(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
柔軟支持面を備え，上記柔軟支持面に，研磨材の粒子（Ｇ）を担持する複数の実質的に硬質のペレット（84）が取り付けられており，上記支持面から外方を向く上記ペレット（複数）の表面（複数）が工具の部分球状または部分円筒状の加工面を形成しており，上記研磨材の粒子（Ｇ）が，前方に堆積ポケットを，後方に結合直立部を伴って，平坦露出面およびわずかな傾斜姿勢を有するように形成されている，
成形装置用工具。
【請求項２】
上記工具の上記柔軟支持面が少なくとも部分的に金属糸によって形成される織物を含み，かつ上記硬質ペレットが金属材料から形成されている，請求項１に記載の工具。
【請求項３】
上記硬質ペレットがニッケルから形成されている，請求項２に記載の工具。
【請求項４】
上記硬質ペレットが樹脂材料から形成されている，請求項１に記載の工具。
【請求項５】
上記硬質ペレットによって担持される上記研磨材の粒子（Ｇ）が，１〜100μｍの粒径を有するダイヤモンド，立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ），アルミナおよびシリカから選択されるものである，請求項１に記載の工具。
【請求項６】
請求項１に記載の工具を製造する方法であって，
上記工具の加工面を処理するステップが，調整面と接触させて上記工具を駆動する調整ステップを含み，調整ステップが，
ａ）所定時間，
ｂ）上記調整面からの材料除去速度が実質的に一定になるまで，または
ｃ）上記工具の上記加工面が実質的に定常状態に達するまで，
行われたものである，
工具製造方法。
【請求項７】
請求項１から５のいずれかに記載の上記工具を用いて加工物を成形する方法であって，
上記加工物の表面輪郭を決定し，上記加工物の測定表面輪郭と所望の表面輪郭を比較して上記加工物表面上の各位置から除去されるべき材料の量を決定し，
上記工具が移動する上記加工物上の経路を決定し，
工具速度，圧力および上記加工物上の上記工具の有効接触面積を決定して延性モード材料除去を達成し，
工具速度，上記与えられる圧力および有効接触面積を動的に変化させながら上記経路上で上記工具を駆動して，上記加工物表面上の各位置から上記決定された量の材料を除去する延性研削工程を実行する，
方法。
【請求項８】
上記工具と上記加工物との接触領域が10〜100ｍｍ２であり，上記加工物上を50〜500mm／分で移動する，請求項７に記載の方法。
【請求項９】
柔軟支持面（83），
上記柔軟支持面（83）に取付けられ，研磨材の粒子（Ｇ）を担持する複数の硬質ペレット（84）であって，各ペレット（84）が上記柔軟支持面から外方を向いた表面を有しており，上記研磨材の粒子（Ｇ）が，前方に堆積ポケットを，後方に結合直立部を伴って，平坦露出面およびわずかな傾斜姿勢を有するように形成されており，上記硬質ペレット（複数）の表面（複数）が上記工具の部分球状または部分円筒状の加工面を形成する複数の硬質ペレット（84），および
上記柔軟支持面が取付けられるマウントを備える工具（８）と，
加工物の表面に対して上記工具を移動させるアクチュエータ手段（２，３，４，６ａ，６ｂ，７）と，
上記工具の上記加工面の一部と上記加工物の上記表面の一部の間に接触領域を形成し，かつ上記加工物の上記表面に対して上記接触領域を移動させ，延性研削工程によって上記加工物表面上の各位置から所定量の材料を選択的に除去することによって上記加工物表面の形状を変更するように上記アクチュエータ手段を自動制御する制御手段（９）と，
を備えている，
加工物表面の成形および仕上げ加工装置。
【請求項１０】
上記工具（８）が部分球形加工面を備え，上記部分球状加工面の中心が上記工具の回転（Ｈ）の軸上にある，請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
上記アクチュエータ手段が上記工具を軸周りに回転させる手段を含み，上記工具の上記柔軟支持面に取り付けられた個々のペレットが上記接触領域を移動する，請求項９または１０に記載の装置。
【請求項１２】
上記工具の上記柔軟支持面が中空の内部キャビティ（85）を規定しており，上記内部キャビティに加圧流体（Ｆ）を供給する手段（86），および上記内部キャビティ内の流体の圧力を制御する制御手段をさらに備えている，請求項１０に記載の装置。
【請求項１３】
この発明の方法を用いて成形された金型を用いて曲面ガラス部品を製造する方法であって，
ブランク材を金型部品に近似する形状に機械加工し，
請求項７または８に記載の方法を用いて上記金型部品を成形して，研磨されかつ湾曲したキャビティ面を有する金型部品を形成し，
ガラス・シートを延性状態に軟化し，
上記軟化したガラス・シートを上記金型部品に押し付けて，上記ガラスを上記キャビティ面の湾曲形状に成形し，
上記湾曲ガラス部品を上記金型から取り外す，
方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は，加工物（workpieces）の成形および表面仕上げに関するもので，特に，加工物表面からの材料の高除去速度（high removal rates of material）を達成することができ，要求される形状に上記加工物を正確に成形するとともに，成形された加工物表面を高度に平滑化する成形装置および方法に関する。
【０００２】
この発明の方法を用いて成形される加工物は，高度に平滑化された表面仕上げが要求される成形部品の製造のための成型用金型（moulding die）として用いることができ，たとえば携帯電話のような消費者向け製品，腕時計のようなウェアラブル技術，ならびにタブレットおよびコンピュータスクリーン用の曲面ガラス・スクリーンを成形するための成型用金型として用いることができる。この方法はジェット・エンジン・タービン・ブレードのような金属部品の成形および仕上げに用いることもできる。
【背景技術】
【０００３】
加工物の所望の最終形状を達成するために，これまでの加工物の研削では硬い研削砥石または研磨粒子を含侵またはコーティングした柔軟なシート材が用いられている。研削砥石を回転させ，加工物と接触させ，加工物の表面上で上記研削砥石を移動させることによって材料が除去され，所望の形状が達成される。ラッピング工程では柔軟な研磨シートが硬質プレートに固定されて，加工物の表面上を移動させられる。これと異なるベルト研削工程では，２つのプーリ間で移動する連続柔軟ベルトに加工物が押し付けられる。加工物に対する研磨粒子の圧力が加工物から材料を除去し，加工物を所望の形状にする。しかしながら，このような従来技術の研削加工は加工物からの材料の迅速な除去には効果的であるが，加工物の被処理領域が粗い表面となり，滑らかな表面仕上げが必要とされる場合にはその後に研磨が必要とされる。さらに上述した技術では，研削工具の摩耗率に対する加工物の摩耗率の割合である研削比が低い値を示す傾向があり，加工物の成形の精度低下をもたらす。
【発明の開示】
【０００４】
この発明は，加工物の形状を迅速に仕上げることができるようにするための上記加工物からの比較的高い材料除去速度と，さらなる処理を要しない滑らかな表面仕上げを上記加工物にもたらすことを両立する成形技術を提供することを目的とする。以下，この工程を形状適応研削（Shape Adaptive Grinding）（ＳＡＧ）と呼ぶ。
【０００５】
この発明の成形技術は，マクロスケールの自由形状面の形状に適合するフレキシブル工具の形状適応性をミクロスケールの実質的に硬質の研削要素の供給に組合せるもので，迅速な材料除去を実現するとともに高度に仕上げられた表面とすることができる。
【０００６】
この発明の一態様は，加工物成形装置（a machine for shaping a workpiece）を提供するものであって，上記装置は，柔軟支持面を有しており，研磨材を担持する複数の硬質ペレットが上記柔軟支持面に取付けられ（搭載され）ており，各ペレットが上記柔軟支持面から外方を向いた表面（a surface facing away from the flexible support surface）を有しており，上記硬質ペレット（複数）の上記表面（複数）が工具の加工面を形成する複数の硬質ペレット，および上記柔軟支持面が取付けられるマウントを備える工具と，上記加工物の表面に対して上記工具を移動させるアクチュエータ手段と，上記工具の加工面と上記加工物の表面の間に接触領域を形成し，かつ上記加工物の上記表面において上記接触領域を移動させるように（to move said area of contact across the surface of said workpiece）上記アクチュエータ手段を自動制御する制御手段とを含む。
【０００７】
この発明の第二の態様は，実質的に硬質の複数のペレットが取り付けられ，かつ上記硬質ペレットに埋込まれた研磨材を有する柔軟加工面（flexible working surface）を備える成型装置用工具を提供する。
【０００８】
この発明の第三の態様は，上記工具を用いて延性モード研削作業（ductile-mode grinding operation）を行う加工物成形方法，および上記方法によって製造される加工物を提供する。
【０００９】
この発明の第四の態様は，金型キャビティ部品（mould cavity component）を成形しかつ仕上げ成形する方法，ならびに上記方法によって製造される金型キャビティ部品を提供する。
【００１０】
この発明の第五の態様は，この発明の工具，装置および方法によって準備（前処理）される金型を用いて曲面ガラス部品を製造する方法を提供する。
【００１１】
この発明の第六の態様は，この発明の工具，装置および方法によって準備（前処理）される金型を用いてレンズまたは曲面ディスプレイ画面を製造する方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明による成形工具を有する成形機の左側面図である。
【図２】この発明による成形工具を有する成形機の正面図である。
【図３】この発明による成形工具を有する成形機の右側面図である。
【図４】この発明による成形工具を有する成形機の上面図である。
【図５】図１から４に示す成形工具の概略横断面図である。
【図５ａ】この発明による他の成形工具を示すうつし絵である。
【図５ｂ】この発明による他の成形工具を示すうつし絵である。
【図５ｃ】図５ａに示す大きい方の工具の加工面の拡大図であって，個々のペレットを示している。
【図５ｄ】ペレットのさらなる拡大図であって，そのノジュール表面構造を示している。
【図５ｅ】ペレット表面のさらなる拡大図であって，埋め込まれたダイヤモンド研磨材を示している。
【図５ｆ】工具ペレットの表面を撮影した顕微鏡写真である。
【図５ｇ】工具ペレットの表面を撮影した顕微鏡写真である。
【図５ｈ】工具ペレットの表面を撮影した顕微鏡写真である。
【図５ｉ】工具ペレットの表面を撮影した顕微鏡写真である。
【図５ｊ】工具ペレットの表面を撮影した顕微鏡写真である。
【図５ｋ】工具ペレットの表面を撮影した顕微鏡写真である。
【図６】湾曲加工面と接触する，使用中の成形工具を示す概略側面図である。
【図７】様々な研削工程についての材料除去速度と表面仕上げとの関係を示している。
【図８】この発明の成形方法を用いた金型部品および曲面スクリーン製品の製造ステージを示す一連図である。
【実施例】
【００１３】
以下，添付図面を参照してこの発明の実施形態を説明する。
【００１４】
ＳＡＧ装置構造
研磨装置は振動に強い頑丈なテーブル１を備えている。テーブル１上にｘ方向に移動するＸスライド機構２が取り付けられている。Ｘスライド機構２上にｙ方向に移動するＹスライド機構３が取り付けられている。Ｙスライド機構３上に符号ｃで示す軸周りに回転するターンテーブル４が取り付けられている。ターンテーブル４は，ターンテーブル４をｚ方向に移動させるｚ移動機構（図示略）を介してＹスライド機構３上に取り付けられている。ターンテーブル４は，成形しおよび／または表面仕上げをするための加工物５を取り付け可能な保持面（holding surface）を持つ。この配置によって，加工物５の４軸動作，すなわちｘ，ｙおよびｚ方向における直線運動，ならびにｃ軸周りの回転が提供される。図示の配置において回転軸ｃは移動軸ｚと平行であることを理解されたい。
【００１５】
さらに，テーブル１に，概略水平基部６ａおよび概略垂直支柱６ｂを有する概略「Ｌ」字形の工具支持アーム６が取り付けられている。上記工具支持アームは支柱６ｂから離れた基部６ａの端部においてテーブル１に取り付けられており，垂直軸Ａ周りを回転する。支柱６ｂの上端部において上記支柱に工具ホルダ７が取り付けられており，上記支柱に対して水平軸Ｂ周りを回転することができる。工具ホルダ７には回転工具８が取り付けられており，回転工具は，工具ホルダ７が支柱６ｂに対してその周りを回転する軸Ｂに対してある角度をなす軸Ｈ周りを工具ホルダに対して回転する。
【００１６】
回転工具８は部分球状加工面を有しており，回転軸Ａ，ＢおよびＨは上記部分球面の中心と一致するように配置されている。この配置は工具を並進移動させることなく（without moving the tool in translation），軸Ａ周りの工具アーム６の回転が部分球面を回転させ，かつ同様にして工具を並進移動させることなく（without moving the tool in translation），軸Ｈの周りの工具ホルダ７の回転が工具回転軸Ｂと工具ホルダ軸Ｈの間の歳差角の平面（the plane of the precession angle between the tool rotation axis B and the tool holder axis H）を単に変更するにとどめるものである。
【００１７】
加工物のｘ，ｙおよびｚ方向の移動およびｃ軸周りの回転の制御と，工具アーム６，工具ホルダ７および工具８の回転の制御は，図４に概略的に示すプロセッサ装置９によって制御されるアクチュエータおよびドライブ（駆動装置）によって実行される。プロセッサ装置９は，加工物および工具の動きを制御する処理パラメータおよび制御命令を受付けるキーボード，外部入力信号用ポートまたはディスクドライブといった入力手段10を備えている。装置オペレータに情報を表示するためにディスプレイ手段11を設けてもよい。
【００１８】
加工物および工具の動きを制御することによって，工具８を加工物の任意の部分に接触するように位置決めすることができ，工具ホルダ７の軸Ｈ周りの回転を制御することによって，工具と加工物との接触範囲における，加工物に対する工具の相対移動方向を選択することができる。接触範囲内における加工物表面上を移動する個々のペレットの動き（movement of individual pellets across the workpiece surface）は，接触範囲における加工物表面の法線と工具が回転する軸の間の角度である歳差角を変化させることによって制御される。工具回転軸が加工物表面に垂直に保持されている場合，個々のペレットは接触範囲内で円運動を描く。歳差角が増大すると，個々のペレットは，上記工具と加工物表面との接触範囲を横切る線状形路を次第に描く。
【００１９】
上記工具８の部分球面は柔軟かつ弾力性があり，したがって加工物を部分球面の工具面の中心に近づけることによって工具と加工物との接触範囲を増大させ，加工物と工具を離すことで減少させることができる。工具と加工物との接触範囲は平坦な加工物表面では略円形になるが，加工物の表面が湾曲していると円形から外れることになる。
【００２０】
上記に例示する実施形態は７つの制御軸を有する装置であるが，この発明を逸脱することなく，より少ない制御軸を用いて成形および仕上げ成形処理を実行することができることを理解されたい。
【００２１】
工具構造
図５および６は成形工具８の構造および動作を示す。
【００２２】
図５を参照して，図５は上記成形工具の直径方向断面図であり，上記工具は略環状形の本体81を備えている。本体にはゴム等の軟質弾性材料から形成されるカップ形状の膜（membrane）82が取り付けられている。好ましい実施形態では，このカップ状膜82は，内側ゴム層および外側ゴム層と，内側および外側ゴム層の間に挟まれた補強布の層（layer of reinforcing cloth）を備えている。補強布はケブラー（登録商標）またはその他の補強材を含むものでもよい。補強布層の目的は圧力下での上記ゴム材料の膨張を防ぐことにある。本体81の全体直径はほとんどの成形作業について５〜40mmとすることができる。より大きなまたは小さな直径の工具ももちろん可能である。
【００２３】
上記工具の精密な部分球面形状を確保するために，カップ状膜82を工具スピンドルに取り付けるとき，カップ状膜82の外面が好ましくは研削砥石などを用いて仕上げ加工される。その後に工具の残部がカップ状膜82上に組み付けられる。
【００２４】
上記ゴム膜82の外面に織物層（fabric layer）83が取り付けられている。上記織物層83は織布製のもの（made from textile fabric）とすることができ，織布に織り交ぜられるかまたは別の方法で組み込まれた金属糸（metallic threads）を有するものであってもよい。織布はその全体が金属糸からなるものであってもよい。いくつかの実施形態において布層は不織布製のものとすることができる。
【００２５】
この織物層83に研磨材が固着された硬質ペレット84のパターン（a pattern of rigid pellets 84, to which an abrasive material is bound）が取り付けられている。研磨材はペレットの表面に付着させてもよいし，またはペレット材料が，研磨材が埋め込まれたマトリックスを形成してもよい。ペレット中の研磨粒子の分布はペレットの広がり（extent）および深さ（depth）にわたって均一になるように制御することができる。これに代えて，工具の加工面を形成する表面領域などペレットの特定領域に研磨粒子を集中させてもよい。さらには，たとえば特定の方向および深さの研削条痕（grinding marks）が生じる，または表面上に最小研削条痕が生じるように，加工物の所望の表面仕上げを生じさせるパターンで研磨砥粒を配置できることができよう。たとえば，上記研磨砥粒を，加工物上の工具の移動方向に平行に複数列に整列させてもよく，すなわち工具回転軸に対する球状工具表面の「緯線」（複数）（lines of latitude）に沿って整列させてもよい。あるいは，上記研磨砥粒を，加工面の「緯線」に対して斜めにまたは垂直に設定された複数列に整列させてもよい。
【００２６】
上記ペレットは，金属糸を含む織物上に電気メッキされるニッケル等の金属から形成することができる。
【００２７】
これに代えて，上記ペレットはエポキシ樹脂等の硬質の樹脂材料であってもよく，これが上記織物材料に与えられ，硬化することで織物層に固着され，個々のペレットのパターンが形成される。好ましくは，樹脂は，硬化したとき，ショアーＡ硬度計において約80の硬度を有する。さらにペレットの他の材料には，ポリウレタン，光学ピッチおよびテフロン（登録商標）がある。
【００２８】
ペレット84の寸法および形状，ならびに隣り合うペレット間の間隔は，工具８の全体直径によって変化させることができる。図５ａに示す例において，左側の工具は約５ミリメートルの全体直径を有しており，右側の工具は約10ミリメートルの全体直径を有している。ペレットは概略円形の形状のもので，概略的に最密六方配列（close-packed hexagonal array）で工具の加工面上に配置されている。図５ｃに示す例では，各ペレット84の直径が約0.5mmであり，隣り合うペレットの中心が約0.75mmの間隔をあけて離れて配置されており，隣り合うペレット間に約0.25mmの隙間がある。ペレットは様々な形状，たとえば長方形，六角形，三角形としてもよく，かつ様々なパターンで工具の加工面上に配置することができる。工具表面上のペレット（複数）はいくつかの異なる形状のものであってもよいし，複数の環状領域に配置されて，各領域が一または複数の特定形状のペレットを含んでもよい。
【００２９】
図５ｃ，５ｄおよび５ｅは，図５ａの大きな方の工具の加工面を，様々な倍率，すなわち５倍率，20倍率および100倍率で示す拡大図である。図５ｃにおいて，織られた金属網目（woven metallic mesh）Ｍを含み，その上に直径0.5mmの円形ペレットが堆積された構造物を視認することができる。図５ｃおよび５ｄは，各ペレットの表面が，内部にダイヤモンドが埋込まれた直径約0.08mmの円形ノジュール（ノジュラー）（circular nodules）Ｎから構成されることを示している。図５ｃからわかるように，ノジュールＮは，織られた金属網目Ｍのたて糸とよこ糸の位置に対応する行（複数）と列（複数）とに配置されている。図５ｅはノジュールＮとペレット材料に埋め込まれたダイヤモンドＧを示している。この特定の工具については，５平方ミリメートルの接触領域で研削すると，約14,850個のダイヤモンド片Ｇが加工物と成形中に接触するであろうことが，様々なスナップ写真をまとめることによって推定される。
【００３０】
図５ａに示す工具に見られるように，ペレットは工具の加工面全体にわたって連続配列（continuous array）で配置することができる。図５ａに示す大きい方の工具は研削作業に用いられており，加工物に接触する工具の環状領域において炭化ケイ素加工物との接触によってペレットが黒くなっている。
【００３１】
図５ｂに示す工具は，工具上のペレット84が不連続配列（discontinuous array）で配置されている。工具の部分球状加工面は，ペレットが設けられた外側環状領域88と，ペレットが設けられた中央円形領域89と，ペレットがなく，中央円形領域と外側環状領域の間に位置する中間環状領域90とを有する。ペレットのない環状領域90によって，工具回転軸と加工物表面間の歳差角を変更するだけで工具を研削から非研削へと迅速に切り換えることができ，工具を加工物から持ち上げることなく，工具接触部位を外側環状領域88または内側円形領域89から「ペレットなし」領域90へと移動させることができる。別の配置において，内側円形領域89からペレットを省略し，工具を，領域88に対応するペレットが設けられた環状領域とペレットがない中央円形領域とを有するようにしてもよい。
【００３２】
ペレットに用いられる研磨粒子の例として，ダイヤモンド，立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ），アルミナおよびシリカがある。ダイヤモンド粒子は炭化ケイ素または炭化タングステンといった硬質セラミック材料の成形に望ましい。鋼のような金属の成形にはＣＢＮ粒子が好ましく，ガラスのような軟質材の成形にはアルミナまたはシリカ粒子を用いるとよい。特定の加工物材料の成形にその他の研磨材を適宜用いることができる。研磨材の粒径は，１〜100μｍとすることができる。好ましくは，研磨材の粒径は３〜15μｍであり，ニッケルまたは樹脂ペレット・マトリックス中に保持される粒径９μｍのダイヤモンド研磨材が炭化ケイ素の成形に特に効果的であることが分かった。
【００３３】
図５を参照して，この実施形態のカップ状膜82の内部は中空キャビティ85であり，矢印Ｆによって概略的に示すように，そこに工具の本体81の中央開口86を通して加圧流体が供給される。流体は圧縮空気またはその他の気体であってもよいし，または油，作動油もしくは水性液といった液体であってもよい。上記プロセッサ９は上記キャビティ内の流体の圧力を制御して，工具８の使用中，ペレット84を加工物に押し付ける圧力を変化させることができる。
【００３４】
工具準備
織物および研磨材担持ペレットが工具の加工面に適用されているとき，研削砥石などの工具を用いて，上記ペレットの露出面によって規定される外面全体が，工具の回転軸Ｈに中心を有する要求される部分球形状に仕上げ加工される。これは，好ましくは成形装置に取り付けられて用いられる工具を用いて行われ，上記部分球面の正確な成形を確実にし，かつ回転軸Ａ，ＢおよびＨに対する上記表面の正確な位置決めを確実にする。
【００３５】
使用する工具を準備する（前処理をする）ために，上記ペレットの加工面を調整しなければならない。調整サイクルは，工具を回転させて調整面（conditioning surface）に対して押し付けることを含み，ペレットの加工面がすり減るのに十分な時間にわたって，ペレットの表面構造が安定しかつ上記調整面から材料が除去される速度が実質的に一定になるまで，上記工具の加工面の各部分を上記調整面に接触させる。上記調整面は，好ましくは，炭化ケイ素片または鋼片であり，工具は上記調整面に押し付けられかつ回転され，これによって上記工具と上記調整面との間の接触領域が上記工具の加工面の全体にわたって移動する。上記調整作業は15分ないし30分程度の時間を要し，場合によりそれ以上かかることもある。工具によって材料が除去される速度は調整サイクルにおいて定期的に測定され，除去速度が安定すると上記調整サイクルは終了される。
【００３６】
上記調整面は実質的に平坦な面とすることができ，または上記工具の加工面を補完するように形付けられていてもよい。平坦な調整面を用い，工具の環状領域を上記調整面に接触させ，上記調整面に対する工具軸の角度によってリング全体で，工具の全領域を調整することができる。工具の加工面を補完する調整面を用いる場合には，工具の加工面全体を同時に調整することができる。たとえば，部分球状工具であれば十分な大きさの補完部分球状凹調整面（complementary part-spherical concave conditioning surface）が用意され，これによって上記工具の加工面全体を上記調整面に同時に接触させることができる。
【００３７】
上記調整処理の目的は，ダイヤモンド（複数）を成形して，ダイヤモンド（複数）に，平坦化された露出面およびわずかな傾斜姿勢を持たせ，前方に堆積ポケット（debris pocket）を，後方に結合直立部（binder stand-up）を設けることにある。ここでダイヤモンドの「前方」とは，工具が回転させられかつ加工物に接触させられるときに，加工物上を移動する方向（the direction it will travel across the workpiece）を考えたときの前縁（先端縁）である。調整された工具においては，ペレットの表面の「ノジュール」形状が減少して滑らかにされ，露出した研磨粒子が平坦化される。
【００３８】
調整作業中，部分球状工具表面の環状領域が上記調整面と移動接触する（in moving contact）。工具の回転を駆動する工具スピンドルに与えられるトルクの測定値を，上記調整面に対して工具によって与えられる接線力の指標（indication of the tangential force）として用いることができ，この力の測定値に基づいて材料除去速度（material removal rate）を決定することができる。このように工具の表面状態が監視され，連続トルク測定の安定によって，調整作業の完了を検出することができる。プロセッサ９はディスプレイ上に工具の加工面の各領域に対する測定されたスピンドル・トルクを示すグラフまたは他の表示を提示することができ，装置オペレータが調整作業の進捗を監視することができる。プロセッサ９は，工具の各環状領域について，測定されたスピンドル・トルクまたは測定された接線力に基づいて，上記調整面に対する工具の移動を制御することができ，工具加工面の全領域が実質的に同じ表面粗さに調整されることが保証される。
【００３９】
これに代えて，調整作業を定期的に停止して，顕微鏡などを用いて工具表面を検査することによって，調整作業の進捗を監視してもよい。この目視手法では，上記工具表面の特定領域の一連の顕微鏡写真が撮られ，連続画像が比較されてペレットの表面構造における変化が検出される。連続画像の比較が安定状態に達したことを示せば，調整工程を終了することができる。工具表面の顕微鏡写真はデジタル画像として記録することができ，連続顕微鏡写真の比較はプロセッサによって実行することができ，２つの連続する顕微鏡写真画像間の差が所定閾値以下である場合，プロセッサは，調整工程が完了し工具が直ちに使える状態である信号を出すことができる。
【００４０】
ダイヤモンド研磨材を持つ工具に対する調整作業が実行されかつ鋼加工物を用いる場合，調整時間を短縮することができる。これは，上記鋼と上記ダイヤモンド中の炭素原子との化学反応によるものであると考えられる。
【００４１】
図５ｆ〜５ｋは，研削処理に用いられた時間が異なる工具ペレットの表面を撮影した顕微鏡写真である。図５ｆは，３０秒使用後のペレットの表面を示している。図５ｇは１６分後の表面を示しており，図５ｈ〜５ｋは，それぞれ３時間，６時間，９時間および１１時間の使用後の表面を示している。
【００４２】
図５ｆおよび５ｇを比較して，特に写真の右側における表面に大幅な変化が見られる。この変化は調整作業に起因するものであって，ダイヤモンド粒子によって呈する形状によって延性研削（ductile grinding）を達成することができるペレットの表面の平滑化である。図５ｈおよび５ｋを比較すると，１１時間の経過にわたってペレットの表面構造が実質的に安定状態にとどまり，ダイヤモンド研磨粒子の摩耗は極めてゆっくりであることがわかる。図中の矢印は３つの特定のダイヤモンド粒子を示しており，これらの外観を比較すると，これらのダイヤモンド粒子の露出領域が安定状態をとどめており，研磨材の極めてゆっくりした摩耗を示していることがわかる。
【００４３】
工具の調整を終えると，加工物を成形するための成形作業に使う準備が整う。
【００４４】
成形作業
加工物に成形作業を実行するために，加工物が成形機のＺスライド上に取り付けられる。開示する実施形態において，上記加工物は黒鉛（グラファイト）ブロックであり，はじめに粉砕加工によって粗く成形され，その後に処理されるべき表面に炭化ケイ素コーティングが堆積されたものである。現場で上記加工物を測定することによって加工物の実際の表面輪郭を決定することができ，上記実際の表面輪郭が所望の表面輪郭と比較され，どの程度の材料を各場所において除去すべきかを示す加工物表面のマップがつくられる。
【００４５】
次に，工具が移動する加工物上の工具経路が，上記工具経路上の各地点において必要とされる材料除去量とともに計算され，制御プロセッサ９に保存される。上記制御プロセッサ９は上記加工物および工具の移動を制御し，上記工具を加工物表面上で移動させ，余剰材料を除去し，上記加工物表面を所望の仕上げにする。
【００４６】
図６は，自由形状の加工物表面と接触して移動するときの工具の概略側面図である。工具81の本体が，ペレット84が加工物表面に接触しかつゴム82が変形するまで加工物表面Ｓに向かって動かされ，ペレット84が加工物表面Ｓにフラットに押し付けられる。工具本体81はスピンドル軸Ｈ周りを回転し，これによって上記工具の環状領域のペレット84が上記加工物表面の略円形領域内で上記加工物表面Ｓに接触し，加工物表面を移動する。図６から明らかなように，工具本体81を（図示する）垂直方向に持ち上げると，上記カップ82の変形が減少し，上記加工物表面Ｓ上の円形接触範囲の直径が小さくなる。
【００４７】
上記工具を加工物に対して同じ位置に保持し，かつ上記工具内の流体圧力を増加させることによって，上記ペレット84はより大きな力で加工物表面Ｓに押し付けられるが，上記工具と上記加工物との接触範囲は大きくはならない。
【００４８】
成形作業中，上記工具は，加工物表面上を10〜1000mm／分，好ましくは約150mm／分の制御速度で並進移動する。上記工具は，約50〜1500rpmでスピンドル軸Ｈ周りを回転する。
【００４９】
加工物上の工具の移動中，工具と加工物の接触範囲は，加工物の表面と上記工具の部分球面の中心の間の距離を調整することによって変化する。工具が加工物に対して押し付けられる力は上記工具のカップ内の流体圧力を制御することによって制御され，上記工具回転速度および歳差軸の方向が制御されることで，上記工具経路に沿う任意の位置において加工物から材料が除去される速度が決定される。 
【００５０】
歳差軸の方向の制御によって，工具経路の各地点における加工物に対する上記工具の相対移動方向が決定される。上記表面上におけるペレットの方向の制御は，研磨アーチファクト（polishing artefacts）を加工物表面上に残さないことを目的に実行される。これに代えて，表面上のペレットの移動方向は，上記表面上に残った研磨目（polishing marks）が特定の一または複数の方向に整列するように制御することもできる。工具経路に沿って上記工具が移動する速度も，要求される表面仕上げを確実に達成するために制御される。
【００５１】
処理の一例では，ＣＶＤ−ＳｉＣ被覆黒鉛を二段階に研削し，第一段階では９μｍダイヤモンドを固着したニッケル・ペレットを用い，第二の最終研削パスでは３μｍダイヤモンドが固着した樹脂ペレットを用いた。最終パス中，上記工具のカップ内の流体圧力は0.5ｂａｒに低めた。その後上記加工物の表面の微細形状（microtopography）を測定したところ，0.3〜0.5nm Ｒａの低レベルの微小粗さを示した。延性研削条痕（ductile grinding marks）も加工表面上にはっきり視認され，これは延性研削が達成されたことを示す。この発明の重要な特徴は，小さなダイヤモンド粒径，特に９μｍ以下の粒径のものを用いて，純粋な延性モード研削を達成できることである。
【００５２】
上記工具のカップ内の流体圧力を高めるほど，さらに上記工具と加工物との接触領域を小さくするほど，小領域における加工物からの材料除去速度が上昇し，仕上げ面の滑らかさが低下する。工具と加工物の大きな接触領域および上記工具内の低い流体圧力を用いて加工物を成形することで，上記加工物からの材料除去速度は低下するが，より大きな面積にわたることになり，仕上げ面の滑らかさは増すことになる。
【００５３】
形状適応研削処理を用いた最適結果のために，加工物材料の延性モード除去を達成するように装置パラメータが調整される。上記の例では，加工物表面材料がＳｉＣであり，粒径が９μｍ以下のダイヤモンド粒子と樹脂またはニッケルから形成されたペレットが設けられた工具とを用いており，上記工具と加工物との接触範囲が10〜100mm２となり，加工物表面に垂直の約0.5N／mm２の圧力が提供されるように，装置パラメータを調整することができる。上記工具は回転され，研磨材が20,000〜80,000mm／分の速度で加工物表面上を移動し，この回転が，接触領域１mm２あたり約0.3Ｎの上記加工物表面に対する接線力を生成する。研磨粒子がペレットに固着しているので，研削処理中に水または他の適切な流体を冷却液として使用することができる。
【００５４】
接線力および法線力の両方が上記工具のカップ内の流体圧力とともに直線的に増加することが観察されたのに対し，上記スピンドル回転速度は上記接線力の大きさにほとんどまたは全く影響を及ぼさない。この結果から，流体圧力とスピンドル回転速度の加減を組合せることで，研削力と除去速度を互いに独立して制御することができる。流体圧力の増加によって研削力を増大させることができ，他方スピンドルの回転速度の増加によって材料除去速度を上昇させることができる。
【００５５】
接線力と上記工具に接触する加工物表面の領域の表面粗さのＲａ値との間には，相関関係が存在する。これは，おそらく，工具と加工物表面との間の摩擦が増大することによって粗度が高くためであると思われる。したがって，その周りを工具が回転するスピンドルに与えられる駆動トルクを監視し，その結果をプロセッサ９に中継することによって，成形作業中にリアルタイムの表面粗さ評価を達成することができる，と想定することができる。そして，プロセッサ９は，このトルク測定値に基づいて，研削処理によって現在達成されている表面仕上げを示す出力をディスプレイに提示することができる。
【００５６】
ＳＡＧ工程の比エネルギー（specific energy）は，この研削力測定値から算出することができる。
【００５７】
上記比エネルギーＫｚ［Ｊ／mm３］は以下の式から導き出される。
【００５８】
Ｋｚ＝（Ｆｔ×Ｖｓ）／Ｑ’
【００５９】
ここで，Ｆｔは接線力［Ｎ］，Ｖｓは切削速度［ｍ／ｓ］，Ｑ’は体積除去速度［ｍｍ３／ｓ］である。
【００６０】
様々なペレット材料およびダイヤモンド粒径について，ＳＡＧ工程の平均比エネルギーを他の従来の切削工程と比較する実験によると，ＳＡＧ工程の平均比エネルギーは従来の微研削よりも１桁高いことが示された。この高い平均比エネルギーは，材料除去中の切屑厚が減少すること（reduced chip thickness）を示し，したがって観察される加工物からの延性モード材料除去と相関している。
【００６１】
工具の他の形状
上記した実施例では，工具は部分球状加工面を有している。他の実施例では，工具を，回転ボールの形状を持つ加工面を有し，上記ボールの表面を覆うペレット化織物（pelleted fabric）を備えるものとすることができる。さらに他の変形例では，ペレット化織物が球状プーリ（spherical pulley）上を走行するベルトの形態をもつものであってもよく，プーリは上記ベルトを加工面に接触させるために用いられる。またさらなる変形例では，ペレット化織物をディスクに取り付けてもよく，上記ディスクの外周円筒縁またはディスクの面のいずれかに取り付けられる。
【００６２】
上記の実施例のすべてにおいて，上記加工物に対してペレット化織物を押し付ける表面は変形可能にすることができ，したがって，上記織物と加工物との接触領域上において，ペレット化織物を加工物の形状と一致させることができる。
【００６３】
上記した実施例では，工具は流体圧力によって膨張可能であり，ペレットと加工物との間に与えられる力を変化させる。流体圧力に代えて，工具の中心を，天然もしくは合成ゴム，または弾性プラスチックといった弾性材料から形成してもよい。弾性材料は固体でもよく，または発泡構造を有していてもよい。そのような固体または発泡コアは，好ましくはショアーＡ硬度計で３０〜６０の硬度を有する。これは工具内の内圧のアクティブ制御を妨げることになるが，ペレットが加工物に押し付けられる力と上記工具を加工物に押し付けることによって上記工具に与えられる変形量との間に相関関係を持たせることになる。部分球状加工面と弾性材料のコアを備える工具について，ペレットを加工物に押す力はペレット化織物と加工物との接触領域の関数になる。さらに他の実施形態では，工具の中心を，連続気泡発泡体構造（open-cell foam structure）を備える弾性材料から形成してもよく，上記連続気泡構造と連通する加圧流体の制御可能な供給を，工具の内圧を変化させるために用いることができる。流体圧力が与えられない場合には，上記工具はあたかも単に固体弾性中心を有するかのように機能する。
【００６４】
工具構造のさらに他の実施形態では，膜82および柔軟織物層83によって工具の内部キャビティを少なくとも部分的に規定してもよく，上記キャビティを，流体におけるせん断力の適用（application of shear forces in the fluid）に応じて粘度が変化する非ニュートン流体（non-Newtonian fluid）で満たしてもよい。一般的に，上記流体は，たとえば流体の塊（body）が急に変形するときに生じる高いせん断力を受けたときに，上記粘度が増加する。柔軟面がこのような流体で満たされたキャビティを少なくとも部分的に規定する工具を提供することによって，上記工具の柔軟面は上記工具の形状の急激な変化に強く逆い，しかしながら形状の緩やかな変化に順応することができる。このような非ニュートン流体材料は通俗的に「シリー・パティー」（silly putty）と呼ばれ，一般的に，約65％のジメチルシロキサン（ホウ酸基を有するヒドロキシ末端ポリマー），約17％のシリカ（結晶石英），約９％のチクサトロールＳＴ（ヒマシ油誘導体），約４％のポリジメチルシロキサン，約１％のデカメチルシクロペンタシロキサン，約１％のグリセリン，および約１％の二酸化チタンから構成される。このような材料の別の例として，最小限の水からなるデンプン溶液がある。
【００６５】
工具耐用期間の様々な段階において顕微鏡下でペレットを観察することによって，10時間の研削の間，安定状態にとどめる研磨粒子の数と形状を測定することができた。負の平均すくい角（negative average rake angle）がダイヤモンド研磨粒子において観察されたが，これはこの研削工程に関連する切削縁と微延性モードの耐用寿命（the longevity of the cutting edge and fine ductile regime associated with this grinding process）を説明するものである。
【００６６】
ＳＡＧ工程で用いられる研削力の測定によって，上記空気圧とスピンドル回転速度制御の組合せを用いて，研削力と除去速度を互いに独立して制御することができることがわかった。接線力と表面粗度の相関関係も確立され，これはワーク・スピンドル・トルクを監視することによってリアルタイムの表面状態評価ができることを示唆する。この工程によって0.3〜0.5nm Ｒａの表面微小粗さを達成することができる。ＳＡＧ工程を用いた加工物の研削中，工具の所望の回転速度を維持するためにワーク・スピンドルに与えられるトルクは，加工物表面上の様々な場所において測定および監視される。測定されたトルクは，動作を制御するプロセッサ９によってプリセット基準値と比較され，トルクが基準値以下に下がると，プロセッサは，要求される表面粗さに達したことを示すことができる。上記プロセッサは，加工物表面上の工具のすべての位置で上記トルクが所定値に下がったときに，要求される表面粗さに達したことを示すことができる。これに代えて，加工物表面上の一または複数の所定位置で所定値に下がったときに指示を示すこともできる。プリセット基準値はプロセッサに入力することができ，工具の性質や加工物表面の材料に応じて変更することができる。
【００６７】
図７は，様々な研削工程についての材料除去速度と表面仕上げとの関係を示す図である。従来の超精密研削を用いて0.1nm Ｒａ未満の表面仕上げを得ることができるが，これは図からわかるように極めて低い材料除去速度で行われるので，この研削作業は加工物からの材料の除去に長い時間がかかる。研削砥石を用いた従来の固定研磨研削は，最大500mm３／分の極めて高い除去速度を達成することができるものの，この除去速度において達成可能な表面粗さは1000nm Ｒａを超える。ＳＡＧ工程を用いると，１Ｒａ以下の粗度を有する表面仕上げを１〜約50mm３／分の有効な除去速度で達成することができる。ＳＡＧ技術を用いることによって，仕上げに不利益を与えることなくすばやく加工物表面から材料を除去することができるので，滑らかな表面仕上げを必要とする加工物を迅速に製造することができる。
【００６８】
図８は，この発明の成形方法を用いた，金型部品および曲面スクリーン製品の製造における段階を示す一連図である。この工程の第一段階のステップ801では，従来の技術を用いて黒鉛ブロックが機械加工され，粗く曲面ガラスディスプレイ画面用の金型部品の形状にする。ステップ802において，成形された黒鉛ブロックの表面に炭化ケイ素の層が堆積され，これが金型表面を形成する。ステップ803において，ＳＡＧ工程を用いて炭化ケイ素コーティングが要求される表面仕上げに向けて研削および研磨され，平滑面を有するガラス部品を製造するために用いられるガラスを成形することができる金型キャビティを形成するための第２の金型部材と協働可能な第１の金型部材が形成される。ステップ804において，加熱によって軟らかくされたガラス・シート804ａが２つの金型部品の間に置かれ，それらを組み合わせてガラスを金型キャビティの形状に形成する。この実施例では，金型部品を組み合わせて上記シートを曲面ガラス部品に形成する。ガラスが十分に冷えたら，曲面ガラス部品を金型から取り外す。最終製造工程において，曲面ガラス部品は，ディスプレイ画面，レンズ，ウェアラブル・コンピュータ・ディスプレイ806，携帯電話807などの他の製品に組み込まれる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図５ｄ】
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【図５ｅ】
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【図５ｆ】
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【図５ｇ】
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【図５ｈ】
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【図５ｉ】
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【図５ｊ】
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【図５ｋ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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