JPH03234451A

JPH03234451A - ねじり振動を利用した研摩法

Info

Publication number: JPH03234451A
Application number: JP2852090A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Suzuki; 清鈴木; Tetsutaro Uematsu; 植松　哲太郎
Original assignee: Research Development Corp of Japan
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1990-02-09
Filing date: 1990-02-09
Publication date: 1991-10-18

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〕本発明は研摩法とりわけねじり振動を利用した研摩法に
関する。

〔従来の技術及びその技術的課題〕

各種製品や物品の加工においては面性状が良好であるこ
とが好ましい。ことに切削工具で加工が不可能な部位た
とえば角穴、異形溝などは最近放電加工により加工され
ることが多いが、この場合には加工変質層を除去し、面
性状を向上させるため、次工程で磨き加工が必要となる
。

３次元曲面の磨き加工を自動的に行う方法がこれまで幾
つか提案されていたが、穴部ことにシャープな角部を有
する穴側面や大成を効率良くことは困難であった。すな
わち、平面部の磨き手段として、砥石を軸線の周りで高
速回転させる回転型砥石法と、砥石を超音波あるいは低
い振動数で軸線の方向に縦振動させる往復振動砥石法が
従来より知られている。

しかし、前者は能率はよいものの、上記のような角部を
有する穴の磨きには適用不可能であり、後者は砥石部の
突出しが長くなるとひびりが発生し易く、したがって深
い穴の磨きが困難であるなどの欠点があった。

本発明は前記のような問題点を解消するために研究して
創案されたもので、その目的とするところは、平面や丸
穴はもとより角穴、リブ穴、楕円穴など従来加工が困難
とされていた部位を均一かつ簡単に鏡面仕上げすること
ができる方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため本発明は、被加工材を振動磨き
する方法において、先端に研削ないし研摩の工具を固定
したねじり振動子を用い、前記ねじり振動子により工具
をにねしり振動させながら工具と被加工材を相対移動さ
せることにより、工具の側面又は／および端面で被加工
材の要部を磨くようにしたものである。

ねじり振動子を振動させる方法としては、磨き能率の面
などから一般に超音波振動が好適であるが、場合によっ
ては超音波以外の動力源たとえば非回転型モータなどを
用いてもよい。この方法は、振動数を高くすることが難
しい点と磨き能率の点で超音波振動に劣る。しかし、振
動振幅を大きくすることができ、磨き部の形状や寸法に
制約が無く、非軸対称でも磨き可能であり、振動工具の
中心と振動の中心を一致させなくてもよいため操作が簡
単であるなどの利点がある。

超音波ねじり振動は、１つ以上の縦振動子を組合せるこ
とで得てもよいし、同一円周方向に分極した圧電素子を
リング状に配し、分極方向と直角から電位印加すること
により得てもよい。後者は振動系が単純化するとともに
、電気音響変換効率が高くなるためハイパワーを達成す
ることができる。

本発明においては、基本的にはねじり振動子を軸線周り
に回転させない（非回転）方法を採るが。

研摩形状たとえば扇形の穴のような場合には、３６０度
に満たない回転角で軸線の周りに円運動させながら行う
方法を採ってもよい。

研摩条件は、押しつけ圧カ一定でもよいし、切込み状態
一定として行ってもよい。

研削ないし研摩工具の形状は任意であり、たとえば、円
筒、円柱、円錐、部分球、多角形、角錐等を加工部の形
状に応じて選択使用すればよい。

また、研削ないし研摩工具の工具部も汎用の砥石はもち
ろん、研摩布紙、または遊離砥粒を選択使用すればよい
。

本発明はねじり振動子と研削ないし研摩工具を搭載した
ハンド工具でも実施することができるが、ロボットやマ
シニングセンタなどの加工機に装着して自動磨きする方
法でも実施できる。

以下本発明を添付図面に基いて詳細に説明する。

第１図と第２図は本発明による研摩法を角穴の自動研摩
に適用した例を示している。

１は被加工材であり、穴部ｌＯが形成されている。２は
本発明の実施に使用するねじり振動研摩装置であり、加
工機たとはマシニングセンタ３の主軸３０から伸びるツ
ールホルダ３１に装着されている。

ねじり振動研摩装置２は、ねじれ振動子２ａと、これの
先端に固定された研摩ないし研削工具（以下単に研摩工
具と称す）２ｂとを備えている。前記ねじれ振動子２ａ
は、この例では超音波ねじれ振動子が用いられ、研摩工
具２ｂはホーン２ｃの先端に溶接等で一体化されている
。勿論ねじ等により交換可能に固定してもよい。

前記ねじれ振動子２ａは下部にスリーブ２ｅを連設した
保持筒２ｄに内挿され、保持筒２ｄはツールホルダ３１
に嵌合固定されたアーム３２の貫通穴３２０に挿通され
、ボルト４ａにより固定されている。また、ねじれ振動
子２ａのノード部は保持筒２ｄに螺通された複数づつの
支持ボルト４ｂ、４ｃにより固定されている。そしてさ
らにホーン２ｃのノード部もスリーブ２ｅに通した支持
ボルト４ｄにより固定され、これにより研摩工具２ｂを
横方向に移動しながらの磨き作業時のびびり発生を抑制
させている。

研摩加工にあたっては、図示しないワークテーブルに被
加工材１を固定し、主軸３０を下降して研摩工具２ｂを
穴部１０に位置させ、研摩工具２ｂを穴部１０の被磨き
面に接触させる。そして、ねじれ振動子２ａによりねじ
れ振動を付与しながら、ねじれ振動子２ａと研摩工具２
ｂを被加工材ｌと少なくとも横方向に相対移動させる。

これはねじり振動研摩装置２そのものを加工機３の機能
（たとえばＮＣ１！！動機能）により送ってもよいし、
ワークテーブルを送ってもよく、勿論両者を送ってもよ
い。

こうすれば、ねじれ振動子２ａによるねじれ振動がホー
ン２ｃから研摩工具２ａに伝達されるため、研摩工具２
ａは第２図のように周方向に振動し、これの端面又は／
及び側面により穴部１０が研摩される。研摩パターンが
回転や縦振動でないため、図示するような角形状でも簡
単に効率良く研摩することができる。このときの研摩は
一定の押し付は圧力で行ってもよいし、定切込み状態で
行ってもよい。

ねじれ振動子２ａに付与する超音波振動は、たとえば周
波数１６〜３０　Ｋ　Ｈｚ　、振幅１０〜３０μｍｐｐ
の範囲から適宜選択すればよい。その超音波ねじれ振動
を発生させる方法は、第１ａ図のように出力ブロック２
ｇの外周部に少なくとも１つの縦振動子２００，２００
のホーン２０１を接触させ、該縦振動子２００，２００
を作動させることでホーン部材２ｃにねじれ振動を創成
させるようにしてもよい。

しかし、振動系が複雑化することを避けるには第３図と
第３ａ図、第３ｂ図に示すような方法が好適である。す
なわち、この方法は、上下面に電極６０．６１を有し第
３ａ図の矢印のように同一円周方向に分極した複数個（
図示のものでは８個）の台形状圧電素子６をリング状に
接着することにより構成した振動子本体２０を用い、こ
の振動子本体２０を数個（図示では２個）前後の出力ブ
ロック２１．２２間の軸部２３に嵌め、締結ボルト２４
で出力ブロック２１．２２を締付は一体化することで予
圧を与えたものであり、端子２５．２６をアンプに接続
し分極方向と直角の電界を印加することで第３図や第３
ｂ図のような円周方向のねじり振動を発生させるように
している。この方法によれば、振動系を単純、小型化す
ることができる上に、電気音響変換効率が高くハイパワ
ーを実現できる。

研摩工具２ｂの形状は穴部１０等の形状寸法に対応した
ものを自由に選定することができる。すなわちたとえば
、第４図（ａ）のように四角形のもの、（ｂ）のように
三角形のもの、（ｃ）のように円柱または円筒形のもの
、（ｄ）のように角柱ないし角筒形のもの、（ｅ）のよ
うに多角錐形のもの、（ｆ）のように円錐形のものなど
任意である。また、研摩工具２ｂの工具部は（ａ）　（
ｃ）　（ｄ）で例示するように側面と端面のいずれかま
たは双方とすることができる。

工具部２０ｂは通常の場合砥石である。この砥石として
はメタルボンド、レジンボンド、ビトリファイドボンド
、電着などの慣用の各種固体を用いることができ（この
中には超微粒砥石も含まれる）、また第４図（ｂ）で例
示するするように研摩布紙類を接着したものでもよい。

さらには遊離砥粒を単独で又は併用してもよい。工具部
がメタルボンド砥石である場合には、第１図の仮想線で
示すように、研摩加工時に工具部２０ａと被加工材１と
の間に直流電源から電流を流してもよく、これにより放
電または電解が併用されるためより効率的に研摩を行え
る。

第５図は本発明による研摩加工例を示しており（ａ）は
被加工材ｌの表面工１を平面研摩する場合、（ｂ）は角
穴１０の側面や大成を研摩する場合、（ｃ）は複数個の
異形溝工２を研摩する場合、（ｄ）はスリット溝１３を
研摩する場合、（ｅ）は楕円穴１４を研摩する場合を示
している。これらにおいて、被加工材１又は／及び研摩
工具２ｂの相対移動のパターンは、クロス送り、ブロッ
ク送りは勿論、円弧送りなど任意である。

本発明は研摩工具２ｂ（ねじり振動子２ａ）を軸線の周
りに３６０度回転させないが、たとえば第５図（ｃ）の
ような形状を磨く場合には、３６０度未満の回転角で研
摩工具２ｂか被加工材１を２次元方向または３次元方向
に揺動させると工具部２゜ｂより広い面積を研摩できる
ため効果的である。

また、より粗さの均一化と能率の向上を図るには、送り
パターンとして微小円運動付きブロック送りや微小円運
動付きクロス送りが効果的である。

これはたとえば加工機のＸＹテーブルをＮＣ制御するこ
とで容易に実施できる。

加工面性状を向上させるには使用する砥石の粒度を小さ
くすればよい。この場合、切り屑排出を促進するには、
工具部２０ｂに切り屑排出用のスリットを入れたり、内
部から圧縮空気を送るなどの方法をとればよい。

〔実　施　例〕

次に本発明の実施例を示す。

実施例　１ ■０本発明により材質５５５Ｇの被加工材を研摩した。

ねじり振動研摩装置は第１図に示すものを用いた。ねじ
り振動子として、台形型圧電素子８個をリング状にした
ものを２個介装した直径４５＋１１ｆｉｌφ、全長１７
０＋ａｍのＢＬＴ型（最大負荷時の超音波出力２００Ｗ
）を用いた。

研摩工具としては、ホーンと一体化した四角形口３０ｍ
ａ＋［第４図（ａ）〕の電着ダイヤモンド砥石（＃１０
０，３００）と、三角形断面をなし底面にダイヤモンド
研摩布紙を接着した砥石（＃６００）の２種を使用した
。四角形砥石は振幅の小さい中央部を１、Ｏｎ＋ｍ深さ
だけ逃しである。

加工機は縦型マシニングセンタを用い、これにねじり振
動研摩装置を装着し、潤滑油マシン油を用いて湿式で研
摩を行った。被加工材はテーブル上の定圧テーブル上に
固定し、加工圧力ｐを一定とし、ストロークＬ（揺動長
さ）Ｌを５ＩＩ１１゜送り速度ｆを１５．５０，１００
，１５０ｍｍ／＋＋ｉｎとして研摩した。

■、まず、砥石として四角形を用い、加工圧力を６ｋｇ
ｆ／ｃｄとした条件でテーブルを５０ａ＋ｍ／ｗｉｎ、
６０回移動したが、超音波を°付加しない横送り移動で
は若干の筋がついたのみで磨き加工は全く行われなかっ
た。これに対し、共振周波数１９に■ Ｈｚの超音波を付与した場合、各辺の中央部で最大振幅
δ＝　１７．５μｍｐｐの周方向振動が発生し、砥石の
移動に沿った矩形の磨き面が形成された。

そこで次に送りパターンをクロス送り（６０回、１２ｍ
１ｎ）とブロック送り（６０回、　１２ｍ１ｎ）および
円運動付加ブロック送り（Ｒｏ、５＋　２０回、１５ｍ
１ｎ）を行った。その結果、シャープな角を有する異形
穴の側面および底面を研摩できた。また、ことに円運動
を付加した場合に良好な磨き面性状が得られた。

次にマシニングセンタのＮＣ駆動機能を利用して四角形
砥石に半径２５ｍｍの円弧軌跡を描かせながら超音波ね
じり振動を付与した。この結果第６図のような磨き形状
が形成され、したがって複雑形状にも自在に対応するこ
とができることがわかる。

実施例２、実施例１の結果を得て、実際にみがき加工を行った。

加工機と超音波振動装置は実施例１と同じであり、研摩
工具は電着ダイヤモンド砥石を使用し、被加工材に荷重
１０．Ｏｋｇｆで押し付けて磨き加工した。

加工条件は下記の通りである。

砥石条件：３０ｍ＋ａ口砥粒粒度：＄１００（粒径１７０〜２１０μｍ）被加工
材：５５５Ｃ表面粗さ（Ｒｍａｘ）　：　８０　μｔｍ加工面圧カニ
　１．９ｋｇｆ／ａＪ送り速度：　１００　ａｍ／ｎｕｎ送りパターン：微細円運動＋ブロック移動（第７図と第
７ａ図参照）微細円半径Ｒ０，５ｍｍ揺動ピッチＢ０．５ｍｍパス回数＝２０回 ■、この結果、加工深さ８３μｍ、表面粗さ（Ｒｍａｘ
）２１．８μｍの角穴を加工できた。加工時間は２６分
３４秒であった。

形状測定方向を第８図に、また測定結果（２０倍）を第
９図に示す。この結果から本発明は深い異形穴を均一に
磨き加工できることがわかる。

実施例３ ■、被加工材への押し付は力を２０．Ｏｋｇｆとして微
細円運動＋ブロック移動による磨き加工を行った後、同
一面上に加工条件のうち荷重のみを２．５ｋｇｆに変え
て再度磨き加工を行った。

実施例２と異なる加工条件のみを下記に示す。

荷重：　２０．Ｏｋｇｆ−＋２．５ｋｇｆ加工面圧カニ
　３．８ｋｇｆ／ａ＃→２．５ｋｇｆ／ａｄ送りパター
ン：微細円運動半径・・・８０．２５ｍｍ揺動ピッチ　　・・・Ｂ　Ｏ，２５ｍｍパス数：ｌ０回 ■、その結果、総加工深さ１３５μｍ、表面粗さ（Ｒｍ
ａｘ）１５．９　μｔｓの角穴を２７分４０秒で加工で
き、加工形状も第１０図のように均一であった。

実施例４ ■、実施例２，３の砥石を細かい粒度のものに変えて磨
き加工を行った。実施例２と異なる加工条件を下記に示
す。

砥石粒度：＃３２５（粒径５５〜６５μｍ）荷重：５．
Ｏｋｇｆ加工面圧カニ１．Ｏｋｇｆ／Ｃｉ送りパターン：微細円運動半径・・・Ｒ１，Ｏ＋＋ｖ＋揺動ピッチ　　
・・・Ｂ　１．０ｍｍパス数：１０回 ■、その結果、加工深さ４２μ道、表面粗さ（Ｒ＋＋＋
ａｘ）１４．３μｍの角穴を１２分３８秒で加工でき。

加工形状も第１１図（２００倍）のように均一であった
。

〔発明の効果〕以上説明した本発明によれば、平面や丸穴はもとより角
穴などの異形形状の穴の側面や底面を簡単且つ均一に磨
くことができるというすぐれた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第工図は本発明によるねじり振動を利用した研摩法の一
例を示す断面図、第１ａ図はねじり振動創生法の別の例
を示す斜視図、第２図は第１図における研摩状態を示す
横断面図、第３図（ａ）は第１図におけるねじり振動子
の側面図、第３図（ｂ）は振動モード図、第３ａ図はね
じり振動子の振動部の構成を示す斜視図、第３ｂ図はそ
のｌ単位を示す正面図、第４図（ａ）〜（ｆ）は本発明
に用いられる研摩工具を例示する斜視図、第５図（ａ）
〜（ｅ）は研摩態様を例示する斜視図、第６図は加工機
の機能を利用した本発明による複雑形状磨き例を示す平
面図、第７図は本発明の実施例における送りパターンの
説明図、第７ａ図はその一部拡大図、第８図は実施例に
おける加工形状測定方向を示す説明図、第９図ないし第
１１図は形状測定結果を示す線図である。１・・・被加工材、１０，１１，１２，１３，１４・・
・加工部、２・・・ねじり振動研摩装置２．２ａ・・・
ねじれ振動子、２ｂ・・・研摩ないし研削工具、６・・
・台形圧電素子、２０ｂ・・・工具部

Claims

【特許請求の範囲】

（１）被加工材を振動磨きする方法において、先端に研
削ないし研摩用の工具を固定したねじり振動子を用い、
前記ねじり振動子により工具をねじり振動させながら工
具と被加工材を２次元または３次元に相対移動させるこ
とにより、工具の側面又は／および端面で被加工材の要
部を磨くことを特徴とするねじり振動を利用した研摩法
。
（２）ねじり振動子を振動させる方法が超音波振動であ
る特許請求の範囲第１項記載のねじり振動を利用した研
摩法。
（３）超音波ねじり振動を縦振動子を組合せることで発
生させる特許請求の範囲第２項記載のねじり振動を利用
した研摩法。
（４）超音波ねじり振動を、同一円周方向に分極した圧
電素子をリング状に配し、分極方向と直角から電位印加
することで発生させる特許請求の範囲第１項又は第２項
記載のねじり振動を利用した研摩法。
（５）ねじり振動子を振動させる方法が超音波以外の動
力源である特許請求の範囲第１項記載のねじり振動を利
用した研摩法。
（６）ねじり振動子を軸線周りに３６０度未満の回転角
で低速で円運動させながら行う方法を含む特許請求の範
囲第１項記載ないし第５項いずれかに記載のねじり振動
を利用した研摩法。
（７）工具の形状が、円筒、円柱、円錐、部分球、多角
形、角錐等である特許請求の範囲第１項記載ないし第６
項いずれかに記載のねじり振動を利用した研摩法。
（８）工具の工具部が砥石、研摩布紙、または遊離砥粒
から選択使用される特許請求の範囲第１項記載ないし第
７項いずれかに記載のねじり振動を利用した研摩法。
（９）ねじり振動子と工具が加工機に装着され、自動磨
きされることを含む特許請求の範囲第１項記載ないし第
７項いずれかに記載のねじり振動を利用した研摩法。