JP6037510B2 - 加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、加工技術に関し、特に円筒状のワークの周面を高精度にラッピング加工できる加工装置に関する。

円筒状のワークの外周面や内周面を高精度に研磨することが求められている。円筒状のワークの加工は、一般に、研削や切削のようにワークを回転する主軸に取り付けて、その外周を砥石や刃物などの工具を用いて加工するのであるが、かかる工具は、一般的に可動の刃物台に固定され、加工時にワークの回転中心に沿って直線運動をする。そのため、ワークの振れや形状不良に関係なく、ワークを取り付けた主軸の回転軸からの距離で加工量が決まることとなる。また、主軸に回転振れがあると、それも工作物形状に影響する。したがって、精密に円筒形状を加工しようとする場合、予めワークの周面形状を測定しておいて、半径の大きいところ（高いところ）を割り出してラッピングをする必要がある。

非特許文献１には、精密円筒ラッピングについての研究結果が開示されている。しかしながら、簡素なラッピング装置で、高精度なラッピングは実用化されていないのが現状である。

「精密円筒ラッピングの研究（真円誤差補正条件について）」,進村武男、会沢利夫、日本機械学会論文集（Ｃ編）、４９巻４４５号（昭５８−９）

本発明は、かかる問題点に鑑み、簡素な加工装置を用いて、円筒状のワークに対して高精度にラッピング加工を行える加工装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の加工装置は、
相対回転する円筒状のワークに対して、軸線直交方向に移動可能に保持されたフレームと、
円筒状のワークの周面に対向して周方向に配置されたＮ（Ｎ≧２）個の研磨パッドと、
前記フレームに取り付けられてなり、前記研磨パッドを前記周面に向かって、それぞれ付勢する弾性部材と、を有し、
前記弾性部材の弾性係数はほぼ等しく、
前記円筒状のワークの軸線直交方向断面において、基準となる研磨パッドを１番目とし、それから時計回りに数えてｎ（但しｎ≦Ｎ）番目の研磨パッドの研磨面中心と、前記ワークの軸線とを結ぶ線分をＬ（ｎ）としたときに、全てのｎにおいて、線分Ｌ（ｎ）と、その隣の線分Ｌ（ｎ＋１）とのなす角度θ（ｎ）は、３６０°を整数で割り切れる角度ではなく、且つ他の隣接する線分のなす角度と異なっていることを特徴とする。但し、Ｌ（Ｎ＋１）は、線分Ｌ（１）と同一である。又、ほぼ等しい弾性係数とは、差が±５％以内の値をいう。

本発明者らは、ラッピング加工用の研磨パッドを保持したフレームを、円筒状のワークに対して固定した場合、ワークを回転する主軸等の回転振れの影響が大きくなることに鑑みて、円筒状のワークに対してフレームを軸線直交方向に可動としたものである。すなわち、フレームを、相対回転する円筒状のワークに対して、軸線直交方向に移動可能に保持し、且つフレームにほぼ同じ弾性係数の弾性部材を介して保持した複数の研磨パッドを、円筒状のワークの表面に接触させることで、フレーム中心は、常にワークの軸線直交断面形状の基礎円中心に来るから、ワークに回転振れが生じても、複数の研磨パッドは、常に同じ圧力でワークを加工できることを見いだしたのである。又、複数の研磨パッドが同じ圧力でワークの円周方向の，例えば３点を同時に加工することで、この３点の内もっとも高いところの加工量が大きくなり、ラッピングを行うことで自動的に真円に近づくことになる。加工点は３点に限られない。

ここで、Ｎ個の研磨パッドを３６０°で等分に振り分けると、半径方向のＮ山成分がとれなくなる。例えば加工点を３点（Ｎ＝３）とし、研磨パッドを１２０°毎に振り分けると、半径方向の３山成分が取れなくなる。これは真円度を測定する３点法で、３山成分が測定できないのと同じ原理である。どんな山数成分があっても、常に高いところの加工量が大きくなるようにするには、どの山成分に対しても真円度測定の時の拡大率が０にならないように、ラップの円周方向の位置を決める必要があるからである（「三点法による真円度測定法の一考察」、小尾誠他、日本機械学会論文集（Ｃ編）、５４巻５０６号（昭６３−１０）参照）。

これに対し、本発明によれば、円筒状のワークの軸線直交方向断面において、基準となる研磨パッドを１番目とし、それから時計回りに数えてｎ（但しｎ≦Ｎ）番目の研磨パッドの研磨面中心と、前記ワークの軸線とを結ぶ線分をＬ（ｎ）としたときに、全てのｎにおいて、線分Ｌ（ｎ）と、その隣の線分Ｌ（ｎ＋１）とのなす角度θ（ｎ）が、３６０°を整数で割り切れる角度ではなく、且つ他の隣接する線分のなす角度と異なるようにすることで、半径方向のＮ山成分を排除するようにし、高精度な真円になるようにワークをラッピングできるのである。

請求項２に記載の加工装置は、請求項１に記載の発明において、前記フレームは、架台に対して前記円筒状のワークの軸線に沿って配置されたワイヤにより、前記円筒状のワークの軸線直交方向に移動可能に支持されており、更に前記ワイヤを移動させることにより、前記フレームは、前記円筒状のワークの軸線方向に移動することを特徴とする。

本発明によれば、前記フレームは、例えば定盤等に設置された架台に対して、前記円筒状のワークの軸線に沿って配置されたワイヤで支持されているので、相対回転する円筒状のワークに対して、軸線直交方向に移動可能に保持されることとなる。又、前記ワイヤを移動させることにより、前記フレームは、前記円筒状のワークの軸線方向に移動するので、円筒状のワークを軸線方向にわたってラッピング加工することができる。尚、ワイヤは一例であって、ワークの軸線直交方向に移動可能であれば、ワイヤ以外にも、例えば、空気静圧を利用したオルダム式のスラスト軸受をフレームの上下に配置すると、より精度の高い軸が加工できる。

請求項３に記載の加工装置は、請求項１又は２に記載の発明において、前記円筒状のワークの軸線は重力加速度方向に延在していることを特徴とする。

これにより、重力の影響を排除して、高精度なラッピング加工を行える。しかしながら、前記円筒状のワークの軸線は水平方向又はそれ以外の方向に沿って延在していても良い。

請求項４に記載の加工装置は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記研磨パッドの研磨位置を調整する調節機構を設けたことを特徴とする。

これにより、ワークの半径に応じて研磨パッドの位置を調整できるので好ましい。

請求項５に記載の加工装置は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、前記円筒状のワークの軸線方向における前記研磨パッドの長さは、前記フレームの長さより長く、且つ前記研磨パッドは、前記ワークの周面の接線を軸として揺動可能に支持されていることを特徴とする。

前記研磨パッドを、前記フレームより長くすることで、ワークの最も高い位置から研磨することができ、且つ前記研磨パッドを、前記ワークの周面の接線を軸として揺動可能に支持することで、真円度を向上できる。

本発明によれば、簡素な加工装置を用いて、円筒状のワークに対して高精度にラッピング加工を行える加工装置を提供することができる。

本実施の形態にかかる加工装置の側面図である。 図１の構成をII-II線で切断して矢印方向に見た図である。 変形例にかかる研磨パッドの支持態様を示す図である。 別な変形例にかかる研磨パッドの支持態様を示す図である。 別な変形例にかかる研磨パッドの支持態様を示す図である。 研磨パッド８とワークＷの間が流体潤滑状態を示す模式図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本実施の形態にかかる加工装置の側面図である。図２は、図１の構成をII-II線で切断して矢印方向に見た図である。図１において、上下方向が重力加速度方向である。定盤Ｇ上に、架台１が設置されている。架台１は、定盤Ｇに接した下板１ａと、下板１ａに立設された４本の柱１ｂと、柱１ｂの上端に固定された上板１ｃとからなる。

上板１ｃの上部には、モータ２が設置されている。モータ２の回転軸２ａは、上板１ｃを貫通して下面側に至り、チャック３に接合されている。チャック３は、円筒状のワークＷを、センターとケレーにより一体的に回転するように保持している。

ワークＷの周囲には、非接触状態でリング状のフレーム４が配置されている。フレーム４は、３本のワイヤ５に連結されている。各ワイヤ５は、モータ２の回転軸２ａの軸線方向、すなわち重力加速度方向に沿って延在しており、その両端は巻き取り装置６に連結されている。巻き取り装置６の動作に従い、ワイヤ５が移動するので、それによりフレーム４は上下に移動可能となっている。尚、ワイヤ５のフレーム４への取り付け位置は、周方向に等間隔であると好ましい。

図２において、フレーム４の内周に、３つの取付部４ａが設けられており、取付部４ａには、弾性体であるコイルバネ７の一端がそれぞれ取り付けられている。フレーム４の径方向に延在するコイルバネ７の他端には、研磨パッド８が取り付けられている。３つのコイルバネ７の弾性係数（ばね定数）はほぼ等しい。

ここで基準となる研磨パッドを８（１）とし、図２で時計回りに隣接する研磨パッドを８（２）とし、更に時計回りに隣接する研磨パッドを８（３）とする。ワークＷの軸線と、研磨パッド８（１）の研磨面中心との線分をＬ（１），ワークＷの軸線と研磨パッド８（２）の研磨面中心との線分をＬ（２）、ワークＷの軸線Ｏと研磨パッド８（３）の研磨面中心との線分をＬ（３）とすると、線分Ｌ（１），Ｌ（２）のなす角度がα＝θ（１）、線分Ｌ（２），Ｌ（３）のなす角度がβ＝θ（２）、線分Ｌ（３），Ｌ（１）のなす角度がγ＝θ（３）とする。ここで、角度α、β、γは、互いに異なっており、且つ３６０°を整数で割り切れる角度ではない（α＋β＋γ＝360°、α≠β≠γ）。

以上を一般化すると、円筒状のワークＷの軸線直交方向断面において、基準となる研磨パッド８（１）を１番目とし、それから時計回りに数えてｎ（但しｎ≦３）番目の研磨パッドの研磨面中心と、ワークWの軸線Oとを結ぶ線分をＬ（ｎ）としたときに、全てのｎにおいて、線分Ｌ（ｎ）と、その隣の線分Ｌ（ｎ＋１）とのなす角度θ（ｎ）は、３６０°を整数で割り切れる角度ではなく、且つ他の隣接する線分のなす角度と異なっている
こととなる。

本実施の形態の動作について説明する。モータ２を回転させることで、チャック３とともにワークＷが回転し、静止している研磨パッド８がワークＷの外周面を研磨する。このとき、フレーム４は、ワイヤ５により吊り下げ保持されているので、ワークＷの軸線直交方向に移動可能である。従って、チャック３に回転振れが生じた場合には、コイルバネ７を介してフレーム４が力を受けて、ワークＷの軸線直交方向に移動し、フレーム４の中心は、常にワークＷの軸線直交断面形状の基礎円中心に来るので、回転振れによって研磨量が局所的に増減することを抑制できる。

ここで、ワークＷの外周形状が真円でない場合、外周半径が大きい場所に当たる研磨パッドの押しつけ力が増大し、他の研磨パッドに比べて研磨量が増えるので、外周面を繰り返し研磨加工することで、外周面を真円に近づけることができる。更に、巻き取り装置６の動作に従い、ワイヤ５が移動するので、ワークＷの軸線方向全体に渡ってラッピングを行うことができる。

本実施の形態によれば、角度α、β、γが互いに異なっており、且つ３６０°を整数で割り切れる角度ではないから、あらゆる山数の真円度不良を改善できる。

図３は、変形例にかかる研磨パッドの支持態様を示す図であり、ワークＷの軸線直交方向から見た図である。ワークＷの軸線方向において、研磨パッド８の長さΔ１は、フレーム４の長さΔ２より長く、フレーム４から上下にはみ出している。又、ワークＷの外周の接線を軸Ｑとして揺動できるように、コイルバネ７の内方端に対して枢支部７ａにより支持されている。これにより、ワークＷの最も高い（軸線から離れた）位置から研磨を行うことができ、真直度や円筒度が改善する。

図４は、別な変形例にかかる研磨パッドの支持態様を示す図であり、ワークＷの軸線方向に見た図であるが、理解しやすいように、研磨パッド１つについて示している。図４において、フレーム４には、一端を枢支されてなるレバー９が、揺動自在に取り付けられており、コイルバネ１０によりワークＷ側に向かって付勢されている。レバー９の他端は、板ばね１１を介して研磨パッド８に連結されている。又、フレーム４に螺合されたねじ部材１２の先端が、レバー９の側面に当接している。レバー９とねじ部材１２が、請求項でいう調整機構を構成する。

図４の例によれば、ワークＷの径が変わった場合には、ねじ部材１２の螺合量を変更して、フレーム４からの突き出し量を変え、レバー９の揺動角度を変更して、研磨パッド８の位置を調整する。これにより、径の異なるワークＷでも、研磨パッド８の押圧量を一定に出来、適切に研磨加工を行える。それ以外の構成及び効果は、上述した実施の形態と同様である。

図５は、別な変形例にかかる研磨パッドの支持態様を示す図であり、ワークＷの軸線方向に見た図であるが、理解しやすいように、研磨パッド１つについて示している。本例では、円筒状の内周面を持つワークＷを加工するためのものであり、ワークＷの内径より小さい外径のフレーム４を使用する。フレーム４の外周には、レバー９の揺動自在に支持する枢支部４ｂが形成されている。レバー９の一端と、フレーム４との間には、コイルバネ１０が配置されて、レバー９を反時計回りに付勢している。レバー９の他端は、板ばね１１を介して研磨パッド８に連結されている。又、レバー９に螺合されたねじ部材１２の先端が、フレーム４の外周面に当接している。レバー９とねじ部材１２が、請求項でいう調整機構を構成する。本例では、ワークＷを固定し、フレーム４を回転させている。

図５の例によれば、ワークＷの径が変わった場合には、ねじ部材１２の螺合量を変更して、レバー９の揺動角度を変え、研磨パッド８の位置を調整する。これにより、径の異なるワークＷの内周面でも、研磨パッド８の押圧量を一定に出来、適切に研磨加工を行える。それ以外の構成及び効果は、上述した実施の形態と同様である。

この加工装置全体を、研磨剤を懸濁した液中に浸しておくか、少なくとも、加工点付近に十分な懸濁液が供給されている状態で、ワークＷが回転するようにすると、図６に示すように、研磨パッド８とワークＷの間が流体潤滑状態になり、わずかな真円度の誤差に対しても、研磨パッド８とワークＷの間に発生する圧力差が大きくなり、本加工装置の動作と相まって、さらに真円度が向上する。

加工装置の姿勢は、ワークＷが垂直でも水平でも構わないが、重力の影響による３つの研磨パッド８の間に研磨量の差が生じるのを避けるためには垂直が好ましい。フレーム４に設けたコイルバネ７，１０の付け根に力センサを付加し、その出力をモニターすることで、加工進行状況、パッドの劣化状況等を監視できる。研磨パッドの代わりに、砥石を用いても良い。フレーム４とワークＷのいずれを回転させても良い。

１ 架台
１ａ 下板
１ｂ 柱
１ｃ 上板
２ モータ
２ａ 回転軸
３ チャック
４ フレーム
４ａ 取付部
４ｂ 枢支部
５ ワイヤ
６ 巻き取り装置
７ コイルバネ
８ 研磨パッド
９ レバー
１０ コイルバネ
１１ 板ばね
１２ ねじ部材

Claims (5)

1. 相対回転する円筒状のワークに対して、軸線直交方向に移動可能に保持されたフレームと、
   円筒状のワークの周面に対向して周方向に配置されたＮ（Ｎ≧２）個の研磨パッドと、
   前記フレームに取り付けられてなり、前記研磨パッドを前記周面に向かって、それぞれ付勢する弾性部材と、を有し、
   前記弾性部材の弾性係数はほぼ等しく、
   前記円筒状のワークの軸線直交方向断面において、基準となる研磨パッドを１番目とし、それから時計回りに数えてｎ（但しｎ≦Ｎ）番目の研磨パッドの研磨面中心と、前記ワークの軸線とを結ぶ線分をＬ（ｎ）としたときに、全てのｎにおいて、線分Ｌ（ｎ）と、その隣の線分Ｌ（ｎ＋１）とのなす角度θ（ｎ）は、３６０°を整数で割り切れる角度ではなく、且つ他の隣接する線分のなす角度と異なっていることを特徴とする加工装置。
2. 前記フレームは、架台に対して前記円筒状のワークの軸線に沿って配置されたワイヤにより、前記円筒状のワークの軸線直交方向に移動可能に支持されており、更に前記ワイヤを移動させることにより、前記フレームは、前記円筒状のワークの軸線方向に移動することを特徴とする請求項１に記載の加工装置。
3. 前記円筒状のワークの軸線は重力加速度方向に延在していることを特徴とする請求項１又は２に記載の加工装置。
4. 前記研磨パッドの研磨位置を調整する調節機構を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の加工装置。
5. 前記円筒状のワークの軸線方向における前記研磨パッドの長さは、前記フレームの長さより長く、且つ前記研磨パッドは、前記ワークの周面の接線を軸として揺動可能に支持されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の加工装置。

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