WO2021199223A1

WO2021199223A1 - 切削装置および切削方法

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Publication number: WO2021199223A1
Application number: PCT/JP2020/014711
Authority: WO
Inventors: 英二社本; 弘鎭鄭; 健宏早坂
Original assignee: 国立大学法人東海国立大学機構
Priority date: 2020-03-30
Filing date: 2020-03-30
Publication date: 2021-10-07
Also published as: JPWO2021199223A1; US20210299756A1; CN113747989A; JP7049729B2

Abstract

切削装置１は、刃先を有する切削工具と、切削工具を加振する加振部１５と、加振部１５に電圧を印加して切削工具の刃先を往復運動させる駆動部３０とを備える。加振部１５は、共振周波数より高い周波数の成分の加振力を含み、且つ、共振周波数の加振力を抑制した加振を行うことで残留振動を抑制する。加振部１５は、第１の加振を行い、第１の加振のタイミングから共振周期の0.5倍の時間経過後に、共振の残留振動を抑制するための第２の加振を行う。

Description

切削装置および切削方法

　本開示は、切削工具を加振することで刃先を変位させて、被削材表面を切削する技術に関する。

　マイクロテクスチャ加工は、微細な周期的構造を形成して加工面の力学特性を制御する技術であり、様々な分野で応用研究が行われている。たとえば潤滑油を使用する摺動面に、オイルプールの役割を果たすマイクロテクスチャを形成することで、摩擦係数および摩耗を低減でき、また少量かつ低粘度の潤滑油で高潤滑を実現できることが知られている。

　マイクロテクスチャを機械加工する場合、切削工具が取り付けられた振動子と被削材とを相対的に動かしながら、切削工具の刃先を被削材に対して往復運動させて加工面を形成する方法が考えられる。このとき機械的な共振現象を利用することで、ミクロンオーダの切削深さを高能率に得られるが、振動子が正弦波形で振動するため、得られる加工面の形状は、工具刃先の正弦波軌跡に依存した周期的な形状に限定される。

　特許文献１は、複数の共振モードで振動装置を励振させて、工具刃先に様々な振動軌跡を付与する切削装置を開示する。特許文献１に記載の超音波振動装置は、基本となる周波数の振動モードに対して、整数倍の共振周波数を有する振動モードを組み合わせ、両方の振動モードで同時に励振することで、複数の共振周波数の正弦波を重ね合わせた振動軌跡を加工面に転写する。

特開２０１８－１８７７２６号公報

　特許文献１に記載の切削装置は、共振周波数での振幅拡大率が大きいことを利用して、高い周波数で大きな振動変位（すなわち切込み変動）を実現し、高能率な微細加工を可能とするが、振動軌跡は、複数の正弦波を重ねた形状に限定される。

　一方、共振現象を利用せず、共振周波数より低い周波数帯域の成分で構成される波形で工具刃先を運動させる高速工具サーボ（FTS : Fast tool servo）と呼ばれる加工技術が存在する。ＦＴＳは、正弦波振動軌跡に限らず、複雑な振動軌跡を刃先に与えることができるため、周期的形状以外の様々な微細形状を被削材表面に形成するのに適しているが、共振周波数より低い周波数帯域しか利用しないため、高能率な加工を実現できない。

　本開示はこうした状況に鑑みてなされており、その目的とするところの１つは、加工の高能率化を実現しつつ、工具刃先に様々な振動軌跡を付与することを可能とする加工技術を提供することにある。

　上記課題を解決するために、本開示のある態様の切削装置は、刃先を有する切削工具と、切削工具を加振する加振部と、加振部に電圧を印加して切削工具の刃先を往復運動させる駆動部とを備えた切削装置であって、加振部は、共振周波数より高い周波数の成分の加振力を含み、且つ、共振周波数の加振力を抑制した加振を行うことで残留振動を抑制する。

　本開示の別の態様は、切削方法である。この方法は、共振周波数を有する切削工具を加振して、切削工具の刃先を被削材に切り込ませる切削方法であって、共振周波数より高い周波数の成分の加振力を含み、且つ、共振周波数の加振力を抑制した加振を行うことで残留振動を抑制する。

　なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本開示の表現を方法、装置、システム、記録媒体、コンピュータプログラムなどの間で変換したものもまた、本開示の態様として有効である。

　本開示によれば、加工の高能率化を実現しつつ、工具刃先に様々な振動軌跡を付与することを可能とする加工技術を提供できる。

実施形態の切削装置の概略構成を示す図である。振動装置の構造例を示す図である。 Input Shaping制御の原理を説明するための図である。１自由度振動系のコンプライアンス伝達関数を示す図である。１自由度振動系のインパルス応答を示す図である。（ａ）は、第１の加振および第２の加振の入力波形の例を示し、（ｂ）は、振動系の応答変位を示す図である。（ａ）は、図６（ａ）に示す加振力波形をフーリエ変換した結果を示す図であり、（ｂ）は、図６（ｂ）に示す応答変位をフーリエ変換した結果を示す図である。（ａ）は、第１の加振および第２の加振の入力波形の例を示し、（ｂ）は、振動系の応答変位を示す図である。（ａ）は、第１の加振および第２の加振の入力波形の例を示し、（ｂ）は、振動系の応答変位を示す図である。（ａ）は、第１の加振および第２の加振の入力波形の例を示し、（ｂ）は、振動系の応答変位を示す図である。３自由度振動系のコンプライアンス伝達関数を示す図である。３自由度振動系のインパルス応答を示す図である。（ａ）は、８つのインパルス加振の入力波形の例を示し、（ｂ）は、振動系の応答変位を示す図である。（ａ）は、図１３（ａ）に示す加振力波形をフーリエ変換した結果を示す図であり、（ｂ）は、図１３（ｂ）に示す応答変位をフーリエ変換した結果を示す図である。（ａ）、（ｂ）は加振力波形の例を示し、（ｃ）は、振動系の応答変位を示す図である。切削装置の機能ブロックを示す図である。

　図１は、実施形態の切削装置１の概略構成を示す。切削装置１は、被削材６に対して切削工具１１の刃先を往復運動させて旋削タイプの加工を行う機械加工装置である。実施形態の切削装置１は、円筒状の被削材６を旋削して圧延用ロールを加工するロール旋盤であるが、他のタイプの切削装置であってもよい。被削材６は、代表的には表面にニッケルりんをめっきした金型鋼、銅素材やアルミニウム素材などであるが、他の素材であってもよい。

　切削装置１は、被削材６を回転可能に支持する主軸台２および心押し台３と、切削工具１１を取り付けられた振動装置１０を支持する刃物台４とを、ベッド５上に備える。また切削装置１は、少なくとも心押し台３を主軸台２に対して移動させる送り機構、刃物台４を被削材６の軸方向に平行な送り方向および軸方向に直角な切込み方向（切削工具１１を被削材６の回転軸に対して近づける方向）に移動させる送り機構を備える。切削加工中、被削材６は、主軸台２に設けられた主軸により回転させられる。

　駆動部３０は、振動装置１０に電圧を印加して切削工具１１を変位させ、切削工具１１の刃先を被削材６に対して往復運動させるドライバである。制御部２０は、印加電圧の制御指令を駆動部３０に供給して、駆動部３０による振動装置１０への電圧供給を制御する。なお図１に示す構成例では制御部２０が、主軸台２の内部に設けられているが、それ以外のスペースに設けられてもよい。制御部２０は、主軸および各種送り機構の動作を制御するＮＣ制御装置（図示せず）と連携して、駆動部３０による電圧供給を制御してもよい。また制御部２０はＮＣ制御装置を内蔵する構成とし、主軸および各種送り機構の動作を制御するとともに、駆動部３０による電圧供給を制御してもよい。

　図２は、振動装置１０の構造例を示す。振動装置１０は、刃先を有する切削工具１１が取り付けられる工具取付部１２と、シャンク部１４と、工具取付部１２とシャンク部１４の間に設けられた加振部１５とを有する。工具取付部１２、加振部１５およびシャンク部１４は、ボルト１３を用いた連結構造により連結される。

　加振部１５は駆動部３０により駆動されて、工具取付部１２および切削工具１１を加振する。加振部１５は圧電素子等のアクチュエータであってよい。駆動部３０は、加振部１５に電圧を印加して工具取付部１２を変位させ、切削工具１１の刃先を被削材６に対して往復運動させる。

　駆動部３０が加振部１５に電圧を印加すると、加振部１５は印加電圧に応じて伸張して、工具取付部１２および切削工具１１に加振力を付与する。工具取付部１２が、伸張した加振部１５により切込み方向に押し出される際、ボルト１３で固定した連結構造は、切削工具１１の刃先姿勢が傾くことを防止して、姿勢を維持した刃先を被削材６に切り込ませる。また工具取付部１２が、加振部１５により切込み方向に引き戻される際、ボルト１３で固定した連結構造は、加振部１５が工具取付部１２およびシャンク部１４と離れることがないように、それらの間に圧縮側の高い予圧を与える役割ももつ。換言すれば、この予圧によって、振動装置１０の振動特性は、高い周波数帯域まで線形性を保つことができる。

　以下、実施形態により被削材６の表面に微細形状を形成する手法について説明する。実施形態の手法は、加振部１５による加振力に、共振周波数より高い周波数の成分を積極的に含ませることで、高い応答性を実現する。一方、刃先に任意の振動軌跡を付与することを目的として、共振の残留振動が実質的に生じないように、つまり共振の残留振動を抑制するように、共振周波数の加振力を抑制する。共振周波数の加振力を抑制して、残留振動を実質的に生じさせないことで、非周期的な刃先振動軌跡を実現することが可能となる。

　なお共振周波数以上の周波数の成分の加振力を用いた場合、振幅拡大率と位相が大きく変化するため、加振部１５により切削工具１１に入力される加振力波形と、切削工具１１の刃先の振動軌跡（出力波形）は、全く異なるものとなる。予め振動系の振動特性を測定しておき、振動特性を既知にしておけば、入出力間の関係は予測可能となり、さらに出力される振動軌跡を測定または推定できれば、目的の振動軌跡が得られるように加振力波形を補正することも可能となる。

　以下、切削工具１１の刃先の様々な振動軌跡を生成するために、加振部１５が切削工具１１に入力する加振力波形について説明する。上記したように実施形態の加工手法は、共振周波数成分の加振力を抑制して、共振の残留振動を実質的に生じさせないようにするが、以下、Input Shaping制御を利用して、共振周波数の加振力を抑制する手法を説明する。

　図３は、Input Shaping制御の原理を説明するための図である。図３（ａ）は、大きさ１の１番目のインパルス加振（第１の加振）を行ったときの応答振動を示す。図３（ｂ）は、ΔＴ後に大きさＫの２番目のインパルス加振（第２の加振）を行ったときの応答振動を示す。

　実施形態のInput Shaping制御では、２つのインパルス加振によって共振周波数での半波（共振周期の正弦波の0度から180度までの範囲の波）を発生させる。２つのインパルス加振の時間間隔ΔＴは減衰を加味した共振周期の0.5倍であり、第１の加振によって生じた振動を第２の加振によって相殺する。なお振動振幅Ａ（ｔ）は、式（１）で表されるように、減衰によってΔＴの間にｅ^{-ζωn ΔＴ}倍に減少することが知られている。

　ここでζは減衰率、ω_nは共振角周波数、ΔＴは、ΔＴ＝π?(ω_n √(1-ζ² ))である。この関係を利用してΔＴ経過時における振幅を推定し、その振幅減少率に合わせて２番目のインパルス加振の大きさＫ（インパルス波形の時間積分値）を１番目のインパルス加振の大きさ１に対して設定することで、残留振動を完全に無くすことができる。

　このようにして得られる半波の変位は、加工面に非周期的形状を形成するために利用できる。たとえば半波形状の変位に任意の重み付けした後、少しずつ時間をずらして重ね合わせることで、様々な形のパルス的な変位を生成できる。

　以下、実施形態において加振部１５が切削工具１１に入力する加振力波形と、切削工具１１の刃先に出力される振動軌跡の具体例を説明する。シミュレーションの条件として、質量ｍ＝0.01 kg、ばね定数ｋ＝150 N/μm、減衰率ζ＝0.015の１自由度振動系を仮定する。図２に示す振動装置１０において、振動系は、加振部１５によって加振される切削工具１１および工具取付部１２を含んで構成される。

　図４は、仮定した１自由度振動系のコンプライアンス伝達関数Ｇを示す。この振動系のインパルス応答ｇは、コンプライアンス伝達関数Ｇの逆フーリエ変換により求められる。
　図５は、仮定した１自由度振動系のインパルス応答ｇを示す。この１自由度振動系のインパルス加振（第１の加振）に対し、図３（ｂ）に示したように、時間０から時間ΔＴ（共振周期の0.5倍の時間）後に、振幅減少率を加味したインパルス加振（第２の加振）を行うことで、残留振動を無くすことができる。

　図６（ａ）は、第１の加振および第２の加振の入力波形の例を示し、図６（ｂ）は、振動系の応答変位を示す。図６（ｂ）に示す応答変位は、切削工具１１の刃先の振動軌跡に対応する。第２の加振により、第１の加振による残留振動が消去されており、半波分の時間幅の応答変位が得られる。

　図７（ａ）は、図６（ａ）に示す加振力波形をフーリエ変換（周波数分析）した結果を示す。図７（ａ）に示されるように、振動系に与えられた加振力には、共振周波数成分とその奇数倍成分がほとんど含まれておらず、したがって共振に依存した残留振動が抑制されることが分かる。一方で、それら以外の成分については共振周波数を超える高周波域まで大きな加振力が含まれており、したがって図６（ａ）に示す加振力波形で切削工具１１を加振することで、高速で短い時間幅の変位を得ることができる。

　従来の微細加工は、共振周波数より高い周波数域の加振力を実質的に利用していないが、実施形態の手法は、加振部１５による加振力に、共振周波数より高い周波数の成分を積極的に含ませることで、高い応答性を実現する。共振周波数より低い周波数域の加振力の積分値をＩ_lowとし、共振周波数より高い周波数域の加振力の積分値をＩ_highとすると、実施形態におけるＩ_highとＩ_lowの比（Ｉ_high／Ｉ_low）は、１／１００以上であることが好ましく、さらには１／１０以上であることが好ましく、さらには１以上であることが好ましい。（Ｉ_high／Ｉ_low）が大きいほど、高い周波数域の加振力が大きく高能率な加工を実現できる。なお図７（ａ）において、Ｉ_lowは、共振周波数より低い加振力波形の面積に対応し、Ｉ_highは、共振周波数より高い加振力波形の面積に対応する。

　図７（ｂ）は、図６（ｂ）に示す応答変位をフーリエ変換した結果を示す。図７（ｂ）に示されるように、得られる応答変位は、共振周波数とそれを超える周波数の成分を多く含んでおり、共振周波数より高速な変位応答を実現し得ることが分かる。

　以上のシミュレーションにより、実施形態の振動装置１０は、図６（ｂ）に示した半波形状の応答変位で、高能率に切削工具１１を往復運動させることができる。したがって振動装置１０は被削材６を切削する際に、任意のタイミングで半波形状の微小なくぼみを加工面に形成できる。このように実施形態によれば、加振部１５が、共振周波数より高い周波数の成分の加振力を含み、且つ、残留振動が生じないように共振周波数の加振力を抑制した加振を行うことで、加工面に非周期的な凹部形状または凸部形状を形成することが可能となる。

　なお実施形態で生成される応答変位は、以下のように微細加工に利用できる。
（１）切削工具１１が切り込んでいない状態、つまり被削材６から離れた状態から、切り込む方向に変位させることで、被削材表面を微細凹部加工する。
（２）切削工具１１が切り込んでいる状態から、さらに切り込む方向に変位させることで、被削材表面を平面加工しながら、微細凹部加工する。
（３）切削工具１１が切り込んでいる状態から、逆に逃げる方向に変位させることで、被削材表面を平面加工しながら、微細凸部加工する。

　以下、仮定した上記の１自由度振動系において、正弦波の半波とは異なる応答変位を生成する例を示す。トライボロジー分野で滑り案内面に創製されるテクスチャ形状は、油だまりの役割を持つと同時に動圧を発生することが望ましいが、動圧発生には、凹部形状の曲線と加工面平坦部との接続部分（境界）が滑らかにつながっている必要がある。

　図８（ａ）は、第１の加振および第２の加振の入力波形の例を示し、図８（ｂ）は、振動系の応答変位を示す。図６（ａ）に示した入力波形と同様に、図８（ａ）に示す入力波形では、第１の加振を行ったタイミングから共振周期の0.5倍の時間経過後に、共振の残留振動を抑制するための第２の加振が行われる。この例で第１の加振は、共振周期の0.25倍の時間幅をもつ方形波状の入力波形で実行され、第２の加振は、同じ時間幅をもつ方形波状の入力波形で、共振周期の0.5倍の時間だけ遅れて実行される。

　第１の加振を行ったタイミングから、共振周期の0.5倍の時間だけ遅れて第２の加振を行うことで、共振周波数の加振力成分が打ち消される。なお図８（ａ）に示すように、振動系の減衰を考慮して、式（１）で表現される減衰率に応じて第２の加振の加振力を、第１の加振の加振力よりも低く設定することで、図８（ｂ）に示されるように残留振動が完全に消去され、応答変位をゼロにできる。

　図６（ｂ）に示す応答変位と比較すると、第１の加振および第２の加振の時間幅を大きくしたことで、応答変位を大きくでき、この例ではミクロンオーダ（4.6μｍ程度）のピーク変位が得られている。また応答変位波形の立ち上がり（0 msec）は、加工面平坦部と滑らかにつながるように、徐々に増大する形状を有し、応答変位波形の立ち下がり（約0.0385 msec）は、加工平坦面と滑らかにつながるように、徐々に減少する形状を有する。

　以上のシミュレーションにより、実施形態の振動装置１０は、図８（ｂ）に示した形状の応答変位で、任意のタイミングで切削工具１１を往復運動させて、油だまりの役割を持つと同時に動圧を発生するテクスチャ形状を加工面に形成できる。このように実施形態によれば、加振部１５が、共振周波数より高い周波数の成分の加振力を含み、且つ、残留振動が生じないように共振周波数の加振力を抑制した加振を行うことで、加工面に非周期的な凹部形状を形成することが可能となる。

　次に、加振力波形の時間幅をさらに長くした場合（ここでは共振周期の1.5倍）に生成される応答変位の例を示す。
　図９（ａ）は、第１の加振および第２の加振の入力波形の例を示し、図９（ｂ）は、振動系の応答変位を示す。図６（ａ）に示した入力波形と同様に、図９（ａ）に示す入力波形では、第１の加振を行ったタイミングから共振周期の0.5倍の時間経過後に、共振の残留振動を抑制するための第２の加振が行われる。つまり第２の加振の入力波形は、第１の加振の入力波形から共振周期の0.5倍の時間だけ遅れる。この例で第１の加振は、右斜め上方向のハッチングを施した共振周期の1.5倍の時間幅をもつ方形波状の入力波形で実行され、第２の加振は、右斜め下方向のハッチングを施した共振周期の1.5倍の時間幅をもつ方形波状の入力波形で、共振周期の0.5倍の時間だけ遅れて実行される。図８（ａ）の加振力波形と比べると、それぞれの方形波の時間幅を共振周期の0.5倍よりも長くしたことで、第１加振における加振力波形と第２加振における加振力波形が重なり、応答変位のピーク値が継続して平坦部（図９（ｂ）の約0.0257 msecから約0.0770 msecの範囲）となる応答波形が形成される。

　次に、図８（ｂ）に示す応答変位に比べて、より滑らかに（より徐々に）立ち上がり／立ち下がる応答変位を生成する加振力波形を提案する。
　図１０（ａ）は、第１の加振および第２の加振の入力波形の例を示し、図１０（ｂ）は、振動系の応答変位を示す。図６（ａ）に示した入力波形と同様に、図１０（ａ）に示す入力波形では、第１の加振を行ったタイミングから共振周期の0.5倍の時間経過後に、共振の残留振動を抑制するための第２の加振が行われる。つまり第２の加振の入力波形は、第１の加振の入力波形から共振周期の0.5倍の時間だけ遅れる。

　図１０（ａ）に示す第１の加振および第２の加振では、３次関数で加振力を徐々に立ち上げた後、３次関数で立ち下げる入力波形を採用する。この例では共振周期の0.25倍の時間幅で３次関数的に加振力を立ち上げ（時間経過に伴いその時間の３乗に比例する加振力に増大する）、その後同じ時間幅で線対称に加振力を立ち下げる。この鋭い突起状の加振力波形を減衰させ、共振周期の0.5倍の時間だけ遅らせて再び振動系に与えることで、残留振動を消去できる。その結果、図１０（ｂ）に示すように、非常に緩やかな立ち上がりと立ち下がりをもつ応答変位が得られる。

　以上、１自由度振動系の加振力波形について説明したが、以下、３つの振動モードを有する３自由度振動系の加振力波形について説明する。シミュレーションの条件として、３つの振動モードのパラメータを、それぞれ質量ｍ＝0.01 kg、0.3 kg、0.02 kg、ばね定数ｋ＝150 N/μm, 1000 N/μm, 1800 N/μm、減衰率ζ=0.015, 0.02, 0.008とし、コンプライアンス伝達関数Ｇは、これらの３つの振動モードのコンプライアンス伝達関数を重ね合わせることで求めることができると仮定する。

　図１１は、仮定した３自由度振動系のコンプライアンス伝達関数Ｇを示す。この振動系のインパルス応答ｇは、コンプライアンス伝達関数Ｇの逆フーリエ変換により求められる。
　図１２は、仮定した３自由度振動系のインパルス応答ｇを示す。

　この３自由度振動系をインパルス加振したときの残留振動を消去するには、それぞれの振動モードに対してInput Shaping制御を適用する必要がある。すなわち、１つ目の振動モードの残留振動を打ち消すために１つのインパルス加振を実行し、それら２つのインパルス加振に対して応答する２つ目の振動モードの残留振動を打ち消すために２つのインパルス加振を実行し、さらにそれら４つのインパルス加振に対して応答する３つ目の振動モードの残留振動を打ち消すために４つのインパルス加振を実行する。このように３つの振動モードを有する振動系では、１つのインパルス加振に対して計７つのインパルス加振を行うことで、残留振動のない短時間の応答変位を生成できる。

　図１３（ａ）は、８つのインパルス加振の入力波形の例を示す。インパルス加振(1)による第１振動モード（19.5 kHz）の残留振動を打ち消すために、インパルス加振(2)が実行される。インパルス加振(1), (2)による第２振動モード（9.2 kHz）の残留振動を打ち消すために、インパルス加振(3a), (3b)が実行される。インパルス加振(1), (2), (3a), (3b)による第３振動モード（47.7 kHz）の残留振動を打ち消すために、インパルス加振(4a), (4b), (4c), (4d)が実行される。なお、残留振動を打ち消すために実行するインパルス加振のピーク値が、その前のインパルス加振のピーク値に比べて振動振幅の減衰率以上に減少している理由は、この場合のサイクルタイムΔtが0.513 μsecであって共振周期の半分ΔＴに比べて十分に小さくはなく、ちょうどΔＴ後に残留振動抑制のためのインパルス加振を行うことができず、ΔＴ前後で２回に分けて残留振動抑制のためのインパルス加振を行っているためである。図１３（ｂ）は、振動系の応答変位を示す。

　図１４（ａ）は、図１３（ａ）に示す加振力波形をフーリエ変換した結果を示す。図１４（ａ）に示されるように、振動系に与えられた加振力には、３つの共振周波数成分（19.5, 9.2, 47.7 kHz）とその奇数倍成分がほとんど含まれておらず、したがって共振に依存した残留振動が抑制されることが分かる。一方で、それら以外の成分については共振周波数を超える高周波域まで大きな加振力が含まれており、したがって図１３（ａ）に示す加振力波形で切削工具１１を加振することで、高速で短い時間幅の変位を得ることができる。

　図１４（ｂ）は、図１３（ｂ）に示す変位をフーリエ変換した結果を示す。図７（ｂ）に示されるように、得られる応答変位は、共振周波数とそれを超える周波数成分を多く含んでおり、共振周波数より高速な変位応答を実現し得ることが分かる。

　以下、仮定した上記の３自由度振動系において、滑らかに立ち上がり／立ち下がる応答変位を生成する加振力波形を示す。
　図１５（ａ）は、８つの加振の入力波形の例を示す。ここでは各加振力波形を、（-180度から180度の位相範囲で）余弦波の形で徐々に立ち上がり／立ち下げるように設定する。加振力波形(1')による第１振動モード（19.5 kHz）の残留振動を打ち消すために、加振力波形(2')が実行される。加振力波形(1'), (2')による第２振動モード（9.2 kHz）の残留振動を打ち消すために、加振力波形(3a'), (3b')が実行される。加振力波形(1'), (2'), (3a'), (3b')による第３振動モード（47.7 kHz）の残留振動を打ち消すために、加振力波形(4a'), (4b'), (4c'), (4d')が実行される。

　図１５（ｂ）は、図１５（ａ）に示した８つの加振力波形を重ね合わせた波形を示す。つまり図１５（ｂ）に示す波形は、振動系に入力される波形そのものである。
　図１５（ｃ）は、振動系の応答変位を示す。図１５（ｃ）に示されるように、残留振動が消去され、緩やかな立ち上がりと立ち下がりで、変位波形が平坦部と接続する変位波形が得られている。

　以上のように実施形態によれば、振動装置１０が、残留振動が発生しないように、短い時間幅で各種形状の変位を切削工具１１の刃先に与えることができる。これらの変位は、任意のタイミングで（任意の時間後に）繰り返すことが可能であり、また変位の形状や大きさを変更することも可能である。実施形態では、残留振動を無くして、平坦部を形成する加振力波形について説明したが、ある変位波形の発生後すぐに他の変位波形を発生することも可能である。このように振動装置１０は、残留振動を発生しないように各種形状の微小変位波形を高速に（短い時間幅で）発生し得ることから、各種微細形状の高能率加工が可能となる。

　図１６は、切削装置１の機能ブロックを示す。切削装置１は、入力部２２、設定部２４、制御部２０、記憶部２６、駆動部３０および加振部１５を備える。記憶部２６は、複数の加工形状を形成するための複数の加振力波形に対応する電圧波形を記憶する。ここで加振力波形に対応する電圧波形とは、加振部１５が当該加振力波形で切削工具１１を加振するために加振部１５に印加される電圧波形を意味する。記憶部２６は、実施形態で例示した図６（ａ）に示す加振力波形、図８（ａ）に示す加振力波形、図９（ａ）に示す加振力波形、図１０（ａ）に示す加振力波形、図１３（ａ）に示す加振力波形、図１５（ｂ）に示す加振力波形のそれぞれに対応する電圧波形を記憶してよい。

　入力部２２は、ユーザが加工条件を入力するためのユーザインタフェースであり、設定部２４は、ユーザが入力した加工条件を設定する。実施形態の切削装置１においてユーザは、加工面に形成したい加工形状を選択する。実施形態では図６（ｂ）、図８（ｂ）、図９（ｂ）、図１０（ｂ）、図１３（ｂ）、図１５（ｂ）に、振動系の応答変位を例示したが、ユーザが入力部２２から、これらの応答変位を利用した加工形状を選択すると、設定部２４が、選択された加工形状を、加工条件の１つとして設定する。またユーザは、選択した加工形状を被削材表面に形成する間隔、加工形状を形成する位置または加工形状を形成する時間を入力部２２に入力し、設定部２４は、加工形状を形成する間隔（加工ピッチ）、加工形状を形成する位置または加工形状を形成する時間（たとえば加工を開始してからの経過時間）を、加工条件の１つとして設定する。なお、加工形状を形成する位置または加工形状を形成する時間は等間隔でなくてもよく、さらには各加工位置または各加工時間において異なる加工形状が設定されてよい。

　制御部２０は、設定部２４により設定された加工条件にもとづいて、被削材６に微細形状を形成する切削加工を実施する。具体的に制御部２０は、選択された加工形状に対応する電圧波形を記憶部２６から読み出し、入力された加工ピッチ、複数の加工位置または加工時間にもとづいて、駆動部３０を制御する。切削加工中、駆動部３０は、制御部２０からの電圧指令にもとづいて、加振部１５に電圧波形を印加する。これにより加振部１５は、共振周波数より高い周波数の成分の加振力を含み、且つ、残留振動が生じないように共振周波数の加振力を抑制した加振を行う。このようにして実施形態の切削装置１は、任意の位置にさまざまな微細形状を被削材６の表面に加工できる。なお制御部２０は、実際の切削工具１１の変位を直接的または間接的に測定または推定して、その変位が設計値である応答変位からずれている場合に、指令する電圧波形を補正したり、あるいは記憶部２６に記憶される電圧波形を補正するフィードバック機能をさらに有してもよい。

　間接的な測定の例としては、圧電アクチュエータを利用する場合に印加される電圧と流れる電流から残留振動を含む変位を推定する手法を利用してよい。上記の補正は、加工前に予備的に行ってよく、加工中に行ってもよい。また、十分に高い精度で残留振動を抑制し目的の変位が得られるように、複数回の補正を繰り返してよく、このような目的にしばしば利用される繰返し制御法を適用してよい。

　以上、本開示を実施例をもとに説明した。この実施例は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本開示の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

　本開示の態様の概要は、以下のとおりである。本開示のある態様の切削装置は、刃先を有する切削工具と、切削工具を加振する加振部と、加振部に電圧を印加して切削工具の刃先を往復運動させる駆動部とを備えた切削装置であって、加振部は、共振周波数より高い周波数の成分の加振力を含み、且つ、共振周波数の加振力を抑制した加振を行うことで残留振動を抑制する。加振力に共振周波数より高い周波数の成分を含ませることで、高い応答性を実現するとともに、共振周波数の加振力を抑制することで、工具刃先に周期的ではない応答変位を与えることが可能となる。

　加振部は、第１の加振を行い、第１の加振のタイミングから共振周期の0.5倍の時間経過後に、共振の残留振動を抑制するための第２の加振を行ってよい。なお第１の加振に時間幅がある場合には、第２の加振に同じ時間幅を持たせることが好ましい。いずれにしても第２の加振は、共振周期の半分の時間前に実行された第１の加振による振動を打ち消すように行われることが好ましい。

　切削装置は、複数の加工形状を形成するための複数の加振力波形に対応する電圧波形を記憶する記憶部と、加工条件として、加工形状を設定する設定部とをさらに備え、駆動部は、設定された加工形状に対応する電圧波形を加振部に印加してよい。設定部は、加工形状を被削材表面に形成する間隔、位置または時間を、加工条件として設定してよい。切削装置は、電圧波形が加振部に印加されたときの切削工具の変位を測定して、印加する電圧波形を補正するフィードバック機能をさらに備えてよい。

　本開示は、加工面に微細形状を形成する技術に利用できる。

１・・・切削装置、１０・・・振動装置、１１・・・切削工具、１２・・・工具取付部、１３・・・ボルト、１４・・・シャンク部、１５・・・加振部、２０・・・制御部、２２・・・入力部、２４・・・設定部、２６・・・記憶部、３０・・・駆動部。

Claims

　刃先を有する切削工具と、前記切削工具を加振する加振部と、前記加振部に電圧を印加して切削工具の刃先を往復運動させる駆動部とを備えた切削装置であって、
　前記加振部は、共振周波数より高い周波数の成分の加振力を含み、且つ、共振周波数の加振力を抑制した加振を行うことで、残留振動を抑制する、
　ことを特徴とする切削装置。
　前記加振部は、第１の加振を行い、第１の加振のタイミングから共振周期の0.5倍の時間経過後に、共振の残留振動を抑制するための第２の加振を行う、
　ことを特徴とする請求項１に記載の切削装置。
　複数の加工形状を形成するための複数の加振力波形に対応する電圧波形を記憶する記憶部と、
　加工条件として、加工形状を設定する設定部とを、さらに備え、
　前記駆動部は、設定された加工形状に対応する電圧波形を前記加振部に印加する、
　ことを特徴とする請求項１または２に記載の切削装置。
　前記設定部は、加工形状を被削材表面に形成する間隔、位置または時間を、加工条件として設定する、
　ことを特徴とする請求項３に記載の切削装置。
　電圧波形が前記加振部に印加されたときの切削工具の変位を測定または推定して、印加する電圧波形を補正するフィードバック機能をさらに備える、
　ことを特徴とする請求項３または４に記載の切削装置。
　共振周波数を有する切削工具を加振して、切削工具の刃先を被削材に切り込ませる切削方法であって、
　共振周波数より高い周波数の成分の加振力を含み、且つ、共振周波数の加振力を抑制した加振を行うことで、残留振動を抑制する、
　ことを特徴とする切削方法。