JPS62140703A - セラミックスの加熱・冷却式切削加工方法 - 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） 本発明はセラミックスの加工部表面に加熱・冷却を繰返
し与えて切削・研削加工を行う、全く新しい加工方法に
関する。

（従来技術） セラミックスの切削は、金属切削と異り、亀裂破損によ
って行われる。すなわち、第１図のようにしてせん断変
形によって切りくず１が生成されるのが金属切削で、第
２図のように太線で示すクラック群２によって切りくず
を生成するのがセラミックスの切削である。

この亀裂を工具刃先前方に規則的に連続して発生させる
ことができれば、硬ぜい材料のため加工しにくいとされ
ているセラミックスの精密切削が容易となる。

このセラミックスには圧縮には強いが引張りに弱い特性
がある。このセラミックスの特性に注目して引張応力ひ
ずみを附加しながら切削すると亀裂の発生が助成されセ
ラミックスの精密切削が容易となる。

具体的には、この引張応力ひずみは、第３図のようにし
て超音波振動子５の振幅を拡大する振幅拡大用ホーン４
の先端にセラミックス３を接着して矢印８の方向に超音
波振動させることによってセラミックス内に付加するこ
とができる。このとき、超音波振動数ｆが高いほど、大
きな振動応力を付加させることができる。このようにし
た超音波振動セラミックスを、ホーン４に存在する振動
節６を利用して工作機械に取り付け、ダイヤモンドバイ
ト１０と矢印９の方向に運動させて切削することによっ
て粉状切りくず２を四散させながられずかな切削抵抗で
精密切削できるようになる。この方法と装置については
特許第１１６０４０５号に開示されている。

（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、セラミック全体を超
音波振動させて引張応力歪を生じさせているのみである
ので切削抵抗を充分小さくすること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技術手段） 本発明は上記問題点に着目してなされたものでセラミッ
クス加工部表面に加熱・冷却を繰返し与えて熱応力歪を
予め発生させ、次いで工具により切削又は研削加工を行
うことを特徴としている。

（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
４図はバイトに旋削加工する場合を説明する図である。

工作物１０を矢印方向２６の方向に高速回転させて、摩
擦加熱用チップ１１を工作物外周表面に加圧して冷却水
２３で摩擦加熱表面を急冷して、切削用チップ１２で加
熱・冷却で生じた応力ひずみによって発生する亀裂面を
利用して切りくずを生成し、冷却水とともに排出して切
削する。摩擦加熱用チップ１１は摩擦加熱用バイトシャ
ンク２４の先端に取付け、締付ボルト２２で刃物台Ａ１
６に固定する。刃物台Ａ１６は微細上下送りが可能な調
整ねじ１７で往復台１３上に垂直に設けたコラムＡ１４
およびコラムＢ１５に案内されて、工作物の外周接線方
向で、旋盤ベッド面に垂直方向に微細上下運動ができる
ようになっている。

切削用チップ１２は切削用バイトシャンク２５の先端に
取付け、締付ボルト２１でコラムＡを兼ねた刃物台１４
に固定する。そして、切削用チップ１２の切刃先端は工
作物１０の中心線上に一致させる。切削用チップすくい
面と摩擦加熱用チップ底面との間隙は、工作物の材質、
切削速度によって若干具るが平均して約１〜２画程度を
標準とする。バイトシャンク先端には遮蔽板２０および
バイトシャンク尾部には、遮蔽板２７を設けて冷却水が
四散しないようにし。

有効に工作物表面のみに注水して急冷できるようにする
。摩擦加熱用チップは切削時間の経過とともに先端が摩
耗してその機能が低下し、工作物表面を加熱することが
できなくなる。これを補うために調整ねじ１７を利用し
て摩擦加熱用チップを降下させ、工作物との接触圧を増
大させて常に強力に摩擦してセラミックス切削表面温度
を上昇させる。

摩擦加熱用バイトシャンクには、冷却水用管１９の取付
ねじ１８を取付け、冷却水を加熱面に注水する。このよ
うにすることによって第５図に示すように、セラミック
ス表面が加熱され加熱されたセラミックスは熱伝道率が
極めて小さいので、円筒外周表面で加熱された熱量は表
面層付近に貯熱されて表面温度を高くすると同時に表面
から内部にいたる温度分布の勾配を著しく高くする。こ
れを急冷することによって。

熱応力ひずみが急激に発生する。この領域が第５図に示
す微少切込みΔを程度の範囲で発生する。第５図におい
て黒色部２８で示すのが摩擦加熱用チップ２３によって
加熱されている深さΔｔの高温領域２８である。四角に
囲んだ白色・　部２９は急冷されて熱応力ひずみが発生
し、微少クラックが多発している微視クラック発生領域
群２９である。そして、このクラックが発生した部分を
バイト刃先によって払いのけるようにして排除し、これ
を切りくず３０として生成し、常温においては難削材と
されているセラミックスをチョークを切削すると同様に
容易にする。

工作物を高速回転できない大型セラミックスや板状セラ
ミックスなどの場合には、工具側を高速回転させる。第
６図において、円板３２の外周に切削・研削工具群３４
を均等に等間隔に取付けて矢印３３の方向に高速回転さ
せ、半径方向、接線方向に切削・研削抵抗が作用しても
円板の変形や回転速度の変化がないように精密調整する
。切削・研削工具群３４はダイヤモンド粒子を金属基ブ
ロック表面に電着や焼結して成形するにれを円板３２に
溶接あるいは接着またはねじ止めして固定する。そして
、その外周円筒面を等径にドレッシングする。これを高
速回転させてセラミックス工作物に切込みを与えて押し
つけて、冷却用パイプから冷却水３６を多量に圧力を与
えて注水することによって第５図で説明した現象が実現
される。

第７図において示すように、工作物３１に高速回転する
切削・研削工具群３４を切込ませることによって、切削
・研削工具群３４に接触するセラミックス表面には高温
領域群２８が発生し、接触しない微視クラック発生領域
群２９では冷却水で冷却されて熱応力ひずみが発生する
。

この熱応力ひずみが発生して、微視的なりラックが多発
している微視クラック発生領域群２９を切削・研削工具
群３４は払いのけるようなわずかな切削抵抗を受けなが
らその各切刃エツジ群３７で切削していくことができる
。本発明によって究明されたこの熱亀裂の積極的利用に
頼らなければセラミックスを平易に精密切削することは
できない。第７図における切削・研削工具群３４は、ダ
イヤモンド砥粒を結合剤で結合したり、電着したりある
いは焼結したりして固定したブロック群で形成したが、
第８図のようにして単粒のＣＢＮ砥粒あるいは人工ダイ
ヤ砥粒その他の硬質砥粒による砥石車によっても本発明
が実施できる。すなわち、砥石台金３８にこれらの砥粒
群３９を高速回転させて、セラミックスに切込みを与え
、冷却パイプ３５より冷却水３６を給水して、極めてそ
の深さの浅い高温領域群２８を急冷して熱応力ひずみを
多発させ、亀裂を多発させ、砥粒群３９の切刃エツジ群
４０でわずかな切削力によって微視的なりラックが多発
している微視クラック発生領域群２９を切削する。この
加熱・冷却・クラックの発生、切りくずの生成を砥粒群
３９の切刃間隔で繰返すことによってセラミックスを研
削することができる。

次に第８図の切刃間隔が接近して連続切刃群とみなしう
るような砥石車によって本発明を実施する場合の実施例
を第９図、第１０図に示して説明する。振動数ｆの超音
波縦振動子４１を１／２波長の長さで縦振動姿態で共振
する主軸４２の尾部に取り付けてその先端主軸端には、
主として矢印４４の半径方向に振動数ｆ、振幅ａまた、
砥石の厚み方向に振動数ｆ′、振幅ａ′で超音波振動す
る砥石を取り付ける。主軸に生ずる２個の振動節にまた
がるスリーブ４５を利用してその両端にコロガリ軸受４
６を取り付け、これを利用して主軸も摩擦および振れ少
く主軸台４７内で回転できるようにする。スリーブ４５
の尾部には、主軸回転駆動用プーリー４８およびスリッ
プリング５０を取り付け、相対してプラッシュ５１を位
置させ、超音波発振機からの励振電圧を回転する超音波
振動子４１に供給し、高速回転して周速度■の砥石車に
矢印４４、矢印６２の方向の超音波振動を重畳させる。

矢印５９の方向の高速回転は三相誘導電動機４９を利用
してベルトによってその動力を伝達して与える。この装
置を第１０図に示す研削盤主軸台５３上に設けた、工作
物６０の半径方向に鋼球によって案内されて摩擦少く摺
動できる案内面５４上に取りつける。そして、これを油
圧装置５７によって駆動し、制御装置５６によって制御
して、矢印５８の方向、すなわち、工作物の半径方向に
振動数Ｆ、振幅へ〇で低周波振動させる。その振動数は
約１．０００Ｈｚ以下、振幅は０．２ｍ以下とする。

以上の装置によって、砥石を半径方向にｆ。

ａ、厚み方向すなわち砥石軸方向にｆ′、ａ′で超音波
振動させ、これを高速回転させて研削速度をＶとし、こ
れを砥石の半径方向にＦ、Ａで低周波振動させて、周速
度ｖ６１で回転する工作物６０に切込みと矢印６３の方
向に送りを与え、冷却用パイプ３５から冷却水３６を多
量に注水して本発明方法を実施する。

第９図、第１０図の装置に於て直径１６５ｎｗｎ、幅３
０ｎ＋ｍのダイヤモンド砥石を２０Ｋｌヒ、５００Ｗの
電わい振動子を用いて半径方向に振動数ｆ＝２０ＫＨｚ
、振幅ａ＝１５μｍ、厚み方向に振動数ｆ’　＝２０Ｋ
Ｈｚ、振幅ａ’＝１０μｍで超音波振動させ、これを電
気−油圧装置を利用して、低周波振動数Ｆ＝５０七、振
幅Ａ　＝０．２ｍ＋＋で低周波振動させながら周速２０
００ｍ／ｍｉｎで砥石車を高速回転させ水溶性研削液を
５０−５０−１Ｏ０／ａｊ、流量１２　Ｑ／ｍｉｎで注
水して、直径３０膿、長さ１００＋ｎｍのシリコンナイ
トライドの円筒丸棒の表面を切込み１０μｍ、送り０．
　Ｏ２ｎｍ／ｒｅｖの研削条件を与えて研削加工するこ
とによって、１０μｍの設定切込みどおりの研削加工が
でき、従来の研削抵抗の１１５〜１／２のわずかな研削
抵抗で研削でき、研削台も小さくなり、表面損傷の少い
加工面に精密研削ができるようになった。

この作用効果は、低周波振動によって加熱・冷却の大き
な周期を与え、加熱時間と冷却時間を長くして熱応力ひ
ずみによるクラック群の生成長さを長くし、その切削方
向を半径方向振動によって工作物の内部から外周表面に
すくい取るような方向とし、一方、半径方向の超音波振
動によっては、加熱時間と冷却時間の周期を著しく短か
くし、例えば上述の条件では１／２×１／２０，０ＯＯ
３とし、微視的クラックの生成を助成して、砥粒各切刃
の見掛は上の切込みを極微小化して、微視的クラック発
生領域をより小刻みに切削してゆく機構とし、その研削
抵抗を微弱化するために、セラミックスの精密切削・研
削加工を可能とすることができる。

以上、摩擦熱によって熱応力歪を発生させバイト又は砥
石による円筒加工について説明したが、セラミックス表
面の加熱は摩擦熱のほかに光学的、電気火花現象、電気
化学的反応熱を用いてもよい。

又本発明による加工表面には若干の微視クラックが残留
する。この微視クラックは、ラッピングあるいは研削工
具を用いて、これを高速回転させ、微少切込みにして、
切削部を高温に加熱しながら切削して急冷させないよう
にして熱塑性流動を起させ凸凹部を押しなでていくよう
にして切削・研削して削除して精密な表面とすることが
でき、各種各形状のセラミックス部品が工業生産される
。

（効　果） 本発明はセラミックス加工部表面に加熱・冷却を繰返し
与えて熱応力歪を予め発生させ１次いで工具により切削
又は研削加工を行うようになっているので従来のように
セラミック全体を超音波振動させて引張応力歪を生じさ
せている加工方法に比較し、更に切削抵抗を減少でき。

より精密切削・研削加工を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は金属切削機構の特徴を説明するモデル図、第２
図はセラミックスの切削機構の特徴を説明するモデル図
、第３図はセラミックスを振動応力ひずみを与えて切削
する説明図、第４図は本発明方法を旋削加工における円
筒加工に適用する場合の装置の正面図、第５図はその際
のセラミックス表面層を加熱・冷却して、熱応力ひずみ
を発生させる機構の説明図、第６図は砥石切削・研削工
具群を回転円板の円周上に分布させて切削・研削工具と
した工具によって本発明方法を実施するときの装置の正
面図、第７図はその際のセラミックス表面層を各工具群
で加熱・冷却して熱応力ひずみを発生させる機構の説明
図、第８図は単粒砥粒を等間隔に回転円板上に分布配置
させて成形した研削砥石による本発明方法を実施する装
置の正面図、第９図は連続切刃群とみなしうる研削砥石
によって本発明方法を実施する装置の正面図、第１０図
は同側面図である。 ２・・・クラック群 １１・・・摩擦加熱用チップ １２・・・切削用チップ ２８・・・高温領域群 ２９・・・微視クラック発生領域群 ３４・・・高速回転切削・研削工具 ３６・・・急冷用冷却水。 ４４・・・半径方向超音波振動 ５８・・半径方向低周波振動 ６２・・・厚み方向超音波振動

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. セラミックス加工部表面に加熱・冷却を繰返し与えて熱
   応力歪を予め発生させ、次いで工具により切削又は研削
   加工を行うことを特徴とするセラミックスの加熱・冷却
   式精密切削・研削加工方法。