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技術 楕円振動切削加工法

出願人 公益財団法人新産業創造研究機構
発明者 社本英二森脇俊道
出願日 2001年3月30日 (18年11ヶ月経過) 出願番号 2001-097979
公開日 2002年10月8日 (17年5ヶ月経過) 公開番号 2002-292501
状態 特許登録済
技術分野 旋削加工
主要キーワード 支持中心点 摩擦熱発生 切削厚み 上下軸方向 降下角 偏心歯車 傾斜切削 振動切削法
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2002年10月8日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (15)

課題

切削力を低減し加工精度を向上させ、びびり振動を抑制し工具摩耗を低減し、難削材をも加工可能な切削方法を提案する。

解決手段

切削方向(x方向)、送り方向(y方向)を含む面(yx面)で工具楕円振動させる。或いはyx面をy軸方向の廻りにΘだけ回転したyq面で工具を楕円振動させる。或いはyx面をx軸の廻りにΦだけ回転させたhx面で工具を楕円振動させる。

概要

背景

[1.通常切削]通常の切削では、工具刃先静止した被削物面(xy面)に当て−z方向の力(背分力T;Thrust force)とx方向の力(主分力P;Principal force)を加えながら、x方向へ一定速度Uで直線的に移動させる。あるいは工具を静止させて被削物を−x方向へ速度−Uで移動させる。すくい面がx方向に推移するから被削物表面を工具幅あるいは被削物幅hだけ切り取り、これを掬い上げる。切屑はすくい面に沿ってz方向に這い上ってゆく。被削物の切り取り厚さをk(切屑厚さでない)とする。単位時間にkhUの体積の切屑が発生する。

通常切削では一定速度で工具をx方向へ移動させるだけであるから切削速度は常に一定でUである。正常な場合は、主分力P、背分力Tともに一定である。工具すくい面は常に切屑に接触している。刃先被削材分岐に接触している。刃先が切削方向に垂直な2次元切削の場合には、送り分力Nは0である(刃を斜めに使う傾斜切削時には0にならないが一定)。つまり通常切削というのは、工具の位置が不変、力も不変だということである。工具刃先の中心の座標を(x,y,z)として、これを座標系原点Oに重ねると、

概要

切削力を低減し加工精度を向上させ、びびり振動を抑制し工具摩耗を低減し、難削材をも加工可能な切削方法を提案する。

切削方向(x方向)、送り方向(y方向)を含む面(yx面)で工具を楕円振動させる。或いはyx面をy軸方向の廻りにΘだけ回転したyq面で工具を楕円振動させる。或いはyx面をx軸の廻りにΦだけ回転させたhx面で工具を楕円振動させる。

目的

しかし、zx面楕円振動法には、切り取り厚さが振動振幅よりも小さくなってくると効果が減少したり、仕上げ面に若干の凹凸ができたりする、という多少の短所もある。本発明はそこでこうした短所をなくすとともに、異なる原理に基づいて、切削力の低減効果を維持しうる新たな切削法を提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
2件
牽制数
2件

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請求項1

切削方向をx方向、切屑排出方向をz方向、工具送り方向をy方向として、yx面で工具を楕円振動させる事を特徴とする楕円振動切削加工法。

請求項2

切削方向をx方向、切屑排出方向をz方向、工具送り方向をy方向として、yx面をy軸方向の廻りにΘだけ回転したyq面で工具を楕円振動させる事を特徴とする楕円振動切削加工法。

請求項3

切削方向をx方向、切屑排出方向をz方向、工具送り方向をy方向として、yx面をx軸の廻りにΦだけ回転させたhx面で工具を楕円振動させる事を特徴とする楕円振動切削加工法。

請求項4

直交する二方向の振動波形方形波であって四角形軌跡をもつ振動をさせることを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の楕円振動切削加工法。

技術分野

0001

本発明は、工具送り方向(y方向)と切削方向(x方向)とを含む面(yx面)内で楕円振動させて切削する。さらに本発明は、yx面をy軸を中心にΘだけ回転させた面(yq面と呼ぶ)内で楕円振動させて切削する。或いはyx面をx軸を中心にΦだけ回転させた面(hx面と呼ぶ)内で楕円振動させて切削する。yx面楕円振動というのが本発明の基本形態である。yq面楕円振動はその第1発展形態である。hx面楕円振動はその第2発展形態である。

0001

この発明は、被削物を工具によって切削する切削加工方法に関する。特に、加工精度を向上させ、表面粗さを減少させ、難削材をも切削加工できるような振動切削技術に関する。

0002

0002

初めに用語を定義する。切削の対象を被削物と言う。切削する刃物を工具と呼ぶ。被削物のうち切り起こされた部分を切屑と言う。被削材に接触して被削材の表面を削り取る工具(バイト)の進行方向を切削方向(Principal direction;Cutting Direction)と言う。工具の切削方向に向き切屑に接触する面をすくい面(rake face)と言う。

0003

[1.基本型(yx面楕円振動)]工具の刃先を例えばy方向、x方向に単振動させる。この運動を合成してyx面上の楕円振動を実現する。y方向の動きが実効的に切れ味を良くする。それが主分力Pを低減する上で極めて効果がある。y方向振動だけなら先に説明した従来例の「揺動切削」と変わらないがx方向への後退が伴うので、真に切れ味を良くする。それは直接的に主分力Pを低減するのであって、zx面楕円振動のように間接的な主分力低減効果でない。
[yx面楕円振動]
y=ηcosωt、x=ξsin(ωt+φ)、z=0 (31)
v=−ωηsinωt、u=ξωcos(ωt+φ)、w=0 (32

P=周期変動、T=周期変動、N=周期変動 (33)

0003

仕上げ面と垂直な方向を基準としてすくい面がなす角度をすくい角(rake angle)と言う。すくい角は正負両方の場合がある。直角方向から後方倒れた方を正と定義する。正のすくい角は鋭利に、負のすくい角は鈍磨な感じを与える。工具の下面であって新たに露呈した被削物面(仕上げ面)に対向する面を逃げ面(relief face)と言う。逃げ面が切削方向となす角度を逃げ角(relief angle)と言う。逃げ面が仕上げ面に干渉しないようにするため、逃げ角は常に正である。

0004

0004

説明の便宜のために座標と力を定義する。切削方向をx方向にとる。切削方向に工具が被削材に及ぼす力、あるいは被削物が工具に−x方向に及ぼす力を主分力(Principal force)Pと言う。切削方向に直交する2方向のうち刃先の伸びる方向を送り方向(Feed direction)と言う。これをy方向にとる。被削物が工具に送り方向(y方向)に及ぼす力を送り分力(Feed force)Nと言う。

背景技術

0005

S=(1/2)∫c(yu−xv)dt=πξηcosφ (34

0005

x方向への1回の切削が終ると刃先方向へ被削材を送って新たな面を切削するようにするから送り方向(feed direction)と言う。ただし1回の切削のみで終了し送り運動が不要な場合にもこれを送り方向ということにする。切り屑は刃先から工具のすくい面を上方へ伝って上がる。上方に向かう方向すなわち仕上げ面に垂直な方向を背分力方向(Thrust direction)と言う。これはz方向とする。工具にかかるz方向の力を背分力(Thrust force)Tと言う。これは主に切屑との摩擦(接触)によって生ずる力である。

0006

0006

工具のx、y、z方向の絶対速度をu、v、wとする。被削物のx方向の速度は−Uである。本発明においては楕円振動を工具と被削材のいずれに与えてもよいが、ここでは工具を振動させるものとして説明するので座標の原点は被削物に設けるべきである。しかし被削物自体も動くので静止した原点を与えにくい。そこで空間に準拠した静止座標系Oを想定する。原点Oは、刃先の移動範囲中心近傍に決める。被削物の動きはこの座標系Oで−Uだということになる。

0007

0007

被削物に準拠した座標をO’系とすると、O’系でのx’、y’、z’は、静止系Oでのx、y、zに対して、x’=x+Ut、y’=y、z’=z,u’=u+U、v’=v,w’=wである。O’はOに対して−U(平均切削速度)の一定速度でx方向に移動するガリレイ変換系である。

0008

0008

以後はおもに静止座標系での表現を採用するがx方向についてのみは一定切削速度Uの存在を明確にするためO’系でのu’を付記する場合もある。工具の面について、すくい面がyz面に平行ならすくい角は0である。yz面から後方に向かう傾き角がすくい角αである。逃げ面のxy面からの傾斜角逃げ角βである。工具刃先はy軸に平行な線である。工具先端頂角γはγ=90゜−α−βである。

0009

0009

[1.通常切削]通常の切削では、工具刃先を静止した被削物面(xy面)に当て−z方向の力(背分力T;Thrust force)とx方向の力(主分力P;Principal force)を加えながら、x方向へ一定速度Uで直線的に移動させる。あるいは工具を静止させて被削物を−x方向へ速度−Uで移動させる。すくい面がx方向に推移するから被削物表面を工具幅あるいは被削物幅hだけ切り取り、これを掬い上げる。切屑はすくい面に沿ってz方向に這い上ってゆく。被削物の切り取り厚さをk(切屑厚さでない)とする。単位時間にkhUの体積の切屑が発生する。

0010

0010

通常切削では一定速度で工具をx方向へ移動させるだけであるから切削速度は常に一定でUである。正常な場合は、主分力P、背分力Tともに一定である。工具すくい面は常に切屑に接触している。刃先は被削材の分岐に接触している。刃先が切削方向に垂直な2次元切削の場合には、送り分力Nは0である(刃を斜めに使う傾斜切削時には0にならないが一定)。つまり通常切削というのは、工具の位置が不変、力も不変だということである。工具刃先の中心の座標を(x,y,z)として、これを座標系の原点Oに重ねると、

0011

(通常切削) x=0、y=0、z=0 (1)
u=0、u’=U(一定)、v=0、w=0 (2)

P=一定、T=一定、N=0 (3)

0011

[2.第1発展型(yq面楕円振動)]本発明はyx面楕円振動だけに限らない。yx面をy軸周りにΘだけ回転したyq面での楕円振動であってもよい。q方向というのは、xz面にとった一つの方向である。発展型は工具の刃先を例えばy方向、q方向に単振動させる。この運動を合成してyq面上の楕円振動を実現する。それは基本型のyx面楕円振動をy軸廻りにΘだけ回転させたものだと言ってもよい。やはりy方向の動きが刃先の切れ味を向上させる。それが主分力Pを低減する。
[yq面楕円振動]
q=xcosΘ+zsinΘ (35)

0012

というように定義することができる。しかし、それは理想的な場合である。実際にはびびり振動が発生することがある。加工精度も良くない場合がある。また工具すくい面へ被削物が凝着することもある。仕上げ面下には加工変質層が生成され、またその端部にはばりも発生する。主分力P、背分力Tが大きく、それ故に切削温度も高く、工具が破損、摩耗しやすく工具の寿命が短い、ということもある。

0012

0013

[2.切削方向往復振動切削]これは隅部淳一郎著「精密加工振動切削−基礎と応用」(実教出版株式会社、1979年)に記載されている。ここで言う振動というのは切削方向の振動である。つまりx方向の振動を工具に与えて切削するということである。工具を後ろへ引く瞬間があり、刃先が被削材の分岐から離れるので切削油が刃先に与えられる。切屑がすくい面から瞬時離隔し摩擦が減少する、などの作用がある。だから切削抵抗(主分力Pのこと)が減少するというのである。横方向(y方向;Normal)や上下方向(z方向;Thrust)には工具を動かさない。

0013

y=ηcosωt、q=ξsin(ωt+φ)、−xsinΘ+zcosΘ=0
(36)
v=−ωηsinωt、p=ξωcos(ωt+φ)、−usinΘ+wcos
Θ=0 (37)
P=周期変動、T=周期変動、N=周期変動 (38)

0014

(往復振動切削) x=ξsinωt、y=0、z=0 (4)
u’=U+ξωcosωt、u=ξωcosωt、v=0、w=0 (5

P=周期変動、T=周期変動、N=0 (6)

0014

0015

というわけである。刃先が被削材分岐から離隔するから切削抵抗Pが一時ゼロになる。その間に油や空気が廻るから工具や被削材が冷却される。ここでは切削速度u’に一様速度Uを含めている。

0015

S=(1/2)∫c(yp−qv)dt=πξηcosφ (39

0016

隈部氏は、y方向の振動切削(y=ξsinωt)は、刃先と被削物が常時接触しており横振動によって摩擦熱発生がより著しくなり異常加熱がおこり工具を劣化させるので実行されないと述べている。

0016

発明を実施するための最良の形態

0017

またz方向の振動切削(z=ξsinωt)は、加工面に凹凸ができるし、工具の逃げ面が被削物の表面を強く叩くことになり衝撃力によって工具が破損するので好ましくないと述べている。だから往復振動切削というのは必ず切削方向(x方向)の往復振動に限られていた、と述べている。このような常識は現在でもほぼ妥当なものとして捉えられている。

0017

0018

しかし被削物が回転しておりバイトで被削物の円周を削ってゆく旋盤の場合には、y方向、z方向の振動切削の提案が幾つかなされている。

0018

x=ξcosΘsin(ωt+φ)、z=ξsinΘsin(ωt+φ)(40

u=ξωcosΘcos(ωt+φ)、w=ξωsinΘcos(ωt+φ)(
41)

0019

実公昭43−2685号「偏心輪による振動旋削装置」は、円筒形の被削物を回転させ、側方からバイトを当てて側面の一部を削る旋盤において、バイトの縦方向(z方向)の切り込み量を振動させるということを提案している。そうすると切屑の厚みが厚くなったり薄くなったりするから下手に切った林檎の皮のように長く続かずすぐに切れてしまう、という利点がある。z方向だけの振動であるからx、y方向の動きはない。z方向の振動によって背分力、主分力は周期的な変動をする。

0019

[3.第2発展型(xh面楕円振動)]本発明はyx面楕円振動、yq面楕円振動だけに限らない。yx面をx軸(Principal)周りにΦだけ回転したhx面での楕円振動であってもよい。h方向というのは、yz面にとった一つの方向である。発展型は工具の刃先を例えばx方向、h方向に単振動させる。この運動を合成してhx面上の楕円振動を実現する。それは基本型のyx面楕円振動をx軸廻りにΦだけ回転させたものだと言ってもよい。やはりy方向の動き(cosΦに減少するが)が刃先の切れ味を高揚する。それが主分力Pを低減する。
[hx面楕円振動]
h=ycosΦ+zsinΦ (42)

0020

上下振動切削) z=ξsinωt、x=0、y=0 (7)
w=ωξcosωt、u=0、v=0 (8)
P=周期変動、T=周期変動、N=0 (9)

0020

0021

これはバイトの振幅2ξが平均切り込み量(切り取り厚さkの平均k0)よりも小さいという条件があり、

0021

h=ηcosωt、x=ξsin(ωt+φ)、−ysinΦ+zcosΦ=0
(43)
g=−ωηsinωt、u=ξωcos(ωt+φ)、−vsinΦ+wcos
Φ=0 (44)
P=周期変動、T=周期変動、N=周期変動 (45)

0022

2ξ<k0 (10)

0022

0023

である。常に切り屑が発生しており切り取り厚さkが変動するというものである。先ほどの隈部先生の言うようにバイト刃先が仕上げ面と干渉する(干渉しない条件:β>tan−1ξω/U、干渉する条件:β<tan−1ξω/U)ということはない。つまり切り取り厚さkが時間によって変動する変数になっており、

0023

S=(1/2)∫c(hu−xg)dt=πξηcosφ (46

0024

k=k0−ξsinωt (11)

0024

0025

というようになる。当然に仕上げ面の形状はこれと相補的凹凸変化をする。旋盤の1分間回転数をFとすると、円周方向の高さの変動がξsin(30Υω/πF)となる。ただしΥはある一定の基準方向からの回転角である。この凹凸はどうなるのか?

0025

0026

これは振幅が極めて小さく、工具刃先は必ず被削物に接触している。工具が被削物から離隔する瞬間がない。摩擦、発熱が0になることはない。利点は切屑がすぐに切れるから排出容易になるということだけである。反面、円周方向の仕上げ面形状が凹凸になるという欠点がある。そこで切削の初めだけバイトにz方向の振動をさせ、その後はz方向振動を中止(ξ=0)して円周面を平滑(r=一定)になるようにしている。最後まで振動させるというのではない。振動をやめるから凹凸がやがて消失するのである。

0026

y=ηcosΘcosωt、z=ηsinΘcosωt (47)
v=−ξωcosΘsinωt、w=−ηωsinΘsinωt(48)

0027

実開昭48−98779号「揺動切削装置」は、円筒形の被削物を回転させ回転側面にバイトを当てて半径方向に被削物を削る旋盤の改良で、y方向(送り方向)にバイト刃先を揺動させるものである。バイトを支持中心点まわりに揺動させるからx方向にも少し振動する。単振動ではなくてやや複雑な運動となる。y方向に振動させるから送り方向の力が発生し、それも周期変動する。

0027

0028

(揺動切削)
y=ηsin(ξsinωt)、x=ηcos(ξsinωt)、z=0 (1
2)
v=ωξcosωtcos(ξsinωt)、u=−ωξcosωtsin(ξ
sinωt)、w=0 (13)
P=周期変動、T=周期変動、N=周期振動(14)

0028

0029

y方向というのは切削方向に垂直であるので常時刃先は被削物に接触しており、摩擦熱発生は増大する。摩擦熱によって刃先がより激しく鈍磨するのではないかと思われる。しかし、それに対しては策を立てていないようである。それにバイトを横に揺動するから切屑が蛇行して発生し切削面が蛇行して凹凸面になる。蛇行凹凸面のような複雑な面は不適当なように思われる。凹凸面形成に対する策はやはりないようである。回転している被削物を高速で切削するから同じ部位が繰り返し切削されるわけで蛇行凹凸が打ち消してしまうのかもしれない。

0029

0030

特開昭53−56796号「振動切削における発振装置」は超音波加工によって雄螺子を切るための装置を提案している。振動切削といっても超音波加工であってバイトによる機械的な切削とは違う。だから本発明の先行技術にならない。

0030

0031

特公昭38−25142号「振動切削法」(発明者・出願人:隈部淳一郎)は、振動切削の権威隈部先生の特許である。切削方向はx方向で切削速度uは一定である。バイトの振動は上下方向(z方向)である。振動数をfとする。上下の運動を正弦波でなくて三角波だとしている。これは考察の便宜のための抽象であって実際には正弦波にせざるを得ないであろう。正弦波ならz=ξsinωtと書く事ができるが三角波なのでそのようには書けない。三角波の振幅をaとする。これも切屑が連続した状態で削り出される。切り取り厚さが振幅(a)よりも厚いのである。

0031

0032

これは理論的な考察の便宜のために、z方向に三角波で振動させている。バイトのすくい角をαとする。x方向の動きuにz方向の三角波振動が重畳される。z方向の振動は速く三角波は高い。x方向の切削速度をuとする。バイトの刃先は、高さが2a、底辺がu/fの二等辺三角形を隣接して並べてできる鋸歯を辿ることになる。バイト刃先の経路を決める三角形の傾斜角をφとすると、

0032

0033

tanφ=4af/u (15)

0033

0034

である。切屑の厚みt2、剪断ピッチpを、三角波の傾斜角φとすくい角α、切削速度u、周波数fなどの関数として求めている。この文献で重要なことは臨界の切削速度ucというものを提案していることである。バイト刃先は傾斜角がφの二等辺三角形の斜辺ジグザグ上下しながら(z方向)、切削方向(x方向)に前進する。バイト刃先が上がるときは削れやすくなる。上下方向の振動の利点である。

0034

0035

バイト刃先が下がるときが問題である。もし降下時にバイトが切屑と離隔するならそこで冷却降下や潤滑油廻り込みが起こり得る。そのようなことが振動切削の利益であると、隈部先生は考えている。もしも降下時にバイト刃先が切屑と離れないで接触したままであれば、刃先は冷却されず潤滑油は回り込まない。顕著な効果もない(バイトが上がる時に削れやすくなるという効果はある)、という事になる。

0035

0036

丁度臨界のときはどうか?というと、バイト刃先の降下角度(φ)が、切屑の上昇方向と平行だということである。切屑はすくい面によってすくい上げられているのだから切屑の上昇方向の角度は当然に90゜−αである。すくい角というのは垂直線に対するバイトのすくい面の傾きだから、すくい面の水平に対する傾きは90゜−αである。臨界というのはバイトの下りとすくい面が平行ということであるから、

0036

発明が解決しようとする課題

0037

φ= 90゜−α (16)

0037

0038

となる。振動切削が有効な限界はこれによって与えられる。臨界の切削速度をucとすると、式(16)の時にucなのだから、

0038

0039

uc=4aftanα (17)

0039

0040

となる、というわけである。切削速度uが

0040

0041

u<uc (振動切削有効) (18)
u>uc (振動切削無効) (19)

0041

0042

ということである。

発明の効果

0042

0043

これによるとすくい角αが0の場合は、臨界切削速度が0になってしまう。αが0でなくても0に近い値ならば、臨界切削速度ucが過度に遅くなってしまう。αが小さくても、振幅a、周波数fを大きくすれば良いようだが振幅は切削厚みの半分以下という条件があるしそれほど速くできない。それならfを増やせば良いようだがfを増やすとバイト刃先と被削物間の摩擦発熱が著しくなって冷却効果というものがそもそも望みがたい。結局上下振動切削というのはすくい角αが大きいバイトにしか使えないということである。逃げ面が仕上げ面に干渉するため刃先が欠けやすく、すくい角が大きいバイトにも使えない。それに仕上げ面が粗い。

0043

0044

それにこの文献は上下バイト振動を三角波だとしている。計算に便利だからそのようにしているわけであるが、実際に三角波で振動を与えるのは難しい。単振動になってしまう。すると単純に臨界切削速度を式(17)によって決めるわけにはゆかない。正弦波振動をするならば、振幅aを2a/πによって置き換えるべきであるから、臨界切削速度は(17)よりさらに1/1.5程度に低くなる筈である。

図面の簡単な説明

0044

--

0045

これらの振動切削は、x方向、z方向が主流であってy方向のものもある。何れにしても振動の経路が往復時において同一である。1周期において刃先が囲む図形の面積は常に0である。x方向、z方向の振動ならば1周期において刃先が囲む面積Sというのは

0045

0046

0046

0047

によって与えられる。Tは周期(=1/f)である。1周期分の周回積分を簡単に∫cによって表現すると、∫c(xw−zu)dtが面積の2倍だということである。これまでに述べたものは単純な一方向への振動である(従来例の揺動は少し違うが似たようなものである)。いずれも刃先の囲む面積を与える周回積分は0である。

0047

0048

∫c(xw−zu)dt=0 (21)

0048

0049

これはx方向への振動、z方向への振動の場合の式である。y方向への振動の場合(従来例のような)は、z、wがy、vに置き換えられるが、周回積分が0であることにかわりない。この周回積分はガリレイ変換不変量である。だから静止座標系Oで計算しても、被削物に固定した座標系O’で計算しても同じである。この明細書では座標系Oで計算する。

0049

0050

∫c(xv−yu)dt=0 (22)

0050

0051

運動の自由度が1である場合どのようにしても周回積分の面積は0である。従来はバイト刃先を1を越える自由度で振動させることが困難であった。それもあってか、従来は1次元振動切削はあっても、それ以上のものはなかった。

0051

0052

それではバイト刃先が冷却され潤滑油が供給されるという暇がない。バイト刃先を被削物から離隔する瞬間を作るのがよい。さらにバイト刃先が上がりながら削るのが良く、逆に下がりながら削るのは良くない。そのような考えから従来例のようなz方向振動に対する強力な改良が本発明者によって提案された。それは楕円振動切削と呼ぶべきものである。それは(21)式において、初めて∫c(xw−zu)dt≠0となるもので画期的な着想といってよい。

0052

0053

社本英二、翔、森脇俊道「楕円振動切削加工法」精密工学会誌,vol.65、No.4、p586、1999

0053

0054

特開平7−68401号「振動切削加工方法および振動切削加工装置」発明者・出願人:社本英二、森脇俊道

0054

0055

これら2件の従来技術は同じことを言っているので纏めて説明する。これは初めて2つの自由度をもつ振動切削を提案する文献である。二つの自由度をもつ振動を生成するには、それなりに成熟した技術的背景が必要である。これまで述べたものは一次元の振動を与えるものばかりであった。二次元振動を実現できるような技術的な蓄積がなかったこともその一因である。圧電素子の技術が進歩したので、微小変位を二次元的に高速に実現できるようになった。、ともにそのような圧電振動子技術進歩を背景とするものである。

0055

0056

これは切削方向(x方向)と切屑排出方向(背分力方向;z方向)を含む面(zx面)でバイト(工具)の先端を楕円軌道を描くように振動させるものである。つまりバイトはy方向には寸毫も動かず(v=0)、上下方向に楕円振動するのである。

0056

0057

x=ξsin(ωt+Ψ)、z=ζsinωt、y=0 (23)

u=ξωcos(ωt+Ψ)、w=ζωcosωt、v=0 (24)

0057

0058

というようにバイトの先端を楕円振動させる。つまりzx面での楕円である。楕円の軌跡は例えばΨ=90゜の時に

0058

0059

0059

0060

である。式(23)の二つの単振動は直交して配置された二つの圧電振動子に電圧をω/2πの周波数で与えることによって実現できる。二つの振幅ξとζ及び位相差Ψはパラメータであり任意に決定することができる。バイトが前進し下死点に達する(zが最小)直前から、刃先は被削物を削り始める。が、すぐに上昇に転ずる(w>0)。だから工具にかかる切削抵抗が減少する。主分力Pの低減が切削熱を低減しバイト寿命延長する。背分力の低減が主に加工精度を向上させる。

0060

0061

上昇に転じたときバイトは切屑を引っ張り上げる。これが切屑の排出をより円滑に行わせる。それに切屑の厚みを減らす作用もあり切屑が薄くなるのでバイトにかかるPが減少する。このように切屑薄層化、切屑排出促進というのは上下楕円振動切削の大きい利点である。

0061

0062

またバイトの上昇によって、切屑からバイトが受ける背分力Tの方向が逆転する。通常切削の場合、切屑はバイトを押し上げるだけであるが、楕円振動切削の場合バイトが上向きに振動するときは切屑がバイトを引き戻す。つまり切屑からバイトが受ける力が反転する。それがバイトの平均の背分力Tを削減する。平均背分力を下げるだけでなくて、背分力の最大値をも下げる。だから工具にかかる上向き抵抗力が減る。摩擦、発熱が減少する。これによっても工具の摩耗は減少するし耐久性も向上する。しかもバイトが被削物面から後退して離隔する瞬間に潤滑油がバイトと被削物の空間に流れ込むから、バイトと被削物の両方を冷却する作用がある。これがバイトを保護する。

0062

0063

楕円運動によって工具は切屑を引き上げればよいが切屑を前方へ押し倒してはいけない。だから切屑を引き上げる効果を強く望む場合には、楕円の上下軸方向振れの幅2ζは、切り取り厚さk(切屑厚さでなく切込み深さのこと)に比べてあまり大きくないほうが良い。

0063

[比較例2;通常切削、切り取り厚さk=0.15mm(図9)]振動の周波数が低い(f=10Hz)の場合について、切り取り厚さを0.15mmとし、通常切削とxy面楕円振動(先願)と、yz面より10度傾斜(Φ=10゜)楕円振動の切削を実行した。主分力P、背分力T、送り分力Nの時間変化と、仕上げ面の粗さを測定した。
試料; 4−6黄銅(Cu60.4%、Pb0.003%、Fe0.004%、Zn残部)
切削幅; 2mm
平均切削速度 U=94.25mm/分

0064

ζ<k (26)

0064

0065

というのがおよその目安である。このように上下楕円振動によって、切屑を薄くし切屑排出を促し、空間を作り油の浸透を盛んにしてバイトを冷却し、切削抵抗P(主分力)と背分力Tを減少させバイトを保護しバイトの寿命を延ばすという作用がある。切削速度Uよりも楕円振動の速度ξω、ζωはずっと大きい。

0065

[比較例3;zx面楕円振動切削、切り取り厚さk=0.15mm(図10)]振動の周波数が低い(f=10Hz)の場合について、切り取り厚さを0.15mmとし、zx面楕円振動(先願の方法)を行った。主分力P、背分力T、送り分力Nの時間変化と、仕上げ面の粗さを測定した。試料、切削幅、平均切削速度は同一である。
試料; 4−6黄銅(Cu60.4%、Pb0.003%、Fe0.004%、Zn残部)
切削幅; 2mm
平均切削速度 U=94.25mm/分

0066

U<<ξω、ζω (27)

0066

0067

このようにすると、バイトの先端と被削物のx方向の距離Δxは、Δx≒ξ(1−sinωt)となるが、これは正であって平均値がおよそξである。バイト先端と被削物の間に平均ξの空隙ができるということである。これが油や空気を吸い込み、冷却を促す。この楕円軌跡の周回積分Sは0でない。

0067

0068

S=(1/2)∫c(xw−zu)dt=πξζsinΨ (28)

0068

0069

となって楕円パラメータの積に位相ずれΨの余弦とπを乗じた値になる。楕円の面積であるが、それが0でないということである。このようなことは二つのパラメータ、二つの自由度があって初めて成り立つことである。

0069

[実施例2;hx面楕円振動切削、yx面から10度、切り取り厚さk=0.15mm(図11)]振動の周波数が低い(f=10Hz)の場合について、切り取り厚さを0.15mmとし、yx面からの傾斜が10度のhx面楕円振動(本発明の方法)を行った。主分力P、背分力T、送り分力Nの時間変化と、仕上げ面の粗さを測定した。試料、切削幅、平均切削速度は同一である。
試料; 4−6黄銅(Cu60.4%、Pb0.003%、Fe0.004%、Zn残部)
切削幅; 2mm
平均切削速度 U=94.25mm/分

0070

xz面楕円振動は、このように優れた効果がある。反面、切削面に若干の凹凸が現れるがそれは致し方がない事である。切削速度がUであって、楕円振動角速度がωだから、2π/ωごとに凹凸が発生する。その間の平行移動距離はUを掛けて、2πU/ωである。被削物に対して相対的にバイトの描く軌跡を近似的に隣接する楕円の重なりとすると、楕円(本当は歪んだトロコイド)が隣接楕円と交差する角度Υの正弦はsinΥ=πU/ζωであるから、凹凸の高さはζ(1−cosΥ)となる。これは近似すると、π2U2/2ζω2となる。つまり被削物に現れる凹凸の空間周期Lc、高さHcは近似的に、

0070

0071

Lc=2πU/ω (29)
Hc=π2U2/2ζω2 (30)

0071

0072

となる。凹凸の高さを減らすには、楕円振動の角速度ωを増やす、平行移動速度(切削速度)Uを減らす、楕円振幅ζを増やすなどの選択肢がある。

0072

0073

0073

通常切削は主分力P、背分力Tともに大きく、びびり振動が生じたり加工精度が低かったり工具寿命が短いという欠点がある、ということを述べた。そのために工具を往復振動させる振動切削法が色々提案されている。そのような振動切削について概観した。

0074

[比較例4;通常切削、切り取り厚さk=0.5mm(図12)]主分力P、背分力T、送り分力Nの時間変化と、仕上げ面の粗さを測定した。試料、切削幅、平均切削速度はこれまでの比較例2、3、実施例2と同一である。
試料; 4−6黄銅(Cu60.4%、Pb0.003%、Fe0.004%、Zn残部)
切削幅; 2mm
平均切削速度 U=94.25mm/分

0074

初期の一次元振動切削において有力なのは依然として切削方向(x方向)の一次元振動x=ξsinωtである。z方向(上下)振動切削、y方向(横)振動切削も幾つか提案されているがほとんど実用化されていない。これらの振動切削はいずれも一次元の振動であった。

0075

0075

従来法において工具の振動方向が一次元であるのは振動切削機構が十分に理解されていなかったことや、適当な振動手段が周辺技術として成熟していなかったことなどが理由として考えられる。偏心歯車クランクを組み合わせた機械的な振動手段では小さい工具を振動させるための微小振幅高速振動を生成できない。二次元振動機構などとてもできない。進歩した圧電素子を利用して、二次元の振動手段を本発明者が初めて考案して、zx面の楕円振動切削というものを初めて提案した。これは背分力Tが負に転じて切屑を引き上げるから切屑の排出が容易であり、背分力低減、切屑厚さの薄片化という効果があった。切屑が薄いから切削抵抗が減少する。zx面楕円振動にはこのような真に優れた効果があった。斬新で洗練され卓越した切削方法であった。

0076

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しかし、zx面楕円振動法には、切り取り厚さが振動振幅よりも小さくなってくると効果が減少したり、仕上げ面に若干の凹凸ができたりする、という多少の短所もある。本発明はそこでこうした短所をなくすとともに、異なる原理に基づいて、切削力の低減効果を維持しうる新たな切削法を提供することを目的とする。

0077

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0078

[実施例3;hx面楕円振動切削、yx面から10度、切り取り厚さk=0.5mm(図13)]切り取り厚さが厚い0.5mmの場合について、yx面からの傾斜が10度のhx面楕円振動(本発明の方法)を行った。主分力P、背分力T、送り分力Nの時間変化と、仕上げ面の粗さを測定した。試料、切削幅、平均切削速度は同一である。
試料; 4−6黄銅(Cu60.4%、Pb0.003%、Fe0.004%、Zn残部)
切削幅; 2mm
平均切削速度 U=94.25mm/分

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図1工具、被削物、切屑の空間的関係を示すための斜視図。切削方向をx軸、切屑の這い上る背分力方向をz軸、送り方向をy軸というように座標を定義する。
図2工具にx、y2方向の単振動を与えるための2つの圧電素子を有する楕円振動機構を示す正面図。
図3工具にx、y2方向の単振動を与えるための2つの圧電素子を有する楕円振動機構を示す底面図。
図4工具、被削物、切屑、楕円振動の空間的関係を示すための斜視図。図1と同様に切削方向をx軸、背分力方向をz軸、送り方向をy軸というように座標を定義し、先願のzx面楕円振動面と、本願発明のyx面楕円振動面とを図示している。
図5実施例において被削物としての無酸素銅を回転させ工具を楕円振動させながら無酸素銅を切削する状況を示す斜視図。
図6工具を振動、回転させない通常切削の場合の主分力P、背分力T、送り分力Nの時間変化の測定結果を示すグラフ横軸が時間(秒)、縦軸が主分力P、背分力T、送り分力Nである。
図7工具をxh面において楕円振動させた本発明の実施例における、主分力P、背分力T、送り分力Nの角度変化を示すグラフ。横軸が振動面xh面のzx面からの傾斜角(90−Φ)である。縦軸が主分力P、背分力T、送り分力Nである。
図8yx面で工具を楕円振動させる本発明の方法において、楕円振動1周期ABCDA’において、工具刃先の被削物上の軌跡の1周期での変動を示す図。
図9切り取り厚さを0.15mmとした通常切削をおこなう比較例2において、加工中の3種の切削力(主分力、背分力、送り分力)の時間変化を示すグラフ(a)と、仕上げ面の凹凸を示す断面形状のグラフ(b)。グラフ(a)において横軸は時間(s)、縦軸は力(ニュートン;N)である。グラフ(b)において横軸は仕上げ面の上において切削方向位置(mm)、縦軸は断面形状(μm)を示している。
図10切り取り厚さを0.15mmとしたxz方向(縦方向)楕円振動切削を行う比較例3において、加工中の3種の切削力(主分力、背分力、送り分力)の時間変化を示すグラフ(a)と、仕上げ面の凹凸を示す断面形状のグラフ(b)。グラフ(a)において横軸は時間(s)、縦軸は力(ニュートン;N)である。グラフ(b)において横軸は仕上げ面の上において切削方向位置(mm)、縦軸は断面形状(μm)を示している。
図11切り取り厚さを0.15mmとしたxy方向(水平方向)から10度の傾斜面を振動面とするxh面楕円振動切削を行う実施例2において、加工中の3種の切削力(主分力、背分力、送り分力)の時間変化を示すグラフ(a)と、仕上げ面の凹凸を示す断面形状のグラフ(b)。グラフ(a)において横軸は時間(s)、縦軸は力(ニュートン;N)である。グラフ(b)において横軸は仕上げ面の上において切削方向位置(mm)、縦軸は断面形状(μm)を示している。
図12切り取り厚さを0.5mmとしたxz面を振動面とする楕円振動切削を行う比較例3において、加工中の3種の切削力(主分力、背分力、送り分力)の時間変化を示すグラフ(a)と、仕上げ面の凹凸を示す断面形状のグラフ(b)。グラフ(a)において横軸は時間(s)、縦軸は力(ニュートン;N)である。グラフ(b)において横軸は仕上げ面の上において切削方向位置(mm)、縦軸は断面形状(μm)を示している。
図13切り取り厚さを0.5mmとしたxy方向(水平方向)から10度の傾斜面を振動面とするxh面楕円振動切削を行う実施例3において、加工中の3種の切削力(主分力、背分力、送り分力)の時間変化を示すグラフ(a)と、仕上げ面の凹凸を示す断面形状のグラフ(b)。グラフ(a)において横軸は時間(s)、縦軸は力(ニュートン;N)である。グラフ(b)において横軸は仕上げ面の上において切削方向位置(mm)、縦軸は断面形状(μm)を示している。
図14yx面で工具を楕円振動させる本発明の方法において、図8に示す楕円振動1周期ABCDA’において、工具刃先の被削物上での主分力P、背分力T、送り分力Nの1周期での変動を示す図。刃先が被削物に接触している切削期間ABでは、P、T、Nともに大きくなる。刃先が被削物に非接触となる離隔期間BA’では、P、T、Nともにほぼ0になる。

0089

1工具
2 被削物
3切屑
4刃先
5逃げ面
6すくい面
10ベース
11支持ブロック
12 第1圧電素子
13 第2圧電素子
14固定台
15センサ
17 ベースのxz面
18 ベースのzy面
19 支持ブロックのxz面
20 支持ブロックのzy面
21 被削物支持台
22送り装置
23 支持ブロックのyz面

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