JPH0624691B2 - 砥石の複合振動によるワーク表面の精密表面研摩加工方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、砥石をセラミックス、ゴム、金属等のワーク
加工面上に加圧し、超音波振動と低周波振動の複合振動
を与え、回転することなく研摩加工するようにした砥石
の複合振動によるワーク表面の精密表面研摩加工方法に
関する。

（従来技術） 本発明者は先に砥石をワーク加工面に加圧し、ワークの
加工送り方向に低周波振動させて研摩加工する方法、更
に低周波振動と同じ方向に超音波振動を重畳させて精密
表面研摩加工する方法を開発した。

（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
ワーク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
錯させることによって各砥粒の研摩長さを寸断して研摩
抵抗を軽減させて研摩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、ゴムのような弾性に富む軟質材に対しては、
この技術における程度の研摩長さの寸断では研摩抵抗が
減少せず、ワークが弾性変形して逃げてしまい精密表面
研摩加工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。この方法によって各砥粒の研摩長さをよ
り細かく寸断することができ研摩抵抗が減少するのでゴ
ムのような軟質材の弾性変形を極微少化して或る程度の
研摩加工はできるが精密研摩加工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、砥石をワーク加工面に加圧し、ワークの加工送り方
向にワーク加工表面に沿って超音波振動させ乍ら、前記
ワークの加工送り方向に沿ったワーク加工表面と直角方
向に低周波振動させ、該砥石を回転することなくワーク
表面の精密表面研摩加工するもので、砥石に与える超音
波振動と低周波振動の方向を今までの技術と異にするも
のである。この複合、重畳振動によって各砥粒は超微細
化された凹凸部の凸部を研摩する研摩機構となり、研摩
長さを超微細に寸断し、切込みも超微小にしてしかも小
刻みに研摩し、あたかも砥石車を高速回転させて砥粒１
刃あたりの切込みを激減させて表面研摩加工するのと同
じような効果として加工抵抗を激減させてわずかな加圧
力でも弾性変形し易いゴムや通常の加圧力では加工困難
なセラミックの精密表面研摩加工を可能とすることを特
徴とする。

本発明は金属はもちろんであるが、特にゴムあるいはセ
ラミックスの超精密表面研摩加工に従来の上述の加工法
に比べて２倍以上の画期的な加工能率がえられる新しい
加工方法である。

（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図は本発明による砥石の複合振動による研摩加工方法
を示す。図において、チップ状砥石１を縦振動する超音
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、ワーク７の送り方向８と同方向４にワーク
加工面に沿って振動数ｆ、振幅ａ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。この超音波振動する砥石
１をワーク７加工面にそって、前記ワーク７の送り方向
と同方向４と直角方向５に振動数Ｆ、振幅Ａで低周波振
動させる。この砥石１に定荷重６を与え回転することな
く加工送り速度Ｖでワーク７の加工表面を研摩加工す
る。

第２図は本発明による穴面の研摩加工方法を示す。図に
おいて、砥石９をねじり超音波振動子を用いてねじり振
動させて、ワーク７の加工面に沿ったワークの送り方向
と同方向４に振動数ｆ、振幅ａで超音波振動させる。こ
のねじり超音波振動系砥石９をワーク７の穴表面にそっ
たワーク７の送り方向に直角な方向５に振動数Ｆ、振幅
Ａで低周波振動させる。この砥石９に定荷重６を与え回
転することなく加工送り速度Ｖで穴面を仕上加工する。

今、第３図に示したように、砥石１を矢印５の方向に低
周波振動させて、これを矢印８の方向に往復運動させ
る。この往復運動の速度は低周波振動と違いおそい速度
である。そのときの砥粒群１０運動軌跡の一部は曲線群
１１のようになる。図からわかるようにこの曲線群はお
互いに激しく交叉する。砥粒形状はこれを近似して円錐
体として考えることができる。図示の曲線群はこの円錐
体の頂点山の運動軌跡を示すものであるから、頂点山が
図示のように激しく交叉することを時間をかけて繰返し
ていくと、１つの砥粒の運動軌跡は寸断された微小直線
の集合になる曲線となるため、ワーク７の表面粗さ形状
１２は微細凹凸山形形状となる。砥粒は、このような微
細凹凸山形形状の凸部を研摩する機構となるため、切込
み深さを浅くして抵抗の小さい切削時間の短いパルス研
摩力をもって研摩することができるようになる。

これに対して第４図のように、矢印４の方向に振動数
ｆ、振幅ａの超音波振動を付加する。このときの砥粒群
１０のうちの１つの砥粒の運動軌跡を示すと、第３図の
振動数１００Hz、振幅０．２mm程度の低周波振動姿態に
よる運動軌跡１１に超音波振動数２０ＫHz、振幅２０μ
ｍ程度の超音波振動姿態による運動軌跡１３を重畳した
運動軌跡となる。

したがって、砥粒群１０によるこの運動軌跡はワーク加
工面を余すところなくお互いに激しく交叉し相って砥石
作用面各砥粒による研摩長さを極微細に寸断してこれを
さらに小刻みにワークの加工送り方向に研摩して抵抗の
小さい作用時間の短いパルス研摩力を作用させよって精
密表面研摩加工することを可能とする。

第５図のように、砥石を加工送り方向にワーク加工表面
に沿って振動数ｆ、振幅ａの超音波振動を重畳させて研
摩加工すると、各砥粒の運動軌跡はさらに細かく交叉し
て研摩長さが寸断でき、砥粒群１０は低周波振動のみの
第３図における微細山形形状の山頂付近、あるいは微細
山をさらに細分割する研摩機構として、第５図のような
微細凹凸山形形状の表面粗さ形状を自成しながらこれを
小刻みに研摩していく過程を繰返してゴムの微細山は削
除し易く、セラミックスの微細山にはクラックもわずか
な力で発生させ易くしてゴム、金属、セラミックスなど
の工作物を所定形状寸法に精密表面研摩加工することを
可能とする。

次に本発明を施す装置の一実施例について説明する。第
６図は平面加工に対する実施例である。

例えば１０mm角、厚さ５mm＃６００のダイヤモンド砥石
１を２０ＫHz、６００Ｗ縦振動電わい振動子３の振幅拡
大用ホーン２の先端にボルトで固定して取り付けた曲げ
振動砥石シャンク１４の両端に接着する。ホーン２に振
動節を取付板１５で固定する。取付板１５を加圧装置１
６に固定する。この加圧装置は低周波振動駆動装置１８
によって紙面に直角な方向５に低周波振動する振動軸１
７に取り付ける。低周波振動駆動装置は三相誘導電動機
１９とベルト２０によって一定方向に高速回転する振動
駆動軸の回転運動を偏心カムとすべり子クランク機構に
よって変換し、振動軸１７を矢印５の方向に最大振動数
１００Hz以内、片振幅０．２mm程度で振動させる。この
装置１８を平研摩あるいは平研摩盤刃物台２１に矢印８
の加工送り方向と紙面に直角な方向５の振動方向とが直
交するようにして取り付ける。

超音波発振機２２によって超音波振動子３を励振すれ
ば、砥石はワークの加工送り方向と同方向に超音波振動
数ｆ＝２０ＫHz、片振幅ａ＝４〜１５μｍ程度で超音波
振動する。この砥石に加圧力Ｐを矢印６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、１〜２０m/min程度の加工送り速度Ｖをもっ
て研摩加工することによって本発明による精密表面研摩
加工が実施される。低周波振動駆動装置としては、上記
した方向以外に三相誘導電動機を利用したリンク機構お
よび空気圧、油圧を利用した装置あるいは電磁振動また
は電気油圧振動駆動による装置などによる方法を用い
る。

本発明の実施において、加工表面に沿った方向に対する
超音波振動方向および低周波振動方向との関係には、そ
のそれぞれの主成分が加工表面に沿った加工送り方向に
対して超音波振動方向については同方向であり、低周波
振動方向については直交する方向である場合はすべて本
発明に包含される。

第７図は穴加工に対する装置の一実施例である。ワーク
の加工寸法の内径をもって砥石作用面の曲率半径とする
ダイヤモンド砥石９を例えば２８ＫHz、１５０Ｗねじり
超音波振動子３の振幅拡大用ホーン２の先端に接着す
る。このねじり振動砥石９の振動中心軸と工作物７の回
転中心軸とが一致するようにしてホーン２の振動節を利
用して取付板１５によって加圧装置１６にねじり振動砥
石振動系を取り付ける。加圧装置１６は低周波振動駆動
装置１８によって振動数Ｆ＝１００Hz以内、片振幅Ａ＝
０．２mm程度で工作物の回転中心軸と平行方向となるよ
うに、旋盤２４の往復台２３上に固定する。超音波発振
機２２によってねじり超音波振動子３を励振すると、ダ
イヤモンド砥石はねじり振動してワークの加工送り方向
と同方向に超音波振動数ｆ＝２８ＫHz，片振幅ａ＝４〜
２０μｍ程度で超音波振動させることができる。この砥
石に加圧力Ｐを矢印６の方向に与え、振動数Ｆ＝１００
Hz、片振幅Ａ＝０．２mm程度で低周波振動させ、１〜２
０m/min程度の加工送り速度Ｖをもって研摩加工するこ
とによって本発明によるゴム，セラミックスなどの精密
穴研摩加工が実施される。

（効果） 本発明によると、砥石をワーク加工面に加圧し、ワーク
の加工送り方向にワーク加工表面に沿って超音波振動さ
せ乍ら、前記ワークの加工送り方向に沿ったワーク加工
表面と直角方向に低周波振動させ、該砥石を回転するこ
となくワーク表面の精密表面研摩加工する如くなってい
るので、直径５mm、厚さ２mmの薄板アルミナを３０枚１
列に真空チャックしてその表面を＃６００、１０mm角の
ダイヤモンド砥石を用いて超音波振動数２０ＫHz、振幅
１５μｍ、低周波振動数１００Hz、振幅０．２mm、ワー
クの加工速度２m/min、加圧力１kgｆ／cm²、乾式の加工
条件で本発明を実施して精密表面研摩加工することによ
って、前加工での表面粗さ１０μmRmaxとなっている各
工作物加工面上を一往復させるだけで表面粗さ２μmRma
x、平面度０．１μｍ、割れ、端面の欠け、だれを皆無
にして表面研摩加工することに成功した。

他の１例として、端面が０．０２mmの平面度の凹面とな
っている直径５mmの硬質ゴム製品の端面を上記と同一の
加工条件で本発明を実施することによって、従来の表面
研摩加工では に加工できなかった点を改善して平面度＝０の平面に本
発明の砥石を一往復させるだけで加工することに成功し
た。

穴加工では、砥石ＷＡ＃３０００砥石、超音波振動数２
８ＫHz、振幅１６μｍ、低周波振動数１００Hz、振幅
０．２mm、加工送り速度２０m/min、加圧力１kgｆ／c
m²、湿式の加工条件で、焼入鋼ＨＲＣ５０直径２０mm、
内径８mm、長さ２０mmの穴面を従来の超仕上、重畳超仕
上の約２〜４倍の能率で表面粗さ０．１μmRmaxの真円
度０．２μｍに研摩加工することに成功した。

本発明は、ゴムなどの軟質材料およびセラミックスなど
の硬ぜい材料の精密表面研摩加工に画期的効果を発揮す
る。そして、セラミックスの加工に際してセラミックス
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うる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるワーク加工面の研摩加工方法を示
す斜視図、第２図は本発明による穴の研摩加工方法を示
す側断面図、第３図は本発明に於ける砥石を低周波振動
させたときの砥粒の運動軌跡を示し、研摩長さが寸断さ
れ切りくずが微細化されパルス研摩力となることを示す
説明図、第４図は本発明に於ける砥石を加工送り方向に
ワーク加工表面に沿って超音波振動させることによって
研摩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、作用時間の短い、周期の短いパルス研摩力とな
ることを示す説明図、第５図は本発明に於て微細凹凸山
の表面粗さ形状として作用時間の短い、周期の短いパル
ス研摩力で研摩加工する時の説明図、第６図は本発明に
よる研摩加工方法を行う場合の一実施例装置側面図、第
７図は本発明による穴の研摩加工方法を行う場合の一実
施例装置平面図である。 １…超音波振動研摩用砥石 ２…振幅拡大用ホーン、３…超音波振動子 ６…定荷重、８…送り方向 ９…ねじり振動砥石 １４…曲げ振動砥石シャンク １８…低周波振動駆動装置 ２２…超音波発振機

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】砥石をワーク加工面に加圧し、ワークの加
   工送り方向にワーク加工表面に沿って超音波振動させ乍
   ら、前記ワークの加工送り方向に沿ったワーク加工表面
   と直角方向に低周波振動させ、該砥石を回転することな
   くワーク表面の精密研摩加工をする如くした砥石の複合
   振動によるワーク表面の精密表面研摩加工方法。