JP2004001113A - Ultrasonic machining device and ultrasonic vibrator used for the same - Google Patents

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  • Grinding And Polishing Of Tertiary Curved Surfaces And Surfaces With Complex Shapes (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To machine a workpiece with excellent shape accuracy by suppressing vibration of a tool in the radial direction of a horn. <P>SOLUTION: The horn attached with the tool is formed so that a natural frequency of the radial stretching vibration mode or the axial bending vibration mode may be ≤0. 90 times or ≥1. 10 times as many as the natural frequency of the axial stretching vibration mode in degree used for ultrasonic machining, preferably ≤0. 85 times or ≥1. 15 times. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波加工装置及びこれに用いられる超音波振動体に関する。
【0002】
【従来の技術】
工具(ツール)を超音波振動させ、この振動を砥粒に伝達することにより工具形状に倣った形状を被加工物(ワーク)に形成することができる超音波加工装置が知られている。かかる超音波加工装置は、被加工物を精密に加工することができることから、被加工物として例えばガラス、セラミックス、鉱石、宝石などの脆性材料を加工するために用いて好適である。
【0003】
上述したような超音波加工装置では、超音波振動子で発生した超音波振動をホーンと称される長手部材である工具保持具を介してこれに取り付けられた工具に伝えることによって被加工物を加工するのが一般的である。ホーンは、その軸方向に屈曲するように振動する軸方向曲げ振動モードや、径方向に伸縮するように振動する径方向伸縮振動モード、軸方向に伸縮するように振動する軸方向伸縮振動モードなどのいくつかのモードで振動するが、超音波加工には軸方向伸縮振動モードのいずれかの次数での振動が用いられる。従って、超音波振動子は、超音波加工に使用される次数におけるホーンの軸方向伸縮振動モードの固有振動数と同じ振動数で振動させられる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、超音波振動子が発生する超音波振動の振動数を、超音波加工に使用される次数におけるホーンの軸方向伸縮振動モードの固有振動数と厳密に一致させるのは現実問題として非常に困難である。そのため、超音波振動子が発生する超音波振動の振動数が当初予定していた振動数よりも軸方向曲げ振動モードや径方向伸縮振動モードのいずれかの次数における固有振動数に近づく方向に変動することがあり、そのような場合には、軸方向伸縮振動モードでの振動に軸方向曲げ振動モード及び/又は径方向伸縮振動モードでの振動が加わってホーンが励振されてしまうことがある。そうすると、例えば被加工物に形成される溝の幅が設計幅よりも著しく大きくなるなど、加工後の被加工物の形状が工具形状(設計形状)とは大きく異なるものになり、被加工物の形状精度が悪化してしまう。
【0005】
そこで、本発明の目的は、優れた形状精度で被加工物を加工することができる超音波加工装置及びこれに用いられる超音波振動体を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1の超音波加工装置は、超音波振動体に取り付けられた工具を超音波振動させ、この振動を砥粒に伝達することにより工具形状に倣った形状を被加工物に形成する超音波加工装置において、前記超音波振動体は、その径方向伸縮振動モード又は軸方向曲げ振動モードの固有振動数が、超音波加工に使用される次数における軸方向伸縮振動モードの固有振動数の0.90倍以下又は1.10倍以上となるように形成されていることを特徴としている。
【0007】
請求項1によると、超音波振動子の振動数が超音波加工に使用される次数における超音波振動体の軸方向伸縮振動モードの固有振動数からずれて径方向伸縮振動モード又は軸方向曲げ振動モードの固有振動数に近づいたとしても、径方向伸縮振動モード又は軸方向曲げ振動モードでの振動があまり励起されず、被加工物に形成される溝が工具形状よりも太くなるなどの不具合が生じにくくなり、優れた形状精度で被加工物を加工することが可能となる。同様に、超音波振動子の励振方向が超音波振動体の軸方向から径方向にずれたとしても、径方向伸縮振動モード又は軸方向曲げ振動モードでの振動がほとんど励起されず、優れた形状精度で被加工物を加工することが可能となる。また、工具の損傷が起こるのも抑制することができる。
【0008】
また、請求項2の超音波加工装置において、前記超音波振動体は、その径方向伸縮振動モード又は軸方向曲げ振動モードの固有振動数が、超音波加工に使用される次数における軸方向伸縮振動モードの固有振動数の0.85倍以下又は1.15倍以上となるように形成されている。
【0009】
請求項2によると、径方向伸縮振動モード又は軸方向曲げ振動モードでの振動がほとんど励起されず、さらに優れた形状精度で被加工物を加工することが可能となる。
【0010】
また、請求項3の超音波加工装置において、前記超音波振動体は、その径方向伸縮振動モード及び軸方向曲げ振動モードの固有振動数が、超音波加工に使用される次数における軸方向伸縮振動モードの固有振動数の0.85倍以下又は1.15倍以上となるように形成されている。
【0011】
請求項3によると、径方向伸縮振動モード及び軸方向曲げ振動モードでの振動がほとんど励起されず、さらに優れた形状精度で被加工物を加工することが可能となる。
【0012】
また、請求項4の超音波加工装置において、前記超音波振動体は、前記工具が取り付けられる先端近傍部が中央部よりも大径となった末広形状を有している。
【0013】
請求項4によると、超音波振動体が末広形状を有する長手部材であることにより、例えば超音波振動体がずん胴形状や先細形状を有する長手部材である場合と比較して優れた加工精度が得られることが確認された。
【0014】
請求項5は、請求項1〜4のいずれか1項に記載の超音波加工装置に用いられる超音波振動体である。
【0015】
請求項5による超音波振動体は、上述した超音波加工装置と共に用いるのに好適である。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【0017】
〔装置全体の概略構成〕
本発明の一実施形態としての超音波加工装置の全体側面図が図1に、全体正面図が図2に、それぞれ示される。この図1,図2に示すように、この超音波加工装置1は、床上に設置される基台2の上にコラム3を立設し、このコラム3に穿孔ヘッド部4を支持する構成となっている。
【0018】
コラム3にはネジ軸5が上下方向に配置され、回転自在に支持されている。このネジ軸5に昇降体6が螺着されて、ネジ軸5と昇降体6とにより公知のボールネジ機構が構成されている。このネジ軸5には、コラム3上に設置されたモータ7のモータ軸が連結されている。この構成においてモータ7を正逆方向に回転駆動することで、昇降体6の上下位置を変更することができる。
コラム3には更にリニアガイドが上下方向に配設されて(図略)、このリニアガイドに沿って上下変位可能に、連結体8が備えられている。この連結体8に前記昇降体6が連結されることで、連結体8(ひいては、この連結体8に備えられる穿孔ヘッド部4)を上下方向(Z方向)に移動させることができる。
【0019】
連結体8には穿孔ヘッド部4が上下摺動自在に支持される。穿孔ヘッド部4には穿孔を行うための工具9が取り付けられるとともに、この工具9に超音波振動を与えるための機構が備えられている。
【0020】
基台2上には水平方向(XY方向)に移動可能な移動テーブル10が設置され、この移動テーブル10の上に、図2に示すように、昇降テーブル11、カメラ部41、研磨装置42の三者が並べて配置される。
昇降テーブル11上面の前記工具9に対向し得る位置には、被加工物としてのワーク13が固定可能とされる。このワーク13としては種々のものが考えられるが、本実施形態は、インクジェットプリンタ等のインクジェットヘッドに圧電式アクチュエータとして使用される、圧電セラミック材料(PZT)を加工する場合を示している。
【0021】
装置全体を覆うように基台2上にはカバー43が設置されて、穿孔作業時に発生する切り粉や後述する砥粒液が周囲に飛散しないように配慮されている。装置の正面には開閉可能な両開き式の扉44が設けられ(図1)、ワーク13の交換作業などの必要に応じて扉44を開いてカバー43内部にアクセスできるようになっている。
【0022】
〔穿孔ヘッド部の構成〕
穿孔ヘッド部4の構成について、側面図である図3、正面図である図4、および平面断面図である図5を主に参照しながら具体的に説明する。
この穿孔ヘッド部4は、前記連結体8に支持される基部フレーム14に、前記工具9を支持するための工具フレーム17を上下摺動自在に連結した構成となっている。基部フレーム14には支軸15が水平に架設され、この支軸15に、前後方向に細長いバランス体16の中央部が枢支されて揺動自在とされている。
基部フレーム14上にはエアシリンダ18が設置され(図3,図4)、このシリンダロッド19が下方に延出して、前記バランス体16の一端に連結されている。そして、バランス体16の前記シリンダロッド19が連結された一端に、前記工具フレーム17が連結されている。基部フレーム14には変位センサ20が設けられ、工具フレーム17の基部フレーム14に対する相対変位を検出できるように構成されている。
【0023】
図3に示すように、工具フレーム17の下端には環状のホーン支持部21が軸受22を介して旋回可能に設けられ、このホーン支持部21にホーン23が固定される。ホーン23は上下方向に細長く形成され、その上部には超音波振動子24が固着されるとともに、ホーン23の下端には平坦な工具取付面23aが形成され、この工具取付面23aに対して前記工具9が脱着可能に取り付けられる。なお、基部フレーム14や工具フレーム17を覆うように板状のカバー45が設けられて、内部の超音波振動子24等を保護できるようになっている。
【0024】
図5の平面図に示すように、ホーン支持部21には側方に向けて突起25が設けられて、この突起25の一側に、付勢体26が工具フレーム17に設けられている。付勢体26は付勢バネ28の弾発作用により、突起25を一側に向けて常時押動するように構成されている。一方、付勢体26に突起25を挟んで対向する位置に、ツマミを有する角度微調整ネジ27が工具フレーム17に取り付けられる。
この構成において、角度微調整ネジ27のツマミを一方向に回転させると、その先端が突起25を前記付勢体26に抗して押すので、ホーン支持部21が図5の反時計回り方向に旋回される。一方、ツマミを逆方向に回転させた場合は、ネジ27の先端が後退して、前記付勢体26が突起25を押すので、ホーン支持部21は図5の時計回り方向に旋回される。従って、ネジ27を適宜回転させることで、ホーン支持部21の角度(即ち、ホーン23に取り付けられた工具9の水平面内における向き)を微調整することができる。
なお、ヘッド前面には固定ネジ36が設けられており(図3・図4)、前述の微調整作業が終了した後はこのネジ36を回転させて締め付けることで、ホーン支持部21が不用意に旋回しないよう固定できるようになっている。
【0025】
〔昇降テーブルの構成〕
ワーク13を固定するための昇降テーブル11の構成を、図6の側面図を参照して説明する。
この昇降テーブル11は、移動テーブル10の上に立設固定された基部フレーム29と、この基部フレーム29に図示せぬリニアガイドを介して昇降自在に設けられた昇降フレーム31と、を有している。
【0026】
前記基部フレーム29にはリフトシリンダ30が取り付けられ、このシリンダロッド32が上方に延出して、その先端が前記昇降フレーム31に連結されている。
リフトシリンダ30はエアシリンダ式に構成されており、圧縮空気を供給/ドレンすることで、昇降フレーム31の上下位置を変更することができる。基部フレーム29には変位センサ33が設置されて、昇降フレーム31の上下位置を測定できるようになっている。
また、内部のリフトシリンダ30や変位センサ33を保護すべく、箱状のカバー46が昇降フレーム31に設けられる。
【0027】
昇降フレーム31の上部は水平に構成され、この上に、ワーク13を取り付けるためのワーク台12が設置される。また、ワーク台12の脇の位置において、昇降フレーム31上にクランプ機構34が設けられている。このクランプ機構34はエアシリンダで構成されており、ワーク台12上にワーク13を載置した状態でエアシリンダを作動させると、伸張するシリンダロッド35がワーク13を水平方向へ押圧し、ワーク台12に設けられたガイド部に突き当てた状態で固定するようになっている。
【0028】
この超音波加工装置1は図示せぬ砥粒液溜めを備えており、この砥粒液溜めには、砥粒(例えば、粒径4〜6μm程度のSiC)を分散させた液体が注入されている。砥粒液溜めに接続させて、パイプや可撓性のホースや管継手などからなる砥粒液循環経路が形成され、この経路が、前記昇降テーブル11近傍に設けた中継パイプ47(図1,図2,図6に図示)に接続されている。この中継パイプ47には供給孔48が形成されるとともに、更に該供給孔48の近傍位置において、案内棒49が下向きに突設されている。案内棒49は湾曲状に構成されて斜め方向に向きを変え、その先端が、昇降テーブル11上のワーク台12の直上方に位置している。
この構成で、砥粒液溜めに設置された図略のポンプを駆動させると、砥粒液は中継パイプ47内に送られ、その一部が供給孔48を介して外部に漏出する。中継パイプ47の外面に漏れ出た砥粒液は案内棒49を伝ってワーク台12上に落下し、工具9による加工に用いられる。
【0029】
〔穿孔作業の様子の説明〕
以上に示した構成において、実際に工具9を超音波振動させてワーク13に穿孔する作業を説明する。
まず、ワーク13を前記クランプ機構34によりワーク台12上に固定したのち、前記移動テーブル10をXY方向に移動させるとともに、前記モータ7を駆動して穿孔ヘッド部4を下降させ、図6の鎖線で示すように、前記工具9がワーク13のすぐ上に僅かな隙間をおいて位置するようにする。
そして、変位センサ33で昇降フレーム31の位置を常時測定しながら、リフトシリンダ30に圧縮空気を供給して、シリンダロッド32を徐々に伸張させて昇降フレーム31を上方向へ移動させ、ワーク13を上昇させる。そして、ワーク13の上面が工具9に接触した瞬間の昇降フレーム31の位置を、装置1を制御するコントローラの適宜の記憶手段にゼロ位置として記憶しておく。
そして、穿孔ヘッド部4の超音波振動子24を駆動し、ホーン23を介して振幅数μm程度の上下方向の超音波振動を工具9に付与しながら、リフトシリンダ30に圧縮空気を供給してワーク13を上昇させ、工具9に対し押し付ける。また、前記砥粒液循環経路のポンプが駆動されることにより、中継パイプ47から案内棒49を経由して砥粒液が工具9の周囲に供給される。
これによりワーク13は、工具9との間にある砥粒によって削られてゆき、工具9に倣った形状の溝や孔等がワーク13の上面に形成される。
【0030】
なお、前述した穿孔ヘッド部4のエアシリンダ18(図3)は、工具フレーム17の変位を変位センサ20で測定しながら必要に応じて圧縮空気の給排を行って、工具フレーム17を支持する力を調節している。これにより、穿孔作業中にワーク13に対し過大な力で工具9が押し付けられることが防止されるので、本実施形態の圧電セラミックのような脆性材料のワーク13を加工する場合でも、ワーク13の破損が十分に回避される構成となっている。
【0031】
工具9によりワーク13に穿孔を行っている間も、前記昇降フレーム31の位置が変位センサ33(図6)によって常時測定されている。そして昇降フレーム31が、前記ゼロ位置から所定の距離だけ上昇した時点で、リフトシリンダ30への圧縮空気の供給が停止され、ワーク13の上昇が停止される。この結果、前記ワーク13には、正確に当該距離だけの深さの孔あるいは溝を形成することができる。
【0032】
〔カメラ部の構成〕
次に、工具9の向きを調整するために設置されるカメラ部41を説明する。このカメラ部41は図2に示すように、昇降テーブル11の側方位置に設けられている。
図7に示すようにカメラ部41は箱状のカバー37を備えており、このカバー37の内部にCCD式のビデオカメラ38が、そのレンズ部39を上に向けた状態で収められている。カバー37の上面には透明な蓋40が、前記レンズ部39に対応する位置に開閉可能に設けられる。
【0033】
この構成における工具9の向きの調整作業を説明する。前記移動テーブル10をXY方向に移動させるとともに、前記モータ7を駆動して穿孔ヘッド部4を下降させ、図7の鎖線で示すように、カメラ38のレンズ部39の直上方に工具9が位置するようにすることで、工具9の向きをビデオカメラ38で撮影することができる。撮影された映像は、装置1の適宜位置(例えば、コラム3の側方位置)に設置したモニタに、リアルタイムに表示される。オペレータはこの映像を見ながら、前述の角度微調整ネジ27を回してホーン23の旋回角度を微調整し、工具9の向きが適正となるよう調整することができる。
【0034】
〔研磨装置の説明〕
更に、前記ホーン23の工具取付面23aを研磨するための研磨装置42を説明する。研磨装置42は図2に示すように、正面視において昇降テーブル11を挟んで前記カメラ部41の反対側に設置されている。
この研磨装置42の具体的な構成が図8に示される。この図に示すように研磨装置42は、移動テーブル10上(なお、図8においては移動テーブル10は図略とされている)に立設された筒状のフレーム50を備え、このフレーム50内に回転軸51を回転自在に軸支した構成となっている。この回転軸51の上端にはカップ型の砥石52が固着されている。回転軸51の側方にはモータ53が設置されており、該モータ53のモータ軸54が、前記回転軸51と、プーリ55・56及びベルト57を介して連結されている。
【0035】
この構成における研磨作業の様子を説明する。
即ち、ホーン23から工具9を取り外した状態で、前記移動テーブル10を移動させ、更に、前述のモータ7を駆動して穿孔ヘッド部4を下降させる。そしてモータ53を駆動して砥石52を回転させるとともに、ホーン23下面の工具取付面23aに対し砥石52の上面を接触させながら、移動テーブル10を水平に移動させることで、該工具取付面23aを研磨することができる。
なお、前記穿孔ヘッド部4には加圧シリンダ58が設置されており(図3,図4)、このシリンダ58が、ホーン23の工具取付面23aを砥石52に押し付けるために用いられる。
【0036】
この研磨装置42の目的を説明する。
即ち、この超音波加工装置1では、ホーン23に工具9を取り付けて超音波振動させワーク13に対する穿孔作業を行う場合に、工具9の周囲に供給される前記砥粒がホーン23下面の工具取付面23aと工具9との間に侵入し、工具取付面23aが砥粒によって徐々に摩損されることが避けられない。この工具取付面23aの摩滅が進行すると、工具9をホーン23に対して十分密着させながら取り付けることができなくなり、超音波振動を工具9に効率良く伝達できないために作業効率の低下を招いてしまう。
そこで本実施形態の加工装置1では、穿孔作業が所定回数行われる毎に前記研磨装置42による研磨を行い、ホーン23の工具取付面23aを削って水平とすることで、常に工具9がホーン23に適正に密着して取り付けられるようにしているのである。
【0037】
〔ホーンへの工具取り付け〕
次に、ホーン23と工具9との取り付け部分について詳細に説明する。図9は、ホーン23及び工具9の分離状態における一部を破断した拡大斜視図である。図9から分かるように、ホーン23は工具9との接続部側である先端が中央部よりも大径となった末広形状を有する長手部材である。このようにホーン23が末広形状に形成されていることによって、ホーン23が後述するずん胴形状や先細形状に形成された場合よりも優れた加工精度が得られることが本発明者によって確かめられている。これは、後述するように、末広形状の場合、ホーン23の径方向伸縮振動モードの固有振動数を、超音波加工に使用される次数における軸方向伸縮振動モードの固有振動数から離れた値にすることがずん胴形状や先細形状の場合よりも容易であることが一因であると推定される。なお、工具9の下側面には、被加工物に穿孔を形成するための硬い穿孔部材(例えばPCD(PolyCrystalline Diamond))9aが取り付けられている。
【0038】
上述したように、ホーン23の先端にある工具取付面23aは研磨装置42によって研磨されることで平坦面であることが担保されている。そして、この工具取付面23aの中心部付近には、工具9を取り付けるためのほぼ円柱形状の凹部61がホーン23の軸方向に沿って形成されている。凹部61の内周面には雌ねじが形成されている。一方、工具9の上面からは、凹部61とほぼ同じ径に形成された円柱形状の凸部62が突出している。凸部62の外周面には雄ねじが形成されている。そして、工具9は、その凸部62がホーン23の凹部61に螺合されることによってホーン23に取り付けられている。
【0039】
〔ホーンの固有振動数〕
次に、本実施の形態におけるホーン23の固有振動数について説明する。上述したように、断面が円形に形成された長手部材であるホーン23は、振動モードの一つとして、その軸方向に伸縮するように振動する軸方向伸縮振動モードを有しており、本実施の形態では、その2次振動モード(固有振動数19.7kHz)が超音波加工に用いられる。この2次の軸方向伸縮振動モードにおけるホーン23の振動の様子を図10(a)に示す。図10(a)は、ホーン各部を振幅の大きさに応じて区分けした模式図である。図10(a)から分かるように、この振動モードでは、ホーン23の中央部やや下方が振動の腹となるようにホーン23が軸方向に超音波振動する。
【0040】
ホーン23の2次の軸方向伸縮振動モードにおける振幅と振動数との関係を図11の曲線Aに示す。曲線Aにおいて、2次の軸方向伸縮振動モードにおける固有振動数19.7kHzを”f1”と表している。
【0041】
さらに、本実施の形態において、図9に示したホーン23は、その太さ、長さ、形状及び材質を適宜設定することによって、軸方向と直交する方向に伸縮するように振動する径方向伸縮振動モードのすべての次数の固有振動数が、2次の軸方向伸縮振動モードにおける固有振動数f1の0.90倍以下又は1.10倍以上、好ましくは0.85倍以下又は1.15倍以上、さらに好ましくは0.80倍以下又は1.20倍以上となるように形成されている。図9に示したホーン23の場合、具体的には、固有振動数f1に最も近い固有振動数をもつ径方向伸縮振動モードとして3次の径方向伸縮振動モードが現れ、その固有振動数が23.6kHz(=1.20f1)となるようにされている。なお、ホーン23には3次以外の径方向伸縮振動モードも存在するが、それらの固有振動数は通常の場合固有振動数f1から大きく離れているため、ここでは問題としない。
【0042】
この3次の径方向伸縮振動モードにおけるホーン23の振動の様子を図10(b)に示す。図10(b)から分かるように、この振動モードでは、ホーン23の最下部、中央部などが振動の腹となるようにホーン23が径方向に超音波振動する。
【0043】
ホーン23の3次の径方向伸縮振動モードにおける振幅と振動数との関係を図11の曲線Bに示す。曲線Bにおいて、3次の径方向伸縮振動モードにおける固有振動数23.6kHzを”f2”と表している。
【0044】
図9に示すホーン23が用いられる場合、超音波振動子24は、2次の軸方向伸縮振動モードにおける固有振動数である19.7kHzで発振するように調整される。図11から分かるように、この振動数では、曲線Bで示されたホーンの振幅は比較的小さい。従って、超音波振動子24の発振振動数がf1よりも大きくなる方向にずれたとしても、3次の径方向伸縮振動モードでの振動はほとんど励起されることがない。そのため、本実施の形態によると、ワーク13に形成される溝が工具形状よりも太くなるなどの不具合が生じにくくなり、優れた形状精度でワーク13を加工することが可能となる。同様に、超音波振動子24の励振方向がホーン23の軸方向から径方向にずれたとしても、3次の径方向伸縮振動モードでの振動がほとんど励起されず、優れた形状精度でワーク13を加工することが可能となる。また、ホーン23の径方向に工具9がほとんど振動しなくなるので、工具9が損傷するのも抑制される。これらの効果をより優れたものとするためには、3次の径方向伸縮振動モードでの固有振動数を、2次の軸方向伸縮振動モードにおける固有振動数からできるだけ離れた値とすることが好ましい。
【0045】
なお、ここでは、図9に示したホーン23の径方向伸縮振動モードのすべての次数の固有振動数を2次の軸方向伸縮振動モードにおける固有振動数f1の0.90倍以下又は1.10倍以上としているが、ホーン23の形状や材質によっては、径方向伸縮振動モードの一部の次数の固有振動数が2次の軸方向伸縮振動モードにおける固有振動数f1の0.90倍を超えていたり又は1.10倍未満であったとしても、その最大振幅が小さいなどの理由によりホーン23に径方向の振動がほとんど励起されず、ワーク13の加工精度に悪影響を及ぼさないことがある。従って、そのようなホーン23に径方向の振動をほとんど励起しない次数がある場合には、それ以外の次数における径方向伸縮振動モードの固有振動数を、上述したような範囲に収めればよく、本発明は、このような一部の次数における径方向伸縮振動モードの固有振動数が上述した範囲内にあるものをも包含するこものとして解釈されるべきである。ただし、工具9の径方向振動を抑制する観点からは、ホーン23の径方向伸縮振動モードのすべての次数の固有振動数を固有振動数f1の0.90倍以下又は1.10倍以上とすることが好ましいのはいうまでもない。
【0046】
このように、本実施の形態では、図9に示したホーン23の径方向伸縮振動モードの固有振動数を2次の軸方向伸縮振動モードにおける固有振動数f1の0.90倍以下又は1.10倍以上とすることによってワーク13の加工精度向上という効果を得るようにしているが、ホーン23の形状などの条件によっては、径方向伸縮振動モードの固有振動数に代えて或いはこれに加えて、軸方向に屈曲するように振動する軸方向曲げ振動モードを考慮することによってワーク13の加工精度を向上させる効果が得られる場合がある。つまり、ホーン23によっては、その軸方向曲げ振動モードの固有振動数が、固有振動数f1の0.90倍以下又は1.10倍以上となるように形成されていてもワーク13の加工精度向上という効果が得られ、さらに、径方向伸縮振動モード及び軸方向曲げ振動モードの固有振動数の両方が、固有振動数f1の0.90倍以下又は1.10倍以上となるように形成されていてもワーク13の加工精度向上という効果が得られる。特に、径方向伸縮振動モード及び軸方向曲げ振動モードの固有振動数の両方を、固有振動数f1の0.90倍以下又は1.10倍以上とすることで、より優れた効果が得られることがある。なお、これらのような場合であっても、固有振動数f1の0.90倍以下又は1.10倍以上とするよりも、0.85倍以下又は1.15倍以上とすることの方が好ましく、0.80倍以下又は1.20倍以上とすることがさらに好ましい。
【0047】
〔ホーンの変形例〕
次に、ホーンの変形例について説明する。上述した実施の形態では、ホーンを、工具が取り付けられる先端近傍部が中央部よりも大径となった末広形状であるとした。しかしながら、ホーンは様々な形状をとることができる。図12(a)は、工具9が取り付けられる先端近傍部が中央部と同径となったずん胴形状を有するホーン223の、工具9との分離状態における一部を破断した拡大斜視図である。また、図12(b)は、工具9が取り付けられる先端近傍部が中央部よりも小径となった先細形状を有するホーン323の、工具9との分離状態における一部を破断した拡大斜視図である。
【0048】
図12(a)に示すずん胴型のホーン223の場合、その2次振動モード(固有振動数19.8kHz:以下でf3と記することがある)が超音波加工に用いられる。この2次の軸方向伸縮振動モードにおけるホーン223の振動の様子を図13(a)に示す。図13(a)は、ホーン各部を振幅の大きさに応じて区分けした模式図である。図13(a)から分かるように、この振動モードでは、ホーン223の最下部と中央部上方が振動の腹となるようにホーン223が軸方向に超音波振動する。
【0049】
さらに、本実施の形態において、図12(a)に示したホーン223は、その太さ、長さ、形状及び材質を適宜設定することによって、軸方向と直交する方向に伸縮するように振動する径方向伸縮振動モードのすべての次数の固有振動数が、2次の軸方向伸縮振動モードにおける固有振動数f3の0.90倍以下又は1.10倍以上、好ましくは0.85倍以下又は1.15倍以上、さらに好ましくは0.80倍以下又は1.20倍以上となるように形成されている。図12(a)に示したホーン223の場合、具体的には、固有振動数f3に最も近い固有振動数をもつ径方向伸縮振動モードとして3次の径方向伸縮振動モードが現れ、その固有振動数が22.4kHz(=1.13f3)となるようにされている。なお、ホーン223には3次以外の径方向伸縮振動モードも存在するが、それらの固有振動数は通常の場合固有振動数f3から大きく離れているため、ここでは問題としない。
【0050】
この3次の径方向伸縮振動モードにおけるホーン223の振動の様子を図13(b)に示す。図13(b)から分かるように、この振動モードでは、ホーン223のフランジ部が振動の腹となるようにホーン223が径方向に超音波振動する。
【0051】
図12(a)に示すホーン223が用いられる場合、超音波振動子24は、2次の軸方向伸縮振動モードにおける固有振動数である19.8kHzで発振するように調整される。この振動数では3次の径方向伸縮振動モードにおけるホーンの振幅は比較的小さい。従って、超音波振動子24の発振振動数がf3よりも大きくなる方向にずれたとしても、3次の径方向伸縮振動モードでの振動はほとんど励起されることがない。そのため、本実施の形態によると、ワーク13に形成される溝が工具形状よりも太くなるなどの不具合が生じにくくなり、優れた形状精度でワーク13を加工することが可能となる。同様に、超音波振動子24の励振方向がホーン223の軸方向から径方向にずれたとしても、3次の径方向伸縮振動モードでの振動がほとんど励起されず、優れた形状精度でワーク13を加工することが可能となる。また、ホーン223の径方向に工具9がほとんど振動しなくなるので、工具9が損傷するのも抑制される。これらの効果をより優れたものとするためには、3次の径方向伸縮振動モードでの固有振動数を、2次の軸方向伸縮振動モードにおける固有振動数からできるだけ離れた値とすることが好ましい。
【0052】
一方、図12(b)に示す先細型のホーン323の場合、その2次振動モード(固有振動数20.0kHz:以下でf4と記することがある)が超音波加工に用いられる。この2次の軸方向伸縮振動モードにおけるホーン323の振動の様子を図14(a)に示す。図14(a)は、ホーン各部を振幅の大きさに応じて区分けした模式図である。図14(a)から分かるように、この振動モードでは、ホーン323の最下部が振動の腹となるようにホーン223が軸方向に超音波振動する。
【0053】
さらに、本実施の形態において、図12(b)に示したホーン323は、その太さ、長さ、形状及び材質を適宜設定することによって、軸方向と直交する方向に伸縮するように振動する径方向伸縮振動モードのすべての次数の固有振動数が、2次の軸方向伸縮振動モードにおける固有振動数f4の0.90倍以下又は1.10倍以上、好ましくは0.85倍以下又は1.15倍以上、さらに好ましくは0.80倍以下又は1.20倍以上となるように形成されている。図12(b)に示したホーン323の場合、具体的には、固有振動数f4に最も近い固有振動数をもつ径方向伸縮振動モードとして3次の径方向伸縮振動モードが現れ、その固有振動数が22.0kHz(=1.10f4)となるようにされている。なお、ホーン323には3次以外の径方向伸縮振動モードも存在するが、それらの固有振動数は通常の場合固有振動数f3から大きく離れているため、ここでは問題としない。
【0054】
この3次の径方向伸縮振動モードにおけるホーン323の振動の様子を図14(b)に示す。図14(b)から分かるように、この振動モードでは、ホーン323のフランジ部が振動の腹となるようにホーン323が径方向に超音波振動する。
【0055】
図12(b)に示すホーン323が用いられる場合、超音波振動子24は、2次の軸方向伸縮振動モードにおける固有振動数である20.0kHzで発振するように調整される。この振動数では3次の径方向伸縮振動モードにおけるホーンの振幅は比較的小さい。従って、超音波振動子24の発振振動数がf4よりも大きくなる方向にずれたとしても、3次の径方向伸縮振動モードでの振動はほとんど励起されることがない。そのため、本実施の形態によると、ワーク13に形成される溝が工具形状よりも太くなるなどの不具合が生じにくくなり、優れた形状精度でワーク13を加工することが可能となる。同様に、超音波振動子24の励振方向がホーン323の軸方向から径方向にずれたとしても、3次の径方向伸縮振動モードでの振動があまり励起されず、優れた形状精度でワーク13を加工することが可能となる。また、ホーン323の径方向に工具9がほとんど振動しなくなるので、工具9が損傷するのも抑制される。これらの効果をより優れたものとするためには、3次の径方向伸縮振動モードでの固有振動数を、2次の軸方向伸縮振動モードにおける固有振動数からできるだけ離れた値とすることが好ましい。
【0056】
上述した2つの変形例で説明したずん胴型及び先細型ホーンでは、超音波加工に使用される2次の軸方向伸縮振動モードの固有振動数と、3次の径方向伸縮振動モードの固有振動数との差が、上述した実施の形態で説明した末広型ホーンに比べて小さくなる。そのため、径方向への工具振動抑制によるワーク加工精度向上という点から見ると、図9に示した末広型ホーン23は、図12(a)、(b)に示したずん胴型ホーン223及び先細型ホーン323よりも優れているということができる。
【0057】
なお、上述した2つの変形例の場合も、図9で説明したホーン23と同様、ホーン223、323の形状や材質によっては、径方向伸縮振動モードの一部の次数の固有振動数が2次の軸方向伸縮振動モードにおける固有振動数f3、f4の0.90倍を超えていたり又は1.10倍未満であったとしても、その最大振幅が小さいなどの理由によりホーン223、323に径方向の振動がほとんど励起されず、ワーク13の加工精度に悪影響を及ぼさないことがある。従って、そのようなホーン223、323に径方向の振動をほとんど励起しない次数がある場合には、それ以外の次数における径方向伸縮振動モードの固有振動数を、上述したような範囲に収めればよい。ただし、本変形例でも、工具9の径方向振動を抑制する観点からは、ホーン223、323の径方向伸縮振動モードのすべての次数の固有振動数を固有振動数f1の0.90倍以下又は1.10倍以上とすることが好ましいのはいうまでもない。さらに、上述した2つの変形例の場合も、ホーン23の形状などの条件によっては、径方向伸縮振動モードの固有振動数に代えて或いはこれに加えて、軸方向曲げ振動モードを考慮することによってワーク13の加工精度を向上させる効果が得られる場合がある。
【0058】
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更が可能なものである。例えば、上述の実施の形態では、超音波加工に使用される次数を2次の軸方向伸縮振動モードとしたが、軸方向伸縮振動モードの1次や3次を超音波加工に用いてもよい。また、ホーンの断面形状は必ずしも円でなくてもよく、その他任意の断面形状を採用することが可能である。また、上述の実施の形態では超音波振動体としてホーンを用いているが、ホーンを用いず、超音波振動子やその他の超音波振動体に工具を取り付けるようにしてもよい。
【0059】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1によると、超音波振動子の振動数が超音波加工に使用される次数における超音波振動体の軸方向伸縮振動モードの固有振動数からずれて径方向伸縮振動モード又は軸方向曲げ振動モードの固有振動数に近づいたとしても、径方向伸縮振動モード又は軸方向曲げ振動モードでの振動があまり励起されず、被加工物に形成される溝が工具形状よりも太くなるなどの不具合が生じにくくなり、優れた形状精度で被加工物を加工することが可能となる。同様に、超音波振動子の励振方向が超音波振動体の軸方向から径方向にずれたとしても、径方向伸縮振動モード又は軸方向曲げ振動モードでの振動がほとんど励起されず、優れた形状精度で被加工物を加工することが可能となる。また、工具の損傷が起こるのも抑制することができる。
【0060】
請求項2によると、径方向伸縮振動モード又は軸方向曲げ振動モードでの振動がほとんど励起されず、さらに優れた形状精度で被加工物を加工することが可能となる。請求項3によると、径方向伸縮振動モード及び軸方向曲げ振動モードでの振動がほとんど励起されず、さらに優れた形状精度で被加工物を加工することが可能となる。
【0061】
請求項4によると、超音波振動体が末広形状を有する長手部材であることにより、例えば超音波振動体がずん胴形状や先細形状を有する長手部材である場合と比較して優れた加工精度が得られる。請求項5による超音波振動体は、上述した超音波加工装置と共に用いるのに好適である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る超音波穿孔装置の全体的な構成を示した側面図である。
【図2】同じく正面図である。
【図3】穿孔ヘッド部の側面図一部断面図である。
【図4】同じく正面図である。
【図5】同じく平面断面図である。
【図6】昇降テーブルの側面断面図である。
【図7】カメラ部の側面断面図である。
【図8】研磨装置の正面断面図である。
【図9】図1に示す超音波穿孔装置に使用される末広形状を有するホーン及び工具の分離状態における一部を破断した拡大斜視図である。
【図10】2次の軸方向伸縮振動モード及び3次の径方向伸縮振動モードにおける末広形状を有するホーンの振動の様子を描いた模式図である。
【図11】2次の軸方向伸縮振動モード及び3次の径方向伸縮振動モードにおける末広形状を有するホーンの振幅と振動数との関係を描いたグラフである。
【図12】ずん胴形状及び先細形状を有するホーン及び工具の分離状態における一部を破断した拡大斜視図である。
【図13】2次の軸方向伸縮振動モード及び3次の径方向伸縮振動モードにおけるずん胴形状を有するホーンの振動の様子を描いた模式図である。
【図14】2次の軸方向伸縮振動モード及び3次の径方向伸縮振動モードにおける先細形状を有するホーンの振動の様子を描いた模式図である。
【符号の説明】
1 超音波加工装置
2 基台
3 コラム
4 穿孔ヘッド部
8 連結体
9 工具
10 移動テーブル
11 昇降テーブル
12 ワーク台
13 ワーク
14 基部フレーム
16 バランス体
17 工具フレーム
18 エアシリンダ
19 シリンダロッド
21 ホーン支持部
23 ホーン
24 超音波振動子
26 付勢体
27 角度微調整ネジ
29 基部フレーム
31 昇降フレーム
33 変位センサ
34 クランプ機構
38 ビデオカメラ
41 カメラ部
42 研磨装置
43 カバー
47 中継パイプ
48 供給孔
49 案内棒
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic processing device and an ultrasonic vibrator used for the ultrasonic processing device.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art There is known an ultrasonic processing apparatus capable of ultrasonically vibrating a tool and transmitting the vibration to abrasive grains to form a shape following a tool shape on a workpiece. Such an ultrasonic processing apparatus is suitable for use in processing a brittle material such as glass, ceramics, ore, and jewelry as the workpiece because it can precisely process the workpiece.
[0003]
In the ultrasonic processing apparatus as described above, the workpiece is transmitted by transmitting the ultrasonic vibration generated by the ultrasonic vibrator to a tool attached thereto through a tool holder which is a longitudinal member called a horn. It is common to process. The horn has an axial bending vibration mode that vibrates so as to bend in the axial direction, a radial expansion vibration mode that vibrates so as to expand and contract in the radial direction, and an axial expansion vibration mode that vibrates so as to expand and contract in the axial direction. In the ultrasonic machining, vibration in any order of the axial stretching vibration mode is used. Accordingly, the ultrasonic vibrator is vibrated at the same frequency as the natural frequency of the horn in the axial stretching vibration mode in the order used for ultrasonic processing.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, it is very difficult as a practical matter to make the frequency of the ultrasonic vibration generated by the ultrasonic vibrator exactly coincide with the natural frequency of the horn axial stretching vibration mode in the order used for ultrasonic processing. It is. Therefore, the frequency of the ultrasonic vibration generated by the ultrasonic vibrator fluctuates in a direction closer to the natural frequency in one of the axial bending vibration mode and the radial stretching vibration mode than the originally planned frequency. In such a case, the horn may be excited due to the vibration in the axial bending vibration mode and / or the vibration in the radial stretching vibration mode added to the vibration in the axial stretching vibration mode. Then, for example, the width of the groove formed in the workpiece becomes significantly larger than the design width, and the shape of the workpiece after processing becomes significantly different from the tool shape (design shape). Shape accuracy is deteriorated.
[0005]
Therefore, an object of the present invention is to provide an ultrasonic processing apparatus capable of processing a workpiece with excellent shape accuracy and an ultrasonic vibrator used for the apparatus.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an ultrasonic machining apparatus according to claim 1 ultrasonically vibrates a tool attached to an ultrasonic vibrator, and transmits the vibration to abrasive grains to form a shape following the tool shape. In the ultrasonic processing apparatus formed on a workpiece, the ultrasonic vibrating body has an axial stretching vibration mode having a natural frequency in a radial stretching vibration mode or an axial bending vibration mode in an order used for ultrasonic processing. It is characterized in that it is formed so as to be 0.90 times or less or 1.10 times or more of the natural frequency of the mode.
[0007]
According to the first aspect, the vibration frequency of the ultrasonic vibrator deviates from the natural frequency of the axial stretching vibration mode of the ultrasonic vibrator in the order used for ultrasonic machining, and the radial stretching vibration mode or the axial bending vibration. Even when approaching the natural frequency of the mode, the vibration in the radial expansion / contraction vibration mode or the axial bending vibration mode is not so excited, and the groove formed in the workpiece becomes thicker than the tool shape. This hardly occurs, and the workpiece can be processed with excellent shape accuracy. Similarly, even if the excitation direction of the ultrasonic vibrator deviates in the radial direction from the axial direction of the ultrasonic vibrator, the vibration in the radial expansion / contraction vibration mode or the axial bending vibration mode is hardly excited, and the excellent shape is obtained. The workpiece can be machined with high accuracy. Further, damage to the tool can be suppressed.
[0008]
Further, in the ultrasonic processing apparatus according to claim 2, the ultrasonic vibrating body has an axial expansion / contraction vibration in a radial expansion / contraction vibration mode or an axial bending vibration mode whose natural frequency is in the order used for ultrasonic processing. It is formed so as to be 0.85 times or less or 1.15 times or more of the natural frequency of the mode.
[0009]
According to the second aspect, the vibration in the radial stretching vibration mode or the axial bending vibration mode is hardly excited, and the workpiece can be processed with further excellent shape accuracy.
[0010]
Further, in the ultrasonic processing apparatus according to claim 3, the ultrasonic vibrating body has an axial stretching vibration mode having a natural frequency in a radial stretching vibration mode and an axial bending vibration mode in an order used for ultrasonic processing. It is formed so as to be 0.85 times or less or 1.15 times or more of the natural frequency of the mode.
[0011]
According to the third aspect, the vibrations in the radial stretching vibration mode and the axial bending vibration mode are hardly excited, and the workpiece can be processed with more excellent shape accuracy.
[0012]
Further, in the ultrasonic machining apparatus according to claim 4, the ultrasonic vibrating body has a divergent shape in which a portion near a tip to which the tool is attached has a larger diameter than a central portion.
[0013]
According to the fourth aspect, since the ultrasonic vibrator is a long member having a divergent shape, for example, superior processing accuracy is obtained as compared with a case where the ultrasonic vibrator is a long member having a body shape or a tapered shape. It was confirmed that it could be obtained.
[0014]
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided an ultrasonic oscillator used in the ultrasonic processing apparatus according to any one of the first to fourth aspects.
[0015]
The ultrasonic vibrator according to claim 5 is suitable for use with the ultrasonic processing apparatus described above.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0017]
[Schematic configuration of entire device]
FIG. 1 shows an overall side view of an ultrasonic processing apparatus as one embodiment of the present invention, and FIG. 2 shows an overall front view thereof. As shown in FIGS. 1 and 2, the ultrasonic processing apparatus 1 has a configuration in which a column 3 is erected on a base 2 installed on the floor, and a drilling head 4 is supported on the column 3. Has become.
[0018]
The column 3 has a screw shaft 5 arranged vertically and rotatably supported. An elevating body 6 is screwed to the screw shaft 5, and the screw shaft 5 and the elevating body 6 constitute a known ball screw mechanism. A motor shaft of a motor 7 installed on the column 3 is connected to the screw shaft 5. In this configuration, the vertical position of the elevating body 6 can be changed by driving the motor 7 to rotate in the forward and reverse directions.
The column 3 is further provided with a linear guide in the vertical direction (not shown), and a connecting body 8 is provided so as to be vertically displaceable along the linear guide. By connecting the elevating body 6 to the connecting body 8, the connecting body 8 (and, consequently, the drilling head 4 provided in the connecting body 8) can be moved in the vertical direction (Z direction).
[0019]
The connecting body 8 supports the drilling head 4 so as to be slidable up and down. A drilling tool 9 is attached to the drilling head 4 and a mechanism for applying ultrasonic vibration to the tool 9 is provided.
[0020]
A movable table 10 that can move in the horizontal direction (XY directions) is installed on the base 2. On the movable table 10, as shown in FIG. The three are arranged side by side.
A work 13 as a workpiece can be fixed to a position on the upper surface of the elevating table 11 which can face the tool 9. Although various types of the work 13 can be considered, the present embodiment shows a case where a piezoelectric ceramic material (PZT) used as a piezoelectric actuator for an ink jet head of an ink jet printer or the like is processed.
[0021]
A cover 43 is provided on the base 2 so as to cover the entire apparatus, and care has been taken to prevent chips generated during drilling work and abrasive liquid to be described later from scattering around. An openable / closable door 44 is provided on the front of the apparatus (FIG. 1). The door 44 can be opened and the inside of the cover 43 can be accessed as required when replacing the work 13 or the like.
[0022]
[Configuration of drilling head]
The configuration of the drilling head unit 4 will be specifically described mainly with reference to FIG. 3 which is a side view, FIG. 4 which is a front view, and FIG. 5 which is a plan sectional view.
The drilling head 4 has a configuration in which a tool frame 17 for supporting the tool 9 is vertically slidably connected to a base frame 14 supported by the connecting body 8. A support shaft 15 is horizontally installed on the base frame 14, and a central portion of a long and narrow balance body 16 is pivotally supported on the support shaft 15 so as to be swingable.
An air cylinder 18 is installed on the base frame 14 (FIGS. 3 and 4), and this cylinder rod 19 extends downward and is connected to one end of the balance body 16. The tool frame 17 is connected to one end of the balance body 16 to which the cylinder rod 19 is connected. The base frame 14 is provided with a displacement sensor 20, and is configured to detect a relative displacement of the tool frame 17 with respect to the base frame 14.
[0023]
As shown in FIG. 3, an annular horn support 21 is provided at the lower end of the tool frame 17 so as to be pivotable via a bearing 22, and a horn 23 is fixed to the horn support 21. The horn 23 is formed to be elongated in the up-down direction. An ultrasonic vibrator 24 is fixed to an upper portion of the horn 23, and a flat tool mounting surface 23a is formed at a lower end of the horn 23. The tool 9 is detachably attached. In addition, a plate-like cover 45 is provided so as to cover the base frame 14 and the tool frame 17, so that the internal ultrasonic vibrator 24 and the like can be protected.
[0024]
As shown in the plan view of FIG. 5, a projection 25 is provided on the horn support 21 toward the side, and an urging body 26 is provided on the tool frame 17 on one side of the projection 25. The urging body 26 is configured to constantly push the projection 25 toward one side by the elasticity of the urging spring 28. On the other hand, an angle fine adjustment screw 27 having a knob is attached to the tool frame 17 at a position facing the urging body 26 with the projection 25 interposed therebetween.
In this configuration, when the knob of the angle fine adjustment screw 27 is rotated in one direction, its tip pushes the projection 25 against the urging body 26, so that the horn support 21 moves in the counterclockwise direction in FIG. Turned. On the other hand, when the knob is rotated in the opposite direction, the tip of the screw 27 retreats and the urging body 26 pushes the projection 25, so that the horn support 21 is turned clockwise in FIG. Therefore, by appropriately rotating the screw 27, the angle of the horn support 21 (that is, the direction of the tool 9 attached to the horn 23 in the horizontal plane) can be finely adjusted.
A fixing screw 36 is provided on the front surface of the head (FIGS. 3 and 4). After the fine adjustment operation described above is completed, the screw 36 is rotated and tightened, so that the horn support 21 is inadvertently prepared. It can be fixed so that it does not turn.
[0025]
[Configuration of lifting table]
The configuration of the lifting table 11 for fixing the work 13 will be described with reference to the side view of FIG.
The elevating table 11 has a base frame 29 erected and fixed on the moving table 10, and an elevating frame 31 provided on the base frame 29 via a linear guide (not shown) so as to be able to move up and down. I have.
[0026]
A lift cylinder 30 is attached to the base frame 29, and a cylinder rod 32 extends upward, and a tip of the cylinder rod 32 is connected to the lift frame 31.
The lift cylinder 30 is of an air cylinder type, and the vertical position of the lifting frame 31 can be changed by supplying / draining compressed air. A displacement sensor 33 is installed on the base frame 29 so that the vertical position of the lifting frame 31 can be measured.
A box-shaped cover 46 is provided on the lifting frame 31 to protect the internal lift cylinder 30 and the displacement sensor 33.
[0027]
The upper part of the elevating frame 31 is configured horizontally, and the work table 12 on which the work 13 is mounted is installed thereon. Further, a clamp mechanism 34 is provided on the lifting frame 31 at a position beside the work table 12. The clamp mechanism 34 is formed of an air cylinder. When the air cylinder is operated with the work 13 placed on the work table 12, the extending cylinder rod 35 presses the work 13 in the horizontal direction, and the work table 12 and is fixed in a state where it abuts on a guide portion.
[0028]
The ultrasonic processing apparatus 1 includes an abrasive liquid reservoir (not shown), and a liquid in which abrasive grains (for example, SiC having a particle size of about 4 to 6 μm) are dispersed is injected into the abrasive liquid reservoir. I have. An abrasive liquid circulation path composed of a pipe, a flexible hose, a pipe joint, or the like is formed by being connected to the abrasive liquid reservoir, and this path is connected to a relay pipe 47 (FIG. 1, FIG. 2 and 6). A supply hole 48 is formed in the relay pipe 47, and a guide rod 49 projects downward at a position near the supply hole 48. The guide rod 49 is formed in a curved shape and changes its direction in an oblique direction, and its tip is located immediately above the work table 12 on the lifting table 11.
In this configuration, when a pump (not shown) installed in the abrasive liquid reservoir is driven, the abrasive liquid is sent into the relay pipe 47, and a part of the abrasive liquid leaks out through the supply hole 48. The abrasive liquid leaked to the outer surface of the relay pipe 47 falls on the work table 12 along the guide rod 49 and is used for processing by the tool 9.
[0029]
[Explanation of drilling operation]
The operation of actually punching the workpiece 13 by ultrasonically oscillating the tool 9 in the configuration described above will be described.
First, after the work 13 is fixed on the work table 12 by the clamp mechanism 34, the moving table 10 is moved in the X and Y directions, and the motor 7 is driven to lower the drilling head unit 4; As shown by, the tool 9 is positioned just above the work 13 with a slight gap.
Then, while constantly measuring the position of the elevating frame 31 with the displacement sensor 33, compressed air is supplied to the lift cylinder 30, the cylinder rod 32 is gradually extended, and the elevating frame 31 is moved upward to move the work 13 upward. To raise. Then, the position of the elevating frame 31 at the moment when the upper surface of the work 13 comes into contact with the tool 9 is stored as a zero position in an appropriate storage means of the controller that controls the apparatus 1.
Then, the ultrasonic oscillator 24 of the drilling head unit 4 is driven to supply compressed air to the lift cylinder 30 while applying vertical ultrasonic vibration having an amplitude of about several μm to the tool 9 via the horn 23. The work 13 is raised and pressed against the tool 9. When the pump of the abrasive liquid circulation path is driven, the abrasive liquid is supplied from the relay pipe 47 to the periphery of the tool 9 via the guide rod 49.
As a result, the work 13 is cut by the abrasive grains between the work 9 and the work 9, and a groove, a hole, or the like having a shape following the tool 9 is formed on the upper surface of the work 13.
[0030]
The air cylinder 18 (FIG. 3) of the drilling head unit 4 supplies and discharges compressed air as necessary while measuring the displacement of the tool frame 17 with the displacement sensor 20 to support the tool frame 17. Regulating power. This prevents the tool 9 from being pressed against the work 13 with an excessive force during the drilling operation. Therefore, even when the work 13 made of a brittle material such as the piezoelectric ceramic according to the present embodiment is processed, the work 13 is not pressed. The structure is such that damage is sufficiently avoided.
[0031]
The position of the lifting frame 31 is constantly measured by the displacement sensor 33 (FIG. 6) even while the workpiece 9 is being drilled by the tool 9. Then, when the lifting frame 31 rises from the zero position by a predetermined distance, the supply of the compressed air to the lift cylinder 30 is stopped, and the lifting of the work 13 is stopped. As a result, a hole or a groove having a depth corresponding to the distance can be accurately formed in the work 13.
[0032]
[Configuration of camera unit]
Next, the camera unit 41 installed for adjusting the direction of the tool 9 will be described. The camera section 41 is provided at a side position of the lifting table 11 as shown in FIG.
As shown in FIG. 7, the camera section 41 has a box-shaped cover 37, and a CCD video camera 38 is housed inside the cover 37 with its lens section 39 facing upward. A transparent cover 40 is provided on the upper surface of the cover 37 at a position corresponding to the lens unit 39 so as to be openable and closable.
[0033]
The operation of adjusting the direction of the tool 9 in this configuration will be described. While moving the moving table 10 in the X and Y directions, the motor 7 is driven to lower the drilling head unit 4, and the tool 9 is positioned immediately above the lens unit 39 of the camera 38 as shown by a chain line in FIG. By doing so, the direction of the tool 9 can be photographed by the video camera 38. The captured video is displayed in real time on a monitor installed at an appropriate position of the device 1 (for example, a side position of the column 3). The operator can finely adjust the turning angle of the horn 23 by turning the above-described angle fine adjustment screw 27 while watching this image, and can adjust the direction of the tool 9 to be appropriate.
[0034]
[Description of polishing apparatus]
Further, a polishing device 42 for polishing the tool mounting surface 23a of the horn 23 will be described. As shown in FIG. 2, the polishing device 42 is installed on the opposite side of the camera unit 41 with the lifting table 11 interposed therebetween when viewed from the front.
FIG. 8 shows a specific configuration of the polishing apparatus 42. As shown in this figure, the polishing apparatus 42 includes a cylindrical frame 50 erected on the moving table 10 (the moving table 10 is not shown in FIG. 8). The rotary shaft 51 is rotatably supported. A cup-shaped grindstone 52 is fixed to the upper end of the rotating shaft 51. A motor 53 is provided on a side of the rotating shaft 51, and a motor shaft 54 of the motor 53 is connected to the rotating shaft 51 via pulleys 55 and 56 and a belt 57.
[0035]
The state of the polishing operation in this configuration will be described.
That is, with the tool 9 removed from the horn 23, the moving table 10 is moved, and the above-described motor 7 is driven to lower the drilling head unit 4. Then, the motor 53 is driven to rotate the grindstone 52, and the tool mounting surface 23a is moved horizontally while the upper surface of the grindstone 52 is in contact with the tool mounting surface 23a on the lower surface of the horn 23. Can be polished.
A pressure cylinder 58 is provided on the drilling head 4 (FIGS. 3 and 4). The cylinder 58 is used to press the tool mounting surface 23 a of the horn 23 against the grindstone 52.
[0036]
The purpose of the polishing apparatus 42 will be described.
That is, in the ultrasonic machining apparatus 1, when the tool 9 is attached to the horn 23 and ultrasonically oscillated to perform a drilling operation on the work 13, the abrasive grains supplied around the tool 9 are attached to the tool mounting on the lower surface of the horn 23. Invasion between the surface 23a and the tool 9 inevitably causes the tool mounting surface 23a to be gradually worn by the abrasive grains. As the wear of the tool mounting surface 23a progresses, it becomes impossible to mount the tool 9 while keeping the tool 9 in close contact with the horn 23, and ultrasonic vibration cannot be transmitted to the tool 9 efficiently. .
Therefore, in the processing device 1 of the present embodiment, the polishing is performed by the polishing device 42 every time the drilling operation is performed a predetermined number of times, and the tool mounting surface 23a of the horn 23 is shaved to be horizontal. It is designed to be attached in close contact with the device.
[0037]
[Mounting the tool on the horn]
Next, an attachment portion between the horn 23 and the tool 9 will be described in detail. FIG. 9 is an enlarged perspective view in which a part of the horn 23 and the tool 9 in a separated state is broken. As can be seen from FIG. 9, the horn 23 is a long member having a divergent shape in which the tip on the side of the connection with the tool 9 has a larger diameter than the center. It has been confirmed by the present inventor that the horn 23 is formed in the divergent shape in this manner, whereby a higher processing accuracy is obtained than in the case where the horn 23 is formed in a torso shape or a tapered shape described later. I have. This is because, as described later, in the case of the divergent shape, the natural frequency of the radial stretching vibration mode of the horn 23 is set to a value apart from the natural frequency of the axial stretching vibration mode in the order used for ultrasonic machining. It is presumed that one of the reasons is that it is easier to perform the operation than the case of the body shape or the tapered shape. A hard piercing member (for example, PCD (PolyCrystalline Diamond)) 9a for forming a pierced hole in the workpiece is attached to the lower surface of the tool 9.
[0038]
As described above, the tool mounting surface 23a at the tip of the horn 23 is polished by the polishing device 42 to ensure that it is a flat surface. A substantially cylindrical concave portion 61 for mounting the tool 9 is formed near the center of the tool mounting surface 23a along the axial direction of the horn 23. A female screw is formed on the inner peripheral surface of the recess 61. On the other hand, from the upper surface of the tool 9, a columnar convex portion 62 formed to have substantially the same diameter as the concave portion 61 protrudes. A male screw is formed on the outer peripheral surface of the projection 62. The tool 9 is attached to the horn 23 by screwing the protrusion 62 into the recess 61 of the horn 23.
[0039]
[Normal frequency of horn]
Next, the natural frequency of horn 23 in the present embodiment will be described. As described above, the horn 23, which is a longitudinal member having a circular cross section, has an axial stretching vibration mode that vibrates so as to expand and contract in the axial direction as one of the vibration modes. In the embodiment, the secondary vibration mode (natural frequency 19.7 kHz) is used for ultrasonic machining. FIG. 10A shows the state of vibration of the horn 23 in the secondary axial stretching vibration mode. FIG. 10A is a schematic diagram in which each part of the horn is divided according to the magnitude of the amplitude. As can be seen from FIG. 10A, in this vibration mode, the horn 23 is ultrasonically vibrated in the axial direction so that the central part of the horn 23 is slightly below the antinode.
[0040]
A curve A in FIG. 11 shows the relationship between the amplitude and the frequency in the secondary axial stretching vibration mode of the horn 23. In the curve A, the natural frequency of 19.7 kHz in the secondary axial stretching vibration mode is represented as “f1”.
[0041]
Further, in the present embodiment, the horn 23 shown in FIG. 9 has a radial expansion and contraction that vibrates so as to expand and contract in a direction perpendicular to the axial direction by appropriately setting its thickness, length, shape and material. The natural frequency of all the orders of the vibration mode is 0.90 times or less or 1.10 times or more, preferably 0.85 times or less or 1.15 times the natural frequency f1 in the secondary axial stretching vibration mode. More preferably, it is formed to be 0.80 times or less or 1.20 times or more. In the case of the horn 23 shown in FIG. 9, specifically, a third-order radial stretching vibration mode appears as a radial stretching vibration mode having a natural frequency closest to the natural frequency f1, and the natural frequency is 23. .6 kHz (= 1.20f1). Note that the horn 23 also has a radial expansion / contraction vibration mode other than the third-order vibration mode. However, since the natural frequency of the horn 23 is largely apart from the natural frequency f1 in a normal case, no problem occurs here.
[0042]
FIG. 10B shows a state of the vibration of the horn 23 in the third radial stretching vibration mode. As can be seen from FIG. 10B, in this vibration mode, the horn 23 ultrasonically vibrates in the radial direction such that the lowermost portion, the central portion, and the like of the horn 23 become antinodes of vibration.
[0043]
The curve B in FIG. 11 shows the relationship between the amplitude and the frequency of the horn 23 in the third radial stretching vibration mode. In the curve B, the natural frequency of 23.6 kHz in the third-order radial stretching vibration mode is represented as “f2”.
[0044]
When the horn 23 shown in FIG. 9 is used, the ultrasonic vibrator 24 is adjusted so as to oscillate at 19.7 kHz, which is the natural frequency in the secondary axial stretching vibration mode. As can be seen from FIG. 11, at this frequency, the amplitude of the horn shown by curve B is relatively small. Therefore, even if the oscillation frequency of the ultrasonic vibrator 24 is shifted in a direction to become larger than f1, the vibration in the third-order radial stretching vibration mode is hardly excited. Therefore, according to the present embodiment, problems such as the groove formed in the work 13 becoming wider than the tool shape are less likely to occur, and the work 13 can be processed with excellent shape accuracy. Similarly, even if the excitation direction of the ultrasonic vibrator 24 deviates in the radial direction from the axial direction of the horn 23, the vibration in the third radial expansion / contraction vibration mode is hardly excited, and the work 13 has excellent shape accuracy. Can be processed. Further, since the tool 9 hardly vibrates in the radial direction of the horn 23, damage to the tool 9 is also suppressed. In order to enhance these effects, the natural frequency in the third-order radial stretching vibration mode should be a value as far as possible from the natural frequency in the second axial stretching vibration mode. preferable.
[0045]
In this case, the natural frequencies of all the orders in the radial stretching vibration mode of the horn 23 shown in FIG. 9 are set to 0.90 times or less or 1.10 times the natural frequency f1 in the secondary axial stretching vibration mode. Depending on the shape and material of the horn 23, the natural frequency of a part of the radial stretching vibration mode exceeds 0.90 times the natural frequency f1 in the secondary axial stretching vibration mode. However, even if it is less than 1.10 times, the horn 23 is hardly excited in the radial direction due to the reason that the maximum amplitude is small, and may not adversely affect the machining accuracy of the work 13. Therefore, when such a horn 23 has an order that hardly excites radial vibration, the natural frequency of the radial stretching vibration mode in other orders may be within the above-described range, The present invention should be construed to include those in which the natural frequency of the radial stretching vibration mode in some of the orders is within the above-described range. However, from the viewpoint of suppressing the radial vibration of the tool 9, the natural frequencies of all the orders in the radial stretching vibration mode of the horn 23 are set to 0.90 times or less or 1.10 times or more of the natural frequency f1. Needless to say, it is preferable.
[0046]
Thus, in the present embodiment, the natural frequency of the horn 23 in the radial stretching vibration mode shown in FIG. 9 is 0.90 times or less the natural frequency f1 in the secondary axial stretching vibration mode, or 1. The effect of improving the processing accuracy of the work 13 is obtained by setting it to 10 times or more. However, depending on conditions such as the shape of the horn 23, the natural frequency of the radial stretching vibration mode may be used instead of or in addition to the natural frequency. In some cases, an effect of improving the processing accuracy of the work 13 may be obtained by considering an axial bending vibration mode that vibrates so as to bend in the axial direction. That is, even if the horn 23 is formed so that the natural frequency of the axial bending vibration mode is 0.90 times or less or 1.10 times or more of the natural frequency f1, the processing accuracy of the work 13 is improved. And the natural frequency of both the radial stretching vibration mode and the axial bending vibration mode is 0.90 times or less or 1.10 times or more of the natural frequency f1. However, the effect of improving the processing accuracy of the work 13 can be obtained. In particular, by setting both the natural frequency of the radial stretching vibration mode and the natural frequency of the axial bending vibration mode to 0.90 times or less or 1.10 times or more of the natural frequency f1, more excellent effects can be obtained. There is. Even in these cases, it is more preferable that the frequency is 0.85 times or less or 1.15 times or more than the natural frequency f1 is 0.90 times or less or 1.10 times or more. More preferably, it is 0.80 times or less or 1.20 times or more.
[0047]
[Modification of horn]
Next, a modified example of the horn will be described. In the above-described embodiment, the horn has a divergent shape in which the portion near the tip where the tool is attached has a larger diameter than the center portion. However, the horn can take various shapes. FIG. 12A is an enlarged perspective view of a part of the horn 223 having a torso shape having the same diameter as the central part in the vicinity of the tip to which the tool 9 is attached, in a state where the horn 223 is separated from the tool 9. . FIG. 12B is an enlarged perspective view in which a part of the horn 323 having a tapered shape in which the vicinity of the tip to which the tool 9 is attached has a smaller diameter than the center is cut off in a state separated from the tool 9. is there.
[0048]
In the case of the cylinder-type horn 223 shown in FIG. 12A, the secondary vibration mode (a natural frequency of 19.8 kHz: hereinafter sometimes referred to as f3) is used for ultrasonic machining. FIG. 13A shows a state of vibration of the horn 223 in the secondary axial stretching vibration mode. FIG. 13A is a schematic diagram in which each part of the horn is divided according to the magnitude of the amplitude. As can be seen from FIG. 13A, in this vibration mode, the horn 223 ultrasonically vibrates in the axial direction such that the lowermost part and the upper part of the center of the horn 223 become antinodes of vibration.
[0049]
Further, in the present embodiment, the horn 223 shown in FIG. 12A vibrates so as to expand and contract in a direction perpendicular to the axial direction by appropriately setting its thickness, length, shape and material. The natural frequency of all orders in the radial stretching vibration mode is 0.90 times or less, 1.10 times or more, preferably 0.85 times or less, of the natural frequency f3 in the secondary axial stretching vibration mode. It is formed so as to be at least .15 times, more preferably at most 0.80 times or at least 1.20 times. In the case of the horn 223 shown in FIG. 12A, specifically, a third-order radial stretching vibration mode appears as a radial stretching vibration mode having a natural frequency closest to the natural frequency f3, and the natural vibration thereof The number is set to 22.4 kHz (= 1.13f3). The horn 223 also has a radial expansion / contraction vibration mode other than the third-order vibration mode. However, since the natural frequency of the horn 223 is largely apart from the natural frequency f3 in a normal case, it does not matter here.
[0050]
FIG. 13B shows the state of vibration of the horn 223 in the third radial stretching vibration mode. As can be seen from FIG. 13B, in this vibration mode, the horn 223 ultrasonically vibrates in the radial direction such that the flange portion of the horn 223 becomes an antinode of the vibration.
[0051]
When the horn 223 shown in FIG. 12A is used, the ultrasonic vibrator 24 is adjusted so as to oscillate at 19.8 kHz, which is the natural frequency in the secondary axial stretching vibration mode. At this frequency, the amplitude of the horn in the third-order radial stretching vibration mode is relatively small. Therefore, even if the oscillation frequency of the ultrasonic vibrator 24 is shifted in a direction to become larger than f3, the vibration in the third-order radial stretching vibration mode is hardly excited. Therefore, according to the present embodiment, problems such as the groove formed in the work 13 becoming wider than the tool shape are less likely to occur, and the work 13 can be processed with excellent shape accuracy. Similarly, even if the excitation direction of the ultrasonic vibrator 24 deviates in the radial direction from the axial direction of the horn 223, the vibration in the third radial expansion / contraction vibration mode is hardly excited, and the work 13 has excellent shape accuracy. Can be processed. In addition, since the tool 9 hardly vibrates in the radial direction of the horn 223, damage to the tool 9 is also suppressed. In order to enhance these effects, the natural frequency in the third-order radial stretching vibration mode should be a value as far as possible from the natural frequency in the second axial stretching vibration mode. preferable.
[0052]
On the other hand, in the case of the tapered horn 323 shown in FIG. 12B, its secondary vibration mode (natural frequency: 20.0 kHz; hereinafter, sometimes referred to as f4) is used for ultrasonic machining. FIG. 14A shows the state of vibration of the horn 323 in the secondary axial stretching vibration mode. FIG. 14A is a schematic diagram in which each part of the horn is divided according to the magnitude of the amplitude. As can be seen from FIG. 14A, in this vibration mode, the horn 223 is ultrasonically vibrated in the axial direction such that the lowermost part of the horn 323 is a vibration antinode.
[0053]
Further, in this embodiment, the horn 323 shown in FIG. 12B vibrates so as to expand and contract in a direction orthogonal to the axial direction by appropriately setting its thickness, length, shape and material. The natural frequencies of all orders in the radial stretching vibration mode are 0.90 times or less, 1.10 times or more, preferably 0.85 times or less, of the natural frequency f4 in the secondary axial stretching vibration mode. It is formed so that it becomes .15 times or more, more preferably 0.80 times or less or 1.20 times or more. In the case of the horn 323 shown in FIG. 12B, specifically, a third-order radial stretching vibration mode appears as a radial stretching vibration mode having a natural frequency closest to the natural frequency f4, and its natural vibration The number is set to 22.0 kHz (= 1.10f4). Note that the horn 323 also has a radial expansion / contraction vibration mode other than the third-order vibration mode. However, since the natural frequency of the horn 323 is largely apart from the natural frequency f3 in a normal case, there is no problem here.
[0054]
FIG. 14B shows a state of vibration of the horn 323 in the third radial stretching vibration mode. As can be seen from FIG. 14B, in this vibration mode, the horn 323 ultrasonically vibrates in the radial direction such that the flange portion of the horn 323 becomes an antinode of the vibration.
[0055]
When the horn 323 shown in FIG. 12B is used, the ultrasonic vibrator 24 is adjusted to oscillate at 20.0 kHz, which is the natural frequency in the secondary axial stretching vibration mode. At this frequency, the amplitude of the horn in the third-order radial stretching vibration mode is relatively small. Therefore, even if the oscillation frequency of the ultrasonic vibrator 24 is shifted in a direction to become larger than f4, the vibration in the third radial expansion / contraction vibration mode is hardly excited. Therefore, according to the present embodiment, problems such as the groove formed in the work 13 becoming wider than the tool shape are less likely to occur, and the work 13 can be processed with excellent shape accuracy. Similarly, even if the excitation direction of the ultrasonic vibrator 24 is deviated in the radial direction from the axial direction of the horn 323, the vibration in the third radial expansion / contraction vibration mode is not so much excited, and the workpiece 13 has excellent shape accuracy. Can be processed. Further, since the tool 9 hardly vibrates in the radial direction of the horn 323, damage to the tool 9 is also suppressed. In order to enhance these effects, the natural frequency in the third-order radial stretching vibration mode should be a value as far as possible from the natural frequency in the second axial stretching vibration mode. preferable.
[0056]
In the bobbin horn and the tapered horn described in the above two modified examples, the natural frequency of the secondary axial stretching vibration mode used for ultrasonic machining and the natural vibration of the tertiary radial stretching vibration mode are used. The difference from the number is smaller than that of the divergent horn described in the above embodiment. Therefore, from the viewpoint of improving the machining accuracy of the workpiece by suppressing the vibration of the tool in the radial direction, the divergent horn 23 shown in FIG. 9 is different from the horn 23 and the tapered horn 223 shown in FIGS. It can be said that it is superior to the mold horn 323.
[0057]
In the two modifications described above, as in the case of the horn 23 described with reference to FIG. 9, depending on the shapes and materials of the horns 223 and 323, the natural frequency of a partial order of the radial expansion and contraction vibration mode is a secondary Even if the natural frequency f3, f4 in the axial stretching vibration mode is more than 0.90 times or less than 1.10 times, the horns 223, 323 have radial directions because of their small maximum amplitude. Is hardly excited, and may not adversely affect the processing accuracy of the work 13. Therefore, when such horns 223 and 323 have an order that hardly excites the radial vibration, the natural frequency of the radial expansion and contraction vibration mode in the other orders is set within the range described above. Good. However, also in this modification, from the viewpoint of suppressing the radial vibration of the tool 9, the natural frequencies of all the orders of the radial expansion and contraction vibration modes of the horns 223 and 323 are set to 0.90 times or less of the natural frequency f1 or Needless to say, it is preferable to set it to 1.10 times or more. Further, also in the case of the above two modifications, depending on conditions such as the shape of the horn 23, the axial bending vibration mode may be considered instead of or in addition to the natural frequency of the radial stretching vibration mode. In some cases, an effect of improving the processing accuracy of the work 13 may be obtained.
[0058]
The preferred embodiment of the present invention has been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various design changes can be made within the scope of the appended claims. For example, in the above-described embodiment, the order used for ultrasonic processing is the secondary axial stretching vibration mode, but the first and third axial stretching vibration modes may be used for ultrasonic processing. . Further, the cross-sectional shape of the horn does not necessarily have to be a circle, and any other cross-sectional shape can be adopted. In the above-described embodiment, a horn is used as the ultrasonic vibrator, but a tool may be attached to the ultrasonic vibrator or another ultrasonic vibrator without using the horn.
[0059]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect, the vibration frequency of the ultrasonic vibrator deviates from the natural frequency of the axial vibration mode of the ultrasonic vibrator in the order used for ultrasonic processing, and the radial expansion vibration Even when approaching the natural frequency of the mode or the axial bending vibration mode, the vibration in the radial stretching vibration mode or the axial bending vibration mode is not much excited, and the groove formed in the workpiece is smaller than the tool shape. Problems such as thickening are less likely to occur, and the workpiece can be machined with excellent shape accuracy. Similarly, even if the excitation direction of the ultrasonic vibrator deviates in the radial direction from the axial direction of the ultrasonic vibrator, the vibration in the radial expansion / contraction vibration mode or the axial bending vibration mode is hardly excited, and the excellent shape is obtained. The workpiece can be machined with high accuracy. Further, damage to the tool can be suppressed.
[0060]
According to the second aspect, the vibration in the radial stretching vibration mode or the axial bending vibration mode is hardly excited, and the workpiece can be processed with further excellent shape accuracy. According to the third aspect, the vibrations in the radial stretching vibration mode and the axial bending vibration mode are hardly excited, and the workpiece can be processed with more excellent shape accuracy.
[0061]
According to claim 4, since the ultrasonic vibrator is a long member having a divergent shape, for example, excellent processing accuracy is obtained as compared with a case where the ultrasonic vibrator is a long member having a hollow body shape or a tapered shape. can get. The ultrasonic vibrator according to claim 5 is suitable for use with the ultrasonic processing apparatus described above.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view showing an overall configuration of an ultrasonic perforation apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a front view of the same.
FIG. 3 is a side view and a partial cross-sectional view of a drilling head unit.
FIG. 4 is a front view of the same.
FIG. 5 is a plan sectional view of the same.
FIG. 6 is a side sectional view of a lifting table.
FIG. 7 is a side sectional view of a camera unit.
FIG. 8 is a front sectional view of the polishing apparatus.
9 is an enlarged perspective view in which a horn and a tool having a divergent shape used in the ultrasonic drilling device shown in FIG. 1 are partially cut away in a separated state.
FIG. 10 is a schematic diagram illustrating a state of vibration of a horn having a divergent shape in a secondary axial stretching vibration mode and a tertiary radial stretching vibration mode.
FIG. 11 is a graph illustrating the relationship between the amplitude and the frequency of a horn having a divergent shape in a second-order axial stretching vibration mode and a third-order radial stretching vibration mode.
FIG. 12 is an enlarged perspective view in which a horn and a tool having a barrel shape and a tapered shape are partially broken in a separated state.
FIG. 13 is a schematic diagram illustrating a vibration state of a horn having a torso shape in a secondary axial stretching vibration mode and a tertiary radial stretching vibration mode.
FIG. 14 is a schematic diagram illustrating a state of vibration of a horn having a tapered shape in a secondary axial stretching vibration mode and a tertiary radial stretching vibration mode.
[Explanation of symbols]
1 Ultrasonic processing equipment
2 bases
3 columns
4 Drilling head
8 Connected body
9 Tools
10 Moving table
11 lifting table
12 Work table
13 Work
14 Base frame
16 Balance body
17 Tool frame
18 Air cylinder
19 Cylinder rod
21 Horn support
23 Horn
24 Ultrasonic transducer
26 urging body
27 Angle fine adjustment screw
29 Base frame
31 lifting frame
33 Displacement sensor
34 Clamp mechanism
38 Video Camera
41 Camera section
42 Polishing device
43 cover
47 Relay pipe
48 Supply hole
49 guide bar

Claims (5)

超音波振動体に取り付けられた工具を超音波振動させ、この振動を砥粒に伝達することにより工具形状に倣った形状を被加工物に形成する超音波加工装置において、
前記超音波振動体は、その径方向伸縮振動モード又は軸方向曲げ振動モードの固有振動数が、超音波加工に使用される次数における軸方向伸縮振動モードの固有振動数の0.90倍以下又は1.10倍以上となるように形成されていることを特徴とする超音波加工装置。
Ultrasonic vibration of the tool attached to the ultrasonic vibrator, in the ultrasonic processing apparatus that forms a shape following the tool shape on the workpiece by transmitting this vibration to the abrasive grains,
The ultrasonic vibrator has a natural frequency of the radial stretching vibration mode or the axial bending vibration mode of 0.90 times or less the natural frequency of the axial stretching vibration mode in the order used for ultrasonic processing. An ultrasonic processing apparatus characterized by being formed so as to have a ratio of 1.10 or more.
前記超音波振動体は、その径方向伸縮振動モード又は軸方向曲げ振動モードの固有振動数が、超音波加工に使用される次数における軸方向伸縮振動モードの固有振動数の0.85倍以下又は1.15倍以上となるように形成されていることを特徴とする請求項1に記載の超音波加工装置。The ultrasonic vibration body, the natural frequency of the radial expansion vibration mode or the axial bending vibration mode is 0.85 times or less the natural frequency of the axial expansion vibration mode in the order used for ultrasonic processing or The ultrasonic processing apparatus according to claim 1, wherein the ultrasonic processing apparatus is formed so as to be 1.15 times or more. 前記超音波振動体は、その径方向伸縮振動モード及び軸方向曲げ振動モードの固有振動数が、超音波加工に使用される次数における軸方向伸縮振動モードの固有振動数の0.85倍以下又は1.15倍以上となるように形成されていることを特徴とする請求項1に記載の超音波加工装置。The ultrasonic vibrator has a natural frequency of the radial stretching vibration mode and the axial bending vibration mode of 0.85 times or less the natural frequency of the axial stretching vibration mode in the order used for ultrasonic processing or The ultrasonic processing apparatus according to claim 1, wherein the ultrasonic processing apparatus is formed so as to be 1.15 times or more. 前記超音波振動体は、前記工具が取り付けられる先端近傍部が中央部よりも大径となった末広形状を有していることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の超音波加工装置。The ultrasonic vibrator according to any one of claims 1 to 3, wherein a portion near a tip to which the tool is attached has a divergent shape whose diameter is larger than a center portion. Ultrasonic processing equipment. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の超音波加工装置に用いられる超音波振動体。An ultrasonic vibrator used in the ultrasonic processing apparatus according to claim 1.
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