JP2008149441A - 超音波工具ホルダ - Google Patents

Abstract

【課題】 加工精度が高く、かつ信頼性の高い超音波加工する工具ホルダを提供すること。
【解決手段】 超音波工具ホルダ１は、ステンレス製の円柱であり、先端部は工具を保持する側である。そしてその裏側には、円柱の中心軸と一致する孔が円柱の長さの半分程度の深さまで設けてある。孔の中心部には超音波工具ホルダ１の中心軸と一致するステンレス製のチャック棒３を孔の底にさらに小さな孔を設け、チャック棒３を入れエポキシ樹脂で接合する。超音波工具ホルダ１の円柱の外側には、超音波振動子である円筒状の圧電セラミック２を、エポキシ樹脂を用いて接合する。
【選択図】図４

Description

本発明は、工具を保持する超音波工具ホルダに関するものである。

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、ワーク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。工具としては、旋盤に用いるバイト、フライス盤に用いるエンドミルなどがある。超音波切削加工は、ワーク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１の特許文献１に示す切削工具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。

また超音波研削装置は、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。
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 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 特開平７−１６４２１７号公報

しかし、図１の旋盤において、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。

図２の超音波研削装置おいては、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。

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。

本発明の目的は、高精度および高い信頼性をもつ超音波加工法を提供するものである。

本発明は、工具を保持する超音波工具ホルダにおいて、超音波工具ホルダに超音波振動子を接合していること、かつ超音波工具ホルダに工具の中心軸と一致する孔を持ち、その孔の中心部に工具の中心軸と一致する中心軸を持つチャック棒を有するものである。

本発明はまた、前記超音波工具ホルダの孔の深さＬ２が超音波工具ホルダの長さＬ１の０．２倍以上、０．８倍以下の長さとするものである。また、超音波工具ホルダの孔の直径が超音波工具ホルダの最大直径の０．２倍以上、０．８倍以下とするものである。さらにチャック棒の最大直径が超音波工具ホルダの孔の最大直径の０．２倍以上、０．８倍以下とするものである。

前記超音波工具ホルダに工具を取り付けるための装置を有するものである。

本発明の超音波工具ホルダを使用して、旋盤、フライス盤などの機械加工機に用いて超音波加工を行うことにより高精度かつ高速加工を可能となる。

図３は、本発明の超音波工具ホルダ１を示す基本的な構成を示す正面図、そして図４は図３のＡ−Ａ線での断面図である。超音波工具ホルダ１は、ステンレス製の円柱であり、先端部は工具を保持する側である。そしてその裏側には、円柱の中心軸と一致する孔が円柱の長さの半分程度の深さまで設けてある。孔の中心部には超音波工具ホルダ１の中心軸と一致するステンレス製のチャック棒３を孔の底にさらに小さな孔を設け、チャック棒３を入れエポキシ樹脂で接合する。ここでは、エポキシ樹脂を用いて接合したが、溶接でももちろん良い。超音波工具ホルダ１の円柱の外側には、超音波振動子である円筒状の圧電セラミック２を、エポキシ樹脂を用いて接合する。

超音波工具ホルダ１の構成において、重要な点は超音波工具ホルダ１の長さＬ１と超音波工具ホルダ１の孔４の深さＬ２の関係である。超音波工具ホルダ１の孔４の深さＬ２は超音波工具ホルダ１の長さＬ１の０．２倍から０．８倍の範囲にあることが望ましい。この深さの孔４の中心部位置の振動は小さく、ほぼ振動の節となっている。この孔４にチャック棒３を接合すると、チャック棒３の拘束位置によらず、ほぼ理想的な振動の節を拘束する構成となる。

超音波工具ホルダ１の構成において、重要な点は超音波工具ホルダ１の最大直径Ｄ１と超音波工具ホルダ１の孔４の最大直径Ｄ２の関係である。超音波工具ホルダ１の孔４の最大直径Ｄ２は超音波工具ホルダ１の最大直径Ｄ１の０．２倍から０．８倍の範囲にあることが望ましい。超音波工具ホルダ１の孔４の最大直径Ｄ２が超音波工具ホルダ１の最大直径Ｄ１の０．２倍より小さいと、チャック棒が細くなる過ぎるため、工具を剛性高く保持できない。そして超音波工具ホルダ１の孔４の最大直径Ｄ２が超音波工具ホルダの最大直径Ｄ１の０．８倍より大きいと、超音波工具ホルダ１の肉厚が薄くなりすぎ、所望の振動モードを励起することが困難になる。

超音波工具ホルダ１の構成において、重要な点は超音波工具ホルダ１の孔４の最大直径Ｄ２とチャック棒３の最大直径Ｄ３との関係である。チャック棒３の最大直径Ｄ３は超音波工具ホルダ１の孔４の最大直径Ｄ２の０．２倍から０．８倍の範囲にあることが望ましい。チャック棒３の最大直径Ｄ３が超音波工具ホルダ１の孔４の最大直径Ｄ２の０．２倍より小さいと、チャック棒３が細くなる過ぎるため、工具５を剛性高く保持できない。そしてチャック棒３の最大直径Ｄ３が超音波工具ホルダ１の孔４の最大直径Ｄ２の０．８倍より大きいと、チャック棒３に超音波振動が励起される虞が大きい。

円筒状の圧電セラミック２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。

次にこの超音波工具ホルダ１の振動モードについて説明する。圧電セラミック２を接合した超音波工具ホルダ１は、ほぼ両端が拘束されない１次の縦振動をする。そして超音波工具ホルダ１の孔底の位置は、ほぼ縦振動の節部になり、その位置にチャック棒３を接合する。したがって、チャック棒３を保持固定しても超音波工具ホルダ１の縦振動は、ほとんど影響されない。

ここで図５を用いて、図４の超音波工具ホルダ１に例えばエンドミルを保持した振動モードについて説明する。チャック棒３のＬ３の区間を拘束し、圧電セラミック２に超音波工具ホルダ１の縦振動の固有振動数の電圧を印加すると、超音波工具ホルダ１は、チャック棒３の拘束の影響をほとんど受けず縦振動する。超音波工具ホルダ１の端部は、振動の腹部となり、ここに接続したエンドミルも縦振動する。

上記の振動を、有限要素法を用いて計算した結果を図６に示す。計算を簡単にするために対称条件を用いて３０度だけ計算した。また、チャック棒３の超音波工具ホルダ１のＬ３の区間を拘束する。このような条件で計算した超音波工具ホルダ１の振動変位をベクトルにより示す。チャック棒３はほとんど振動していない。そして超音波工具ホルダ１はほぼ両端が自由の１次の縦振動をしている。ただし超音波工具ホルダの中央部が半径方向に変位している。これは超音波工具ホルダ１の孔４の影響により半径方向の剛性が小さいためであると考えられる。エンドミルに相当する工具５も、超音波工具ホルダ１の先端面を支持端としたほぼ１次の縦振動をしている。

以上のように、チャック棒３を拘束してもほとんど超音波工具ホルダ１の縦振動を減衰させない。また、工具５にも所望の縦振動を励起することができる。そして、超音波工具ホルダ１と工具５だけをほぼ振動させるだけなので、不要な振動を機械装置に伝播させない。また、不要な振動を伝播させないため、振動エネルギーを小さくできるので発熱量を小さくでき、加工精度を向上させることができる。さらに供給電力を小さくすることができるので電源を小さくすることができるので設備コストを低減することができる。

ここで、本発明の超音波工具ホルダを用いた旋盤の運転方法について図７を用いて説明する。図示しない超音波発振器から高周波電圧を圧電セラミック２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工具５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６とこれにより機械的に固定されたワーク７を回転させる。そして、図示しない送りモータを起動し、切削チップ持った工具５をワーク７方向に移動させ、ワーク７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。

超音波工具ホルダ１と工具の詳細を図８の側面図を用いて説明する。超音波工具ホルダ１に切削チップ１０を持つ工具を図示しないボルトにより接合する。そして、チャック棒３を刃物台９により固定する。

上記の構成ではほぼ超音波工具ホルダ１と工具５だけが振動する。旋盤８の刃物台９には、ほとんど振動は伝播しない。したがって、不要な振動を励起する電力を必要としないため、超音波発振器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１０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。

図９は、同じく本発明の超音波工具ホルダ１を用いた超音波研磨装置の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１１を回転させるための中空のモータ１２が備えられている。回転軸１１を回転自在に支持するための軸受１３があり、さらにこの軸受１３を固定するためのステンレスのケース１４がある。回転軸１１には回転軸１１に固着された回転側のロータリートランス１５ａがある。回転側のロータリートランス１５ａの近傍には固定側のロータリートランス１５ｂがある。固定側のロータリートランス１５ｂ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１１に取り付けた保持装置であるチャック装置６によりチャック棒３を介して超音波工具ホルダ１を固定する。回転側のロータリートランス１５ａと、超音波工具ホルダ１に固着した超音波振動子である圧電セラミック２はリード線１７により電気的に結合されている。超音波工具ホルダ１には、先端に砥石１８を持った棒が接合してある。そしてその下には、テーブル１９に固定されたワーク７がある。

次にこの超音波工具ホルダ１を用いた加工装置の運転方法を、図９を用いて説明する。まずモータ１２の電源をいれ回転軸１１を回転させる。次に超音波発振器１６のスイッチを入れ、回転側のロータリートランス１５ａ、固定側のロータリートランス１５ｂを介して円筒状の圧電セラミック２に超音波交流電圧を印加する。超音波工具ホルダ１が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、超音波工具ホルダ１と工具５である軸付の砥石１８にだけが主に振動する。

その結果、超音波振動によりチャック装置６は、焼き付き及びチャック装置６の摩擦力の低下による超音波工具ホルダ１の緩みなどは無い。

上記の加工は超音波切削加工であり、ワーク７と工具５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、工具５の寿命が長くなるなどの利点を有している。

また、当然回転軸１１にもほとんど振動が伝播しないので軸受１３または回転軸１１の振動による損傷の恐れはほとんどない。

上記のように、工具５と超音波工具ホルダ１にだけ振動を励起することができることにより加工精度の高い、信頼性の高い超音波加工を提供できる。

以上の２例で示したように本発明の超音波工具ホルダ１を用いた超音波加工は、超音波工具ホルダ１と工具５にだけほぼ超音波振動を励起させることができるので、加工精度が高く、工具の寿命が長くなりそして加工速度を高めるなどの利点を有している。

本発明に用いる工具は、上記のバイト、軸付砥石の他、エンドミル、ナイフ、ドリル、リーマーなどがある。

図１０の正面図、そして図１０のＡ−Ａ線での断面図である図１１により別の超音波工具ホルダを示す。このチタン合金製の超音波工具ホルダ１の外側形状は正四角柱である。外側の４面には長方形の圧電セラミック２がエポキシ樹脂により接合されている。そしてステンレス製のチャック棒３は孔４の底の中央部にロウ付けにより取り付けられている。

図中の矢印は圧電セラミック２の分極方向である。そして超音波工具ホルダ１側をアース側とし、超音波発振器からリード線を通し同じ周波数のｓｉｎ位相とｃｏｓ位相の電圧を図に示すように印加する。その結果、工具には中心軸に対して垂直な面に楕円振動を励起することができる。このような振動は例えば、平面を研磨またはラップするのに好適である。

超音波工具ホルダ１の先端面にはチャック装置６であるコレット装置が接合されている。超音波工具ホルダ１とコレット容器２１は一体の構成として作成されている。例えば工具５としてエンドミルをコレット２０によりコレットネジ２２を介して固定する。

図１２の正面図、そして図１３の側面図で示す別の超音波工具ホルダ１もある。この工具鋼製の超音波工具ホルダ１の外側形状は正六角柱である。外側の６面には長方形の圧電セラミック２がエポキシ樹脂により接合されている。そして工具鋼製のチャック棒３は孔４の底の中央部に溶接により取り付けられている。

超音波工具ホルダ１の先端面にはチャック装置６であるドリルチャック装置がネジにより接合されている。例えば工具５としてドリルをドリルチャック装置を用いて固定する。

圧電セラミック２の分極方向は板厚方向である。そして超音波工具ホルダ１側をアース側とし、超音波発振器からリード線を通し電圧を印加する。その結果、工具５に中心軸方向の縦振動を励起することができる。このような振動は例えば、孔加工、切断加工そして溝加工するのに好適である。

図１２、図１３の構成において超音波工具ホルダ１がステンレス製の正六角柱の最大直径Ｄ１が３０ｍｍ、長さＬ１が４５ｍｍ、超音波工具ホルダ１の孔４の最大直径Ｄ２が２０ｍｍ、孔の長さＬ２が２０ｍｍ、そしてチャック棒３の最大直径Ｄ３が６ｍｍ、チャック棒３の長さ６０ｍｍを作成した。次に超音波工具ホルダ１の外側表面に６個の幅１４ｍｍ、長さ２０ｍｍ、厚さ１ｍｍの厚さ方向に分極された圧電セラミック２をエポキシ樹脂も用いて接合した。なお、超音波工具ホルダ１の孔４は円柱状であり、チャック棒３は丸棒であった。また、超音波工具ホルダ１の先端面の中心に直径１０ｍｍ、長さ３０ｍｍの丸棒を超音波工具ホルダ１と一体で作成した。この丸棒は、工具５であるエンドミルに相当するものとして作成した。

次に圧電セラミック２に約３５ＫＨｚ、７０Ｖ（Ｐ−Ｐ）の電圧を印加した結果、長さ３０ｍｍの工具５に相当する丸棒の先端面での軸方向の振動変位量は約５．６μｍ（Ｐ−Ｐ）、同じく工具５に相当する丸棒の先端面近傍の軸と直交する方向の振動変位量は約０．０５μｍ（Ｐ−Ｐ）であった。

工具５に相当する丸棒にほぼ縦振動だけを十分な大きさで励起することができた。このように本発明の構成は、目的とする振動を得ることができる従来にない構成であることを実証した。

以上の超音波工具ホルダ１の外側形状は、円柱、正四角柱および正六角柱で説明したが、超音波工具ホルダの所望の振動モードを得るためには、正三角柱以上の正多角柱および円柱が望ましい。

図１４の正面図、そして図１５は図１４のＡ−Ａ線での断面図で示すさらに別の超音波工具ホルダ１もある。このアルミ合金製の超音波工具ホルダ１の外側形状は円柱である。この超音波工具ホルダ１はチャック棒３と下側の超音波工具ホルダ１ａは一体である。上側超音波工具ホルダ１ｂと下側の超音波工具ホルダ１ａにより円環状の圧電セラミック２ａ、２ｂをネジにより締め付け一体化する。

そして、図１６の斜視図に示す矢印で示す分極方向の圧電セラミック２を図１４、図１５の構成に用いると中心軸方向に振動する縦振動を励起できる。

さらに、図１７の斜視図に示す矢印で示す分極方向の圧電セラミックを図１４、図１５の構成に用いると中心軸周りに振動するねじり振動を励起できる。

ここでねじり振動用の圧電セラミック２の概略の作成方法について説明する。リング状の圧電セラミック２を４分割した形状体を矢印方向に分極する。そしてエポキシ樹脂２３によりリング状に接合する。さらにリングの両面を平坦になるように研磨、ラップ加工する。

このように圧電セラミック２をネジにより超音波工具ホルダ１に接合することにより、接合の長期信頼性を高めることができる。

本発明の超音波工具ホルダは、多様な機械加工装置に用いて超音波加工することができる。

従来の超音波バイトを示す概略説明図である。 従来の超音波研磨装置を示す概略説明図である。 本発明の超音波回転ホルダを示す正面図である。 図３のＡ−Ａ線での断面図である。 図３の超音波回転ホルダに工具を接合した構成を示す断面図である。 図５の構成を有限要素法により振動モードを計算した図である。 旋盤に本発明の超音波回転ホルダを用いた上方からの正面図である 図７に用いた超音波回転ホルダと工具の詳細を示す側面図である。 研磨装置に本発明の超音波回転ホルダを用いた一部断面を含む側面図である。 本発明の別の超音波回転ホルダを示す正面図である。 図１０のＡ−Ａ線での断面図である。 本発明のさらに別の超音波回転ホルダを示す正面図である。 図１２のＡ−Ａ線での断面図である。 本発明のさらにもう一つの別の超音波回転ホルダを示す正面図である。 図１４のＡ−Ａ線での断面図である 図１４に用いる圧電セラミックを示す斜視図である。 図１４に用いる別の圧電セラミックを示す斜視図である。

符号の説明

１ 超音波工具ホルダ
２ 圧電セラミック
３ チャック棒
４ 孔
５ 工具
６ チャック装置
７ ワーク
８ 旋盤
９ 刃物台
１０ 切削チップ
１１ 回転軸
１２ モータ
１３ 軸受
１４ ケース
１５ ロータリートランス
１６ 超音波発振器
１７ リード線
１８ 砥石
１９ テーブル
２０ コレット
２１ コレット容器
２２ コレットネジ
２３ エポキシ樹脂

Claims (5)

1. 工具を保持する工具ホルダにおいて、工具ホルダに超音波振動子を接合していること、かつ超音波工具ホルダに工具の中心軸と一致する孔を持ち、その孔の中心部に工具の中心軸と一致する中心軸を持つチャック棒を有していることを特徴とするものである。
2. 前記工具ホルダの孔の深さＬ２が工具ホルダの長さＬ１の０．２倍以上、０．８倍以下の長さとすることを特徴とする請求項１に記載の工具ホルダ。
3. 前記工具ホルダの孔の直径が超音波工具ホルダの最大直径の０．２倍以上、０．８倍以下とすることを特徴とする請求項１に記載の工具ホルダ。
4. 前記チャック棒の最大直径が超音波工具ホルダの孔の最大直径の０．２倍以上、０．８倍以下とすることを特徴とする請求項１に記載の工具ホルダ。
5. 前記工具ホルダーに工具を取り付けるための装置を有していることを特徴とするものである。

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