JPS63267150A - 超音波研削用カツプ砥石 - 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、超音波研削装置に用いるカップ砥石↓こ関
する。

〔従来技術〕

遊離砥粒を用い、硬脆材料から円板を打抜くプロセスに
、半波長縦振動ホーンを利用する技術が既にある。これ
は必要な円板外径に等しい開口端をもつ中抜き部をホー
ンの出力端に設けるもので、その例が次の文献中に開示
されている。

Ｌ、Ｄ、　　ＲＯＺＥＮ［３ＥＲＧ　　ｅｔ　　ａｌ　
　：　　ＵＬＴＲＡＳＱＮＩＣＣＵＴＴＩＮＧ（ＣＯＮ
ＳＵＬＴＡＮＴＳ　ｏｕ７ｕ、　Ｎｃｕ　ｙｏｎＫ、　
　１９６４．　Ｐ６６）このホーンの出力端に、ダイヤ
モンド或いは立方晶窒化硼素などの砥石を付け１回転さ
せながら超音波打抜き加工を実行することができる。こ
の際、打抜き加工の研削抵抗は軸方向のみに作用し、半
波長長さの工具の横方向に力を及ぼすことがない。従っ
て、横荷重により工具が曲がる心配が無く実用できる。

この型を以下ホーン型工具と呼ぶ。

この−例を第２図に示す。図において６は半波長長さの
ホーンで、出力端（開口端）に砥石５をろ−付けしてい
る。後の説明の都合上、ホーン長さは１６　、６．ｋｌ
ｌｚで共振するように１６０ｍｍ（鋼’Ｒ）としている
。

次に、円板の撓み振動を利用する技術が、超音波シーム
溶接に際し公知である。例えば、特許公報、昭３７−１
３３２２　ｒ縫合せ振動溶接装置及び方法」中の第８図
に軸方向に撓み振動する共振円板を薄い金属署の連続シ
ーム溶接に用いる装置が示されている。

この技術思想を超音波研削用カップ砥石に応用したもの
を第３図に示す。（文献を示すことはできない） 図において７は、軸上にボス１をもつ撓み振動円板で、
砥石５をろ−付けしている。撓み円板７は、節円を１つ
もつものとして、その振動モードを示す。ここでカップ
砥石は、リング状砥石の端面を用い横送りをかけながら
平面研削を実行するものを意味している。

従って、第３図に示すものは、形状的には平板でありな
がら、機能的にはカップ型である。以後これを撓み振動
型工具という。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述のホーン型工具は、横荷重に対する剛性が低いため
、横送りをかけながら研削する作業において、浅い切込
みをかけようとすると砥石が逃げ、深い切込みをかけよ
うとすると、速い横送りをかけることができない。

一方、撓み振動型工具は、横荷重に対する剛性が改善さ
れる反面、偏心した軸荷重によって曲がり易い。従って
、砥石作用面の全面を使用する平面研削を実行できるが
、その一部を用いた研削（段を付ける場合など）では、
条件によって砥石が逃げてしまう。

また、撓み振動型工具の砥石の作用面Ｘ″′上の各点は
、その振動モードからＰ点の周りの回転を伴うため、研
削に際し外側が片減りし易く、相手に条痕を残す欠点が
ある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点を解決するため本発明においては、椀状回転
体の軸上に当り面とねじ結合部をもつボスを設け、上記
椀状回転体の開口端を軸に垂直な輪帯平面から成る砥石
作用面とし、上記椀状回転体の縦断面プロフィルを、振
動する上記砥石作用面が、常に軸に垂直な姿勢を保つよ
うに形成する。

〔作用〕

本発明の椀状回転体は、その形自体が横荷重ならびに偏
心軸荷重に対し変形しにくい特性をもつ。

即ち、横荷重に対しては、ホーン型工具に比較して軸方
向長さが短いため曲がりにくい。また、偏心軸荷重に対
しては、上記碗状回転体を撓めようとする荷重成分が撓
み振動型に比べて小さいので撓みにくい。

〔実施例〕

第１図に本発明に係る一実施例を示す。

１は外部励振源と結合するためのボスで、当り面２とめ
ねじ３をもつ、４は椀状回転体でその開口端に砥石５を
ろ−付けする。“′Ｘ″′面は上記椀状回転体の軸に垂
直で、砥石５の作用面である。

砥石５は外径７１ｍｍ、内径６５ＩＩｌｌｌ、厚さ６醜
■のリング状で、超音波振動をよく伝達するためメタル
ボンドのダイヤモンド砥石を使っている。ボンド材とし
ての金属は引張り強さの大きい鋳鉄系およびステンレス
系が望ましく、同時にダイヤモンド砥粒の保持力も高く
なければならない０例えば、鋳鉄ファイバーボンド砥石
が超音波研削用として適している。

条痕の少ない良好な仕上面を得るために、砥石作用面上
の各点の振動振幅分布は、大きさおよび方向を含め、で
きるだけ均一なものでなければならない。このことは、
砥石の不均一摩耗を防ぐためにも必要である。

衝撃破砕を原理とする高能率除去加工の観点から、振動
方向を軸方向成分だけにすることが望まれるが、多少の
共存後成分は許される。また、平滑面を目的とする磨き
加工においては、逆に径方向成分を主体にしなければな
らない。

いずれの加工においても、砥石作用面は常に加工物表面
に対し平行を保ちつつ、振動する必要がある。言いかえ
ると、振動する砥石作用面が常に軸に垂直な姿勢を保つ
ようにしなければならない。

前述の如く第３図に示す撓み振動型工具の場合には、Ｑ
点の振動がＰ点の周りの回転運動に近いため、砥石作用
面を常に軸に垂直に保つ条件を満たすことができない。

この姿勢制御は、椀状回転体の軸を含む縦断面のプロフ
ィルを最適化することによって斉らされる。この方法の
アルゴリズムは完全には解明されていないが、実現でき
ることを本発明者らが初めて明らかにしたのである０例
えば、第１図に示すものは、僻（ＳＮＣ６３１）に鋳鉄
ファイバーボンドダイヤモンド砥石（粒度１００／１２
０．コンセントレージＪン１００）をろ−付けしたもの
で１６．６ｋＨｚの固有振動数をもつ。椀状回転体４は
、節円を１つもち、ボス１との接続部の軸方向成分は、
砥石作用面“Ｘ　１１の軸方向成分と逆相である。また
、ボス１内の各点は、椀状回転体４との隣設部を除き、
はぼ一様な軸方向成分をもつ。

椀状回転体４内の振動モードは複雑であるが、表面に垂
直な成分（撓み）と平行な面内成分の混在したものとな
っている。

砥石作用面の回転振動による角度振幅は１．６゜で、砥
石作用面上の点の軸方向成分の径方向成分に対する比は
５．７である。上記回転角は、砥石作用面内の各点の軸
方向成分のバラツキに換算すると、９．１％で、砥石作
用面の砥粒突出し長さのバラツキに比べると一桁小さい
ので、実用上無視できる。

上記椀状回転体の縦断面プロフィルの最適化をなすにあ
たって必要な周辺条件を次に述べる。

（１）ボッこＬへ貿＝ｔｐ随Ｇｔ＝ζ・ボス１の質量は
、その慣性力のため、ねじ結合部および椀状回転体との
接続部に大きな振動応力を発生させる。従って、外径お
よび長さを必要最小限度に止める。

第１図でねじ結合部と反対側の５０’のテーパ円錐部の
質量は、固有振動数の調整用である。

（２）砥　ろ−・け、の　　　を必　以上　らない工旦
・ この部分の余剰質量は、その巨大な慣性力によって椀状
回転体の破壊を招く、従って、余分な付加質量を極力抑
えて、できるだけスリムとする。

（３）　　　　の　さを必　　小　に　える。

例えば、６ｍ履程度とする。

（４）最大応力が、ボス１と接続する椀状回転体の近傍
に発生するので、内外とも丸味を付けて破壊のリスクを
軽減する。

以上の条件が満たされた後に、椀状回転体について更に
次の考慮を払わねばならない。

（１）砥石ろ一部は部は、軸方向成分を主にしたいとき
軸に同心の円筒部分を１０ｍｍ程度（振動数２０に＋ｌ
ｚ近傍）もつこと。

（２）開口端の円周長さが、材料中の薄板としての音速
に対し１波長に近づくと、径方向成分が卓越し始める。

磨き加工用には、これを積極的に取り入れるのもよい。

２０ｋ）Ｉｚの鋼のとき、この直径は近似的に８０ｍｍ
近傍にある。

′しかじ、軸方向成分を主にしたいときは、この寸法を
避ける。

（３）ボス側の肉厚を増やすと、砥石側の肉厚を一定と
して、砥石側の振動とボス側の振幅の比が増加する。

これらの条件を考慮しつつ、最゛適な縦断面プロフィル
を求める方法は、コンピュータ・シュミレーションと試
作である。

この作業を経験した結果から判断すると、在来のカップ
型砥石を超音波用に転用を図るとき、如何に多くの無駄
肉をもち、且つ多くの有害な部材間の機械的接触部をも
つか分かる。従って、本発明のカップ砥石が一見して在
来のものと如何に酷似していようと、そこに盛り込まれ
た巨大加速度対策技術を考慮するならば、内容的に完全
に異質なものであることが了解できる。

それを象徴する形態上の相違を次に述べよう。

（１）本発明のカップ砥石は、ただ１つの接触面と、同
じく１つのねじ結合部によって研削主軸に取り付けられ
る。

（２）本発明のカップ砥石は、一体構造であり、２つ以
上の部品の機械的接触部をもたない。

さて、第１図には、椀状回転体として肉厚一定な球殻の
一部を用いたが、内外面をそれぞれ中心の異なる球殻で
構成し、肉厚が各部で異なるようにして、周波数を一定
に保ちつつ、砥石作用面“Ｘ”と当り面２の軸成分の比
を変えることもできる。また−線以外の曲面、複数の節
円をもつモード、或いは砥石５の代りに、半波長長さの
パイプの先端に砥石を設けたものがど、いくつかの設計
変更が本発明の範囲内で考えられる。

〔効果〕

本発明の結果、剛性の大きい超音波研削用カップ砥石が
実現し、剛性の大きい超音波振動系と組み合わせて、高
能率な除去加工ができるようになった。従来、横送り速
度の大きさが約１０ｍ＋ｍ／ｍｉｎに留まっていたアル
ミナに対し、、１３０ｍｍの鋳鉄ファイバーボンドダイ
ヤモンド砥石（粒度１００／１２０、コンセントレージ
ョン１ｏＯ）を用い、砥石周速９４　ｍ　／　ｗｉｎ切
込み０．０４ｍｍで横送り速度と５００ｍｍ１ｗｉｎに
上げることができた。

また、重研削を意図して、同じ砥石を用い、周速９６ｍ
／ｌｌｌ１ｎで、窒化珪素を切込みＱ　、　８　ｍｍで
１００　ｍｍ／　ｍｉｎの横送りをかけて研削すること
ができた。このとき、横方向に１００ｋｇｆ、また軸方
向に１２５ｋｇｆの研削抵抗が作用した。平面研削或い
は両端の開いた角溝加工に際しては、入口と出口でそれ
ぞれ偏心軸荷重が砥石に加わる。この場合でも本発明の
砥石が逃げないので高精度の加工ができる。とくに横剛
性が向上した結果、ミクロン台の切込みを選ぶことが自
由にできるようになり、マイクロクラックの少ない高品
位な仕上面を得られるようになった。

さらに、第３図に示す撓み振動型工具との比較において
、本発明においては、砥石の回転振動成分を大幅に少な
くできるので、条痕の少ない高品位な仕上面が得られる
。

このことは同時に砥石の片減りを抑えて、砥石寿命を本
来の超音波研削砥石のもつ寿命に近付けるものである。

砥石の片減りの少ない小径砥石の超音波コアリングにお
いては、振動による摩擦低減効果による切屑の排出の良
さと研削液の循環の良さからくる冷却効果の増大も手伝
って、アルミナに関し、Ｉｉ！’１０ｍｍ外径の鋳鉄フ
ァイバーボンドダイヤモンド砥石を用いて普通研削時の
研削比１２３５に対し、超音波印加時には、研削比が１
２０００に約１０倍向上することが判明している。本発
明の結果、砥石の片減りが抑制されて、このメリットが
、より大型のカップにも期待できるようになった。

また、第２図に示すホーン型工具は、第１図に示すもの
と同じ振動数１６．６ｋＨｚで共振するもので、比較の
ために第１図と同じ縮尺で画いである。

明らかに本発明のカップ砥石の全長は、第２図に示すも
のより１０２ｍｍ短く、６４％の減少になっている。本
発明は砥石の小型化にも寄与するものである。

以上を要するに本発明は、ファインセラミックスなどの
硬脆材料の超音波研削に際し、実用上必要な剛性を備え
、適切な形状設計によって砥石の片減りを無くした小型
のカップ砥石を実現したもので、高能率除去加工および
高品位仕上加工を可能とし、且つ、在来技術を一桁上廻
る高研削比をもつものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る超音波研削用カップ砥石の実施例
の一例を示す。 第２図は在来のホーン型超音波研削用カップ砥石を、第
３図は在来の撓み振動型超音波研削用カップ砥石をそれ
ぞれ示す。 １　、、、、ボス、２．、、、当り面、３．、、、ねじ
結合部。 ４、、、、椀状回転体、５．、、、砥石。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 椀状回転体と、上記椀状回転体の軸上に設けられ、当り
   面とねじ結合部をもつボスと、上記椀状回転体の開口端
   に設けた砥石とからなり、上記椀状回転体の縦断面プロ
   フィルを振動する上記砥石作用面が常に軸に垂直な姿勢
   を保つように形成することを特徴とした超音波研削用カ
   ップ砥石。