JP2007168061A

JP2007168061A - バイトホルダー

Info

Publication number: JP2007168061A
Application number: JP2005381131A
Authority: JP
Inventors: Kazumasa Onishi; 一正大西
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-12-20
Filing date: 2005-12-20
Publication date: 2007-07-05

Abstract

【課題】加工精度が高く、加工速度が高くかつ切削チップが長寿命であるバイトホルダーを提供すること。
【解決手段】バイトホルダー３は、工具鋼製の本体部３とチタン合金製の超音波振動部２からなる。工具鋼製の本体部３とチタン合金製の超音波振動部２はネジ、エポキシ樹脂及び溶接などの方法で接合する。そしてネジ１２により超音波振動部２に切削チップ６を取り付ける。
【選択図】図３

Description

本発明は、旋盤に用いる切削チップを取り付けるバイトホルダーに関するものである。

従来、例えば金属材料やプラスチック材料等からなるワークの内周面の切削加工においては、図１に示すように、旋盤５の刃物台である保持装置４に内周加工用の切削チップ６を備えたバイトホルダー１を取付けると共にワーク１１を旋盤主軸先端のチャック装置９に取り付け、ワーク１１を回転させると同時に刃物台である保持装置４に送りを与え、これによりワーク１１の内周面を所定の寸法に加工していた。

しかしながら、かかる従来のワーク１１の内周面の切削加工においては切削加工中にバイトホルダー１とワーク１１との間にびびり振動が発生し、このびびり振動が加工精度の劣化や工具寿命の短縮などを招く問題があった。

特に、このような切削加工ではバイトホルダー１の突き出し長さをワーク１１の加工深さより長くする必要があるが、このためワーク１１の加工深さが深くなればなるほどバイトホルダー１の突き出し長さは、長くなり、バイトホルダー１が長くなると前記びびり振動がより生じ易くなる。

さらに、ワーク１１の内径が小さい場合にはそれに合わせバイトホルダー１も径を小さくする必要があるが、このようなバイトホルダー１が細くなるとバイトホルダー１の剛性が低下し、同様にびびり振動がより生じ易くなる。

このような従来の切削加工における問題点を解決するために、図２の特許文献１に示す超音波振動を切削工具に印加し、切削加工中にバイトホルダーとワークとの間に発生するびびり振動を抑制し、加工精度が良好で加工能率が良く、工具寿命の長くすることを狙ったものがある。

前記の超音波振動を印加する加工方法は、超音波切削加工と呼ばれており、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。

ここで図２の特許文献１に示す超音波加工装置について詳しく説明する。切削工具は、超音波捻り振動を発生する超音波捻り振動器と、超音波捻り振動器により発生された捻り振動を撓み振動に変換する撓み振動体とを備えている。超音波捻り振動器は、ボルト締めランジュバン型電歪振動子からなり、超音波発振器１０からの高周波駆動信号により駆動される。

また、超音波捻り振動器の先端には、超音波捻り振動器より発生した捻り振動の振幅を拡大して、撓み振動体に伝達する振幅拡大用ホーンがねじ止めされており、超音波捻り振動は該ホーンを通過することにより振動振幅が数倍に拡大される。

さらに振幅拡大用ホーンの先端には、捻り振動を撓み振動に変換するための撓み振動体が図示しないネジでねじ止めされており、該撓み振動体の先端には切削チップ６がねじ止めされている。

そして、これら超音波捻り振動器、振幅拡大用ホーン、撓み振動体、切削チップ６は、超音波捻り振動器の固有振動数とほぼ同一の振動数で定在波が発生し共振する振動系となっている。

さらに該捻り振動系は、振幅拡大用ホーンに発生した定在波の節に設けられたフランジによりケースに取付けられている。また、超音波捻り振動器の後方には、該超音波捻り振動器を冷却するファンが設けられている。

また、このような切削工具を旋盤の刃物台に取り付け、ワークの円周切削加工を行う場合には、該切削工具の取付け手段として防振合金製のバイトホルダーを用いることが好ましいとされている。

このような構成の切削工具によると、加工中のホルダに発生する振動が、従来の１／１０〜１／３０に減少し、高精度且つ高能率の切削加工を行うことができ、工具の長寿命化が図られているとされている。

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特開平７−１６４２１７号公報

しかし、工具を保持する保持装置である刃物台と切削工具の一部であるバイトホルダーが超音波振動により互いに摩擦し焼き付けが発生する虞がある。

また超音波振動により、バイトホルダーと保持装置である刃物台の摩擦力が小さくなり、加工時に機械的負荷が切削工具の一部であるバイトホルダーに加わったときに保持装置内でバイトホルダーの位置が変化することにより加工精度が悪化する問題点もある。

さらに、超音波振動子の超音波振動が保持装置である刃物台などに伝播してしまい、切削チップに与える超音波振動が小さくなる。所望の大きさの超音波振動を切削チップに印加するためには、保持装置である刃物台など不要な部分に振動を与えるため不要に大きい超音波交流電力を超音波振動子に与える。このため、超音波振動子は、不要な部分に超音波振動を与える分に相当する余分な発熱があり、切削チップ、保持装置などの温度が上昇する。そのため、加工精度、加工能率及び切削チップの寿命に悪影響を与える。

そして、さらに別の問題点としてバイトホルダーの後部に超音波振動子を接合しているため、切削チップに励起できる超音波振動モードが限定される。つまり、所望の振動モードを励起できない虞がある。

本発明の目的は、長寿命の切削チップおよびこれを用いて高精度かつ高能率の超音波加工を提供するものである。

本発明は、旋盤に用いられるバイトホルダーにおいて、バイトホルダーの先端部に超音波振動部が設けられているものである。

前記バイトホルダーの超音波振動部に圧電素子が接合されているものである。

前記バイトホルダーの超音波振動部に切削チップを取り付けるための孔又はネジ部を有しているものである。

本発明のバイトホルダーを用いた超音波加工により、高精度かつ高速加工が可能となり、さらに切削チップが長寿命となる。

第１の実施の形態である基本的な構成を図３の平面図と図４の側面図で示す。バイトホルダー１は、工具鋼製の本体部３とチタン合金製の超音波振動部２からなる。工具鋼製の本体部３とチタン合金製の超音波振動部２はネジ、エポキシ樹脂及び溶接などの方法で接合できる。そしてネジ１２により超音波振動部２に切削チップ６を取り付ける。

そして本体部３は、保持装置４により保持される部分でもある。超音波振動部２は超音波振動する振動部分である。超音波振動部２の材料と本体部３の材料が異なるため、超音波振動部２の超音波振動は、本体部３に伝播し難い。密度と音速の積である音響インピーダンスが異なると材料の界面で超音波振動は反射する。チタン合金の密度は、約４４２０ｋｇ／ｍ^３、音速が約４９００ｍ／ｓであり、音響インピーダンスは約２．２×１０^７ｋｇ／ｍ^２・ｓである。一方工具鋼の密度は、約７９００ｋｇ／ｍ^３、音速が約５２００ｍ／ｓであり、音響インピーダンスは４．１×１０^７ｋｇ／ｍ^２・ｓである。このように工具鋼とチタン合金の音響インピーダンスが異なることを利用して、超音波振動部だけが主に振動するようにできる。

超音波振動源として圧電素子７である圧電セラミックを超音波振動部２にエポキシ樹脂により接合する。圧電セラミックの両面には銀ペーストを印刷して設けた電極部１３があり、かつ板厚方向に分極されている。電極部１３の表面には電気的絶縁を確保するために絶縁塗料を塗布している。

そして、圧電セラミックにリード線８をハンダ付けし、そしてこれらリード線８を超音波発振器１０に接続する。

次にこのバイトホルダー１を用いた旋盤の運転方法について図５を用いて説明する。超音波発振器１０から高周波電圧を板状の圧電セラミックに印加する。所望の周波数の高周波電圧を印加することにより、図３の矢印に示すよう超音波振動部２の長さ方向に伸縮振動が励起される。これとほぼ同時に図示しないモータを起動し、チャック装置９とこれにより機械的に固定されたワーク１１を回転させる。そして、図示しない送りモータを起動し、切削チップ６をワーク１１方向に移動させ、ワーク１１の内周部を切削加工する。切削時には切削液を切削部分に供給する。

ここで用いたバイトホルダー１の本体部３の質量は超音波振動部２に比較して数倍以上に大きい。したがって、ほぼ超音波振動部２だけが振動することになる。そして、超音波振動部２に接合された切削チップ６が振動する。

超音波振動部２、圧電素子７そして切削チップ６の合計の質量は本体部の質量に比較して数分の１以下であるので、バイトホルダー１全体を振動させるのに比較して必要な振動エネルギーは、数分の１以下になる。したがって、超音波発振器１０を小型化できることはもちろん、電力投入量が小さいため切削チップの温度の上昇も小さくできるので、加工精度、加工速度も高くできる。

第２の実施の形態である基本的な構成を図６の平面図で示す。バイトホルダー１の本体３、超音波振動部２および切削チップ６は第１の実施の形態で用いたものと同じである。圧電素子７の構成が第１の実施の形態と異なり、その構成を図７の斜視図に示す。図７中の矢印は分極方向を示す。

そして、電極部１３ａと電極部１３ｂ、１３ｃに印加する電圧を９０度位相の異なものにすると長さ方向の端面に楕円軌跡の振動を発生させることができる。

このバイトホルダー１を用いた旋盤の運転方法について図６を用いて説明する。超音波発振器１０から高周波電圧を電極部１３ａに印加して、図の矢印ａに示すよう超音波振動部２の長さ方向に伸縮振動が励起される。超音波発振器１０に位相シフタ１４を接続して、電極部１３ａに印加した電圧と同じ周波数で位相が９０度異なる電圧を電極部１３ｂと電極部１３ｃに印加する。電極部１３ｂと電極部１３ｃの部分の分極方向は図７の矢印が示すように互いに逆であり、この電極部１３ｂ、電極部１３ｃに同じ位相の電圧を印加すると超音波振動部に矢印ｂに示す曲げ振動を励起できる。矢印ａと矢印ｂは互いに直交しており、かつ振動変位位相が９０度異なるので超音波振動部は楕円軌跡を持つ振動する。そして超音波振動部２にネジ１２により接合した切削チップ６は楕円軌跡を持つ振動する。

同じくこれとほぼ同時に図示しないモータを起動し、チャック装置９とこれにより機械的に固定されたワーク１１を回転させる。そして、図示しない送りモータを起動し、バイトホルダー１とこれに取付けられた切削チップ６をワーク１１方向に移動させ、ワーク１１の内周部を切削加工する。切削時には切削液を切削部分に供給する。

切削チップ６に楕円軌跡の振動を励起すると、望ましい方向のときだけ、ワーク１１に切削チップ６が接触して切削する。逆方向のときは、切削チップ６をワーク１１に接触しないようにできる。この楕円軌跡の振動により、加工品質は向上する。

このような構成にすると保持装置４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振動を励起させることができる。したがって、切削チップ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。

また、本体部３には、ほとんど振動が伝播することがないので本体部３と保持装置４が互いに接触して振動することにより本体部３または保持装置４の損傷の恐れほとんどない。

さらに、超音波振動は摩擦係数を小さくする作用があるので本体部３または保持装置４が振動すると、保持装置４のバイトホルダー１の保持力が小さくなり、ワーク１１を加工しているときの負荷によりバイトホルダー１と保持装置４の間でスリップし、工具が破損したり、ワークが損傷する。本発明の切削工具は上記のように本体部３または保持装置４に振動がほとんど伝播しないので、保持装置４の切削工具の保持力は、小さくなる恐れはほとんどない。

また、旋盤にもほとんど振動が伝播しないので振動による損傷の恐れはほとんどない。

上記のように、ほぼ切削チップと超音波振動部だけを振動させることができることにより切削チップが長寿命であり、加工精度が高く、加工能率の高い旋盤加工を提供できる。

バイトホルダー１は本体部３と超音波振動部２から構成されているが、必要とされることは超音波振動部２の振動を本体部３に可能な限り伝播させないことである。

上記の例では、本体部３と超音波振動部２の材料を異ならせることで、可能な限り超音波振動部２の振動を本体部３に伝播させない構成とした。

超音波振動部２の振動を本体部３に伝播させない別の構成として図８、図９の斜視図で示す構成がある。

図８の斜視図で示すものは、バイトホルダー１の一部を示す斜視図であるが、本体部３及び超音波振動部２は同じ工具鋼製である。超音波振動部２の振動を本体部３に伝播させないために、本体部３と接触する超音波振動部２の面に溝部１５を設けることにより振動の伝播を小さくする。ここでは超音波振動部２の面に溝部１５を設けたが、本体部３に溝部１５を設けても効果は同じである。

図９の斜視図で示すものは、バイトホルダー１の一部を示す斜視図であるが、本体部３及び超音波振動部２は同じ工具鋼製である。超音波振動部２の振動を本体部３に伝播させないために、本体部３と接触する超音波振動部２の面に制振鋼板１６を接合することにより、超音波振動部２から本体部３への振動の伝播を小さくすることができる。ここでは、制振鋼板１６を超音波振動部２に接合したが、本体部３に制振鋼板１６を接合してももちろん効果は同じである。

本発明のバイトホルダーは、旋盤に用いることができる。

従来の旋盤と切削工具を示す平面図である。従来の超音波切削工具を示す一部断面平面図である。本発明の第１の構成のバイトホルダーを示す平面図である。図３で示したバイトホルダーの側面図である。本発明の第１の構成のバイトホルダーを用いた旋盤を示す平面図である。本発明の第２の構成のバイトホルダーを示す平面図である。図６で用いた圧電セラミックを示す斜視図である。本発明の別の構成のバイトホルダーを示す斜視図である。本発明のさらに別の構成のバイトホルダーを示す斜視図である。

符号の説明

１バイトホルダー
２超音波振動部
３本体部
４保持装置
５旋盤
６切削チップ
７圧電素子
８リード線
９チャック装置
１０超音波発振器
１１ワーク
１２ネジ
１３電極部
１４位相シフタ
１５溝部
１６制振鋼板

Claims

旋盤に用いられるバイトホルダーにおいて、バイトホルダーの先端部に超音波振動部が設けられていることを特徴とする。
前記超音波振動部に圧電素子が接合されていることを特徴とする請求項１に記載のバイトホルダー。
前記超音波振動部に切削チップを取り付けるための孔又はネジ部を有していることを特徴とする請求項１に記載のバイトホルダー。