JP5043708B2 - 超仕上げ加工方法および研削装置 - Google Patents

Description

本発明は、超仕上げ加工方法および超仕上げ加工を行う研削装置に関する。

砥石に振動を与えながら工作物を研削する超仕上げ（加工）は、砥石の研削性を長時間維持することができ、鏡面仕上げが比較的容易なことから、従来、機械部品の仕上げの多くにに採用されている。
超仕上げは、研削対象面（被研削面）が平滑化すると脱落した砥粒が砥石を目詰まりさせ砥石表面の凹凸を微細にして鏡面加工を容易にするものであることから、砥石は、砥粒の結合強度が強くないものが使用される。そこで、研削時には、砥石の目詰まりに不要な脱落砥粒は、加工面に注がれる研削油または冷却水で除去される。

超仕上げでは、砥石の研削面の面積が大きい場合、内方の脱落砥粒は除去され難く、残留する不要な砥粒が研削面の研削を行うために、適切な鏡面加工を行うことができない。そこで、研削面の見かけ面積が大きな砥石では、通常、研削面に窪み等を設けて実際の研削面積を小さくし、脱落する砥粒の発生を抑制することが行われる。このように、超仕上げでは、砥石が大きくても研削面を見かけほどには大きくすることができず、工作物の研削対象面が大きくなると、それに応じて加工時間が長くなるという問題がある。
この問題に対し、例えば球面ころの外周面の超仕上げにおける加工時間の短縮を図るために、砥石を球面ころの軸線と交差する方向に揺動させることが試みられている（特許文献１）。

また、複数の研削対象面を有する工作物に対して、複数の砥石（研削砥石および超仕上げ砥石）を用意し、複数の砥石に待機および研削を繰り返させて研削の効率化を図る加工方法が提案されている（特許文献２）。
特開２００７−１６８０５５号公報 特開２００３−９４３０３号公報

特許文献１で試みられた方法は、研削対象面が球面でなければ工作物を回転させながら砥石を揺動させることができず、他の形状の工作物に適用することは困難である。また、特許文献２で提案された方法は、複数の研削対象面が所定の位置関係で存在することが必要であり、単一の研削対称面を有する工作物および複数の研削対象面の位置関係が所定の要件を満たしていない工作物に適用するのは困難である。
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、研削時間を短縮することができる超仕上げ加工方法および超仕上げ加工を行う研削装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
すなわち、本発明に係る超仕上げ加工方法は、被研削面が円錐台の周面または円錐の周面である工作物を前記円錐台または前記円錐の軸回りに回転させ、研削面周りが多角輪郭
形状である超仕上げ砥石を、研削面と直交する軸まわりに回転させかつ振動させながら、回転する前記被研削面に押圧させ、前記超仕上げ砥石を前記被研削面に押圧させた状態で前記被研削面の回転中心側に設定された移動端と外方側に設定された移動端との間を往復移動させて研削を行う。

好ましくは、前記工作物の回転数を、前記超仕上げ砥石の往復移動における位置が前記被研削面の回転中心に近い程高くして研削を行う。
より好ましくは、前記工作物の回転数、ならびに前記超仕上げ砥石の振動数、回転数、前記往復移動時の移動の速さおよび前記往復移動の回数のいずれかまたはいずれも異なる研削工程を複数組み合わせて研削を行う。
前記超仕上げ砥石の研削面の形状が正方形である場合、研削時間の短縮に効果的である。
本発明に係る研削装置は、被研削面が円錐台の周面または円錐の周面である工作物を保持して前記円錐台または前記円錐の軸回りに回転させるための工作物回転装置と、研削面周りが多角輪郭形状である超仕上げ砥石を保持して研削面と直交する軸まわりに回転させるための砥石回転装置と、前記超仕上げ砥石を振動させるための振動付与装置と、前記超仕上げ砥石を前記工作物の被研削面に沿って前記被研削面の内方の移動端と外方の移動端との間で移動させるための横移動装置と、を有する。

前記工作物回転装置は、その回転数が前記被研削面に沿った前記超仕上げ砥石の移動に連動して増減可能に形成される。
前記超仕上げ砥石の研削面の形状が正方形である場合、研削時間の短縮に効果的である。
好ましくは、前記工作物回転装置による回転の回転数、前記砥石回転装置による回転の回転数、前記振動付与装置による振動の振動数、ならびに前記横移動装置による前記超仕上げ砥石の移動速度および移動回数の各設定値を記憶する記憶部と、これらの各設定値のいずれかまたはいずれも異ならせた複数の研削条件で連続して研削を行うように前記工作物回転装置、前記砥石回転装置、前記振動付与装置および前記横移動装置を制御する制御部と、を有する制御装置を備える。

ここでいう「複数の研削条件で連続して研削を行う」とは、異なる複数の研削条件による一連の研削処理を、例えば超仕上げ砥石を交換する等により中断することなく連続的に行うことをいう。

本発明によると、研削時間を短縮することができる超仕上げ加工方法および超仕上げ加工を行う研削装置を提供することができる。

図１は超仕上げを行うための研削装置１の主要部分の正面図、図２は研削装置１の側面図、図３は研削装置１における超仕上げ砥石１１近傍の斜視図、図４は工作物（ワーク）Ｗの斜視図、図５は制御装置２の構成を示す図、図６は図１のＡ−Ａ矢視方向からみた超仕上げ砥石１１の動きを示す図である。
研削装置１が行う「超仕上げ」とは、工作物Ｗに超仕上げ砥石１１を押しつけながら工作物Ｗまたは超仕上げ砥石１１に振動を与えて工作物Ｗの被研削面１２を仕上げることをいう。また、以下の説明において「横方向」とは図１における横方向（左右方向）をいい、「上下方向」とは図１における上下方向をいう。「上下方向」とは、研削装置１における垂直方向である。

研削装置１は、砥石回転装置３、砥石押圧装置、砥石位置移動装置４、工作物回転装置５および制御装置２からなる。
砥石回転装置３は、超仕上げ砥石１１を保持して回転させるためのものである。
砥石回転装置３は、超仕上げ砥石１１を保持する砥石保持部１３および砥石保持部１３を回転させるための砥石回転用モータ１４等からなる。
砥石回転用モータ１４にはサーボモータが使用され、その回転は制御装置２により制御される。

砥石押圧装置は、砥石保持部１３に保持された超仕上げ砥石１１を工作物Ｗに押圧させるための装置である。砥石押圧装置は、超仕上げ砥石１１を工作物Ｗ側に向けて押圧するためのものである。砥石押圧装置は、押圧するための油圧を発生させるエアハイドロ機器へのエア流路に、それぞれが調整圧の異なる複数のエア圧調整弁が並列に接続されている。各エア圧調整弁はエア圧力源に接続され、それぞれのエア圧調整弁とエアハイドロ機器との間には、自動弁１５が接続されている。超仕上げ砥石１１が工作物Ｗを押圧する力は、自動弁１５のいずれかを開とすることにより選択される。自動弁１５の開閉は、制御装置２により行われる。

砥石位置移動装置４は、横移動装置６、振動付与装置７、傾斜装置および上下移動装置８からなる。
横移動装置６は、超仕上げ砥石１１を工作物Ｗの被研削面（研削対象面）１２に沿って移動（トラバース）させるためのものである。横移動装置６は、横移動用ボールネジ、横移動用ボールネジの回転によって横移動用ボールネジの軸心方向に往復動する横移動スライダ、および横移動用ボールネジを回転させる横移動用モータ１６を有する。横移動用ボールネジは、その軸心が略横方向に伸びるようにして配置されている。横移動装置６は傾斜装置に一体化されており、傾斜装置の傾斜動作に伴って傾斜する。

横移動スライダは、振動付与装置７におけるフレーム１７と固定的に一体化され、横移動用ボールネジの回転に応じて往復移動することにより、砥石回転装置３と一体化された振動付与装置７を横方向に往復移動させる。
横移動用モータ１６にはサーボモータが使用され、その回転は制御装置２により制御される。
振動付与装置７は、支持胴部１８、バランス用胴部１９、２つの支持シャフト２０，２１、フレーム１７、オシレーションリング２２および振動用モータ２３（図５参照）等からなる。

支持胴部１８は、砥石回転装置３を固定的に支持する。支持胴部１８は、横移動用ボールネジの軸心と同一方向に貫通しその断面が同一の円形である２つの孔が、上下方向に間隔を有して設けられている。なお、横移動用ボールネジの軸心方向は、砥石回転装置３の回転軸２４に直交する方向でもある。支持胴部１８は、横方向の一方の側面における２つの孔の間に固着された、厚板で形成された振動伝達部２５を有する。
バランス用胴部１９は、支持胴部１８の横に、支持胴部１８と間隔をあけて配されている。バランス用胴部１９は、正面視（図１）において支持胴部１８と略同じ形状を有する。また、バランス用胴部１９は、支持胴部１８の２つの孔と同一断面形状であって、支持胴部１８の２つの孔と同じ間隙を有して横移動用ボールネジの軸心方向に貫通する２つの孔を備える。バランス用胴部１９は、砥石回転装置３を含めた支持胴部１８と略同じ重量を有するように形成されている。バランス用胴部１９は、支持胴部１８側の側面における２つの孔の間に、厚板で形成された振動伝達部２６を有する。なお、先に説明した支持胴部１８における振動伝達部２５は、バランス用胴部１９を向く側面にバランス用胴部１９の振動伝達部２６に対向させて設けられている。

支持シャフト２０，２１は、１つが支持胴部１８の上方の孔およびバランス用胴部１９の上方の孔を貫通し、他の１つが支持胴部１８の下方の孔およびバランス用胴部１９の下方の孔を貫通する。支持シャフト２０，２１は、いずれもその両端でフレーム１７に固定され、支持胴部１８およびバランス用胴部１９のそれぞれの孔内に設けられたエアベアリングを介して相対移動可能に支持胴部１８およびバランス用胴部１９を支持している。支持シャフト２０，２１の軸心方向は横移動用ボールネジの軸心方向と一致している。
フレーム１７は、正面視（図１）において横長の長方形の枠であり、横移動スライダに固定されて横移動スライダの移動とともに略横方向に移動する。

オシレーションリング２２は略円柱形の形状を有し、振動用モータ２３により円柱形の軸心からずれた回転軸Ｒｃ回りに回転する。オシレーションリング２２は、その回転軸Ｒｃが、支持シャフト２０，２１の軸心方向および砥石回転装置３の回転軸２４のいずれにも直交する方向となるようにして、支持胴部１８およびバランス用胴部１９の間における２つの支持シャフト２０，２１の間に配置されている。
支持胴部１８およびバランス用胴部１９は、それぞれの振動伝達部２５，２６がオシレーションリング２２に当接するように、いずれもオシレーションリング２２側に付勢されている。この付勢は、バネにより行われる。

振動用モータ２３にはサーボモータが使用され、その回転は制御装置２により制御される。
傾斜装置は、横移動装置６と一体化されて、横移動装置６を、その水平位置（図１の細線による２点鎖線）に対して設定（入力）された角度だけ傾斜させる。傾斜装置は、２つの支持シャフト２０，２１が垂直方向に上下となった状態を維持しながら横移動装置６を傾斜するように横移動装置６を保持する。傾斜装置による横移動装置６の傾斜の程度は、制御装置２により制御される。横移動装置６の横移動スライダは振動付与装置７のフレーム１７と一体化され、振動付与装置７の支持胴部１８は砥石回転装置３と一体化されているので、傾斜装置は、その傾斜動作により砥石の回転軸２４を傾斜させる。傾斜装置は、制御装置２に制御された傾斜用モータ２７によりその傾斜角度が調整される。傾斜用モータ２７には、サーボモータが使用される。

上下移動装置８は、横移動装置６と一体化された傾斜装置を上下動（垂直方向往復動）させるためのものである。上下移動装置８は、上下移動用ボールネジ２８、上下移動用ボールネジ２８の回転によって上下移動用ボールネジ２８の軸心方向を往復動する上下移動スライダ、および上下移動用ボールネジ２８を回転させる上下移動用モータ２９を有する。上下移動用ボールネジ２８は、図１および図２においてその軸心が垂直方向となるようにして配置されている。上下移動用モータ２９にはサーボモータが使用され、その回転は制御装置２により制御される。

工作物回転装置５は、研削対象の工作物Ｗを保持して回転させるためのものである。工作物回転装置５は、工作物保持部３０および工作物回転用モータ３１等からなる。工作物保持部３０は工作物Ｗを一体に固定する。工作物回転装置５は、その回転軸が、砥石回転装置３が横方向に移動するときの超仕上げ砥石１１の研削面における回転中心点の軌跡の延長線と交わるように、配置されている。
なお、制御装置２には、横移動装置６の傾斜角度が零の場合に、工作物回転装置５の回転軸が超仕上げ砥石１１の回転軸２４と重なるときの横移動スライダ（砥石回転装置３）の横方向位置（以下「基準位置」という）が、標準位置の後に説明する「座標」として予め記憶されている。

工作物保持部３０が固定する工作物Ｗは、図１〜４を参照して、形状が円錐台である円錐台部３２、および円錐台部３２の下底面から突出する略円筒状のブシュ部３３からなる。工作物Ｗは、円錐台部３２の上底面が開口しており、開口部分からブシュ部３３の空洞部分に連続し軸心方向に貫通する孔を備えている。円錐台部３２における円錐台の周面が研削される被研削面１２である。
工作物保持部３０は、被研削面１２を上にして工作物Ｗを固定する。
工作物回転用モータ３１は、工作物保持部３０をその軸心回りに回転させる。工作物回転用モータ３１にはサーボモータが使用され、その回転は制御装置２により制御される。

制御装置２は、制御部３４、砥石回転管理部３５、横移動管理部３６、振動管理部３７、傾斜管理部３８、上下移動管理部３９、工作物回転管理部４０、押圧管理部４１、入力部４２、記憶部４３、クロック４４およびインタフェース４５等からなる。
制御部３４は、制御装置２全体の動作を制御する。
砥石回転管理部３５、振動管理部３７および工作物回転管理部４０は、それぞれが制御部３４が指示する回転速度で砥石回転用モータ１４、振動用モータ２３および工作物回転用モータ３１が回転するように制御する。砥石回転管理部３５、振動管理部３７および工作物回転管理部４０による指示は、インタフェース４５を介して砥石回転用モータ１４、振動用モータ２３および工作物回転用モータ３１のそれぞれの回転動作に変換される。また、砥石回転用モータ１４、振動用モータ２３および工作物回転用モータ３１からの回転速度に関するエンコーダ出力は、これらの回転速度のフィードバック制御に使用される。

横移動管理部３６および上下移動管理部３９は、それぞれが制御部３４の指示に基づいて横移動用モータ１６および上下移動用モータ２９の回転方向（正回転、逆回転）、回転速度および積算回転数を制御する。横移動管理部３６および上下移動管理部３９による指示は、インタフェース４５を介して横移動用モータ１６および上下移動用モータ２９のそれぞれの回転動作に変換される。横移動用モータ１６および上下移動用モータ２９からの回転に関するエンコーダ出力は、これらの回転のフィードバック制御に使用される。
傾斜管理部３８は、制御部３４が指示する傾斜角度分の積算回転数だけ傾斜用モータ２７を正回転または逆回転させる。傾斜用モータ２７の回転は、エンコーダによりフィードバック制御に使用される。

押圧管理部４１は、複数のエア圧調整弁にそれぞれに個別に接続された自動弁１５の開閉を制御する。
入力部４２は、研削装置１の動作条件、例えば超仕上げ砥石１１の回転速度（回転数）、超仕上げ砥石１１の横移動速度および超仕上げ砥石１１の振動数等を制御装置２に入力するためのものである。入力された各動作条件は、インタフェース４５および制御部３４を介して記憶部４３に記憶される。
記憶部４３は、研削装置１の各動作条件の記憶、ならびに制御部３４、砥石回転管理部３５、横移動管理部３６、振動管理部３７、傾斜管理部３８、上下移動管理部３９および工作物回転管理部４０におけるテンポラリーデータの記憶等を行う。

クロック４４は、制御装置２が行う動作の時間管理を行うための基準時間を発信する。
インタフェース４５は、砥石回転管理部３５等から出力されたデータを、砥石回転用モータ１４等を駆動するための電流の周波数等に変換する。また、入力装置からの入力データをデジタル化して制御部３４に出力する。
制御部３４、砥石回転管理部３５、横移動管理部３６、振動管理部３７、傾斜管理部３８、上下移動管理部３９および工作物回転管理部４０は、ＣＰＵおよび動作プログラムが記憶されたＲＡＭで実現される。入力部４２はキーボードまたはタッチパネル等により実現され、記憶部４３はＲＡＭおよびハードディスク等の外部記憶装置により実現される。クロック４４はＣＰＵ等を動作させる内部クロックが使用され、インタフェース４５はサーボモータを駆動するためのサーボアンプ、Ａ／Ｄ変換器およびデジタルリレー等により実現される。

次に、研削装置１による工作物Ｗの超仕上げ加工方法について説明する。
超仕上げ加工は、粗研削工程、中研削工程および仕上げ研削工程の３つの工程で構成される。
粗研削工程、中研削工程および仕上げ研削工程における超仕上げ砥石１１の回転数（砥石回転用モータ１４の回転数で決定される。以下「砥石回転数」という）、超仕上げ砥石１１の振動数（振動用モータ２３の回転数で決定される。以下「振動数」という）、超仕上げ砥石１１の横方向移動速度（以下「トラバース速度」という）、超仕上げ砥石１１の横方向移動回数（片道の回数である。以下「トラバース回数」という）、横方向の両移動端における超仕上げ砥石１１のそれぞれの滞留（移動停止）時間（以下、内方の移動端におけるものを「内タリータイム」、外方の移動端におけるものを「外タリータイム」という）、工作物Ｗの基本回転数（工作物回転用モータ３１の回転数で決定される。以下「基本回転数」という）および超仕上げ砥石１１が工作物Ｗを押圧する力（以下「押圧力」という）は、超仕上げ加工前に、それぞれの工程で別々にその数値が入力部４２を介して制御装置２に入力される。

なお、研削装置１による超仕上げ加工では、３つの研削工程すべてにおいて、工作物Ｗの回転数は超仕上げ砥石１１の横方向移動に伴って連続的に変更される。「基本回転速度」とは、超仕上げ砥石１１が外方の移動端に位置するときの回転速度である。
また、各工程の押圧力は、採用する押圧力を得るように設定されたエア圧調整弁に接続された自動弁１５を選択して制御装置２に入力することにより決定される。記憶部４３には、例えば選択された自動弁１５の番号が各工程ごとに記憶される。
超仕上げ砥石１１の横方向移動距離（以下「トラバース距離」という）および傾斜装置により傾斜された横移動装置６の傾斜角度（以下「傾斜角度」という）は、工作物Ｗの被研削面１２の形状（主に円錐台における母線の傾斜度合いが問題とされる）に基づいて決定された値が、超仕上げ加工前に制御装置２に入力される。例えば、図４に示される工作物Ｗでは、被研削面１２の母線ＧＥの長さに超仕上げ砥石１１の研削面の形状を考慮してトラバース距離が決定され、母線ＧＥと円錐台部３２の下底面とがなす角度が傾斜角度とされる。

超仕上げ砥石１１の工作物Ｗに対する移動開始位置の設定は、振動装置による振幅が零の状態（オシレーションリング２２の軸心と回転軸Ｒｃとが垂直方向に並んだ状態）で、横移動装置６が傾斜角度まで傾斜され、作業者が横移動装置６および上下移動装置８を手動で操作して超仕上げ砥石１１を移動開始位置（すなわち工作物Ｗの被研削面１２における外方の移動端）に移動させ、この（横移動装置６および上下移動装置８における）位置を制御装置２に記憶させることにより行われる。
なお、この超仕上げ砥石１１の位置（厳密には「超仕上げ砥石１１の研削面の回転中心点の位置」）の記憶は、制御装置２において横移動用ボールネジが伸びる方向（横移動装置６が傾斜したときも含め「横方向」という）および上下移動用ボールネジ２８の軸心の方向（以下、「上下方向」という）の２次元平面における座標として行われる。したがって、横方向座標軸は、横移動装置６が傾斜されずに傾斜角度が零の場合には水平方向になり、横移動装置６が傾斜された場合には、水平方向に対して傾斜角度分傾斜した方向になる（図４参照）。横移動管理部３６は横移動スライダの移動距離等（横移動用ボールネジの積算回転数等）を管理するので、このように横方向座標軸の方向を傾斜角度に連動させる方が、管理が容易だからである。

内方の移動端の位置は、次のようにして決定される。すなわち、傾斜角度が零のときの傾斜装置による揺動中心（図１にはオシレーションリング２２の回転中心Ｒｃと一致する場合が記載）から超仕上げ砥石１１の研削面までの垂直方向における距離Ｄ₁と、実際に研削加工を行うときの傾斜角度とから、横移動装置６が傾斜したときに超仕上げ砥石１１の研削面における回転中心が工作物回転装置５における回転中心からずれる距離Ｄ₂を求める。この距離Ｄ₂は、
Ｄ₂＝Ｄ₁×ｔａｎ（傾斜角度） …（１）
から求められる。この距離Ｄ₂と記憶部４３に記憶された基準位置とから、横移動装置６が傾斜したときに研削面の回転中心が工作物回転装置５における回転中心に重なる位置（座標）を修正し、この位置と記憶するトラバース距離および外方の移動端の位置とから内方の移動端の位置が算出される。なお、超仕上げ砥石１１の研削面の回転中心が工作物回転装置５における回転中心と一致するときの位置の算出を予め行っておき、外方の移動端の位置が設定されたときに内方の移動端の位置を算出することもできる。

表１に超仕上げ加工条件の１例を示す。

表１に示される超仕上げ加工条件は、図４に示される工作物Ｗの研削に関するものである。工作物Ｗの被研削面１２は、外径が１７５ｍｍ、内径が５２ｍｍおよび被研削面１２の母線の下底面に対する傾斜角度が１１度である。使用される超仕上げ砥石１１は、研削面が２５ｍｍ×２５ｍｍの正方形である。この超仕上げ砥石１１は株式会社ミズホのＤＤ４０００Ｋ−ＶＥＳであり、研削時にはクーラントオイルも使用される。
表１における「振幅」は、オシレーションリング２２の断面の幾何学的中心と回転中心との距離により決定され、この距離が大きなオシレーションリング２２を使用すれば振幅は増加し、その逆であれば振幅は減少する。押圧力は、各エア圧調整弁の調整圧力と超仕上げ砥石１１の研削面の面積等とから算出されるものである。

トラバース距離（ｍｍ）は、
トラバース距離＝（１７５−５２）÷２÷ｃｏｓ（１１度）−２５＋α …（２）
から決定される。ここでαは、手動で外方の移動端を決定する際に、研削面の中心を、被研削面１２の外方端縁よりも外方に誤設定したときにも、超仕上げ砥石１１を被研削面１２内方端縁にまで移動させられるように、幾何学的に算出された移動距離に加算した増分（２．３５ｍｍ）である。
研削装置１は、超仕上げ加工前に、傾斜装置により横移動装置６が水平状態から傾斜角度にまで傾斜され、超仕上げ砥石１１が横移動装置６により外方の移動端にまで移動される。このとき、超仕上げ砥石１１は工作物Ｗに接してなく、間隔をあけてその上方に位置する。

粗研削工程、中研削工程および仕上げ研削工程は、表１に示される各条件が異なるものの、研削装置１の動作はいずれの工程も同じように行われる。
粗研削は次のようにして行われる。
加工開始スイッチ等により加工開始が制御装置２に指示されると、工作物回転装置５は、基本回転数（３００ｒｐｍ）で工作物Ｗの回転を開始する。また、砥石回転装置３も設定された砥石回転数（３０００ｒｐｍ）で超仕上げ砥石１１の回転を開始する。工作物Ｗの回転方向と超仕上げ砥石１１の回転方向とは、図５に示されるように同一である。

振動付与装置７は、設定された振動数（１５００ｆｐｍ）で砥石回転装置３を振動させる。
振動付与装置７による砥石回転装置３の振動（オシレーション）は、砥石回転装置３を固定する支持胴部１８の振動伝達部２５に接するオシレーションリング２２の周面が、その回転軸Ｒｃが幾何学的中心からずれているために回転軸Ｒｃからの距離が周期的に変化することにより発生する。支持胴部１８はバランス用胴部１９側に向けて常に付勢されているので、振動における支持胴部１８がバランス用胴部１９から離れる方向への移動はオシレーションリング２２により、支持胴部１８がバランス用胴部１９に近づく方向への移動は付勢力により行われ、超仕上げ砥石１１の研削面の振動が発生する。

押圧管理部４１は、粗研削工程について選択された自動弁１５を開とし、超仕上げ砥石１１の研削面が選択された押圧力（４．４ｋｇ／ｃｍ²）で被研削面１２を押圧可能な状態にする。
上下移動装置８は、横移動装置６を、超仕上げ砥石１１の研削面が工作物Ｗの被研削面１２に接する位置にまで下降させる。この後、いずれも設定された押圧力、砥石回転数、振動振幅（１．５ｍｍ）、振動数および工作物Ｗの基本回転数で粗研削加工が開始される。

超仕上げ砥石１１は、外タリータイム（０．２ｓｅｃ．）の間は外方の移動端に留まり、続いて工作物Ｗの内方に向けて設定されたトラバース速度（６０ｍｍ／ｓｅｃ．）で移動する（図５）。工作物回転管理部４０は、移動する超仕上げ砥石１１の位置に応じて工作物Ｗの回転数を増加させる。工作物Ｗの回転数は、超仕上げ砥石１１の研削面の回転中心の位置する場所における工作物Ｗの周速が略一定となるように制御される。具体的には、工作物回転数ｎは、次に示される（３）式によって制御部３４にて演算されて工作物回転管理部４０により変更される（図４参照）。

工作物回転数ｎ＝（Ｌ₀×Ｎ）÷（Ｌ₀−Ｌ） …（３）
（３）式におけるＬ₀は外方の移動端の座標のおける横方向成分、Ｎは基本回転数、Ｌはトラバース距離である。超仕上げ砥石１１は、設定された砥石回転数で回転しながら内方の移動端に向けて移動する。この間、工作物Ｗは次第にその回転数を増加させ、被研削面１２が外方縁から内方縁に向けて徐々に研削される。また、超仕上げ砥石１１は、このとき回転する工作物Ｗの径方向に移動するといえる。
超仕上げ砥石１１は、トラバース距離を移動して内方の移動端に達するとその移動を停止する。超仕上げ砥石１１は、内方の移動端において内タリータイム（０．３ｓｅｃ．）が経過すると、外方の移動端に向けてトラバース速度で移動し始める。工作物回転装置５により回転される工作物Ｗの回転数は、超仕上げ砥石１１が外方の移動端に近づくにしたがい、（３）式により求められる工作物回転数ｎに連続的に減少する。

超仕上げ砥石１１が、制御装置２に記憶されたトラバース回数である片道６回（往復３回）往復動すると、粗研削工程が終了する。
粗研削工程における外方の移動端での滞留、横方向移動（トラバース）、トラバース速度および内方の移動端での滞留は、制御部３４の指示により横移動管理部３６が横移動用モータ１６の回転を制御することにより行われる。また、工作物回転装置５の回転数は、制御部３４の指示により工作物回転管理部４０が工作物回転用モータ３１の回転を制御することにより行われる。

超仕上げ砥石１１が最後の横方向の移動を行い、外方の移動端に達して粗研削工程が終了すると同時に中研削工程が開始される。工作物Ｗの回転数は工作物回転管理部４０により中研削における基本回転数に変更され、振動数、押圧力および砥石回転数も制御部３４等によって中研削における設定値に変更される。超仕上げ砥石１１は、外方の移動端で外タリータイム（０．２ｓｅｃ．）の間滞留して研削を行った後、設定されたトラバース速度（６０ｍｍ／ｓｅｃ．）で内方の移動端に向け移動を開始する。この移動の間、工作物回転数ｎは、（３）式により算出された回転数に連続的に変更される。超仕上げ砥石１１の内方の移動端での滞留、外方の移動端に向けての移動等は、粗研削工程におけるものと同様に行われる。

中研削工程から仕上げ研削工程へは、粗研削工程から中研削工程への移行と同様に連続的に移行する。仕上げ研削工程に移行と同時に、工作物Ｗの基本回転数、振動数、押圧力および砥石回転数が制御装置２により変更される。仕上げ研削工程においても、研削条件が異なるのみで、研削装置１は粗研削工程および中研削工程と同様の動作を行う。
仕上げ研削工程において、超仕上げ砥石１１が最後の横方向の移動を終了して内方の移動端に達すると、上下移動装置８は横移動装置６を上昇させ、超仕上げ加工が終了する。
このように、研削装置１は研削加工を行うための諸条件を事前に制御装置２に記憶させておき、粗研削工程、中研削工程および仕上げ研削工程の３つの工程を、それぞれ別々に記憶した諸条件に基づいて実施することができる。そして、研削装置１は、それぞれの研削条件が異なる粗研削工程、中研削工程および仕上げ研削工程という複数の工程からなる超仕上げ加工を、超仕上げ砥石１１を付け替えることなく行うことができることにより、超仕上げ加工を自動で行うことができる。研削装置１は、超仕上げ加工をさらに多くの研削工程に分割する場合にも、一連の研削工程の自動化が可能である。

上に説明した超仕上げ加工は、粗研削工程、中研削工程および仕上げ研削工程の３つの工程に分割され、これらの何れの工程でも、（ａ）研削面が正方形の超仕上げ砥石１１を、（ｂ）回転させながら振動させ、（ｃ）研削面の位置に応じて工作物Ｗの回転数を変更させて、研削が行われる。
次に、これら（ａ）〜（ｃ）の手段による、図４に示される工作物Ｗ（自動車の連続可変変速機におけるプーリー）の被研削面１２の平均粗さＲａを０．０１とする研削加工への時間短縮等の効果を説明する。

超仕上げ砥石の研削面の形状の効果を調べるために、研削面が２５ｍｍ×２５ｍｍの正方形の超仕上げ砥石１１に換えてこれと略同じ面積を有し研削面が円形の超仕上げ砥石を使用し、表１におけるトラバース回数を種々変更して超仕上げ加工を行った。その結果、研削面が正方形の超仕上げ砥石１１と同等の被研削面１２の平均粗さＲａを０．０１とするために必要な研削時間（内、外タリータイムを含む超仕上げ砥石が被研削面１２を研削する時間）は、研削面が円形の超仕上げ砥石では、研削時間が正方形の超仕上げ砥石１１の研削時間に比べ、約１．５〜２倍必要であることが判明した。研削面の形状が正五角形、正六角形の超仕上げ砥石を用いた研削加工でも、研削面が円形の超仕上げ砥石の場合に比べ、短時間で同様の表面粗さの研削加工を行うことができた。被研削面１２の平均粗さＲａを０．０１とするのに必要な研削時間は、正六角形よりも正五角形の方が短く、正五角形よりも正方形の方が短い結果となった。このことから、研削面の面積が同一の場合、端縁の総長さが長い程より短時間で研削が終了するものと推測される。研削加工は、超仕上げ砥石の研削面の形状を円形とするよりも多角形とする方が、より短い研削時間で終了することができる。

図７は被研削面と研削面との関係を示す図である。超仕上げ砥石の研削面の形状が円形よりも多角形の方が研削の効率が良いのは、図６および図７を参照して、工作物Ｗの被研削面１２のように被研削面４６が回転する円錐台または円錐の周面である場合、平面である研削面４７による研削は、微少時間では被研削面１２の母線ＧＥまたは母線ＧＥの一部に対して行われる。超仕上げ砥石１１は回転しているため、多角形である研削面４６は、被研削面１２の母線ＧＥとの接触長さ（研削の寄与する長さ）が、例えば研削面４６が正方形では１辺の長さから対角線の長さまで回転によって変化する。また、研削面４６の輪郭線が被研削面１２の母線ＧＥと交わる角度は、超仕上げ砥石１１の回転に伴い変化する。

そして、超仕上げ砥石１１の回転に伴って、研削面４６と被研削面１２との接触長さが変化すること、および研削面４６の輪郭線が被研削面１２の母線ＧＥと交わる角度が変化すること、のいずれかまたはいずれもが、研削時間の短縮化に寄与しているものと推測される。このことは、研削面４６の形状が、円形よりも正六角形の方が、正六角形よりも正五角形の方が、および正五角形よりも正方形の方が研削時間が短くなることと符合する。
また、平面である研削面４７による研削が、被研削面１２の母線ＧＥまたは母線ＧＥの一部に対して行われるため、研削面の平滑度に悪影響を及ぼす不要な脱落砥粒が研削油または冷却水で除去され易いことも、検索時間の短縮に寄与する。

超仕上げ砥石１１の回転の有無による研削時間への影響については、表１に示される諸条件のうち超仕上げ砥石１１の回転を停止して研削加工を行い、超仕上げ砥石１１を回転させた場合と比較した。その結果、平均粗さＲａを０．０１とするために要する研削時間は、超仕上げ砥石１１を回転させた場合は、超仕上げ砥石１１を回転させなかった場合に比べて、検索時間を５０〜３０％に短縮することができた。
回転する工作物Ｗの径方向に移動する超仕上げ砥石１１の研削面の位置に応じて工作物Ｗの回転数を変更させることは、研削時間の短縮化のほかに、被研削面１２の表面粗さの均質化にも効果的である。被研削面１２における超仕上げ砥石１１の研削面が現に接して研削する部分の回転半径は、超仕上げ砥石１１が移動することにより変化し、工作物Ｗの回転数が一定の場合、超仕上げ砥石１１の移動とともに、研削面と被研削面１２との相対的な速度（周速度）も変化する。そして、例えば、超仕上げ砥石１１が外方の移動端にあるときに研削後の表面粗さにとって最適な工作物Ｗの回転数を設定すると、超仕上げ砥石１１が内方の移動端に向け移動するにつれて、研削後の表面粗さにとって適切な研削条件（工作物回転数）から乖離したものとなる。そのため、回転する工作物Ｗの径方向における研削の程度を一定以上とするためには、全体の研削時間を増加させる必要がある。

また、超仕上げ加工は、超仕上げ砥石１１からの砥粒の脱落および砥粒の破砕を利用するものであり、一方で、径方向における研削面と被研削面１２との相対的な速度が変化すると、砥粒の脱落および破砕の程度が変化する。そのため、表面粗さを極力低下させなければならない鏡面加工では、研削加工後の表面粗さの程度が径方向で異なるおそれがある。このような懸念は、工作物Ｗの被研削面１２が大きくなるほど増加する。したがって、被研削面１２が大きな工作物Ｗを鏡面加工のために研削する場合に、被研削面１２の現に研削される部分の周速が大きく変化しないように超仕上げ砥石の位置に応じて工作物Ｗの回転を変化させることは、研削の質の確保および被研削面１２の仕上げ程度の均質化にとって極めて効果的である。

上述の実施形態においては、工作物Ｗの回転数を超仕上げ砥石１１の研削面の回転中心が接する被研削面１２の周速が一定となるように変更したが、周速を基準とせず、被研削面１２の回転半径の増減に応じて任意に工作物Ｗの回転数を低下もしくは増加させても、周速基準の回転数変更と同質の効果を得ることができる。工作物Ｗの回転数を連続的に変化させるのではなく、超仕上げ砥石１１が一定の距離移動するごとに、ステップ状に回転数を変化させてもよい。
また、上述の実施形態では、工作物Ｗの回転数を超仕上げ砥石１１の移動に伴って変更したが、工作物Ｗの回転数を、粗研削工程、中研削工程および仕上げ研削工程の間、それぞれについて設定された値で一定としてもよい。そのようにしても、研削面が多角形の超仕上げ砥石１１を使用すること（ａ）による上記効果、および振動する超仕上げ砥石１１を回転させながら研削すること（ｂ）による上記効果は、これらを単独で採用する場合および併用する場合のいずれも、研削時間の短縮は、これらを採用しない場合に比べて顕著である。

なお、超仕上げ砥石１１の研削面の形状は、正多角形である必要はなく、種々の長方形または五角形等であってもよい。
研削装置１を使用する超仕上げ加工では、最後の仕上げ研削工程において、超仕上げ砥石１１を回転させないで研削してもよい。超仕上げ砥石１１の材質等と工作物Ｗの材質等とを考慮すると、仕上げ研削工程では、超仕上げ砥石１１を回転させない方が仕上げの質を向上させることができる場合があるからである。
その他、研削装置１、および研削装置１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。

本発明は、超仕上げ加工方法および超仕上げ加工を行う研削装置に利用することができる。

図１は超仕上げを行うための研削装置の主要部分の正面図である。 図２は研削装置の側面図である。 図３は研削装置における超仕上げ砥石近傍の斜視図である。 図４は工作物の斜視図である。 図５は制御装置の構成を示す図である。 図６は図１のＡ−Ａ矢視方向からみた超仕上げ砥石の動きを示す図である。 図７は被研削面と研削面との関係を示す図である。

符号の説明

１ 研削装置
２ 制御装置
３ 砥石回転装置
５ 工作物回転装置
６ 横移動装置
７ 振動付与装置
１１ 超仕上げ砥石
１２ 被研削面
３４ 制御部
４３ 記憶部
４６ 研削面
Ｗ 工作物

Claims (8)

1. 被研削面が円錐台の周面または円錐の周面である工作物を前記円錐台または前記円錐の軸回りに回転させ、
   研削面周りが多角輪郭形状である超仕上げ砥石を、研削面と直交する軸まわりに回転させかつ振動させながら、回転する前記被研削面に押圧させ、
   前記超仕上げ砥石を前記被研削面に押圧させた状態で前記被研削面の回転中心側に設定された移動端と外方側に設定された移動端との間を往復移動させて研削を行う
   ことを特徴とする超仕上げ加工方法。
2. 前記工作物の回転数を、前記超仕上げ砥石の往復移動における位置が前記被研削面の回転中心に近い程高くして研削を行う
   請求項１に記載の超仕上げ加工方法。
3. 前記工作物の回転数、ならびに前記超仕上げ砥石の振動数、回転数、前記往復移動時の移動の速さおよび前記往復移動の回数のいずれかまたはいずれも異なる研削工程を複数組み合わせて研削を行う
   請求項１または請求項２に記載の超仕上げ加工方法。
4. 前記超仕上げ砥石の研削面の形状が正方形である
   請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の超仕上げ加工方法。
5. 被研削面が円錐台の周面または円錐の周面である工作物を保持して前記円錐台または前記円錐の軸回りに回転させるための工作物回転装置と、
   研削面周りが多角輪郭形状である超仕上げ砥石を保持して研削面と直交する軸まわりに回転させるための砥石回転装置と、
   前記超仕上げ砥石を振動させるための振動付与装置と、
   前記超仕上げ砥石を前記工作物の被研削面に沿って前記被研削面の内方の移動端と外方の移動端との間で移動させるための横移動装置と、を有する
   ことを特徴とする研削装置。
6. 前記工作物回転装置は、
   その回転数が前記被研削面に沿った前記超仕上げ砥石の移動に連動して増減可能に形成された
   請求項５に記載の研削装置。
7. 前記超仕上げ砥石の研削面の形状が正方形である
   請求項５または請求項６に記載の研削装置。
8. 前記工作物回転装置による回転の回転数、前記砥石回転装置による回転の回転数、前記振動付与装置による振動の振動数、ならびに前記横移動装置による前記超仕上げ砥石の移動速度および移動回数の各設定値を記憶する記憶部と、
   これらの各設定値のいずれかまたはいずれも異ならせた複数の研削条件で連続して研削を行うように前記工作物回転装置、前記砥石回転装置、前記振動付与装置および前記横移動装置を制御する制御部と、を有する制御装置を備えた
   請求項５ないし請求項７のいずれか１項に記載の研削装置。