JPH07299629A

JPH07299629A - 超音波振動切削を用いた溝加工装置

Info

Publication number: JPH07299629A
Application number: JP6094280A
Authority: JP
Inventors: Masaru Hachisuga; 勝蜂須賀; Koichi Saotome; 功一早乙女
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-05-06
Filing date: 1994-05-06
Publication date: 1995-11-14

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、超音波ねじり振動を用いた超音波
振動切削ユニット、前記ユニットを組み込んだ超音波ね
じり振動フライス盤及び前記フライス盤を用いた超音波
モータ用ステータの製造方法を提供することを目的とす
る。【構成】超音波ねじり振動を発生させる超音波振動
子、該振動子を一方の端部に取り付けた回転軸、及び前
記振動子で前記回転軸を超音波振動させたとき前記回転
軸に発生する定在波の腹の位置で、かつ他方の端部に近
い位置に取り付けたフライスからなる超音波振動切削ユ
ニット。また、該ユニットの前記回転軸を回転させる回
転手段、前記ユニット内の前記超音波振動子を駆動する
駆動手段、及び前記フライスに対して被加工物を相対的
に移動または回転させる送り機構からなる超音波ねじり
振動フライス盤。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波振動切削ユニッ
ト、それを組み込んだ超音波ねじり振動フライス盤、及
びこのフライス盤を用いて「超音波モータ用のステー
タ」を製造する方法に関する。

【０００２】

【従来技術】溝加工用フライスとは、フライス盤の溝切
削工具（刃物）のことであり、ドーナツ板形状の基板と
その外周に取り付けられた多数の刃先からなり、回転し
ながら被加工物を切削する切削工具を意味する。フライ
スは、中心に穴が開いており、回転軸をこの穴に通す形
で回転軸に取り付ける。

【０００３】フライス盤は、主として、フライスを取り
付けた回転軸（主軸）、回転軸を回転させる回転手段、
フライスに対して被加工物を相対的に移動又は回転させ
る送り機構からなる。一般に被加工物に溝を切る（溝加
工）場合にフライス盤が多用される。溝を切るには、溝
加工用のフライスとして側フライス、エンドミル、メタ
ルソー、スリワリソーなどが使用される。特に、幅に対
して深い溝を切る場合には、フライスとしてメタルソー
が選択される。

【０００４】溝加工を含めフライス盤による切削加工
は、刃先と被加工物との断続的な衝突を伴うので、被
加工物の移動がスムーズにいかないという「切削抵抗」
の問題や、刃先や被加工物が発熱し、刃先が磨耗（磨
耗は寿命で評価される）又は破損したり、被加工物が変
形、変質すると言う問題などがあった。特に被加工物が
難削性の金属材料（例えば、ステンレス、パーマロイ、
インバー、チタンなど）の場合には、これらの問題は深
刻である。因みに、難削性の金属材料は、超音波モータ
用のステータの材料として使用される。

【０００５】一方、バイト刃先を超音波で振動させる技
術が提案された（特公昭５２−３１５９４号）。提案さ
れた技術は、バイト刃先を被削材の固有振動数より充分
大きな（４倍以上）周波数で振動させることにより、切
り込み方向の被削材の時間的変動が無くなり、この結
果、刃先が被削材から逃げず、ビビリ面のない、形状精
度の高い加工が可能となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】フライス加工において
は、その機構上、断続切削となる。そのため、用いる工
具は、衝撃力に強いハイス材（高速度工具鋼）を用いる
ことが多く、旋削加工等で一般的になっている超硬を用
いることができないことが多い。ハイスは、耐衝撃性は
高いものの、難削性の高い材料を切削する場合には、工
具寿命が極めて短いといった問題があった。

【０００７】また、難削材の溝加工においては、加工中
の発熱が極めて大きくなる。そのため被加工物に加工変
質層が発生しやすく、被加工物の形状によっては、加工
後に変形が生じるといった問題があった。一方、従来提
案されているバイト刃先を振動させる加工技術（特公昭
５２−３１５９４号）においては、旋削加工、シェー
パ、形削り盤への適用は容易であるが、フライス加工へ
の応用は困難であった。本発明の目的は、この課題の解
決にある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】そのため、本発明は、第
一に、超音波ねじり振動を発生させる超音波振動子、該
振動子を一方の端部に取り付けた回転軸、及び、前記振
動子で前記回転軸を超音波振動させたとき前記回転軸に
発生する定在波の腹の位置で、かつ他方の端部に近い位
置に取り付けたフライスからなる超音波振動切削ユニッ
ト（請求項１）を提供する。回転軸が超音波振動の振幅
を拡大する振幅拡大ホーンを兼ねていることが好ましい
（請求項２）。また、回転軸の先端には共振用ホーンを
付加することが好ましい（請求項３）。

【０００９】超音波ねじり振動は、１５ｋＨｚ〜１００
ｋＨｚであることが好ましい。また、本発明は、請求項
１〜請求項４の超音波振動切削ユニット、該ユニットの
前記回転軸を回転させる回転手段、前記ユニット内の前
記超音波振動子を駆動する駆動手段、及び前記フライス
に対して被加工物を相対的に移動又は回転させる送り機
構からなる超音波ねじり振動フライス盤（請求項５）を
提供する。

【００１０】本発明のフライス盤は、難削性の金属材料
の切削、とりわけ難削性の金属材料で作られる「超音波
モータ用のステータ」の製造に有用である。ステータ
は、円板状の被加工物を用意し、その表面に放射状に多
数の溝を切る事により製造される。この溝を切るには、
フライスがメタルソー又はスリワリソーであるフライス
盤が使用される。

【００１１】従って、本発明は、また、フライスがメタ
ルソー又はスリワリソーである請求項４の超音波ねじり
振動フライス盤（請求項６）を提供し、更に、円板状の
被加工物を用意し、その表面に放射状に多数の溝をきる
ことにより、超音波モータ用のステータを製造する方法
において、前記溝を「請求項６の超音波ねじり振動フラ
イス盤」を用いて切ることを特徴とする方法（請求項
７）を提供する。

【００１２】

【作用】超音波振動には、たて振動、たわみ振動、ねじ
り振動などの振動モードが知られている。超音波ねじ
り振動を発生させる超音波振動子は市販品としても入手
可能である。超音波振動子は、圧電素子（ピエゾ効果
素子）を主体とするもので、これに駆動手段より高周波
電圧を印加すると、主体が超音波ねじり振動を起こす。

【００１３】この超音波振動子を「ホーンを兼用する回
転軸」の末端に取り付ける。振動子をねじり振動させる
と、回転軸は正転、逆転方向に超音波振動する。この超
音波ねじり振動は、回転軸及び共振ホーン内を伝播し、
共振ホーン末端にて反射して振動子の方向へ戻る。この
とき、共振ホーン末端へ向かう振動と、末端から戻って
来る振動が干渉を起こし、ユニット全体に定在波が発生
する。この定在波の振動姿態を図１の６に示す。定在波
は、開放端（固定されていない末端）では振幅が最大
（腹）となり、ユニット内を伝播する超音波の波長の１
／２の周期で、振幅が０となる部分（節）と最大となる
部分（腹）が交互に現れる。

【００１４】この腹の部分にフライスを取り付ける事に
より、フライスに最大の振幅の超音波ねじり振動を与え
る事が出来る。また、振幅が０となる節の部分を利用し
て、ユニットをフライス盤本体に固定する事ができる。
本発明では、不等式：４０ｆａ＞Ｄｎを満足させるこ
とが好ましい（請求項８又は９）。

【００１５】ただし、ｆ；フライスの振動周波数（Ｈ
ｚ）ａ；フライス刃先の振動振幅（ｍｍ）Ｄ；フライスの直径（ｍｍ）ｎ；フライスの回転数（ｒｐｍ）フライスの刃先を構成する材料としては、ハイス（高速
度鋼）材、超硬合金などが挙げられる。

【００１６】

【実施例】

（実施例１・・・切削ユニット）図１は、本実施例の超
音波振動切削ユニット１の概略断面図を示す。発振器
（駆動手段）８から高周波電気エネルギー（２０ｋＨ
ｚ）を、スリップリング（回転自在の接点）２を介して
ボルト締めランジュバン型電歪ねじり振動子３に入力す
る。振動子３は、回転軸４の後端にねじ止めされてい
る。回転軸４は、ここでは、ねじり振動の振幅を拡大し
伝達する、振幅拡大ホーンを兼ねている。これにより、
超音波ねじり振動が該ホーンを通過する際に、振動振幅
が２〜１０倍に拡大される。回転軸４の途中に、メタル
ソー７が取り付けられている。この、取り付け位置が重
要であり、回転軸４がねじり振動したとき、発生する定
在波の腹の位置にメタルソー７を取り付ける。回転軸４
の先端には、共振用ホーン５が取り付けられている。ね
じり振動子３、振幅拡大用ホーンを兼ねる回転軸４、メ
タルソー７、共振用ホーン５は、一体となって、ねじり
振動子３の固有振動数とほぼ同じ振動数で、定在波を発
生し共振する振動系となっている。定在波は、振動姿態
６で示す。

【００１７】切削ユニット１は、軸受９により回転自在
に加工装置等に装着可能となっている。切削ユニット１
の回転は、後端に取り付けた回転駆動用プーリ１０によ
り伝達される。実施例においては、無負荷時の振動系の
共振周波数は約２０ｋＨｚ、メタルソーの刃先の振幅
は、発振器の出力３０Ｗの場合で約２５μｍである。（実施例２・・・フライス盤及び溝加工）図２は、実施
例１の切削ユニット１を取り付けた、本実施例のフライ
ス盤の主要部を示す。図２（ａ）は正面を示し、（ｂ）
はユニット部の側面を示す。フライス盤は、基盤（図示
せず）、基盤に固定されたアーム１６、アーム１６の下
に軸受９を介して取り付けた実施例１の切削ユニット１
及び駆動モータ１４、被加工物を取り付けこれを移動さ
せる移動テーブル１１からなる。図２（ｂ）に示すよう
に、駆動モータ１４の回転軸とユニットの回転駆動用プ
ーリ１０とはベルト１５で連結されている。

【００１８】次に、フライス盤の機能を説明する。移動
テーブル１１に、やとい１３を介して被加工物１２を取
り付ける。駆動モータ１４を回転駆動ベルト１５を介し
て、実施例１の切削ユニットの回転駆動用プーリ１０を
回転させる。これにより、メタルソー７が回転する。同
時に切削ユニットの駆動手段のスイッチをＯＮにして、
メタルソーを超音波振動させる。この状態で、移動テー
ブル１１をメタルソー７の背分力方向に移動させて切り
込み量を設定する。その後、テーブル１１をメタルソー
７の接線方向に移動させる。これにより、被加工物１２
に切り込みが入り、次第に溝が形成される。

【００１９】本実施例のメタルソー７は、幅が１ｍｍ、
直径が７５ｍｍである。回転数は２５から３００ｒｐｍ
とした。移動テーブルの移動速度は、毎分２０から３０
０ｍｍとした。被加工物の材種は、難削材のインバー
で、切り込み量は２から３ｍｍであった。本実施例によ
る溝加工時の切削抵抗は、主分力方向で２ｋｇ、背分力
方向で２ｋｇであった（水晶式３分力測定器を使用）。
これを、通常のフライス盤による加工と比較すると、主
分力方向で１／１０、背分力方向で１／４程度に減少し
ている。このため工具寿命も著しくのび、通常のフライ
ス盤を使ったメタルソーによる加工では、４００ｍｍ〜
５００ｍｍの加工距離で摩耗するところが、本実施例で
は、１０ｍ以上も加工可能となり、粗く比較して切削工
具の寿命は２０倍以上に向上した。

【００２０】さらに、切削抵抗が減少するため、加工時
の発熱が少なくなる。そのため、被加工物表面の加工後
の硬化が、硬度で１／５程度に減少した（ビッカース硬
度計にて測定）。さらに、被加工物表面の加工変質層が
減少し、加工後の被加工物の変形が少なくなった。（実施例３・・・ステータの製造）図３、図４は、実施
例１の切削ユニットを取り付けた超音波モータ用リング
ステータの溝加工装置の主要部を示す図で、各々その側
面図、正面図を示す。

【００２１】リングステータの溝加工装置は、基盤（図
示せず）、基盤の主軸（図示せず）、主軸に固定された
実施例１の切削ユニット１、被加工物（リングステー
タ）１８を固定する雇１３、雇を取り付け回転方向の位
置決めをする割り出し盤２１、割り出し盤２１を載置
し、かつ３軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）方向に移動制御可能なテー
ブル（Ｘテーブル１９、Ｙテーブル２３）よりなる。

【００２２】次にリングステータの溝加工装置の機能を
説明する。超音波振動切削ユニット１の駆動手段のスイッチをＯ
Ｎにして、メタルソー７を超音波ねじり振動させる。同
時に切削ユニット１を回転方向１７に回転させる。Ｘテーブル１９を切り込み方向２０に、ステータ１８
がメタルソー７に当たらないところまで移動する。

【００２３】Ｙテーブルを送り方向２４と反対方向
に、メタルソー７がステータ１８の内周に当たらないと
ころまで動かし、次いで、Ｘテーブルを切り込み方向２
０に設定切り込み深さまで動かす。割り出し盤２１を割り出し方向２２に所定の角度回転
させる。Ｙテーブル２３を送り方向２４に、メタルソー７の中
心がステータ１８の外周を抜けるまで一定の速度で移動
する。これにより１溝の加工が終了する。

【００２４】Ｙテーブル２３を送り方向２４と反対方
向に、メタルソー７がステータ１８の内周に当たらない
ところまで戻す。溝がステータ円周に３６０度加工完了するまで、ステ
ップからを繰り返す。Ｘテーブル１９を切り込み方向と反対方向に移動し、
切削ユニット１の超音波振動と回転を停止して、加工が
完了する。

【００２５】本実施例のメタルソーは、幅１ｍｍ、直径
４５ｍｍ、材質はハイス（高速度鋼）である。回転数は
毎分１００〜３００回転。移動テーブルの移動速度は毎
分５０〜２００ｍｍとした。割り出し回転角度は４°〜
１０°とした。被加工物（リングステータ）の材質は、
ニッケル基系金属である。切り込み量は、２〜３ｍｍで
ある。

【００２６】本実施例による溝加工時の切削抵抗は、従
来のフライス盤による加工法と比較して主分力方向で１
／１０、背分力方向で１／６程度（水晶式３分力測定器
使用）になることが確認された。切削抵抗が大幅に減少
するため、加工時の発熱が抑えられ、加工後にステータ
が変形するといった不都合がなかった。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、切削時の切削抵抗が大
幅に減少し、切削工具の寿命が著しく延びる。また、切
削時の発熱が少なくなり、切削後の被加工物の変形が少
なくなった。特に、超音波モータ用リングステータの溝
加工では、この効果が著しい。さらに、切削時に発生す
る振動が著しく減少するため、超硬製のメタルソーを用
いて切削を行なっても、切削工具の刃先にチッピングが
発生しないという効果もある。超硬製メタルソーが使用
可能になることで、刃物工具の寿命は格段に延びる。

【図面の簡単な説明】

【図１】は、本発明の一実施例にかかる溝加工用超音波
振動切削ユニットの断面図である。

【図２】は、本発明の一実施例にかかる、フライス盤の
アームに溝加工用超音波振動切削ユニットを取り付けた
状態を示す概要図である。

【図３】は、本発明の一実施例にかかる、超音波モータ
用リングステータの溝加工装置の主要部側面図である。

【図４】は、図３の正面図である。

【符号の説明】

１・・・・・・・超音波振動切削ユニット２・・・・・・・スリップリング３・・・・・・・ねじり振動子４・・・・・・・回転軸５・・・・・・・共振用ホーン６・・・・・・・振動姿態７・・・・・メタルソー８・・・・・・・発振器（駆動手段）９・・・・・・・軸受１０・・・・・・・回転駆動用プーリ１１・・・・・・・移動テーブル１２・・・・・・・被加工物１３・・・・・・・雇１４・・・・・・・駆動モータ１５・・・・・・・回転駆動ベルト１６・・・・・・・アーム１７・・・・・・・工具回転方向１８・・・・・・・リング状ステータ１９・・・・・・・Ｘテーブル２０・・・・・・・ワーク切り込み方向２１・・・・・・・割り出し盤２２・・・・・・・割り出し回転方向２３・・・・・・・Ｙテーブル２４・・・・・・・ワーク送り方向以上

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０２Ｎ 2/00 Ｃ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超音波ねじり振動を発生させる超音波振
動子を一方の端部に取り付けた回転軸、および前記振動
子で前記回転軸を超音波振動させたとき前記回転軸に発
生する定在波の腹の位置で、かつ他方の端部に近い位置
に取り付けた溝加工用フライスからなる超音波振動切削
ユニット。
【請求項２】前記回転軸が前記超音波振動の振幅を拡
大する振幅拡大ホーンを兼ねていることを特徴とする請
求項１記載の超音波振動切削ユニット。
【請求項３】前記回転軸の先端に共振用ホーンを付加
したことを特徴とする請求項１又は２記載の超音波振動
切削ユニット。
【請求項４】前記超音波ねじり振動が、１５ｋＨｚ〜
１００ｋＨｚであることを特徴とする請求項１〜３記載
の超音波振動切削ユニット。
【請求項５】請求項１〜請求項４記載の超音波振動切
削ユニット、該ユニットの前記回転軸を回転させる回転
手段、前記ユニット内の前記超音波振動子を駆動する駆
動手段、及び前記フライスに対して被加工物を相対的に
移動又は回転させる送り機構からなる超音波ねじり振動
フライス盤。
【請求項６】前記フライスがメタルソー又はスリワリ
ソーである請求項５記載の超音波ねじり振動フライス
盤。
【請求項７】円板状の被加工物を用意し、その表面に
放射状に多数の溝を切削することにより、超音波モータ
用のステータを製造する方法において、前記溝を「請求
項６記載の超音波ねじり振動フライス盤」を用いて切削
することを特徴とする方法。
【請求項８】下記不等式：４０ｆａ＞Ｄｎを満足することを特徴とする、請求項５又は６記載の超
音波ねじり振動フライス盤。但し、ｆ；フライスの超音波ねじり振動周波数（Ｈｚ）ａ；フライスの刃先の振動振幅（ｍｍ）Ｄ；フライスの直径（ｍｍ）ｎ；フライスの回転数（ｒｐｍ）
【請求項９】下記不等式：４０ｆａ＞Ｄｎを満足することを特徴とする請求項７記載の方法。但し、ｆ；フライスの超音波ねじり振動周波数（Ｈｚ）ａ；フライスの刃先の振動振幅（ｍｍ）Ｄ；フライスの直径（ｍｍ）ｎ；フライスの回転数（ｒｐｍ）