JP5646251B2 - 内径面加工用ツールおよび内径面加工装置 - Google Patents

Description

本発明は内径面加工用ツールおよび内径面加工装置に関し、さらに詳細には、特に工作物の小径の被加工穴内径面を仕上加工するのに適した内径面加工技術に関する。

工作物（以下、ワークと称する）の被加工穴内径面を仕上加工する内径面加工、例えば、ワークの穴内径面を鏡面に仕上げるホーニング加工においては、ホーニング盤の回転主軸先端にホーニングツールを取り付けて、このホーニングツールとワークを相対的に浮動の状態におき、ホーニングツールに回転と往復運動を与えるとともに、ホーニングツールの砥石を拡張ロッドのウェッジまたはコーンにより拡張させながら、ワーク内径面に精密仕上げを行う。

ところで、ホーニング加工においては、図１３（ａ）に示すように、砥石ａ、ａ、…がワークＷの被加工穴内径面Ｗａに常に接しながら研削加工を行っており、これは、図１３（ｂ）に示すように、回転砥石（砥石車）ｂを加工部として備える研削加工において、砥石車ｂが１回転でワークＷの被加工面Ｗｂに一瞬だけ接するのと対照をなす。

このように、砥石ａ、ａ、…がワークＷの被加工穴内径面Ｗａに常に接するホーニング加工においては、砥石面ｇからの切り屑の排出性が悪いという状況下にある。

例えば、図１３（ｃ）は、ホーニング加工において、砥石ａ、ａ、…のワークＷに対する切り込み量が小さい場合を示しているが、このように切り込み量が小さい場合は、砥石ａの砥石面ｇとワークＷの被加工穴内径面Ｗａの間に隙間ｄがあり、この隙間ｄは切り屑ｅが排出されるための通路となる。

さらに砥石ａ、ａ、…のワークＷに対する切り込み量が大きくなると、切り屑ｅが排出されるための隙間ｄは狭くなり、これに伴い、切り屑ｅの排出を助ける切削油剤も流入し難くなり、これがため、切り屑ｅは上記砥石面ｇと被加工穴内径面Ｗａとの間から排出されずに砥石面ｇの砥粒ｈに付着してしまい、上記隙間ｄをさらに狭くする。この結果、切削により発生する熱は逃げ難くなり、ホーニング加工精度の悪化を招くことになる。これは、砥粒ｈが細かく（砥粒径寸法が小さく）なることで、さらに加工状態を厳しくする。

この点に関して、特許文献１および特許文献２に開示されるようなホーニング加工技術が知られている。これらのホーニング加工技術は、ホーニング工具が、回転運動と往復運動を同時に行うとともに、これらの運動に加えて、超音波励起されて固有振動数で振動するように構成されている。

そして、ホーニング工具に加えられた超音波振動により、従来に比較して材料除去量が増えるだけでなく、穴の良好な形状修正が可能となる。

特表平６−５０６１５７ 特表平７−５０２４５９

ところで、この特許文献１および特許文献２に開示されるような従来のホーニング加工技術においては、振動子はホーニング工具を振動させたい方向に向けて配置される構成であるため、ホーニング工具を径方向に拡張させるには振動子を径方向に向けて配置できる配置空間が必要で、加工対象であるワーク径が小さい場合には、超音波振動を加えることは困難であり、実際には行われていなかった。

すなわち、これら従来のホーニング技術における振動は、軸方向成分と径方向成分を含むところ、これら両成分は固有振動数の影響下にあり、しかも、前者の軸方向成分に比較して後者の径方向成分は小さくて（効率が悪く）、この振動の径方向成分を仕上がり寸法の調整はもとより、切り込み運動として積極的に活用するには不十分であり、またそのような技術思想は存在していなかった。

また、これら従来のホーニング技術においては、ホーニング工具の工具長さや形状寸法などの設計条件も、拘束条件が多くて厳しく、この点からも実用上さらなる改良の余地があった。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、砥石部の径方向への拡幅振動により、ワークの被加工穴内径面についての高い加工能率化を実現することができる内径面加工技術を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の内径面加工用ツールは、工作機械等の主軸に取り付けられて、ワークの被加工穴内径面を加工するものであって、ツール本体と、このツール本体の一部に設けられ、軸方向振動により径方向へ拡幅振動する構造を有する砥石加工部と、上記ツール本体に軸方向振動を与える振動付与手段とを備えてなり、上記ツール本体の下端部に上記砥石加工部の錘作用をなす錘部が設けられるとともに、この錘部の上側に少なくとも径方向外方への撓み特性を有する砥石部が設けられて、上記砥石加工部が構成され、上記振動付与手段による上記ツール本体の軸方向振動と上記錘部の錘作用との協働作用により、上記砥石部が径方向外方へ撓んで拡幅振動することを特徴とする。

好適な実施態様として、以下の構成が採用される。
（１）上記振動付与手段は、上記ツール本体の基端に一体接続された超音波振動子である。

（２）上記錘部は、少なくとも上記砥石部の構成材料よりも比重（密度）の大きな材料から構成されている。

（３）上記砥石部は、上記ツール本体の円筒外周に連続する中空円筒体に複数の拡幅用スリットが設けられて中空構造の砥石本体が形成されるとともに、上記砥石本体の外周面に砥粒が電着されてなる。

（４）上記砥石部は、上記ツール本体の外周部に沿った円筒輪郭上に複数枚の薄肉金属板が配されて中空構造の砥石本体が形成されるとともに、この砥石本体の外周面に砥粒が電着されてなる。

また、本発明の内径面加工装置は、加工ツールとして、上述の内径面加工用ツールが主軸に取り付けられてなり、上記振動付与手段により、上記加工ツールの砥石加工部が径方向へ拡幅振動して、ワークの被加工穴内径面を仕上加工する内径面加工装置であって、上記振動付与手段は、上記ツール本体の基端に一体接続された超音波振動子からなり、この超音波振動子が、上記主軸内に配置され、加工中に上記超音波振動子を動作制御することにより、上記砥石加工部の拡幅振動の振幅量をインプロセスで調整する構成を備え、上記インプロセスで調整される前記砥石加工部の拡幅振動の振幅量が砥石摩耗量であることを特徴とする。

また、本発明の内径面加工装置は、加工ツールとして、上述の内径面加工用ツールが主軸に取り付けられてなり、上記振動付与手段により、上記加工ツールの砥石加工部が径方向へ拡幅振動して、ワークの被加工穴内径面を仕上加工する内径面加工装置であって、上記振動付与手段は、上記ツール本体の基端に一体接続された超音波振動子からなり、この超音波振動子が、上記主軸内に配置され、加工中に上記超音波振動子を動作制御することにより、上記砥石加工部の拡幅振動の振幅量をインプロセスで調整する構成を備え、上記インプロセスで調整される上記砥石加工部の拡幅振動の振幅量が加工寸法調整のための振幅量であることを特徴とする。

そして、好適な実施態様として、以下の構成が採用される。
（１）超音波振動子に対する電力供給が非接触給電である。

（２）ワークの被加工穴内径面の軸線方向へ往復移動可能とされるとともに、軸線まわりに回転可能に軸支されてなる回転主軸である上記主軸と、この回転主軸を軸線回りに回転駆動する主軸回転手段と、上記回転主軸を上記被加工穴内径面の軸線方向へ往復動作させる主軸往復手段と、上記主軸回転手段および主軸往復手段の動作を相互に連動して自動制御する制御手段とを備えてなる。

本発明によれば、工作機械等の主軸に取り付けた加工用ツールとして、そのツール本体の一部に、ツール本体の軸方向振動により径方向へ拡幅振動する構造の砥石加工部を設け、上記ツール本体に軸方向振動を与えることにより、上記砥石加工部を径方向へ拡幅振動させてワークの被加工穴内径面を加工するから、上記ツール本体に軸方向振動が与えられると、この軸方向振動により上記砥石加工部が径方向へ拡幅振動して、これを切り込み運動に活用することにより、ワークの被加工穴内径面に対して径方向振動を伴った機械的除去加工を行うことができる。

すなわち、本発明によれば、例えば、超音波の軸振動を、砥石加工部の径方向への拡幅振動として効率的に変換することができ、ホーニング加工等の内径面加工における加工効率を向上させることができる。このような加工用ツールにおける工具径方向の大きな振動の発現は、ワークの被加工穴内径面の精密加工技術に新しい進展をもたらすものである。

換言すれば、砥石加工部が径方向に振動することで、砥石加工部がワークの被加工穴内径面に対して切り込んで、これら両者間の隙間が狭くなったり、砥石加工部がワークの被加工穴内径面から離れて、これら両者間の隙間が広くなったりと、これら両状態の間での動作を繰り返す結果、ここに生じるポンプ作用で切削油が上記隙間に入りやすく、また排出されることで、切り屑の排出性が上がる。

これにより、内径面加工時の切削抵抗が過度に上がらないので、砥石加工部の切り込み量を大きく設定することで加工時間が短縮される。また、薄肉ワークには切削抵抗が小さいので、ひずみが少なく高精度な穴加工が可能となる。

本発明に係る実施形態１であるホーニング盤を示す側面図である。 同ホーニング盤の主要構成部であるホーニングツールを示す正面断面図である。 同ホーニングツールのツール本体を示す正面図である。 同ツール本体の砥石加工部を拡大して示す正面図で、図４（ａ）は常態時の状態を示し、図４（ｂ）は拡幅時の状態を示す。 同ホーニングツールの構造と超音波振動メカニズムとの関係を模式的に示す図である。 同ツール本体の砥石加工部を拡大して示す模式図で、図６（ａ）は拡幅時の状態、図６（ｂ）は常態時の状態、および図６（ｃ）は縮幅時の状態をそれぞれ示す。 同ツール本体の砥石加工部の変形例を拡大して示す模式図である。 同ツール本体のホーニング砥石（砥石部）の拡幅時の断面輪郭形状の種類を示す輪郭線図である。 同ホーニングツールの砥石加工部の砥石面とワークの被加工穴内径面との関係を模式的に示す図で、図９（ａ）はホーニングツールの砥石加工部の砥石面による切り込み隙間が狭くなった状態を示し、図９（ｂ）は同切り込み隙間が広くなった状態を示す。 図１０（ａ）は、同ホーニングツールによるワークの被加工内径面の仕上げ面の走査電子顕微鏡写真、および図１０（ｂ）は従来のホーニングツールによるワークの被加工穴内径面の仕上げ面と比較して示す走査電子顕微鏡写真である。 同ホーニングツールによるワークの被加工内径面の仕上げ面粗さを、従来のホーニングツールによるワークの被加工穴内径面の仕上げ面粗さと比較して示すグラフである。 本発明の実施形態２に係るホーニングツールのツール本体の砥石加工部を示す正面図で、図１２（ａ）は常態時の状態を示し、図１２（ｂ）は拡幅時の状態を示す。 図１３（ａ）は，ホーニング加工における砥石とワークの被加工穴内径面との関係を示す模式図、図１３（ｂ）は，研削加工における砥石とワークの被加工面との関係を示す模式図、図１３（ｃ）は、ホーニング加工における砥石部の砥石面とワークの被加工穴内径面との関係を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、図面全体にわたって同一の符号は同一の構成部材または要素を示している。

本発明に係る内径面加工装置を図１に示し、この内径面加工装置は、具体的には、ワークＷの小径（図示の場合は内径４．０ｍｍ程度）の被加工穴Ｗａ内径面をホーニング加工するホーニング盤であって、加工ツールとして本発明の特徴構成であるホーニングツール（内径面加工用ツール）１を回転主軸２の先端に備えるとともに、このホーニングツール１が、砥石切り込み部としての砥石振動部３により径方向へ拡幅振動しながら、ワークＷの被加工穴内径面Ｗａをホーニング仕上加工するものである。

ホーニング盤は、上記構成に加えて従来公知の基本構造を備える。すなわち、ホーニング盤は、ワークＷの被加工穴内径面Ｗａの軸線方向へ往復移動可能とされるとともに、その軸線まわりに回転可能に軸支されてなる上記回転主軸２、この回転主軸２をその軸線回りに回転駆動する主軸回転駆動部（主軸回転手段）４、および回転主軸２をワークＷの被加工穴内径面Ｗａの軸線方向へ往復動作させる主軸往復駆動部（主軸往復手段）５を主要部として備えてなり、これら主要部は装置本体であるコラム７上に装置されるとともに、上記主軸回転駆動部４および主軸往復駆動部５が装置制御部（制御手段）６により相互に連動して駆動制御される構成とされている。

また、ワークＷは、その被加工穴内径面である円筒内径面Ｗａの軸線が上下方向へ向いた状態で、ワーク保持部のワーク保持治具８に水平方向へ浮動状態（前後左右方向へ揺動可能な状態）でかつ取外し交換可能に支持される。

回転主軸２は、その先端つまり下端に上記ホーニングツール１を備えるとともに、主軸駆動軸１０、動力伝達部１１ａ〜１１ｃおよび駆動モータ１２等を含む上記主軸回転駆動部４と、スライド本体１５、送りネジ機構１６、駆動モータ１７等を含む上記主軸往復駆動部５とにそれぞれ連係されている。

すなわち、回転主軸２はスライド本体１５に回転可能に軸支されており、このスライド本体１５は、案内レール（図示省略）により昇降案内されるとともに、昇降駆動源である上記送りネジ機構１６および駆動モータ１７に駆動連結されて、上記主軸往復駆動部５が構成されている。

上記案内レールは、具体的には図示しないが、機体１９上に上下方向へ直線状に延びて設けられ、この案内レールに上記スライド本体１５の摺動部１５ａが摺動案内可能に支持されている。また、スライド本体１５の摺動部１５ａには、送りネジ機構１６のナット体１６ａが一体的に連結固定され、このナット体１６ａが、機体１９に垂直上下方向へ延びるとともに回転可能に軸支された送りネジ１６ｂに上下方向へ螺進退可能に螺合されている。送りネジ１６ｂは、その上端部がカップリング２０を介して上記駆動モータ１７のモータ軸１７ａに駆動連結されている。この駆動モータ１７としては、ロータリエンコーダ等の位置検出センサ２１が一体的に内蔵されてなるサーボモータが使用されており、上記位置検出センサ２１により駆動モータ１７の回転量が検出される。

そして、この駆動モータ１７のモータ軸１７ａが回転駆動することにより、送りネジ機構１６の送りネジ１６ｂが回転されて、ナット体１６ａと一体のスライド本体１５が上下方向へ移動され、このスライド本体１５を介して、回転主軸２つまりはホーニングツール１が昇降動作されることとなる。また、このホーニングツール１の昇降動作は、駆動モータ１７に内蔵された上記位置検出センサ２１により検出されて、その検出結果が後述する装置制御部６に送られる。

また、回転主軸２の上端部２ｂは上記主軸回転駆動部４に駆動連結されている。すなわち、回転主軸２の上端部２ｂは、機体１９のヘッド部１９ａに回転可能に設けられた主軸駆動軸１０にスプライン嵌合されて、この主軸駆動軸１０に対して、上下方向（軸線方向）へ相対的に移動可能でかつ一体回転可能に連結されている。

具体的には、回転主軸２の上端部２ｂが、ロータリスプライン装置２２により、機体１９のヘッド部１９ａに上下方向へ摺動可能に軸支されるとともに、上記主軸駆動軸１０に同軸上にかつ一体回転可能に接続されている。

主軸駆動軸１０には伝動プーリ１１ａが取り付けられ、この伝動プーリ１１ａが、伝動ベルト１１ｂを介して、駆動モータ１２のモータ軸１２ａに取り付けられた伝動プーリ１１ｃに連結されている。この駆動モータ１２としては、ロータリエンコーダ等の位置検出センサ２３が一体的に内蔵されてなるサーボモータが使用されており、上記位置検出センサ２３により駆動モータ１２の回転量が検出され、これにより、上記ホーニングツール１の回転動作が検出される。

そして、この駆動モータ１２の回転駆動により、主軸駆動軸１０を介して、回転主軸２つまりはホーニングツール１が回転駆動されることとなる。また、このホーニングツール１の回転動作は、駆動モータ１２に内蔵された上記位置検出センサ２３により検出されて、その検出結果が後述する装置制御部６に送られる。

ホーニングツール１は、図２に示すように、ツール本体３０、径方向へ拡幅振動する砥石加工部３１、および振動付与手段を構成する超音波振動子３２を主要部として備えるとともに、取付け部３３を介して、上記回転主軸２の先端取付け部２ａに交換可能に取付け固定され装着される構成とされている。また、このホーニングツール１の装着時において、上記超音波振動子３２は回転主軸２の先端部中空部２ｃに収納配置される。

ツール本体３０は、具体的には、加工対象となるワークＷの被加工穴内径面Ｗａよりも小径の直線状金属棒の形態とされるとともに、その先端部つまり下端部に錘部３５が設けられるとともに、この錘部３５の上側に砥石部を構成する複数（図示例の場合は４つ）のホーニング砥石３６、３６、…が設けられ、これら錘部３５とホーニング砥石３６、３６、…により上記砥石加工部３１が構成されている。

図示の実施形態においては、中実円柱状のツール本体３０の先端部３０ａに、上記ホーニング砥石３６、３６、…を構成する中空円筒体３６Ａが一体的に外嵌接続され、さらにこの中空円筒体３６Ａの下側に、中実円柱状の上記錘部３５が一体的に嵌入接続されて、これら三者３０、３６Ａおよび３５が同軸上にかつ直線状に接続されている。

上記ホーニング砥石３６、３６、…は、図４に示すように、上記ツール本体３０の円筒外周に連続する上記中空円筒体３６Ａに複数（図示例の場合は４本）の拡幅用スリット３７、３７、…が設けられて中空構造の砥石本体（砥石台）が形成されるとともに、この砥石本体の外周面に多数の微小な砥粒３８が電着されてなる。これにより、ホーニング砥石３６、３６、…は、円周方向へ等間隔に複数（図示例の場合は４つ）配置されている。

ホーニング砥石３６を構成する砥粒としては、ＣＢＮ砥粒やダイヤモンド砥粒などの超砥粒が好適に使用可能であり、本実施形態のホーニング砥石３６は、ＣＢＮ砥粒が電着されてなるＣＢＮ電着砥石が採用されている。

なお、ホーニング砥石３６の具体的構成は、後述する特性（少なくとも径方向外方への撓み特性）を有する条件を満たす限り特に限定されず、例えば、砥粒３８が電着以外の貼着手段で中空円筒体３６Ａの外周面に貼着される構造も採用可能である。

錘部３５は、上記ホーニング砥石３６、３６、…に対する錘作用をなすもので、少なくともホーニング砥石３６、３６、…の構成材料よりも比重（密度）の大きな材料から構成されるとともに、ホーニング砥石３６、３６、…は少なくとも径方向外方（本実施形態においては、径方向外方および内方の双方）への撓み特性を有する（撓みやすい）構造とされ、これら錘部３５とホーニング砥石３６、３６、…との組合せ構造から、軸方向振動により径方向へ拡幅振動する構造の砥石加工部３１が構成されている。

なお、上記錘部３５は、ツール本体３０をワークＷの被加工穴Ｗａ内へ案内するパイロット案内部としても機能することから、その径寸法は必然的にホーニング砥石３６、３６、…の外径寸法よりも小さく設計されるので、この点からも上記錘部３５が比較的大きな比重（密度）の材料からなることは重要である。

上記ツール本体３０、ホーニング砥石３６の砥石本体を構成する中空円筒体３６Ａ、および錘部３５の構成材料は、後述するように、超音波振動子３２によるツール本体３０の軸方向振動つまり上下方向振動と上記錘部３５の錘作用との協働作用により、上記ホーニング砥石３６、３６、…が少なくとも径方向外方へ撓んで拡幅振動するように、その材料特性、とりわけ比重（密度）を考慮して選択採用される。

これに関連して、上記ツール本体１の基端部には、ツールホルダ４５がロー付等の固定手段４６により一体固定されており、このツールホルダ４５の接続ボルト４５ａが上記超音波振動子３２の第１のホーン４０の先端４０ａに螺合固定されて、ツール本体３０と超音波振動子３２が同軸状に一体固定されている。また、具体的には図示しないが、これらツール本体１とツールホルダ４５は、削り出しの一体構造とされても良い。

そして、図５を参照して、締結ボルト４３により強固に固定されたピエゾ素子４１、４１、…に、振動系であるツール本体３０の共振周波数に等しい周波数の交流電圧が印加されると、超音波振動子３２は軸方向に共振振動する。一方、ツールホルダ４５、ツール本体３０、砥石部３６および錘部３５からなる上記振動体は、超音波振動子３２による加振により同一周波数で軸振動することになる。

通常の共振振動は、振動体が均質な棒形状で、かつ材質も均一であれば、例えば図５の振動体４５、３０、３６、３５の先端部の振動振幅の分布は、二点鎖線で示す分布のように正弦波状に上昇カーブを描く。

しかしながら、本実施形態の上記振動体４５、３０、３６、３５は、先端部の錘部３５が比重（密度）の大きい超硬合金などから構成され、砥石部３６、３６、…が上述したような構成とされていることにより、その振動分布は図５の上段の実線で示されるように、先端部の錘部３５では振幅が低下する。

このとき、剛性が低くて径方向外方（本実施形態においては、径方向外方および内方）への撓み特性を有するホーニング砥石３６、３６、…は、上記軸振動の影響で径方向外方に撓む、撓み振動に変換されることになる。図５の下段の実線で示されるものは、径方向の振幅を測定した振幅分布図で、剛性の低いホーニング砥石３６、３６、…のみ際だって突出した径方向外方の振幅となる。この径方向振動の振幅は、軸振動を発生させる超音波振動子３２の振幅に比例する。したがって、超音波振動子３２を駆動する交流電圧を正確に制御することで、ホーニング砥石３６、３６、…の径方向外方（および内方）の振幅に正確に変換することが可能となる。

すなわち、超音波振動子３２が軸方向に共振振動することにより、ツールホルダ４５、ツール本体３０、砥石部３６および錘部３５からなる上記振動体も、超音波振動子３２と同一周波数で軸振動することになるが、この場合、ホーニング砥石３６、３６、…は剛性が低くて少なくとも径方向外方（本実施形態においては、径方向外方および内方）への撓み特性を有する一方、このホーニング砥石３６、３６、…よりも先端側（下端側）には、比重（密度）の大きな錘部３５が接続され存在するため、軸方向後端（上端）方向への振動力が加わっても、ホーニング砥石３６、３６、…は図４（ａ）に示す常態を維持するが（外径＝Ｄ０）、これと逆に軸方向先端（下端）方向への振動力が加わると、ホーニング砥石３６、３６、…は常態を維持することができず、径方向外方に撓む（外径＝Ｄ１）あるいは内方（本実施形態）に撓む。本実施形態におけるホーニング砥石３６、３６、…の径方向外方および内方への撓みは、常態にある図６（ｂ）（図４（ａ））の状態を中心として、外方（図６（ａ））および内方（図６（ｃ））へ均等な振幅で均等に増減する。

つまり、上記超音波振動子３２によるツール本体３０の軸方向振動と錘部３５の錘作用との協働作用により、ホーニング砥石３６、３６、…は径方向外方および内方へ撓んで拡幅振動することになる。そして、上記撓み時の外径Ｄ１と常態時の外径Ｄ０の差Ｄ１−Ｄ０の１／２がホーニング砥石３６、３６、…の切り込み量になる。

なお、ホーニング砥石３６、３６、…が所期の作用効果を発揮するためには、少なくとも、ホーニング砥石３６、３６、…は少なくとも径方向外方への撓み特性を有することが条件となるが、本実施形態のホーニング砥石３６、３６、…は、上述したように、径方向外方および内方の双方への撓み特性を有する構造とされている（図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）参照）。

これにより、本実施形態のホーニング砥石３６、３６、…は、径方向外方および内方への撓み（拡幅・縮幅）動作、つまり拡幅・縮幅動作が交互に規則正しく行われるが、そのための構造的条件について考察する。

ホーニング砥石３６、３６、…の外径の拡大(＋)と縮小(−)が交互に規則正しく生じる（両振幅運動）ための構造上の条件は、図４を参照して、ホーニング砥石３６、３６、…の砥石本体（砥石台）を構成する中空円筒体３６Ａが平行パイプ状つまり直円筒状であることと、拡幅用スリット３７、３７、…による中空円筒体３６の分割数が深く関わっていると考えられる。

例えば、図７に示すように、上記中空円筒体３６Ａが平行ではなく、極端に径方向外方へ膨出状に湾曲している場合は、ホーニング砥石３６、３６、…の外径の拡大(＋)と常態(０)を繰り返し（片振幅運動）、あるいは縮小(−)するとしてもその値は僅かであり、均等な両振幅運動は得られないと思われる。

また、拡幅用スリット３７、３７、…幅が小さくて、中空円筒体３６の分割数が少ない場合にも上記と同様な現象が生じ、加えて大きな振幅は得られないと思われる。また、これと逆に、中空円筒体３６の分割数が多い場合は、ホーニング砥石３６、３６、…の剛性不足により、振動の節が複数現れて（例えば図８（ｂ）、（ｃ）参照）、制御不能となることは実験的に判明している。

ホーニング砥石３６、３６、…の砥石本体（砥石台）を構成する中空円筒体３６Ａが平行パイプ状であり、かつ中空円筒体３６の分割数が適当な場合には、２０，０００ｇにも達する加速度が作用すると、ホーニング砥石３６、３６、…が軸方向に伸びて撓みが中立となるべきタイミングにオーバーラン現象が生じ、その瞬間に再び軸方向の縮小行程が始まるために今度は一つ前の縮小行程とは逆のオーバーラン方向に撓みが生じ、これを繰り返すために、上述したような片振幅ではなく、本実施形態のホーニング砥石３６、３６、…のように、規則正しい(＋)、(−)の振動（両振幅運動）が径方向に生じるものと考えられる。

なお、本実施形態においては、ホーニング砥石３６、３６、…が両振幅型構造となっているが、目的に応じて、ホーニング砥石３６、３６、…の砥石本体（砥石台）を構成する中空円筒体３６Ａの設計変更により、片振幅型のホーニング砥石３６、３６、…を備えるホーニングツール１も製作可能である。

また、ホーニング砥石３６、３６、…の拡幅時の断面輪郭形状については、中空円筒体３６Ａの肉厚寸法を調整することで、例えば図８（ａ）、（ｂ）または（ｃ）に示すように変化する。ちなみに、図８（ａ）の輪郭形状が本実施形態において理想とされる形状であり、さらに上記肉厚寸法を小さくすると、図８（ｂ）または図８（ｃ）に示すような形状となる。中空円筒体３６Ａの肉厚寸法は、有限要素法で解析しながら調整される。

しかして、本実施形態のように、ホーニング砥石３６、３６、…が、図６（ｂ）に示す常態位置（外径＝Ｄ０）から、図６（ａ）に示すように径方向外方に撓む（外径＝Ｄ１）（拡幅する）だけでなく、さらに図６（ｃ）に示すように径方向内方へも撓む（外径＝Ｄ２（Ｄ０−（Ｄ１−Ｄ０））（縮幅する）構造とされていると、後述するように、図９（ａ）に示す状態と図９（ｂ）に示す状態との間の隙間Ｃの繰り返される変化によるポンプ作用が有効かつ顕著に発揮されて、潤滑油の円滑な流れによる切り屑Ｗｃの大きな排出効果が得られる。

砥石振動部３は、切り込み部としてホーニングツール１のホーニング砥石３６、３６、…を径方向へ拡幅振動させるもので、具体的には、上記超音波振動子３２、電力供給部５０および電力供給制御部５１を主要部として備える。

電力供給制御部５１は、上記電力供給部５０が超音波振動子３２に印加すべき交流電圧（周波数）の印加タイミングおよび交流電圧（周波数）の大きさを制御するもので、具体的には、超音波振動子３２の軸方向の振幅を制御することで、それに比例してホーニング砥石３６、３６、…の拡幅振動の振幅量が変化する。電力供給制御部５１は、後述する装置制御部６の一部を構成している。

電力供給制御部５１には、ホーニングツール１におけるホーニング砥石３６、３６、…の動作を制御するためのプログラムが予め組み込まれ、または適宜変更可能とされており、本実施形態においては、ホーニング加工中に上記超音波振動子３２を動作制御することにより、ホーニング砥石３６、３６、…の拡幅振動の振幅量をインプロセスで調整するように構成されている。したがって、本実施形態においては、ワークＷの被加工穴内径面Ｗａの仕上がり精度の補正方法を電気的手段だけで実現することができ、従来の機械的補正に対して精度の向上（制御安定性と経時的変化の抑制）が得られる。

また、電力供給部５０による超音波振動子３２に対する電力供給には非接触給電方式が採用されている。

装置制御部６は、ホーニング盤の各駆動部の動作を相互に連動して自動制御するもので、具体的には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭおよびＩ／Ｏポートなどからなるマイクロコンピュータを主要部として構成されている。

この装置制御部６には、ホーニング加工を実行させるための加工プログラム等が組み込まれており、上述した砥石振動部３の電力供給制御部５１を構成要素として含んでいる。

しかして、以上のように構成されたホーニング盤において、上記砥石振動部３、主軸回転駆動部４および主軸往復駆動部５が装置制御部６により相互に関連して自動制御され、これにより、ワーク保持治具８に支持されたワークＷの被加工穴内径面Ｗａに対して、ホーニングツール１によるホーニング加工工程が行われる。

すなわち、装置制御部６に予めまたは適宜入力設定された制御プログラムに従って、ホーニングツール１は、そのホーニング砥石３６、３６、…が、超音波振動子３２による軸方向振動と錘部３５の錘作用との協働作用により、径方向外方へ撓んで拡幅振動しながら、上記回転主軸２の動作に伴って、ワークＷの被加工穴内径面Ｗａ内に送込み挿入されるとともに、回転と往復運動を与えられながら、ワークＷの被加工穴内径面Ｗａに対する精密仕上げを行う。

この場合、ホーニングツール１がワークＷの被加工穴内径面Ｗａ内に送込み挿入される時のホーニング砥石３６、３６、…の拡幅振動幅は小さく設定される。また、ワークＷの被加工穴内径面Ｗａとホーニング砥石３６、３６、…との距離が近い場合には、ホーニング砥石３６、３６、…の拡幅振動が停止した状態で、ホーニングツール１がワークＷの被加工穴内径面Ｗａ内に送込み挿入される。

以上のように、本実施形態のホーニングツール１は、ツール本体３０と、このツール本体３０の一部に設けられ、軸方向振動により径方向へ拡幅振動する構造を有する砥石加工部３１（３５、３６）と、上記ツール本体３０に軸方向振動を与える超音波振動子３２とを備えてなるから、超音波振動子３２により上記ツール本体３０に軸方向振動が与えられると、この軸方向振動により砥石加工部３１ホーニング砥石３６、３６、…が径方向へ拡幅振動して、ワークＷの被加工穴内径面Ｗａに対して径方向振動を伴った加工を行うことができる。つまり、本実施形態によれば、超音波振動子３２の軸振動を、ホーニング砥石３６、３６、…の径方向への拡幅振動として効率的に変換することができ、ホーニング加工における加工効率を向上させることができる。

すなわち、上記のようにホーニング砥石３６、３６、…が径方向へ振動する構成によれば、切り屑の排出性を良くすることができ、ホーニング加工における材料除去効率を上げることができる。

換言すれば、砥石加工部３１のホーニング砥石３６、３６、…が径方向に超音波振動することで、図９（ａ）に示すように、ホーニング砥石３６の砥石面３６ａの砥粒３８、３８、…がワークＷの被加工穴内径面Ｗａに切り込んで（図４（ｂ）参照）、これら両者３６ａ、Ｗａ間の隙間Ｃが狭くなったり、図９（ｂ）に示すように、ホーニング砥石３６の砥石面３６ａの砥粒３８、３８、…がワークＷの被加工穴内径面Ｗａから離れて（図４（ａ）参照）、これら両者３６ａ、Ｗａ間の隙間Ｃが広くなったりと、これら両状態の間での動作を繰り返す結果、ここに生じるポンプ作用で切削油（矢符参照）が隙間Ｃに入りやすく、また排出されることで、切り屑Ｗｃの排出性が上がる。

また、ホーニング砥石３６、３６、…が径方向へ超音波振動することで大きな加速度が働き、ホーニング砥石３６、３６、…への目詰まり防止や凝着防止効果が大きい。例えば、周波数４４kHz、振動振幅３μｍの場合、重力加速度の２万倍以上の加速度をホーニング砥石３６、３６、…が持つ。

これにより、ホーニング加工時の切削抵抗が過度に上がらないので、ホーニング砥石３６、３６、…の切り込み量を大きく設定することで加工時間が短縮される。また、薄肉ワークＷには切削抵抗が小さいので、ひずみが少なく高精度な穴加工が可能となる。

本実施形態のホーニング盤は、最終仕上工程用として使用する場合でも、荒工程用として使用する場合でも、それぞれ以下のような効果が得られる。

（１）最終仕上工程で使用する場合：
（ａ）ホーニングツール１に超音波振動をかけることで、ホーニング砥石３６の砥石面３６ａの砥粒３８、３８、の番手が同じでも、ワークＷの被加工穴内径面Ｗａの面粗度が良好に仕上がる。

換言すれば、ホーニング砥石３６の砥石面３６ａに少し粗めの砥粒３８、３８、…を使用することができるので、その効果として、ホーニング砥石３６の砥石面３６ａとワークＷの被加工穴内径面Ｗａとの間に十分な隙間Ｃを確保することができ、切り屑Ｗｃの排出性が良好となる。この結果、ホーニング砥石３６、３６、…の切り込み量を増やし、加工時間短縮も可能となる。

（ｂ）ワークＷの被加工穴内径面Ｗａには、図１０（ａ）に示すような超音波振動による等間隔の模様ができて、均一性の高い仕上面となるため、機械摺動面として使用した場合には、これらの模様を形成する溝に潤滑油が溜まり、均一で安定した摺動抵抗低減効果が期待できる。

ちなみに、通常の超音波振動を伴わない加工では、ワークＷの被加工穴内径面Ｗａには、図１０（ｂ）に示すような不規則に盛り上がった模様ができて、切り屑の残留が多く荒れた仕上面となる。

（ｃ）また、ワークＷの被加工穴内径面Ｗａの仕上面粗さは、図１１に示すように、本実施形態の超音波振動を伴うホーニング加工では、通常の超音波振動を伴わないホーニング加工に対して１／２倍と良好である。

（２）荒工程で使用する場合：
（ａ）荒工程においては、下穴径のばらつきの小さい方が加工時間が安定し、加工時間を短縮することができる。

つまり、下穴径がばらついていることによる弊害として、ばらつきが大きいほど、ホーニング砥石３６、３６、…がワークＷの被加工穴内径面Ｗａに接触しないエアカット量を増やす（ホーニング砥石３６、３６、…をワークＷの被加工穴内径面Ｗａから逃す）必要があり、これがため、エアカット時間が長くなって、加工時間も長くなってしまう。

逆に、エアカット量を小さくすると、すぐにホーニング砥石３６、３６、…がワークＷの被加工穴内径面Ｗａに接触して、ホーニングツール１の破損やホーニング砥石３６、３６、…の目詰まり状態となり、正常に加工することができないという事態を招いてしまう（ちなみに、加工開始直後のホーニング砥石３６、３６、…の切り込み量は、加工時間を短縮するため一般的に大きく、たとえ穴径誤差があっても何とか加工できるような設定となっている）。

この点に関して、本実施形態のように、ホーニングツール１に超音波振動をかけることで、ワークＷの被加工穴内径面Ｗａの下穴径がばらついていても、ホーニング砥石３６の砥石面３６ａがワークＷの被加工穴内径面Ｗａに直ちに接触して、ホーニングツール１の破損やホーニング砥石３６、３６、…の目詰まり状態を招く可能性は低い。

（ｂ）また、一般に、ホーニング加工開始直後、ワークＷの被加工穴内径面Ｗａはホーニング砥石３６と全面当たりしていないため、加工負荷は低くなりやすい（切り屑Ｗｃが逃げる空間も多い）。

この点に関して、本実施形態のホーニングツール１は超音波振動することでワークＷの被加工穴内径面Ｗａと接するため、ワークＷの被加工穴内径面Ｗａの穴径が想像以上に小さいと、ホーニング砥石３６、３６、…の振幅量が制限されて、撓み量が小さくなる。そのため、ホーニングツール１を破損し難い。

ホーニング砥石３６、３６、…の拡張量を電気的に制御することで、ワークＷの被加工穴内径面Ｗａの仕上がり径をインプロセスで調整することができる。この場合のホーニング砥石３６、３６、…の拡張量の具体的な調整方法としては、砥石摩耗量を補正する砥石摩耗補正と、加工寸法調整のための振幅量制御の２種類が考えられる。

この場合、ホーニング加工中のホーニング砥石３６、３６、…の振幅量制御は従来のウェッジを押し込んで切り込んでいく方法と同じ考え方である。例えば、ホーニング加工中にホーニング砥石３６、３６、…の振幅量を無段階で連続的に、または複数段階で増加させる。最初はワークＷの被加工穴内径面Ｗａの径寸法が小さいので振幅量を小さくするが、穴径が大きくなるにつれて段階的に振幅量を増やしていく。

また、もうひとつの考え方として、最初からある大きな拡張量（振幅量）として加工する方法である。初期のワークＷの被加工穴内径面Ｗａの穴径が小さいときは、拡張（撓み）量が制限され、小さいが徐々に切削されて穴径が大きくなり目標穴径に仕上げる。

回転主軸２の中に、超音波振動子３２が組み込まれるとともに、その先端に径方向に超音波振動可能なツール本体３０が配置されて、超音波振動子３２による軸方向振動をホーニング砥石３６、３６、…の径方向振動に変換するという小型かつ簡素な構造のため、ホーニングツール１の小型化が可能である。

実施形態２
本実施形態は図１２に示されており、実施形態１のツール本体３０の具体的構造が若干改変されたものである。

すなわち、本実施形態のツール本体３０のホーニング砥石３６、３６、…は、上記ツール本体３０の外周部に沿った円筒輪郭上に複数枚（図示例の場合は４枚）の薄肉金属板１３６、１３６、…が等間隔をもって配されて中空構造の砥石本体が形成されるとともに、この砥石本体の外周面に砥粒３８、３８、…が電着されてなる。

具体的には、ツール本体３０の先端部３０ａと錘部３５の基端部３５ａが、これらの円筒外周面に橋絡状に接続固定された４枚の薄肉金属板１３６、１３６、…により、同軸上にかつ直線状に一体接続されるとともに、上記薄肉金属板１３６、１３６、…により、中空構造の砥石本体が形成され、この砥石本体の外周面に多数の砥粒３８、３８、…が電着されて、ホーニング砥石３６、３６、…が形成されている。これにより、ホーニング砥石３６、３６、…は、円周方向へ等間隔に複数（図示例の場合は４つ）配置されている。
その他の構成および作用は実施形態１と同様である。

なお、上述した実施形態１および２はあくまでも本発明の好適な実施態様を示すものであって、本発明はこれらに限定されることなく、その範囲において種々の設計変更が可能である。

例えば、ホーニングツール１の具体的構造（ホーニング砥石３６、３６、…、超音波振動子３２など）は、同様な機能を有する限り種々設計変更可能である。

図示の実施形態においては、超音波振動子３２への電力供給は非接触給電方式とされているが、具体的には図示しないが、スリップリング式の接触給電方式も利用可能である。

また、図示の実施形態のホーニング盤においては、回転主軸２側が回転する構造とされているが、ワーク保持治具８側が回転する構造も採用可能である。

さらに、本発明は図示の実施形態のようなホーニング盤のほか、ファインボーリング盤など、他の同種の精密加工用の工作機械にも適用可能であることをはじめとして、ホーニングツール１は、ユニット形式としてまたはアタッチメントを介して、マシニングセンタ等の汎用型工作機械に用いられるなどの適用も可能である。

Ｗ ワーク
Ｗａ ワークの被加工穴内径面
１ ホーニングツール（内径面加工用ツール）
２ 回転主軸
３ 砥石振動部
４ 主軸回転駆動部（主軸回転手段）
５ 主軸往復駆動部（主軸往復手段）
６ 装置制御部（制御手段）
３０ ツール本体
３１ 砥石加工部
３２ 超音波振動子（振動付与手段）
３５ 錘部
３６ ホーニング砥石（砥石部）
３６Ａ 中空円筒体
３７ 拡幅用スリット
３８ 砥粒
４０ 第１のホーン
４１ ピエゾ素子
４２ 第２のホーン
５０ 電力供給部
５１ 電力供給制御部
１３６ 薄肉金属板

Claims (9)

1. 工作機械等の主軸に取り付けられて、工作物の被加工穴内径面を加工する内径面加工用ツールであって、
   ツール本体と、このツール本体の一部に設けられ、軸方向振動により径方向へ拡幅振動する構造を有する砥石加工部と、前記ツール本体に軸方向振動を与える振動付与手段とを備えてなり、
   前記ツール本体の下端部に前記砥石加工部の錘作用をなす錘部が設けられるとともに、この錘部の上側に少なくとも径方向外方への撓み特性を有する砥石部が設けられて、前記砥石加工部が構成され、
   前記振動付与手段による前記ツール本体の軸方向振動と前記錘部の錘作用との協働作用により、前記砥石部が径方向外方へ撓んで拡幅振動する
   ことを特徴とする内径面加工用ツール。
2. 前記振動付与手段は、前記ツール本体の基端に一体接続された超音波振動子である
   ことを特徴とする請求項１に記載の内径面加工用ツール。
3. 前記錘部は、少なくとも前記砥石部の構成材料よりも比重の大きな材料から構成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の内径面加工用ツール。
4. 前記砥石部は、前記ツール本体の円筒外周に連続する中空円筒体に複数の拡幅用スリットが設けられて中空構造の砥石本体が形成されるとともに、前記砥石本体の外周面に砥粒が電着されてなる
   ことを特徴とする請求項１に記載の内径面加工用ツール。
5. 前記砥石部は、前記ツール本体の外周部に沿った円筒輪郭上に複数枚の薄肉金属板が配されて中空構造の砥石本体が形成されるとともに、この砥石本体の外周面に砥粒が電着されてなる
   ことを特徴とする請求項１に記載の内径面加工用ツール。
6. 加工ツールとして、請求項１、３、４および５のいずれか一つに記載の内径面加工用ツールが主軸に取り付けられてなり、
   前記振動付与手段により、前記加工ツールの砥石加工部が径方向へ拡幅振動して、工作物の被加工穴内径面を仕上加工する内径面加工装置であって、
   前記振動付与手段は、前記ツール本体の基端に一体接続された超音波振動子からなり、この超音波振動子が、前記主軸内に配置され、
   加工中に前記超音波振動子を動作制御することにより、前記砥石加工部の拡幅振動の振幅量をインプロセスで調整する構成を備え、
   前記インプロセスで調整される前記砥石加工部の拡幅振動の振幅量が砥石摩耗量である
   ことを特徴とする内径面加工装置。
7. 加工ツールとして、請求項１、３、４および５のいずれか一つに記載の内径面加工用ツールが主軸に取り付けられてなり、
   前記振動付与手段により、前記加工ツールの砥石加工部が径方向へ拡幅振動して、工作物の被加工穴内径面を仕上加工する内径面加工装置であって、
   前記振動付与手段は、前記ツール本体の基端に一体接続された超音波振動子からなり、この超音波振動子が、前記主軸内に配置され、
   加工中に前記超音波振動子を動作制御することにより、前記砥石加工部の拡幅振動の振幅量をインプロセスで調整する構成を備え、
   前記インプロセスで調整される前記砥石加工部の拡幅振動の振幅量が加工寸法調整のための振幅量である
   ことを特徴とする内径面加工装置。
8. 前記超音波振動子に対する電力供給が非接触給電である
   ことを特徴とする請求項６または７に記載の内径面加工装置。
9. 工作物の被加工穴内径面の軸線方向へ往復移動可能とされるとともに、軸線まわりに回転可能に軸支されてなる回転主軸である前記主軸と、
   この回転主軸を軸線回りに回転駆動する主軸回転手段と、
   前記回転主軸を前記被加工穴内径面の軸線方向へ往復動作させる主軸往復手段と、
   前記主軸回転手段および主軸往復手段の動作を相互に連動して自動制御する制御手段とを備えてなる
   ことを特徴とする請求項６から８のいずれか一つに記載の内径面加工装置。

Images