JP2010030028A

JP2010030028A - 超音波バイトシャンク

Info

Publication number: JP2010030028A
Application number: JP2008214663A
Authority: JP
Inventors: Kazumasa Onishi; 一正大西
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-07-28
Filing date: 2008-07-28
Publication date: 2010-02-12

Abstract

【課題】加工精度が高く、加工速度が高くかつ切削工具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】超音波捻り振動器の後方の端部の中心部に軸方向支持部１４を設け、さらに固定部１５に取付ける。フランジ１３により超音波捻り振動器の振動の節部がケースにフランジ１３を介して固定される。
【選択図】図３

Description

本発明は、旋盤に用いる超音波バイトシャンク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に内周加工用のバイトチップ６を備えたバイトシャンク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シャンク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シャンク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シャンク１の突き出し長さは、長くなり、バイトシャンク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シャンク１も径を小さくする必要があるが、このようなバイトシャンク１が細くなるとバイトシャンク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シャンク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バイトチップ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、バイトチップ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、咳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シャンク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、上記特許文献１に示す旋盤は、バイトシャンクの軸方向に応力が加わった場合、振動の節部と接続するフランジの厚さは、できるだけ薄いことが振動を抑制しないため必要であるので、フランジは薄く撓み易い。そのためバイトシャンクの軸方向に変位するため、精度の高い加工ができない。

また、バイトシャンクの軸方向に対して直交する成分の応力が加わった場合、フランジが撓み、バイトシャンクの軸方向にある角度を持つ変位が発生するため、精度の高い加工ができない。

さらに、バイトシャンクの軸に対して回転成分を持つ応力が加わった場合、軸を中心軸とする角度を持つ変位が発生するため、精度の高い加工ができない。

本発明の目的は、高精度かつ高能率の超音波旋盤加工を提供するものである。

本発明は、超音波振動切削に用いられる切削工具において、超音波振動する圧電素子が接合されているバイトシャンクと前記バイトシャンクの先端部にバイトチップが取付けられ、バイトシャンクの軸方向を支持する軸方向支持部と軸方向と直交する面を支持するフランジまたは突起を有するものとすることである。

本発明のバイトシャンクを用いることにより高精度かつ高速加工な切削加工が可能となり、さらにバイトチップが長寿命となる。

本発明の実施の形態である基本的な構成を図３の断面図で示す。図２の超音波捻り振動器の後方の端部の中心部に軸方向支持部１４を設け、さらに固定部１５に取付ける。

フランジ１３により超音波捻り振動器の振動の節部がケースにフランジ１３を介して固定される。しかし、フランジ１３だけでは、フランジ面と直交する軸方向の応力が発生したときは、フランジ面と直交する軸方向に変位する虞がある。図３の２点鎖線と中心線の交点が振動の節部を示す。

また、フランジ面と平行な応力に対してフランジ面と直交する軸方向に対して、角度を持った変位をする虞がる。さらにバイトシャンクの軸に対して回転応力が加わると、バイトシャンクの軸を中心として角度を持つ変位を発生する虞がある。

そこで、図４の断面図で示す超音波捻り振動器のリアマス１７と一体の軸方向支持部１４を設け、固定部１５を介してケースに取付ける。リアマス１７と軸方向支持部１４を振動的に接続することにより、軸方向支持部１４に振動が伝播し、所望の固定部１５と軸方向支持部１４の接続部で振動の節部にすることができる。軸方向支持部１４は、その振動の節部を固定するものであるから、細ければ細いほうが良いが、構造的に強度が必要であるので、最適な形状にする。超音波捻り振動器は、いわゆるランジュバン型超音波振動子の構成であり、図５の斜視図で示す圧電素子７をフロントマス１６とリアマス１７で締め付け一体化したものである。

前記軸方向支持部１４により、フランジ面と直交する軸方向と軸方向に角度を持つ方向の変位を防止することができる。したがって、高精度のバイト加工を実施できる。

また、ランジュバン型超音波振動子に用いる圧電素子７の分極方向により前記の捻り振動の他、縦振動そして曲げ振動を励起させることができる。図５、図６、図７中に示す矢印は圧電素子７の分極方向であり、図５は捻り振動、図６は縦振動、図７は曲げ振動を励起させるものである。

捻り振動、縦振動、曲げ振動のどの振動モードにおいても、フランジ及び軸方向支持部と固定部の接続部は、それぞれの振動モードの節部であることが必要である。

本発明の実施の別の形態を図８の平面図と図９の側面図で示す。バイトシャンク１は、工具鋼製である。バイトシャンク１に放電加工によりスリット２を設ける。スリット２は、図９の表面から裏面に向かって貫通している。

スリット２により設けられたフランジ１３は、振動の節部に設けられる。そして機械加工と放電加工により設けられた軸方向支持部１４の後方の端部も振動の節部に位置させる。

フランジ１３によりバイトシャンク１の軸方向と直交する面方向の変位を拘束できる。そして軸方向支持部１４の後方の端部を固定することにより、バイトシャンク１の軸方向の変位と軸を中心とする回転方向および軸方向に対して角度を持つ変位を拘束できる。いわゆるＸ、Ｙ、Ｚ方向さらに軸の周りの変位と軸の傾く方向の変位を拘束できる。

また、フランジ１３と軸方向支持部１４は振動の節部に設けられているので、バイトシャンク１の超音波振動を抑制することはない。さらにバイトシャンク１の振動の節部の側面に設けられた突起１８だけが保持装置と接触するので、超音波振動を抑制することなく位置決めして保持できる。

このようにバイトシャンク１を高精度に位置を保持できるので、従来にない高精度である超音波加工を実施できる。

圧電素子７ａ、７ｂである圧電セラミックをバイトシャンク１の側面のスリットの内側にエポキシ樹脂を用いて接合する。そしてボルト１２によりバイトシャンク１の先端にバイトチップ６を取り付ける。

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があり、図１０の矢印で示すように板厚方向に分極されている。このような分極をすることによりバイトシャンク１に縦振動を励起する。図９中の２点鎖線が中心線と交わったところが振動の節部であり、中心線より上側が軸方向に沿って図面の左側に変位していることを示し、中心線より下側が軸方向に沿って右側に変位していることを示す。もちろん振動の逆位相の時は、これとは反対方向に変位する。電極部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、電極にリード線をハンダ付けし、そしてこれらリード線を超音波発振器に接続する。

次に保持装置４に固定保持されたバイトシャンク１を用いた旋盤５の運転方法について図１２を用いて説明する。超音波発振器１０から高周波電圧をリード線８を介して板状の圧電素子７ａ、７ｂである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９の２点差線に示すようバイトシャンク１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、バイトチップ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。

ここでバイトシャンク１の振動について説明する。まずバイトシャンク１の圧電素子７を接合していない面を保持装置４である刃物台で保持する。後部の軸方向支持部１４と固定部１５の連結部、フランジ１３を節とする棒の縦振動モードで振動できる。

バイトシャンク１の振動はボルト１２で取付けたバイトチップ６にも伝播し、バイトチップ６は振動する。ここで、バイトシャンク１とバイトチップ６との間の振動の伝播のロスを防ぐため、バイトシャンク１とバイトチップ６を仮接着剤で接合し、さらにボルト１２で接合しても良い。

市販のバイトシャンク１を放電加工することにより作成できるので、ほとんどの旋盤で使用することができる。

そして、従来の超音波加工を用いた旋盤は、質量の大きなランジュバン型超音波振動子を用いてバイトシャンク１を振動させている。これに対して図８のバイトシャンク１の質量は数分の１以下であるので、必要な振動エネルギーは、ほぼ振動させる質量に比例するので、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、電力投入景が小さいためバイト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。

上記の例では、バイトシャンク１に縦振動を励起したが、図１０、図１１の斜視図で示す圧電素子７の矢印で示す分極方向と電圧の印加方法により、もちろん曲げ振動またはねじり振動を励起することもできる。

以上に述べた本発明の図のバイトシャンク１によれば、ほぼバイトチップ６とバイトシャンク１だけを振動させることができることによりバイトチップ６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。

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。

さらに、不要な装置には、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、バイト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。

本発明の実施のさらに別の形態を図１３の平面図と図１４の側面図で示す。バイトシャンク１は、鋼製である。バイトシャンク１は、バイトシャンク前部１９の突起１８と軸方向支持部１４と、バイトシャンク後部２０を溶接により接合して一体化した。そして圧電素子７ａ、７ｂをバイトシャンク１にエポキシ樹脂を用いて接着した。バイトシャンク１は、超硬材料でも良い。

バイトシャンク前部１９は、突起１８と軸方向支持部１４を機械加工と放電加工により一体で製作した。軸方向支持部１４は、バイトシャンク前部１９の中央部まで設けられた空洞部から伸びた構成になっている。バイトシャンク後部２０はコ字状の形状である。

一体化したバイトシャンク１は、スリット２が形成される。保持装置４によりバイトシャンク後部２０の側面を固定したときに、突起１８の位置が２点鎖線で示す半波長共振モードの節位置であり、半波長共振モードの振動にはほとんど影響を与えない。

さらに、軸方向支持部１４は、バイトシャンク前部１９の中央部まで設けられた空洞部から伸びている。バイトシャンク前部１９の中央部は半波長共振モードの節位置であるので、軸方向支持部１４により振動に影響をほとんど与えることはない。

上記に述べたように突起１８によりバイトシャンク１の軸方向と直交する面方向の変位を拘束できる。そして軸方向支持部１４の後方の端部を固定することにより、バイトシャンク１の軸方向の変位と軸を中心とする回転方向および軸方向に対して角度を持つ変位を拘束できる。いわゆるＸ、Ｙ、Ｚ方向さらに軸の周りの変位と軸の傾く方向の変位を拘束できる。

また半波長の固有振動モードであるので、同じ形状でも高次の固有振動モードに比較して固有振動数が最も小さくできる。超音波加工に適する超音波振動は、１５ＫＨｚ以上であり、１００ＫＨｚ以下であるので、特に小型のバイトシャンクに適する構成である。

このバイトシャンク１を用いた旋盤５の運転方法は、先に図１２を用いて説明したものと同様である。超音波発振器１０から高周波電圧を、リード線８を介して板状の圧電素子７ａ、７ｂである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９の２点差線に示すようバイトシャンク１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、バイトチップ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。

ここでは、振動モードをバイトシャンク１の長さ方向に伸縮振動が励起される例について説明したが、曲げ振動、ねじり振動も励起できることはもちろんである。

本発明のバイトシャンクは、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。本発明の構成のバイトシャンクを示す一部断面平面図である。図３で用いたランジュバン型超音波振動子の断面図である。捻り振動を励起する圧電素子を示す斜視図である。縦振動を励起する圧電素子を示す斜視図である。曲げ振動を励起する圧電素子を示す斜視図である。本発明の別の構成のバイトシャンクを示す平面図である。図８で示したバイトシャンクの側面図である。図８に用いた圧電素子を示す斜視図である。別の分極パターンを持つ圧電素子を示す斜視図である。図８のバイトシャンクを使用した旋盤を示す平面図である。本発明のさらに別の構成のバイトシャンクを示す平面図である。図１３で示したバイトシャンクの側面図である。

符号の説明

１バイトシャンク
２スリット
３連結部
４保持装置
５旋盤
６バイトチップ
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ボルト
１３フランジ
１４軸方向支持部
１５固定部
１６フロントマス
１７リアマス
１８突起
１９バイトシャンク前部
２０バイトシャンク後部

Claims

超音波振動切削に用いられる切削工具において、超音波振動するバイトシャンクと前記バイトシャンクの先端部にバイトチップが取付けられ、バイトシャンクの軸方向を支持する軸方向支持部と軸方向と直交する面を支持するフランジまたは突起を有していることを特徴とする。
バイトシャンク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に記載のバイトシャンク。