JPS58196934A - セラミツクスの精密振動切削法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 新しい工業材料として多くの産業分野で期待されている
セラミックスについては、これを普通炭素鋼と同様に自
由自在に旋削加工できる切削理論と技術の開発が要請さ
れている。

本発明は、このような要請に応える新しいセラミックス
の精密振動旋削法に関するものである。

セラミックスのもつ優れた緒特性が、切削加工における
難削材としての要因となっている。

硬い性質は脆性を意味し、硬いという機械的性質がもた
らす切削力の増大によって、脆いセラミックス工作物が
巨視的には折損や破損を起こし易くなり、また微視的に
は工作物表面に微細クラックを発生させることになる。

このセラミックスの旋削加工では、切削力がわずかでも
軽減される方法、また微細クラックの発生が他の方法に
比べてわずかでも軽減される方法によって旋削加工する
ことが肝要となる。

しかるに１周知のように耐熱性に優れるセラミックスを
高温切削、低温切削しても切削力には変化が見られず、
工具形状を変化させてもセラミックスに対しては何ら影
響を与えない。また。

切削油剤の種類を変えても切削工具の冷却効果のみとな
って、本質的な切削機構に寄与させてその切削力を軽減
させる効果は得られない。

ここにおいて、切削力そのものを軽減させる方法に適切
な方法が全くないと仮定するならば、この切削力が作用
するセラミックス工作物の剛性、すなわち、ばね定数を
増大させる方法について考える。すなわち、大きな切削
力が作用してもセラミックス工作物のたわみが少ない切
削方法について考える。

いま、第１図のようにして丸棒工作物１をバイト２によ
って高速切削する場合を考える。高速切削の背分力方向
切削力波形はｐ；＋Ｂｓ１ｎωｔで近似化して表わされ
るのも、 Ｍ：旋盤主軸に取り付けた工作物１の等価質量（ゆｆ　
−ｓ　”　７ｍ） Ｃ：主軸に取り付けた工、作物の水平方向の粘性減衰係
数（ｋｇｆ−ｓ／ｎ＋） ｋ：旋盤主軸に取り付けた工作物の水平方向のばね定数
（ｋｇｆ／龍） Ｐ、：背分力方向静的切削力成分（’９ｆ）ｐｔ：背分
力方向動的切削力成分（ｋｇｆ）ω：切削力の変動角固
有振動数（ｒａｄ　／ｓ　）賜：工作物の水平方向角固
有振動数（ｒａｄ／ｓ）ここで、（１）式の運動方程式
の解は、ω／叫〉１のとき、 ｔ となる。すなわち、時間ｔの項がなくなり、ばね定数に
で静的切削力Ｐｔを割った値のＸをもって変位すること
がわかる。すなわち、高速切削した場合には工作物本来
のばね定数にで切削力を割った値をもって工作物が変位
する。さて次に をもって表わされる。パルス切削力波形が工作物に作用
する場合を考える。

このときの工作物の運動を表わす運動方程式は（２）式
のようになる。

２） （ｔｃ：バイトの振動−周期ごとの正味切削時間Ｓ Ｔ　：バイトの振動周期　Ｓ　　） （２）式において、ω／へ　〉１のとき。

となる。すなわち、工作物本来のばね定数にの値をＴ／
ｌｃ倍高めることができる。Ｔ／ｌｃの値は一般には？
／４　の値とほぼ等しい。ここでＶは切削速度で、ＰＣ
＝２　ｎ　ａ　ｆ　（ｆ　：バイトの振動数、ａ：バイ
トの片振幅）である。約Ｔ／ｌｃ中３〜１０の値となる
。したがって、見掛上ばね定数をパルス切削力が作用す
る作用時間ｔｃとバイトの振動−周期Ｔとの比倍だけ高
めることができる。

この効果は、バイトを切削方向、すなわち主分力方向に
振動させてえられる振動切削効果として既に発表され、
実用化もされているところである。セラミックスを旋削
する上には、この運動方程式の解が示す数学的効果を工
学的に利用すること力雉−の方法のように考えられる。

一方、（３）式の分子のＰｌ、すなわち切削力そのもの
を軽減させ、さらに微細クラックの発生を防止する新し
い方法が本発明によって創作された。

第２図において、バイト２に切込みｔ′を与えて工作物
１に対して矢印方向に切削速度１をもって二次元切削す
ると、主分力Ｐｃおよび背分力Ｐ、は図示の方向に働き
１合力Ｐが発生し、これが切削速度Ｖの方向に対して−
φの負の方向に作用する。すなわち、工作物に作用する
切削力の合力はセラミックス工作物の表面から工作物内
部に向かって作用し、バイトに作用する切削抵抗の合力
は図示の方向に作用する。

さて、一般のタガネを使用してはつり作業をする場合に
、工作物内部から表面に向かってメガネをたたいた方が
、その抵抗は小さく容易にはつれることは周知のところ
である。この現象などを参考として、第３図のように・
傾斜した方向に示した切削速度Ｖの方向にバイト２を送
ることによって切削力は軽減されることがわかる。

すなわち、工作物の内部から工作物表面に向かって切削
することを繰返せば、特に工作物がセラミックスのよう
な脆性材料の場合には有効となり、切削力は軽減される
ものと考えられる。

切削力Ｐは主分力Ｐｃおよび背分力Ｐ、で合成され、そ
の方向は（＋φ）の方向角を有し、明らかに切削力Ｐを
工作物内部より工作物表面に向かって作用させることが
できる。

このような切削方法が、第４図（ａ）　、　（ｂ）に示
す切削方法によって実現される。

すなわち、バイト３を縦超音波振動子４をもって矢印５
の方向に振動数ｆ、片振幅ａをもって振動させ、また工
作物１を回転させて切削速度Ｖを与える。

この一定速度で回転する工作物の切削速度ｙとバイト刃
先の振動による方向が変化する振動速度とが合成されて
、バイト刃先はジクザクに進行し第３図のように工作物
内部から工作物上方に向かって切削する運動を繰返すこ
とができるようになる。このバイト２Ｖｃ切込み（送り
）ｔ″を矢印６の方向に与えて、パイプ状工作物の端面
を二次元切削する。

このときの切削機構を第５図に示して説明する。切削速
度Ｖと振動数ｆおよび片振幅ａとによる振動速度とが合
成されて、バイト刃先の運動軌跡は波形ＡＢＣＤ・・・
を示す。工作物がさらに１回転して切込み（送り）ｔ′
が与えられると、波形Ａ／　Ｂ／　Ｃ／σ・・・となる
。このときのバイト切刃で切削する部分は斜線で示した
近似面積ＢＢ’Ｃσ、ＤＤ’Ｅ、Ｅ’・・・となる。図
かられかるように、従来の普通の連続した面積とはなら
ずにこれらを分割した面積として小刻みに切削すること
になる。すなわち、切削力をバイトの振動−周期の十の
短い時間だけ作用させるパルス切削力波形とすることが
でき、Ｔ／ｌ　Ｃ＝２となる。このときの切削力は、第
５図に示すように、工作物内部より工作物表面に向かっ
て作用する。この方向はバイトの振動姿態によって若干
変化するが、その方向はいずれも工作物内部より表面空
間に向かって作用する。そして、切削力が軽減される。

この切込み（送り）　ｔｌをバイトの片振幅ａに比べて
極小とするのが、本発明の切削法の特色の１つである。

例えばａ−１５μｍとするとｔ’＝　０．５〜３μｍ程
度の値が理想的である。

このようにして切削力Ｐを軽減させることができ、その
上、微細クラックの発生については、波形の例えばＢ′
σがで表わされる工作物の曲部分にその発生を集中させ
ることができる。

この凸部は本発明の切削法の実施によって規則的に発生
する部分で、その表面あらさば３〜４μｍ程度を示す。

従って、ラッピング作業などを行なって平滑な仕上面に
する必要がある。

このラッピング工程によって微細クラックの発生に伴う
微少凸部群が除去され、平滑な仕上面が得られることに
なる。

このようにして、微少量の取り代部を加工して精密仕上
加工することを特徴とするラッピング作業に必要な形状
と表面あらさを有する素地に、粗旋削加工するのに最適
な旋削方法が、本発明によって実現されるのである。

この本発明を実施するにあたって用いられるバイト形状
には、次のような条件が必要とされる。第５図において
、振動数ｆ、片振幅ａのバイトの最大振動速度と工作物
の切削速度との関係から求められるバイト逃げ角θを与
える必要がある。すなわち、θ−ｔａｎ’−呵一のバイ
ト逃げｎ 角を与えて工作物表面とバイト逃げ面とが接触しないよ
うにすることが肝要である。ここにおいて、Ｄは工作物
直径、ｎは工作物回転数である。

いま、バイトの逃げ角θ−２ｏ°として、ｆ−２０ｋＨ
ｚ、　ａ＝　１５　μｍ、工作物の直径Ｄ：４０１１１
１とすると、ｎ中２５０Ｏｒｐｍとなる。そして、この
とき切削速度ｒ中３１０　ｍ／−となる。ｔ’＝０．５
〜１μｍ程度の微少の切込み（送り）によって、例えば
水溶性切削油剤を給油して潤滑を兼ねて切刃の冷却を行
なう。

このように、本発明における切削速度は極めて高い。ま
た、その切込み（送り）は微少である。旋盤往復台の送
り量が微少でも、その回転数が高速であるから、その送
り速度は早く、ステックスリップを発生させずに、一様
な送りをバイトに与えることができ、一様な切削面に加
工することができる。

本発明の具体例を第６図に示して説明する。

電れい縦振動子４の振幅を振幅拡大用ホーン７で拡大し
て、そのホーン先端に、電れい縦振動子４の固有振動数
ｆで共振する曲げ振動系バイト３を締付ボルト８によっ
て固定する。曲げ振動系バイト３には、多数の振動節が
発生する。

そのうちの２個所の振動節の位置を利用して、両側より
締付金具９，１０を介し、曲げ振動系バイト３を刃物台
１１に締付ボルト１２によって固定する。一方、ホーン
７の振動節の位置にホルダ１３を取付け、縦振動系ホー
ンを刃物台に固定する。

このようにして安定した例えばｆ＝２０ｋＨｚ、ａ−１
５μｍという超音波振動を、バイト３の先端に設けた横
切刃に与えることができる。

さて１次に重要な点は、図示のような円筒旋削加工にお
ける切刃の振動方向である。この振動方向を決めるにあ
たっては、第４図および第５図の二次元高速切削の振動
方向が基本となる。したがって１円筒旋削加工の横切刃
が切削する３次元切削の場合には、矢印５′の方向で示
す振動方向と工作物の回転中心軸と交わる角θを前切刃
角ηよりも小さくする。すなわち、前切刃逃げ角は本発
明で限定する逃げ角を与えていないので、前切刃逃げ面
が本発明の切削機構に作用しないように逃がしておく必
要が生ずる。この角ηよりも小さい角度θの方向に外周
から工作部内部に向かって横切刃を振動させながら切込
みを矢印６′の方向に与えて本発明を実施する。横逃げ
角および前逃げ角が等しい斜剣バイトおよび先丸刃バイ
トを使用する場合には、この角θはゼロ以外の角度なら
ばいずれの角度でも、本発明の切削法は円滑に実施され
る。

工作物はダイヤモンドに近い硬さを有するセラミックス
をも対象とするために、ダイヤモンドバイトを使用する
。そして、θ＝２０°という大きな逃げ角を与えるため
に、約２０°の負のすくい角を与えてバイト切刃強度を
補強する。直径６０ｍ、長さ１００５ｍの酸化アルミナ
工作物に、回転数２００Ｏｒｐｍ、送り０．４　ａ／ｒ
ｅｖ、切込み０．５ｆｉを与え、振動数２１．７　ｋＨ
ｚ、振幅１５μｍをもって超音波振動するバイトを、前
切刃角η＝２２、ノーズ角８８′、横切刃角７０°とし
て、第６図のように本発明を実施することにより、セラ
ミックス工作物を切損、破損することなく、その表面あ
らさな４〜６μｍをもって。

真円　度２〜３μｍ程度の加工精度で旋削加工すること
に成功した。

なお、この旋削加工では、第７図および第８図のように
して、正面旋削あるいは中ぐりが実施される。このとき
の振動方向はバイトの送り方向と角θをなす方向に与え
られ、バイト逃げ面が切削面と接触しないようにして、
本発明を実施する。

【図面の簡単な説明】

第１図はバイトとセラミックス工作物との振動系をモデ
ル化して示した正断面図、第２図は慣用切削における切
削力の合力の方向がセラミックス工作物内部に向かうこ
とを示す説明図、第３図は本発明の実施によって切削力
の合力の方向がセラミックス工作物内部より上方に向っ
て切削力が減少することを示す説明図、第４図（ａ）。 （ｂ）は本発明の一実施例を示す僧面図および上面図、
第５図は本発明の実施による切削機構の特徴を示す説明
図、第６図は本発明の具体例における旋削装置の上面断
面図、第７図は本発明による正面旋削方法の説明図、第
８図は本発明による中ぐり方法の説明図である。 ｌ・・セラミックス工作物、２，３・・ハイド、４・・
超音波振動子、５．５’・・振動方向、６．６’・・送
り方向。 代理人　弁理士　　飯　沼　義　音 節１図 第２図 一ψ 第３図 第４図 〕 第５図 、、、□ 第６図 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 振動数ｆ、振幅ａのバイトの最大速度と、工作物の直径
   りおよび同工作物の回転数ｎによる切削速度とで決まる
   逃げ角θ＝ｔａｎ−”　”、をパイｎ トに与え、同バイトに、２次元切削においては送り方向
   と同方向、３次元切削においては送り方向と所要の角度
   θをなす方向を与えて同バイトの振動方向が工作物内部
   に向かうようにして超音波域の高い振動数で同バイトを
   振動させ、バイト逃げ面が切削面と接触しないような高
   速切削速度とし、送り量を振幅ａよりも極小としてパル
   ス切削力の方向を工作物内部に向かって作用させながら
   切削することを特徴とする、セラミックスの精密振動切
   削法。