JP6141157B2 - 高周波振動援用加工装置及びその加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、力センサを用いた超精密加工方法により被加工物を短時間で高精度に仕上げることができる内面研削盤などの高周波振動援用加工装置及びその加工方法に関する。

従来、被加工物を研削砥石により研削するなどに際して、加速度センサ、圧電素子、歪みゲージ等の力センサを用いて変位量を検出しながら被加工物を加工する装置はこれまでにも存在している（特許文献１参照）。
この加工装置は、工具に印加される加工抵抗を検出しながら変位を検出して被加工物を加工するものである。

特開２０００−２８０１１２号公報

しかしながら、この従来の加工装置にあっては、工具に印加される加工抵抗の加速度変化を検出して得られる相対値の加工抵抗を用いて加工するものであって、絶対値の加工抵抗を検出することでより加工精度の高い定圧研削を行うことはできなかった。

本発明は以上に述べた事情に鑑みて為されたものであって、その目的は、加工時間の短縮と加工精度の向上を図るべく、絶対値の加工抵抗を検出して定圧研削することができる加工装置及びその加工方法を提供することである。

上記解決課題に鑑みて鋭意研究の結果、本願発明者は、これまでの装置で用いられている加速度センサ、圧電素子、歪みゲージ等の力センサではなく、静電容量型センサを用いて加工抵抗を測定するとともに、高周波振動を援用することにより加工時間の短縮と加工精度の向上が発揮されることを確認し、その研削条件を突き詰めることにより本発明の加工装置を案出するに至った。
すなわち本発明の高周波振動援用加工装置は、被加工物を加工する砥石を備えた砥石スピンドルと、前記被加工物又は前記砥石スピンドルに高周波振動を印加する高周波振動手段と、前記砥石スピンドルを固定し、メカニカルな歪みを計測して、前記砥石と前記被加工物の間の研削圧力の時間の経過による変化を、その最大曲率点を特定できるほどのくわしさで測定可能である静電容量型センサを用いた力センサと、該力センサと前記砥石スピンドルを一体的に送り駆動するスライド手段と、被加工物を保持して送り移動する主軸と、前記スライド手段の変位量と前記力センサの検出する力と主軸の変位量とを入力し前記主軸の送りと前記スライド手段の変位量を制御し、前記力センサの計測値に応じて前記スライド手段の切り込み量を制御した場合でもこれにすぐに応答して連続したフィードバック制御をする制御手段とを備え、
被加工物又は前記砥石スピンドルの何れかに高周波振動を加えつつ前記制御手段の制御により加工することを特徴とする。
これにより、加工時間の短縮と加工精度の向上を図ることができ、かつ砥石摩耗も抑制する加工装置を提供することができる。
また、前記制御手段は、前記高周波振動手段の動作中には、前記砥石スピンドルの回転振動と前記高周波振動とを打ち消すノイズフィルタを有することができる。これにより、加工抵抗（研削抵抗）、またその時間変化を正確に測定可能となる。

また、本発明の高周波振動援用加工方法は、被加工物を加工する砥石を備えた砥石スピンドルと、前記被加工物又は前記砥石スピンドルに高周波振動を印加する高周波振動手段と、前記砥石スピンドルを固定し、メカニカルな歪みを計測して、前記砥石と前記被加工物の間の研削圧力の時間の経過による変化を、その最大曲率点を特定できるほどのくわしさで測定可能である静電容量型センサを用いた力センサと、該力センサと前記砥石スピンドルを一体的に送り駆動するスライド手段と、被加工物を保持して送り移動する主軸と、前記スライド手段の変位量と前記力センサの検出する力と主軸の変位量とを入力し前記主軸の送りと前記スライド手段の変位量を制御し、前記力センサの計測値に応じて前記スライド手段の切り込み量を制御した場合でもこれにすぐに応答して連続したフィードバック制御をする制御手段とを備える高周波振動援用加工装置を用いる高周波振動援用加工方法であって、前記スライド手段による切込送りを停止して前記砥石スピンドルにより加工した際に、前記加工抵抗を力センサにより検出し、時間と加工抵抗との曲線を実測により求め、当該時間と加工抵抗との曲線における最大曲率点を求め、当該最大曲率点近傍の加工抵抗値を、前記制御手段の加工圧力に設定して、被加工物又は前記砥石スピンドルの何れかに高周波振動を加えつつ前記制御手段の制御により前記加工圧力が前記最大曲率点近傍の加工抵抗値に等しい状態に保つようにフィードバック制御しつつ加工する高周波振動援用加工を行うことを特徴とする。
これにより、最適な加工条件を容易に設定することができ、効率的でかつ精密な加工を行うことができる。
前記最大曲率点を求めた後、前記被加工物と同一の硬度、寸法、形状を有する同一材料の被加工物に対して、前記最大曲率点近傍の加工抵抗値を、前記制御手段の加工圧力に設定して、前記同一被加工物又は前記砥石スピンドルの何れかに高周波振動を加えつつ前記制御手段の制御により前記加工圧力が前記最大曲率点近傍の加工抵抗値に等しい状態に保つようにフィードバック制御しつつ加工する高周波振動援用加工を行うことを特徴とする。

本発明の高周波振動援用加工装置を示す説明図である。 本発明の高周波振動援用加工装置における研削抵抗の変化を示すグラフ図であり、図２（Ａ）は高周波振動を加えた場合、図２（Ｂ）は高周波振動を加えない場合である。 本発明の高周波振動援用加工装置における研削に係る時間を示すグラフ図であり、図３（Ａ）は高周波振動を加えない場合、図３（Ｂ）は高周波振動を加えた場合である 本発明の高周波振動援用加工装置における研削に係る時間を示すグラフ図であり、図４（Ａ）は高周波振動を加えない場合、図４（Ｂ）は高周波振動を加えた場合である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明に係る高周波振動援用加工装置を実施するための形態を詳細に説明する。図１〜図５は、本発明の実施の形態を例示する図であり、これらの図において、同一の符号を付した部分は同一物を表わし、基本的な構成及び動作は同様であるものとする。
＜構成＞
まず図１に示すように、本発明の高周波振動援用加工装置１について、内面研削盤を例にとり以下に説明する。
高周波振動援用加工装置１は、研削砥石２を先端に備えて回転駆動する砥石スピンドル３と、この砥石スピンドル３を回転駆動する駆動モーター（図示せず）を備えるとともに、砥石スピンドル３には、その軸方向に例えば２０ｋＨｚ以上の周波数で高周波振動する高周波加振手段４と、砥石スピンドル３を載置固定する支持台であって、砥石スピンドル３が被加工物を研削する際の研削抵抗（圧力）を絶対値で検出する動力計５と、そして動力計５と高周波加振手段４と研削送りを含む研削加工を制御するための演算回路、制御回路等を備える制御手段６を備えている。

そして、動力計５の上面に砥石スピンドル３のユニットを載置固定し、その動力計５を砥石軸スライド７上に載置し、かつ砥石軸スライド７は砥石スピンドル３を砥石軸方向にオシレーションで往復動するとともに、被加工物Ｗをチャックする主軸８が切り込み方向に移動する構成を有している。
動力計５は、メカニカルな歪みを計測する静電容量型センサを内蔵し、その上面に固定した砥石スピンドル３のユニットに加わる力（すなわち、研削砥石の研削抵抗であり、砥石軸の撓み量に相当）を計測するものであり、本実施例にあっては一例として計測範囲が最大５０Ｎ、最小計測荷重が０．２Ｎのものを用いることとする。静電容量型センサを用いた動力計の利点は、従来用いられていた加速度センサと異なり、荷重が一定値で加速度変化が０であってもその一定荷重を絶対値で検出することができることにあり、その動力計５の計測値に応じて切り込み量を制御した場合であっても、これにすぐに応答することができ連続したすばやいフィードバック制御をおこなうことができるものである。

また、本実施形態の高周波振動援用加工装置１にあっては、砥石スピンドル３に高周波加振手段４を備えていることから、高周波振動が稼動している際には、動力計５がスピンドルの回転振動に加え、高周波振動も検出してしまい、これが研削抵抗の測定値にノイズとなって加わるものである。そのため、制御手段６は高周波加振手段４の動作中にはその振動を打ち消して、正確な研削抵抗を検出するように適宜なノイズフィルタを設けて適正な制御を行うことができるようにプログラムするものである。
さらに、動力計５が検出する力としては、本来検出すべき研削抵抗以外の、砥石スピンドル３の回転、砥石軸スライド７のオシレーション、主軸の回転、主軸の切り込みなどがあることから、これらの作動量とそれに応じた力とを予め設定しておき、力の検出と砥石スピンドル３の位置変化とから研削抵抗を演算処理することとする。

このような構成からなる本発明の高周波振動援用加工装置の加工方法について、以下に詳述する。
＜第１実施例＞
［研削条件］
被加工物と硬度：Ａ５０５２Ｐ（Al-Mg系合金）、硬度４０ＨＲＣ、加工内周面がφ４．４ｍｍ、長さ９ｍｍの円筒体
砥石：粒度＃６００のダイヤモンド電着砥石
研削砥石の回転速度：４０００ｒｐｍ
砥石オシレーション：ストローク１ｍｍ、５サイクル／秒
主軸の回転速度：９３７ｒｐｍ
高周波振動：４２ｋＨｚ±２ｋＨｚ、８μｍ_ｐ−ｐ
加工時間：６０ｓｅｃ

上記条件により高周波振動援用研削加工を行い、切込送りを停止して行う研削（停止研削）６０秒間における研削中の砥石にかかる研削抵抗（圧力）を動力計５により測定し、その際の研削砥石に高周波振動を加えた場合（Ａ）と、高周波振動を加えない場合（Ｂ）とを比較し、その結果を図２に表す。

この測定結果を検討すると、高周波振動を加えた場合には、図２（Ａ）に示すように、加工の開始から２０秒後には、３０Ｎから７Ｎへと急激に研削抵抗が下がり、研削が急速に進行して材料（被研削物）が減少したことがわかり、そこからは多少研削抵抗の減少カーブ（傾斜）はなだらかになり、６０秒後には２Ｎに下がる。これに対し、高周波振動を加えない場合には、図２（Ｂ）に示すように、常になだらかな傾斜で研削抵抗が下がり続け、６０秒後でも１１Ｎでしかなかった。
これは、高周波振動を援用した研削加工は、高周波振動を援用しない場合と比較して短時間で研削することができることを意味するものであり、加工能率が約５．５倍ということとなる。

図２は、研削砥石と被加工物の間の研削圧力変化を示しており、停止時の砥石軸たわみ量はその時の研削抵抗を表し、その後の研削抵抗低下速度は研削したことによる材料除去の速度を表している。図２（Ｂ）に示す従来研削では研削抵抗が変化しても、材料除去速度はほとんど変化しないのに対し、図２（Ａ）に示す高周波援用加工では最大曲率点（図２（Ａ）の○部分近傍）を境に研削抵抗と材料除去速度の関係が大きく変化していることが分かる。すなわち、最大曲率点の研削抵抗よりもわずかに高い研削抵抗で常に加工することで、高い加工効率が得られ、かつ砥石摩耗も抑制するものである。
すなわち、上記研削条件において、図２（Ａ）の砥石にかかる研削抵抗（圧力）のカーブは、７Ｎ近傍に最大曲率点を有しており、研削開始時点からこの最大曲率点までの研削抵抗（＝砥石軸の撓み量）だと、時間当たり略一定の大きな研削量が得られて（グラフ左側の傾斜が大きい）効率が良く、また最大曲率点を境にしてそれ以下の砥石軸の撓み量では時間当たりの研削量が減少してしまうものである。
そこで、本実施例にあっては、研削抵抗が大きいほど砥石摩耗速度も速くなることから、傾斜の大きいグラフ左側の最大曲率点の近傍、特にそれよりもわずかに高い研削抵抗であれば、砥石軸の撓み量が少なくて砥石摩耗速度も遅く、かつ時間当たりの研削量が大きいことから、最大曲率点近傍の７Ｎをターゲットとすることが好ましいことがわかる。
そこで、研削抵抗をその７Ｎに設定して、次の第２実施例を行い、続けて３Ｎの場合で測定を行った。

＜第２実施例＞
［研削条件］
制御方法：ＰＩ制御
研削圧力：７Ｎ一定
総研削量：５０μｍ dia
その他の加工条件は、前述した第１実施例と同様とする。

図３は、制御手段６により被加工物Ｗに対する研削圧力を７Ｎの一定値に保った状態で、研削砥石２が被加工物Ｗを５０μｍ研削するのに要する時間を測定した。
図３（Ａ）の高周波振動なしの場合に、５０μｍを研削するのに１０４秒かかるのに対して、図３（Ｂ）の高周波振動援用した場合は、わずか１９秒で完了することができた。高周波振動を援用することにより、加工能率が５．５倍になるものである。
このように、研削圧力を最適値の７Ｎ一定にして研削加工することにより、研削時間が短く高い加工効率が得られるとともに、砥石軸の撓み量が少なくて砥石摩耗速度も遅くなり、そしてクイルのたわみが常に一定となることから、加工後の内周面の円筒度が安定するものである。

＜第４実施例＞
［研削条件］
制御方法：ＰＩ制御
研削圧力：３Ｎ一定
総研削量：５０μｍ dia
その他の加工条件は、前述した第３実施例と同様とする。

図５は、制御手段６により被加工物Ｗに対する研削圧力を３Ｎの一定値に保った状態で、研削砥石２が被加工物Ｗを５０μｍ研削するのに要する時間を測定した。
図５（Ａ）の高周波振動なしで研削した場合に、５０μｍを研削するのに２４０秒かかるのに対して、図５（Ｂ）の高周波振動を援用して研削した場合は、１２６秒で完了することができた。高周波振動を援用することにより、加工能率が１．９倍となった。
この結果からは、研削圧力（砥石軸の撓み量）が小さすぎると、たとえ高周波振動を援用して研削したとしても研削効率はあまり向上しないことがわかる。

このように、本発明の動力計を用いた機械加工、特に高周波振動を援用した機械加工にあっては、これまで職人的勘が頼りの研削抵抗の設定が、動力計が検出する研削抵抗の最大曲率点の近傍に設定することにより簡単に行うことができるものである。
なお上述した実施例にあっては、研削加工について説明したが、これ以外にフライス加工、旋盤加工などの加工装置に利用することが可能である。

本発明は高周波振動を援用して研削加工するものであり、その加工が従来研削よりも加工効率が高く、さらに研削抵抗により、その効率が大きく変化するという特性を利用するものである。研削効率が高い研削抵抗でかつ、砥石摩耗が抑制される最適な研削抵抗で常に加工する方法である。

本発明の高周波振動援用加工装置は、金属等の各種素材を精密かつ効率よく研削加工する加工産業において利用することができるものである。

１…高周波振動援用加工装置
２…研削砥石
３…砥石スピンドル
４…高周波加振手段
５…動力計
６…制御手段
７…砥石軸スライド
８…主軸
Ｗ…被加工物

Claims (2)

1. 被加工物を加工する砥石を備えた砥石スピンドルと、前記被加工物又は前記砥石スピンドルに高周波振動を印加する高周波振動手段と、前記砥石スピンドルを固定し、メカニカルな歪みを計測して、前記砥石と前記被加工物の間の研削圧力の時間の経過による変化を、その最大曲率点を特定できるほどのくわしさで測定可能である静電容量型センサを用いた力センサと、該力センサと前記砥石スピンドルを一体的に送り駆動するスライド手段と、被加工物を保持して送り移動する主軸と、前記スライド手段の変位量と前記力センサの検出する力と主軸の変位量とを入力し前記主軸の送りと前記スライド手段の変位量を制御し、前記力センサの計測値に応じて前記スライド手段の切り込み量を制御した場合でもこれにすぐに応答して連続したフィードバック制御をする制御手段とを備える高周波振動援用加工装置を用いる高周波振動援用加工方法であって、
   前記スライド手段による切込送りを停止して前記砥石スピンドルにより加工した際に、加工抵抗を前記力センサにより検出し、時間と加工抵抗との曲線を実測により求め、
   当該時間と加工抵抗との曲線における最大曲率点を求め、
   当該最大曲率点近傍の加工抵抗値を、前記制御手段の加工圧力に設定して、
   被加工物又は前記砥石スピンドルの何れかに高周波振動を加えつつ前記制御手段の制御により前記加工圧力が前記最大曲率点近傍の加工抵抗値に等しい状態に保つようにフィードバック制御しつつ加工する高周波振動援用加工を行う
   ことを特徴とする高周波振動援用加工方法。
2. 前記最大曲率点を求めた後、
   前記被加工物と同一の硬度、寸法、形状を有する同一材料の被加工物に対して、
   前記最大曲率点近傍の加工抵抗値を、前記制御手段の加工圧力に設定して、
   前記同一被加工物又は前記砥石スピンドルの何れかに高周波振動を加えつつ前記制御手段の制御により前記加工圧力が前記最大曲率点近傍の加工抵抗値に等しい状態に保つようにフィードバック制御しつつ加工する高周波振動援用加工を行う
   請求項１に記載した高周波振動援用加工方法。