JPH0192001A - 超音波振動切削方法およびその装置 - 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、超音波振動により切削する旋盤、平削り盤な
どに利用される超音波振動切削方法およびその装置に関
する。

従来の技術 従来、切削装置に超音波振動を利用することが行われて
いる０例えば、旋盤においては、たわみ振動するバイト
シャンクを用いその先端に取付けられたバイトを切削加
工物の接線方向に超音波振動させて加工するものであり
、これにより切削抵抗が著しく減少して加工精度が向上
するなどの大きな振動切削効果が得られることが知られ
ている。

まず、その超音波振動を利用した切削装置の切削原理に
ついて説明する。

従来の慣用切削は、第１２図に示すように、切削速度Ｖ
にて矢印方向に移動している工作物１に、バイト２の刃
先を切り込み深さｔで押し当てた時。

切り屑３がバイト２のすくい面４に摩擦しながら排出さ
れることにより行われている。この場合、切り込み深さ
ｔに対する切り屑３の厚さｄの切削比ｔ／ｄは、１より
随分小さく、切れ味が悪いことが理解される。

そこで、第１３図に示すように、超音波振動を利用して
、バイト２を矢印方向に切削速度Ｖより大きな振動速度
で超音波振動させると、切り屑３とバイト２のすくい面
４間との摩擦が減り、切り屑３の厚さｄが切り込み深さ
ｔとほぼ同じ厚さ、すなわち切削比ｔ／ｄが１に近くな
って、切れ味が向上してくる。

次に、このようにして超音波振動するバイト２とそれに
より切削される工作物１との切削時間Ｔに対する相対変
位Ｐの関係を第１４図に基づいて説明する。なお、図中
の太線部分は切削期間であることを示す。

超音波振動波形５は、第１４図（ａ）に示すように、切
削方向に切削速度ｖ１で進む波形ｖ、Ｔと超音波振動す
る図示しないａ　ｓｉｎωＴなる波形とを重畳したもの
である。この超音波振動波形５に基づいてバイト２は、
第１４図（ｂ）に示すように、切削方向に進む期間Ａの
うち期間Ｃ□の間に工作物１を切削し、また、切削方向
に対して反対方向に進む期間Ｂの点Ｘから次のサイクル
の期間Ａの点Ｙまでの間の期間Ｄ１の間に工作物１と離
れる。

従って、バイト２は工作物１と離れる期間Ｄ１の間に切
削エネルギーを蓄え１期間Ｃ１のパルス状波形の間に工
作物１を切削することになる。これにより、超音波振動
周波数に対して工作物１の固有振動数を十分低く押える
ようにすれば、工作物１が切削抵抗（ＣＬのパルス波形
）によって動かされるようなことがなくなり微小振動を
発生させるようなことがなくなるため、幾何学的な表面
粗さをもって切削加工を行うことができる。

発明が解決しようとする問題点 しかしながら、上述したような従来の超音波振動による
切削方法の場合、−層良好な精密加工を行うためにその
切削抵抗を減らそうとして、第１５図（ａ）（ｂ）に示
すように、切削速度をｖｌからＶ、に下げると、パルス
波形はｃｌからＣ３となりその幅が狭くなってしまい、
これにより、切削抵抗は減少することになるが、しかし
その分、切削量も減少してしまうという問題点がある。

しかも、その切削期間Ｃ２は、超音波振動波形５の頂点
付近にあるため切削時の瞬時振動速度は著しく低下して
しまい、これにより、その時バイト２が保有する運動エ
ネルギーは僅かなものとなり、良好な振動切削を行うこ
とができないという問題点も生じる。

問題点を解決するための手段 工作物を切削するバイトに、切削方向に振動する共振振
動と送り方向に振動する共振振動との複合による円振動
または楕円振動をさせて切削加工するようにした。

作用 従って、複合振動子の出力端部に設けられたバイトは１
円または楕円軌道を描いて振動を行うために、切削方向
振動の変位が０即ち瞬時振動速度の大きいところではそ
の切削方向への大きな運動エネルギーを利用して切削方
向に切削していき、また、切削方向振動の変位最大即ち
瞬時振動速度の小さいところでは送り方向振動の変位が
０即ち瞬時振動速度の大きいところでのその送り方向へ
の大きな運動エネルギーを利用して送り方向に鋭利的に
切削していくことができ、これにより、切削抵抗を一層
低減して精密加工を行うことができる。

実施例 本発明の第一の実施例を第１図ないし第８図に基づいて
説明する。

電歪素子６，７は、厚み方向に分極されており、その−
面には絶縁部８により４分割された電極９が形成され、
その裏面には分割されない全面電極１０が形成されてい
る。

複合振動子１１は、その大径部において、両側より金属
材１２．１３により挾まれて、２枚の前記電歪素子６，
７が、その４分割された電極９を対向させて、４枚の電
極板１４，１５，１６，１７を介して設けられている。

　　゛ 前記電歪素子７と前記金属材１３との間には共通電極板
１８が設けられており、これら電歪素子６．７の内周に
は円環状の絶縁筒１９が挿入されている、また、前記金
属材１２の小径部の先端には、バイト２０が銀ロウ接合
などにより固着されている。そして、このように構成さ
れた前記複合振動子１１は、大径部の一端の図示しない
穴から挿入されたボルト２１により締着され一体化され
ている。

次に、駆動部２２を第４図に基づいて説明する。

正弦波の信号電圧を発生する信号発生器２２と、この信
号発生器２２からの出力が分岐された片方は、増幅器２
３に接続されており、この増幅器２３は出カドランス２
４の一次巻線２５に接続されている。そして、その出力
側の二次巻線２６は、その両端が前記複合振動子１１の
電極板１４，１６にそれぞれ接続されており、そのセン
タータップ２７は前記共通電極板１８と同様に接地され
ている。

また、前記信号発生器２２からの出力が分岐された他方
は、信号電圧の位相を９０°シフトさせる移相器２８に
接続され、この移相器２８は増幅器２９に接続されてお
り、この増幅器２９は出方トランス３０の一次巻線３１
に接続されている。

そして、その出力側の二次巻線３２は、その両端が前記
複合振動子１１の電極板１５．１７にそれぞれ接続され
ており、そのセンタータップ３３は接地されている。

このような構成において、まず、本発明の基本的な動作
原理を第５図および第６図に基づいて説明する。

一般に、互いに９０°の位相差をもつ２つの正弦波を直
角合成すると、その合成波は円または楕円になることが
良く知られている。そこで、これを第５図に適用して、
ａｓｉｎωＴの振動３４と−ｂｃｏｓωＴの振動３５と
を合成すると、楕円振動３６となる。

一方、第６図（ａ）において、工作物３７を固定してバ
イト３８を切削方向Ｅに対して背分力補正のための傾斜
θをつけた方向Ｆに振動切削を行っていくと、バイト３
８の軌跡３９と切削断面４０はその図中に示すようにな
る。

この時、バイト３８を切削方向Ｅに直角な方向（紙面に
対して垂直方向）即ち送り方向Ｇに９０’の位相差を与
えて振動させると、第６図（ｂ）（工作物３７側の切削
表面から見た図）に示すように、バイト３８の振動は円
または楕円に近い軌跡４１でＥの方向に進行する。なお
、図中の太線部分は切削期間であることを示す。

そこで、第５図の楕円振動３６を第６図（ｂ）のバイト
３８の軌跡４１に対応させて考えると、ａ　ｓｉｎωＴ
の振動３４が切削方向Ｅの成分を表わし、−ｂｃｏｓω
Ｔの振動３５が送り方向Ｇの成分を表わすことになる。

この切削方向振動３４による切削においては。

速度の大きな点０工付近では大きな運動エネルギーをも
っているためこの点０．付近での切削力は大きな振動切
削効果を有するが、一方１点Ｍ１の頂点付近では僅かな
運動エネルギーしかもっていないためこの頂点付近での
切削力は著しく低下するという欠点がある。

また、送り方向振動３５による切削においては、点０．
．　Ｍ、で上述した切削方向振動３４の場合と同様な振
動切削効果や欠点を有する他に、ここでは、工作物３７
とバイト３８との連続的な摩擦により熱が著しく発生し
、これにより金属などの切削を実際に行うことができな
いという欠点がある。

そこで、本発明においては、これまで一方向の振動成分
（切削方向振動３４または送り方向振動３５）だけの振
動切削を行うことによって生じていた欠点、すなわち、
切削方向振動３４では頂点Ｍ１付近で切削力が著しく低
下するということや、送り方向振動３５では工作物３７
とバイト３８との連続的な摩擦による熱が発生するとい
った欠点を、両方向の振動成分を互いに９０＠の位相差
をもたせて合成波を作ることにより、そのような欠点を
除去して両方向の利点である振動切削効果のみを活用す
るようにした。

すなわち１本発明では、切削方向Ｅへの切削の場合には
点ｏ１付近の大きな切削力を利用して切削を行う切削方
向振動３４と、送り方向Ｇへの切削の場合には点０．付
近の大きな切削力を利用して切削を行う送り方向振動３
５との、２つの振動を合成した円または楕円振動３６を
複合振動子１１のバイト２０に行わせることよって振動
切削を行うようにした。

次に、複合振動子１１の動作説明を第１図ないし第４図
、第７図に基づいて説明する。

まず、バイト２０を切削方向Ｅへ振動させる方法につい
て説明する。複合振動子１１のたわみ共振周波数に調節
した周波数の信号電圧を信号発生器２２より出力する。

その信号電圧は増幅器２３により増幅され、出カドラン
ス２４の一次巻線２５を通って二次巻線２６に駆動電圧
を誘起する。

この二次巻線２６はその両端が複合振動子１１の電極板
１４．１６にそれぞれ接続され、センタータップ２７は
接地され共通電極板１８と接続されていることから、電
極板１４．１６には互いに逆相の駆動電圧が印加される
ことになる。

これにより、その駆動電圧の印加された電極板１４の部
分に相当する電歪素子６，７がその厚み方向に延びた瞬
間に、これと逆相の駆動電圧が印加された電極板１６の
部分に相当する電歪素子６゜７がその厚み方向に縮み、
次の瞬間にはその変位が逆になって、その振動変位分布
は第１図（ｂ）に示すような曲線を描く。その結果、バ
イト２０　　　−は、矢印Ｅに示すように切削方向に強
く振動する。

次に、バイト２０を送り方向Ｇへ振動させる方法につい
て説明する。上述した信号発生器２２によって発生した
信号電圧を分岐させ移相器２８に導き、その信号電圧の
位相を９０°シフトさせる。

その後、その９０°位相がシフトした信号電圧は増幅器
２９により増幅され、出カドランス３０の一次巻線３１
を通って二次巻線３２に駆動電圧を誘起する。この二次
巻線３２はその両端が複合振動子１１の電極板１５．１
７にそれぞれ接続され、センタータップ３３は接地され
共通電極板１８と接続されていることから、電極板１５
．１７には互いに逆相の駆動電圧が印加されることにな
る。

これにより、上述した切削方向Ｅへの振動と同様な理由
により、その振動変位分布は切削方向Ｅと直角方向に第
１図（ｂ）に示すような曲線を描く。

その結果、バイト２０は、矢印Ｇに示すような送す方向
へ強く振動する。

従って、互いに９０”の位相差をもつこれら切削方向Ｅ
への共振振動と送り方向Ｇへの共振振動とを合成するこ
とにより、バイト２０の振動姿態は矢印４２に示すよう
な円または楕円振動となる。

そして、矢印方向に回転する工作物４３の接線方向に対
して複合振動子１１の軸線を直角にした状態でバイト２
０を切り込んでいくと、上述したような振動切削効果を
もって工作物４３の外周を良好に切削加工していくこと
ができる。

なお、第８図に示すように、矢印方向に相対移動してい
く平板状工作物４４の端面なとも同様にして良好な切削
加工を行うことができる。

次に、本発明の第二の実施例を第９図ないし第１１図に
基づいて説明する。

複合振動子４５は、その大径部において１両側より金属
材４６．４７により挾まれて、厚み方向に分極された２
枚の縦駆動用円環状電歪素子４８゜４９と、周方向に分
極された２枚のねじり駆動用円環状電歪素子５０，５１
とが、電極板５２を介して設けられている。

前記２枚の縦駆動用円環状電歪素子４８と４９との間お
よび前記２枚のねじり駆動用円環状電歪素子５０と５１
との間には、それぞれ電極板５３゜５４が設けられてい
る。また、前記ねじり駆動用円環状電歪素子５１と前記
金属材４７との間には。

共通電極板５５が設けられている。さらに、前記金属材
４６の小径部の端部には、中央部が凹んだ形に形成され
端部周上に刃先をもった円板状バイト５６が銀ロウ接合
などにより固着されている。

そして、このように構成された複合振動子４５は、大径
部の一端の図示しない穴から挿入されたボルト５７によ
り締着され一体化されている。

このような構成において、複合振動子４５の動作説明を
行う。

まず、バイト５６を切削方向Ｅへ振動させる方法につい
て説明する。電極板５２を共通電極板５５に接続して共
通電極とし、複合振動子４５の縦共振周波数に調節した
周波数の駆動電圧を電極板５３に印加すると、複合振動
子４５は第９図（ｂ）に示すような振動変位分布をもっ
て１７２波長で軸方向に双矢印Ｅ０に示すように縦共振
振動をする。その結果、バイト５６は、切削方向Ｅへ強
く振動する。

次に、バイト５６を送り方向Ｇへ振動させる方法につい
て説明する。共通電極板５５に対して、複合振動子４５
のねじり共振周波数に調節した周波数の駆動電圧を電極
板５４に印加すると、複合振動子４５は第９図（Ｑ）に
示すような振動変位分布をもって軸中心に対称に双矢印
Ｇ０に示すようにねじれ共振振動をする。その結果、バ
イト５６の工作物５８と接する部分は、送り方向Ｇへ強
く振動する。そして、かかる縦共振周波数とねじり共振
周波数とがほとんど一致するように、小径部や段部寸法
などの断面形状が構成される。

従って、縦共振振動およびねじれ共振振動のそれぞれの
駆動電圧を互いに９０”の位相差をもたせて駆動すると
、バイト５６の振動姿態は第１１図の矢印に示すように
全周上に一様に円または楕円振動を発生する。

そして、矢印方向に回転する工作物５８の接線方向に対
して複合振動子４５の軸線を、第６図（ａ）で示したよ
うに、背分力補正のための傾斜θ　　　−を付けた方向
に合わせてバイト５６を切り込んでいくと、第一の実施
例で述べたような振動切削効果をもって工作物５８の表
面を良好に切削加工していくことができる。

なお、第１図（ｂ）および第９図（ｂ）（ｃ）における
、Ｌｌ、Ｌ、、Ｌ、、Ｌ、は振動のループ部分であるこ
とを表わし、Ｎ１．Ｎ、、Ｎ３　は振動のノード部分で
あることを表わす。

効果 本発明は、工作物を切削するバイトに、切削方向に振動
する共振振動と送り方向に振動する共振振動との複合に
よる円振動または楕円振動をさせて切削加工するように
したので、複合振動子の出力端部に設けられたバイトは
、円または楕円軌道を描いて振動を行うため、切削方向
振動の変位がＯ即ち瞬時振動速度の大きいところではそ
の切削方向への大きな運動エネルギーを利用して切削方
向に切削していき、また、切削方向振動の変位最大即ち
瞬時振動速度の小さいところでは送り方向振動の変位が
Ｏ即ち瞬時振動速度の大きいところでのその送り方向へ
の大きな運動エネルギーを利用して送り方向に鋭利的に
切削していくことができ、これにより、切削抵抗を一層
低減して規則的な幾何学的表面粗さをもって精密加工を
行うことができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一の実施例を振動変位分布を含めて
示す一部を切り欠いた側面図、第２図は電歪素子の斜視
図、第３図は電極板の斜視図、第４図は駆動部の構成を
示す回路図、第５図は互いに９０°の位相差をもつ波形
を合成した時の波形図、第６図はバイトの振動切削時の
軌跡を含めて示す説明図、第７図は複合振動子の切削状
態を示す斜視図、第８図は工作物の変形例を示す斜視図
。 第９図は本発明の第二の実施例を振動変位分布を含めて
示す複合振動子の側面図、第１０図はその複合振動子の
切削状態を示す斜視図、第１１図はバイトの振動状態を
示す斜視図、第１２図および第１３図は従来の切削方法
を示す説明図、第１４図および第１５図は従来の超音波
振動切削の波形図である。 １１・・・複合振動子、２０・・・バイト、４３・・・
工作物、４５・・・複合振動子、５６・・・バイト、５
８・・・工作物 出　願　人　　　　　　多賀電気株式会社３コ　図 ３２図　　　　３Ｊ図 ３９図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、工作物を切削するバイトに、切削方向に振動する共
   振振動と送り方向に振動する共振振動との複合による円
   振動または楕円振動をさせて切削加工するようにしたこ
   とを特徴とする超音波振動切削方法。 ２、軸に対して直角で、互いに直角方向にたわみ共振振
   動する複合振動子の出力端にバイトを形成したことを特
   徴とする超音波振動切削装置。 ３、縦共振振動およびねじり共振振動しそれぞれの周波
   数がほぼ一致する複合振動子の出力端にバイトを形成し
   たことを特徴とする超音波振動切削装置。