(57)【要約】【課題】  砥石と工作物との間で生じる発熱を効率良く抑制することができるとともに、工作物の加工精度の悪化を有効に抑制することができるマイクロ加工における冷却方法を提供する。【解決手段】  本発明のマイクロ加工における冷却方法は、工作物Ｗと砥石車Ｇとが接触する加工箇所Ａに冷却媒体を供給して当該加工箇所Ａの発熱を抑制する方法である。そして、前記冷却媒体として、圧縮空気とクーラントとを含む混合流体を用い、この混合流体を前記加工箇所Ａに向けて噴霧するようにした。【選択図】      図１
2005169529.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作物と砥石とが接触する加工箇所に冷却媒体を供給して当該加工箇所の発熱を抑制するマイクロ加工における冷却方法であって、前記冷却媒体として圧縮空気とクーラントとを含む混合流体を用い、この混合流体を前記加工箇所に向けて噴霧することを特徴とするマイクロ加工における冷却方法。
【請求項２】
前記混合流体を加工箇所に向けて放射状に噴霧する請求項１記載のマイクロ加工における冷却方法。
【請求項３】
前記混合流体として、パルス振動を付与した圧縮空気と、パルス振動を付与したクーラントとを混合したものを用いる請求項１または２記載のマイクロ加工における冷却方法。
【請求項４】
工作物と砥石とが接触する加工箇所に冷却媒体を供給して当該加工箇所の発熱を抑制するためのマイクロ加工用冷却装置であって、
前記冷却媒体を構成する圧縮空気を供給するための圧縮空気供給装置と、
前記冷却媒体を構成するクーラントを供給するためのクーラント供給装置と、
前記クーラント供給装置から供給されるクーラントと前記圧縮空気供給装置から供給される圧縮空気とを混合して前記冷却媒体としての混合流体を生成するための混合流体生成装置と、
前記混合流体生成装置により生成された混合流体を前記加工箇所に向けて噴霧するための噴霧手段と、
を備えたことを特徴とするマイクロ加工用冷却装置。
【請求項５】
前記噴霧手段が、前記混合流体を放射状に噴霧するものである請求項４記載のマイクロ加工用冷却装置。
【請求項６】
前記圧縮空気供給装置と混合流体生成装置との間に配設される、圧縮空気にパルス振動を付与する圧縮空気側のパルス振動付与手段と、
前記クーラント供給装置と混合流体生成装置との間に配設される、クーラントにパルス振動を付与するクーラント側のパルス振動付与手段と、
をさらに備える請求項４または５記載のマイクロ加工用冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、研削加工の一種であるマイクロ加工に際し採用される冷却方法およびマイクロ加工に用いられる冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、非球面レンズなどの曲面レンズの成形金型の研削加工方法として、マイクロ加工法が採用されている。かかるマイクロ加工法は、例えば工作軸によって回転駆動される小径の工作物に対し、砥石車軸によって回転駆動される砥石車を接触させることにより研削する加工法である。このマイクロ加工法では、工作物と砥石車とが接触する加工箇所で発熱が生じて加工焼けが発生したり、切屑が生じたりして、工作物の加工精度に悪影響を及ぼすので、当該加工箇所に向けて、液状の冷却媒体であるクーラントを供給することが公然実施されている。
【０００３】
ところが、クーラントの供給量が大量であるために、クーラントが飛散して環境を悪化させたり、大量の廃液が生じたりするという問題がある。また、加工箇所に向けて大量のクーラントを供給するので、高速回転の砥石車と工作物との間で動圧が発生し、この動圧の作用によって工作物の形状精度や表面粗さなどが悪くなってしまうという問題もある。さらに、マイクロ加工法は、通常、工作物として小径のものを用い、それに伴い砥石車も小径のものを用いるので、砥石の目詰まりが発生し、切屑の除去をスムーズに行うのが難しいという問題もある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、砥石と工作物との間で生じる発熱を効率良く抑制することができるとともに、工作物の加工精度の悪化を有効に抑制することができるマイクロ加工における冷却方法およびマイクロ加工用冷却装置の提供をその目的とする。さらに、砥石の磨耗量を抑制して長期にわたり安定して工作物の加工を行うことができるマイクロ加工における冷却方法およびマイクロ加工用冷却装置の提供をその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のマイクロ加工における冷却方法は、工作物と砥石とが接触する加工箇所に冷却媒体を供給して当該加工箇所の発熱を抑制するマイクロ加工における冷却方法であって、前記冷却媒体として圧縮空気とクーラントとを含む混合流体を用い、この混合流体を前記加工箇所に向けて噴霧することを特徴とする。
上記の構成によれば、混合流体中の圧縮空気によりクーラントが広く行きわたるように噴霧することが可能になるとともに、マイクロ加工のような微小な加工箇所にクーラントが浸透しやすくなるので、当該加工箇所の発熱を効率良く抑制することができる。このため、加工焼けに伴う加工精度の悪化を有効に抑制することができる。また、大量にクーラントを供給しなくても、充分な冷却効果を得ることができるので、小さな工作物を加工対象とするマイクロ加工に特有の、冷却媒体の大量供給に伴う動圧の発生を抑制できる結果、工作物の加工精度が悪くなってしまうのを有効に抑制することができる。さらに、廃液の発生量も抑制することができるので、環境に配慮した冷却方法を提供することができる。
【０００６】
上記のマイクロ加工における冷却方法において、前記混合流体を加工箇所に向けて放射状に噴霧するのが好ましい。この場合、混合流体が微小な加工箇所により浸透しやすくなるとともにより均一でかつ広範囲に行きわたるので、砥石や工作物の温度分布のばらつきを有効に抑制することができ、より良好な冷却効果が得られる。
【０００７】
上記のマイクロ加工における冷却方法において、前記混合流体として、パルス振動を付与した圧縮空気と、パルス振動を付与したクーラントとを混合したものを用いるのが好ましい。この場合、微小な加工箇所において発生した切屑をパルス振動によって効率良く除去することができるので、砥石の磨耗量を抑制することができる。このため、長期にわたり安定してマイクロ加工を行うことができる。
【０００８】
本発明のマイクロ加工用冷却装置は、工作物と砥石とが接触する加工箇所に冷却媒体を供給して当該加工箇所の発熱を抑制するためのマイクロ加工用冷却装置であって、前記冷却媒体を構成する圧縮空気を供給するための圧縮空気供給装置と、前記冷却媒体を構成するクーラントを供給するためのクーラント供給装置と、前記クーラント供給装置から供給されるクーラントと前記圧縮空気供給装置から供給される圧縮空気とを混合して前記冷却媒体としての混合流体を生成するための混合流体生成装置と、前記混合流体生成装置により生成された混合流体を前記加工箇所に向けて噴霧するための噴霧手段と、を備えたことを特徴とする。
上記の構成によれば、噴霧手段から加工箇所に向けて噴霧される混合流体中の圧縮空気によりクーラントが広く行きわたるように噴霧でき、しかもその噴霧されたクーラントが微小な加工箇所に浸透するので、マイクロ加工によって発生する発熱を効率良く抑制することができる。よって、この冷却装置を用いてマイクロ加工を行えば、加工焼けに伴う加工精度の悪化を有効に抑制することができる。また、少量の冷却媒体で充分な冷却効果が得られるので、冷却媒体の大量供給に伴う動圧の発生によって生じる加工精度の悪化を有効に抑制することができる。さらに、廃液の発生量も少なくて済み、環境に配慮した冷却装置を提供することができる。
【０００９】
上記のマイクロ加工用冷却装置において、前記噴霧手段が、前記混合流体を放射状に噴霧するものであるのが好ましい。この場合、混合流体が微小な加工箇所により浸透しやすくなるとともにより均一でかつ広範囲に行きわたるので、砥石や工作物の温度分布のばらつきを有効に抑制することができ、より良好な冷却効果が得られる。
【００１０】
上記のマイクロ加工用冷却装置において、前記圧縮空気供給装置と混合流体生成装置との間に配設される、圧縮空気にパルス振動を付与する圧縮空気側のパルス振動付与手段と、前記クーラント供給装置と混合流体生成装置との間に配設される、クーラントにパルス振動を付与するクーラント側のパルス振動付与手段と、をさらに備えるのが好ましい。この場合、微小な加工箇所において発生した切屑をパルス振動によって効率良く除去することができるので、砥石の磨耗量を抑制することができる。このため、長期にわたり安定してマイクロ加工を行うことができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、砥石と工作物との間で生じる発熱を効率良く抑制することができるとともに、工作物の加工精度の悪化を有効に抑制することができるマイクロ加工における冷却方法およびマイクロ加工用冷却装置を提供することができる。特に、冷却媒体としてパルス振動を付与したクーラントおよび圧縮空気を用いた場合には、砥石の磨耗量を抑制して長期にわたり安定して工作物のマイクロ加工を行うことができるマイクロ加工における冷却方法およびマイクロ加工用冷却装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るマイクロ加工用冷却装置を示す概略図である。本実施形態に係るマイクロ加工用冷却装置（以下、単に「冷却装置」ともいう）は、工作軸としてのスピンドル１により回転駆動される工作物Ｗを、砥石車軸（図示せず）により回転駆動される砥石車Ｇによりマイクロ加工（研削加工）する際の加工箇所Ａを冷却するために用いられるものである。工作物Ｗとしては、例えば直径０．５〜１２ｍｍの非球面レンズを製造するための成形金型用超硬合金材料等が用いられ、砥石車Ｇとしては、ダイヤモンド砥石などの超仕上砥石が用いられる。
【００１３】
本実施形態に係る冷却装置は、同図に示すように、圧縮空気を発生させて供給する圧縮空気供給装置２と、クーラントを供給するクーラント供給装置３と、前記圧縮空気供給装置２から供給される圧縮空気および前記クーラント供給装置３から供給されるクーラントのそれぞれに対し別々にパルス振動を付与するパルス振動付与装置４と、パルス振動が付与された圧縮空気およびクーラントを混合して冷却媒体としての混合流体を生成する混合流体生成装置５と、この混合流体生成装置５に連結され前記加工箇所Ａに向けて混合流体を噴霧する噴霧手段６とを備えて構成されている。
【００１４】
圧縮空気供給装置２は、圧縮空気を発生させ、その圧縮空気をパルス振動付与装置４に向けて供給できるよう構成されており、例えばエアコンプレッサ（図示せず）と温度制御型エアドライヤ（図示せず）とを有している。パルス振動付与装置４に向けて供給する圧縮空気は、２０〜２４℃程度に維持されているのが好ましい。また、圧縮空気は、０．１〜０．５ＭＰａの範囲内に設定するのが好ましく、特に好ましくは０．１〜０．３ＭＰａの範囲である。
一方、クーラント供給装置３は、オイル等よりも冷却効果が高い水系クーラントなどのクーラントをパルス振動付与装置４に向けて供給できるよう構成されており、例えばクーラントを貯蔵するタンク（図示せず）とそのタンクからクーラントをくみ上げて供給するポンプ（図示せず）とを有している。パルス振動付与装置４に向けて供給するクーラントは、その供給量を０．３ＭＰａで１〜１００ｃｍ３／ｍｉｎの範囲内に設定するのが好ましく、特に好ましくは３０〜６０ｃｍ３／ｍｉｎの範囲である。なお、本実施形態では、工作物Ｗと砥石車Ｇの下にクーラントタンク８を配設することで、使用後のクーラントを循環させることができるよう構成されている。これにより、廃液量を抑制することができ、環境に配慮した装置の提供が可能となる。
【００１５】
パルス振動付与装置４は、図２にも示すように、例えば、クーラントにパルス振動を付与すべく、レギュレータ２１と電磁弁２２とが配設された部分（クーラント側のパルス振動付与手段）と、圧縮空気にパルス振動を付与すべく、レギュレータ２３と計器２４と電磁弁２５とが配設された部分（圧縮空気側のパルス振動付与手段）とを備え、一の装置内に収容されて構成されている。このパルス振動付与装置４において、クーラント側のパルス振動付与手段と圧縮空気側のパルス振動付与手段とを別個に設け、クーラントと圧縮空気に別々にパルス振動を付与するのは、確実にクーラントと圧縮空気にパルス振動を付与して、切屑の除去効果を確実に得るためである。すなわち、クーラントおよび圧縮空気を混合させた混合流体にパルス振動を付与した場合、マイクロ加工により発生した切屑の除去効果が小さく、砥石の磨耗量が有効に低減しない傾向があるからである。本実施形態のパルス振動付与装置４では、パルス振動は電磁弁２２、２５における周期的なｏｎ／ｏｆｆにより発生させて付与されるが、その制御はパルス振動付与装置４に接続されたコントローラ７により行われる。このように電磁弁２２、２５を用いることにより、少量の冷却媒体に確実にパルス振動を付与することができる。ここで、パルス周波数は、１〜１０００Ｈｚの範囲内に設定するのが好ましい。なお、パルスは、必要に応じて変調させてもよい。
【００１６】
混合流体生成装置５は、上記パルス振動付与装置４によりパルス振動が付与された圧縮空気とクーラントとを混合させて冷却媒体としての混合流体を生成できるよう構成されており、例えばクーラント側に配設される逆止弁２６と圧縮空気およびクーラントを混合する混合槽（図示せず）とを有している。この混合流体生成装置５において、圧縮空気に付与されたパルス振動とクーラントに付与されたパルス振動とが打ち消し合わないように混合すべく、前述したコントローラ７によって制御される。
【００１７】
図１に戻って、噴霧手段としてのノズル６は、上記混合流体生成装置５により生成された混合流体を、工作物Ｗと砥石車Ｇとが接触する加工箇所Ａを中心に例えば放射状に噴霧するよう構成されている。
詳細には、図３を参照して、ノズル６の先端部分には、回転方向に動かすことにより吐出量や噴霧領域を調節することができる吐出量調節部３１と吐出部３２とを有しており、吐出部３２の端面には混合流体を例えば放射状に噴霧できるよう通孔が適度に分布した状態（図示せず）で形成されている。
【００１８】
上記冷却装置によるマイクロ加工時の冷却は、例えば、つぎのようにして行われる。すなわち、まず、圧縮空気供給装置２で圧縮空気が生成されると、その圧縮空気は、パルス振動付与装置４内のレギュレータ２３、計器２４により圧縮空気供給量が制御され、電磁弁２５に向けて供給される。ついで、コントローラ７による制御により所定のパルス周波数のパルス振動が電磁弁２５によって圧縮空気に付与される。その後、パルス振動が付与された圧縮空気は、混合流体生成装置２６に向けて供給される。一方、クーラント供給装置３から供給されるクーラントは、同様に、パルス振動付与装置４内のレギュレータ２１によりクーラント供給量が制御され、電磁弁２２に向けて供給される。ついで、コントローラ７による制御により所定のパルス周波数のパルス振動が電磁弁２２によってクーラントに付与される。その後、このパルス振動が付与されたクーラントは、混合流体生成装置２６に向けて供給される。そして、この混合流体生成装置２６内で、圧縮空気とクーラントとが混合されて混合流体が生成され、この混合流体が、工作物Ｗと砥石車Ｇとの微小な加工箇所の中心に向けてノズル６から噴霧される。これにより、少量のクーラントが圧縮空気によって広範囲に行きわたり、工作物と砥石を冷却することができる。
【００１９】
上記のように構成された本実施形態に係るマイクロ加工用冷却装置は、ノズル６から噴霧される混合流体中の圧縮空気によりクーラントが広く行き渡るように噴霧することができる。また、このような混合流体の噴霧により、マイクロ加工における微小な加工箇所Ａにクーラントを浸透させやすくなる。よって、当該加工箇所Ａの発熱を効率良く抑制することができ、加工焼けに伴う工作物Ｗの加工精度の悪化を有効に抑制することができる。さらに、大量にクーラントを供給しなくても充分な冷却効果を得ることができることから、小さな工作物Ｗを加工対象とするマイクロ加工に特有の動圧の発生を抑制でき、その結果として工作物Ｗの形状精度や表面粗さなどの加工精度が悪くなってしまうのを有効に抑制することができる。このようなことから、マイクロ研削加工後に研磨加工を行わなくてもよくなるので、工作物Ｗの製造工程の簡略化に寄与するという利点もある。さらに、廃液の発生量を抑制できるので、環境面に優れたものになる。また、本実施形態では、圧縮空気およびクーラントにパルス振動を付与しているので、砥石Ｇの目詰まりを抑制することができ、長期にわたり安定してマイクロ加工を行うことができる。
【００２０】
以下、本発明者がダイヤモンド砥石を用いて超硬合金材料からなる工作物をマイクロ研削加工した場合の冷却に関する検証試験について説明する。すなわち、圧縮空気（２２℃±０．１℃、０．３ＭＰａ）とクーラントとしての水（４０ｃｍ３／ｍｉｎ）の混合流体をダイヤモンド砥石と工作物とが接触する加工箇所に向けて噴霧して冷却する方法（本発明の方法）と、クーラントとしての水（４０ｃｍ３／ｍｉｎ）をダイヤモンド砥石と工作物とが接触する加工箇所に向けて供給して冷却する方法（従来の方法）のそれぞれについて、工作物の形状精度と表面粗さ（Ｒａ）を１０回ずつ測定した。その結果を、下記の表１に示す。
【００２１】
【表１】
2005169529.tif 000003
【００２２】
表１により、本発明の方法のように混合流体を冷却媒体として用いて冷却すると、工作物の形状精度が平均で０．１２３μｍで、表面粗さ（Ｒａ）が平均で１．９４ｎｍであることがわかる。一方、従来の方法のようにクーラントのみを冷却媒体として用いて冷却すると、形状精度が平均で０．１８７μｍで、表面粗さ（Ｒａ）が平均で３．１６ｎｍであることがわかる。このため、圧縮空気およびクーラントの混合流体を冷却媒体として用いた方が、冷却効果が良好で、しかも形状精度や表面粗さなどの加工精度の悪化を有効に抑制できることが確認された。
【００２３】
つぎに、圧縮空気とクーラントの混合流体をダイヤモンド砥石と超硬合金材料からなる工作物とが接触する加工箇所に向けて噴霧して冷却する方法において、圧縮空気およびクーラントのそれぞれにパルス振動（１００Ｈｚ）を付与した場合と付与しなかった場合について、砥石磨耗量を１０回ずつ測定した。その結果を、下記の表２に示す。なお、砥石磨耗量は、マイクロ研削加工を２時間行った後と、加工前とを比較することで測定した。
【００２４】
【表２】
2005169529.tif 000004
【００２５】
表２により、パルス振動を付与した方の砥石磨耗量が平均で４．９μｍであり、パルス振動を付与しなかった方の砥石磨耗量が平均で２２．７μｍであり、パルス振動を付与した方がはるかに砥石磨耗量が抑制されていることがわかる。このため、パルス振動を付与した圧縮空気およびクーラントを混合してなる混合流体を冷却媒体として用いると、長期にわたり安定してマイクロ加工を行うことができることが確認された。
【００２６】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、砥石の磨耗量が大きくない場合には、パルス振動を付与しない構成にしてもよい。また、大量に工作物をマイクロ加工しない場合には、クーラントを循環させるためのクーラントタンク８を配設しない構成にしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施形態に係るマイクロ加工用冷却装置を示す概略図である。
【図２】図１に示すマイクロ加工用冷却装置を構成するパルス振動付与装置と混合流体生成装置を示す概略図である。
【図３】図１に示すノズルの先端部分の部分断面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１    スピンドル
２    圧縮空気供給装置
３    クーラント供給装置
４    パルス振動付与装置
５    混合流体生成装置
６    ノズル（噴霧手段）
Ａ    加工箇所
Ｇ    砥石車
Ｗ    工作物
【図１】
2005169529.tif 000005
【図２】
2005169529.tif 000006
【図３】
2005169529.tif 000007