(57)【要約】【課題】高速切削領域において有効な振動切削を行う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。【解決手段】振動切削装置１の制御装置９０は、振動速度Ｖ２を切削角度φの方向に変換したときの変換振動速度Ｖ２２が、振動速度Ｖ２よりも大きくなる振動角度θおよび切削角度φを記憶している。これにより、振動速度Ｖ２より大きく且つ変換振動速度Ｖ２２より小さい速度まで切削速度Ｖ１を高めても、切削工具１００と被切削物Ｗとを周期的に微小時間離脱させることが可能となる。よって、高速切削領域において切削抵抗力や切削熱を低減させることができるという有効な振動切削を行うことができる。【選択図】図２Ｂ
2014200891.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
切削工具と被切削物とを前記切削工具のすくい面と逃げ面とのなす稜線に対し所定の振動角度の方向に所定の振動速度で相対振動させ、前記切削工具と前記被切削物とを前記稜線に対し所定の切削角度の方向に所定の切削速度で相対移動させて前記切削工具で前記被切削物を切削する振動切削装置であって、
前記振動速度を前記切削角度の方向に変換したときの変換振動速度が、前記振動速度よりも大きくなる前記振動角度および前記切削角度を記憶する記憶手段と、
記憶した前記振動角度の方向に前記振動速度で前記切削工具と前記被切削物とを相対振動させる振動手段と、
記憶した前記切削角度の方向に前記振動速度より大きく前記変換振動速度より小さい切削速度で前記切削工具と前記被切削物とを相対移動させる移動手段と、を備える振動切削装置。
【請求項２】
前記振動角度は、４５度より大きく９０度未満であり、前記切削角度は、９０度と前記振動角度との差である、請求項１の振動切削装置。
【請求項３】
切削工具と被切削物とを前記切削工具のすくい面と逃げ面とのなす稜線に対し所定の振動角度の方向に所定の振動速度で相対振動させ、前記切削工具と前記被切削物とを前記稜線に対し所定の切削角度の方向に所定の切削速度で相対移動させて前記切削工具で前記被切削物を切削する振動切削方法であって、
前記振動速度を前記切削角度の方向に変換したときの変換振動速度が、前記振動速度よりも大きくなる前記振動角度および前記切削角度を記憶する記憶工程と、
記憶した前記振動角度の方向に前記振動速度で前記切削工具と前記被切削物とを相対振動させる振動工程と、
記憶した前記切削角度の方向に前記振動速度より大きく前記変換振動速度より小さい切削速度で前記切削工具と前記被切削物とを相対移動させる移動工程と、を備える振動切削方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、切れ刃が傾斜した切削工具に、振動素子で傾斜方向と平行に振動を加えて被切削物を切削する装置が記載されている。また、特許文献２には、円柱状の楕円振動子に設けられた振動素子に正弦波状の電圧を入力し、楕円振動子を楕円振動させることにより楕円振動子に設けられた切削工具を楕円振動させて被切削物を切削する装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−２３９０１号公報
【特許文献２】特開２０００−５２１０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
振動切削においては、振動速度を切削速度よりも大きくすることで、切削中に切削工具と被切削物とが周期的に微小時間離脱するため、切削抵抗力や切削熱を低減させることができる。しかし、上述の特許文献１に記載の切削装置では、切れ刃の傾斜方向と平行な振動を利用しているため、切削中に切削工具と被切削物とが周期的に微小時間離脱せず、切削抵抗力や切削熱を低減させることができない。特許文献２に記載の切削装置では、切削方向の振動を利用しているため、現有の振動素子の最高振動速度よりも高速の切削速度での高速切削領域では、切削抵抗力や切削熱を低減させることができない。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、高速切削領域において有効な振動切削を行う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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（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前記切削工具のすくい面と逃げ面とのなす稜線に対し所定の振動角度の方向に所定の振動速度で相対振動させ、前記切削工具と前記被切削物とを前記稜線に対し所定の切削角度の方向に所定の切削速度で相対移動させて前記切削工具で前記被切削物を切削する振動切削装置であって、前記振動速度を前記切削角度の方向に変換したときの変換振動速度が、前記振動速度よりも大きくなる前記振動角度および前記切削角度を記憶する記憶手段と、記憶した前記振動角度の方向に前記振動速度で前記切削工具と前記被切削物とを相対振動させる振動手段と、記憶した前記切削角度の方向に前記振動速度より大きく前記変換振動速度より小さい切削速度で前記切削工具と前記被切削物とを相対移動させる移動手段と、を備える。
【０００７】
（請求項２）また、前記振動角度は、４５度より大きく９０度未満であり、前記切削角度は、９０度と前記振動角度との差であるとよい。
【０００８】
（請求項３）本発明の振動切削方法は、切削工具と被切削物とを前記切削工具のすくい面と逃げ面とのなす稜線に対し所定の振動角度の方向に所定の振動速度で相対振動させ、前記切削工具と前記被切削物とを前記稜線に対し所定の切削角度の方向に所定の切削速度で相対移動させて前記切削工具で前記被切削物を切削する振動切削方法であって、前記振動速度を前記切削角度の方向に変換したときの変換振動速度が、前記振動速度よりも大きくなる前記振動角度および前記切削角度を記憶する記憶工程と、記憶した前記振動角度の方向に前記振動速度で前記切削工具と前記被切削物とを相対振動させる振動工程と、記憶した前記切削角度の方向に前記振動速度より大きく前記変換振動速度より小さい切削速度で前記切削工具と前記被切削物とを相対移動させる移動工程と、を備える。
【発明の効果】
【０００９】
（請求項１）本発明によると、振動速度を切削角度の方向に変換したときの変換振動速度が、振動速度よりも大きくなる振動角度および切削角度を記憶している。これにより、振動速度より大きく且つ変換振動速度より小さい速度まで切削速度を高めても、切削工具と被切削物とを周期的に微小時間離脱させることが可能となる。よって、高速切削領域において切削抵抗力や切削熱を低減させることができるという有効な振動切削を行うことができる。
【００１０】
（請求項２）振動方向と切削方向とを直交させて振動切削を行うことができるので、簡単な制御で、変換振動速度を振動速度より速く（大きく）することができる。
【００１１】
（請求項３）本発明の振動切削方法によれば、上述した振動切削装置における効果と同様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】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２Ａ】振動切削における振動角度、振動速度、切削角度および切削速度の関係を示す概略斜視図である。
【図２Ｂ】図２Ａを上方から見た図である。
【図３】振動角度、振動速度、切削角度および変換振動速度の関係を示す図である。
【図４】振動方向と切削方向とを直交させて振動切削を行う場合の振動角度、振動速度、切削角度および変換振動速度の関係を示す図である。
【図５】振動方向と切削方向とを直交させて振動切削を行う場合の振動角度と変換振動速度との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（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、制御装置９０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。
【００１４】
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の一端側の周面を把持可能な爪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。また、回転主軸１１の単位時間当たりの回転数と被切削物Ｗの一周の長さとに基づいて切削速度が求められる。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
刃物台７０には、切削工具１００がチャッキングされている。切削工具１００としては、バイトが用いられる。この切削工具１００には、すくい面１０１と逃げ面１０２（図２Ａ参照）とのなす直線状の稜線（切れ刃）１０３が形成されている。切削工具１００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。すなわち、刃物台７０は、切削工具１００の切れ刃１０３に対する切削方向の角度（切削角度）を任意の角度に設定することが可能に構成されている。
【００２１】
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１００を振動素子により定まる所定の振動速度で任意の振動方向に振動可能に構成されている。すなわち、加振装置８０は、切削工具１００の切れ刃１０３に対する振動方向の角度（振動角度）を任意の角度に設定することが可能に構成されている。
【００２２】
制御装置９０は、主軸回転制御部９１と、往復台移動制御部９２と、送り台移動制御９３と、記憶部９４と、角度演算部９５と、工具回転制御部９６と、工具振動制御部９７とを備えて構成される。ここで、各部９１〜９７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。
【００２３】
主軸回転制御部９１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９２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９３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。
【００２４】
記憶部９４には、切削工具１００に加えられる振動の振動速度および切れ刃１０３に対する振動角度等が予め記憶されている。
角度演算部９５は、記憶部９４から読み出した振動速度を切れ刃１０３に対する切削角度の方向に変換して変換振動速度を求め、求めた変換振動速度が当該振動速度よりも大きくなるように、記憶部９４から読み出した切れ刃１０３に対する振動角度に基づいて切れ刃１０３に対する切削角度を求めて記憶部９４に記憶する。なお、角度演算部９５の処理の詳細については後述する。
【００２５】
工具回転制御部９６は、Ｙ軸モータ６１を制御して記憶部９４から読み出した切れ刃１０３に対する切削角度となるように回転台６０を回転駆動させる。
工具振動制御部９７は、加振装置８０を制御して記憶部９４から読み出した切れ刃１０３に対する振動角度の方向に、記憶部９４から読み出した振動速度で切削工具１００を振動させる。
【００２６】
このような構成の制御装置９０は、Ｙ軸モータ６１を制御して切れ刃１０３に対する所定の切削角度（記憶部９４から読み出した切削角度）となるように回転台６０を回転駆動させ、加振装置８０を制御して切れ刃１０３に対する所定の振動角度（記憶部９４から読み出した振動角度）の方向に所定の振動速度（記憶部９４から読み出した振動速度）で切削工具１００を振動させる。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１００の切れ刃１０３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。
【００２７】
なお、加振装置８０および工具振動制御部９７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９２および送り台移動制御９３等が、本発明の「移動手段」に相当し、記憶部９４が、本発明の「記憶手段」に相当する。
【００２８】
（２．角度演算部の処理）
制御装置９０の角度演算部９５の処理について説明する。ここで、振動切削においては、切削工具と被切削物とが周期的に微小時間離脱することにより、切削抵抗力や切削温度を低減することができる。このため、切削方向と平行な方向に振動を加えて振動切削を行う場合、振動速度が切削速度よりも大きいことが条件となる。
【００２９】
本実施形態では、図２Ａ，Ｂに示すように、切削工具１００の切れ刃１０３に対し振動角度θの方向に振動速度Ｖ２で切削工具１００を振動させ、切削工具１００の切れ刃１０３に対し切削角度φの方向に切削速度Ｖ１で被切削物Ｗを移動させて被切削物Ｗを振動切削する場合を考える。
【００３０】
この場合、振動角度θの方向の振動速度Ｖ２を切削角度φの方向に変換し、変換した変換振動速度Ｖ２２が振動速度Ｖ２よりも大きくなるように、振動角度θに基づいて切削角度φを求める。この求め方は、図３に示すように、振動角度θ、振動速度Ｖ２、切削角度φおよび変換振動速度Ｖ２２で閉じた三角形を構成することができるので、正弦定理に基づいて次式（１）が導かれる。
【００３１】
【数１】
2014200891.tif 000003
よって、変換振動速度Ｖ２２が振動速度Ｖ２よりも大きくなるためには、次式（２）を満足する切削角度φを振動角度θに基づいて求めればよい。
【００３２】
【数２】
2014200891.tif 000004
これにより、振動速度Ｖ２より大きく且つ変換振動速度Ｖ２２より小さい速度まで切削速度Ｖ１を高めても、切削工具１００と被切削物Ｗとを周期的に微小時間離脱させることが可能となる。よって、高速切削領域において切削抵抗力や切削熱を低減させることができるという有効な振動切削を行うことができる。
【００３３】
（３．振動方向と切削方向とを直交させた振動切削）
次に、図４に示すように、振動方向と切削方向とを直交、すなわち切削工具１００の切れ刃１０３に対し振動角度θの方向に振動速度Ｖ２で切削工具１００を振動させ、切削工具１００の切れ刃１０３に対し切削角度φ（＝９０°−θ）の方向に切削速度Ｖ１で被切削物Ｗを移動させて被切削物Ｗを振動切削を行う場合について説明する。この場合、振動角度θ、振動速度Ｖ２、切削角度φおよび変換振動速度Ｖ２２の関係は、次式（３）で表すことができる。
【００３４】
【数３】
2014200891.tif 000005
【００３５】
式（３）は、図５に示すグラフで表すことができ、振動角度θが４５度以下のときは変換振動速度Ｖ２２が振動速度Ｖ２以下となる振動減速領域であり、振動角度θが４５度よりも大きいときは変換振動速度Ｖ２２を振動速度Ｖ２よりも大きくできる振動増速領域である。よって、振動角度θを４５度より大きく９０度未満の角度にし、切削角度φを９０度−振動角度θの角度にすればよいことが分かる。
【００３６】
これにより、振動方向と切削方向とを直交させて振動切削を行うことができるので、切削工具１００の切れ刃１０３をＺ軸線に対し例えば７０度傾斜するように形成し、切削工具１００をＺ軸方向（振動角度θ：７０度）に１５０ｍ／ｍｉｎの振動速度Ｖ２で加振した場合、変換振動速度Ｖ２２は、４１２ｍ／ｍｉｎとなる。よって、切削工具１００をＸ軸方向（切削方向φ＝２０度）に、１５０ｍ／ｍｉｎより大きく４１２ｍ／ｍｉｎより小さい切削速度Ｖ１で振動切削することができる。
【００３７】
このように、振動方向と切削方向とを直交させて振動切削を行う振動切削装置１では、加振装置８０および工具振動制御部９５で切削工具１００をＺ軸方向のみに加振するように構成し、回転台６０、Ｙ軸モータ６１および工具回転制御部９４は不要となるので、簡単な制御で、変換振動速度Ｖ２２を振動速度Ｖ２より速く（大きく）することができる。
【００３８】
なお、上述の実施形態では、角度演算部９５で切れ刃１０３に対する切削角度φを求めて記憶部９７に記憶する構成としたが、角度演算部９５を省略し、作業者が振動角度θ、振動速度Ｖ２および変換振動速度Ｖ２２基づいて、切削角度φを予め求めて記憶部９４に記憶しておく構成としてもよい。また、切削工具１００に付与する振動は超音波振動が好ましいが、その他の周波数の振動であっても同様の効果を奏する。
【符号の説明】
【００３９】
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、  ９２：往復台移動制御部、  ９３：送り台移動制御、  ９４：記憶部、  ９５：角度演算部、  ９７：工具振動制御部、  １００：切削工具、  １０３：切れ刃、  θ：振動角度、  φ：切削角度、  Ｖ１：切削速度、  Ｖ２：振動速度、  Ｖ２２：変換振動速度、  Ｗ：被切削物
【図１】
2014200891.tif 000006
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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