JP6345341B2 - 研削加工方法及び研削装置 - Google Patents

Description

本発明は、研削加工方法及びその研削方法に使用する研削装置に関するものである。

円筒研削加工によるシャフト形状のワーク（被研削物）の平面加工法として次の２つの方法があった。第一に、主軸にシャフト形状のワークを保持して回転させ、主軸に平行な回転軸を持つ円筒研削砥石の端面部をワークに接触させる方法があった。そして第二に、主軸にワークを保持して回転させ、主軸に交差する角度に配置された回転軸を持つアンギュラ研削砥石の端面部を接触させる方法である。後者については円筒研削盤の研削砥石軸の角度を、回転させる構成としたアンギュラヘッド形式の円筒研削盤を用いる場合と、研削砥石送り軸（Ｘ軸）の角度を回転させる構成としたアンギュラ研削盤を用いる場合とがある。

また、円筒研削盤の一種としてカム研削盤や偏心ピン研削盤と称する設備がある。主にカムシャフト、偏心ピン、六角形シャフト等のワーク加工を主眼としており、主軸回転軸（Ｃ軸）の回転運動と円筒研削砥石送り軸（Ｘ軸）の往復運動を同期させることにより、任意のワークの外周を任意の輪郭形状を形成することが可能である。２軸の同期を高精度に制御するＮＣ装置と、高速往復運動を可能にするＸ軸送り装置が付加された構成の円筒研削盤の一種であり、もちろん通常の円筒研削加工や端面研削加工も可能である。

従来、冷凍空調用圧縮機としては、特許文献１および２に開示されているように、モータと複数個の回転圧縮要素とを密閉容器内に収納し、モータから回転圧縮要素への動力伝達を担う主要構成部品として、偏心部とモータの回転軸に対し垂直方向の荷重を受けるスラスト面とを有するクランクシャフトを備えている。これらのクランクシャフトは上記で述べたような円筒研削盤を用いて加工されている。

特許文献１に開示されているロータリ圧縮機によれば、クランクシャフトのスラスト面の一部を凹状に形成することにより、油膜を形成して摩擦損失を低減できるとしている。
また、特許文献２に開示されているレシプロ圧縮機によれば、クランクシャフトのスラスト面に非摺動面を形成することにより、摺動損失を低減できるとしている。

特開２０１１−１９６３７２号公報 特開２００９−０８５１２５号公報

しかしながら、従来は、上記で述べた円筒研削盤を用い、円筒研削盤の主軸に圧縮機のクランクシャフトをチャッキングし、クランクシャフトのスラスト面を円筒研削加工又はアンギュラ研削加工する場合には、スラスト面に「単純平面形状」、「中凸平面形状」、「中凹平面形状」、の３パターンのみが形成可能であった。または、砥石を任意の形状に整形してクランクシャフトに転写することで、研削盤の主軸回転軸と同心円状の「円周溝形状」が形成可能であった。ただ、円筒研削盤に通常のチャック装置を使用しただけでは他のスラスト面形状を形成することは不可能であった。

また、ワークの回転軸と主軸回転軸とを所要の傾斜角度にできるように特殊なチャック装置を用いることによって、スラスト面を円筒研削加工又はアンギュラ研削加工する場合には、クランクシャフトの回転軸に対して直角ではなく傾斜した「斜面平面形状」が形成可能であった。しかしながら、ワークの回転軸と非同軸形状となるため、同一設備ではワーク外径部分の円筒研削が出来ないといった問題が生じていた。さらには、ワーク回転軸と主軸回転軸とを所要の傾斜角度に構成する必要があるため、シャフト形状ワークの保持方法として一般的なセンター穴心押軸が使用できないといった問題が生じていた。

特許文献１に開示されている技術においては、クランクシャフトのスラスト面の一部を凹状に加工しているが、その加工する際にはスラスト面の加工設備とは別に凹状部分の加工設備を使用する必要があり、工程間のワークの位置決めズレによる精度不良が生じるといった問題があり、設備、工程、品質確認が増えることによる製造コスト増大といった問題も生じていた。これを避けるために、クランクシャフトのスラスト面の一部を凹状に加工する際に、スラスト面の加工と凹状部分の加工を同一工程設備で行ったとしても、工具交換や送り軌跡の自由度が高いマシニングセンタ等の切削加工機を使用する必要があり、研削加工に比べてスラスト面の表面粗さが増大するという問題を生じてしまっていた。その結果、圧縮機に摩耗や焼付が生じて円滑な回転が不能となる恐れがあった。

また、特許文献２に開示されている技術においては、スラスト面の凹状部や非摺動部が平面部とは不連続な面となっているが、スラスト面として必要な油膜の形成が途切れて、不安定なクランクシャフトの振動を引き起こし異常な騒音を発生させる恐れがあった。その他、スラスト面が単純平面となるため、摺動摩擦や油膜撹拌による機械損失が増大して、モータ入力増加にともなう圧縮機性能の低下となる恐れがあった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、円筒研削盤にてシャフトのスラスト面に任意の連続的微小曲面形状を形成する研削加工方法及び研削装置を提供するものである。

本発明に係る研削加工方法は、被研削物を保持して回転させる主軸と、前記被研削物を研削する研削砥石と、該研削砥石を保持し回転させる砥石軸と、該砥石軸の中心軸に対し直角方向に前記研削砥石を移動させる研削砥石送り軸と、を備え、前記主軸及び前記砥石軸は、それぞれの回転中心が同一平面内に配置され、前記研削砥石送り軸は、該研削砥石送り軸の送り方向と前記主軸の回転軸とが成す角度を、前記主軸の回転軸から時計回りに９０°超１００°以下に振って配置される円筒研削盤を用いた、研削加工方法において、円柱形状の前記被研削物を前記主軸に保持し、前記主軸の回転軸と交差する前記被研削物の面に対し、前記研削砥石の外周部の円錐面を接触させ、前記面に連続的微小曲面形状を形成する工程を有する。

本発明によれば、シャフトのスラスト面の連続的微小曲面形状加工を１台の円筒研削盤にて行うため、工程間のワークの位置決めズレによる精度不良が生じず、製造コストも低減できる。
また、スラスト面の加工を研削加工にて行うため、スラスト面の表面粗さが低減し、連続した平面形状となるため、スラスト面に必要な油膜の形成が途切にくく、摩耗や焼付の発生を抑えられる部品を提供できる。

実施の形態１に係る円筒研削盤の構成を示す上面図である。 従来の円筒研削盤による円筒研削砥石でのシャフト形状ワークの平面加工法を示す図である。 従来のカム研削盤を示す図である。 従来のカム研削盤のＣ軸とＸ軸との同期制御加工法を示す図である。 図１の円筒研削盤における研削砥石とスラスト面との接触部を示す拡大図である。 従来のスラスト面を円筒研削加工もしくはアンギュラ研削加工する場合の平面形状の一例を示す図である。 従来のスラスト面を円筒研削加工もしくはアンギュラ研削加工する場合の平面形状の一例を示す図である。 従来のスラスト面を円筒研削加工もしくはアンギュラ研削加工する場合の平面形状の一例を示す図である。 実施の形態１に係る砥石の送り運動の移動軌跡を示す図である。 実施の形態１に係るスラスト面の加工工程サイクルにおける砥石の移動の一例を示す図である。 図１０に示した工程によるスラスト面の形状の一例を示す図である。 実施の形態１に係るスラスト面の形状の一例を示す図である。 従来の円筒研削盤及び実施の形態１に係る円筒研削盤における砥石の加工目と回転軌跡を比較した図である。 実施の形態２に係る円筒研削盤の加工工程を示す図である。 従来の円筒研削盤によるアンギュラ研削砥石でのシャフト形状ワークの平面加工法を示す図である。 従来のアンギュラヘッド形式の円筒研削盤を示す図である。 従来のアンギュラスライド形式のアンギュラ研削盤を示す図である。 従来技術及び本実施の形態におけるアンギュラ研削砥石による偏心部加工時の真円形状の変化の説明図である。 実施の形態３に係るクランクシャフトが用いられるロータリ圧縮機の構成を示す縦断面図である。 実施の形態３に係るロータリ圧縮機の圧縮室の機構を示す断面図である。 実施の形態３に係るクランクシャフトのスラスト面の形状を示す図である。 実施の形態３に係るクランクシャフトのスラスト面の形状を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

実施の形態１.
［円筒研削盤１００の構成］
図１は、本実施の形態に係る円筒研削盤１００の構成を示す上面図である。なお、円筒研削盤１００は、本願発明の「研削装置」に相当するものである。
図１に基づいて、本実施の形態に係る円筒研削盤１００の構成について説明する。円筒研削盤１００の台座となるベッド１には、研削砥石の送り（Ｘ軸）の案内をするＸ軸テーブル２及び研削砥石送り装置４と、主軸８の送り（Ｚ軸）を案内するＺ軸テーブル３及びＺ軸送り装置５が配置されている。ベッド１上の案内面を運動するＸ軸テーブル２及びＺ軸テーブル３には送り駆動機構としてサーボモータとボールねじの組み合わせ装置、又はリニアモータ装置が取り付けてある。Ｘ軸テーブル２上には、砥石軸６と砥石駆動モータ７が搭載されている。Ｚ軸テーブル３上には、主軸８の回転軸（Ｃ軸）が配置されておりワーク（被研削物）を把持するためのチャック９が取り付けてある。また、長尺のシャフト状ワークの場合、心押し台１０にてセンター穴を支持することで、ワーク保持剛性の増大とワーク取り付け時の位置決め精度の向上を図ることができる。砥石軸６の回転軸６ａは、主軸８の回転軸９ａと同一平面内に配置されている。なお、図１においては、ワークとして後述するロータリ圧縮機５０に組み込まれるクランクシャフト２０が示されている。クランクシャフト２０は、互いに同心である円柱状の長軸部２０ａ及び短軸部２０ｂと、長軸部２０ａ及び短軸部２０ｂの間に形成され長軸部２０ａ及び短軸部２０ｂの中心に対して偏位した中心１３ａを具備する円柱状の偏心部１３とを具備する。

［従来技術における円筒研削盤のＸ軸とＣ軸との成す角度］
図２は、従来の円筒研削盤による円筒研削砥石１１でのシャフト形状ワークの平面加工法を示す図である。
通常の円筒研削盤では、Ｘ軸とＣ軸との成す角度は、極力正確な「直角」となるように組み付け調整が行われる。図２に示すように主軸８のチャック９に加工ワークを保持して回転させ円筒研削砥石の端面部を接触させる方法があるが、ＪＩＳ規格においては「ＪＩＳ Ｂ ６２１２テーブル移動形円筒研削盤及び万能研削盤の検査条件−精度検査」にて、「砥石軸頭サドルのＸ軸方向運動と、テーブルサドルのＺ軸方向運動との直角度」の許容値は、「長さ３００ｍｍについて０．０２ｍｍ」（角度にして０．００４°）と規定されている。また、「工作主軸の回転中心線とテーブルのＺ軸方向運動との平行度」の許容値は、「長さ３００ｍｍについて０．０１２ｍｍ」（角度にして０．００２°）と規定されている。よってＸ軸とＣ軸との成す角度については、両者を足し合わせて角度にして９０±０．００６°となる。

図３は、従来のカム研削盤２００を示す図である。
図４は、従来のカム研削盤２００のＣ軸とＸ軸との同期制御加工法を示す図である。
また、図３及び図４に示されるようなカム研削盤２００における、Ｘ軸と砥石回転軸の成す角度についても、極力正確な直角となるように組み付け調整が行われる。たとえばＪＩＳ規格においては「ＪＩＳ Ｂ ６２１２テーブル移動形円筒研削盤及び万能研削盤の検査条件−精度検査」にて、「砥石軸頭サドルのＸ軸方向運動と、テーブルサドルのＺ軸方向運動との直角度」の許容値は、「長さ３００ｍｍについて０．０２ｍｍ」（角度にして０．００４°）と規定されている。また、「砥石軸中心線とテーブルのＺ軸方向運動との平行度」の許容値は、「長さ３００ｍｍについて０．０３ｍｍ」（角度にして０．００６°）と規定されている。よってＸ軸とＣ軸との成す角度については、両者を足し合わせて角度にして９０±０．０１０°となる。

しかし、本実施の形態においては、図１に示されるように、Ｘ軸とＣ軸との成す角度については９０°超１００°以下（直角からの角度にして０°超１０°以下）に構成されている。具体的には、図１において、Ｘ軸とＣ軸とが直交する配置に対し、Ｘ軸テーブル２の配置角度を時計回りに回転させるように振って組み付けるか、又はＣ軸を反時計回りに回転させるように振って組み付けを行う。

［スラスト面研削加工の動作］
図５は、図１の円筒研削盤１００における砥石１１とスラスト面１２との接触部を示す拡大図である。図５に基づいて、砥石１１とスラスト面１２の接触部について説明する。平面研削加工においては、オシレーション送りなどの特殊な研削サイクルを除いて、最終的にはスパークアウトと呼ばれる砥石１１の送りを一定時間停止させる工程を経るため、砥石１１の形状が転写されてスラスト面１２の形状が決まる。スラスト面１２と接触している砥石１１の端面は、所要のスラスト面１２の形状に合わせて、ドレッサにて整形される。一般的にはスラスト面１２に平面を形成する。砥石１１は、２つの円錐面を外周面にもつ形状となっており、砥石１１とワークのスラスト面１２は線接触する。このとき砥石１１とワークのスラスト面１２との接触部（直線）は、主軸８の回転軸９ａに対し直角である。その他、スラスト面１２は中凸、中凹、円周溝の形状などに加工される場合もある。

図６、図７及び図８は、従来のスラスト面１２を円筒研削加工もしくはアンギュラ研削加工する場合の平面形状の一例を示す図である。図６において、図６（ａ）に示されるようにスラスト面１２を単純平面とする場合には、図６（ｂ）に示されるように砥石１１とスラスト面１２の接触部を主軸８の回転軸９ａと直角になるように、砥石１１を整形する。図６において、図６（ｃ）に示されるような中凸又は図６（ｅ）に示されるような中凹とする場合には、それぞれ図６（ｄ）又は図６（ｆ）に示されるように砥石１１とスラスト面１２との接触部を主軸８の回転軸９ａ所要の傾きに整形する。
また、図７において、図７（ａ）に示されるようにスラスト面１２に円周溝形状を作るには、砥石１１を図７（ｂ）に示すように凸形状を設ける。図８において、図８（ａ）のスラスト面１２に示されるような斜面平面形状を作るには、特殊なチャックを用いて図８（ｂ）及び図８（ｃ）に示されるようにワークの中心軸と主軸８の回転軸９ａとを所要の傾斜角度に構成する。

次にシャフト状ワークのスラスト面１２加工の動作について説明する。図１におけるチャック９にてシャフト状ワーク（図１においてはクランクシャフト２０）を保持し、また心押し台１０にてセンター穴を支持する。次にＣ軸を回転させてワークに回転運動を与える。次に砥石駆動モータ７を回転して砥石１１を研削に適した所定の回転速度を与える。砥石１１は研削砥石送り装置４によりスラスト面１２から離れた位置から接近し、所定の送り速度を持って取代を除去する研削加工を行う。最終的にはスパークアウトと呼ばれる砥石１１の送りを一定時間停止させる工程にて、機械と砥石１１の歪を解放させて寸法精度や表面粗度を安定または向上させる。加工が完了したところで砥石１１を原位置へ戻して、一連の動作が終了する。

［偏心研削加工の動作］
一般的な円筒研削盤１００におけるスラスト面加工の動作について述べたが、本実施の形態においては、上記の動作に加えて偏心研削加工の動作を合わせて実施する。
図９は、本実施の形態における砥石１１の送り運動の移動軌跡を示す図である。
本実施の形態の円筒研削盤１００は、Ｘ軸とＣ軸の成す角度については９０°超１００°以下に構成されているため、図９に示されるような、Ｘ軸の位置ＸＡ点とＸＢ点を周期的に往復する動作をＸ軸テーブル２に与え、砥石１１を動かす。また、Ｘ軸の往復周期は、Ｃ軸の回転と同期するようにＮＣ装置にて高精度に制御されている。前述のようにＣ軸とＸ軸の成す角度は、９０°超１００°以下であるが、本実施の形態では、例えば９５°に設定されている。また、Ｃ軸とＺ軸は平行に設定されている。ここで、仮想的にＣ軸に平行な軸をＺ１軸、Ｚ軸に直行する軸をＸ１軸とするＺ１−Ｘ１直交座標を考えた場合に、Ｘ軸の動作軌跡をＺ１とＸ１の２成分に分割できる。図９に示されるように、ＸＡ点からＸＢ点への移動量が０．２００ｍｍである場合、Ｘ１軸方向の移動量は０．１９９ｍｍ、Ｚ１軸方向への移動量は０．０１７ｍｍとなる。

［実施の形態１に係る研削加工方法による効果］
以下に、本実施の形態に係る円筒研削盤１００のＣ軸とＸ軸の成す角度がもたらす第一の効果について説明する。
通常の円筒研削盤１００においては、Ｘ軸とＺ軸が直交しているため、砥石１１をスラスト面１２方向に移動させる場合にはＺ軸方向にワークを送る動作となる。しかしながら、本実施の形態では、砥石１１をＸ軸方向に移動させることで結果的にＺ軸方向の移動が生じることになる。
図１０は、本実施の形態に係るスラスト面１２の加工工程サイクルにおける砥石１１の移動の一例を示す図である。
図１１は、図１０に示した工程によるスラスト面１２の形状の一例を示す図である。
図１０に示されるようにＣ軸の回転と同期するように、Ｘ軸の位置ＸＡ点とＸＢ点とを周期的に往復する動作を砥石１１に与えると、砥石１１の端面がＺ軸方向に周期的に往復することになる。一例として図１０に示すように、Ｃ軸１回転につきＸ軸を４回往復させると、図１１に示すように４カ所の凸部と４カ所の凹部を持った連続的微小曲面形状が得られることになる。図１０に示された工程で形成された曲面の形状は、所要の輪郭形状データによりプログラミングされたＮＣ装置によるＣ軸とＸ軸との同期制御にて、自由自在に形成が可能である。

なお、「面」「平面」という表現については、理論上の完全平面を意味するものではない。一定の傾きや凸凹・うねりを持った形状を「面」「平面」として扱う。現実にあるワークの「平面」には必ず一定の傾きや凸凹・うねりを持っており、これが大きな値であれば明らかに目視にて「平面」ではなく「斜面」や「円錐面」や「凸凹面」と判別できる。しかしこれらが微小な値であれば通常目視での判別にて「平面」として扱われる。微小な値とは、例えば平面度にて０．５ｍｍ以下の場合を指す。連続的微小曲面形状の「微小」が意味するところも、同様に平面度で０．５ｍｍ以下の場合を指すが、後述するように、本願発明によれば、平面度にて２０μｍ程度の連続的微小曲面形状を加工することができる。

図１２は、本実施の形態に係るスラスト面１２の形状の一例を示す図である。なお、連続的微小曲面形状は、従来の単純平面、中凸平面、中凹平面、円周溝形状、斜面平面などの形状に重畳させた形で形成可能であるが、図１２においては分かりやすいように従来の形状を重畳させていない。

以下に、本実施の形態に係る円筒研削盤１００のＣ軸とＸ軸の成す角度がもたらす第二の効果について説明する。
前述のように、本実施の形態においては、砥石１１のＸ軸の移動量に対してＺ軸方向の移動量は極めて微小である。よってＸ軸の送りの変位量が、更に微小なＺ軸の変位量に変換されることを意味する。Ｘ軸の移動量０．２ｍｍに対してＺ軸方向の移動量が０．０１７ｍｍの場合、変換率は８．５/１００となる。つまりＸ軸の送り装置の性能として最小移動量が０．００１ｍｍである場合、Ｚ軸の移動量として０．００００８５ｍｍの極めて微小なＺ方向の最小移動量を得られる。このためにスラスト面１２の連続的微小曲面形状の研削加工は、精密かつ正確に行うことができる。

以下に、本実施の形態に係る円筒研削盤１００のＣ軸とＸ軸の成す角度がもたらす第三の効果について説明する。
図１３は、従来の円筒研削盤及び本実施の形態に係る円筒研削盤１００における砥石１１の加工目と回転軌跡を比較した図である。
図１３（ａ）に示すように、通常の円筒研削盤においては、Ｃ軸とＸ軸の成す角度は直角であるために、砥石１１の端面とスラスト面１２とは面接触の状態となる。砥石１１の無数の砥粒が描き出す軌跡の痕である研削目は綾目模様となる。
しかし、本実施の形態では、前述のようにＣ軸とＸ軸の成す角度は９０°超１００°以下であるために、砥石１１の端面とスラスト面１２は線接触の状態となる。この場合の研削目は同心円模様となる。つまり、砥石１１の端面のある一点に注目すると、通常の円筒研削ではスラスト平面上を円弧を描きながら通過するのに対して、本実施の形態ではスラスト平面から離れた位置から徐々に接近し、最下点にてスラスト平面に接触し、その後は徐々に離れるという軌跡を描く。

図１３（ａ）のように砥石１１とスラスト面１２が面接触の場合、砥石１１を図１のＺ方向に切り込むように移動させた場合、ハッチングされた面接触面全体でスラスト面１２を研削してしまうため、連続的微小曲面形状を形成することができない。
図１３（ｂ）のように砥石１１とスラスト面１２が線接触の場合は、砥石１１の研削線以外はスラスト面１２から離れるため、砥石１１のＺ軸方向の移動と曲面形状とが一致する関係となり、連続的微小曲面形状を形成することが可能となる。

［実施の形態１に係る研削加工方法による連続的微小曲面形状の規格］
一般的な円筒研削砥石１１は外径が１５０ｍｍ〜１０６５ｍｍと大きいため、スラスト面１２の研削砥粒の描く軌跡の円弧も大きくなる。このため得られる曲面は、Ｃ軸の回転方向の形状において、段差や角部や急激な斜面とは成り得ず、滑らかで緩やかな連続的な曲面となる。
具体的にいえば、スラスト面１２に形成された凹部の曲面寸法は砥石１１の半径寸法よりも下回ることはなく、大きな円弧となる。スラスト面１２の曲面の凸部と凹部の高低差（円筒研削盤１００の主軸８の軸方向の寸法差）という表現に置き換えると、０．５ｍｍ以下の微小な高低差を持つ曲面となる。

上記のように、本実施の形態によれば、従来の単純平面、中凸平面、中凹平面、円周溝形状、斜面平面などの形状に重畳させて、Ｃ軸の回転方向に連続的微小曲面形状を形成することができる。

また、特別な装置や特別な砥石を用いずとも、従来の円筒研削盤１００の構成に対しＸ軸及びＣ軸の成す角度を変更するだけで、実現が可能である。

また、通常の主軸８の回転数と砥石１１の送り速度にて加工が可能なため、Ｃ軸の回転方向に連続的微小曲面形状を形成するにあたり、加工時間についても全く延長することがない。

以上のように、本実施の形態によれば、従来の方法では不可能であったスラスト面１２の連続的微小曲面形状を形成することが可能となり、更に設備投資コスト及び加工コストが安価であり、極めて精密かつ正確な研削加工を行うことができる。

実施の形態２．
図１４は、本実施の形態に係る円筒研削盤１００の加工工程を示す図である。
図１４に示すように、円筒研削盤１００により、互いに同心である円柱状の長軸部２０ａ及び短軸部２０ｂと、長軸部２０ａ及び短軸部２０ｂの間に形成され長軸部２０ａ及び短軸部２０ｂの中心に対して偏位した中心を具備する円柱状の偏心部１３とを具備するクランクシャフトの加工を行う。なお、図１４においては短軸部２０ｂは表示されていない。円筒研削盤１００は、偏心部１３の外径の研削加工、スラスト面１２の連続的微小曲面加工、及び長軸部の円筒トラバース研削加工を同時加工にて行う。ここにおいての「同時加工」とは、「同一加工設備の同一チャック治具にて加工ワークを保持し、偏心部外径とスラスト面１２と長軸部２０ａを同一の砥石１１にて連続的に加工を行うこと」である。

本実施の形態においては、円筒研削盤１００のＸ軸とＣ軸の成す角度について、９０°超１００°以下（直角からの角度にして０°超１０°以下）に構成している。先ず加工に先立って砥石１１をドレッサにて整形する。砥石１１は、外周部に回転軸６ａを中心とした円錐面を２つ備え、一方の円錐面は、被研削物のクランクシャフト２０のスラスト面１２を研削し、他方の円錐面は、クランクシャフト２０の偏心部１３、長軸部２０ａ及び短軸部２０ｂの外周部を研削する。砥石１１の外周部の２つの円錐面のうち、偏心部１３、長軸部２０ａ及び短軸部２０ｂを研削する円錐面については、偏心部１３、長軸部２０ａ及び短軸部２０ｂの外周部に所要の円筒形状が得られるように、円錐面の母線を回転軸９ａと平行にするように砥石１１の整形を行う。また砥石１１のスラスト面１２を研削する円錐面については、所要の連続的微小曲面形状が得られるように整形を行う。例えば、砥石１１のスラスト面１２を研削する円錐面の母線を回転軸９ａに対し直角になるように、砥石１１を整形する。

次に砥石１１を高速回転させて、同じくチャック９に回転運動を与えて回転させたワークの偏心ピン外径に砥石１１を移動させ、Ｃ軸とＸ軸との同期制御により偏心部１３の研削加工を行う。次にワークのスラスト面１２に砥石１１を移動させ、Ｃ軸とＸ軸との同期制御により連続的微小曲面加工を行う。最後に長軸部２０ａに砥石１１を移動させ、円筒研削加工を行う。

図１５は、従来の円筒研削盤によるアンギュラ研削砥石１１でのシャフト形状ワークの平面加工法を示す図である。
図１６は、従来のアンギュラヘッド形式の円筒研削盤３００を示す図である。
図１７は、従来のアンギュラスライド形式のアンギュラ研削盤４００を示す図である。
従来、円筒研削盤１００にてアンギュラ研削砥石１１を用いてクランクシャフト２０のようなワークを加工する場合、スラスト面１２の加工は図１５に示すようにアンギュラ研削砥石１１の砥石軸６と主軸８との成す角度が小さく構成され、主軸８に加工ワークを保持して回転させアンギュラ研削砥石１１の端面部を接触させる方法をとっていた。この場合、図１６に示されるように、円筒研削盤３００の砥石軸６の角度を回転させる構成としたアンギュラヘッド形式の円筒研削盤３００を用いる場合と、図１７に示されるように、研削砥石送り装置４（Ｘ軸）の角度を回転させる構成としたアンギュラ研削盤４００を用いる場合とがあった。

図１８は、従来技術及び本実施の形態におけるアンギュラ研削砥石による偏心部加工時の真円形状の変化の説明図である。ここで、図１８にてアンギュラ研削砥石１１による偏心ピン加工時の真円形状の変化を説明する。図１８は、加工ワークの偏心ピンにアンギュラ研削砥石１１を接触させた図であり、円筒研削盤１００と同じようにＣ軸―Ｘ軸の同期制御を行って加工するものである。ここで砥石１１の左側の接触点を接触点ＧＡ、右側の接触点を接触点ＧＢとする。図１８（ａ）に示されるように、接触点ＧＡと接触点ＧＢでは砥石１１の外周の円弧Ｒ寸法が異なり、接触点ＧＡで円弧Ｒ寸法大、接触点ＧＢで円弧Ｒ寸法小である。ここでワークの軸方向から見た図（図１８（ａ）の右側の図）において、Ｃ軸の回転角度が０°の位置の時は、接触点ＧＡと接触点ＧＢとの位置は一致しており、これはクランクシャフトの偏心部中心からの砥石１１の接触点ＧＡと接触点ＧＢの距離が一致していることを意味する。次に、図１８（ｂ）に示されるようにＣ軸が９０°回転した位置においては、ワークの軸方向からみた図（図１８（ｂ）の右側の図）で示されるように接触点ＧＡと接触点ＧＢの位置は一致していない。接触点ＧＢに対して接触点ＧＡは砥石１１の円弧が大きい分膨らんで、クランクシャフト２０の偏心部１３に食い込んでいる状態である。これは、クランクシャフト２０の偏心部１３中心から接触点ＧＡ及び接触点ＧＢまでのそれぞれの距離が一致していないことを意味する。つまり、アンギュラ研削砥石１１によるＣ軸―Ｘ軸の同期制御の加工においては、砥石１１の円弧が異なることからＣ軸の回転角度によって研削点にずれが生じてしまう。クランクシャフト２０の偏心部１３の位置によって真円形状が同一にならず、崩れてしまう現象が起こる。

上記の理由により、従来アンギュラ研削ではＣ軸―Ｘ軸の同期制御を行っての偏心部１３の研削を行うことができなかった。同じ理由により、カムシャフトや六角形状のワークも同様である。しかし、本実施の形態では、円筒研削盤１００のＸ軸とＣ軸の成す角度について、９０°超１００°以下（直角からの角度にして０°超１０°以下）に構成している。よって、図１８に示される砥石１１の傾きが非常に小さいため、砥石１１の円弧Ｒ寸法の差が微小となり、通常のアンギュラ研削と比較して、図１８（ｂ）に示される状態になった時の真円形状の崩れが少ない。このため、通常の円筒研削と同様にクランクシャフトの偏心部１３の外周部の研削が可能となり、また、チャック９を付け替えたり、別の研削装置を使うことなくスラスト面１２の連続的微小曲面研削も可能となるものである。

本実施の形態においては、残留応力の影響により加工歪を生じやすいクランクシャフト２０の偏心部１３研削を第一工程としているため、第二、第三工程にて精度低下のない研削加工を行うことができる。しかしながら、同時加工が主目的であるため、工程順序は異なってもよい。またワークの形状によっては上記の３工程に限らない。砥石１１の外周部の二つの円錐面を同時に使用する加工を行ってもよい。

このように同一加工設備の同一チャック治具にて加工ワークを保持し、偏心部１３とスラスト面１２と長軸部２０ａを同一の砥石１１にて連続的に加工を行うことで、通常２台の設備で２工程にて行う場合に生じてしまうチャック時のワークの心ずれ・位置ずれが全くないため、各軸の同軸度、平行度、直角度、偏芯量、が極めて精密に加工できる。

また加工設備を複数台使用する必要がないため、設備、工程、加工時間、品質確認が削減されて製造コストを低減できる。

実施の形態３．
図１９は、本実施の形態に係るクランクシャフト２０が用いられる冷凍空調用ロータリ圧縮機５０の構成を示す縦断面図である。
図２０は、本実施の形態に係るロータリ圧縮機５０の圧縮室の機構を示す断面図である。

［ロータリ圧縮機の構成］
まずは図１９、２０に基づいて、冷蔵庫や冷凍庫、自動販売機、空気調和装置、冷凍装置、給湯機等に用いられる冷凍サイクル装置の主要部品となるロータリ圧縮機５０の構成及び動作について説明する。
ロータリ圧縮機５０は、流体（たとえば冷凍サイクルを循環する冷媒）を吸入し、その流体を圧縮して高温高圧の状態として吐出するものである。ロータリ圧縮機５０は、図１６のように密閉容器１４内に、圧縮機構部１５と、この圧縮機構部１５を駆動するモータ部１６が収納され、密閉容器１４の底部には冷凍機油１７が貯留されている。モータ部１６は、固定子１８と回転子１９からなり、回転子１９にはクランクシャフト２０が嵌入されている。クランクシャフト２０には、偏心した偏心部１３が形成されており、偏心部１３の下端面には軸方向の荷重を支持するスラスト面１２が形成されている。

圧縮機構部１５は、圧縮室となる円筒内径部を持つシリンダ２１と、シリンダ２１の両端に配置され圧縮室側壁を兼ねた上軸受２２及び下軸受２３と、上軸受２２及び下軸受２３に回転自在に挿入されるクランクシャフト２０と、クランクシャフトの偏心部１３に嵌入されたローリングピストン２４と、シリンダの内側を圧縮室と吸入室に仕切るベーン２５と、で構成されている。

シリンダ２１のベーン溝には、ベーン２５が摺動自在に挿入されている。ベーン２５は、コイルばねで構成されるベーンばね２６によって、ローリングピストン２４に常時押接されている。

［ロータリ圧縮機の動作］
このように構成されたロータリ圧縮機５０は、回転子１９が回転することで、回転子１９に嵌入されたクランクシャフト２０が回転し、偏心部１３が回転する。偏心部１３が回転することで、シリンダ２１の内部でローリングピストン２４が回転摺動する。つまり、ローリングピストン２４がシリンダ２１内壁に沿って回転する。

これにより、吸入管２９から圧縮室に冷媒ガスが吸引され、ローリングピストン２４と、シリンダ２１と、ベーン２５と、によって仕切られた空間（圧縮室）の容積を徐々に減少させ、冷媒ガスが圧縮されるようになっている。圧縮された高圧冷媒ガスは密閉容器１４内へ吐出され、吐出管３０から密閉容器１４の外部に吐出される。

［ロータリ圧縮機の給油機構］
ロータリ圧縮機５０の機械要素部品の潤滑を行うために、密閉容器１４内には冷凍機油１７が貯留されている。冷凍機油１７は、ロータリ圧縮機５０の摺動部品の磨耗・焼付を防止し、また摩擦を低減させて可動部品を滑らかに動作するようにし、また圧縮室の隙間からの冷媒ガスの漏れを防止するなど、重要な役割を担っている。

次に、冷凍機油１７の循環機構について説明する。密閉容器１４の底部に貯留された冷凍機油１７は、クランクシャフト２０に設けられた給油ポンプ穴より吸い上げられ、遠心力により給油横穴からクランクシャフト２０の各軸の外周及びスラスト面１２へと給油される。このため給油横穴の出口となる箇所には、供給された油の油溜まりとなるように、円周方向または鉛直方向の油溝が成形されている。

［クランクシャフト２０の機能］
クランクシャフト２０はモータ部１６の動力を圧縮機構部１５に伝達する機能の他に、軸受として各摺動部との潤滑を担う機能を有し、圧縮機構部１５の円滑な回転と長寿命を担う重要部品である。長軸部２０ａは回転子１９を嵌入固定しており、モータ動力の伝達を担う。長軸部２０ａは上軸受２２に、短軸部２０ｂは下軸受２３に、それぞれ回転自在に挿入されて軸受を形成している。偏心部１３は長軸部２０ａから所要の偏心量だけ偏心させた円筒形状となっており、圧縮機構部１５の要素となる。また、偏心部１３の下端面は下軸受２３の端面と接しており、スラスト面１２と呼ぶ。軸受の機能は荷重の方向によって、ラジアル方向の荷重を支持するジャーナル軸受と、軸方向の荷重を支持するスラスト軸受の、２つの要素に区分される。

クランクシャフト２０に働く軸方向の荷重として、第一にクランクシャフト２０と回転子１９を合わせた自重によるもの、第二にモータ部１６の磁気的推進力に起因する力があり、両者ともに下向きとなる。この荷重によって、クランクシャフト２０のスラスト面１２は下軸受２３の端面に押し付けられることになる。スラスト軸受は、クランクシャフト２０のスラスト面１２と下軸受２３の端面とで構成されており、前述の冷凍機油１７を介在させることで、油膜による磨耗低減効果と摺動摩擦低減効果を発生させる機能を有している。

［スラスト面の形状］
図２１及び図２２は、本実施の形態のクランクシャフト２０のスラスト面１２の形状を示す図である。クランクシャフト２０のスラスト面１２を上向きになるよう図示しており、偏心部１３の位相角度を時計の文字盤を模して記している。偏心方向を６時、反偏心方向を１２時としている。またスラスト面１２の微小曲面を表現するため、各ポイントの「高さ」寸法の一例を図示してある。

このように、クランクシャフト２０のスラスト面１２には、実施の形態１又は実施の形態２の円筒研削盤１００による加工を行い、連続的微小曲面形状を形成している。図２１（ａ）に示されたクランクシャフト２０の偏心部１３のみを取りだして表示したものが図２１（ｂ）である。図２１のクランクシャフト２０においては、スラスト面１２の６時方向を凸、３時および９時方向に行くに従い凹となる形状であり、１２時方向の高さを０とすると、６時が＋２０μm、３時および９時では＋１０μmの高低差を設けてある。

図２２（ａ）に示されたクランクシャフト２０の偏心部１３のみを取りだして表示したものが図２２（ｂ）である。また、図２２のクランクシャフト２０においては、スラスト面１２の６時方向を凸、３時および９時方向に行くに従い凹となる形状であり、またスラスト面１２の外周側を凸、内周側に行くに従い凹となる形状である。１２時方向の外周側高さを０とすると、６時が＋２０μm、３時および９時では＋１０μmの高低差を設けてある。また外周側に比べて内周側は−１０μmの高低差を設けてある。

この形状によれば、クランクシャフト２０のスラスト面１２と摺動する下軸受２３の端面に対して、最も凸となる６時方向にて両者が接触し、凹となる３時、９時では隙間が生じることになる。そして圧縮機の運転時においては、クランクシャフト２０が回転してスラスト面１２に潤滑油が供給されると、スラスト面１２の凹凸による斜面と下軸受２３の端面との隙間がくさび状の空間を成すようになり、潤滑油はスラスト面１２の回転に伴ってくさび状の空間に導かれることになる。すると滑り軸受におけるくさび効果と呼ばれる油膜圧力の増大を招き、クランクシャフト２０のスラスト面１２を浮上させるように作用する。このため両者の部品は油膜に支えられて回転を行うため、全く接触することなく円滑な運転を行うことができる。

図２１、図２２においては各ポイントの高さ寸法の一例を示したが、クランクシャフト２０のサイズや荷重の大小によってはこの寸法と異なる場合がある。また最も高いポイントが６時で無くともよく、３時と９時の高さが同じで無くともよい。６時と比較して３時と９時が凹であればよい。

また、本実施の形態ではロータリ圧縮機５０の例を示したが、その他の構造を持つスクロールやレシプロ、スクリュー圧縮機でもよい。全ての圧縮機はクランクシャフトまたはシャフトを有しており、軸方向の荷重を支持するスラスト面１２を備えている。本実施の形態によれば、クランクシャフト２０やスラスト面１２の形状が異なっていても、連続的微小曲面形状による油膜のくさび効果を適用することが可能である。

本実施の形態のスラスト面１２は、実施の形態１もしくは２の円筒研削盤１００による加工を行ったため、滑らかで緩やかな連続的な曲面となっている。油膜の形成の観点から、スラスト面１２に段差や角部や急激な斜面があってはならない。これら不連続な平面は、油膜圧力の変動による負圧を引き起こし、スラスト軸受の負荷容量を減少させるからである。

本実施の形態のスラスト面１２は、実施の形態１もしくは２の円筒研削盤１００による加工を行ったため、表面粗さの小さい微細で高品位な面性状となっている。油膜の形成の観点から、スラスト面１２を旋削やエンドミル加工などの切削工具による加工で仕上げてはならない。これらは表面粗さの増大やツールマークにより油膜切れや部品同士の接触を引き起こし、スラスト軸受の負荷容量を減少させるからである。

本実施の形態のスラスト面１２は、実施の形態１もしくは２の円筒研削盤１００による加工を行ったため、スラスト面１２の６時方向を凸、３時および９時方向に行くに従い凹となる形状となっている。このため、スラスト軸受の負荷容量が増大するため設計の自由度が拡大し、スラスト軸受面積の縮小や潤滑油粘度の低下が可能となる。これらは軸受の摺動損失を減少させロータリ圧縮機５０の効率改善、ひいては冷凍空調機器の効率改善を実現できる。

本実施の形態のスラスト面１２は、実施の形態１又は実施の形態２の円筒研削盤１００による加工を行ったため、スラスト面１２の６時方向を凸、３時および９時方向に行くに従い凹となる形状となっている。このため、スラスト軸受の負荷容量が増大するため磨耗及び焼付などの故障の無い、信頼性の高いロータリ圧縮機５０を実現することができる。

本実施の形態のスラスト面１２は、実施の形態１又は２の円筒研削盤１００による加工を行ったため、スラスト面１２の６時方向を凸、３時および９時方向に行くに従い凹となる形状となっている。このため、スラスト軸受の負荷容量が増大するため不安定なクランクシャフト２０の振動による異常な騒音を発生させない、信頼性の高い圧縮機を実現することができる。

１ ベッド、２ Ｘ軸テーブル、３ Ｚ軸テーブル、４ 研削砥石送り装置、５ Ｚ軸送り装置、６ 砥石軸、６ａ 回転軸、７ 砥石駆動モータ、８ 主軸、９ チャック、９ａ 回転軸、１０ 心押し台、１１ 砥石、１２ スラスト面、１３ 偏心部、１３ａ 中心、１４ 密閉容器、１５ 圧縮機構部、１６ モータ部、１７ 冷凍機油、１８ 固定子、１９ 回転子、２０ クランクシャフト、２０ａ 長軸部、２０ｂ 短軸部、２１ シリンダ、２２ 上軸受、２３ 下軸受、２４ ローリングピストン、２５ ベーン、２６ ベーンばね、２９ 吸入管、３０ 吐出管、５０ ロータリ圧縮機、１００ 円筒研削盤、２００ （従来の）カム研削盤、３００ （アンギュラヘッド形式の）円筒研削盤、４００ アンギュラ研削盤、ＧＡ 接触点、ＧＢ 接触点。

Claims (6)

1. 被研削物を保持して回転させる主軸と、
   前記被研削物を研削する研削砥石と、
   該研削砥石を保持し回転させる砥石軸と、
   該砥石軸の中心軸に対し直角方向に前記研削砥石を移動させる研削砥石送り軸と、を備え、
   前記主軸及び前記砥石軸は、
   それぞれの回転中心が同一平面内に配置され、
   前記研削砥石送り軸は、
   該研削砥石送り軸の送り方向と前記主軸の回転軸とが成す角度を、前記主軸の回転軸から時計回りに９０°超１００°以下に振って配置される円筒研削盤を用いた、研削加工方法において、
   円柱形状の前記被研削物を前記主軸に保持し、
   前記主軸の回転軸と交差する前記被研削物の面に対し、前記研削砥石の外周部の円錐面を接触させ、
   前記面に連続的微小曲面形状を形成する工程を有する、研削加工方法。
2. 前記被研削物は、
   互いに同心である円柱状の長軸部及び短軸部と、
   該長軸部及び短軸部の間に形成され前記長軸部及び短軸部の中心に対して偏位した中心を具備する円柱状の偏心部と、を具備するシャフトであり、
   前記長軸部の外周部及び前記偏心部の外周部を、前記研削砥石の外周部にて研削加工を行う工程を有する、請求項１に記載の研削加工方法。
3. 前記連続的微小曲面形状を形成する工程は、
   前記研削砥石送り軸が、
   前記主軸が１回転する回転運動に合わせて往復運動を行い、
   該往復運動が、
   前記主軸の回転運動周期と同周期又は前記主軸の回転運動周期を分割した周期で、前記被研削物の研削部分に合わせた振幅を有する、請求項１又は２に記載の研削加工方法。
4. 被研削物を保持して回転させる主軸と、
   前記被研削物を研削する研削砥石と、
   該研削砥石を保持し回転させる砥石軸と、
   該砥石軸の中心軸に対し直角方向に前記研削砥石を移動させる研削砥石送り軸と、を備え、
   前記主軸及び前記砥石軸は、それぞれの回転中心が同一平面内に配置され、
   前記研削砥石送り軸は、
   該研削砥石送り軸の送り方向と前記主軸の回転軸とが成す角度を、前記主軸の回転軸から時計回りに９０°超１００°以下に振って配置される、研削装置。
5. 前記研削砥石は、
   外周部が、前記砥石軸を中心とする２つの円錐面を有し、
   ２つの該円錐面のうち一方は、前記主軸の回転軸に交差する前記被研削物の面を研削し、
   ２つの該円錐面のうち他方は、
   母線が前記主軸の回転軸と平行となるように成形されている、請求項４に記載の研削装置。
6. 前記研削砥石送り軸は、
   前記主軸が１回転する回転運動に合わせて往復運動を行い、
   該往復運動は、
   前記主軸の回転運動周期と同周期又は前記主軸の回転運動周期を分割した周期で、前記被研削物の研削部分に合わせた振幅を有する、請求項４又は５に記載の研削装置。

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