JPS6246281B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は、工作物又は工具を切削方向に振動さ
せて切削加工を行なう振動切削方法に関するもの
である。

（従来技術） 低い切削速度での切削抵抗を慣用切削よりも軽
減し、表面粗さを平滑にする振動切削方法は従来
周知であり、切削速度が遅いときは切削面積を大
きくして、能率の向上に努めるのが一般である。
したがつて、その切削抵抗は大きくなる。そこで
大きな振動エネルギーで振動切削装置を駆動する
必要が生ずる。振動駆動装置としては磁わい振動
子あるいは電わい振動子による振動駆動方法より
も機械式電気式または、電気−油圧式あるいは機
械−油圧式による方法が出力を大きくさせうる。
したがつてその振動数は200Hz以下の低い振動数
となる。実験しまた実用してみて、現在の技術で
振動切削機構を満足する最高振動数は約100Hz程
度のように考える。

振動切削における工具の振動１サイクルでの切
削長さｌ_Tはυ／ｆ；切削速度、ｆ：工具振動
数）で表わされる。このｌ_Tは切削抵抗、表面粗
さなどを左右する重要な因数である。この関係式
から明白なように、100Hz程度の低い振動数の時
ｌ_Tは200KHzという超音波域の高い振動数の時
のｌ_Tに比べて長くなる。100Hz振動切削と
20KHz振動切削とを比較すると二次元切削にお
いてその主分力はほぼ同じ値を示している場合で
も、20KHz振動切削の背分力は100Hz振動切削の
約1/2〜1/6程度となる。

第１図において、バイトの振動数を高めて超音
波域の振動数ｆ、振幅ａとするとω_o≪ω（ω_o；
工作物の背分力方向角固有振動数、ω；２πｆ）
となつて、そのとき、背分力ｐ_t、切削時間ｔ_c、
バイトの周期Ｔ、工作物の背分力方向のばね定数
ｋとすると第５図のように工作物の変位波形は直
線状となる。例えば、ｐ_t＝２Kgｆ、ｆ＝
22KHz、ｔ_c／Ｔ＝１／７、ｋ＝4.55×10²Kgｆ／
mm、ω_o＝２π×400rad／ｓ、ν＝0.10とすると
（ν＝Ｃ／Cc、Ｃ；工作物の粘性減衰係数、Cc；
臨界粘性減衰係数）とすると工作物の背分力方向
の変位ｘ＝0.66μｍとなる。

このように、バイト振動数を高めてパルス切削
波形を作用させると工作物の動的挙動は皆無とな
つて、図示のように静的な変位とすることができ
る。超音波域の高い振動数を利用した20KHz振
動切削にはこの特徴があるが、磁わい、電わい振
動子のエネルギーは小さく切削抵抗が大きい場合
には、バイトの振動姿態が変化し、極端な場合に
はバイト刃先の振幅がゼロとなる。すなわち、パ
ルス切削力波形の切削時間ｔ_cが長くなり、振動
切削特有のパルス切削力波形が次第に慣用切削力
波形に近づき、振動切削効果が消滅してしまう。

出力を大きくし得る100Hz振動切削の工作物の
変形波形は曲線８のようになる。この曲線８を第
５図のように直線状に変化させ得れば低速切削で
切削面積を大きくして重切削しても精密切削を可
能とする。その具体的方法としては、ｐ_tの絶体
値そのものを軽減てｐ_tによる工作物の挙動を不
感性化すること以外にはない。ｐ_tの軽減はｌ_Tを
激減させることによつて実現する。しかるに、ｌ
_Tは切削速度と振動数でその長さが決められてい
る。今日までの振動切削機構では、バイトを一つ
の振動数で振動させていたために、ｌ_Tはこのよ
うにして決つてるため、切削条件が決れば不変の
値として取扱つてきた。

このｌ_Tを小さくすれば切削効果が向上するこ
とはわかつていたが、従来は、低周波振動数によ
る振動切削のときに大きくなるｌ_Tは止むを得な
い現象としていた。

（目的） 本発明はこの切削時間ｔ_cの間に切削する切削
長さを20KHz振動切削を重畳させて細分割し
て、断続パルス切削力波形として工作物に作用す
る切削抵抗を激減させ工作物の動的挙動を皆無に
し精密加工することを目的としている。すなわち
第６図のように、バイトを矢印で示す切削方向に
20KHz以上の超音波域の高い振動数で超音波振
動（ｆ、ａ）させると同時に低周波振動数（Ｆ、
Ａ）で振動させ、そのときの切削速度υを低周波
振動数の振動数Ｆおよび振幅Ａの振動最大速度と
関係づけて、υ＜２πAFとしてバイトの最大振
動速度よりも切削速度を低くしてパルス切削力波
形を作用させて振動切削することにより、大出力
を供給しうる低振動数の振動駆動装置によつてバ
イトの振動姿態を乱すことなくｌ_T＝ν／Ｆで振動切 削できるようにし、これをバイトの超音波振動に
よつて小刻みにｌ_T＝ν／ｆの長さに細分割して断続 パルス切削力波形を作用させ、超音波振動エネル
ギーのみでは大きな切削抵抗のために刃先振動姿
態が乱れるところを低振動数振動駆動装置によつ
て、エネルギーを補強しながら超音波域のバイト
刃先の振動姿態を定常化して切削し、切削抵抗を
例えば100Hz振動切削の場合では更に一桁下げ、
慣用切削の約1/100程度に激減させ表面粗さを平
滑にし、加工精度を向上させ、加工後の形状寸法
の狂いを減少させ、ばりの発生をより少なくして
精密加工を行わせることを目的としている。

（実施例） 第１図は旋削加工における工具−工作物振動系
を示すものである。この第１図によつてバイト１
を工作物２の接線方向である、切削方向に例えば
100Hz程度の低い振動数Ｆ、振幅Ａおよび20KHz
程度の高い振動数ｆ、振幅ａもつて４の方向に振
動させ、切削速度υ３に対してυ＜２πAFの切
削条件を与える。そのときの背分力ｐ_t５は第２
図のようにパルス切削力波形となる。図のｔ_cは
バイト１サイクル中の切削時間で、Ｔはバイトの
振動１周期である。100Hz振動切削では工作物の
背分力方向の角固有振動数ω_oに対して、ω_o＞ω
（ω＝２πＦ）となつているのが普通である。い
まυ＝0.3ｍ／min、Ｆ＝100Hz、Ａ＝0.20mm、切
込み＝0.20mm、切削幅＝1.0mm、すくい角＝０
゜、ω＝２πＦ＝２π×100rad／ｓ、ω_o＝２π
×360rad／ｓ、ｋ＝4.6×10²Kgｆ／mm、ν＝
0.055、として快削黄銅に対する湿式二次元切削
における背分力ｐ_tによる工作物の水平方向の動
的挙動は第３図のようになる。工作物はｔ_c切削
時間に第３図の太線で示す曲線８のような挙動を
する。

精密切削では工作物はこのような曲線８の変位
波形ではなく、第５図のように横軸の時間軸に対
して直線を示し、しかも変位ｘ≒０となるような
変位波形が理想である。

第９図は、本発明方法を実施するための円筒加
工用装置を示す。旋盤往復台１２上に装置本体１
３を固定する。装置本体には電動機１４を取付け
すべり子１５を偏心して取付けられるようにした
高速回転軸を6000rpmで回転させる。このすべり
子を中心軸１６のまわりに揺動する揺動腕１７に
図示の位置ではめまわせ、すべり子の偏心量に等
しい振幅をもつて揺動腕１７が中心軸１６のまわ
りに振動できるようにする。この揺動腕１７には
バイトホルダ２４を締付ボルトを利用して固定
し、縦磁わい振動子１８と振幅拡大用ホーン９お
よびバイトよりなる縦超音波振動系バイトをその
振動節を利用して取付ける。磁わい振動子１８を
超音波振動させるとバイト刃先は矢印２１の切削
方向に振動数ｆ、片振幅10μｍ以上の振幅ａで超
音波振動する。電動機１４を回転させて振動腕１
７を振動させると、バイト刃先は矢印２２の切削
方向に振動数Ｆ、片振幅0.2mm程度の振幅Ａで低
周波振動する。このようにして重畳振動切削用バ
イト２０ができ、本発明が実施できるようにな
る。そして工作物２４を切削速度υで矢印２３の
方向に回転させる。切削速度υをυ＜２πAFと
なるように選ぶ。このような装置と切削条件によ
つて図示のようなバイトに矢印２６の方向の横送
りを与えて切削することによつて本発明による二
次元切削や縦送りを与えて円筒の施削加工を行う
ことができる。

本発明によると切くず形状は、切くず９，１
０，１１……のようにｌ_Tに比例した長さをもつ
たブロツクに分割され、そのブロツク内をさらに
ｌ_Tに比例した長さをもつて細分割された形状に
規則的に生成され、排出される。

（効果） 本発明方法における背分力Ｐ_t′は第７図のよう
に激減する。例えばステンレス鋼SUS304、幅１
mm、切削速度υ＝0.3ｍ／min、切込み0.2mm、Ｆ
＝100Hz、Ａ＝0.15mm、ｆ＝20KHz、ａ＝15μ
ｍ、すくい角＝０゜湿式二次元切削して100Hz振
動切削のみの場合の背分力Ｐ_t＝1.8Kgが本発明の
重畳振動切削によつて殆んどゼロに近いＰ_t′＝
0.4Kgとなる。さらに特筆すべき効果として、主
分力を100Hz振動切削のみの場合での６Kgを実に
Ｐ_c′＝0.6Kgという値に激減させえた。

したがつて工作物の変位は静的変位となり第８
図のように時間軸に対して直線状を示す。その変
位量x′は20KHz振動切削と同等あるいはそれ以下
となる。

本発明の実施によつて例えば主分力Ｐ_c′＝0.4
Kg、背分力Ｐ_t′＝0.1Kgという零に近い値を示す
非常にわずかな切削力をもつて切削することがで
きるようになつた。また端面へのばりの発生を皆
無とし、表面粗さも0.8μｍRmaxとすることがで
きた。

次に他の加工方法および工具に本発明を実施す
る場合の実施方法を図示してその効果を説明す
る。第１０図は平面加工に応用する場合でバイト
を切削方向にｆ・ａ、Ｆ・Ａで振動させ、切削速
度υをυ＜２πAFとして、平削りする。100Hz振
動駆動装置としては、機械式、電気−油圧、機械
−油圧、空気、電気式が利用できる。20KHz振
動駆動装置としては、縦振動あるいはねじり振動
磁わい、電わい振動子による縦振動系バイト、曲
げ振動系バイト、ねじり振動系バイトが利用でき
る。この方法と装置によつて弾性の大きい工作物
例えばゴム、炭素繊維強化プラスチツクなどの精
密平面加工ができるようになつた。

第１１図は、金のこ刃に応用する場合で金のこ
刃２７を切削方向にｆ・ａ、Ｆ・Ａで振動させ、
切削速度υをυ＜２πAFとして、一定荷重ｐを
与えて切断加工する。このときの加工には、工作
物をＦ・Ａで振動させ、のこ刃をｆ・ａで振動さ
せる場合もある。そして、同一の実施効果がえら
れる。また、工作物をｆ・ａで振動させ、のこ刃
をｆ・ａ、Ｆ・Ａで振動させて重畳切断する場合
がある。この方法と装置によつてセラミツクスの
精密切断が可能となる。

この方法と装置とによつて本発明の実施によつ
て、金のこ刃による切断時間が短縮され、切断面
が平滑となり、ばりや欠けが発生しない切断効果
が得られる。

第１２図は、ブローチ２８に応用する場合であ
る。従来までにも20KHz振動切削を単独に応用
する研究や100Hz振動切削によるブローチ削りの
研究を行つてきたが、20KHz振動切削の場合に
は、振動エネルギー不足のため効果が少くなり、
100Hz振動切削の場合には、その表面粗さが平滑
にならないなど満足すべき効果が得られていなか
つた。本発明のブローチ削りへの実施によつて主
分力が殆んどゼロ近くになる切削加工に際しての
決定的効果と表面粗さを平滑にする効果とが同時
に発揮され、理想的なブローチ削りが可能となつ
た。

第１３図はヤスリ２９に応用する場合である。
ヤスリは表面ブローチでもある。ヤスリによる手
作業は極めて多い。そして硬い材料の深い穴の内
面を仕上るような場合などには苦労している。ヤ
スリ作業では切削抵抗を少くし、短時間に仕上げ
たい。本発明の実施によつてこの今迄の問題点が
解決され一掃される。ヤスリをｆ・ａおよびＦ・
Ａでヤスリの長手方向に重畳振動させ、加工速度
υをυ＜２πAFとして本発明が実施される。加
圧力ｐは少くなり、作業時間が短縮され労力も少
くなつてヤスリ仕上作業を容易にする。このヤス
リに代つて、先端に切刃を設けたキサゲに本発明
を実施すれば重畳振動切削によるキサゲ作業がで
き、キサゲ作業を能率化し、その加工精度を向上
させ、その労力を軽減させる効果がえられる。

第１４図はねじ切りバイト３０に応用する場合
である。このねじ切りにおける切削面積は普通の
円筒加工における切削面積よりも広い。したがつ
て切削抵抗が大きくなる。従来、ねじ切りを行う
ときは切削面精度に力点をおいて20KHz振動切
削を行つてきた。したがつて、切削面積を細分割
して極力少くして、バイト刃先に作用する切削抵
抗を小さくして、バイト刃先の振動姿態を乱さな
いような切削条件で振動切削していた。焼入鋼な
どへのねじ切りにはかなり長い加工時間を必要と
していた。本発明の実施によつてその加工時間が
短縮され、精度の高いねじの量産加工が可能とな
る。

この外に、一般リーマやセンタリーマ加工の際
には、リーマをねじり振動子で円周方向に超音波
ねじり振動させると同時に機械式、空気、油圧
式、電気式、電気−油圧式方法によつて円周方向
の振動と回転運動を与えて本発明が実施され、重
畳振動リーミング効果が得られて穴の超精密加工
が行える。

リーマに代つてドリルに適用すれば重畳振動ド
リリング効果が得られて、穴の精密穴あけが行え
る。

また、フライス盤によるフライス削りではフラ
イスあるいはエンドミルをねじり振動子で円周方
向に超音波ねじり振動させると同時に機械式、空
気、油圧式、電気式、電気−油圧式方法によつて
円周方向の振動と回転運動を与えて本発明が実施
され、重畳振動フライス削りあるいは重畳エンド
ミル加工効果が得られて超精密平面加工が行え
る。

第１５図は打抜いて塑性加工した工作物端面に
でるばりや打抜き方向と直角方向にバイトを送つ
て、ポンチによる打抜きのままでは加工不可能な
断面形状に薄板材を量産加工する場合のバイトに
応用する場合である。

このときのバイト刃先形状は図示のように総型
バイト刃先形状を示し、その切削面積３２は広い
のが一般である。したがつて切削抵抗が大きくな
る。また、ばりの発生を皆無とする必要があるの
で、ばりと密接な関係のある切削抵抗を殆んどゼ
ロとして切削する必要がある。本発明の実施によ
つてこれらの問題点が一挙に解決される。

SUS304、板厚0.3mmをυ＝300mm／min、切削面
積0.5mm²、Ｆ＝100Hz、Ａ＝0.15mm、ｆ＝20KHz、
ａ＝15μｍの切削条件で打抜いた穴側面を、本発
明の実施によつて重畳振動切削して図示のような
曲面に打抜きして量産加工した工作物をばりの発
生を皆無として精密加工することに成功した。

第１６図は切断加工用刃物３３に応用する場合
である。この場合も切断方向に100Hz程度の振動
数Ｆおよび振幅Ａ、20KHz以上の振動数ｆおよ
び振幅ａで刃物３３を振動させ、切断速度υをυ
＜２πAFとして重畳振動切断する。本発明の実
施によつて、板厚の厚い切断に対しても、断面の
大部分をせん断形によつて切断することができ、
断面の平滑な切断面に加工することに成功した。

第１７図はポンチとダイスによる打抜きに際し
てポンチに本発明を実施して打抜きする場合であ
る。従来、ポンチに20KHz以上の超音波振動を
附加して振動打抜きを試みてきたが、その振動エ
ネルギーが不足してポンチの超音波振動が停止し
易くその加工面は粗く超音波振動を附加した効果
は十分とは云い難かつた。今日まで出力の大きい
超音波振動子の創案を切望していたが、未だその
期待に応えうる振動子は完成していない。そし
て、このポンチへの振動利用ができないままにな
つていたが、本発明によつて従来の振動子と低周
波振動駆動装置とを組合せた新しいエネルギーの
利用方法によつて数トンにも及ぶ打抜き加工にも
適用できる道が切り開かれた。

すなわち、ポンチ３３を打抜き方向に磁わいあ
るいは電わい振動子を利用して超音波振動数ｆお
よび振幅ａで振動させ、これを電気−油圧方式に
よつて100Hz程度の低い振動数Ｆおよび振幅Ａで
振動させて打抜くことによつて本発明が実施され
る。そして、加工中のポンチの振動姿態は乱れる
ことなく振動して、上述した振動切削機構によつ
て小刻みにせん断変形を繰返して加工断面全面を
一様なせん断変形によつて打抜き加工することが
できる。

以上、本発明の具体的効果を超音波振動数
20KHz、低周波振動数100Hzの場合で説明した
が、将来その装置を改良して低周波振動数をアツ
プして500Hzあるいは1000Hzとすれば、より高速
切削において本発明が実施され本発明の実施効果
が得られる。

また一方、本発明の実施にあたつて、超音波振
動エネルギーと低周波振動エネルギーとを別個に
単独に設備して、これを重畳・複合させて用いる
様式によつて説明したが、軽切削・研削・塑性加
工抵抗の場合には、超音波振動エネルギーのみを
使用して超音波振動子へ与える超音波振動エネル
ギーの入力波形の形を上述のような定常波形とし
ないで、上述した低周波振動数Ｆである100Hz、
あるいは500Hz、1000Hzの片振幅2aの変調波形と
して与え、υ＜２π（2a）ｆの条件を与えて切削
することによつて本発明が実施され、実施効果が
得られる。これらはすべて本発明に包含されるこ
とを附記しておく。

【図面の簡単な説明】

第１図は旋削加工におけるバイト−工作物振動
系をモデル化して示し、バイトの振動方向を説明
する図、第２図は100Hz振動切削Ｆ・Ａにおける
バイトの振動１サイクル中の比較的に作用時間ｔ
_cの長いパルス状背分力波形を示す図、第３図は
第２図のパルス状背分力波形が工作物に作用した
ときの工作物の背分力方向の曲線状動的挙動波形
を示す図、第４図は20KHz振動切削ｆ・ａにお
けるバイトの振動１サイクル中の作用時間ｔ_cの
極めて短いパルス状背分力波形を示す図、第５図
は第４図のパルス状背分力波形が工作物に作用し
たときの工作物の背分力方向の直線状変位波形を
示す図、第６図は本発明方法によつて得られる切
りくずせん断面を示す斜視図、第７図は本発明方
法によつて得られる激減するパルス状背分力を示
す図、第８図は第７図のパルス状背分力波形が工
作物に作用したときの激減する背分力方向の直線
状変位波形を示す図、第９図は本発明方法を実施
する装置の一実施例正面図、第１０図は本発明方
法による平削り方法を示す図、第１１図は本発明
方法による金のこ刃による切断方法を示す図、第
１２図は本発明方法によるブローチによるブロー
チ加工方法を示す図、第１３図は本発明方法によ
るヤスリによるヤスリ仕上作業方法を示す図、第
１４図は本発明方法によるねじ切りバイイトによ
るねじ切り方法を示す図、第１５図は本発明方法
による総型バイトによるポンチによる打抜き方向
に直角方向に曲面を成形加工する方法を示す図、
第１６図は本発明方法によるポンチによる切断加
工方法を示す図、第１７図は本発明方法によるポ
ンチによる打抜き加工方法を示す図である。 １……バイト、２……工作物、３……切削速
度、４……振動方向、２１……超音波振動方向、
２２……低周波振動方向、２７……重量振動切削
金のこ刃、２８……重量振動切削ブローチ、２９
……重量振動切削ヤスリ、３０……重量振動切削
ねじ切りバイト、３１……重量振動切削総型バイ
ト、３２……重量振動切削打抜き用パンチ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 工作物又は工具を低周波振動数Ｆ、振幅Ａの
   低周波振動と超音波振動数ｆ、振幅ａの超音波振
   動を重畳させて切削方向に振動させ、切削速度υ
   を低周波振動の振動最大速度よりも低い速度によ
   つて振動切削し、工作物に断続パルス切削力波形
   を作用させて切削することを特徴とする重畳振動
   切削方法。