JP6175891B2 - 振動切削装置および振動切削方法 - Google Patents

Description

本発明は、切削工具と被切削物とを相対振動させて切削工具で被切削物を切削する振動切削装置および振動切削方法に関する。

例えば、特許文献１には、振動切削に伴う加工液の飛散を防止するため、被切削物を加工液が収容された容器内に配置し、被切削物の振動切削点が加工液中に位置する状態で切削する振動切削装置が記載されている。また、特許文献２には、振動切削に伴う発熱を冷却するため、切削工具にミスト状の加工液を吹き付けて冷却する振動切削装置が記載されている。

特開２００２−６６８０１号公報 特開２００６−３２６８１２号公報

上述の特許文献１に記載の振動切削装置では、容器内に水溶性の加工液又は油性の加工液を収容して切削するため、振動切削点において冷却効果又は潤滑効果の何れか一方のみしか得ることができない。また、特許文献２に記載の振動切削装置では、使用される冷却効果のある加工液は水溶性の研削液であるため、振動切削点において潤滑効果を得ることができない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、振動切削点において冷却効果および潤滑効果を得ることができる振動切削装置および振動切削方法を提供することを目的とする。

（請求項１）本発明の振動切削装置は、切削工具と被切削物とを相対振動させる振動手段と、前記切削工具と前記被切削物とを相対移動させて前記切削工具で前記被切削物を振動切削する移動手段と、少なくとも振動切削点に水溶性の加工液および油性の加工液を供給する供給手段と、を備え、前記振動手段は、前記切削工具の刃先の面上において、前記水溶性の加工液および前記油性の加工液を振動により対流し乳化してエマルジョンとする。

本発明によると、水溶性の加工液および油性の加工液は、切削工具の刃先において振動により対流（キャビテーションが発生）し乳化してエマルジョンとなり、凝集して振動切削点に到達する。これにより、振動切削点においてエマルジョンが水溶性の加工液および油性の加工液に分離することはないので、冷却効果および潤滑効果を高めることができる。

（請求項２）また、前記供給手段は、前記油性の加工液の単位時間当たりの供給量よりも前記水溶性の加工液の単位時間当たりの供給量を多くするとよい。これにより、振動切削中に切削工具および被切削物には水溶性の加工液がより多く供給されるので、特に振動切削点における発熱量を低減することができ、切削工具の寿命を向上させることができる。

（請求項３）また、前記供給手段は、前記水溶性の加工液の供給口から前記振動切削点までの距離よりも、前記油性の加工液の供給口から前記振動切削点までの距離が短いとよい。これにより、振動切削点に集中して油性の加工液を供給することができるので、切削工具の刃先の潤滑性を高めることができ、高速切削等の加工条件の向上等を図ることができる。
（請求項４）また、前記水溶性の加工液および前記油性の加工液は、乳化剤を含まなくてよい。これにより、乳化剤分のコスト低減を図ることができる。

（請求項５）本発明の振動切削方法は、切削工具と被切削物とを相対振動させる振動工程と、前記切削工具と前記被切削物とを相対移動させて前記切削工具で前記被切削物を振動切削する移動工程と、少なくとも振動切削点に水溶性の加工液および油性の加工液を供給する供給工程と、を備え、前記振動工程では、前記切削工具の刃先の面上において、前記水溶性の加工液および前記油性の加工液を振動により対流し乳化してエマルジョンとする。

本発明の実施の形態に係る振動切削装置の全体構成を示す平面図である。 図１の振動切削装置のクーラント供給装置周辺の詳細を示す図である。 図１の振動切削装置の動作を説明するためのフローチャートである。

（１．振動切削装置の機械構成）
図１に示すように、振動切削装置１は、主軸台１０と、ベッド２０と、心押し台３０と、往復台４０と、送り台５０と、回転台６０と、刃物台７０と、加振装置８０と、クーラント（加工液）供給装置９０と、制御装置１００等とから構成される。なお、以下の説明では、主軸台１０に設けられている回転主軸１１の軸線方向をＺ軸方向、回転主軸１１の軸線方向と水平面内で直交する方向をＸ軸方向、Ｚ軸方向とＸ軸方向とに直交する方向をＹ軸方向と称する。

主軸台１０は、直方体状に形成され、床上に設置される。主軸台１０には、回転主軸１１が回転可能に設けられている。回転主軸１１には、一端側に被切削物Ｗの一端側の外周面Ｗａを把持可能な爪１２ａを備えたチャック１２が取り付けられている。回転主軸１１は、主軸台１０内に収容された主軸モータ１３によりＺ軸線回りに回転駆動される。回転主軸１１の回転方向が切削方向である。

ベッド２０は、直方体状に形成され、回転主軸１１の下方において主軸台１０からＺ軸方向に延びるように床上に設置される。ベッド２０の上面には、心押し台３０および往復台４０が摺動可能な一対のＺ軸ガイドレール２１ａ，２１ｂが、Ｚ軸方向に延びるように、且つ、相互に平行に設けられている。さらに、ベッド２０には、一対のＺ軸ガイドレール２１ａ，２１ｂの間に、往復台４０をＺ軸方向に駆動するための、図略のＺ軸ボールねじが配置され、このＺ軸ボールねじを回転駆動するＺ軸モータ２２が配置されている。

心押し台３０は、ベッド２０に対してＺ軸方向に移動可能なように、一対のＺ軸ガイドレール２１ａ，２１ｂ上に設けられている。心押し台３０には、チャック１２に把持された被切削物Ｗの自由端面を支持可能なセンタ３１が設けられている。すなわち、センタ３１は、センタ３１の軸線が回転主軸１１の軸線と一致するように心押し台３０に設けられている。

往復台４０は、矩形板状に形成され、ベッド２０に対してＺ軸方向に移動可能なように、一対のＺ軸ガイドレール２１ａ，２１ｂ上の主軸台１０と心押し台３０との間に設けられている。往復台４０の上面には、送り台５０が摺動可能な一対のＸ軸ガイドレール４１ａ，４１ｂが、Ｘ軸方向に延びるように、且つ、相互に平行に設けられている。さらに、往復台４０には、一対のＸ軸ガイドレール４１ａ，４１ｂの間に、送り台５０をＸ軸方向に駆動するための、図略のＸ軸ボールねじが配置され、このＸ軸ボールねじを回転駆動するＸ軸モータ４２が配置されている。

送り台５０は、矩形板状に形成され、往復台４０に対してＸ軸方向に移動可能なように、一対のＸ軸ガイドレール４１ａ，４１ｂ上に設けられている。送り台５０の上面には、回転台６０が配置されている。
回転台６０は、円板状に形成され、送り台５０に対してＹ軸線回りに回転可能なように設けられている。回転台６０の上面には、刃物台７０が配置されている。送り台５０には、回転台６０をＹ軸線回りに回転駆動するＹ軸モータ６１が配置されている。

刃物台７０には、切削工具Ｔがチャッキングされている。切削工具Ｔとしては、バイトが用いられる。切削工具Ｔは、回転台６０を刃物台７０とともにＹ軸線回りに回転させることにより、任意の角度に傾斜させることができるようになっている。
加振装置８０は、例えば圧電素子等の振動素子を備え、刃物台７０に設けられ、切削工具ＴをＹ軸に直角な軸線回りにねじり振動可能に構成されている。ねじり振動の周波数としては、数十ｋＨｚから数百ｋＨｚの超音波が使用される。また、振幅は、数μｍから数十μｍとされる。加振装置８０は、振動切削における切削工具Ｔの刃先Ｔａと被切削物Ｗの外周面Ｗａとの周期的な微小時間の離脱、並びに後述するクーラント供給における水溶性の加工液と油性の加工液との乳化に利用される。

図１および図２に示すように、クーラント供給装置９０は、第一、第二クーラント貯留槽９１、９２、第一、第二ポンプ９３、９４および第一、第二供給ノズル９５、９６等を備えている。
第一クーラント貯留槽９１には、水溶性の加工液Ｃａが貯留されている。第一ポンプ９３は、第一クーラント貯留槽９１内の水溶性の加工液Ｃａを第一供給ノズル９５に送液可能なように、第一クーラント貯留槽９１に設けられている。第一クーラント貯留槽９１および第一ポンプ９３は、ベッド１０の脇に設置されている。第一供給ノズル９５は、供給口９５ａから切削工具Ｔおよび被切削物Ｗ、特に切削工具Ｔの刃先Ｔａと被切削物Ｗの外周面Ｗａとの振動切削点Ｐに水溶性の加工液Ｃａを供給可能なように刃物台７０に取付けられ、第一ポンプ９３と配管接続されている。

第二クーラント貯留槽９２には、油性の加工液Ｃｏが貯留されている。第二ポンプ９４は、第二クーラント貯留槽９２内の油性の加工液Ｃｏを第二供給ノズル９６に送液可能なように、第二クーラント貯留槽９２に設けられている。第二クーラント貯留槽９２および第二ポンプ９４は、ベッド１０の脇に設置されている。第二供給ノズル９６は、供給口９６ａから切削工具Ｔおよび被切削物Ｗ、特に振動切削点Ｐに油性の加工液Ｃｏを供給可能なように刃物台７０に取付けられ、第二ポンプ９４と配管接続されている。

図２に示すように、第二供給ノズル９６の供給口９６ａから振動切削点Ｐまでの距離ｄ２は、第一供給ノズル９５の供給口９５ａから振動切削点Ｐまでの距離ｄ１よりも短くなるように配置されている。これにより、振動切削点Ｐ、すなわち切削工具Ｔの刃先Ｔａと被切削物Ｗとの接触点Ｐに集中して油性の加工液Ｃｏを供給することができるので、切削工具Ｔの刃先Ｔａの潤滑性を高めることができ、高速切削等の加工条件の向上等を図ることができる。また、水溶性の加工液Ｃａおよび油性Ｃｏの加工液を別々に供給しているので、加工状況に応じた濃度管理が可能となる。例えば、被切削物Ｗが難切削材料の場合、水溶性の加工液Ｃａの濃度を高めることにより、切削工具Ｔの刃先Ｔａの冷却効率を向上させることができる。

水溶性の加工液Ｃａとしては、一般的な水溶性の加工液の他、水単体も使用可能である。また、錆止め剤等が含まれる場合もある。油性の加工液Ｃｏとしては、一般的な油性の加工液が使用可能である。また、高温時に切削工具Ｔの刃先Ｔａの潤滑を得るための添加剤が含まれる場合もある。ただし、水溶性の加工液Ｃａには、水溶性の加工液Ｃａと油性の加工液Ｃｏとを乳化させる乳化剤を含ませる必要はない。水溶性の加工液Ｃａおよび油性の加工液Ｃｏは、振動切削点Ｐに供給され振動により対流（キャビテーションが発生）して乳化されるからである。これにより、乳化剤分のコスト低減を図ることができる。

（２．制御装置の構成）
制御装置１００は、主軸回転制御部１０１と、往復台移動制御部１０２と、送り台移動制御部１０３と、工具回転制御部１０４と、工具振動制御部１０５と、クーラント供給制御部１０６等とを備えて構成される。ここで、各部１０１〜１０６は、それぞれ個別のハードウエアによる構成することもできるし、ソフトウエアによりそれぞれ実現する構成とすることもできる。

主軸回転制御部１０１は、主軸モータ１３を制御して回転主軸１１を所定の回転数で回転駆動させる。
往復台移動制御部１０２は、Ｚ軸モータ２２を制御して往復台４０を一対のＺ軸ガイドレール２１ａ，２１ｂに沿って往復移動させる。

送り台移動制御１０３は、Ｘ軸モータ４２を制御して送り台５０を一対のＸ軸ガイドレール４１ａ，４１ｂに沿って往復移動させる。
工具回転制御部１０４は、Ｙ軸モータ６１を制御して切削工具Ｔの切削角度を所定の角度とすべく回転台６０を回転駆動させる。
工具振動制御部１０５は、加振装置８０を制御して切削工具Ｔを所定の周波数でねじり振動させる。

クーラント供給制御部１０６は、第一、第二ポンプ９３、９４をそれぞれ駆動し、第一、第二クーラント貯留槽９１、９２から第一、第二供給ノズル９５、９６に水溶性の加工液Ｃａおよび油性の加工液Ｃｏをそれぞれ送液する。そして、第一供給ノズル９５の供給口９５ａおよび第二供給ノズル９６の供給口９６ａから切削工具Ｔおよび被切削物Ｗに水溶性の加工液Ｃａおよび油性の加工液Ｃｏをそれぞれ供給する。

このような構成の制御装置１００は、Ｙ軸モータ６１を制御して所定の切削角度となるように回転台６０を回転駆動させ、加振装置８０を制御して切削工具Ｔをねじり振動させる。そして、Ｚ軸モータ２２を制御して往復台４０をＺ軸方向に移動させて所定位置に位置決めし、Ｘ軸モータ４２を制御して送り台５０をＸ軸方向に移動させ、切削工具Ｔを被切削物Ｗに切り込ませて被切削物Ｗの振動切削加工を行う。

なお、加振装置８０および工具振動制御部１０５等が、本発明の「振動手段」に相当し、往復台４０、Ｚ軸ガイドレール２１ａ，２１ｂ、Ｚ軸モータ２２、送り台５０、Ｘ軸ガイドレール４１ａ，４１ｂ、Ｘ軸モータ４２、往復台移動制御部１０２および送り台移動制御１０３等が、本発明の「移動手段」に相当し、クーラント供給装置９０の第一、第二クーラント貯留槽９１、９２、第一、第二ポンプ９３、９４、第一、第二供給ノズル９５、９６およびクーラント供給制御部１０６が、本発明の「供給手段」に相当する。

（３．振動切削の動作）
次に、制御装置１００による振動切削の動作を説明する。先ず、図３に示すように、加工開始準備を行う（ステップＳ１）。すなわち、往復台移動制御部１０２、送り台移動制御部１０３および工具回転制御部１０４は、Ｚ軸モータ２２、Ｘ軸モータ４２およびＹ軸モータ６１の回転駆動を制御して、往復台４０および送り台５０を移動させるとともに回転台６０を回転させ、切削工具７４を被切削物Ｗの外周面の加工開始点に位置決めする。

次に、被切削物Ｗを回転させ、切削工具７４をねじり振動させ、加工液を供給する（ステップＳ２）。すなわち、主軸回転制御部１０１は、主軸モータ１３の回転駆動を制御して、回転主軸１１を所定の回転数で回転させる。工具振動制御部１０５は、加振装置８０を制御して切削工具Ｔを例えば３０ｋＨｚの周波数でねじり振動させる。クーラント供給制御部１０６は、第一、第二ポンプ５３、５４をそれぞれ駆動し、第一、第二クーラント貯留槽５１、５２から第一、第二供給ノズル５５、５６に水溶性の加工液Ｃａおよび油性の加工液Ｃｏをそれぞれ送液し、第一供給ノズル５５の供給口５５ａおよび第二供給ノズル５６の供給口５６ａから切削工具Ｔおよび被切削物Ｗに水溶性の加工液Ｃａおよび油性の加工液Ｃｏをそれぞれ供給する。

このとき、第一供給ノズル５５の供給口５５ａから供給される水溶性の加工液Ｃａの単位時間当たりの供給量は、第二供給ノズル５６の供給口５６ａから供給される油性の加工液Ｃｏの単位時間当たりの供給量よりも多くなるように制御される。これにより、振動切削中に切削工具Ｔおよび被切削物Ｗには水溶性の加工液Ｃａがより多く供給されるので、特に振動切削点Ｐにおける発熱量を低減することができ、切削工具Ｔの寿命を向上させることができる。

第一供給ノズル５５の供給口５５ａから供給される水溶性の加工液Ｃａ、および第二供給ノズル５６の供給口５６ａから供給される油性の加工液Ｃｏは、切削工具Ｔの刃先Ｔａにおいて振動により対流（キャビテーションが発生）し乳化してエマルジョンとなり、凝集して振動切削点Ｐに到達する。これにより、振動切削点Ｐにおいてエマルジョンが水溶性の加工液Ｃａおよび油性の加工液Ｃｏに分離することはないので、冷却効果および潤滑効果を高めることができる。
そして、図３に示すように、切削加工を開始し（ステップＳ５）、切削加工が完了したか否かを判断し（ステップＳ６）、切削加工が完了していない場合は切削加工を継続し（ステップＳ７）、切削加工が完了した場合は処理を終了する。

本実施形態によれば、振動により切削工具Ｔの刃先Ｔａにおいて水溶性の加工液Ｃａおよび油性の加工液Ｃｏが対流（キャビテーションが発生）し乳化してエマルジョンとなり、凝集して振動切削点Ｐに到達する。そして、振動により切削工具Ｔの刃先Ｔａと被切削物Ｗの外周面Ｗａとが周期的に微小時間離脱するので、切削工具Ｔの刃先Ｔａと被切削物Ｗの外周面Ｗａとの隙間に上記エマルジョンが十分に供給される。よって、振動切削点Ｐにおいてエマルジョンが水溶性の加工液Ｃａおよび油性の加工液Ｃｏに分離することはないので、冷却効果および潤滑効果を高めることができる。

なお、上述の実施形態では、切削工具Ｔの刃先Ｔａに水溶性の加工液Ｃａと油性の加工液Ｃｏとを供給し、振動により水溶性の加工液Ｃａと油性の加工液Ｃｏとを乳化させる構成としたが、さらに切削工具Ｔの刃先Ｔａに添加剤を供給し、振動により油性の加工液Ｃｏと添加剤とを混合させる構成としてもよい。
また、クーラント供給装置９０は、第一、第二供給ノズル９５、９６から水溶性の加工液Ｃａおよび油性の加工液Ｃｏをそれぞれ供給する構成としたが、水溶性の加工液Ｃａは上記第一供給ノズル９５から供給し、油性の加工液Ｃｏは刃物台７０に新たに設けた管路を通して供給する構成としてもよい。

１：振動切削装置、 ２１ａ，２１ｂ：Ｚ軸ガイドレール、 ２２：Ｚ軸モータ、 ４０：往復台、 ４１ａ，４１ｂ：Ｘ軸ガイドレール、 ４２：Ｘ軸モータ、 ５０：送り台、 ８０：加振装置、 ９０：クーラント供給装置、 ９１：第一クーラント貯留槽、 ９２：第二クーラント貯留槽、 ９３：第一ポンプ、 ９４：第二ポンプ、 ９５：第一供給ノズル、 ９６：第二供給ノズル、 １００：制御装置、 １０２：往復台移動制御部、 １０３：送り台移動制御記憶部、 １０５：工具振動制御部、１０６：クーラント供給制御部、 Ｔ：切削工具、 Ｗ：被切削物

Claims (5)

1. 切削工具と被切削物とを相対振動させる振動手段と、
   前記切削工具と前記被切削物とを相対移動させて前記切削工具で前記被切削物を振動切削する移動手段と、
   少なくとも振動切削点に水溶性の加工液および油性の加工液を供給する供給手段と、を備え、
   前記振動手段は、前記切削工具の刃先の面上において、前記水溶性の加工液および前記油性の加工液を振動により対流し乳化してエマルジョンとする、振動切削装置。
2. 前記供給手段は、前記油性の加工液の単位時間当たりの供給量よりも前記水溶性の加工液の単位時間当たりの供給量を多くする、請求項１の振動切削装置。
3. 前記供給手段は、前記水溶性の加工液の供給口から前記振動切削点までの距離よりも、
   前記油性の加工液の供給口から前記振動切削点までの距離が短い、請求項１又は２の振動切削装置。
4. 前記水溶性の加工液および前記油性の加工液は、乳化剤を含まない、請求項１〜３の何れか一項の振動切削装置。
5. 切削工具と被切削物とを相対振動させる振動工程と、
   前記切削工具と前記被切削物とを相対移動させて前記切削工具で前記被切削物を振動切削する移動工程と、
   少なくとも振動切削点に水溶性の加工液および油性の加工液を供給する供給工程と、を備え、
   前記振動工程では、前記切削工具の刃先の面上において、前記水溶性の加工液および前記油性の加工液を振動により対流し乳化してエマルジョンとする、振動切削方法。

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