专利名称：研磨设备和研磨方法
技术领域：
本发明涉及一种通过带有磨粒的研磨膜(在下文中偶尔简称为“膜”)对工件的预加工表面进行膜-研磨(在下文中简称为“研磨”)加工的研磨设备和研磨方法。
背景技术：
近年来，在抛光具有弧形横截面的外圆周表面的工件(诸如曲轴的销部分和轴部分或者凸轮轴的凸轮凸起部分和轴颈部分)的情况中，使用其一个表面装有磨粒的研磨膜进行研磨。
所述研磨是通过用研磨膜覆盖工件的预加工表面、并且通过在底板从其后表面将膜压向工件的状态下同时转动工件而用膜的有磨粒表面加工工件。除用于通过膜将底板压向工件的机构以外，研磨设备还具有用于以可转动的方式驱动工件的机构，以及用于沿工件的轴向向工件与研磨膜中的至少一个施加振动的振动机构(见日本专利申请未审定公开号No.7-237116的图1和图2)。
工件包括具有形成有开孔部分的预加工表面的一种工件。例如，曲轴的销部分和轴颈部分分别形成有作为沿垂直于曲轴的轴向的方向穿透曲轴的开孔部分的润滑剂孔。所述润滑剂孔最好分别具有横截面为圆形的口状底缘，以便于不会损坏接合部件(诸如轴承合金)。
因此，在已经通过用所谓的硬底板将研磨膜的有磨粒表面分别压在工件的预加工表面上而研磨了工件之后，通过执行用所谓的软底板将研磨膜的有磨粒表面压在工件的润滑剂孔的口状底部的辅助加工，润滑剂孔的口状底缘通常已形成有圆形部分。
然而，由于硬底板的所述加工是独立于软底板的所述加工执行的，因此需要准备具有硬底板的研磨设备和具有软底板的另一个研磨设备，从而降低了加工效率并且需要较长的加工时间。而且，设备数量的增加导致设备成本、加工成本等等的增加。
而且，由于是在基于硬底板的加工而提高了预加工表面的形状精确度(诸如圆度和直度)之后执行软底板的所述加工的，因此由于软底板的加工可能会导致预加工表面的形状精确度的较大降低。
而且，在软底板加工的基础上，研磨膜可能会过量地咬入润滑剂孔的口状底缘中，从而可能导致磨粒的分离。
同时，在传统研磨设备中，在研磨过程中底板挤压力、工件转动速度和振动速度保持恒定。
相关地，在工件具有其横截面为非圆形的预加工表面的情况中，区域与区域之间在从轴线(转动中心)到预加工表面的半径是不同的。例如，凸轮轴的每个凸轮凸起部分都装有多个区域，例如包括形成基圆(称之为参考圆)的基底区域、限定了凸轮升程的顶部区域，以及从基底区域向顶部区域延伸的动作区域，以使得从工件的轴线处的半径从基底区域的端部朝向顶部区域变得更长。
由于当角速度是恒量时圆周速度与半径成比例地改变，因此当工件的转动速度为恒量时，作为工件的预加工表面的外圆周表面的每单位圆周长度与膜的接触时间在区域与区域之间是不同的。在这种情况下，区域与区域之间的膜与预加工表面之间的接触表面压力也是不同的。
这导致了凸轮凸起部分的预加工表面的每单位圆周长度的不均匀加工量，从而导致预加工表面的不均匀表面粗糙度的问题。特别是，动作区域的表面粗糙度大于顶部区域和基底区域的表面粗糙度。由于这些动作区域是例如启动发动机打开和关闭阀的重要部分，因此，更大的表面粗糙度可能会妨碍阀的平滑操作。
发明内容
已提出了本发明来解决上述相关技术所附带的问题。因此，本发明的一个目的是提供能够迅速地加工甚至是具有形成开孔部分(诸如润滑剂孔)的预加工表面的工件的一种研磨设备和研磨方法，所述研磨设备和研磨方法完全限制了加工成本的增加和形状精确度(诸如圆度和直度)的降低，并且减少了磨粒从研磨膜上的脱离。
本发明的另一个目的是提供能够使得工件的预加工表面的每单位圆周长度的加工量均匀化的一种研磨设备和研磨方法，从而使得预加工表面的表面粗糙度均等。
本发明的第一方面提供了一种用于研磨具有预加工表面的工件的研磨设备，所述设备包括研磨膜，所述研磨膜包括具有装有磨粒的表面的薄衬底；设置在研磨膜后表面侧处的底板；底板驱动单元，所述底板驱动单元用于朝向工件驱动底板以便于将研磨膜的有磨粒的表面压在工件的预加工表面上；转动驱动单元，所述转动驱动单元用于以可转动的方式驱动工件；检测单元，所述检测单元用于沿转动方向检测转动的工件的位置；以及控制单元，所述控制单元用于控制底板驱动单元的挤压力，以便于在加工过程中根据工件的位置沿转动方向驱动底板。
本发明的第二方面提供了一种用于在底板将研磨膜的有磨粒的表面压在预加工表面上的状态下以可转动的方式驱动工件的同时研磨具有预加工表面的工件的研磨方法，所述方法包括检测转动工件的转动位置；并且在加工过程中沿转动方向根据工件的位置控制底板的挤压力。
本发明的第三方面提供了一种用于研磨具有预加工表面的工件的研磨设备，所述设备包括研磨膜，所述研磨膜包括具有带磨粒的表面的薄衬底；设置在研磨膜后表面侧处的底板；底板驱动装置，所述底板驱动装置用于朝向工件驱动底板以便于将研磨膜的有磨粒的表面压在工件的预加工表面上；转动驱动装置，所述转动驱动装置用于以可转动的方式驱动工件；检测装置，所述检测装置用于沿转动方向检测转动的工件的位置；以及控制装置，所述控制装置用于控制底板驱动装置的挤压力，以便于在加工过程中根据工件的位置沿转动方向驱动底板。
下面将参照附图描述本发明，其中
图1是示意图，示出了本发明第一实施例所涉及的研磨设备；图2是示意性横截面图，示出了以可开可闭的方式设在研磨设备中的上部和下部臂的关闭状态；图3是示意性横截面图，示出了上部和下部臂的打开状态；图4A和4B是横截面图，示出了研磨设备1的基本部分，其中图4A示出了构成软底板的第二底板被驱动到操作位置的一种状态，在所述操作位置中第二底板被压向润滑剂孔的口状基底，并且图4B示出了软底板被驱动到非操作位置的一种状态，在所述非操作位置中软底板与润滑剂孔的口状基底相分离。
图5A到图5C是软底板从非操作位置被驱动到操作位置的范围的解释性视图；图6A到图6C是软底板从非操作位置被驱动到操作位置的范围的解释性视图；图7A是透视图，示出了作为待研磨工件的曲轴的示例；图7B是形成于曲轴中的润滑剂孔的局部切掉的横截面图；图8是示意性框图，示出了本发明所涉及的研磨设备的控制系统；图9是视图，示出了研磨膜的局部脱离磨粒层的典型故障；图10是本发明第二实施例所涉及的研磨设备的示意性横截面图，以可开可闭的方式设在研磨设备中的上部和下部臂处于关闭状态中；图11A是横截面图，示出了第二实施例中所使用的底板和底板壳；图11B是沿图11A的箭头B方向的视图；图12是本发明第三实施例所涉及的研磨设备的示意图；图13是示意性横截面图，示出了以可开可闭的方式设在研磨设备中的上部和下部臂的关闭状态；图14是示意性横截面图，示出了上部和下部臂的打开状态；图15是研磨设备的基本部分的横截面图；图16是伴随振动的凸轮轴位置的解释性视图；图17是相当于底板挤压单元的结构的概念图；图18是底板挤压力的转移的解释性视图；
图19A是作为待研磨工件的示范性凸轮轴的透视图；图19B是凸轮轴的凸轮凸起部分的各个区域的解释性视图；图20A是表示从凸轮凸起部分的轴线(转动中心)到其预加工表面的半径的图；图20B是表示凸轮凸起部分的预加工表面处的曲率半径的图；图21是本发明所涉及的该研磨设备的控制系统的示意性框图；图22A是表示可变控制的一个示例的图，所述可变控制用于在加工过程中根据凸轮凸起部分的转动位置控制底板挤压力；图22B是表示凸轮凸起部分的各个区域处的接触表面压力的图；以及图23A是表示可变控制的一个示例的图，所述可变控制用于在加工过程中根据凸轮凸起部分的转动位置控制工件转动的速度；以及图23B是表示可变控制的一个示例的图，所述可变控制用于在加工过程中根据凸轮凸起部分的转动位置控制振动速度。
具体实施例方式
下面将参照附图描述本发明的以下实施例。
(第一实施例)图1示出了本发明第一实施例所涉及的研磨设备1。图2示出了以可开可闭的方式设在研磨设备1中的上部和下部臂22、23的关闭状态。图3示出了上部和下部臂22、23的打开状态。图4A和4B示出了研磨设备1的基本部分，其中图4A示出了构成软底板的第二底板72被驱动到操作位置的一种状态，在所述操作位置中第二底板72被推向润滑剂孔66的口状基底67，并且图4B示出了软底板被驱动到非操作位置的一种状态，在所述非操作位置中软底板与润滑剂孔66的口状基底67相分离。图5A到图5C以及图6A到图6C示出了软底板72在非操作位置与操作位置之间被驱动的范围。图7A示出了作为待研磨工件W的曲轴62的示例，图7B示出了形成于曲轴62中的润滑剂孔66。为了便于描述，将曲轴62的轴向(即，图1中的左右方向)限定为X方向、垂直于X方向的水平方向(即，垂直于图1附图平面的方向)限定为Y方向，以及垂直于X方向的竖直方向(即，图1中的上下方向)限定为Z方向。
参照图1到图4，本实施例中的研磨设备1通常包括研磨膜11，每个研磨膜11都具有带磨粒的一个表面的不可扩张并可变形的薄衬底；第一底板71，用于分别将研磨膜11的有磨粒的表面压向工件W的预加工表面65；第二底板72，用于分别将研磨膜11的有磨粒的表面压向形成于预加工表面65中的开孔部分66的口状基底67；底板驱动单元30，所述底板驱动单元30分别用于在操作位置与非操作位置之间驱动第二底板72，所述操作位置即，第二底板72被压向开孔部分66的口状基底67，所述非操作位置即，第二底板72与开孔部分66的口状基底67相分离；转动驱动单元40，所述转动驱动单元40用于以可转动的方式驱动工件W；以及振动单元50，所述振动单元50用于沿工件W的轴向向工件W与研磨膜11中的至少一个施加振动；因此通过将研磨膜11压在其上而使得转动的工件W被研磨。本实施例的研磨设备1最好用于研磨具有分别形成有开孔部分66的预加工表面65的工件W。该类型的工件W包括图7A中所示的曲轴62，并且该曲轴62的销部分63和轴部分64的外圆周表面示范性地形成待研磨的预加工表面65。如图7B中所示的，曲轴62的每个销部分63和轴部分64都形成有作为以沿垂直于曲轴的轴向的方向穿透曲轴的方式的开孔部分66的润滑剂孔，并且开孔部分66的口状基底67在预加工表面65处开口。与销部分63和轴部分64的位置(见图1)相对应地设有多对相连接的上部和下部臂22、23。
在下文中将详细地描述研磨设备1。
参照图1，转动驱动单元40包括头座42，用于以可转动的方式支撑主轴41；夹盘43，所述夹盘43与主轴41的尖端相连接，以便于夹紧曲轴62的一端；主轴瞄准马达M1，所述主轴瞄准马达M1通过带44连接于主轴41；以及尾座46，所述尾座46装有用于支撑曲轴62另一端的中央部分45。通过带44和主轴41传输主轴瞄准马达M1的转动移动以便于以可转动的方式驱动曲轴62。改变主轴瞄准马达M1的转动速度能够将工件转动速度Vw设定在期望的速度。为了检测转动的曲轴62的润滑剂孔66的位置，主轴41附有用于在加工期间检测工件W的转动位置的转动编码器S1。头座42和尾座46以沿Y方向可滑动移动的方式分别被设置在台47、48上，而这些台47、48以沿X方向可滑动移动的方式被布置于台49上。使得这些台47、48、49移动以便于示范性地将曲轴62设定在头座42和尾座46之间，并且使曲轴62移动到加工位置。
振动单元50包括抵靠在台49的端表面上的离心转子51，以及用于以可转动的方式驱动离心转子51的振动马达M2。振动单元50装有用于施加反作用弹力的弹性单元52(诸如弹簧)，以朝向离心转子51挤压台49以便于通常将离心转子51抵靠在台49的端表面。改变振动马达M2的转动速度能够将振动速度Vo设定在期望的速度(诸如10Hz)。根据离心转子51相对于振动马达M2的轴线的离心量确定振动的振幅。离心量大约为1mm，振动的振幅大约为2mm。应该注意，通过诸如插入可变数量的调节板(未示出)的技术，离心转子51的离心量是可调节的。离心转子51具有连接有转动编码器S2的轴，所述转动编码器S2用于检测离心转子51的转动位置。
虽然存在各种类型的研磨膜11，但是本实施例中的研磨膜11是如下构成的包括具有极不可延伸特性的材料(诸如聚酯)的衬底，其厚度为25μm到130μm；以及许多磨粒(具体地，为氧化铝、碳化硅、金刚石等)，其颗粒尺寸大约为几个μm到200μm，通过粘合剂将其粘附于衬底的一个表面上。磨粒可被附于衬底的整个表面上，或者间断式地保留其上没有磨粒的预定宽度的限定区域。为了避免相对于第一和第二底板71、72的滑动，衬底的另一个表面被涂有包括有诸如橡胶或合成树脂等阻力材料(未示出)的背面涂层，或视具体情况而定也可对其进行防滑处理。
参照图2和图3，每个研磨膜11从相关的供给盘15中被拉出，同时由设置于相关上部臂22尖端处的一对第一导辊R1和设置于相关下部臂23尖端处的一对第二导辊R2引导，然后由相关的卷起盘16将其卷起。马达M3与卷起盘16相连接。操纵马达M3以使得相关的卷起盘16转动可接连地将研磨膜11从供给盘15中拉出。为了检测研磨膜11的拉出量，卷起盘16的轴连接有转动编码器S3，所述转动编码器S3用于检测卷起盘16的转动量。在供给盘15和卷起盘16附近设有锁定装置(未示出)，并且这些锁定装置的操作向整个膜11施加预定张力。
通过支撑销24以可枢转的方式分别设置每对相连的上部臂22和下部臂23，以使得布置有第一底板71和第二底板72的这些臂的尖端沿Z方向可相对打开和关闭。上部臂22具有与诸如由油压或气压操作的流体压力缸25的一端销联接的后端部分，并且下部臂23具有与活塞杆26的尖端通过销而联接的后端部分。从其收缩状态扩展活塞杆26可沿用于关闭这些臂的尖端部分的方向围绕支撑销24分别将上部臂和下部臂22、23枢转到图2中所示的关闭状态。相反，从其扩展状态收缩活塞杆26可沿用于打开这些臂的尖端部分的方向分别将上部臂和下部臂22、23枢转到图3中所示的打开状态。以与相关的研磨膜11协调的方式进行上部臂和下部臂22、23的枢转移动，由此关闭枢转移动使得第一底板71经由研磨膜11抵靠在预加工表面65上，而打开枢转移动解除第一底板71在预加工表面65的抵靠。
在所示的实施例中，第一底板71包括硬底板，第二底板72包括软底板。每个硬底板71是由诸如磨石或钢铁的硬质材料制成的。每个研磨膜11都由硬底板71支撑，并且研磨膜11的有磨粒表面被压向预加工表面65，从而将预加工表面65抛光为具有更高形状精确度(诸如圆度和直度)的缸表面。同时，软底板72由比硬底板71软的材料(诸如氨基甲酸乙酯)形成，并且可弹性变形。软底板72弹性变形，并且通过较宽区域经由膜11与预加工表面65相接触。尽管软底板72校正工件形状的能力比硬底板71低，但是软底板具有降低预加工表面65的表面粗糙度的优越功能。在第一实施例中，软底板72用于在每个口状底缘67a处(见图7B)形成圆形部分68。在本说明书中，底板经由膜11间接抵靠在工件W外圆周表面上被简称为“接触”。
虽然底板被分类为凹入底板和凸起底板，但是每个硬底板71都是具有凹入尖端部分的凹入硬底板，而每个软底板72都被形成为具有凸起尖端部分的凸出软底板。本实施例的软底板72最好是具体用于在口状底缘67a处形成圆形部分68的软底板，诸如具有球形形状的凸起底板。
硬底板71以多个的形式分别连接于具有与预加工表面65相对的内圆周表面的底板壳73上。在所示出的实施例中，两个硬底板71连接于每个上部和下部底板壳73上。底板壳73以能够相对于工件W前进和收缩的方式被容纳于分别形成于上部臂和下部臂22、23的尖端部分处的凹入部分27中。当其外表面由相关凹入部分27的内表面引导时，每个底板壳73移动。而且，每个底板壳73具有布置有工件卡簧74的背表面，所述卡簧74包括压缩盘簧。硬底板71分别被施以工件卡簧74的反作用弹力并且经由研磨膜11被压向预加工表面65。
如图4A和4B中所示的，软底板72连接于底板固定器75的尖端，并且相对于曲轴62沿这些图中的+X方向(这些图中的右侧)布置。底板固定器75以能够沿这些图的X方向前进和收缩的方式连接于杆76的尖端，所述X方向与曲轴62的轴线O(即，转动中心)相交。杆76在邻近于曲轴62的前进限制位置(即，图4A中所示的状态)和与曲轴62相脱离的收缩限制位置(即，图4B中所示的状态)之间前进和收缩。
如图4A和4B中概念性地示出的，每个底板驱动单元30包括抵靠在杆76后端上的可转动的离心凸轮31；用于以可转动的方式驱动离心凸轮31的马达M4；以及弹性单元(未示出)，所述弹性单元用于保持杆76的后端通常抵靠在离心凸轮31上的状态。如图4A中所示的，当离心凸轮31转动并且其顶部区域抵靠在杆76的后端上时，杆76移动到其前进限制位置。这使得软底板72到达软底板72被压向适合的润滑剂孔66的口状基底67的操作位置，以使得研磨膜11的有磨粒表面被压向口状基底67。相反，如图4B中所示的，当离心凸轮31的基底区域抵靠在杆76的后端上时，杆76移动到其收缩限制位置。这使得软底板72到达软底板72与润滑剂孔66的口状基底67相脱离的操作位置，从而解除研磨膜11压向口状基底67。为了检测软底板72(操作位置和非操作位置)的位置，离心凸轮31的轴连接有转动编码器S4，所述转动编码器S4用于检测离心凸轮31的转动位置。
根据杆76的移动距离(即软底板72的移动距离)、软底板72的挤压力等确定离心凸轮31的尺寸(诸如凸轮升程和基圆直径)。而且，使得离心凸轮31的转动中心的位置沿适合的图中的X方向是可调节的，从而使得甚至可通过使用相同的离心凸轮31而调节软底板72的挤压力。
参照图5A到图5C以及图6A到图6C，将描述其中软底板72从非操作位置被驱动到操作位置的范围。在这些图中，假定曲轴62沿箭头所示的顺时针方向转动。而且，如图5B和6B中所示的，其中限定了曲轴62的基准位置，在所述位置中，润滑剂孔66的轴线相对于这些图中的X方向形成0度的θ角，即，润滑剂孔66的轴线平行于X方向的位置。
理想的是，用于将软底板72从其非操作位置驱动到其操作位置的时限仅是转动的曲轴62刚刚到达基准位置的那一瞬间。然而，由于曲轴62正常地转动，甚至在曲轴62的转动与软底板72的移动之间存在轻微同步差异的情况下，仅在曲轴62刚刚到达基准位置的那一瞬间简单地将软底板72驱动到其操作位置都可能无法均匀地加工润滑剂孔66的口状基底67的整个圆周。因此，期望在曲轴62到达基准位置之前将软底板72驱动到其操作位置并且甚至在曲轴62已到达基准位置之后还将软底板72控制在其操作位置。
在软底板72与口状基底67相接触时，执行对于口状基底67的研磨。这足以使得只在曲轴62的转动角范围内将软底板72驱动到其操作位置，所述转动角范围即，口状基底67的某一部分可与该操作位置中的软底板72相接触。这里假定如图5A中所示的在曲轴62到达基准位置(θ＝0°)之前，口状基底67的前端部分沿转动方向在θ＝-α°的转动角处抵靠在软底板72上，并且假定如图5C中所示的在曲轴62已到达基准位置之后，口状基底67的尾端部分沿转动方向在θ＝+α°的转动角处离开软底板72。在这种情况下，软底板72可在曲轴62从θ＝-α°转动到θ＝+α°的2α°的整个范围内被驱动到其操作位置。
尽管如此，通过用软底板72经由研磨膜11的挤压所执行的研磨最好被限制到润滑剂孔66的口状基底67自身与口状基底67附近部分。这是为了防止由于软底板72的加工而降低预加工表面65的形状精确度(诸如圆度和直度)。因此最好在比上述范围(2α°)窄的范围内将软底板72驱动到其操作位置。如图6A到图6C中概念性地示出的，最好在从曲轴62到达基准位置(θ＝0°)之前的转动角θ＝-β°(β＜α)到曲轴62已到达基准位置之后的转动角θ＝+β°的2β°的范围内将软底板72驱动到其操作位置。
在本实施例的研磨设备1中，为了检测转动曲轴62的每个润滑剂孔66的位置，由转动编码器S1检测曲轴62的转动位置，并且在加工过程中，相关驱动单元30的操作被控制得将相关软底板72驱动到其与相关润滑剂孔66的位置相对应的操作位置或非操作位置，从而通过软底板72经挤压研磨膜11所执行的研磨被限定于润滑剂孔66的口状基底67附近部分。
将参照图8来描述上述控制，所述图8是示出了本发明所涉及的研磨设备1的控制系统的框图。
参照图8，转动编码器S1、S2、S3和S4被连接于诸如主要包括CPU和存储器的控制器100(相当于控制单元)，并且向控制器100中输入诸如有关于用于在加工期间改变相关软底板72的位置的曲轴62的转动位置和每个离心凸轮31的转动位置的检测信号。还向控制器100中输入有关于用于确定工件转动速度Vw的主轴瞄准马达M1的转动速度和有关于用于确定振动速度Vo的振动马达M2的转动速度的检测信号。控制器100根据来自于转动编码器S1的有关于曲轴62的转动位置的信号分别确定润滑剂孔66的位置。而且，根据加工期间相关润滑剂孔66的位置，控制器100以可变的方式分别将软底板72控制于操作位置或非操作位置。
通过控制包括离心凸轮31和马达M4的底板驱动单元30的操作而执行软底板72位置改变的控制，因此软底板72分别与润滑剂孔66的位置同步地接近和离开相关的口状基底67。
具体地，控制器100向马达M4输出用于控制其转动的控制信号，以使得当转动的曲轴62已到达适合的基准位置(θ＝0°)时，每个适合的离心凸轮31的顶部区域抵靠在每个相关杆76的后端。这使得每个软底板72到达其操作位置，以便于将相关研磨膜11的有磨粒表面压向相关的口状基底67，从而在口状底缘67a处形成圆形部分68。每个圆形部分68的半径大约为10μm到20μm。
在下文中将描述本实施例的操作。
首先，将曲轴62支撑在头座42和尾座46之间，并且使得上部和下部臂22、23分别移动到销部分63和轴部分64的位置。此时，流体压力缸25已收缩相关的活塞杆26以便于分别将相关的上部臂22和下部臂23保持在打开位置处。之后，操纵流体压力缸25以延展相关的活塞杆26，从而沿关闭方向分别枢转上部和下部臂22、23。这些关闭枢转移动使得研磨膜11分别被设置在预加工表面65上。
在上部和下部臂22、23被枢转并关闭时，操纵马达M3以分别使卷起盘16转动。供给预定量的研磨膜11以使得未使用的有磨粒表面分别被设置在预加工表面65上。之后，在用供给盘15附近的锁定装置锁定了供给盘15之后，使得卷起盘16转动，从而赋予研磨膜11预定的张力。接下来，用卷起盘16附近的锁定装置锁定卷起盘16，从而使得研磨膜11处于在没有一点松弛的情况下被赋予张力的状态中。
而且，在夹紧曲轴62的基础上，硬底板71被施以相关工件夹紧弹簧74的反作用弹力并分别被压向预加工表面65。
而且，在通过操纵振动单元50沿其轴向向曲轴62施以振动的同时，通过操纵转动驱动单元40而使得曲轴62绕其轴线转动，以使得硬底板71分别将研磨膜11的有磨粒表面压在预加工表面65上，从而研磨整个的预加工表面65。通过硬底板71执行整个的预加工表面65的加工，从而提高加工效率。
在该加工过程中，控制器100控制底板驱动单元30的操作，以使得软底板72的移动与曲轴62的转动同步。转动编码器S1检测曲轴62的转动位置，并且控制器100根据曲轴62的转动位置确定润滑剂孔66的位置，以便于在加工过程中根据相关润滑剂孔66的位置以可变的方式将软底板72的位置控制在操作位置和非操作位置。也就是，控制器100控制马达M4的操作以使得离心凸轮31转动，从而当转动的曲轴62已到达适合的基准位置(θ＝0°)时，使得每个适合的离心凸轮31的顶部区域抵靠在每个相关杆76的后端。
这使得每个软底板72到达其操作位置，以便于将相关研磨膜11的有磨粒表面压向相关的口状基底67，从而在口状底缘67a处形成圆形部分68。
在研磨期间，曲轴62向前转动预定的转数(诸如5转)，之后向后转动相同的转数。改变转动方向消除了由于研磨膜11所导致的堵塞、保持了适当性能、并使得口状基底67的整个圆周被均匀地加工。
以这种方式，用单组研磨设备就可执行硬底板71对预加工表面65的整个圆周的加工和软底板72对口状基底67的加工，从而能够提高加工效率并缩短加工所需的时间。而且，没有增加设备的数量，从而还可限制设备成本和加工成本的增加。
而且，通过用相关的软底板72挤压研磨膜11所执行的研磨被限定在相关润滑剂孔66的口状基底67的附近，从而消除了由于软底板72的加工而降低预加工表面65的形状精确度(诸如圆度和直度)的危险。而且，由于是在同一个工序中执行的硬底板71的用于提高每个预加工表面65的形状精确度(诸如圆度和直度)的加工和相关软底板72的用于在口状底缘67a处形成圆形部分68的加工，因此硬底板71的用于校正工件形状的功能也可适用于已由软底板72加工的那些位置。从这个观点来看，不存在由于相关软底板72的加工而降低每个预加工表面65的形状精确度的危险。
在硬底板加工之后执行通过软底板将研磨膜的有磨粒表面压向口状基底67的辅助加工的比较示例的情况中，研磨膜在由软底板加工的基础上过度地咬入口状底缘67a中，从而导致磨粒的脱离。图9示出了研磨膜91的局部脱离磨粒层的典型故障。如图中所示的，已在研磨膜91宽度方向的基本中央部分处形成了分离区域92，并且分离区域92像带一样在膜供给方向上延伸。
相反，由于软底板72的研磨被限定在每个润滑剂孔66的口状基底67的附近，研磨膜11不会过度地咬入口状底缘67a中，从而减少了磨粒从研磨膜11上的脱离，并且减少了脱离位置的数量。
虽然曲轴62具有许多销部分63和轴部分64，但是对于这些销部分63和轴部分64的研磨是同步执行的。在完成研磨的基础上，操纵流体压力缸25以收缩相关的活塞杆26，以便于分别使得上部和下部臂22、23沿打开方向枢转到可从它们中抽出曲轴62的状态。在抽出曲轴62之后，设置另一个曲轴62，从而可开始相同的研磨。
如上所述的，第一实施例所涉及的研磨设备1包括研磨膜11；第一底板71，用于分别将研磨膜11的有磨粒的表面压向预加工表面65；第二底板72，用于分别将研磨膜11的有磨粒的表面压向作为开孔部分的润滑剂孔66的口状基底67；底板驱动单元30，所述底板驱动单元30分别用于在操作位置与非操作位置之间驱动第二底板72，所述操作位置即，第二底板72被分别压向润滑剂孔66的口状基底67，所述非操作位置即，第二底板72分别与润滑剂孔66的口状基底67相分离；转动驱动单元40，所述转动驱动单元40用于以可转动的方式驱动工件W；转动编码器S1，用于为了检测转动工件W的润滑剂孔66的位置而检测工件W的转动位置；以及控制器100，所述控制器100用于控制底板驱动单元30的操作，以使得第二底板72根据加工期间的润滑剂孔66的位置被分别驱动到操作位置或非操作位置。而且由第二底板72挤压研磨膜11所执行的研磨被限定在润滑剂孔66的口状基底67的附近。因此，第一实施例所涉及的研磨设备1显示了这样一种作用，即，甚至具有形成有打开的润滑剂孔66的预加工表面65的工件W都可被迅速地加工，同时可完全限制加工成本的增加和形状精确度(诸如圆度和直度)的降低，并可减少磨粒从研磨膜11上的脱离以及脱离位置的数量。
而且，由于第一底板71包括硬底板并且第二底板72包括软底板，因此硬底板71的用于提高每个预加工表面65的形状精确度(诸如圆度和直度)的加工和相关软底板72的用于在口状底缘67a处形成圆形部分68的加工是在同一个工序中执行的，因此硬底板71的用于校正工件形状的功能也可适用于已由软底板72加工的那些位置。因此，不存在由于相关软底板72的加工而降低每个预加工表面65的形状精确度的危险。
而且，开孔部分包括润滑剂孔66，因此具有所述润滑剂孔66的曲轴62的销部分63、轴部分64等的预加工表面65可被更好地研磨。
而且，研磨膜11是不可扩张并可变形的，因此可更好地研磨工件W。
本实施例的研磨设备1包括一种研磨方法，所述方法用于在第一底板71分别将研磨膜11的有磨粒的表面压在预加工表面65上的状态下以可转动的方式驱动工件的W的同时，研磨具有形成有打开的润滑剂孔66的预加工表面65的工件W，所述方法包括以下步骤由转动编码器S1检测转动工件W的润滑剂孔66的位置；并且在加工过程中，根据润滑剂孔66的位置将用于将研磨膜11的有磨粒表面压向润滑剂孔66的口状基底67的第二底板72驱动到操作位置或非操作位置，所述操作位置即，压在润滑剂孔66的口状基底67上的位置，所述非操作位置即，与润滑剂孔66的口状基底67相分离的位置，从而由第二底板72挤压研磨膜11所执行的研磨被限定在润滑剂孔66的口状基底67的附近。因此，第一实施例所涉及的研磨设备1显示了这样一种作用，即，甚至具有形成有打开的润滑剂孔66的预加工表面65的工件W都可被迅速地加工，同时可完全限制加工成本的增加和形状精确度(诸如圆度和直度)的降低，并可减少磨粒从研磨膜上的脱离以及脱离位置的数量。
(第二实施例)图10示出了以可开可闭的方式设在本发明第二实施例所涉及的研磨设备2中的上部和下部臂22、23的关闭状态。另外，图11A和图11B示出了第二实施例中所使用的底板80和底板壳83。应该注意的是，第二实施例中与第一实施例相同的元件用与第一实施例中相同的附图标记表示，并将省略对其的描述。
如图10中所示的，第二实施例所涉及的研磨设备2适用于研磨作为工件W的曲轴62，所述工件W具有与第一实施例中相同的形成有打开的开孔部分66(诸如润滑剂孔)的预加工表面65，并且研磨设备2包括研磨膜11和用于分别将研磨膜11的有磨粒表面压向预加工表面65的底板80。该实施例不同于第一实施例之处只在于，与每个底板80本身有关的结构以及没有第二底板72、底板驱动单元30等等。
如图11A和图11B中所示的，第二实施例所涉及的每个底板80包括由硬底板构成的第一底板元件81和由软底板构成的第二底板元件82。第二底板元件82被布置于研磨膜被压在开孔部分66的口状基底67的位置处，即，开孔部分66沿其而过的位置处。图11B中最左侧的底板只由第一底板元件81构成，包括开孔部分66沿其而过的位置。
每个第一底板元件81都是由诸如磨石或钢铁的硬质材料制成的以便于构成硬底板。相反，每个第二底板元件82都是由比第一底板元件81软并且可弹性变形的材料(诸如聚氨酯树脂)形成，以便于构成软底板。
每个第二底板元件82的表面从相关的第一底板元件81的表面突出到工件W微小的长度(几个μm)。根据第二底板元件82的硬度和底板挤压力确定第二底板元件82突出长度的最佳值。
在将曲轴62夹紧于包括具有所述结构的底板80的研磨设备2中的基础上，第一底板元件81和第二底板元件82分别被施以工件夹紧弹簧74的反作用弹力并分别被压向预加工表面65。
而且，在沿其轴向向曲轴62施以振动的同时，通过操纵转动驱动单元40而使得曲轴62绕其轴线转动，以使得构成硬底板的第一底板元件81分别将研磨膜11的有磨粒表面压在预加工表面65上，从而研磨整个的预加工表面65。而且，构成软底板的第二底板元件82分别将研磨膜11的有磨粒表面压在口状基底67上，从而在口状底缘67a处形成圆形部分68。
在研磨期间，曲轴62向前转动预定的转数(诸如5转)，之后向后转动相同的转数。改变转动方向保持了研磨膜11的性能、并使得口状基底67的整个圆周被均匀地加工。
另外，在第二实施例中，以这种方式，用单组研磨设备就可执行由第一底板元件81，即，硬底板对预加工表面65的整个圆周的加工和由第二底板元件82，即，软底板对口状基底67的加工，从而能够提高加工效率并缩短加工所需的时间。而且，没有增加设备的数量，从而还可限制设备成本和加工成本的增加。
还可用第二实施例的底板80代替现存研磨设备中的底板，从而与第一实施例相比，可进一步限制设备成本、加工成本等的增加。
而且，由于最左侧的底板80由硬底板构成，因此硬底板的用于提高每个预加工表面65的形状精确度(诸如圆度和直度)的加工和相关软底板的用于在口状底缘67a处形成圆形部分68的加工是在同一个程序中执行的，基于最左侧的硬底板，已由软底板进行加工的预加工表面65的那些区域经受校正工件形状的作用。因此，不存在由于相关软底板的加工而降低每个预加工表面65的形状精确度的危险。
应该注意的是，第二实施例也可有效地适用于这样的工件W，所述工件W的口状底缘67a的磨圆量小于第一实施例中的工件W的口状底缘67a的磨圆量。
(修正的实施例)工件W的预加工表面65从不被限定在曲轴62的销部分63、轴部分64等等，并且可适用于具有形成有打开的开孔部分66的预加工表面65范围内的其他各种工件W。
尽管已分别以使用离心凸轮31、马达M4等等作为底板驱动单元30的形式为例描述了第一实施例，但是可不局限于此对第一实施例进行适当的修正。例如，可通过驱动器(诸如伺服马达或由气压操纵的流体压力缸)将第二底板72驱动到操作位置或非操作位置。
此外，尽管已示出了其中每个第二底板72由软底板构成的情况，但是通过这样一种结构也可获得相同的效果，在所述结构中用与第一底板71相同的硬底板构成第二底板72同时使得第二底板72的挤压力弱于第一底板71的挤压力。通过调节诸如油压或气压的流体压力，或通过调节例如弹簧的反作用弹力可调节底板挤压力。
而且，可使得软底板72沿工件的轴向振动。
虽然图11中的最左侧底板80是仅由第一底板元件81(硬底板)构成的，但是所述结构并非是本发明不可缺少的必要条件。例如，可在最左侧底板80的开孔部分66沿其而过的位置处布置第二底板元件82，在该情况下，第二底板元件82(软底板)所导致的预加工表面65的形状精确度(诸如圆度和直度)的降低可被限制在预定公差内。
(第三实施例)在下文中将参照附图描述本发明的第三实施例。第三实施例中与第一实施例相同的元件用与第一实施例中相同的附图标记表示，并将省略对其的描述。
图12示出了本发明第三实施例所涉及的研磨设备3。图13示出了以可开可闭的方式设在研磨设备3中的上部和下部臂22、23的关闭状态。图1 4示出了上部和下部臂22、23的打开状态。图15示出了研磨设备3的基本部分。此外，图16示出了伴随振动的凸轮轴位置。图17示出了相当于底板挤压单元330(相对于底板驱动单元)的结构。图18示出了底板挤压力P的改变。而且，图19A示出了作为待研磨工件的示范性凸轮轴60，图19B示出了凸轮轴60的凸轮凸起部分61的各个区域。为了便于描述，将凸轮轴60的轴向(即，图12中的左右方向)限定为X方向、垂直于X方向的水平方向(即，垂直于图12附图平面的方向)限定为Y方向，以及垂直于X方向的竖直方向(即，图12中的上下方向)限定为Z方向。
参照图12到图15，本实施例中的研磨设备3通常包括研磨膜11，每个研磨膜11都包括带有磨粒的一个表面的不可延展而可变形的薄衬底；分别布置在研磨膜11的背表面侧的底板21；底板挤压单元330，所述底板挤压单元330分别用于挤压底板21以便于将研磨膜11的有磨粒表面压向工件W；转动驱动单元40，所述转动驱动单元40用于以可转动的方式驱动工件W；以及振动单元50，所述振动单元50用于沿工件W的轴向向工件W与研磨膜11中的至少一个施加振动；因此通过将研磨膜11压在其上而使得转动的工件W被研磨。底板挤压单元330包括分别用于调节底板挤压力P的调节单元331(见图15)。本实施例的研磨设备3最好用于研磨具有其横截面为非圆弧形形状的预加工表面的工件W。该类型的工件W包括图19A中所示的凸轮轴60，并且该凸轮轴60的凸轮凸起部分61的外圆周表面示范性地形成待研磨的预加工表面。与凸轮凸起部分61的位置(见图12)相对应地设有多对相连接的上部和下部臂22、23。
应该注意的是，这里所使用的词语“其横截面为非圆弧形的形状”是指弧形或椭圆形，其中从该形状的转动中心到该形状的外圆周的一部分之间的半径不同于从转动中心到该形状的外圆周的其它部分之间的半径，并且应该理解的是，该词语当然包含卵形形状(诸如所示的凸轮凸起部分61)，以及具有这样的环形外圆周的形状，在所述环形外圆周中所述形状的转动中心偏离环形中心。
在下文中将详细地描述研磨设备3。
参照图12，凸轮轴60取代曲轴62作为工件W在研磨设备3中被加工。
如图16中所示的，根据离心转子51的转动位置沿振动的X方向改变凸轮轴60的位置。也就是，当假定离心转子51的初始位置(振动角θc＝0°)为凸轮轴60从凸轮轴60自身的中立位置处沿-X方向位移了离心转子51的离心量“e”的这样一个位置时，当离心转子51已从初始位置处转动并且振动角θc变为180°时，凸轮轴位置将相对于中立位置沿+X方向位移离心量“e”。当通过离心转子51的进一步转动而振动角θc变为360°时，凸轮轴位置将返回到与离心转子51的初始位置相对应的其初始位置。为了检测随着振动沿X方向的凸轮轴60的位置改变，离心转子51的轴连接有转动编码器S2，所述转动编码器S2用于检测离心转子51的转动位置(图12)。
参照图13和图14，每个研磨膜11从相关的供给盘15中被拉出，同时由设置于相关上部臂22尖端处的一对第一导辊R1、连接于上部臂22内侧位置处的第二导辊R2、连接于下部臂23内侧位置处的第三导辊R3、以及设置于下部臂23尖端处的一对第四导辊R4引导，然后由相关的卷起盘16将其卷起。
以与研磨膜11协调的方式进行上部臂和下部臂22、23的枢转移动，以使得关闭枢转移动使得相关底板21经由研磨膜11抵靠在适合的凸轮凸起部分61上，而打开枢转移动解除底板21在凸轮凸起部分61上的抵靠。
虽然底板21被分类为凸起底板和凹入底板，但是所示出的实施例中的底板21是凹入底板，每个底板21都是具有凹入尖端部分，并且都经由膜11抵靠在多个位置(诸如两个位置)处的相关凸轮凸起部分61的预加工表面上。虽然每个凹入底板21的尖端部分是凹入的，但是抵靠在工件W上的底板自身的表面被分别形成为横截面为凸起的弧形表面。尽管是经由膜11，但是每个凹入底板21都以直线接触的方式在两个位置处与凸轮凸起部分61的预加工表面相接触。上部和下部底板21在四个点处支撑每个凸轮凸起部分61，从而可使得凸轮凸起部分61稳定地转动。应该注意的是，在该实施例中，底板21经由膜11间接抵靠在工件W外圆周表面上被简称为“接触”，而每个底板21经由研磨膜11抵靠在工件W外圆周表面上的区域被简称为“接触表面区域。
另外，如图15中所示的，将底板21容纳于其中的底板壳28以能够相对于工件W前进和收缩的方式被容纳于分别形成于上部臂和下部臂22、23的尖端部分处的凹入部分27中。当底板壳28沿与其外表面相关的凹入部分27的内表面被引导时，每个底板壳28移动。底板21通过摆动销29被分别容纳于设在底板壳28处的中空部分28a中的颈部可摆动元件中。上部和下部摆动销29被布置于穿过凸轮轴60的轴线O的直线上，以使得底板挤压力P有效地作用在膜11上。图15中的附图标记70表示用于供应冷却剂的喷嘴。
底板挤压单元330分别被布置于上部臂和下部臂22、23的尖端部分处。如图17中概念性地示出的，每个底板挤压单元330包括连接杆32，其一个尖端与相关底板壳28相连接；包括压缩盘簧的工件夹紧弹簧33；挤压杆34，用于使得工件夹紧弹簧33在连接杆32和挤压杆34本身之间弹性变形；抵靠在挤压杆34头部分上的离心转子35；以及用于以可转动的方式驱动离心转子35的挤压马达M4。连接杆32和挤压杆34以可滑动的方式被容纳于形成在相关臂22/23中的通孔22a/23a中。将底板壳28压向相关凸轮凸起部分61使得底板21被容纳于底板壳28中，从而使得相关研磨膜11的有磨粒表面挤压凸轮凸起部分61。每个离心转子35都具有通过用凸轮的总高度“H”减去基圆直径而获得的凸轮升程“h”， 并且该凸轮升程“h”相当于挤压杆34可最大限度移动的距离。每个用于调节底板挤压力P的调节单元331都由相关的工件夹紧弹簧33、挤压杆34、离心转子35以及挤压马达M4构成。
如图18中所示的，底板挤压力P随着离心转子35的转动位置而改变。也就是，当假定离心转子35的初始位置(离心角θe＝0°)为离心转子的基圆抵靠在相关挤压杆34的头部分上的这样一个位置时，当离心转子35已从初始位置处转动并且离心角θe变为180°时，挤压杆34移动凸轮升程“h”的距离，因此工件夹紧弹簧33进一步被弹性压缩变形，产生最大底板挤压力P。当通过离心转子35的进一步转动而离心角θe变为360°时，挤压杆34返回到其初始位置，并且底板挤压力P也恢复到与初始位置相同的挤压力。为了检测底板挤压力P的所述改变，每个离心转子35的轴都连接有转动编码器S4，所述转动编码器S4用于检测离心转子35的转动位置(见图15)。
如图19B中所示的，每个凸轮凸起部分61都包括多个区域，所述区域包括限定了基圆的基底区域“d”，限定了凸轮升程的顶部区域“a”，延伸到顶部区域“a”两侧的动作区域“b1、b2”，分别用于启动发动机的打开和关闭阀；以及从基底区域“d”处分别接近动作区域“b1、b2”的斜坡区域“c1、c2”。
图20A示出了从凸轮凸起部分61的轴线O(转动中心)到其预加工表面的半径，图20B示出了凸轮凸起部分61的预加工表面处的曲率半径。
如图20A中所示的，当凸轮凸起部分61的预加工表面的横截面为非圆形形状时，区域与区域之间在从凸轮凸起部分61的轴线O(转动中心)到预加工表面的半径被改变，即，使得半径从基底区域“d”的终端朝向顶部区域“a”增加。而且，如图20B中所示的，基底区域“d”具有恒定的曲率半径，而由于动作区域“b1、b2”基本是直的因此具有极大的曲率半径，以及顶部区域“a”具有较小的曲率半径。
在研磨具有上述形状的每个凸轮凸起部分61的情况下，如上所述的，如果将工件的转动速度Vw定为恒量的话，作为凸轮凸起部分的预加工表面的外圆周表面的每单位圆周长度与膜11的接触时间在区域与区域之间是不同的。而且，在其中每个颈部可摆动的凹入底板21被压向相关凸轮凸起部分61的形式下，由于在凹入底板21与动作区域“b1”/“b2”相接触时凹入底板21被颈部摆动并且大大地倾斜，因此所施加的底板挤压力P的沿凹入底板与动作区域之间的接触点的正常方向作用的分力变得较小。而且，由于动作区域“b1、b2”分别具有极大的曲率半径，因此与其他区域相比，它们相对于底板21的接触表面面积变得更大。因此在这种情况下，膜11的接触表面压力在区域与区域之间是不同的，具体地说，在动作区域“b1、b2”处接触表面压力较低。这导致凸轮凸起部分61的每单位圆周长度的预加工表面的不均匀加工量，从而可增加预加工表面的表面粗糙度，具体地，增加动作区域“b1、b2”处的表面粗糙度。
考虑到上述问题，在本实施例的研磨设备3中，通过用相关的转动编码器S1检测凸轮凸起部分61的转动位置以便于根据加工期间的凸轮凸起部分61的转动位置以可变的方式控制底板挤压力P、工件转动速度Vw以及振动速度Vo中的至少一个，凸轮凸起部分61的预加工表面处的每单位圆周长度的加工量被均匀化了。
下面将参照图21到图23描述上述控制。图21示出了本发明所涉及的研磨设备3的控制系统。图22A示出了可变控制的一个示例，所述可变控制用于在加工过程中根据凸轮凸起部分61的转动位置控制底板挤压力P，图22B示出了凸轮凸起部分61的各个区域处的接触表面压力。图23A示出了可变控制的一个示例，所述可变控制用于在加工过程中根据凸轮凸起部分61的转动位置控制工件转动速度Vw，以及图23B示出了可变控制的一个示例，所述可变控制用于在加工过程中根据凸轮凸起部分61的转动位置控制振动速度Vo。
为了便于描述，如图15中所示的，其中其顶部区域“a”和基底区域“d”被分别布置于顶部和底部的每个凸轮凸起部分61的直立位置被定义为凸轮凸起部分61的初始位置，而从初始位置处转动180°的顶部区域“a”和基底区域“d”被分别布置于底部和顶部的凸轮凸起部分61的翻转位置被定义为凸轮凸起部分61的倒置位置。
参照图21，转动编码器S1、S2、S3和S4被连接于诸如主要包括CPU和存储器的控制器100(相当于控制单元)，并且向控制器100中输入有关于凸轮凸起部分61的转动位置、用于改变底板挤压力P的离心转子35的转动位置、以及用于在加工期间供应振动的离心转子51的转动位置的检测信号。还向控制器100中输入有关于用于检测工件转动速度Vw的主轴瞄准马达M1的转动速度和有关于用于确定振动速度Vo的振动马达M2的转动速度的检测信号。控制器100根据来自于转动编码器S1的有关于该凸轮凸起部分61的转动位置的信号确定每个凸轮凸起部分61的哪一区域正被加工。而且，根据正在加工的区域，控制器100以可变的方式控制底板挤压力P、工件转动速度Vw以及振动速度Vo中的至少一个。
用于改变底板挤压力P的控制如下所述。如图22A中所示的，以在加工每个凸轮凸起部分61的动作区域“b1、b2”时底板挤压力P大于在加工其他区域时底板挤压力P这样一种方式，控制器100控制诸如包括相关离心转子35和挤压马达M4的相关调节单元331的操作。
具体地，控制器100向适合的挤压马达M4输出用于控制其转动的控制信号，以使得当相关凸轮凸起部分61已到达其初始位置时，相关离心转子35的离心角θe变为0°，当凸轮凸起部分61的转动使得相关底板21与动作区域“b1”/“b2”相接触时而使离心角θe变为180°，并且当凸轮凸起部分61进一步转动并到达其反转位置时使得离心角θe变为360°。当相关离心角θe变为180°(见图18)时每个底板挤压力P变为最大值，以使得在加工相关凸轮凸起部分61的动作区域“b1、b2”的底板挤压力P大于在加工其他区域的底板挤压力P。
如图22B中双点划线所示的，在研磨期间将底板挤压力P保持恒量的比较示例的情况中，动作区域“b1、b2”处的接触表面压力被较大地降低。相反，如图22B中实线所示的，以上述方式控制底板挤压力P增加了动作区域“b1、b2”处的接触表面压力。这校正了每个凸轮凸起部分61的预加工表面处的每单位圆周长度的不均匀加工量，并且限制了预加工表面(特别是，动作区域“b1、b2”)的表面粗糙度的增加。
而且，用于改变工件转动速度Vw的控制如下所述。如图23A中所示的，控制器100控制诸如包括主轴瞄准马达M1的转动驱动单元40的操作，以使得在加工适合的凸轮凸起部分61的动作区域“b1、b2”的工件转动速度Vw比在加工其他区域的工件转动速度Vw慢。
具体地，控制器100向主轴瞄准马达M1输出控制信号以控制主轴瞄准马达M1的转动速度，以使得当适合的凸轮凸起部分61已到达其初始位置时，工件转动速度Vw变为正常速度，当凸轮凸起部分61已转动并与动作区域“b1”/“b2”相接触时使得工件转动速度Vw变为比正常速度慢的减速，并且当凸轮凸起部分61进一步转动并到达其反转位置时使得工件转动速度Vw变为正常速度。
如果在研磨期间将工件转动速度Vw保持恒量的话，动作区域“b1、b2”的圆周速度变得高于基底区域“d”的圆周速度，因此动作区域“b1、b2”与膜11的接触时间比基底区域“d”与膜11的接触时间短。相反，以上述方式控制工件转动速度Vw降低了在加工动作区域“b1、b2”时动作区域“b1、b2”的圆周速度，从而延长了动作区域“b1、b2”与膜11的接触时间。这校正了每个凸轮凸起部分61的预加工表面处的每单位圆周长度的不均匀加工量，并且限制了预加工表面(特别是，动作区域“b1、b2”)的表面粗糙度的增加。
应该注意的是，在所示出的控制形式中，顶部区域“a”与膜11的接触时间未被积极地延长。这是由于顶部区域“a”的接触表面压力固有地较高(见图22B)，因此顶部区域“a”的表面粗糙度满足所要求的水平。因此，可只控制主轴瞄准马达M1的转动速度以使得在加工适合顶部区域“a”时工件转动速度Vw比在加工相关基底区域时的工件转动速度慢，从而进一步降低顶部区域“a”的表面粗糙度。
另外，用于改变振动速度Vo的控制如下所述。如图23B中所示的，控制器100控制诸如包括马达的振动单元50的操作，以使得在加工适合的凸轮凸起部分61的动作区域“b1”/“b2”的振动速度Vo比在加工其他区域的振动速度Vo快。
具体地，控制器100向振动马达M2输出控制信号以控制振动马达M2的转动速度，以使得当转动的凸轮凸起部分61已到达其初始位置时，振动速度Vo变为正常速度(如10Hz)，当凸轮凸起部分61已转动并与动作区域“b1、b2”相接触时使得振动速度Vo变为比正常速度快的加速，并且当凸轮凸起部分61进一步转动并到达其反转位置时使得振动速度Vo变为正常速度。
如果在研磨期间将振动速度Vo保持恒量的话，就获得了每单位时间膜11的一片磨粒沿其作用在预加工表面上的固定距离。相反，以上述方式控制振动速度Vo延长了整片磨粒沿其作用在动作区域“b1、b2”处的预加工表面上的距离，从而增加了每单位时间有效作用在预加工表面上的磨粒数量，以便于增加每单位时间的预加工表面的移除量。这校正了每个凸轮凸起部分61的预加工表面处的每单位圆周长度的不均匀加工量，并且限制了预加工表面(特别是，动作区域“b1、b2”)的表面粗糙度的增加。
应该注意的是，在以可变的方式控制它们的基础上，底板挤压力P、工件转动速度Vw以及振动速度Vo的变化率不是以唯一的方式确定的并且最终是以试错法的方式确定的，这是由于这些变化率将取决于诸如工件形状、基本加工条件(底板挤压力、工件转动速度以及振动速度的基值)以及所要求的表面粗糙度等因素。
在下文中将采取例如以可变的方式控制底板挤压力P的情况来描述本实施例的操作。
首先，将凸轮轴60支撑在头座42和尾座46之间，并且使得上部和下部臂22、23分别移动到凸轮凸起部分61的位置。此时，流体压力缸25已收缩相关的活塞杆26以便于分别将相关的上部臂22和下部臂23控制在打开位置处。之后，操纵流体压力缸25以延伸相关的活塞杆26，从而沿关闭方向分别枢转上部和下部臂22、23。这些关闭枢转移动使得研磨膜11分别被设置在凸轮凸起部分61的预加工表面上。
在上部和下部臂22、23被枢转并关闭时，操纵马达M3以分别使卷起盘16转动。供给预定量的研磨膜11以使得未使用的有磨粒表面分别被设置在预加工表面上。之后，在用供给盘15附近的锁定装置锁定了供给盘15之后，使得卷起盘16转动，从而赋予研磨膜11预定张力。接下来，用卷起盘16附近的锁定装置锁定卷起盘16，从而使得研磨膜11处于在没有一点松弛的情况下被赋予张力的状态中。
在凸轮凸起部分61被夹紧的状态下，适合的底板挤压单元330的离心转子35处于其初始位置(离心角θe＝0°)并且相关的底板21都分别被工件夹紧弹簧33的反作用弹力挤压。在这些反作用弹力的作用下，两个底板21都被压向凸轮凸起部分61，从而将研磨膜11的有磨粒表面压向预加工表面。
而且，在通过操纵振动单元50沿其轴向向凸轮轴60施以振动的同时，通过操纵转动驱动单元40而使得凸轮轴60绕其轴线转动，以使得容纳有底板21的底板壳28在凹入部分27中分别以跟随适合的凸轮凸起部分61的转动的方式前进和收缩，从而研磨凸轮凸起部分61的预加工表面。
在该加工过程中，转动编码器S1检测凸轮凸起部分61的转动位置，并且控制器100根据加工期间凸轮凸起部分61的转动位置分别以可变的方式控制底板挤压力P。也就是，控制适合的挤压马达M4的操作是这样的使得当相关底板21与相关动作区域“b1、b2”相接触时离心转子35的离心角θe变为180°，从而与在加工其他区域的底板挤压力P相比分别增加在加工动作区域“b1、b2”的底板挤压力P。
这增加了动作区域“b1、b2”(图22B)处的接触表面压力，从而使得每个凸轮凸起部分61的预加工表面处的每单位圆周长度的加工量均匀化，以便于限制动作区域“b1、b2”的表面粗糙度的增加，以使得作为一项机械加工质量的表面粗糙度是均等化。
虽然凸轮轴60具有许多凸轮凸起部分61，但是对于这些凸轮凸起部分61的研磨是同步执行的。在完成研磨的基础上，操纵流体压力缸25以收缩相关的活塞杆26，以便于分别使得上部和下部臂22、23沿打开方向枢转到可从它们中抽出凸轮轴60的状态。在抽出凸轮轴60之后，设置另一个凸轮轴60，从而可开始相同的研磨。
在以可变方式控制工件转动速度Vw而不是控制底板挤压力P的情况中，其操作如下所述。
在研磨期间，转动编码器S1检测凸轮凸起部分61的转动位置，并且控制器100根据加工期间凸轮凸起部分61的转动位置分别以可变的方式控制工件转动速度Vw。也就是，如此控制主轴瞄准马达M1的操作以使得当底板21与相关动作区域“b1、b2”相接触时工件转动速度Vw变为低速，从而与在加工其他区域的工件转动速度Vw相比减小在加工动作区域“b1、b2”的工件转动速度Vw(图23A)。
这延长了动作区域“b1、b2”与膜11的接触时间，从而使得每个凸轮凸起部分61的预加工表面处的每单位圆周长度的加工量均匀化，以便于限制动作区域“b1、b2”的表面粗糙度的增加，以使得表面粗糙度是均等的。
在以可变方式控制振动速度Vo而不是控制底板挤压力P或工件转动速度Vw的情况中，其操作如下所述。
在研磨期间，转动编码器S1检测凸轮凸起部分61的转动位置，并且控制器100根据加工期间凸轮凸起部分61的转动位置分别以可变的方式控制振动速度Vo。也就是，如此控制振动马达M2的操作以使得当底板21与相关动作区域“b1、b2”相接触时振动速度Vo变为高速，从而与在加工其他区域的振动速度Vo相比增加在加工动作区域“b1、b2”的振动速度Vo(图23B)。
这增加了有效作用在动作区域“b1、b2”上的磨粒数量，从而使得每个凸轮凸起部分61的预加工表面处的每单位圆周长度的加工量均匀化，以便于限制动作区域“b1、b2”的表面粗糙度的增加，以使得表面粗糙度是均等的。
如上所述，本实施例的研磨设备3包括研磨膜11；底板21；底板挤压单元330，所述底板挤压单元330分别用于朝向工件W挤压底板21以便于将研磨膜11的有磨粒表面压向工件W；转动驱动单元40，所述转动驱动单元40用于以可转动的方式驱动工件W；振动单元50，所述振动单元50用于沿其轴向向工件W施加振动；用于检测工件W的转动位置的转动编码器S1；以及控制器100，所述控制器100用于根据加工期间的工件W的转动位置以可变的方式控制底板挤压力P、工件转动速度Vw以及振动速度Vo中的至少一个；并且工件W的预加工表面处的每单位圆周长度的加工量被均匀化了。因此研磨设备3显示了这样一种作用，即，甚至具有其横截面为非圆形的弧形形状的预加工表面的工件W都可在预加工表面的表面粗糙度方面均等。而且，工件W的预加工表面处的每单位圆周长度的加工量被均匀化这个事实意味着，只提高加工质量(诸如预加工表面的特定位置处的表面粗糙度)而不需要辅助的加工时间。这不仅在根据工件W的转动位置增加底板挤压力P或振动速度Vo的情况中可缩短总的加工时间，而且在根据工件W的转动位置控制工件转动速度Vw以放慢工件转动速度Vw的情况中也可缩短总的加工时间。
而且，由于工件W的预加工表面是凸轮轴60的每个凸轮凸起部分61的外圆周表面，因此还显示了这样的作用，即，使得凸轮凸起部分61的预加工表面处的每单位圆周长度的加工量均匀化，以使得凸轮凸起部分61的预加工表面处的表面粗糙度均等，从而可缩短凸轮凸起部分61的加工时间。
而且，底板挤压单元330包括分别用于调节底板挤压力P的调节单元331，并且控制器100控制调节单元331的操作以使得在加工凸轮凸起部分61的动作区域“b1、b2”的底板挤压力P大于在加工其他区域的底板挤压力P以便于增加动作区域“b1、b2”处的接触表面压力。因此，可获得这样的效果，即，可限制动作区域“b1、b2”的表面粗糙度的增加，并且可使得凸轮凸起部分61的预加工表面的表面粗糙度均等。
此外，控制器100控制转动驱动单元40的操作，以使得在加工凸轮凸起部分61的动作区域“b1、b2”的工件转动速度Vw慢于在加工其他区域的工件转动速度Vw以便于延长动作区域“b1、b2”与研磨膜11的接触时间。因此，可获得这样的效果，即，可限制动作区域“b1、b2”的表面粗糙度的增加，并且可使得凸轮凸起部分61的预加工表面的表面粗糙度均等。
另外，控制器100控制振动单元50的操作，以使得在加工凸轮凸起部分61的动作区域“b1、b2”的振动速度Vo快于在加工其他区域的振动速度Vo以便于增加有效地作用在动作区域“b1、b2”的磨粒数量。因此，可获得这样的效果，即，可限制动作区域“b1、b2”的表面粗糙度的增加，并且可使得凸轮凸起部分61的预加工表面的表面粗糙度均等。
同时，由于底板21包括容纳于颈部可摆动元件中并具有凹入尖端部分的凹入底板21，所述凹入尖端部分用于通过研磨膜11在多个位置抵靠在工件W的预加工表面上，从而可显示这样的效果，即，使得可稳定地转动并研磨工件W以提高加工质量。
而且，不可延伸而可变形的研磨膜11能够适宜地研磨具有其横截面为非圆形的弧形形状的预加工表面的工件W。
而且，本实施例的研磨设备3将通过转动编码器S1检测工件W的转动位置，并且根据加工期间的工件W的转动位置以可变的方式控制底板挤压力P、工件转动速度Vw以及振动速度Vo中的至少一个，从而体现使得工件W的预加工表面处的每单位圆周长度的加工量均匀化的研磨方法。因此可显示这样的效果，即使在具有其横截面为非圆形的弧形形状的预加工表面的工件W中也可使得预加工表面的表面粗糙度均等，同时能够缩短总的加工时间。
(修正实施例)尽管已描述了用于根据加工期间的工件W的转动位置以可变的方式控制底板挤压力P、工件转动速度Vw以及振动速度Vo中的至少一个的实施例，但是本发明不局限于此。例如，可采用这样的形式以组合可变控制底板挤压力P与工件转动速度Vw；底板挤压力P与振动速度Vo；工件转动速度Vw与振动速度Vo；或底板挤压力P、工件转动速度Vw以及振动速度Vo全体。
此外，工件W的预加工表面不局限于凸轮轴60的凸轮凸起部分61，并且在具有其横截面为非圆形弧形形状的预加工表面的范围内的其他各种工件W当然是适用的。
尽管已以使用工件夹紧弹簧33、离心转子35、挤压马达M4等作为底板挤压单元330并且其中包括调节单元331的形式描述了该实施例，但是可不局限于此适当地修正该实施例。例如，可将底板21压向工件W以便于利用流体压力缸(诸如由气压操作的)朝向工件W挤压研磨膜11的有磨粒表面。在这种情况下，诸如可通过调节被施加于流体压力缸的气压或通过用电磁阀接通/关闭气压而调节底板挤压力P。
而且，尽管在所示的实施例中转动驱动单元40通过改变主轴瞄准马达M1的转动速度以可变的方式控制工件转动速度Vw，但是也可通过改变布置于输出轴与主轴瞄准马达M1的主轴之间的变速器的齿轮比而以可变的方式控制工件转动速度Vw。
而且，在所示的实施例的振动单元50的情况中，尽管通过向台49施加振动而向工件W施以振动，但是也可向支撑工件W的主轴41施加振动。而且，可以向研磨膜11施加振动，而不必向工件W施加振动，或者向工件W和研磨膜11两者均施加振动。
最后，尽管已作为底板的示例描述了凹入底板21，但是本发明还适用于使用具有凸起弧形形状的尖端部分的凸起底板的情况。
在这里合并参考申请日为2003年2月12日的日本专利申请No.P2003-34050和No.P2003-34065的全部内容。
尽管以上参照本发明的某些实施例描述了本发明，但是本领域普通技术人员可明白的是，根据所述技术，本发明不局限于上述实施例。在以下的权利要求中限定了本发明的保护范围。
权利要求
1.一种研磨具有预加工表面的工件的研磨设备，所述设备包括研磨膜，所述研磨膜包括具有带磨粒的表面的薄衬底；设置在研磨膜后表面侧处的底板；底板驱动单元，所述底板驱动单元朝向工件驱动底板以便于将研磨膜的有磨粒的表面压在工件的预加工表面上；转动驱动单元，所述转动驱动单元以可转动的方式驱动工件；检测单元，所述检测单元沿转动方向检测转动的工件的位置；以及控制单元，所述控制单元控制底板驱动单元的挤压力，以便于在加工过程中沿转动方向根据工件的位置而驱动底板。
2.如权利要求1中所述的研磨设备，其特征在于，工件的预加工表面形成有开孔部分，所述底板包括第一底板，将研磨膜的有磨粒的表面压向预加工表面；以及第二底板，将研磨膜的有磨粒的表面压向开孔部分的口状基底，底板驱动单元，所述底板驱动单元在操作位置与非操作位置之间驱动第二底板，所述操作位置即，第二底板被压向开孔部分的口状基底，所述非操作位置即，第二底板与开孔部分的口状基底相分离；检测单元，所述检测单元检测转动的工件的开孔部分的位置；控制单元，所述控制单元控制底板驱动单元的操作以便于根据加工期间的开孔部分的位置朝向操作位置或非操作位置驱动第二底板，以及通过用第二底板将研磨膜压向转动的工件而执行的研磨被局限于开孔部分的口状基底的附近。
3.如权利要求2中所述的研磨设备，其特征在于，第一底板包括硬底板，第二底板包括软底板。
4.如权利要求2中所述的研磨设备，其特征在于，开孔部分为润滑剂孔。
5.如权利要求1中所述的研磨设备，其特征在于，工件的预加工表面形成有开孔部分，并且，所述底板包括由硬底板构成的第一底板元件和由软底板构成的第二底板元件，第二底板元件被布置于将研磨膜压向开孔部分的口状基底的位置处。
6.如权利要求1中所述的研磨设备，其特征在于，所述研磨膜是不可扩张而可变形的。
7.如权利要求1中所述的研磨设备，其特征在于，工件的预加工表面的横截面为非圆形的弧形形状，所述研磨设备还包括振动单元，所述振动单元沿工件的轴向向工件和研磨膜中的至少一个施加振动，并且控制单元根据加工期间的工件沿转动方向的位置以可变的方式控制底板挤压力、工件转动速度以及振动速度中的至少一个，以便使得工件的预加工表面处的每单位圆周长度的加工量均匀化。
8.如权利要求7中所述的研磨设备，其特征在于，工件的预加工表面是凸轮轴的凸轮凸起部分的外圆周表面。
9.如权利要求8中所述的研磨设备，其特征在于，底板驱动单元包括调节底板挤压力的调节单元，以及控制单元控制调节单元的操作以使得在加工凸轮凸起部分的动作区域时的底板挤压力大于在加工凸轮凸起部分的其他区域时的底板挤压力。
10.如权利要求8中所述的研磨设备，其特征在于，控制单元控制转动驱动单元的操作，以使得在加工凸轮凸起部分的动作区域的工件转动速度慢于在加工凸轮凸起部分的其他区域的工件转动速度。
11.如权利要求8中所述的研磨设备，其特征在于，控制单元控制振动单元的操作，以使得在加工凸轮凸起部分的动作区域时的振动速度快于在加工凸轮凸起部分的其他区域的振动速度。
12.如权利要求7中所述的研磨设备，其特征在于，底板包括容纳于颈部可摆动元件中并具有凹入尖端部分的凹入底板，所述凹入尖端部分通过研磨膜在多个位置抵靠在工件的预加工表面上。
13.一种研磨工件的研磨方法，所述工件具有预加工表面，通过底板将研磨膜的有磨粒的表面压在预加工表面上的状态下以可转动的方式驱动工件的同时研磨工件，所述方法包括检测转动工件的转动位置；并且在加工过程中沿转动方向根据工件的位置控制底板的挤压力。
14.如权利要求13中所述的研磨方法，其特征在于，工件的预加工表面形成有开孔部分，所述底板包括第一底板，将研磨膜的有磨粒的表面压向预加工表面；以及第二底板，将研磨膜的有磨粒的表面压向开孔部分的口状基底；转动位置检测包括检测转动工件的开孔部分的位置，并且挤压力控制包括根据加工期间开孔部分的位置在操作位置与非操作位置之间驱动第二底板，所述操作位置即，第二底板被压向开孔部分的口状基底，所述非操作位置即，第二底板与开孔部分的口状基底相分离，因此通过用第二底板将研磨膜压向转动的工件而执行的研磨被局限于开孔部分的口状基底的附近。
15.如权利要求13中所述的研磨方法，其特征在于，工件的预加工表面的横截面是非圆形的弧形形状，并且所述研磨方法还包括沿工件的轴向向工件和研磨膜中的至少一个施加振动，并且根据加工期间沿转动方向的工件的位置以可变的方式控制底板挤压力、工件转动速度以及振动速度中的至少一个，以便于使得工件的预加工表面处的每单位圆周长度的加工量均匀化。
16.一种研磨具有预加工表面的工件的研磨设备，所述设备包括研磨膜，所述研磨膜包括具有带磨粒的表面的薄衬底；设置在研磨膜后表面侧处的底板；底板驱动装置，所述底板驱动装置用于朝向工件驱动底板以便于将研磨膜的有磨粒的表面压向工件的预加工表面上；转动驱动装置，所述转动驱动装置用于以可转动的方式驱动工件；检测装置，所述检测装置用于沿转动方向检测转动工件的位置；以及控制装置，所述控制装置用于控制底板驱动装置的挤压力，以便于在加工过程中根据工件的位置沿转动方向驱动底板。
全文摘要
本发明涉及一种用于研磨具有预加工表面的工件的研磨设备，所述设备包括研磨膜，所述研磨膜包括具有带磨粒的表面的薄衬底；设置在研磨膜后表面侧处的底板；底板驱动单元，所述底板驱动单元用于朝向工件驱动底板以便于将研磨膜的有磨粒的表面压向工件的预加工表面；转动驱动单元，所述转动驱动单元用于以可转动的方式驱动工件；检测单元，所述检测单元用于沿转动方向检测转动工件的位置；以及控制单元，所述控制单元用于控制底板驱动单元的挤压力，以便于在加工过程中沿转动方向根据工件的位置驱动底板。
文档编号B24B21/00GK1520960SQ20041000398
公开日2004年8月18日 申请日期2004年2月12日 优先权日2003年2月12日
发明者长谷川清, 饭泉雅彦, 小又正博, 荻野崇, 近藤智浩, 武田和夫, 渡边孝文, 千田义之, 松下靖志, 之, 博, 夫, 彦, 志, 文, 浩 申请人:日产自动车株式会社