JPS62162451A - 超音波研削装置 - 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〕 この発明は、セラミックスなどの硬質脆弱材料の研削加
工に用いられる超音波研削装置に関する。

〔従来の技術〕

従来より知られているセラミックスなどの硬質脆弱材料
の加工法としては超音波加工がある。これはセラミ・７
クスの衝撃に弱いという性質を利用して、工具と加工物
間に炭化ケイ素（Ｓｉｃ）などの遊離砥粒を懸濁した水
を流し込み、上記工具を超音波振動させてその工具端で
加工面を一定の力で押圧し、上記遊離砥粒を工具振動に
よって加工面に打ち込んで加工物を微量ずつ破砕するも
のであり、加工物には工具の輪郭形状がそのまま反転し
た状態で成形加工される。

しかし、上記加工においては、工具に軟鋼やステンレス
鋼等を用いるために、工具自体の消耗が激しくまた深穴
加工が難しいなどの欠点があり、さらムこは、近年構造
用材料上して広範囲に利用され始めているファインセラ
ミックスには従来のセラミソクスに比べて著しく難削性
のものが出現するに及んで、上記の超音波振動を利用し
た加工法と、ダイヤモンド砥石による研削加工を組み合
わせた超音波研削方法が注目されている。

超音波研削を行なう研削装置は、第３図及び第４図に示
すように、回転軸２に、その軸方向に超音波振動を励起
させる振動子７を組み込み、その回転軸２の先端にダイ
ヤモンド砥石１０を取り付けた構造をしており、上記ダ
イヤモンド砥石１０に回転と振動とを同時に与えて加工
物に所要の加工圧力を加えながら研削加工を行なう。こ
のように、砥石に高速回転と軸方向の振動を与えること
により、砥石と加工物間の摩擦が太き（減少して、軽い
加工圧力により切削を行なうことができる。

実験的に得られた結果を第５図に示すが、各種のセラミ
ックスの材料において、図中Ｏや△で示される超音波研
削法は、・やムで示される超音波を用いない通常の研削
法に比べてはるかに大きな加工速度を得ることができ、
上述した超音波加工法に比べても２倍以上の加工速度が
得られる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、超音波研削加工において、セラミックスを能
率よく研削加工するためには、少なくともセラミックス
が微小な破砕を起こすに足りる十分な応力を加工点に加
えることが必要である。このように、加工物に破砕を起
こすに足りる応力、謂ゆる研削開始力は、セラミックス
各種の降伏強さの相違により差異があり、第５図に示す
ように、例えば図中Ｏで示す酸化アルミ（Ａ　ｊ！　ｚ
０３）の研削開始力ａは約１０ｋｇｆ／ｃｄであり、一
方、図中◇で示す炭化ケイ素（Ｓｉｃ）の研削開始力す
は約４５ｋｇｆ／ａ！であってそれ以上に加工圧力を上
げないと研削を行なうことができない。すなわち、研削
開始力板下の加工圧力では、砥石がいたずらに加工物表
面をこするだけで、満足な加工を得ることができず、砥
粒の２番摩耗を著しく進行させる。このため加工圧力は
各セラミックスの研削開始力より大きくとることが必要
である。

一方、加工圧力を増大していくと、第５図に示すように
加工速度は直線的に比例して増大するが、加工圧力が大
きくなると加工系全体の剛性が問題になり、砥石、加工
物相互間の振動が大きくなって極端な場合、砥石の破損
に至る。

またセラミックス部品は、その材料的な脆さからクラン
プ力を強くすることができず、したがってテーブル上な
どへの支持剛性が小さくなり、そのクランプ状態により
加工圧力の許容上限値が制限される場合がある。

従来の研削加工は、加工圧力を上述した研削開始力と、
砥石の破損や加工物のクランプ状態などから導かれる上
限値の間に設定し、その設定圧力での定荷重研削を行な
っており、通常第６図に示すように加工物３０を取れ付
けるテーブル３１に天秤式加圧機構３２が設けられてい
る。この天秤式加圧機構により、Ｗなる負荷をかけた場
合、砥石３３の軸方向にＦなる定荷重が作用するように
なっている。この場合、Ｆの値を加工圧力の設定値に合
わせる。

また、上記天秤式の他に、砥石径が小径の場合には、加
工物下部にスプリング機構を設け、スプリングの弾性を
利用して加工物を一定の圧力で砥石に押し付ける方法が
用いられる。

しかしながら、上記の加圧方法は、研削装置としての構
造が複雑になると共に、加工物の種類や、砥石径が変化
する度に負荷重１ｗの変更や、スプリング機構の場合は
スプリング長を変化させるなどして弾性力を調節する必
要があり、作業が著しく面倒なものになっている。

また、天秤やスプリングの動きの追従性に対する信頼性
に問題があり、実際上安全性を考えて加工圧力をかなり
低く設定する必要がある。このため、砥石の能力を最大
限に発揮することができず、加工能率を低いものにして
いた。

この発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、
機械的な加圧Ｉａ構を無くし、加工物の種類に合わせて
加工圧ノコを適切な値に自動的に設定することができて
、能率的な研削が行なえる超音波研削装置を提供するこ
とを目的としている。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明においては、上記問題点を解決するため、超音
波研削装置に、加工物の受ける加工圧力の検出器と、加
工物に適応する加工圧力の上限値と下限値又は経過時間
とを設定する設定回路、および上記検出器からの検出加
工圧力と、上記設定加工圧力とを比較し、検出加工圧力
が設定加工圧力の上限値より増大したとき、上記回転軸
の駆動を制御する制ＪＩＵ部に、上記砥石の軸方向送り
の停止信号を出力し、設定下限値より減少したとき又は
停止信号出力後設定時間に達したとき、上記軸方向送り
の再起動信号を出力する判定回路から成るシーケンス回
路とを設けた構成にしたのである。

〔作用〕

設定回路における設定加工圧力の上限値を砥石の破損や
加工物の支持剛性に支障を生じない範囲の最大の値を設
定し、研削開始力を越えた任意の値の下限値を設定する
か、又は、任意の経過時間’４５に’ｎ＼の値を設定す
ると、加工物に加えられる加工圧力は、第２図に示すよ
うに、上限４ｉｆｉ　Ｐ　ｔと下限値ＰＩの間、或いは
上限値Ｐ２から上記設定時間の範囲内で脈動を繰り返し
、砥石の無駄なスリップや破損を防止できることができ
る。

〔実施例〕

以下、この発明の実施例を添付図面に基づいて説明する
。

第３図は、超音波研削装置における機械構造の正面図を
示しており、主軸頭１の上部には、回転軸２の駆動モー
タ３が取付けられている。

４は加工テーブルであり、各ステッピングモータの駆動
によりＸ、Ｙ軸方向の移動機能を備え、一方、主軸頭１
は、テーブル４に対して直立したコラム５上で、ステッ
ピングモータの駆動によりＺ軸方向に移動可能になって
いる。上記３軸のステッピングモータと回転軸２の駆動
モータ３は、第１図に示す制御部と連結し、数値制御さ
れている。

第４図は、主軸頭１内部の要部を示しており、回転軸２
が、玉軸受６．６を介して回転可能に支持されている。

上記回転軸２の途中には、振動子７が組み込まれ、その
振動子７の先端に、ブースター８と段付ホーン９が取り
付けられている。振動子７は、チタン酸ジルコン酸鉛系
磁器からなる一対の圧電素子を電気的に並列に突き合せ
した電歪型のもので、超音波発振器（図示略）に連結さ
れ、発振器からの電気的な振動を、回転軸２の軸線方向
の機械的な振動に変換する。

上記振動子７により得られる振動変位は、１０μｍ程度
の小さなもので、ブースター８と段付ホーンＳにより振
動を機械的に増幅して、段付ホーン９先端で３５〜４５
μｍの軸振動が得られるようになっている。

なお、上記段付ホーンは、エキスポーネンシャルホーン
や、コニカルホーンであってもよい。

段付ホーンＳの先端には、ダイヤモンド砥石１０が、後
端のねじ部をねじ込むことにより着脱自在に取付けられ
ている。上記ダイヤモンド砥石１０と段付ホーン９は中
空構造になっており、ブースタ−８内部に設けられたウ
ォータージャケット１１より切削水を供給することによ
り加工時の切り屑のノ井出が容易になっている。

加工物１２は、第３図に示すように、号−プル４上面に
ロードセル１３を介して取り付けられる。

ロードセル１３はひずみゲージを検出素子とした強剛性
タイプのもので、加工物１２が砥石１ｏより受ける加工
圧力を電気信号に変換し、ケーブル１４を介し、装置内
部に組み込まれたシーケンス回路に伝達する。

なお、加工圧力の検出は、Ｚ軸方向の送り軸にスラスト
力検出セルを取付け、研削時の送り方向のスラスト力を
検出するようにしてもよい。

なお、１５は、切り屑や切削中の外側への飛散を防止す
るスプラッシュガードである。

第１図に示すように、ロードセル１３で検出された加工
圧力は、シーケンス回路で判別される。

このシーケンス回路は、設定回路と判定回路から成って
おり、設定回路は、加工物の種類や砥石径に対応させて
最適な加工圧力値の上限・下限値が設定できるようにな
っている。一方、判定回路はロードセル１３からの検出
加工圧力と、上記設定回路で設定された上・下限値とを
比較し、回転軸の駆動を制御する制御部に対し、検出さ
れた加工圧力が設定の上限値より増大するときは砥石１
０の軸方向送りの停止信号を出力し、設定圧力の下限値
より減少するとき、上記送りの再起動信号を出力する。

上記設定信号における上・下限値の設定は、手動操作成
いは数値制御部からの指令により容易に変更することが
出来るようになっている。

にしてもよく、この場合は、設定時間の間で送りが切り
変ることになる。

次にこの実施例の作用を説明する。

まず、設定回路において、対象となる加工物１２の種類
や使用される砥石径に応して下限値Ｐ。

を加工開始力より高めの値に設定し、上限値Ｐ２には、
実験データや経験値より導き出された最大加工圧力より
低めの値を設定する。

駆動モータ３と超音波発振器を駆動させると、回転軸２
先端のダイヤモンド砥石１０は、回転と軸方向の振動を
同時に与えられ、この状態でＺ軸方向に所要の大きさで
送りをかけると、砥石１０先端は加工物１２に侵入を始
める。このとき、加工物１２の受ける加工圧力は、ロー
ドセル１３を通してシーケンス回路内部で予め設定され
た上限値Ｐ２下限値Ｐ１と比較判定され、第２図に示す
ように、加工圧力がＰ、とＰ２の値に抵触するごとに送
り起動が切り変わり、Ｐ、と２２間で脈動することにな
る。

なお、加工物の材質や砥石径が変化した場合は、設定加
工圧力を変化させるだけで、良好な研削条件を容易に選
定することができる。

また、下限値に代り設定時間を設定する場合は、設定時
間を数秒以下に設定して短時間で加工圧力を切り換える
ことにより、効率の良い加工を行なうことができる。

また、砥石が摩耗をきたしてくると加工圧力が増加して
Ｐ＋、Ｐｉ間での加工圧力の脈動する回数が増加する。

したがって、上記脈動の回数をカウントして、一定の回
数に達すると機械を停止させる信号を出力する判別回路
を設けておけば、自動的に砥石のドレッシングやツルー
イングの行なうタイミングを知ることができる。

〔効果〕

以上説明したように、この発明によれば、研削加工の際
、加工圧力を加工物の種類や砥石径に対応させて最適な
値の範囲内で自動的に制御できるようにしたので、砥石
の無駄なこすりゃ破損などの不具合が防止出来ると共に
、砥石の能力を最大限に発揮させることができ、能率的
で安定した加工を行なうことができる。

また、加工物や砥石径の変化に対しては、設定回路内の
設定圧力値を変えるだけでよいので、従来のように機械
的な加圧機構や、頻繁な設定作業が不要になり、製造コ
スト及び段取りコストを低減することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例を示すブロック図、第２図は
同上における加工圧力と時間との関係を示すグラフ、第
３図は実施例の機械構成を示す正面図、第４図は同上の
主軸内部を示す一部破砕断面図、第５図は各種材料にお
ける加工速度と加工圧力との関係を示すグラフ、第６図
は従来の加工機構を示す正面図である。 ２・・・・・・回転軸、４・・・・・・テーブル、７・
・・・・・振動子、８・・・・・・ブースター、Ｓ・・
・・・・段付ホーン、１０・・・・・・ダイヤモンド砥
石、１２・・・・・・加工物、１３・・・・・・ロード
セル。 特許出願人　　大阪ダイヤモンド工業株式会社同　代理
人　　鎌　　１）　文　　二 第５図 加工圧力（ｋ　ｆ　ｌ　／ｃｓｌ　） 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 軸方向に超音波振動を励起させる振動子を組み込んだ回
   転軸の先端にダイヤモンド砥石を取り付け、そのダイヤ
   モンド砥石に、所要の加工圧力を加えながら回転と軸方
   向の振動を同時に与えて研削加工を行なう超音波研削装
   置において、加工物の受ける加工圧力の検出器と、加工
   物に適応する加工圧力の上限値と下限値又は経過時間と
   を設定する設定回路、および上記検出器からの検出加工
   圧力と上記設定加工圧力とを比較し、検出加工圧力が設
   定加工圧力の上限値より増大したとき、上記回転軸の駆
   動を制御する制御部に、上記砥石の軸方向送りの停止信
   号を出力し、設定下限値より減少したとき又は停止信号
   出力後設定時間に達したとき、上記軸方向送りの再起動
   信号を出力する判定回路から成るシーケンス回路とを設
   けたことを特徴とする超音波研削装置。