(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ラッピング工具（１）を往復振動させる往復駆動部（３）と、
前記往復駆動部（３）に取り付けるための取付部（１１）と、合成樹脂からなる球形状のラップ球（１５）と、前記取付部（１１）に対して前記ラップ球（１５）を弾性的に支持する弾性支持部（１４）とを備えたラッピング工具（１）と、
工作物（４）を取り付けるためのテーブル（２５）と、
前記ラッピング工具（１）と前記テーブル（２５）を互いに直交する３軸方向に相対的に移動させる送り機構とを有するラッピング装置を使用したラッピング加工方法であって、
前記工作物（４）の加工表面形状を測定した測定データと前記工作物（４）の目標形状との差から、ラッピング加工の加工量を求める手順（１０２）と、
所定の加工条件において、前記加工量を達成するための前記ラッピング工具（１）の工作物に対する押付力を求める手順（１０３）と、
前記ラッピング工具（１）の押付力を得るための前記ラッピング工具（１）の送り位置を求める手順（１０４）と、
前記工作物（４）の表面各点に対する前記ラッピング工具（１）の位置を前記送り位置とするように、前記送り機構によって前記ラッピング工具（１）を移動させてラッピング加工を行う手順（１０５）とを有するラッピング加工方法。
【請求項２】
請求項１に記載したラッピング加工方法であって、
前記ラッピング工具（１）は、前記取付部（１１）に対する前記ラップ球（１５）の突出量を調整する突出量調整部（１２，１３）を備えたものであるラッピング加工方法。
【請求項３】
請求項１，２のいずれか１項に記載したラッピング加工方法であって、
前記工作物（４）の目標形状は平面であり、高精度の平面加工を行うものであるラッピング加工方法。
【請求項４】
請求項１，２のいずれか１項に記載したラッピング加工方法であって、
前記工作物（４）の目標形状は任意の三次元曲面であり、高精度の三次元曲面加工を行うものであるラッピング加工方法。
【請求項５】
ラッピング工具（１）を往復振動させる往復駆動部（３）と、
前記往復駆動部（３）に取り付けるための取付部（１１）と、合成樹脂からなる球形状のラップ球（１５）と、前記取付部（１１）に対して前記ラップ球（１５）を弾性的に支持する弾性支持部（１４）とを備えたラッピング工具（１）と、
工作物（４）を取り付けるためのテーブル（２５）と、
前記ラッピング工具（１）と前記テーブル（２５）を互いに直交する３軸方向に相対的に移動させる送り機構と、
前記送り機構を制御して前記ラッピング工具（１）を目標位置に移動させる制御部とを有し、
前記制御部は、
前記工作物（４）の加工表面形状を測定した測定データと前記工作物（４）の目標形状との差から、ラッピング加工の加工量を求める手順（１０２）と、
所定の加工条件において、前記加工量を達成するための前記ラッピング工具（１）の工作物に対する押付力を求める手順（１０３）と、
前記ラッピング工具（１）の押付力を得るための前記ラッピング工具（１）の送り位置を求める手順（１０４）と、
前記工作物（４）の表面各点に対する前記ラッピング工具（１）の位置を前記送り位置とするように、前記送り機構によって前記ラッピング工具（１）を移動させてラッピング加工を行う手順（１０５）とを実行するものであるラッピング装置。
【請求項６】
請求項５に記載したラッピング装置であって、
前記ラッピング工具（１）は、前記取付部（１１）に対する前記ラップ球（１５）の突出量を調整する突出量調整部（１２，１３）を備えたものであるラッピング装置。
【請求項７】
請求項５，６のいずれか１項に記載したラッピング装置であって、
前記ラップ球（１５）は、ポリアミド系樹脂からなるものであるラッピング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ラップと工作物とを相対移動させてラップ剤中の砥粒などによって表面加工を行うラッピング加工方法および装置に関するものであり、詳しくは、工作物の形状を高精度に測定した後に、その測定結果を利用してラッピング加工を行うことにより、高精度の形状精度および表面精度を実現することのできるラッピング加工方法および装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ラッピング加工とは、ラップと称する工具と工作物との間にラップ剤を介在させ、ラップと工作物との相対運動によって工作物の表面を加工するものであり、工作物表面の面粗度の向上、平坦度・平滑度の向上を目的とするものである。ラップ剤としては、通常、遊離砥粒を液体中に分散させた懸濁液を用いる。このラッピング加工を行う装置は、一般的にラッピング専用の装置であり、他の工作機械や加工装置と共用できるものではなかった。
【０００３】
遊離砥粒を用いる従来の加工装置としては、下記の特許文献１および特許文献２などが公知である。特許文献１には、弾性球体工具を回転駆動させ研磨液中の工作物を加工するための加工ヘッドが記載されている。特許文献２には、回転スピンドルによって弾性球体工具を回転させ、スラリー中に分散させた研磨砥粒を介して自由曲面の研磨加工を行う研磨装置が記載されている。
【特許文献１】特開平５−９２３６２号公報
【特許文献２】特開２００２−３６１５４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
以上のように、ラッピング加工を行うためにはラッピング専用の装置が必要となり、工作機械に加えてラッピング装置を設置するためには、設置スペースの確保や設備コストの大幅増加が避けられず、製品の加工・製造コストの増加を招いていた。特許文献１および特許文献２に記載された加工装置も専用機であり同様の問題点がある。さらに、特許文献１および特許文献２の工具は、回転駆動する必要があり、工具の構造や駆動機構が複雑になるという問題点があった。
【０００５】
また、一般的にラッピング加工は加工能率の点ではあまり良好ではなく、さらなる加工能率の向上が求められていた。さらに、加工位置へのラッピング剤の供給に関しても、一定かつ均一な供給を行うためには作業者の熟練技術や注意深い作業が必要であった。そして、ラッピング加工は、前述のように工作物表面の面粗度の向上、平坦度・平滑度の向上を目的とするものである。工作物の形状精度は基本的に前加工に依存しており、ラッピング加工では工作物の形状精度を向上させることはできなかった。
【０００６】
そこで、本発明は、以上のようなラッピング加工における問題点や欠点を改善し、在来の工作機械を利用して簡単な構成の工具により高精度かつ高加工能率の自動加工を可能とし、さらに、工作物表面の面粗度・平坦度・平滑度だけでなく工作物の形状精度も向上させることのできるラッピング加工方法および装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明のラッピング加工方法は、ラッピング工具を往復振動させる往復駆動部と、前記往復駆動部に取り付けるための取付部と、合成樹脂からなる球形状のラップ球と、前記取付部に対して前記ラップ球を弾性的に支持する弾性支持部とを備えたラッピング工具と、工作物を取り付けるためのテーブルと、前記ラッピング工具と前記テーブルを互いに直交する３軸方向に相対的に移動させる送り機構とを有するラッピング装置を使用したラッピング加工方法であって、前記工作物の加工表面形状を測定した測定データと前記工作物の目標形状との差から、ラッピング加工の加工量を求める手順と、所定の加工条件において、前記加工量を達成するための前記ラッピング工具の工作物に対する押付力を求める手順と、前記ラッピング工具の押付力を得るための前記ラッピング工具の送り位置を求める手順と、前記工作物の表面各点に対する前記ラッピング工具の位置を前記送り位置とするように、前記送り機構によって前記ラッピング工具を移動させてラッピング加工を行う手順とを有するものである。
【０００８】
また、上記のラッピング加工方法において、前記ラッピング工具は、前記取付部に対する前記ラップ球の突出量を調整する突出量調整部を備えたものであることが好ましい。
【０００９】
また、上記のラッピング加工方法において、前記工作物の目標形状は平面とすることができ、高精度の平面加工を行うことができる。
【００１０】
また、上記のラッピング加工方法において、前記工作物の目標形状は任意の三次元曲面とすることができ、高精度の三次元曲面加工を行うことができる。
【００１１】
また、本発明のラッピング装置は、ラッピング工具を往復振動させる往復駆動部と、前記往復駆動部に取り付けるための取付部と、合成樹脂からなる球形状のラップ球と、前記取付部に対して前記ラップ球を弾性的に支持する弾性支持部とを備えたラッピング工具と、工作物を取り付けるためのテーブルと、前記ラッピング工具と前記テーブルを互いに直交する３軸方向に相対的に移動させる送り機構と、前記送り機構を制御して前記ラッピング工具を目標位置に移動させる制御部とを有する。そして、前記制御部は、前記工作物の加工表面形状を測定した測定データと前記工作物の目標形状との差から、ラッピング加工の加工量を求める手順と、所定の加工条件において、前記加工量を達成するための前記ラッピング工具の工作物に対する押付力を求める手順と、前記ラッピング工具の押付力を得るための前記ラッピング工具の送り位置を求める手順と、前記工作物の表面各点に対する前記ラッピング工具の位置を前記送り位置とするように、前記送り機構によって前記ラッピング工具を移動させてラッピング加工を行う手順とを実行するものである。
【００１２】
また、上記のラッピング装置において、前記ラッピング工具は、前記取付部に対する前記ラップ球の突出量を調整する突出量調整部を備えたものであることが好ましい。
【００１３】
また、上記のラッピング装置において、前記ラップ球は、ポリアミド系樹脂からなるものであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、以上のように構成されているので、以下のような効果を奏する。
【００１５】
在来の工作機械を利用して簡単な構成の工具により高精度かつ高加工能率の自動加工が可能となる。また、専用のラッピング装置を設置する必要がなく、設置スペースの確保や設備コストの大幅増加という問題を避けることができる。その結果として、製品の加工・製造コストを低減することができる。さらに、工作物表面の面粗度・平坦度・平滑度だけでなく、工作物の形状精度も大幅に向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明のラッピング加工方法および装置に使用するラッピング工具１の構成を示す図である。このラッピング工具１を在来の工作機械に取り付けてラッピング加工を行うことができる。取付部１１は、ラッピング工具１を後述の往復駆動部３（図２参照）の出力軸３１に取り付けるためのものである。取付部１１の上部には接続穴１７が形成されている。接続穴１７に往復駆動部３の出力軸３１を挿入して、固定ボルト１６によって取付部１１と出力軸３１とを固定する。
【００１７】
取付部１１の下方には調整ねじ１３が接続されている。調整ねじ１３は、調整ダイアル１２の内周側の雌ねじに螺合しており、また、キーとキー溝などの機構により取付部１１に対して回転しないようにされている。さらに、調整ねじ１３は、上部を取付部１１内部の空洞部１８に収納されており、取付部１１に対して上下に位置調節可能となっている。調整ダイアル１２は取付部１１に対して回転可能に支持されており、回転をロックすることも可能となっている。したがって、調整ダイアル１２のロックを解除して回転させれば調整ねじ１３を上下に移動させることができ、調整ダイアル１２をロックすれば調整ねじ１３の位置を固定することができる。
【００１８】
調整ねじ１３の下端部にはコイルばね状の弾性支持部１４が固定されている。また、弾性支持部１４の下端部には球形状のラップ球１５が固定されている。ラップ球１５はポリアミド系樹脂（いわゆるナイロンなど）からなる中実体である。ラップ球１５は、適度な柔軟性を有し、ラップ剤中の遊離砥粒を適度に保持する材質が好ましい。ポリアミド系樹脂やポリプロピレン樹脂などの合成樹脂が適している。弾性支持部１４はコイルばねのばね定数に従って上下に伸縮可能である。弾性支持部１４によりラップ球１５は弾性的に支持されている。
【００１９】
取付部１１に対するラップ球１５の突出量は、調整ダイアル１２を回動させることにより調整することができる。調整ダイアル１２および調整ねじ１３が、突出量調整部を構成する。取付部１１に対するラップ球１５の位置（突出量）を調整することによって、工作物に対するラップ球１５の押付力を調整することができ、工作物の種類や目的とする表面精度に応じた最適な押付力を容易に設定することができる。
【００２０】
図２は、本発明のラッピング装置２の構成を示す図である。ラッピング装置２は、在来の工作機械を利用することができ、図示のような立形の工作機械（例えば、マシニングセンタやフライス盤）の主軸に往復駆動部３とラッピング工具１を取り付けることにより、本発明のラッピング装置２とすることができる。そのため、専用のラッピング装置を設置する必要がなく、設置スペースの確保や設備コストの大幅増加という問題を避けることができる。その結果として、製品の加工・製造コストを低減することができる。
【００２１】
ラッピング装置２のベッド２１の後方からはコラム２２が立設され、コラム２２には主軸頭２３がＺ軸方向（ここでは鉛直方向）に移動可能に設けられている。また、主軸頭２３をＺ軸方向に移動させるためのＺ軸送り機構がコラム２２に設けられているが、ここでは図示を省略している。Ｚ軸送り機構は、ボールナットおよびＺ軸送りねじによるボールねじ機構とＺ軸送りモータとからなるものでよい。
【００２２】
主軸頭２３には回転可能に主軸２４が支持されている。主軸２４は回転しないように固定することも可能になっている。主軸２４の下端部には工具を交換可能に取り付けるための工具装着部が設けられている。往復駆動部３は、ラッピング工具１を往復振動させるための駆動部である。ここではＺ軸方向に往復駆動部３の出力軸３１が往復振動を行い、往復振動の振動数は１０〜２０Ｈｚ程度、振幅は５ｍｍ程度が適当である。
【００２３】
往復駆動部３の出力軸３１にはラッピング工具１が固定され、往復駆動部３上部に設けられたテーパシャンクが主軸２４下端の工具装着部に装着固定される。往復駆動部３は、内部に設置した電動モータ等によって出力軸３１に往復運動を発生させるようにしてもよいし、または、主軸２４の回転運動を出力軸３１の往復運動に変換する機構を内部に設けるようにしてもよい。後者の場合には、往復駆動部３の本体を主軸頭２３に対して回転止めする構造が必要である。
【００２４】
ベッド２１の上面には、工作物４を載置固定するためのテーブル２５が設置されている。テーブル２５はＺ軸方向に直交する水平面上のＸ，Ｙ軸方向に移動可能に設けられている。また、テーブル２５をＸ，Ｙ軸方向に移動させるためのＸ軸送り機構およびＹ軸送り機構が設けられているが、ここでは図示を省略している。Ｘ軸送り機構およびＹ軸送り機構もボールねじ機構と送りモータとからなるものでよい。Ｘ，Ｙ，Ｚ軸は互いに直交し直交座標系をなすものである。Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の各送り機構により、ラッピング工具１と工作物４とは、直交３軸方向に相対移動が可能となっており、三次元の任意曲面形状の加工が可能である。
【００２５】
テーブル２５上に固定された工作物４の周囲を包囲するように加工槽２６が設置されている。加工槽２６とテーブル２５との接続部はシール等により水密に保たれ、ラップ剤が漏れ出ないようにされている。加工槽２６の内部にラップ剤を貯留して、工作物４が完全にラップ剤中に浸漬されるようにする。加工槽２６の上面は開放されており、加工の妨げとなることはない。なお、在来の工作機械を利用する場合には、加工槽２６は簡単に取り外し可能な構造とすることが好ましい。
【００２６】
実際の加工は次のようにして行う。工作物４および加工槽２６をテーブル２５上に取り付け、加工槽２６内にラップ剤を注入して、工作物４がラップ剤中に浸漬されるようにする。調整ダイアル１２を回動させてラップ球１５の上下位置を調整し、ラップ球１５の工作物４に対する押付力を設定する。往復駆動部３の振動駆動を開始するとともに、主軸頭２３を加工位置まで下降させる。そして、加工表面の形状に沿ってＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の相対移動を行いラッピング加工を行う。なお、ラッピング工具１は回転せず往復振動のみが付加される。
【００２７】
ラッピング工具１の往復振動により、ラップ球１５が工作物４表面に押しつけられたり工作物４表面から離れたりする。ラップ球１５のこの運動により、ラップ球１５と工作物４の間にラップ剤の流入および流出が永続的に繰り返される。これによりラップ球１５と工作物４の間にラップ剤の供給、排除が繰り返されて、自動的に新鮮なラップ剤に更新されるとともに、ラップ剤中の砥粒の運動により加工能率が向上する。また、加工槽２６の使用により、ラップ剤の供給に作業者の熟練技術が必要なくなり、ラッピング装置２の自動運転が可能となる。
【００２８】
なお、ラッピング工具１と工作物４とのＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の相対移動は、前加工のＮＣ加工プログラムを、そのまま利用したり、オフセット量の変更などの僅かな修正で利用することができる。同じＮＣ加工プログラムを利用する場合でも、調整ダイアル１２を回動させてラップ球１５の上下位置を調整することにより、ラップ球１５の工作物４に対する押付力を任意に設定可能である。
【００２９】
なお、図２では、加工槽２６をテーブル２５上に取り付けるようにしているが、加工槽の形態はこのようなものに限定されず、加工表面にラップ剤を保持できるものであればどのようなものでもよい。例えば、上面のみ開放された容器を加工槽としてもよく、工作物の加工部の周囲を粘土やシール材で形成した壁によって包囲するようにしてもよい。粘土やシール材は工作物上に直接設置することもできる。また、前述のように、加工槽を用いた方が好ましいが、加工槽を使用しない加工も可能である。
【００３０】
次に、ラッピング装置２による加工例を挙げる。ラップ球としては直径６ｍｍのナイロン球体を使用し、ラップ剤は水、水飴、ダイアモンド砥粒の混合液とした。工作物としては超硬合金Ｖ１０（ＪＩＳ表記）の平面形状のラッピング加工を行った。ラップ球の押付力は２０Ｎ以下とした。これにより表面粗さ（最大高さＲｚ）０．０７μｍの平滑な鏡面が得られた。
【００３１】
なお、ラップ球の押付力は、ラップ球の直径６ｍｍでは、表面粗さ１μｍ程度の加工では２００Ｎ程度とし、表面粗さ０．１μｍ以下では２０Ｎ以下とする。ラップ球の直径がこれより小さい場合には押付力も小さくする必要がある。
【００３２】
以上は、ラッピング装置２によって、工作物表面の面粗度・平坦度・平滑度を向上させるための通常のラッピング加工を行うものである。次に、ラッピング装置２を使用して、ラッピング加工により工作物の形状精度を向上させる加工方法について説明する。図３が、そのラッピング加工方法の手順を示すフローチャートである。以下、図３に基づいて本発明のラッピング加工方法の各手順を説明する。
【００３３】
本発明のラッピング加工方法では、まず、手順１０１において、ラッピング加工を施すべき工作物の三次元形状を高精度に測定する。測定装置は高精度三次元測定装置、共焦点レーザー顕微鏡、原子間力顕微鏡などを使用し、１μｍ以下の高精度で測定を行う。次に、手順１０２において、工作物の目標形状と、手順１０１で測定した三次元形状データとの差から、工作物の各点におけるラッピング加工量を求める。
【００３４】
次に、手順１０３において、そのラッピング加工量を得るためのラップ力（ラップ球の押付力）を求める。なお、ラッピング加工量とラップ力とは比例関係にあると考えられるが、その比例定数は予め実験等により求めておく。この際、調整ダイアル１２およびおよび調整ねじ１３は標準位置としておく。ラッピング加工量はまた、他の加工条件にも依存するが、他の加工条件は実際に加工を行う条件に固定すればよい。ラップ力以外の他の加工条件とは、工作物の材質、ラップ剤の種類・組成、ラップ球の直径と材質、ラッピング工具と工作物の相対移動速度などである。
【００３５】
次に、手順１０４において、工作物の三次元形状データと工作物の加工表面各点のラップ力から、そのラップ力を得るためのラッピング工具の位置を求める。ラップ力は弾性支持部１４の弾性定数によって生じるので、所望のラップ力を得るためのラッピング工具の位置が一意的に求まる。加工各点でのラッピング工具の位置を連結すればラッピング工具の工作物に対する軌跡となる。このラッピング工具の軌跡をＮＣ（数値制御）加工プログラムとして保存できる。
【００３６】
次に、手順１０５において、ラッピング工具の軌跡を指示するＮＣ加工プログラムをラッピング装置２で実行し、ラッピング加工を行う。なお、ラッピング加工の実行時には、調整ダイアル１２によりラップ力を標準から強めまたは弱めに調整することができる。以上のような手順によってラッピング加工を行うことにより、三次元形状測定で得た工作物の三次元形状データと目標形状との差分がラッピング加工によって高精度に除去され、工作物表面の面粗度を向上させるだけでなく、工作物の形状精度も大幅に向上させることができる。
【００３７】
例えば、工作物の目標形状が平面である場合は、三次元形状測定により得た平面からのずれの多い部分をより多く加工して、ラッピング加工の仕上げ形状を高精度の平面形状とすることができる。また、工作物の目標形状は任意の三次元曲面であってもよい。例えば、回転放物面、球面、円筒面などの任意の三次元曲面形状でも加工できる。三次元形状測定により工作物の目標形状からのずれを測定し、ずれの多い部分をより多く加工することにより高精度の三次元曲面形状を形成することができる。
【００３８】
また、図３に示す各手順は、ラッピング装置２に備えられたＮＣ（数値制御）装置（図示せず）を利用して行うことができる。ＮＣ装置がＮＣ加工プログラム自動作成機能を持っていれば、ＮＣ加工プログラムの作成からラッピング加工までを円滑に実行することができる。
【００３９】
以上のように、本発明のラッピング加工方法および装置によれば、在来の工作機械を利用して簡単な構成の工具により高精度かつ高加工能率の自動加工が可能となる。また、専用のラッピング装置を設置する必要がなく、設置スペースの確保や設備コストの大幅増加という問題を避けることができる。その結果として、製品の加工・製造コストを低減することができる。さらに、本発明のラッピング加工方法により、工作物表面の面粗度・平坦度・平滑度だけでなく、工作物の形状精度も大幅に向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明によれば、在来の工作機械を利用して簡単な構成の工具により高精度かつ高加工能率の自動加工が可能となる。また、専用のラッピング装置を設置する必要をなくし、製品の加工・製造コストを低減することができる。さらに、工作物表面の面粗度・平坦度・平滑度だけでなく、工作物の形状精度も大幅に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明に使用するラッピング工具１の構成を示す図である。
【図２】本発明のラッピング装置２の構成を示す図である。
【図３】本発明のラッピング加工方法の手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４２】
１  ラッピング工具
２  ラッピング装置
３  往復駆動部
４  工作物
１１  取付部
１２  調整ダイアル
１３  調整ねじ
１４  弾性支持部
１５  ラップ球
１６  固定ボルト
１７  接続穴
１８  空洞部
２１  ベッド
２２  コラム
２３  主軸頭
２４  主軸
２５  テーブル
２６  加工槽
３１  出力軸
【図１】
0005220384.tif 000002
【図２】
0005220384.tif 000003
【図３】
0005220384.tif 000004