JP7375477B2

JP7375477B2 - 研削装置及び研削方法

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Publication number: JP7375477B2
Application number: JP2019200055A
Authority: JP
Inventors: 浩之芝田; 浩森田; 拓哉村尾
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2019-11-01
Filing date: 2019-11-01
Publication date: 2023-11-08
Anticipated expiration: 2039-11-01
Also published as: JP2021070134A

Description

本発明は、研削装置及び研削方法に関する。

従来、回転駆動する砥石によって工作物を研削加工する研削装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の研削装置は、回転駆動される工作物と、工作物の外周面を研削する砥石と、工作物の研削点付近にクーラントを供給するクーラントノズルと、工作物の研削焼けを判定する研削焼け判定部と、を備えている。研削焼け判定部は、砥石を回転駆動するモータの電力計から出力される情報と、工作物の温度を測定する温度センサの検出値とに基づいて研削焼けの有無を判定する。温度センサは、工作物の外周面のうち研削点に対して軸対象となる位置に当接して、当該部位の表面温度を検出する。

特開２０１０－１９４６４１号公報

特許文献１に記載の研削装置では、工作物の表面に温度センサが当接しているため、温度センサが当接している工作物の表面にクーラントが付着していると、工作物の表面温度を高精度に検出することが困難な場合があり、研削焼けの判定精度においてなお改善の余地があった。

そこで、本発明の目的は、工作物の研削焼けの判定精度を向上させることが可能な研削装置及び研削方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記の目的を達成するため、工作物を研削する砥石と、前記砥石を回転駆動する駆動機構と、前記工作物と前記砥石とを相対移動させる移動機構と、前記駆動機構及び前記移動機構を制御する制御部とを有する研削装置であって、前記制御部は、前記砥石が前記工作物に接する研削点からの熱流を検出する熱流センサの検出値に基づいて、前記工作物における研削焼けの発生を判定する、研削装置を提供する。

また、本発明は、上記の目的を達成するため、工作物を研削する砥石と、前記砥石を回転駆動する駆動機構と、前記工作物と前記砥石とを相対移動させる移動機構と、前記駆動機構及び前記移動機構を制御する制御部と、前記砥石が前記工作物に接する研削点からの熱流を検出する熱流センサと、を有する研削装置を用いて前記工作物を研削する研削方法であって、前記熱流センサの検出値に基づいて前記工作物の研削焼けを判定する判定工程と、前記工作物における研削焼け深さを測定する測定工程と、前記測定工程での測定結果に基づいて研削条件を変更する変更工程と、を備えている、研削方法を提供する。

本発明に係る研削装置及び研削方法によれば、工作物の研削焼けの判定精度を向上させることが可能である。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る研削装置の全体構成を示す説明図である。図２（ａ）は、砥石の回転軸方向に沿って見た場合の研削装置の構成を示す模式図であり、図２（ｂ）は、砥石と工作物との並び方向であって、砥石側から見た場合の研削装置の構成を示す模式図である。図３は、砥石、工作物、及び熱流センサの構成を示す斜視図である。図４は、閾値を決定するための試験において熱流センサが検出した熱流と研削能率との関係を示すグラフの一例である。図５（ａ）は、熱流センサに熱流が貫通する状態を示した説明図であり、図５（ｂ）は、熱流センサの構成を示す説明図である。図６は、第２の実施の形態に係る研削装置の構成を示す説明図である。図７は、第２の実施の形態に係る砥石、工作物、及び熱流センサの構成を示す斜視図である。図８は、第３の実施の形態に係る研削装置をＹ軸方向に沿って見た場合の熱流センサの位置を示した説明図である。

［第１の実施の形態］
本発明の実施の形態について、図１乃至図５を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明を実施する上での好適な具体例として示すものであり、技術的に好ましい種々の技術的事項を具体的に例示している部分もあるが、本発明の技術的範囲は、この具体的態様に限定されるものではない。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る研削装置１００の全体構成を示す説明図である。

図１に示すように、研削装置１００は、土台となるベッド１と、軸状の工作物８０を研削する円盤状の砥石２と、砥石２を回転駆動する駆動機構としての砥石用電動モータ３と、工作物８０に対して砥石２を相対移動させる移動力を発生するＸ軸モータ４１及びＹ軸モータ５１と、砥石用電動モータ３、Ｘ軸モータ４１、及びＹ軸モータ５１を制御する制御部６と、を備えている。

ベッド１には、Ｘ軸方向に延びるＸ軸案内レール１０ａ，１０ｂが設けられ、Ｘ軸案内レール１０ａ，１０ｂ上にはＸ軸テーブル４０が設置されている。Ｘ軸テーブル４０は、ベッド１上に設けられたＸ軸ボールねじ４２によってＸ軸方向に移動され、Ｘ軸案内レール１０ａ，１０ｂ上を摺動する。Ｘ軸ボールねじ４２は、ベッド１に設置されたＸ軸モータ４１によって駆動される。砥石用電動モータ３は、Ｘ軸テーブル４０上に設置されたＹ軸テーブル２０に取り付けられている。

Ｙ軸テーブル２０は、Ｘ軸テーブル４０においてＹ軸方向に延びたＹ軸案内レール４０ａ，４０ｂ上に設置されている。また、Ｙ軸テーブル２０は、Ｘ軸テーブル４０に設けられたＹ軸ボールねじ５２によってＹ軸方向に移動され、Ｙ軸案内レール４０ａ，４０ｂ上を摺動する。Ｙ軸ボールねじ５２は、Ｘ軸テーブル４０に配置されたＹ軸モータ５１によって駆動される。Ｘ軸モータ４１、Ｙ軸モータ５１、Ｘ軸ボールねじ４２、及びＹ軸ボールねじ５２は、工作物８０と砥石２とを相対移動させる移動機構を構成する。

工作物８０は、その軸方向の両端がベッド１上に設置された主軸台１１，１２に支持されており、主軸台１１，１２に内蔵されたモータによって回転駆動される。

研削装置１００は、砥石２が工作物８０に接する研削点からの熱流を検出する熱流センサ７をさらに備えている。本実施の形態では、研削装置１００をＸＹ平面に垂直な方向に沿って見た場合に、熱流センサ７が、砥石２と重なる位置に設けられている。熱流センサ７は、制御部６と電気的に接続されており、制御部６は熱流センサ７の検出値を取得可能である。

図２（ａ）は、砥石２の回転軸Ｏ_１方向（図１におけるＸ方向）に沿って見た場合の研削装置１００の構成を示す模式図であり、図２（ｂ）は、砥石２と工作物８０との並び方向（図１におけるＹ方向）であって、砥石２側から見た場合の研削装置１００の構成を示す模式図である。図２（ａ）では、砥石２及び工作物８０の回転方向を矢印で示している。以下の説明において、「上」「下」とは、鉛直方向の上下をいうものとする。

図２（ａ）に示すように、研削装置１００は、研削点Ｐにクーラントノズル８１からクーラントを供給しながら工作物８０を研削する。ここで、研削点Ｐとは、工作物８０の外周面のうち砥石２によって研削される点をいう。クーラントノズル８１は、研削点Ｐの近傍に配置され、研削点Ｐの上部に位置している。

工作物８０は、その外周面８０ａに当接する第１及び第２のシュー１３，１４によって回転可能に支持されている。第１のシュー１３は、その先端が研削点Ｐよりも下方に位置する工作物８０の外周面８０ａに当接している。第２のシュー１４は、その先端が工作物８０の回転軸Ｏ_２に対して研削点Ｐと対称となる位置の工作物８０の外周面８０ａに当接している。

熱流センサ７は、フレキシブル基板で形成された薄型平板状であり、その測定面７ａが砥石２の外周面２ａと対向する位置であって、クーラントノズル８１の先端部よりも上方の位置に設けられている。また、熱流センサ７は、測定面７ａとは反対側の裏面７ｂが、Ｘ軸方向に対して傾斜した金属プレート７０の表面に接して取り付けられている。なお、熱流センサ７の測定面７ａと砥石２の外周面２ａとの間の砥石２の半径方向の距離は、例えば、４０ｍｍ～６０ｍｍである。

図２（ｂ）に示すように、Ｙ軸方向に見た場合に、Ｘ軸方向における熱流センサ７の取付位置は、測定面７ａの少なくとも一部が砥石２と重なる位置である。なお、砥石２の回転軸Ｏ_１方向における熱流センサ７の位置はこれに限られるものではなく、例えばＹ軸方向に見た場合に、熱流センサ７の測定面７ａと砥石２とが重ならない位置であってもよい。

図３は、砥石２、工作物８０、及び熱流センサ７の構成を示す斜視図である。図３では、熱流センサ７を破線で示している。図３に示すように、金属プレート７０は、砥石２の外周面２ａを上方から覆うように配置されている。なお、熱流センサ７を通過する熱流の流れをよくするために、金属プレート７０の材料は熱伝導率の高いものが望ましい。熱流センサ７は、研削点Ｐから発せられる熱流や、研削点Ｐから砥石２の内部へ伝導した熱が外周面２ａから放射される熱流を検出する。

制御部６は、熱流センサ７が検出した熱流に基づいて、研削焼けの有無を判定する。より詳細には、制御部６は、熱流センサ７の出力値に基づいた熱流が、予め定められた閾値より大きい場合に研削焼けが発生したと判定する。この閾値は、予め試験によって得られることができる。この試験は、例えば同一の研削対象でクーラントの供給量を一定にした状態において、研削能率（単位時間単位幅当たりの研削量）を変化させたときの熱流を測定し、研削焼けの有無をプロットしていくものである。

図４は、上記の試験を行った際の熱流センサ７が検出した熱流と研削能率との関係を示すグラフの一例である。図４に示すように、研削能率を上げていくと熱流も大きくなり、研削焼けが発生していることがわかる。なお、制御部６は、熱流センサ７から出力される検出値が閾値を超えた場合には、砥石２の送り速度や、工作物８０の回転速度等の研削条件を最適化するように自動的に変更するように設定されている。なお、上記では、事前に実施した試験で得られたデータに基づいて閾値を決定しているが、これに限らず、例えば研削加工中に得られたデータに基づいて閾値を決定するようにしてもよい。

図５（ａ）及び（ｂ）は、熱流センサ７の原理を説明するための説明図であり、図５（ａ）は、熱流センサ７に熱流が貫通する状態を示した説明図であり、図５（ｂ）は、熱流センサ７の構成を示す説明図である。

図５（ａ）に示すように、熱流センサ７の厚みをｄ、測定面７ａの温度をＴ_１、測定面７ａとは反対側の裏面７ｂの温度をＴ_２、熱流センサ７の熱伝導率をλとすると、熱流センサ７を通過する熱流Ｑは、以下の式で求められる。
Ｑ＝（Ｔ_１－Ｔ_２）λ／ｄ
つまり、熱流センサ７は、熱流センサ７の測定面７ａとその裏面７ｂとの間の温度差に起因して発生する電圧により、熱流センサ７を通過する熱流Ｑを検出する。

図５（ｂ）に示すように、熱流センサ７では、複数の熱電対７００が測定点Ａと測定点Ｂとに多点で直列して接続され、これらの熱電対のうち一端にある熱電対と他端にある熱電対のそれぞれ接点が計測器端子９０に接続される。複数の熱電対７００が直列して接続されていることにより、測定点Ａと測定点Ｂとの間の温度差に起因した出力電圧が増幅される。これにより、熱流センサ７の感度が増大し、精度の高い検出が可能となる。

本実施の形態では、制御部６が感度の高い熱流センサ７の検出値に基づいて研削点Ｐにおける研削焼けを判定するので、高精度に研削焼けを検知することが可能である。

本実施の形態に係る研削装置１００は、以下に述べる研削方法において用いられる。本実施の形態に係る研削方法は、工作物８０の研削焼けを判定する判定工程と、工作物８０における研削焼け深さを測定する測定工程と、測定工程で測定した研削焼け深さに基づいて研削装置１００の研削条件を変更する変更工程と、を有している。

判定工程は、前述した通り、制御部６が熱流センサ７の検出値に基づいて研削焼けを判定する工程である。測定工程では、判定工程において研削焼けが有ると判定された工作物８０の研削焼けの深さを実測する。この測定は、例えば作業者の目視によって行われる。変更工程では、測定工程において測定した研削焼けの深さに基づいて研削条件を変更する。例えば、研削焼け深さが事前に定めていた所定の値よりも大きい場合には、研削焼け深さが浅くなるように研削条件を設定することができる。なお、研削条件としては、例えば砥石２の送り速度や、研削能率、工作物８０の回転速度などがある。また、変更工程では、例えば、研削焼け深さと熱流センサ７が検出した熱流との関係をデータ化し、このデータに基づいて工作物８０の研削焼け深さを推定することも可能である。

以上説明したように、制御部６は、砥石２が工作物８０に接する研削点Ｐからの熱流を検出する熱流センサ７の検出値に基づいて、工作物８０における研削焼けの発生を判定する。

本実施の形態によれば、熱流センサの検出値に基づいて研削焼けの判定をするので、例えばサーミスタ等の温度センサを用いた場合に比べて高い精度で研削点Ｐから発生する熱を検知することができる。つまり、工作物８０の研削焼けの判定精度を高めることが可能である。

なお、上記の実施の形態では、熱流センサ７が平板状であったが、例えば砥石２の外周面に沿って円弧状に湾曲して取り付けられていてもよい。

[第２の実施の形態]
次に、第２の実施の形態に係る研削装置１００について図６及び図７を参照して説明する。図６は、第２の実施の形態に係る研削装置１００を砥石２の回転軸Ｏ_１方向に沿って見た場合の構成例を示す説明図である。図７は、第２の実施の形態に係る砥石２、工作物８０、及び熱流センサ７Ａの構成を示す斜視図である。

図７及び図８に示すように、第２の実施の形態に係る研削装置１００は、その熱流センサ７Ａの位置が第１の実施の形態に係る研削装置１００と異なる。図６に示すように、第２の実施の形態に係る研削装置１００では、熱流センサ７Ａが工作物８０の外周面８０ａと対向する位置に設けられている。

熱流センサ７Ａは、第１の実施の形態と同様、フレキシブル基板によって形成されており、曲面に沿って折り曲げ可能である。本実施の形態では、金属プレート７０Ａが工作物８０の周方向に沿って円弧状に湾曲しており、熱流センサ７Ａも金属プレート７０Ａの曲面に沿って湾曲して取り付けられている。つまり、熱流センサ７Ａは、工作物８０の周方向に沿って円弧状となるように取り付けられている。熱流センサ７Ａは、研削点Ｐから発せられる熱流や、研削点Ｐから工作物８０の内部へと電動した熱が外周面８０ａから放射される熱流を検出する。

この第２の実施の形態においても、制御部６が熱流センサ７Ａの検出値に基づいて研削焼けを判定するので、第１の実施の形態と同様の作用及び効果を得ることができる。

なお、第２の実施の形態の変形例として、熱流センサ７Ａが、研削点Ｐよりも下方に位置する工作物８０の外周面８０ａに当接する第１のシューと、回転軸Ｏ_２に対してクーラントノズル８１とは反対側にあたる工作物８０の外周面８０ａに当接するシューとの間で、工作物８０の外周面８０ａと対向するように配置されていてもよい。

[第３の実施の形態]
次に、第３の実施の形態に係る研削装置について図８を参照して説明する。図８は、第３の実施の形態に係る研削装置をＹ軸方向に沿って見た場合の熱流センサ７Ｂの位置を示した説明図である。

図８に示すように、第３の実施の形態に係る研削装置１００は、その熱流センサ７Ｂの位置が第１の実施の形態に係る研削装置１００と異なる。第３の実施の形態に係る研削装置では、熱流センサ７Ｂが、砥石２の回転軸Ｏ_１方向における軸方向端面２１と対向する位置に設けられている。つまり、熱流センサ７Ｂの測定面と、砥石２の軸方向端面２１とが対面している。熱流センサ７Ｂは、砥石２の近傍に配置された平板状の金属プレート７０Ｂに取り付けられている。

この第３の実施の形態によっても、第１の実施の形態と同様の作用及び効果を得ることができる。

（付記）
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明したが、これらの実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

上記の実施の形態において、研削装置１００は、金属プレート７を冷却することにより金属プレート７の温度を一定に保つ冷却手段を備えていてもよい。これにより、金属プレート７の温度上昇を防ぐことができ、熱流センサ７の裏面７ｂの温度上昇に伴う検出誤差を防ぐことができる。

１…ベッド
２…砥石
３…砥石用電動モータ
５…軸モータ
６…制御部
７，７Ａ，７Ｂ…熱流センサ
７ａ…測定面
７ｂ…裏面
８１…クーラントノズル
７０，７０Ａ，７０Ｂ…金属プレート
８０…工作物
１００…研削装置

Claims

工作物を研削する砥石と、前記砥石を回転駆動する駆動機構と、前記工作物と前記砥石とを相対移動させる移動機構と、前記駆動機構及び前記移動機構を制御する制御部とを有する研削装置であって、
前記制御部は、前記砥石が前記工作物に接する研削点からの熱流を検出する熱流センサの検出値に基づいて、前記工作物における研削焼けの発生を判定する、
研削装置。
前記制御部は、研削焼けが発生したと判定したときに研削条件を変更する、
請求項１に記載の研削装置。
前記熱流センサは、前記砥石の外周面と対向する位置に設けられている、
請求項１又は２に記載の研削装置。
前記熱流センサは、前記工作物の外周面と対向する位置に設けられている、
請求項１又は２に記載の研削装置。
前記熱流センサは、前記砥石の回転軸方向における端面と対向する位置に設けられている、
請求項１又は２に記載の研削装置。
工作物を研削する砥石と、前記砥石を回転駆動する駆動機構と、前記工作物と前記砥石とを相対移動させる移動機構と、前記駆動機構及び前記移動機構を制御する制御部と、前記砥石が前記工作物に接する研削点からの熱流を検出する熱流センサと、を有する研削装置を用いて前記工作物を研削する研削方法であって、
前記熱流センサの検出値に基づいて前記工作物の研削焼けを判定する判定工程と、
前記工作物における研削焼け深さを測定する測定工程と、
前記測定工程での測定結果に基づいて研削条件を変更する変更工程と、を備えている、
研削方法。