JPS6362664A - 超音波振動砥石車による振動研削盤 - 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） 本光明は従来の研削方法では困九とされているゴムおＪ
、びＬＫラミックス等を容易に精密研削できる超音波振
動砥石中にＪ、る振動研削盤に関づ−る。 （従来技術） 切削・研削工具によって精密加工するためには、工作物
に４える力４少しでも軽＠する方法によって加１りる必
要がある。回転円板上に切刃を有限数段ｃノた例えばフ
ライスを高速回転させて切削づることによって切削力が
軽減覆る。回転円板上に無数に砥粒を分布させた砥石車
を高速回転させてＷ１削づることによって、砥粒１刃あ
たりの切込みかさらに小さくなって１作物に作用する力
が激減しく精密ｈ［１土できるＪ、うになる。しかし、
一方、約２０００　ｍ７”ｍｉｎに及ぶ高速研削のため
多聞の研削易にＪ、って工作物おＪ、び砥石車を冷却し
なければならない程平均研削記磨か茗しく上背で−るこ
とも既に周知のところである。砥石車の高速回転にどｂ
　イＪ’、う、子の茗しい光熱現象があるにもかかわら
ザエｆ１物に作用りる力の激減効果が絶大であるため、
砥イｊ車にＪ、る研削加工が広く常用されているのが現
状である。従来の工作物の材質は、金属Ｓ１体で発熱が
あっても熱伝達効？４．＜がＪ、く冷７．１１９）ノ宋
がよいので適切な研削易を多量に使１［レノることによ
って精密研削を可能としていた。 （発明が解決しようと覆る問題＋、’、’ｉ　）しかし
、今日では精密側Ｊ　：ｌｌｊ論、技術の有無にかかわ
らず、新素材が開発されてさ−（おり、イのなかにはゴ
ム、ＦＲＩ）、ｔラミックスのＪ、うに熱伝達効率の悪
い♀Ｊｉ素祠が多りａ９１、れ（いる１、ぞして、これ
らにも極めて高い加工精度か廿求されてきている。 これらに苅り−る精密加工の期１．１に応えるためには
、平均研削温度１−７？をＪ、り少イｉ：　＜　シ’−
ＣＩ［Ｉｌｌ万力４ら（こ激減さけることかでさる６月
内１１プノ２人か必°用（ある。］ムのような軟かくて
ねぽい＋Ａ石は、金属、ビラミックスのような硬くてし
ろい（Ａ才＝１に共通イｊ−研削盤が４１いという問題
点かあ一〕た３゜（問題点を解決覆るだめの手段） 本鎖明は平均研削温度上背をより少／、’；＜して研削
力をより軽減していかなる材オニ１にス・１しくて゛し
同じ加工条件で精密研削できる？０１削盤を４５＋供り
ることを目的と１６しのて′、長波長の長ざを有し、固
イｊ振動数「をしって縦超音波振動姿態で共振するＩＩ
径（ｊなる丸棒の中央部に牛ヂる振動節に内径ｄなる穴
面を振動節どじで外径りの外周面を腹とする、゛１′−
径プノ向の力に固有振動数ｆで共振づる厚さ様あるいは
外周面イ・１近で厚さを厚くした円板を設置）、該円板
の外周面おＪ、ひ側面に砥粒群を設け′（丸棒イ」平径
方向超音波振動砥石車とし、該砥石巾召少なくとも２個
所に振動節を有し固有振動数ｆをしって縦Ａｆ３Δ波振
動する尾部に固有振動数ｆの縦、ｌＪ′１１″）波振動
了を取イ・］

【Ｊた回転主軸の先端の振動腹部に固定し
て回転さゼ、パルス研削力波形を光’ｌ−Ｌ、　”（ｌ
刀りくり°４−１欺岸１１化することを１寺徴と覆るし
のである９゜ （実施例） 第１図は従来の研削法のときの研削機描と研削力波形を
承り。研削速度Ｖで矢印３の方向に高速回転する砥石車
１を工作物２に対して切込みｔをｔＪえＵｌ）削りると
きの研削機描において砥石車内の１′つの砥粒は斜線−
で示した面積ＡＢＣを切削する。Ｕ（粒は高速回転して
いるために、砥石車の切込みはしであっても、砥粒１刃
の見掛け−にの真の切込み３ｃは極めて小さくなる３、
このときの研削力波形は円筒面に間隔をもって分子ｉ　
”？Ｊる砥粒の高速回転と砥粒の弾性振動によ−）で周
期的に変化ηる３、これをモチ゛ル化して表わづ−と、
図示の、Ｊ、うに］］■−分力Ｐｏ背分力Ｐｔともに、
Ｐｙｎｇ４Ｈ士Ｐｓｉｎｍｔ形′Ｃ表わされる。１作物
の背分力方向のばね定数を舵、稍固有振動数をω４どづ
ると、ω１匁ωの関係ＣＩ！Ｊ［削しているのが一般で
あるため、加１−　’Ｊｉ’＋　ｌαに関係する工作物
の背分力方向の土イ′１物の弾性変位ｔｒｔ　ｘにはこ
の変位量Ｘを軽減８１！ろ必要が〈１−ヂる。でのため
には、砥石車を１ｆｌ物に押え−）ｃノる力をΦＹ減さ
せる必要が牛ヂる３、づ４「わｌ〕、Ｐ−ｒｎ、ｐ、α
礼　の伯を小ざくしで切れ味を向−１−さける必要かあ
る１゜翔明右は、今１１までに砥イーｉ中をＩＩ）ｆ削
方向１ノ／、ｊ、わら、第２図における砥石車を５の矢
印「、ａの方向に超音波ねじり振動ざけて研削速度Ｖく
ｚπｌイの研削速度で振動研削覆る方法を発明した。こ
の　５一 方法にＪ、−）で研削力波形は図示のようにパルス研と
なる１、ここで、ｔＪｏは砥石車の振動−サイクルでの
正味研削時間、−［は振動周期である。このとき、諸摩
擦抵抗が減少−リ−る効宋と作用時間が短くなるので見
掛（プ上の切込みが浅くなる効梁によってＰ’＜　Ｐ　
　ど４ｒる。づなわぢ、研削砥石接触面での研削力Ｐ”
−し減少し、加工精度に関係する工作物の背分力方向の
変位Ｘは従来の研削方法における七Ｇ 同じ研削速度のとさ−の変位に比べて〒（４〜ル）に減
少ＬＪる３、１ノかし、このとき、研削速度Ｖは低速と
りるの−Ｃ２ｏｏｏ　ｍ、／ｎ＋ｉｎの研削速度のとき
の２０に等しくさけて研削しＪ、うとすると、１作物の
送り速１αＶ９は近い速［αどなり、研削能率が低下す
る問題点がイｔ　ｚ、ｒる。 てこで１）本の特徴を７１−かじて研削能率が低下しな
いよう’、Ｋｆｉｌｌ削方法について考えた。 第３図にｄ３いて、工作物表面に微細ピツチノＰてＬｌ
、ｌの高さをＲｍａｘと覆る規則的な微細みぞ山を成形
してツノさ、ｔ（尺ｍａＸの切込みどしくＱ速［１リリ
’Ａする周速Ｖ３の砥石車で工作物に第１図の送り速度
Ｖを与えて研削Ｊ−る。 このように−げろことによって、高速回転覆るモ１（ｈ
車を用いて、１作物の送り速ｊαを）Ｙくりることなく
第１Ｉ図に示すような研削加工という力・Ｙ的加工おい
て理想と覆−るパルス切削力波形を発／１さＩＪ光然も
少なく能率よく研削づ−ることができるようになる。第
２図のように切込みｔ、　）　ｌ’＜　１ｎｉｌＸどじ
、砥石と工作物か接触する研削面での曲ＦＡＩＡ　（Ｃ
を清らかな円弧どしＣｒ１Ｊｒ削リ−る場合には、砥石
中を？Ｒ削方向に振動さｔｆｆｉＶ（２Ｔｃａｆの条イ
′１をＩｊえて低速研削してパルス切削力波形を発生さ
せ１．−ことに対して、微細凹凸力で山形状にし′Ｃぞ
の山の偵１−（＝１近を高速回転覆る砥石車で・研削し
、リリくす゛を＼」断づ−ることによ−）てパルス切削
ツノ波形を発生さゼるようにした研削法がこの研削機（
／ｌ）の′１）徴（ある次に、この微細凹凸みぞ山形状
をいかに１）で連続して研削面に発生させるかについて
説明づる。 第４図は、本光明の特徴を理解し易く覆るために説明す
る慣用（σ［削にｔｌ１３【プる砥粒１刃あたりの研削
面積１０を示ザ図である。砥石車１の円周上の砥粒８の
次の点に位＠づ−る砥粒９は近似円弧ＡＣ」−を回転づ
−る３、そして、黒く塗った面積ＡＢＣに相当覆る部分
を砥粒９が研削して切りくずを生成りる９、このどさの
砥粒１刃あたりの切込み９Ｃは３ｃ＜＜ｔである・ 第５〕図はそのときの砥粒９による研削力波形１２を示
Ｉｌｏ最大研削力は最大の１刃あたりの切込み深さ９ｃ
１４を示Ｉ　８点においでＰｔ　ｇ３ｆ　を示す。 この研削力波形の面積１２を砥石の研削速度をおどさり
゛に細かく分割してパルス状と覆ることを考える６、こ
れを実現させる具体的方法としては切りくずを＼」−断
り−ること以外にない。その方法の１つがＡ発明の高速
回転する砥石車を半径方向に用音波振！ＩＩＪきけ−Ｃ
研削づる方法である。すなわち、第６図のＪ、うに砥石
車の半径方向である矢印１３の方向に振動数ｆ、振幅ａ
とで超音波振動する半径方向超音波振動砥石車１４を用
いて研削速度■３で高速研削する方法によってされる。 このときの砥石車の砥粒８の運動軌跡はｉｆ弦弦波初動
軌跡１５、砥粒９の運動軌跡は正弦波運動軌跡１（）を
示し−Ｃ１その間の断続づる黒色部が振動１リイクル′
Ｃ０１削する研削面積である。この研削面積は、　　（
Ｔ＝≠）　Ｏ−の川明を・ｂつて断続刀る。従って、切
りくずは、寸断されパルス状の６Ｊｌ削力波形となる３
、例えば第７図に示す−ように３個のパルス切削力波形
２０どすることがで゛きる。切込みが変動覆るために、
その個々のパルス力は一様ではなく図ｉ）＜の１１、う
に高低が生ずる。、　’ｌ、ｃの最大なり山においてＴ
＋ＪＩ削力は剛力値を示す。これをＰｑＫ’ｌｆ　　と
りると、このＰ７はＲに対してＲ＞βとなる３゜ 本光明によると従来のように連続した切りく１”を生成
リ−るどさよりもぞの研削力を軽減さけることかでさる
。 以ｌ−は、砥粒の分布を尤デル化して円周１−に規則的
に分布づ−る６のと仮定して一第８図に１Ｊ）Ｃノるよ
うに斜線で示した微少面積１８．１９．２０の３つに微
細分割Ｊる場合につい′（説明したがこの微細分割数と
ぞの面積形状は研削条件によって変化する。例えば、振
動数「が高くなるとその分割数は増加し、？ｉＪｌ削速
１αＶが速くなるとその分割数が減少りる。しかし、実
際の砥り単円周上に砥粒の分イｂ状態は不規則であるの
で、実際の研削では第９図に示−リように砥粒８の正弦
波運動軌跡］５に対して、砥粒９が斜線で画いた微少面
積２１，２２．２３を断続研削し、続く、砥粒２７ｆｔ
黒く塗った形状のでろねない微少面積２４．．２５．２
６を不規則に断続研削してパルス研削力波形を作用さけ
て仙削りる揚台が多い。本発明による実際の研削作業は
、第８図、第９図の両研削機禍の複合にＪ、って行われ
る。 以−に説明したような研削機構で切りくずを生成する砥
粒８．９．２７・・・の各砥拉酊によって円筒研削、平
面研削、内面研削が実施され、第３図７に示１刀ご連続
パルス研削力波形で精密研削できるようになる。研削力
がパルス状になると同時に研削熱もパルス状になり研削
温度も高温にならない効果を発揮覆る３、１１だ、目づ
Ｊ、りを防ぐことかできるようになる。 本発明による研削面は第８図、第９う図に示したように
凹凸山形形状となる。この微細凹凸１１１にｆｉ用時間
の短い衝撃力が作用覆ることＩＣ、Ｊ、つ（、庄・力集
中してセラミックスの場合にはりンツクの発生を助成し
て切りくずを生成し易くりる３、テのクラックもその微
細山の１山たＣブに有効にイ′１用して他の山には影ｇ
を与えない。１なわち、従来切削、研削時のクラックの
残留が製品の機能を低１Ｃりるといわれていた問題魚を
不発明か１なイ消してビラミックスの￥？ｊ密ＴＡ削を
可ｎにと（７だ、３軟＜−０弾・Ｉ’ｌに富むゴムに対
しでしこの研削機（古は効果召発揮しオ＾密研削を可能
とする。 このような研削機構によって（Ｊｌ削する凪石中形状第
１０図、第１１図、第１２図に示υ。 第１０図において、直径ｄ、長さしの丸棒（Ｊ、振動数
ｆ、先端振幅（２ｓ、、ｌ’ｉ波長の振動姿態３４で矢
［０２９の方向に超縦用音波振１ｆｌＪ　’Ｊ−る。そ
の中央の振動節に幅の狭い幅ｂ、直径りの円板状砥石台
金を設（ブる。この合金と丸棒２８とは一体型として切
削加工して成型り−る。砥石台金の外周に砥石３３を設
Ｇ〕る。砥石台金の中心断面形状において１ｃｔ二４（
Ｄ−ｄ−）の長さは、丸棒２８の外周を振動節としてＩ
＆先端を振動腹とする振動姿態３７例えば図示のＪ、う
に翰入の振動姿態て゛超音波縦振動りるＪ、うに振動運
動方程式に基いて設計ザる。 例えば、炭素鋼８４５Ｃを用いて振動数ｆ　＝２３０Ｋ
Ｈｚとしｋ＝とさ、［Ｉ」ｂ　＝　１０ｍｍのとき　１
ｔＬ＝　Ｇ５ｒｎｒｎどなる。 丸棒の長さ、Ｑ　ｆＪ：従来の関係式で設計できｄ＝５
０ｍｎ＋のと’ａ　ｆＪ−６ｂｌｌｌＩＮ、したがって
、ｌ−＝　１３０１１ｕ＋が求められ全形；（〕し１法
が決る３、ぞして、丸棒両端に研削盤主軸に取付けるた
めのｊ−パ面３０を設（プることにより半径方向超音波
振動砥石車３２が出来１−がる、、このａ（石車３３２
を第１３図に示す縦超音波振動する研削盤主軸にテーパ
結合することによりｌｊＸ　７ｉ車３２は矢印３５の方
向に振動数ｒ、振幅αヒをしって超音波振動づる。この
砥石台金の丸棒２８と接づる振動加熱ての台金の巾すは
薄くする必要がある。この幅すが厚くなると円板台金は
超音波振動しなくなる。実際の研削作業で′は幅の広い
砥石車を必要とづる場合が多い。第１１図、第１２図は
このＪ：うな場合に対応でさる半径方向超音波振動砥石
車３８および３９である３、第１１図において、振動加
熱におＣブる台金のｐｉＪｂは第１０図と同様にして、
先端の幅ｂ゛をｂ’）ｂとしたもので、ｂ’ｘａ’の断
面形状に合−Ｕで図示の振動姿態３６となるようにｌ’
ｔｔを運動方程式に基ついて設計して半径方向超音波振
動砥石車としたものである。３７の用にし砥石車ｂ’＞
ｂとしたこのときのｌ’ｃｔ＜＃ｃｔとなる。また第１
２図のＪ、うに砥石車ＢをＢ＞　ｂ’　＞　ｂとすると
、ノ”ｃｔ＞ｆ洸となって直径は小さくなる。このとさ
く十＼十ｎ４人）波長（ここに口は整数）の長さに長く
することによって、砥石の幅を広げて直径ノ】＜小さく
なるｙ（スを補うことがでさる特徴を有覆る。このよう
にして任意形状の半径方向超音波振動砥石中を製作１Ｊ
ることができる。 次に本発明の一実施例である円筒ｔσ１削盤へ第１３図
、第１４図に付いて説明づる。。 ｚＯドＨ７−縦超名波雷わいＪｌｉｊ　Ｖ力ｒ４０を尾
部ｔこ、先＝　１３一 端に第１１図に示した形状の半径方向超音波振動クイ（
７［ンド砥石車３９を取付けた主軸４１に生ずる２個の
振動節にまたがるスリーブ４２を挿入して所定の振動節
位首に銀ろう付して固定し、該スリーブを２個の高精度
ころがり軸受４３で支持して−Ｌ軸を摩擦中なく回転で
きるようにする。ころがり軸受４３はハウジング４４内
に固定し、研削盤用主軸台５３を構成覆る。スリーブ４
２にはブー９４５を取付（′ｊ１このプーリ４５にはス
リップリング４６を取付ける。スリップリング４６にプ
ラッシュ４７を摩擦中なく接触させる。ブラッシ−１４
７と超音波光信１４８の出力端子とを接続する。この゛
１′−径方向超音波振動ダイヤモンド砥石車３５の他端
は、研削盤用主軸筒５６と同構造、同形状をした研削盤
用土軸筒５７の２０ＫＨｚ縦超音波電わい振動子５５で
駆動されて縦超音波振動リ−る↑軸５６の７−−パ而に
よって支持ザる。振動子５５には、超音波光信機５１か
らプラッシュおよびスリップリングを会して超８波振動
エネルギを供給づる３、このようにして２個の振動子で
砥石車を駆動することかでき、エリ高第１１度、１トＵ
［削が可能どなる。 第１３図の」、うに砥石Φ両、ｌ；ＡＨ面を中１［１面
として、これをＦｌ−軸台５５６および５７の１−軸の
間に挿入しお互いにｊ申し、イＮ１【〕るＪ、う（こし
て三Ｉ中由（こ固定−りるプｊ法と第１２図のＪ、うに
両主軸の同軸庶を考慮して片方のみｊ−−パ面どし、た
端をＩｆ　Ｊ［Ｉ而あるいはヒンタ穴を設けて固定する
方法がある１、主軸台５３にはＪユ軸回転＋＋＋ｐ動用
の「：相誘々電φ１）機４９を取付（プ、ベルｊ−５１
で−に軸／ＩＩ召矢印ご３の方向に回転させ、砥石車３
９の（Ｊｆ　ｌ’ｉｌｌ速ｊαを約５００〜１０００　
＋ｎ／ｎ＋ｉｎとづ−る。この主軸台を研削盤往復台５
１に取付しづる。工作物２を研削盤のプヤック５６に取
付け、他端をセンタ５８で指示し、これを回転速度Ｖで
矢印９の方面に回転させ、１１復台５１を送り速度Ｓで
矢印５７の方向に送ることにＪ、って、振動数ｚＯＫＨ
２〜６０ＫＨ３、ハ振幅６へ・１５μｍで半径方面に超
音波振動ＪるクイＡ７七ンド砥りによる精密振動円節細
則か実施される。 又第１５図に承りように砥石車を片方の回転十軸の先端
の振動腹部に固定してもよい。 本発明は、ヒシミックスのほかにゴム製品の精密円筒Ｕ
［削を可能ど′りる。本発明の他の実施例としでは円筒
ｉＪｔ　ｉ′ｉｌｌ盤の（よかに、平面研削盤、ねじ研
削盤おＪ、ひ切断機４ｆどがある。 （効果） 本ｙｔ明の実施効果の一例について説明する。第１３図
に示した形状の５ＤＯＪＯＯ’Ｒ，’ｉ：５Ｂ　の直径
２５６１１１１１１、幅３０　ｍｍのダイＡ７モンド砥
石車を２θＫ１−１．。 柑用音波電わい振動ｊ’３００ｗを用いて振動数子＝２
０ＫＨｚ　、半径方向振幅αと＝１２７ｔｍで半径方向
に超音波振動させ、Ｍ閉速度ｖ　＝８００　ｒｎ　／ｍ
ｉｎで回転させ、常圧焼結した直径２０　ｕ　、長さ８
０　ｕのシリコンナイＩ・ライドを工作物速度＝１１；
−７，１、で回転させ、半径方向に０．５　ｎｕｎ研削
して仕上直径１９　ｕどするのに、本ｔＵ明を実施しな
い慣用の研削方法に比べてその加工時間をＡ〜銖に短縮
することに成功した。そして、例えば、切込み０．３ｍ
ｍで研削して直径の加工精度を±２Ｐ、におさまるとい
う精度が向上リ−る効果が得られた。研削音が激減づる
効果が１９られた。 従来の慣用研削では砥石面がビラミックス表面を強力に
押し付けて無理な研削をしていることを評明している強
烈な研削音を′ｊとし、また、切りくずが発火して火花
を散らづ−ことが多かったが本発明によって発熱のない
無理のない研削ができるという画期的成果が得られる。 従って、砥石のか命も長くなる効果が１！？られる。１
セラミックス表面に与える損傷も少なく表面粗δ程度の
２〜３μｍ以内に精密研削Ｃ′さる３゜

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の研削機構を説明覆るモデル図、第２図は
振動研削機構を説明するモデル図、第３図は重畳振動研
削機構を説明するモデル図、Ｍ／１図は凹凸山形状の表
面粗さの山の頂上付近のみを研削してパルス切削力波形
を作用させる研削機構を説明するモデル図、第５図は従
来の研削機構における１砥粒が研削づる研削面積ど切り
込み深さ９Ｇをモデル化して示ず図、第６図はぞのとき
の研削力波形を示づ”図、第７図は本発明にお【ノる１
っの砥粒が研削する断続微細研削面積を示す説明図、第
８図はそのときのパルス状研削力波形を示す説明図、第
９図は本発明の実施例によって１つの砥粒が研削づ−る
規則的な断続微細研削面積を示す説明図、第１０図乃至
第１２図は本発明に用いる各砥石車の一部切断正面図、
第１３図は本発明の一実施例である研削盤の平面図、第
１４図は第１３図の側面図、第１５図は砥石車を片方の
回転主軸先端に固定した正面図である。 ３・・・研削速度、６，１０．２０・・・パルス研削力
波形、８・・・断続パルス研削力波形、１３・・・砥粒
１刃あたりの切込み深さ　、１６・・・砥石の半径方向
超音波振動、２１．２２，２３，２７，２８．２９・・
・断続微細研削面積、３５，４１゜４２・・・半径方向
超音波振動砥石車、４５．４Ｅｉ・・・超音波振動主軸
、５１・・・超音波発振は、４３．５５・・・超音波縦
振動子、５６．５７・・・超音波振動研削盤用主軸台。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １／２波長の長さを有し、固有振動数ｆをもって縦超音
   波振動姿態で共振する直径ｄなる丸棒の中央部に生ずる
   振動節に内径ｄなる穴面を振動節として外径Ｄの外周面
   を腹とする、固有振動数ｆで半径方向のみに共振する厚
   さ一様あるいは外周面付近で厚さを厚くした円板を設け
   、該円板の外周面および側面に砥粒群を設けて丸棒付半
   径方向超音波振動砥石車とし、該砥石車を少なくとも２
   個所に振動節を有し固有振動数ｆをもって縦超音波振動
   する尾部に固有振動数ｆの縦超音波振動子を取付けた回
   転主軸の先端の振動腹部に固定して回転させ、パルス研
   削力波形を発生して切りくずを微細化する超音波振動砥
   石車による振動研削盤。