JPH1190806A - 曲面研磨装置及び研磨方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 工具のうねりを転写せずに自由曲面を研磨す
る。 【解決手段】 工具切り込みまたは加圧方向をＺ軸方向
とし、Ｚ軸に直交するＸ軸と平行に工具２の回転軸１が
支持され、工具回転モータ３により回転駆動される。工
具回転モータ３は支持部材４に連結され、支持部材４
は、回転面板５に連結されている。回転面板５はＺ軸方
向の第２の回転軸８をもち、回転軸８のまわりに回転移
動が可能であり、任意の角度姿勢において回転を固定す
るクランプ機構を有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、曲面研磨装置及び
該曲面研磨装置を用いた曲面研磨方法、より詳細には、
曲面形状を、光学部品として使用可能な鏡面に仕上げる
加工技術に関し、特に、工具の移動を制御する制御装置
にかかわり、加工対象物としては、レンズ、ミラーおよ
びその金型があげられるが、その他、光学部品以外で
も、磨き仕上げを必要とする金型の加工において、表面
の微小なうねりを除去することができ、高品位な仕上げ
面を得ることのできる曲面研磨装置及びその使用方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】トーリックレンズや断面が非円弧となる
変形トーリックレンズ、または、その金型の加工は、精
密フライス盤などの直交３軸のＮＣ工作機械でタイヤ形
状の砥石を走査して研削あるいは研磨する方法が広く知
られている（例えば、坪井他：３次元自由曲面光学部品
の超精密加工、機械技術第４３巻３号，ｐ５８〜６３，
１９９５．３月号）。また、研磨仕上げ加工としては、
更に、回転要素に揺動軸を加えた特開平６−１２６６０
７号公報の発明のように、加工点の法線に対して工具の
回転軸を常に一定の角度姿勢とすることで、加工形状の
高精度化をはかったものが提案されている。その他に
も、直交スライドと揺動軸の組み合わせかたの工夫で、
加工形状の精度向上をはかったものがいくつか提案され
ている（例えば、実開昭６３−８３２６４号公報，特開
平５−６９３００号公報）。これらの開示例は、いずれ
も光学的な鏡面仕上げまでをねらったもので、いずれ
も、タイヤまたは球形状工具を用いたものであるが、加
工誤差の高周波成分である表面粗さの向上までを考慮す
ると、十分な機械構成とはいいかねる。

【０００３】図１１は、従来の自由曲面加工（研磨）装
置の一例を説明するための要部概略構成図で、図中、２
１はワーク、２２は工具（砥石）、Ａは砥石２２の回転
軸、Ｂは加工点、破線Ｃは砥石２２の走査軌跡、Ｄはピ
ックフィードで、図示のように、ワーク２１の変形トー
リック面は特定の間隔の複数の走査線の工具軌跡によっ
て加工が行われる。この走査線Ｃの間隔はピッチ量また
はピック量と呼ばれ、走査線と直交する方向がピック方
向Ｄである。工具２２が走査線Ｃを１つ移動するごと
に、それとは直交方向に工具２２が微小移動し、再度走
査線をたどる、繰り返しである。従来技術および本発明
において、この加工様式は共通である。この方法による
と、加工面は複数の溝加工の集積によって形成されるこ
ととなる。タイヤ形状の工具により溝加工を行う場合、
走査方向と工具回転軸の位置関係によって、加工溝内の
表面粗さおよびうねりが異なることが実験より確認され
た。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記構成の加工機で、
自由曲面を研磨仕上げする場合、工具にφ２程度の接触
領域を持つ程度の加圧（または切り込み）を与え工具を
切り込み方向と直交する方向に走査して加工が行われ
る。その場合、切り込み方向をＺ方向とすれば、走査方
向がＸ，Ｙである。研磨工具には弾性体が用いられてお
り、その表面には表面粗さおよびうねりが存在する。こ
の研磨工具は、当然、ツルイングやならし加工の後に、
加工に用いるのであるが、研磨工具表面のうねりを０．
１μｍ以下とするのは困難である。

【０００５】上記従来の研磨加工機では、タィヤ工具の
回転軸が走査方向に対し直角をなす、あるいは、角度関
係が意識的に維持されておらず、工具側のうねりと粗さ
が加工面に転写しやすい。目視ではっきり確認できる研
摩痕が生じやすいのはこのためであり、これが従来技術
の不十分な点である。

【０００６】この対策として、特開平９−６６４５号公
報では、工具軸を加工点のほぼ法線周りに回転させるモ
ータを付与する構成としているが、モータ軸と加工面法
線が一致していないと、断続的な接触になりやすい、ワ
ーク側の揺動機構を含めると機構が複雑で機械的誤差が
生じやすい、制御用ＮＣプログラムが複雑となる、等の
弱点を有している。

【０００７】本発明は、上述のごとき課題を考慮し、簡
単な構成で工具のうねりを転写せずに、自由曲面に研磨
する装置、および、加工方法を提供することを目的とす
るものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、外周
縁が円弧断面形状である円盤状工具と、この工具を回転
させる駆動機構を有し、この工具の回転軸を、該回転軸
と直交する工具切り込み方向あるいは工具加圧方向の第
２の軸まわりに回転し、かつ、任意の角度でクランプで
きる機構を有することを特徴としたものである。

【０００９】請求項２の発明は、外周縁が円弧断面形状
である円盤状工具と、この工具を回転させる駆動機構を
有し、この工具の回転軸と直交する工具切り込み方向あ
るいは工具加圧方向の軸まわりに被加工物を回転し位置
決めする機構を有することを特徴としたものである。

【００１０】請求項３の発明は、請求項１の発明におい
て、前記工具回転軸の角度姿勢を変化させる第２の回転
軸が、円盤工具外周面内の円弧中心を通過する位置に配
置されることを特徴としたものである。

【００１１】請求項４の発明は、請求項１の発明におい
て、前記工具回転駆動機構を保持するフレームを有し、
該フレームが前記第２の回転軸に直交する面内でスライ
ド移動し、該第２の回転軸との相対位置を変化させる機
構を有することを特徴としたものである。

【００１２】請求項５の発明は、請求項１又は２の発明
において、前記円盤状工具を、片持ちの軸付き砥石形状
とし、その材質を柘植、朴（ほお）、樫、竹、柳等の木
材、または、これらの圧縮材としたことを特徴としたも
のである。

【００１３】請求項６の発明は、請求項１又は２の発明
において、前記円盤状工具を、片持ちの軸付き砥石形状
とし、その材質をフェノールまたはポリイミドを主成分
とするレジン砥石とし、その含有砥粒をダイヤ、アルミ
ナ、炭化珪素のいずれかとし、粒経を３μｍ以下として
ことを特徴としたものである。

【００１４】請求項７の発明は、請求項１又は２の発明
において、加工機上で、前記工具の外周縁を円弧に成型
しさらにその表面を目つぶしする工具成型装置を具備す
ることを特徴としたものである。

【００１５】請求項８の発明は、請求項７の発明におい
て、前記工具成型装置は、その成型工具を中空円筒形状
またはすりばち状の円錐形状とし、材質を電着砥石とし
たことを特徴としたものである。

【００１６】請求項９の発明は、請求項１又は２の装置
を用いた曲面加工において、前記工具切り込みあるいは
加圧軸方向に垂直な面内で、加工機の持つスライダと平
行な方向に工具を走査し、つづいて、これとは直交する
方向に工具を走査する動作を交互に行い、その際、工具
回転軸が走査方向と常に平行となるように維持すること
を特徴としたものである。

【００１７】請求項１０の発明は、請求項９の発明にお
いて、前記工具走査線のピッチを変化させ、加工面上で
の走査線の分布に疎密を与え、特定の場所の研磨除去深
さを制御することを特徴としたものである。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１，図２は、工具２の走査方向
（矢印方向）に対して、工具回転軸１を平行（図１）と
した場合と直交（図２）とした場合を比較して示した図
で、共に（Ａ）図は溝加工状態の平面図、（Ｂ）図は溝
の横断面図、（Ｃ）図は溝の縦断面図を示したもので、
図１の平行の場合では溝の横断面、縦断面共に良好な表
面粗さが得られることが確認された。一方、図２の直交
する場合では、溝の横断面にタイヤ工具外縁の円弧輪郭
と粗さがそのまま転写することとなり、結果として、表
面粗さおよびうねりが悪くなりやすいことが確認され
た。この場合、目視で確認できる研磨痕が顕著に生ず
る。この結果は、溝加工で多用される弾性工具である、
フェルト系の起毛工具、皮、合成、皮革、ポリウレタン
等の弾性樹脂、ゴム、レジンボンド砥石で、程度の差は
あれど、すべて同一の傾向を持つことが確認されてい
る。

【００１９】本発明は、上述の原理を応用し、工具の回
転軸をその走査方向に平行にさせるための回転機構を備
えた研磨ヘッドを提供するもので、以下、本発明の実施
例を図をもって説明する。

【００２０】図３は、本発明の一実施例を説明するため
の要部斜視図で、図示のように、工具切り込みまたは加
圧方向をＺ軸方向とし、Ｚ軸に直交するＸ軸と平行に工
具回転軸１が支持される。この回転軸１の周りにタイヤ
形状工具２が工具回転モータ３により回転駆動される。
工具回転モータ３は支持部材４に連結され、さらに、支
持部材４は、回転面板（ステージ）５に連結されてい
る。回転面板５はＺ軸方向の回転軸８をもち、回転軸８
のまわりに回転移動が可能であり、任意の角度姿勢にお
いて回転を固定するクランプ機構を有している。支持部
材４は回転軸８に直交する面内での方向にスライド可能
で、Ｚ方向に平行でタイヤ工具の断面円弧の中心と工具
軸１を通る軸１０と回転軸８を一致させるための位置調
整を可能としている。合いマーク９ａと９ｂの一致が、
工具回転軸１がＸ軸に平行であることを意味し、９ａと
９ｃの一致はＹ軸と平行を意味する。回転の位置決めに
は、カービックカップリングなどを介することで簡単で
正確な分割も可能である。支持部材６は回転運動に対し
て固定側となりＮＣ加工機のＺ軸コラムに連結されるも
のである。

【００２１】図４は、研磨加工時のワークとの位置関係
を示す正面図で、研磨ヘッドの固定側支持部材６は、加
工圧を制御するバネ要素７ａとヘッド振動を減衰させる
粘性制動要素７ｂを介して直交３軸のＮＣ機のＺ軸コラ
ム１５に連結されている。７ａと７ｂの具体的な機械要
素としては、直動案内＋バネまたは直動案内＋加圧アク
チュエータなどがあり、加圧アクチュエータとしてはエ
アシリンダ、ピエゾ素子、ボイスコイルモータ、ネジ送
り機構などがある。Ｚ軸コラム１５の下降により、回転
するタイヤ工具２をトーリック金型１１の鏡面部１１ａ
に接触させ、Ｘ軸方向に工具を走査する。工具走査のプ
ログラムは、単なる直線の走査線パスとして鏡面部１１
ａのＺ方向の変位は、弾性支持部となる７ａで吸収する
のが、もっとも簡単な加工法である。加工面に沿うよう
なＸＺ指令のツールパスも当然使用可能である。研磨の
ための砥粒は、レジン砥石およびゴム砥石を用いた場合
を除いて、ダイヤ、ｓｉｃ、アルミナ等の遊離砥粒がペ
ーストあるいはスラリーの状態で供給される。

【００２２】図５は、長手走査のツールパス及び工具姿
勢を示す図、図６は、短手走査のツールパス及び工具姿
勢を示す図で、共に、矢印中にて示す線分は、工具の走
査軌跡および工具姿勢を示しており、トーリック金型の
鏡面部を上方から見た図である。図５はタイヤ工具２を
Ｘ軸方向に走査している状態であり、図４の状態に対応
する。ここで工具回転軸１はＸ軸と平行となる姿勢とな
っている。鏡面部１１ａの長辺は加工機Ｘ軸に平行とな
るようにセットされている。図６は工具２をＹ軸方向に
走査した状態であり、このときは工具回転軸１はＹ軸と
平行となる姿勢となっている。

【００２３】走査線のツールパスで研磨を行う際、ピッ
ク方向に対して研磨加工による新たなうねりを発生しや
すい。これを防止するには、図５に示した長手走査のツ
ールパスと図６に示した短手走査のツールパスを交互に
用いることが有効である。本発明の研磨ヘッドと合わせ
て使用することで、ＸとＹどちらか方向の走査線パスに
対しても、工具回転軸を走査方向に一致させることがで
き、目視レベルの研磨痕を生じさせずに表面粗さ、表面
うねりを向上させた、曲面の研磨が可能となる。

【００２４】図７は、請求項２の発明の実施例を説明す
るための図で、請求項２の発明は、外周縁が円弧断面形
状である円盤工具２と、該工具２を回転させる駆動機構
を有し、この工具２の回転軸１と直交する工具切り込み
方向あるいは工具加圧方向の軸１６のまわりに被加工物
１１を回転して位置決めする機構１２を有し、図示のよ
うに、工具２の姿勢を維持するための回転機構１２をワ
ーク１１側に持たせたものである。

【００２５】図８は、請求項５，６の発明の実施例を説
明するための断面図で、円盤工具２は、片持ちの軸付き
砥石形状とし、その材質を柘植、朴（ほお）、樫、竹、
柳等の木材、またはこれらの圧縮材とし（請求項５）、
或いは、その材質をフェノールまたはポリイミドを主成
分とするレジン砥石とし、その含有砥粒はダイヤ、アル
ミナ、炭化珪素のいずれかとし、粒経を３μｍ以下とし
（請求項６）たもので、図８は、心材２ｂには鉄系材を
用い、工具部２ａは木材および微細砥石の樹脂ボンド砥
石を用いた例を示した。

【００２６】図９，図１０は、請求項７及び８の発明の
実施例を説明するための要部構成図で、図中、１３，１
４はそれぞれ工具２の成型装置で、これら工具成形装置
は、図示のように、加工機１２上で、工具２の外周縁を
円弧に成型し、さらに、その表面を目つぶしするもの
で、図９に示した例は、タイヤ工具成型工具が中空円筒
状１３のもの、図１０に示した例は、すりばち状の円錐
形状１４のものを示す。

【００２７】

【発明の効果】請求項１の発明によると、外周縁が円弧
断面形状である円盤状工具と、該工具を回転させる駆動
機構を有し、該工具の回転軸を該回転軸と直交する工具
切り込み方向あるいは工具加圧方向の第２の軸まわりに
回転し、かつ、任意の角度でクランプできる機構を有す
るので、工具回転軸を工具走査方向に対して常に平行に
できるため、加工面に生ずる規則的な研磨痕を小さくす
ることができ、自由曲面の鏡面研磨において表面粗さと
表面うねりを小さくすることができる。

【００２８】請求項２の発明によると、外周縁が円弧断
面形状である円盤工具と、該工具を回転させる駆動機構
を有し、該工具の回転軸と直交する工具切り込み方向あ
るいは工具加圧方向の軸まわりに被加工物を回転し位置
決めする機構を有するので、請求項１の発明と同様、表
面粗さと表面うねりを小さくすることができ、また、回
転機構を加工機テーブル面に配置することで、Ｚ軸コラ
ムにぶら下がる部材が軽量化でき、図４に示したよう
に、加圧制御要素７ａ，７ｂと組み合わせた際に、加圧
制御が容易になる。

【００２９】請求項３の発明によると、請求項１の発明
において、前記工具回転軸の角度姿勢を変化させる第２
の回転軸を、円盤工具外周面内の円弧中心を通過する位
置に配置したので、工具回転軸の姿勢をかえる回転動作
を行った際に、工具表面の最下点がＺ軸コラムに対して
移動しないため、ＮＣプログラム中の工具オフセット値
を変える必要がなく、ＮＣプログラム作成が容易とな
る。

【００３０】請求項４の発明によると、請求項１の発明
において、前記工具回転駆動機構を保持するフレーム
は、前記第２の回転軸に直交する面内でスライド移動
し、第２の回転軸との相対位置を変化させる機構を有す
るので、図３に示したように、第２の回転軸と工具の位
置関係を容易に微調整できる。

【００３１】請求項５，６の発明によると、各種研磨工
具による図２に示した溝加工実験を実施し、鏡面研磨に
関する工具の適正評価を行い、溝深さ１０μｍに達する
までの往復動を繰り返した結果、工具成形（ツルイン
グ）と目つぶし（ならし）工程を組み合わせることで、
請求項５，６の工具は、溝横断面のうねりを含めた表面
粗さが０．６μｍＲｔを達成している。その他の工具で
ある、フェルト、バフ、ポリウレタン、弾性砥石数種は
いずれもうねりを押さえるのが難しく２μｍＲｔ前後で
あった。

【００３２】請求項７の発明によると、加工機上に工具
の外周縁を円弧に成型し、かつ、その表面を目つぶしす
る工具成型装置を有するので、機上で工具表面の円弧が
成形できるため、円弧中心とＮＣ座標の位置関係が容易
に把握でき、加工時の工具オフセット量の入力が容易と
なる。また、円弧中心と第２の回転軸との位置あわせも
容易になる。

【００３３】請求項８の発明によると、請求項７の発明
において、前記工具成型装置は、その工具成型工具が中
空円筒形状またはすりばち状の円錐形状で、かつ、材質
が電着砥石であるので、弾性工具のツルイングは工具が
逃げやすく難しいが、精度の高い円弧の成形が可能とな
った。

【００３４】請求項９の発明によると、請求項１又は２
の装置を用いた曲面加工において、前記工具切り込みあ
るいは加圧軸方向に垂直な面内で、加工機の持つスライ
ダと平行な方向に工具を走査し、つづいて、これと直交
する方向に工具を走査する動作を交互に行い、その際、
工具回転軸が走査方向と常に平行となるように維持する
ようにしたので、ピック方向のうねりを低減できる。

【００３５】請求項１０の発明によると、請求項９の発
明において、前記工具走査線のピッチを変化させ、加工
面上での走査線の分布に疎密を与え、特定の場所の研磨
除去深さを制御するようにしたので、従来の工具走査速
度を変化させる（滞留時間制御方式）に比べて、特別な
演算処理を要さずにＮＣプログラムのチェックが視覚的
に行え、形状補正のＮＣプログラム作成が容易となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 工具走査方向（矢印）に対して、工具回転軸
を平行とした場合の図である。

【図２】 工具走査方向（矢印）に対して、工具回転軸
を直交とした場合の図である。

【図３】 本発明の一実施例を説明するための要部斜視
図である。

【図４】 研磨加工時のワークとの位置関係を示す正面
図である。

【図５】 長手走査のツールパス及び工具姿勢を示す図
である。

【図６】 短手走査のツールパス及び工具姿勢を示す図
である。

【図７】 被加工物を回転するようにした場合の実施例
を示す要部構成図である。

【図８】 タイヤ工具の一例を示す断面図である。

【図９】 タイヤ工具成型工具が円筒状の例を示す図で
ある。

【図１０】 タイヤ工具成型工具が円錐状の例を示す図
である。

【図１１】 砥石の走査軌跡、ピックフィード方向を示
す図である。

【符号の説明】

１…工具回転軸、２…円盤状工具、３…工具回転モー
タ、４…支持部材、５…回転面盤、６…固定側支持部
材、７…加圧制御機構、７ａ…バネ要素、７ｂ…粘性減
衰要素、８…第２の回転軸、９ａ…固定側合いマーク、
９ｂ…可動側合いマーク、１０…工具円弧中心通過軸、
１１…ワーク、１１ａ…研磨面（鏡面部）、１２…ター
ンテーブル、１３…円筒型ツルア、１４…円錐型ツル
ア、１５…Ｚコラム。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外周縁が円弧断面形状である円盤状工具
   と、該工具を回転させる駆動機構を有し、該工具の回転
   軸を該回転軸と直交する工具切り込み方向あるいは工具
   加圧方向の第２の軸まわりに回転し、かつ、任意の角度
   でクランプできる機構を有することを特徴とする曲面研
   磨装置。
2. 【請求項２】 外周縁が円弧断面形状である円盤状工具
   と、該工具を回転させる駆動機構を有し、該工具の回転
   軸と直交する工具切り込み方向あるいは工具加圧方向の
   軸まわりに被加工物を回転し位置決めする機構を有する
   ことを特徴とする曲面研磨装置。
3. 【請求項３】 前記工具回転軸の角度姿勢を変化させる
   第２の回転軸が、前記円盤状工具の外周面内の円弧中心
   を通過する位置に配置されていることを特徴とする請求
   項１に記載の曲面研磨装置。
4. 【請求項４】 前記工具回転駆動機構を保持するフレー
   ムを有し、該フレームは前記第２の回転軸に直交する面
   内でスライド移動し、該第２の回転軸との相対位置を変
   化させる機構を有することを特徴とする請求項１に記載
   の曲面研磨装置。
5. 【請求項５】 前記円盤状工具は、片持ちの軸付き砥石
   形状で、その材質を柘植、朴（ほお）、樫、竹、柳等の
   木材、または、これらの圧縮材であることを特徴とする
   請求項１又は２に記載の曲面研磨装置。
6. 【請求項６】 前記円盤状工具は、片持ちの軸付き砥石
   形状で、その材質をフェノールまたはポリイミドを主成
   分とするレジン砥石とし、その含有砥粒をダイヤ、アル
   ミナ、炭化珪素のいずれかとし、粒経が３μｍ以下であ
   ることを特徴とする請求項１又は２に記載の曲面研磨装
   置。
7. 【請求項７】 加工機上で、前記円盤状工具の外周縁を
   円弧に成型しさらにその表面を目つぶしする工具成型装
   置を具備することを特徴とする請求項１又は２に記載の
   曲面研磨装置。
8. 【請求項８】 前記工具成型装置は、その成型工具が中
   空円筒形状またはすりばち状の円錐形状で、材質が電着
   砥石であることを特徴とする請求項７に記載の曲面研磨
   装置。
9. 【請求項９】 請求項１又は２に記載の曲面研磨装置を
   用いて被加工物の曲面研磨を行う曲面研磨方法におい
   て、前記工具切り込みあるいは加圧軸方向に垂直な面内
   で、加工機の持つスライダと平行な方向に前記円盤状工
   具を走査し、つづいて、これと直交する方向に該工具を
   走査する動作を交互に行い、その際、工具回転軸が走査
   方向と常に平行となるように維持することを特徴とする
   曲面研磨方法。
10. 【請求項１０】 前記工具走査線のピッチを変化させ、
    加工面上での走査線の分布に疎密を与え、特定の場所の
    研磨除去深さを制御することを特徴とする請求項９に記
    載の曲面研磨方法。