JP7435519B2 - 研削装置及びそれを用いた研削加工品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、研削装置及びそれを用いた研削加工品の製造方法に関する。

砥石や研磨布紙等からなる研削部材（例えば特許文献１参照）を支持する支持ヘッドを有し、支持ヘッドによって研削部材を鋼板、鋼管等のワークに押し付けてワークを研削する研削装置が知られている。

特開平６－１５５３１４号公報

研削時に研削部材がワークに片当たりしていると、被加工面が片削り状態になるため、研削加工精度が低下する。このため、片当たりができるだけ抑制されるように研削加工前にワークの被加工面に対する支持ヘッド全体の傾斜角度をアライメント調整機構を介して調整することが一般的に行われている。しかし、ワーク毎に被加工面の傾斜角度がばらついていたり、ワークの被加工面内でも傾斜角度が不均一であったりする場合もあり、被加工面の傾斜角度が変わるたびにアライメント調整を実施することは非効率的であった。

そこで、本発明は、片削りを効率的に抑制し、もって効率的な研削加工を可能にすることができる、研削装置及びそれを用いた研削加工品の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の要旨は次の通りである。

１．ワークの被加工面を研削する研削面を備える研削部材と、
前記研削部材の前記研削面と前記ワークの前記被加工面とが互いに押し付けられることで平行に近づくように前記研削部材を傾動可能に支持する支持ヘッドと、
を有する、研削装置。

２．前記研削部材が前記ワークからの反力によって傾動する、前記１．に記載の研削装置。

３．前記支持ヘッドが、ベースと、前記研削部材を保持するホルダと、前記ホルダを前記ベースに回動可能に連結する回動連結部材と、を有する、前記１．又は２．に記載の研削装置。

４．前記回動連結部材を介した前記研削部材の傾動を規制する規制部材を有する、前記３．に記載の研削装置。

５．前記規制部材が、前記研削部材を前記回動連結部材を介して所定位置に向けて傾動させる付勢部材を有する、前記４．に記載の研削装置。

６．前記回動連結部材が前記ホルダを前記ベースに回動軸線に沿って延びる軸部材を介して回動可能に連結する、前記３．～５．の何れか１項に記載の研削装置。

７．前記回動軸線が前記研削部材から見て前記ワークの反対側に位置する、前記６．に記載の研削装置。

８．前記回動軸線が前記研削部材を通る、前記６．に記載の研削装置。

９．前記研削部材が、回転によって前記ワークを研削する外周面を有する、前記１．～８．の何れか１項に記載の研削装置。

１０．前記１．～９．の何れか１項に記載の研削装置を用いて前記研削部材の前記研削面と前記ワークの前記被加工面とが互いに押し付けられることで平行に近づくように前記研削部材を傾動させながら前記ワークを研削する工程を有する、研削加工品の製造方法。

本発明によれば、片削りを効率的に抑制し、もって効率的な研削加工を可能にすることができる、研削装置及びそれを用いた研削加工品の製造方法を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る研削装置を示す外観図である。 本発明の第２実施形態に係る研削装置の回動連結部材を示す平面図である。 図２Ａに示す回動連結部材の斜視図である。 本発明の第３実施形態に係る研削装置を示す外観図である。 図３に示す研削装置の一部を９０°異なる角度から見た時の外観図である。 図３に示す研削装置の研削部材の被加工面への押し付け開始時の状態を示す外観図である。 図５Ａに示す状態から押し付けを完了した時の状態を示す外観図である。 比較例としての研削装置を示す外観図である。 実施例としての図３に示す研削装置を用いて作成した被加工面を示す外観図である。 比較例に対する実施例の片削り抑制効果を示す実験データであり、横軸をパス回数、縦軸を被加工面の研削幅として示すグラフである。 比較例に対する実施例の片削り抑制効果を示す実験データであり、横軸を研削幅方向位置、縦軸を研削深さとして示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について例示説明する。なお、図１中において、前後方向をＸ方向、Ｘ方向に垂直な方向（左右方向）をＹ方向、Ｘ方向及びＹ方向に垂直な方向（上下方向）をＺ方向とする。

図１に示すように、本発明の第１実施形態に係る研削装置１は、平板状の鋼材であるワーク２（被加工材）を研削することにより、研削加工品として表面が研削加工された鋼板を製造する装置である。なおワーク２は平板状に限らず例えば、湾曲板状であってもよいし、管状であってもよい。またワーク２は鋼製に限らず例えば、鋼以外の金属製等であってもよい。

研削装置１は、研削部材４と支持ヘッド５とで構成される研削ヘッド３を有している。

研削部材４は例えば砥石からなる砥石車で構成され、図１中のＹ方向に延びる回転軸線Ｏを中心に回転することで円柱面状の外周面によってワーク２を研削することができる。つまり、研削部材４は、回転によってワーク２を研削する外周面で構成される研削面４ａを有している。研削部材４は図示しないアクチュエータを含む駆動装置６により、回転軸線Ｏに沿って延びる回転軸７を介して回転駆動される。回転軸７は、回転軸線Ｏに沿う方向（以下、説明の便宜上、左右方向ともいう）において研削部材４からその両側に突出する２つの突出部７ａを有している。なお、研削部材４の研削面４ａを構成する外周面は、図示するように周方向（或いはＺ方向）に向けて直線状に延びる直線形帯状をなしているが、これに限らず例えば、周方向に向けて左右に蛇行して延びる波形帯状をなしていてもよい。

支持ヘッド５は、ベース８と、研削部材４を回転軸７を介して保持するホルダ９と、ホルダ９をベース８に回動可能に連結する回動連結部材１０と、を有している。

ベース８は、支持部材１１と、アクチュエータ１２と、図１中にＺ方向に延びる両方向矢印で示すようにアクチュエータ１２によって支持部材１１に対して被加工面２ａに向かう方向である押し付け方向とその反対方向（以下、説明の便宜上、押し付け方向を下方ともいい、その反対方向を上方ともいう）に直線的に相対移動させられる可動部材１３と、を有している。つまり可動部材１３はアクチュエータ１２によってワーク２に対して相対的に上下方向に沿って平行移動することができる。なお押し付け方向は例えば鉛直下方である。支持部材１１は、アクチュエータ１２を支持するとともに図示しないヘッド移動装置に取り付けられており、ヘッド移動装置を介して押し付け方向に垂直な任意の方向に移動可能である。ヘッド移動装置は、押し付け方向に垂直な第１方向（例えば、Ｘ方向とＹ方向の一方）に支持部材１１を平行移動させる第１並進機構と、押し付け方向と第１方向の両方に垂直な第２方向（例えば、Ｘ方向とＹ方向の他方）に支持部材１１を平行移動させる第２並進機構と、を有する構成であってよい。なお、ヘッド移動装置はこれに限らず、例えばロボットアームで構成してもよい。ベース８全体の傾斜角度は、押し付け方向がワーク２の被加工面２ａに略垂直となるように図示しないアライメント調整機構を介して適宜調整される。

ホルダ９は、回転軸７の２つの突出部７ａを軸受け部を介して回転可能に支持する左右方向（Ｙ方向）に垂直な平板状の２つの側方部材９ａと、これらの側方部材９ａの上端を一体に連結する上下方向（Ｚ方向）に垂直な平板状の上方部材９ｂと、を有している。一方の側方部材９ａは左右方向の一方側から研削部材４に対向するとともに一方の突出部７ａを支持し、他方の側方部材９ａは左右方向の他方側から研削部材４に対向するとともに他方の突出部７ａを支持している。上方部材９ｂは上方側から研削部材４に対向するとともに可動部材１３よりも下方に位置している。なお、側方部材９ａは必ずしも研削部材４の左右方向両側に設けられている必要はなく、研削部材４の片側のみ（例えば駆動装置６が設けられている側のみ）に設けられていてもよい。

回動連結部材１０は、上下方向（押し付け方向に沿う方向）と左右方向（回転軸線Ｏに沿う方向）との両方に垂直な回動軸線Ｐ（図１中のＸ方向に延びる軸線）に沿って延びる軸部材である回動軸１４を介して上方部材９ｂを可動部材１３に回動可能に連結している。したがって、ホルダ９とホルダ９に保持された研削部材４とは、回動軸線Ｐを中心にワーク２の被加工面２ａに対して傾動することができる。

また、回動連結部材１０は、回動連結部材１０を介した研削部材４の傾動を規制する規制部材として、所定位置に向けて研削部材４を回動連結部材１０を介して傾動させる付勢部材１５を有している。付勢部材１５は回動軸線Ｐの左右方向両側に設けられた２つの引張ばねで構成されている。所定位置は、回転軸線Ｏが押し付け方向、すなわち上下方向（Ｚ方向）に垂直となる中立位置にできるだけ近いことが好ましく、本実施形態では中立位置とされている。規制部材を設けることにより、被加工面２ａへの研削部材４の非押し付け時に前後方向（或いは回動軸線Ｐ）に垂直な面内において研削面４ａを被加工面２ａに略平行に保つことができる。

駆動装置６、アクチュエータ１２及びヘッド移動装置は、図示しないコンピュータで構成される制御装置によって統合制御される。制御装置により、研削部材４が回転状態でワーク２の被加工面２ａ（板厚方向の一方側の面）にアクチュエータ１２を介して例えば位置制御又は力制御によって押し付けられ、研削ヘッド３が被加工面２ａを研削しながらヘッド移動装置を介して上下方向に垂直な方向（例えば、左右方向及び前後方向）に所定の経路に沿って走査させられる。走査は例えば一定速度で行われる。

なお、第１実施形態では上述したように回動連結部材１０の付勢部材１５は回動軸線Ｐの左右方向両側に位置する２つの引張ばねで構成されているが、付勢部材１５は図２Ａ～図２Ｂに示す第２実施形態のように、回動軸線Ｐの左右方向両側に位置する部分を含むゴム製等の塊状の弾性部材で構成してもよい。弾性部材は図示するように２つの部分からなっていてもよいし、これらの２つの部分が一体に連なった１つの部分からなっていてもよい。また、塊状でなく圧縮コイルばね状などの弾性部材を用いてもよい。付勢部材１５に代えてオイルダンパ等のダンパ部材を規制部材として設けてもよい。第２実施形態では回動軸１４は前後方向に分離した２つの部分からなっている。また、これらの部分により、前後方向に分離した２つのヒンジ１６が構成されている（図２Ａ～図２Ｂでは１つのヒンジ１６のみ図示）。

また、第１実施形態では回動軸線Ｐは研削部材４から見てワーク２の反対側に位置しており、これにより、回動軸線Ｐは研削部材４よりも上方に位置している。しかし、図３～図５Ｂに示す第３実施形態の場合のように、回動軸線Ｐは研削部材４を通り、これにより、研削部材４の上端と同じ高さ又はそれより下方に位置していてもよい。

第３実施形態では、ホルダ９は、前後方向（Ｘ方向）に垂直な平板状の２つの対向部材９ｃを有している。一方の対向部材９ｃは前後方向の一方側から研削部材４に対向し、他方の対向部材９ｃは前後方向の他方側から研削部材４に対向している。２つの対向部材９ｃの上端は上方部材９ｂによって一体に連結されている。また、可動部材１３は、前後方向に垂直な平板状の２つの支持壁１３ａと、これらの支持壁１３ａの上端を一体に連結する上下方向（Ｚ方向）に垂直な平板状の天壁１３ｂと、を有している。天壁１３ｂは上方部材９ｂに上方から対向し、２つの支持壁１３ａの間には２つの対向部材９ｃが位置している。また、回動軸１４は研削部材４の前後方向両側に位置する２つの部分（以下、部分軸１４ａともいう）からなっている。また、これらの部分軸１４ａにより、前後方向に分離した２つのヒンジ１６が構成されている。研削部材４に対して前後方向の一方側に位置する部分軸１４ａ、対向部材９ｃ及び支持壁１３ａによって一方のヒンジ１６が構成され、研削部材４に対して前後方向の他方側に位置する部分軸１４ａ、対向部材９ｃ及び支持壁１３ａによって他方のヒンジ１６が構成されている。

上方部材９ｂと天壁１３ｂとの間には規制部材として、回動軸線Ｐの左右方向両側に位置する部分を含むゴム製等の塊状の弾性部材で構成される付勢部材１５が設けられている。

図５Ａに示すように、研削加工時に前後方向（或いは回動軸線Ｐ）に垂直な面内においてワーク２の被加工面２ａが研削面４ａに対して傾斜している（つまり押し付け方向に垂直でない）場合、研削部材４が被加工面２ａに押し付けられる時に被加工面２ａから受ける反力Ｆは、研削部材４を回動軸線Ｐを中心に研削面４ａとワーク２の被加工面２ａとが平行に近づくように傾動させる、すなわち片当たりを抑制する方向に傾動させる回転モーメントを生じさせる。そしてこの回転モーメントにより、図５Ｂ中に白抜き矢印で示すように、付勢部材１５の付勢力に抗して研削部材４がホルダ９とともに回動軸１４を介して傾動させられる。このように、研削部材４の研削面４ａとワーク２の被加工面２ａとが互いに押し付けられることで平行に近づくように研削部材４を回動連結部材１０を介して傾動、すなわち、被加工面２ａからの反力Ｆによって研削部材４を受動的に傾動させながら研削ヘッド３を走査させて研削加工を行うことにより、片削りを効率的に抑制し、もって効率的な研削加工を可能にすることができる。

このように片削りを抑制できる点は第１、第２実施形態においても第３実施形態の場合と同様であるが、第３実施形態では回動軸線Ｐが研削部材４を通る構成とされており、それにより回動軸線Ｐがより下方に位置していることから、傾動時の研削面４ａの左右方向へのずれ幅がより小さいため、研削部材４が被加工面２ａの傾斜角度の変化に対してよりスムーズに追従して傾動することができるので、片削りをより効率的に抑制することができる。なお、回動軸線Ｐは回転軸線Ｏと同じ高さ又はそれより下方に位置することが好ましい。

被加工面２ａがどちらに傾いている場合でも片削りを抑制できるようにする観点から、回動軸線Ｐは研削面４ａの幅範囲内（研削面４ａの右端よりも左側で且つ研削面４ａの左端よりも右側）に位置することが好ましい。すなわち、回動軸線Ｐが研削部材４の上端と同じ高さ又はそれより下方に位置している場合は第３実施形態のように回動軸線Ｐが研削部材４を通ることが好ましく、回動軸線Ｐが研削部材４の上端より上方に位置している場合は第１、第２実施形態のように回動軸線Ｐが研削部材４から見てワーク２の反対側に位置することが好ましい。

また、研削時に研削面４ａから被加工面２ａに作用する荷重をより均一化し、それにより片削りをより抑制する観点から、回動軸線Ｐは研削面４ａの幅範囲の中央のできるだけ近くに位置することが好ましい。

上述したように、第１～第３実施形態のいずれかの研削装置１を用いて、研削部材４の研削面４ａとワーク２の被加工面２ａとが互いに押し付けられることで平行に近づくように研削部材４を傾動させながらワーク２を研削する工程を経ることにより、片削りを効率的に抑制し、もって効率的な研削加工を可能にすることができる。

本発明は前記実施形態に限定されず、その要旨を逸脱しない限り種々変更可能である。

したがって、前記実施形態の研削装置１及びそれを用いた研削加工品の製造方法は、例えば以下に述べるような種々の変更が可能である。

前記実施形態の研削装置１は、ワーク２の被加工面２ａを研削する研削面４ａを備える研削部材４と、研削部材４の研削面４ａとワーク２の被加工面２ａとが互いに押し付けられることで平行に近づくように研削部材４を傾動可能に支持する支持ヘッド５と、を有する限り、種々変更可能である。

例えば、研削部材４は、上下方向（Ｚ方向）に沿って延びる回転軸線Ｏを中心に回転するとともに回転軸線Ｏに垂直な平面状の研削面４ａを有する型式であってもよいし、ベルト状の研削材を複数のローラで駆動する型式であってもよい。また、研削部材の材質や形状についても、全体が砥石から構成されているものであってもよいし、砥粒が接着された研磨布紙を回転軸線Ｏに沿う方向に複数積層したディスクホイールタイプのものや、砥粒が接着された研磨布紙を回転軸線Ｏを中心に周方向に複数並べて固定（つまり、放射状に複数配置し固定）したフラップホイールタイプのものであってもよい。

なお、研削装置１は、研削部材４がワーク２からの反力によって傾動することが好ましい。

また、研削装置１は、支持ヘッド５が、ベース８と、研削部材４を保持するホルダ９と、ホルダ９をベース８に回動可能に連結する回動連結部材１０と、を有することが好ましい。

例えば、回動連結部材１０は、玉継手等の自在継手であってもよいし、ゴム製等の塊状の弾性部材であってもよい。

また、研削装置１は、回動連結部材１０を介した研削部材４の傾動を規制する規制部材を有することが好ましい。

また、研削装置１は、規制部材が、研削部材４を回動連結部材１０を介して所定位置に向けて傾動させる付勢部材１５を有することが好ましい。

また、研削装置１は、回動連結部材１０がホルダ９をベース８に回動軸線Ｐに沿って延びる軸部材を介して回動可能に連結することが好ましい。

また、研削装置１は、回動軸線Ｐが研削部材４から見てワーク２の反対側に位置することが好ましい。

また、研削装置１は、回動軸線Ｐが研削部材４を通ることが好ましい。

また、研削装置１は、研削部材４が、回転によってワーク２を研削する外周面を有することが好ましい。

前記実施形態の研削加工品の製造方法は、研削装置１を用いて研削部材４の研削面４ａとワーク２の被加工面２ａとが互いに押し付けられることで平行に近づくように研削部材４を傾動させながらワーク２を研削する工程を有する限り、種々変更可能である。

本発明の実施例として第３実施形態の研削装置を用い、図６に示す比較例としての研削装置を用いた場合に対する片削り抑制効果を評価した。その評価は、図７にハッチングで示す研削痕の長手方向中央の研削幅Ｗとそのプロファイルで行った。比較例は、可動部材を回動連結部材を介さずにホルダに一体に連結した点以外は実施例と同じ構成とした。実施例、比較例ともに同一条件で研削痕を作成した。具体的には、引張強度５９０ＭＰａ級、板厚１０ｍｍの平板状の鋼板の板厚方向の一方側の表面を、研削部材として直径３００ｍｍ、幅１００ｍｍの砥石車を用いて研削し、長手方向に１０００ｍｍの長さとなる帯状の研削痕を作成した。その際、アクチュエータを押し付け荷重が４０Ｎとなるように、また駆動装置を研削部材の回転速度が３０００ｒｐｍとなるように、またヘッド移動装置を研削ヘッドが前後方向に沿って１０ｍｍ／ｓで移動するように制御装置に設定し、作動させた。

実施例と比較例とで同じ方向に同じ場所を繰り返し研削し、研削回数（以下、パス回数ともいう）毎に研削幅Ｗを測定した。その際、実施例、比較例ともに、分解能０．１度のデジタル勾配計の測定値が被加工面と回転軸とで同一となるようにアライメント調整機構を介してアライメントを精密調整した。また、比較例では、目視でアライメントを荒調整した場合の測定も行った。その結果を図８に示す。

実施例では１パス目から比較例（精密調整）に比べて顕著に研削幅が広がり、３パス目ですでに研削部材の略全幅で研削できていることが分かる。一方、比較例（精密調整）では全てのパス回数において実施例の結果を下回り、６パス目でも研削部材の全幅の６０％程度までしか到達しなかった。また、比較例（精密調整）と比較例（荒調整）との結果を比較すると、幅１００ｍｍの研削部材をできるだけ幅広に被加工面に接触させて研削するためには極めて精密なアライメント調整が必要であることが分かる。

また、実施例と比較例（精密調整）との４パス目での研削断面プロファイルを図９に示す。図９から分かるように、比較例では幅方向に研削深さが不均一であるのに対し、実施例では幅方向に略全幅にわたって研削深さが均一となっている。

以上の評価結果から、実施例によれば顕著な片削り抑制効果を得られることが確認された。

１ 研削装置
２ ワーク
２ａ 被加工面
３ 研削ヘッド
４ 研削部材
４ａ 研削面
５ 支持ヘッド
６ 駆動装置
７ 回転軸
７ａ 突出部
８ ベース
９ ホルダ
９ａ 側方部材
９ｂ 上方部材
９ｃ 対向部材
１０ 回動連結部材
１１ 支持部材
１２ アクチュエータ
１３ 可動部材
１３ａ 支持壁
１３ｂ 天壁
１４ 回動軸
１４ａ 部分軸
１５ 付勢部材
１６ ヒンジ
Ｆ 反力
Ｏ 回転軸線
Ｐ 回動軸線
Ｗ 研削幅

Claims (7)

1. 回転によってワークの被加工面を研削する研削面を備え且つ回転軸を介して回転駆動される研削部材と、
   前記研削部材の前記研削面と前記ワークの前記被加工面とが互いに押し付けられることで平行に近づくように前記研削部材を傾動可能に支持する支持ヘッドと、
   を有し、
   前記支持ヘッドが、ベースと、前記研削部材を前記回転軸を介して保持するホルダと、前記ホルダを前記ベースに前記研削部材を通る回動軸線に沿って延びる軸部材を介して回動可能に連結する回動連結部材と、を有する、研削装置。
2. 前記研削部材が前記ワークからの反力によって傾動する、請求項１に記載の研削装置。
3. 前記回動連結部材を介した前記研削部材の傾動を規制する規制部材を有する、請求項１又は２に記載の研削装置。
4. 前記規制部材が、前記研削部材を前記回動連結部材を介して所定位置に向けて傾動させる付勢部材を有する、請求項３に記載の研削装置。
5. 前記研削部材が、回転によって前記ワークを研削する外周面を有する、請求項１～４の何れか１項に記載の研削装置。
6. 前記回動軸線が前記回転軸より下方に位置する、請求項１～５の何れか１項に記載の研削装置。
7. 請求項１～６の何れか１項に記載の研削装置を用いて前記研削部材の前記研削面と前記ワークの前記被加工面とが互いに押し付けられることで平行に近づくように前記研削部材を傾動させながら前記ワークを研削する工程を有する、研削加工品の製造方法。

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