JPH0451300B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は従来の研削方法では困難とされている
ゴムおよびセラミツクス等を容易に精密研削でき
る超音波振動砥石車による振動研削盤に関する。

（従来技術） 切削・研削工具によつて精密加工するために
は、工作物に与える力を少しでも軽減する方法に
よつて加工する必要がある。回転円板上に切刃を
有限数設けた例えばスライスを高速回転させて切
削することによつて切削力が軽減する。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
せて研削することによつて、砥粒１刃あたりの切
込みがさらに小さくなつて工作物に作用する力が
激減して精密加工できるようになる。しかし、一
方、約2000m／minに及ぶ高速研削のため多量の
研削易によつて工作物および砥石車を冷却しなけ
ればならない程平均研削温度が著しく上昇するこ
とも既に周知のところである。砥石車の高速回転
にともなう、子の著しい発熱現象があるにもかか
わらず工作物に作用する力の激減効果が絶大であ
るため、砥石車によ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
属が主体で発熱があつても熱伝達効率がよく冷却
効果がよいので適切な研削易を多量に使用するこ
とによつて精密研削を可能としていた。

（発明が解決しようとする問題点） しかし、今日では精密加工理論、技術の有無に
かかわらず、新素材が開発されてきており、その
なかにはゴム、FRP、セラミツクスのように熱
伝達効率の悪い新素材が多く含まれている。そし
て、これらにも極めて高い加工精度が要求されて
きている。

これらに対する精密加工の期待に応えるために
は、平均研削温度上昇をより少なくして研削力を
さらに激減させることができる研削方法が必要で
ある。ゴムのような軟かくてねばい材料は、金
属、セラミツクスのような硬くてもろい材料に共
通な研削盤がないという問題点があつた。

（問題点を解決するための手段） 本発明は平均研削温度上昇をより少なくして研
削力をより軽減していかなる材料に対してでも同
じ加圧条件で精密研削できる研削盤を提供するこ
とを目的とするもので、1/2波長の長さを有し、
固有振動数ｆをもつ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、半径方向のみに固有振動数ｆで共振する厚
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をもつ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ことを特徴とす
るものである。

（実施例） 第１図は従来の研削法のときの研削機構と研削
力波形を示す。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
与えて研削するときの研削機構において砥石車内
の１つの砥粒は斜線で示した面積ABCを切削す
る。砥粒は高速回転しているために、砥石車の切
込みはｔであつても、砥粒１刃の見掛け上の真の
切込みgcは極めて小さくなる。このときの研削
力波形は円筒面に間隔をもつて分布する砥粒の高
速回転と砥粒の弾性振動によつて周期的に変化す
る。これをモデル化して表わすと、図示のように
主分力Pc、背分力Ptともに、Pmean＋Psinωt形
で表わされる。工作物の背分力方向のばね定数を
ｋ、角固有振動数をω_oとすると、ω_o≪ωの関係
で研削しているのが一般であるため、加工精度に
関係する工作物の背分力方向の工作物の弾性変位
量Ｘは、Ｘ＝Pmean／ｋとなる。加工精度を向上さ せるためにはこの変位量Ｘを軽減させる必要が生
ずる。そのためには、砥石車を工作物に押えつけ
る力を軽減させる必要が生ずる。すなわち、
Pmeanの値を小さくして切れ味を向上させる必
要がある。

発明者は、今日までに砥石車を研削方向すなわ
ち、第２図における砥石車を５の矢印ｆ，ａの方
向に超音波ねじり振動させて研削速度Ｖ＜2πafの
研削速度で振動研削する方法を発明した。この方
法によつて研削力波形は図示のようにパルス研削
力波形６となり、パルス研削力の絶対値P′とする
と、背分力方向の変位Ｘは、Ｘ≒tc／Ｔ・P′／ｋとな る。ここで、tcは砥石車の振動一サイクルでの正
味研削時間、Ｔは振動周期である。このとき、諸
摩擦抵抗が減少する効果と作用時間が短くなるの
で見掛け上の切込みが浅くなる効果によつてP′＜
Ｐとなる。すなわち、研削砥石接触面での研削力
P′も減少し、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同じ研削
速度のときの変位に比べてtc／Ｔ（１／３〜１／10）に
減 少する。しかし、このとき、研削速度Ｖは低速と
するので2000m／minの研削速度のときのgcに等
しくさせて研削しようとすると、工作物の送り速
度Ｖ９は遅い速度となり、研削能率が低下する問
題点が生ずる。

そこで上述の特徴を生かして研削能率が低下し
ないような研削方法について考えた。

第３図において、工作物表面に微細ピツチlpで
山の高さをRmaxとする規則的な微細みぞ山を成
形しておき、Ｔ≪Rmaxの切込みとして高速回転
する周速Ｖ３の砥石車で工作物に第１図の送り速
度Ｖを与えて研削する。

このようにすることによつて、高速回転する砥
石車を用いて、工作物の送り速度を遅くすること
なく第４図に示すような研削加工という力学的加
工において理想とするパルス切削力波形を発生さ
せ発熱も少なく能率よく研削することができるよ
うになる。第２図のように切込みｔ＞Rmaxと
し、砥石と工作物が接触する研削面での曲線AC
を滑らかな円弧として研削する場合には、砥石車
を研削方向に振動させＶ＜2πafの条件を与えて低
速研削してパルス切削力波形を発生させたことに
対して、微細凹凸みぞ山形状にしてその山の頂上
付近を高速回転する砥石車で研削し、切りくずを
寸断することによつてパルス切削力波形を発生さ
せるようにした研削法がこの研削機構の特徴であ
る。

次に、この微細凹凸みぞ山形状をいかにして連
続して研削面に発生させるかについて説明する。

第４図は、本発明の特徴を理解し易くするため
に説明する慣用研削における砥粒１刃あたりの研
削面積１０を示す図である。砥石車１の円周上の
１つの砥粒８の先端は近似円弧AB⌒上を回転し、
砥粒８の次の点に位置する砥粒９は近似円弧AC⌒
上を回転する。そして、黒く塗つた面積ABCに
相当する部分を砥粒９が研削して切りくずを生成
する。このときの砥粒１刃あたりの切込みgcは
gc≪ｔである。

第５図はそのときの砥粒９による研削力波形１
２を示す。最大研削力は最大の１刃あたりの切込
み深さgc１４を示すＢ点においてP₅Kgfを示す。
この研削力波形の面積１２を砥石の研削速度をお
とさずに細かく分割してパルス状とすることを考
える。これを実現させる具体的方法としては切り
くずを寸断すること以外にない。その方法の１つ
が本発明の高速回転する砥石車を半径方向に超音
波信動させて研削する方法である。すなわち、第
６図のよ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ar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Ｖ３で
高速研削する方法によつてされる。このときの砥
石車の砥粒８の運動軌跡は正弦波運動軌跡１５、
砥粒９の運動軌跡は正弦波運動軌跡１６を示し
て、その間の断続する黒色部が振動１サイクルで
研削する研削面積である。この研削面積は、Ｔ／２ （Ｔ＝１／ｆ）秒の周期をもつて断続する。従つて、 切りくずは、寸断されパルス状の研削力波形とな
る。例えば第７図に示すように３個のパルス切削
力波形２０とすることができる。切込みが変動す
るために、その個々のパルス力は一様ではなく図
示のように高低が生ずる。gcの最大なＢ点にお
いて研削力は最大値を示す。これをP₇Kgfとする
と、このP₇はP₅に対してP₅＞P₇となる。

本発明によると従来のように連続した切りくず
を生成するときよりもその研削力を軽減させるこ
とができる。

以上は、砥粒の分加をモデル化して円周上に規
則的に分布するものと仮定して第８図におけるよ
うに斜線で示した微少面積１８，１９，２０の３
つに微細分割する場合について説明したがこの微
細分割数とその面積形状は研削条件によつて変化
する。例えば、振動数ｆが高くなるとその分割数
は増加し、研削速度Ｖが速くなるとその分割数が
減少する。しかし、実際の砥石車円周上に砥粒の
分布状態は不規則であるので、実際の研削では第
９図に示すように砥粒８の正弦波運動軌跡１５に
対して、砥粒９が斜線で画いた微少面積２１，２
２，２３を断続研削し、続く、砥粒２７が黒く塗
つた形状のそろわない微少面積２４，２５，２６
を不規則に断続研削してパルス研削力波形を作用
させて研削する場合が多い。本発明による実際の
研削作業は、第８図、第９図の両研削機構の複合
によつて行われる。

以上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…の各砥粒群によつて円筒
研削、平面研削、内面研削が実施され、第３図７
に示した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
効果を発揮する。また、目づまりを防ぐことがで
きるようになる。

本発明による研削面は第８図、第９図に示した
ように凹凸山形形状となる。この微細凹凸山に作
用時間の短い衝撃力が作用することによつて、応
力集中してセラミツクスの場合にはクラツクの発
生を助成して切りくずを生成し易くする。そのク
ラツクもその微細山の１山だけに有効に作用して
他の山には影響を与えない。すなわち、従来切
削、研削時のクラツクの残留が製品を低下すると
いわれていた問題点を本発明が解消してセラミツ
クスの精密研削を可能とした。軟くて弾性に富む
ゴムに対してもこの研削機構は効果を発揮し精密
研削を可能とする。

このような研削機構によつて研削する砥石車形
状第１０図、第１１図、第１２図に示す。

第１０図において、直径ｄ、長さＬの丸棒は振
動数ｆ、先端振幅a_s、1/2波長の振動姿態３４で
矢印２９の方向に超縦超音波振動する。その中央
の振動節に幅の狭い幅ｂ、直径Ｄの円板状砥石台
金を設ける。この台金と丸棒２８とは一体型とし
て切削加工して成型する。砥石台金の外周に砥石
３３を設ける。砥石台金の中心断面形状において
ld＝１／２（Ｄ−ｄ）の長さは、丸棒２８の外周を 振動節として最先端を振動腹とする振動姿態３７
例えば図示のように1/4入の振動姿態で超音波縦
振動するように振動運動方程式に基いて設計す
る。例えば、炭素鋼S45Cを用いて振動数ｆ＝20
Hzとしたとき、巾ｂ＝10mmのとき、ld＝65mmとな
る。

丸棒の長さｌは徒来の関係式で設計できｄ＝50
mmのときｌ＝65mm、したがつて、Ｌ＝130mmが求
められ全形状寸法が決る。そして、丸棒両端に研
削盤主軸に取付けるためのテーパ面３０を設ける
ことにより半径方向超音波振動砥石車３２が出来
上がる。この砥石車３２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
り砥石車３２は矢印３５の方向に振動数ｆ、振幅
arをもつて超音波振動する。この砥石台金の丸棒
２８と接する振動節点での台金の巾ｂは薄くする
必要がある。この幅ｂ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
い砥石車を必要とする場合が多い。第１１図、第
１２図はこのような場合に対応できる半径方向超
音波振動砥石車３８および３９である。第１１図
において、振動節点における台金の巾ｂ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′×a′の断面形状に合わせて図示の振動姿態
３６となるようにl′dを運動方程式に基づいて設
計した半径方向超音波振動砥石車としたものであ
る。３７の用にし砥石巾b′＞ｂとしたこのときの
l′d＜ldとなる。また第１２図のように砥石車Ｂ
をＢ＞b′＞ｂとすると、l″d＞l′dとなつて直径は
小さくなる。このとき（１／４λ＋ｎ１／２λ）波長 （ここにｎは整数）の長さに長くすることによつ
て、砥石の幅を広げて直径が小さくなる点を補う
ことができる特徴を有する。このようにして任意
形状の半径方向超音波振動砥石車を製作すること
ができる。

次に本発明の一実施例である円筒研削盤を第１
３図、第１４図に付いて説明する。

20KHz縦超音波電わい振動子４０を尾部に、先
端に第１１図に示した形状の半径方向超音波振動
ダイヤモンド砥石車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置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
して主軸を磨擦少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を構成する。スリーブ４２には
プーリ４５を取付け、このプーリ４５にはスリツ
プリング４６を取付ける。スリツプリング４６に
ブラツシユ４７を磨擦少なく接触させる。ブラツ
シユ４７と超音波発信機４８の出力端子とを接続
する。この半径方向超音波振動ダイヤモンド砥石
車３５の他端は、研削盤用主軸第５６と同構造、
同形状をした研削盤用主軸第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す
る主軸５６のテーパ面によつて支持する。振動子
５５には、超音波発信機５１からブラツシユおよ
びスリツプリングを会して超音波振動エネルギを
供給する。このようにして２個の振動子で砥石を
駆動することができ、より高精度、重研削が可能
となる。

第１３図のように砥石車両端面を平坦面とし
て、これを主軸台５６および５７の主軸の間に挿
入しお互いに押し付けるようにして主軸に固定す
る方法と第１２図のように両主軸の同軸度を考慮
して片方のみテーパ面とし、た端を平坦面あるい
はセンタ穴を設けて固定する方法がある。

主軸台５３には主軸回転駆動用の三相誘導電動
機４９を取付け、ベルト５１で主軸４１を矢印３
の方向に回転させ、砥石車３９の研削速度を約
500〜1000m／minとする。この主軸台を研削盤
往復台５１に取付ける。工作物２を研削盤のチヤ
ツク５６に取付け、他端をセンサ５８で指示し、
これを回転速度Ｖで矢印９の方向に回転させ、往
復台５１を送り速度Ｓで矢印５７の方向に送るこ
とによつて、振動数20KHz〜60KHz、片振幅６〜
15μｍで半径方向に超音波振動するダイヤモンド
砥石による精密振動円筒研削が実施される。

又第１５図に示すように砥石車を片方の回転主
軸の先端の振動腹部に固定してもよい。

本発明は、セラミツクスのほかにゴム製品の精
密円筒研削を可能とする。本発明の他の実施例と
しては円筒研削盤のほかに、平面研削盤、ねじ研
削盤および切断機などがある。

（効果） 本発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SDC100 R85Bの直径256
mm、幅30mmのダイヤモンド砥石車を20KHz縦超音
波電わい振動子300Wを用いて振動数ｆ＝20KHz、
半径方向振幅ar＝12μｍで半径方向に超音波振動
させ、研削速度Ｖ＝800m／minで回転させ、常
圧焼結した直径20mm、長さ80mmのシリコンナイト
ライドを工作物速度Ｖ＝5m／minで回転させ、
半径方向に0.5mm研削して仕上直径19mmとするの
に、本発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1/3〜1/5に短縮することに成功し
た。そして、例えば、切込み0.3mmで研削して直
径の加工精度を±2μｍにおさまるという精度が
向上する効果が得られた。研削音が激減する効果
が得られた。

従来の慣用研削では砥石面がセラミツクス表面
を強力に押し付けて無理な研削をしていることを
証明している強烈な研削音を発し、また、切りく
ずが発火して火花を散らすことが多かつたが本発
明によつ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。

従つて、砥石の寿命も長くなる効果が得られ
る。セラミツクス表面に与える損傷も少なく表面
粗さ程度の２〜3μｍ以内に精密研削できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の研削機構を説明するモデル図、
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、第４
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砥粒が研削する研削面積と切り込み深さ
gcをモデル化して示す図、第６図はそのときの
研削力波形を示す図、第７図は本発明における１
つの砥粒が研削する断続微細研削断面積を示す説
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つて１
つの砥粒が研削す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、４５，４６…超音波振動主
軸、５１…超音波発振器、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 1/2波長の長さを有し、固有振動数ｆをもつ
   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をもつて縦超音
   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。