JP4996826B2 - 楕円振動切削装置 - Google Patents

Description

本発明は、楕円振動切削装置に関し、特に、縦振動を利用して工具刃先を楕円振動（円振動を含む）させながら切削を行なう楕円振動切削装置に関する。

機械加工技術は製造技術の根幹を支える最も基本的な加工技術の一つであり、近年の産業技術の発展に伴って更なる高度化が望まれている。このような要求に鑑み、楕円振動切削と呼ばれる新しい切削加工技術が提案されている（特開平７−６８４０１号公報）。本加工技術を利用することにより従来技術では不可能であった様々な優れた切削加工が可能となることが確認されている。たとえば鉄系材料のダイヤモンド切削が可能となるため金型鋼の鏡面加工への応用や、硬脆材料の実用的な延性モード加工が可能となることからセラミックス材料などの超精密微細加工への応用が期待されている。

楕円振動切削を実用的に利用するためには、少なくとも２自由度以上の微小振動を組合わせて工具刃先に安定した楕円振動軌跡を発生させる装置が必要となる。また、効率よく微小振動を発生させるためには機械構造の共振を利用することが望ましく、同一周波数で多自由度の共振が可能な振動子の設計が必要となる。たとえば特開２０００−５２１０１号公報には、２自由度のたわみ振動を同時に発生させることにより、振動子の端部に取付けた工具刃先に楕円振動を発生可能な装置が開示されている。
特開平７−６８４０１号公報 特開２０００−５２１０１号公報

しかし、上記の特開２０００−５２１０１号公報に記載の装置では、工具刃先と振動子のシャンク部との距離が近く、また振動子に２方向のたわみ振動を同時に発生させて工具刃先を楕円振動させるので工具刃先が振動子のシャンク部の近くを移動することとなり、加工形状によっては切削中に振動子が被削材と接触し易くなる。特に、溝加工を行なう場合には上記の振動子を被削材に対し傾けた状態で切削を行なう必要があり、切削中に振動子が被削材と干渉し易くなる。そのため、加工可能な形状に制約が大きいという問題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、加工可能な形状に対する制約を低減可能な楕円振動切削装置を提供することを目的とする。

本発明に係る楕円振動切削装置は、縦振動を利用して切削工具の刃先を楕円振動（円振動を含む）させながら切削を行なうものであって、第１方向の縦振動を発生する第１縦振動子と、第１方向と交差する第２方向の縦振動を発生する第２縦振動子と、第１縦振動子と第２縦振動子の先端部同士を連結する連結部材と、連結部材に取付けられた切削工具と、第１と第２縦振動子を駆動して切削工具の刃先を楕円振動させる駆動手段とを備える。

上記連結部材を介して一体化された第１と第２縦振動子（たとえばＬ形やＶ形等の形状の結合型振動体）は、第１と第２振動モード（たとえば縦振動モードと横振動モード）で振動する。この場合、第１と第２縦振動子の少なくとも一方に、上記第１と第２振動モードの一方の共振周波数を他方の共振周波数に近づけるスリットを設けてもよく、第１と第２振動モードの一方の共振周波数を他方の共振周波数に近づける質量部を設けてもよい。また、弾性率の異なる材料を第１と第２縦振動子の少なくとも一方に挿入してもよい。このように第１と第２縦振動子の断面形状を変化させたり、材質の変化を与えることで、共振周波数や振動モードを変化させることができる。

上記第１と第２縦振動子としては、圧電素子を有するランジュバン型振動子を採用可能であるが、ボルト締めランジュバン型振動子だけでなく、板状の圧電素子を側面に貼り付けた振動子であってもよい。また、連結部材の近傍に位置する第１と第２縦振動子の形状を、連結部材に近づくにつれて細幅となるテーパ形状とすることが好ましい。たとえばコニカルホーン形状、エクスポネンシャルホーン形状、ステップホーン形状とすることが考えられる。

本発明の楕円振動切削装置では、連結部材を介して第１と第２縦振動子が一体化されているので、駆動手段で第１と第２縦振動子を適切に駆動することにより、２種類の方向の振動モードで、一体化された第１と第２縦振動子を振動させることができる。この２種類の方向の振動モードの振動を重畳することにより、連結部材に取付けられた切削工具の刃先を楕円振動させることができる。このとき、切削工具は連結部材に取付けられているので第１と第２縦振動子のシャンク部から離れており、また第１と第２縦振動子の長手方向（軸方向）である第１と第２方向で規定される平面内で切削工具の刃先を楕円振動させることができるので、たわみ振動を利用した上記の切削装置の場合と比較して、切削工具の刃先を第１および第２縦振動子から離れる方向に駆動することもできる。それにより、切削中に振動子が被削材と干渉するのを回避することができ、加工可能な形状に対する制約を低減することができる。

以下、図１〜図１２を用いて、本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の１つの実施の形態における楕円振動切削装置１のシステム構成図である。

本実施の形態における楕円振動切削装置１は、縦振動を利用して切削工具６の刃先を楕円振動（円振動を含む）させながら切削を行なうものであって、切削工具６と、該切削工具６が装着される振動子と、被削材１５に対して切削工具６に相対的な送り運動を与える送り機構と、振動子を駆動することで切削工具６を駆動する駆動装置７とを備える。

切削工具６としては、たとえばダイヤモンド工具を使用可能である。振動子としては、本実施の形態では複数の縦振動子を一体化した一体型振動子を使用する。図１の例では、圧電素子をボルトで締込んで挟んだランジュバン型の縦振動子２，３を、連結部材５を介して一体化した一体型振動子を採用している。縦振動子２，３は、その長手方向に縦振動を発生させる振動子である。図１の例では、縦振動子２，３は互いに交差する方向に延在しているので、縦振動子２，３は互いに交差する２つの方向の縦振動をそれぞれ発生させることとなる。

連結部材５は、たとえば立方体や直方体形状のチタン合金などの金属で作製することができ、縦振動子２，３の先端部同士を連結する。この連結部材５に、切削工具６を取付ける。切削工具６は、連結部材５の表面にロウ材等を介して接合可能であるが、連結部材５の表面に凹部を設け、該凹部に切削工具６を取付けてもよい。図１の例では、連結部材５の表面において隣合う面に縦振動子２，３の先端部をそれぞれ接合し、縦振動子２，３の一方の先端部が接合される面と隣合う面に切削工具６を取付けている。

ここで、図２と図３を用いて、本実施の形態における振動子の構成について詳しく説明する。

図２に、図１の例における振動子の拡大図を示す。図２に示すように、縦振動子２は、連結部材５側に位置する前方側部１６ａと、連結部材５から離れた側に位置する後方側部１７ａと、前方側部１６ａと後方側部１７ａとの間に設置された平板状の圧電素子４ａ，４ｂとを有する。前方側部１６ａは、連結部材５に近づくにつれて幅が細くなるテーパ形状を有し、連結部材５と同じ材質で構成可能である。たとえば前方側部１６ａをコニカルホーン形状、エクスポネンシャルホーン形状、ステップホーン形状とすることが考えられる。圧電素子４ａ，４ｂは、電極板１８ａ，１８ｂを有し、ボルト１９ａなどの締結部材によって前方側部１６ａと後方側部１７ａとに固定される。前方側部１６ａと後方側部１７ａは同じ材質で構成可能であるが、図１および図２の例では、前方側部１６ａと後方側部１７ａを異なる材質で構成している。具体的には、前方側部１６ａをチタン合金で作製し、後方側部１７ａをアルミニウムで作製している。

縦振動子３も、縦振動子２と同様の構造を有しており、連結部材５側に位置する前方側部１６ｂと、連結部材５から離れた側に位置する後方側部１７ｂと、前方側部１６ｂと後方側部１７ｂとの間に設置された平板状の圧電素子４ｃ，４ｄとを有する。前方側部１６ｂは、連結部材５に近づくにつれて幅が細くなるテーパ形状を有し、連結部材５と同じ材質で構成される。たとえば前方側部１６ｂをコニカルホーン形状、エクスポネンシャルホーン形状、ステップホーン形状とすることが考えられる。圧電素子４ｃ，４ｄは、電極板１８ｃ，１８ｄを有し、ボルト１９ｂなどの締結部材によって前方側部１６ｂと後方側部１７ｂとに固定される。前方側部１６ｂと後方側部１７ｂも同じ材質で構成可能であるが、図１および図２の例では、前方側部１６ｂと後方側部１７ｂを異なる材質で構成している。具体的には、前方側部１６ｂをチタン合金で作製し、後方側部１７ｂをアルミニウムで作製している。

図２の例では、縦振動子２，３を互いに直交する方向に延在させてＬ形の一体型振動子を作製しているが、図３に示すように縦振動子２，３の中心間のなす角度θを９０度および１８０度以外の任意の角度にしてＶ形の一体型振動子を作製してもよい。縦振動子２，３間の角度θは、鋭角と鈍角のいずれでもよい。

再び図１を参照して、駆動装置７は、信号発信器８，９と、増幅器１０，１１とを備える。信号発信器８は、増幅器１０を介して縦振動子３と電気的に接続され、信号発信器９は、増幅器１１を介して縦振動子２と電気的に接続される。そして、信号発信器８，９から縦振動子２，３に所定の電圧を入力する。たとえば図１に示すように、９０度あるいはその付近の位相差で縦振動子２，３に電圧を入力する。それにより、切削工具６を楕円振動させることができ、切削工具６の刃先を軌跡１４に従って楕円振動させることができる。このように切削工具６の刃先を楕円振動させながら、送り機構によって被削材１５に対して切削工具６に相対的な送り運動を与えることで被削材１５を切削することができる。

次に、図４〜図６を用いて、本実施の形態における一体型振動子の動作について説明する。図４〜図６は、本実施の形態における一体型振動子の各振動モードを説明するための模式図である。

図４に示すように、縦振動子２，３を互いに交差する方向に延在させて一体化した結合振動体は、縦方向（縦振動子２，３間の角度を２等分する中心線が延びる中間方向）と、該縦方向と直交する横方向に共振を持っており、それぞれの共振方向を、本願明細書では「縦振動モード」および「横振動モード」と称する。

縦振動子２，３の圧電素子４ａ〜４ｄに同じ位相の電圧を印加すると、縦振動子２，３の結合先端部が図５（ａ），（ｂ）に示すように縦方向に振動する。これが縦振動モードの振動である。他方、縦振動子２の圧電素子４ａ，４ｂと縦振動子３の圧電素子４ｃ，４ｄとに逆位相の電圧を印加すると、縦振動子２，３の結合先端部が図６（ａ），（ｂ）に示すように横方向に振動する。これが横振動モードの振動である。

上記の縦振動モードの振動と横振動モードの振動とを重畳することにより、連結部材５とともに切削工具６を楕円振動させることができ、楕円振動切削を行なうことができる。かかる楕円振動切削を行なうには、縦振動モードと横振動モードの共振周波数が一致するか、あるいは近い値であることが必要である。ところが、縦振動子２，３を含む結合振動体の構造等では各振動モードの共振周波数のずれ量が大きくなることが多い。

そこで、本願発明者等は、各振動モードの共振周波数を制御する手法について検討し、各振動モードの共振周波数を互いに近づけるように制御可能な手法を知得した。具体的には、縦振動子２，３のバネ剛性を適切に調節したり、共振周波数制御用の質量部を設けるなどして縦振動子２，３の質量分布を適切に調節することで、共振周波数を制御することが可能となる。

以下には、縦振動子２，３のバネ剛性を調節することで一方の振動モードの共振周波数が他方の振動モードの共振周波数に近づくように共振周波数を調節することが可能となる手法の一例について説明する。なお、縦振動子２，３の質量分布を調節するには、溶接などによって縦振動子２，３の適切な位置に質量を付加することで質量部を設ければよい。

本願発明者等が、有限要素解析ソフトにより縦振動子２，３に生じる歪分布を解析したところ、縦振動モードと横振動モードとで縦振動子２，３に生じる歪分布が異なり、縦振動モードと横振動モードとで歪の差が大きい箇所が存在することが判明した。そこで、縦振動モードと横振動モードとで歪の差が大きくなる箇所のバネ剛性を低下させる。それにより、歪の値が大きい側の振動モードの共振周波数を低下させることができる。このとき、歪の値が小さい側の振動モードの共振周波数はあまり変化しないので、歪の値が大きい側の振動モードの共振周波数を、歪の値が小さい側の振動モードの共振周波数に近づけることができる。これは、このような連続体の振動においては、歪が大きく振動が小さい箇所におけるバネ剛性を選択的に低下させることで、共振周波数を低下させる効果が得られることに起因する。逆に、歪の小さい箇所では振動が大きくなるためバネ剛性が減少しても、同時に質量変化の影響も受けやすくなり、結果的に共振周波数はあまり変化しないか逆に増加することもある。逆に、歪が小さく振動が多い箇所において質量を減少させる場合には、共振周波数は増加し、質量を付加した場合には共振周波数は減少する。

たとえば縦振動モードの共振周波数が横振動モードの共振周波数よりも高い場合には、縦振動モードの共振周波数を低下させて横振動モードの共振周波数に近づければよい。図５（ａ），（ｂ）に示す縦振動モードでは縦振動子２，３の領域１２，１３内において大きな歪が発生する一方で、図６（ａ），（ｂ）に示す横振動モードでは縦振動子２，３の領域１２，１３内において小さい歪しか発生しないことから、領域１２，１３内に位置する縦振動子２，３のバネ剛性を低下させることで、縦振動モードの共振周波数を低下させて横振動モードの共振周波数に近づけることができる。

縦振動子２，３のバネ剛性を低下させる一手法として、縦振動子２，３に凹部やスリットを設けたり、その箇所のみを低弾性率の材料に置き換えるなどの手法が考えられる。そこで、図７の例では、上記の領域１２，１３内に位置する縦振動子２，３の後方側部にスリット２０，２１を設けている。図８に、領域１２の拡大図を示す。図８に示すように、スリット２０は、圧電素子４ａから距離Ｌだけ離れた位置に設けられ、深さＤはたとえば２〜６ｍｍ程度、幅Ｗはたとえば１ｍｍ〜１０ｍｍ程度である。なお、スリット２１も、スリット２０と同様の位置に設けられ、同様の深さＤおよび幅Ｗを有する。

上記のようにスリット２０，２１を設けることにより、縦振動モードにおける縦振動子２，３のバネ剛性を低下させることができ、図９に示すように、縦振動モードの共振周波数を低下させることができる。図９の結果より、スリット２０，２１の深さＤが深くなるほど共振周波数低減効果は顕著となることが判る。具体的には、スリット２０，２１の深さＤを３ｍｍ以上とすることで、効果的に共振周波数を低減できるものと推察される。それに対し、横振動モードについてはスリット２０，２１の有無に関係なく共振周波数はほぼ一定である。なお、図９のデータは圧電素子４ａ，４ｃからの距離Ｌを５ｍｍとしている。

本願発明者等は、スリット２０，２１の深さＤの変化が工具の楕円振動軌道にどのように影響するかについても実験を行なったところ、図１０に示す結果が得られた。

図１０に示すように、スリット２０，２１を設けることで楕円振動軌跡における工具の振幅が大きくなっていることが判る。これは、縦振動モードと横振動モードの共振周波数を近づけることができた結果であると推察される。このように縦振動モードと横振動モードの共振周波数を近づけることで、大きな振幅が得られ、効率的に切削を行なうことができる。

各振動モードの共振周波数は、完全に一致させることが好ましいが、実際の装置において各振動モードの共振周波数を完全に一致させることは極めて困難である。したがって、各振動モードの共振周波数を近い値にすることが望まれるが、そのためには各振動モードの共振周波数における振幅の０．１倍以上の振幅が得られる周波数範囲同士となるように各振動モードの共振周波数を調整すればよい。それにより、所望の振幅が得られ、効率的な切削を行なうことができる。なお、充分な振幅拡大率を実現するために、各振動モードの共振周波数における振幅の０．７倍以上程度（１／√２倍以上）の振幅が得られる周波数範囲同士となるように各振動モードの共振周波数を調整することが好ましい。

次に、本願発明者等は、圧電素子４ａ，４ｃからのスリット２０，２１の距離Ｌと、スリット２０，２１の深さＤとが各振動モードの共振周波数にどのように影響するかについて実験を行なったので、その結果について図１１と図１２を用いて説明する。

図１１に示すように、スリット２０，２１の位置が圧電素子４ａ，４ｃに近いほど、またスリット２０，２１の深さＤが深いほど縦振動モードの共振周波数が小さくなることが判る。具体的には、圧電素子４ａ，４ｃからの距離Ｌが３ｍｍ以上１０ｍｍ以下程度の位置に、深さＤが２ｍｍ以上６ｍｍ以下程度のスリット２０，２１を設けることで共振周波数の低減効果を期待できる。これに対し、横振動モードの場合は、スリット２０，２１の位置や深さＤを変化させても共振周波数の低減効果はほとんど得られないことがわかる。

以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、今回開示した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変形が含まれる。

本発明は、縦振動を利用して工具刃先を楕円振動（円振動を含む）させながら切削を行なう楕円振動切削装置に適用される。

本発明の１つの実施の形態における楕円振動切削装置のシステム構成図である。 図１に示す一体型振動子の拡大図である。 図２の一体型振動子の変形例を示す図である。 縦振動モードと横振動モードを説明するための一体型振動子の模式図である。 （ａ），（ｂ）は、縦振動モードにおける一体型振動子の変形状態を示す模式図である。 （ａ），（ｂ）は、横振動モードにおける一体型振動子の変形状態を示す模式図である。 縦振動子にスリットを設けた場合を示す図である。 図７の領域１２内の部分拡大図である。 スリットの深さと、縦振動モードおよび横振動モードの共振周波数との関係を示す図である。 スリットの深さと、印加電圧および楕円振動の振幅との関係を示す図である。 スリットの位置および深さと、縦振動モードの共振周波数との関係を示す図である。 スリットの位置および深さと、横振動モードの共振周波数との関係を示す図である。

符号の説明

１ 楕円振動切削装置、２，３ 縦振動子、４ａ〜４ｄ 圧電素子、５ 連結部材、６ 切削工具、７ 駆動装置、８，９ 信号発信器、１０，１１ 増幅器、１２，１３ 領域、１４ 軌跡、１５ 被削材、１６ａ，１６ｂ 前方側部、１７ａ，１７ｂ 後方側部、１８ａ〜１８ｄ 電極板、１９ａ，１９ｂ ボルト、２０，２１ スリット。

Claims (4)

1. 被削材の表面に対し斜め方向に配置され、第１方向の縦振動を発生する第１縦振動子と、
   前記被削材の表面に対し斜め方向に配置され、前記第１方向と交差する第２方向の縦振動を発生する第２縦振動子と、
   前記第１縦振動子と前記第２縦振動子の先端部同士を連結する連結部材と、
   前記連結部材に取付けられた切削工具と、
   前記第１と第２縦振動子を駆動して前記切削工具の刃先を楕円振動させる駆動手段と、
   を備え、
   前記連結部材を介して一体化された前記第１および第２縦振動子は、第１と第２振動モードで振動し、前記第１振動モードは、前記第１と第２縦振動子間の角度を２等分する中心線が延びる中間方向に沿う振動であり、前記第２振動モードは、前記中間方向と直交する方向に沿う振動であり、該第１および第２振動モードの共振周波数のうち、少なくとも一方の共振周波数を他方の共振周波数に近づけるように調整することを特徴とする、楕円振動切削装置。
2. 前記第１と第２縦振動子の少なくとも一方に、前記第１と第２振動モードの一方の共振周波数を他方の共振周波数に近づけるスリットを設けた、請求項１に記載の楕円振動切削装置。
3. 前記第１と第２縦振動子の少なくとも一方に、前記第１と第２振動モードの一方の共振周波数を他方の共振周波数に近づける質量部を設けた、請求項１に記載の楕円振動切削装置。
4. 前記第１と第２縦振動子は圧電素子を有するランジュバン型振動子であり、
   前記連結部材の近傍に位置する前記第１と第２縦振動子の形状を、前記連結部材に近づくにつれて細幅となるテーパ形状とした、請求項１から請求項３のいずれかに記載の楕円振動切削装置。

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