JPS6362657A - 複合振動砥石による精密仕上加工方法 - 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） 本発明は定荷重砥石に超音波振動と低周波振動を与えて
鏡面に近い仕上加工を行う如くなした定荷重砥石に超音
波振動と低周波振動を与える複合仕上方法に関する。

（従来技術） 従来砥石を仕上方向と直角方向に低周波振動させて仕上
加工する仕上方法は公知である。又砥石にこの低周波振
動方向と同じ方向に超音波振動させて精密加工する方法
も公知である。

（発明が解決しようとする問題点） ところで上記従来技術のうち、低周波振動のみによる方
法は、金属材料の鏡面加工を対象としたもので金属材料
とその組成を異にする有機材であるゴム材のような軟質
工作物に対してその技術をそのまま適用してもその効果
は全く得られない。すなわち、砥石を金属制料加工面に
加圧してこれを低周波振動させ、各砥粒の運動軌跡を交
錯させることによって各砥粒の切削長さを−・」断じて
切削抵抗を軽減させて切削性を向−４ニさせることがゴ
１１のような軟質材に比へて剛性の高い金属材料に対し
ては可能ではあるが、ゴムのような軟質材のように弾性
に富む材料に対してはこの技術における程度の切削長さ
の寸断ては切削抵抗か減少せず、工作物が弾性変形して
逃げてしまい精密切削することができない。

この砥石を低周波振動の方向と同方向に超音波振動させ
る方法がある。この方法によって各砥粒の切削長さをよ
り細かく」断することができ切削抵抗が激減してゴムの
ような軟質材の弾性変形を極微少化して精密切削を可能
とする。

しかし、この方法には加工できる工作物の形状に制限が
生ずる。すなわち、この方法は、一様な平面あるいは円
筒外周、穴部の仕上加工には適用できるが、キー溝など
の溝加工や底のある穴の穴部の仕−Ｌ加工には使用でき
ないという問題点がある。

すなわち、超音波振動よりも振幅の大きい低周波振動数
の振幅が砥石の作用面と直交する工作物の側面をたたい
たり、所定寸法以上に加工して寸法精度を狂わせる現象
が生ずる。例えば、キー溝加工ではキー溝側面をたたき
、氷面加工では底面をたたく現象を生ずる。そして、加
工精度を低下させたり、砥石を破損させたりして発明の
効果を皆無とする。

（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、砥石を
仕−Ｅ面に加圧し、仕上面の法線方向に超音波振動させ
同時に仕上面と平行方向に低周波振動させ砥粒で一様な
表面粗さに加工し、次いで目すまりを生じた砥石に低周
波振動のみを与えてゴ１１、セラミックスなどの仕上加
工を行う如くしたことを特徴とするものである。

（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
１図において、角形チップ状砥石１を縦超音波振動子３
の振幅を拡大する振幅拡大用ホーン２の先端に取すイ」
け、工作物７に対してその法線方向である半径方向の矢
印方向に超音波振動数ｆ、振幅ａ４で超音波振動させる
。

超音波振動子３は電わい振動子、磁わい振動子いずれで
もその作用効果は同一である。この縦超音波振動系砥石
製丸棒工作物７の軸方向に低周波振動数Ｆ、振幅Ａ５で
低周波振動させる。

工作物７を矢印８の方向に回転させ仕上速度Ｖを与え、
仕上速度Ｖと低周波振動の振動方向とを図示のように直
角方向とする。低周波振動駆動装置としては、二相誘導
電動機を利用した滑り子クランク機構、リンク機構およ
び空気圧、＝３− 油圧を利用した装置あるいは電磁振動、電気油圧振動駆
動による装置などを用いることができる。工作物の微小
突起を削除して、一様な表面粗さに粗仕上加工する粗仕
上過程では、砥石に超音波振動数ｆ、振幅ａ４と低周波
振動数Ｆ。

振幅Ａ５を同時に作用させて工作物に対して荷重Ｐ６を
与え、加工抵抗に比例して加工が進むように粗仕上して
、仕上過程では低周波振動数Ｆ、振幅Ａの低周波振動の
みによって精密仕上げる。

第２図、第３図、第４図本発明が能率的な精密仕上加工
を可能とする理由について説明する。

第２図は、低周波振動数Ｆ、振幅Ａで矢印方向に振動す
る砥石１上の砥粒群９の軌跡をモデル化して工作物を１
回転させてπｄの長さに平面展開した図−にに示す図で
ある。砥粒群９は仕上速度■および振動数Ｆ、振幅Ａに
よって変化する曲線状の軌跡群１０を示す。このとき、
速度Ｖが遅く、振動数Ｆが高く、振幅Ａが大きい程、ま
た砥粒径が小さく砥粒密度が高い程、この曲線群は激し
く交錯する。そして切削長さが短かく寸断される。パル
ス状の加工抵抗はこの切削長さに比例する。切削長さが
短くなればなる糊加工抵抗は小さくなる。従って、砥石
の単位面積あたり０．２〜１　ｋｇ　ｆ　／　ｃイとい
った微小加圧力Ｐを作用させることによっても粗仕上過
程を満足させることができる。そして、工作物７を表面
を一様な粗さの凹凸面１−１に迅速に粗加工することが
できる。

このとき第３図のように工作物表面の法線方向に砥石を
超音波振動数ｆ、振幅ａの超音波振動を重畳させて力１
０ニすると、砥粒群９は第２図における粗仕上面１１−
の山頂付近１２、山の斜面１３あるいは山頂を小刻みに
えぐり取るような切削機構を繰返して低周波振動のみの
第２図における切削長さをさらに微細に」断する。すな
わち、切りくずを極微細化することができる。

そして、加工抵抗を激減させることができる。

一方、表面組さよりも微細化して、見掛け１−半分以下
の細粒径による砥粒による表面粗さと同等の粗さとなる
効果が得ら汎る。

すなわち、第４図のように砥石を低周波振動Ｆ、Ａ５に
超音波振動ｆ、ａ４を重畳複合振動させ、該砥石に定荷
重Ｐを与えて砥粒群９によって微細表面粗さ１５の仕上
面に加工抵抗少なく迅速に組体−１−加工する。さらに
平滑な仕上面粗さあるいは鏡面に加工するために超音波
振動を停止して低周波振動のみとする。規則的な表面粗
さ１５の山頂付近を第３図１２のようにして迅速に削除
でき、その多量の切りくずが目づまり１６の発生を迅速
化して砥石表面は迅速に平面化されて軽荷重のもとに工
作物表面は鏡面に近い平滑な仕上面１７あるいは鏡面に
迅速に超精密加工できる。

従来の低周波振動方向と超音波振動方向とを同一とする
重畳超仕上では、切りくず長さを砥粒の運動軌跡を激し
く交錯させることで寸断させたが、本発明では工作物表
面に微細に突起している微細山群を砥粒群で小刻みに切
削長さを極微細化してコツコツと石材をのみでたたき割
るようにして衝撃的にせん断変形させて切りくずを生成
していくことを特徴とする。最近新素材として登場して
きているファインセラミックスは微細クラックの連続発
生によって切削、研削が可能となる。従来の重畳超仕上
の振動方向のみではこのクラックの積極的発生は期待で
きない。このクラックの発生を砥石車のような高速回転
をさせない極低速の仕上用研削工具によってセラミック
スの精密円筒、穴、平面加工を円滑に実施するには本発
明による以外にその方法を見出すことができない。

第５図は本発明による円筒加工時の装置の一例である。

例えば１０冊角のＷＡ＃３０００　　Ｖｉｔ砥石を２８
Ｋｌｌｚ２ＯＷたて振動フェライト振動子３の振幅拡大
用ホーン２の先端に接着し、ホーン２の振動節で取付板
］８に固定する。取付板は加圧装置ｔ１９にボルトで締
付けて固定する。加圧装置は矢印５の方向に低周波振動
する振動軸２０に固定する。この振動軸を三相誘導電動
機７５０Ｗ２２の回転数３００Ｏｒｐｍをベル１−２３
　　ｌ　− で増速して６０００ｒｐｍとしてすべり子クランク機構
を駆動しその回転運動を揺動、往復運動にかえ振動数Ｆ
　＝］０ＯＨｚ、振幅Ａ　＝０．２ｍｍ程度で矢印５の
方向に低周波振動させる。このような構造の低周波振動
駆動装置２１を旋盤往復台２４上にボルト２５で固定す
る。工作物７を旋盤２６の主軸のチャック２７にチャッ
クして他端を心押台２９のセンタ２８で支持し矢印８の
方向に回転させる。砥石には加圧装置１９によって加圧
力Ｐ＝０．２〜１．　ｋｇ　ｆ　／　ｃｌが与えられる
ようにする。振動子３は超音波発振機３０によって超音
波振動させる。この装置によって砥石を超音波振動数ｆ
　＝　２０−４０　ＫＨｚ、片振幅ａ＝２〜２０μｍ程
度で超音波振動させ、かつ振動数Ｆ＝　２０　”　１０
０１ｔｚ　、片振幅Ａ＝０．１〜０．２ｍｍ程度で低周
波振動させることができ、超音波発振機の電源をオフす
ることによって低周波振動のみの精密仕上加工が実施で
き、本発明による精密円筒加工が円滑に実施できる。

第６図は本発明による穴加工時の装置の一例〜８− である。例えば、］、Ｏｎｍ角のＷ　Ａ　＃　３０００
　Ｖ　ｊ−を砥石１を２８　ＫＨｚ、　２　ＯＷたて振
動フェライト振動子３の振幅拡大用ホーン２の先端にボ
ルト３３で取付けた１次の曲げ振動シャンク３１の両端
の振動腹に接着する。超音波発振機３０によって超音波
振動子３を超音波振動させると振幅拡大用ホーン２は矢
印４の方向に超音波たて振動する。そして曲げ振動シャ
ンク３１は曲げ超音波振動して砥石１は表面に対してそ
の法線方向である矢印３２の方向に超音波振動させるこ
とができる。曲げ振動シャンクの次数をあげるとシャン
ク長さを長くすることができ深穴の加工を可能とする。

この砥石１に矢印３５の方向の加圧力Ｐと往復の縦送り
を与える。この装置によって超音波振動数ｆ＝２０〜４
０　Ｋ　Ｈｚ、片振幅ａ＝４〜］−６μｍ程度で超音波
振動させ、かつ振動数Ｆ＝］、００１（ｚ、片振幅Ａ　
＝０．２ｎｍ程度で低周波振動させることができ、超音
波発振機の電源をオフにすることによって低周波振動の
みの精密仕上加工が実施でき、本発明による精密穴加工
が円滑に実施できる。

第７図は平面加工に対する本発明の実施例の１例である
。例えば、２０冊角のＷ　Ａ　＃　３０００Ｖｉｔ砥石
］を２０　Ｋ　）Ｔｚ、６００Ｗたて振動型わい振動子
３の振幅拡大用ホーン２の先端に接着する。該ホーン２
の振動節を取付板１８で固定する。このたて振動系砥石
を取付けた取付板１８を加圧装置１９に固定する。低周
波振動駆動装置２１によって駆動される振動方向が矢印
５の方向となるように装置２１−を平削盤あるいは形削
盤刃物台３Ｇに取付ける。超音波発振機３０によって超
音波振動子３を励振すれば砥石は工作物３７′Ｉの法線
方向に振動数ｆ＝２０ＫＨｚ、片振幅ａ＝４〜２０μｍ
程度で超音波振動する。

この砥石に加圧力Ｐを矢印３５の方向に与え、振動数Ｆ
＝１００１（ｚ、片振幅Ａ　＝０．２■角程度で低周波
振動させ、仕」−速度■をもって仕上加工することによ
って本発明による精密平面仕上加工が実施できる。

（効　果） 第５図の円筒加工の場合について説明する。

直径３０＋ｎｍ、長さ２０ｍｍのジルコニアセラミック
ス丸棒をダイヤモンドバイトで精密振動切削して表面粗
さ萩１０μｍとなってほぼ正円に近い円筒面に点在して
いる微少突起部を削除して表面粗さ０．５μｎｌＲ，ｍ
ａｘ以内、真円度０．５μｍ以内の円筒面に精密仕」ニ
する際に本発明を１−０■角の厚さ５１１ｎ＋の＃６０
０角形ダイヤモンド砥石、超音波振動数２０　Ｋ　Ｈｚ
、振幅１５μｍ、低周波振動数１．　ＯＯＨｚ、振幅０
．２ｎｍ、仕上速度２０ｍ／ｍｉｎ、加工圧０．５ｋｇ
ｆ／ｃＪ、混式、送り速度０．１ｍｍ／ｒｅｖの加工条
件で実施して３分間以内の短い加］二時間で所定の精度
に砥石を発熱させることなく、砥石の寿命を長くして精
密加工することに成功した。砥石の法線方向の超音波振
動によって使用する加工液にキャビティションが発生し
、生成される切りくずを強制的に排出し、加工表面に切
りくずによる引っかき傷の発生を防ぐ効果も得られる。

また、低周波振動で仕上げる際にも、本装置によって可
能となる時々の法線方向の超音波振動附加は砥石面に異
常に付着する切りくずの除去と形直しにも役立つ。

本発明は、２０ｍ／ｍｊｎ程度の低速度で回転する工作
物に角形チップ状ダイヤモンド砥石を押しつけただけで
は切りくずを生成することができないセラミックスの精
密仕上加工を可能にし、焼入れ鋼の鏡面仕上を従来の超
仕−１−，、重畳超仕−Ｌよりも遥かに能率化すること
を特徴とする。なお、旋盤に取付けて円筒加工する場合
で説明したが軽量化し、コンパクトに小型化した手作業
用本装置によって手仕」ユすることによっても本発明方
法が実施されることは云うまでもない。さらに、工作物
をバイスなどに固定し、本装置を手作業によって第１図
のように往復運動させてもよい。また、固定砥粒による
砥石にかわって、ラップを−に連するように振動させて
遊離砥粒を用いてもよい。

次に第６図の穴加工について説明する。ジルコニアを内
径３０．０］、ｍｍ、外径５０ｎｗｎ、長さ２０ｍにダ
イヤモンドバイトで精密振動切削して表面相さ１０μｍ
となってほぼ正円に近い真円度の円筒面に点在している
微少突起部を削除して内径３０．０２ｍｍ、表面粗さＱ
、５μ、ｍＲｍａｘ以内、真円度０．５μｍ以内の精密
穴部に精密穴加工しようとする際に、本発明を、砥石シ
ャンク３１を２次の曲げ振動系シャンクとしてその両端
に＃６０゜の角形チップ形状のダイヤモンド砥石を接着
し、超音波振動数２０　ｋ、　Ｈｚ、振幅１２μｍ、低
周波振動数＋００Ｈｚ、振幅０．２ｍｍ、仕−上達度１
０ｍ／ｍｊｎ、加工圧０．７ｋｇｆ／ｃｎ？、混式、送
り速度０．１＋＋ｎ＋／ｒｅｖの加工条件で実施して５
分間以内で所定の形状寸法、面精度に精密加工すること
に成功した。

このように本発明はセラミックスの精密穴加工に画期的
な効果をもたらすものである。もちろん、焼入鋼などへ
の穴加工効果も顕著で従来の超仕上、重畳超仕上の約２
〜４倍に能率を向−卜させる効果が得られる。本発明は
、セラミックスの円筒や平面加工のほかに精密仕上加工
が困難な穴、特に小径深穴加工の超精密加工に適用して
画期的効果をもたらすものである。そのセラミックスの
加工に際してセラミックスも超音波振動させて本発明を
実施すれば本発明の作用効果をさらに倍増させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による仕上方法とその特徴を簡明に説明
する図、第２図は砥石を低周波振動させたときの砥粒の
運動軌跡を示し、切削長さが寸断され切りくずが微細化
されることを説明する図、第３図は砥石を工作物の法線
方向に超音波振動させることによって切削長さがさらに
微細に寸断され切りくずがさらに微細化されることを説
明する図、第４図は本発明による仕上方法とその特徴を
説明する図、第５図は本発明による円筒加工方法とその
装置を説明する上面図、第６図は本発明による穴の仕上
方法とその装置を説明する一Ｆ面図、第７図は本発明に
よる平面の仕上方法とその装置を説明する側面図である
。 ］−・超音波振動研削用ダイヤモンド砥石２・・・振幅
拡大用ホーン ３　・超音波振動子　　　４・・超音波振動５・・・低
周波振動　　　　７・・・セラミックス３０・・・超音
波発振機 ３１・・曲げ超音波振動シャンク ３５・・加圧力丁）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 砥石を仕上面に加圧し、仕上面の法線方向に超音波振動
   させ同時に仕上面と平行方向に低周波振動させ砥粒で一
   様な表面粗さに加工し、次いで目ずまりを生じた砥石に
   低周波振動のみを与えて鏡面に近い仕上加工を行う如く
   なした複合振動砥石による精密仕上加工方法