JPS6240123B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明はドリル、リーマ、フライス、エンドミ
ル、研削砥石、遊離砥粒によるラツプ加工におけ
るラツプ棒のように、これを回転運動させて用い
る工具に、その工具の円周方向に低周波振動と超
音波振動とを重畳させて振動させながら切削・研
削を行う回転切削・研削加工方法及び装置に関す
るものである。

（従来技術） 切削工具を切削方向に振動数ｆ、片振幅ａで振
動させ、切削速度をυをυ＜２πafとしてパルス
切削力波形を作用させて切削するのが振動切削で
ある。このυ＜２πafの切削条件を満足させれば
振動数は100Hz程度の低い振動数でも、20KHz以
上の超音波域の高い振動数でも利用できる。

以下、100Hz程度の低い振動数の振動切削を100
Hz振動切削、20KHz程度の高い振動数の振動切削
を20KHz振動切削と呼んで説明する。この振動切
削においては、工具の振動１サイクルでの切削長
さをｌ_Tとしうると、ｌ_T＝υ／ｆで表わされる。振動 切削では、このｌ_Tの大小が切削機構に影響し、
切削効果を左右する。ｌ_Tを短くすると切りくず
厚さの薄い流れ型の切りくずとなつて振動切削効
果が向上する、ｌ_Tを長くすると切りくず厚さが
厚くなつて振動切削効果が減少する。

20KHz振動切削にはその振動数が高いために、
ｌ_Tを短くでき切削性を向上させ、その仕上表面
粗さを平滑にする長所がある。しかし、電気的振
動エネルギーを機械的振動エネルギーに変換する
ために超音波振動子を用い、その微少振幅を振幅
拡大用ホーンで拡大し、その先端に切削工具を取
り付けて、超音波振動子の固有振動数ｆとなるよ
うに、その切削工具振動系を製作して工具刃先の
振動方向が切削方向とと同方向ならしめて刃物台
に取り付け振動切削するのであるが、この種の超
音波振動子の出力が小さいために例えば切削面積
を大きくして切削負荷抵抗が大きくなるような重
切削、また、焼入れ鋼、セラミツクスのように工
作物の機械的性質が強いために切削負荷抵抗が大
きくなるような場合には、その振幅が激減した
り、振動が停止したりして期待する振動切削機構
とならなくなる欠点がある。

この20KHz振動切削に対して、機械式、電気
式、空気・油圧式、電気・油圧式装置による100
Hz振動切削には、数百Kgｆ及ぶ切削負荷抵抗にも
耐えうる重切削を行つても工具刃先の規則的な振
動姿態は乱されることなく振動して振動切削機構
ならしめることができる長所がある。

しかし、その反面、振動数が低いためにｌ_Tが
長くなり、20KHz振動切削で得られるような切り
くず厚さの薄い切りくずを発生させることができ
ない。また、その表面粗さ形状は長いｌ_Tをその
間隔とする「あみだ模様」をした微少凹凸面を呈
し20KHz振動切削面と比べると表面粗さに劣る粗
い仕上面となる欠点を有していた。

（目的） 本発明は、20KHz振動切削と100Hz振動切削と
を重畳複合させて振動切削・研削機構として、両
者の長所をいかして振動切削・研削効果をさらに
向上させることを目的とするものである。

（実施例） 第１図はリーマ加工に本発明方法を実施する場
合の本発明装置第１実施例である。１はリーマ
で、ねじり超音波振動子２の振幅を拡大する振幅
拡大用ホーン３の先端に設ける。これをねじり超
音波振動系リーマと名付ける。この振動系に生ず
る振動節に鍔部４，５を設け、スリーブ６内面に
がたなくはめあわせて固定する。

このスリーブ６は主軸台７の両端に設けた、こ
ろがり軸受８，９によつて円滑にかつ高精度に回
転連動できるように支持する。スリーブ６の尾部
端部には、フランジ１０を設ける。主軸取付台１
３の尾部端部にはステツピングモータ固定用支柱
１２を設けて、ステツピングモータ１５の回転中
心軸とねじり超音波振動系リーマの中心軸とを一
致させてステツピングモータを取付ける。その回
転軸に取付けたフランジ１１とスリーブ６に設け
たフランジ１０とをねじ結合する。スリーブ６に
は、さらにスリツプリング１６，１７を設けて、
ブラツシユ１８，１９と摩擦少く接触し、スリツ
プリングが円滑に回転できるようにし、超音波発
振機２０からの励振電流を損失なく、回転するね
じり振動子２に供給できるようにする。この装置
によつて、矢印２３の方向に20KHz以上の超音波
域の高い振動数でねじり振動する。ねじり振動子
に代つて縦振動子を使用すれば、リーマは軸方向
に縦振動する。リーマ切刃逃げ角を調整すればこ
の縦振動子も利用でき本発明が実施できる。

ステツピングモータ１５は、制御装置２２およ
びドライビングユニツト２１によつて駆動する。
制御装置２２によつて、前進パルス11パルス，休
止パルスｂパルス、後退パルス１パルス，休止パ
ルス２パルスを繰返し与えることによつて、リー
マは矢印方向２４の方向に振動数140Hzで振動
し、矢印２５の方向に回転数150rpmをもつて回
転する。

以上説明した装置を旋盤往復台１４上にねじで
締付けて固定し、旋盤主軸のチヤツク２６に工作
物２７を取付けて往復台１４に自動送りを与えて
重畳振動リーマ加工を行う。

また、加工形状精度を向上させるために工作物
２７を矢印２８の方向に極低速回転させてもよ
く、又ストレートリーマに代つてセンタリーマ，
ドリル，エンドミルを振幅拡大用ホーン３の先端
に取りつければ重畳振動リーミング，重畳振動ド
リリング，重畳振動ミーリングが実施される。

なお、この際に、送り量が大きくなると、切削
方向を円周方向として近似できなくなるので、ス
リーブ６をころがり軸受８，９で支持せずスリー
ブ６外周におねじを設け、主軸台にもうけためね
じと螺合させ、さらに、フランジ１０，１１とを
ピン結合して軸方向に摺動できるようにし矢印２
４の振動方向をねじのリード角方向として、往復
台の送りによる切削方向と一致させる。また、振
動子２、および振動拡大用ホーン３および工具１
よりなる超音波振動系も縦振動とねじり振動とを
共存させて複合させてその超音波振動の方向を切
削方向と同一方向となるようにして実施する。

振幅拡大用ホーン３の先端にバイトを取りつけ
れば、重畳振動中ぐりが実施される。また、その
装置によつて、外周旋削も可能で、工作物を矢印
２８の方向に回転させ、バイトは矢印２３，２４
の方向に振動させて旋削し、難削材の超精密旋削
加工をすることができる。

第２図は、ラツプ加工に本発明方法を実施する
場合の本発明装置第２実施例である。２９はラツ
プで工作物材質に応じて黄銅，鋳鉄材とする。そ
の形状長さは、ねじり振動子の固有振動数をもつ
て1/2波長で共振する長さとする。先端はセンタ
形状と同一として、摩耗するラツプの着脱が容易
なように、他端尾部にはテーパ部を設け、ねじり
振動系ホーン３先端とテーパ結合する。

このラツプに矢印２３および２４の超音波振動
と低周波振動を与える具体的装置は第１図と同様
な装置によつて実施できる。

主軸台７を取付けた主軸取付台１３は旋盤ベツ
ド案内面３５上に設けたローラガイド３４上に固
定し、摩擦少く旋盤主軸の軸方向に摺動できるよ
うにする。そして主軸取付台１３には鋼線３２を
取付け、鋼線の一端には滑車３１を介して死荷重
３３を与える。このようにしてラツプ２９に加圧
力３６を与えることによつて砥粒３０を用いた定
荷重方式によるラツピング加工を行う。工作物２
７は旋盤主軸にもうけたチヤツク２６に取付け
る。また、加工形状精度を向上させるためにも矢
印２８で示す方向に回転運動を与えて本発明を実
施する場合がある。

なお、ステツピングモータ１５によつて矢印２
４の方向に振動させ、かつ矢印２５の方向に回転
運動させることを説明したが、本発明は、このス
テツピングモータの外にACあるいはDCモータを
用いて、これを制御して矢印２４の方向に振動さ
せ、かつ矢印２５の方向に回転運動させて実施す
ることができる。

（効果） 本発明において、切削工具あるいは研削工具を
その円周方向に超音波振動領域の高い振動数でね
じり超音波振動させると同時にステツピングモー
タあるいはACあるいはDCモータを利用して同じ
く円周方向に振動させながら回転させて切削・研
削加工するようになつているので、100Hz振動切
削機構のみでは長くなる工具振動１サイクルでの
切削長さを20KHz振動切削機構を利用して短く寸
断させることができ、工具すくい面摩擦、工具逃
げ面摩擦やその他の諸摩擦抵抗を軽減し、切りく
ず厚さを薄くし、切削・研削抵抗を軽減して、工
作物の動的挙動を少くし加工精度を向上させるこ
とができる。一方、表面粗さも100Hz振動切削機
構のみでは長くなる工具振動１サイクルでの切削
長さを20KHz振動切削機構を利用して短く細分割
するために表面粗さは、振動振幅が大きい100Hz
振動切削の特徴のうちの１つである、工具振動１
サイクル中における切りくずと工具すくい面とが
離れる距離がより長いことによる切削油剤の刃先
への潤滑・冷却効果がより多く作用することが附
加されて工具刃先の運動軌跡によつて成形される
平滑な幾何学的粗さを示し、精密加工を可能とす
る。

また、20KHz程度の高い振動数の超音波振動エ
ネルギーに100Hz程度の低い振動数の低周波振動
エネルギーが附加されて振動する回転切削・研削
工具刃先は、超音波振動エネルギーのみの場合で
はその規則的な超音波振動姿態が切削・研削抵抗
負荷によつて乱され過大な切削・研削抵抗が作用
する振動切削・研削加工には精密加工し難い欠点
があつたが、本発明の実施による強力な100Hz程
度の低い振動数の低周波振動エネルギーの附加に
よつて今までの問題点を一掃して、工作物の受け
る切削・研削抵抗を殆どゼロとし、その動的挙動
を皆無にし、加工精度を著しく向上させることが
できる。

本発明は上述したようなドリル、リーマ、フラ
イス、エンドミル、研削砥石、遊離砥粒によるラ
ツプなどの回転切削・研削工具による精密加工を
行うことができる。

次に本発明の実施効果の一例を具体的に説明す
る。直径13mm，長さ40mmのS45C工作物中心にセ
ンタドリル呼び２×60によつて設けたセンタ穴を
ラツプ圧２Kg／cm²，砥粒WA＃800を用い、ラ
ツプ液は軽油を用い、濃度70％wtとし、ラツプ
は鋳鉄FC20を用いて、前進パルス；２パルス、
休止パルス；１パルス、後退パルス；１パルス，
休止パルス；１パルスによつて100Hzの振動と
100rpmの回転運動これに超音波域のねじり振動
数30.2KHz，振幅３μｍを重畳させて実施した本
発明による重畳振動ラツピング効果をこの装置に
おいて超音波振動を停止した従来の振動ラツピン
グと比較して本発明の特徴を説明する。加工した
センタ穴の真円度および表面粗さによつて比較す
る。センタドリルで加工したセンタ穴の真円度10
μｍを従来の振動ラツピングでは５分経過しても
約８μｍ程度にとどまり、また、それ以上ラツピ
ングしても真円度はそれ程向上しない傾向を示す
ことに対して、本発明の実施によつて実にわずか
１分程度で真円度４μｍという高精度なセンタ穴
に精密加工できる。

表面あらさについても、センタドリルによる15
μmRmaxの表面粗さを従来の振動ラツピングで
は５分加工しても８μmRmax程度にとどまり、
５分以上加工しても８μmRmax以上にはなしえ
ない傾向を示すことに対して、本発明の実施によ
つて、わずか１分で３μmRmax程度とし、２分
加工して２μmRmaxという平滑なセンタ穴面に
精密加工できる。

これは、ラツプにつきささつた砥粒が前述した
重畳振動切削による切削機構によつて切削抵抗が
激減するためで、そのために一定荷重で加圧して
いるラツピングでは単位時間あたりの加工量が増
大し、前加工での形状精度，表面粗さが短時間に
修整されて精密加工が可能となる。また、超音波
振動の附加によつて接触面の摩擦係数が動摩擦係
数である0.02〜0.03程度を示すために従来のラツ
ピングにおける各接触面の摩擦抵抗を一様に軽減
させて加工能率，加工精度を向上させる一助とな
つている。さらに、超音波振動の附加によつて振
動腹から振動節に向つて切りくずが迅速に移動す
るという切りくず集じん作用効果が活用されてい
るためである。

遊離砥粒を用いてラツプなどを回転させて加工
する定荷重方式による加工に際して本発明を実施
することによつて、加工能率を画期的に向上させ
て超精密加工を可能とする効果が得られる。

また、固定砥粒を用いた研削工具による加工の
場合でも同様な効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法をリーマ加工に実施する装
置の要部切断正面図、第２図は本発明方法をラツ
ピング加工に実施する装置の要部切断正面図であ
る。 １……リーマ、２……ねじり振動子、１５……
電気ステツピングモータ、２０……超音波発振
機、２３……超音波振動方向、２４……低周波振
動方向、２９……ラツプ、３０……砥粒。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 工具を取り付けた回転主軸にステツピングモ
   ータあるいはAC，DCモータにより発生する低周
   波振動数の円周方向振動と回転運動を与え、更に
   該工具にねじり超音波振動を与え乍ら切削・研削
   加工する重畳振動回転切削・研削加工方法。 ２ 電気あるいは電気―油圧ステツピングモータ
   を利用して低い振動数の工具の切削方向の振動と
   回転運動を与える如くなした主軸に超音波振動子
   によつて工具刃先の切削方向に駆動される切削工
   具あるいは研削工具振動系を該振動系に生ずる振
   動節を利用して固定し、該振動系の先端振動腹付
   近に設けた工具刃先に、ステツピングモータによ
   つて発生する低い振動数の振動波形に超音波域の
   高い振動数の振動波形を重畳した振動波形の振動
   を与える如くなした重畳振動回転切削・研削加工
   装置。