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【発明の名称】 高平滑研削加工方法および装置
【発明者】 【氏名】安井 平司
【要約】 【課題】現在の研削加工法では得ることが難しい高平滑研削仕上面を、研削加工手法を変えることにより、容易かつ高能率に、研磨加工に替え得る、あるいは、研磨加工に近い高平滑仕上げが出来るようにする。

【解決手段】
【特許請求の範囲】
【請求項１】 砥石を工具として用いて仕上げる平面研削法、円筒研削法、内面研削法、曲面研削法等の各種研削法で、砥石または工作物を、砥石回転方向（研削方向）と直角方向に、砥石１回転当たりの工作物送り量が、研削方向と直角な切れ刃逃げ面摩耗幅（異なる切れ刃逃げ面が連なっていると見なされる場合には、その総和の逃げ面幅）未満の送り速度になるように送ることにより、砥石−工作物接触幅を加工した後、幾何学的に計算される砥石−工作物の干渉高さが、要求する高平滑仕上面粗さ未満になるように、工作物または砥石を研削方向に平行方向に間欠的に微少量移動して、次の砥石−工作物接触幅を仕上げていくことを繰り返して、工作物全面を高平滑面に仕上げることを特徴とする研削加工方法。
【請求項２】 請求項１記載の方法を満足するような範囲に、砥石または工作物を、研削方向に直角方向と平行方向へ同時に送る合成送り速度を設定し、その合成送り速度で工作物を高平滑に仕上げていくことを特徴とする研削加工方法。
【請求項３】 Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に請求項１または２記載の方法を実施する制御システムを設けたことを特徴とする研削加工装置。
【請求項４】 研削盤のテーブル上に補助テーブル装置を設置し、請求項１または２記載の方法を実施するようにしたことを特徴とする請求項３記載の研削加工装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、金属（鉄鋼、非鉄金属）や非金属（セラミック、ガラス、プラスチック）等の高平滑研削加工方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】現在、金属、非金属の加工で高平滑仕上げを行うには、まず、粗粒の砥石で粗研削を行い、その後、細粒、微粒の砥石を用いて、仕上加工をした後、最終的に、ラッピングやポリシング等の研磨加工により、高平滑面に仕上げている。しかし、このような加工工程を経て、高平滑面に仕上げる加工法では、工作物を加工工程が変わる毎に移し替える必要があり、そのための多くの時間を要する。
【０００３】さらに、ラッピングやポリシング等の定圧力加工法で、高平滑面に仕上げる研磨加工は、加工精度を向上することが出来ず、また、除去速度が非常に小さいため、所要の加工量を加工するのに長時間を要する。このようなことから、現在行われている高平滑仕上げ法では、最終仕上加工工程を終えるまでに、多大の時間と労力を要し、加工コストが非常に大きくなっている。このため、その改善策が、近年の高品位加工における加工価格の低減化への強い要求とともに、従来にも増して、大きく期待されている。
【０００４】改善策の一方法として、ラッピングやポリシング等のように遊離砥粒を用いて、定圧力で高平滑面に仕上げる研磨加工に替えて、研削加工による高平滑仕上げが、従来から、検討されてきている。砥粒を固定した砥石を用いる研削加工では、高精度な研削盤の切込み装置で、砥石を工作物に切込むことにより、高能率な仕上加工を行う。
【０００５】したがって、研削加工で高平滑仕上げが可能になれば、１）加工能率の向上や工作物の移し替え工程の省略による総加工時間の短縮と、２）高平滑に加えて高精度で加工が出来る等の利点が生じるためである。このような研削加工による高平滑加工は、研磨加工の代替までとはいかなくとも、研磨加工に近い高平滑仕上げが行えれば、研磨加工工程における大幅な加工時間の短縮につながる。このため、研削加工による高平滑仕上げへの期待は非常に大きいものがある。
【０００６】しかし、現在行われているプランジ研削法やトラバース研削法で、通常、仕上面粗さ１μｍ（Ry値)以下にすることは簡単ではない。特に、１００ｎｍ(Ry値)以下の鏡面仕上面を得ることは難しく、研磨加工に替わり得るような高平滑加工は非常に難しいのが現状である。
【０００７】現在行われている研削加工方法によって生成される仕上げ面粗さの形態および機構を考えると、次のようである。
（研削による仕上面粗さの生成機構）研削加工によって工作物面上に生成される仕上面粗さは、目つまりの無い正常な研削においては、基本的には、砥石作業面の幾何学的凹凸が転写されたものと言える。この砥石作業面の幾何学的状態は、目つまりが無く、結合剤も研削に関与していない正常な研削で、切れ刃が通過した全ての部分が除去されるとすると、図２に、「砥石作業面上の切れ刃分布モデル」を示すように、砥石作業面４上に多数存在する砥粒３の切れ刃の分布と形状（以下、砥石作業面性状と記す）によって決定される。
【０００８】図３は、円筒外面研削で、工作物２の回転を停止し、砥石１を適当に切込んで研削した後、砥石切込みを行わずに加工を行う、いわゆる、スパークアウト研削をすることにより、砥石作業面の転写を行って得られる極限砥石仕上面粗さ（以下、極限粗さと記す）の測定方法とその測定によって得られる仕上面の状態を模式的に示すものである。この極限粗さは、その砥石作業面性状によって得られる最小の転写仕上面粗さである。
【０００９】図３に示すように、仕上面粗さを研削方向（砥石回転方向）に平行方向の仕上面粗さＨｐ（Ａ−Ａ断面仕上面粗さ：以下、「研削方向平行仕上面粗さ」と記す）と研削方向に直角な砥石軸方向仕上面粗さＨｎ（Ｂ−Ｂ断面仕上面粗さ：以下、「研削方向直角仕上面粗さ」と記す）に分けて考えると、図３の仕上面粗さモデルから分かるように、研削方向平行仕上面粗さＨｐは研削方向直角仕上面粗さＨｎよりも相当小さく、極限粗さは研削方向直角仕上面粗さＨｎで決まる。
【００１０】このような研削方向平行仕上面粗さＨｐが研削方向直角仕上面粗さＨｎよりも相当小さくなることについては、以下のようなことによるものと考えられる。図４は、横軸角テーブル型平面研削において，ある砥石軸方向断面の砥石作業面周上に存在する切れ刃による幾何学的な切り屑生成モデルを示すものである。図５は、図４の切り屑生成モデルにおいて連続する２個の切れ刃（Ａ，Ｂ）を考え、それらによって生成される研削方向平行仕上面粗さＨｐの幾何学的な大きさをモデル的に示すものである。このモデルによる幾何学的な研削方向平行仕上面粗さＨｐは、次式によって求められる。
【００１１】Ｈｐ≒(ｆａ)2/４Ｄｇ-------(１)ここで、Ｄｇ:砥石直径、ｆａ＝(ｖwp/Ｖｇ)：一つの砥粒切れ刃Ａが工作物を切削開始後から、次の砥粒切れ刃Ｂが工作物を切削し始めるまでに、工作物が移移動する距離、ａ:連続切れ刃間隔、ｖwp:研削方向平行送り速度、Ｖｇ：砥石周速度。
【００１２】図６に、（１）式を用いて、横軸角テーブル型平面研削において、研削方向平行送り速度を変えた場合の連続切れ刃間隔と研削方向平行仕上面粗さの幾何学的関係を調べた結果を示す。平面研削条件は、砥石周速度Ｖｇ＝２０ｍ/ｓ、研削方向平行送り速度ｖwp＝０．０１ｍｍ/ｓ〜１００ｍｍ/ｓ、砥石直径Ｄｇ＝２００ｍｍである。
【００１３】図６より、連続切れ刃間隔aを通常の砥石作業面性状の場合では，比較的長い１０ｍｍ程度とし、平面研削で中仕上げ程度に使用される研削方向平行送り速度ｖwp＝１００ｍｍ/ｓを考えると、幾何学的研削方向平行仕上面粗さＨｐは容易に１０ｎｍ(Ry値)以下になるのが分かる。
【００１４】また、連続切れ刃間隔ａを直径２００ｍｍの砥石の周長ＬＧ(＝πＤｇ)である約６００ｍｍの１/６の１００ｍｍとしても、研削方向平行送り速度ｖwp＝１０ｍｍ/ｓと遅くすれば、幾何学的研削方向平行仕上面粗さＨｐは５ｎｍ程度になるのが分かる。このような研削方向平行仕上面粗さが高平滑になる結果は、幾何学的計算結果のみではなく、正常な研削で、実際に形成される仕上面粗さでも、相当高平滑になることが分かっている。
【００１５】一方、研削方向直角仕上面粗さＨｎについては、砥石外円周表面を砥石作業面として行う場合について模式的に示すと、図７のような砥石作業面上の切れ刃によって形成される砥石作業面粗さが転写されて生成されることになる。もう少し言及すると、研削方向直角仕上面粗さＨｎは、砥石軸に垂直な各砥石幅断面における砥石作業面周上の切れ刃群の中で、最外周切れ刃を考え、それらを砥石軸方向に合成して出来る砥石軸方向断面の粗さ（以下、合成砥石軸方向断面粗さと記す）が転写され、生成される仕上面粗さと言える。
【００１６】この合成砥石軸方向断面粗さは、通常、形直しや目直しで砥石作業面上の切れ刃の高さを均一にすることが難しいために小さく出来ない。このため、研削方向直角仕上面粗さＨｎを１μｍ(Ry値)以下にすることは難しく、特に、１００ｎｍ(Ry値)以下にするのは非常に難しい。その結果として研削方向平行仕上面粗さと研削方向直角仕上面粗さが重畳した最大仕上面粗さＨmaxが１００ｎｍ(Ry値)以下である鏡面を得ることは、上述のように、極めて難しくなると言える。
【００１７】なお、実際の研削加工において測定出来る研削方向直角仕上面粗さＨｎは、一般に、合成砥石軸方向粗さが転写されて出来る仕上面粗さに、研削方向平行仕上面粗さＨｐの影響が重畳したものであり、上述の極限粗さは、研削方向平行仕上面粗さの影響が最小になる場合の仕上面粗さと言える。ただし、研削方向直角仕上面粗さＨｎは、高々数１００ｎｍ(Ry)までしか小さくならないのに対し、研削方向平行仕上面粗さは、数１０ｎｍ(Ry)以下と考えれる場合が多く、通常、研削方向直角仕上面粗さＨｎに及ぼす研削方向平行仕上面粗さＨｐの影響は小さいと言える。以上のように、研削加工における仕上面粗さは、一般的に、研削方向直角仕上面粗さＨｎの大きさによって決まると言える。
【００１８】（プランジ研削法とその仕上面粗さ）研削加工は、仕上加工であるので、旋削等の切削加工に比較して、加工能率が劣る。このため、砥石幅が工作物幅よりも広い場合には、いわゆる、プランジ研削法が高能率研削加工法として用いられる。また、複雑な形状の工作物の研削加工で、砥石を加工後の工作物形状に成形して加工する総形研削においても、プランジ研削法で行われる。
【００１９】このプランジ研削法は、砥石回転方向（研削方向）に直角な方向には工作物を移動せずに、例えば，円筒外面研削の場合には、工作物を回転させるだけで砥石切込みを連続的に行って加工し、また、横軸角テーブル型平面研削では、砥石回転方向に平行な方向にのみ工作物を移動させ、砥石切込みを間欠的に行って加工する。このことと、上述の仕上面の生成機構を考えると、プランジ研削によって生成される最大仕上面粗さＨmaxには、主として、研削方向直角仕上面粗さに関係する合成砥石軸方向断面粗さが関係すると言える。
【００２０】このため、プランジ研削で、所要の高平滑面を得るためには、合成砥石軸方向断面粗さを所要の高仕上面粗さ以下にする必要がある。例えば、１００ｎｍ(Ry値)以下の仕上面粗さを得るためには、合成砥石軸方向断面粗さを１００ｎｍ(Ry値)以下にする必要がある。しかし、通常の仕上研削で良く使用される砥粒径が数１０μｍ以上の砥石では、形直しや目直しにより切れ刃先端を揃えても、合成砥石軸方向断面粗さを小さくすることは難しく、プランジ研削の仕上面粗さＨmaxを１μｍ以下にすることは容易ではない。
【００２１】この改善策の一方法として、実用的には、使用する砥石を細粒、微粒のものにし、砥石作業面上に出来るだけ多くの砥粒切れ刃を作り、切れ刃先端を揃え、合成砥石軸方向断面粗さを小さくすることが行われる。それでも、合成砥石軸方向断面粗さを小さくし、仕上面粗さＨmaxを１００ｎｍ以下の鏡面にすることは、非常に難しい。
【００２２】また、細粒、微粒の砥石では、例えば、研削作業の極く初期に、良い仕上面粗さの加工が行えたとしても、目つまりが生じたり、砥粒切れ刃が砥石作業面から脱落したりするため、所要の加工量を砥石の寿命までに加工し得ず、再形直しや再目直しが必要で、加工能率が非常に悪くなっているのが現状である。
【００２３】（トラバース研削法とその生成仕上面粗さ）上述のように、プランジカット研削法では、平滑化し得る仕上面粗さに限界がある。その限界を越えた高平滑な仕上面を得るための方策として、現在、一般的な研削作業でよく用いられるトラバース研削法が考えられる。このトラバース研削法では、例えば、横軸角テーブル型平面トラバース研削の例では、ある工作物幅を研削方向に平行に研削した後、研削方向に直角な方向に砥石または工作物を、ある量だけ間欠的に送り、再び、先に研削したのとは逆方向に，研削方向と平行に研削することを繰り返して、工作物全面の加工を行う。また、円筒トラバース研削の例では、砥石回転方向に工作物を比較的高速に回転（通常、砥石周速度の１/１００程度が多い）させながら、砥石回転速度と直角方向にも比較的遅い速度で送る合成工作物送り法（または砥石送り法）で加工が行われる。
【００２４】このトラバース研削法によって生成される仕上面粗さを考えてみると、図７に示した合成砥石軸方向断面粗さの一部の幅の転写を繰り返すことにより生成されるものと見なし得る。砥石幅全体の合成砥石軸方向断面粗さの一部の粗さは、砥石幅全体の合成砥石軸方向断面粗さよりも小さくなる。このため、研削方向直角仕上面粗さはプランジカット研削の場合よりも向上する。
【００２５】このような考え方からすれば、トラバース研削における仕上面粗さは、合成砥石軸方向断面粗さの出来るだけ狭い幅を転写することにすれば、より大きく改善し得ると言える。例えば、横軸角テーブル型平面トラバース研削においては、砥石回転方向（研削方向）と直角方向である砥石軸方向の間欠的送り量ｆｎ（以下、「研削方向直角間欠送り量」と記す）を小さくすれば、基本的には、仕上面粗さが小さくなると考えられる。
【００２６】このようなことから、通常、良い研削仕上面を得るための方策として、トラバース研削が用いられ、例えば、横軸角テーブル型平面研削で、砥石幅が１０ｍｍの場合でも、研削方向直角間欠送り量をｆｎ＝１ｍｍ/ｐａｓｓにするなどの小さな送り量にされることが良く行われるのは、このような意味を持つと言える。
【００２７】しかし、実際に、このような概念により、横軸角テーブル型平面トラバース研削で高平滑面を形成しようとして、研削方向直角間欠送り量ｆｎを小さくする実験を行ってみると、仕上面粗さはある程度までしか向上しない。このように、研削方向直角仕上面粗さＨｎが向上しなくなるのは、研削における切り残しの発生のため、合成砥石軸方向断面粗さと同じ断面積が工作物表面から完全に除去されないためと考えられる。
【００２８】すなわち、研削加工においては、図８に示すような切れ刃による工作物の切削時の盛り上がり現象がある。高平滑研削を行うには、任意の工作物面上に形成された盛り上がりが、別の切れ刃によって確実に除去され、平滑化されることが必要である。このためには、盛り上がりが形成された部分に別の切れ刃が確実に通過し、盛り上がりが除去されなければならない。
【００２９】上述の平面トラバース研削において、研削方向直角間欠送り量ｆｎを小さくしても、研削条痕が残り、ある程度以上に仕上面粗さが小さくならないのは、図９にトラバース研削法の場合の工作物の移動方法を模式的に示すように、工作物表面上のある場所が研削された後、工作物端まで研削され、工作物が研削方向に直角な方向に所要の送り量ｆｎだけ間欠的に送られ、研削方向を変えて移動し、再び、同じ工作物面上が研削されるようになった時、１パス前のトラバース研削工程で切れ刃により形成された盛り上がりが別の切れ刃によって確実かつ全て除去されず、切れ刃が通過した後にも、工作物の一部の盛り上がりが残ることを意味するものと考えられる。
【００３０】以上のように、トラバース研削法で生成可能な仕上面粗さは、プランジ研削法より仕上面粗さを向上し得るが、やはり、その到達仕上面粗さには限界があると言え、通常、１００ｎｍ（Ry値）以下の仕上げを容易に行うのは難しいのが現状である。また、プランジ研削法と同様に、細粒、微粒の砥石を用いて、研削作業の極く初期に、良い仕上面粗さの加工が行え得たとしても、目つまりが生じたり、砥粒切れ刃が砥石作業面から脱落したりし、所要の加工量を砥石の寿命までに加工し得ず、再形直しや再目直しが必要で、加工能率が非常に悪くなっているのが現状である。
【００３１】
【発明が解決しようとする課題】研削加工法では、従来、（１）プランジカット研削法や（２）トラバース研削法で加工が行われているが、それらの加工法では高平滑な仕上面を生成するのは容易ではない。というのは、プランジカット研削仕上面粗さには、合成砥石軸方向断面粗さの転写が主として関係する。その合成砥石軸方向断面粗さを高平滑化するのは容易ではなく、通常、合成砥石軸方向断面粗さは、比較的大きな粗さを持つ。このため、通常、プランジカット研削による合成砥石軸方向断面粗さの転写によって高平滑面を工作物上に形成することは難しい。
【００３２】また、トラバース研削法では、合成砥石軸方向断面粗さの一部を用いて工作物を研削するので、プランジカット研削法よりも高平滑な仕上面を生成出来るが、工作物の盛り上がりを十分に除去し得ないために、やはり、仕上面粗さをある程度までしか向上できない。
【００３３】本発明の方法は、このような現在の研削加工法では得ることが難しい高平滑研削仕上面を、研削加工手法を変えることにより、容易かつ高能率に、研磨加工に替え得る、または、研磨加工に近い高平滑仕上げが出来るようにしようとするものである。本発明の方法は、また、新たに研削盤や研削加工システムを用いなくても、ある程度の高平滑加工は、既存の研削盤でも利用できるようにすることも目指している。
【００３４】
【課題を解決するための手段】本発明者は、図１に、「横軸角テーブル型平面研削」の例で示すような高平滑研削法を発明した。本発明の方法は、横軸角テーブル型平面研削の場合の例では、まず、（１）砥石１または工作物２を、研削方向とは直角方向に、砥石１回転当たりの工作物送り量ｆGnが、研削方向と直角な切れ刃逃げ面６摩耗幅ｗnより小さい送り速度（ｆGn＜ｗn）になるように送り、砥石−工作物接触幅を加工する（第１の要件）。
【００３５】（２）その後、幾何学的に計算される砥石−工作物の干渉高さ（研削方向平行仕上面粗さＨｐに相当）が、要求する高平滑仕上面粗さＨmax未満になるように、研削方向に微少な送り量ｆｐだけ、砥石または工作物を間欠的に移動する（第２の要件）。そして、次の砥石−工作物接触幅を仕上げる。このようなことを繰り返して、工作物全面を研磨加工に替え得る、または研磨加工に近い高平滑面に仕上げる研削方法である。
【００３６】すなわち、本発明は、砥石を工具として用いて仕上げる平面研削法、円筒研削法、内面研削法、曲面研削法等の各種研削法で、砥石または工作物を、砥石回転方向（研削方向）と直角方向に、砥石１回転当たりの工作物送り量が、研削方向と直角な切れ刃逃げ面摩耗幅（異なる切れ刃逃げ面が連なっていると見なされる場合には、その総和の逃げ面幅）未満の送り速度になるように送ることにより、砥石−工作物接触幅を加工した後、幾何学的に計算される砥石−工作物の干渉高さが、要求する高平滑仕上面粗さ未満になるように、工作物または砥石を研削方向に平行方向に間欠的に微少量移動して、次の砥石−工作物接触幅を仕上げていくことを繰り返して、工作物全面を高平滑面に仕上げることを特徴とする研削加工方法である。
【００３７】また、本発明は、上記の方法を満足するような範囲に、砥石または工作物を、研削方向に直角方向と平行方向へ同時に送る合成送り速度を設定し、その合成送り速度で工作物を高平滑に仕上げていくことを特徴とする研削加工方法である。
【００３８】さらに、本発明は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に上記の方法を実施する制御システムを設けたことを特徴とする研削加工装置である。また、本発明は、研削盤のテーブル上に補助テーブル装置を設置し、上記の各方法を実施するようにしたことを特徴とする上記の研削加工装置である。
【００３９】図９は、従来の横軸角テーブル型平面研削におけるトラバース研削法の場合の工作物の移動方法を示すモデル図である。図９に示すように、まず、（１）砥石１または工作物２を研削方向と平行方向に送って、研削方向と直角なある幅の工作物を研削方向と平行に砥石作業面上の切れ刃５で研削した後、（２）間欠的に研削方向に直角方向に砥石１または工作物２を送り、次の工作物幅を研削することを繰り返し工作物の全面を加工していく。
【００４０】これに対して、本発明の方法の第１の特徴は、まず、トラバース研削とは逆に、研削方向に直角方向に砥石または工作物を送って砥石−工作物接触幅を研削するが、その際、砥石１回転当たりの研削方向直角送り量を、研削方向に直角方向の砥粒切れ刃逃げ面幅よりも小さくすることである。
【００４１】第２の特徴は、砥石−工作物接触幅を研削後、間欠的に研削方向に平行方向に砥石または工作物を送って、次の砥石−工作物幅を研削することを繰り返し、工作物全面を研削していくが、その研削方向平行間欠送り量を、送りによって生じる幾何学的な砥石−工作物の干渉高さが、要求する高平滑仕上面粗さＨmax未満になるように計算して決定することにある。
【００４２】第３の特徴は、上記の本発明の研削法の特徴に基づいた研削加工が行えるようにするための補助工作物移動装置を既存の汎用研削盤に付ければ、新規の研削盤や研削加工システムを製造しなくても、ある程度の高平滑研削がなし得るように出来ることである。
【００４３】本発明の方法に類似した、研削方向に直角方向と平行方向へ同時に送る合成送り研削法については、本発明者らにより、従来、角テーブル型平面研削で一部実験的に検討されている（HeijiYASUI, Go YAMAZAKI, Yutaka HIRAKI, ShigehikoSAKAMOTO,Masato SAKATA, Morihiko SAEKI, Akira HOSOKAWA:Ultra-SmoothnessGrinding of Fine Ceramics with #140-Mesh Grain Size Diamond Wheel,Proceedingsof American Society for Precision Engineering 1999 Annual Meeting,Monterey,California, USA,November 1, 1999,127）。
【００４４】その場合の方法は、ＮＣ装置の工作物送りシステムでは、合成送り速度を決めることによって工作物を移動していることを考え、合成送り速度ｖwcを適当かつ経験的に設定することによって検討している。しかし、この合成送り速度の選定方法は、基本的には、無限大の数があり、本発明の研削法のように高平滑研削条件を明確に決め得ず、高平滑面を得るための条件を満たすことは、例外的であり、事実上、高平滑研削条件を決めることは不可能に近いものであった。
【００４５】（本発明の研削法による仕上面の平滑化作用）本発明の研削法における工作物仕上面粗さＨmaxを、図３で示したように、(1）研削方向直角仕上面粗さＨｎと、(２)研削方向平行仕上面粗さＨｐとが重畳したものと考え、横軸角テーブル型平面研削において、本発明の研削法によって生成される仕上面粗さを検討すると、次のようになる。
【００４６】１）研削方向直角仕上面粗さＨｎの検討図１に示すように、砥石作業面４上に多数存在する切れ刃の中から、一つの切れ刃を考え、その切れ刃による工作物の除去により、基本的に高平滑研削を行うことを考える。本発明の研削法では、砥石の１回転当たりの工作物送り量ｆGnを、研削方向と直角な切れ刃逃げ面摩耗幅ｗn未満にして、工作物を研削方向とは直角方向に送って研削する。
【００４７】その結果、図１０から分かるように、切れ刃５は、砥石の１回転前に、同じ切れ刃５が(Ａ)既に除去した既除去加工面１０の一部分および(Ｂ)前盛り上がり７部分と確実に重複しながら工作物を研削することになる。このため、盛り上がりは、確実に除去されることになるので、研削方向直角仕上面粗さは切れ刃逃げ面上に存在する研削方向と直角方向の粗さが工作物２に転写されただけのものとなる。切れ刃逃げ面上に存在する研削方向と直角方向の粗さは、一般的に、100nm（Ry値)よりもはるかに高平滑である。
【００４８】したがって、幾何学的に求められる研削方向直角仕上面粗さＨｎは、非常に高平滑な面になる。実際には、切れ刃５が、砥石の１回転前に除去した既除去加工面１０側にも、盛り上がりが形成される可能性もあると考えられるが、その盛り上がり高さは、切れ刃が１回転前に形成した盛り上り高さに比較すると、非常に小さくなると考えらる。このため、本発明の高平滑研削法の研削方向直角仕上面粗さＨｎは、現在行われているトラバース研削法に比較して、格段に小さくなる【００４９】このような、本発明方法の盛り上がりの除去機構による仕上面の高平滑化を考えると、本発明では、高平滑研削に粗粒の砥石を使用し得ると言う、もう一つの特徴（第４の特徴）が生じる。従来の考え方では、細粒、微粒の砥石の方が粗粒の砥石よりも、砥粒切れ刃が多く、合成砥石軸方向断面粗さも小さくなるので、高平滑研削に良いとされてきた。
【００５０】しかし、本発明の高平滑研削法においては、切れ刃逃げ面を大きくすることが出来る粗粒の砥石の方が、研削方向直角送り速度を速くできるので、より短時間に加工が出来ることになる。また、細粒、微粒の砥石では、研削方向直角仕上面粗さが、研削初期には良くても、 研削による切り屑形成の際に砥粒切れ刃にかかる力により切れ刃が脱落したり、形成された切り屑が目つまりしたりするために、加工精度や仕上面粗さの悪化が生じる。特に、除去速度を大きくすると、砥石の損耗が大きくなり、また、目つまりの発生も生じやすくなるので、研削が不安定となるため、高能率化出来ない。
【００５１】この一方、粗粒の砥石で高平滑加工が出来れば、粗粒砥石では、結合剤による砥粒保持面積が大きく、また、チップポケットも大きいので、砥粒の脱落や目つまりの発生も少なくなり、安定した高平滑加工が出来る。本発明方法は、このような長所を持つことになる。
【００５２】ところで、実際の研削では、図１に示すように、砥石作業面４上には多数の切れ刃が存在する。本発明の高平滑研削法では、研削方向と直角方向である砥石軸方向に相対的に工作物を送るが、砥石１は巨視的には図１１に示すように、砥石側端面から砥石幅方向に僅かな曲率をもつような形状になる。このため、工作物２は、まず、砥石幅端側（図１１の場合はＡ端側）の砥石作業面上に存在する切れ刃で研削された後、それらの切れ刃で切り残された工作物が、より砥石幅中央側に存在する切れ刃により除去される（スパークアウトされる）ことになる。
【００５３】したがって、切れ刃による工作物の除去作用が重畳し、一つの切れ刃によって生成される仕上面粗さよりも仕上面粗さは良くなると考えられる。なお、一つの切れ刃による単刃研削工具では、切れ刃の摩耗や脱落が加工精度や仕上面粗さに直接影響するが、砥石のように多数の切れ刃が存在する多刃工具では、一つの切れ刃の摩耗や脱落があっても、影響は少なく、安定した加工精度と仕上面粗さが得られるという特徴があり、本発明は、この点でも優れた高平滑研削法と言える。
【００５４】２）研削方向平行仕上面粗さＨｐの検討横軸角テーブル型平面研削の場合の研削方向平行仕上面粗さＨｐは図１より、幾何学的に次式で求められる。
Ｈｐ≒(ｆｐ)2／４Ｄｇ -----------(２)したがって、研削方向平行仕上面粗さＨｐが与えられた時、所要の研削方向への間欠的送り量ｆｐは、前記の(１)式を変形して次式で求められる。
ｆｐ≒(４Ｈｐ・Ｄｇ)0.5 -----------(３)【００５５】(３)式を用いると、直径Ｄｇ＝２００ｍｍの砥石を用いて横軸角テーブル型平面研削で仕上面粗さをＨmax＝２０ｎｍ(Ry値）以下にする場合には、間欠的送り量ｆｐは次のようになる。
ｆｐ≒(１６Ｈｐ・Ｄｇ)0.5＝(４×２０×１０-6×２００)0.5＝(１．６×１０-2)0.5≒０．１２６ｍｍ＝１２６μｍこの結果より、ｆｐ＝１２６μｍ以下の送り量にすれば良いことになる。実際には、目つまりや研削系の振動等の仕上面粗さへの影響が考えられるので、その１／２ぐらいのｆｐ＝６０μｍ程度が目安になる。
【００５６】
【発明の実施の形態】第１の発明（請求項１に記載）は、図１２に示す平面研削（横軸角テーブル型）、図１３に示す平面研削（横軸円テーブル型）、図１４に示す円筒外面研削、図１５に示す円筒内面研削、図１６に示す総形研削等の各種の研削加工に、「本発明の研削方法の基本的な２つの要件」を取り入れて、それぞれの加工で、高平滑な研削法を行うことを特徴とするものである。
【００５７】「本発明の研削方の基本的な２つの要件」は次の通りである。（１）砥石または工作物を、研削方向と直角方向のみに、砥石１回転当たりの工作物送り量ｆGnが、研削方向と直角な切れ刃逃げ面摩耗幅ｗn未満となるようにして送り、砥石−工作物接触幅を研削方向に直角方向に工作物を加工する。このことにより、切れ刃によって形成された盛り上がりを、形成したのと同じ切れ刃によって確実に除去し、研削方向に直角な仕上面粗さを高平滑にする。
【００５８】（２）その後、幾何学的に計算される砥石−工作物の干渉高さが、要求する高平滑仕上面粗さ未満になるように、研削方向に微少な送り量ｆｐだけ、工作物または砥石を間欠的に送り、次の砥石−工作物接触幅を仕上げていくことを繰り返して、工作物全面を高平滑面に仕上げる研削方法である。
【００５９】第２の発明（請求項２に記載）は、図１７に示す平面研削（横軸角テーブル型）、図１８に示す平面研削（横軸円テーブル型）、図１９に示す円筒外面研削、図２０に示す円筒内面研削、図２１に示す総形研削に示すように、第１の発明（請求項１に記載）の方法を満足する範囲内で、砥石または工作物を、研削方向に直角方向と平行方向へ同時に送る合成送り速度を設定し、その合成送り速度ｖwcで工作物全面を高平滑に仕上げていく研削方法である。
【００６０】第３の発明（請求項３に記載）は、第１の発明（請求項１）の研削方法を実施するための研削盤と研削加工システムである。横軸角テーブル型平面研削の場合の例を図２２に示すように、本発明の高平滑研削方法の実施のための研削盤や高平滑研削システム等は、テーブルが上記方法の条件を満足するような機能をもつ高平滑研削盤、および、その研削盤に本発明の高平滑研削方法が自動的に実施できるように、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に制御システムを付けた高平滑研削システム等である。Ｘ軸方向制御は（ｆp2／４Ｄg）＜Ｈp、所要送り精度ｆp＜（４Ｄg・Ｈp）0.5 、Ｙ軸方向制御はｖwp＝（ｆGn・Ｎg）で表される。
【００６１】既存の研削盤では、例えば、トラバース研削を行うことを目的とした横軸角テーブル型平面研削では、研削方向平行送り量が上述したような高精度に間欠的に送る機能は持たない。また、円筒外面研削盤や円筒内面研削盤は、研削方向と平行方向、すなわち、砥石ないしは工作物の回転方向に、砥石ないしは工作物を間欠的に送る機能そのものを持たない。
【００６２】本発明の研削法は、加工能率を向上するために、従来のＮＣ研削盤では考えられていなかった、研削方向直角送り速度が高速に出来るという特徴も持つ。加えて、研削方向に直角方向と平行方向へ同時に送る合成送りも本発明の方法の適用を十分に満たすことが出来る。
【００６３】第４の発明（請求項４に記載）は、第１の発明（請求項１）の高平滑研削方法を実施するために、既存の研削盤に補助的に設置するための装置である。図２３に横軸角テーブル型平面研削で研削盤のテーブル上に設置して使用する補助テーブル装置の例を示し、研削方向平行間欠送りには■、研削方向直角送りには■で示すサーボモータなどを用いる。■、■は直動案内などを示す。この装置により、研削方向直角送り速度が高精度に制御でき、また、研削方向平行の間欠送り量が数μｍ以下の精度で制御できる。
【００６４】以下に本発明の実施例を示す。
［実施例１］
超硬合金（Ｐ２０）の高平滑横軸角テーブル型平面研削例図２４に、砥石１回転当たりの研削方向に直角方向の工作物送り量をｆGn＝２０μｍ/ｒｅｖ、研削方向平行間欠工作物送り量ｆｐ：３０μｍ/ｐａｓｓの条件で、本発明の高平滑研削法を適用して、超硬合金を研削した場合の仕上面（ｂ）を、従来のトラバース研削で研削方向直角間欠送り量ｆｎが最も小さかった場合の仕上面（ａ）と比較してして示す。なお、研削加工条件は次の通りである。
【００６５】
研削方法：横軸角テーブル型平面研削砥石 ：ＳＤ140Ｑ50Ｍ工作物 ：超硬合金(JIS P20)研削液 ：ソリュブル(1/50)（JIS W2種）
研削条件：１)砥石周速度Ｖｇ：２０ｍ/ｓ２)砥石切込みt：５μｍ３)研削方向直角工作物送り速度ｖwn：１．３ｍｍ/ｓ４)砥石１回転当たり工作物送り量ｆGn：２０μｍ/ｒｅｖ５)研削方向平行間欠工作物送り量ｆｐ：３０μｍ/ｐａｓｓ【００６６】図２４より、従来のトラバース研削で明確に見られた研削方向に平行な研削条痕は、本発明の高平滑研削法では明確には見られず、研削条痕が相当消失しており、盛り上がりが相当確実に除去されているのが分かる。研削方向直角仕上面粗さ(Y-Profile)は、約８４ｎｍ（Ry値）、研削方向平行仕上面粗さ(X-Profile)は、約５４ｎｍ（Ry値）であり、１００ｎｍ（Ry値）を下回っており、トラバース研削の場合に比較すると、１/３以下の仕上面粗さになっていた。
【００６７】［実施例２］
ファインセラミックスの高平滑横軸角テーブル型平面研削例粒度#140の粗粒のダイヤモンド砥石を用いて、本発明の高平滑研削法を適用して、窒化けい素セラミックを研削加工条件、Ｖｇ＝２０ｍ/ｓ，ｆGn＝５０μｍ[ｖwn＝３．２ｍｍ/ｓ]，ｆｐ＝１０μｍで、炭化けい素セラミックを研削加工条件、Ｖｇ＝２０ｍ/ｓ，ｆGn＝５０μｍ[ｖwn＝３．２ｍｍ/ｓ]，ｆｐ＝１０μｍで、アルチック(アルミナチタンカーバイド）セラミックを研削加工条件、Ｖｇ＝５０ｍ/ｓ，ｆGn＝２０μｍ[ｖwn＝３．２ｍｍ/ｓ]，ｆｐ＝３０μｍで、それぞれ研削した。
【００６８】本発明の高平滑研削方法で、各セラミックを研削した場合には、いずれの場合にも約２０ｎｍ(Ry値)[４ｎｍ(Ra値)以下]の非常に高平滑面となっていた。なお、何れの場合もほぼ延性モード研削面になっていることが確かめられている。このような、延性モード高平滑面は、従来、粒度#140の粗粒ダイヤモンド砥石で得られるとは考えられなかったもので、本発明方法の大きな特長（第５の特徴）である。
【００６９】［実施例３］本発明の高平滑研削法を軸傾斜立軸円テーブル型平面研削に適用した場合の仕上げ面粗さ生成モデルを図２５に示す。この場合、幾何学的干渉高さをＨｐ’として、その大きさは次式で決まる。
Ｈｐ≒Ｈｐ’ｓｉｎθ≒(ｆｐ)２／４Ｄｇｓｉｎθ-----------(４)【００７０】図２６に、軸傾斜立軸円テーブル型平面研削の場合について、式（４）から求めた研削方向平行間欠送り量ｆｐと研削方向平行仕上面粗さＨｐ(Ry値)との関係を示す。なお、傾斜角θは、非常に小さく、１°とした。図２６より分かるように、傾斜立軸円テーブル型平面研削の場合も、間欠送り量を小さくすれば、容易に１０ｎｍ(Ry値)以下の仕上面粗さが得られる。この方式の場合、図２５に示す例のように、傾斜角を小さくすれば、他の研削加工方法に比較して、間欠送り量をｆｐ＝１００μｍにしても、１０ｎｍ(Ry値)以下の仕上面粗さに容易にできる。
【００７１】
【発明の効果】以上に詳述したように、本発明の研削法では、従来のプランジカット研削加工法やトラバース研削加工法では実現困難であった、高平滑研削加工が可能である。本発明の高平滑研削法による高平滑加工についての詳細な効果はそれぞれの実施例のところで述べたが、これを要約すると、従来の方法に対して、次のような特長の効果がある。
【００７２】１)従来のトラバース研削法では、非常に難しかった仕上面粗さ１μｍ以下や特に難しかった１００ｎｍ(Ry値)以下の高平滑面に容易に仕上げることが出来る。
２)平面研削、円筒研削、総形研削等の各種研削加工法に適用できる。
３)新たな研削盤や研削加工システムを製造しなくても、既存の研削盤でも補助装置を設置すれば、利用できる。
４）高平滑加工ができるため、最終仕上加工工程のラッピングやポリシングによる加工時間を大幅に低減できる。
５）高平滑研削加工に粗粒の砥石が使用できる。このため、粗研削も同じ砥石で行うことが出来るので、工作物の取り付け、取り外し時間が削減でき、総加工時間を短縮することが出来る。
６）粗粒ダイヤモンド砥石によるファインセラミックの高平滑延性モード研削が可能で仕上面粗さが２０ｎｍ（P-V）以下の超平滑面が得られる。
【出願人】 【識別番号】３９６０２０８００
【氏名又は名称】科学技術振興事業団
【出願日】 平成１３年９月１８日（２００１．９．１８）
【代理人】 【識別番号】１００１０８６７１
【弁理士】
【氏名又は名称】西 義之
【公開番号】 特開２００３−９４２９６（Ｐ２００３−９４２９６Ａ）
【公開日】 平成１５年４月３日（２００３．４．３）
【出願番号】 特願２００１−２８４１８８（Ｐ２００１−２８４１８８）