JPH0985613A

JPH0985613A - 超精密磨き工具

Info

Publication number: JPH0985613A
Application number: JP24974595A
Authority: JP
Inventors: Mitsuoki Hatamoto; 本光興畑
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 1995-09-27
Filing date: 1995-09-27
Publication date: 1997-03-31

Abstract

(57)【要約】【課題】超仕上げ用工具に適した剛性特性を容易に実
現し、表面粗さの精度を高められるようにした超精密磨
き工具を提供する。【解決手段】リング状の弾性体からなる研磨部材１４
と、工具軸１２に同心的に取り付けられ研磨部材１４よ
りも直径の小さな第１の押え円板１７と、研磨部材１４
を第１の押え円板１７に対して同心的に位置決め可能な
調心用円板１６と、前記第１押え円板１７との間で研磨
部材１４を挟圧保持可能なように工具軸１２に同心的に
取り付けられ研磨部材１４よりも直径の小さな第２の押
え円板１８とから構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、工作物に原子オー
ダの面粗さの超仕上げ面を得るための超精密磨き工具に
係り、特に、ＥＥＭ加工用の工具として最適の剛性特性
を得られるようにした超精密磨き工具に関する。

【０００２】

【従来の技術】工作物の超仕上げ加工では、従来、サブ
ミクロンオーダーの精度が得られれば十分であったが、
最近では、数１０ｎｍ以下、なかには原子オーダーの面
粗さの精度までが要求されるようになっている。原子オ
ーダーの面粗さを可能とするものとしては、ＥＥＭ加工
（Elastic Emission Machining）法がある。このＥＥ
Ｍ加工法は、加速した砥粒懸濁液を工作物と工具との間
に流して、砥粒を工作物の表面に衝突させることによっ
て工作物の表面を超仕上げ加工する方法である。

【０００３】ＥＥＭ加工法では、その砥粒としては、粒
度が例えば、０．１μｍ以下の極く微細粒の砥粒を使用
可能な上に、この砥粒自体は液体中に懸濁していること
から、通常の研磨の場合とは異なって砥粒の工作物表面
への衝突もやわらかく、従って、表面性状の欠陥のない
オングストロームオーダの除去が可能な超仕上げ加工法
として注目されている技術である。

【０００４】ここで、図１１は、ＥＥＭ加工法におい
て、中実のポリウレタン球を工具１として用いて工作物
５の表面を超仕上げ加工する従来例を示す図で、工具１
と工作物５との間に懸濁液４が流れるときに、工作物５
の表面に衝突する砥粒６の動きを模式的に点線で表わし
ている。

【０００５】この工具１は、図８に示すようなＥＥＭ加
工装置で用いられるもので、ＮＣ工作機械の主軸頭３０
には、十字ばね３１を介して研磨ヘッド３２が支持さ
れ、この研磨ヘッド３２に取り付けた無段変速モータ３
３から回転トルクが工具１に伝達されるようになってい
る。工作物５は、台３４に固定されるとともに、この台
３４とともに懸濁液が流れる加工容器３５に収容されて
ＮＣテーブル３６上に取り付けられる。加工容器３５で
は、懸濁液は、ダイヤフラムポンプ３７によって循環
し、また、恒温装置３８によって液温が一定に保たれる
ようになっている。

【０００６】図１２は、工具１の中心から工作物の表面
に垂線を下ろした位置を原点Ｏとしてこの原点Ｏからの
距離に対する懸濁液の膜厚さの変化を示したグラフであ
って、工具１が一回回転する間に、懸濁液の膜厚はＡ→
Ｂ→Ｃ→Ｄと変化することを示している。

【０００７】この図１２において、距離を表わす横軸の
マイナス方向は、工具１と工作物５との間にできる間隙
への流体の入口方向側で、プラス方向は、流体の出口方
向に対応している。また、ψは、弾性流体理論を用い数
値解析をした衝突角である（出典「精密機械」第４６
巻第６号（１９８０年６月））。

【０００８】また、Ａ点は、懸濁液の入口側遠点、Ｂ点
は工具１の回転とともに懸濁液がつれ回りして工作物５
と工具１との間に入り込む位置に相当する入口側点、Ｃ
点は、懸濁液が工作物と工具の間から排出され始める出
口側点、Ｄは出口側遠点である。この図からはっきりと
わかるように、Ｂ点では、懸濁液の膜厚がＣ点と較べて
小さくなっているのは、図９に示すように、Ｂ点とＣ点
とでは、Ｂ点の方が運動エネルギやエネルギ密度が極大
となっているためである。

【０００９】その原因としては、Ｂ点では、工具１の回
転でつれ回りする懸濁液の衝突角が大きく、圧力が極大
となるがそれ以上に工具の変形が少ない。工具の変形が
少い理由としては、角変化（図１０）工具の剛性短時間な為粘弾性体の流動抵抗が大きいことが考えられる。工具の変形については、Ｂ点では、
図１０に示されるように、一定の回転角速度で回転する
工具１では、Ｂ点で半径変化率が最大となるが、同時に
最大となる変形抵抗と遠心力が重なり合い、工具の変形
を抑え、実際の変形量は極小となっている。

【００１０】Ｂ点を通過した懸濁液４は、その流れ方向
は工作物５の表面と平行になって、工作物５と工具１の
間の微小隙間を流れると、懸濁液４に作用する摩擦抵抗
による流速の遅延が圧力増加を生じさせると共に、流れ
と直角方向にも拡散するので総合ではＡ点に比べ急激に
圧力は低下する。また、Ｂ点からＯ点の間では、この圧
力が低下する反面、工具１での半径変化量の減少に伴う
変形抵抗変化率の低下とから懸濁液４の膜厚が徐々に厚
くなってくる。やがてＯ点を越えると、工具１の半径方
向の変化は縮みから伸びに転じる結果、回転の遠心力と
工具１の弾性回復とにより、膜厚の変化は抑制されるも
のの、圧力の面では低下していく。そして、Ｃ点を越え
ると、工具１は元の球形に復元してそれ以上の半径変化
が停止するので、懸濁液の膜厚は一挙に増加しながらＤ
点に至る。

【００１１】このような経過を経る懸濁液４の流れで
は、工具１と工作物５との間に形成される懸濁液の膜厚
の変化が仕上げ面の面粗さの精度に大きな影響を与える
ことが知られている。特に、ＥＥＭ加工における膜厚と
面精度の関係については、膜厚が薄くなる上に、エネル
ギの集中する傾向が強いほど、加工を行なったときの面
粗さの精度の低下がみられるという結果が得られてい
る。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】工具１のような回転体
の外周部で加工する工具では、図９、図１２におけるＢ
点のように膜厚が極小でエネルギの集中して極大となる
傾向があるのは、工具の直径が小さいもの、あるいは剛
性が大きく変形エネルギの高いものであることが判明し
ている。従って、表面粗さの精度を劣化させる要因とし
て、工具の剛性による変形抵抗の大きさが問題となる。

【００１３】特に、Ｂ点でのエネルギ集中については、
工具の剛性が高い程増大する。他方、工具の剛性が足り
ないと、Ｂ点でのエネルギ集中は少なくなる反面、液膜
が厚くなりすぎて剪断作用の低下がみられるという問題
が起る。このため、工具の剛性を適切に管理すること
は、加工精度を確保する上で非常に重要となるが、従来
は、工具の剛性は工具の材質によって制約的に決まって
しまい、面粗さの精度が向上するように適切な剛性を実
現するのが非常に困難であった。

【００１４】そこで、本発明の目的は、前記従来技術の
有する問題点を解消し、エネルギ集中の緩和と、工具の
剛性を保ちながら液膜の厚さの増加を抑制できるような
超仕上げ用工具に適した剛性特性を容易に実現し、表面
粗さの精度を高められるようにした超精密磨き工具を提
供することにある。

【００１５】また、本発明の他の目的は、ＥＥＭ加工用
に最適の剛性特性を備える超精密磨き工具を提供するこ
とにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、本発明による超精密磨き工具は、リング状の弾性
体からなる研磨部材と、工具軸に同心的に取り付けられ
前記研磨部材よりも直径の小さな第１の押え円板と、前
記研磨部材を第１押え円板に対して同心的に位置決め可
能な調心用円板と、前記第１押え円板との間で前記研磨
部材を挟圧保持可能なように工具軸に同心的に取り付け
られ前記研磨部材よりも直径の小さな第２の押え円板と
からなることを特徴とするものである。

【００１７】この超精密磨き工具では、前記第１押え円
板と調心用円板を密着結合し、前記研磨部材の挟圧巾の
調整を前記調心用円板の厚さ調整により行なうように構
成することにより、工具の剛性特性を変えることができ
る。

【００１８】また、この剛性特性の調整は、前記第１押
え円板と第２押え円板とを周方向に配置され工具軸方向
に螺合する複数のねじによって連結し、このねじにより
第１押え円板と第２押え円板の間隔を調整し前記研磨部
材の挟圧巾の調整を行なうようにしてもよい。

【００１９】本発明の超精密磨き工具では、前記研磨部
材の材質を変えることにより、様々な特性を得ることが
できるが、ゴム、発泡スポンジ、ゲル、不織布等の粘弾
性材料を用いることもでき、また、前記研磨部材の外周
面に当該研磨部材自体の材料よりも剛性の小さな弾性材
料または粘弾性材料からなる薄膜材を被覆するようにし
てさらに最適な剛性特性を得ることができる。

【００２０】本発明では、研磨部材を第１押え円板と、
第２押え円板との間で挟圧することにより、研磨部材の
外周部を半径方向に押出すことによって、図５に示すよ
うな二重ばねからなる弾性系と等価の弾性系を形成する
ことにより、前記の課題を達成するものである。

【００２１】図５において、ばねＡは、板１０を介して
ばねＢの引張力で圧縮されており、両者の力が釣り合っ
た状態にして、ばねＢを剛性のないワイヤ１１で固定す
る。ばねの軸と平行にｘ軸をとって、均衡状態にあるば
ねＡの自由端の位置をＰとする。ここで、ばねＡと、ば
ねＢのばね定数をそれぞれｋ_A、ｋ_Bとして、力が加わ
っていない中立位置からの変形量をそれぞれΔｌ_A、Δ
ｌ_Bとする。

【００２２】図６は、ばねＡとばねＢについて、ｘ軸上
の位置に対する圧縮力および引張力の変化を図示したも
のである。ばねＡの圧縮力と、ばねＢの引張力の釣合い
点であるＰ点では、

【００２３】

【数１】である。

【００２４】ここで、図５に示すように、板１０にｘ軸
と平行に力Ｆを加えながら、かつばねＡとばねＢとの間
の均衡を保ちなから、ばねＢの引張力が０となるＢ₀点
までばねＡを圧縮する。この間の力Ｆは、ばねＡとばね
Ｂとの差力と等しく、すなわち

【００２５】

【数２】と変化する。板１０の位置がＢ₀点を越えると、それ以
後のばねＢの弾性力は０となるので、この弾性系では、
ばねＡ単体の力に依存することになる。

【００２６】換言すれば、このばねＡとばねＢとからな
る弾性系を考えてみると、Ｐ点からばねの縮み方向に変
位させると、Ｂ₀点までは、

【００２７】

【数３】の直線で表わされる特性を有し、Ｂ₀点を過ぎると、ば
ね定数をｋ_Aとする

【００２８】

【数４】という直線で表わされる特性に変化する。

【００２９】ここで、直線

【００３０】

【数５】のばね定数をｋ_ABとすると、ｋ_ABは、

【００３１】

【数６】であるから、

【００３２】

【数７】（３）式より、ｋ_A＜ｋ_AB となり、ばね定数、すなわち剛性を高めることができ
る。

【００３３】以上は、ばねＢの固定端側を剛性の無いワ
イヤ１１によって固定したものと考えた場合であるが、
剛性を有する部材で固定した場合には、ばねＢは、引張
力が低下しながらＢ₀点を越えた時点でばねＡと同じく
縮みに転じる。従って、この場合の弾性系のばね定数ｋ
_ABは、ばねＡのばね定数ｋ_Aと、ばねＢのばね定数ｋ_B
の和となり、直線Ａ_BＡ_Cで表わされる特性を示す。

【００３４】また、図７に示すように、粘弾性的な特性
を有するばねをそれぞれ用いて、図５と同じ弾性系を構
成した場合では、釣り合い点Ｐ’近傍では、Ｐ’Ａ’B
の曲線で表わされるように剛性を小さく抑え、その後、
急激に剛性が増大するような特性を持たせることができ
る。

【００３５】本発明は、このような弾性系と等価のもの
を研磨部材の外周部に作り出し、研磨部材の材料を変え
たり、あるいは、第１押え円板と第２押え円板による挟
圧巾を調整することによって負荷を変えて、超仕上げ加
工用の工具として最適な剛性特性を付与することを特徴
とする。

【００３６】本発明は、特に、ＥＥＭ加工用の工具に適
し、工具の表層では剛性を低く保持してエネルギの集中
を緩和できるようにし、その後は高剛性を保持して砥粒
懸濁液の膜厚さの増加を防ぐことができるようなる。

【００３７】

【発明の実施の形態】以下、本発明による超精密磨き工
具の一実施形態について添付の図面を参照して説明す
る。

【００３８】図１において、１２は、工具軸であり、こ
の工具軸１２を回転軸とするように前述した図８のＥＥ
Ｍ加工装置に取り付けられるものである。１４は、工具
本体である研磨部材として用いられる弾性体であり、ゴ
ムなどの弾性材料を用いてリング形状に形成され、その
外周面が研磨面となるようになっている。

【００３９】研磨部材１４は、その中心部に形成されて
いる孔部１５に嵌合する調心円板１６を用いて、工具軸
１２と同心的に位置決めされて取り付けられており、調
心円板１６は、工具軸１２と同軸的に固定されている第
１の押え円板１７と、第２の押え円板１８との間で挟ま
れて圧縮される（図１（ｂ））。第１押え円板１７と、
第２押え円板１８とは、ともに研磨部材１４よりも小さ
な直径を有し、従って、研磨部材１４の研磨面をなす外
周部は露出できるようになっている。

【００４０】また、この実施形態では、研磨部材１４の
挟圧巾Ｃを調整するための手段として、調心円板１６の
厚みを利用している。従って、研磨部材１４の厚さより
も薄い適当な厚さの調心円板１６を第１押え円板１７に
密着させて取り付け、工具軸１２の先端に切ってある雄
ねじにナット１９により締付けて、第１押え円板１７と
第２押え円板１８との間で、研磨部材１４を挟圧するこ
とにより、研磨部材１４の外周部を半径方向に膨出させ
ることができるようになっている。

【００４１】このように研磨部材１４を第１押え円板１
７と第２押え円板１８との間で挟圧することにより、研
磨部材１４の外周部は、図２に示めされるように、半径
方向外方にδだけ押し出され、研磨部材１４の外周のエ
ッジ部２０の近傍には、点Ｑを瞬間中心とするモーメン
トＭが発生する。押出力と、曲げモーメントＭとによ
り、研磨部材１４の外周部の表層には、引張応力Ｆとと
もに、その内部には、圧縮応力が形成されて、研磨部材
１４の外周には、図に示すような凸曲面が形成される。

【００４２】図３に示すように、研磨部材１４の外周凸
曲面における引張応力Ｆは、曲面の中心位置から両側に
接線方向に働き、その合成力Ｆ_Bが縮め力であり、これ
に釣り合っている押出力Ｆ_AがＦ_Bと同じ大きさで向き
の反対の力として存在する。

【００４３】このように研磨部材１４を両側から挟圧す
ることによってできる外周凸曲面では、押出力Ｆ_Aは、
図５におけるばねＡによる圧縮力に相当し、縮み力Ｆ_B
は、ばねＢによる圧縮力に相当する。加工時の工具の変
形は、押出力Ｆ_Aと、縮み力Ｆ_Bとが釣り合っている状
態から、工作物に押圧されたときに縮み方向に作用する
Ｆ_Bに平行な力によって均衡がくずれて生じる。従っ
て、この時の工具の変形は、図６、図７の弾性系の

【００４４】直線ＰＡ_B、曲線Ｐ’Ａ’_Bの過程と等価
の特性をもつものと考えることができ、前述の（３）式
のように剛性特性に変化を与えることができる。

【００４５】工具の剛性は、研磨部材１４に用いる材料
の特性によって決まるだけでなく、図４に示すような挟
圧巾Ｃをねじ機構を用いて、研磨部材１４を挟持する第
１押え円板１７、第２押え円板１８の間隔を調整するこ
とにより、可変とすることができる。すなわち、この場
合、円周方向に対称的に複数本のボルト２１を工具軸１
２と平行に第２押え円板１８から螺入し、その先端を調
心円板１６に当接させ、このボルト２１により円板１８
と円板１６との間隔を調整することができ、その後、ナ
ット１９により円板１８を固定する。このように挟圧巾
Ｃを調整すると、前述したように研磨部材１４のエッジ
部２０に作用する押出力と曲げモーメントＭの大きさが
変ってくるので、間隔を狭めると、剛性を高く、逆に間
隔を広げることで剛性を低くすることができる。

【００４６】特に、研磨部材１４の材料に粘弾性的な特
性を有するものを弾性材料として選択した場合には、図
７に示したような曲線Ｐ’Ａ_B’の特性のように釣り合
い状態からわずかに変形する範囲では剛性は低く、その
後、急激に剛性が高くなるような剛性特性を付与するこ
とも可能である。その剛性特性を有している工具では、
ＥＥＭ加工における懸濁液の膜厚の変化を示した図１２
において、工具の表層では剛性を低く抑えることで、わ
ずかに変形してＢ点でのエネルギ集中を緩和した後は、
高剛性となって液膜厚さの増加を防止することができ
る。

【００４７】ＥＥＭ加工用の工具の場合、研磨部材１４
に用いる材料としては、ゴム、軟質プラスチック等の弾
性体のほか、スポンジ、不織布、ゲル等の粘弾性体が好
適である。

【００４８】なお、研磨部材１４の材質を変えるだけで
も、多様な剛性特性を得ることができるほか、研磨部材
１４の外周に薄い別材質の弾性体を被覆するというよう
に材質を組み合わせることにより、加工に適合する工具
の剛性特性を期待できる。この被覆材には、研磨部材１
４に較べて剛性の低い材料のものが研磨部材１４の剛性
特性を低下させないのでより好ましく、そのようなゴム
等の弾性体や、発泡スポンジ、ゲル等の粘弾性体、ある
いはポリシングクロスを用いることができる。

【００４９】以上、本発明による超精密磨き工具につい
て、好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は、Ｅ
ＥＭ加工に限らず、その他の超仕上げ加工にも適用する
ことができることはもちろんである。

【００５０】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、リング状の弾性体からなる研磨部材と、工具
軸に同心的に取り付けられ前記研磨部材よりも直径の小
さな第１の押え円板と、前記研磨部材を第１の押え円板
に対して同心的に位置決め可能な調心用円板と、前記第
１押え円板との間で前記研磨部材を挟圧保持可能なよう
に工具軸に同心的に取り付けられ前記研磨部材よりも直
径の小さな第２の押え円板とから構成しているので、研
磨部材を挟圧することにより、その剛性特性を超仕上げ
工具として適したものにし、一層の面粗さ精度の向上を
達成することができる。

【００５１】しかも、研磨部材の材料を変えたり、ある
いは、第１押え円板と第２押え円板による挟圧巾を調整
することによって負荷を変えて、超仕上げ加工用の工具
として最適な剛性特性を付与でき、特に、従来困難であ
ったＥＥＭ用の最適工具を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による超精密磨き工具の一実施形態を示
す構成説明図。

【図２】超精密磨き工具の研磨部材が挟圧された状態に
おける力の発生状況を示す説明図。

【図３】超精密磨き工具の研磨部材の外周部での力の均
衡状態を示す説明図。

【図４】超精密磨き工具の研磨部材の挟圧巾を調整する
ねじ機構を示す構成説明図。

【図５】本発明の超精密磨き部材の研磨部材外周に形成
される弾性系と等価の二重ばねの説明図。

【図６】図５の弾性系の特性説明図。

【図７】粘弾性のばねによる弾性系の特性説明図。

【図８】ＥＥＭ加工装置の概略構成説明図。

【図９】ＥＥＭ加工法における工具中心からの位置とエ
ネルギの変化を示す図。

【図１０】工具が回転したときの半径方向の変化率を示
した模式図。

【図１１】ＥＥＭ加工法において球状の工具と工作物の
間の砥粒懸濁液の流れを示す模式図。

【図１２】ＥＥＭ加工法における工具中心からの位置と
懸濁液の膜厚との関係を示す図。

【符号の説明】

１工具４懸濁液５工作物１２工具軸１４研磨部材１６調心円板１７第１押え円板１８第２押え円板２０エッジ部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】リング状の弾性体からなる研磨部材と、工具軸に同心的に取り付けられ前記研磨部材よりも直径
の小さな第１の押え円板と、前記研磨部材を第１の押え円板に対して同心的に位置決
め可能な調心用円板と、前記第１押え円板との間で前記研磨部材を挟圧保持可能
なように工具軸に同心的に取り付けられ前記研磨部材よ
りも直径の小さな第２の押え円板とからなることを特徴
とする超精密磨き工具。
【請求項２】前記第１押え円板と調心用円板を密着結合
し、前記研磨部材の挟圧巾の調整を前記調心用円板の厚
さ調整により行なうようにしたことを特徴とする請求項
１に記載の超精密磨き工具。
【請求項３】前記第１押え円板と第２押え円板とを周方
向に配置され工具軸方向に螺合する複数のねじによって
連結し、これらのねじにより第１押え円板と第２押え円
板の間隔を調整し前記研磨部材の挟圧巾の調整を行なう
ようにしたことを特徴とする請求項１に記載の超精密磨
き工具。
【請求項４】前記研磨部材は、ゴム、発泡スポンジ、ゲ
ル、不織布等の粘弾性材料からなることを特徴とする請
求項１乃至３のいずれか１項に記載の超精密磨き工具。
【請求項５】前記研磨部材の外周面に当該研磨部材自体
の材料よりも剛性の小さな弾性材料または粘弾性材料か
らなる薄膜材を被覆してなることを特徴とする請求項４
に記載の超精密磨き工具。