JP2008068364A - 振動切削加工装置及び振動切削加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エアカットに費やされていた無駄時間をなくして切削加工を効率よく行うことができる振動切削加工装置を提供する。
【解決手段】振動制御部３０から振動工具ユニット１４内の伸び振動用ランジュバン型振動子、曲げ振動用ランジュバン型振動子にそれぞれ印加される駆動電圧値、駆動電流値の情報、および振動センサ１５、ギャップセンサ２７でそれぞれ計測される計測情報のうちの少なくもいずれか１つの情報に基づいて、実時間でのバイト１３の第１方向の振動および第２方向の振動における振動数、振幅、位相をそれぞれ算出する振動状態算出部３２と、振動状態算出部３２で算出された第１方向の振動および第２方向の振動における振動数、振幅、位相の各情報のうちの少なくとも１つの情報に基づいて、切削加工時におけるバイト１３と被加工物７の初期接触位置を検知する初期接触検知部３３を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、切削工具の刃先を円振動または楕円振動させながら被加工物の切削を行う振動切削加工装置及び振動切削加工方法に関する。

切削工具の刃先に超音波領域の振動を与えながら切削加工する加工技術は従来より知られており、この加工技術を用いることによって、難削材の加工を可能にし、かつ加工精度の向上や工具摩耗の低減を図ることが可能となる。

特に近年では、２方向への微小振動を組み合わせて切削工具の刃先を円振動または楕円振動させる切削加工方法により、自由曲面や回折格子などの複雑な形状を有する光学素子等の硬質材を鏡面切削することが可能となってきた（例えば、特許文献１参照）。
特許第３６８９６２２号公報

ところで、前記特許文献１のように、切削工具を超音波振動させて光学素子等の硬質材（被加工物）を切削加工する場合においては、切削工具の切り込み量はサブミクロン以下となるように十分に小さく、０．１〜０．３μｍ程度に設定する必要がある。しかしながら、切削工具の切り込み量を正確にサブミクロン以下に管理する際において、以下に述べるような２つの課題があった。

一つは、切削工具と被加工物（光学素子等の硬質材）を徐々に近づけていって、切削工具と被加工物が接触する瞬間（以下、「初期接触」という）を正確に検出することが困難な点である。従来、この初期接触を検出する場合に、音響的弾性波の検出、電気的な導通検出、ＣＣＤカメラによる拡大像などの方法を用いていたが、これらの方法では、切削工具の０．５μｍ以下の切り込みを安定して精度よく検出することが難しかった。

もう一つは、被加工物の取り付け誤差である。例えば、平面状の被加工物（光学素子等）に回折パターンとしての溝を刻む場合において、切削工具の送り軸と被加工物の被加工面とを完全に平行にチャックすることは困難である。このため、被加工物の寸法にも依存するが、切削工具の切り込み変動を１μｍ以下に抑えることが難しかった。

そこで、従来ではこれらの課題に対処するために、切削工具が被加工物と初期接触する前の位置から所望の工具軌跡で送り動作したエアカットを行い、この１サイクル工程終了毎に、被加工物に対する切削工具の許容切り込み（０．１〜０．３μｍ程度）を与え、再度切削工具の送り動作を繰り返すようにしていた。しかしながら、このような対処方法では、エアカットに費やされる無駄時間により、切削加工効率が非常に悪かった。

そこで、本発明は、エアカットに費やされていた無駄時間をなくして切削加工を効率よく行うことができる振動切削加工装置及び振動切削加工方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、切削工具を円又は楕円振動させて被加工物を切削加工する振動切削加工装置において、前記切削工具を一端側に一体的に連結した連結部材と、前記連結部材に接続され、前記切削工具に対して被加工物の加工表面への切り込み方向と平行な第１方向の振動を付与する第１の振動発生手段と、前記連結部材に接続され、前記切削工具に対して前記第１方向の振動と交差する第２方向の振動を付与する第２の振動発生手段と、前記第１方向の振動変位を計測する第１の振動計測手段と、前記第２方向の振動変位を計測する第２の振動計測手段と、前記第１、第２の振動発生手段に駆動電圧および駆動電流をそれぞれ印加して、発生される前記第１方向の振動と前記第２方向の振動とを重畳して前記切削工具の刃先を円又は楕円振動させる振動制御手段と、前記振動制御手段から前記第１、第２の振動発生手段にそれぞれ印加される駆動電圧値、駆動電流値の情報、および前記第１、第２の振動計測手段でそれぞれ計測される計測情報のうちの少なくもいずれか１つの情報に基づいて、実時間での前記切削工具の前記第１方向の振動および前記第２方向の振動における振動数、振幅、位相をそれぞれ算出する振動状態算出手段と、前記振動状態算出手段で算出された前記第１方向の振動および前記第２方向の振動における振動数、振幅、位相の各情報のうちの少なくとも１つの情報に基づいて、切削加工時における前記切削工具と前記被加工物の初期接触を検知する初期接触検知手段と、を備えたことを特徴としている。

また、請求項２に記載の発明は、前記振動状態算出手段で算出された前記切削工具の前記第１方向の振動および前記第２方向の振動における振動数、振幅、位相の各情報のうちの少なくとも１つの情報に基づいて、前記被加工物の加工表面に対する前記切削工具の切り込み量を推定する切り込み量推定手段をさらに有することを特徴としている。

また、請求項３に記載の発明は、前記第１の振動計測手段が、前記連結部材内の一端側の前記切削工具近傍から前記切削工具と反対側の他端面に開口する前記切り込み方向と平行に形成された穴を通して、前記開口側から前記連結部材の一端側近傍の変位を非接触で計測する非接触計測センサであることを特徴としている。

また、請求項４に記載の発明は、前記非接触計測センサが、前記開口側から前記穴内に照射したレーザ光の前記連結部材内の一端側近傍に設けた反射板からの反射光に基づいて、前記第１方向の振動変位を計測するレーザドップラ振動センサであることを特徴としている。

また、請求項５に記載の発明は、前記連結部材の一端側から他端側に貫通する貫通穴を設け、前記貫通穴の他端側に接続したエアブロー配管から前記貫通穴を通して前記切削工具側に切り粉排出用のエアを供給することを特徴としている。

また、請求項６に記載の発明は、前記エアブロー配管から供給されるエアを温度管理して、前記連結部材に接続された前記第１、第２の振動発生手段の冷却制御を行うことを特徴としている。

また、請求項７に記載の発明は、前記連結部材の一端側から他端側に貫通する貫通穴を設け、前記貫通穴の他端側に接続した加工液供給配管から前記貫通穴を通して前記切削工具側に加工液を供給することを特徴としている。

また、請求項８に記載の発明は、前記貫通穴に可撓性を有するチューブを配設して、前記加工液供給配管から前記チューブを通して前記切削工具側に加工液を供給することを特徴としている。

また、請求項９に記載の発明は、切削工具を一端側に一体的に連結した連結部材と、前記連結部材に接続され、前記切削工具に対して被加工物の加工表面への切り込み方向と平行な第１方向の振動を付与する第１の振動発生手段と、前記連結部材に接続され、前記切削工具に対して前記第１方向の振動と交差する第２方向の振動を付与する第２の振動発生手段と、前記第１方向の振動変位を計測する第１の振動計測手段と、前記第２方向の振動変位を計測する第２の振動計測手段と、前記第１、第２の振動発生手段に駆動電圧および駆動電流をそれぞれ印加して、発生される前記第１方向の振動と前記第２方向の振動とを重畳して前記切削工具の刃先を円又は楕円振動させる振動制御手段と、を備えた振動切削加工装置の振動切削加工方法であって、前記振動制御手段から前記第１、第２の振動発生手段にそれぞれ印加される駆動電圧値、駆動電流値の情報、および前記第１、第２の振動計測手段でそれぞれ計測される計測情報のうちの少なくもいずれか１つの情報に基づいて、実時間での前記切削工具の前記第１方向の振動および前記第２方向の振動における振動数、振幅、位相をそれぞれ算出し、算出された前記切削工具の前記第１方向の振動および前記第２方向の振動における振動数、振幅、位相の各情報のうちの少なくとも１つの情報に基づいて、切削加工時における前記切削工具と前記被加工物の加工表面の初期接触を検知することを特徴としている。

また、請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の振動切削加工方法において、前記算出された前記切削工具の前記第１方向の振動および前記第２方向の振動における振動数、振幅、位相の各情報のうちの少なくとも１つの情報に基づいて、前記被加工物の加工表面に対する前記切削工具の切り込み量を推定することを特徴としている。

請求項１および請求項９に記載の振動切削加工装置および振動切削加工方法によれば、切削工具の被加工物の加工表面に対する初期接触位置をサブミクロン以下の高感度で検知することが可能となり、従来エアカットに費やされていた無駄時間をなくして振動切削加工を効率よく行うことができる。

また、請求項２および請求項１０に記載の発明によれば、被加工物の加工表面に対する切削工具の切り込み量を容易に推定することができるので、サブミクロン以下の精度で容易に加工表面から一定切り込みが可能となる。

また、請求項３、４に記載の発明によれば、振動切削加工時における切削工具の切り込み方向への実際の変位を計測することができるので、切削工具の加工表面への初期接触の検知を精度よく行うことができ、精度よく一定切込み制御を行うことができる。

また、請求項５に記載の発明によれば、簡易な構成で振動切削加工時における切り粉除去を容易に行うことができる。

また、請求項６に記載の発明によれば、新たな冷却装置を設けることなく、切り粉排出用のエアにより第１、第２の振動発生手段の冷却も併せて行うことができる。

また、請求項７、８に記載の発明によれば、簡易な構成で振動切削加工時に切削工具と加工表面間の潤滑を行うための加工液を切削工具側に供給することができる。

以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る振動切削加工装置の構成を示す概略図、図２は、本発明の実施形態に係る振動切削加工装置を示す側面図である。なお、本実施形態における振動切削加工装置は、切削工具先端に超音波加振を付与して被加工物の自由曲面を１００ｎｍ以下の形状精度に加工する装置である。

図１、図２に示すように、本実施形態に係る振動切削加工装置１は、基盤２上にＸ軸方向に移動自在なＸ軸スライダー３を設けたＸ軸スライド４と、Ｙ軸方向に移動自在なＹ軸スライダー５を設けたＹ軸スライド６とを備え、Ｘ軸スライダー３上には、被加工物７を保持するＺ軸回りに回転自在な回転テーブル（ワークテーブル）８が設けられている。また、Ｙ軸スライダー５上には、Ｚ軸方向に移動自在なＺ軸スライダー９を設けたＺ軸スライド１０が設置されており、Ｚ軸スライダー９には、Ｙ軸回りに回転自在な回転ロータ１１が設けられている。

駆動機構（不図示）によってＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向にそれぞれ移動するＸ軸スライダー３、Ｙ軸スライダー５、Ｚ軸スライダー９は、ＮＣ制御により位置決め分解能は１ｎｍであり、駆動機構（不図示）によってＺ軸回り、Ｙ軸回りにそれぞれ回転する回転テーブル８、回転ロータ１１は、ＮＣ制御により位置決め分解能は０．００００１ｄｅｇである。

回転ロータ１１の先端面には、駆動源としてピエゾ素子（不図示）を有する高速切り込みステージ機構１２が連結されており、この高速切り込みステージ機構１２には、先端側に切削工具としてのダイヤモンドバイト（以下、バイトという）１３を有する切削工具ユニット１４と、バイト１３の伸び方向（切り込み方向）の振動変位をレーザ光によって検出するレーザドップラ振動センサ（以下、振動センサという）１５が設置されている。振動センサ１５は、保持部材１６により高速切り込みステージ機構１２の上部に保持されている。なお、バイト１３は、開き角９０度の剣先バイトである。

高速切り込みステージ機構１２は、Ｚ軸方向へのストロークは１００μｍで、１００μｍの振幅において１ｋHzまでの応答が可能となっている。バイト１３のＺ軸方向への移動は、０．１ｍｍ以上の大ストロークの移動にはＺ軸スライダー９を用い、０．１ｍｍ以下の小ストロークには高速切り込みステージ機構１２を用いる構成としている。

前記したＸ軸スライダー３、Ｙ軸スライダー５、Ｚ軸スライダー９、回転テーブル８、回転ロータ１１および高速切り込みステージ機構１２の駆動は、駆動制御装置１７によって制御される。また、バイト１３の振動は、工具振動制御装置１８によって制御される。

図３に示すように、切削工具ユニット１４に内蔵されている連結部材としての円柱状の振動体１９は、中心部にその長手方向（Ｚ軸方向）に沿って貫通孔２０を有しており、この貫通孔２０を光路として、振動センサ１５により振動体１９の一端側に一体的に接続されているバイト１３の伸び方向（切り込み方向）の振動変位を加工中に実時間で検出可能としている。

振動センサ１５には可変焦点型を用い、焦点距離：１０〜１００ｍｍ、ビームスポット径：８０μｍ、応答周波数：２５０ｋHzである。振動センサ１５から照射されたレーザ光（計測用投射ビーム）Ｌ１は前記貫通孔２０の先端側（バイト１３近傍）に設けた変位計測用の反射部材２１にて反射され、その反射光Ｌ２を受光して振動変位を検出する。

切削工具ユニット１４内の振動体１９は、図３、図４（ａ），（ｂ）に示すように、切削工具ケーシング２２内に先端側支持軸２３ａと後端側支持軸２３ｂにより揺動自在に支持されている。先端側支持軸２３ａと後端側支持軸２３ｂは、振動工具ケーシング２２に設けた各軸受部２４ａ，２４ｂに保持されている。振動体１９には、伸び振動用ランジュバン型振動子２５と曲げ振動用ランジュバン型振動子２６が配置されている。曲げ振動用ランジュバン型振動子２６により中央部で二分割されている振動体１９は、その先端側と後端側が、先端側支持軸２３ａと後端側支持軸２３ｂによってそれぞれ揺動自在に支持されている。なお、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。

伸び振動用ランジュバン型振動子２５は振動体１９の先端面（図４（ａ）の下側）に配置され、曲げ振動用ランジュバン型振動子２６は振動体１９の中央部を径方向に分割するようにして配置されている。伸び振動用ランジュバン型振動子２５の先端側（図４（ａ）の下側）には、バイト取付部材２７を介してバイト１３が連結されている。曲げ振動用ランジュバン型振動子２６は、左右に所定の隙間を設けて二分割されている。

伸び振動用ランジュバン型振動子２５は、端子板２５ａの両面にピエゾ素子２５ｂ，２２ｃをそれぞれ固着するようにして構成され、曲げ振動用ランジュバン型振動子２６は、端子板２６ａの両面にピエゾ素子２６ｂ，２６ｃをそれぞれ固着するようにして構成されている。また、曲げ振動用ランジュバン型振動子２６の周面と対向する切削工具ケーシング２２内には、曲げ振動用ランジュバン型振動子２６の曲げ振動の振動変位を検出するためのギャップセンサ２７が設置されている。

伸び振動用ランジュバン型振動子２５は、各ピエゾ素子２５ｂ，２５ｃの伸び縮み動作によりバイト取付部材２８を介してバイト１３に伸縮振動（図４（ａ）に示した矢印Ｂ方向）を付与することができる。また、曲げ振動用ランジュバン型振動子２６は、図５に示すように、左右に二分割されている一方側（図５では左側）の各ピエゾ素子２６ｂ，２６ｃが伸びたときに他方側（図５では右側）の各ピエゾ素子２６ｂ，２６ｃを縮める動作を交互に行うことで、曲げ振動用ランジュバン型振動子２６により２分割されている振動体１９が二次の曲げモードで加振される。これにより、バイト取付部材２８を介してバイト１３に前記伸縮振動と交差する曲げ振動（図５に示した矢印Ｃ方向）を付与することができる。

そして、この曲げ振動に同期させて伸び振動用ランジュバン型振動子２５を駆動することで、伸び振動用ランジュバン型振動子２５と曲げ振動用ランジュバン型振動子２６で発生される各振動の振幅や位相の調整によって、図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すように、バイト１３に対して円振動および楕円振動を発生させることができる。なお、伸び振動用ランジュバン型振動子２５は中空穴を有する円柱状であり、位相の調整によって楕円長軸の向きも調整可能である。特に、長軸が被加工物の被加工面と平行となる楕円振動（図６（ｂ）参照）を用いた場合が、バイト１３の被加工面に対する初期接触検知が高まり、倣い動作切削にも適する結果が得られる。

伸び振動用ランジュバン型振動子２５と曲げ振動用ランジュバン型振動子２６の駆動は、工具振動制御装置１８の振動制御部３０で制御されるとともに、伸び振動用ランジュバン型振動子２５と曲げ振動用ランジュバン型振動子２６で発生される振動状態をモニタリングしている。伸び振動用ランジュバン型振動子２５と曲げ振動用ランジュバン型振動子２６は、工具振動制御装置１８のＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路３１で発生される位相信号に基づくフィードバックにより、バイト１３の被加工物７に対する初期接触検知時および被加工物７の被加工面に沿った倣い動作での切削時を除いて、その加振周波数が制御される。また、工具振動制御装置１８には、振動状態算出部３２、初期接触検知部３３、切込み量推定部３４を有している。

本実施形態では、振動制御部３０から曲げ振動用ランジュバン型振動子２６に印加された駆動電圧、駆動電流、およびギャップセンサ２７で検出された曲げ振動の振動変位に基づいて、振動状態算出部３２により曲げ振動パラメータ（曲げ方向（図５に示した矢印Ｃ方向）の振動周波数ωｂ、位相φｂ、振幅Ａｂ）Ｄ１が算出され、算出した曲げ振動パラメータＤ１がＰＬＬ回路３１に出力される。そして、曲げ振動用ランジュバン型振動子２６への曲げ振動についてはＰＬＬ回路３１によって共振周波数の追尾制御を行い、伸び振動用ランジュバン型振動子２５への伸び振動についてはこれに同期する形で加振を与えている。これは、正確な円振動や楕円振動を発生させる上で、２つの振動の同期が非常に重要なためである。

また、振動制御部２７から伸び振動用ランジュバン型振動子２５に印加された駆動電圧、駆動電流、および振動センサ１５で検出された伸び方向の振動変位に基づいて、振動状態算出部３２により伸び振動パラメータ（伸び方向（図４（ａ）に示した矢印Ｂ方向）の振動周波数ωｔ、位相φｔ、振幅Ａｔ）Ｄ２が算出される。

そして、初期接触検知部３３は、振動状態算出部３２で算出された曲げ振動パラメータ（曲げ方向の振動周波数ωｂ、位相φｂ、振幅Ａｔ）Ｄ１と伸び振動パラメータ（伸び方向の振動周波数ωｔ、位相φｔ、振幅Ａｔ）Ｄ２とに基づいて、バイト１３の初期接触検知（初期接触判定）を行い、また、切込み量推定部３４も、振動状態算出部３２で算出された曲げ振動パラメータ（曲げ方向の振動周波数ωｂ、位相φｂ、振幅Ａｔ）Ｄ１と伸び振動パラメータ（伸び方向の振動周波数ωｔ、位相φｔ、振幅Ａｔ）Ｄ２とに基づいて、バイト１３の切り込み量の推定を行う（詳細は後述する）。

そして、駆動制御装置１７は、初期接触検知部３３で得られた初期接触検知情報、および切込み量推定部３４で得られた切り込み量推定情報に基づいて、Ｚ軸スライダー９、高速切り込みステージ機構１２を駆動制御することにより、バイト１３の初期接触ならびにバイト１３の送り動作中に被加工物７の被加工面表面からの切り込み量を一定制御する倣い動作での切削加工を行うことができる（詳細は後述する）。

次に、本実施形態におけるバイト１３と被加工物７の初期接触検知動作について説明する。

図７（ａ）は、バイト１３の周波数−位相曲線を示す図、図７（ｂ）は、バイト１３の周波数−振幅曲線を示す図である。

図７（ａ）において、実線ａ１は、バイト１３が被加工物７に接触していないエアカット状態での周波数−位相曲線である。また、破線ａ２、ａ３は、それぞれバイト１３が被加工物７（被加工面）に微小接触状態での周波数−位相曲線、サブミクロンの切り込みを与えた直後での周波数−位相曲線である。

図７（ｂ）において、実線ｂ１は、バイト１３が被加工物７に接触していないエアカット状態での周波数−振幅曲線である。また、破線ｂ２、ｂ３は、それぞれバイト１３が被加工物７（被加工面）に微小接触状態での周波数−振幅曲線、サブミクロンの切り込みを与えた直後での周波数−振幅曲線である。なお、図７（ａ）、（ｂ）に示したエアカット状態も含めこれらの周波数−位相曲線、周波数−振幅曲線については、周波数解析装置などを用いて切削加工の事前に取得を行っている。

そして、Ｘ軸スライダー３、Ｙ軸スライダー５、Ｚ軸スライダー９、回転テーブル８、回転ロータ１１を駆動し、切削加工のため段取りを終えた状態で、工具振動制御装置１８のＰＬＬ回路３１による共振周波数の追尾制御によって最大振幅が得られる周波数ω０を振動制御部３０により算出し、算出したこの周波数ω０において、伸び振動用ランジュバン型振動子２５および曲げ振動用ランジュバン型振動子２６によりそれぞれ発生する、伸び振動および曲げ振動を同期させてバイト１３を円振動（または楕円振動）で駆動する。このとき、上記評価パラメータＤ１、Ｄ２において、ωｂ＝ωｔ＝ω０であり、ωｂ＝−９０度（図７（ａ）のＰ点）である。

この状態において、振動切削加工装置１のＺ軸スライダー９をＺ軸方向に移動させ、バイト１３を被加工物７に低速で接近させていく。そして、被加工物７の被加工面から０．０３〜０．０５μｍ程度の切り込みが発生すると、その接触部分での抵抗を受け、周波数特性としては、図７（ａ）に示した微小接触状態での周波数−位相曲線（破線ａ２）の状態に移行する。これは、接触部分での抵抗が振動体１９に対し、減衰として作用するためである。なお、振幅特性としては、図７（ｂ）に示した周波数−振幅曲線（破線ｂ２）の状態に移行することとなる。

そして、ＰＬＬ回路３１によるフィードバック制御により駆動周波数のスイープが行われ、初期接触状態の共振周波数ω１に自動追尾動作が行われる。この際、位相φｂの値としては、図７（ａ）において、Ｐ点→Ｓ点→Ｑ点への変化が生じることとなる。また、振幅Ａｔとしては、図７（ｂ）において、Ｐ′点→Ｑ′点への変化である。そして、Ｐ点→Ｓ点での位相φｂの変化量△φが生じた座標を取得することで、バイト１３のような切削抵抗の小さい工具においても、０．０５〜０．１μｍ程度での微小切り込み量で初期接触を検知することが可能となる。

なお、被加工物７として光学ガラス材の被加工面を鏡面切削するには、サブミクロン精度の切り込み量管理が必要であり、バイト１３をＹ軸方向に沿って移動したのみでは切り込み量が変動して安定な加工ができない。また、１回のＺ軸方向への切り込み量を小さくして、被加工面の表層から徐々に切削した場合でも、被加工面の表層からの切り込み量の変動は避けられず、Ｖ溝の加工などにおいては、溝幅に変動等が生じてしまう。

次に、本実施形態における振動切削加工方法について説明する。図８は、前記した振動切削加工装置１のバイト１３を振動させたときにおける、表面倣い動作による切削状況を示す図である。

図８に示すように、本実施形態では、被加工物７は光学ガラス材であり、タップ等のねじ穴を持たない部材である。よって、この被加工物７（光学ガラス材）はチャック用ワックス３５によって取付面板３６の表面に接着され、取付面板３６の裏面を回転テーブル８にクランプしている。なお、この被加工物７の被加工面は平面であるが、図８では平面度の悪さを誇張しており、更に、平面度に加えてチャック用ワックス３５の厚さむら、および被加工物７の接着面側と被加工面との平行度が不十分なことにより、Ｙ軸方向とは厳密には平行とはなっていない状態を示している。図８において、ａは円振動するバイト１３の刃先の軌跡であり、ｂは倣い動作切削時における振動円の中心軌跡である。

本実施形態における振動切削加工では、まず前記したようにＺ軸スライダー９をＺ軸方向に移動させ、バイト１３を被加工物７に低速で接近させて初期接触状態とする。この初期接触状態では、図７（ａ）、（ｂ）に示したように、バイト１３を共振周波数ω１で加振し、位相φｂとしてはＱ点の状態、振幅ＡｔとしてはＱ′点の状態にある。そして、この状態からＰＬＬ回路３１によるフィードバック制御をＯＦＦとし、振動制御をオープンループとする。

そして、この状態から高速切り込みステージ機構１２によってバイト１３をさらに下方向（Ｚ軸方向）に移動させて、サブミクロンの切り込みを与える。これにより、図７（ａ）、（ｂ）に示したように、振動特性は、サブミクロンの切り込みを与えた直後の周波数−位相曲線ａ３、ならびにサブミクロンの切り込みを与えた直後の周波数−振幅曲線ｂ３へ瞬時に状態に移行する。

なお、バイト１３を被加工面上で走査せずに一定位置で切り込みを与えるようなプランジカットの場合は、バイト１３の振動によって被加工物７が除去されてしまうので、図７（ａ）に示すように、タイムラグをもって微小振動状態の周波数−位相曲線ａ２、ならびに微小振動状態の周波数−振幅曲線ｂ２へ復帰することとなる。また、図７（ａ）、（ｂ）に示したように、位相φｂとしてはＱ点→Ｔ点→Ｑ点の変化を、振幅としてはＱ′点→Ｔ′点→Ｑ′点の変化をすることとなる。位相φｂにおいて、点Ｔ点→Ｑ点への復帰は切り込み量に相当する体積が除去されて生ずるのであるが、被加工面とバイト１３との間の弾性的な逃げが存在するため、複数回のバイト１３の通過をもって徐々に復帰することとなる。

この状態でバイト１３に送りを与えて被加工面を走査すると、未加工面に新規に切り込むことになるため、バイト１３の走査にともなう切り込み量の変化がない場合は、図７（ａ）に示した、直線ＴＱ間（Ｔ点→Ｑ点間）の一定の位置に位相φｂの値が留まることになる。そして、バイト１３の走査をさらに速めていくと、１振動当たりの工具送り量が、１回の振動で形成される加工痕の長さよりも大となった時点で、位相φｂはＴ点で一定値をとるようになる。

そして、前記したこれらの状態を応用し、被加工面の傾きによって切り込みが変化してしまう場合は、位相φｂの値を参照しながら高速切り込みステージ機構１２を駆動制御し、位相φｂの値が直線ＴＱ間で一定となるように位置制御することで、被加工物７の被加工面表面からの切り込み量が一定となり、被加工物７の被加工面の表面形状に沿った倣い動作での切削加工を行うことができる。

同様に振幅Ａｔの値を直線Ｔ′Ｑ′間で一定にとなるように位置制御することでも同様な制御が可能となるが、高速切り込みステージ機構１２の駆動に対して過敏に反応し過ぎる場合は、一定値に保持することが困難となるため、被加工物７の材質等によって使い分けが必要である。また、伸び振動用ランジュバン型振動子２５と曲げ振動用ランジュバン型振動子２６のインピーダンスも振動状態の把握に活用可能であり、この周波数特性も事前に取得しておくことで、より正確な初期接触検知や倣い動作が可能となる。

また、前記したように振動体１９に貫通孔２０を設けているので、図９に示すように、貫通孔２０のバイト１３と反対側（図９の上側）に切り粉排出用のエアブロー接続管３７を接続するとともに、貫通孔２０のバイト１３側（図９の下側）にエアブローガイド３８を設けて、エアブロー接続管３７を通して供給されるエアｃをバイト１３側に吹き出すようにしてもよい。

これにより、前記した振動切削加工時において流れ型切りくずが生成される場合には、バイト１３の前逃げ面からのブローは特に有効なので、振動振動切削加工時における切り粉除去を効果的にかつ容易に行うことができる。また、エアが貫通孔２０を直接通過することにより、エアブロー接続管３７を通して供給されるエアを温度管理することで、貫通孔２０を通過するエアにより振動体１９（伸び振動用ランジュバン型振動子２５と曲げ振動用ランジュバン型振動子２６）の温度制御を併せて行うことが可能となる。

また、バイト１３に切削用潤滑剤（加工液）を供給する場合、図１０に示すように、振動体１９に設けている貫通孔２０にナイロンチューブ等の可撓性を有する潤滑剤供給チューブ３９を配置するとともに、潤滑剤供給チューブ３９のバイト１３側（図１０の下側）に潤滑剤供給用ガイド４０を設けて、潤滑剤供給チューブ３９を通して供給される切削用潤滑剤ｄをバイト１３に向けて供給するようにしてもよい。この場合においては、貫通孔２０の径を大きくすることにより、貫通孔２０に潤滑剤供給チューブ３９を容易に配置することができる。なお、図１０において、Ｌ１は振動センサ１５から照射されたレーザ光（計測用投射ビーム）、Ｌ２は反射部材２１にて反射されたその反射光である。

このように、振動体１９の貫通孔２０に潤滑剤供給チューブ３９を配置することにより、振動振動切削加工時にバイト１３と被加工物７の被加工面間の潤滑を行うための切削用潤滑剤をバイト１３側に効果的にかつ容易に供給することができる。この際、貫通孔２０を通して振動センサ１５でバイト１３の振動変位の計測も併せて良好に行うことができる。また、潤滑剤供給チューブ３９の代わりにエアブロー供給チューブを貫通孔２０に配置することにより、切り粉排出用のエアをバイト１３側に効果的にかつ容易に供給することができる。

本発明の実施形態に係る振動切削加工装置の構成を示す概略図。 本発明の実施形態に係る振動切削加工装置を示す側面図。 切削工具ユニットの振動体を示す断面図。 （ａ）は、振動体を示す一部破断側面図、（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ線断面図。 曲げ振動用ランジュバン型振動子による振動体の曲げ振動状態を示す図。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、バイトの駆動によって生成される振動軌跡の例を示す図。 （ａ）は、バイトの周波数−位相特性を示す図、（ｂ）は、バイトの周波数−振幅特性を示す図。 バイトの表面倣い動作による切削状況を示す図。 貫通孔に切り粉排出用のエアブロー接続管を接続した振動体を示す断面図。 貫通孔に潤滑剤供給チューブを配置した振動体を示す断面図。

符号の説明

１ 振動切削加工装置
３ Ｘ軸スライダー
５ Ｙ軸スライダー
７ 被加工物
８ 回転テーブル
９ Ｚ軸スライダー
１１ 回転ロータ
１２ 高速切り込みステージ機構
１３ バイト（切削工具）
１４ 切削工具ユニット
１５ 振動センサ（第１の振動計測手段）
１７ 駆動制御装置
１８ 工具振動制御装置
１９ 振動体（連結部材）
２０ 貫通孔
２１ 反射部材
２５ 伸び振動用ランジュバン型振動子（第１の振動発生手段）
２６ 曲げ振動用ランジュバン型振動子（第２の振動発生手段）
２７ ギャップセンサ（第２の振動計測手段）
３０ 振動制御部（振動制御手段）
３１ ＰＬＬ回路
３２ 振動状態算出部（振動状態算出手段）
３３ 初期接触検知部（初期接触検知手段）
３４ 切込み量推定部（切込み量推定手段）
３７ エアブロー接続管
３９ 潤滑剤供給チューブ

Claims (10)

1. 切削工具を円又は楕円振動させて被加工物を切削加工する振動切削加工装置において、
   前記切削工具を一端側に一体的に連結した連結部材と、
   前記連結部材に接続され、前記切削工具に対して被加工物の加工表面への切り込み方向と平行な第１方向の振動を付与する第１の振動発生手段と、
   前記連結部材に接続され、前記切削工具に対して前記第１方向の振動と交差する第２方向の振動を付与する第２の振動発生手段と、
   前記第１方向の振動変位を計測する第１の振動計測手段と、
   前記第２方向の振動変位を計測する第２の振動計測手段と、
   前記第１、第２の振動発生手段に駆動電圧および駆動電流をそれぞれ印加して、発生される前記第１方向の振動と前記第２方向の振動とを重畳して前記切削工具の刃先を円又は楕円振動させる振動制御手段と、
   前記振動制御手段から前記第１、第２の振動発生手段にそれぞれ印加される駆動電圧値、駆動電流値の情報、および前記第１、第２の振動計測手段でそれぞれ計測される計測情報のうちの少なくもいずれか１つの情報に基づいて、実時間での前記切削工具の前記第１方向の振動および前記第２方向の振動における振動数、振幅、位相をそれぞれ算出する振動状態算出手段と、
   前記振動状態算出手段で算出された前記第１方向の振動および前記第２方向の振動における振動数、振幅、位相の各情報のうちの少なくとも１つの情報に基づいて、切削加工時における前記切削工具と前記被加工物の初期接触を検知する初期接触検知手段と、を備えた、
   ことを特徴とする振動切削加工装置。
2. 前記振動状態算出手段で算出された前記切削工具の前記第１方向の振動および前記第２方向の振動における振動数、振幅、位相の各情報のうちの少なくとも１つの情報に基づいて、前記被加工物の加工表面に対する前記切削工具の切り込み量を推定する切り込み量推定手段をさらに有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の振動切削加工装置。
3. 前記第１の振動計測手段は、前記連結部材内の一端側の前記切削工具近傍から前記切削工具と反対側の他端面に開口する前記切り込み方向と平行に形成された穴を通して、前記開口側から前記連結部材の一端側近傍の変位を非接触で計測する非接触計測センサである、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の振動切削加工装置。
4. 前記非接触計測センサは、前記開口側から前記穴内に照射したレーザ光の前記連結部材内の一端側近傍に設けた反射板からの反射光に基づいて、前記第１方向の振動変位を計測するレーザドップラ振動センサである、
   ことを特徴とする請求項３に記載の振動切削加工装置。
5. 前記連結部材の一端側から他端側に貫通する貫通穴を設け、前記貫通穴の他端側に接続したエアブロー配管から前記貫通穴を通して前記切削工具側に切り粉排出用のエアを供給する、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の振動切削加工装置。
6. 前記エアブロー配管から供給されるエアを温度管理して、前記連結部材に接続された前記第１、第２の振動発生手段の冷却制御を行う、
   ことを特徴とする請求項５に記載の振動切削加工装置。
7. 前記連結部材の一端側から他端側に貫通する貫通穴を設け、前記貫通穴の他端側に接続した加工液供給配管から前記貫通穴を通して前記切削工具側に加工液を供給する、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の振動切削加工装置。
8. 前記貫通穴に可撓性を有するチューブを配設して、前記加工液供給配管から前記チューブを通して前記切削工具側に加工液を供給する、
   ことを特徴とする請求項７に記載の振動切削加工装置。
9. 切削工具を一端側に一体的に連結した連結部材と、前記連結部材に接続され、前記切削工具に対して被加工物の加工表面への切り込み方向と平行な第１方向の振動を付与する第１の振動発生手段と、前記連結部材に接続され、前記切削工具に対して前記第１方向の振動と交差する第２方向の振動を付与する第２の振動発生手段と、前記第１方向の振動変位を計測する第１の振動計測手段と、前記第２方向の振動変位を計測する第２の振動計測手段と、前記第１、第２の振動発生手段に駆動電圧および駆動電流をそれぞれ印加して、発生される前記第１方向の振動と前記第２方向の振動とを重畳して前記切削工具の刃先を円又は楕円振動させる振動制御手段と、を備えた振動切削加工装置の振動切削加工方法であって、
   前記振動制御手段から前記第１、第２の振動発生手段にそれぞれ印加される駆動電圧値、駆動電流値の情報、および前記第１、第２の振動計測手段でそれぞれ計測される計測情報のうちの少なくもいずれか１つの情報に基づいて、実時間での前記切削工具の前記第１方向の振動および前記第２方向の振動における振動数、振幅、位相をそれぞれ算出し、算出された前記切削工具の前記第１方向の振動および前記第２方向の振動における振動数、振幅、位相の各情報のうちの少なくとも１つの情報に基づいて、切削加工時における前記切削工具と前記被加工物の初期接触を検知する、
   ことを特徴とする振動切削加工方法。
10. 前記算出された前記切削工具の前記第１方向の振動および前記第２方向の振動における振動数、振幅、位相の各情報のうちの少なくとも１つの情報に基づいて、前記被加工物の加工表面に対する前記切削工具の切り込み量を推定する、
    ことを特徴とする請求項９に記載の振動切削加工方法。

Images