JP2014050897A - 振動波形発生装置，振動付加装置，振動加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多数の振動波形の中から微細深穴等の切削加工に適した振動波形を選択する。
【解決手段】
切削工具とワークの間に振動を与えてワーク切削加工を行うにあたり、振動を与えるアクチュエータを駆動するための振動波形として、切削時間比率Ｒｃ又は正速度時間比率Ｒｖによって定義される振動波形を使用する。切削時間比率Ｒｃは、全駆動時間に対する切削時間の割合を示し、小さい方がよい。好ましくは、振幅比１０以下における切削時間比率Ｒｃの最小値が０．２８以下となる振動波形を選択するとドリル１０の刃先がワーク１２から離れる時間が長くなり、刃先の冷却が期待できる。正速度時間比率Ｒｖは、切削時間に対する振動速度が正となる時間の割合を示し、大きい方がよい。好ましくは、振幅比１０以下における正速度時間比率Ｒｖの最大値が０．８０以上となる振動波形を選択すると、切削抵抗の低減が期待できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、切削工具とワークとの間に振動を付加して切削加工を行うとともに、切削加工に適した振動波形を用いる振動波形発生装置，振動付加装置，振動加工装置に関する。

ガスタービンで用いられるノズル等においては、例えば、直径Ｄ＝０．２ｍｍ，深さＬ＝４ｍｍ（アスペクト比Ｌ／Ｄ＝２０）のような微細深穴を加工する必要がある。このような高アスペクト比の微細深穴をドリルによって切削加工する際には、切りくずの排出が困難である，発生する熱の逃げ場がないことからドリル先端の加工点の温度が非常に高くなってドリルの摩耗が進みやすい，切削抵抗によりドリルの折損が発生しやすい，といった問題がある。

図１２(A)には、その様子が示されており、ボール盤のスピンドル９００に取り付けられたドリル９０２によって、被加工材料であるワーク９１０に穴９２０の加工が行われる。ワーク９１０の表面側からは、切削油９０４が供給されている。同図(B)には、ドリル９０２の先端部分が拡大して示されており、ワーク９１０をドリル９０２の先端が押しつぶしながら加工が進行していく。ここで、切りくずは、ドリル９０２の溝に沿って図の上方に押し上げられて排出されるのであるが、穴９２０が深いために、排出に困難が伴う。また、切削油９０４が穴９２０の開口側から供給されるが、穴９２０が深いために、ドリル９０２の刃先の方まで良好に供給されない。また、穴９２０が深いことから、刃先の熱の逃げ場がない。これらの理由から、刃先の温度が上昇するようになるとともに、ドリル９０２先端の切削抵抗が増大して高いスラスト力が発生し、刃先の摩耗の進行，切削速度の低下，更にはドリル折損が生ずる恐れがある。

このような問題点を改善し、刃先の冷却効果を期待できる手法として、下記特許文献１〜３に記載されているような加工時に低周波振動を付加する技術がある。図１２(C)には、その一例が示されており、スピンドル９５０に取り付けられたドリル９５２によって、ワーク９６０に対する穴あけ加工が行われる。ワーク９６０は、加工機テーブル９６２に設けられたアクチュエータ９６４上に設置されている。アクチュエータ９６４としては、電磁式，ピエゾ式，リニアモータ式などがある。ワーク９６０には、アクチュエータ９６４によって、図の上下方向に低周波振動が印加される。この状態で、ドリル９５２によってワーク９６０の穴あけ加工が行われる。

特開２００６−１５９４００号公報 特開２００４−２６１９２８号公報 特開平１０−２４９６８４号公報

しかしながら、上述した従来の振動加工においては、アクチュエータによる振動条件（振動周波数，振動振幅）に関して、経験に基づいた選択が行われてきた。このため、ドリル径，ドリル回転数や送り速度等の加工条件が変わる度に、好適な振動条件を検討する必要があった。

本発明は、以上のような点に着目したもので、その目的は、周波数比や振幅比だけではなく、切削加工を良好に行うことができる振動波形を選択し、振動を付加して切削加工を行うことである。他の目的は、好適な振動波形で切削工具もしくはワークに振動を加えて加工を行うことで、刃先温度，切りくず排出，切削抵抗といった課題を改善することである。更に他の目的は、工具の長寿命化を図ることである。

本発明の振動波形発生装置は、ワークの切削加工を行う場合に、切削工具とワークとの間に振動を与える振動付加装置に振動波形を出力する振動波形発生装置であって、全駆動時間に対する切削時間の割合を示す切削時間比率Ｒｃ，又は、切削時間に対する振動速度が正となる時間の割合を示す正速度時間比率Ｒｖの少なくとも一方を用いて切削加工に適した振動波形が定義され、該定義された振動波形を振動付加装置に出力することを特徴とする。

主要な形態の一つは、前記切削時間比率Ｒｃの振幅比１０以下における最小値が０．２８以下，又は、前記正速度時間比率Ｒｖの振幅比１０以下における最大値が０．８０以上の少なくとも一方を満たす振動波形を出力することを特徴とする。他の形態の一つは、前記振動波形は、下降時の周期が上昇時の周期よりも長いことを特徴とする。好ましくは、前記下降時の周期と上昇時の周期の比が、３：１以上であることを特徴とする。更に他の形態の一つは、前記振動波形は、正変位の周期が負変位の周期よりも短いことを特徴とする。好ましくは、前記正変位の周期と負変位の周期の比が、１：３以上であることを特徴とする。更に他の形態の一つは、前記切削加工に適した振動波形を出力手段に提示する波形提示手段，を備えたことを特徴とする。

本発明の振動付加装置は、ワークの切削加工を行う場合に、切削工具とワークとの間に振動を与える振動付加装置であって、前記切削工具又はワークのいずれか一方に振動を印加するアクチュエータ，請求項１〜７のいずれか一項に記載の振動波形発生装置から出力された振動波形に基づいて、前記アクチュエータを制御する制御手段，を備えたことを特徴とする。

本発明の振動加工装置は、請求項８記載の振動付加装置を備えたことを特徴とする。主要な形態の一つは、前記切削工具の主軸回転数と送り速度を検出するモニター手段，該モニター手段による検出結果に基づいて、前記振動波形発生装置から出力される振動波形を修正するフィードバック手段，を備えたことを特徴とする。あるいは、前記振動付加装置によって振動を与えつつ切削加工を行ったときの切削動力を検出するモニター手段，該モニター手段による検出結果に基づいて、前記切削工具により切削状態の適否を判断し、切削状態が適切となるように、前記振動波形発生装置から出力される振動条件を修正するフィードバック手段，を備えたことを特徴とする。本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。

本発明によれば、切削工具とワークとの間に振動を与えてワークの切削加工を行うにあたり、振動を与えるアクチュエータを駆動するための振動波形として、切削時間比率Ｒｃ又は正速度時間比率Ｒｖによって定義される振動波形を使用する。切削時間比率Ｒｃがなるべく小さくなるような振動波形を用いることで刃先の冷却が期待でき、正速度時間比率Ｒｖがなるべく大きくなるような振動波形を用いることで切削抵抗の低減が期待できる。このため、刃先温度，切りくず排出，切削抵抗といった課題を改善し、工具の長寿命化を図ることができる。

ドリルによる穴あけ加工時の様子を示す図である。 振動波形を正弦波としたときの本発明の実施例におけるドリル刃先の軸方向変位及び回転速度の変化を示すグラフである。 振動波形のパターンを示す図である。 ドリルの下降時と上昇時の周期を変化させた波形を振動波形としたときのドリル刃先の軸方向変位及び回転速度の変化を示すグラフである。 正変位と負変位の周期を変化させた波形を振動波形としたときのドリル刃先の軸方向変位及び回転速度の変化を示すグラフである。 切削時間比率Ｒｃを示すマップである。 正速度時間比率Ｒｖを示すマップである。 本発明に関係する実験装置の概略を示す図である。 振動波形による工具の寿命を比較したグラフである。 (A)は振動波形を変えたときの加工穴数とスラスト力の関係を示すグラフ，(B-1)は正速度周期比率とスラスト力の増加率を比較した棒グラフ，(B-2)は正変位周期比率とスラスト力の増加率を比較した棒グラフである。 本発明の振動加工装置の実施例を示す図である。 ドリルによる穴あけ加工及び背景技術を示す図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。

最初に、図１〜図７を参照しながら、本発明で用いる振動波形を定義するための評価指標である切削時間比率Ｒｃ，正速度時間比率Ｒｖについて説明する。図１(A)に、ワーク１２を加工しているドリル１０の刃先部分が示す。回転角度をθ，軸方向（図の上下方向）の振動振幅（p-p）をＡ，ドリル１０とワーク１２との相対的な振動の周波数をＦｖ，ドリル１０の回転周波数をＦｄ，ドリル１０の１刃当たりの送りをｆz，ドリル１０の刃数をｚとすると、ドリル１０の刃先の軸方向変位Ｐz及び軸方向速度Ｖzは、次の数１式，数２式でそれぞれ表される。

更に、ｋ刃前のドリル刃先の軸方向変位Ｐzkは、次の数３式で表される。ｋ刃前とは、前記数１式で示される軸方向変位Ｐｚが例えば刃数ｚを有するドリルの第ｎ回転目における軸方向変位であるとすると、第ｎ−ｋ／ｚ回転目における軸方向変位が前記Ｐzkである。

図２(A)には、前記軸方向変位Ｐz，Ｐzkの一例が示されている。この例は、工具回転数２０００/min（工具回転周波数Ｆd＝２０００／６０＝３３．３Hz），１刃当たりの送りｆz＝１μm，振動周波数Ｆv＝４９．１Ｈz，振動振幅Ａ＝５μm，刃数ｚ＝２，とし、かつ、振動波形を正弦波としたときの例である。同図の横軸はドリル１０の位相ないし回転角度θ[rad]，縦軸は軸方向変位ＰzないしＰzk[μm]を表す。なお、縦軸は、下側がプラス，上側がマイナスとなっている。図２(A)には、２回転分（４π）が示されている。仮に、軸方向の振動がないとすると、単に、回転とともに軸方向変位Ｐz，Ｐzkが増大する右肩下がりのグラフとなる。しかし、軸方向の振動があるために、振動しつつ右肩が下がるグラフとなる。４刃前のグラフＧz4の１回転後（２π）の変位Ｑz4は、（４−刃数２＝）２刃前のグラフＧz2の始点Ｒz2に一致する。３刃前のグラフＧz3の１回転後（２π）の変位Ｑz3は、（３−刃数２＝）１刃前のグラフＧz1の始点Ｒz1に一致する。以下、同様である。ドリル１０の刃先は、１刃前の刃先が通過した面からワーク１２に進入し、３刃前の刃先が通過した面から離脱する。

ここで、ドリル１０の刃先の軸方向の切込み厚さｈは、次の数４式で表される。切込み厚さｈ＞０のときは、ドリル１０の刃先が前回よりも深くなり、ドリル１０の刃先とワーク１２が接触して切削が行われる。しかし、ｈ≦０のときは、ワーク１２の切削は行われず、ドリル１０の刃先の冷却が進むとともに、切りくずの分断が行われると考えられる。

図２(A)で説明すると、今回の軸方向変位Ｐzによって切削される厚さｈは、同図にハッチングで示すように、前回の軸方向変位Ｐzkとの差分領域Δｈとなる。

図２(B)には、切込み厚さｈ＞０のときの軸方向速度Ｖzの一例が示されている。同図の横軸は前記図２(A)と同様であり、縦軸が軸方向速度Ｖz[mm/min]となっている。同図(A)，(B)を対比すると明らかなように、刃先が正の速度で進入して負の速度で離脱し、軸方向速度Ｖzがプラスからマイナスに変動する期間Ｔwで切削が行われる。

ここで、全駆動時間に対する切込み厚さｈ＞０となる時間の比率（図２(B)における全駆動時間Ｔｔに対する切削時間Ｔwの割合＝Ｔw／Ｔt）を切削時間比率Ｒcとする。切削時間比率がＲc＝１のときは、Ｔw＝Ｔtとなり、全時間において切削が行われる連続切削となる。切削時間比率Ｒcが小さくなるに従って、ドリル１０の刃先がワーク１２から離れて切削が行われない時間が長くなり、刃先の冷却が期待できるようになる。

また、切削時間Ｔwに対する振動速度（軸方向速度−工具送り速度）が正となる時間の比率（図２(B)における切削時間Ｔwに対する正時間Ｔpの割合＝Ｔp／Ｔw）を、正速度時間比率Ｒvとする。図１(B)には、ドリル１０の刃先のすくい角Φrと逃げ角Φcの関係が示されている。ドリル１０の刃先速度が正のときは刃先のすくい角Φrが大きくなり、逆に刃先速度が負のときは刃先のすくい角Φrが小さくなる。このような点からすると、正速度時間比率Ｒvが大きいほど、すくい角Φrが大きい状態での加工時間が長くなるため、切削抵抗の低減が期待できる。

上述した図２は、振動波形が正弦波の場合であるが、本発明は、正弦波よりも良好な切削加工が行える振動波形を選択するものである。図３には、振動波形のパターンが示されている。なお、縦軸は、下側がプラス，上側がマイナスとなっている。図３(A)は、正弦波である。図３(B)及び(C)は、ドリルの相対的な下降時と上昇時の周期を変化させた波形である。図３(B)に示す波形は、SIN関数で、−π／２〜π／２の周期：π／２〜３π／２の周期が１：３となる波形であって、以下、この波形を便宜上「正速度２５％」と称する。図３(C)に示す波形は、SIN関数で、−π／２〜π／２の周期：π／２〜３π／２の周期＝３：１となる波形であって、以下、この波形を便宜上「正速度７５％」と称する。後述する図４における「正速度１２．５％」は、上記比率が１：７の場合，「正速度８７．５％」は、上記比率が７：１の場合である。

図３(D)及び(E)は、正変位と負変位の周期を変化させた波形である。図３(D)に示す波形は、SIN関数で、０〜πの周期：π〜２πの周期が１：３となる波形であって、以下、この波形を便宜上「正変位２５％」と称する。図３(E)に示す波形は、SIN関数で、０〜πの周期：π〜２πの周期が３：１となる波形であって、以下、便宜上「正変位７５％」の波形と称する。

図４には、ドリルの下降時と上昇時の周期を変化させた波形を振動波形としたときのドリル刃先の軸方向変位及び回転速度の変化が示されている。図４(A)は正速度１２．５％の振動波形の場合，図４(B)は正速度５０％の振動波形（正弦波）の場合，図４(C)は正速度８７．５％の振動波形の場合である。この例は、振動周波数ｆｖと工具回数周波数ｆｄの比である周波数比ｆｖ／ｆｄ＝１．５，１刃当たりの送りＦｚ＝１μｍ，振動振幅Ａ＝５μｍ，刃数ｚ＝２としたときの例である。同図の横軸はドリル１０の位相ないし回転角度θ[rad]，縦軸は軸方向変位ＰzないしＰzk[μm]を表す。なお、縦軸は、下側がプラス，上側がマイナスとなっている。図４(A)〜(C)にハッチングで示した部分が、軸方向変位によって切削される厚さである。

図４(A)〜(C)に示す振動波形を用いた場合であっても、正弦波を用いた場合と同様に、切削時間比率Ｒｃが小さく、正速度時間比率Ｒｖが大きい方が望ましい。図４(A)に示す「正速度１２．５％」の振動波形では、切削時間比率Ｒｃ＝０．５１６，正速度時間比率Ｒｖ＝０．０９４となっており、図４(B)に示す「正速度５０％」（正弦波）では、切削時間比率Ｒｃ＝０．４５７，正速度時間比率Ｒｖ＝０．３７３となっている。また、図４(C)に示す「正速度８７．５％」の振動波形では、切削時間比率Ｒｃ＝０．３３７，正速度時間比率Ｒｖ＝０．７６５となっている。この結果から、ドリルの下降時と上昇時の周期の変化（正速度の変化）は、主に正速度時間比率Ｒｖに影響を与えることが分かる。

図５には、正変位と負変位の周期を変化させた波形を振動波形としたときのドリル刃先の軸方向変位及び回転速度の変化が示されている。図５(A)は正変位７５％の振動波形の場合，図５(B)は正速度５０％の振動波形（正弦波）の場合，図５(C)は正速度２５％の振動波形の場合である。この例は、振動周波数ｆｖと工具回数周波数ｆｄの比である周波数比ｆｖ／ｆｄ＝１．５，１刃当たりの送りＦｚ＝１μｍ，振動振幅Ａ＝５μｍ，刃数ｚ＝２としたときの例である。同図の横軸はドリル１０の位相ないし回転角度θ[rad]，縦軸は軸方向変位ＰzないしＰzk[μm]を表す。縦軸は、下側がプラス，上側がマイナスとなっている。図５(A)〜(C)にハッチングで示した部分が、軸方向変位によって切削される厚さである。

図５(A)〜(C)に示す振動波形を用いた場合であっても、正弦波を用いた場合と同様に、切削時間比率Ｒｃが小さく、正速度時間比率Ｒｖが大きい方が望ましい。図５(A)に示す「正変位７５％」の振動波形では、切削時間比率Ｒｃ＝０．５８８，正速度時間比率Ｒｖ＝０．３７９となっており、図５(B)に示す「正変位５０％」（正弦波）では、切削時間比率Ｒｃ＝０．４５７，正速度時間比率Ｒｖ＝０．３７３となっている。また、図５(C)に示す「正変位２５％」の振動波形では、切削時間比率Ｒｃ＝０．３８０，正速度時間比率Ｒｖ＝０．３９１となっている。この結果から、正変位と負変位の周期の変化（正変位の変化）は、主に、切削時間比率Ｒｃに影響を与えることがわかる。従って、切削時間比率Ｒｃが小さく，正速度時間比率Ｒｖが大きくなるような振動波形を選択することによって、切削加工を良好に行うことが可能になる。

次に、図６及び図７を参照して、前記切削時間比率Ｒｃ，正速度時間比率Ｒｖによってどのように振動波形を定義するかを説明する。上述した切削時間比率Ｒｃ及び正速度時間比率Ｒｖは、振動周波数Ｆvとドリル回転周波数Ｆdとの周波数比Ｆv／Ｆdと、軸方向の振動振幅Ａと１刃当たりの送りｆzとの振幅比Ａ／fzで無次元化可能である。そこで、前記切削時間比率Ｒc及び正速度時間比率Ｒｖの各値を、周波数比Ｆv／Ｆdと振幅比Ａ／fzとでマッピングして示すと、図６，図７に各々示すようになる。これらの図中、横軸は周波数比Ｆv／Ｆd，縦軸は振幅比Ａ／fzである。

図６は、振幅比１０以下の切削時間比率Ｒｃを示すマップであって、(A)は正弦波，(B)は正速度２５％の振動波形，(C)は正速度７５％の振動波形，(D)は正変位７５％の振動波形，(E)は正変位２５％の振動波形の場合である。図７は、振幅比１０以下の正速度時間比率Ｒｖを示すマップであって、(A)は正弦波，(B)は正速度２５％の振動波形，(C)は正速度７５％の振動波形，(D)は正変位７５％の振動波形，(E)は正変位２５％の振動波形の場合である。

まず、図６の切削時間比率Ｒｃに着目すると、上述したように、切削時間比率Ｒｃが小さくなるに従って、ドリル１０の刃先がワーク１２から離れて切削が行われない時間が長くなり、刃先の冷却が期待できる。このような条件の領域は、図６の比較的色が薄い領域が該当する。図６(A)に示す正弦波のときの切削時間比率Ｒｃの最小値が０．３４であることから、切削時間比率Ｒｃの最小値が正弦波より小さい０．３以下となる波形であれば、正弦波よりも穴加工に適した振動波形であるということができる。図６(A)〜(E)中、切削時間比率Ｒｃが０．３以下となる波形は、図６(B)の「正速度２５％」，図６(C)の「正速度７５％」，図６(E)の「正変位２５％」の場合である。しかし、後述の実験結果（図１０参照）が良好なものは「正速度７５％」と「正変位２５％」である。そこで、「正速度２５％」の場合の切削時間比率Ｒｃの最小値０．２９よりもさらに切削時間比率Ｒｃが小さくなるように、切削時間比率Ｒｃの最小値が０．２８以下となるような波形と定義すると、「正変位２５％」の振動波形のみがこの条件を満たすこととなる。

一方、図７の正速度時間比率Ｒｖに着目すると、上述したように、正速度時間比率Ｒｖが大きいほど、すくい角Φrが大きい状態での加工時間が長くなるため、切削抵抗の低減が期待できる。このような条件の領域は、図７の比較的色が薄い領域が該当する。図７(A)に示す正弦波のときの正速度時間比率Ｒｖの最大値が０．７７であることから、正速度時間比率Ｒｖの最大値が正弦波より大きい０．８０以上となる波形であれば、正弦波よりも穴加工に適した振動波形であるということができる。図８(A)〜(E)中、正速度時間比率Ｒｖが０．８０以上となる波形は、図７(C)の「正速度７５％」と、図７(E)の「正変位２５％」の場合である。以上の結果を考慮すると、本実施例では、
切削時間比率Ｒｃ≦０．２８を満たす「正変位２５％」の振動波形と、
正変位時間比率Ｒｖ≧０．８０を満たす「正速度７５％」，「正変位２５％」の振動波形が、穴加工に適した振動波形ということになり、後述の図１０に示す実験結果とも一致する。

ここで、本発明に関連して行った実験例について説明する。図８には、実験装置の概略が示されている。工作機械として、高速加工機を使用し、加工機テーブル２０上に設けられたピエゾアクチュエータ２４によってワーク１２に振動を印加する。波形発生装置３０から出力された振動波形に基づいてドライバ３２がピエゾアクチュエータ２４を駆動する。出力される振動波形は、正弦波やそれ以外の振動波形とする。スピンドル１４に取り付けられているドリル１０としては、超硬ノンコートドリルを使用した。そして、ワーク１２としてＳＵＳ３０４を用い、直径０．１ｍｍ，深さ１．５ｍｍの通り穴を加工するにあたり、ステップ量＝０．０５ｍｍ，１刃当りの送り＝１．０μｍの加工条件で、微細深穴加工を行い、振動波形による工具の寿命を比較する実験を行った。

図９には、振動波形による工具の寿命を比較したグラフが示されている。図９(A)は周波数比０．４６，振幅比５．０の場合，図９(B)は周波数比０．３８，振幅比１０．０の場合，図９(C)は周波数比０．６６，振幅比３．０の場合，図９(D)は周波数比２．６６，振幅比３．０の場合である。図９(A)〜(D)において、正弦波の下降時と上昇時の周期を変化させた波形（正速度１２．５％，正速度５０％，正速度８７．５％）についての工具寿命を示した。図９(A)〜(D)の縦軸は工具の寿命がくるまでに加工した通り穴の数である。工具とワークの間に振動を加えない場合の工具寿命は２０穴である（図示せず）ことからすると、正速度時間比率Ｒｖが０．８０以上である「正速度８７．５％」（下降周期：上昇周期＝７：１）の振動波形のときに、周波数比や振幅比によらず、工具寿命が長寿命化する傾向がみられる。例えば、図９(D)の「正速度８７．５％」の例では、工具寿命が６００穴以上であり、振動無しの場合（工具寿命２０穴）の場合と比べて、工具寿命が３０倍以上に伸びている。すなわち、正速度時間比率Ｒｖが０．８０以上となる振動波形を選択することで、工具寿命が延びることが確認された。

次に、図８に示す実験装置を用い、周波数比２．４６，振幅比５．０とし、振動波形を変えたときの加工穴数とスラスト力の関係について実験を行った。図８の波形発生装置３０から発生させる振動波形は、図３に示す振動波形とし、ドライバ３２に出力する。図１０(A)は、振動がない場合，正弦波を印加した場合，図３(B)〜(E)の振動波形を印加した場合の加工穴数とスラスト力［Ｎ］の関係を示す図である。図１０(B-1)は正速度周期比率とスラスト力の増加率を比較する棒グラフ，図１０(B-2)は正変位周期比率とスラスト力の増加率を比較する棒グラフである。なお、ワーク１２としてはＳＵＳ３１６Ｌを用い、ステップ量＝０．１５ｍｍ，１刃当りの送り＝２．０μｍの加工条件で、直径０．３ｍｍ，深さ６ｍｍの通り穴を加工する微細深穴加工を行い、加工穴数とスラスト力の関係について実験を行った。

図１０(A)によれば、振動無しの場合は、加工穴数が５０の時は、初回の加工に比べてスラスト力が５５％増しとなっている。また、正弦波を使用したときは、加工穴数５０の時は、初回に比べてスラスト力が１０％増しになっている。同様に、正速度２５％の振動波形のときは１９％増し、正速度７５％の振動波形のときは６％増し（図１０(A)及び(B-1)参照）、正変位７５％の振動波形のときは２２％増し、正変位２５％の振動波形のときは４％増しとなっている（図１０(A)及び(B-2)参照）。従って、正弦波の場合よりもスラスト力の増加の割合が少ないのは、正速度７５％の振動波形のときと、正変位２５％の振動波形のときとなる。この結果からも、適切な振動波形を選択することで、正弦波を使用した場合よりも、加工回数に対するスラスト力の増加の割合が低減されることが確認された。

以上のように、本実施例によれば、ドリル１０を振動させるにあたって、切削時間比率Ｒｃ及び正速度時間比率Ｒｖを定義し、切削時間比率Ｒｃが小さく、正速度時間比率Ｒｖが大きくなる振動波形を選択してアクチュエータを振動させる。好ましくは、前記切削時間比率Ｒｃの振幅比１０以下における最小値が０．２８以下となるか、前記正速度時間比率Ｒｖの振幅比１０以下における最大値が０．８０以上となるような波形の振動波形を用いることで、正弦波よりも刃先の冷却が可能になるとともに、切削抵抗や刃先摩耗の低減を図ることができ、微細深穴の加工を良好に行うことができる。

次に、図１１を参照しながら、本発明の切削加工装置の実施例について説明する。図１１において、振動条件設定装置１００は、波形発生部１０２，演算部１１０，表示部１２０，入力部１３０，メモリ部１４０を備えている。前記波形発生部１０２は、前記実施例１の波形発生装置３０と同様のものである。前記メモリ部１４０には、上述した切削時間比率Ｒｃ又は正速度時間比率Ｒｖによって定義される切削加工に適した振動波形を選択するための演算プログラム１４２，該演算に必要な演算データ１４４が可能されており、入力されたデータ（後述）は入力データ１４６として格納されるようになっている。

一方、振動加工装置２００は、上述したドリル１０，ワーク１２，スピンドル１４，加工機テーブル２０，切削動力計２２，ピエゾアクチュエータ２４を備えている。振動加工装置２００は、前記ピエゾアクチュエータ２４と、その駆動制御を行うための制御器２０２からなる振動付加部２１０を備えている。前記制御器２０２は、振動条件設定装置１００の波形発生部１０２から出力された振動波形に基づいてピエゾアクチュエータ２４を駆動するようになっている。なお、切削動力計２２は、必要に応じて設けられるもので、詳細は後述する。

次に、本実施例の全体動作を説明する。振動条件設定装置１００には、ドリル１０の回転数や送り速度などの加工条件や、ワーク１２の振動波形が外部より入力される。前記加工条件は、例えば、作業者が入力部１３０を使用して入力してもよいし、振動加工装置２００側から供給するようにしてもよい。振動波形が数式で表される場合は、数式で入力してもよい。また、振動波形データを、予め演算データ１４４としてメモリ部１４０に記憶させておいてもよい。入力されたデータは、入力データ１４６としてメモリ部１４０に格納される。振動波形を外部から入力する場合には、例えば、ベースとなる特殊な波形を入力して、その上昇周期と下降周期の比を最適になるように演算する等の処理を行うようにしてもよい。

演算部１１０は、演算データ１４４もしくは入力データ１４６を参照し、演算プログラム１４２を実行する。そして、上述した演算を行い、切削時間比率Ｒｃがなるべく小さくなる振動波形又は正速度時間比率Ｒｖがなるべく大きくなる振動波形を選択する。選択された振動波形が複数あるときには、表示部１２０に表示し、入力部１３０の操作により、実際に切削加工に用いられる振動波形を任意に選択できるようにする。例えば、前記図７に示す振動波形のうち、正速度時間比率Ｒｖが０．８０以上の条件を満たすのは、正速度７５％と正変位２５％の波形なので、これら２つの振動波形を表示部１２０に表示するという具合である。選択された振動波形や、入力された加工条件は、振動加工装置２００の制御器２０２に入力される。制御器２０２は、入力された振動条件に基づいて、ピエゾアクチュエータ２４を駆動する。これにより、切削時間比率Ｒｃ又は正速度時間比率Ｒｖによって定義される振動波形によって、ピエゾアクチュエータ２４が振動し、ワーク１２に対する切削加工が行われる。

そして、ドリル回転数等の加工条件に変更があったときは、振動加工装置２００から加工条件変更のフィードバックを受け、新たな加工条件に相応しい振動波形を選択し、振動加工装置２００の制御器２０２に供給する。また、必要に応じて、前記切削動力計２２によって切削状態をモニターし、その結果を、振動条件設定装置１００にフィードバックする。そして、モニター結果に基づいて、切削状態の適否を判断し、切削状態が適切となるように、振動条件を修正して振動加工装置２００の制御器２０２に出力する。

また、振動加工装置２００のスピンドル１４の回転速度の上下限値，加工機テーブル２０の移動速度の上限値，ピエゾアクチュエータ２４の振動周波数の上限値及び振幅の上限値などがあれば、これらの限界値を入力し、限界値も考慮して前記振動波形を選択するようにしてもよい。なお、これら限界値は、演算データ１４４としてメモリ部１４０に予め保存しておいてもよい。以上のように、本実施例によれば、ドリル回転数等の加工条件の変更に対応して相応しい振動波形を選択でき、また、切削状態をモニターした結果をフィードバックして振動条件を修正し、常に適切な切削状態を維持することができる。

なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えることができる。
(1)前記実施例では、本発明をドリルによる深穴加工に適用した場合を示したが、各種の切削工具に対しても同様に適用可能である。
(2)前記実施例では、ワーク側を振動させたが、工具側を振動させてもよい。振動装置としては、前記実施例や前記特許文献に記載されたもののほか、各種のものが知られており、いずれを用いてもよい。
(3)前記実施例では、全駆動時間に対する切削時間の割合を示す切削時間比率と、切削時間に対する振動速度が正となる時間の割合を示す正速度時間比率とを求めたが、いずれか一方のみとすることを妨げるものではない。
(4)前記実施例では、振動波形を正弦波を変形した波形としたが、他の波形でもよい。また、振動波形データを、１周期分の点群データやフーリエ級数として与えることも可能である。

切削工具とワークとの間に振動を与えてワーク切削加工を行うにあたり、振動を与えるアクチュエータを駆動するための振動波形として、切削時間比率Ｒｃ又は正速度時間比率Ｒｖによって定義される振動波形を使用する。切削時間比率Ｒｃがなるべく小さくなるような振動波形を用いることで刃先の冷却が期待でき、正速度時間比率Ｒｖがなるべく大きくなるような振動波形を用いることで切削抵抗の低減が期待できるので、刃先温度，切りくず排出，切削抵抗といった課題を改善し、工具の長寿命化を図ることができ、各種の切削加工に適用できる。

１０：ドリル
１２：ワーク
１４：スピンドル
２０：加工機テーブル
２２：切削動力計
２４：ピエゾアクチュエータ
３０：波形発生装置
３２：ドライバ
１００：振動条件設定装置
１０２：波形発生部
１１０：演算部
１２０：表示部
１３０：入力部
１４０：メモリ部
１４２：演算プログラム
１４４：演算データ
１４６：入力データ
２００：振動加工装置
２０２：制御器
２１０：振動付加部
９００：スピンドル
９０２：ドリル
９０４：切削油
９１０：ワーク
９２０：穴
９５０：スピンドル
９５２：ドリル
９６０：ワーク
９６２：加工機テーブル
９６４：アクチュエータ
Φc：逃げ角
Φr：すくい角
θ：回転角度

Claims (11)

1. ワークの切削加工を行う場合に、切削工具とワークとの間に振動を与える振動付加装置に振動波形を出力する振動波形発生装置であって、
   全駆動時間に対する切削時間の割合を示す切削時間比率Ｒｃ，又は、切削時間に対する振動速度が正となる時間の割合を示す正速度時間比率Ｒｖの少なくとも一方を用いて切削加工に適した振動波形が定義され、該定義された振動波形を振動付加装置に出力することを特徴とする振動波形発生装置。
2. 前記切削時間比率Ｒｃの振幅比１０以下における最小値が０．２８以下，又は、前記正速度時間比率Ｒｖの振幅比１０以下における最大値が０．８０以上の少なくとも一方を満たす振動波形を出力することを特徴とする請求項１記載の振動波形発生装置。
3. 前記振動波形は、下降時の周期が上昇時の周期よりも長いことを特徴とする請求項１記載の振動波形発生装置。
4. 前記下降時の周期と上昇時の周期の比が、３：１以上であることを特徴とする請求項３記載の振動波形発生装置。
5. 前記振動波形は、正変位の周期が負変位の周期よりも短いことを特徴とする請求項１記載の振動波形発生装置。
6. 前記正変位の周期と負変位の周期の比が、１：３以上であることを特徴とする請求項５記載の振動波形発生装置。
7. 前記切削加工に適した振動波形を出力手段に提示する波形提示手段，
   を備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の振動波形発生装置。
8. ワークの切削加工を行う場合に、切削工具とワークとの間に振動を与える振動付加装置であって、
   前記切削工具又はワークのいずれか一方に振動を印加するアクチュエータ，
   請求項１〜７のいずれか一項に記載の振動波形発生装置から出力された振動波形に基づいて、前記アクチュエータを制御する制御手段，
   を備えたことを特徴とする振動付加装置。
9. 請求項８記載の振動付加装置を備えたことを特徴とする振動加工装置。
10. 前記切削工具の主軸回転数と送り速度を検出するモニター手段，
    該モニター手段による検出結果に基づいて、前記振動波形発生装置から出力される振動波形を修正するフィードバック手段，
    を備えたことを特徴とする請求項９記載の振動加工装置。
11. 前記振動付加装置によって振動を与えつつ切削加工を行ったときの切削動力を検出するモニター手段，
    該モニター手段による検出結果に基づいて、前記切削工具により切削状態の適否を判断し、切削状態が適切となるように、前記振動波形発生装置から出力される振動条件を修正するフィードバック手段，
    を備えたことを特徴とする請求項９記載の振動加工装置。