多軸パイプ状研磨ツールによる新しい高精度修正研磨法の研究
群馬大学大学院 工学研究科生産システム科学専攻准教授 林
偉 民（助成時所属：秋田県立大学 システム科学技術学部機械知能システム学科）（平成 20 年度一般研究開発助成 AF-2008029）
キーワード：小径研磨ツール，研磨，金型
１． 研究の目的と背景によって，走査中の工作物との接触領域内の工具の走行軌跡の近年，情報通信機器や自動車の軽量化に高張力板材のプレス成形が要求されている．高張力鋼板のプレス成形は，今までの方向を連続的に変化させて，軌跡の等方性と，軌跡密度の均一性を高めようというものである．

プレス以上に金型に負担をかけ，金型の寿命が問題とされている．その対策として金型の精度を向上させることや高硬度金型

公転
自転材料を使用する．金型の精度向上について，金型の製造プロセスとして，今までの機械加工仕上げ以外に新しい研磨による仕上げが必要と考える．従来の研磨加工は，手作業あるいは回転電動工具による加工で，工具軌跡が一定方向であることから，面粗さを良くするためには，同じ場所を軌跡が交差するように多数回繰り返し走査し，作業時間と労働負荷が高いとされている．また，研磨する金型が高硬度，難加工化に推移していることから，長時間作業，経験者の不足などさまざまな問題が出ている．そのために，安定的な研磨量を得ながら，コンピュータ

図 1 自転／公転型研磨法の原理制御による効率的な高精度研磨法の開発が急務とされている．
高精度自由曲面などの形状加工において，一般に切削・研削

図 1 に示す自転／公転の原理から，研磨ツールの自転軸は公加工の後に研磨加工を行うことが多い．従来の研磨加工は，手転軸に対して傾いており，この２つの軸は，同一の平面内にあ作業あるいは回転電動工具による加工で，工具軌跡が一定方向るようにする．工具面は円錐面ないし球面であり，工作物と接であることから，面粗さを良くするためには，同じ場所を軌跡触するのは公転軸上の先端部である．公転軸が工具と工作物とが交差するように多数回繰り返し走査するような作業が必要との接触領域の中心部を通り加工面に垂直となるように，工具がなる．本提案では研磨軌跡の平均化の確立を目指す．一軸回転調整される．工具の自転と公転は同時に与えられる．の電動工具では，工具の半径位置によって研磨速度が変化し，このように設定されているので，研磨作用は工具自転によっ走査領域に亘って均一な研磨量分布とすることは容易ではない．て円錐面ないし球面によってなされ，公転は工具の走行方向を

本提案では研磨ツールの自転／公転による研磨方法を提案し，連続的に切り替える働きしている．公転のみでは接触領域の中安定かつ再現性のよい研磨レートの実現を目指す．また，複雑心点では走行速度はゼロであり研磨は進行しがたい．パイプの形状金型に対して，複数のパイプ状研磨ツールを用いて，いわ肉厚が大きいとき，また自転軸と公転軸のなす角度（θ）が大ゆる多軸シェーバーのように，これらを自転／公転させる研磨

きいとき，工具と工作物の走査停止時の接触領域は大きくなる．

方法を提案し，シミュレーションでその方法の有用性を検証し一方，このとき接触領域内の速度分布は広がり，軌跡密度の均た上，実際に自転･公転型研磨装置を製作し，その加工精度の検一性は低下する．

証や高精度修正研磨への応用について検討を行う．

研磨加工中に工作物と工具の接触領域内加工面の任意の一点を過ぎる工具の走行方向はすべての向きに変化し，その周期は２． 研究方法

公転の回転周期であり，その軌跡は，接触領域全体わたって等

２・１ 加工原理方的で均一である．また，その点を単位時間当たり工具が通過

本研究では，形状補正と表面粗さの向上の同時実現に目指しする距離（軌跡密度）は，工具の平均半径における周速であって，研磨軌跡の平均化と研磨量の安定化に着目して新しい研磨て，全面均一である．この均一等方性によって，加工面があら法を実現するために図 1 に示す自転／公転型研磨法を提案した．

ゆる方向に研磨されるので，表面あらさの向上が期待できる．

その原理としてパイプ状部材の端面を研磨の工具面として，こまた，軌跡密度も均一であるところから，接触領域全面に均一のパイプの軸心回りの回転（自転）とこのパイプの軸心自体をの研磨除去量が発生して，研磨能率も良好安定であると期待で別の軸心（公転軸）の周りに同時に回転させる構造とすることきる．

－ 158 －

２・２ 研究方法
本研究はまずシミュレーション手法により提案した研磨法のモーター優位性の検証を行い，パイプ状研磨ツールの研磨能力，ツール研磨ユニットの摩耗状況，加工軌跡の確認などの検討を行い，その後自転／公転型研磨ユニットの具体的設計を行い，安定的な研磨が行える自転／公転型研磨法の研磨効果を確認し，金型材料の基礎研磨データの蓄積を行う．

プーリ

提案した新しい研磨法を検証するためにデスクトップタイプ

研磨ツールの研磨機を試作し，その研磨機へ搭載できる自転／公転型研磨ユニットの開発を行った．また，研磨加工効果や研磨除去量の

図 2 自転／公転型研磨ユニット設計イメージ図

安定性の確認も行った．
試作した装置の運動性能の確認を行った上，研磨実験に移行

自転軸する．研磨加工は，代表的な金型材料である金型鋼や超硬合金などを対象として，各種パイプ状研磨ツールによる研磨特性のゴム輪

本体
ゴムリング

調査，研磨面品質の測定および研磨の安定性などを総合的に実験により調査し，試作する自転・公転式研磨ヘッドにより安定的な研磨加工の実現を目指す．

軸受け

複雑形状の高精度研磨を行うために修正研磨を行うことが必
公転軸要である．修正研磨への応用について，まずは研磨加工面の形状測定法を確立して，測定したデータに基づく修正研磨用プログラムの開発を行う．また，実機研磨による形状修正研磨実験

図 3 自転／公転研磨ユニットの内部構造を行い，修正研磨の精度および安定性の確認を行う．
研磨ユニット３． 研究成果
３・１ 自転／公転型研磨ユニットの試作とその研磨検証

制御ボックス

研磨機本体

パイプ状研磨ツールを傾斜して，ツールを自転･公転させる研磨方法をとり，ツールの半径による研磨速度の変化が少なく，また，研磨軌跡は加工全域にわたって均一であり，加工面粗さの向上は勿論，安定的な研磨加工も実現しやすく，修正研磨加工に適している．

図 4 試作した自転／公転型研磨ユニットを搭載した機械本研究においてまず，自転／公転が実現できる研磨ユニットの設計製造を行った．自転と公転が同時に実現できるように図2 のような設計にした．研磨ユニットと同じ平面に取り付けられたモーターの駆動により自転公転運動が同時に実現できる．
詳細は図 3 に示すように，モーターからの動力がベルトを通じ100μmて回転体に動力を伝える，また回転体に支持された自転軸がゴ
図 5 研磨エリアの一例

ム輪を介して固定リングと摩擦によって動力を伝える仕組みになっている．モーターからの出力はスピードコントロールユニットにより 18～280rpm の範囲で回転数の調節ができる．
磨実験を行った．図 5 に研削仕上げの金型鋼の表面にツールを固定して 5 分間研磨した研磨エリアの状態（単一研磨痕）を示す．研磨ツールにより安定的な除去加工ができ，研磨効果の確除去深さ μ m

試作した研磨ユニットを小型研磨加工機に搭載し（図 4），研認ができた．また，加工性が異なる研磨ツールを使用し，研磨時間と研磨による除去量深さの関係を調べた．図 6 からわかる
ように，各種ツールによる研磨加工能力の違いが認めるが，研磨時残の増加につれ，研磨加工の除去量がほぼ安定的に増加し安定的に研磨ができることがわかった．

9080706050403020100

ツール A
ツール B
ツール C
ツール D
ツール E

0102030
研磨時間 min40

図 6 研磨時間と除去深さの関係－ 159 －5060

磨時間が増加につれて半径の増加量が少なくなっていることが３・２ 改良型研磨ユニットの試作
３・１に自転と公転が同時にできる研磨ユニットの試作がでわかる．各回実験でのばらつき（研磨量の安定性）は最大でき，研磨性能の確認ができた．しかし，ツールの自転運動がゴム輪の摩擦による駆動することで，研磨負荷が増加するときに自転運動が止まる場合があった．また，研磨ユニットの軸と並行に駆動モーターを設置し，研磨ユニット全体の大きさも縮小することが難しく，将来多数研磨ユニットの設置により同時研研磨深さ磨加工に支障が出ることが判明した．そこで，新たに図 7 のようにコンパクトで，確実に研磨加工ができる新しい研磨ヘッド
図 8 研磨痕形状を開発した．今回の研磨ヘッドの設計目標はユニット自身がコ

図 9 研磨深さ形状

ンパクトで，一つのモーターによる自転／公転の実現が可能で，
表 1 研磨に使用したツール

かつ自転と公転の回転数比をおおむね 3:1 になるように設計する．また，自転軸と公転軸の傾斜角を 5°として設計し，遊星

研磨ツール

組成

歯車伝動機構を用いる研磨ユニットを開発した．研磨圧力はツCM

ポリウレタン樹脂（硬い）ールを固定するホルダーの内部に入っているバネの復元力によBM

ポリウレタン樹脂（中間硬さ）り調整する．

300A’

ポリウレタン樹脂（軟らかい）

GC3000A’50

ポリウレタン樹脂 300A’＋GC＃3000 砥粒モーター

表 2 主な研磨実験条件

研磨ユニット

研磨ツール

ワーク材料

SUS420

自転回転数200rpm

傾斜角5°公転回転数210rpm

研磨荷重30.7g

砥粒

酸化アルミナ(#3000)

Polishing area radius μm1700

図 7 試作した新型自転／公転型研磨ユニットの写真
３・３ 自転／公転型研磨法の研磨安定性の検証

1600

1500

The first
The third
The fifth

1400

The second
The fourth
Average

1300

試作した改良型研磨ユニットを用いて，研磨加工特性および10研磨エリアの安定性の検証実験を行った．ワークは SUS420 材料

1520Polishing
研磨時間 timemin minを使用し，研削仕上げによって表面粗さが Ra: 2.3μm 程度に仕図 10 研磨痕半径の安定性上げられ，実験に供した．研磨特性および研磨エリアの安定性を調査するために図 8 に示すように一定時間で研磨した研磨痕を対象にし，デジタルマイクロスコープで測定した画像の円周さが図 9 のように触針式粗さ測定器で測定した断面曲線の最大高さを求めた．なお，初期研磨面はあらかじめ研削で Ra0.23µm程度に統一した．研磨開始時は，あらかじめ研磨ツールのツルーイングを行い，ワークと確実に接触できるように準備した．
砥粒は研磨前に約 5g を供給し，測定に合わせて 10 分間隔で更Removal depth μm上の 3 点を指定して研磨痕半径を求めた．また，研磨の除去深20新した．また，研磨条件およびに使用する主なツールを表 1，

15105The first

The second

The third

The fourth

The fifthAverage

001015Polishing
研磨時間 timemin min

表 2 に示す．
図 10 に繰り返し実験した研磨痕の半径と研磨時間の関係を，
図 11 に研磨の除去深さと研磨時間の関係示す．研磨痕半径は研－ 160 －図 11 研磨深さの安定性20400µm であった．また，除去深さは研磨時間の増加につれて増Surface roughness Ra μm加するが，10 分研磨以降増加量が低下している．これは研磨荷重が一定である状態で，研磨時間が進むと共に研磨痕が大きくなっていくために，平均研磨圧力が低下していくことが原因と考えられる．また，除去深さはどの時間の研磨でも各回の結果にほぼ差がなく安定していることがわかる．
図12に4種類のツールにおける研磨痕半径の平均値の比較を，
図 13 に除去深さの平均値の比較を示す．研磨痕の半径と除去深0.3

GC3000A'50
CMBM0.2

300A'0.100

さの結果から 300A’ツールの研磨能力 が大きく GC3000A’ツ

101520Polishing
研磨時間timemin minールの研磨能力が最も小さいことがわかった．これはツールの性質に関係していると思われる．表 1 に示したように 300A’は

図 14 各種ツールによる研磨面粗さの変化

4 つのツールの中で最もやわらかいため砥粒の保持性能がよく研磨能力が大きいと考えられる．
さ平均値の変化を示している．表面粗さは 10 分間研磨後の変化量が小さくなる傾向を示している．また研磨粗さも除去深さと同様にやわらかいツールほど表面粗さが改善されている傾向が見られる．
図15に3種類のダイヤモンド砥粒を用いた研磨における表面Surface roughness Ra μｍ0.3

図14は4種類の研磨ツールを用いた研磨実験における表面粗#14000#100000#200000

0.2

0.10粗さを示す．表面粗さは 3 種類の砥粒において 5 分間研磨以降

05

Polishing time

10min

15は変化量が小さくなる傾向を示した．砥粒が細かいものは研磨研磨時間 min

時間が増大につれて砥粒があらいものより粗さの変化量が大き

図 15 ダイヤモンド砥粒による研磨面粗さの変化くなった．表面粗さが 1 番改善されたのは砥粒番号が#14000 の砥粒を使用したときで，20 分研磨後の粗さは Ra0.018μm となった．

スリップリング
Slip ring

プーリ
PulleyPolishing area radius μm

Revolution
公転軸 barrel
1700

GC3000A'50
CM

1600

BM

ユニット本体Unit holder

300A'
1500

1400Bearing
軸受
1300
101520オイルシール
Oil seal

Polishing time
研磨時間
min min

公転モーター
Revolutionmotor
自転モーター
Rotationmotor

図 12 各種ツールによる研磨痕半径の比較

図 16 実用型研磨ユニットのイメージ図

Removal depth μm

20３・４ 実用型研磨ユニット製作
15３・２で試作した新型研磨ユニットによる安定的な研磨ができることが確認した．
しかし，自転と公転の回転比が固定され，10GC3000A'505目指して，新たに実用型自転／公転型研磨ユニットの設計・製BM造を行った．図 16 にその設計イメージ図を示す．研磨ユニット

300A'

0010

Polishing mintime
研磨時間

最適研磨条件の選択に支障が出ている．そこで将来の実用化に

CM

15min

図 13 各種ツールによる研磨深さの比較

20のベース部に公転用のモーターが搭載され，ベルトを使用し動力を伝え，その動力がプーリの下のスピンドルに伝わり，スピンドルが回転して公転を与える．スピンドルの内部には自転用のモーターが搭載しており配線をスリップリングに繋げることで導線の絡まりを防いでいる．この 2 つのモーターにより研磨－ 161 －ツールに自転／公転運動を同時に与えることが可能である．自験において，自転／公転型研磨法の安定的な研磨特性の確認が転用モーターの回転数は最大 8000 rpm で，公転用モーターの回でき，複雑形状金型研磨への展開ができると考えられる．さら転数は最大 400 rpm である．また，自転用モーターには研磨用に，実用化を目指して実用型研磨ユニットの試作を行い，コンのツールホルダが取り付けられている．ツールホルダの中にはパクトな実用型自転／公転型研磨ユニットを完成し，今後これバネが入っていて，バネの復元力によって加工エリアに研磨圧を用いてさらになる基礎実験を行う予定である．

力を与えている． 図 17 卓上研磨機に搭載した実用型研磨ユニ

謝ットの状況を示す．わかるように新たに製作した実用化研磨ユ辞

ニットがコンパクトで，また，自転と公転回転の回転数がそれ

本研究は平成 20 年度財団法人天田金属加工機械技術振興財

ぞれ調節することができ，本研究に提案した複雑形状金型に対団の研究開発助成によって行われた．ここに深甚なる謝意を表して，複数の研磨ユニットによる多軸シェーバー形式の研磨がする．

できると考えられる．

参考文献
1)
Stageステージ

H. Suzuki・T. Moriwaki・T. Okino・Y. Ando：Devolopment

Polishingunit
研磨ユニットof Ultrasonic Vibration Assisted Polishing Machine,

ツールホルダTool holder

Annals of the CIRP, 55, 1, (2006)385.
2)

Tool
研磨ツール

林 偉民・渡邊 裕・大森 整・河西 敏雄：連携加工プロセスによる光学素子のナノ精度鏡面加工，成形加工, 18,Work
研磨サンプル12 (2006) 842-847.
3)

上野嘉之・林 偉民・大森 整：日本機械学会年次大会講演論文集，４ (2006)，586．

4)
Control
制御 PCPC林 偉民・鈴木 亨・森田晋也・渡邊 裕・大森 整：V-CAM
による金型自由曲面のポリシング, 型技術, 21, 8 (2006)

コントローラMotorcontroller

84-85.

図 17 加工機に搭載した実用型自転／公転型研磨ユニット5)

林 偉民・佐藤 翔太・佐藤 隆史・呉 勇波・山形 豊：卓上自転／公転型非球面形状研磨機の開発, 2008 年度日本

４． 結論

機械学会第7 回生産加工･工作機械部門講演会講演論文集,(2008) 295-296.

本研究に，複雑形状金型の研磨法の開発に目指して，パイプ形状研磨ツールを用い，それを自転／公転させることによる安6)

林 偉民・佐藤 隆史・呉 勇波・山形 豊: 自転／公転型研定的に研磨できる方法を提案した．また，自転／公転型研磨ユ磨装置の試作とその加工特性, 2009 年度日本機械学会年

ニットの試作を行い，金型材料の基礎研磨特性を確認した．実

次大会講演会講演論文集 Vol.4, (2009) 339-340.

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