CN102728857A - 超声波心轴装置 - Google Patents

Abstract

一种超声波心轴装置，构造简单且小型，能适用于小型工作机械用的小径心轴，而且能得到高速化、高精度化、高刚性化，还能稳定承受高速铣削加工工具时的高速旋转及横向负荷，能将超声波振动高效传递。该超声波心轴装置(A)在前端侧有工具(5)的主轴(2)边超声波振动边旋转，具备：装置主体，经轴承(3a、3b)支撑主轴(2)的前端侧和驱动侧；驱动部(6)，使主轴(2)旋转；振动施加部(X)，使主轴(2)超声波振动；将振动施加部(X)配置在前端侧轴承(3a)与驱动侧轴承(3b)的中间位置即振动节附近的振动效率最大部位。或将振动施加部(X)配置在前端侧轴承(3a)与驱动侧轴承(3b)的中间位置即振动效率最大部位。

Description

超声波心轴装置

技术领域

本发明涉及在前端侧具有工具的主轴一边超声波振动一边旋转的超声波心轴(spindle)装置。

背景技术

以往，在金属模具加工等的领域中，日益采用高速铣削加工法。该方法是使小径的球头立铣刀等的铣刀工具以20000rpm以上的转速高速旋转而将热处理后的材料加工的方法，其特征是大体上使用1个工具进行从粗加工到精加工，与以往的放电加工等的加工法相比，能够实现加工效率及加工精度的提高。

但是，该高速铣削加工法由于使用1个工具进行高速切削，所以作用在工具上的负担较大，工具寿命短成为较大的问题。作为其对策，推进了涂层(coating)有硬质膜的超硬工具、例如TiAlN涂层工具、还有cBN烧结体工具的开发。后者由于较硬且耐热性良好，所以能够使工具寿命比前者长，但由于刀尖成形性较差，所以有不能作为工具而成形为良好的形状的缺点。

因而，作为工具，使用最硬且刀尖成形性也较好的烧结金刚石、单结晶金刚石、气相金刚石等的金刚石工具是有效的。但是，如果通过金刚石工具进行铁类材料的切削，则工具与工件化学反应，化学性磨损较剧烈，所以工具寿命极短，产生不能经受实际使用的新的问题。

为了解决这样的问题，如果使用金刚石工具、一边沿主轴的轴向、圆周方向或弯折方向(与轴向成直角方向)附加超声波振动一边以转速20000rpm以上进行高速铣削，则防止化学反应而工具寿命提高。此外，对于小径钻削加工、通过带有小径轴的砂轮进行的硬脆材料磨削、微小深孔的研磨、超声波磨粒加工等的加工也同样，附加超声波振动进行高速加工的方法是有效的。

但是，以往的超声波心轴装置并没有成为能够承受一边沿主轴的轴向或圆周方向超声波振动一边以20000rpm以上旋转的加工条件的构造，所以虽然作为极低速下的磨削用或钻削开孔用能够使用，但难以在高速下的超声波振动铣削、磨削、开孔中采用。

即，以往的超声波心轴装置由于仅机臂部分受到支撑，所以支撑作用较弱，有不能承受上述高速加工时的高速旋转及横向的负荷的问题。此外，由于为用来驱动主轴的振子被螺钉固定在轴向后端部上的构造，所以主轴的旋转平衡较差，有在高速加工的高速旋转时超声波振子跟随旋转而发生有害的振动、或因与套筒主轴的内壁的碰撞而导致损坏的问题。

作为其对策，在日本专利申请2001-13738号(专利文献1)中，提出了如下的超声波心轴装置：将使机臂一体连结在压电元件的轴向前后的主轴配设在套筒主轴内、将前侧机臂和后侧机臂分别在振动节部位支撑在套筒主轴上、并且压电元件处于前侧机臂与后侧机臂的两处支撑点间的大致振动节部位，由此，能够承受高速旋转、振动及横向负荷，将淬火等的热处理后的材料等以较高的加工效率和加工精度加工。

专利文献1：日本专利申请2001-13738号

在该专利文献1中，在主轴的外侧配设套筒，将这些主轴和套筒在主轴的振动节部以压固等的形式连结，使这些主轴和套筒主轴的一体化主轴可旋转地支撑在心轴机壳上。但是，该先行技术由于主轴为双层构造，所以超声波铣削的主轴的直径不论怎样也要变大，在轴向上也要变长，有不能在小型工作机械用的心轴中使用的问题。

此外，以往的超声波心轴的支撑主轴的套筒构造大型化，此外利用另外的部件的振子，在高速铣削加工的高速旋转方面存在极限。进而，进行高速铣削加工的工具的安装是特殊的、非通用化的，具有工具成本较高、工具交货期变长等的问题。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而做出的，其目的是提供一种构造简单且小型、能够高速化、高精度化、高刚性化、而且能够通用化、低成本、缩短装置的交货期的超声波心轴装置。

此外，本发明的另一目的是提供一种除了上述以外，还能够稳定地承受将工具高速加工时的高速旋转及横向的负荷，能够将超声波振动高效率地传递的超声波心轴装置。

为了解决上述问题且达到目的，本发明如以下这样构成。

技术方案1所述的发明，是一种在前端侧具有工具的主轴一边超声波振动一边旋转的超声波心轴装置，其特征在于，具备：装置主体，经由轴承支撑上述主轴的前端侧和驱动侧；驱动部，使上述主轴旋转；振动施加部，使上述主轴超声波振动；将上述振动施加部配置在上述前端侧的轴承与上述驱动侧的轴承的中间位置、即振动节附近的振动效率最大的部位。

技术方案2所述的发明，是一种在前端侧具有工具的主轴一边超声波振动一边旋转的超声波心轴装置，其特征在于，装置主体，经由轴承支撑上述主轴的前端侧和驱动侧；驱动部，使上述主轴旋转；振动施加部，使上述主轴超声波振动；将上述振动施加部配置在上述驱动侧的轴承与上述驱动部的中间位置、即振动效率最大的部位。

技术方案3所述的发明，在技术方案1或2所述的超声波心轴装置中，其特征在于，将上述主轴与上述轴承的内轮一体地形成。

技术方案4所述的发明，在技术方案1或2所述的超声波心轴装置中，其特征在于，将上述主轴压入到在振动的传递中可看作上述轴承的内轮与上述主轴是一体的程度。

技术方案5所述的发明，在技术方案1或2所述的超声波心轴装置中，其特征在于，上述驱动部具有电气马达或空气涡轮等的驱动源。

技术方案6所述的发明，在技术方案1或2所述的超声波心轴装置中，其特征在于，在具有以超声波振动的规定的频率共振的功能的夹头中烧嵌上述工具；将上述夹头通过锥形轴安装在上述主轴上。

技术方案7所述的发明，在技术方案1或2所述的超声波心轴装置中，其特征在于，在具有以超声波振动的规定的频率共振的功能的夹头中以开口夹安装上述工具；将上述夹头通过锥形轴安装在上述主轴上。

技术方案8所述的发明，在技术方案1或2所述的超声波心轴装置中，其特征在于，上述振动施加部具有压电元件和电极板；在上述装置主体上安装有供电刷；将上述电极板兼用作集电环；从上述供电刷对上述电极板供电。

技术方案9所述的发明，在技术方案1或2所述的超声波心轴装置中，其特征在于，在上述装置主体上，具有能够直接安装到工作机械的主轴上的柄轴。

通过上述结构，本发明具有以下这样的效果。

在技术方案1所述的发明中，具备使主轴超声波振动的振动施加部，通过将振动施加部配置在前端侧的轴承与驱动侧的轴承的中间位置、即振动节附近的振动效率最大的部位，能够使主轴的直径变小，并且缩短装置的轴向的长度，并且能够不阻碍超声波振动而将主轴支撑在装置主体上，即使在高速旋转与超声波振动叠加的严酷的使用条件下也能够充分承受负荷，能够以小型的结构进行稳定的高速铣削加工。此外，由于超声波振动仅稍稍作用在前端侧的轴承和驱动侧的轴承上，所以润滑性提高，能够实现更平滑的旋转性能和寿命提高。

在技术方案2所述的发明中，具备使主轴超声波振动的振动施加部，通过将振动施加部配置在驱动侧的轴承与驱动部的中间位置、即振动效率最大的部位，能够使主轴的直径变小，并且缩短装置的轴向的长度，并且能够不阻碍超声波振动而将主轴支撑在装置主体上，即使在高速旋转与超声波振动叠加的严酷的使用条件下也能够充分承受负荷，能够以小型的结构进行稳定的高速铣削加工。此外，由于超声波振动仅稍稍作用在前端侧的轴承和驱动侧的轴承上，所以润滑性提高，能够实现更平滑的旋转性能和寿命提高。

在技术方案3所述的发明中，通过将主轴与轴承的内轮一体地形成，主轴兼作为轴承的内轮，能够使构造简单化，并且能够提高支撑刚性。

在技术方案4所述的发明中，通过将主轴压入到在振动的传递中可看作轴承的内轮与主轴是一体的程度，能够使构造简单化，并且能够提高支撑刚性。

在技术方案5所述的发明中，通过驱动部具有电气马达或空气涡轮等驱动源，仅通过安设到工作机械中就能够进行高速铣削加工。

在技术方案6所述的发明中，通过在具有以超声波振动的规定的频率共振的功能的夹头中烧嵌工具，将夹头通过锥形轴安装到主轴上，工具支撑刚性较高，动平衡性也较好，所以能够将超声波振动高效率地传递给加工物并且能够承受高速铣削加工时的高速旋转及振动、负荷。此外，进行高速铣削加工的工具的安装变得简单，能够实现通用化、低成本、装置的交货期的缩短。

在技术方案7所述的发明中，通过在具有以超声波振动的规定的频率共振的功能的夹头中以开口夹安装工具，将夹头通过锥形轴安装到主轴上，相对于以往的通过烧嵌固定的方法不需要将夹头加热，所以结果能够进行硬质工具以外的各种材质的工具的安装。此外，能够以简单的构造更换工具，进行高速铣削加工的工具的安装变得简单，能够实现通用化、低成本、装置的交货期的缩短。

在技术方案8所述的发明中，通过振动施加部具有压电元件和电极板，在装置主体上安装供电刷，将电极板兼用作集电环，从供电刷对电极板供电，不需要在主轴上设置供电系统的路径及导线等，能够实现供电系统的简洁化。

在技术方案9所述的发明中，通过在装置主体中具有能够直接安装到工作机械的主轴上的柄轴，能够简单地安装到工作机械上。

附图说明

图1(a)是第1实施方式的超声波心轴装置的纵剖视图，图1(b)是表示振动方向的例子的说明图。

图2是沿着图1的X-X线的剖视图。

图3是将主轴以分解状态表示的部分切除主视图。

图4是夹头机构的部分切除主视图。

图5是表示第2实施方式的超声波心轴装置的部分切除剖视图。

图6是表示第3实施方式的超声波心轴装置的部分切除剖视图。

图7是表示超声波心轴装置的第4实施方式的剖视图。

图8是振动施加部的剖视图。

图9是说明夹头的固定的图。

图10是表示供电的结构的实施方式的图。

图11是超声波心轴装置的主视图。

图12是在超声波心轴装置上具备安装支架的主视图。

图13是在超声波心轴装置上具备安装支架的俯视图。

图14是图15的左侧视图。

标号说明

A 超声波心轴装置

S1、S2 振动节

S3 中间位置

W 工件

X 振动施加部

1 机壳

2 主轴

2a 压电元件

2b 后侧机臂

2c 前侧机臂

3a、3b 轴承

3a1、3b1 外轮

3a2、3b2 滚动体

3a3、3b3 内轮

4、106 夹头

5 工具

6 驱动部

6a 驱动轴

7 超声波振荡装置

10 驱动部收纳部

11 筒室

12 定位肩

13 带台阶的扩大部

20、23 环状槽

22 螺栓

24 阴螺纹孔

26 圆锥孔

31 套筒

40 圆锥部

41 阳螺纹轴

42 多边形部

43 工具安装部

50 柄部

70 集电环

71 刷

120 紧固螺钉

150 一对压电元件

151 电极板

152 供电刷

261 阴螺纹孔

430 压入用孔

具体实施方式

以下，对本发明的超声波心轴装置的实施方式进行说明。本发明的实施方式是表示发明的优选的形态的，本发明并不限定于此。

[第1实施方式]

图1至图4表示超声波心轴装置A的第1实施方式，1是构成装置主体的机壳，2是配置在机壳1内的主轴，3a、3b是在前端侧和驱动侧使主轴2支撑在机壳1上的轴承，4是连结在主轴2上的夹头，5是安装在夹头4中的工具，6是使主轴2高速旋转的驱动部，7是超声波振荡装置。W是工件。

主轴2为机臂与压电元件的一体型构造，如在图3中表示分解状态那样，由压电元件2a、叠合在该压电元件2a的后端侧的兼作为后衬部件的后侧机臂2b、和叠合在压电元件2a的前端侧的兼作为前面部件的前侧机臂2c构成。

后侧机臂2b在对应于振动节S2部位的外周部分上具有环状槽23，从后端面在轴心上设有作为旋转力的传递部的带齿孔21，在前端侧设有用来连结前侧机臂2c的螺栓22。从前侧机臂2c的后端面在轴心上设有与螺栓22螺合的阴螺纹孔24。在前侧机臂2c的阴螺纹孔24中螺装连结后侧机臂2b的螺栓22。

压电元件2a由例如将压电陶瓷和电极板交替地做成三明治构造的多片(在图中是两片)构成，在中心形成有容许螺栓22的贯通的通孔。该压电元件2a构成使主轴2超声波振动的振动施加部X。

该超声波振动如图1(b)所示，包括轴向F1、扭转方向F2及弯折方向F3的全部形态，这可以通过压电陶瓷的组成(材质)的选择来容易地实现。

前侧机臂2c为前部比中间部直径大，在对应于振动节S1部位的外周部分上具有环状槽20，从后端面在轴心上设有与螺栓22螺合的阴螺纹孔24，此外，在前端面中央部形成有圆锥孔26，并且从该圆锥孔26的里端形成有阴螺纹孔261。

前侧机臂2c的环状槽20和后侧机臂2b的环状槽23设在离开压电元件2a的中央部大致相等的距离，使前端侧的轴承3a位于主轴2的振动节S1部位，使驱动侧的轴承3b位于主轴2的振动节S2部位，将振动施加部X配置在前端侧的轴承3a与驱动侧的轴承3b的中间位置S3，将压电元件2a设定为，使其对应于厚度方向的中央的中间位置S3。

即，通过将振动施加部X配置在前端侧的轴承3a与驱动侧的轴承3b的中间位置、即振动节附近的振动效率最大的部位，能够使主轴2直径变小、并且缩短装置的轴向的长度、并且能够不阻碍超声波振动而将主轴2支撑在装置主体上，即使在高速旋转与超声波振动叠加的严酷的使用条件下也能够充分承受负荷，能够以小型结构进行稳定的高速铣削加工。此外，由于超声波振动很少作用在前端侧的轴承3a和驱动侧的轴承3b上，所以润滑性提高，能够实现更平滑的旋转性能和寿命提高。

前端侧的轴承3a和驱动侧的轴承3b通常使用滚动轴承，在该例中，具有外轮3a1、3b1、滚动体3a2、3b2和保持体3a3、3b3，滚动体3a2、3b2分别嵌装在前侧机臂2c的环状槽20和后侧机臂2b的环状槽23中。因而将内轮省略。在该例中，作为滚动体3a2、3b2而使用滚珠，但也可以是滚柱。

即，通过将主轴2与前端侧的轴承3a及驱动侧的轴承3b的内轮一体地形成，主轴2兼作为轴承的内轮，能够使构造简单化，并且能够提高支撑刚性。此外，由于没有套筒主轴，所以能够减小装置的直径，能够对应于小型工作机械的小型心轴。

前端侧的轴承3a和驱动侧的轴承3b分别安装在对应于前侧机臂2c和后侧机臂2b的振动节S1、S2部位而设置的环状槽20、23的外周上，在此状态下将后侧机臂2b、压电元件2a及前侧机臂2c以串联状叠合，后侧机臂2b的螺栓22的基部贯通压电元件2a的通孔，通过使螺纹部螺合到前侧机臂2c的阴螺纹孔24中而紧固一体化，构成超声波的主轴组件。

夹头4如图4(a)所示，在对应于圆锥孔26的圆锥部40的顶部具有与阴螺纹孔261螺合的阳螺纹轴41，在圆锥部40的基部上经由转动操作用的多边形部42连接着工具安装部43。在工具安装部43上，从下端面在轴心上设有压入用孔430，在该压入用孔430中烧嵌着工具5的柄部50。

此外，夹头4如图4(b)、图4(c)所示，也可以在圆锥部40的基部上压入固定分体形成的工具安装部43、在该工具安装部43的压入用孔430中烧嵌工具5的柄部50。

即，在具有以超声波振动的规定的频率共振的功能的夹头4中，通过用工具安装部43的开口夹安装工具5、将夹头4用锥形轴安装到主轴2上，与以往的通过烧嵌固定的夹头相比，能够不将夹头4加热而将工具5从夹头4容易地拆下，能够以简单的构造更换超硬工具以外的全部工具。进行高速铣削加工的工具5的安装变得简单，能够以通用化、低成本实现装置的交货期的缩短。

工具5可以使用立铣刀等，作为材质，烧结金刚石、单结晶金刚石、气相合成金刚石等的金刚石砂轮、金刚石工具是优选的。当然也可以是超硬工具、涂层工具等。

机壳1为了内插保持主轴2而内部呈筒状，在后端侧设有扩大的内径的驱动部收纳部10，从该驱动部收纳部10的底形成筒室11。在筒室11的振动节S2部位附近形成有轴承3b的定位肩12。筒室11在大致对应于振动节S1部位的部位上形成有带台阶的扩大部13，在下端开口部内周中遍及需要范围设有阴螺纹部。

超声波的主轴组件插入在机壳1的筒室11中，安装在后侧机臂2b上的轴承3b的外轮3b1被压入筒室11的内壁，通过抵接在定位肩12上而被定位固定。此外，安装在前侧机臂2c上的轴承3a通过外轮3a1抵接在带台阶的扩大部13的台阶面上而被定位，通过在开口侧的阴螺纹部中螺合固定用环8，通过固定用环8的上端80抵接在外轮3a1上而被定位保持。

由此，主轴2相对于机壳1如图1所示，在前端区域和后端区域的两处被保持，即，在大致振动节S1部位的位置上被轴承3a保持，在振动节S2部位的位置被轴承3b保持，以使其能够旋转且不能沿轴向运动。在此状态下，压电元件2a配置在作为支撑点的振动节S1、S2部位之间，即前端侧的轴承3a与驱动侧的轴承3b的中间位置S3上。

高速旋转用的驱动部6是任意的，例如使用能够输出40000～150000rpm的转速的高频马达或AC伺服马达等的电气马达，收纳在驱动部收纳部10中，被安装在驱动部收纳部10上的盖体10a保持。驱动部6通过输出轴前端的齿轮部60卡合到主轴2的带齿孔21中来传递输出。此外，驱动部6也可以具有空气涡轮等的驱动源，仅通过安设在工作机械中就能够进行高速铣削加工。

从超声波振荡装置7对压电元件2a的供电系统只要从机壳1的任意的部位导入并连接在压电元件2a上就可以。在该例中，在主轴2的外周表面上设置集电环70，将与集电环70连接的导线导引到达到螺栓22的导孔25中，从导孔25沿径向取出而连接在压电元件2a上，另一方面，使与来自超声波振荡装置7的导线连接的供电刷71贯穿机壳1的壁而伸出到筒室11中，与集电环70接触。在其他附图中，15是贯通机壳1的壁而安装的冷却用流体的喷出部。

[第2实施方式]

图5表示本发明的超声波心轴装置的第2实施方式。在该实施方式中，前端侧的轴承3a和驱动侧的轴承3b具备外轮3a1、3b1、滚动体3a2、3b2和保持体(未图示)及内轮3a4、3b4，为与机壳1分体的结构。

这些前端侧的轴承3a和驱动侧的轴承3b通过分别将内轮3a4、3b4压入到与前侧机臂2c和后侧机臂2b的振动节S1、S2部位对应的部位中而固定。并且，通过将这样安装了前端侧的轴承3a和驱动侧的轴承3b的主轴2插入到机壳1的筒室11中，将前端侧的轴承3a和驱动侧的轴承3b的外轮3a1、3b1压入筒室11的内壁面而保持固定在机壳1上。

即，通过将主轴2压入到在振动的传递中可看作前端侧的轴承3a和驱动侧的轴承3b各自的内轮3a4、3b4与主轴2为一体的程度，能够使构造简单化并提高支撑刚性。

在该例中，在前端侧的轴承3a与驱动侧的轴承3b的外轮3a1、3b1之间配设有用于间隔保持的套筒31，但它并不一定需要。其他结构与第1实施方式是同样的，所以对于相同的部分及零件赋予相同的标号而省略说明。

另外，在该实施方式中，作为供电系统，贯通机壳1的壁而安装供电刷71，使其与压电元件2a的电极板接触。即，通过在装置主体上安装供电刷71，将压电元件2a的电极板与集电环兼用，从供电刷71对电极板供电，不需要在主轴2上设置供电系统的路径及导线等，能够实现供电系统的简单化。此外，也可以采用与第1实施方式相同的构造。相反，也可以将第1实施方式的供电系统替代为第2实施方式所示的构造。

[第3实施方式]

图6表示本发明的第3实施方式。该实施方式表示将主轴2的压电元件2a与前侧机臂2c及后侧机臂2b用螺栓2d结合而一体化的例子。

在后侧机臂2b上，从后端形成有需要深度的袋孔100，从该袋孔100的底部沿轴向设有通孔101。后侧机臂2b、压电元件2a及前侧机臂2c以串联状配设，将螺栓2d穿过袋孔100插通，通过使螺纹部螺合到前侧机臂2c的阴螺纹孔24中而紧固。

前端侧的轴承3a和驱动侧的轴承3b的形态及安装形式是第1实施方式或第2实施方式的哪种都可以，但在该实施方式中，在相当于前侧机臂2c及后侧机臂2b的振动节S1、S2部位的部位上一体形成有突台环状的内轮部30a、30b。其他结构与第1实施方式是同样的，所以对于相同的部分及零件赋予相同的标号而省略说明。

另外，图示的是本发明的数例，除此以外也可以采用其他各种结构。例如，也可以将第1实施方式和第2实施方式的主轴2如第3实施方式那样做成通过螺栓的结合形式。工具向夹头4的安装优选的是烧嵌，但也可以是开口夹式或隔板式。此外，本发明也可以是具有驱动部的专用的超声波心轴装置，但并不限定于此，也可以是驱动部处于外部的形式。

进而，作为被切削件的工件W的材质是任意的，除了碳素钢、预硬化钢、不锈钢、金属模具用淬火钢等以外，还包括铝等的非铁金属。此外，本发明适合于高速铣削，但当然在低速的通常的铣削中也能够发挥效果。此外，不仅是铣削，在磨削或钻削加工中也能够采用。

[实施方式的作用]

由于驱动部6的输出轴的齿轮部60与主轴2的带齿孔21卡合，所以只要驱动驱动部6，就使通过前端侧的轴承3a和驱动侧的轴承3b支撑在机壳1上的主轴2以20000rpm以上的高速旋转，并行地通过来自超声波振荡装置7的电流的施加，使压电元件2a沿轴向、扭转方向或弯折方向振动，通过工具5将工件W铣削加工。通过该超声波振动，在工具5的材质是金刚石、工件的材质是铁类材料的情况下也能够避免化学反应带来的化学性磨损。

在第1实施方式至第3实施方式的任何一个中，都将主轴2的前侧机臂2c和后侧机臂2b的相当于振动节的部分(两处)通过固定在机壳1上的前端侧的轴承3a和驱动侧的轴承3b牢固地支撑，以使得在容许其旋转的同时不能沿轴向及半径方向运动。

因此，即使高速旋转和振动作用，主轴2也能够承受高速旋转和横向的负荷，能够平滑而稳定地进行长距离的高速铣削加工。此外，在将冷却用流体的喷出部15安装在机壳1上的情况下，例如通过喷出气雾能够将加工热除去，所以能够抑制主轴2的发热造成的伸长及弯曲。

此外，在本发明中，主轴2为将前侧机臂2c和后侧机臂2b夹着压电元件2a直接连结的一体型，将前侧机臂2c和后侧机臂2b的振动节部分支撑固定，将压电元件2a配置在支撑固定部的中间，所以主轴2的旋转平衡变好，不会发生以往那样的振子随着旋转而连动旋转而发生振动，或与机壳碰撞而损坏的现象。

并且，由于不存在套筒主轴，主轴2直接通过前端侧的轴承3a和驱动侧的轴承3b支撑在机壳1上，所以能够减小心轴本身的直径，由此能够对应于小型工作机械的小型心轴。此外，由于在机壳1中内置驱动部6，所以在外部不需要驱动源，仅通过安设在工作机械中就能够进行高速超声波铣削加工。

此外，主轴不是主轴和套筒主轴的双层构造，而是只有主轴的单一主轴构造，所以机构较简单而部件数变少，并且组装误差减小。因此，振旋等的精度提高，能够实现更高速化、及高精度化、高刚性化。除此以外，通过超声波振动仅稍稍作用在配置于振动节S1、S2部位上的前端侧的轴承3a和驱动侧的轴承3b上，轴承的润滑性提高，所以能够得到更平滑的旋转性能，并且能够实现寿命的提高。

在使工具5对夹头4的安装为烧嵌、使夹头4以圆锥式插装到主轴2的前侧机臂2c上的情况下，工具支撑刚性较高，动平衡特性也较好，能够将超声波振动高效率地传递给工具5。

[实施方式的加工例]

接着，示出采用了本发明的加工例。作为装置，还使用图1所示的构造的装置。超声波压电元件使用压电型。作为工具而使用烧结金刚石涂层(coated)立铣刀(R1.5，单刀刃)，将预硬化钢HRC40向加工形状：波形进行了高速超声波铣削加工。工具转速是20000rpm，超声波振动频率是60.1KHz，进给为0.05mm/齿，切深为轴向0.2mm，进给间距为0.1mm，切削油使用非水溶性油。为了比较，除了没有附加超声波振动以外，在相同条件下进行了加工。

结果，在比较例的情况下，金刚石工具刀尖迅速磨损，在切削距离18m时变为不能切削。相对于此，在本发明的情况下，即使在30m切削时点也没有发生工具的磨损。研究该磨损状况发现，初始磨损在17μm发生，但然后大体在零磨损的状态下推移。为了看到对于负荷的效果而进行直到切削距离250m的连续切削，发现以零磨损的状态推移。

此外，为了看到对于负荷的耐久性，进行直到切削距离10500m的连续切削，发现主轴及机壳一点都没有损伤，确认了具有稳定的耐久性。

此外，为了比较，使用仅支撑接近于工具的机臂部分的凸缘的以往装置在上述条件下进行了高速铣削，结果在切削距离1050m在超声波振子上发生龟裂并发生异常音，变为不能使用。根据该结果，可知做成将前侧机臂、超声波压电元件和后侧机臂一体化的构造，将前侧机臂和后侧机臂的两者在振动节位置支撑固定是有效的。

这样，在主轴2一边超声波振动一边旋转的形式的超声波心轴装置中，通过使前端侧的轴承3a和驱动侧的轴承3b位于主轴2的振动节S1、S2部位，将振动施加部X配置在前端侧的轴承3a和驱动侧的轴承3b的中间位置S3，能够缩短装置的轴向的长度、并且不阻碍超声波振动而将主轴2支撑在机壳1上，即使在叠加了高速旋转和超声波振动的严酷的使用条件下也能够充分承受负荷，能够进行稳定的高速铣削加工。此外，由于超声波振动仅稍稍作用在前端侧的轴承3a和驱动侧的轴承3b上，所以润滑性提高，能够实现更平滑的旋转性能和寿命提高。

并且，由于直接使主轴2旋转自如地支撑在机壳1上，没有套筒主轴，所以能够减小直径，能够对应于小型工作机械的小型心轴。进而，由于是不使用套筒主轴的仅主轴的单一构造，所以机构及构造变得简单，并且组装误差减小，由此能够提高振旋等的精度，能够以低成本实现更好的高速化、高精度化、高刚性化。此外，由于超声波振动仅稍稍作用在前端侧的轴承3a和驱动侧的轴承3b上，所以润滑性提高，能够得到能够实现更平滑的旋转性能和寿命提高等的良好的效果。

此外，由于主轴2兼作为前端侧的轴承3a和驱动侧的轴承3b的内轮，所以能够得到能够使构造简单化，并且能够提高支撑刚性的良好的效果。进而，由于是机壳1也是具有主轴2的驱动部6的超声波高速铣削单元，所以不需要特别的驱动源及传递机构，能够得到仅通过安设到工作机械中就能够进行高速铣削加工的良好的效果。

此外，由于在前侧机臂2c的前端部设置在里部具有阴螺纹孔261的圆锥孔26，螺入固定具有与圆锥孔26对应的锥部40的夹头4、在该夹头4上烧嵌工具5，所以工具支撑刚性较高、动平衡性也较好，所以能够得到能够将超声波振动高效率地传递给加工物，并且能够承受高速铣削加工时的高速旋转及振动、负荷的良好的效果。

[第4实施方式]

图7至图9表示超声波心轴装置的第4实施方式，图7是超声波心轴装置的剖视图，图8是振动施加部的剖视图，图9是说明夹头的固定的图。

主轴2由单一的部件成形，材质是例如轴承钢、不锈钢或钛合金。该主轴2是圆柱状，外周被研磨加工，在前端侧形成有用来通过烧嵌而固定夹头106的固定孔2e。

工具5及夹头106的安装如图9所示，将夹头106通过烧嵌而压入并固定在主轴2的前端的固定孔2e中，但螺入、烧嵌等固定方法并没有特别限定。工具5通过烧嵌而固定在夹头106的固定孔106a中。

即，通过将工具5烧嵌在具有以超声波振动的规定的频率共振的功能的夹头106中、将夹头106通过锥形轴安装到主轴2上，工具支撑刚性较高，能够高精度地固定，平衡性也较好，所以能够将超声波振动高效率地传递给工件W，并且能够承受高速铣削加工时的高速旋转及振动、负荷。此外，进行高速铣削加工的工具的安装变得简单，能够实现通用化、低成本、装置的交货期的缩短。

工具5可以使用立铣刀等，作为材质，优选的是超硬、涂层超硬、烧结及单结晶金刚石、cBN(立方晶氮化硼)、磨削砂轮等。

主轴2的前端侧经由轴承3a、驱动侧经由轴承3b支撑在机壳1上，前端侧的轴承3a与驱动侧的轴承3b同样地构成，通常使用滚动轴承。该前端侧的轴承3a和驱动侧的轴承3b具备外轮3a1、3b1、滚动体3a2、3b2、和内轮3a4、3b4，与机壳1为分体。

前端侧的轴承3a和驱动侧的轴承3b通过分别将内轮3a4、3b4压入到主轴2的外周上而固定。并且，通过将这样安装有前端侧的轴承3a和驱动侧的轴承3b的主轴2插入到机壳1的筒室11中、将外轮3a1、3b1压入到筒室11的内壁面上而保持固定在机壳1上。

在该例中，在前端侧的轴承3a与驱动侧的轴承3b的外轮3a1、3b1之间配置有用于间隔保持的套筒113，但并不一定需要。此外，也可以通过在主轴2的外周上形成环状槽(未图示)，将前端侧的轴承3a和驱动侧的轴承3b的滚动体3a2、3b2分别嵌入到环状槽中而将内轮省略。

在该实施方式中，使前端侧的轴承3a位于主轴2的振动节S1部位，使驱动侧的轴承3b位于主轴2的振动节S2部位，将振动施加部X配置在比主轴2的驱动侧的轴承3b的位置靠驱动部侧。

即，通过将振动施加部X配置在驱动侧的轴承3a与驱动部6的中间位置、即振动效率最大的部位，能够使主轴2直径变小，并且缩短装置的轴向的长度，能够不阻碍超声波振动而将主轴2支撑在机壳1上，即使在高速旋转与超声波振动叠加的严酷的使用条件下也能够充分承受负荷，能够以小型结构进行稳定的高速铣削加工。此外，由于超声波振动仅稍稍作用在前端侧的轴承3a和驱动侧的轴承3b上，所以润滑性提高，能够实现更平滑的旋转性能和寿命提高。

使主轴2旋转的驱动部6具有驱动轴6a，该驱动轴6a通过紧固螺钉120连接在主轴2的轴线上。驱动轴6a将其前端部卡合在紧固螺钉120的卡合孔120a中而能够一体旋转。驱动部6只要是高速旋转用的装置就可以，是任意的，例如使用高频马达或AC伺服马达等的电气马达，收纳在机壳1的筒室11中。在该实施方式中，将驱动部6收纳在机壳1中而通过盖1a安装，但驱动部6并不一定需要收纳设置在机壳1中，也可以是将主轴2的后端作为柄轴安装到其他工作机械中的方式。

振动施加部X使主轴2超声波振动，该振动施加部X具有一对压电元件150和电极板151，由将一对压电元件150和电极板151交替地做成三明治构造的多片构成，在中心形成有通孔150a、151a。

在一对压电元件150之间配置有电极板151，在将紧固螺钉120的阳螺纹部120b螺装到主轴2的阴螺纹孔2f中时，贯通到一对压电元件150的通孔150a和电极板151的通孔151a中，一起固定到主轴2的驱动侧的前端部2g上。

在机壳1上安装有供电刷152，在该供电刷152上连接着用来振荡超声波的超声波振荡装置7的供电线154。从供电刷152向电极板151进行刷供电，驱动一对压电元件150，使主轴2超声波振动。向压电元件150的供电从供电刷152从电极板151进行，经由导电性的主轴2、轴承3a和轴承3b、机壳1接地，使供电系统简洁化。

该超声波心轴装置A进行作为被切削件的工件W的加工，该工件W的材质是任意的，除了碳素钢、预硬化钢、不锈钢、金属模具用淬火钢等以外，还包括铝等的非铁金属、还有玻璃及陶瓷、宝石类的非金属、橡胶、塑料、木材等。

驱动部6的驱动轴6a能够与紧固螺钉120一体旋转，所以只要驱动驱动部6，就使通过轴承3a和轴承3b支撑在机壳1上的主轴2以高速旋转，并行地通过来自超声波振荡装置7的供电，经由电极板151使一对压电元件150沿轴向、扭转方向或弯折方向振动，通过工具5将工件W铣削加工。通过该超声波振动，即使在工具5的材质是金刚石、工件的材质是铁类材料的情况下，也能够避免化学反应造成的化学性磨损。

此外，在该实施方式中，通过使前端侧的轴承3a和驱动侧的轴承3b位于主轴2的振动节S1、S2部位，将振动施加部X配置在比主轴2的驱动侧的轴承3b的位置靠驱动部侧，能够将装置的轴向的长度缩短，并且能够不阻碍超声波振动而将主轴2支撑在机壳1上，即使在高速旋转与超声波振动叠加的严酷的使用条件下也能够充分地承受负荷，能够进行稳定的高速铣削加工。

此外，由于主轴2通过轴承3a和轴承3b牢固地支撑，以使得在容许旋转的同时不能沿轴向及半径方向运动，所以即使高速旋转和振动作用，主轴2也能够承受高速旋转和横向的负荷，能够平滑而稳定地进行长距离的高速铣削加工。

此外，由于主轴2由单一的部件成形，前端侧经由轴承3a、驱动侧经由轴承3b支撑在机壳1上，将使主轴2超声波振动的振动施加部X配置在比主轴2的驱动侧的轴承3b的位置靠驱动部侧，所以不需要将主轴2组装多个轴部件而加工，削减了制造工序，是低成本的。

此外，由于振动施加部X具有压电元件150和电极板151，在机壳1上安装供电刷152，从供电刷152对电极板151进行刷供电，驱动压电元件150，所以不需要在主轴2上设置供电系统的路径及导线等，能够实现供电系统的简洁化，旋转平衡较好，能够高速化、高精度化。

[供电的结构]

第1至第4实施方式的超声波心轴装置A可以使用图10所示的供电的结构的实施方式。在该实施方式中，振动施加部X具有一对压电元件150和电极板151，在机壳1上组装有供电刷单元Y。

该供电刷单元Y由安装在机壳1上的导电性材质的刷支架300、插装在刷支架300上的导电性材质的轴环301、插装在轴环301上的供电刷302、和进行施力以使供电刷302的前端部接触在电极板151上的导电性材质的施力部件303构成。供电刷302的后端被构成施力部件303的弹簧保持，施力部件303支撑在环310上，环310固定在帽311上。

在螺装于刷支架300上的帽311上，连接着用来振荡超声波的超声波振荡装置7的供电线154，从刷支架300经由轴环301及施力部件303从供电刷302对电极板151进行供电，驱动一对压电元件150。该供电刷302使用小型且耐磨损性良好的特殊微型刷，在该特殊微型刷中附带有配线。因而，通过在供电刷302中使用特殊微型刷，在轴环301及施力部件303的任何一个都能够对供电刷302供电。

这样，振动施加部X具有一对压电元件150和电极板151，通过在机壳1上组装供电刷单元Y，能够将供电刷302简单且正确地安装到机壳1上。此外，通过从供电刷单元Y的供电刷302对电极板151进行供电，驱动一对压电元件150，不需要在主轴2上设置供电系统的路径及导线等，能够实现供电系统的简洁化。

[向工作机械的安装构造]

第1至第4实施方式的超声波心轴装置A可以使用图11至图14所示的安装构造的实施方式。图11是超声波心轴装置的主视图，图12是在超声波心轴装置上具备安装支架的主视图，图13是在超声波心轴装置上具备安装支架的俯视图，图14是图13的左侧视图。

该实施方式的超声波心轴装置A如图11所示，示出了第4实施方式的超声波心轴装置A，在机壳1上组装供电刷单元Y，从超声波振荡装置7从通过线400连接的供电部401对供电刷单元Y供电。此外，在机壳1上，设有将空气吸入到机壳1的内部的空气吸入部402，通过控制器500的控制，经由软管502从空气吸入部402向机壳1的内部供给空气，将主轴2冷却。

此外，在机壳1中，在驱动部6中使用无刷马达，该无刷马达通过线501连接在控制器500上，受控制器500控制。此外，在驱动部6中，设有将空气吸入到无刷马达的内部的空气吸入部403，通过控制器500的控制，经由软管503从空气吸入部403向无刷马达的内部供给空气，将无刷马达冷却。软管502及软管503经由软管504连接在控制器500上，由控制器500控制空气的供给量。

该超声波心轴装置A如图12至图14所示，具备安装支架C，通过该安装支架C能够将超声波心轴装置A向工作机械安装。该安装支架C由第1支架600和第2支架601构成，该第1支架600和第2支架601由SUS成形，通过螺栓602固定。在装置主体中，具有能够直接安装到工作机械的主轴上的柄轴，该柄轴由第2支架601构成，能够简单地安装到工作机械上。

在第2支架601上，设有电源连接器610和冷却连接器620，电源连接器610通过线作为驱动部6而连接在无刷马达和供电刷单元Y的供电部401上，冷却连接器620通过软管连接在机壳1的空气吸入部402和无刷马达的空气吸入部403上。

在电源连接器610上连接着电源连接器611，在该电源连接器611上连接着线400及线501，经由电源连接器610及电源连接器611向振动施加部X和驱动部6进行电源供给。此外，在冷却连接器620上连接着冷却连接器621，在该冷却连接器621上连接着软管502及软管503，经由冷却连接器620及冷却连接器621向空气吸入部402及空气吸入部403供给空气。

在该实施方式中，超声波心轴装置A具备安装支架C，通过该安装支架C将超声波心轴装置A向工作机械安装。该安装支架C通过将电源连接器611连接在电源连接器610上，能够向振动施加部X和驱动部6进行电源供给，通过在冷却连接器620上连接冷却连接器621，能够对空气吸入部402及空气吸入部403供给空气，能够将超声波心轴装置A简单地安装到工作机械上。

工业实用性

本发明能够应用到在前端侧具有工具的主轴一边超声波振动一边旋转的超声波心轴装置中，构造简单且小型，能够适用于小型工作机械用的小径的心轴，并且能够高速化、高精度化、高刚性化，此外能够稳定地承受将工具高速铣削加工时的高速旋转及横向的负荷，能够高效率地传递超声波振动。

Claims (9)

1.一种超声波心轴装置，在前端侧具有工具的主轴一边超声波振动一边旋转，其特征在于，具备：

装置主体，经由轴承支撑上述主轴的前端侧和驱动侧；

驱动部，使上述主轴旋转；

振动施加部，使上述主轴超声波振动；

将上述振动施加部配置在上述前端侧的轴承与上述驱动侧的轴承的中间位置、即振动节附近的振动效率最大的部位。

2.一种超声波心轴装置，在前端侧具有工具的主轴一边超声波振动一边旋转，其特征在于，具备：

装置主体，经由轴承支撑上述主轴的前端侧和驱动侧；

驱动部，使上述主轴旋转；

振动施加部，使上述主轴超声波振动；

将上述振动施加部配置在上述驱动侧的轴承与上述驱动部的中间位置、即振动效率最大的部位。

3.如权利要求1或2所述的超声波心轴装置，其特征在于，

将上述主轴与上述轴承的内轮一体地形成。

4.如权利要求1或2所述的超声波心轴装置，其特征在于，

将上述主轴压入到在振动的传递中可看作上述轴承的内轮与上述主轴是一体的程度。

5.如权利要求1或2所述的超声波心轴装置，其特征在于，

上述驱动部具有电气马达或空气涡轮等驱动源。

6.如权利要求1或2所述的超声波心轴装置，其特征在于，

在具有以超声波振动的规定的频率共振的功能的夹头中烧嵌上述工具，

将上述夹头通过锥形轴安装在上述主轴上。

7.如权利要求1或2所述的超声波心轴装置，其特征在于，

在具有以超声波振动的规定的频率共振的功能的夹头中以开口夹安装上述工具；

将上述夹头通过锥形轴安装在上述主轴上。

8.如权利要求1或2所述的超声波心轴装置，其特征在于，

上述振动施加部具有压电元件和电极板；

在上述装置主体上安装有供电刷；

将上述电极板兼用作集电环；

从上述供电刷对上述电极板供电。

9.如权利要求1或2所述的超声波心轴装置，其特征在于，

在上述装置主体上，具有能够直接安装到工作机械的主轴上的柄轴。

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