JP2004504166A

JP2004504166A - 超音波を利用したマイクロバニシ仕上げ装置

Info

Publication number: JP2004504166A
Application number: JP2002511930A
Authority: JP
Inventors: ユン・シック・ピュン
Original assignee: デザインメカ・カンパニー・リミテッド; スン・ムーン・エデュケーショナル・ファンデーション
Priority date: 2000-07-13
Filing date: 2000-08-23
Publication date: 2004-02-12
Also published as: KR20000063450A; EP1303380A1; EP1303380A4; AU2000267371A1; CA2384002A1; CN1373698A; WO2002006007A1; KR100316003B1

Abstract

この発明の目的は，超音波エネルギーおよび押し付け圧を利用して超精密加工が行える一方で，加工時間を大幅に減らしうる超音波を利用したマイクロバニシ仕上げ装置を提供することにある。上記のような目的を達成するためになされたこの発明に従う超音波を利用したマイクロバニシ仕上げ装置は，工作物の表面に押し付けるバニシ仕上げヘッドと，該バニシ仕上げヘッドを支持するホールディング手段と，該ホールディング手段に加える超音波を発生させる超音波発振子と，該超音波発振子に供給される高周波を発生させる高周波発生手段と，前記ホールディング手段を加圧してバニシ仕上げヘッドを工作物の表面に押し付けられるようにする加圧手段とを含んでいることを特徴とする。

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は，超音波を利用したマイクロバニシ仕上げ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に，油空圧シリンダの内面なり金型などの内面は，超精密加工を通した１．６Ｓ（Ｓは，最大高さの割出法による表面粗さであって，Ｒｍａｘで表示される）以下または０．８Ｓ以下の表面粗さを求められていることから，精密ボーリングマシンとか研削機などで１次精密加工を施してから，上記のごとき表面粗さを得るための加工方法によってホーニング（ｈｏｒｎｉｎｇ），超精密研削，ラッピング（ｌａｐｐｉｎｇ），スーパーフィニッシング（ｓｕｐｅｒｆｉｎｉｓｈｉｎｇ），超音波加工（ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｍａｃｈｉｎｉｎｇ），バニシ仕上げ（ｂｕｒｎｉｓｈｉｎｇ）などが施される。
【０００３】
前記ホーニングは，ホーンと呼ばれるきめ細い粒子からなる角棒状の工具で被加工面に軽く押し付けつつ表面を仕上げるホーニングマシーンによる加工法である。
【０００４】
前記ラッピングは，加工物とラップ工具（ｌａｐｔｏｏｌ）との間に微粉末状態のラップ剤と潤滑剤を入れて，これらの間に相対運動を行わしめて表面を平滑に仕上げる加工法である。そのラッピングはラップ剤とオイルとを混合して加工物に注入しつつ加工する湿式ラッピング法と，ラップ工具をラップ剤の中に埋めておいてからこれを取り出してラップ剤をぞうきんでふいてから主として乾燥状態でラッピング作業を行う乾式ラッピング法とに分けられる。
【０００５】
スーパーフィニッシングは，粒度がきめ細かく軟かいといしを弱い圧力で加工物の表面に加圧しつつ加工物にフィードを与え，また，といしを振動させつつ加工物の表面を仕上げる加工法である。
【０００６】
前記超音波加工は，工具に超音波振動（ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｖｉｂｒａｔｉｏｎ）を与えてラップ剤を加工物に衝突させて加工する一種の超音波ラッピング加工であって，図１に示すように，電源部（１０）から高周波発振機（１２）を経て超音波発振子（１４）から超音波振動を発生させ，その超音波振動が工具の固定手段（１６）を通して円すい部の作用によって超音波振動の振幅を拡大して工具（１８）に伝達し，その工具（１８）がラップ剤（２０）を加工物に衝突させて加工物（２２）を加工する仕組みになっている。この際，加工物（２２）と工具（１８）およびラップ剤（２０）は，容器（２４）に収容されており，フィード手段（２６）によって工具（１８）を上下移動させつつ加工物の穴などを加工することになる。
【０００７】
前記バニシ仕上げは，図２に示すように，加工物（３０）にあらかじめ穴（３２）を穿設してその穴（３２）に内径よりやや大きいボール（３４）を加圧子（３６）で圧入させて切削または研削加工から生じた粗面の加工跡を鏡面のように平滑に仕上げる加工法である。前記加工物（３０）は図示のない固定手段によって治工具（３８）の上面に固定されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで，このところ，技術の発展に伴って各種の機械および機器類では接触面などがよりなめらかに作動されるばかりか，エネルギーの効率向上に向けて１．５Ｓよりはるかにきめ細かい０．８Ｓ以下の表面粗さが求められている。
【０００９】
つまり，自動車，産業用重装備，各種自動化機械，もろもろの機械機器類に使用される油空圧シリンダの内面，軸の外径面，平面または斜面，プレス金型，鍛造金型，射出金型，ダイカスティング金型などの金型類の平面および自由曲面の表面仕上げに高度の表面加工が求められている。
【００１０】
かかる表面加工において，０．８Ｓ以下の高度の表面加工を施すためには，通常の精密加工機よりさらに精密な研削加工機なり精密ホーニング機が必要となるうえ，作業時間に手間とり製造コストアップとなる問題点があった．
【００１１】
そこで，この発明は上記種じゅの問題点を解決するためになされたものであって，この発明の目的は，超音波エネルギーおよび押し付け圧を利用して超精密加工が行える一方で，加工時間を大幅に減らしうる超音波を利用したマイクロバニシ仕上げ装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記のような目的を達成するためになされたこの発明に従う超音波を利用したマイクロバニシ仕上げ装置は，　工作物の表面に押し付けるバニシ仕上げヘッドと，該バニシ仕上げヘッドを支持するホールディング手段と，該ホールディング手段に加える超音波を発生させる超音波発振子と，該超音波発振子に供給される高周波を発生させる高周波発生手段と，前記ホールディング手段を加圧してバニシ仕上げヘッドを工作物の表面に押し付けられるようにする加圧手段とを含んでいることを特徴とする。
【００１３】
また、前記超音波発振子は，ケースに固定されており，前記加圧手段は加圧調整手段によって前記ケースを加圧する加圧力を調整されるようになっていることを特徴とする。
【００１４】
さらに，前記ケースは，ガイド手段の内部で前記加圧手段の加圧力につれて上下移動されるようになっている。
【００１５】
前記ガイド手段は，移動手段および制御手段によって移動可能になっている。前記移動手段はボールスクリューモータなど多様な手段にてなる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下，この発明による一実施形態について添付図に沿つて詳述する。
図３は，この発明に従う超音波を利用したマイクロバニシ仕上げ装置の構成図である。図に示すように，この発明の装置は工作物の表面に押し付けるバニシ仕上げヘッド（４０）と，該バニシ仕上げヘッド（４０）を支持するホールディング手段（４２）と，該ホールディング手段（４２）に加える超音波を発生させる超音波発振子（４４）と，該超音波発振子（４４）に供給される高周波を発生させる高周波発生手段（４６）と，前記ホールディング手段（４２）を加圧して前記バニシ仕上げヘッド（４０）を工作物の表面に押し付けられるようにする加圧手段（４８）を備えている。
【００１７】
前記超音波発振子（４４）は，ケース（５０）に固定されており，前記加圧手段（４８）は加圧調整手段（５２）によって前記ケース（５０）を加圧する加圧力を調整されるようになっており，前記ケース（５０）はガイド手段（５４）の内部で前記加圧手段（４８）の加圧力につれて上下移動されるようになっており，ケース（５０）にある超音波発振子（４４）は図示のない冷却手段によって水冷，空冷で冷却せしめる。
【００１８】
前記ガイド手段（５４）は，図示のない移動手段および制御手段によって移動可能になっている。前記移動手段はボールスクリューモータなど多様な手段にてなる。
【００１９】
前記バニシ仕上げヘッド（４０）は，前記工作物に直接接触するボール（５５）とそのボールを嵌入される柄部（５６）とからなる。前記ボール（５５）は前記柄部（５６）に固定された形になっており，前記ボール（５５）の材質は軟質加工物を加工する場合には鋼球を使用し，鋼材加工物を加工する場合には超硬合金材を使用する。前記バニシ仕上げヘッド（４０）の材質は全体がクロムモリブデン鋼（例えば，ＳＣＭ４），高合金鋼（例えば，ＳＫＤ１１）からなることもありうる。前記ボール（５５）の材質は工具鋼（ＳＫＤ，ＳＫＨ，ＳＫＳなど），超硬合金鋼，セラミック系工具，ＣＢＮ，人造ダイヤモンドなどからなることもありうる。前記ボール（５５）は加工材質と条件によって多様な材質を選択して使用する。
【００２０】
前記バニシ仕上げヘッド（４０）の柄部（５６）は，前記ホールディング手段（４２）に嵌入されている。
【００２１】
前記ホールディング手段（４２）は，ホーン（ｈｏｒｎ）とも呼ばれ，前記超音波発振子（４４）の下部に螺結されている。前記ホールディング手段（４２）は前記超音波発振子（４４）と一体でなりうる。前記バニシ仕上げヘッド（４０）は図示のないボルトによって前記ホールディング手段（４２）に固定されている。
【００２２】
前記超音波発振子（４４）は，前記高周波発生手段（４６）に連結されたコイルがその外周面に巻回されている公知の仕組みである。前記超音波発振子は圧電セラミックを使用した仕組みでなりうる。
【００２３】
前記超音波発振子（４４）は，前記高周波発生手段（４６）の高周波を受けて１６，０００〜１００，０００，０００ｃｙｃｌｅｓ／ｓｅｃの超音波振動を発生せしめる。
【００２４】
前記高周波発生手段（４６）は，マグネトロンなどからなり，公知の多数の発生装置に代用されうるし，図示のない電源に連結されている。
【００２５】
前記加圧手段（４８）は，圧縮ばねにてなり，筒形状からなり，前記ガイド手段（５４）の内部に収容されてその弾性力によって前記ケース（５０）を加圧するようになっている。前記ばねによる加圧力は前記バニシ仕上げヘッド（４０）のボール（５５）に伝達される。
【００２６】
加圧手段は，一定の圧力を素材とバニシ仕上げ工具（ボール）の間に保持しようとするものであって，多様な手段を使用しうる。つまり，ばね，油空圧，工具のコンプライアンス（Ｃｏｍｐｌｉａｎｃｅ）値，バニシ仕上げ工具（ボール）の作業面に強制圧入などの手段が使用されうる。
【００２７】
前記ガイド手段（５４）の床面には，前記加圧手段（４８）の弾性力を調整するようにスクリューからなる前記加圧調整手段（５２）が結合されている。その加圧調整手段（５２）は前記ばねが当接するベース板（５８）のスクリューの回転につれて上下移動しつつ前記加圧手段（４８：ばね）の長さを変更して弾性力を調整することになっている。
【００２８】
かように構成されたこの発明に従う超音波を利用したマイクロバニシ仕上げ装置において，図示のない駆動手段および移送手段によってガイド手段（５４）を移動させて表面を加工しようとする加工物の表面に前記バニシ仕上げヘッド（４０）のボールを押し付けられるようにしてから，手動または自動で前記加圧調整手段（５２）を調整してばね（４８）が前記ケース（５０）を押す力を調整して前記バニシ仕上げヘッド（４０）のボール（５４）が加工物の表面に加える密接力を調整し，高周波発生手段（４６）のスイッチをオンすると，超音波発振子（４４）から超音波が発生してその超音波がバニシ仕上げヘッド（４０）を振動させて加工物の表面をなめらかに仕上げることになる。
【００２９】
かように構成されたこの発明のマイクロバニシ仕上げ装置を利用すると，０．０５Ｓ程度の表面粗さも短時間に得られるし，表面硬化の効果も付け加えて得られる。
【００３０】
図４は，この発明に従う超音波を利用したマイクロバニシ仕上げ装置でシリンダ（６０）の内面を加工する状態図であり，図５は棒の外面を加工する状態図である。図に示すように，バニシ仕上げ装置は矢印Ｐ方向へ表面に加圧されており，矢印Ｓ方向へ移送されつつ加工物の表面を仕上げる。
【００３１】
この発明のマイクロバニシ仕上げ装置は，自由曲面，平面およびブレークディスク両面など多様な面の加工に使用され，マシニングセンタなりロボットにこの発明のマイクロバニシ仕上げ装置を付加して使用しうる。
【００３２】
バニシ仕上げ過程において，表面仕上げ程度を決定する基本的な因子は，前記ボール（５５）が加工物の表面に押し付けられる接触圧力，接触面積，工具から加工表面までに伝達される伝達力，加工物の寸法，移送速度，加工物の回転数などである。超音波の周波数，振動，工具の形状なども仕上げの程度に影響を及ぼす。
【００３３】
前記接触圧力は表面硬化と効率を決定する。
【００３４】
図７は，伝達力（Ｆ）と硬化深さ（ｈ）との関係を示すグラフである。グラフにおいて，曲線（１）は振幅が１０ μｍの場合であり，曲線（２）は振幅が２０ μｍの場合である。
【００３５】
このうちで，移送速度は直接繰返される表面の変形率を決定する。表面の質は基本的に工作物に作用する静的な荷重と振幅に左右される。したがって，移送速度，回転数の適当な選択は加工効率，つまり，硬化過程の制御に重大な影響を及ぼす。
【００３６】
図６に示すように，多数の段付き軸に測定個所（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）を定め，周波数２０ｋＨｚ，移送速度０．１６ｍｍ／ｒｅｖ，回転数４５０ｒｅｖ／ｍｉｎ，伝達力１２ｋｇの条件で３分間この発明のバニシ仕上げ装置で仕上げを施した表面粗さの結果が下記表１に示されている。表１における表面粗さの単位は最大高さ（Ｒｍａｘ，単位μｍ）である。
【００３７】
【表１】

【００３８】
図８および図９は，この発明のほかの実施形態に沿うバニシ仕上げ装置を示す構成図である。
【００３９】
この実施形態は，バニシ仕上げヘッド（４０’）のチップ（５５’）が長い棒状でその端部がまるい形状を呈している。前記チップ（５５’）は柄部（５６’）に強く嵌合されており，前記柄部（５６’）はホールディング手段（４２’）に螺結されている。
【００４０】
前記柄部（５６’）は，クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４）などからなり，チップ（５５’）は炭化タングステン（ＷＣ）からなるのが好ましい。
【００４１】
この実施形態の基本的な仕組みは，図３の構成と同一となるため，その詳細は省くことにする。
【００４２】
この発明は，上記の実施形態に限定されず，多様に変形して実施できる。
【００４３】
【発明の効果】
上述のように，この発明に従う超音波を利用したマイクロバニシ仕上げ装置によれば前記ボールは工作物に押し付けられつつ振動されて前記工作物の表面を仕上げることから，表面硬度が高められるばかりか，表面粗さの程度が向上され，かつ，加工時間が大幅に減少できる効果がある。さらに，この発明は垂直型マシ
ニングセンタ，水平型マシニングセンタ，ロボットに取付けて使用すれば金型類の表面の仕上げに優れる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般の超音波加工装置の構成図である。
【図２】一般のバニシ仕上げ加工原理の説明図である。
【図３】この発明に従う超音波を利用したマイクロバニシ仕上げ装置の構成図である。
【図４】この発明の装置でシリンダなどの内面を仕上げる状態図である。
【図５】この発明の装置で軸などの外周面を仕上げる状態図である。
【図６】この発明の装置の試験に使用された試験片である。
【図７】この発明の加工装置で仕上げる場合の伝達力と硬化深さの関係を示すグラフである。
【図８】この発明のほかの実施形態に沿うマイクロバニシ仕上げ装置の構成図である。
【図９】図８のバニシ仕上げヘッドを示す構成図である。
【符号の説明】
４０　バニシ仕上げヘッド
４２　ホールディング手段
４４　超音波発振子
４６　高周波発生手段
４８　加圧手段
５０　ケース
５２　加圧調整手段
５４　ガイド手段
５６　ボール
５８　柄部

Claims

工作物の表面に押し付けるバニシ仕上げヘッドと，該バニシ仕上げヘッドを支持するホールディング手段と，該ホールディング手段に加える超音波を発生させる超音波発振子と，該超音波発振子に供給される高周波を発生させる高周波発生手段と，前記ホールディング手段を加圧してバニシ仕上げヘッドを工作物の表面に押し付けられるようにする加圧手段とを含んでいることを特徴とする超音波を利用したマイクロバニシ仕上げ装置。
前記超音波発振子は，ケースに固定されており，前記加圧手段は加圧調整手段によって前記ケースを加圧する加圧力を調整されるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の超音波を利用したマイクロバニシ仕上げ装置。