JPH01109007A - セラミックスの精密穴加工用振動切削ボール盤 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は工具に超音波振動又は及び低周波振動を与え、
更にセラミックス工作物に超音波振動を与えてセラミッ
クスに精密穴加工するようにしたセラミックスの精密穴
加工用振動切削ボール盤に関する。

（従来技術） セラミックスへの精密穴加工が従来の鉄金属へドリルで
穴加工するときのような感覚で誰でもが容易に簡単に短
時間にできるようになることが切望されている今日であ
る。一方、セラミックス素材の品質が向上し、その機械
的強度も日毎に強化されてセラミックスはますます難削
材となってきている。従ってその精密穴加工技術として
従来の高速切削・研削方法のみでは対応できなくなって
きている現状である。その対応技術としては、本発明者
はセラミックスが引張に弱いことに着眼してセラミック
スを超音波振動させ、セラミックス内に引張強さに対し
て無視できない振動応力を発生させ、見掛は上の機械的
強度を低下させてセラミックスの被削性を改善する精密
加工技術を提案した。これは主として１円筒とその円筒
表面へのねじ、みぞ加工及び平面加工に対して好適であ
る。その後、加工の基本である円筒、平面、穴加工の穴
加工工具のなかのコアドリルの加工機構に適当できるか
どうかは不明のままであった。

一方、工具を高速回転させ、これにねじりあるいは縦超
音波振動させて穴加工する技術も既に本発明者が提案し
ている。そして、さらに低周波振動を重畳させた穴加工
方法も本発明者によって開発されてその技術と効果が発
表されている。

（発明が解決しようとする問題点） ところで上記従来技術にあってはセラミックスへの精密
穴加工を従来の全屈への穴加工と同様な感覚で行うこと
はできないという問題点があった。

（問題点を解決するための手段） 本発明は上記問題点を解決することを目的とするもので
ある。

今日のセラミックスへの穴加工工具としてはパイプ状に
した工具先端にダイヤモンド砥粒群を有する所謂コアド
リルが主体となる。穴加工機構にはパイプ先端端面のダ
イヤモンド砥粒群が関係する。

セラミックス、ゴム、全屈のなかでも特にセラミックス
の精密加工のためには、各ダイヤモンド砥粒の１刃あた
りの切削長さを超微細にしてその切りくずを超微粒化す
ることが肝要である。そのパイプ状コアドリル先端ダイ
ヤモンド砥粒群がどのようにしてその切削長さを微細化
して切削できるようにするかについて考える。

まず最初に分ることは従来技術でとられているようにコ
アドリルの回転数をより高速化することである。すなわ
ち、コアドリルを高速回転させることである。

次にはコアドリルを超音波振動させて切削長さを細分化
することである。その１つはコアドリルをねじり超音波
振動させて、その振動数ｆ。

振幅ａと切削速度Ｖとの間にｖ　（２πａｆの関係を与
えて切削長さを寸断する方法と、他の方法としてコアド
リルを縦超音波振動させて回転させ、切削面を微細凹凸
面として、その斜面を小刻みに切削して切削長さを寸断
する方法との２通りがある。どちらもコアドリルを超音
波振動させながら回転させて穴あけする方法である。

さらに、この主軸台をその回転主軸の軸方向に低周波振
動させて断続パルス波形として切削長さを大きく寸断す
る効果を加味して超音波振動による切削長さの微細寸断
効果を確実にし、規則化するようにする重畳振動切削機
構による方法がある。更にセラミックスを超音波振動さ
せて振動応力を付加して見掛は上の機械的強度を低下さ
せてセラミックスの被削性を改善する方法がある。

以上の方法を重畳・複合させて穴あけを実施することに
よってファインセラミックスの精密穴あけ加工を可能と
する。ただし、硬さの低いセラミックスに対しては、低
周波振動の付加を省略してもよい場合がある。このよう
に工具に回転運動エネルギーを、超音波振動エネルギー
を工具と工作物に与え、さらに低周波振動エネルギーを
重畳して、与えられるエネルギーすべてを与えて切削長
さを寸断して穴あけすることによって、回転運動エネル
ギーのみでは加工できない、ダイヤモンドに近い硬さの
ファインセラミックスの精密穴あけ加工が可能となる。

すなわち、コアドリルを電わいあるいは磁わい振動子を
利用して超音波振動させ、これを高速回転させ、その主
軸台を主軸方向に低周波振動させ、かつ一定速度で送り
込めるような送り機構とし、このボール盤テーブル上に
は電わいあるいは磁わい振動子で縦超音波振動するホー
ンの先端にセラミックス工作物を取り付けたセラミック
ス工作物縦振動系バイスを取り付けたボール盤を構成す
る。このようなボール盤によって穴あけすることによっ
てファインセラミックスへの精密穴加工を実現させるこ
とができる。

次に図示した実施例に基づいて具体的に説明する。コア
ドリル１を足部に取付けた縦電わい振動子２によって駆
動される振動主軸３の先端にテーパ結合して着脱が自由
にできるようにして固定する。振動主軸３に生ずる２つ
の振動節にまたがるスリーブ４を利用して軸受５を取り
付け、振動主軸がその振動姿態に影響を与えることなく
主軸台６内で摩擦少く、振れ少く回転できるようにする
。

主軸台６には電動機７を取り付け、ベルト８によってス
リーブに固定したプーリーを利用して振動主軸を矢印２
０の方向に回転させる。プーリーにはスリップリング９
を′取り付け、相対するプラッシュ１０からの励振電圧
を回転する電わい振動子２に供給する。そして、コアド
リル先端を振動数ｆ、振幅ａで矢印１１の方向に超音波
縦振動させる。主軸台６はボール盤コラム２１に設けた
鋼球で案内されるガイドローラー１２上に固定する。そ
して、連結棒１３によって電気−油圧式振動駆動装置１
６と結合する。

この電気−油圧式振動駆動装置１６を利用して油圧袋！
１１４からの圧油をサーボ弁１５を用いて制御装置１７
によって交互に切換えて、コアドリルを２〜２００Ｈｚ
程度の振動数で矢印１８の方向に振動数Ｆおよび振＠Ａ
で振動させる。制御装置には振動と同時に送りが与えら
れるような指令を与えて穴あけ加工する。セラミックス
工作物２２を振幅拡大用水−ン２３の先端に取付ける。

尾部下端に縦組わい振動子２８を取付ける。該ホーンの
振動節にスリーブ２４を取付けてボール盤テーブル２６
上のバイス２５に固定する。工作物超音波発振機２７に
よってセラミックス工作物２２を矢印２６の方向に超音
波振動数ｆｗおよび振幅ａｗで超音波振動させる。

このようにして、超音波発振機１９、超音波発振機２７
、油圧袋Ｗ１１４および制御表と１７を作動させ、コア
ドリルを超音波縦振動させながら回転させ、これを低周
波振動させて送りＳを矢印２９の方向に与えることによ
って本発明による精密穴加工が実施できる。このとき、
工作物を回転させる装置を付加することもある。

縦振動子２をねじり振動子に変換し、その振動系をその
ねじり振動子の固有振動数で共振する振動系に設計製作
して組立てることによってコアドリルを円周方向に振動
するねじり振動系とすることができる。このときは速度
ｖ　（２πａｆの回転数として縦振動系コアドリルの粗
仕上加工に対して、このねじり振動系コアドリルは仕上
加工用として用いる。

さらに切込み、送りを小さくして超精密加工する場合に
は、その加工抵抗も小さくなるので、低周波振動Ｆ、Ａ
を停止して超音波振動ｆ、ａおよびｆＷｅａＷのみで仕
上加工を実施する。この他の振動付加条件はそのときの
加工精度とセラミックスの機械的性質によって選択する
。

本発明のボール盤はコアドリルに縦あるいはねじり超音
波振動と低周波振動を単独あるいは複合重畳させて与え
られるようにし、またセラミックスにも縦超音波振動を
与えられるようにして、加工能率と加工精度などのその
加工目的に応じてそれぞれの振動姿態を選択してセラミ
ックスの精密穴加工ができるような機能をすべて与えて
構成したセラミックス専用のボール盤であることを特徴
とするものである。

本発明は、ダイヤモンド砥粒を固定した切削・研削工具
のほかに遊離ダイヤモンド砥粒による工具その他類似の
工具に適用されるものである。

（効　果） 次に本発明の実施によって得られた具体的実施効果につ
いて説明する。直径４ｍ＋＋のコアドリルによるジルコ
ニア、厚さ５＋ｎ＋＋、−辺の長さ５ｍの角材への穴あ
けに本発明を実施したときの実施効果について説明する
。

＃　１００／　１２０のダイヤモンドコアドリル超音波
振動数ｆ＝２０．７ＫＨｚ、振幅ａ＝１８μｍ、低周波
振動数Ｆ＝５０Ｈｚ、振＠Ａ＝１５μｍ、送りＳ＝３μ
ｍ　／　ｒｅｖ　１回転数＝１００Ｏｒｐｍ、ジルコニ
ア超音波振動数ｆｗ＝２０ＫＨｚ、振＠ａｗ　＝　１７
　μｍ、乾式切削として本発明を実施することによって
、加工能率はジルコニアを超音波振動させ、コアドリル
を超音波振動させたときの約１．５倍、ジルコニアを超
音波振動させ、コアドリルに低周波振動のみを与えたと
きの約２．４倍、ジルコニアに超音波振動のみを与えた
ときの約４．５倍となる。

静止しているジルコニア工作物にコアドリルを回転させ
て送り込むのみの穴あけではコアドリルの摩耗、損耗が
激しく刃先が鈍化して穴あけすることができない、この
現象に比べて本発明の効果は上記の数値でわかるように
画期的である。

また、コアドリルの喰いつき時の刃先の弾性振動がなく
なり、喰いつき時の端面だれ、欠けが少くなり、真円度
を１０μｍ以下、真直度２μｍ以下、表面あらさ１５μ
ｍ以下とし、穴の直径の拡大しろを±０．０１ｍ以内と
することに成功し。

切り終りのだれ、欠けを少くして能率よく穴加工するこ
とに成功した。

切りくずが寸断されるので切りくずの排出が円滑となり
、コアドリルの異常な摩擦現象の発生を防ぎ、コアドリ
ルの寿命を延ばし、加工コストの軽減に貢献する効果が
確かめられた。

セラミックス素材に能率よく穴あけするときの技術とし
て、コアドリルを超音波振動（縦超音波振動あるいはね
じり超音波振動）させ、これを回転させ、さらに軸方向
に低周波振動させ、セラミックス工作物を超音波振動さ
せてぼりばり切削して粗加工する方法とそのボー′ル盤
を考案して以上のようにして説明した。

セラミックスへの穴加工の場合に、能率よく切りくずを
排出してばりばり切削する切削機構では、加工表面に残
留する微細クラックが発生せざるを得ない、この微細ク
ラック部を削除するためには、低周波振動を停止して、
超音波振動のみを与え、切込みを小さくしてその送り量
も小さくして超音波振動するセラミックスに対して仕上
げ加工する。切込み、送りが小さいのでその抵抗も小さ
くなるので低周波振動エネルギーが不要となる。そして
、精密穴加工を可能にする０例えば、穴径の拡大しろほ
この場合が最小となり、使用するコアドリルの直径とほ
ぼ等しくなる効果などが得られる。

表面粗さを平滑にする場合には、超音波振動するセラミ
ックスに対して低周波振動のみを与え、速い送りを与え
て仕上加工する。セラミックス表面に残留するクラック
を極小にして仕上加工したいときは、コアドリルに超音
波振動と低周波振動を複合重畳させて、コアドリルのみ
を振動させ、セラミックスには超音波振動を与えないで
仕上加工する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明１実施例の一部切断要部正面図である。 １・・・コアドリル ２・・・縦組わい振動子 ３・・・振動主軸 ６・・・主軸台 １９．２７・・・超音波発振機 ２２・・・セラミックス工作物

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. セラミックスの穴加工用工具軸方向に超音波域の高い振
   動数の超音波振動及び又はそれより低い振動数の低周波
   振動を与え乍ら高速回転と送りを与えるようにした主軸
   台と、セラミックス工作物の軸方向に超音波域の高い振
   動数の超音波振動を与えるようにしたテーブルとを備え
   たセラミックスの精密穴加工用振動切削ボール盤。