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砥粒加工学会誌<12 回連載 ショートレクチャー>

若手技術者のための研削工学（第 11 回） 高能率化・高精度化を目指して
奥山繁樹 （防衛大名誉教授）

１． はじめに

２．高能率研削

研削加工の進歩の方向は，高能率化・高精度化，多単位時間あたりの工作物除去体積は，除去深さ t と機能化・複合化，自動化・知能化，そして環境負荷の工作物速度 v の積で与えられるから，この両者を大きく低減に向かっているものと思われる．

すれば加工能率が上がる．しかし，研削盤の剛性にはこれらを実現するために研削盤本体では，①回転と限度があることや，研削熱の影響が無視できないことな直線運動のさらなる高精度化と高速化，②機械構造のどから，t か v のどちらかを大きくすることが行われてい高剛性化と減衰性能の向上，③目的に応じた構造のる．前者がクリープフィード研削，後者が高速反転研削

大型化／超小型化，④ 多軸化・多機能化・複合化，⑤である．また，砥石周速度を超高速化することによって省エネ化などが進められている．また，計測・制御と自加工能率の向上を図る，超高速研削も試みられている.

動化技術に関しては，⑥工作物と砥石の自動交換，⑦一方，加工能率を上げるには砥石と工作物が実際に加工環境・加工状態の計測・監視とこれに基づく適応

接触するまでのエアカット時間やテーブル反転時のオ制御，⑧ピッチ誤差，力・熱変位，多軸運動誤差などのーバランなどの無駄時間を排除したり，段取り替えに伴自動補正などが試みられており，最終的には，⑨意思う非加工時間を圧縮したりすることもまた重要である．

決定を含めた研削の知能化が追究されよう．

２．１ クリープフィード研削

また，研削砥石とその使用技術に関しては，⑩微細

クリープフィード研削は，切込み深さを通常の 100～多結晶砥粒の開発，⑪新しい難削材に対応した砥材

1000 倍と大きく，逆に工作物速度を 1/10～1/100 と小さの開発，⑫結合材の砥粒保持力向上と高靱性化，⑬くして研削する方法である．図 1 に，クリープフィード平

超高速回転対応，⑭切れ刃を配列した砥石の開発，⑮面研削盤の一例を示す．クリープフィード研削では，砥

ELID（Electrolytic In･process Dressing ）技術の適用拡

石と工作物の接触長さが極端に長くなり，接触面温度大，⑯総形整形のさらなる高精度化などがある．

も高くなりやすいので，研削液を高圧で供給したり，多研削液とその供給法に関しては，⑰環境にやさしい孔質の軟らかい砥石を使用したりする必要がある．一油剤の開発，⑱MQL（Minimum Quantity Lubrication），⑲超高圧注液などが，また加工技術に関しては，⑳極微細加工，㉑超精密曲面加工，㉒難削材・複合材加工の高能率化などがある．さらに，㉓他の加工エネルギを複合（援用）した研削技術の開発・実用化などが行われている.
本稿では上記に関わるいくつかのトピックス，すなわ
ち高能率研削の主要な方法論と，超精密研削技術（砥石回転とテーブル送りの超精密化，ELID 研削，超砥粒配列砥石）について概説する．

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図 1 クリープフィード研削盤の一例

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方，砥粒最大切込み深さが非常に小さいの工作物

研削砥石

電磁チャック

で，加工条件によっては研削比の増大が期待できる．

加速度センサ

２．２ 高速反転研削
研削盤テーブルの往復回数は通常 10～100 往復/min 程度で

図 3 砥石自動接近・テーブル反転適応制御システムの加速度センサ設置状況

図 2 スピードストローク研削によるコンタリング研削の例あるが，高速反転研削では 500～1000 往復/min に達する．テーブル

アンプ用電源の高速反転は，高加減速リニアモータ，クランク機構などによって実現されている．

加速度センサ整流器

高速反転研削には，反転のたびに切込みを入れるハイレシプロ研削と，一定速度で切込みを入れ続けるスピードストローク研削がある．リニアモータを用いたシステムの場合には，テーブル反転ハイパスフィルタ(2kHz)NC制御装置

リレー

トリガシグナルジェネレータ(5Hzローパス)

図 4 砥石自動接近・テーブル反転制御システムの構成

時のオーバランをコントロールできることから，寸法の小さい工作物のプランジ研削や金型のパンチ類の組み合わせた HEDG （High Efficient Deep Grinding）かき上げ研削などでその優位性が発揮できる．

が実用化されている．この方法によって，耐熱合金製の

図 2 は，リニアモータを用いたスピードストローク研削によるコンタリング研削結果の一例であり，このような三次元形状も高能率に創成できる.
２．３ 超高速研削タービンブレードが高能率に加工できる．
２．４ 研削プロセスにおける無駄時間の排除
図 3，図 4 に，筆者らが開発した砥石自動接近・テー
ブル反転適応制御システムの概要を示す．研削液を供

超高速で金属を切削すると，すくい面や剪断面の温給しながら回転中の砥石を工作物に接近させると，高度が上昇して半溶融状態の薄い金属層が潤滑的な役周波のキャビテーション音が発生し，これがテーブルの割を果たすことが期待される．そこで，摩擦抵抗や剪断内部に設置した加速度センサに検知される．音圧レベ抵抗の減少を狙った超高速切削実験が多くの研究者

ルは，砥石の接近に伴って急増するから，トリガレベルによって行われている．研削においても，同様の効果をを適切な値に設定しておけば，工作物表面にごく近い期待した超高速研削が試みられている．

位置（10～30µm）で砥石の接近を自動停止できる．

実験的には，空気の音速を超える相対速度で研削しまたこのシステムを用いれば，研削中の砥石が工作た例もあるが，実用化されているのは砥石周速度 V =物と離れるタイミングがわかるから，その瞬間にテーブ80 ～160m/s 程度の領域である．V を増加させると，砥ルの運動方向を反転させれば，工作物形状に沿ったテ粒最大切込み深さが小さくなり，研削抵抗も減少するのーブルの反転制御が実現できる．図 5 は，このシステムで，加工能率と研削比の増大が期待できる.

を用いたテーブル反転の様子を示したもので，図の L

一方，超高速研削を安全に行うには破壊強度の極字型工作物の場合，加工時間を約 40％削減できる．

めて高い砥石が必要である．また，回転数の 3 乗に比さらに，砥石の接近制御機能とテーブルの反転制御例する風損（周囲の空気との摩擦による損失）があるこ

機能をともに生かすことで，実研削が始まるでの無駄時とや，研削点に超高圧で注水する必要があるので消費間を大幅に削減できる．とはいえ，砥石の接近制御がう電力が大きくなる．このため，超高速研削が広く用いらまく機能しないと事故に繋がることから，さらなる信頼性れるには，さらなる技術開発が求められる．の向上が期待される．

なお最近では，超高速研削とクリープフィード研削を以上の他に，砥石と工作物の交換とこれに付随するJournal of the Japan Society for Abrasive Technology Vol.59 No.12 2015 DEC. 717-720

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非加工時間を圧縮することもまた重要である．グライディングセンタ化によって解決できている部分も削減できた運動領域

あるが，残された重要な課題と言

工作物

えよう．
砥石最下端の軌跡
工作物

３．超精密研削
３．１ 回転と直線運動および位

砥石最下端の運動軌跡

置決めの超精密化

図 5 各種形状の工作物に対する砥石最下端の運動軌跡

100mm

運動転写を基本とする工作機
械の回転軸には，数十µm の流体膜だけで軸を安定的に支持でき，かつ減衰転がり案内
転がり案内性に優れた油静圧軸受が採用される例

計が多く，最良のもので nm オーダの回転精度が得られる．一方，砥石と工作物の相対位置を直線的に移動させる直動計測プローブ

Z

案内には，油静圧案内あるいは非常に高精度な V-V 転がり案内（図 6）が用いられ，サブミクロンの運動

図 7 非球面形状の機上測定装置の一例（鈴木）図 6 超精密 V-V 転がり案内（田中）精度が得られている．
さらに，案内面の近傍に超精密なリニアスケールな水溶性研削液(+V)

どを配置してフィードバック電極(-V)

制御することで，位置決め精度とその再現性を高め砥石ている．しかし，研削盤の+電解電源－Fe2+イオン突出砥粒(a) プレドレッシング開始
ELID サイクル

不導体被膜（水酸化物，酸化物）(b) プレドレッシング完了遊離されたチップ

クーラント
工作物

内部発熱，研削熱，研削抵抗などのために加工中テーブル送り作用砥粒摩耗砥粒薄くなった不導体皮膜 はく離された不導体皮膜(d) ELID 安定化

における研削点の位置は(c) ELID 研削開始

図 8 ELID 研削の概要（大森ら）

変動しやすく，その位置をサブミクロン単位でコントロ微粒砥石が鏡面仕上に多用されている．しかし，目詰ールすることは不可能に近い．
そこで，加工途中に工作物の形状・寸法を高精度に測定して補正加工を施すことが行われる．このプロセスまりが生じやすく，砥石の目立て間寿命や加工能率などの点で課題がある．

を機上で行えば，工作物のつかみ直しに起因する誤差

そこで大森らは，図 8 に示す ELID 研削法を開発・実が防げるから，加工面形状の機上測定装置が種々考用化している．この方法では，結合剤に鋳鉄などを用案されている．図 7 は，微小非球面形状の機上測定装いた超砥粒ホイールを陽極とし，ホイールの表面に対置の一例である．図中の計測プローブはエアベアリン向する陰極を電極間隙が 0.1～0.3mm になるように設グで保持され，その変位はレーザセンサで計測される．

置して，弱導電性の研削液を供給する．研削に先立ち，

３．２ 微粒砥石による ELID 鏡面研削

両極に直流パルス電圧を印加して，砥石表面の結合仕上げ面粗さを向上させるには，砥粒の微細化が手剤だけを電解除去するプレドレッシングを行う［図中のっ取り早く，かつ有効である．そのため，多孔質の軟質(a)］．結合剤の表面には電解に伴う不導体被膜が生成

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砥粒加工学会誌720されるため，次第に電解速度が低下し，プレドレッシングは終了する(b)．この電解を加工中にも行う(d) ことで，目詰まりを抑えつつ研削を継続できる．この方法によっ

連続切れ刃間隔：5.35て，SiC，WC などの硬脆材料を高能率に鏡面加工できる．さらにこの方式を，メタルボンド以外の砥石にも適用baするための検討が続けられている．
一方，電子デバイス基板の加工においては金属イオンの汚染を嫌うことが多いため，電解作用に頼らなくても超精密加工が能率的かつ連続して行える多孔質ビト
0.7

リファイドボンドの微粒ダイヤモンドホイールを開発した例（岡西）がある．しかしいずれの方法でも，機械的な除去作用によって表面を創成している限り，無欠陥な0.7

図 9 ダイヤモンド砥粒配列砥石（D200，粒度 F60）の外観と砥粒の配列状態表面を得ることは不可能である．このため，この技術をCMP（Chemical Mechanical Polishing）の代わりに用いることはできない．
３．３ 砥粒配列砥石とトランケーション
図 9 に，筆者らが試作したダイヤモンド砥粒配列砥
石の概要を示す．この例では，粒度 F60 のダイヤモンド
砥粒を平均砥粒間隔が 0.7mm になるように台金の外周に配列している．砥粒の配列方向は切削方向に対して23.2° 傾けているので，連続切れ刃間隔は 5.35mm に

図 10 アルミニウム合金 A5052 の研削仕上面(0.08µmRz)

なる．また，任意の砥粒の切削ライン（たとえば図の a，bを結ぶ線）に隣接する切れ刃の切削ラインとの間隔はよって大きく異なるから，切れ刃高さにはばらつきがあ92µm になる．したがって，砥石表面を極精密ツルーイるため，光学デバイスとしての使用に耐えるような鏡面ング（研磨）して切れ刃逃げ面の直径が 92µm 以上になを創成するのは難しい．

るように摩滅させれば，工作物の全面がいずれかの切れ刃の平坦面によって切削され，鏡面が得られる．
一方，平面研削や平フライス加工による仕上面の最大高さ粗さ RZ は，次式で与えられる．
m v 1 （1）Rz ∝ V D ここで，v はテーブル速度，V は砥石周速度，D は砥石一方，CVD（Chemical Vapor Deposition）プロセスを応用してごく微細な切れ刃を配列した微小研磨ブロックを創る試みや，単結晶あるいは焼結ダイヤモンド製の微小ホイールの外周にレーザ加工を施して切れ刃を整然と創成する試み（鈴木）などがある，これらが砥石と呼べるのか疑問があるが，超精密・微細加工を行うための新しい取り組みであることに変わりはない．

直径である．上式の指数値 m は，通常の研削砥石では 0.4～0.5 であるのに対し，この砥石では 1.0 であった４．おわりにことから，砥粒配列砥石は粗さの操作性に優れていると研削加工では，仕上面の品質と加工能率が砥石の言える．図 10 は，この砥石でアルミニウム合金(A性能に依存する割合が大きい．幸い，2016 年 5 月号に5052) を研削した結果を示したもので，実質的にワンパ研削砥石に関する特集が組まれる予定なので，参考にスで 0.08µmRz の鏡面が得られている.

していただきたい．

一般の超砥粒ホイールの場合にも，切れ刃を高精度次回は，本稿で取り上げることができなかった，曲面に研磨（トランケーション）することによって鏡面仕上すと微細形状の超精密加工について紹介するとともに，ることができる（田牧）．しかしいずれの場合も，切れ刃各種固定砥粒加工のトピックスと複合（援用）研削につ

先端の研磨速度や使用時の摩耗速度は，結晶方位にいて述べ，本レクチャーを閉じることにしたい．

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