JP2691787B2

JP2691787B2 - 超音波つや出し

Info

Publication number: JP2691787B2
Application number: JP1503363A
Authority: JP
Inventors: ローレンスジェーローズ
Original assignee: イクストゥルードゥホーンコーポレーション
Priority date: 1988-03-10
Filing date: 1989-03-10
Publication date: 1997-12-17
Anticipated expiration: 2012-12-17
Also published as: AU619263B2; KR930012261B1; EP0403537A1; DE68910115T2; JPH03504108A; EP0403537B1; DE68910115D1; KR900700238A; AU3219389A; WO1989008535A1; RU1836206C; EP0403537A4

Description

【発明の詳細な説明】〔技術分野〕本発明は、超音波振動によって、金属等の硬質材料の
つや出しに関するものである。さらに詳しく言えば、本
発明は、つや出しのさいに工作物の表面の形体の相補形
状をつくる比較的に多い超音波摩耗工具によって、工作
物の表面の超音波つや出しに関するものである。工具の
振動は、工具と工作物との間に置かれた液状研磨スラリ
に加えられる。

本発明は、表面粗さを低減させることが解像度または
詳細部の損失なしに要求されている場合に、精密なまた
はこみ入った詳細部を有する複合表面および複雑形状を
つや出しすることに適用される。

〔背景技術〕

超音波機械加工は、周知の機械加工工程である。工作
物の表面は、工作物表面とそれに隣接した振動工具との
間で循環され、可聴範囲以上（すなわち、19500から205
00サイクル／秒の範囲）の周波数で振動するスラリ中に
含有されたグリットによって研磨される。振動の振幅
は、0.01mm以下、代表的には0.001〜0.005mmの範囲内に
ある。工具は、その工具自体の摩耗を最小にするように
高度の衝撃抵抗を与えるために、高強度および良好な延
性を有する材料からつくられている。

研磨工具表面は、三次元形体を設けられ、他方、その
反転相補形状が工作物表面に加工される。工具が工作物
に接触しないので、実際の切削は、スラリ中に懸濁され
た研磨粒子によってなされる。これらの粒子は、工作物
表面の垂直な超音波振動の工具によって、工作物表面に
対して衝撃を与えるように駆動される。これらの工程
は、ガラス、セラミック、焼されまたはガラス質に変
えられた耐火性材料、硬質及び／又はもろい金属のよう
な異なる材料を加工する能力において格別の実用性を見
い出した。その材料というのは、電気放電加工、電子−
化学加工等の他の従来の技術または新しい技術によって
加工を受けえない。

超音波機械加工は、加工されるべき材料の特性によっ
て、電気放電加工、電子−化学加工等のような従来の加
工または新技術によっても得られなかった複雑な形状を
再生するために特に有利であることが証明された。

超音波加工は工作物ばかりでなく工具のある摩耗侵食
を与えるので、工具が使用されて摩耗されるに従って精
密な細部の損失が増加してくる。この理由のために、比
較的に丈夫で延性のある、すなわち超音波加工によって
も容易に摩耗されえない工具材料であることが重要であ
ると考えられた。したがって、工具は工作物よりもずっ
と程度の低い摩耗を受ける。例えば、工具は冷間圧延
鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、銅、アルミニウム
等の材料から一般につくられている。

上記に加えて、通常の粒子において超音波加工は、工
具面に最も隣接した工作物の領域を研磨するだけであ
る。したがって、超音波加工はつや出し作業におけるよ
うにすでに形成されるかまたは部分的に成形される工作
物に用いられうる場合に、工具および工作物はできるだ
け正確に配置位置決めされることが非常に重要である。
少なくとも工作物はそれを破損しても不均等に研磨また
はつや出しされる。必要な正確な割送り（indexing）お
よび位置合せによって工具および工作物を設定すること
は、時間を要し、労力のかかる作業である。

加工されるべき材料の特性が許容しかつつや出し作業
のための他の技術を使用することを一般に要求したと
き、上述した制約は他の加工技術の選択を広く生じてい
た。一般的使用における任意のつや出し技術は、歴史的
には労働強化であり、時間を要し、高価な作業となり、
さらには熟練工を必要とし、しばしば不都合な結果を生
じた。任意のつや出し方法は、工作物材料の非常に小量
の除去および理想的には非常に均等な除去を要求してい
る。手作業つや出し、振動仕上、バフ、ブラシ、押出し
ホーニングは、特に複雑な工作物表面の場合に、しばし
ば所望の均等性まで工作物材料を除去することはできな
い。他つや出しは、寸法変化当をもたらす工作物表面材
料を再分布させる傾向がある。

〔発明の開示〕

本発明によれば、工作物よりも著しく超音波摩耗しや
すい、したがって工作物の面の相補形状をつくる必要の
ない工具によって工作物の超音波つや出し方法を与え
る。代って、素材工具面が用いられうる。工具が振動さ
れて、その振動を工具と工作物との間の隙間に置かれる
研磨スラリに与えるとき、工具は高度の解像精度でもっ
て工作物の相補形状に迅速になるように、急速に侵食さ
れる。したがって、工具は、高度の解像精度を維持しつ
つ、比較的に高速に研磨され続け、同時に、工作物の面
が、工具が漸次研磨されつつある間に、単につや出しさ
れる程度にずっと低度に研磨されるが、しかし、ずっと
高度の解像精度の相補加工面を維持する。

本発明は、工具がつくられる材料よりも超音波侵食に
対するより大きい抵抗の材料を磨くことに用いられても
よい。この場合、工具は、それが工作物よりも大きい程
度まで侵食されるという事実によって、工作物の相補形
状まで連続的かつ固定的に再目直しされる。工具の優先
的加工が一定または工作物の精密な解像精度に漸次一致
することになるので、工作物のつや出しが起きたときに
は、分解度を喪失しない。

本技術によって、超音波つや出しは、上述したように
超音波技術が従来用いられていた材料を含む非常に硬質
な材料のほかに、比較的柔軟で加工が容易な材料、例え
ば青銅、真鍮、金、ポリマー材料、並びに従来超音波技
術に適しているとは考えられていなかったその他の種々
の材料の加工に適用される。

本発明にもとづく超音波つや出しによって、表面仕上
は解像精度に実質的変化なしに、つや出し程度にもとづ
いて、実質的に任意の所望の程度に、材質にかかわら
ず、詳細部の複雑性および精密性で達成される。高度の
つや出しが常に要求されずまた低度のつや出しが所定の
用途のためにしばしば満足しているけれども、表面粗さ
は約0.1ミクロンRa程度まで低く減少されうる。

本発明の方法は材料の非常に均質な層を工作物表面か
ら取り除くので、その工程は、通常0.003〜0.006mm厚の
材料のEDM再鋳造層のような工作物表面から望まない材
料の薄層の除去に理想的に適している。さらに、本発明
の方法は、バリを工作物表面から除去するかまたは縁に
アールを付けるために用いられうる。

〔図面の簡単な説明〕第１図は本発明に用いる超音波工作機械の概略正面
図。第２図および第３図は本発明の効果を示すカーバイ
ド小型ダイスの加工前後の顕微鏡写真。

〔発明を実施するための最良の形態〕

超音波工作機械は当該技術において公知である。本発
明は、振動周波数、振幅、研磨粒子用の代表的なパラメ
ータを用いるこのような機械に一般に適用できる。代表
的には、このような装置は、工作物を保持するのに適し
たフレームと、超音波発振器を有する工具ホルダとから
できている。超音波発振器は、約20KHzまで、ある用途
においては10〜40KHz、最も多くの場合には19〜22KZkの
周波数で工具を振動させる。工具ホルダは工具を後退位
置から加工位置まで、加工中には工作物まで進ませる。
装置は研磨スラリ処理手段を通常は備えていて、スラリ
は工具と工作物との間に置かれる。スラリは工具と工作
物との間の隙間をかいしてしばしば吸引されて、加工面
に新しい摩耗のしていない研磨材を連続して与え、そし
て、侵食材料および切削粉を排除する。スラリは切削粉
を除去するように処理され、再循環されてもよい。トラ
ンスジューサはピエゾ電気素子の電気励振積層体か電磁
収縮トランスジューサでもよい。

研磨スラリは液状搬送物中に入れられた硬質の研磨粒
子から通常はできている。研磨材は代表的には、炭化ケ
イ素、酸化アルミニウム、炭化ホウ素、窒化ホウ素、ダ
イヤモンド等でもよいが、しかし、本発明において軟質
材料をつや出しするさいには、アルミナ、コランダム、
ざくろ石等の軟質研磨材が用いられてもよいことに注意
された。液状搬送物は超音波振動を伝達できるものでな
くてはならず、また、工作物と電極材料とを交換できる
ように選ばなければならない。切削油または流体等の他
の液体が使用されてもよいけれども、水がこのような伝
達については最もよい。水が用いられる場合、さび防止
剤を加える必要がある。本発明にもとづくつや出し作業
においては、従来の機械加工と相違して、研磨粒子の比
較的めだたぬ移動が好ましい。したがって、水以外の切
削油等の流体が低振幅粒子移動を行うように用いられる
か、または代案として、低動力が伝達機として水ととも
に用いられてもよい。

一般に、粒子が懸濁液中に保持されうる程度に、粒子
寸法がなっている限り、研磨材の粒子寸法は厳密でなく
てもよい。したがって、一般的には、0.075mm（200メッ
シュ）以下、好ましくは0.002〜0.015mm（600〜1000メ
ッシュ）で、最高レベルのつや出しを達成するために10
〜20容積パーセントの粒子密度であることが好ましい。

つや出しされるべき工作物は、従来の粒子にくらべ
て、工具材料（代表的には、金属工作物）よりも超音波
的には硬い材料である。要求されるつや出しの程度は、
工作物の最初の表面粗さおよびつや出し後に要求される
仕上によって決定される。本発明の方法の利点および制
約は、工作物の形状がつや出し作業中に変らないという
ことにある。したがって、本発明は微細部分の解像度を
改善せず、また、最終製品の品質は、表面仕上を除い
て、最初の工作物によって決定されることを確認するこ
とが重要である。

前述したように、工具は、工作物材料よりも超音波的
に相当に研磨されうる材料からつくられねばならない。
超音波的niより研磨されうる材料は軟質ではないが通常
はよりもろいものであることを意味する。超音波研磨を
理解するために、表面の超音波加工においては、流体中
に懸濁している微小な研磨粒子は超音波速度で工作物表
面に当てられて、その微小粒子は顕微鏡的に工作物表面
を削る。このようにして削られるようにするために、工
作物は、材料が硬質であろうとなかろうと、ある程度の
もろさを有していなければならない。丈夫で延性のある
鋼のような軟質または弾性材料は、微小な研磨粒子が工
作物から単にはずむので、このように容易には加工され
えない。したがっって、軟鋼から硬質合金までのすべて
およびタングステンやチタンのような耐火金属を含む最
も多くの金属工作物のつや出しのために、理想的な工具
材料は、グラファイト、ガラス、石英、その他の材料
（通常は理想的な工作物とは考えらていなく、工具材料
とも考えられていない）のような超音波研磨の著しく大
きい程度を有している材料である。

適当な設備とともに用いられたとき、工具には間隙に
連通する通路を設けられてもよい。研磨材スラリはその
間隙をかいして吸引されてその間隙から切粉を噴出させ
る。本発明においては、切粉は主として、工作物の表面
から磨かれた微量の材料の組み合された工具から侵食さ
れた工具材料粒子である。さらに、そのポンプ作用は、
間隙に新しい研磨材スラリを与えるように働いて、切削
エッジが使用中に極端に摩耗されないようにする。

従来の慣行に反して、本発明のつや出し方法を予成形
工具でもって開始する必要がないので、工具および工作
物の割送りおよび位置合せは必要ない。本発明の方法に
おいては、工作物の表面輪郭は工具表面をそれに非常に
正確に一致して成形する働きをする。引き続くつや出し
作業中に、工具は連続して侵食され、そして、本来の非
常に正確な一致を永久に発生しかつ維持する。工具の優
先的侵食は、非常に薄く高度に均等な表面除去によっ
て、工作物表面上に高度のつや出しを与える本発明の特
徴となる。ある用途においては、つや出しされるべき表
面が深くくぼんだ部分を有している場合には、全体の時
間を最小にすることによって作業速度を上げるように予
成形または部分的予成形工具を用いることが望ましい。
それは工作物に一致するように工具を成形し、そして、
工具がより深いくぼみ部分のつや出しを開始するのに十
分に摩耗される前に、工具表面の上昇部分に過剰なつや
出し作用をさせないようにすることである。

例えば、超音波加工にしばしば用いられる材料に関連
して、グラファイトまたはガラスの比較的小さい質量
が、超音波変換器によって引き続いて励振されうるより
も大きい寸法のグラファイト工具の使用を許す。

上述したように、本発明の方法は工作物表面から望ま
しくない材料層の除去に理想的に適している。例えば、
代表的には0.003〜0.006mm（0.0001〜0.0002in）のEDM
再鏡造層は、本方法を実施することによって容易に除去
されて、その結果、再鏡造層が工作物表面の詳細解像度
を喪失せずに除去される。同様にして、セラミックのよ
うな材料で被覆された工作物は、その表面の詳細な解像
度の喪失なしに、そこからセラミック被覆を除去または
選択的に除去するためにここで記載したように処理され
うる。これらの変更に加えて、本発明の方法は工作物表
面から突出するバリを除去するか、または、工作物の縁
の鋭い角にアールを付けるように用いられうる。これら
の目的のいずれかが、工作物のいかなる詳細部を喪失せ
ずに、超音波研磨工具を用いることによって、容易に行
いうる。

〔実施例〕

第２図および第３図は3000倍にとった炭化タングステ
ン小型ダイスの顕微鏡写真である。第２図はCNC彫刻作
業によって最初につくられた最初のダイス表面を示す。
CNC加工作業によってつくられた加工マークは明らかに
見える。第３図は、同じ炭化タングステン小型ダイスが
本発明の方法にもとづいてつや出しされた後のダイスを
示す。そのダイスはグラファイト工具を用い、15ミクロ
ンの炭化ホウ素を用い、材料の0.005mm（0.0002in）の
み除去するために15分間つや出しを行った。著しく改良
された表面仕上に加えて、顕微鏡写真から容易に明らか
なように、ダイスの縁はCNC彫刻作業から生じるように
直角コーナをいくぶん丸められている。

フロントページの続き (56)参考文献特開昭54−133697（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−41151（ＪＰ，Ａ) 特公昭45−1398（ＪＰ，Ｂ１)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】形状詳細部および解像に悪影響を与えずに
予成形された形状を有する工作物表面のつや出しをす
る、次の工程を特徴とする方法： A.工作物よりも超音波でより研磨されうる、グラファイ
ト、多孔質セラミック、ガラスおよび石英から成る群か
ら選ばれた材料から工具を作ること； B.前記工具の加工表面が前記形状を有する工作物表面か
ら離間されるように該工具を該工作物に対して振動自在
関係に装着すること； C.前記工具と前記工作物との間に液状研磨材スラリを塗
布すること； D.前記工具と前記工作物との間で、該工作物の表面に予
成形された前記形状の反転相補形状に前記工具の前記加
工面が研磨されるようにするのに十分な周波数および振
幅で相対振動を生じさせること； E.前記工具を研磨し続けながら前記工作物の前記表面形
状の前記反転相補形状を再形成および保持することを前
記工具が継続し、他方、同時に前記工作物の前記表面形
状につや出し作用を与えること；および F.前記工作物の前記表面状がつや出しされたときに前記
振動を停止すること。
【請求項２】前記工程が工作物表面から材料の望ましく
ない層を除去するために用いられることを特徴とした請
求項１記載の方法。
【請求項３】前記工程が前記工作物表面から望ましくな
いバリを除去するために用いられることを特徴とした請
求項１記載の方法。
【請求項４】前記工程が工作物の縁にアールを付けるた
めに用いられることを特徴とした請求項１記載の方法。
【請求項５】前記振動は10〜40KHzの周波数で行われる
ことを特徴とした請求項１記載の方法。
【請求項６】前記工具が工作物の予成形面にほぼ一致し
た形状に予成形されていることを特徴とした請求項１記
載の方法。
【請求項７】前記スラリ中の研摩材が約200メッシュ未
満の粒子寸法を有していることを特徴とした請求項１記
載の方法。
【請求項８】前記研摩材が320〜1000メッシュの粒子寸
法を有していることを特徴とした請求項７記載の方法。
【請求項９】前記研摩材が25〜50容積％の濃度で前記ス
ラリ中に存在していることを特徴とした請求項７記載の
方法。
【請求項１０】前記工具材料がグラファイトの非成形ブ
ロックであることを特徴とした請求項１記載の方法。
【請求項１１】前記工具材料がガラスの非成形ブロック
であることを特徴とした請求項１記載の方法。
【請求項１２】前記工具材料が多孔質セラミックの非成
形ブロックであることを特徴とした請求項１記載の方
法。
【請求項１３】前記液状研摩材スラリは前記工具と前記
工作物との間の隙間をかいして連続的に流れることを特
徴とした請求項１記載の方法。
【請求項１４】前記液状研摩材スラリは工具粒子および
前記工作物から研削された粒子を前記隙間から噴出する
ことを特徴とした請求項１記載の方法。
【請求項１５】前記スラリ中の前記研摩材は、炭化タン
グステン、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、炭化ホウ
素、窒化ホウ素、アルミナ、コランダム、ダイヤモン
ド、これらの混合物からなる群から選択された部材であ
ることを特徴とした請求項１記載の方法。
【請求項１６】前記工作物は超音波機械加工に適してい
るとは通常考えられない材料からつくられていることを
特徴とした請求項１記載の方法。
【請求項１７】前記工作物は青銅、真鍮、銀、金、ニッ
ケル、ステンレス鋼、ポリマー材料からなる群から選択
された材料からつくられることを特徴とした請求項16記
載の方法。