JPS62140702A - 精密重畳振動穴加工方法 - Google Patents

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） 本発明は超音波振動と、それより低い振動を重畳させ切
り屑を微細に振動させて精密穴加工するようにした精密
重畳振動穴加工方法に関する。

（従来技術） 穴の超精密加工への期待は日に日に高まってきている。

又一方では難削材も開発されている。

第２図は従来から実施されている第１図に示したドリル
、リーマ、ダイヤモンド工具による振動系高速切削にお
ける水平Ｘｌ　ｙ方向分力Ｐ　ＸＩ　、Ｐｙｌ、推力Ｐ
　’　＋　Ｐ　’　ｓｉｎ　＜１）　ｔおよびトルクＭ
　’Ｈ＋　ｍ　’ｔ　ｓｉｎωｔの直流成分に交流成分
を重畳した慣用切削力波形である。

ωχ、ωアはＸ＋’１方向の工具の角固有振動数、Ｍｔ
は回転トルク、ｐｘ　、　Ｐｙは工具の曲げたわみによ
って生ずるＸＩ　ｙの水平方向の分力を示し、ｋ、、ｋ
ｙはｘ、ｙ方向のばね定数、Ｃス、ＣｙはＸ。

ｙ方向の粘性減衰係数である。第２図において、ω）ω
工、ωｙとすると、穴の加工精度に関係する変位Ｘおよ
びｙはｘ：ｈおよび五となり、工にズ　　　　　　　Ｋ
Ｙ 慣用能率）で表わされ、時間の関数項は無視でき、工具
の変位は静的変位のみとなって真円度、円筒度、表面粗
さの時間的変動がなくなって精密加工を可能とする。

このω）ωア、ω７は高速切削によって実現する。この
ＰχおよびＰｙはより高速切削することによって軽減す
る二 （発明が解決しようとする問題点） しかし乍ら上記従来技術に於ては高速切削しただけでは
Ｐ工およびＰｙの軽減度にも限界があり、超精密穴加工
が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に着目してなされたもので穴加工用
切削・研削工具の軸方向に縦超音波振動子によって超音
波域の高い振動数ｆと振幅ａで縦超音波振動させ、さら
に該工具の振動方向に異る振動数Ｆ＜ｆと振幅Ａを重畳
振動させて、工作物にも該工具振動方向と同方向に縦超
音波振動子を用いて振動数ｆｗ＞ｆと振幅ａｗで超音波
振動させ、該工具あるいは工作物を振動数・振幅に無関
係に高速回転させて穴加工し、微細に寸断した切り屑を
生成する断続パルス切削力波形を発生させ、該波形によ
って穴加工することを特徴とするものである。

即ち上記従来の高速切削によって軽減した切削力をさら
に軽減させる方法として、この切削力を断続させて工作
物に作用する時間ｔｏを第３図のように周期Ｔで断続さ
せて作用させることを考えた。まず、最初にこの時間ｔ
、を比較的長くし、その周期Ｔをゆっくりとした周期と
２π し、ω＝　−？−＜ωズ、ωｙとする。このときの振動
切削機構は零位瞬間振動切削機構となり、切削工具、研
削工具はその回転中心と同芯にして取付けた状態、すな
わち切削抵抗が作用しないときの変位が零の状態から（
＋）方向と（−）方向にわずか弾性振動する瞬間に切り
屑を生成して切削できる切削機構となる。その結果、第
３図においてＰ＝Ｐ’　＋ｐ’　、Ｍ？＝＝Ｍ’ｔ＋ｍ
’ｔとしてそのパルス切削力の値Ｐおよびトルクの値Ｍ
ｔが第２図の切削力およびトルクと等しい値であったと
しても見掛は上は、その値を減少させて変位Ｘおよびｙ
と角変位θを減少させる効果をもたらす。

この効果は高速回転する切削工具、研削工具をその工具
軸方向に可聴波域の低周波振動数で振動させて穴あけす
る方法によって実現する。

この効果は、第１図に示したような工具−工作物振動系
によって構成されている工作機械の周波数特性を巧みに
利用したために得られたものである。そこで、つぎにこ
の見掛は上の切削抵抗の軽減現象と効果をこの周波数特
性に注目してさらに活用することを考える。

このときも切り屑生成機構そのものは高速切削機構で行
うものとして、切削工具、研削工具の切削速度は振動数
、振幅を無関係とする。

いま、第４図のような断続パルス切削力波形ｔ　　２ｒ
ｒ　　　　　　　　ｔ　　Ｔ’１において、ω　−Ｔ）
ωχ°ωｙ　−ｔ　Ｃ２とすると、不感性振動切削機構
に変化し、工具の変位ｘ、ｙは見掛は上、その切削力が
半減してＰ／、＝Ｐ（が作用したときと同様な動的挙動
をすることになる。このとき、工具工作物の接触面、切
り屑と工具すくい面との接触摩擦抵抗などの摩擦抵抗が
激減するためＰｃ　＜　Ｐとなって、切削力Ｐおよびト
ルクＭｌを激減させ、変位Ｘおよび変位ｙと角変位θを
激減させ精密穴加工を可能とする。

さらに、ω　−Ｔ）ω工・ω７、　、、　＝壬とす＃　
　２７１１： ることによって、その見掛けの切削力は半減し、　　Ｐ
ｄ てＰｄ＝７が切削時間ｔｃ作用したときと同様な動的挙
動をすることになる。このときも、摩擦抵抗がさらに減
少してＰｄ　＜　Ｐ、となって、切削力Ｐおよび切削ト
ルクＭｌを激減させ、第２図の場合に比べて切削工具、
研削工具は工作物に喰いついて切削加工を開始しても、
はとんど切削開始前の状態から）Ｃ＋’ｊ軸方向に（＋
）方向と（−）方向に数μｍ変位するのみで、またごく
わずかな角度ねじれる効果が得られて超精密穴加工を実
現させることができるようになる。

次に、この断続パルス切削力波形の発生機構をドリルに
よる穴あけの場合で説明する。

第６図、第７図は、直径ｄのドリル円筒の端面にある２
枚の切刃２，３を高速回転させ、送りＳを与えて送り込
んだときの切り屑生成機構を説明する図である。例えば
、切刃３は工作物切削部６を矢印Ｃの方向に−５−ｃｏ
ｓ（ｔｏｎ”　吉）の一様な切込みで切削して切り屑５
を生成する。この切削機構がドリル切刃全長にわたって
連続して行われて所定形状の穴加工がなされる。

第６図のドリルを第８図、第９図のようにして、その軸
方向りに振動数Ｆおよび振幅Ａで振動される。切刃２の
先端Ｐｉおよび切刃３の先端Ｐ２は正弦波形５，６のよ
うに振動して切刃２および３は斜線で囲んだ面積ａ　１
　ｂ　ｉ　Ｑ　１　ｄ工。

ａ２ｂ２ｃ２ｄ２・・・・・・・・を切削する機構とな
り、これを断続した切り屑７，８に生成して、その切削
力波形を第３図とすることができる。このとき、　　ｔ
ｃ−７−Ｔとなる。このようにして、連続した一様な切
削面積９を断続する切断面積群１０に変えてこれを小刻
みに切削して断続切削力波形とすることができる。

さらに第１０図、第１１図のようにして、第８図のドリ
ルをその軸方向に振動数ｆおよび振幅ａで矢印Ｆの方向
に振動させ、振動数Ｆおよび振幅Ａの振動姿態に重畳さ
せる。そうすることによって、切刃２の先端Ｐ工および
切刃３の先端Ｐ２は大波形の正弦波形５および６で振動
し、これに小波形の振動数ｆおよび振幅ａの正弦波形１
２および１３が重畳した波形をもって振動する。その周
期は１／ｆおよびｌ／Ｆを示す。

このようにして第９図における切削面積コ−０を極微細
な切削面積群ａ３ｂ３Ｃ３ｄ３に細分割し、これを小刻
みに切削し、極小片切り層群１４．１５を生成して第４
図に示した周期の短い断続切削力波形を発生させること
ができる。

（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
１２図は第１３図に示すフラットドリルによって穴あけ
する場合である。フラットドリル１６を尾部に取付けた
縦型わい振動子１８によって駆動される振動主軸１７の
先端にテーパ結合して着脱が自由にできるように固定す
る。

振動軸１７に生ずる２つの振動節にまたがるスリーブ１
９を利用して軸受２０を取り付け、振動主軸がその振動
姿態に影響を与えることなくユニット本体２１内で摩擦
少く、振れ少く回転できるようにする。ユニット本体２
１には電動＠２２を取り付け、ベルト２３によってスリ
ーブに固定したプーリーを利用して振動主軸を高速回転
させる。プーリーにはスリップリング２５および２６を
設けて相対するプラッシュがら超音波発振機２７からの
励振電圧を回転する電わい振動子１８に供給する。ユニ
ット本体２１は往復台２９上に設けた鋼球で案内される
ガイドローラ３０上に固定する。そして、連結棒３１に
よって電気−油圧式振動駆動装置３２と結合する。この
電気−油圧式振動駆動装置３２を利用して油圧装置３４
からの圧油をサーボ弁３３を用いて制御装置３５によっ
て交互に切換えて、ドリルを２〜２００ＨＴ（ｚ程度の
振動数で矢印Ｊの方向に振動数Ｆおよび振幅Ａで振動さ
せる。

工作物３８は縦振動子３６によって駆動される振幅拡大
用ホーンの先端に取付ける。この縦振動系工作物をホー
ンの振動節を利用して治具３９に固定して、旋盤主軸に
設けたチャック４０にチャックする。回転する電わい振
動子３６へは、リード線４２の端部をスリップリング、
およびプラッシュを利用して超音波発振機４４から励振
電圧を供給する。このようにして、矢印Ｇの方向に工作
物を回転させ、矢印Ｉの方向に振動数ｆＷおよび振幅ａ
ｗで超音波振動させ、これを矢印りの方向に振動数ｆお
よび振幅ａの超音波域の高い振動数で振動させ、されに
可聴波域の低い振動数Ｆおよび振幅Ａで振動させ、該ド
リルに矢印Ｈの方向の高速回転と送りＳを与えて穴加工
する。

ドリル先端に一直線の切刃４８を有する切刃に設けた、
第１３図のＡＡ断面およびＢＢ断面ですくい角αはドリ
ルの中心点４７から外周に向って一定であるが、逃げ角
βは図示のように連続して変化させて与える。すなわち
、図示のように中心点４７付近のＡ４断面では大きな角
β、を与え、外周に向うに従って次第に小さくしてＢＢ
断面ではβ２くβ、の関係のβ２を与えた形状とする。

本発明はツイストドリルやガンドリルなど従来使用され
ているドリルおよびエンドミルさらには、固定砥粒によ
る砥石および遊離砥粒によるラッピングのときのラップ
など、その他の穴加工用工具すべてに適用されるもので
ある。本発明に用いる。工具端面切刃には第１３図で説
明したようなすくい角と逃げ角を与えることによって工
具寿命を延ばして超精密穴加工ができるようになる。切
削油剤を多量に用いることによって本発明の効果は倍増
する。本発明は高速切削してその切削性を高めさらに断
続パルス切削力波形を作用させることを特徴としている
ために、第１２図において工作物、ドリルともに回転さ
せて高速化を計ったが、難削材ではなく、例えば、−殻
構造用金属材料の精密穴あけのような場合には必ずしも
その必要がなく、工作物の回転、あるいはドリルの回転
のみで十分な場合もある。このときでも、工作物に低い
回転を与えることは穴の真直度をより高めるために効　
□果があることは云うまでもない。

以上はドリルを用いて第２図に示したｔ”ｃおよびＴ“
の極めて短い断続パルス切削力波形によって精密穴あけ
する場合であるが、次に固定砥粒による穴加工工具を用
いて、第４図に示すｔ′ｃおよびＴ′が例えばＴ’　＝
１／２００００Ｓ程度の断続パルス切削力波形によって
精密穴仕上をする場合について説明する。工具４８を第
１２図の場合と同様にして矢印りの方向に振動数ｆおよ
び振幅ａで超音波振動させる。この工具は表面エツジの
鋭いセラミックス砥粒あるいは天然砥粒を円筒表面およ
び端面に一様に分布固定してその円筒面をドレッシング
して成形した工具である。さらに、振動数Ｆおよび振幅
Ａで矢印Ｊの方向に低周波振動させる。工具を矢印Ｈの
方向に回転させ、矢印にの方向に送りＳを与えて、下穴
のあいた工作物４７を矢印Ｇの方向に回転させて精密仕
上する。このときも多量の切削油剤を供給して切削する
ことによって本発明、の実施効果は倍増する。また、遊
離砥粒を使用して加工するラップ捧の使用も可能で、こ
のときはラップ剤が四散しない程度の回転数をラップに
与えることによって本発明が実施される。

（効　果） 直径１．３ｍのドリルによるステンレス鋼ＳＵＳ　３０
４、直径３φ、長さ１７ｒｒｎの素材への穴あけに本発
明を実施したときの実施効果について説明する。超音波
振動数ｆ＝２１．７ＫＩ（ｚ、振幅ａ＝１６μｍ、低周
波振動数Ｆ＝１００）Ｔｚ、振幅Ａ＝０．２ｍ、送りＳ
　＝　３　μｍ／ｒｅｖ、ドリルは第６図に示した形状
として超硬ドリル、α＝４５’　、　β１＝７０６、β
２＝６００、トリルの回転数は５０００ｒｐｍ、工作物
には回転だけを与え、その回転数を３０Ｏｒｐｍとして
、多量の切削油剤を給油して本発明を実施することによ
って、従来の高速回転のみの場合の穴加工に比べて、数
回のステッピングを行うことなく、ワンストロークで穴
加工できるようになった。切削トルクは偵用切削に比較
して約１７３に減少した。また、ドリルの喰いつき時の
ドリル刃先の味噌すり運動が本発明によって皆無になり
５円筒度、真円度、表面粗さが向上した。例えば、従来
のようにラッピングで仕上げることなく、穴の直径寸法
精度を±０．０２ｍ以内とし、真円度２μｌ、表面粗さ
を１μｍ以下とし、喰いつき部のだれや切り終り部での
ぼりを皆無とすることに成功した。

微細小片の切り屑のため切り屑の排出が円滑となり、ド
リルの折損を防止し、異常な摩擦現象の発生を防ぎ、ド
リルの寿命を延ばし、加工コストの軽減に貢献する効果
が確かめられた。

また、砥粒による穴加工工具の場合では工具端面切刃で
切り屑を生成して切削加工を行い、円筒表面にある砥粒
群で表面粗さの平滑化を期待するわけであるが、本発明
によって各砥粒間隔のために生ずる切り残しが、工具軸
方向の超音波振動と同時に振幅の大きい低周波振動によ
って平滑化されて、例えば０．１〜０．３μｍＲｍａｘ
程度の平滑で、しかも真円度も０．５〜１μｍ程度の精
密穴加工面となることが確かめられた。

一方、ラッピング効果も顕著で、本発明の実施によって
、工作物端面のだれを皆無とし、ひききすのない一様な
平滑な表面粗さの六回に従来の加工時間の１１５〜１／
１０という極めて短い時間で加工を済ませるという今ま
でラッピングの欠点であった能率向上に画期的成果をあ
げることができた。

【図面の簡単な説明】

第１図はドリル、リーマなどの穴加工用工具の振動系説
明図、第２図乃至第５図は本発明方法による断続パルス
切削力波形の作用説明図、第６図、第７図は従来の普通
切削における切刃の運動機構と切削面積を説明する図、
第８図、第９図はドリルを例にあげ、ドリルの軸方向に
低い振動数Ｆと振幅Ａを与えたときの切刃の運動機構を
示し、断続する切削面積を寸断して断続させ断続パルス
切削力波形とする機構を説明する図、第１０図、第１１
図は第８図、第９図に超音波域の高い振動数ｆと振幅ａ
を与えたときの切刃の運動機構を示す説明図、第１２図
はドリルによる本発明方法を実施する装置の側面図と一
部中心断面図、第１３図は本発明を実施するときのトリ
ルの形状の１例を示す図、第１４図は固定砥粒による穴
加工用工具により本発明方法を実施する装置の側面図と
一部中心断面図である。 １・・・断続パルス切削力波形 ２．３・・・ドリル切刃 ７．８・・断続した切り屑 １４、１５・・・極小小片切り屑 ２８・超音波振動 ２７、４４・・・超音波発振機 ３２・電気−油圧装置 ３５・・・低周波振動

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 穴加工用切削・研削工具の軸方向に縦超音波振動子によ
   って超音波域の高い振動数ｆと振幅ａで縦超音波振動さ
   せ、さらに該工具の振動方向に異る振動数Ｆ＜ｆと振幅
   Ａを重畳振動させて、工作物にも該工具振動方向と同方
   向に縦超音波振動子を用いて振動数ｆ＿ｗ＞ｆと振幅ａ
   ＿ｗで超音波振動させ、該工具あるいは工作物を振動数
   ・振幅に無関係に高速回転させて穴加工し、微細に寸断
   した切り屑を生成する断続パルス切削力波形を発生させ
   、該波形によって穴加工することを特徴とする精密重畳
   振動穴加工方法。