JPH06339865A

JPH06339865A - 超音波研削用カップ砥石及びこれを用いた超音波研削加工機

Info

Publication number: JPH06339865A
Application number: JP4042850A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Shimizu; 弘幸清水; Keiichi Kimura; 景一木村; Kenichi Kawaguchi; 健一川口
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1992-02-28
Filing date: 1992-02-28
Publication date: 1994-12-13

Abstract

(57)【要約】【目的】セラミックスのような硬くて脆い被加工物に
対して、直径の異なる２種以上の円周状の溝を高能率で
加工する。【構成】超音波研削用カップ砥石１１の振動体１２
を、半球形状部１５、砥石取り付け部１３、およびこれ
らの間に設けられた円筒形状部１６とで一体形成した。
そして、円筒形状部の長さを適宜選択することで、この
振動体の共振周波数を一定にしたまま該振動体を所望の
寸法に設定するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波研削加工技術を
適用したセラミックスの研削加工機に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】ファイン・セラミックス（以下、セラミ
ックスと略す）のような硬くて脆い材料の加工には、超
音波振動を付加したダイヤモンド砥石を用いた超音波研
削加工が有効であることは、以前より知られている。そ
して、この超音波研削によってセラミックスに円周状の
溝を加工するには、以下の２つの加工方法が用いられて
いた。

【０００３】第１の加工方法は、小径の軸付き砥石を用
いるものである。図５は、この第１の加工方法を示す概
略図である。まず、回転する小径（例えば、φ10mm程
度）の軸付き砥石５１に超音波振動を付加して、セラミ
ックスからなる固定された被加工物５２に垂直方向から
切り込みを与える。次に、所望の円周状の溝の半径を回
転半径として、軸付き砥石５１を被加工物５２に対して
一周させる。軸付き砥石５１が始点（切り込みを与えた
位置）に戻ることにより、被加工物５２に円周状の溝５
３が形成される。

【０００４】この方法では、直径の異なる円周状の溝を
加工する場合には、軸付き砥石５１の回転半径を加工す
べき円周状の溝の寸法に応じて変化させることで対応し
ていた。第２の加工方法は、砥石の作業面が所望の円周
状の溝形状に合った形状に成形された研削用砥石を用い
るものである。

【０００５】図４は、この第２の加工方法を示す概略図
である。まず、加工する円周状の溝の形状に合わせて成
形（ツルーイング）された作業面を有するダイヤモンド
砥石４３を備えた超音波研削用砥石４１に対し、超音波
振動系によって超音波振動を付加する。この時使用する
超音波振動系は、例えば、外部励振源となるボルト締め
ランジュバン型振動子（図示せず）および振幅拡大ホー
ン４６からなるものである。

【０００６】次に、研削用砥石４１を、セラミックスか
らなる回転（自転）している被加工物４７に該被加工物
４７の回転軸Ｔと同一軸上から一定荷重で垂直方向（図
中矢印Ｓで示す）に押し付ける。これにより、ダイヤモ
ンド砥石４３に対応した形状を有する溝４８が形成され
る。ここでは、前記作業面は、所望の溝形状に対応して
形成されており、前記加工によりこの作業面の形状と同
形状（ただし、反転した形状であり互いを嵌め合わせる
ことが可能）の溝が形成される。

【０００７】この第２の加工方法で使用される研削用砥
石４１は、椀状回転体に形成された振動体（以下、カッ
プ振動体という）４２と、この振動体の先端に固定され
た、加工する円周状の溝の形状に合わせて形成されたダ
イヤモンド砥石４３とで構成されているものである。ま
た、この振動体は、ダイヤモンド砥石に対して台金とし
ても機能している。そして、このような研削用砥石は、
カップ砥石といわれている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、前記第１の
加工方法においては、軸付き砥石の送り速度が小さいの
で被加工物上を一周するのに時間がかかり、溝の加工に
長時間を要するという問題があった。また、加工中に軸
付き砥石に工具摩耗が発生するために、形状精度が低下
していた。例えば、磨耗により砥石の直径が変化（減
少）すると加工が進むにしたがって溝の幅が異なってし
まう。また、磨耗により砥石の軸方向の長さが減少する
と、溝の深さが一定でなくなってしまう。

【０００９】さらに、直径の異なった別の円周状の溝を
加工する場合には、その直径に合わせて軸付き砥石の位
置決めを行なう必要があった。そのため、例えば数種の
溝を同心円状に形成させる場合、高い精度を備えた位置
決め機能が必要とされていた。一方、第２の加工方法に
おいては、円周状の溝を加工する場合その溝の直径およ
び幅に合った寸法を有するカップ砥石を用いることにな
る。しかし、砥石を構成するカップ振動体の共振周波数
は、この振動体の直径および厚みに応じて決定されるた
め、寸法が異なるカップ砥石を用意すると各々の砥石の
共振周波数も異なることになる。従って、共振周波数に
応じてそれぞれのカップ砥石に超音波振動を与える振動
系が必要になる。

【００１０】しかし、超音波研削加工機における振動系
の交換は簡単には行なうことができない。そのため、加
工機に２種以上の振動系を備える必要が生じるが、そう
すると加工機の構造が複雑化してしまう。本発明は、以
上のような問題点を解決することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的のために本発明
では、カップ状に形成された振動体とこの振動体の作業
面に設けられた砥石からなる超音波研削用カップ砥石に
おいて、前記振動体が、超音波振動が入力される半球形
状部、超音波振動が出力される砥石取り付け部およびこ
れら半球形状部と砥石取り付け部との間に設けられた円
筒形状部、とで一体に形成され、該円筒形状部の長手方
向の寸法を適宜選択することで、この振動体を共振周波
数を一定にしたまま所望の寸法に設定できるようにし
た。

【００１２】

【作用】本発明の超音波研削用カップ砥石は、振動体の
半球形状部と砥石取り付け部との間に設けた円筒形状部
の長さ、および厚さを適宜選択することにより、この砥
石全体の振動次数を変化させることができる。これは、
図１、図２、図６に示す振幅分布１８、２８、６８から
わかるように、振動体に円筒形状部を設けて振動次数を
変化させることで、共振周波数の選択幅を広げたことに
より可能となったものである。従って、振動体の作業面
である砥石取り付け部の外径を変化させることなくこの
振動体の共振周波数を変化させることが可能となる。

【００１３】つまり、振動体の共振周波数を一定にした
まま前記円筒形状部の寸法を変えることで、カップ砥石
の直径を変えることができる。従って、１つの超音波振
動系による単一の共振周波数において複数の直径の異な
る円周状の溝を加工することが可能となる。また、振動
体に設けられたダイヤモンド砥石の作業面は、所望の溝
の形状に対応した形状に成形してあるので、一つの軸か
らのカップ砥石の押し付けによってのみ円周状の溝の加
工が行われる。そのため、ダイヤモンド砥石を形成して
いる砥粒１粒が被加工物を研削する量が、従来に比べて
少なくなる。その結果、磨耗の原因となる砥石の研削力
および研削熱が減少し、砥粒にかかる負荷が小さくな
り、工具磨耗を抑えることができ精度良く加工できる。
また、工具磨耗が生じ難くなるため、砥石の切れ味の良
い状態が持続し高能率化がはかれる。

【００１４】さらに、従来のように、工具（軸付き砥
石）を被加工物上で移動させる送り運動、およびこの軸
付き砥石の始点を定める位置決め作業が共に不要になる
ため、加工作業の能率が向上する。

【００１５】

【実施例】図１は、本発明による超音波研削用カップ砥
石の概略断面図である。超音波研削用カップ砥石１１
は、構造用炭素鋼からなる振動体１２と、この振動体１
２の先端に設けられた砥石取り付け部１３に固定された
（メタルボンド）ダイヤモンド砥石１７とで構成され
る。また、振動体１２は、超音波振動子または振幅拡大
ホーン（共に図示せず）に接続されて超音波振動の入力
端となるボス部１４、半球状台金部１５、および砥石取
り付け部１３と半球状台金部１５との間に設けられた円
筒状台金部１６とで一体に形成されている。なお、半球
状台金部の曲率中心Ｏは、この半球状台金部と円筒状台
金部との境界面Ｐ上に位置するよう設定されている。

【００１６】振動体１２の寸法は、外径Ｄ₁がφ78 mm
、内径Ｄ₂がφ60mm、半球部の肉厚ｔが９mm、半球状
台金部１５の長さＬ₁が39mm、円筒状台金部１６の長さ
Ｌ₂が39mmに設定されており、その共振周波数ｆは25.3
kHzである。比較例として、図６に振動体に円筒状台金
部を設けていない超音波研削用カップ砥石６１の概略断
面図を示す。このカップ砥石６１は、砥石１１と同様の
材料からなる振動体６２と、この振動体６２の先端に設
けられた砥石取り付け部６３に固定されたメタルボンド
ダイヤモンド砥石６７とで構成される。振動体６２は、
超音波振動の入力端となるボス部６４と半球状台金部６
５だけで一体に形成され、円筒状台金部を有していな
い。この場合、半球状台金部の曲率中心Ｏは、この半球
状台金部とダイヤモンド砥石６７との接合面Ｑ上に位置
する。

【００１７】このカップ砥石６１の振動体６２の寸法
は、外径Ｄ₁がφ78mm、内径Ｄ₂がφ60mm、半球部の肉
厚ｔが９mm、半球状台金部６５の長さＬ₁が39mmに設定
してあり、その共振周波数ｆは、約20 kHzである。この
ように、本発明におけるカップ砥石１１は、振動体１２
に円筒形状部を設けることでカップ砥石の外径（共にφ
78mm）を変えることなくその共振周波数を変化させるこ
とができる。

【００１８】図２は、本発明のカップ砥石の他の実施例
の概略断面図である。このカップ砥石２１の振動体２２
の寸法は、外径Ｄ₁がφ98.4 mm 、内径Ｄ₂がφ83.6m
m、半球部の肉厚ｔが7.4 mm、半球状台金部２５の長さ
Ｌ₁が49.2mm、半球状台金部２５とダイヤモンド砥石２
７との間に設けられた円筒状台金部２６の長さＬ₂が7
5.8mmに設定されている。この時、カップ砥石２１の共
振周波数ｆは25.3 kHzとなり、図１に示したカップ砥石
２１とほぼ等しい共振周波数にすることができる。

【００１９】以上のように、本発明によるカップ砥石
は、その外径が変化してもその共振周波数を一定に保つ
ことができるため、単一周波数を持つ超音波振動系にお
いて複数のカップ砥石を交換して使用することが可能に
なる。また、図７に示す砥石７１のように、振動体７２
における半球台金部７５の外径Ｄ_Aと砥石取り付け部７
３の外径Ｄ_Bが異なるように設定し、この半球台金部７
５と砥石取り付け部７３との間に中間部７９が設けられ
るように振動体を一体に形成してもよい。この時、中間
部７９は図に示すように形状が笠状となる。この例で
は、中間部７９によって振動次数を変化させることで振
動体７２の共振周波数の選択幅を広げている。この時、
砥石取り付け部７３は被加工物に垂直方向から振動を与
えるように形成しておく必要がある。

【００２０】このように、振動体の共振周波数を一定に
したまま中間部７９および砥石取り付け部７３の寸法を
変えることで、砥石の直径（砥石の作業面の直径）を変
えることができる。なお、中間部の形状は振動次数を変
化させる作用を有するならば特に限定されるものではな
い。図７では半球台金部７５と砥石取り付け部７３とを
円錐の一部で結ぶ例を示したが、これを球面の一部とし
ても構わない。

【００２１】図３は、本発明のカップ砥石を用いる超音
波研削加工機の概略構成図である。この加工機は、振動
子３２と振幅拡大ホーン３３とで超音波振動系を構成
し、この振幅拡大ホーン３３に装着された超音波研削用
カップ砥石３１に超音波振動を与えるようになってい
る。被加工物（例えば、アルミナ・セラミックス）３８
は、回転テーブル３４に載置される。この回転テーブル
３４は、モータ３５と接続され回転（自転）可能になっ
ている。

【００２２】前記超音波振動系とカップ砥石３１とは、
被加工物３８の回転中心Ｔと略同軸上に配置される。そ
して、シリンダ（例えば、エアシリンダ）３６とリニア
ガイド３７によって図中矢印Ｓで示す方向にスライドで
きるようになっている。加工時は、まず前記超音波振動
系によってカップ砥石３１に超音波振動を与えるととも
に、モータ３５で回転テーブル３４を回転させて被加工
物３８を回転させる。そして、シリンダ３６によって前
記超音波振動系およびカップ砥石３１をリニアガイド３
７に沿ってスライドさせ、砥石３１を前記振動系ごと被
加工物３８に対し一定荷重で押し付けることで被加工物
３８に円周状の溝を形成する。本実施例の加工機では、
押し付ける際の荷重値を任意に設定できるようにしてあ
る。

【００２３】なお、被加工物３８をＳ方向に移動させる
ことでこの被加工物３８とカップ砥石３１とを押し付け
るようにしても構わない。また、回転テーブル３４を回
転中心Ｔに垂直な平面内で移動させるＸＹステージを設
け、被加工物３８の加工する位置を調整できるようにし
てもよい。前述のように、本実施例の加工機で使用する
カップ砥石は、加工する溝の直径によってその形状が異
なっていても共振周波数は等しい。そのため、１種の共
振周波数のみで共振する超音波振動系を有する加工機に
対し、各カップ砥石を交換して使用することができる。
また、寸法の異なるカップ砥石に交換して同様の加工を
行なえば、１つの被加工物に対して直径の異なった数種
類の溝を同心円状に加工することが可能となる。

【００２４】本実施例において、２種のカップ砥石を用
いて被加工物に対し深さ0.5 mmの円周状の溝を加工した
ところ、一本あたりの溝の加工時間はいずれの場合も５
分以下であった。次に、従来（前記第１の加工方法）の
ように小径の（φ10mm程度）軸付き砥石を用いてアルミ
ナ・セラミックスに円周状の溝を加工し、その加工時間
を本実施例と比較する。

【００２５】本実施例で用いた２種類のカップ砥石によ
って加工される溝の直径は、カップ砥石１１では約70m
m、砥石２１では約90mmとなる。そこで、これらとほぼ
同径の溝を、前記軸付き砥石により、切り込み深さを0.
5mm 、砥石の横送り速度を約10mm／min に設定して加工
した。その結果、加工に要した時間は、それぞれ25分、
31分となり、合計では56分であった。実際には、溝の直
径に合わせて軸付き砥石の加工の始点を定める位置決め
作業が必要となるため、さらに多くの時間が必要とな
る。これに対して本実施例では、前述のように１溝あた
りの加工時間は全て５分以下であり、２種類の溝の合計
でも10分以下となる。

【００２６】このように、本発明により大幅な加工時間
の短縮が可能となる。以上、２種類のカップ砥石につい
てのみ説明したが、カップ砥石の円筒状台金部の寸法を
適宜選択することで、より多くの寸法の異なるカップ砥
石を同一の共振周波数で使用することができる。また、
加工機に必要な超音波振動系は１種だけでよいので、加
工機の構造を複雑化しないで済むという利点もある。

【００２７】

【発明の効果】以上のように、本発明では形状寸法の異
なる複数のカップ砥石の共振周波数を一定にすることが
できるので、一つの超音波振動系を用いて複数のカップ
砥石を交換して使用することが可能となる。そのため、
ファイン・セラミックスのような硬くて脆い材料からな
る被加工物に対し、直径の異なる２種以上の円周状の溝
を高能率で加工することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】は、本発明の超音波研削用カップ砥石の一実施
例を示す概略断面図である。

【図２】は、本発明の超音波研削用カップ砥石の他の実
施例を示す概略断面図である。

【図３】は、本発明の超音波研削加工機の概略構成図で
ある。

【図４】は、カップ砥石を用いた円周状の溝の加工法を
示す概略図である。

【図５】は、小径の軸付き砥石を用いた従来の円周状の
溝の加工法を示す概略図である。

【図６】は、従来のカップ砥石の概略断面図である。

【図７】は、本発明の応用例を示す概略断面図である。

【図８】は、図７に示すカップ砥石の概略斜視図であ
る。

【主要部分の符号の説明】

１１超音波研削用カップ砥石１２振動体１３砥石取り付け部１４ボス部１５半球状台金部１６円筒状台金部１７ダイヤモンド砥石１８振幅分布２１超音波研削用カップ砥石２６円筒状台金部３１超音波研削用カップ砥石３２振動子３３振幅拡大ホーン３４回転テーブル３５モータ３６シリンダ３７リニアガイド３８被加工物６１超音波研削用カップ砥石６８振幅分布

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】カップ状に形成された振動体とこの振動
体の作業面に設けられた砥石からなる超音波研削用カッ
プ砥石において、前記振動体が、超音波振動が入力される半球形状部、超
音波振動が出力される砥石取り付け部およびこれら半球
形状部と砥石取り付け部との間に設けられた円筒形状
部、とで一体に形成され、該円筒形状部の長さを適宜選択することで、この振動体
を共振周波数を一定にしたまま所望の寸法に設定できる
ことを特徴とする超音波研削用カップ砥石。
【請求項２】請求項１記載の超音波研削用カップ砥石
を用いて、被加工物に直径の異なる２種以上の円周状の
溝を加工することを特徴とする超音波研削加工機。