JP2011183510A

JP2011183510A - 超音波振動援用研削法及びその装置

Info

Publication number: JP2011183510A
Application number: JP2010051362A
Authority: JP
Inventors: Yuha Go; 勇波呉; Zhiqiang Liang; 志強梁
Original assignee: Akita Prefectural University
Current assignee: Akita Prefectural University
Priority date: 2010-03-09
Filing date: 2010-03-09
Publication date: 2011-09-22

Abstract

【課題】
従来の超音波援用研削は、工作物側か工具側に超音波振動を1方向のみに付加するものが多い。その中で、加工面に垂直な方向に付加するものは加工力の低減効果が大きいが、加工面品位の向上における効果がほとんどない。これに対し、加工面上にある超音波振動はその効果が逆となる。そのため、加工面品位のよい加工と加工能率の高い加工を一つの工程で同時に実現するのが困難であった。
【解決手段】
加工物側か工具側に2次元（楕円）超音波振動を付加して、もしくは加工物側と工具側にそれぞれ1次元超音波振動を同時に付加して研削を行う加工法とそれを実現するための装置である。従来の超音波援用研削法と比べ品質のよい加工面と低い加工力を同時に得ることが可能である。
【選択図】図２

Description

本発明は、研削加工において超音波振動を積極的に活用する、いわゆる超音波援用研削によってセラミックス、結晶系シリコン、光学ガラス、サファイアなど硬脆材料を高能率で高品位に加工する方法と、それを実現するための加工装置に関するものである。

セラミックス、半導体、光学ガラス、サファイアなど先進材料を使用した機能性デバイスは、航空宇宙、エレクトロニクス、光学などの工業領域において、広く使われている。これらデバイスの加工では、材料が硬くて脆いため、加工能率と加工精度の点で研削加工が多用されている。

しかし、通常の研削加工では、研削抵抗が大きく研削温度も高いため、加工変質層や表面クラックなど加工欠陥が発生しやすいだけではなく、加工工具（砥石）の摩耗と損傷も大きくその寿命が短い。これによって、表面欠陥を取り除くためのポリシングなどポストプロセスを長時間に行う必要があるだけではなく、加工工具のドレッシングや交換を頻繁に行わなければならないため、加工コストが高い。

これら問題を解決する方法として、工作物側か加工工具側に超音波微振動を付加して研削を行ういわゆる超音波援用研削は、研削抵抗の低減、表面粗さの向上、研削温度の抑制、砥石のセルフドレッシングなどの好効果があるため、硬脆材料の加工に多く適用されてきている。

従来の超音波援用研削は、図１に示すように超音波振動の付加方式によって４種類がある。すなわち、方式１（図１a）は加工面に垂直な方向に１次元的（単一方向）に超音波振動を付加（特許文献１、非特許文献１）する方式、方式２（図１b）は加工面上に１次元的（単一方向）に超音波振動を付加する方式（非特許文献２）、方式３（図１c）は加工面上に２次元的（同時２方向）に超音波振動を付加する方式（特許文献２、非特許文献３）及び方式４（図１d）は加工面に垂直な方向かつ研削速度方向に平行な方向となす平面内に２次元（楕円）的に超音波振動を付加（特許文献３，非特許文献４）する方式である。

特開２００９−２２６５７４号公報：超音波研削砥石中国特許出願番号２００７１００５５０９２．３特開平９−２０７０７２号公報：超音波楕円振動電着砥石

Uhlmann, E., 1998, Surface Formation in Creep FeedGrinding of Advanced Ceramics with and without Ultrasonic Assistance, Annals ofthe CIRP, Vol.47, pp.249-252. Denkena, B., Friemuth, T. and Reichstein, M.,2003, Potentials of Different Process Kinematics in Micro grinding, Annals ofthe CIRP, Vol.52, pp.463-466. Yan, Y., Zhao, B. and Liu, J., 2009, UltraprecisionSurface Finishing of Nano-ZrO2 Ceramics using Two-dimensional Ultrasonic Assisted Grinding, Int. J. Adv.Manuf. Technol., Vol.43, pp.462-467 Suzuki, K., Makizaki, T. and Ide A., 1998, Studyon Ultrasonic Elliptic Vibration Grinding:1st Report- Proposal of an UltrasonicElliptic Vibration Grinding Wheel by Utilizing a Stator of anUltrasonic Motor, J. Jpn. Soc. Abras. Technol., Vol.42, No.10, pp.448-453 (inJapanese).

図1に示した４方式は、超音波振動援用なしの通常研削加工と比べ、加工熱の抑制および砥石のセルフドレッシングといった共通の利点を有する以外に、表１に示すようなそれぞれの特長と改善すべき点がある。すなわち、方式１は研削抵抗の低減効果が著しく加工能率が大きく向上するが、加工面品位（面粗さ、チッピング、クラックなど）が低下する。方式２は、研削抵抗の低減効果、そして加工能率の向上効果がそれほど高くないが、加工面品位がよくなる。方式３は、加工面品位が大きく向上するが、研削抵抗の低減効果がそれほど高くない。方式４は、研削抵抗の低減効果、そして加工能率の向上率が方式１と同じ程度と非常に高いが、加工面品位の向上がそれほど大きくない。

本発明の目的は、第５の方式として従来の４方式の特長を併せ持ちながら、同時に各方式の問題点を克服するいわゆる高能率高品位を両立させた超音波援用研削技術を新たに提供することにある。

以上の課題を解決するために、図2に示すような新しい２次元（楕円）超音波振動援用研削法を提案する。すなわち、２次元（楕円）超音波振動（周波数は10kHz〜60kHzの範囲にある）を加工面に垂直な方向でかつ研削速度方向（X軸）と角度θ（0°<θ≦90°、θ=0°は従来方式４になる）をなすYξ平面内に付加する。この種の２次元（楕円）超音波振動援用研削法を実現する手段は次の四つがある。
(1) 手段１として、Yξ平面内で２次元（楕円）超音波振動するワークホルダに工作物を固定することによって工作物側に２次元（楕円）超音波振動を付加する。
(2) 手段２として、加工工具（砥石）にその軸方向とラジアル方向の超音波振動を同時に付加する超音波スピンドルを用いることによってθ=90°の２次元（楕円）超音波援用研削を実現する。
(3) 手段３として、工作物を固定したY方向に１次元超音波振動するワークホルダと加工工具（砥石）を装着した軸（ξ）方向に１次元超音波元振動するスピンドルを用いることによってYξ平面内の２次元（楕円）超音波援用研削を実現する。
(4) 手段４として、工作物を固定したξ方向に１次元超音波振動するワークホルダと砥石を装着したラジアル（Y）方向に１次元超音波元振動するスピンドルを用いることによってYξ平面内の２次元超音波援用研削を実現する。

この２次元（楕円）超音波振動のY方向成分によって方式１と４における優れた研削抵抗低減効果をもたらし、ξ方向成分によって方式２と３の加工面品位向上効果をもたらすことができるため、両方向の超音波振動の同時発生によって方式１〜４の特長を併せ持つことになる。すなわち、この発明で加工の高能率化と高品位化を両立させることができる。

従来の超音波振動援用研削の４方式を示した模式図である。本発明で提案した２次元（楕円）超音波援用研削の模式図である。第1と第２の実施形態における装置の構成概略図である。製作超音波楕円振動子の構造図である。製作超音波楕円振動子端面の振動軌跡（印加電圧：50V,21.95kHz）である。通常研削と１，２次元超音波援用研削における研削抵抗と加工面粗さである。通常研削と１，２次元超音波援用研削における加工面性状である。

以下、この発明を具体化した実施形態を前記に示した４つの手段に基づいて、図3の図面について説明する。

図3(a)に、前記手段１に対応する第1実施形態における装置の構成概略を示す。本実施形態における２次元（楕円）超音波振動発生装置は、超音波楕円振動子１とそのホルダ４および電源13から構成される。超音波振動子が金属弾性体２に圧電素子（PZT）３を貼り付けた構造となっており、縦１次固有振動と曲げ２次（もしくは４次）固有振動の周波数が同じになりしかも10kHz〜60kHzの範囲にあるように寸法・形状が設計されている。電源が信号発生器10と電力増幅器11,12からなり，この電源から位相差がψで周波数が振動子固有振動数の近傍にある２相の交流電圧V_AとV_B（振幅はV、周波数はf）をPZTに印加すると、縦振動と曲げ振動が同時に引き起こされ、その合成によって端面上に楕円運動9が発生する。端面上に工作物7を接着やネジ止めなどによって固定した振動子をそのホルダを介して角度θ（0°<θ≦90°）の傾斜配置で平面研削盤のワークテーブル6上に取り付ける。いま、周速V_sで回転する研削砥石8と工作物との間に一定の切込み量を与え振動子を２次元（楕円）超音波運動させ、またテーブルを速度V_fで送り運動させると本発明における第１実施形態の２次元（楕円）超音波振動援用研削が行われる。

図３(b)に、前記手段2に対応する第2実施形態における装置の構成概略を示す。本実施形態における２次元（楕円）超音波振動発生装置は、円盤状研削砥石8付き超音波スピンドル22と電源13および給電機構（ブラシ・スリップリング）18から構成される。超音波スピンドルはランジュバン圧電振動子17と円柱状金属弾性体14を接着やネジ締めによって一体化にしてできたもので、振動節（振幅がゼロのところ）が３つ以上でありしかも振動周波数が10kHz〜60kHzの範囲にある共振体となるようにその形状・寸法が設計されている。３つの振動節のうちの２つにフランジ19を設けベアリング20を介して基礎台21に支持固定され、円盤状研削砥石を第１振動節と先端の間に設ける。このようにして、電源からの交流電圧（周波数がスピンドルのn(n>=3)次縦振動周波数に近い）を給電機構を通して圧電振動子に印加すると、スピンドルがn次縦振動し、研削砥石が軸方向の超音波振動16とともにRA（径-軸）変換効果によるラジアル方向の超音波振動15も引き起こされる。２者の合成によって２次元超音波振動が得られる。いま、ホルダを介して工作物をワークテーブルに取り付けて、研削砥石との干渉量（切込み量）とワークテーブルの送り速度V_fを与え、また周速Vsで研削砥石を回転させるとθ=90°の２次元（楕円）超音波援用研削が実現される。

前記手段3に対応する第3実施形態において、加工面に垂直な方向（Y方向）の工作物の超音波振動が前記実施形態１における超音波楕円振動子に位相差のない（ψ=0°）２相電圧を印加することによって引き起こされる。一方、加工面上にあるξ方向の超音波振動が前記実施形態2における超音波スピンドルの先端に取り付けた研削砥石の軸方向振動によって得られる。この２つの１次元超音波振動の同時発生、また超音波振動子の取り付け角度θの任意設定によって２次元（楕円）超音波援用研削が実現される。

前記手段４に対応する第４実施形態において、加工面に垂直な方向（Y方向）の超音波振動が前記実施形態２におけるスピンドルに研削砥石を第１振動節に設けてRA変換によってラジアル方向の超音波振動のみを引き起こすことによって得られる。これに対し、加工面内の超音波振動は、前記実施形態１における超音波振動子に位相差が180°の２相電圧を印加することによって引き起こされる。この２つの１次元超音波振動の同時発生、また超音波振動子の取り付け角度θの任意設定によって２次元（楕円）超音波援用研削が実現される。

図３の実施形態を具現化するために超音波振動子を中心要素とした装置を設計・製作して研削テストを行った。図4と表２に、それぞれ設計・製作した振動子の構造・形状と寸法を示す。この振動子は、２極に分極されたPZTを金属弾性体（SUS304）に接着する構造となり、その形状・寸法は既設平面研削盤上の設置スペースを考慮して、また縦１次振動と曲げ2次振動が同時に励振される（すなわち縦１次振動周波数が曲げ４次振動周波数と同じになる）ように有限要素法（FEM）によるモード解析（市販FEM解析ツールPIEZO plus 4.0 by Dynus Co., Ltd使用）によって決定した。弾性体中央下部に設けた逆T字型の突き出し部でそのホルダにネジ止めで固定することにした。この振動子の縦１次と曲げ2次の振動数は、インピーダンスアナライザ(4294A by Agilent Co., Ltd.)による測定の結果、それぞれ21.871kHzと21.885kHzであった。またこの振動子端面の超音波運動軌跡をレーザドップラー振動計（LV-1610
by Ono Sokki Co., Ltd.）２台とベクトル演算器１台からなる測定システムによって測定した。その結果を図5に示す。図よりわかるように、位相差ψを調整することによって、１次元超音波振動（図5(a)と(c)）か２次元（楕円）超音波振動を選択的に発生させることができる。また、図示の励振条件では、楕円振動の場合（図5(b)）、曲げ振動振幅A_Bと縦振動振幅A_Lはそれぞれ0.30μmと0.52μmであった。

上述の試作超音波振動子とそのホルダ（別途製作）を一つのユニットに組み立てて、３分力動力計を介して、既設のCNC平面研削盤(SGT-315RPA, Nagase Integrex Co.,
Ltd.)に搭載して、表３の条件で研削テストを行った。その中で、位相差をψ=0°、90°、180°に設定することによって、それぞれ加工面に垂直な方向の１次元超音波援用研削、方位θ=90°の２次元（楕円）超音波援用研削と方位θ=90°の加工面内１次元超音波援用研削を行った。なお、超音波援用なしの通常研削は超音波振動子に電圧を印加しないことによって行った。研削テストでは、工作物を接着によって振動子上端面に固定した。研削中は研削抵抗を測定するが、研削後は工作物厚みの変化から材料除去量をもとめ、また表面粗さ計とレーザ顕微鏡で表面粗さの測定と表面状態の観察を行った。

図6(a)と(b)に、通常研削と各方式の超音波援用研削テストを行って得られた研削抵抗と表面粗さに及ぼす切込み量の影響を示す。同図(a)より明らかなように、通常研削と比べ、超音波を援用するといずれの方式でも研削抵抗が低減した。特に注目すべき点は、加工面内１次元超音波振動を援用した時の研削抵抗が通常研削のそれより25％程度小さくなったが、垂直面内１次元超音波援用時の抵抗が35％程度低くなり、特に２次元（楕円）超音波振動時の研削抵抗が50％減少した。一方同図(b)より明らかなように、通常研削の加工面粗さより垂直面内超音波援用時のそれがやや大きかったが、２次元（楕円）振動時に約10％の減少、加工面内１次元振動時に約20％の減少で最もよい加工面が得られた。

通常研削と各方式の超音波援用研削によって得られた加工面の顕微鏡写真を図7に示す。加工面内１次元研削(θ=90°)（同図(c)）と2次元(楕円)研削(θ=90°) （同図(d)）は良好な加工面が得られているが、明らかに通常研削面（同図(a)）と垂直面内1次元研削面（同図(b)）にはチッピングやクラックが多数発生している。垂直面内1次元研削面（同図(b)）は最も品質が悪い。これは、加工面内超音波振動の援用によって、材料が主として延性モードで加工されるため、脆性破壊による表面欠陥が少なくなり品質の高い加工面が得られることを示す。

以上を要するに、面内振動を付加すると加工面粗さが約15％減少、表面品位が向上する。これに対して、垂直面内振動を付加すると、研削抵抗が最大で50％の低減が見られた。総合的に面内振動と垂直面内振動を同時に付加して、楕円運動をさせると、面粗さはもちろん面品位が改善され同時に研削抵抗が小さくなり、通常研削よりそれぞれ10％と30％の減少が見られた。したがって、本発明の技術は、研削抵抗と加工面粗さを同時に減少させることができ、優れた特徴である。これによって、硬脆材料の高能率かつ高品位の加工が実現できる。

以上で説明したように、本発明の新しい２次元（楕円）超音波振動援用研削法は、通常の研削法と比較して、従来の１次元や２次元超音波援用研削法と比べても、高い加工能率と優れた加工品位を同時に得られる加工法である。これは、チタン、ステンレスなど難加工金属材料だけではなく、太陽発電用結晶シリコンやLED照明用サファイアなどの硬脆材料の高能率高品位加工として利用できる。

1 超音波楕円振動子
2 金属弾性体
3 圧電素子（PZT）
4 ホルダ
5 動力計
6 ワークテーブル
7 工作物
8 研削砥石
9 楕円運動
10 信号発生器
11電力増幅器
12 電力増幅器
13 電源
14 円柱状金属弾性体
15 ラジアル方向超音波振動
16 縦振動
17ランジュバン形圧電振動子
18 給電装置
19 フランジ
20 ベアリング
21基礎台
22 超音波スピンドル

Claims

工作物の加工面に垂直な方向の超音波振動と加工面上の任意方向の超音波振動が同時発生することによって得られる２次元（楕円）超音波振動をさせながら、工作物加工面の研削を行うことを特徴とする超音波援用研削加工法。
研削工具（砥石）の加工面に垂直な方向の超音波振動と加工面上の任意方向の超音波振動が同時発生することによって得られる２次元（楕円）超音波振動をさせながら、工作物加工面の研削を行うことを特徴とする超音波援用研削加工法。
加工面に垂直な方向と加工面上の任意方向の2方向の超音波振動が楕円運動に合成されるように、工作物と研削工具（砥石）をそれぞれ加工面に垂直な方向か加工面内に同時に超音波振動させながら工作物加工面の研削を行うことを特徴とする超音波援用研削加工法。
金属弾性体に圧電素子を貼り付けた構造であって、この構造体の１次縦振動周波数がその２次（もしくは４次）曲げ振動周波数と同じになるように構造・寸法が決定された、かつ工作物を支持・固定する２次元（楕円）超音波振動子、ならびに超音波発振器からなる請求項１記載加工法を実現するための加工装置。
圧電素子と金属回転体を接着剤などで一体化にした構造であって、ディスク状加工工具（砥石）を金属回転体先端からの縦振動の第１振動節の付近に取り付けられて２次元（楕円）超音波振動させられる超音波スピンドル、および超音波発振器、を有する請求項２記載加工法を実現するための加工装置。
請求項4記載２次元（楕円）超音波振動子に位相差のない２相の交流電圧を印加することによって加工面に垂直な方向の超音波振動が得られ、および請求項５記載超音波スピンドルの先端に砥石を取り付けることによって加工面上の任意方向（スピンドル軸方向）の超音波振動が得られ、ならびに振動子とスピンドルそれぞれの超音波発振器を有する請求項３記載加工法を実現するための加工装置。