JP5643882B1 - チタンの研削加工装置及びその研削加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 効果的に研削液に超音波振動を重畳させて砥石の目詰まりを防止できるようにする。【解決手段】 チタンからなるワークを回転する砥石によって研削する研削加工において、加工部Ｐに臨ませてブロック状の振動体５を配置する。振動体５は、超音波振動子８によって超音波振動が付与され、ノズル１０から振動体５を介して加工部Ｐに向かって研削液Ｓを供給する時、振動体５の上面に沿って流れる研削液Ｓに超音波振動が重畳され、砥石２の加工部Ｐに向けて供給される。【選択図】図１

Description

本発明は、研削液に超音波振動を重畳しながら純チタンやチタン系合金（以下、単にチタンと称す）の研削加工を行うチタンの研削加工装置及びその研削加工方法に関する。

従来から難削材の研削・研磨加工において、研削部に研削液を供給することにより、回転砥石の焼き付きなどを防止する技術は周知である。例えば特許文献１には研削液を供給する研削液供給装置において、研削液を供給する円筒状のノズルを備え、そのノズルに超音波振動子を取り付け、ノズル全体を超音波振動させ、超音波を重畳した研削液をノズル孔からワークの研削部に供給するように構成している。

また、特許文献２には、研削装置に取り付けられた研削用のワークと工具の砥石部をカバーで覆い、このカバー内を満たすように研削液を供給し、研削加工の際に、超音波振動素子により、カバー内に存在する研削液に対して振動エネルギーを与えるように構成した研削方法が開示されている。

特開２００１−３８５９４号公報 特開２００７−２１６３１４号公報

従来、ワークとしてチタンを研削（研磨）する場合、チタンは非鉄金属の中でも高強度であり、研削が難しい難削材として知られており、その研磨技術は未だに砥石の改良に頼っているのが現状であった。チタンの研削においては多孔質砥石が使用されるが、多孔質砥石でのチタンの研削は、砥石が目詰まりしやすく、砥石の消耗が早い。このため、研削作業効率が悪いばかりでなく、砥石の目詰まりによってワークの研削加工面にスクラッチが発生する要因となっており、研削加工面を均一に仕上げるといった研削加工が難しい。このような傾向はチタンの純度が高いものほど加工の難易度は上がり、その対策が望まれていた。

砥石の目詰まり対策として特許文献１、２に示すように超音波振動を重畳した研削液を供給する方法が有効であることが知られている。しかし、特許文献１は、研削加工する対象としてガラス板などの硬質脆性材の加工に適した研削加工方法であり、特許文献２は、小径の金型や光学レンズなどの凹面の研削加工方法であり、これらガラス材より研削が難しいチタンでは、特許文献１、２に示す方法をそのまま適用することが困難である。

すなわち、特許文献１に示す研削液供給装置は、ノズルの底部に取り付けた超音波振動子によって中空状のノズルを超音波振動させるため、長いノズルを使った場合の振動減衰が生じやすい。また、特許文献２では、カバー内にワーク（小径の金型や光学レンズ）を配置し、カバー内を研削液で満たした状態でカバー内に設けた超音波振動子によって研削液に超音波振動を重畳させることから、小型のワークにしか適用できず、チタンの研磨には用いることができない。

本発明は、上記課題に鑑み、チタンの研削加工において、効果的に研削液に超音波振動を重畳させて砥石の目詰まりを防止し、研削・研磨加工の効率化を図るとともに、砥石の目詰まりによる研削加工面の焼けやスクラッチの発生を効果的に抑えることができるチタンの研削加工装置及びその研削加工方法を提供することを目的とする。

本発明のチタンの研削加工装置は、純チタン又はチタン系合金からなるワークを回転する砥石によって研削する研削加工において、ワークと砥石が接触する加工部に臨ませて配置されるブロック状の振動体と、この振動体に超音波振動を印可する超音波振動子と、振動体に向かって研削液を噴射し当該振動体を介して前記砥石の加工部に研削液を供給するノズルとを備え、振動体によって超音波振動を重畳した研削液を加工部に供給しながら研削加工を行うとともに検知手段からの信号に基づいて制御手段により砥石の周速を制御し、前記振動体は前記加工部側に位置する振動体の端部に平行する多数の溝部を並設した櫛歯状振動部を備え、この櫛歯状振動部から前記加工部に向かって超音波振動を重畳した研削液を供給することを特徴とする。

また、本発明のチタンの研削加工装置は、前記振動体に供給される研削液が前記櫛歯状振動部に形成する溝部内に浸透し、砥石に向かって噴射される研削液の一部がミスト化して加工部に向かって供給されることを特徴とする。

また、本発明のチタンの研削加工装置は、前記砥石の磨耗を検知する検知手段と、前記砥石の回転を制御する制御手段とを備え、前記検知手段からの信号に基づいて前記制御手段により砥石の周速を制御することを特徴とする。

また、本発明のチタンの研削加工装置は、前記制御手段は、前記砥石の周速を１０ｍ／ｓ〜４０ｍ／ｓの範囲内に保つように制御することを特徴とする。

また、本発明のチタンの研削加工方法は、振動体によって超音波振動を重畳した研削液を加工部に供給しながら研削加工を行うとともに、研削加工時の砥石の磨耗を検知手段で検知し、その検知信号に基づいて前記砥石の周速を保って研削加工することを特徴とする。

本発明は、研削液に超音波振動を重畳して純チタン又はチタン系合金からなるワークを回転する砥石によって研削することによって、砥石に付着した砥石屑などを効果的に除去することができ、砥石の目詰まりを防止することができる。これにより、従来頻繁に必要であった砥石の交換回数を削減でき、研削加工の効率化を図ることができる。また砥石の目詰まりが防止されるので、研削が難しい難削材である純チタン又はチタン系合金のワーク加工面の均一性が維持され、品質の良い均一な加工面が得られるとともに、ワークの発熱を抑えることによって、ワークの焼けを効果的に防止することができる。

また、振動体の端部に平行する多数の溝部を並設した櫛歯状振動部を備え、この櫛歯状振動部からに加工部に向かって超音波振動を重畳した研削液を供給するようにしたから、加工部に噴射させる直前の研削液が振動体の溝部に浸透し、振動子と研削液との接触面積を拡大し、さらに、薄肉化した櫛歯状振動部によって加工部に向かう研削液に高い振動エネルギーを与えることができ、超音波振動が減衰することなく加工部に供給することができる。この結果、砥石に向かって噴射される研削液の一部がミスト化（霧化）し、砥石に付着する砥石屑を効果的に除去することができる。

さらに、砥石の磨耗を検出し、砥石の磨耗に応じて砥石の周速を所定の範囲内に保つように制御して等速研削を行うことにより、安定した研削加工が可能となる。

本発明の研削加工装置を示す概略説明図である。 同上、制御システムを含む研削加工装置全体の概略説明図である。 同上、振動体の斜視図である。 同上、砥石の制御方法を示すフローチャートである。 同上、研削液の噴射状態を示す比較写真であり、図５（Ａ）は超音波振動を重畳しない研削液の状態、図５（Ｂ）は超音波振動を重畳した研削液の状態を示している。 同上、研削抵抗の推移のデータを示すグラフである。 同上、研削後におけるチタンの研磨表面と砥石表面の比較写真であり、図７（ａ）（Ｂ）は、研削液に超音波振動を重畳した場合を示し、図７（Ｃ）（Ｄ）は研削液に超音波振動を重畳しない場合を示している。 同上、研削時の切削抵抗の推移を示すグラフである。

以下、本発明の詳細について添付図面を参照して説明する。図１に示した研削加工装置１は、回転する砥石２でワーク３の研削（研磨）加工を行う装置であり、砥石２は図１においてＡ方向に回転する。なお、本実施例において研削するワーク３は純チタン又はチタン系合金である。また、図１は、ワーク３を研削する一例として砥石２を回転自在に保持する機体４を図１において上下方向に昇降、かつ、ワーク３に沿って水平方向に移動することによってワーク３を研磨する構成を示しているが、図１に示した研削加工装置１の構成に限定されるものではない。例えば、ワーク３を固定するテーブル（図示せず）自体を昇降並びに水平移動させる。あるいは、砥石２側とワーク３側の一方を昇降、他方を水平移動させる構成を組み合わせてもよい。

研削液Ｓに超音波振動を重畳する振動体５は、砥石２とワーク２とが接触する加工部Ｐに臨む位置に配置されている。この振動体５は図２に示すように、ブロック状の金属体からなり、砥石２側に位置する振動体５の一端に多数の溝部６を並設した櫛歯状振動部７を形成し、振動体５の他端側に超音波振動子８が接続されている。また、櫛歯状振動部７は振動体５の長さ方向のほぼ半分の比率を占めている。

研削液Ｓを供給するノズル１０は、振動体５の一端側上部に取り付けられ、ノズル１０から供給される研削液Ｓは、砥石２の上面に沿って櫛歯状振動部７に流れ、櫛歯状振動部７から砥石２に向かって供給される。この研削液Ｓの供給ポイントは、砥石２とワーク２とが接触する加工部Ｐを含むその周辺又は加工部Ｐより砥石２の反時計方向やや前側に位置する砥石２の外周を指向するように振動体５が位置決めされている。なお、振動体５は、研削液Ｓの供給ポイントを調整できるように振動体５の高さや水平方向の傾斜角を調整できる構成であることが好ましい。

図２に示すように、前記砥石２を回転するモータ１５は、制御手段１６によって回転する調整可能であり、具体例としては、インバータによりモータ１５の周波数を変えてモータ１５の回転数を調整するように構成している。また、砥石２の磨耗を検知するための検知手段として変位センサ１７を備えている。変位センサ１７は、例えば、砥石２の移動方向後方側から機体４に対してレーザを照射し、砥石２が減って機体４が前進すると、その変位を砥石２の磨耗として検知し、砥石２の周速を演算している。この変位センサ１７からの信号に基づいて砥石２の周速を保つための処理について図４のフローチャートを参照して説明する。

まず、機体４に変位センサ１７のレーザを照射して切削加工を開始する（ステップＳ１）。変位センサ１７は砥石２（機体４）の変位を監視し（ステップＳ２）、切削に伴って砥石２が減って機体４が前進すると、これが変位センサ１７によって砥石２の減りとして検出され、その検出値に基づいて砥石２の周速を演算し（ステップＳ３）、制御手段１６によって砥石２の回転数を上げる（ステップＳ４）。以後、同様な制御を繰り返し、砥石２の周速を１０ｍ／Ｓ〜４０ｍ／Ｓの範囲内に保つように制御している。これにより、等速研削を行うことで、安定した研削加工が可能となる。

また、振動体５には、超音波振動子８によって発振周波数が数十ｋＨｚ〜百ｋＨｚの低周波の超音波振動が付与されている。これにより、振動体５の上面に沿って流れる研削液Ｓに超音波振動が重畳され、砥石２の加工部Ｐに向かって供給される。このとき、振動体５の端部には櫛歯状振動部７が形成されているので、ノズル１０から供給される研削液Ｓは櫛歯状振動部７に形成する多数の溝部６内に浸透し、櫛歯状振動部７から加工部Ｐに向かって供給される。このように、加工部Ｐ側に位置する振動体５の終端側に位置して多数の溝部６を備えた櫛歯状振動部７を形成することによって、振動体５と研削液Ｓとの接触面積が拡大する。さらに、多数の溝部６によって薄肉化された櫛歯状振動部７において振動振幅する変位量が高められ、加工部Ｐに向かう研削液Ｓは、研削液Ｓに重畳された超音波振動エネルギーが減衰することなく高い振動エネルギーを与えることができる。

図５は超音波振動を重畳した場合と、重畳しない場合の研削液Ｓの噴射状態を示す比較写真であり、図５（Ｂ）に示すように、超音波振動を重畳した研削液Ｓは多数の溝部６を備えた櫛歯状振動部７から砥石２に向かってその一部がミスト化（霧化）していることが確認された。このように、研削液Ｓの一部をミスト化（霧化）させて加工部Ｐに向けて噴射することによって、砥石２に付着する砥石屑や研削粉などが効果的に除去され、この結果、砥石２の目詰まりを防止することができる。

図６は、研削液Ｓに超音波振動を重畳した場合と、重畳しない場合との比較結果を示すデータであり、Ｚ方向（砥石の半径方向）の研削抵抗の推移を示している。この比較実験での研削条件は、砥石２の回転数は１５００〜３０００ｒｐｍ、研削幅は５〜５０ｍｍ、送りは０．２〜２０ｍ／ｍｉｎ、研削速度は２０〜３０ｍ／ｓであり、表面粗さの目標値は算術平均粗さＲａ２〜Ｒａ０．１μｍ、最大高さＲｙ８〜Ｒｙ０．４μｍである。この比較実験の結果、図６に示すように、研削初期では、超音波研削の研削抵抗は大きいが２０パス目から減少に転じ、５０パス以降は安定状態となり、総切り込み量１ｍｍまで到達した。一方、超音波振動を重畳しない慣用研削では、研削抵抗は上昇し続け、４０パス目で激しい異音が発生し、それ以上の研削は困難となった。

図７は、研削後におけるチタンの研磨表面と砥石表面の比較写真であり、図７（ａ）（Ｂ）は、研削液Ｓに超音波振動を重畳した場合を示し、図７（Ｃ）（Ｄ）は超音波振動を重畳しない場合を示している。この比較写真で明らかな通り、研削液Ｓに超音波振動を重畳したチタンの研磨表面はスクラッチが発生することなく、また、砥石表面の目詰まりも抑制されていることが確認できる（図７（ａ）（Ｂ））。これに対し、研削液Ｓに超音波振動を重畳しない場合、チタンの研磨表面は焼けが発生し、砥石表面も目詰まりしていることが確認できる（図７（Ｃ）（Ｄ））。

また、種類の異なる砥石を用いて超音波重畳研磨した際、算術平均粗さを比較したデータで表１に示し、表２において超音波重畳研磨した場合と、しない場合の算術平均粗さを比較したデータで表２に示す。なお、表１において比較した砥石はホワイトアルミナ砥石（ＷＡ）と、軟削材向け砥石（ＮＶ砥石）と、炭化けい素砥石（ＣＧ砥石）の３種類の砥石であり、表２の比較データはホワイトアルミナ砥石（ＷＡ）を用いた比較例である。

表１、表２の結果からも明らかな通り、ホワイトアルミナ砥石（ＷＡ）と、軟削材向け砥石（ＮＶ砥石）と、炭化けい素砥石（ＣＧ砥石）の３種類の砥石において、算術平均粗さＲａが０．５２〜１．０９μｍ程度の浅いスクラッチはが見られるが、スクラッチを抑制しており、チタンの切削加工に一般的に使用されるホワイトアルミナ砥石（ＷＡ）において超音波振動を重畳した場合は、０．５２μｍであるのに対し、超音波振動を重畳した場合は、１．３８μｍであり、表面粗さの改善効果が高いことは表１、表２のデータからも明らかである。

次に、ワーク（チタン）にＫ型熱電対を取り付けてワークを研削した際の研削液Ｓに超音波振動を重畳した場合と、重畳しない場合とで熱の測定した結果を図８に示す。なお、熱の測定実験おける砥石の仕様を表３に示す。

図８はワークの研削は切込５μｍで合計０．８ｍｍ（１６０回）研削した際の切削抵抗の推移を示すグラフを示しており、同図で示す通り、最終的な到達温度は１００℃であるが０〜４０パスにおける値の変動には差があり、超音波振動を重畳した研削は、０〜４０パスまでは、ワークの発熱が抑制さていることが確認できる。このように、ワークの発熱を抑えることで研削加工面の焼けを効果的に抑えることができる。

以上のように、研削液Ｓに超音波振動を重畳することによって、砥石２に付着した砥石屑や切削粉などを効果的に除去することができ、砥石２の目詰まりを抑制することができる。特に加工部Ｐに噴射させる直前の振動体５の終端側に多数の溝部６を備えた櫛歯状振動部７を形成することによって、溝部６内に研削液Ｓが浸透し、振動体５と研削液Ｓとの接触面積を拡大することができる。さらに、溝部６によって薄肉化した櫛歯状振動部７において振動振幅する変位量を高めることができ、加工部Ｐに向かう研削液Ｓに高い振動エネルギーを与えることができるため、超音波振動が減衰することなく加工部Ｐに供給することができる。この結果、砥石２に向かって噴射される研削液Ｓの一部がミスト化（霧化）し、砥石２に付着する砥石屑などを効果的に除去することができる。

また、ワークの発熱を抑えることによって、ワークの焼けを効果的に防止することができるとともに、砥石２の磨耗を変位センサ１７によって検出し、砥石２の磨耗に応じて砥石２の周速を１０ｍ／Ｓ〜４０ｍ／Ｓの範囲内に保つように制御することにより、等速研削を行うことで、安定した研削加工が可能となる。これにより、従来頻繁に必要であった砥石２の交換回数を削減でき、研削加工の効率化を図ることができる。また砥石２の目詰まりが防止されるので、研削が難しい難削材である純チタン又はチタン系合金のワーク加工面の均一性が維持され、品質の良い均一な加工面が得られる。

１ 研削加工装置
２ 砥石
３ ワーク
５ 振動体
６ 溝部
７ 櫛歯状振動部
８ 超音波振動子
１０ ノズル
１６ 制御手段
１７ 変位センサ（検知手段）
Ｓ 研削液
Ｐ 加工部

Claims (5)

1. 純チタン又はチタン系合金からなるワークを回転する砥石によって研削する研削加工において、ワークと砥石が接触する加工部に臨ませて配置されるブロック状の振動体と、この振動体に超音波振動を印可する超音波振動子と、振動体に向かって研削液を噴射し当該振動体を介して前記砥石の加工部に研削液を供給するノズルとを備え、
   振動体によって超音波振動を重畳した研削液を加工部に供給しながら研削加工を行うとともに検知手段からの信号に基づいて制御手段により砥石の周速を制御し、
   前記振動体は前記加工部側に位置する振動体の端部に平行する多数の溝部を並設した櫛歯状振動部を備え、この櫛歯状振動部から前記加工部に向かって超音波振動を重畳した研削液を供給する
   ことを特徴とするチタンの研削加工装置。
2. 前記振動体に供給される研削液が前記櫛歯状振動部に形成する溝部内に浸透し、砥石に向かって噴射される研削液の一部がミスト化して加工部に向かって供給されることを特徴とする請求項１に記載のチタンの研削加工装置。
3. 前記砥石の磨耗を検知する検知手段と、前記砥石の回転を制御する制御手段とを備え、前記検知手段からの信号に基づいて前記制御手段により砥石の周速を制御することを特徴とする請求項１又は２記載のチタンの研削加工装置。
4. 前記制御手段は、前記砥石の周速を１０ｍ／ｓ〜４０ｍ／ｓの範囲内に保つように制御することを特徴とする請求項３に記載のチタンの研削加工装置。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載の研削加工装置を用いて純チタン又はチタン系合金からなるワークを切削するチタンの研削加工方法であって、振動体によって超音波振動を重畳した研削液を加工部に供給しながら研削加工を行うとともに、研削加工時の砥石の磨耗を検知手段で検知し、その検知信号に基づいて前記砥石の周速を保って研削加工することを特徴とする研削加工方法。