JP2000246501A - 超音波振動切削工具および超音波振動切削方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】切削時に大きな切削抵抗を受けても振動方向が
変化せず、振動方向の変化による逃げ面の接触とそれに
よる工具欠損を防止することができ、また、切削工具刃
先角度が常に一定で切削およびその再現性を向上するこ
とができる構造が簡単で安価に実施しうる切削超音波振
動切削装置と同方法を提供する。 【解決手段】縦振動系の超音波振動切削装置において、
工具シャンクの上下方向中間部部位の振動腹領域に切刃
要素を工具シャンク軸線と直交上に固定するとともに、
前記チップホルダから上下に離間し振動節に相当する工
具シャンク部分を工具ホルダに支持させた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は難削材および難加工
形状の精密仕上げ加工に好適な超音波振動切削工具およ
びこれを使用した超音波振動切削方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】精密仕上げ切削法の一つとして超音波振
動切削法が知られている。この超音波振動切削法は、工
具を切削方向に１５〜１２０kHz程度の超音波域の振動
数ｆ，振幅ａで規則的に振動させ、切削速度ｖをｖ＜2
πａｆ（ｆ:周波数，ａ:振幅）として切削する方法であ
り、切削と休止を交互に繰り返しながら小刻みに断続切
削することを特徴としている。かかる切削法は、低剛性
工作物や工具の弾性変形を減少させ、精密切削できるこ
とや、断続切削であるために切削温度の上昇や被削材溶
着現象が軽減できるなどの切削性改善効果が得られる利
点がある。しかし、この超音波振動切削法を用いて焼入
鋼，ステンレス鋼あるいはNi基合金などの難削材を生産
加工レベルで切削しようとすると、工具欠損や逃げ面異
常摩耗が発生しやすく、このため、難削材切削の用途に
はあまり実用されていないのが実情であった。

【０００３】詳述すると、従来の超音波振動切削工具と
しては、図１（ａ）に示すような弾性体の横波を利用し
た曲げ振動系工具あるいはこれと同一の形式で弾性体の
ねじり振動を利用したねじり振動系工具と、同図（ｂ）
に示すような弾性体の縦波を利用した縦振動系工具があ
る。前者は、工具シャンクを切削チップを含む前端領域
が側方に突出するように固定具で固定し、工具シャンク
の後端部に直交上に縦振動ホーンと振動子あるいは同一
軸上にねじり振動ホーンと振動子を取り付けたものであ
る。後者は、縦方向に配した工具シャンクをつばによっ
て固定具に固定し、工具シャンクの先端の横張出し部に
切削チップを取り付け、工具シャンクの後端部に直列状
にホーンと振動子を取り付けたものである。しかし、従
来のこれら工具では、正確に切削方向でなければならな
い刃先振動方向が難削材の切削時に比較的大きな切削抵
抗を受けて変化し、振動による刃先後退時に工具逃げ面
と工作物と衝突したりあるいはこすれ、それにより刃先
欠損が発生するという問題があった。

【０００４】その要因の一つは、工具剛性が低いという
ことである。すなわち、曲げ振動系工具および縦振動系
工具は、ともに工具が共振振動しているため，工具を刃
物台に固定できる個所は振動節ｎの部分１〜２個所のみ
である．さらに，工具最先端の固定個所から振動の腹で
ある工具刃先ｌまでの距離は、波長をλとすると、原理
的に１／４λとしなければならないため、工具突き出し
長さが慣用の切削工具に比べかなり長くなる．このた
め、結果的に，超音波振動切削用工具は慣用切削工具の
固定方法に比べると工具剛性が著しく低くなり、切削抵
抗による弾性変形や弾性振動が起こりやすく、それによ
り逃げ面が接触して工具欠損が起るといううことであ
る。

【０００５】もう一つは、振動方向の安定性が劣るとい
うことである。すなわち、一般的に，超音波振動切削用
工具における振動方向は刃先形状の影響を受け変化しや
すいと言われており、縦振動系工具の場合，振動方向は
比較的工具形状の影響を受けにくく安定しているもの
の、曲げ振動系工具の場合には、振動方向の変化が大き
いのが問題である。この対策として、従来では、振動方
向が切削方向となるように調整された専用の工具を各刃
先形状毎に準備するか，あるいは１本の工具で刃先形状
が変わる毎に工具取り付け姿勢を変化させるなどの調整
が必要である。しかし、前者の場合は生産性が著しく劣
り、後者の場合は工具の取り付け角度を数１０°調整す
る必要があり、このときに切削において最も重要な刃先
角度が調整と同時に狂ってしまうという問題が発生し、
実用的とは言い難かったのである。

【０００６】さらに、超音波振動切削法により工具欠損
が誘発される原因として、振動による刃先後退および離
脱時に工具逃げ面が被加工物にあたることがあげられ
る。すなわち、工具の後退および離脱時に工具逃げ面が
工作物とこすれることにより発生する通常の切削抵抗RF
とは逆方向の切削抵抗RRが発生し，それにより刃先が欠
損する現象である。この現象が発生する原因は、切削時
に切削背分力により工具が逃げ，工具離脱時にそれが除
荷され，弾性回復により逃げ面がぶつかる場合であり、
焼入鋼やステンレス鋼などの難削材切削時に問題となる
のはこの場合である。しかし、前記曲げ振動系工具や縦
振動系工具を用いた従来の振動切削法では、前記のよう
な原因を除去することが出来ず、チッピングがどうして
も発生してしまうという問題があった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は前記のような
問題を解消するために創案されたもので、その第１の目
的は、切削時の振動方向が安定的で、大きな切削抵抗を
受けても振動方向が変化しにくく、振動方向の変化によ
る逃げ面の接触とそれによる工具欠損を防止することが
でき、また、切削工具刃先角度が常に一定で切削および
その再現性を向上することができしかも構造が簡単で安
価に実施しうる切削超音波振動切削装置を提供すること
にある。また、第２の目的は、前記目的に加えて、工具
欠損を完全に防止することが可能で、難削材や断続形状
物などの難加工形状工作物に対する切削を安定的に精度
よく行なえる超音波振動切削工具と切削方法を提供する
ことにある。なお、本発明は平削り、形削り、中ぐり加
工、深溝加工、旋削、さらにはマシニングセンタによる
ポケット加工、キャラクタライン加工などあらゆる切削
加工手段として適用し得るものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るため本発明は、縦振動１λの長さを有する工具シャン
クを縦方向に配し、工具シャンクに刃先要素を取り付
け、工具シャンクの後端部に直列状に振動子を取り付け
た縦振動系の超音波振動切削装置において、前記工具シ
ャンクの上下方向中間部部位の振動腹領域に、切刃要素
を工具シャンク軸線と直交上に固定するとともに、前記
チップホルダから上下に離間し振動節に相当する工具シ
ャンク部分を工具ホルダに支持させたことを特徴として
いる。好適には、切刃要素がテーパ状のホルダ部を有
し、工具シャンクが軸線と直交上にテーパ穴を有し、該
テーパ穴に前記ホルダ部が嵌装されている。また、第２
の目的を達成するため本発明は、前記工具における切刃
要素の振動方向を切削方向から被加工物に食い込む方向
に傾斜させた振動方向として超音波振動切削することを
特徴としている。

【０００９】

【作用】本発明は、縦振動系工具形式を採用しているた
め、超音波振動工具の製作時や装置取付け時に従来試行
錯誤的に行われていた振動方向の調整が不要であり、振
動系が単純で高い振動パワーに対しても発熱などのロス
が少ない。しかも、工具シャンクの上下方向中間部部位
の振動腹領域に、切刃要素を工具シャンク軸線と直交上
に嵌装固定するとともに、前記チップホルダから上下に
離間し振動節に相当する工具シャンク部分を工具ホルダ
に支持させているため、振動方向が安定で，かつ大きな
切削抵抗を受けても振動方向が変化しにくい高剛性の超
音波振動切削装置とすることができ、切削抵抗を受けた
ときの振動姿態の乱れが確実に防止される。

【００１０】また、本発明は、前記工具の切刃要素の振
動方向を、従来のような切削方向と同一方向にするので
なく、切削方向から工作物側に最大で約30゜傾斜させて
切削が行うため、工具逃げ面のこすれがなくなり、難削
材料切削時の工具欠損を大きく低減することができると
もに、工具寿命を大幅に延長することができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施態様を添付図
面を参照して説明する。図２と図３は本発明による超音
波振動切削工具の第１実施例を示している。１は多角形
など任意の断面形状からなる柱状の工具シャンク、２は
工具シャンクの軸方向一端に連結された振動子たとえば
電歪型振動子であり、外部の超音波発振器３に接続され
ている。前記工具シャンク１は、前記振動子２による縦
波の１λで共振する長さとなっており、図２と図３
（ａ）のように、２つの振動節ｎ１，ｎ２が工具シャン
ク１の全長内の位置、好ましくは振動節ｎ１，ｎ２が工
具シャンク１の軸方向端面からそれぞれ等距離の位置に
あるように設定されている。そして、工具シャンク１の
中央部すなわち振動腹ｌに合致する個所に、切刃要素
（切削チップ）４を固定している。切刃要素４はホルダ
ー部４ａとこれの先端に固定されたチップ部４ｂとを有
しており、チップ部４ｂは一体型でもよいし、スローア
ウェイタイプであってもよい。

【００１２】前記工具シャンク１に対する切刃要素４の
固定は任意であるが、この実施例では、簡便かつ強固に
固定し得るようにテーパ結合型のスローアウェイ式とし
ている。すなわち、図３（ｂ）のようにホルダ部４ａは
後方に向かうほど外径が細くなったテーパ状をなし、工
具シャンク１にはこのホルダ部４ａのテーパと合致する
テーパ穴１００が設けられている。そして、テーパ穴１
００の底から端面に向かって通孔１０１が設けられ、こ
の通孔１０１にボルト１１が挿通され、先端部がホルダ
部４ａの雌ねじ穴４００にねじ込まれることで強固な固
定を図るようにしている。なお、ホルダ部４ａとテーパ
穴１００は図示するものでは断面円形であるが、これに
限られるものではなく、多角形などでもよい。

【００１３】５は工具ホルダであり、背部に突出部５０
を有し、この突出部５０によって刃物台８に受支固定さ
れるようになっている。工具ホルダ５の前部は対向状に
張り出す保持碗部５ａ，５ｂを有して断面略コ字状とな
っており、それら保持腕部５ａ，５ｂ間に工具シャンク
１が配置されるとともに、切刃要素４と上下方向に離間
した２つの振動節ｎ１，ｎ２の個所をもって保持腕部５
ａ，５ｂに固定されている。

【００１４】この固定機構は工具シャンク１の振動節ｎ
１，ｎ２に相当する部位につばを設けてそれらを保持腕
部５ａ，５ｂに支承させる方式でもよい。しかし、この
実施例では、振動節ｎ１，ｎ２に相当する部位にＶ状の
溝１０２ａ，１０２ｂを設け、保持腕部５ｂにはＶ状の
溝１０２ｂ，１０２ｂに対応するＶ状先端部を持つ固定
用金具６ｂ，６ｂを取り付け、これで工具シャンク１の
片側の振動節ｎ１，ｎ２を支えるようにし、さらに保持
腕部５ａにはＶ状の溝１０２ａ，１０２ａに対応するＶ
状先端部を持つ可動固定用金具６ａ，６ａを配し、可動
固定用金具６ａ，６ａを工具シャンク１の他側の振動節
ｎ１，ｎ２に相当する１０２ａ，１０２ａに進入させ、
かつ可動固定用金具６ａ，６ａを背後の固定用ねじ７，
７によって前進させることで締付け固定するようにして
いる。保持腕部５ａ，５ｂは図示するものでは左右それ
ぞれが２つずつとなっているが、もちろん左右１つずつ
であってもよい。

【００１５】図４と図５は本発明の第２実施例を示して
いる。この実施例は、切刃要素４の振動方向を切削方向
から被加工物Ｗに食い込む方向に傾斜させた振動方向と
して超音波振動切削するための装置を示している。具体
的には、工具ホルダ５の背部には旋回治具９を固定して
おり、この旋回治具９は工具ホルダ５に背面が固定され
た第１円盤部体９ａと、刃物台８に対する突板部５０が
固定された第２円盤部体９ｂとを備え、第２円盤部体９
ｂに対して第１円盤部体９ａは相対的に回転角が変化可
能に連結されている。具体的には、図５（ｂ）のように
第１円盤部体９ａには中央に板厚方向に軸受用の穴９０
が設けられるとともに、該穴を囲むリング部分には等間
隔で複数個の雌ねじ穴９１が設けられている。第２円盤
部体９ｂには前部に前記軸受用の穴に嵌まる軸部９２が
設けられるとともに、軸部を囲むリング部分には、雌ね
じ穴９１に対応する間隔をおいて複数の円弧状調整用穴
９３が板厚方向を貫いて設けられている。円弧状調整用
穴９３は座ぐり付きとなっている。第１円盤部体９ａと
第２円盤部体９ｂは重合され、第１円盤部体９ａを第２
円盤部体９ｂに対して相対的に回動させ、希望する位置
で円弧状調整用穴９３を介して雌ねじ穴９１にボルト９
４を螺合して締め付けることにより所望角度に傾斜され
るようになっている。なお、第２円盤部体９ｂは角度目
盛りを有し、第１円盤部体９ａは指針が付されている。

【００１６】この傾斜形の工具を使用した場合、二次元
切削の場合には、切刃要素４が図６（ｂ）のように切削
方向から角度θだけ被加工物に食い込む方向に、旋回治
具９により、工具ホルダ５を含む工具全体を傾斜させ
る。なお、図６（ａ）は第１実施例の場合（θ＝０°）
を示している。また、円筒旋削を始めとする３次元切削
の場合には、図６（ｃ）のように、送り方向の傾斜角φ
および切込み方向の傾斜角ψを与えるように、旋回治具
９および刃物台８を操作して、工具ホルダ５を含む工具
全体を傾斜させる。この場合の送り方向の傾斜角φおよ
び切込み方向の傾斜角ψの合計が傾斜角度θである。補
足説明すると、３次元切削の場合には旋回治具９により
傾斜角φをつくり、刃物台８の旋回ψ’によりψを得る
ものであり、その合成角がθとなるのである。

【００１７】切削方向から被加工物に食い込む方向の傾
斜角度θは、少なくとも１０°は必要である。これは本
発明者らの知見によるもので、１０°未満の傾斜角度で
は弾性回復による逃げ面のこすれを完全に防止するでき
ないからである。上限は約３５°である。それはこれ以
上の傾斜角では切削開始時の切刃が被加工物に食い付く
際に逃げ面が先に被加工物と接触してしまい、正常な切
削ができなくなるからである。したがって、１０〜３５
°の範囲で被加工物の材質、切削条件などを勘案して最
適な角度を決めればよいが、この範囲ではいずれの被加
工物の材質および切削条件においても有効であり、いち
いち被切削加工物の材質、切削条件による調整は不要で
ある。この点は、従来の曲げ振動工具の場合にその都度
調整する必要があるのとは大きく異なり、生産性、安定
性の向上にとって有利である。

【００１８】本発明者らは、第１実施例に到る前に図７
に示すものを考慮した。これは、バイトシャンクを等長
の上シャンク７ａと下シャンク７ｂに分割し、それら上
下のシャンク７ａ，７ｂ間に偏平板状のシャンク部分を
有する切刃要素１３を介装し、切刃要素１３の板厚方向
に設けた複数の穴とそれに対応するように上下のシャン
ク７ａ，７ｂの軸方向に設けたねじ穴にねじ軸１４を螺
合して切刃要素１３を振動腹部位で固定している。そし
て、上下のシャンク７ａ，７ｂには振動節に相当する部
位につば１２０，１２１を設け、それらつば１２０，１
２１を固定フランジ１５，１５によって工具ホルダ１６
に固定している。かかる工具はそれなりの剛性は得られ
るものの、切刃要素１３が偏平でかつ板厚方向に複数個
の穴があいているため、強度が不足しがちとなり、硬い
被加工物に対しては寿命が短くなる点、切刃要素１３の
交換時に長いねじ軸を回動して抜き取らなければならな
いため、時間と手間がかかる点、部品数が多くなりコス
トが高くなる点などに問題があり、あまり実用的とは言
えなかった。これに対して本発明は、かかる問題をすべ
て解消することができるので実用的である。

【００１９】本発明は、前述した実施態様に限定される
ものではない。図１９はその例を示しており、（ａ）は
中ぐり加工に適した工具例を示しており、工具シャンク
１の振動腹ｌに対応する部位に工具シャンク１と直交状
にテーパ穴１００を形成し、ここにテーパを有する曲げ
振動形の切刃要素４’を嵌装固定したもので、切刃要素
４’のホルダ部４ａは工具シャンク１の端面から十分に
突出している。（ｂ）は深溝加工に好適な工具例を示し
ており、工具シャンク１の振動腹ｌに相当する部分を含
む中間領域に両側に突出する張出し部１ａ，１ａを形成
し、この張出し部１ａ，１ａに、工具シャンク１と直交
状にテーパ穴１００を形成し、ここにテーパを有する切
刃要素４を嵌装固定したものである。

【００２０】本発明はまた、前述したように旋盤などの
刃物台に搭載して使用する場合に限定されない。図２０
は本発明による超音波振動切削工具の適用例を示してお
り、Ｕ軸制御（主軸の角度θ制御）が可能なマシニング
センタ（ＭＣ）の主軸２０に工具ホルダ５を含めて超音
波振動切削工具Ａを取り付け、ＭＣテーブル２１に取り
付けた被加工物Ｗを加工するものである。この方法によ
れば、平削り加工、ポケット加工、さらにはエンドミル
では不可能な加工であるキャラクタライン加工などを高
精度に行なうことが可能である。

【００２１】

【実施例の作用】第１実施例においては、従来の振動切
削法と同じように、図２と図３のごとく工具ホルダ５を
もって刃物台８に保持固定させ、工具を切削方向に１５
〜１２０ｋＨｚ程度の超音波域から選択される振動数
ｆ，振幅ａで振動させ、切削速度Ｖとの間にＶ＜2πaf
の関係を成立させて切削を行う。このときに、本発明の
工具は、工具シャンク１の長手方向中央の振動腹ｌの位
置に切刃要素４が嵌装固定されており、振動腹ｌから等
距離へだたった上下２か所の振動節ｎ１，ｎ２が固定用
金具６ｂ，６ｂと可動固定用金具６ａ，６ａとでクラン
プ固定されている。このため、従来の工具（特に曲げ振
動系工具）に見られるような工具形状等の影響による振
動方向のバラツキがなく、したがって工具取り付け姿勢
の調整が不要である。しかも、高い工具剛性が達成され
るので、比較的大きな切削抵抗を受けても、振動方向が
変化せず、切刃要素振動方向が切削抵抗に影響を受けず
正確にかつ安定した切削方向とすることができる。

【００２２】また、第２実施例の場合には、旋回治具９
によって工具ホルダ５およびこれに抱持されている工具
シャンク１の全体を所望角度に簡便に傾斜することがで
きるので、振動方向を原則的な切削方向から被加工物に
食い込む方向に大きくたとえば３０°程度傾斜させ、こ
の状態で振動切削を行なうものである。こうすれば、被
加工物が焼き入れ鋼やステンレス鋼などの高硬度材料で
あっても、あるいは断続工作物（難加工形状材）であっ
ても、振動による切刃要素後退時に工具逃げ面が被加工
物と衝突しない振動軌跡を実現することができ、これに
より突発的な切刃要素の欠損が完全に防止され、定常的
な摩耗状態で仕上切削が可能となる。

【００２３】前記チッピング防止のメカニズムを説明す
ると、図８（ａ）（ｂ）（ｃ）は二次元切削において、
振動方向を被加工物側に対して０°とした場合の切刃要
素の振動軌跡および切刃要素にかかる切削抵抗を示して
おり、図９（ａ）（ｂ）（ｃ）は、被加工物側に４５°
傾斜させた場合（ｂ）の切刃要素の振動軌跡および切刃
要素にかかる切削抵抗を示している。なお、Ｖは切削速
度、Ｖｆは切り屑流出速度、Ｖｖ（ｔ）は切削速度（２
πａｆｃｏｓωｔ）、Ｖ＜Ｖｖｍａｘ、Ｎｒはすくい面
垂直力、Ｆｒはすくい面摩擦力、Ｎｆは逃げ面垂直力、
Ｆｆは逃げ面摩擦力、ＲｆはＮｆとＦｆの合力、ｆは振
動数、ａは振幅である。

【００２４】図８の場合には、刃先後退時に工具逃げ面
が通常の切削時と逆方向の摩擦力−Ｆｒおよび垂直力Ｎ
ｆを受け、合力Ｒｆは刃元方向上方を向くことになり、
この力が刃先をチッピングに到らしめるものと考察され
る。これに対して、図９の場合には、振動軌跡は振動速
度Ｖｖ（ｔ）と切削速度Ｖが合成されることにより楕円
軌跡を描き、それゆえ工具後退時には工具逃げ面が被加
工物から離れる軌跡を取り、これにより刃先後退時に刃
先に作用する力がなくなり、チッピング解消されるもの
である。なお、楕円振動切削法も知られているが、この
方法は、刃先を円形振動させるため剛性が低く、振動系
が複雑で発熱ロスが大きく、パワーを上げられない点、
刃先について一品一様の特殊シャンクが必要であるため
コスト高となる点、切込みが数μm程度までの微小切削
のみ対応が可能であるため、生産レベルでの切削は不可
能である点に問題がある。本発明はこうした問題点がな
い点で有利でありかつ実用的である。

【００２５】

【実施例】次に本発明の実施例を説明する。 実施例１ １）切削負荷を受けた場合でも振動方向が安定となるよ
うに図２および図３に示す剛性の高い超音波振動切削工
具を製作した。超音波振動発生装置には公称周波数２１
ｋＨｚおよび公称最大電気入力１ｋＷのボルトランジュ
バンタイプ電歪形振動子を用いた。工具シャンクは縦波
の１λで共振する長さとし，中央部の振動腹の個所に穴
を設けてここに切削チップを嵌装し、その上下２個所の
振動節の個所を工具ホルダに、固定用金具をねじで締め
付ける方法により固定した。切削チップは最大太さ１２
ｍｍ、テーパ（テーパ角５°）により固定する方式のス
ローアウエイ方式とした。

【００２６】超音波振動子を駆動するための超音波発振
器は、公称出力１．２kwのものを用いた．この超音波振
動切削工具の工具振動条件は、振動数ｆ＝２１．１ｋＨ
ｚ，振幅ａ=２０μmであり、この装置による臨界振動切
削速度Ｖｃ(=2πaf)は１１８．７m/minである。 ２）切削実験は工具ホルダを４尺普通旋盤の刃物台に固
定して行った。基本的な切削条件、工具条件、工作物条
件およびその他の加工条件は次のとおりである。 工具：Ｋ１０(0-0-10-10-10-30-0.2) 被加工物：S45C、SUS304、SUS440B(HRC55)、SCM435(40HRC) 切削速度Ｖ：７．９〜２８ｍ／ｍｉｎ 切込みｄ：０．０５〜１ｍｍ 送りＦ：０．１２７〜０．５ｍｍ 切削油剤：乾式、湿式（不水溶性）

【００２７】３）なお、比較のため、従来の縦振動系お
よび曲げ振動系超音波振動切削装置によっても切削を行
なってみた。縦振動系装置は、振動節部のフランジ１個
所で固定される方式のもので、切削チップはシャンク先
端にネジで固定する方式である。工具振動条件は振動数
ｆ：２１．５ｋＨｚ，振幅ａ：１７μｍである。曲げ振
動系装置は振動節２個所で締め付け金具により固定され
る方式のもので、切削チップはシャンク先端にネジで固
定する方式で、工具振動条件は振動数ｆ：１４．５ｋＨ
ｚ，振幅ａ：１８μｍとなっている。また、図７に示す
工具を比較例として用い、振動切削を行なった。工具の
条件は、上下のバイトシャンクの間に厚さ３ｍｍの偏平
状切削チップを介装し、偏平状切削チップを貫通するね
じ軸をバイトシャンクに螺合して固定した。工具振動条
件は振動数ｆ：２１．１ｋＨｚ，振幅ａ：１５μｍであ
る。

【００２８】４）被削材ＳＵＳ３０４に対し，超硬Ｋ１
０を用い，切削速度Ｖ：２８ｍ／ｍｉｎ、ｄ：０．１〜
１．０ｍｍ、Ｆ：０．１〜０．５ｍｍ／ｒｅｖ、切削距
離：７３．８ｍで外周長手旋削を行い，切込みと送り量
を順次増加させる方法で，従来方式の工具と比較例工具
による工具欠損発生限界を調査した．その結果は図１０
（ａ）に示すように，従来方式の工具（縦振動系および
曲げ振動系工具）ともに切込みｔおよび送りＦ同時に
０．２ｍｍを越えた時点で刃先に微小欠損が発生した。
それに対して，比較工具によれば，図１１のように、切
込みｔが０．６ｍｍまで，送りＦが０．４ｍｍまでの範
囲まで欠損が発生せず，チッピング発生限界が改善され
ている。しかしながら、これではまだ実用的に使用でき
るレベルとは言いがたい。しかも、より過酷な切削とし
て，超硬Ｋ１０を用いてSUS440Bの焼入材(55HRC)を切削
速度１８ｍ／ｍｉｎ，切込み０．２ｍｍ，送り０．１２
ｍｍ／ｒｅｖの条件で切削した場合は，切削距離８０ｍ
程度切削した時点で微小欠損が発生してしまった。

【００２９】５）次に本発明工具を前記切削条件で実験
してみた。その結果は図１２のとおりであり、切込みｔ
が０．８ｍｍまで，送りＦが０．５ｍｍまでの範囲まで
欠損が発生せず，チッピング発生限界がさらに改善され
ていることかわかる。この原因は，本発明工具は比較工
具に比べて振動姿態が切削抵抗の影響を受けにくく非常
に安定しているためと考えられ、工具寿命に関しては，
SUS304に対して切込みが０．２ｍｍ程度までの比較的軽
切削条件では、工具寿命は慣用切削に比べ逃げ面摩耗の
比較で約３倍程度，従来の縦振動系工具による超音波振
動切削に比べ約２倍程度向上し、工具寿命が大幅に向上
することがわかった．

【００３０】実施例２ １）実施例１に示す工具を使用し、該工具を含む全体を
刃物台に対し傾斜状に取り付け、工具欠損発生限界を調
査した。この場合の振動方向は、図６（ｂ）に示すよう
に，切削方向であるｙ軸方向を基準として−Ｚ軸方向に
３０゜，Ｘ軸方向に７゜傾斜させた。 ２）その結果を図１３に示す。この図１３のように，振
動方向を傾斜させることによって，切込みｔが１．０ｍ
ｍまで，送りＦが０．５ｍｍ以上の範囲まで欠損が発生
せず，傾斜させない実施例１の場合に比べてさらに欠損
発生限界が向上することがわかった。この原因は，振動
方向を原則的な切削方向から工作物に食い込む方向に傾
斜させることにより、振動軌跡は切削速度vと振動速度v
vの関係からループを描く軌跡となり，楕円形軌道を描
くようになると考えられる．よって，この振動方向を傾
斜させる方法により，工具逃げ面のこすれがなくなった
ためと考えられる．なお，それ以上の切削条件では切削
抵抗が大きすぎて振動が停止してしまう現象が見られ
た． ３）最適な傾斜角度を検討するため、超硬Ｋ１０を用
い，切削速度Ｖ：２８ｍ／ｍｉｎ、ｄ：０．１ｍｍ、
ｆ：０．１６５ｍｍ／ｒｅｖ、振動数：２１ｋＨｚ、振
幅２０μmとし、傾斜角度θを０〜４５°にとってＳ４
５Ｃの２次元切削を行なってみた。その結果得られた表
面粗さを、図１４（ａ）ないし（ｄ）に示す。この図か
ら、θが１５°と３０°の場合にきれいな山形状となっ
ており、これは切削面写真でも確認された。したがっ
て、傾斜角度は約１０〜３５°より好ましくは１５〜３
０°程度であることがわかる。

【００３１】実施例３ 慣用工具と、第１実施例および第２実施例の本発明工具
を使用し、超硬Ｋ１０を用いてＳＵＳ３０４の長尺材
（直径１８ｍｍ、長さ４５０ｍｍ）を切削速度１７．５
m/min，切込み０.０５mm，送り０．４mm/rev、振動数２
１ｋＨｚ，振幅２０μmの条件で切削し、加工寸法精度
を測定した。慣用工具の切削速度は最もよい加工精度が
得られた８０m/minである。第２実施例による振動方向
は切削方向であるｙ軸方向を基準として−Ｚ軸方向に３
０゜，Ｘ軸方向に７゜傾斜させた。測定位置と直径差の
関係を図１５に示す。この図１５から明らかなように、
第１実施例は良好な精度が得られているが、第２実施例
はさらに一段と良好な精度が得られている。

【００３２】実施例４ 慣用工具と、比較例工具および第２実施例の本発明工具
を使用し、超硬Ｋ１０を用いてSUS440Bの焼入材(55HRC)
を切削速度８ｍ／ｍｉｎ，切込み０．２ｍｍ，送り０．
１２ｍｍ／ｒｅｖの条件で切削した場合の切削距離と逃
げ面摩耗幅の関係について調べた結果を図１６に示す。
なお、慣用工具の切削速度は最もよい仕上面精度が得ら
れた８０m/minで行なった。慣用切削の場合は、切削速
度の８０ｍ／ｍｉｎにおいて、図1６のように切削距離
５５０ｍ切削時において３３０μｍ程度となった。比較
例工具を用いた場合には、振動方向に傾斜させなかった
ため、突発的な工具欠損が発生し，その時点で仕上げ面
が急激に悪化し、それにより工具寿命に至っている。そ
れに対して，本発明工具を使用して傾斜させて切削を行
った結果では，逃げ面摩耗幅は１００μｍにとどまり，
慣用切削工具および比較例工具に比べ大きく向上してい
る。その時の摩耗形態は、慣用切削の場合のようにすき
とり摩耗によるものではなく，マイクロチッピングの累
積によるものであることが観察された。すなわち，従来
の超音波振動切削においては生産現場でもっとも嫌われ
る突発的な工具欠損が発生し，それにより工具寿命に至
っていたものが，本発明によりそれがなくなり、チッピ
ングなしで焼入鋼の精密切削が可能であることが明らか
である。

【００３３】実施例５ 本発明（第２実施例の工具）と慣用法により断続形状被
加工物の仕上切削を行なった。被加工物は、材質がSUM4
35の調質材で硬さが４０ＨＲＣの外周長手方向に4本の
溝のある円板を用い，その外周面の仕上切削を超硬Ｋ１
０を用いて行った。切削速度は１２．６ｍ／ｍｉｎ、切
込み０．１ｍｍ、送り０．１２７ｍｍ／ｒｅｖ、振動数
２１ｋＨｚ、振幅、２０μmとした。その結果を図１７
と図１８に示す。慣用切削においては，切削速度条件を
１２．６，５８．４および１０２ｍ／ｍｉｎのいずれに
とっても、工具が溝を通過する毎に衝撃音が発生し，工
具の欠損が激しく、そのため，切削初期の仕上げ面あら
さ２μｍＲｙが1つめの工作物の半分程度切削した時点
で１５μｍＲｙに達してしまい，仕上切削が不可能とな
った。それに対して，本発明による超音波振動切削によ
る場合は，工具が溝を通過する際の衝撃音は一切聞こえ
ず，工具欠損もなく，工作物を２０個目まで初期の仕上
げ面あらさ３μmRyが維持され，さらに，３６個切削し
た時点での仕上げ面あらさは４μmRyとなり，初期と同
等であった。すなわち工具寿命が慣用切削の３６倍以上
となった。また、工具欠損は皆無であった。このことか
ら，超音波振動切削の問題点であった工具欠損を安定的
に防止でき、これにより慣用切削では加工困難な形状の
高硬度工作物の仕上切削を可能とすることができること
がわかる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明した本発明によれば、縦振動系
の超音波振動切削装置において、工具シャンクの上下方
向中間部部位の振動腹領域に、切刃要素を工具シャンク
軸線と直交上に固定するとともに、前記チップホルダか
ら上下に離間し振動節に相当する工具シャンク部分を工
具ホルダに支持させたので、刃先振動方向が大きな切削
負荷を受けた際にも振動姿態を乱すことのなく正確に切
削方向とすることができる剛性の高い超音波振動切削工
具とすることができ、これにより超音波振動切削におい
て問題点とされていた工具欠損をなくすことができる。
しかも構造が簡単で安価に実施できるなどのすぐれた効
果が得られる。請求項２によれば請求項１の効果に加え
て、切刃要素を工具シャンクに簡便かつ強固に固定する
ことができるので、振動数、振動方向を常に安定とする
ことができるというすぐれた効果が得られる。請求項３
によれば、上記切削工具を用い，かつ振動方向を原則的
な切削方向から工作物に食い込む方向に傾斜させて振動
切削するため、焼入鋼などの難削材や断続形状などを切
削した場合でも工具欠損せず安定的に仕上切削が可能と
なるというすぐれた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は従来の超音波振動切削工具（曲げ振動
系工具）の説明図、（ｂ）は従来の他の超音波振動切削
工具（縦振動系工具）の説明図である。

【図２】本発明の超音波振動切削工具の第１実施例を示
す縦断正面図である。

【図３】（ａ）は本発明の超音波振動切削工具の第１実
施例を示す部分切欠側面図である。（ｂ）は切刃要素と
工具シャンクの取り合いを示す部分拡大図である。

【図４】本発明の超音波振動切削工具の第２実施例を示
す正面図である。

【図５】（ａ）は第２実施例の側面図、（ｂ）は旋回治
具の一例を示す部分切欠側面図である。

【図６】（ａ）は２次元切削の場合の第１実施例の振動
方向を示す説明図、（ｂ）は同じく第２実施例の傾斜方
向と振動方向を示す説明図、（ｃ）は第２実施例の円筒
切削の場合の傾斜方向と振動方向を示す説明図である。

【図７】（ａ）は比較例工具の正面図、（ｂ）は同じく
その側面図、（ｃ）は切刃要素とバイトシャンクとの取
り合いを示す斜視図である。

【図８】（ａ）は第１実施例の場合の振動切削時の第１
過程、（ｂ）は第２過程、（ｃ）は第３過程を示す説明
図である。

【図９】（ａ）は第２実施例の場合の振動切削時の第１
過程、（ｂ）は第２過程、（ｃ）は第３過程を示す説明
図である。

【図１０】図１の従来型の工具を使用した場合のチッピ
ング限界を示す線図である。

【図１１】比較例工具を使用した場合のチッピング限界
を示す線図である。

【図１２】本発明の第１実施例を使用した場合のチッピ
ング限界を示す線図である。

【図１３】本発明の第２実施例を使用した場合のチッピ
ング限界を示す線図である。

【図１４】本発明において、傾斜角度を変化させた場合
の表面粗さの測定線図であり、（ａ）は傾斜角０°、
（ｂ）は傾斜角１５°、（ｃ）は傾斜角３０°、（ｄ）
は傾斜角４５°の場合を示す。

【図１５】第１実施例と第２実施例および慣用工具で長
尺被加工物を切削したときの加工寸法精度測定結果を示
す線図である。

【図１６】第２実施例と比較例工具および慣用工具で焼
入鋼の切削を行なった場合の切削距離と逃げ面摩耗との
関係を示す線図である。

【図１７】第２実施例と慣用工具で断続形状に対して切
削を行なった場合の加工個数と逃げ面摩耗幅の関係を示
す線図である。

【図１８】第２実施例と慣用工具で断続形状に対して切
削を行なった場合の加工個数と仕上げ面粗さの関係を示
す線図である。

【図１９】（ａ）は本発明を中ぐり加工に適用した場合
の工具要部を示す斜視図、（ｂ）は本発明を深溝加工に
適用した場合の工具要部を示す斜視図である。

【図２０】本発明による超音波振動切削工具の使用例を
示す斜視図である。

【符号の説明】

１ 工具シャンク ２ 振動子 ４ 切刃要素 ４ａ ホルダ部 ４ｂ チップ部 ５ 工具ホルダ ５ａ，５ｂ 保持腕部 ６ａ 固定用金具 ６ｂ 可動固定用金具 ｎ１，ｎ２ 振動節 ｌ 振動腹

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】縦振動１λの長さを有する工具シャンクを
   縦方向に配し、工具シャンクに刃先要素を取り付け、工
   具シャンクの後端部に直列状に振動子を取り付けた縦振
   動系の超音波振動切削装置において、前記工具シャンク
   の上下方向中間部部位の振動腹領域に、切刃要素を工具
   シャンク軸線と直交上に固定するとともに、前記チップ
   ホルダから上下に離間し振動節に相当する工具シャンク
   部分を工具ホルダに支持させたことを特徴とする超音波
   振動切削工具。
2. 【請求項２】切刃要素がテーパ状のホルダ部を有し、工
   具シャンクが軸線と直交上にテーパ穴を有し、該テーパ
   穴に前記ホルダ部が嵌装されている請求項１に記載の超
   音波振動切削工具。
3. 【請求項３】請求項１または請求項２の工具を使用し、
   切刃要素の振動方向を切削方向から被加工物に食い込む
   方向に傾斜させた振動方向として超音波振動切削するこ
   とを特徴とする超音波振動切削方法。