JP2009226574A

JP2009226574A - 超音波研削砥石

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Publication number: JP2009226574A
Application number: JP2008108321A
Authority: JP
Inventors: Kazumasa Onishi; 一正大西
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-03-21
Filing date: 2008-03-21
Publication date: 2009-10-08

Abstract

【課題】様々な研削装置に用いて被研削物を高速、高精度で研削加工ができ、かつ砥石の消耗の小さい超音波研削砥石提供すること。
【解決手段】超音波研削砥石８は、アルミ合金製の砥石保持部材９に同心円状にスリット１０を設ける。そしてその外周の凹み部に円環状の圧電セラミック１２ａ、１２ｂを、エポキシ樹脂を用いて接合する。最外周部に砥石４の層を設ける。また、超音波研削砥石８が径方向に効率よく振動するにはアルミ合金製の砥石保持部材９は、幅Ｗに対して外径Ｄが２倍以上であることが好ましい。なぜなら、幅Ｗに対して外径Ｄが２倍未満であると、回転軸方向の振動成分が大きくなってしまうからである。
【選択図】図５

Description

本発明は、高速回転する砥石に工作物を押し付け研削加工する超音波砥石に関する。

研削作業は、高速回転する砥石に被加工物を押し付けるだけで加工が可能であるため、非常に多くの形態の作業が行われている。その最も基本的なものは、その工作物の形状から平面研削、円筒外面研削、円筒内面研削、研削切断の四つに大別できる。

図１は、平面研削の基本的な方式を図解したものである。工作機械の基本原理は、工具と被加工物に相対運動を与えることによって、目的の形状を創成することである。その運動は、主運動、送り運動、切り込み運動に分けられる。主運動は加工のための最も主要な運動で、加工に要する動力の大部分が主運動に消費される。研削の場合、主運動は砥石４の回転運動で、回転軸５を主軸という。これに対し、送り運動は、工具に被研削物６を送り込んで加工を継続させ、期待される加工面を創成するための運動である。切り込み運動は、切込みを与える運動である。ここで図１では、主運動をＰ、送り運動をＦそして切り込み運動をＩの記号で示した

平面研削には、砥石の外周を用いる円周研削図１（ａ）、図１（ｂ）と正面を用いる正面研削図１（ｃ）、図１（ｄ）、図１（ｅ）、図１（ｆ）がある。円周研削には一般に平型砥石が、また正面研削には、カップ砥石や皿型砥石、リング型砥石あるいはセグメント砥石などが使用される。

平面研削作業を研削盤の砥石軸の形式から図２の斜視図で示す横軸平面研削と図３の斜視図で示す縦軸平面研削に大別することができる。図１（ａ）は横軸平面研削の代表的な例であり、図１（ｅ）は縦軸平面研削の代表的な例である。縦軸平面研削には、砥石軸をテーブル面に対して完全に垂直にして使用することはむしろ希で、被研削物の進む方向に逆らうようにわずかに傾けて使用することが多い。ごく一般的にいえば、前者は精密研削に適し、後者は生産型である。さらにテーブルの運動形態から往復型と回転型に分けることもできる。図１（ａ）、（ｄ）、（ｅ）は往復型であり、図１（ｂ）、（ｃ）、（ｆ）は回転型である。なお、図１（ｃ）の研削方式を両頭研削と呼ぶ。

横軸平面研削の代表的な例である図１（ａ）を用いた横軸平面研削盤の斜視図を図２に示す。縦軸平面研削の代表的な例である図１（ｅ）を用いた縦軸平面研削盤の斜視図を図３に示す。

しかし、最近の非常に硬度の高い炭化珪素セラミック、超硬金属などの難切削物の加工が増加してきたが、加工負荷が大きいため研削速度が遅い、電力消費量が大きくなるそして砥石の消耗が大きいなどの多くの問題点がある。

本発明の目的は、加工精度が高くかつ、加工速度を向上させ、かつ消耗量が小さい砥石そしてこれを用いた研削方法を提供することである。

本発明は、回転軸を通す透孔を中心に持つ砥石保持部材の内周部にスリット、溝、孔などの空間部を設け、その外周に圧電セラミックを接合し、前記圧電セラミックに１５ＫＨｚ以上、１００ＫＨｚの電圧を印加する超音波研削砥石とするものである。

本発明の超音波研削砥石を用いた研削加工により、高精度かつ高速加工が可能となり、さらに砥石が長寿命となる。

以下、本発明に関わる超音波研削砥石８の実施の形態について図４の平面図そして図４のＡ−Ａ線での断面を示す図５を用いて説明する。超音波研削砥石８は、アルミ合金製の砥石保持部材９に同心円状にスリット１０を設ける。そしてその外周の凹み部に円環状の圧電セラミック１２ａ、１２ｂを、エポキシ樹脂を用いて接合する。最外周部に砥石４の層を設ける。

砥石保持部材９は、例えば、アルミニウム、青銅、ステンレススチール、チタン合金、アルミニウム合金に代表される金属材料、あるいはセラミック材料などの超音波振動の伝達性に優れる材料から形成される。

また、超音波研削砥石８が径方向に効率よく振動するにはアルミ合金製の砥石保持部材９は、幅Ｗに対して外径Ｄが２倍以上であることが好ましい。なぜなら、幅Ｗに対して外径Ｄが２倍未満であると、回転軸方向の振動成分が大きくなってしまうからである。

スリット１０は圧電セラミック１２ａ、１２ｂの超音波振動を回転軸方向に伝播させないで、かつスリット１０より外周部だけに超音波振動を励起するためのものである。スリット１０の空間は圧電セラミック１２ａ、１２ｂが発生させた超音波振動を反射するものであり、理想的には全周にあることが望ましいが、構造的にスリット１０で分割されてしまうため不可能である。したがって、スリット１０を径方向に２重にすることで、構造的に分割しないで、かつほぼ全周にわたり超音波振動を反射することができる。

ここで、超音波研削砥石８に適する２つの振動モードについて説明する。図６は石保持部材９の中心点１６を節１７とする点線の矢印で示す拡縮振動するものである。この振動モードを用いるのは砥石保持部材９の外径が０．１ｍ未満が適する。図６の振動モードで砥石保持部材９の外径が０．１ｍ以上であると固有振動数が１５ＫＨｚ以下になる時もあり、騒音が問題になる虞がある。

図７の別の振動モードは、円環状の圧電セラミック１２の平均直径（中心線で示す）を節とする矢印で示す拡縮振動するものである。この振動モードを用いるのは砥石保持部材９の外径が０．１ｍ以上が適する。図７の振動モードで砥石保持部材９の外径が０．１ｍ未満であると固有振動数が１００ＫＨｚ以上になり、振動変位量が小さくなりすぎる虞がある。

次に図２の斜視図で示す横軸平面研削盤２に本発明の超音波研削砥石８を用いた研削について説明する。

最初に、チタン合金製の被研削物６をテーブル７に電磁力により固定する。次に研削液を噴出し、これとほぼ同時に電源からロータリートランスまたはスリップリングを介して超音波研削砥石１の圧電セラミック１２ａ、１２ｂに約３５ＫＨｚの交流電圧を印加する。ロータリートランスまたはスリップリングを使用する詳細については、例えば特許文献１及び特許文献２に記載されている。そして回転軸５を回転させるためにモータの電源を入れる。次にテーブル７を往復運動させるためにテーブル駆動用のモータの電源を入れる。
特開２００６−１１０９７２特開２００７−１５０９９

超音波研削砥石８の超音波振動により、超音波研削砥石８と被研削物６との摩擦が減少することにより、超音波研削砥石８の消耗は少なくなる。また、超音波研削砥石８と被研削物６との摩擦熱が小さくなるため、加工精度も向上する。そして、また超音波振動の効果により研削速度が向上する。

また、超音波研削砥石８の超音波振動により、超音波研削砥石８と被研削物６との間に研削液が十分供給されるので、研削速度が向上する。さらに、被研削物６の研削粉及び超音波研削砥石８の消耗粉などが速やかに排除されるため研削精度は向上し、研削速度も向上する。

なお超音波切削加工は、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。そして、加工速度が倍以上になることも非特許文献２に詳しく記載されている。
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

上記のように、超音波研削砥石８に超音波振動を付与することにより超音波研削砥石８が長寿命であり、加工精度の高い、信頼性の高い研削加工を提供できる。

上記では、スリット１０により超音波振動を反射させたが、図８の斜視図で示すように砥石保持部材９に同心円状に貫通する複数の孔１３を持つ構成でも良いことは当然である。

さらに図９の斜視図で示す砥石保持部材９に同心円状に発泡金属または多孔質金属１４を用いても超音波振動を反射させることができる。

また図１０の斜視図で示す円周状の溝１５を用いても超音波振動を反射させることができる。そして、砥石保持部材９に同心円状に溝を同心円状に２重以上にしてもよい。

また、本発明の超音波研削砥石は、図１に示した様々な研削装置に用いることができるのはもちろん、センタレス研削盤、円筒研削盤などに用いることができる。

さらに本発明の超音波研削砥石８は、斜視図１１で示すベルト研削２２にも使用できる。ここで超音波研削砥石８は、砥石である研削ベルト２３を砥石保持部材９に固定はされていないが、砥石保持部材９は研削ベルト２３を接触し保持している。もちろん超音波研削砥石８の効果は上記に述べたものと同じである。なお、研削ベルトと同様にテープ研磨にも使用できる。

超音波研削砥石の両側面に圧電セラミックを接合したが、もちろん片面でもよい。

図１２の平面図、そして図１２でのＡ−Ａ線での断面を示す図１３を用いて、超音波砥石８の安定した保持方法の１例を示す。ここで、図１２を簡単にするため超音波砥石以外を省略した。

図７に示した構成はスリットの内側を支持固定するものであるが、支持位置が回転軸に近すぎ、砥石保持部材９の直径方向に垂直である方向に撓む虞がある。そこで図１２のように中心線で示す振動の節１７をフランジ１８ａ、１８ｂで固定することにより、フランジ支持位置１９を砥石保持部材９のより外径側に近づけることにより撓み振動を抑制することができる。

図１２で示すように、回転軸５にフランジ１６ｂをナット２０で固定する。その後に超音波研削砥石８をフランジ１６ａ、１６ｂで挟み、フランジナット２１で固定支持する。図中に節を１７で示した。矢印は半径方向の振動変位を示している。振動が逆相になるときは、矢印の向きは反対方向になる。

本発明の超音波研削砥石は、様々な研削装置に用いて被研削物を高速、高精度で研削加工ができる。

平面研削の基本的な方式を示す斜視図である。横軸平面研削盤を示す斜視図である。縦軸平面研削盤を示す斜視図である。本発明の超音波研削砥石示す平面図である。図４のＡ−Ａ線での断面を示す図である。本発明の超音波研削砥石の振動モードを示す平面図である。本発明の超音波研削砥石の別の振動モードを示す平面図である。複数の孔を持つ超音波研削砥石を示す斜視図である。多孔質金属を持つ超音波研削砥石を示す斜視図である溝を持つ超音波研削砥石を示す斜視図である本発明の別の超音波研削砥石を示す斜視図である。本発明の超音波研削砥石の支持位置を示す平面図である。図１２のＡ−Ａ線での断面を示す図である。

符号の説明

１ａテーブル往復型横軸平面研削
１ｂロータリーテーブル型横軸平面研削
１ｃ両頭研削
１ｄ正面研削
１ｅテーブル往復型縦軸平面研削
１ｆロータリーテーブル型縦軸平面研削
２横軸平面研削盤
３縦軸平面研削盤
４砥石
５回転軸
６被研削物
７テーブル
８超音波研削砥石
９砥石保持部材
１０スリット
１１透孔
１２圧電セラミック
１３孔
１４多孔質金属
１５溝
１６中心点
１７節
１８フランジ
１９フランジ支持位置
２０ナット
２１フランジナット
２２ベルト研削
２３研削ベルト

Claims

回転軸を通す孔を中心に持つ砥石保持部材の内周部にスリット、溝、孔などの空間部を設け、その外周に圧電セラミックを接合し、前記圧電セラミックに１５ＫＨｚ以上、１００ＫＨｚ以下の電圧を印加することを特徴とする超音波研削砥石。