JP6096827B2 - ワーク保持装置および超仕上装置 - Google Patents

Description

本発明は、円柱状のワークの周面を研削するときのワークを保持する装置およびこの装置を備えた超仕上装置に関する。

ワークにおける外観が円柱状部分の周面を研削または研磨（以下、これらを「研削」という）する方法として、センターレス加工が知られている。センターレス加工では、いずれも断面が円形の砥石および調整車の間に工作物を挟み、これらを略同方向に回転させながらワークの周面の研削を行う（非特許文献１）。センターレス加工は、ワークのセンター（軸心）を特定（支持）することなく断面円形のワークを回転させて周面を均一に研削できる利点を有する。

センターレス加工の例として、エンジンのバルブ表面を研削する方法および装置が提案されている（特許文献１）。特許文献１で提案されたエンジンのバルブ表面を研削する方法は、砥石と調整車との間にバルブの円柱部分を収め、この部分を研削しながら同時にバルブの弁本体（円柱部分の一方の端における朝顔状に拡がる部分）の外周を別の砥石（砥石１１）で研削する。バルブは、砥石と調整車との間のブレード１３により円柱部分が保持（下方への落下が防止）される。軸方向については、弁本体側への移動が砥石１１により制限され、弁本体とは逆側への移動がストッパ１４により制限される。つまり、バルブは、その表面の研削処理において、ブレード１３、弁本体研削用砥石１１およびストッパ１４によって研削環境に維持される。

特開２００５−１９３３５９号公報

ＵＲＬ：https://www.techplaza.city.higashiosaka.osaka.jp/word/centerless_grinding.html、センターレス研削（心なし研削）

特許文献１に提案されたセンターレス研削方法は、研削中にワークを軸方向に移動させ
ない、停止研削と呼ばれるものである。ここでは砥石１１およびストッパ１４は、研削環境にワークを維持する重要な役割を有する。すなわち、特許文献１に提案された研削方法は、ワークの軸方向の両端、つまり一方の端面および他方の弁本体をそれぞれ砥石１１およびストッパ１４に当接させることで軸方向への移動を制限する。

しかし、この方式では、エンジンのバルブのような重量物でなくワークが軽量な場合には、（その回転の運動エネルギが小さいために）軸方向両端とこれらに接して移動を制限するストッパ等との摩擦抵抗の影響を受けやすく、ワークの円滑な回転が妨げられて研削に支障が生ずるおそれがある。この問題は、エンジンのバルブに限られず、円柱状部分の軸心を直接に支持しないでワークを回転させ、ワーク周面を研削等する場合に共通する。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、ワークの外周を研削する場合等の、ワークを円滑に回転させるワーク保持装置を提供することを目的とする。

本発明に係るワーク保持装置は、断面が円形の周面を有してその一方の端面に断面円形の孔が開口するワークをその周方向に回転可能に保持するためのものである。
ワーク保持装置は、一対のローラ、端面係止装置および押圧装置を備える。
一対のローラは、いずれも回転可能で回転軸に直交する断面が円形であって互いの回転軸が平行であり、かつそれぞれの周面が間隔を有して対向するように配置されて、対向するそれぞれの周面が協働してワークの周面を保持可能に構成される。

端面係止装置は、ローラに保持されたワークの一方の端に接して当該一方の方向へのワークの移動を制限する凸状の係止面を有する。
押圧装置は、係止面から離れて係止面に対向し係止面に向けて流体を吐出するノズルを有し、一対のローラがワークを保持するときノズルの先端が孔に進入可能に構成される。
本発明に係る他のワーク保持装置は、断面が円形の周面を有するワークをその周方向に回転可能に保持するワーク保持装置である。その基本的構成は前記ワーク保持装置と共通する。この他のワーク保持装置は、そのノズルが、先端の開口周囲から径方向に鍔状に拡がる円環状のフランジ部を有する。

端面係止装置の係止面は、球面状、楕円面状またはワークにその頂角が接する円錐もしくは角錐の錐面であることが好ましい。
本発明に係る超仕上装置は、上述したワーク保持装置を有する。

本発明によると、例えば軽量なワークの外周の研削処理における、ワークを円滑に回転させるワーク保持装置を提供することができる。

図１はワーク保持装置の平面図である。 図２は図１におけるＡ−Ａ矢視図である。 図３は図１におけるＢ−Ｂ矢視図である。 図４は図３におけるワーク周辺の拡大図である。 図５はワーク周辺の正面図である。 図６はワーク周辺の側面部分断面図である。 図７は他のワーク保持装置のワークを保持する部分の側面図である。 図８は他のワーク保持装置の概略を示す図である。

図１はワーク保持装置１の平面図、図２は図１におけるＡ−Ａ矢視図、図３は図１におけるＢ−Ｂ矢視図、図４は図３におけるワークＷ周辺の拡大図である。
ワーク保持装置１は、ワーク回転装置２、端面係止装置３および押圧装置４からなる。ワーク保持装置１は、ワークＷを回転させ、かつワークＷの回転軸方向への移動を防止しながらワークＷを保持する装置である。

ワーク回転装置２は、肉厚円板状の一対のローラ１１ａ，１１ｂ、一対のローラ回転装置１２，１２等で構成される。一対のローラ１１ａ，１１ｂは、それぞれローラ回転装置１２，１２により回転し、これらの回転軸は平行である。一対のローラ１１ａ，１１ｂの
厚みは略等しく、これらの周面は凹凸のない湾曲面（円柱の周面）である。一対のローラ１１ａ，１１ｂは、周面を対向させて、それぞれの周面間の最短距離ＬがワークＷの研削対象周面の外径Ｄよりも小さくなるように設計される（図４参照）。

ローラ回転装置１２は、ローラ１１ａ（，１１ｂ）を任意の回転数で回転させるためのサーボモータを有する。ワーク保持装置１では、一対のローラ１１ａ，１１ｂのそれぞれに異なるローラ回転装置１２，１２が連結され、ローラ回転装置１２，１２は、常に二つのローラ１１ａ，１１ｂの回転時における周速が同じになるように動作する。したがって、一対のローラ１１ａ，１１ｂの外径は等しいのが好ましいが、異なる外径のローラを周速が同一となるように動作させることも可能である。それぞれのローラ回転装置１２，１２は、連結されるローラ１１ａ，１１ｂを同じ方向に回転させる。

ローラ回転装置１２において、一対のローラ１１ａ，１１ｂの一方のみにサーボモータを使用し、他方を、制約を受けずに自由に回転（従動、遊動）するものとしてもよい。
端面係止装置３は、ワークＷの軸方向における一方の端面に接して、この一方の側へのワークＷの移動を制限する。ワーク保持装置１における端面係止装置３は、全体として棒状であり、ワークＷに接する前記一方の端面（以下「係止面１５」という）が球面の一部で形成された凸状の湾曲面（球面状）である。球面状に湾曲する係止面１５は、その曲率中心が棒状である端面係止装置３の軸心に一致する。端面係止装置３は、少なくとも、ワークＷに研削等の処理が加えられるあいだは、位置が変化しない。

端面係止装置３の係止面１５側における軸心周りの部分（以下「係止部１６」という）は、端面係止装置３の他の部分に比べて硬い材料で形成されている。係止部１６は、全体として形状が円柱であり、一方の底面に相当する球面が係止面１５の中央部分に露出する。係止部１６は、ワークＷよりも硬い材料、端面係止装置３ではダイヤモンドの焼結体（コンパックス）で形成されている。

端面係止装置３は、一対のローラ１１ａ，１１ｂのそれぞれの外径、ワークＷの被研削面（円註状部分の周面）Ｗｓの外径Ｄ、および一対のローラ１１ａ，１１ｂの周面間の距離Ｌの３つにより一義的に定まるワークＷの回転中心（回転軸）の延長上に、その係止部１６の軸心が位置する。端面係止装置３の軸心および係止部１６の軸心は一致し、この軸心はローラ１１ａ，１１ｂの回転軸に平行である。

端面係止装置３は、係止面１５がローラ１１ａ，１１ｂから離れた位置でローラ１１ａ，１１ｂの間を向くようにして、ワーク保持装置１に組み入れられる。
押圧装置４は、研削処理のあいだ、ワークＷが端面係止装置３（係止面１５）に接し続けるように、ワークＷを端面係止装置３側に押圧する。押圧装置４は、本体２１およびノズル２２を有する。本体２１は、全体としてブロック状であり、内部に空気の流路が設けられている。この空気の流路の一端は、コンプレッサ等に連結され、他端はノズル２２に連通する。

ノズル２２は、真っ直ぐな円筒で、一端が本体２１に固定されて空気の流路に連通し、全体として外部に突出する。ノズル２２は、端面係止装置３の軸心（係止部１６の軸心）の延長上にその軸心を一致させて、係止面１５から離れた位置においてその開口が係止面１５に対向する。
押圧装置４は、エアシリンダ装置によりノズル２２の軸心方向に往復移動する。押圧装置４が大型の場合、サーボモータおよびボールネジによりノズル２２の軸心方向に往復移動させてもよい。押圧装置４（ノズル２２）は、往復移動方向に直交する二方向、すなわち鉛直方向および水平方向に手動で移動させることができ、これらの任意の位置に移動不能に固定することができる。

次に、ワークＷを研削するときのワーク保持装置１の作用を説明する。
図５はワークＷ周辺の正面図、図６はワークＷ周辺の側面部分断面図である。
図５および図６におけるワークＷは、ハードディスクのスピンドルモータにおける動圧軸である。ハードディスクの動圧軸は、長さおよび軸径がそれぞれ数ｍｍであり、重量が１ｇ以下と軽量である。

ワークＷは、全体として円柱状であり、一端に鍔状の径大部５１を有し、他端に開口す
る雌ねじ５２が設けられている。ワークＷは、一対のローラ１１ａ，１１ｂの間に、その被研削面（周面）Ｗｓをそれぞれのローラ１１ａ，１１ｂの周面に接するように置かれる。このとき、ワークＷにおける径大部側の端面は、端面係止装置３の係止面１５に対向する。

離れた位置から押圧装置４がワークＷに向けて移動して、押圧装置４のノズル２２がワークＷの雌ねじ５２に挿入される。なお、ノズル２２は、挿入時にワークＷ（雌ねじ）に接しないように、事前にその鉛直方向位置および水平方向位置が調整される。
ワークＷは、一対のローラ１１ａ，１１ｂが回転することにより回転する。一対のローラ１１ａ，１１ｂは、これらの周面間の距離ＬがワークＷの被研削面Ｗｓの外径Ｄよりも狭く設計される。これにより、ワークＷは、「ローラ１１ａがワークＷの被研削面Ｗｓに接する部分（図４のＳ）とローラ１１ａの回転中心（回転軸、図３のＰ）とを含む平面（図３の線ＰＳの延長）」、および「ローラ１１ｂがワークＷの被研削面Ｗｓに接する部分（図４のＴ）とローラ１１ｂの回転中心（回転軸、図３のＱ）とを含む平面（図３の線ＱＴの延長）」が交わる線（図３，４のＯ）を中心に回転する。前述したように、ローラ１１ａ，１１ｂの外径、ローラ１１ａ，１１ｂの周面間の距離、およびワークＷの被研削面Ｗｓの外径により、ローラ１１ａ，１１ｂに保持されるワークＷの位置（ワークＷの回転軸）は一義的に定まる。

ローラ１１ａ，１１ｂの回転開始と略同時に、砥石ＧｓがワークＷの被研削面Ｗｓに当接するまで下降し、空気がノズル２２からワークＷの雌ねじ５２内に吐出される。砥石Ｇｓは、エアシリンダ装置により上下し、エアシリンダ装置の作動空気圧を調節することで、研削過程における被研削面Ｗｓへの押圧力を任意に変更できる。
砥石Ｇｓは、砥石ホルダーおよびエアシリンダ装置等を含む砥石Ｇｓの保持手段ごと、ワークＷ（動圧軸）の軸方向に、数Ｈｚ〜数十Ｈｚの範囲の任意の振動数で振動する。すなわち、砥石Ｇｓは、いわゆる超仕上を行うための超仕上砥石であり、ワーク保持装置１は、超仕上装置に付属する、ワークＷを回転させながら保持する装置である。

ワークＷの被研削面Ｗｓの超仕上において、ワーク保持装置１における一対のローラ１１ａ，１１ｂは、落下しないようにワークＷを実質的に支え、かつ被研削面Ｗｓが均一に研削（超仕上）されるようにワークＷを回転させる。
端面係止装置３は、押圧装置４のノズル２２から雌ねじ５２内に吐出される空気により径大部５１側に押されるワークＷの（径大部５１側）端面を係止し、更なる移動を阻止する。球面状の湾曲面である係止面１５は、略平面であるワークＷの（径大部５１側）端面に常に点でまたは最小の面積で接するので、端面係止装置３は、ワークＷの回転を妨げることなくその移動を防止することができる。

押圧装置４は、ノズル２２から（加圧）空気を吐出して雌ねじ５２の底に当て、ワークＷを常に端面係止装置３に押圧することにより、超仕上のための砥石Ｇｓの振動等によるワークＷの移動（振動）を防止する。なお、雌ねじ５２内に吐出された空気は、ノズル２２と雌ねじ５２との隙間を通り外部に排出される（図６）。
図７は他のワーク保持装置１ＢにおけるワークＷＢを保持する部分の側面図である。ワークＷＢは、上述した動圧軸（ワークＷ）よりも大きく重い、中実の円柱の形態を有する。

ワーク保持装置１Ｂは、ワーク回転装置２、端面係止装置３Ｂおよび押圧装置４からなる。
ワーク回転装置２および押圧装置４は、ローラ１１ａ，１１ｂ等の大きさを除きその構成はワーク保持装置１におけるものと同一であるので、図７ではワーク保持装置１における各部と同一の符号を付し、説明を省略する。

端面係止装置３Ｂは、係止面１５Ｂが円錐の周面状（錐面）である。円錐の軸心は、棒状である端面係止装置３Ｂの軸心に一致し、この軸心は、ローラ１１ａの回転軸に平行である。係止面１５Ｂの錐面の頂点を含む端面係止装置３Ｂの係止面１５Ｂ側における軸心部分（係止部１６Ｂ）は、端面係止装置３と同様に、ワークＷＢよりも硬い材料で形成される。端面係止装置３Ｂの他の構成は、ワーク保持装置１における端面係止装置３と同じ
であり、その説明を省略する。

ワーク保持装置１Ｂでは、ノズル２２Ｂから吐出される空気が、ノズル２２Ｂの対向する位置のワークＷＢにおける平らな端面（円柱の底面）を、端面係止装置３Ｂ側に押圧する。ノズル２２Ｂからの空気の（単位時間当たりの）吐出量は、ワークＷＢの重さに応じて変更され、重いワークＷＢほど空気の吐出量が多い。その他のワーク保持装置１ＢによるワークＷＢの保持作用は、ワーク保持装置１によるものと同じである。

図８は他のワーク保持装置１Ｃの概略を示す図である。図８において、（ａ）はワークＷＢを保持する部分の側面図、（ｂ）はワークＷＢ保持する部分の正面図である。
図８におけるワークＷＢは、図７における円柱状のワークＷＢである。
ワーク保持装置１Ｃは、ノズル２２Ｃの形状が異なる点を除き、ワーク保持装置１Ｂと同じ構成である。ワーク保持装置１Ｃにおけるノズル２２Ｃは、先端の開口周囲から径方向に鍔状に拡がる円環状のフランジ部２５Ｃを有する。フランジ部２５Ｃは平板で形成される。ワーク保持装置１Ｃは、保持するワークＷのノズル２２Ｃに対向する端面の径が大きく略平らな場合に用いられる。

フランジ部２５Ｃの外径は、ノズル２２Ｃの流路断面の相当直径（「４×流路面積÷断面周長さ」で求められる）と被研削面ＷＢｓの外径との平均値以上、被研削面ＷＢｓの外径以下が好ましい。ノズル２２Ｃは、ワーク保持装置１Ｂにおけるノズル２２Ｂに比べて、ワークＷＢにより近い位置で空気を吐出する。
ワーク保持装置１Ｃにおいても、ワークＷＢを一対のローラ１１ａ，１１ｂにより回転させてその周面を研削するとき、ワーク保持装置１，１Ｂと同様に、ノズル２２Ｃから空気がワークＷＢに向けて吐出される。ワーク保持装置１Ｃでは、ノズル２２Ｃから吐出された空気は、ワークＷＢにおけるノズル２２Ｃに対向する端面に当たってワークＷＢを押圧し、続いて狭いワークＷＢとフランジ部２５Ｃとの間を径方向に移動する。ワークＷＢとフランジ部２５Ｃとの間を径方向に移動する空気は大気圧より圧力が高く、ノズル２２Ｃはノズル２２Ｂに比べてワークＷＢの端面をより広い範囲で押圧する。ワーク保持装置１Ｃは、フランジ部２５ＣをワークＷＢに近づけることにより吐出される空気を効率的に活用でき、ノズル２２Ｃに供給する空気量を減らすことができる。

ワーク保持装置１，１Ｂ，１Ｃは、回転するワークＷ，ＷＢの一方の端面のみを端面係止装置３，３Ｂに接しさせ、他方の端面には空気（流体）を吹き付けて他方の側への移動を制限する。そのため、ワークＷ，ＷＢの回転は、端面係止装置３，３Ｂに接する端面でのみ摩擦抵抗を受け、他方の端面（または端面側）では摩擦抵抗を回避できる。これにより、ワーク保持装置１，１Ｂ，１Ｃは、ワークが小さく軽量であってもその回転を妨げることなく一定の速度でワークを回転させることができる。

上述の実施形態において、ワーク保持装置１，１Ｂ，１Ｃにおけるノズル２２，２２Ｂ，２２Ｃの断面形状を、円以外の他の形状、例えば正ｎ角形（ｎ＝３，４，…）とすることができる。ノズル２２，２２Ｂ，２２Ｃから吐出する流体は、吐出後の回収、処理が不要であることから空気が望ましいが、例えばワークが重量物の場合には、流体として水、潤滑液等のクーラントを使用することができる。いずれのノズル２２，２２Ｂ，２２Ｃも係止面１５，１５Ｂに対向して配され、係止面１５，１５Ｂに向けて空気またはクーラントを吐出可能である。

吐出の目標であるワークＷ，ＷＢの対象端面の面積が大きな場合等には、吐出量の割に吐出速度を速めるため、ノズル２２，２２Ｂを複数有する押圧装置４，４Ｂとすることができる。
ワーク保持装置１，１Ｂ，１Ｃにおける係止面１５，１５Ｂの形状を、球面状、円錐の錐面以外の、楕円面状またはその頂角がワークＷ，ＷＢの端面に接する角錐の錐面としてもよい。

その他、ワーク保持装置１，１Ｂ，１Ｃ、およびワーク保持装置１，１Ｂ，１Ｃの各構成または全体の構造、形状、寸法、個数、材質などは、本発明の趣旨に沿って適宜変更することができる。

本発明におけるワーク保持装置は、例えば円柱状のワークの周面を研削する超仕上装置におけるワークの保持手段として利用することができる。

１，１Ｂ，Ｃ ワーク保持装置
３，３Ｂ 端面係止装置
４，４Ｂ，４Ｃ 押圧装置
１１ａ，１１ｂ ローラ
１５，１５Ｂ 係止面（端面係止装置の一方の端面）
２２，２２Ｂ，２２Ｃ ノズル
Ｗ，ＷＢ ワーク
Ｗｓ，ＷＢｓ 被研削面（ワークの周面）

Claims (4)

1. 断面が円形の周面を有してその一方の端面に断面円形の孔が開口するワークをその周方向に回転可能に保持するワーク保持装置であって、
   一対のローラ、端面係止装置および押圧装置を備え、
   前記一対のローラは、
   いずれも回転可能で回転軸に直交する断面が円形であって互いの前記回転軸が平行かつそれぞれの周面が間隔を有して対向するように配置されて、対向するそれぞれの前記周面が協働して前記ワークにおける前記周面を保持可能に構成され、
   前記端面係止装置は、
   前記ローラに保持された前記ワークの一方の端に接して当該一方の方向への前記ワークの移動を制限する凸状の係止面を有し、
   前記押圧装置は、
   前記係止面から離れて前記係止面に対向し前記係止面に向けて流体を吐出するノズルを有し、
   前記一対のローラが前記ワークを保持するとき前記ノズルの先端が前記孔に進入可能に構成された
   ことを特徴とするワーク保持装置。
2. 断面が円形の周面を有するワークをその周方向に回転可能に保持するワーク保持装置であって、
   一対のローラ、端面係止装置および押圧装置を備え、
   前記一対のローラは、
   いずれも回転可能で回転軸に直交する断面が円形であって互いの前記回転軸が平行かつそれぞれの周面が間隔を有して対向するように配置されて、対向するそれぞれの前記周面が協働して前記ワークにおける前記周面を保持可能に構成され、
   前記端面係止装置は、
   前記ローラに保持されて回転する前記ワークの一方の端に接して当該一方の方向への前記ワークの移動を制限する凸状の係止面を有し、
   前記押圧装置は、
   前記係止面から離れて前記係止面に対向し前記係止面に向けて流体を吐出するノズルを有し、
   前記ノズルは、先端の開口周囲から径方向に鍔状に拡がる円環状のフランジ部を有する
   ことを特徴とするワーク保持装置。
3. 前記係止面が、球面状、楕円面状または前記ワークにその頂角が接する円錐もしくは角錐の錐面である
   請求項１または請求項２に記載のワーク保持装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のワーク保持装置を有する
   超仕上装置。

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