(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被削材と工具間の相対的な動コンプライアンス値が静荷重に対するコンプライアンス値よりも低い値となる周波数で前記被削材に対して前記工具を相対的に振動させながら切削方向に切削を行う振動切削方法であって、
前記切削方向と直交する方向であって前記工具の切れ刃に沿う方向である刃先方向に前記工具の切れ刃を前記被削材に対し往復移動させ往復の両方向で切削を行うとともに、少なくとも該切削後に前記刃先方向における前記切れ刃の振動速度がゼロとなる点で前記切れ刃を切削点から離すことで間欠切削を行なうことを特徴とする、振動切削方法。
【請求項２】
前記切削後に前記切れ刃を背分力方向にも移動させることにより、前記刃先方向における前記切れ刃の振動速度がゼロとなる点で前記切れ刃を切削点から離すとともに前記被削材における前記切削後の仕上げ面からも離すようにする、請求項１に記載の振動切削方法。
【請求項３】
被削材と工具間の相対的な動コンプライアンス値が静荷重に対するコンプライアンス値よりも低い値となる周波数で前記被削材に対して前記工具を相対的に振動させながら切削を行う振動切削装置であって、
前記工具を前記被削材に対して相対的に前記工具の切れ刃に沿う方向である刃先方向に振動させる第１アクチュエータと、
前記工具を前記被削材に対して相対的に前記刃先方向と直交する方向である切削方向に振動させる第２アクチュエータと、
前記工具の切れ刃を前記被削材に対して相対的に前記刃先方向に往復移動させ往復の両方向で切削を行うとともに、少なくとも該切削後に前記刃先方向における前記切れ刃の振動速度がゼロとなる点で前記切れ刃を切削点から離すように前記第１と第２アクチュエータの動作を制御することで間欠切削を行なうための制御部と、
を備えた振動切削装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工具を被削材に対して相対的に振動させながら切削を行う振動切削方法および振動切削装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、切削加工における加工力を低減する手法として、工具に対し刃先方向（工具の切れ刃に沿った方向）に直線振動を与える振動切削加工法が実用化されている。この直線振動切削加工法では、工具の刃先を引きながらあるいは押しながら切削を行うことにより切削抵抗を低減している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の直線振動切削加工法では、工具の刃先が常に被削材と接しているため、摩擦による発熱が大きくなる。そのため、刃先の摩耗や被削材の変質を招くこととなる。また、一方向の単振動を行うため、刃先振動の上死点と下死点では振動速度がゼロになり、引きながら切削を行う効果がなくなる。このため、切削抵抗を減少し得る程度に限界がある。
【０００４】
そこで、上述の問題を解決する振動切削加工法として、本願の発明者が特願２００１−０９７９７９号に開示した手法がある。該出願に記載した振動切削加工法では、刃先方向を含む面内で楕円振動切削を行っている。
【０００５】
この楕円振動切削では間欠切削を行っているので、工具の刃先を被削材から離して冷却する時間が存在し、また切削点に切削油が供給されることから工具の温度上昇を低減することができる。また、常に引きながら切削を行うことができるので、切削抵抗も低減することができる。
【０００６】
ところが、上記の楕円振動切削では常に同じ方向に切削を行うので、刃先方向の切削力を相殺することができない。そのため、刃先方向分力の平均値を見かけ上ゼロにすることができず、結果として刃先方向の切削抵抗が現れるという問題が生じる。
【０００７】
本発明は上述の課題を解決するためになされたものである。本発明の目的は、工具刃先の摩耗や被削材の変質を抑制することができ、切削抵抗を低減することができ、かつ刃先方向分力を見かけ上ゼロにすることにより刃先方向の切削抵抗が現れることをも回避できる振動切削方法および振動切削装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る振動切削方法は、被削材に対して工具を相対的に振動させながら切削方向に切削を行うものであって、切削方向と直交する方向であって工具の切れ刃に沿う方向である刃先方向に工具の切れ刃を被削材に対して相対的に往復移動させ往復の両方向で切削を行うとともに、少なくとも該切削後に刃先方向における切れ刃の振動速度がゼロとなる点で切れ刃を切削点から離すことで間欠切削を行なうことを特徴とする。ここで、本願明細書において「切削」には、金属に代表される被削材を切り削る場合のみならず、金属以外の対象物を切断等する場合も含むものと定義する。また、刃先方向とは、工具の切れ刃に沿った方向をいい（切れ刃に沿った方向の振動成分を含んでいればよい）、切削方向とは、被削材を切断あるいは除去するために工具あるいは被削材を送る方向であり、振動成分を含む瞬間的な方向ではなく時間的に平均した方向をいう。
【０００９】
このように切削後に工具の刃先方向における振動速度がゼロとなる点で切れ刃を切削点から離すことにより、間欠切削を行うことができ、摩擦による発熱を低減することができる。また、工具の刃先方向に工具の切れ刃を被削材に対し相対的に往復移動させ往復の両方向で切削を行うことにより、常に引きながらあるいは押しながら切削を行うことができる。さらに、切れ刃を往復移動させ往復の両方向で切削を行うので、引きながら切る場合と押しながら切る場合とで刃先方向の切削力を相殺することができる。それにより、刃先方向分力を見かけ上ゼロにすることができる。
【００１０】
上記被削材と前記工具間の相対的な動コンプライアンス値が静荷重に対するコンプライアンス値よりも低い値となる周波数で工具を被削材に対して相対的に振動させる。それにより、切削時における被削材および工具等の機械系の変形量を低減することができ、切削抵抗の影響を事実上低減することができる。
【００１１】
また、上記切削後に切れ刃を背分力方向にも移動させることにより、刃先方向における切れ刃の振動速度がゼロとなる点で切れ刃を切削点から離すとともに被削材における上記切削後の仕上げ面からも離すようにしてもよい。この場合には切削後に切れ刃を仕上げ面からも離すことができ、切れ刃の欠損を効果的に抑制することができる。
【００１２】
本発明に係る振動切削装置は、被削材と工具間の相対的な動コンプライアンス値が静荷重に対するコンプライアンス値よりも低い値となる周波数で被削材に対して工具を相対的に振動させながら切削を行うものであって、工具を被削材に対して相対的に工具の切れ刃に沿う方向である刃先方向に振動させる第１アクチュエータと、工具を被削材に対して相対的に刃先方向と直交する方向である切削方向に振動させる第２アクチュエータと、工具の切れ刃を被削材に対して相対的に刃先方向に往復移動させ往復の両方向で切削を行うとともに、少なくとも切削後に刃先方向における切れ刃の振動速度がゼロとなる点で切れ刃を切削点から離すように第１と第２アクチュエータの動作を制御することで間欠切削を行なうための制御部とを備える。
【００１３】
上記のように本発明の振動切削装置が第１と第２アクチュエータおよび制御部を備えることにより、切れ刃を被削材に対し相対的に刃先方向に往復移動させ往復の両方向で切削を行い、かつ切削後に切れ刃の刃先方向における振動速度がゼロとなる点で切れ刃を切削点から離すことができる。つまり、上述した本発明の振動切削方法を実施することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図６を用いて、本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の振動切削方法の原理を説明するための模式図である。
【００１５】
図１に示すように、振動切削工具１の切れ刃３を有する刃部を、振動子４によって所望の軌跡に従って振動させながら被削材の切削を行う。より詳しくは、刃部に刃先方向６の振動と切削（切断）方向７の振動とを重畳して与え、振動切削工具１の刃先方向６に切れ刃３を往復移動させ往復の両方向で切削を行うとともに、切削後に振動切削工具１の刃先方向６における振動速度がゼロとなるポイントで切れ刃３を切削点から離すようにする。
【００１６】
上記のように振動速度がゼロとなるポイントで切れ刃３を切削点から離すことにより、切削中は常に引きながらまたは押しながら切ることができる。さらにこのように間欠切削を行うことにより、切削点に切削油を供給し、その冷却効果と潤滑効果によって切削力を低減するとともに摩擦による温度上昇を低減することができ、工具刃先の摩耗や被削材２の変質を抑制することができる。
【００１７】
また、振動切削工具１の刃先方向６に切れ刃３を往復移動させ往復の両方向で切削を行うことにより、常に引きながらあるいは押しながら切削を行うことができる。それにより、切削抵抗を低減することができる。
【００１８】
さらに、切れ刃３を往復移動させ往復の両方向で切削を行うので、引きながら切る場合と押しながら切る場合とで刃先方向６の切削力を相殺することができる。それにより、刃先方向分力を見かけ上ゼロにすることができ、刃先方向６の切削抵抗が現れることをも回避することができる。
【００１９】
なお、上記の例では振動切削工具１の刃部を振動させているが、振動切削工具１の刃部を被削材２に対し相対的に所望の軌跡に従って振動させることができるものでれば、被削材２側を振動させてもよい。
【００２０】
次に、本発明に係る振動切削工具１の切れ刃（工具刃先）３の具体的な振動軌跡の例について説明する。
【００２１】
図１に示す例では、切れ刃３を∞形の軌跡に従って駆動しながら切削を行う。すなわち、図１における左方向に切削した後に刃部を被削材２（切削点）から離すように上方に移動させ、刃先方向６にける振動速度がゼロとなる第１点１６で切れ刃３を被削材２から離れた状態とし、その後再び刃部を被削材２に向けて下方に移動させながら図１における右方向に切削を行い、該切削後に刃部を再び被削材２（切削点）から離すように上方に移動させ、刃先方向６にける振動速度がゼロとなる第２点１７で切れ刃３を被削材２から離れた状態とする。このような軌跡に従って切れ刃３を駆動しながら切削を行うことにより、上述の効果が得られる。
【００２２】
図２（ａ）〜（ｃ）に、切れ刃（工具刃先）３の軌跡の他の例を示す。図２（ａ）に示すように、放物線状の軌跡に沿って切れ刃３を往復移動させてもよい。この場合、図２（ａ）において刃先方向６である左右方向に切れ刃３を交互に移動させながら切削を行い、切削後に刃先方向６および切削方向７における振動速度がゼロとなる第１と第２点（上死点と下死点）１６，１７で切れ刃３を被削材２（切削点）から離す。
【００２３】
また、図２（ｂ）および（ｃ）に示すように複雑な形状の軌跡に沿って切れ刃３を往復移動させてもよい。いずれの場合にも、振動切削工具１の刃先方向６に切れ刃３を往復移動させ往復の両方向で切削を行うとともに、切削後に振動切削工具１の刃先方向６における振動速度がゼロとなる第１と第２点１６、１７で切れ刃３を被削材２（切削点）から離すことができる。
【００２４】
上記の∞形や放物線形の軌跡は、切削方向７の振動周波数を刃先方向６の振動周波数の２倍にし、初期位相差をそれぞれ０，π／２にすることで得られる。また、図２（ｂ）に示す軌跡は、切削方向７の振動周波数を刃先方向６の振動周波数の２／３倍とし位相差をゼロにすることで得られ、図２（ｃ）に示す軌跡は、切削方向７の振動周波数を刃先方向６の振動周波数の４倍とし位相差をゼロにすることで得られる。
【００２５】
次に、図３〜図５を用いて、上述した本発明の振動切削方法を実施可能な振動切削装置の構成例について説明する。なお、以下の例では、工具の刃先を放物線状の軌跡に従って振動させる場合について説明する。
【００２６】
図３に示す例では、振動切削装置は、カッターやメスなどの振動切削工具１と、アクチュエータとして機能するたわみ振動励振用圧電素子１０および縦振動励振用圧電素子１１と、制御部１２とを備える。
【００２７】
振動切削工具１は、切れ刃３を有する刃部と、支持点９を介して工具本体を支持する支持具８と、工具本体に取付けられたたわみ振動励振用圧電素子１０および縦振動励振用圧電素子１１とを有する。
【００２８】
たわみ振動励振用圧電素子１０は、１組の圧電素子で構成され、たわみが最大となるたわみ振動の腹の位置付近に設置される。また、縦振動励振用圧電素子１１も、１組の圧電素子で構成され、縦ひずみが最大となる縦振動の節の位置付近に設置される。
【００２９】
圧電素子を組で使用するのは、その間に電極を挿入するためであり、他方の電極は振動子自体とする。また振動子の固定は、振動を妨げることがないように両方向の振動がともに節となる位置で局所的に行う。なお、本実施の形態では、縦振動の２次の共振モードとたわみ振動の５次の共振モードとを使用している。
【００３０】
これらの振動を一致させる際には、振動子の直径を調整すれば縦振動の共振周波数にはほとんど影響せずにたわみ振動の周波数のみを変化させることができるので、比較的簡単に両周波数を一致させることができる。
【００３１】
制御部１２は、たわみ振動励振用圧電素子１０および縦振動励振用圧電素子１１に接続され、これらの動作制御を行う。たとえば、制御部１２から縦振動励振用圧電素子１１に数Ｈｚ〜数十ｋＨｚ程度の周波数の正弦波電圧を印加し、たわみ振動励振用圧電素子１０にその２倍の周波数の余弦波電圧を印加する。ただし、印加電圧と振動変位の間の位相差は、共振周波数付近で急激に変化するため、実際には２方向の変位の間の位相差が所望の値となるように両電圧間の位相差を補正する。
【００３２】
それにより、振動切削工具１に図３に示すようなたわみ振動と縦振動を同時に与えることができ、これらを重畳することで切れ刃３を放物線状の軌跡に沿って駆動することができる。このように切れ刃３を駆動しながら紙、食品、プラスティック、人体の各部等の対象物を切断する。
【００３３】
図４（ａ），（ｂ）に示す例では、振動切削装置は、旋削加工や彫刻を行う振動切削工具１と、アクチュエータとして機能するねじり振動励振用圧電素子１３および縦振動励振用圧電素子１１と、制御部１２とを備える。
【００３４】
振動切削工具１は、円弧状の切れ刃３を有する。そして、この円弧の半径は、刃先振動を振動切削工具１の軸方向から見たときの円弧（ねじり振動成分）の半径以上である方が良い。なお、刃先および振動軌跡は必ずしも円弧形状でなくてもよい。刃先が円弧形状でない曲線の場合には、振動切削工具１の刃先曲率は常に振動の曲率以上である方がよい。これは刃先の逃げ面を振動によって仕上げ面に押し付けないようにするためである。
【００３５】
ねじり振動励振用圧電素子１３は、１組の圧電素子で構成され、ねじりによるひずみが最大となるねじり振動の節の位置付近に設置される。また、縦振動励振用圧電素子１１も、１組の圧電素子で構成され、縦ひずみが最大となる縦振動の節の位置付近に設置される。
【００３６】
本例の場合、ねじり振動励振用圧電素子１３に数Ｈｚ〜数十ｋＨｚ程度の周波数の正弦波電圧を印加し、縦振動励振用圧電素子１１にその２倍の周波数の余弦波電圧を印加する。
【００３７】
それにより、振動切削工具１に図４に示すようなねじり振動と縦振動を同時に与えることができ、これらを重畳することで切れ刃３を放物線状の軌跡（正確には円筒面内の軌跡）に沿って駆動することができる。このように切れ刃３を駆動しながら金属材料等の対象物の旋削加工や彫刻を行う。
【００３８】
図５（ａ），（ｂ）に示す例では、振動切削装置は、対象物の切断を行う振動切削工具１と、アクチュエータとして機能する左右振動励振用圧電素子１４および上下振動励振用圧電素子１５と、制御部１２とを備える。
【００３９】
左右振動励振用圧電素子１４および上下振動励振用圧電素子１５を、振動切削工具１の両端コーナ部にそれぞれ直交する位置関係となるように設置する。そして、左右振動励振用圧電素子１４に数Ｈｚ〜数十ｋＨｚ程度の周波数の正弦波電圧を印加し、上下振動励振用圧電素子１５にその２倍の周波数の余弦波電圧を印加する。
【００４０】
それにより、図５に示すような放物線状の軌跡に沿って切れ刃３を駆動することができ、対象物を切断することができる。
【００４１】
なお、上述の例ではアクチュエータの一例として圧電素子を用いたが、工具に２種類の振動を与えることができるものであれば圧電素子以外の任意のアクチュエータを採用可能である。また、各圧電素子に印加する電圧の周波数や位相差を適切に調節することで、放物線以外の軌跡に沿って切れ刃３を駆動することができる。
【００４２】
さらに、上述の用途に限らず様々な振動切削工具に本発明は適用可能である。たとえばダイヤモンド工具等を用いた超精密微細加工にも、本発明は適用可能である。
【００４３】
次に、被削材の変形を考慮した場合の工具に与える振動周波数について図６を用いて説明する。図６は、工作機械主軸側の動コンプライアンス（変位／加振力の伝達関数）の測定例を示す図である。
【００４４】
図６に示すように、静的には約０．０５μｍ／Ｎ、約５００Ｈｚの共振時には約１μｍ／Ｎの変形を生じるが、３ｋＨｚ以上の高周波領域ではほとんど変形を生じないことがわかる。
【００４５】
このことから、工具を高周波振動させながら切削を行うことにより、被削材や工具、加工機械の変形量を低減しながら切削することができる。つまり、被削材と前記工具間の相対的な動コンプライアンス値が静荷重に対するコンプライアンス値よりも低い値となる周波数（高周波）で工具を被削材に対して相対的に振動させながら切削を行うことにより、被削材や工具、加工機械の変形量を低く抑えながら切削を行うことができる。その結果、加工精度や仕上げ面性状を向上することができる。
【００４６】
次に、本発明の振動切削手法の拡張例について図７〜図９を用いて説明する。図７と図８は、本拡張例における刃先振動軌跡を示す図である。
【００４７】
図７に示すように、放物線振動の面を工具の切れ刃を中心に回転させ、切れ刃が切り屑からはなれる際に仕上げ面からも離れるようにしてもよい。このように切れ刃を切り屑および仕上げ面から離すようにすることにより、切れ刃の欠損を抑制することができる。
【００４８】
図７に示す刃先振動軌跡となるように工具を駆動するには、たとえば上述の振動装置自体を刃先方向を中心に若干回転すればよい。
【００４９】
図９に本拡張例を適用可能な振動切削例を示す。この図に示す振動切削工具１に上述の各圧電素子を取付けて上述の各電圧を印加することにより、図７および図９に示す刃先振動軌跡にしたがって振動切削工具１を駆動することができ、被削材２を切削することができる。
【００５０】
また、図８に示すように、本発明の放物線型の振動切削と、楕円型の振動切削のような他のタイプの振動切削とを組み合わせるようにしてもよい。この場合には、両手法の利点を併せ持つ振動切削を行うことができる。なお、図９に示す振動切削に、本例の手法を適用することも可能である。
【００５１】
図８に示す刃先振動軌跡となるように工具を駆動するには、たとえば工具に切削方向振動用、刃先方向振動用および背分力方向振動用の圧電素子を取付け、切削方向振動用圧電素子に余弦波電圧を印加し、刃先方向振動用圧電素子に切削方向の１／２周波数の余弦波電圧を印加し、背分力方向振動用圧電素子に切削方向と同じ周波数の正弦波電圧を印加すればよい。
【００５２】
以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれる。
【００５３】
【発明の効果】
本発明によれば、切削時のせん断、摩擦による温度上昇を低減することができ、常に引きながらあるいは押しながら切削を行うことで切削抵抗を低減することができ、かつ刃先方向分力の平均値を見かけ上ゼロにすることができるので、工具刃先の摩耗や被削材の変質、加工精度を劣化させる各部の変形を抑制することができ、かつ刃先方向の切削抵抗が現れることをも回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の振動切削方法の原理を説明するための模式図である。
【図２】  （ａ）〜（ｃ）は、本発明の工具刃先の軌跡例を示す図である。
【図３】  本発明の振動切削装置の概略構成図である。
【図４】  （ａ）は本発明の他の例における振動切削工具の側面図であり、（ｂ）は本発明の他の例における振動切削装置の概略構成図である。
【図５】  （ａ）は（ｂ）に示す振動切削工具のＡ−Ａ線断面図であり、（ｂ）は本発明のさらに他の例における振動切削装置の概略構成図である。
【図６】  工作機械主軸側の動コンプライアンス（変位／加振力の伝達関数）の測定例を示す図である。
【図７】  本発明の振動切削方法の１つの拡張例における刃先振動軌跡を示す図である。
【図８】  本発明の振動切削方法の他の拡張例における刃先振動軌跡を示す図である。
【図９】  図７や図８に示す手法を適用可能な振動切削例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１  振動切削工具、２  被削材、３  切れ刃、４  振動子、５  振動軌跡、６刃先方向、７  切削方向、８  支持具、９  支持点、１０  たわみ振動励振用圧電素子、１１  縦振動励振用圧電素子、１２  制御部、１３  ねじり振動励振用圧電素子、１４  左右振動励振用圧電素子、１５  上下振動励振用圧電素子、１６  第１点、１７  第２点。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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