JPH0451306B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は定荷重砥石に超音波振動と低周波振動
を与えて鏡面に近い仕上加工を行う如くなした定
荷重砥石に超音波振動と低周波振動を与える複合
仕上方法に関する。

（従来技術） 従来砥石を仕上方向と直角方向に低周波振動さ
せて仕上加工する仕上方法は公知である。又砥石
にこの低周波振動と同じ方向に超音波振動させて
精密加工する方法も公知である。

（発明が解決しようとする問題点） ところで上記従来技術のうち、低周波振動のみ
による方法は、金属材料の鏡面加工を対象とした
もので金属材料とその組成を異にする有機材であ
るゴム材のような軟質工作物に対してその技術を
そのまま適用してもその効果は全く得られない。
すなわち、砥石を金属材料加工面に加圧してこれ
を低周波振動させ、各砥粒の運動軌跡を交錯させ
ることによつて各砥粒の切削長さを寸断して切削
抵抗を軽減させて切削性を向上させることがゴム
のような軟質材に比べて剛性の高い金属材料に対
しては可能ではあるが、ゴムのような軟質材のよ
うに弾性に富む材料に対してはこの技術における
程度の切削長さの寸断では切削抵抗が減少せず、
工作物が弾性変形して逃げてしまい精密切削する
ことができない。

この砥石を低周波振動の方向と同方向に超音波
振動させる方法がある。この方法によつて各砥粒
の切削長さをより細かく寸断することができ切削
抵抗が激減してゴムのような軟質材の弾性変形を
極微少化して精密切削を可能とする。

しかし、この方法には加工できる工作物の形状
に制限が生ずる。すなわち、この方法は、一様な
平面あるいは円筒外周、穴面の仕上加工には適用
できるが、キー溝などの溝加工や底のある穴の穴
面の仕上加工には使用できないという問題があ
る。

すなわち、超音波振動よりも振幅の大きい低周
波振動の振幅が砥石の作用面と直交する工作物の
側面をたたいたり、所定寸法以上に加工して寸法
精度を狂わせる現象が生ずる。例えば、キー溝加
工ではキー溝側面をたたき、穴面加工では底面を
たたく現象を生ずる。そして、加工精度を低下さ
せたり、砥石を破損させたりして発明の効果を皆
無とする。

（問題点を解決するための手段） 本発明は上記問題点に着目してなされたもの
で、砥石を仕上面に加圧し、仕上面の法線方向に
超音波振動させ同時に仕上面と平行方向に低周波
振動させ砥粒で一様な表面粗さに加工し、次いで
目ずまりを生じた砥石に低周波振動のみを与えて
ゴム、セラミツクスなどの仕上加工を行う如くし
たことを特徴とするものである。

（実施例） 以下、図示した実施例に基づいて具体的に説明
する。第１図において、角形チツプ状砥石１を縦
超音波振動子３の振幅を拡大する振幅拡大用ホー
ン２の先端に取り付け、工作物７に対してその法
線方向である半径方向の矢印方向に超音波振動数
ｆ、振幅ａ４で超音波振動させる。超音波振動子
３は電わい振動子、磁わい振動子いずれでもその
作用効果は同一である。この縦超音波振動系砥石
を丸棒工作物７の軸方向に低周波振動数Ｆ、振幅
Ａ５で低周波振動させる。工作物７を矢印８の方
向に回転させ仕上速度Ｖを与え、仕上速度Ｖと低
周波振動の振動方向とを図示のように直角方向と
する。低周波振動駆動装置としては、三相誘導電
動機を利用した滑り子クランク機構、リンク機構
および空気圧、油圧を利用した装置あるいは電磁
振動、電気油圧振動駆動による装置などを用いる
ことができる。工作物の微小突起を削除して、一
様な表面粗さに粗仕上加工する粗仕上過程では、
砥石に超音波振動数ｆ、振幅ａ４と低周波振動数
Ｆ、振幅Ａ５を同時に作用させて工作物に対して
荷重Ｐ６を与え、加工抵抗に比例して加工が進む
ように粗仕上して、仕上過程では低周波振動数
Ｆ、振幅Ａの低周波振動のみによつて精密仕上げ
る。

第２図、第３図、第４図本発明が能率的な精密
仕上加工を可能とする理由について説明する。

第２図は、低周波振動数Ｆ、振幅Ａで矢印方向
に振動する砥石１上の砥粒群９の軌跡をモデル化
して工作物を１回転させてπdの長さに平面展開
した図上に示す図である。砥粒群９は仕上速度Ｖ
および振動数Ｆ、振幅Ａによつて変化する曲線状
の軌跡群１０を示す。このとき、速度Ｖが遅く、
振動数Ｆが高く、振幅Ａが大きい程、また砥粒径
が小さく砥粒密度が高い程、この曲線群は激しく
交錯する。そして切削長さが短かく寸断される。
パルス状の加工抵抗はこの切削長さに比例する。
切削長さが短くなればなる程加工抵抗は小さくな
る。従つて、砥石の単位面積あたり0.2〜１Kg
ｆ／cm²といつた微小加圧力Ｐを作用させることに
よつても粗仕上過程を満足させることができる。
そして、工作物７を表面を一様な粗さの凹凸面１
１に迅速に粗加工することができる。

このとき第３図のように工作物表面の法線方向
に砥石を超音波振動数ｆ、振幅ａの超音波振動を
重畳させて加工すると、砥粒群９は第２図におけ
る粗仕上面１１の山頂付近１２、山の斜面１３あ
るいは山頂を小刻みにえぐり取るような切削機構
を繰返して低周波振動のみの第２図における切削
長さをさらに微細に寸断する。すなわち、切りく
ずを極微細化することができる。そして、加工抵
抗を激減させることができる。一方、表面粗さよ
りも微細化して、見掛け上半分以下の細粒径によ
る砥粒による表面粗さと同等の粗さとなる効果が
得られる。

すなわち、第４図のように砥石を低周波振動
Ｆ，Ａ５に超音波振動ｆ，ａ４を重畳複合振動さ
せ、該砥石に定荷重Ｐを与えて砥粒群９によつて
微細表面粗さ１５の仕上面に加工抵抗少なく迅速
に粗仕上加工する。さらに平滑な仕上面粗さある
いは鏡面に加工するために超音波振動を停止して
低周波振動のみとする。規則的な表面粗さ１５の
山頂付近を第３図１２のようにして迅速に削除で
き、その多量の切りくずが目づまり１６の発生を
迅速化して砥石表面は迅速に平面化されて軽荷重
のもとに工作物表面は鏡面に近い平滑な仕上面１
７あるいは鏡面に迅速に超精密加工できる。

従来の低周波振動方向と超音波振動方向とを同
一とする重畳超仕上では、切りくず長さを砥粒の
運動軌跡を激しく交錯させることで寸断させた
が、本発明では工作物表面に微細に突起している
微細山群を砥粒群で小刻みに切削長さを極微細化
してコツコツと石材をのみでたたき割るようにし
て衝撃的にせん断変形させて切りくずを生成して
いくことを特徴とする。最近新素材として登場し
てきているフアインセラミツクスは微細クラツク
の連続発生によつて切削、研削が可能となる。従
来の重畳超仕上の振動方向のみではこのクラツク
の積極的発生は期待できない。このクラツクの発
生を砥石車のような高速回転をさせない極低速の
仕上用研削工具によつてセラミツクスの精密円
筒、穴、平面加工を円滑に実施するには本発明に
よる以外にその方法を見出すことができない。

第５図は本発明による円筒加工時の装置の一例
である。例えば10mm角のWA＃3000 Vit砥石を
28KHz20Wたて振動フエライト振動子３の振幅
拡大用ホーン２の先端に接着し、ホーン２の振動
節で取付板１８に固定する。取付板は加圧装置１
９にボルトで締付けて固定する。加圧装置は矢印
５の方向に低周波振動する振動軸２０に固定す
る。この振動軸を三相誘導電動機750W２２の回
転数3000rpmをベルト２３で増速して6000rpmと
してすべり子クランク機構を駆動しその回転運動
を揺動、往復運動にかえ振動数Ｆ＝100Hz、振幅
Ａ＝0.2mm程度で矢印５の方向に低周波振動させ
る。このような構造の低周波振動駆動装置２１を
旋盤往復台２４上にボルト２５で固定する。工作
物７を旋盤２６の主軸のチヤツク２７にチヤツク
して他端を心押台２９のセンタ２８で支持し矢印
８の方向に回転させる。砥石には加圧装置１９に
よつて加圧力Ｐ＝0.2〜１Kgｆ／cm²が与えられる
ようにする。振動子３は超音波発振機３０によつ
て超音波振動させる。この装置によつて砥石を超
音波振動数ｆ＝20〜40KHz、片振幅ａ＝２〜
20μm程度で超音波振動させ、かつ振動数Ｆ＝20
〜100Hz、片振幅Ａ＝0.1〜0.2mm程度で低周波振
動させることができ、超音波発振機の電源をオフ
することによつて低周波振動のみの精密仕上加工
が実施でき、本発明による精密円筒加工が円滑に
実施できる。

第６図は本発明による穴加工時の装置の一例で
ある。例えば、10mm角のWA＃3000 Vit砥石１を
28KHz20Wたて振動フエライト振動子３の振幅
拡大用ホーン２の先端にボルト３３で取付けた１
次の曲げ振動シヤンク３１の両端の振動腹に接着
する。超音波発振機３０によつて超音波振動子３
を超音波振動させると振幅拡大用ホーン２は矢印
４の方向に超音波たて振動する。そして曲げ振動
シヤンク３１は曲げ超音波振動して砥石１は穴面
に対してその法線方向である矢印３２の方向に超
音波振動させることができる。曲げ振動シヤンク
の次数をあげるとシヤンク長さを長くすることが
でき深穴の加工を可能とする。この砥石１に矢印
３５の方向の加圧力Ｐと往復の縦送りを与える。
この装置によつて超音波振動数ｆ＝20〜40KHz、
片振幅ａ＝４〜16μm程度で超音波振動させ、か
つ振動数Ｆ＝100Hz、片振幅Ａ＝0.2mm程度で低
周波振動させることができ、超音波発振機の電源
をオフすることによつて低周波振動のみの精密仕
上加工が実施でき、本発明による精密穴加工が円
滑に実施できる。

第７図は平面加工に対する本発明の実施例の１
例である。例えば、20mm角のWA＃3000 Vit砥石
１を20KHz、600Wたて振動電わい振動子３の振
幅拡大用ホーン２の先端に接着する。該ホーン２
の振動節を取付板１８で固定する。このたて振動
系砥石を取付けた取付板１８を加圧装置１９に固
定する。低周波振動駆動装置２１によつて駆動さ
れる振動方向が矢印５の方向となるように装置２
１を平削盤あるいは形削盤刃物台３６に取付ける
超音波発振機３０によつて超音波振動子３を励振
すれば砥石は工作物３４の法線方向に振動数ｆ＝
20KHz、片振幅ａ＝４〜20μm程度で超音波振動
する。この砥石に加圧力Ｐを矢印３５の方向に与
え、振動数Ｆ＝100Hz、片振幅Ａ＝0.2mm程度で
低周波振動させ、仕上速度Ｖをもつて仕上加工す
ることによつて本発明による精密加工が実施でき
る。

（効果） 第５図の円筒加工の場合について説明する。直
径30mm、長さ20mmのジルコニアセミツクス丸棒を
ダイヤモンドバイトで精密振動切削して表面粗さ
を10μmとなつてほぼ正円に近い円筒面に点在し
ている微少突起部を削除して表面粗さ
0.5μmRmax以内、真円度0.5μm以内の円筒面に
精密仕上する際に本発明を10mm角の厚さ５mmの＃
600角形ダイヤモンド砥石、超音波振動数
20KHz、振幅15μm、低周波振動数100Hz、振幅
0.2mm、仕上速度20m／min、加工圧0.5Kgｆ／cm²、
混式、送り速度0.1mm／revの加工条件で実施して
３分間以内の短い加工時間で所定の精度に砥石を
発熱させることなく、砥石の寿命を長くして精密
加工することに成功した。砥石の法線方向の超音
波振動によつて使用する加工液にキヤビテイシヨ
ンが発生し、生成される切りくずを強制的に排出
し、加工表面に切りくずによる引つかき傷の発生
を防ぐ効果も得られる。また、低周波振動で仕上
げる際にも、本装置によつて可能となる時々の法
線方向の超音波振動附加は砥石面に異常に付着す
る切りくずの除去と形直しにも役立つ。

本発明は、20m／min程度の低速度で回転する
工作物に角形チツプ状ダイヤモンド砥石を押しつ
けただけでは切りくずを生成することができない
セラミツクスの精密仕上加工を可能にし、焼入れ
鋼の鏡面仕上を従来の超仕上、重畳超仕上よりも
遥かに能率化することを特徴とする。なお、旋盤
に取付けて円筒加工する場合で説明したが軽量化
し、コンパクト小型化した手作業用本装置によつ
て手仕上することによつても本発明方法が実施さ
れることは云うまでもない。さらに、工作物をバ
イスなどに固定し、本装置を手作業によつて第１
図のように往復運動させてもよい。また、固定砥
粒による砥石にかわつて、ラツプを上述するよう
に振動させて遊離砥粒を用いてもよい。

次に第６図の穴加工について説明する。ジルコ
ニアを内径30.01mm、外径50mm、長さ20mmにダイ
ヤモンドバイトで精密振動切削して表面粗さ
10μmとなつてほぼ正円に近い真円度の円筒面に
点在している微少突起部を削除して内径30.02mm、
表面粗さ0.5μmRmax以内、真円度0.5μm以内の
精密穴面に精密穴加工しようとする際に、本発明
を、砥石シヤンク３１を２次の曲げ振動系シヤン
クとしてその両端に＃600の角形チツプ形状のダ
イヤモンド砥石を接着し、超音波振動数20KHz、
振幅12μm、低周波振動数100Hz、振幅0.2mm、仕
上速度10m／min、加工圧0.7Kgｆ／cm²、混式、送
り速度0.1mm／revの加工条件で実施して５分間以
内で所定の形状寸法、面精度に精密加工すること
に成功した。このように本発明はセラミツクスの
精密穴加工に画期的な効果をもたらすものであ
る。もちろん、焼入鋼などへの穴加工効果も顕著
で従来の超仕上、重畳超仕上の約２〜４倍に能率
を向上させる効果が得られる。本発明は、セラミ
ツクスの円筒や平面加工のほかに精密仕上加工が
困難な穴、特に小径深加工の超精密加工に適用し
て画期的効果をもたらすものである。そのセラミ
ツクスの加工に際してセラミツクスも超音波振動
させて本発明を実施すれば本発明の作用効果をさ
らに倍増させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による仕上方法とその特徴を簡
明に説明する図、第２図は砥石を低周波振動させ
たときの砥粒の運動軌跡を示し、切削長さが寸断
され切りくずが微細化されることを説明する図、
第３図は砥石を工作物の法線方向に超音波振動さ
せることによつて切削長さがさらに微細に寸断さ
れ切りくずがさらに微細化されることを説明する
図、第４図は本発明による仕上方法とその特徴を
説明する図、第５図は本発明による円筒加工方法
とその装置を説明する上面図、第６図は本発明に
よる穴の仕上方法とその装置を説明する上面図、
第７図は本発明による平面の仕上方法とその装置
を説明する側面図である。 １…超音波振動研削用ダイヤモンド砥石、２…
振幅拡大用ホーン、３…超音波振動子、４…超音
波振動、５…低周波振動、７…セラミツクス、３
０…超音波発振機、３１…曲げ超音波振動シヤン
ク、３５…加圧力Ｐ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 砥石を仕上面に加圧し、仕上面の法線方向に
   超音波振動させ同時に仕上面と平行方向に低周波
   振動させ砥粒で一様な表面粗さに加工し、次いで
   目ずまりを生じた砥石に低周波振動のみを与えて
   鏡面に近い仕上加工を行う如くなした複合振動砥
   石による精密仕上加工方法。