超音波回転加工装置
【課題】加工精度が高く、かつ信頼性の高い超音波加工機を提供する。
【解決手段】回転工具6に接合した円筒状の圧電セラミック12に回転工具6に所望の振動モードの超音波振動を励起する電圧を印加し、回転工具6を超音波振動させる。この超音波振動を回転工具6以外に可能な限り伝播させないため、回転工具6を保持する工具ホルダ9が、回転工具6の超音波振動を伝播させないことである。そのために、工具ホルダ9に多数の穴を設け、この穴の効果により、回転工具6よりの超音波振動が反射または屈折して、チャック装置に伝播することが小さくなる。したがって、回転工具6に効率高く超音波振動を励起させることができる。
【解決手段】回転工具6に接合した円筒状の圧電セラミック12に回転工具6に所望の振動モードの超音波振動を励起する電圧を印加し、回転工具6を超音波振動させる。この超音波振動を回転工具6以外に可能な限り伝播させないため、回転工具6を保持する工具ホルダ9が、回転工具6の超音波振動を伝播させないことである。そのために、工具ホルダ9に多数の穴を設け、この穴の効果により、回転工具6よりの超音波振動が反射または屈折して、チャック装置に伝播することが小さくなる。したがって、回転工具6に効率高く超音波振動を励起させることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、回転する工具に超音波振動を与え、加工対象物であるガラス、セラミック、シリコーン、超硬金属などを加工する超音波加工装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
最近、いわゆる難加工材料を加工するために超音波振動を工具または、加工対象物に与え加工する方法が多用されるようになってきた。
このような加工方法は、超音波切削加工と呼ばれて、例えば、非特許文献1に詳しく記載されている。超音波切削加工は、加工対象物と工具との摩擦抵抗が、小さくなるため、加工面の熱歪みが低減され、加工精度が高くなり、そして切削工具の寿命が長くなるなどの利点を有している。
【0003】
超音波研削装置は、非特許文献2に詳しく記載されている。図1に示す超音波研削装置も回転軸を回転させるためのモータがあり、その回転軸にスリップリング、超音波振動子が備えられている。さらに、回転軸にはブースタ、ホーンそして研削工具であるダイヤモンド砥石が接続されている。また回転自在に支持するための軸受が配置されている。また超音波交流電圧を超音波振動子に印加するための超音波発振器とブラシを備えている。
上記の超音波研削装置の概略の運転方法は以下の通りである。まずモータを動作させるとほぼ同時に超音波発振器からブラシを介して回転するスリップリングに超音波交流電圧を印加する。スリップリングに与えられた交流電圧は超音波振動子に印加され、超音波振動子は超音波振動する。この超音波振動が、ブースタそしてホーンを伝播し、そして研削工具であるダイヤモンド砥石に伝播する。
【非特許文献1】超音波便覧編集委員会、「超音波便覧」、丸善株式会社、平成11年8月、p679−684
【非特許文献2】日本電子機械工業会、「超音波工学」、株式会社コロナ社、1993年、p218−229
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかし、回転軸に超音波振動子を取り付けると回転軸が超音波振動するので軸受にも超音波振動が伝播し、軸受は破損の恐れが生ずる。また回転軸および軸受に異常な磨耗が発生し、磨耗が大きくなる恐れがある。さらに、回転軸の直径とほぼ等しい超音波振動子であるランジュバン型超音波振動子を回転軸に接合するため、重量が増加して、回転慣性が大きくなり高速回転には不適な構成になる。さらに、回転軸に接合された超音波振動子の形状の誤差、重量のアンバランスにより回転が不安定になり、回転装置が故障し、加工精度が低下する。
別の問題点として、工具を保持するチャック装置と工具が超音波振動により互いに摩擦し焼き付けが発生する。
さらに、超音波振動により、時としては工具を保持するチャック装置の保持力が小さくなり、加工時に機械的負荷が工具に加わったときに工具が止まってしまう問題点もある。
【0005】
また、チャック装置を固定端として工具が振動するので、固定端からの工具の長さにより駆動周波数を変化させなければならないが、工具に比較してランジュバン型超音波振動子、回転軸及びホーンの質量が大きいため、主に前記ランジュバン型超音波振動子などの固有振動数でしか効率的に振動を励起することができない。したがって、工具に最適な振動を励起することができないという問題点もある。
【0006】
本発明の目的は、高精度および高い信頼性をもつ、回転工具を持つ超音波加工装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明は、回転する工具を持つ超音波加工装置において、工具本体に超音波振動子を接合していること、かつ工具がチャック装置に把握されている位置に複数の穴持つ工具ホルダが接合されているものとすることである。
【0008】
本発明はまた、回転する工具を持つ超音波加工装置において、工具本体に超音波振動子を接合していること、かつ工具がチャック装置に把握されている位置に多孔質の金属材料製の工具ホルダが接合されているものすることである。
【0009】
本発明はまた、回転する工具を持つ超音波加工装置において、工具本体に超音波振動子を接合していること、チャック装置がコレットチャックであり、コレットに複数の穴持つものとすることである。
【0010】
本発明はまた、回転する工具を持つ超音波加工装置において、工具本体に超音波振動子を接合していること、チャック装置がコレットチャックであり、コレットの一部が多孔質の金属材料製とするものである。
【0011】
本発明はまた、回転する工具を持つ超音波加工装置において、工具本体に超音波振動子を接合していること、チャック装置が焼き嵌め式チャックであり、チャック筒に複数の穴持つものとすることである。
【0012】
本発明はまた、回転する工具を持つ超音波加工装置において、工具本体に超音波振動子を接合していること、チャック装置が焼き嵌め式チャックであり、チャック筒の一部が多孔質の金属材料製とするものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【0013】
図2は、第1の実施の形態を示す基本的な構成を示す一部の断面を含む正面図である。ステンレス製の中空の回転軸2を回転させるための中空のモータ1が備えられている。回転軸2を回転自在に支持するための軸受3があり、さらにこの軸受3を固定するためのステンレスの回転軸ハウジング15がある。回転軸ハウジング15のさらに外側にはケースがあるがこれは。図面を簡単にするため省略した。回転軸2には回転軸2に固着された回転側のロータリートランス4aがある。回転側のロータリートランス4aの近傍には固定側のロータリートランス4bがある。固定側のロータリートランス4bを取付けた固定板は図面を簡略化するために示さない。回転軸2に回転工具6を固定するための保持装置であるチャック装置5がある。そのチャック装置5により本発明の回転工具6を保持する。回転側のロータリートランス4aと、回転工具6に固着した超音波振動子である圧電セラミックはリード線13により電気的に結合されている。回転工具6の下には、テーブル8に固定された加工対象物7がある。
【0014】
回転工具6の詳細を図3の平面図を用いて説明する。回転工具6は、外径2mmそして長さ70mmの超硬製のエンドミルである。
【0015】
そして図4の一部断面を示す平面図を用いて説明するが、回転工具6に超音波振動子である円筒状の圧電セラミック12をエポキシ樹脂を用いて接合する。また、エポキシ樹脂により円筒状の工具ホルダ9を接合する。工具ホルダ9は、チャック装置5により保持される。円筒状の圧電セラミック12は半径方向に分極されている。そしてその内面と外面に銀電極が設けられている。円筒状の圧電セラミック12の形状は外径4.0mm、内径2.0mmそして長さ25mmである。
【0016】
工具ホルダ9の詳細を図5の平面図と図5のA−A線での断面を示す図6を用いて説明する。工具ホルダは、ステンレス製であり、円筒形状の長さ方向に貫通する多数の穴が設けられている。
【0017】
次にこの工具ホルダ9の効果について説明する。回転工具6に接合した円筒状の圧電セラミック12に回転工具6に所望の振動モードの超音波振動を励起する電圧を印加し、回転工具6を超音波振動させる。この超音波振動を回転工具6以外に可能な限り伝播させないため、回転工具6を保持する工具ホルダ9が、回転工具6の超音波振動を伝播させないことである。そのために、工具ホルダ9に多数の穴10を設け、この穴10の効果により、回転工具6よりの超音波振動が反射または屈折して、チャック装置に伝播することが小さくなる。したがって、回転工具6に効率高く超音波振動を励起させることができる。
【0018】
工具ホルダ9に設ける穴10の形状として、図7の平面図で示す穴10がスリット状もの、そして図8の平面図で示す6角形状の穴10がある。穴10の役割は、超音波振動の伝播を小さくすることであり、回転工具6の形状とチャック装置5の形状などにより様々な形状が用いられる。
【0019】
次にこの超音波加工装置の運転方法を、図2を用いて説明する。まずモータ1の電源をいれ回転軸2を回転させる。次に超音波発振器14のスイッチを入れ、固定側のロータリートランス4b、回転側のロータリートランス4aを介して円筒状の圧電セラミック12に超音波交流電圧を印加する。回転工具6の縦振動モードで振動する固有振動数の超音波交流電圧を印加することにより、回転工具6だけがほぼ振動する。
【0020】
上記の加工は超音波切削加工であり、加工対象物と工具との摩擦抵抗が、小さくなるため、加工面の熱歪みが低減され、加工精度が高くなり、そして、切削工具の寿命が長くなるなどの利点を有している。
【0021】
チャック装置5には、ほとんど振動が伝播することがないため振動ロスがほとんどないので小さな電力で必要な大きさの回転工具6の振動を励起させることができる。したがって、回転工具6の温度の上昇を小さくできるので、加工精度を向上させることができる。
【0022】
また、超音波振動は摩擦力を小さくする作用があるのでチャック装置5が振動すると、チャック装置5の回転工具6の保持力が小さくなり、加工対象物7を加工しているときの負荷により回転工具6とチャック装置5の間でスリップする虞がある。本発明の回転工具6は上記のようにチャック装置5に振動がほとんど伝播しないので、チャック装置5の回転工具6を保持する力は、小さくなる恐れはほとんどない。
【0023】
また、当然回転軸2にもほとんど振動が伝播しないので軸受3または回転軸2の振動による損傷の恐れはほとんどない。
【0024】
また、工具ホルダ9の別の構成として図9の平面図と図9のA−A線での断面を示す図10がある。ここで、図では多孔質を表現するために気孔21の大きさを誇張している。工具ホルダ9、多孔質のステンレス材料であり、密度が約7.0g/cm3ある。回転工具6の超音波振動を伝播させないためには気孔率が5パーセント以上であることが必要である。また気孔率が高すぎると機械的強度が小さくなりすぎるので気孔率は、70パーセント以下が望ましい。したがって多孔質の金属材料の気孔率は、5パーセント以上、70パーセント以下が望ましい。
【0025】
図11は、第2の実施の形態を示す基本的な構成であるコレットチャック装置22の断面図である。加工装置の回転軸に設けられたテーパー状の穴に入れて使用するものである。回転軸に設けられたテーパー状の穴に入れるホルダ部16には、顎19そしてマニピュレータ把持用溝20がある。コレットチャック装置22のホルダ部16の先端にコレットホルダ部があり、そしてその中にコレット17を入れ、そして回転工具6を入れ、コレットナット18により回転工具6を保持固定する。
【0026】
コレット17の詳細を図12の斜視図に示す。コレット17には複数のすり割り23が設けられている。回転工具6と接触する面の近くに複数の穴10を同心円状に設ける。これらの穴10の効果により、回転工具6に接合した圧電セラミックに電圧を印加することにより励起した超音波振動を穴10より外周にはほとんど伝播させない。
【0027】
したがって、コレットチャック装置22には、ほとんど振動が伝播することがないため振動ロスがほとんどないので小さな電力で必要な大きさの回転工具6の振動を励起させることができる。したがって、回転工具6の温度の上昇を小さくできるので、加工精度を向上させることができる。
【0028】
上記のようにコレットチャック装置22に振動がほとんど伝播しないので、チャック装置5の回転工具6を保持する力は、小さくなる恐れはほとんどない。
【0029】
また、当然回転軸2にもほとんど振動が伝播しないので軸受3または回転軸2の振動による損傷の恐れはほとんどない。
【0030】
次に、回転工具6がコレット17に保持される位置により、回転工具6に励起された超音波振動に与える影響を、図14を用いて考察する。図14(A)は、コレット17により保持される位置の後方に圧電セラミック12がある場合である。この圧電セラミック12に所望の振動モードを励起する周波数の電圧を印加することにより、回転工具6に所望の振動モードの超音波振動を励起する。回転工具6の超音波振動はコレット17により小さくなるが、コレット17に穴10が設けられていないものに比較して、コレット17の穴10の効果により超音波振動の減衰は大幅に小さくなる。
【0031】
図14(B)は、コレット17により保持される位置に圧電セラミック12がある場合である。圧電セラミック12をコレット17により損傷を受けないためにステンレス製の円筒カバー24を圧電セラミック12に接合する。コレット17により超音波振動が小さくなるが、図14(A)に比較して超音波振動の減衰は小さい。
【0032】
図14(C)は、コレット17により保持される位置より先端部に圧電セラミック12がある場合である。コレット12により超音波振動はほとんど影響を受けない。図14(B)に比較して超音波振動の減衰は小さい。しかし、回転工具6の先端に圧電セラミック12を位置させているので、圧電セラミック12が被加工物の切削物などと接触して、損傷する虞がある。
【0033】
次にコレット17の回転工具と接触する部分に多孔質のステンレスを用いた例について図15の平面図と図15のA−A線での断面を示す図16を用いて説明する。コレットに円筒状の多孔質のステンレスを溶接で一体化する。
【0034】
コレットに穴を設けたものに比較して、多孔質のステンレスを用いたものは、小型化が可能である。
【0035】
図16は、第3の実施の形態の焼嵌め式超音波工具ホルダ25の基本的な構成を示す斜視図である。焼嵌め式超音波工具ホルダ25は、回転軸に取り付けるテーパー状の鋼製のホルダ部16があり、そのホルダ部16の中に顎19そしてマニピュレータ把持用溝20がある。ホルダ部16のテーパー状の部分と同じくホルダ部16の顎19の間に回転側のフェライト製のロータリートランス4を配置する。そしてその回転側のロータリートランス4を固定するためにメネジを持つ鋼製の固定リング26により締め付け固定する。
【0036】
焼嵌め式超音波工具ホルダ25のホルダ部16の後部に鋼製のプルスタッド27をネジにより接続している。ランジュバン型の超音波振動子部28は、鋼製のリアマス、圧電セラミック、鋼製のフロントマスで構成されている。そしてフロントマスの先端にチャック筒29が一体で製作されている。
【0037】
チャック筒29には、回転工具6と接触する面の近くに複数の穴10が同心円状に設けられている。これらの穴10の効果により、超音波振動子部28で励起した超音波振動を穴10より外周にはほとんど伝播させない。
【0038】
チャック筒29には、焼嵌めにより回転工具6を固定保持する。誘導加熱装置の加熱コイルの中にチャック筒29を挿入し、スイッチを入れ電磁誘導によりチャック筒29を誘導加熱する。そしてチャック筒29は、加熱されることにより、膨張する。そして膨張したチャック筒29に回転工具6のシャンク部を挿入して焼き嵌めする。回転工具6の焼嵌めについては、例えば特許文献1および特許文献2に詳しく記述してある。
【特許文献1】特開2002−355727公報
【特許文献2】特開2002−120115公報
【0039】
焼嵌めによる工具のチャックは、コレットチャックに比較して把握力、精度、剛性、回転バランス等の性能を高めることが可能である。高速回転対応するためには、回転バランスと遠心力により低下する把握力が重要であり、焼嵌め式工具ホルダは、コレットチャックの2〜4倍の把握力を持ち、回転バランスについても締め付け用の部品が無いので、工具の着脱に伴う回転バランスのばらつきが発生しないのである。
【0040】
さらに、焼嵌め式工具ホルダの利点としては、加工に耐えうる最小限の工具把持部の肉厚と把持長を持つことであり、他の方式の工具ホルダと異なってチャック部の外形形状をある程度自由に設計できることである。そして、加工時の工具ホルダと加工物や治具との干渉を防ぐ最適形状を採用することで他の工具ホルダと比較して剛性が高まり、加工時間の短縮や加工精度の向上を図ることができる。
【0041】
また、チャック筒29の別の構成を斜視図17を用いて説明する。チャック筒の外側は、ステンレス製の円筒カバー24であり、内側はステンレス製の多孔質材料11である。この多孔質材料11は密度が約7.0g/cm3ある。回転工具6の超音波振動を伝播させないためには気孔率が5パーセント以上であることが必要である。また気孔率が高すぎると機械的強度が小さくなりすぎるので気孔率は、70パーセント以下が望ましい。したがって多孔質の金属材料の気孔率は、5パーセント以上、70パーセント以下が望ましい。
【産業上の利用可能性】
【0042】
本発明の超音波加工装置は、工具を回転させ加工対象物を加工する様々な加工装置に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【0043】
【図1】従来の超音波研削装置を示す断面平面図である。
【図2】本発明の第1の実施の形態を示す基本的な構成を示す正面図である。
【図3】回転工具を示す正面図である。
【図4】圧電セラミックと工具ホルダを接合した回転工具を示す一部断面を含む正面図である。
【図5】工具ホルダの詳細を示す平面図である。
【図6】図5のA−A線での断面を示す図である。
【図7】スリット状の穴を設けた工具ホルダの平面図である。
【図8】6角形状の穴を設けた工具ホルダの平面図である。
【図9】多孔質のステンレスからなる工具ホルダの平面図である。
【図10】図9のA−A線での断面を示す図である。
【図11】本発明の第2の実施の形態を示す基本的な構成を示す断面図である。
【図12】本発明のコレットを示す斜視図である。
【図13】回転工具に装着する工具ホルダの位置を説明する断面図である。
【図14】多孔質ステンレスを一部に使用したコレットを示す平面図である。
【図15】図14のA−A線での断面を示す図である。
【図16】本発明の第3の実施の形態を示す基本的な構成を示す斜視図である。
【図17】チャック筒の一部が多孔質材料であることを示す斜視図である。
【符号の説明】
【0044】
1 モータ
2 回転軸
3 軸受
4 ロータリートランス
5 チャック装置
6 回転工具
7 加工対象物
8 テーブル
9 工具ホルダ
10 穴
11 多孔質材料
12 圧電セラミック
13 リード線
14 超音波発振器
15 回転軸ハウジング
16 ホルダ部
17 コレット
18 コレットナット
19 顎
20 マニピュレータ把持用溝
21 気孔
22 コレットチャック装置
23 すり割り
24 円筒カバー
25 焼嵌め式超音波工具ホルダ
26 固定リング
27 プルスタッド
28 超音波振動子部
29 チャック筒
【技術分野】
【0001】
本発明は、回転する工具に超音波振動を与え、加工対象物であるガラス、セラミック、シリコーン、超硬金属などを加工する超音波加工装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
最近、いわゆる難加工材料を加工するために超音波振動を工具または、加工対象物に与え加工する方法が多用されるようになってきた。
このような加工方法は、超音波切削加工と呼ばれて、例えば、非特許文献1に詳しく記載されている。超音波切削加工は、加工対象物と工具との摩擦抵抗が、小さくなるため、加工面の熱歪みが低減され、加工精度が高くなり、そして切削工具の寿命が長くなるなどの利点を有している。
【0003】
超音波研削装置は、非特許文献2に詳しく記載されている。図1に示す超音波研削装置も回転軸を回転させるためのモータがあり、その回転軸にスリップリング、超音波振動子が備えられている。さらに、回転軸にはブースタ、ホーンそして研削工具であるダイヤモンド砥石が接続されている。また回転自在に支持するための軸受が配置されている。また超音波交流電圧を超音波振動子に印加するための超音波発振器とブラシを備えている。
上記の超音波研削装置の概略の運転方法は以下の通りである。まずモータを動作させるとほぼ同時に超音波発振器からブラシを介して回転するスリップリングに超音波交流電圧を印加する。スリップリングに与えられた交流電圧は超音波振動子に印加され、超音波振動子は超音波振動する。この超音波振動が、ブースタそしてホーンを伝播し、そして研削工具であるダイヤモンド砥石に伝播する。
【非特許文献1】超音波便覧編集委員会、「超音波便覧」、丸善株式会社、平成11年8月、p679−684
【非特許文献2】日本電子機械工業会、「超音波工学」、株式会社コロナ社、1993年、p218−229
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかし、回転軸に超音波振動子を取り付けると回転軸が超音波振動するので軸受にも超音波振動が伝播し、軸受は破損の恐れが生ずる。また回転軸および軸受に異常な磨耗が発生し、磨耗が大きくなる恐れがある。さらに、回転軸の直径とほぼ等しい超音波振動子であるランジュバン型超音波振動子を回転軸に接合するため、重量が増加して、回転慣性が大きくなり高速回転には不適な構成になる。さらに、回転軸に接合された超音波振動子の形状の誤差、重量のアンバランスにより回転が不安定になり、回転装置が故障し、加工精度が低下する。
別の問題点として、工具を保持するチャック装置と工具が超音波振動により互いに摩擦し焼き付けが発生する。
さらに、超音波振動により、時としては工具を保持するチャック装置の保持力が小さくなり、加工時に機械的負荷が工具に加わったときに工具が止まってしまう問題点もある。
【0005】
また、チャック装置を固定端として工具が振動するので、固定端からの工具の長さにより駆動周波数を変化させなければならないが、工具に比較してランジュバン型超音波振動子、回転軸及びホーンの質量が大きいため、主に前記ランジュバン型超音波振動子などの固有振動数でしか効率的に振動を励起することができない。したがって、工具に最適な振動を励起することができないという問題点もある。
【0006】
本発明の目的は、高精度および高い信頼性をもつ、回転工具を持つ超音波加工装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明は、回転する工具を持つ超音波加工装置において、工具本体に超音波振動子を接合していること、かつ工具がチャック装置に把握されている位置に複数の穴持つ工具ホルダが接合されているものとすることである。
【0008】
本発明はまた、回転する工具を持つ超音波加工装置において、工具本体に超音波振動子を接合していること、かつ工具がチャック装置に把握されている位置に多孔質の金属材料製の工具ホルダが接合されているものすることである。
【0009】
本発明はまた、回転する工具を持つ超音波加工装置において、工具本体に超音波振動子を接合していること、チャック装置がコレットチャックであり、コレットに複数の穴持つものとすることである。
【0010】
本発明はまた、回転する工具を持つ超音波加工装置において、工具本体に超音波振動子を接合していること、チャック装置がコレットチャックであり、コレットの一部が多孔質の金属材料製とするものである。
【0011】
本発明はまた、回転する工具を持つ超音波加工装置において、工具本体に超音波振動子を接合していること、チャック装置が焼き嵌め式チャックであり、チャック筒に複数の穴持つものとすることである。
【0012】
本発明はまた、回転する工具を持つ超音波加工装置において、工具本体に超音波振動子を接合していること、チャック装置が焼き嵌め式チャックであり、チャック筒の一部が多孔質の金属材料製とするものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【0013】
図2は、第1の実施の形態を示す基本的な構成を示す一部の断面を含む正面図である。ステンレス製の中空の回転軸2を回転させるための中空のモータ1が備えられている。回転軸2を回転自在に支持するための軸受3があり、さらにこの軸受3を固定するためのステンレスの回転軸ハウジング15がある。回転軸ハウジング15のさらに外側にはケースがあるがこれは。図面を簡単にするため省略した。回転軸2には回転軸2に固着された回転側のロータリートランス4aがある。回転側のロータリートランス4aの近傍には固定側のロータリートランス4bがある。固定側のロータリートランス4bを取付けた固定板は図面を簡略化するために示さない。回転軸2に回転工具6を固定するための保持装置であるチャック装置5がある。そのチャック装置5により本発明の回転工具6を保持する。回転側のロータリートランス4aと、回転工具6に固着した超音波振動子である圧電セラミックはリード線13により電気的に結合されている。回転工具6の下には、テーブル8に固定された加工対象物7がある。
【0014】
回転工具6の詳細を図3の平面図を用いて説明する。回転工具6は、外径2mmそして長さ70mmの超硬製のエンドミルである。
【0015】
そして図4の一部断面を示す平面図を用いて説明するが、回転工具6に超音波振動子である円筒状の圧電セラミック12をエポキシ樹脂を用いて接合する。また、エポキシ樹脂により円筒状の工具ホルダ9を接合する。工具ホルダ9は、チャック装置5により保持される。円筒状の圧電セラミック12は半径方向に分極されている。そしてその内面と外面に銀電極が設けられている。円筒状の圧電セラミック12の形状は外径4.0mm、内径2.0mmそして長さ25mmである。
【0016】
工具ホルダ9の詳細を図5の平面図と図5のA−A線での断面を示す図6を用いて説明する。工具ホルダは、ステンレス製であり、円筒形状の長さ方向に貫通する多数の穴が設けられている。
【0017】
次にこの工具ホルダ9の効果について説明する。回転工具6に接合した円筒状の圧電セラミック12に回転工具6に所望の振動モードの超音波振動を励起する電圧を印加し、回転工具6を超音波振動させる。この超音波振動を回転工具6以外に可能な限り伝播させないため、回転工具6を保持する工具ホルダ9が、回転工具6の超音波振動を伝播させないことである。そのために、工具ホルダ9に多数の穴10を設け、この穴10の効果により、回転工具6よりの超音波振動が反射または屈折して、チャック装置に伝播することが小さくなる。したがって、回転工具6に効率高く超音波振動を励起させることができる。
【0018】
工具ホルダ9に設ける穴10の形状として、図7の平面図で示す穴10がスリット状もの、そして図8の平面図で示す6角形状の穴10がある。穴10の役割は、超音波振動の伝播を小さくすることであり、回転工具6の形状とチャック装置5の形状などにより様々な形状が用いられる。
【0019】
次にこの超音波加工装置の運転方法を、図2を用いて説明する。まずモータ1の電源をいれ回転軸2を回転させる。次に超音波発振器14のスイッチを入れ、固定側のロータリートランス4b、回転側のロータリートランス4aを介して円筒状の圧電セラミック12に超音波交流電圧を印加する。回転工具6の縦振動モードで振動する固有振動数の超音波交流電圧を印加することにより、回転工具6だけがほぼ振動する。
【0020】
上記の加工は超音波切削加工であり、加工対象物と工具との摩擦抵抗が、小さくなるため、加工面の熱歪みが低減され、加工精度が高くなり、そして、切削工具の寿命が長くなるなどの利点を有している。
【0021】
チャック装置5には、ほとんど振動が伝播することがないため振動ロスがほとんどないので小さな電力で必要な大きさの回転工具6の振動を励起させることができる。したがって、回転工具6の温度の上昇を小さくできるので、加工精度を向上させることができる。
【0022】
また、超音波振動は摩擦力を小さくする作用があるのでチャック装置5が振動すると、チャック装置5の回転工具6の保持力が小さくなり、加工対象物7を加工しているときの負荷により回転工具6とチャック装置5の間でスリップする虞がある。本発明の回転工具6は上記のようにチャック装置5に振動がほとんど伝播しないので、チャック装置5の回転工具6を保持する力は、小さくなる恐れはほとんどない。
【0023】
また、当然回転軸2にもほとんど振動が伝播しないので軸受3または回転軸2の振動による損傷の恐れはほとんどない。
【0024】
また、工具ホルダ9の別の構成として図9の平面図と図9のA−A線での断面を示す図10がある。ここで、図では多孔質を表現するために気孔21の大きさを誇張している。工具ホルダ9、多孔質のステンレス材料であり、密度が約7.0g/cm3ある。回転工具6の超音波振動を伝播させないためには気孔率が5パーセント以上であることが必要である。また気孔率が高すぎると機械的強度が小さくなりすぎるので気孔率は、70パーセント以下が望ましい。したがって多孔質の金属材料の気孔率は、5パーセント以上、70パーセント以下が望ましい。
【0025】
図11は、第2の実施の形態を示す基本的な構成であるコレットチャック装置22の断面図である。加工装置の回転軸に設けられたテーパー状の穴に入れて使用するものである。回転軸に設けられたテーパー状の穴に入れるホルダ部16には、顎19そしてマニピュレータ把持用溝20がある。コレットチャック装置22のホルダ部16の先端にコレットホルダ部があり、そしてその中にコレット17を入れ、そして回転工具6を入れ、コレットナット18により回転工具6を保持固定する。
【0026】
コレット17の詳細を図12の斜視図に示す。コレット17には複数のすり割り23が設けられている。回転工具6と接触する面の近くに複数の穴10を同心円状に設ける。これらの穴10の効果により、回転工具6に接合した圧電セラミックに電圧を印加することにより励起した超音波振動を穴10より外周にはほとんど伝播させない。
【0027】
したがって、コレットチャック装置22には、ほとんど振動が伝播することがないため振動ロスがほとんどないので小さな電力で必要な大きさの回転工具6の振動を励起させることができる。したがって、回転工具6の温度の上昇を小さくできるので、加工精度を向上させることができる。
【0028】
上記のようにコレットチャック装置22に振動がほとんど伝播しないので、チャック装置5の回転工具6を保持する力は、小さくなる恐れはほとんどない。
【0029】
また、当然回転軸2にもほとんど振動が伝播しないので軸受3または回転軸2の振動による損傷の恐れはほとんどない。
【0030】
次に、回転工具6がコレット17に保持される位置により、回転工具6に励起された超音波振動に与える影響を、図14を用いて考察する。図14(A)は、コレット17により保持される位置の後方に圧電セラミック12がある場合である。この圧電セラミック12に所望の振動モードを励起する周波数の電圧を印加することにより、回転工具6に所望の振動モードの超音波振動を励起する。回転工具6の超音波振動はコレット17により小さくなるが、コレット17に穴10が設けられていないものに比較して、コレット17の穴10の効果により超音波振動の減衰は大幅に小さくなる。
【0031】
図14(B)は、コレット17により保持される位置に圧電セラミック12がある場合である。圧電セラミック12をコレット17により損傷を受けないためにステンレス製の円筒カバー24を圧電セラミック12に接合する。コレット17により超音波振動が小さくなるが、図14(A)に比較して超音波振動の減衰は小さい。
【0032】
図14(C)は、コレット17により保持される位置より先端部に圧電セラミック12がある場合である。コレット12により超音波振動はほとんど影響を受けない。図14(B)に比較して超音波振動の減衰は小さい。しかし、回転工具6の先端に圧電セラミック12を位置させているので、圧電セラミック12が被加工物の切削物などと接触して、損傷する虞がある。
【0033】
次にコレット17の回転工具と接触する部分に多孔質のステンレスを用いた例について図15の平面図と図15のA−A線での断面を示す図16を用いて説明する。コレットに円筒状の多孔質のステンレスを溶接で一体化する。
【0034】
コレットに穴を設けたものに比較して、多孔質のステンレスを用いたものは、小型化が可能である。
【0035】
図16は、第3の実施の形態の焼嵌め式超音波工具ホルダ25の基本的な構成を示す斜視図である。焼嵌め式超音波工具ホルダ25は、回転軸に取り付けるテーパー状の鋼製のホルダ部16があり、そのホルダ部16の中に顎19そしてマニピュレータ把持用溝20がある。ホルダ部16のテーパー状の部分と同じくホルダ部16の顎19の間に回転側のフェライト製のロータリートランス4を配置する。そしてその回転側のロータリートランス4を固定するためにメネジを持つ鋼製の固定リング26により締め付け固定する。
【0036】
焼嵌め式超音波工具ホルダ25のホルダ部16の後部に鋼製のプルスタッド27をネジにより接続している。ランジュバン型の超音波振動子部28は、鋼製のリアマス、圧電セラミック、鋼製のフロントマスで構成されている。そしてフロントマスの先端にチャック筒29が一体で製作されている。
【0037】
チャック筒29には、回転工具6と接触する面の近くに複数の穴10が同心円状に設けられている。これらの穴10の効果により、超音波振動子部28で励起した超音波振動を穴10より外周にはほとんど伝播させない。
【0038】
チャック筒29には、焼嵌めにより回転工具6を固定保持する。誘導加熱装置の加熱コイルの中にチャック筒29を挿入し、スイッチを入れ電磁誘導によりチャック筒29を誘導加熱する。そしてチャック筒29は、加熱されることにより、膨張する。そして膨張したチャック筒29に回転工具6のシャンク部を挿入して焼き嵌めする。回転工具6の焼嵌めについては、例えば特許文献1および特許文献2に詳しく記述してある。
【特許文献1】特開2002−355727公報
【特許文献2】特開2002−120115公報
【0039】
焼嵌めによる工具のチャックは、コレットチャックに比較して把握力、精度、剛性、回転バランス等の性能を高めることが可能である。高速回転対応するためには、回転バランスと遠心力により低下する把握力が重要であり、焼嵌め式工具ホルダは、コレットチャックの2〜4倍の把握力を持ち、回転バランスについても締め付け用の部品が無いので、工具の着脱に伴う回転バランスのばらつきが発生しないのである。
【0040】
さらに、焼嵌め式工具ホルダの利点としては、加工に耐えうる最小限の工具把持部の肉厚と把持長を持つことであり、他の方式の工具ホルダと異なってチャック部の外形形状をある程度自由に設計できることである。そして、加工時の工具ホルダと加工物や治具との干渉を防ぐ最適形状を採用することで他の工具ホルダと比較して剛性が高まり、加工時間の短縮や加工精度の向上を図ることができる。
【0041】
また、チャック筒29の別の構成を斜視図17を用いて説明する。チャック筒の外側は、ステンレス製の円筒カバー24であり、内側はステンレス製の多孔質材料11である。この多孔質材料11は密度が約7.0g/cm3ある。回転工具6の超音波振動を伝播させないためには気孔率が5パーセント以上であることが必要である。また気孔率が高すぎると機械的強度が小さくなりすぎるので気孔率は、70パーセント以下が望ましい。したがって多孔質の金属材料の気孔率は、5パーセント以上、70パーセント以下が望ましい。
【産業上の利用可能性】
【0042】
本発明の超音波加工装置は、工具を回転させ加工対象物を加工する様々な加工装置に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【0043】
【図1】従来の超音波研削装置を示す断面平面図である。
【図2】本発明の第1の実施の形態を示す基本的な構成を示す正面図である。
【図3】回転工具を示す正面図である。
【図4】圧電セラミックと工具ホルダを接合した回転工具を示す一部断面を含む正面図である。
【図5】工具ホルダの詳細を示す平面図である。
【図6】図5のA−A線での断面を示す図である。
【図7】スリット状の穴を設けた工具ホルダの平面図である。
【図8】6角形状の穴を設けた工具ホルダの平面図である。
【図9】多孔質のステンレスからなる工具ホルダの平面図である。
【図10】図9のA−A線での断面を示す図である。
【図11】本発明の第2の実施の形態を示す基本的な構成を示す断面図である。
【図12】本発明のコレットを示す斜視図である。
【図13】回転工具に装着する工具ホルダの位置を説明する断面図である。
【図14】多孔質ステンレスを一部に使用したコレットを示す平面図である。
【図15】図14のA−A線での断面を示す図である。
【図16】本発明の第3の実施の形態を示す基本的な構成を示す斜視図である。
【図17】チャック筒の一部が多孔質材料であることを示す斜視図である。
【符号の説明】
【0044】
1 モータ
2 回転軸
3 軸受
4 ロータリートランス
5 チャック装置
6 回転工具
7 加工対象物
8 テーブル
9 工具ホルダ
10 穴
11 多孔質材料
12 圧電セラミック
13 リード線
14 超音波発振器
15 回転軸ハウジング
16 ホルダ部
17 コレット
18 コレットナット
19 顎
20 マニピュレータ把持用溝
21 気孔
22 コレットチャック装置
23 すり割り
24 円筒カバー
25 焼嵌め式超音波工具ホルダ
26 固定リング
27 プルスタッド
28 超音波振動子部
29 チャック筒
【特許請求の範囲】
【請求項1】
回転する工具を持つ超音波加工装置において、工具本体に超音波振動子を接合していること、かつ工具がチャック装置に把握されている位置に複数の穴持つ工具ホルダが接合されていることを特徴とするものである。
【請求項2】
回転する工具を持つ超音波加工装置において、工具本体に超音波振動子を接合していること、かつ工具がチャック装置に把握されている位置に多孔質の金属材料製の工具ホルダが接合されていることを特徴とするものである。
【請求項3】
回転する工具を持つ超音波加工装置において、工具本体に超音波振動子を接合していること、チャック装置がコレットチャックであり、コレットに複数の穴持つことを特徴とするものである。
【請求項4】
回転する工具を持つ超音波加工装置において、工具本体に超音波振動子を接合していること、チャック装置がコレットチャックであり、コレットの一部が多孔質の金属材料製であることを特徴とするものである。
【請求項5】
回転する工具を持つ超音波加工装置において、工具本体に超音波振動子を接合していること、チャック装置が焼き嵌め式チャックであり、チャック筒に複数の穴持つことを特徴とするものである。
【請求項6】
回転する工具を持つ超音波加工装置において、工具本体に超音波振動子を接合していること、チャック装置が焼き嵌め式チャックであり、チャック筒の一部が多孔質の金属材料製とすることを特徴とするものである。
【請求項1】
回転する工具を持つ超音波加工装置において、工具本体に超音波振動子を接合していること、かつ工具がチャック装置に把握されている位置に複数の穴持つ工具ホルダが接合されていることを特徴とするものである。
【請求項2】
回転する工具を持つ超音波加工装置において、工具本体に超音波振動子を接合していること、かつ工具がチャック装置に把握されている位置に多孔質の金属材料製の工具ホルダが接合されていることを特徴とするものである。
【請求項3】
回転する工具を持つ超音波加工装置において、工具本体に超音波振動子を接合していること、チャック装置がコレットチャックであり、コレットに複数の穴持つことを特徴とするものである。
【請求項4】
回転する工具を持つ超音波加工装置において、工具本体に超音波振動子を接合していること、チャック装置がコレットチャックであり、コレットの一部が多孔質の金属材料製であることを特徴とするものである。
【請求項5】
回転する工具を持つ超音波加工装置において、工具本体に超音波振動子を接合していること、チャック装置が焼き嵌め式チャックであり、チャック筒に複数の穴持つことを特徴とするものである。
【請求項6】
回転する工具を持つ超音波加工装置において、工具本体に超音波振動子を接合していること、チャック装置が焼き嵌め式チャックであり、チャック筒の一部が多孔質の金属材料製とすることを特徴とするものである。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【公開番号】特開2010−240745(P2010−240745A)
【公開日】平成22年10月28日(2010.10.28)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−233334(P2007−233334)
【出願日】平成19年8月13日(2007.8.13)
【出願人】(500222021)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成22年10月28日(2010.10.28)
【国際特許分類】
【出願日】平成19年8月13日(2007.8.13)
【出願人】(500222021)
【Fターム(参考)】
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