JPS6147641B2

JPS6147641B2 -

Info

Publication number: JPS6147641B2
Application number: JP57023665A
Authority: JP
Inventors: Junichiro Kumabe
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-02-18
Filing date: 1982-02-18
Publication date: 1986-10-20
Also published as: JPS58143901A

Description

【発明の詳細な説明】

切削速度は近年ますます高速化されてきてい
る。そして、高精度加工が可能となつてきてい
る。しかし、この高速切削による切削性の改善効
果の反面では連続する高温切りくずの処理には大
変苦慮しているのが現状である。また、無人化、
ロボツト化の傾向が著しい今日とは云うものの、
この切りくず処理技術がないために生産工程の無
人化、ロボツト化が実現されていない場合が非常
に多い。連続する切りくずを寸断し、集じん機な
どによつて吸入しこれを処理しすることは切りく
ず処理の理想とするところである。そして、ま
た、この寸断切りくずをプラスチツク材の強化な
どに活用できればと期待されている。本発明は、その期待に応えるべく発明したもの
で、二次元切削においてはバイトをその背分力方
向に超音波振動させ、200〜300m/min以上の高
速の切削速度で切削し、送りを振幅（片振幅）の
例えば1/50程度の微少送り量として切削油剤を十
分に注油して切削することによつて、プラスチツ
ク材から炭素鋼材にいたる工業材料すべてに対し
て見事に針状切りくずに寸断して、真円度などの
形状精度にも悪影響を与えずに従来の旋削加工精
度をもつて精密旋削加工できるという画期的な切
りくず寸断精密旋削方法に関するものである。次に、本発明を図によつて詳細に説明する。第
１図は板厚ｔ、長さｌの板状工作物１を切削速度
ｖをもつて工具２に切込みＳを与えて２次元切削
する場合である。このときの切りくず形状は切り
くず３のように連続するのが一般である。そこで
従来は、チツプブレーカなどを工具に設けたり、
振動送り切削などの方法によつて、この連続する
切りくずの分断を試みてきた。これらは、特定な
一部の切削条件に対しては成果をあげているよう
であるがまだ般用化されてはいない。すなわち、
加工精度に影響を与えないようにすると切りくず
の分断が不十分であつたり、切りくずの分断を行
えば加工精度が悪化したり、生産能率が低下して
しまうなど両者を満足して実用できる方法が未だ
開発されていないのが現状である。第２図のように、工具２を切削方向４の方向、
すなわち、主分力方向に振動させて切削すること
によつて切りくず３の長さが切りくず５のように
長くなることは永い間の振動切削に関する研究で
判明している。そして、この振動切削に関する研
究において、背分力方向、あるいは送り分力方向
に工具を振動させて切削することは特別な場合以
外実用できない方法であるとされている。例え
ば、背分力方向においてはバイト逃げ面で工作物
の切削表面を衝撃する現象があり、工具切刃が損
傷して切削不可能となり、軟質材料にのみ適用で
きて硬質材料には適用できないので一般的な方法
ではないとされている。ところが、本発明者は前
記現象が従来行なつて来た100m/min以下の低切
削速度において現われる現象にすぎないことを解
明した。すなわち、工具逃げ面を工作物表面と接触させ
ないことは、工具の振動数ｆ、振幅ａを一定とす
るとき、切削速度ｖを従来考えもしなかつた、
100m/min以上の200m/min、300m/min、400
m/minという、高速切削速度とすることによつ
て実現でき、しかも、切込みＳを振幅ａよりも極
少として切削することによつて切りくずをばらば
らに寸断して、切削面の表面あらさを数μｍ
Rmaxとして精密旋削することが究明された。主
分力方向振動切削では諸効果がえられる切削速度
が約50〜60m/min程度であることにとらわれ過
ぎて、１桁高い切削速度における挑戦を試みるこ
とを永らく見逃していた。最近になつて、主分力
方向振動切削では約50〜60m/min以下の低い切
削速度の領域で得られたすばらしい切削諸効果
が、本発明の振動切削方法では約300m/min〜
400m/min〜500m/min程度の高速切削速度の領
域で得られることを究明、発見した。すなわち、
切りくずは見事に寸断され、したがつて、切削力
波形はパルス状切削力波形となり、切削熱もパル
ス状となつて切削温度を上昇させないほど主分力
方向での効果と同様な効果がえられ、精密加工を
可能とする画期的効果があることを究明した。第３図において、工具２を背分力方向１２の方
向に振動数ｆ、振幅ａで振動させて切削速度ｖを
前記したように200m/min以上の高速の切削速度
として、送り量（切込み）Ｓを与えて二次元切削
する。このとき、工具の逃げ角θは振動数ｆ、振
幅ａおよび切削速度ｖで決る値とし、図示のよう
に三角波形で近似として示す切削表面の表面形状
と工具逃げ面とが接触しないようにする。この第３図のようにして本発明を実施すると従
来の切削方法では第１図、第２図のように工作物
の長さ方向に工具２は一定の速度ｖで進行して、
斜線で示す細長い面積ｌ×Ｓをもつ切削部１６を
一挙に切削してしまうために長い連続した切りく
ず３，５となつたものを、バイトの振動変位をａ
sin ωｔとすると、ａω cos ωｔで表わさ
れるバイトの振動速度と切削速度ｖの合成で画か
れるバイト刃先の運動軌跡を近似して示される三
角波形b′でバイト刃先が進行するために、第３図
の斜線で示した矩形の微小面積の小ブロツク６，
７，８…………を切削することになる。すなわち、第１図、第２図では工作物の長さｌ
が切削長さであつたが、本発明の実施によつて第
３図のように微小分割された微小長さの集合の形
である

【式】に小刻に分割して切削することができる。両者の速度の合成であるから、
この小ブロツク６，７，８…………は図示のよう
に、切削速度ｖの方向に平行には分割できずに、
後述する振幅ａ、振動数ｆ、切削速度ｖで表わさ
れる工具振動１サイクル毎の工作物内部から工作
物表面に向う切削方向に細分分割した微少面積を
切削速度ｖの方向に傾斜させて並べた形状にな
る。従つて、山と谷とが発生し、切削表面形状は
凹凸面となる。そして、これを切削するために、
切りくずは見事に寸断され、切りくず１３，１
４，１５…………となる。山の頂点、点ａを有す
る凹凸面形状の切削表面から切込み（送り量）Ｓ
を与えて二次元切削すると、山の頂点は点ｂに移
り、山の頂点の差が切込み（送り量）Ｓに相当す
る。同様に小ブロツク９，１０，１１…………が
形成されて、切りくずが寸断される。この工具に
は後述する逃げ角θを与えることが本発明の特長
の１つである。第３図に示す切削は第４図に示す方法によつて
実施される。すなわち、パイプ状の工作物１を旋
盤主軸にチヤツクして高速回転させて切削速度ｖ
とする。バイトシヤンク２の尾部に超音波振動子
１７を接着固定してバイトシヤンクを矢印１４の
方向に振動数ｆおよび振幅ａをもつて超音波縦振
動させ、バイトシヤンク先端に切削工具用チツプ
を接着して二次元切削用切刃を成形する。そし
て、送りＳmm/revを与えてパイプ状工作物の端面
を二次元切削する。すなわち、切刃の両端は工作
物に接触させないようにし、主分力と背分力の２
分力のみが作用するような状態で切削する。このとき、送りＳmm/revをバイトの振幅ａより
も極小にする。例えば、ａ＝16μｍ、Ｓ＝0.3μ
m/rev〜３μm/rev程度とする。刃先の運動軌跡
はバイトの変位ａ sin（２πｆ）・ｔで表わされ
る曲線と切削速度ｖとで合成されて第５図イのよ
うな曲線ｃで表わされる。このとき、切削速度が
早いのでこれを近似して三角波形ｄとして考える
ことができる。＝2a、＝＝ｖ／２ｆで表わ
され、tanθ＝〓〓＝４ａｆ／ｖで求められる。このθが
重要であつて、バイトの逃げ角θ′はこのθよりも
大きく与える必要がある。逆にバイトの逃げ角
θ′を設定してバイトを成形したあとは、振動数
ｆおよび振幅ａを一定とした場合、切削速度ｖを
主分力方向の振動切削の場合とは逆に高速化する
方向に選ぶことによつて切削性の改善を実現する
ことになる。工作物の端面から切削し始めて端面各部が一定
の送りＳmm/revになつたとき、その切削表面は第
５図ロの三角波形状ABCDEFG…………となる。
さらに工作物が１回転することによつて、バイト
切刃は送りＳだけ進み、斜線で示した部分、
BCIH、次の振動１サイクルでDEKJ、さらに次
の振動１サイクルでFGML，…………と断続して
寸断分割し、各小ブロツクを切りくずとして生成
して切削する。切削方向は切削速度ｖの方向に対
して角θをなし、工作物内部より工作物表面に向
う方向となる。角θはバイトの逃げ角θ′より小
でtanθ＝４ａｆ／ｖで表わされる。バイト１サイクル
での切削長さ

【式】で求められ、ａ＝16μｍとすると、a²≒０であるためΔｌ≒ｖ／２ｆとして考えられる。すなわち、第１図、第２図では切削長さは工作
物の長さｌであつたが、本発明ではｖ／２ｆとなり、

【式】で表わされ、工作物長さｌは寸断された小ブロツクの長さΔｌの集合によつて表わ
され、この分割された小ブロツクを切りくずに生
成する見事な切りくず寸断切削機構となるのであ
る。このときの切込み（送り）は2S cosθで表
わされ、第１図、第２図の場合の切込み（送り）
に比べて約1.5倍大きくなる。このときの切削力
の作用時間はバイト振動１周期の1/2で、この切
削力波形はパルス状の切削力波形となる。本発明の実施によつて、寸断切りくずを生成す
る切削機構として、切削力波形において理想とし
ている周期の短い、作用時間の短いパルス切削力
波形を工作物に作用させうる画期的効果が得られ
る。旋削作業にはこの外に第６図の円筒旋削加工、
第７図の端面の正面旋削加工、第８図の中ぐり加
工、第９図の突切り加工がある。各図はこの各作
業に本発明を実施する場合の基本的な実施方法を
示すものである。第９図の突切りの場合は第４図
から容易に理解できるように切刃の振動方向は工
作物外周から工作物中心に向う、すなわち半径方
向に与える。このとき、第９図の左図のように突
切り長さが長い場合には切刃側面の異常摩擦を防
ぐために切刃先端からバツクテーパを設ける。第
９図の右図のようにパイプの突切りの場合にはバ
ツクテープを設けずに実施することができる。本発明の円滑な実施と理想的な効果を、発揮さ
せるためには前述したように切りくず生成にあづ
かる切刃の逃げ角の角度の選定にある。第６図の
ノーズ角90゜のバイトによる円筒加工で説明すれ
ば、横切刃の横逃げ角の選定にある。そして、工
具切刃先端と工作物回転中心軸を含む水平断面に
おいて横切刃を工作物外周から工作物中心に向つ
て、工具の送り方向と角をなす方向に振動数
ｆ、振幅ａをもつて超音波振動させる。このと
き、工具の前切刃の前逃げ面が作用しないように
考慮する必要がある。すなわち、前切刃を振動方
向と一致する位置とするかあるいは逃げ角γを与
えすなわち、ノーズ角を90゜より小さくして前切
刃が全く工作物と接触させないようにすることが
肝要である。先丸切バイトの場合には横逃げ角と前逃げ角を
同一としているので、３次元切削の場合送り方向
と振動の方向とが同一にならないようにして実施
する。また、本発明の特長は逃げ角を指定していると
ころで、その逃げ角は従来の工具の７〜８゜の角
度に比べて大きい角度となつている。そのため
に、刃先の機械的強度が低下するので、すくい面
には被削材強度に応じて負のすくい角（＋α）を
与えて補強する。第７図の正面切削、第８図の中ぐり加工の場合
も第６図と同様にして実施される。これらの各図
からわかるように本発明はねじ加工を含めてあら
ゆる旋削加工に適用できる。図では縦超音波振動
系バイトシヤンクの場合で説明したが、曲げ振動
系バイトシヤンク、ねじり振動系バイトシヤンク
の場合でも同じ要領で実施できる。以上のようにして約ｖ／２ｆの長さに切削長さが細分割される。次に、これをさらに、極細分割する方
法について考える。その方法として、ｖ／２ｆの式からわかるようにもはや、このｖとｆとのみを操作し
て考案することはできない。別途の方法を附加す
る必要が生ずる。この切削長さを細分割すれば当
然表面あらさもより平滑化できる。この目的に適
合する方法が第１０図のようにして創案される。
第１０図は高速二次元切削の場合を示す。すなわち、前述したように工具２を振動数ｆ、
振幅ａで矢印１８の方向に振動させ、切削速度ｖ
で切削して得られる凹凸面ABCDEFG…………
を、振動している工具２より若干の距離うしろに
離して刃物台に固定した普通切削用工具２１でそ
の突出した山部の三角形１９を切削する。この工
具２１の刃先Ｘの位置する点は工具２の振幅２ａ
内とする。第１０図の場合は工具２の振動を止め
た位置と同位置、すなわち図で示す２ａの中点に
位置する場合である。このようにして切削すると、工具２のみの場合
では面積DEKJを切削するところを工具２１によ
つてその一部の三角形の面積部１９が削除されて
いるので、面積DEKJよりも面積の狭い面積
D′E′K′J′を切削することになる。すなわち、切削
長さを短縮することができる。工具２１で切削す
る切削長さも短く、しかも断続するのでその切り
くずは寸断されたさらに細い形状となる。第５図ロに示す方法によつて本発明が実施さ
れ、工具切刃はその大部分は斜線部を切削してそ
の切りくずを寸断するが時として、第１１図に示
すように凹凸面ABCDEFGと同位相の切削面
A₁B₁C₁D₁E₁F₁G₁を切削する場合も発生する。こ
の場合の切りくずは連続する。しかし次第にその
位相がづれて再び寸断切りくずが発生するように
なる。これは送りが振幅と近づいた比較的送りの
大きい場合に現われ易い。したがつて、細かく寸
断された切りくず群にところどころに連続した切
りくずが混在した切りくず形状となる。第１１図
の工具２１の刃先位置は工具２の振幅２ａで形成
される凹凸面ABCDEFGの各山Ａ，Ｃ，Ｅ，Ｇか
ら送り量Ｓの位置としている。このような刃先位
置に設置した工具２１によつて工具２のみでは連
続する面積２２中の一部の三角形２３に相当する
微少面積を断続して削除しておき、これを振動す
る工具２１でＶ字形の面積２４部を切削するよう
にして切りくずを寸断し、本発明の切りくず寸断
の完全実施を助成することができる。すなわち、
工具２１の刃先の位置を工具２が振動して工作物
１から遠ざかつて形成する切削面のACEGのよう
な凹凸面の山附近に設置した場合である。このと
きは工具２１には大なる切削抵抗が作用しないの
で、工具２１に対する力学的配慮は全然必要とし
ないが表面あらさの改善には何んら役立たない。そこで、工具２が振動して工作物１に最も接近
した第５図ロに示したHJL、あるいは第１１図に
示すB₁D₁F₁点のように工具２の振幅２ａ内にお
いて凹凸面の谷部附近に工具２１を設置すること
が考えられる。このように設置することによつ
て、振動する工具２で切削する面積は面積２６と
なりますます狭くなり、その切りくず長さはます
ます短かくなる。そして表面あらさは第１１図、
第１０図など比べて平滑になる。ただし、工具２
１での面積は図示の面積２５のようになり、第１
１図の面積２３、第１０図の面積１９に比べて広
くなり、切込み深さも深くなつて切削抵抗は大き
くなるので工具２１に対する力学的配慮が若干必
要となつてくる。以上のような振幅２ａ内の、工具２に対する工
具２１の設置位置が本発明の特長である。これら
の位置は切削状態に応じて選定する。そして、最
適な切りくず寸断切削条件と平滑な表面あらさが
得られる切削条件とのもとに切削加工することが
できる。第１３図に工具２と工具２１の取付位置の関係
をパイプ状工作物１の端面切削の場合で示す。工
作物１を一定の回転数ｎで回転させて切削速度ｖ
として、第５図で説明したように、工具切刃を矢
印で示す方向に振動数ｆ、振幅ａで超音波振動さ
せられる超音波振動切削装置を旋盤往復台上の刃
物台上に取付け、工具２１を例えば往復台上の向
う刃物台上にすくい面を工具２のすくい面とはそ
の向きを逆にして旋盤ベツド面に向けて取りつ
け、その刃先位置を第１０図で説明した位置にな
るように調整することによつて本発明が実施され
る。工具２１は工具２のように振動しないので、
何んらの制限はなくその逃げ角は７〜８゜程度に
与える。一般の旋削加工への本発明の実施方法を
第１４図〜第１７図に示す。第１４図は円筒旋削
加工、第１５図は端面の正面旋削加工、第１６図
は中ぐり加工、第１７図は突切り加工の場合であ
る。この場合の工具２に対する諸角度の与え方およ
び振動方向は前述した第６図〜第９図の場合と同
様である。この工具２切刃に対して工具２１切刃
を各図に示すように工作物の回転中心からの距離
が同一となるように工作物外周からの切込みｔあ
るいは送りを与えて、円筒加工、中ぐり加工ある
いは正面旋削、突切り加工を実施する。さて、このとき前述したように切りくずの寸断
と表面あらさの平滑化が特長である本発明では工
具２１に対してさらに一つの工夫をほどこす。す
なわち、従来から行われていることであるが、第
１５図で示すように前切刃にさらい刃を附加す
る。このようにすることによつて表面あらさはさ
らに平滑化され、１〜２μｍ程度の平滑な表面あ
らさの切削面が得られる。第１８図に本発明の具体的な実施例を示す。直
径54mm、長さ100mmの炭素工具鋼材の工作物１を
旋盤主軸にチヤツクして、2200rpmで回転させ
る。すくい角α＝０、横逃げ角25゜、ノーズ角90
゜、作用前切刃角20゜、横切刃角70゜のバイト刃
先を固有振動数21.7kHzの縦超音波電れい振動子
１７の一端に設けた振幅拡大用ホーンの先端に接
着したバイトシヤンク２の先端に成形して、振動
数21.7kHz、片振幅16μｍで矢印１８の方向に振
動させる。そして、このバイトシヤンク２に生ず
る振動節のうち２個所の位置において締付金具２
７を使用して刃物台２８にこの縦振動系バイトを
取付ける。さらに振幅拡大用ホーンの振動節を利
用して補強治具２９によつて重量のある振動子の
刃物台への取付けを補強する。このようにして刃
先が規則的な安定したｆとａを示す振動姿態とす
ることができる。この刃先に切込みｔ＝１mm、送
りＳ＝２μm/revと切削油剤を十分に注油できる
準備をする。そして、同一往復台上に向う刃物台
３０を設け、その刃物台に同一横切刃角をなし、
この場合には表面あらさを平滑にすることを目的
として長さ約0.5mm程度のさらい刃３１を有する
バイト２１を取付ける。そして、同一の切込みｔ
となるように刃先位置を調整する。実施例では炭素工具鋼の場合で示したが、本発
明はテフロン、ナイロンなどの有機合成樹脂材か
らはじまつて非鉄金属材料としてのアルミニウム
合金、合同合金などの軟質材料、さらに鉄合金の
炭素鋼、ステンレス鋼材やそれらを焼入れした硬
質材料などはもちろん、最近の工業材料である無
機材料にいたる工作物材料が本発明の対象とな
る。工作物材料が硬脆材料となると、工具逃げ角の
角度について細心の注意が必要となる。すなわ
ち、第５図において近似化した三角波形での逃げ
角でなく、振動速度と切削速度とで合成した角度
Ｈをもつて逃げ角とする。工作物直径Ｄ、回転数
ｎ、片振幅ａ、振動数ｆのとき、Ｈ＝tan^-1２ａｆ／Ｄ
・ｎで計算される逃げ角とする。このＨは、近似化し
た三角波形から求めたθよりも７〜10゜大きい。
この大きな逃げ角で低下したバイト刃先の機械的
強度は負のすくい角を与えて補強する。本発明は以上のように、工作物とバイトとの距
離が変化するようにバイトに超音波域の振動を与
え、切削を断続的に行なうので、切りくずが微細
になり、その処理が容易になる。そして切削が断
続的に行なわれる結果、工作物及びバイトの温度
上昇を低くすることができる。このことは工作物
として炭素工具鋼材を切削した場合の切りくず
が、白灰色のままで、高温による変色をしないこ
とから実証されている。また、断続的な切削とは
云えその振動数はきわめて高いので、充分な表面
粗さを維持でき、実例として３〜４μｍの表面粗
さ、1.5〜２μｍの真円度が得られる。そして、
切削速度をバイトの逃げ角と、振巾及び振動数で
決まる限度以上としたので、バイトの逃げ面が工
作物に接触することもない。さらに、振動しないバイトを前記振動するバイ
トと併用して、それにより形成された直後の凹凸
を有する切削面の凸部を断続的に切削することに
より、さらに平滑な切削面を得ることができると
共に、振動するバイトの負担を軽減させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図と第２図は従来の方法を示す各側面図、
第３図は本発明方法による切削状態を示す側面図
である。第４図は本発明方法を実施する装置の一
例を示す側面図、第５図は切削面の断面形状を示
す拡大図、第６図乃至第９図は各種の切削態様を
示す各平面図である。第１０図乃至第１２図は振
動しないバイトを併用する場合の切削状態を示す
拡大断面図、第１３図乃至第１８図は本発明の各
実施例を示す平面図である。１……工作物、２……（振動する）バイト、１
７……超音波振動子、１９，２３，２５……凸
部、２１……（振動しない）バイト。

Claims

【特許請求の範囲】１工作物とバイトとの距離が変化するように、
バイトに超音波域の振動を与え、バイトの切込み
量（送り量）を振動の振巾よりも充分に少なくす
ると共に、切削速度をバイトの逃げ角と振動数及
び振巾によつて決まる最低速度より大にして、バ
イトの逃げ面が工作物に接触しないようにし、も
つて切削を断続的に行なうことを特徴とする精密
高速振動旋削方法。２工作物とバイトとの距離が変化するように、
バイトに超音波域の振動を与え、バイトの切込み
量（送り量）を振動の振巾よりも充分に少なくす
ると共に、切削速度をバイトの逃げ角と振動数及
び振巾によつて決まる最低速度より大にして、バ
イトの逃げ面が工作物に接触しないようにし、も
つて切削を断続的に行なうと共に、さらに、前記
とは別の振動しないバイトによつて、前記振動す
るバイトで形成された直後の微細凹凸を有する切
削面の凸部を断続的に切削することを特徴とする
精密高速振動旋削方法。