JP2007144605A - 切削工具および機械加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加工対象物の加工精度、加工品質を向上させ、かつ切削工具の長寿化する切削工具および機械加工装置を提供する。
【解決手段】
図示しないモータの電源を入れ、回転軸３を約１２０００回転／毎分の回転させる。これとほぼ同時に超音波発振回路を作動させ、約２００ＫＨｚの交流電圧を固定側ロータリートランス１７ｂを介して回転側ロータリートランス１７ａに伝達し、さらにコンデンサを通して圧電素子２の両側の銀電極間に印加する。次に回転する円盤状の切断ブレード１と図示しない加工対象物に冷却水をノズルから与え、加工対象物のガラスを切断または溝入れする。
【選択図】図６

Description

本発明は、機械加工装置に用いる切削工具に圧電素子を接合し、加工対象物であるガラス、セラミック、シリコーン、超硬金属などの難切削材料、ステンレス、チタンなどの金属材料およびプラスチック材料を加工する機械加工装置に関するものである。

最近、いわゆる難加工材料を加工するために超音波振動を切削工具または、加工対象物に与え加工する方法が多用されるようになってきた。このような加工方法は、超音波切削加工と呼ばれており、例えば、非特許文献１に詳しく記載されている。超音波切削加工は、加工対象物と切削工具との摩擦抵抗が小さくなるため、加工面の熱歪みが低減され、加工精度が高くなり、そして切削工具の寿命が長くなるなどの利点を有している。

さらに、最近ではステンレス、チタンなどの金属材料およびプラスチックを対象に超精密加工がなされている。このような加工においても超音波切削加工は、加工対象物と切削工具との摩擦抵抗が、小さくなるため、加工面の熱歪みが低減され、加工精度が高くなるため用いることが多くなった。

工具が回転する超音波を用いる機械加工装置は、非特許文献２に詳しく記載されている。図１に示す超音波研削装置は回転軸を回転させるためのモータがあり、その回転軸にスリップリング、超音波振動子が備えられている。さらに、回転軸にはブースタ、ホーンそして切削工具であるダイヤモンド砥石が接続されている。また回転自在に支持するための軸受が配置されている。また超音波交流電圧を超音波振動子に印加するための超音波発振器とブラシを備えている。

上記の超音波研削装置の概略の運転方法は以下の通りである。まずモータを動作させるとほぼ同時に超音波発振器からブラシを介して回転するスリップリングに超音波交流電圧を印加する。スリップリングに与えられた交流電圧は超音波振動子に印加され、超音波振動子は超音波振動する。この超音波振動が、ブースタそしてホーンを伝播し、そして切削工具であるダイヤモンド砥石に伝播する。
超音波便覧編集委員会、「超音波便覧」、丸善株式会社、平成１１年８月、ｐ６７９−６８４ 日本電子機械工業会、「超音波工学」、株式会社コロナ社、１９９３年、ｐ２１８−２２９

また、工具が非回転である超音波振動を用いる機械加工装置として、旋盤がある。図２の特許文献１に示す超音波振動を切削工具に印加し、切削加工中にホルダーとワークとの間に発生するびびり振動を抑制し、加工精度が良好で加工能率が良く、工具寿命の長くすることを狙ったものがある。

ここで図２の特許文献１に示す超音波加工装置について詳しく説明する。切削工具は、超音波捻り振動を発生する超音波捻り振動器と、超音波捻り振動器により発生された捻り振動を撓み振動に変換する撓み振動体とを備えている。超音波捻り振動器は、ボルト締めランジュバン型電歪振動子からなり、超音波発振器からの高周波駆動信号により駆動される。

また、超音波捻り振動器の先端には、超音波捻り振動器より発生した捻り振動の振幅を拡大して、撓み振動体に伝達する振幅拡大用ホーンがねじ止めされており、超音波捻り振動は該ホーンを通過することにより振動振幅が数倍に拡大される。

さらに振幅拡大用ホーンの先端には、捻り振動を撓み振動に変換するための撓み振動体が図示しないネジでねじ止めされており、該撓み振動体の先端には切削チップがねじ止めされている。

そして、これら超音波捻り振動器、振幅拡大用ホーン、撓み振動体、切削チップは、超音波捻り振動器の固有振動数とほぼ同一の振動数で定在波が発生し共振する振動系となっている。

さらに該捻り振動系は、振幅拡大用ホーンに発生した定在波の節に設けられたフランジによりケースに取付けられている。また、超音波捻り振動器の後方には、該超音波捻り振動器を冷却するファンが設けられている。

また、このような切削工具１を旋盤の刃物台に取り付け、ワークの円周切削加工を行う場合には、該切削工具の取付け手段として防振合金製のホルダーを用いることが好ましいとされている。

このような構成の切削工具によると、加工中のホルダーに発生する振動が、従来の１／１０〜１／３０に減少し、高精度且つ高能率の切削加工を行うことができ、工具の長寿命化が図られているとされている。

特開平７−１６４２１７号公報

しかし、超音波を用いる回転機械加工装置である図１に示す超音波研削装置において、回転軸に超音波振動子を取り付けると回転軸が超音波振動するので軸受にも超音波振動が伝播し、軸受は破損の恐れが生ずる。また回転軸および軸受に異常な磨耗が発生する、磨耗が大きくなる恐れがある。さらに、回転軸の直径とほぼ等しい超音波振動子であるランジュバン型超音波振動子を回転軸に接合するため、重量が増加して、回転慣性が大きくなり高速回転には不適な構成になる。さらに、回転軸に接合された超音波振動子の形状の誤差、重量のアンバランスにより回転が不安定になり、回転装置が故障し、加工精度が低下する。

別の問題点として、切削工具を保持するチャック装置と切削工具が超音波振動により互いに摩擦し焼き付けが発生する。

工具が非回転である超音波振動を用いる機械加工装置として、図２の旋盤において、切削工具を保持する保持装置である刃物台と切削工具の一部であるホルダーが超音波振動により互いに摩擦し焼き付けが発生する。

また超音波振動により、切削工具の一部であるホルダーと保持装置である刃物台の摩擦力が小さくなり、加工時に機械的負荷が切削工具の一部であるホルダーに加わったときに保持装置内でホルダーの位置が変化することにより加工精度が悪化する問題点もある。

さらに、超音波振動子の超音波振動が保持装置である刃物台などに伝播してしまい、工具チップに与える超音波振動が小さくなる。所望の大きさの超音波振動を工具チップに印加するためには、保持装置である刃物台など不要な部分に振動を与えるため不要に大きい超音波交流電力を超音波振動子に与える。このため、超音波振動子は、不要な部分に超音波振動を与える分に相当する余分な発熱があり、工具、保持装置などの温度が上昇する。
そのため、加工精度、加工能率及び工具の寿命に悪影響を与える。

本発明は、回転する工具を持つ機械加工装置において、工具に圧電素子を接合し、かつその圧電素子に抵抗とコンデンサが電気配線により接続されているものである。

本発明はまた、前記工具に接合した圧電素子、抵抗およびコンデンサを電気的配線により回転側ロータリートランスに接続する回転する工具を持つ機械加工装置とするものである。

本発明はまた、前記工具に接合した圧電素子、抵抗およびコンデンサを電気的配線によりスリップリングに接続する回転する工具を持つ機械加工装置とするものである。

本発明はまた、非回転工具を持つ機械加工装置において、工具に圧電素子を接合し、かつその圧電素子に抵抗とコンデンサが電気配線により接続されているものである。

本発明の第１の実施の形態を図３の断面図を用いて示す。ここで回転工具である切断ブレード１は円形基板と電着砥粒層とから構成されている。円形基板は例えば厚さが１．０ｍｍ程度で外径が７０ｍｍ程度の鋼板、アルミなどの金属板からなり、中心部には回転軸に装着するための取り付け穴が形成されている。

また、円形基板に電着砥粒層を形成するには、通常の電気メッキ法を用いることができる。すなわち、メッキ槽に収容された硫酸ニッケル液にダイヤモンド砥粒を混入せしめ、この硫酸ニッケル液にダイヤモンド砥粒が混入したメッキ液中で円形基板にニッケルメッキすることにより、ダイヤモンド砥粒をニッケルメッキで固定した複合メッキ層からなる電着砥粒層を形成することができる。この切断ブレード１の円形基板の中心軸と一致させ外径が約６０ｍｍ、内径が約４５ｍｍそして厚さが約１．０ｍｍのリング形状のＰＺＴ系圧電セラミックからなる圧電素子２ａ、２ｂをエポキシ樹脂により接合する。圧電素子２ａ、２ｂは、両側に銀電極が設けられ、かつ板厚方向に分極されている。ここでは、圧電素子２としてＰＺＴ系圧電セラミックを用いたが、電極を有する水晶、リチウムナイオベイトの単結晶などでもよいことはもちろんである。

図３中の矢印は圧電セラミックの分極方向を示している。また、圧電素子２ａ、２ｂの表面の電極はリード線により接続されている。裏面は基板を介して電気的に接続されている。

圧電素子２ａ、２ｂの表面を接続したリード線と切断ブレード１の基板からのリード線の間に抵抗１４を接続する。そして圧電素子２ａ、２ｂの表面を接続したリード線とコンデンサ１５そして回転側ロータリートランス１７ａの一方の端子を直列に接続し、固定側ロータリートランス１７ａの他方の端子を基板からのリード線に接続する。

回転側ロータリートランス１７ａに近接して固定側ロータリートランス１７ｂが図示しないケースに取付けられる。そして固定側ロータリートランス１７ｂと超音波発振回路１６がリード線により接続される。

次に上記の切断ブレード１を使用した切断装置の運転方法について図５の平面図と図５のＡ−Ａ線での断面を示す図６を用いて説明する。まず図示しないモータの電源を入れ、回転軸３を約１２０００回転／毎分の回転させる。これとほぼ同時に超音波発振回路を作動させ、約２００ＫＨｚの交流電圧を固定側ロータリートランス１７ｂを介して回転側ロータリートランス１７ａに伝達し、さらにコンデンサを通して圧電素子２の両側の銀電極間に印加する。次に回転する円盤状の切断ブレード１と図示しない加工対象物に冷却水をノズルから与え、加工対象物のガラスを切断または溝入れする。

超音波振動を印加した切断ブレード１が回転し、加工対象物のガラスに接触する。ガラスを加工する反作用として切断ブレード１に振動変位が与えられる。そして、切断ブレード１に接合した圧電素子２である円盤状の圧電セラミックに圧電気直接効果により電極に電圧が発生する。

圧電気直接効果とは、圧電素子に外部応力、振動変位などを与えると、その出力端に電気信号が発生する現象をいう。

圧電気直接効果については、例えば非特許文献３に詳しく記述してある。
谷腰欣司、「超音波とその使い方」、日刊工業新聞社、１９９４年、ｐ４７−５３

切断ブレード１に接合した圧電素子２である円盤状の圧電セラミックに圧電気直接効果により電極に発生した電圧は抵抗１４に加わり、抵抗１４に電流が流れ振動は熱に変化してダンピングされる。このように振動を抵抗１４によりダンピングする技術については非特許文献３に詳しく記述されている。

固体アクチュエータ研究部会、「精密制御用ニューアクチュエータ便覧」、株式会社フジテクノシステム、１９９４年、ｐ６８３−６９３

ここで、コンデンサ１５のインピーダンスは、１０ＫＨｚで抵抗１４とほぼ同じ値になっている。圧電気直接効果により圧電素子の電極に発した電圧は、回転軸３の約１２０００回転／毎分が回転するので、約２００Ｈｚ程度の周波数であると推定される。したがって、コンデンサ１５には、ほとんど電流は流れない。

一方、超音波発振回路から圧電素子に２００ＫＨｚの交流電流を印加する。２００ＫＨｚでのコンデンサ１５のインピーダンスおよび圧電素子のインピーダンスは抵抗に比較して大幅に小さいので、２００ＫＨｚの電流は圧電素子にだけほぼ流れる。

このような構成にすることで、加工対象物と接触した際の不要な振動を工具に接合した圧電素子により電気エネルギーに変化させ、圧電素子２に接続した抵抗１４により熱に変化させ、消費させることができる。そして、コンデンサ１５のインピーダンスを調整することにより超音波発振回路１６からほぼ圧電素子２にだけ電力を供給することができる。

つまり工具に不要な振動を取り除き、かつ有用な振動を印加することができる従来にはない全く新しいシステムを構成できる。

そして、この全く新しいシステムで加工した結果、従来の圧電素子を接合しない工具での条件に比較して、切断ブレードの消耗量は約１／１０になり、そしてチッピングの大きさは、約１／２０になった。

この結果を考察すると、圧電気直接効果により切断ブレードの不要な低周波の振動をダンピングできること、そして所望の高周波の超音波振動を切断ブレードに印加することにより、切断ブレードの冷却水との接触角を小さくすることにより切断ブレードに冷却水をより多く保持することができるので、切断ブレードの温度、および加工対象物の温度を小さくできる。また、所望の超音波振動を切断ブレードに印加することにより切断ブレードの先端の加速度を向上させ、切削能力を向上させることができるためと考えられる。

実際に切断ブレードを水平に位置させ、その上に水滴を載せ、接触角を測定したら、７７度であった。次に切断ブレードに接合した圧電素子に約２００ＫＨｚの超音波振動を印加したところ接触角は６２度になった。このように切断ブレードのような基板に超音波振動を印加することにより液体との濡れ性を改善できることが明らかになった。

非特許文献４に、水と無機物質、水と有機物質の接触角のデータ及び接触角の測定法について記述してある。

近澤正敏、「界面化学」、丸善株式会社、平成１５年３月、ｐ４２、ｐ５８−５９

第１の実施の形態において回転する工具に接合した圧電素子に電力を供給するため、ロータリートランスを用いたが、図４に示すようにスリップリング９とブラシ８を用いても良い。

第２の実施の形態を示す基本的な構成を示す旋盤に用いる切削工具を図７の斜視図で示す。切削工具は、ホルダー１１、そして単結晶ダイヤモンド製の切削チップ１０から構成されている。なお、切削チップ１０は銀ロウでホルダー１１に接合されている。切削チップ１０に圧電素子２である圧電セラミックをエポキシ樹脂により接合している。圧電セラミックの両面には銀電極が設けられている。そして両面には銀電極に垂直な方向に圧電セラミックは分極されている。

図８は、図７で示した圧電素子２と抵抗１４及びコンデンサ１５を超音波発振回路１６に接続した概略図である。圧電素子２には抵抗１４が接続され、そしてコンデンサ１５が接続される。そしてコンデンサ１５は超音波発振回路１６が接続される。

次にこの切削工具を用いる旋盤の運転方法について説明する。まず、モータの回転数および切削工具の送り速度を設定する。次にモータのスッチを入れ、モータを毎分約６０００回転させる。ほぼこれと同時に超音波発振回路１６を作動させる。そして加工対象物であるシリコンナイトライドにホルダー１１に取付けた切削チップ１０を自動運転で送り込む。

超音波振動を印加した切削チップが加工対象物のシリコンナイトライドに接触する。加工対象物に切削チップが接触すると反作用として切削チップに接合した圧電セラミックに圧電気直接効果により電極に約１００Ｈｚの電圧が発生する。

切削チップに接合した圧電素子２である矩形状の圧電セラミックに圧電気直接効果により電極に発生した電圧は抵抗に加わり、電流が流れ振動は熱に変化してダンピングされる。

ここで、コンデンサのインピーダンスは、１０ＫＨｚで抵抗とほぼ同じ値になっている。圧電気直接効果により圧電素子の電極に発生した電圧は、旋盤の回転軸３の約６０００回転／毎分が回転するので、約１００Ｈｚ程度の周波数であると推定される。したがって、コンデンサには、ほとんど電流は流れない。

一方、超音波発振回路から圧電素子に約２ＭＨｚの交流電流を印加する。約２ＭＨｚでのコンデンサのインピーダンスおよび圧電素子のインピーダンスは抵抗に比較して大幅に小さいので、約２ＭＨｚの電流は圧電素子にだけほぼ流れる。

このような構成にすることで、加工対象物と接触した際の不要な振動を工具に接合した圧電素子により電気エネルギーに変化させ、圧電素子に接続した抵抗により熱に変化させ、消費させることができる。そして、コンデンサのインピーダンスを調整することにより超音波発振回路からほぼ圧電素子にだけ電力を供給することができる。

つまり工具に不要な振動を取り除き、かつ有用な振動を印加することができる従来にはない全く新しいシステムを構成できる。

そして、この全く新しいシステムで加工した結果、従来の圧電素子を接合しない工具での条件に比較して、切削チップの消耗量は約１／６になり、そして加工対象物のチッピングの大きさは、約１／１０になった。

この結果を考察すると、圧電気直接効果により切削チップの不要な振動をダンピングできること、そして所望の超音波振動を切削チップに印加することにより、切削チップの切削液との接触角を小さくすることにより切断ブレードに切削液をより多く保持することができるので、切削チップの温度、および加工対象物の温度を小さくできる。また、所望の超音波振動を切削チップに印加することにより切削チップの先端の加速度を向上させ、切削能力を向上させることができるためと考えられる。

このように工具を超音波振動させることで、加工対象物と工具との摩擦抵抗が小さくなるため、加工面の熱歪みが低減され、加工精度が高くなり、そして、切削工其の寿命が長くなる。

工具に発生した不要な振動を圧電素子により電気エネルギーに変化させ、これを抵抗で消費することにより、加工対象物と工具との不要な接触摩擦が小さくなるため、加工面の熱歪みが低減され、加工精度が高くなり、そして、切削工具１の寿命が長くなる。

上記と同様な効果を得ることができる回転工具の他の例として、フライス盤、中ぐり盤、ボール盤、研削盤およびホブ盤に使用する切削工具がある。図９の平面図にボール盤に使用するドリルを示す。ドリル６に円筒状の圧電素子２をエポキシ樹脂で接合したものである。図１０は、フライス盤に使用するエンドミルを示す斜視図である。エンドミル７に円筒状の圧電素子２をエポキシ樹脂で接合したものである。上記と同様な効果を得ることができる非回転工具の他の例として、形削り盤、立削り盤、歯車形削り盤そしてブローチ盤の切削工具がある。

本発明の機械加工装置は、工具を使用する様々な加工装置に用いることができる。

従来の超音波研削装置を示す断面平面図である。 従来の超音波振動を用いた旋盤工具を示す正面図である。 本発明の第１の実施の形態を示す切削工具の断面図である。 スリップリングを用いた実施の形態を示す断面図である。 図３で示した切削工具である切断ブレードをフランジにより固定した平面図である。 図５のＡ−Ａ線での断面図である。 本発明の第２の実施の形態を示す斜視図である。 圧電素子と抵抗、コンデンサおよび超音波発振器を示す概略図である。 本発明を用いることのできるドリルの平面図である。 本発明を用いることのできるエンドミルの斜視図である。

符号の説明

１ 切断ブレード
２ 圧電素子
３ 回転軸
４ フランジ
５ モータ
６ ドリル
７ エンドミル
８ ブラシ
９ スリップリング
１０ 切削チップ
１１ ホルダー
１２ 取付け穴
１３ リード線
１４ 抵抗
１５ コンデンサ
１６ 超音波発振回路
１７ ロータリートランス

Claims (4)

1. 回転する工具を持つ機械加工装置において、工具に圧電素子を接合し、かつその圧電素子に抵抗とコンデンサが電気配線により接続されていることを特徴とする。
2. 前記工具に接合した圧電素子、抵抗およびコンデンサを電気的配線により回転側ロータリートランスに接続することを特徴とする請求項１に記載の回転する工具を持つ機械加工装置。
3. 前記工具に接合した圧電素子、抵抗およびコンデンサを電気的配線によりスリップリングに接続することを特徴とする請求項１に記載の回転する工具を持つ機械加工装置。
4. 非回転工具を持つ機械加工装置において、工具に圧電素子を接合し、かつその圧電素子に抵抗とコンデンサが電気配線により接続されていることを特徴とする。

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