JPH1058208A - 超音波振動切削に用いられる切削工具、および、これを用いた超音波振動切削装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】大がかりな機構を用いなくとも、工具摩耗の低
減下を図ることができる切削工具、及び、これを用いた
超音波振動切削装置を提供する。 【解決手段】超音波によってたわみ振動をするバイトシ
ャンク１１と、バイトシャンク１１の先端部に設けられ
たバイトチップ１２とを備え、バイトチップ１２は、す
くい面１２ｃを含んだ仮想平面をバイトシャンク１１が
有するたわみ変位の中立面１６に対面させた状態で設け
られている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属材料、プラス
チック材料等の切削加工技術に関し、特に、超音波振動
を用いた超音波振動切削に関する。

【０００２】

【従来技術】振動切削は、昭和３０年頃日本で発明され
た技術であり、いくつかの技術的な改良が行われ、現
在、切削加工技術の分野で実用化されている。

【０００３】図８には、被加工物１１１を回転させなが
ら振動切削にて２次元切削を行っている様子が示されて
いる。

【０００４】振動切削が通常の切削と異なるところは、
同図に示すように、バイト刃先１１０ａを主分力方向に
積極的に振動させて被加工物を切削する点にある。この
ような振動切削においては、従来より、以下に示す作用
が認められている。

【０００５】（１）工具刃先からの発熱が減少する。

【０００６】（２）振動周波数と被加工物の周波数応答
との関係により剛体化作用がある。

【０００７】（３）平均切削抵抗が数分の１から数十分
の１に減少する。

【０００８】そして、これらの作用により、主に、以下
に示す効果を得ることができる。

【０００９】（１）工具の寿命が延びる。

【００１０】（２）難削材の加工が比較的容易にできる
ようになる。

【００１１】（３）びびり振動が発生しにくく、内周加
工や薄肉の被加工物に対して良好な仕上げ面を得ること
ができるようになる。

【００１２】（４）ダイヤモンドバイトにより鉄系の金
属の加工が可能になる。

【００１３】なお、上記の作用／効果を十分なものにす
るためには、（式１）に示す条件下でバイト刃先に連続
した振動を発生させ、パルス状の切削力を被加工物に作
用させて加工を進める必要がある。

【００１４】

【数１】

【００１５】すなわち、被加工物の切削速度Ｖｗに対し
てバイト刃先の振動速度Ｖｖが必ず高くなるようにして
切削を行えば、上述の各種作用効果を十分に得ることが
できるようになる。（式１）を見てもわかるように、こ
の際、振動周波数ｆとバイト刃先振幅ａの双方を極力高
めることが加工能率の点で有利である。

【００１６】また、バイト刃先の振動１サイクルで被加
工物が切削される距離Ｌｔと、振動周波数ｆとの関係
は、（式２）に示す通りであるが、距離Ｌｔが短いほど
振動切削の効果は高いので、振動周波数ｆを極力高めて
加工することが肝要である。

【００１７】

【数２】

【００１８】以上の各条件を鑑みて、バイト刃先には、
普通、超音波領域の機械的振動を付与して切削加工を行
うこととなる。一般には、ｆ＝２０〜５０ｋＨｚ（ｆ：
周波数）、ａ＝１０〜３０μｍ（ａ：振幅）の超音波振
動を用いることが多い。

【００１９】図９に縦振動子を用いた超音波振動切削装
置の構成を示す。

【００２０】この超音波振動切削装置では、切削工具９
０がサポート金具９３に取付けられており、発振器で発
生した電気信号をボルト締めランジュバン型超音波振動
子１００にて機械的な振動に変換し、その振幅を振幅拡
大ホーン１０１で拡大する。振幅拡大ホーン１０１で得
られた縦振動は、振幅拡大ホーン１０１とバイトシャン
ク９１との結合点で、バイトシャンク９１のたわみ振動
に変換され、バイトシャンク９１の先端に設けられたバ
イトチップ９２に伝達する。この際、ボルト締めランジ
ュバン型超音波振動子１００、振幅拡大ホーン１０１、
および、たわみ振動をするバイトシャンク９１、バイト
チップ９２で構成される振動系が共振系を為すよう、該
振動系が持つ固有振動数を発振器から発振する。このよ
うにすれば、振動効率が増すとともに、高いバイト刃先
振幅を得ることができるようになる。なお、超音波振動
の発生源としては、従来は縦振動子を用いたものがほと
んどであったが、最近ではたわみ振動やねじり振動を直
接発生させることができるたわみ振動子やねじり振動子
を利用することもある。

【００２１】図１０には、従来の切削工具の一例である
バイト４０の先端部分の外観が示されている。バイトチ
ップ４２は、バイトシャンク４１の先端部分の切欠きに
配置されて取付けねじ４３で固定されている。

【００２２】たわみ振動をするバイトシャンク４１の様
子は、図１１に示されている。ここでは、バイトシャン
ク４１が共振状態で超音波振動しており、該バイトシャ
ンク４１には、振動姿態としての定在波４４が発生して
いる。定在波４４の各所には、波の干渉により振幅がゼ
ロになるところ（振動の節）が存在する。バイトチップ
４２の刃先４２ａは、バイトシャンク４１の先端に最も
近い振動の節４５を中心に矢印Ａ方向に円弧運動し、こ
こでは図示しない被加工物を切削する。

【００２３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
バイト４０では、以下に示す理由により、振動切削中に
不都合が生じることとなる。

【００２４】ここで、前述した刃先４２ａの動きを図１
２を用いて再度確認する。

【００２５】バイト４０は、矩形断面を持つ棒状体をバ
イトシャンク４１として用い、その先端部分の切欠きに
バイトチップ４２を取り付けた構造になっているが、こ
のような切削工具を共振状態で超音波振動させた場合、
バイトチップ４２の刃先４２ａの円弧運動の中心（すな
わち、振動の節４５）は、バイトシャンク４１が有する
たわみ変位の中立面４６上に存在するものと考えられ
る。

【００２６】例えば、同図において、バイトシャンク４
１の中立面４６からバイトチップ４２の刃先４２ａまで
の距離ｈを約５ｍｍに設定した状態で、バイト刃先４２
ａの振幅ａが約２０μｍ（すなわち、２ａ＝約４０μ
ｍ）、バイトの端面４１ａから振動の節４５までの距離
ｌが約２０ｍｍ、中立面４６に対して、バイト刃先４２
ａと節４５とを結ぶ直線が為す角度αが約１４°となる
ようなたわみ振動を与えることもできる。

【００２７】しかしながら、バイト刃先４２ａが矢印Ａ
の運動軌跡を有する場合、刃先４２ａが図面の上方に移
動する際には通常の切削が行われて特に問題は生じない
のであるが、刃先４２ａが図面の下方に移動する際に
は、該バイト刃先４２ａが被加工物に食い込むような形
となる。このような状態で切削加工を実施すると、バイ
トチップ４２の逃げ面４２ｂが被加工物表面を１秒間に
数万回こすることになりバイトチップ４２に著しいフラ
ンク摩耗が発生することになる。

【００２８】このような問題を回避すべく、従来では、
バイトシャンク４１を例えば１４°以上傾けてバイト刃
先４２ａの振動方向を補正し、バイトチップ４２の逃げ
面を被加工物表面にこすらせないようにすることもあっ
た。

【００２９】しかしながら、バイトシャンク４１を１４
°以上傾けた場合、すくい角は、当然、その分だけ減少
する。

【００３０】すなわち、振動方向を補正するために超音
波振動切削装置全体を傾けて工作機械の刃物台に設置す
るような方法を採用した場合、バイト刃先の有効すくい
角が減少して背分力が大きくなり、加工精度に悪影響を
及ぼすこととなる。

【００３１】図１３には、バイトシャンク５１の先端部
分がさらに深く切り欠かれた切削工具５０が示されてい
る。バイトチップ５２は、取付けねじ５３で固定されて
いる。この従来例では、切欠きが深くなっている分、中
立面５６が中心線５７（切欠きが存在しない部分の断面
中心を通る直線）よりも下方に移動していることが考え
られるが、この場合においても前述と同様な問題が発生
することになる。

【００３２】すなわち、定在波５４の節５５を中心とし
てバイト刃先５２ａが矢印Ａ方向の円弧運動する際、下
方側への移動時においては該バイト刃先５２ａが被加工
物に食い込むような形となり、フランク摩耗が発生しや
すくなる。

【００３３】なお、以上の現象は、ねじり振動を利用し
た超音波振動切削装置についても同様である。

【００３４】図１４には、該超音波振動切削装置で使用
する切削工具６０の先端付近の外観が示されている。切
削工具６０は、円形断面を持つ棒状体をバイトシャンク
６１として用い、その先端に設けられた切欠きにバイト
チップ６２を取付けねじ６３で固定した構造となってい
る。

【００３５】図１５（ａ）には、ねじり振動をする切削
工具６０を正面から見た様子が示されている。図１５
（ｂ）には、ねじり振動をする切削工具６０を側方から
見た様子が示されている。

【００３６】両図において、バイトシャンク６１は、共
振状態で超音波振動しており、振動姿態としての定在波
６４が発生している。バイトシャンク６１では、切欠き
がやや深めに形成されているため、ねじりの中心軸６６
は、同図に示すように中心線６７からやや外れた状態
（切削工具６０を側方から見た場合には、中心線６７よ
りも下方側に位置した状態）にあることが考えられる
が、この場合においても、前述と同様、定在波６４の節
６５を中心としてバイト刃先６２ａが円弧運動する際、
下方側への移動時においては該刃先６２ａが被加工物に
食い込むような形となるため、バイトチップ６２にフラ
ンク摩耗が発生しやすくなる。

【００３７】以上のような問題点を鑑み、本発明の目的
は、大がかりな機構を用いなくとも、工具摩耗の低減化
を図ることができる切削工具、及び、これを用いた超音
波振動切削装置を提供することにある。

【００３８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の切削工具の一態様によれば、超音波振動切削
に用いられる切削工具において、超音波によってたわみ
振動をするバイトシャンクと、前記バイトシャンクの先
端部に設けられたバイトチップとを備え、前記バイトチ
ップは、すくい面を含んだ仮想平面を前記バイトシャン
クが有するたわみ変位の中立面に対面させた状態で前記
先端部に設けられていることを特徴とする切削工具が提
供される。

【００３９】上記目的を達成するための本発明の切削工
具のその他の態様によれば、超音波振動切削に用いられ
る切削工具において、超音波によってねじり振動をする
バイトシャンクと、前記バイトシャンクの先端部に設け
られたバイトチップとを備え、前記バイトチップは、す
くい面を含んだ仮想平面を前記バイトシャンクのねじり
の中心軸に対面させた状態で前記先端部に設けられてい
ることを特徴とする切削工具が提供される。

【００４０】上記目的を達成するための本発明の超音波
振動切削装置の一態様によれば、超音波を用いて振動切
削を行う超音波振動切削装置において、バイトチップが
設けられたバイトシャンクと、前記バイトシャンクを超
音波によってたわみ振動させる手段とを備え、前記バイ
トチップは、すくい面を含んだ仮想平面を前記バイトシ
ャンクが有する中立面に対面させた状態で前記先端部に
設けられていることを特徴とする超音波振動切削装置が
提供される。

【００４１】上記目的を達成するための本発明の超音波
振動切削装置のその他の態様によれば、超音波を用いて
振動切削を行う超音波振動切削装置において、バイトチ
ップが設けられたバイトシャンクと、前記バイトシャン
クを超音波によってねじり振動させる手段とを備え、前
記バイトチップは、すくい面を含んだ仮想平面を前記バ
イトシャンクのねじりの中心軸に対面させた状態で前記
先端部に設けられていることを特徴とする超音波振動切
削装置が提供される。

【００４２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を参照しながら説明する。

【００４３】図１は、本発明の第１の実施形態である切
削工具１０の先端部分の外観図である。

【００４４】切削工具１０は、矩形断面を持つバイトシ
ャンク１１と、これに取り付けられたバイトチップ１２
とを含んで構成される。バイトシャンク１１の先端部の
下側部分は、同図に示すように切欠かれており、バイト
チップ１２は、該切欠き部分に取付けねじ１３で固定さ
れている。

【００４５】たわみ振動をする切削工具１０の様子は、
図２に示されている。ここでは、バイトシャンク１１が
共振状態で超音波振動しており、バイトシャンク１１に
は、振動姿態としての定在波１４が発生している。定在
波１４の各所には、波の干渉により振幅がゼロになると
ころ（振動の節）が存在する。バイトチップ１２の刃先
１２ａは、バイトシャンク１１の先端に最も近い振動の
節１５を中心に円弧運動し、ここでは図示しない被加工
物を切削する。

【００４６】バイトシャンク１１の切欠きは、そう大き
いものではないので、バイトシャンク１１が有するたわ
み変位の中立面１６と、バイトシャンク１１の中心線
（切欠きが存在しない部分の断面中心を通る直線）１７
とは、ほぼ一致しているものと想定される。バイトチッ
プ１２の刃先１２ａの円弧運動の中心１５については、
この中立面４５上に存在するものと考えることができ
る。

【００４７】そして、本実施形態によれば、バイトチッ
プ１２の取り付けにあたって、該バイトチップ１２のす
くい面１２ｃを含んだ仮想平面がバイトシャンク１１の
中立面１６に対面するような取付け構造を採用している
ため、振動切削時においてはバイトチップ１２の刃先１
２ａが矢印Ｂの円弧運動を行うことなる。このような円
弧運動のもとでは、被加工物（ここでは図示省略）に対
して刃先１２ａが無理に押し付けられることがないの
で、バイトチップ１２のフランク摩耗が著しく減少す
る。なお、取付け構造について別の見方をすれば、バイ
トチップ１２のすくい面１２ｃを含むチップ壁面をバイ
トシャンク１１の切り欠きの底面に接触させた状態でバ
イトチップ１３をバイトシャンク１１に取り付けている
と考えることもできる。

【００４８】図３には、本発明の第２の実施形態である
切削工具２０がたわみ振動をしている様子が示されてい
る。同図においても、バイトシャンク２１が共振状態で
超音波振動しており、該バイトシャンク２１には、振動
姿態としての定在波２４が発生している。定在波２４の
各所には、振動の節（振動の節２５のみ図示）が存在す
る。

【００４９】切削工具２０では、先程の切削工具１０よ
りも切欠きを深くしているため、バイトシャンク２１が
有するたわみ変位の中立面２６が中心線２７から上方に
移動していることが考えられが、この場合においても図
４に示すように前述と同様な効果を得ることができる。

【００５０】図４は、バイトチップ２２の動きをより詳
細に示した説明図である。

【００５１】バイトチップ２２は、第１の実施形態と同
様、すくい面２２ｃを含んだ仮想平面をバイトシャンク
２１の中立面２６に対面させた状態でバイトシャンク２
１に設けられているため、刃先２２ａが図面の下方に移
動するときには、該刃先２２ａが被加工物１１１から遠
ざかることとなり、逃げ面２２ｂが該被加工物表面に過
度に擦れるようなことがない。

【００５２】図５は、本発明の第３の実施形態である切
削工具３０の先端部分の外観図である。

【００５３】切削工具３０は、円形断面を持つバイトシ
ャンク３１と、これに取り付けられたバイトチップ３２
とを含んで構成される。バイトシャンク３１の先端部の
下側部分は、同図に示すように切欠かれており、バイト
チップ３２は、該切欠き部分に取付けねじ３３（ここで
はバイトシャンク３１に隠れて図示されていない）で固
定されている。

【００５４】ねじり振動をする切削工具３０の様子は、
図６（ａ）、（ｂ）に示されている。両図において、バ
イトシャンク３１は、共振状態で超音波振動しており、
バイトシャンク３１には、振動姿態としての定在波３４
が発生している。定在波３４の各所には、振動の節が存
在する。バイトチップ３２の刃先３２ａは、バイトシャ
ンク３１の先端に最も近い振動の節３５を中心に円弧運
動し、被加工物１１１を切削する。

【００５５】バイトシャンク３１では、切欠きがやや深
めに形成されているため、ねじりの中心軸３６は、同図
に示すように中心線３７からやや外れた状態（切削工具
３０を側方から見た場合には、中心線３７よりも上方側
に位置した状態）にあることが考えられるが、この場合
においても、前述と同様な効果を得ることが出来る。

【００５６】すなわち、バイトチップ３２ついては、前
述の各実施形態と同様、すくい面３２ｃを含んだ仮想平
面をバイトシャンク３１のねじりの中心軸３６に対面さ
せた状態でバイトシャンク３１に設けられているため、
刃先３２ａが図面の下方に移動するときには、該刃先３
２ａが被加工物１１１から遠ざかることとなり、逃げ面
３２ｂが該被加工物表面に過度に擦れるようなことがな
い。

【００５７】図７は、超音波ねじり振動を用いた超音波
振動切削装置の一例を示した構成図である。

【００５８】該超音波振動切削装置は、工作機械の刃物
台に設置される本体７０と、該本体７０に接続した発振
器８０とから構成される。本体７０のハウジング７５の
後端には、ファン７６が取り付けられている。

【００５９】同図において、発振器８０から送出された
高周波電気信号は、給電用コネクタ７１を介して、超音
波ねじり振動を発生するボルト締めランジュバン型電歪
ねじり振動子７２に印加される。該振動子７２の先端に
は、該振動子７２で発生したねじり振動の振幅を拡大し
て伝達する振幅拡大ホーン７３がハウジング７５にねじ
止めされており、超音波ねじり振動は、該ホーン７３を
通過する際に、その振動振幅が数倍に拡大される。振幅
拡大ホーン７３の先端部には、図５に示したバイトチッ
プ３２がねじ止めされている。バイトチップ３２は、前
述と同様、すくい面を含んだ仮想平面をねじりの中心軸
に対面させた状態でバイトシャンク７４に取り付けられ
ている。ねじり振動子７２、振幅拡大ホーン７３、バイ
トシャンク７４、及び、バイトチップ３２については、
ねじり振動子７２の固有振動数とほぼ同じ振動数で定在
波が発生するような共振系を為している。

【００６０】以上の構成を有する超音波振動切削装置を
駆動した場合、バイトチップ３２は、前述したような円
弧運動を行いながら被加工物を切削することになるの
で、バイトチップ３２のフランク摩耗は著しく低減され
ることとなる。なお、本超音波振動切削装置には、具体
的には、無負荷時の振動系の共振周波数が約２０．４ｋ
Ｈｚ、切削用チップ刃先振幅が、発振器の出力２０Ｗで
約２５μｍ、ユニットの重量が４．２ｋｇで、全長が２
４０ｍｍのものを用いても構わない。

【００６１】

【発明の効果】本発明によれば、大がかりな機構を用い
なくとも工具摩耗の低減化が図れ、特に、ステンレス、
インバー、チタンを被加工物としてを用いた場合には、
工具寿命の著しい延長が認められる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態の切削工具の先端付近
の外観図である。

【図２】本発明の第１の実施形態の切削工具がたわみ振
動する様子を示した側面図である。

【図３】本発明の第２の実施形態の切削工具がたわみ振
動する様子を示した側面図である。

【図４】本発明の第２の実施形態の切削工具がたわみ振
動する様子を、バイトチップの刃先に着目して示した説
明図である。

【図５】本発明の第３の実施形態の切削工具の先端付近
の外観図である。

【図６】本発明の第３の実施形態の切削工具がねじり振
動する様子を示した説明図である。

【図７】本発明に係る超音波振動切削装置の一例を示し
た構成図である。

【図８】従来の切削工具による超音波振動切削の様子を
示した説明図である。

【図９】従来の超音波振動切削装置の構成図である。

【図１０】従来の切削工具の一例の先端付近の外観図で
ある。

【図１１】図１０に示した切削工具がたわみ振動する様
子を示した説明図である。

【図１２】図１０に示した切削工具がたわみ振動する様
子を、バイトチップの刃先に着目して示した説明図であ
る。

【図１３】図１０に示した切削工具よりも切欠きが深い
従来の切削工具がたわみ振動する様子を示した説明図で
ある。

【図１４】従来の切削工具のその他の例の先端付近の外
観図である。

【図１５】図１４に示した切削工具がねじり振動する様
子を示した説明図である。

【符号の説明】

１０、２０、３０、４０、５０、６０、９０：切削工
具、 １１、２１、３１、４１、５１、６１、９１、７４：バ
イトシャンク、 １２、２２、３２、４２、５２、６２、９２：バイトチ
ップ、 １２ａ、２２ａ、３２ａ、４２ａ、５２ａ、６２ａ、１
１０ａ：刃先、 １２ｂ、２２ｂ、３２ｂ、４２ｂ：逃げ面、 １２ｃ、２２ｃ、３２ｃ：すくい面、 １３、２３、３３、４３、５３、６３：取り付けねじ、 １４、２４、３４、４４、５４、６４：定在波、 １５、２５、３５、４５、５５、６５：振動の節、 １６、２６、４６、５６：中立面、 １７、２７、３７、５７、６７：中心線、 ３６、６６：ねじりの中心軸、 ４１ａ：端面、 ７０：本体、 ７１：給電用コネクタ、 ７２：ボルト締めランジュバン型電歪ねじり振動子、 ７３、１０１：振幅拡大ホーン、 ７５：ハウジング、 ７６：ファン、 ８０：発振器、 ９３：サポート金具、 １００：ボルト締めランジュバン型超音波振動子、 １１１：被加工物

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超音波振動切削に用いられる切削工具にお
   いて、 超音波によってたわみ振動をするバイトシャンクと、 前記バイトシャンクの先端部に設けられたバイトチップ
   とを備え、 前記バイトチップは、すくい面を含んだ仮想平面を前記
   バイトシャンクが有するたわみ変位の中立面に対面させ
   た状態で前記先端部に設けられていることを特徴とする
   切削工具。
2. 【請求項２】超音波振動切削に用いられる切削工具にお
   いて、 超音波によってねじり振動をするバイトシャンクと、 前記バイトシャンクの先端部に設けられたバイトチップ
   とを備え、 前記バイトチップは、すくい面を含んだ仮想平面を前記
   バイトシャンクのねじりの中心軸に対面させた状態で前
   記先端部に設けられていることを特徴とする切削工具。
3. 【請求項３】超音波を用いて振動切削を行う超音波振動
   切削装置において、 バイトチップが設けられたバイトシャンクと、 前記バイトシャンクを超音波によってたわみ振動させる
   手段とを備え、 前記バイトチップは、すくい面を含んだ仮想平面を前記
   バイトシャンクが有するたわみ変位の中立面に対面させ
   た状態で前記先端部に設けられていることを特徴とする
   超音波振動切削装置。
4. 【請求項４】超音波を用いて振動切削を行う超音波振動
   切削装置において、 バイトチップが設けられたバイトシャンクと、 前記バイトシャンクを超音波によってねじり振動させる
   手段とを備え、 前記バイトチップは、すくい面を含んだ仮想平面を前記
   バイトシャンクのねじりの中心軸に対面させた状態で前
   記先端部に設けられていることを特徴とする超音波振動
   切削装置。