき、回転速度・方向制御部１２は関数テーブル１９の所定の関数に従ってホーニングヘッド１の移動速度Ｖｈを徐々に減速するべくモータ７の回転速度を徐々に減速する。また、高さ管理部１１が前記反転指令を発したとき、回転速度・方向制御部１２はモータ７の回転速度をゼロにし、モータ７の回転方向を反転させる。その後、回転速度・方向制御部１２はモータ７の回転速度を速やかに上昇させてホーニングヘッド１を一定の速度Ｖｈで移動させる。

尚、位置センサ９と高さ管理部１１によるホーニングヘッド１の上限ＵＬ及び下限ＤＬへの到達検出は省略することができる。省略する場合は、位置センサ９からの検出データは用いず、ホーニングヘッド１を設定ストロークだけ移動したならば（前記上限ＵＬまたは下限ＤＬに到達するはずである）、モータ７の回転を停止・反転すればよい。またモータ７の回転速度をフィードバック制御することで、ホーニングヘッド１の往復移動速度Ｖｈを、その往復移動範囲の全域において高精度に管理することも可能である。

上述した如くホーニングヘッド１の高さ位置に応じて可変制御されるモータ７の回転速度の情報は、モータ５に対する制御系（回転速度制御手段）に供給される。モータ５に対する制御系は、回転速度・方向制御部１２の出力側に接続された変換テーブル１４と、演算器１６と、ＰＩＤ制御部１７と、駆動アンプ１８と、回転速度センサ５ａと、フィードバッ回路１５とを含む。この制御系はホーニングヘッド１の高さ位置（モータ７の回転速度）に応じて変換テーブル１４を介して求められる情報を制御目標値としてモータ５の回転速度（ホーニングヘッド１の回転周速度Ｖθ）をフィードバック制御するように構成されている。具体的にはこの制御系は、モータ５の回転速度センサ５ａにより検出されたモータ５の回転速度を、フィードバック回路１５を介してフィードバックし、変換テーブル１４から求められる制御目標値としての設定速度情報との差分（回転速度のずれ）を演算器１６により求め、この差分を零（０）とするべくＰＩＤ制御部１７の制御の下で駆動アンプ１８を介してモータ５を回転駆動する。

このような制御系（回転速度制御手段）により、ホーニングヘッド１を回転駆動するモータ５の回転速度が当該ホーニングヘッド１の高さ位置に応じて、特にその往復移動の転向点近傍におけるホーニングヘッド１の移動速度Ｖｈの低下に応じて減速制御及び停止制御される。変換テーブル１４を介して求められるホーニングヘッド１の移動速度Ｖｈに対応した回転速度でモータ５が回転駆動され、その移動速度Ｖｈに見合う回転周速度Ｖθでホーニングヘッド１が回転・停止するように制御される。

上述したホーニング装置の動作タイミングが図３に示されている。図示されているように、ホーニングヘッド１の高さｈに応じてホーニングヘッド１の移動速度Ｖｈとその回転速度（周速度）Ｖθが制御される。即ち、所定の待機位置ＳＢに位置付けられたホーニングヘッド１をワークＷの内筒部まで下降させた後、砥石２をワークＷの内壁面に押し付け、同時にモータ５を駆動してホーニングヘッド１（砥石２）の回転駆動を開始する（タイミングｔ１）。このホーニングヘッド１（砥石２）の回転駆動は、その回転速度（周速度）Ｖθを速やかに所定の速度まで立ち上げることにより行われる。

その後、ホーニングヘッド１（砥石２）の回転速度（周速度）Ｖθを一定に保ちながらホーニングヘッド１を下降させ、予め設定された高さ下限ＤＬに近付いたならばホーニングヘッド１の下降速度Ｖｈを減速すると共に、その回転速度（周速度）Ｖθを減速する（タイミングｔ２）。そしてホーニングヘッド１が高さ下限ＤＬに到達したとき（タイミングｔ３）、ホーニングヘッド１の移動を停止すると共にホーニングヘッド１の回転を停止する。その後、ホーニングヘッド１の移動方向を反転させて上昇させると共に、その回転速度（周速度）Ｖθを速やかに前述した所定の速度まで高める。

所定の速度に達したならば、ホーニングヘッド１（砥石２）の回転速度（周速度）Ｖθを維持しながらホーニングヘッド１の上方移動を続ける。上昇するホーニングヘッド１（砥石２）が予め設定された高さ上限ＵＬに近付いたならば、ホーニングヘッド１の上昇速度Ｖｈを減速すると共に、その回転速度（周速度）Ｖθを減速する（タイミングｔ４）。そしてホーニングヘッド１が高さ上限ＵＬに到達したとき（タイミングｔ５）、ホーニングヘッド１の移動を停止すると共に回転も停止する。その後、ホーニングヘッド１の移動方向を反転させて下降させると共に、その回転速度（周速度）Ｖθを速やかに前述した所定の速度まで上昇させる。

尚、ホーニングヘッド１の回転速度（周速度）Ｖθを減速するとき（例えば、ｔ２からｔ３の間）、ワークＷに対する砥石２の押し付け力を調整して、研削加工条件を一定に保つようにしても良い。具体的には回転速度（周速度）Ｖθに応じて砥石２に加える押圧力を調整し、その切削粗さ（切り込み量）を調整するようにすれば良い。

図３に示されるように、ホーニング加工は、上述したホーニングヘッド１の回転速度（周速度）Ｖθの減速停止制御を伴う上下の往復移動を所定回数繰り返すことにより行われる。そしてワークＷに対するホーニング加工が終了したならば、ホーニングヘッド１の回転速度（周速度）Ｖθを一定に保ちながら一定の移動速度Ｖｈでホーニングヘッド１をワークＷから抜き出す（タイミングｔ６）。つまりホーニングヘッド１を所定回数往復移動させてワークＷの研削を終了する最終段階においては、前述した高さ上限ＵＬに応じてホーニングヘッド１の移動速度Ｖｈおよび回転速度（周速度）Ｖθをそれぞれ減速制御することなく、移動速度Ｖｈおよび回転速度（周速度）Ｖθを一定に保ちながらワークＷから抜き出してホーニング加工を終了する。

図５には上記のようにホーニング加工されたワークの内面が示されている。上記したようなホーニン加工を行うと、ワークＷに形成されるクロスハッチ線の傾斜角度は、ワークＷの全加工領域においてホーニングヘッド１の移動方向に応じて完全に一定（２θ）に保たれる。従ってクロスハッチ線の交差角２θがワークＷの全加工領域において一定となり、均質な研削面を得ることが可能となる。よって、本発明によれば、前述したような簡単な制御だけで研削品質の向上を図ることができる。図４は図５で使用されている符号Ｘ、Ｙ、θ、ａ、ｂを説明するための図である。Ｘはワーク水平方向を示し、Ｙはワーク垂直方向を示し、ａはワーク上端を示し、ｂはワーク下端を示している。

本実施例によれば、上述したようにホーニングヘッド１の回転速度を制御するので、ホーニングヘッド１の転向点（上死点,下死点）を、それぞれその軸方向に余裕を見込んで拡張設定する必要がない。換言すればワークＷの加工長に応じてホーニングヘッド１の往復移動長を設定することができ、必要最小限のストロークでホーニングヘッド１を往復移動させることで高効率に研削加工を実行することができる。

また、図５のような内壁を有するシリンダをエンジンに採用すると、燃費の向上と排気ガス中の有害成分の減少を達成することができる。

尚、本発明は上述した第１実施例に限定されるものではない。例えば、上記第１実施例ではモータ７を用いてホーニングヘッド１を上下に往復駆動する機械式のものについて説明をしたが、油圧シリンダを用いてホーニングヘッド１を上下に移動駆動するようにしても良い。

また、上記第１実施例において位置センサ９はモータ７の回転数（回転角度）をモニタしながらアーム３の位置を検出すると説明したが、アーム３の位置を直接的（機械的、光学的、磁気的）に検出するものでもよい。ホーニングヘッド１を上下に往復駆動する機構が油圧駆動型の場合には、位置センサにより油圧シリンダの作動位置を検出し、検出結果からアーム３の位置を算出しても良い。さらに、アーム３の位置からホーニングヘッド１の位置を求めるのではなく、ホーニングヘッド１の高さ位置を直接検出してホーニングヘッド１の回転速度を制御することも可能である。また、アーム３の垂直方向（矢印Ｅ方向）の移動速度を検出するセンサを設け、当該センサの検出結果（アーム３の移動速度の変化）に応じて砥石２の回転速度を減速・停止するようにしてもよい。アーム３の移動速度は砥石２の移動速度と同じであるので、上記のようにすると砥石２の移動速度の変化に基づいて砥石２の回転速度を制御（減速・停止）することになる。

第２実施例

次に図１、図３、図５及び図７に基づいて本発明の第２実施例を説明する。

上記した第１実施例では位置センサ９を使用して砥石２の移動位置を検出し、砥石２の移動位置（または移動速度）に基づいて砥石２の回転速度を制御（減速・停止）したが、第２実施例では位置センサ９を用いずに砥石２の移動速度の変化に基づいて砥石２の回転速度を減速・停止する。

第２実施例の基本構成は第１実施例（図１に示されている構成）と同じであるが、制御ユニットの構成が異なる。図７には第２実施例で用いられる制御ユニット２０が示されている。以下の説明において第１実施例と同じ要素には第１実施例と同じ符号を用いて説明する。また、第１実施例と同じ部分についての詳細な説明は省略する。

図７に示されているように、研削加工前に高さ上限ＵＬと高さ下限ＤＬが回転速度・方向制御部１２に入力される。高さ上限ＵＬと高さ下限ＤＬはワークＷの研削仕様（研削条件）に基づいて決められている。研削加工の上限ＵＬと下限ＤＬが入力されると、回転速度・方向制御部１２は砥石２の移動速度プロフィール（以下、設定移動速度プロフィールと称する）を作成する。砥石２の設定移動速度プロフィールとは、図３の「移動速度Ｖｈ」のようなプロフィールであり、上限ＵＬと下限ＤＬの間で、砥石２がどのような速度変化をするかを設定するものである。この設定移動速度プロフィールは関数テーブル１９に基づいて作成される。関数テーブル１９は実験及び／または理論計算等により、予め用意しておく。設定移動速度プロフィールに基づいて、回転速度・方向制御部１２は駆動アンプ１３を介してモータ７を駆動する。よって、砥石２の垂直方向の移動速度は図３の「移動速度Ｖｈ」のような変化をする。

砥石２の設定移動速度プロフィールが設定された後、研削加工の上限ＵＬと下限ＤＬの間で砥石２の回転速度（つまりモータ５の回転速度）がどのように変化すべきか（以下、設定回転速度プロフィールと称する）を変換テーブル１４に基づいて決める。モータ５の設定回転速度プロフィールは図３の「回転速度Ｖθ」のようなプロフィールである。第２実施例では、回転速度・方向制御部１２の出力（つまり、設定移動速度プロフィール）に基づいて変換テーブル１４により設定回転速度プロフィールを作成する。変換テーブル１４は実験及び／または理論計算等により予め用意しておく。

変換テーブル１４から出力されるものは第１実施例と同じである。即ち、モータ５の制御目標値である。この制御目標値と、実際のモータ回転速度（センサ５ａの出力１５）との差分がゼロになるように演算子１６及びＰＩＤ制御部１７を用いてフィードバック制御を行う。このフィードバック制御の動作内容は第１実施例と同じである。

第２実施例では、予め作成された設定移動速度プロフィールに基づいて砥石２の移動速度が制御される。移動速度制御の詳細は図３の「移動速度Ｖｈ」と同じであり、常時は一定速度で砥石２を移動し、転向点近傍になると移動速度を減速し、転向点に至ると移動速度をゼロにして、移動方向を反転する。この移動速度の変化に応じて、砥石２の回転速度が設定回転速度プロフィールに基づいて制御される。設定回転速度プロフィールの詳細は図３の「回転速度Ｖθ」と同じであり、常時は一定速度でホーニングヘッド１を回転し、転向点近傍になると回転速度を減速し、転向点に至ると回転速度をゼロにする。よって、第１実施例と同じようにワークの全加工領域において完全に均一なクロスハッチ角度（図５）を得ることができる。

１ホーニングヘッド
２砥石
３アーム
５モータ
６ボールねじ
７モータ
９位置センサ
１０制御ユニット

Claims

砥石を回転駆動する回転駆動機構と、前記砥石をその回転軸に沿って往復移動させる往復移動機構とを備えてワークを研削する研削装置であって、前記往復移動機構により往復移動される前記砥石の転向点近傍における前記砥石の移動速度の変化に基づいて前記回転駆動機構による前記砥石の回転速度を減速し、前記砥石の移動速度がゼロになると前記砥石の回転速度をゼロにすると共に、前記砥石の移動速度の変化と回転速度の変化を研削の間、常に同期させる回転速度制御手段を備えたことを特徴とする研削装置。
前記砥石の移動速度の変化を検出する移動速度検出手段を更に備え、前記回転速度制御手段は前記移動速度検出手段の検出値に基づいて前記砥石の回転速度を減速することを特徴とする請求項１に記載の研削装置。
前記回転速度制御手段は、前記ワークに形成される研削溝の角度がワーク全域において同一となるように、前記砥石の移動速度と回転速度を同期変化させることを特徴とする請求項１または２に記載の研削装置。