JPH0229470B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 金属や非金属材料を研削により機械加工するこ
とが製造技術にますます採用されているが、その
場合二つの発展目標、すなわち一方ではいつそう
高い精度と表面の品質を達成すること、他方では
機械加工能率を高めることを目ざしている。両方
の目標はこれまで相互に関与してない。なぜな
ら、現在の技術状態によれば、機械の構成、とり
わけ研削工具の固有の仕様を特別に設計して一方
のまたは他方の最適さを達成しなければならない
からである。

目下の所、二つの研削方法、すなわち「円周研
削」と「正面研削」が知られている。「円周研削」
は「正面研削」より発展していて、機械加工能率
および精度に関して旋削、フライス削り、平削り
に対して部分的にすでに匹敵し得る。公知技術に
よる両方の異なる研削方法は技術文献に詳細に記
載されている。

上記の両方の研削方法は、独自の部分的に重な
つた最適な適用範囲を有する。その場合、非常に
硬くて、脆くかつ敏感な材料および非常に平滑な
平面のためには正面研削方法が考えられる。この
ような材料はとりわけ、例えば電子構造部品のた
めの基板またはパツキンとして、大量に円板状ま
たはリング状で用いられる非金属材料である。一
例は、電子構造部品の製造のための基板として用
いられその量も著しく増大している、珪酸、ゲル
マニウム、水晶、サフアイヤおよび−−結合
でできた非常に薄い円板の機械加工である。始め
に表面機械加工にもつぱら用いられたラツピング
は、表面変質層が深いこと、割れが生じ易いこと
等の理由からダイヤモンドライニングした研削円
板による研削により代替されている。この方法
は、本出願人により製造上利用し得るように発展
された。

（発明の課題） 本発明は、極度に硬くて、脆い材料からなる非
常に敏感な部分を表面研削することができる方法
を見出すことを課題の基礎としている。この場
合、主要な必要条件は、加工物の仕上のための除
去加工で公知技術をはるかに越える機械加工能率
であり、その際切削過程で避け難い材料表面層の
変化、およびこれから生ずる破壊深さが、現在知
られかつ用いられている切削法よりいつそう少な
くなければならず、かつ同時に研削された表面の
本質的な改善を、平滑性、粗研削仕上研削深さお
よび材料損傷（結晶格子破壊）に関して達成しな
ければならない。他の目標は、例えば粗研削、仕
上研削および精密研削のような、前記の材料の場
合に必要な前後する若干の作業工程を減らすため
に測定精度と表面品質を改良することである。

本発明により加工される脆くてこわれ易い材料
としてビツカース硬度7000〜11500の硅素が最も
好適である。しかし、他の材料、例えば最子ビツ
カース硬度5000N／mm²を有し、特に7000−
25000N／mm²を有する。このような材料の特に好
都合な例は、光学機械で用いられる、ビツカース
硬度7000N／mm²までを有する特殊ガラスと特殊ガ
ラス陶磁器である。特に好都合な材料群は、8500
までのビツカース硬度を有するＡ−Ｂ−結合
と、7000までのビツカース硬度を有するフエライ
トと、7500までのビツカース硬度を有するゲルマ
ニユームと、14000までのビツカース硬度を有す
る尖晶石と、19000〜21500までのビツカース硬度
を有するサフアイヤ−およびガリウム−ガドリニ
ユーム−柘榴石（GGG）にも使用できる。この
ような材料はエレクトロニクス分野で特に好都合
に使用される。さらに問題となる材料は、15000
〜25500までのビツカース硬度を有する炭化硅素
SiCと、15000〜20000までのビツカース硬度を有
する窒化珪素Si₃N₄（または単結晶のときに
35000）と、22500〜31000までのビツカース硬度
を有する炭化硼素B₄Cである。このような材料
は、機械製造、モータ製造ならびに設備構造に使
用される。別の好都合な材料群には、17000〜
28500までのビツカース硬度を有する切削セラミ
ツクならびに215000のビツカース硬度を有するコ
ランダムAl₂O₃が含まれる。これらの材料は非金
属切削材として役立つ。さらに、それぞれ
8000N／mm²までのビツカース硬度を有するセラミ
ツク共振子、水晶発振子および磁器が問題にな
る。

これまで使用された全ての研削機械は古典的方
法、いわゆる正面研削によつて作動し、その場合
必要な機械加工と必要な表面品質を達成するため
に、三つの運動が必要である。すなわち、(1)研削
円板の回転により発生する砥粒の切削運動と、(2)
研削ライニング平面に対し平行な、工作物と研削
円板の間の相対運動である送り運動と、(3)研削す
べき工作物表面に対し垂直な研削円板軸線の方向
に行われる切り込み運動が必要である。材料の切
削は、正面研削の場合、ほとんど外側の研削円板
縁でのみ行われる。研削円板が工作物の上を進む
際に、送り速度と共に、工作物に段として認めら
れる機械加工領域が全表面にわたつて存在する。
研削円板表面に存在する切削能力のある全ての砥
粒に対して外側の研削円板縁の非常にわずかな数
の砥粒が研削円板の使用時間中全体の工作物切削
を引受けなければならない。

また削り取られた材料を排出するために砥粒の
周りに存在する切屑空間が同様に非常に制限され
るので、機械加工能率を上げることに二つの決定
的制約がある。

本発明により、理論的考えや全搬の実際的経験
とは異なり、新しい方法はなお二つの運動成分し
か有しないことを提案する。本発明により、な
お、研削過程の間、回転する研削円板により発生
した砥粒の切削運動と、切込み運動、従つて研削
すべき工作物表面に対し垂直に向けられた研削円
板の前進運動しか必要ない。古典的研削の場合
に、送り運動が支配的な方法パラメータと解さ
れ、そのために周知の、全ての研削機械は非常に
費用がかかりかつ相応した調整装置を有するので
あるが、本発明ではその送り運転が必要なくな
る。

本発明による方法の場合の研削経過は、回転す
る研削円板を工作物表面に向つて押下げることか
らなるので、本発明による方法はプランジカツト
研削に属する。この場合、加工中研削すべき工作
物表面全体が被われるように研削ライニング（砥
石セグメント）を寸法決めする。

本発明による方法は、加工された表面に結晶格
子破壊が起り易い硬くて脆い材料の場合に、驚く
べきことに、機械加工の挙動が非常に良好にな
る。かくして、機械加工能率が今日知られた値よ
りも数倍も大きい。このことは、本発明による方
法では、研削円板面に存在する全ての砥粒が機械
加工に関与することから論証できる。個々の砥粒
による切屑の大きさと研削力は、研削中数倍も大
きい砥石圧着力を印加するにも拘らずいつそう小
さく保たれる。測定によると、研削表面にある工
作物の結晶格子の不利な変化は、周知の研削法よ
りも比較的僅なことが確認された。これは砥石が
数多くの砥粒によつて工作物表面と当接している
からである。

比較的削粒状の研削円板で、これまで非常に粗
粒状の粗削円板しかもたらさなかつた機械加工能
率が達成され、しかも細粒状の研削円板に特有の
滑らかな工作物表面が保たれたままであるか、ま
たは更に顕著に改善される。プランジカツト研削
の切り込みの終了後工作物を作用範囲から研削円
板面に対し平行に引き出せば、平滑さと仕上面粗
さをなお実質的に修正することができる。その
際、研削円板ライニングから若干さらに突出する
砥粒尖端の痕跡が平均化される。この付加的な作
業手段を著しく単純化した形のいわゆる「スパー
クアウト」と比較することができる。

本発明による新しい研削方法の利点は豊富であ
る。機械加工中全く送り運転を行わないので、簡
単でかつ非常に安定した機械の構成が可能であ
る。周知の自動的な単一ステーシヨンまたは多ス
テーシヨン−研削機械は、円形テーブルが工作物
支持体として、および外方に向つて増加する条件
付きの種々の送り速度を発生させる工作物送り装
置として働く。砥粒の作用中表面品質と材料歪み
に不利な影響を及ぼすこの欠点が本発明ではなく
なる。なぜなら、その都度実施される最終のスパ
ークアウトを、例えば研削軸台の直線運動として
実施して非常に粗さの小さい一様な表面を保つこ
とができるからである。多ステーシヨンを有する
慣性の円形テーブル−研削自動盤は、粗研削、精
密研削、超精密研削するかどうかとは無関係に全
ての研削ステーシヨンで同じ送り速度を有する。
研削過程中全く送り運動が行われない本発明によ
る方法を実施する装置では、スパークアウト運動
をその都度個々にかつ最適に、わずかな機械的費
用で適合させることができ、その際全搬に直線の
スパークアウト運動が最後の研削ステーシヨンで
行われるだけでよい。本発明による研削作業中、
例えば周期的に進む円形テーブルの形態の工作物
支持体は静止しているので、非常に正確でかつ操
作の簡単な工作物装入と取出しが与えられる。別
の利点は、研削作業中、研削範囲と装入および取
出し範囲の間の完全に空間的分離が可能であるこ
とであり、このことは高精度の工作物の場合に非
常に意味がある。なぜなら、次に来る工作物を載
せるまで、工作物装入ステーシヨンを清掃して清
浄に維持できるからである。

本発明は、比較的わずかな工作物および工具歪
みで数倍も高い機械加工能率の著しい利点をもた
らす。これにより脆い材料を非常に薄い厚さでも
研削が可能となる。なぜなら、材料の結晶格子を
有利にも極僅かしか変化させないからである。別
の利点は、本発明による研削作業中、工作物支持
テーブルが直接機械本体の上に剛固に錠止されて
載せてあり、従つて振動に対して非常に安定して
いることである。

本発明の別の利点は、研削円板の寿命が長いた
め固有の工具費用がわずかであることであり、そ
れに加えてなお、研削過程に最大数の砥粒が関与
していることが要因となつており、これにより砥
粒負荷が減少して切屑の除去が達成される。この
場合、個々の砥粒により作用する、振動の少ない
一定のの研削力を研削面に関して空間固定された
ベクトルとして表わすことができる。本発明で送
り運動を必要としないという条件により、砥粒が
その結合剤から離脱することが抑制される。これ
により長時間ドレツシングなしに研削作業が行わ
れうる。

本発明による方法に必要な研削円板は簡単であ
り、製造が容易である。特にダイヤモンド砥粒を
含む砥粒を円板、板または条片の形で全体として
環状に基体に固定するのが普通である。これによ
つて研削面が環状に形成されている。そのとき自
由に開放されたままになつている、個々の研削ラ
イニング要素（研削セグメント）の間の中間空間
が冷却効果を増大させ、かつ切屑の排出を容易に
する。その場合、個々の研削ライニング要素また
は研削セグメントの間の砥石の回転方向における
間隔は、それぞれ加工されるべき工作物の直径よ
り小さい。このようにして常に工作物の表面に砥
石の研削面が支持されるので、工作物が研削セグ
メントの間に入つて、研削円板が回転したとき
に、研削セグメントの縁が工作物の外被に衝突す
る慣性の送りを伴う正面研削過程が回される。同
様の砥石の半径方向の巾が工作物の直径よりも大
きい、環状又は円板状の連続した研削面を有する
砥石も好適に使用されることができる。工作物の
直径に比して砥石の直径が大きい程、例えば３倍
以上であれば環状砥石の外周、内周領域の周速の
差が小さくなつて工作物の研削加工上有利であ
る。

本発明により研削する際に、経済的な細かい粒
度範囲を使用することができ、これにより非金属
材料（硅素等）を研削したときに平滑な表面がで
きる。

（実施例） 以下、本発明の有利な実施例を詳細に説明す
る。

第１図に示した、本発明による方法を実施する
ための装置の実施形態は、ほぼ直方体形の機機本
体１からなり、その水平な上面には周期的に回転
可能なまたは水平方向に移動可能なテーブル２
が、工作物３を支持し、割出すために支承されて
おり、テーブル２は研削工程中固く締めつけるこ
とができる。工作物受け部は支持体４から突出し
ており、支持体４には、工作物に研削円板６の研
削面７を向けて支持する研削軸５と駆動モータ８
が取りつけられている。支持体４が精密な硬い案
内要素９で本体１に垂直に上下に移動可能に取り
つけられている。この垂直な上下運動は、例えば
電気的に駆動される切り込みスピンドル１０によ
り行うことができる。この切り込みスピンドル１
０は、本発明による研削円板６を「プランジカツ
ト研削」で工作物の最終寸法まで下方へ切込み、
かつ早戻り運動で全支持体を上方へ持ち上げる。
この支持体の早戻り運動中、テーブル２を周期的
に回転させるか又は水平に移動させることによ
り、加工の済んだ工作物を研削円板の範囲から引
離し、同時に新しい加工すべき工作物を研削円板
の下に持つて来て作業位置に位置決めする。この
同時の装入と取出しは支持体の戻り運動と同期し
て行われるので、移送運動が終了して工作物支持
体が再び締めつけられない限り、新しい工作物と
研削円板の間で衝突が起らない。

第２図は、本発明による方法を実施するための
研削円板を例示している。図示の研削円板６は、
工作物３に向けられた研削面７を有し、この研削
面により、研削工程中剛固に位置決めされていて
かつ送り運動を受けていない工作物３が表面的に
完全に被われる。即ち砥石の研削に関与する環状
研削面の巾は工作物の直径より大きく、回転方向
においても砥石の研削に関与する面は接続してい
る。このようにして、研削中研削面７の全ての砥
粒が切削作用に有効になることが保証される。

第３図には、本発明により使用可能な砥粒面の
種々の変形可能性を概略的に示してある。

第３ａ図は、砥粒ペレツト４３で形成された研
削面を示す。第３ｂ図と第３ｃ図には、研削ライ
ニングが直方体形のまたは台形の研削ライニング
要素４４，４５で形成された研削円板を示す。第
３ｄ図と第３ｅ図には、研削ライニング要素が小
さな棒体４６にまたは円弧状４７に形成されてい
る。全ての実施形態３ａ〜３ｅに形成されてい
る。全ての実施形態３ａ〜３ｅにおいてそれぞれ
円形の工作物４１が描き込まれているが、研削ラ
イニングが工作物を面で作用的に被つているのが
認められる。即ち砥石の半径方向の巾は工作物の
直径よりも必ず大きく、砥石の回転方向において
は隣接する研削ライニング要素（砥石セグメン
ト）間の間隔は常に工作物の直径よりも小さい。
これによつて砥石の正面（平らな面）が常に工作
物の研削されるべき表面に支持されていて、従来
技術による場合のように砥石の縁が直接工作物の
外被面に衝突することが回避されるのである。こ
れらの研削円板の実施形態の各々において、研削
加工中、工作物に向けられた研削ライニング要素
の全ての砥粒が切削で有効になることが保証され
る。これは、研削円板縁の砥粒しか研削に関与し
ない従来の研削方法と明らかに異なる。

本発明による方法の別の利点は、研削円板の研
削負荷と作用範囲が工作物で全研削時間中一定で
あることである。それにより、非常に一様な研削
と非常に安定した研削経過が達成される。

第４図と第５図による実施形態では、本体１の
側面２にまたは本体１に両方の加工ステーシヨン
３，４が設けられている。それぞれ一つの垂直な
滑り案内５ａ，５ｂにより加工ステーシヨンの高
さが調整可能である。高さの調整は、それぞれ一
つの電動機７ａ，７ｂにより駆動されるボールね
じスピンドル６ａ，６ｂにより行われる。電動機
の回転数、従つて高さ調整速度は特に電子的に調
整可能である。最初の加工ステーシヨン３のジブ
８が、垂直案内を有するユニツトである。第二の
加工ステーシヨン４の水平なジブ９が垂直スライ
ダに長さ方向に移動可能に支承されており、その
案内１２が締付装置を有するので、締付を開放し
たときにジブ９を油圧シリンダ１１で移動させる
ことができる。全ての直線案内５ａ，５ｂ，１２
が、非常に精密で硬いかつ摩擦の少ない案内軌道
を有し、その案内隙間は調整することができる。
第二の加工ステーシヨン４の後に接続された測定
ステーシヨン１３が工作物１４の厚さ寸法を監視
して、第二の研削円板１５ｂの後調整を行う。各
加工ステーシヨン３，４のシブはその前側に、垂
直に取りつけられた研削軸１６，１７を収容して
いる。後側に研削軸モータ１８，１９がフランジ
で取りつけられている。モータから研削軸への力
の伝達は平ベルト駆動２０により行う。その都度
の研削条件に研削軸の回転数を適合させるには、
ベルト駆動の速比を変えるか、またはモータ１
８，１９の電気的な回転数調整による。

研削軸は、実施に応じてころ軸受または空気軸
受で支承される。軸の他端には円錐形の受け部に
研削円板フランジが着座しており、この研削円板
フランジが研削円板１５ａ，１５ｂを支持してい
る。円形テーブル２１が本体１の中央に支承され
ている。円形テーブル２１は、工作物の大きさに
依存して、若干の工作物把持個所をもつている。
これは固定ねじを解放することにより取外して他
のものにより取替えることが容易である。加工す
べき材料に相応して、工作物１４を電磁的にまた
は真空により把持する。把持個所の電気的エネル
ギーまたは空気の供給のための導入は、円形テー
ブルの中央の孔２９を介して行われる。工作物１
４は、円形テーブル２１により周期的に装入個所
２３から第一および第二の加工ステーシヨンへ移
送され、そして取出し個所２４へ戻るように移送
される。

ころ軸受３８が円形テーブル２１の半径方向案
内を引受けている。軸方向案内として、本体上面
に形成されたすべり軌道３０が働く。このすべり
軌道には、例えば摩擦が少なくてステイツク・ス
リツプの小さい合成樹脂ライニングが設けられ、
かつ本体に配置された中央潤滑部から潤滑油が間
欠的に供給される。研削円板１５ａ，１５ｂが作
用している限り、円形テーブル２１が静止してお
り、かつ円形テーブル軸３２の周りに対称に配置
された締付要素３１ａ，３１ｂで本体の軸方向軸
受３０に押圧されることにより、研削中に円形テ
ーブル、従つて工作物を絶対的に隙間がなく、非
常に強固にかつ振動もなく支持できる。

各研削サイクルの終に、砥石が上方に持ち上が
つた後、円形テーブルが周期的に次のようにさら
に動かされる。すなわち、例えば電気的または油
圧回転駆動装置３３−その駆動ピニオン３４が、
円形テーブル２１と円形テーブル軸３２を介して
かたく結合された歯車３５に噛み合つている−
は、しや断パルスが円形テーブルのリミツトスイ
ツチから発信されるまで回転し、しや断パルスが
発信されるのは、新しい工作物が研削砥石の下に
到達するまでさらに回転したときがそうである。
正確な位置決めのために、付加的に割出し部材３
６が、同様に円形テーブル軸と固く結合されたピ
ツチ円板３７に係合する。従つて、すべての進行
を続けた後に、円形テーブルが研削ステーシヨン
のその作業位置に非常に正確にかつ不動に固定さ
れる。しかしながら、円形テーブルを進行させて
錠止するために、適当なクランク装置が使用され
ることができる。

加工ステーシヨン３，４の向い合つて、機械本
体１の前側に左側に装入ステーシヨン２３が、お
よび右側に取出しステーシヨン２４が存在してい
る。加工ステーシヨン１と２で相対して研削され
る時間中に装入と取出しが行われる。装入の場合
には、工作物を回転可能な把持腕２５ａによりマ
ガジン２６からまたは適当な工作物受け台から持
ち上げ、円形テーブルの上を旋回して工作物締付
板２２の上に下ろす。取出しは逆の順序で行う。
装入ステーシヨンと取出しステーシヨンの間で工
作物締付個所を清浄にする。浄化ステーシヨン２
７が回転する合成樹脂ブラシで、部分的になお存
在する砥粒を除去し、ノズルから流出する水噴流
により補助し、それにより後続する装入のために
必要な清浄な支持面を作る。円形テーブルの中央
の上にあるふるい部材２８により、装入および取
出し領域が加工ステーシヨンを通つて汚染しない
ように保護される。

本発明による研削方法は次のように作用する。
機械を上記の仕方で装架した後、円形テーブルが
工作物を最初の研削ステーシヨンの下に進ませ、
その研削円板は工作物の測定寸法に相応して上方
の位置に存在する。円形テーブルを平らに把持し
て錠止した後、研削円板が上方から工作物中に切
込まれて、最初のステーシヨンの仕上げ寸法が達
成される。今や、研削円板がその出発位置に戻
る。最初の研削ステーシヨンの研削円板は、研削
円板のライニング幅が全工作物を被うか、または
プランジカツトにより工作物の全表面が加工され
るように設計されている。研削円板の切込み速度
は無段階に予め選択することができる。それか
ら、円形テーブルが工作物を第二の加工ステーシ
ヨンへ進め、再び円形テーブルが平らに把持され
て錠止される。研削過程は最初の加工ステーシヨ
ンの過程に相応するが、細粒から成る研削円板を
用いかつ材料除去量がいつそう少ない。本発明で
は砥石の回転中先行する砥粒のひつかき跡を同様
に砥石に固定された後続の砥粒が補充するが、ラ
ツピング等遊離砥粒ではこのような効果は得られ
ず深いきずが残る。

切込み運動の終に、それから表面を修正するた
めに研削円板を慣用の“スパークアウト”と類似
して切込みなしで工作物を外方へ引き出すのが有
利である。

取出しステーシヨンへさらに進む間に工作物の
第一の寸法を測定する。研削ライニングの摩耗に
より上の許容限界に達したときに第二の研削ステ
ーシヨンの高さ寸法が機械により自動的に調整さ
れる。取出しは装入と逆の順序で行われ、その際
工作物が再びマガジンに置かれる。

円形テーブルが回転した後新しい工作物が置か
れるかまたは取り去られるので、研削機を通る連
続的な工作物の流れが生じる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による方法を実施するための本
発明の装置の実施形態を示す図、第２図は第１図
による装置で研削円板の研削面と工作物の間の大
きさの関係を概略的に示した図、第３図は本発明
による方法を実施するための研削円板の研削面の
有利な応用例を３ａから３ｂまで概略的に示した
図、第４図は本発明による装置の別の実施形態の
正面図、第５図は第４図による装置の平面図であ
る。 ２，２１……テーブル、３，１４，４１……工
作物、５，１６，１７……研削軸、６，１５ａ，
１５ｂ，４０……研削円板、７……研削面。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 研削すべき平らな表面に向けられる少なくと
   も一つの平らな研削面を有し、かつこの研削面に
   対し垂直な軸線を中心として回転する研削円板で
   平らな硬くて脆い硅素円板表面を研削する方法に
   おいて、前記回転する研削円板の平らな研削面を
   構成する砥石の配置について研削面が環状に形成
   され、硅素円板の直径に対し、半径方向では研削
   面の巾の方が大きくかつ回転方向では間隔があつ
   てもその間隔の方が小さくされており、研削過程
   中不動にされているテーブル面上に硅素円板を固
   定して取着け、研削円板の回転中常時研削面が前
   記硅素円板をその巾でおおいかつ前記テーブル面
   と平行な面内にあるように研削軸線の周りに研削
   円板を回転させ、研削円板の切り込み送りを前記
   研削軸線に沿つた運動のみによつて行うことを特
   徴とする硬くて脆い硅素円板表面の研削方法。