JPH0253517A - 断続パルス切削力波形の超音波振動と低周波振動の重畳振動によるねじ溝加工方法及び装置 - 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） 本発明はダイヤモンド砥粒等の硬質砥粒を有するねじ溝
加工工具を超音波振動させ乍らそのリード角方向に低周
波振動で前進、後退し乍ら回転させ、断続パルス切削力
波形を作用させてセラミックス等の硬ぜい材料にねじ溝
加工を行う方法及び装置に関する。

（従来技術） 金属、セラミックス中、特に難削材の硬ぜい材料への精
密ねじ溝加工は材料が硬いために困難なことが多い。従
来の切削法における切削性改善のための唯一つの手段で
ある高速切削法が、このタップ、ダイスには適用できな
く、特に、今日期待されているファインセラミックスな
どへのめねじ溝加工は従来技術では不可能な現状である
。

しかし、おねじ加工では、高速回転砥石を用いて、砥石
の寿命や能率、コストなどを無視すればセラミックス材
に対してもその仕込みを微少にして加工すれば不可能な
ことはない。

（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於て、その直径がＭ５〜Ｍ１の
ように細くなると剛性が低くなるので、かけ、折損など
の問題が生ずる。Ｍ５〜Ｍ１のような小径のめねじとな
ると金属材に対する焼入後の精密めねじ加工、セラミッ
クス材に対する精密めねじ切削・研削加工は全く不可能
であった。

（問題点を解決するための手段） 本発明は高速切削によらず硬ぜい材料への精密ねじに溝
加工を行なうことを目的としている。

高速切削できないときの硬ぜい材料の被削性を改善して
精密ねじ溝加工するためには、本発明者が先に提案した
振動切削理論によって明らかなように小刻みに全切削長
さを極細分割化して、パルス切削力波形を作用させるか
、このパルス切削力波形を比較的長い周期で断続させた
断続パルス切削力波形と、零位瞬間振動切削機構とを複
合させた方法で振動切削する以外にはない。

本発明は０円周方向に低周波振動数で前進。

後退しながら回転する回転主軸の回転方向を使用する工
具と同じピッチのねじカムにより、該工具のリード角方
向に変換し、該ねじカムの雄ねじ軸に取付けた、縦ある
いはねじり超音波振動子によって超音波振動する振幅拡
大用ホーンの先端に硬質砥粒群によって加工できるよう
にしたねじ溝加工工具を取付け、該工具を軸あるいは円
周方向の超音波振動と同時にリード角方向に低周波振動
させながら回転させ、超音波振動する工作物に対して断
続パルス切削力波形を作用させて精密ねじ溝加工するこ
とを特徴とする断続パルス切削力波形の超音波振動と低
周波振動の重畳振動によるねじ溝加工方法。■円周方向
に低周波振動数で前進、後退しながら回転する回転主軸
の回転方向を使用する工具と同じピッチのねじカムによ
り、該工具のリード角方向に変換し、該ねじカムの雄ね
じ軸に取付けた、縦あるいはねじり超音波振動子によっ
て超音波振動する振幅拡大用ホーンの先端に硬質砥粒群
によって加工できるようにしためねじ溝加工工具を取付
け、該工具を軸あるいは円周方向の超音波振動と同時に
リード角方向に低周波振動させながら回転させ、断続パ
ルス切削力波形を作用させて精密ねじ溝加工することを
特徴とする断続パルス切削力波形の超音波振動と低周波
振動の重畳振動によるねじ溝加工方法。■縦あるいはね
じり超音波振動子によって超音波振動する振幅拡大用ホ
ーンの先端に、軸方向あるいは円周方向の超音波振動振
幅によってリード角方向からずれる量を補正して正規の
ねじ溝形状とするためにねじ溝形状を修正した硬質砥粒
群よりなるねじ溝加工工具を取付けた縦あるいはねじり
超音波振動系ねじ溝加工工具によって工作物にねじ溝加
工することを特徴とする断続パルス切削力波形の超音波
振動と低周波振動の重畳振動によるねじ溝加工方法。０
円周方向に低周波振動数で前進、後退しながら回転する
回転主軸と、該回転主軸の回転を使用する工具のリード
角方向に変換するねじカムを有し、該ねじカムの雄ねじ
軸に縦あるいはねじり超音波振動子によって超音波振動
する振幅拡大用ホーンを結合し、該振幅拡大用ホーン先
端に硬質砥粒群によって加工できるようにしたねじ溝加
工工具を取付け、該工具に軸あるいは円周方向の超音波
振動と同時にリード角方向に低周波振動させ乍ら回転さ
せ断続パルス切削力波形を作用させる装置を備えた断続
パルス切削力波形の超音波振動と低周波振動の重畳振動
によるねじ溝加工装置。■一端を縦超音波振動系ねじ溝
加工用工具における振幅拡大用ホーンの端面とテーパ結
合、ねじ結合あるいはテーパ、ねじ複合結合できる構造
とし、他端は工具の中心断面において正規所定の仕上ね
じ白雨フランク面を軸方向に平行に縦振動振幅ａあるい
は、これに工作物の超音波振動振幅軸方向成分を加算し
た量を削り取ってやせたねじ山を形状にしたことを特徴
とする特許請求の範囲第１項乃至第４項記載の方法及び
装置に用いる硬質砥粒切刃群よりなる縦超音波振動系ね
じ溝加工用工具。■一端をねじり超音波振動系ねじ溝加
工用工具における振幅拡大用ホーンの端面とテーパ結合
、ねじ結合あるいはテーパ、ねじ複合結合できる構造と
し、他端は工具の中心断面において、リード角θの正規
、所定の仕上ねじ白雨フランク面を軸方向に平行にねじ
り超音波振動振幅ａにｔａｎθを乗じたａｔａｎ　Ｏあ
るいはこれに工作物の超音波振動振幅の軸方向の成分を
加算した量を削り取ってやせたねじ山形状にしたことを
特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第４項記載の方法
及び装置に用いる硬質砥粒切刃群よりなるねじり超音波
振動系ねじ溝加工用工具を要旨とするものである。

以下、図示した実施例に基づいて具体的に説明する６１
はダイヤモンド砥粒によって形成したダイヤモンドタッ
プで、振幅拡大用ねじり振動ホーン２の先端にねじ結合
、テーパ結合又はその複合結合によって固定する。この
振幅拡大用ホーン２の北部にねじり超音波振動子３を接
着する。振幅拡大用ねじり振動ホーン２に生ずる２つの
振動節にまたがるスリーブ４を設け。

ノードの位置でろう付けして固定する。このスリーブ４
を主軸５内に挿入して固定する。主軸５には２つのスリ
ップリング８，９を設け、その足部には、角棒２５とが
たなくはめあい、軸方向には自由にスライドして回転運
動が伝達できるようにした角穴を設け、その外周にはダ
イヤモンドタップと同じピッチねじ６を設ける。

主軸の上端はブラケット１２に固定したボールブツシュ
１３でがたなく支持する。ブラケットの中心軸と同軸に
してタップピッチと同一にしてねじ６と螺合する親ねじ
７を設け、これを取付スリーブ１４に取付ける。

電気ステッピングモータ２２を取付台２６に図示のよう
に取付け、その主軸２３に振動駆動治具２１および２０
を取付け、振動駆動片２０の先端を半月型に成形して、
振動回転伝達片２４を介して振動回転主軸１８と軸方向
には自由に摺動でき、半径方向にはがたなく接触させて
、該主軸１８の先端の角棒２５に振動と回転運動が伝達
されるようにする。振動回転伝達主軸１８は、ころがり
軸受１６．１７によって、振動回転伝達主軸台１５に取
付け、摩擦少なくがたなく回転できるようにする。

取付台２６に、箱型コラム２７を図示のように取付け、
その上端に、タップ中心軸と工作物下穴中心軸とを一致
させるための芯だし治具２８を設け、これに工作物を超
音波振動させるための超音波振動子３１および振幅拡大
用ホーン３０とその先端に取付けた工作物４４よりなる
超音波振動系を振幅拡大用ホーン３０の振動節を利用し
て固定する６ 制御装＠３７およびドライブユニット３８によってステ
ッピングモータ２２を矢印３９で示すように振動させな
がら回転させる。このとき、Ｐ　　’ｉｓ当りの発生パ
ルス数、ＰＦ：前進パＰＳ′ ルス数、Ｐ　：後退パルス数、ＰＲｌ”休止パルス数、
ＰＦ２：休止パルス数、α：１パルス当りの回転角度（
分解能）とすると、回転数Ｎ　ｒｐｍは、 ｓ　（Ｐ　Ｆ　＋　Ｐ　Ｒ１＋　ｐ　ｓ　＋　Ｐ　Ｒ２
）タップ直径をＤとすると、タップ振動１サイクル中で
切削する長さ１２Ｔ１１ｍは、 以上のような関係で低周波振動しながら回転連動する。

ブラケット１２にスリップリング８，９と接触するプラ
ッシュ１０．１１を設け、ダイヤモンドタップを超音波
振動させるための超音波発振機３６からの電気的エネル
ギーを回転運動する超音波振動子３に円滑に供給する。

ねじ溝加工に際しては、水などの切削剤を給油装置３３
から多量に給剤する。これを受皿３４．３５で受け、フ
ィルターを通して循環装置によって切削剤を循環させて
使用する。

制御装置３７のプログラムによってステッピングモータ
２２の主軸２３は矢印３９の円周方向に振動しながら回
転する。これをねじカム６および７と角穴、棒２５とに
よって使用するタップのリード角方向の矢印４２．４３
の方向の振動と回転運動に変換する。この低周波振動中
心軸と超音波振動中心軸線とを同一にして超音波振動す
るタップも同様にタップリード角方向４８に超音波振動
させることによって、超音波振動の大振幅の場合でもね
じ精度に与える誤差を皆無として精密ねじ加工すること
ができる。

多少その振動方向がずれても、めねじの有効径誤差の範
囲は広く、標準ＪＩＳ規格工具に相当する工具を使用し
ても、１級ねじに該当する精密ねじに加工することがで
きるのが本発明の特徴である。しかし１本来使用する雄
型工具形状と等しい雌型形状に加工するのが超精密加工
である。

そこで、このとき、低周波振動のときの振幅Ａ＝０．２
程度のような大振幅に比べて、最大でもａ＝１０μｍ前
後の超音波振動の小振幅の振幅に対しては１円周方向の
振動方向４１のみとしてタップの形状を修正して使用す
る。すなわち、実施例の１例として示した図で示したよ
うに、ねじり振動子を用いて円周方向のみに振動するよ
うに設計、製作したねじり超音波振動系タップを用い、
その円周方向の片振幅をａとして、リード角をθとすれ
ば、ねじ山は片面のフランク面でａ　ｔａｎθやせるだ
けで、有効径に与える誤差は２ａｔａｎθ／ｌａｎα（
α：フランク角）となるので、タップをあらかじめ片面
で軸方向にａ　ｔａｎｏ量、第２図に示すようにして削
り取り、同様に反対側のフランク面もａ　ｔａｎθ削り
取って規定の所定のねじ山形状よりも若干超音波振動振
幅に比例した量だけやせた形状のタップを用いて本発明
を実施することによって、使用する工具形状に等しい精
密ねじ溝に精密ねじ立てできる。

さらに、また、軸方向に超音波振動する縦振動子を用い
て軸方向４７に縦超音波振動させても、その振動振幅ａ
を小さくして上述の場合と同様にタップ形状を超音波振
動振幅ａに比例させて、第２図に示すように、タップね
じ山の片面のフランク面をａづつ削り取ったやせたねじ
山形状としたタップを用いて本発明を実施することによ
って精密ねじ溝に精密わじ立てできる。

さらに、工作物の超音波振動振幅を考慮してり・ツブ等
のねじ溝加工用工具形状を修正すればさらに高精度なね
じ溝を加工することに成功する。

工作物４４は超音波発振機３２によって、矢印４０の方
向に縦超音波振動する。工作物に対してはこの超音波振
動の付加は、引張り強さに弱いセラミックスに対しては
、超音波振動応力による引張応力を付加させることによ
って、本来の引張り強さを低下させて見掛は上セラミッ
クスを軟質化させて精密ねじ立てし易くする。

すなわち、タップ刃先に接触するセラミックスに微細ク
ラックの発生とその成長と切りくず生成を助成する。こ
のクラックの発生を本発明では超音波振動による振幅変
位を与えることによって発生する応力ひずみによって与
えたが。

加熱冷却を繰返すことに供う熱応力ひずみによってもこ
のクラックの発生と成長を助成することができる。具体
的には切削時に多量の水を供給すること、さらには電解
液を供給して、工具と工作物との間に電流を流すことに
よって、工具の振動に供う加熱、冷却による熱応力ひず
みによるクランクの発生が助成される。このとき、工作
物を超音波振動させると、クラックの発生がさらに活発
となり、クラックの成長を助成して切りくず生成を活発
化することができる。この熱応力ひずみの利用にはこの
電解加工装置の利用のほかにレーザ加工装置の利用、放
電加工装置の利用がある。このように、振動応力でも熱
応力でも応力ひずみの利用ということでは同一であるの
で、ここでは同一発明と考えて超音波振動の利用で説明
した。

なお、本発明を図示のように矢印４０の方向に超音波縦
振動子を用いて、振幅を小さ（縦超音波振動させる場合
で説明したが、この外に振幅を大きく円周方向４５にね
じり超音波振動子を用いて超音波振動させる場合、およ
び振幅の大小に関係なくねじ溝加工工具のリード角力向
４６に超音波振動させる場合がある。これらはいずれも
振動応力の利用であるので超音波振動するセラミックス
として表現してこれらをすべてを包含させて説明した。

工作物の超音波振動は引張り応力の小さいセラミックス
に対してはセラミックスそのものの物性値を変化させて
被削性の改善に利用したが、引張強さの大きい金属材料
に対しては、工具とねじ溝面との接触摩擦抵抗および切
りくずとの接触摩擦抵抗の軽減と表面微細溝自生機構を
より以上に多発させてダイヤモンド砥粒の切れ味の向上
ならびに切りくずの排出を迅速化１円滑化することに貢
献する。

実施例ではダイヤモンド砥粒群よりなるタップによるね
じ立の場合について説明したが、タップに代ってダイス
を用いればセラミックスなどの硬ぜい材料による雄ねじ
の精密ねじ溝加工ができる。また、本発明は、ねじ溝加
工にあたっての下穴などの精密穴加工にも適用できる。

例えば、セラミックスへのねじ加工に際しては、図示の
タップに代ってダイヤモンド砥粒群よりなるコアードリ
ルを取付け、粗穴あけ加工をしたあとに、ダイヤモンド
リーマを用いて精密仕上げ加工する作業にも適用できる
。セラミックスのみならず、切削温度を上げないで精密
穴あけできる特徴があるため特殊合金の精密加工や、切
削抵抗を軽減できる、切りくずの排出がよいなどの効果
かえられるため、極小径穴の精密穴加工にも利用できる
。

また、超音波加工のようにねじ溝加工用超音波加工工具
にダイヤモンドあるいはこれに準する硬さの遊離砥粒を
供給しながら加工する場合に対しても本発明は適用され
る。

また、上述したように、本発明の実施は、リード角方向
に超音波振動するねじ溝加工用工具をもって理想とする
が、これには高度の理論と技術を必要とするので一般に
はごく普通の縦超音波振動子あるいはねじり超音波振動
を用いて本発明を実施する。使用する工具が標準の所定
の規定形状のままであるとすると、加工したねじ溝の有
効径が縦振動系工具の場合で２ａ／ｌａｎα（α：フラ
ンク角）、ねじり振動系工具の場合で２ａｔａｎθ／ｌ
ａｎα（θ：リード角）大きくなる。このとき、工具、
工作物あるいは両者の振幅を小さくして加工すれば精密
ねじとして十分使用しうる。

例えば、セラミックス工作物に対しては、出力を大きく
し、振幅ａを大きくして加工しなければねじ溝が成形で
きない場合がある。かかる場合には、振幅ａを大きくし
ても精度に影響を与えないように、上述したように工具
形状を修正して使用する。

また、一方このような超音波振動するねじ溝加工用工具
のみで低周波振動を重畳して断続パルス切削力波形とし
なくても縦あるいはねじり超音波振動子および振幅拡大
用ホーンと修正ねじ溝加工工具よりなる超音波振動系ね
じ溝加工工具を例えば、旋盤あるいはＭＣ機などの工具
台に取付け、ねじ送りして連続パルス切削力波形を無超
音波振動あるいは超音波振動するセラミックス工作物に
対して作用させてもねじ溝加工できる場合もある。

本実施例装置は工作物を上におき、工具を下にして切り
くずの排出を自然の、法則＋’＝従っ、て落下し易いよ
うにして、ねじ溝加工に際しての切りくずの影響が少し
でも少くなるように配慮して示したが、工具を上におき
、工作物を下にしても同様の効果が得られることは説明
するまでもない。本発明に使用する工具としては、ダイ
ヤモンド砥粒をねじ溝加工用工具に電着した工具、ダイ
ヤモンド焼結工具およびねじ溝ラップ用のラップ捧と遊
離砥粒などが適用される。

なお、ねじ溝加工用工具を低周波振動数で前進、後退さ
せながら回転させる方法としては、図示したように電気
ステッピングモータ、あるいはＡＣ，ＤＣサーボモータ
などを電気的に制御して与える方法と、これらを用いる
かあるいは三相誘導電動機によって滑り子クランク方式
によって振動数ｆ、振幅ａで振動する振動軸として、こ
れを連続回転させて切削速度ｖ＝２πａｆの関係を与え
る方法とがある。また、工作物に超音波振動を与えない
でねじ溝加工する方法と装置も本発明に包含される。

（効　果） 本発明によるとＭ５Ｐ０．８のダイヤモンド標準形状電
着タップを２８ｋＨｚ超音波ねじり振動子を用いて、円
周方向に振動数ｆ　：２８　ｋ　ｌｌｙ、、振幅ａ＝１
５μｍで超音波振動させ、これをＰＰＳ：２０００、Ｐ
　＝３、ＰＲ１＝１．ＰＢ＝１、ＰＲ２＝１として電気
ステッピングモータを駆動して。

振動数ｆ　＝１４３ｒｐｍ、主軸の回転数Ｎ＝１８ｒｐ
ｍ、１サイクルの切削長さＬ　ｒ　”　Ｏ−０３ｒｔｘ
ｍとして、φ４２ｍｍの下穴をあけたＷＡ砥石、ジルコ
ニア、アルミナ、シリコンナイトライド材を縦超音波振
動子を用いて振動数ｆｌ、＝　２０　ＫＨｚ、振幅ａ。

＝８μｍで超音波振動させながら、多量の水を注水させ
て本発明を実施することによって、ワンストロークで長
さ１０ｍｍの精密めねじのねじ立てに成功した。本発明
によって、シャープでねじ山にかけのない精密めねじを
金属材料にねじ立てするときと同様な感覚でねじ立てで
きる画期的効果をあげることに成功した。

また、タップ側のみを上記切削条件で振動させ、回転さ
せて先端が平坦なダイヤモンド砥粒群によって成形した
ダイヤモンドタップを用いてボルルねじ用焼入鋼ナツト
のめねじを仕上加工して平滑な鏡面に近いフランク面に
精密加工することにも成功した。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を実施する装置の一実施例正断面図
、第２図はねじ溝加工工具の一例を示すタップおよび工
作物と振動方向がリード角方向の切削方向からずれた量
がめねじ精度に与える影響を示し、正規ねじ溝形状とす
るためにタップのねじ山を削り取る量を示す図である。 １・・・ダイヤモンドタップ ３・・・ねじり超音波振動子 ６・・・ねじカム ２２・・・電気ステッピングモータ ３１・・・縦超音波振動子 ３２．３６・・・超音波発振機 ４０．４７・・・縦超音波振動 ４１．４５・・・ねじり超音波振動 ４３．４６・・・リード角振動方向 ４４・・・セラミックス

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）円周方向に低周波振動数で前進、後退しながら回
   転する回転主軸の回転方向を使用する工具と同じピッチ
   のねじカムにより、該工具のリード角方向に変換し、該
   ねじカムの雄ねじ軸に取付けた、縦あるいはねじり超音
   波振動子によって超音波振動する振幅拡大用ホーンの先
   端に硬質砥粒群によって加工できるようにしたねじ溝加
   工工具を取付け、該工具を軸あるいは円周方向の超音波
   振動と同時にリード角方向に低周波振動させながら回転
   させ、超音波振動する工作物に対して断続パルス切削力
   波形を作用させて精密ねじ溝加工することを特徴とする
   断続パルス切削力波形の超音波振動と低周波振動の重畳
   振動によるねじ溝加工方法。
2. （２）円周方向に低周波振動数で前進、後退しながら回
   転する回転主軸の回転方向を使用する工具と同じピッチ
   のねじカムにより、該工具のリード角方向に変換し、該
   ねじカムの雄ねじ軸に取付けた、縦あるいはねじり超音
   波振動子によって超音波振動する振幅拡大用ホーンの先
   端に硬質砥粒群によって加工できるようにしためねじ溝
   加工工具を取付け、該工具を軸あるいは円周方向の超音
   波振動と同時にリード角方向に低周波振動させながら回
   転させ、断続パルス切削力波形を作用させて精密ねじ溝
   加工することを特徴とする断続パルス切削力波形の超音
   波振動と低周波振動の重畳振動によるねじ溝加工方法。
3. （３）縦あるいはねじり超音波振動子によって超音波振
   動する振幅拡大用ホーンの先端に、軸方向あるいは円周
   方向の超音波振動振幅によってリード角方向からずれる
   量を補正して正規のねじ溝形状とするためにねじ溝形状
   を修正した硬質砥粒群よりなるねじ溝加工工具を取付け
   た縦あるいはねじり超音波振動系ねじ溝加工工具によっ
   て工作物にねじ溝加工することを特徴とする断続パルス
   切削力波形の超音波振動と低周波振動の重畳振動による
   ねじ溝加工方法。
4. （４）円周方向に低周波振動数で前進、後退しながら回
   転する回転主軸と、該回転主軸の回転を使用する工具の
   リード角方向に変換するねじカムを有し、該ねじカムの
   雄ねじ軸に縦あるいはねじり超音波振動子によって超音
   波振動する振幅拡大用ホーンを結合し、該振幅拡大用ホ
   ーン先端に硬質砥粒群によって加工できるようにしたね
   じ溝加工工具を取付け、該工具に軸あるいは円周方向の
   超音波振動と同時にリード角方向に低周波振動させ乍ら
   回転させ断続パルス切削力波形を作用させる装置を備え
   た断続パルス切削力波形の超音波振動と低周波振動の重
   畳振動によるねじ溝加工装置。
5. （５）一端を縦超音波振動系ねじ溝加工用工具における
   振幅拡大用ホーンの端面とテーパ結合、ねじ結合あるい
   はテーパ、ねじ複合結合できる構造とし、他端は工具の
   中心断面において正規所定の仕上ねじ山両フランク面を
   軸方向に平行に縦振動振幅ａあるいは、これに工作物の
   超音波振動振幅軸方向成分を加算した量を削り取ってや
   せたねじ山を形状にしたことを特徴とする特許請求の範
   囲第１項乃至第４項記載の方法及び装置に用いる硬質砥
   粒切刃群よりなる縦超音波振動系ねじ溝加工用工具。
6. （６）一端をねじり超音波振動系ねじ溝加工用工具にお
   ける振幅拡大用ホーンの端面とテーパ結合、ねじ結合あ
   るいはテーパ、ねじ複合結合できる構造とし、他端は工
   具の中心断面において、リード角θの正規、所定の仕上
   ねじ山両フランク面を軸方向に平行にねじり超音波振動
   振幅ａにｔａｎθを乗じたａｔａｎθあるいはこれに工
   作物の超音波振動振幅の軸方向の成分を加算した量を削
   り取ってやせたねじ山形状にしたことを特徴とする特許
   請求の範囲第１項乃至第４項記載の方法及び装置に用い
   る硬質砥粒切刃群よりなるねじり超音波振動系ねじ溝加
   工用工具。