JP2005224865A - 超音波スピンドル加工機およびこれに用いる先端ユニット - Google Patents

超音波スピンドル加工機およびこれに用いる先端ユニット Download PDF

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Abstract

【課題】超音波加工工具の交換を自動化可能とするとともに、超音波振動子、支持ホーン、加工工具のバランス調整を容易なものとし、また正確な位置決めを可能にして加工効率や加工精度の向上をはかる。
【解決手段】スピンドル本体Aと同本体Aのスピンドル13に着脱自在に取り付けられる先端ユニットBとで超音波スピンドル加工機を構成し、この先端ユニットBを超音波振動子35と支持ホーン36と加工工具37とを備えたユニットとして構成することにより、超音波加工工具の交換を自動化できるとともに、超音波振動子、支持ホーン、加工工具のバランス調整が実機以外で可能となり、これによって加工効率および加工精度が向上する。
【選択図】 図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は硬脆性材などの加工に用いられる超音波振動子を備えた加工装置、より詳しくは自動工具交換(ATC)を適用するのに適した超音波スピンドル加工機に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、機械、電気通信機器、医療機器などの高機能化、高性能化の追求に伴い、金属、非金属を問わず難加工材料の加工が増大しており、この中でも各種セラミックス材のような非金属硬脆材、チタン合金、各種耐熱合金などの加工には、精密超音波加工が適していることが知られている。
【0003】
このような超音波加工を可能にする超音波スピンドル加工機は、一般に、回転主軸であるスピンドルに超音波振動子が接続され、さらにこの振動子に微細加工用のドリルなどが取り付けられた構造である。これによって高速回転するドリルに超音波振動子から超音波エネルギーが付加され、従来困難であった硬脆材の効率的な精密加工を可能にしている。
【0004】
一方、加工対象物に対する加工精度、加工コストなどに関する要求は年々厳しくなり、また加工形状も複雑な形状が増え、従来のような単独の超音波工具を使用すれば加工が済むものから、複数の超音波加工具を必要とするものが主流を占めつつある。この場合、ダイヤモンド砥石やドリルなどの加工具を要求される加工内容に応じて加工具を適宜交換することが必要である。
【0005】
特開平4−111799号公報には、上記要請に応えた超音波加工機が提案されている。この超音波加工機は、ワーク載置部を有する本体テーブルと、加工機の主軸に把持されワークに対してXYZ軸方向にそれぞれ相対移動可能な超音波振動子およびこれを拡大伝達するコーンからなる超音波アタッチメントと、振動伝達用ホーンの先端に工具を固定した工具ユニットとを備え、コーンとホーンはネジによって取り外し可能となっている。
【0006】
これによって、NC制御にて超音波アタッチメントを工具交換手段まで移動させ、このアタッチメント側のコーンからホーンを取り外し、所要の工具ユニットのホーンを新たにコーンへ締結することで、超音波工具の交換を行うことができ、いわゆる自動工具交換(ATC)が達成できる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
一般の加工と異なり、特に精密加工用の超音波加工機では、毎秒数万回以上の振動を持つ超音波を伝達し、共振現象により加工工具に機械的振動を付加して加工するものであるため、超音波振動子、支持ホーン、加工具が所定の目的を達成するように固有振動数を合わせバランスをとって取り付けられていることが重要であり、超音波振動子、支持ホーン、加工具のバランスが少しでもずれていたり、その結合部に隙間が生じたりすると、必要とする超音波のエネルギーが加工工具に伝達されなかったり、加工精度に影響を与える芯ブレなどを生じさせたりする原因となる。
【0008】
従来の超音波スピンドル加工機ではこの調整に手間取っており、これが効率化や工具自動交換の阻害要因の一つであった。このような問題は上記した特開平4−111799号公報記載の超音波加工機においても同様で、工具の自動交換は可能なものの、交換した工具が確実に共振するかどうかは不確実であり、また工具の位置決め精度も劣るものと推定され、超音波加工機の自動工具交換方式としては完全なものではない。
【0009】
本発明が解決すべき課題は、超音波加工工具の交換を自動化可能とするとともに、超音波振動子、支持ホーン、加工工具のバランス調整を容易なものとし、加工機への装着前に発信確認を済ませて発信不良や異常発熱を防止し、また正確な位置決めを可能にして加工効率や加工精度の向上をはかることにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明者は上記課題を解決するために鋭意研究の結果、バランス調整が最も困難である超音波振動子と支持ホーンと加工工具とをユニットとして構成し、これを着脱式とすることを思いつき本発明を完成するに至ったものである。
【0011】
すなわち、本発明の超音波スピンドル加工機は、超音波スピンドル加工機本体と、同本体のスピンドルに着脱自在に取り付けられる先端ユニットとからなり、同先端ユニットを超音波振動子と支持ホーンと加工工具とをユニットとして構成したことを特徴とする。
【0012】
超音波振動子と支持ホーンと加工工具とをユニットとして構成することにより、超音波振動子と支持ホーンと加工工具のバランス調整や発振確認を実機に取り付ける前に簡単に実施することができる。しかもこのようなユニットをいくつかのパターンに対応可能なように複数備えておくことにより、あらかじめ設定されたプログラムに従い、この先端ユニットを自動的に交換して、実機に取り付けた後は直ちに加工作業を行うことが可能になり、超音波加工機の連続自動運転が可能となる。
【0013】
超音波振動子と支持ホーンと加工工具のバランス調整は、例えば超音波ツールプリセッター上にて超音波共振バランスと刃先位置の調整を行うことにより、実機上での調整に比べ、はるかに早くしかも正確な調整作業が実現できる。
【0014】
具体的な構造として、例えば、スピンドル内部に設けられたクランプロッドに中空部を形成し、前記先端ユニットと前記超音波スピンドル加工機本体(以下、スピンドル本体という)にそれぞれ設けられた電気接続部を前記中空部を介して接続する構造とすることができる。
【0015】
これによって、高速回転するスピンドルを介して、スピンドル本体側の非回転部分と、スピンドル本体に取り付けられスピンドルとともに高速回転する先端ユニットの超音波振動子とを通電ブラシなどにより電気的に接続することが容易にできるようになる。
【0016】
また、スピンドル本体と先端ユニットとの接続は、ワンタッチで高精度な接続が可能なように、先端ユニットの外郭を形成するハウジングにそれぞれ形成された、回転軸に対して傾斜したテーパ面と回転軸に直行するフランジ面との二面で位置決めするいわゆる二面拘束タイプであることが望ましく、固定はクランプロッドの上下移動でロックとアンロックが可能な公知のチャック方式が望ましい。
【0017】
また、本発明の先端ユニットは、スピンドル本体のスピンドルに着脱自在に取り付けられる先端ユニットであって、超音波振動子と支持ホーンと加工工具とを備えた構成としたことを特徴とする。ここで、支持ホーンと加工工具とは、コレットチャックや圧入などの手段で接続が可能であるが、超音波振動の伝達を確実にするため、支持ホーンの端面と加工工具の端面を密着させる必要があり、ネジ結合により接続されていることが望ましい。
【0018】
さらにこの先端ユニットは、先端ユニットを実機に取り付ける前に、スピンドル本体と同一機構を備えたツールプリセッターに装着して刃先の位置調整を行い、さらに実機と同じ超音波発振器を用いて発振テストを行って超音波共振周波数や振幅の調整を行ったものであることが望ましい。これによって実機に取り付けられた後は、即座に加工作業が可能となり、自動工具交換装置を用いて複数の超音波加工工具を自在に交換し、全自動で連続的な超音波加工ができるようになり、作業時間を大幅に短縮するのみでなく、省力化、加工の高精度化も実現することができる。
【0019】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の実施の形態の超音波スピンドル加工機を示す概略縦断面図、図2は図1の超音波スピンドル加工機のクランプロッド上端部の拡大図である。
【0020】
図1において、Aはスピンドル本体であり、Bは先端ユニットである。10は駆動モータ、11−1,11−2はプーリ、13はスピンドルで、駆動モータ10の回転力はプーリ11−1、ベルト12、プーリ11−2を介してスピンドル13へと伝達される。スピンドル13はスピンドルケーシング17に内蔵され、さらにその中心には上下方向に長いクランプロッド14が設けられている。クランプロッド14には軸方向内部に中空部14aが形成され、この中空部14a内に図示しない電気コードが設けられている。またクランプロッド14は、スピンドル13の内面13dとプーリ11−2に形成された孔の内面11aによって摺動自在に保持され、スピンドル13の内部空間に設けられた皿バネ15によって下方に押し下げられている。16はスピンドル13を支持するベアリングである。
【0021】
図1の部分拡大図である図2に示すように、クランプロッド14の上端部には超音波ブラシケース18が形成され、その下方にはクランプロッド14を押し上げるためのピストン19およびシリンダ20が設けられている。シリンダ20のヘッド側20aまたは上側20bに油圧または空圧を加えることでピストン19は上方または下方に移動する。
【0022】
クランプロッド14の上部には、負極の電極ロータ44がネジにより係合され、さらに電極ロータ44の外周にはリング45が取り付けられており、ピストン19を上方に移動させると、ピストン19の内部に設けられたリング状の突起19aがリング45に当接してこれを押し上げる。これによってクランプロッド14も上方に押し上げられることになる。またピストン19を下方に移動させると、リング状の突起19aがリング45から離れ、クランプロッド14は皿ばね15により再び下方に押し下げられる。
【0023】
超音波ブラシケース18の内部には正極の電源ブラシ41が絶縁体47を介して、先端ユニットBをスピンドル本体Aに取り付けてロックしたときに電極ロータ42と接触するように取り付けられている。電極ロータ42は、絶縁体46に取り付けられており、ネジ42aと端子台42bを経由して電極ロータ42から中空部14a内の電気コード(図示せず)に接続されている。これにより、超音波発振器の出力電源(図示せず)の正極は、電源ブラシ41−電極ロータ42−ネジ42a−端子台42b−クランプロッド14の中空部14a内の電気コード−端子21a(図4参照)−端子33a(図3,4参照)−導線32a(図3,4参照)を経由して超音波振動子35に接続される。また、図2の符号43は負極の電源ブラシであり、超音波発振器の出力電源の負極は、電源ブラシ43−負極の電極ロータ44−端子44a−クランプロッド14の中空部14a内の電気コード−端子21b(図4参照)−端子33b(図3,4参照)−導線32b(図3,4参照)を経由して超音波振動子35に接続される。
【0024】
次いで図3および図4を参照して、超音波スピンドル加工機本体Aに着脱自在に取り付けられた先端ユニットBについて詳細に説明する。図3は図1の超音波スピンドル加工機の先端ユニットの拡大図、図4は図1の超音波スピンドル加工機の先端ユニット取付け部分の拡大図である。
【0025】
先端ユニットBはハウジング30と、このハウジング30内部の超音波振動子35と支持ホーン36と、支持ホーン36にネジ38で結合された加工工具37を備えている。ハウジング30の上部開口内面には、クランプロッド14により拡縮されるロックボール31との係合面30cが形成されている。またハウジング30上部外周には図1に示すスピンドル13のテーパ面13aに合致するテーパ面30aが形成され、さらに、テーパ面30aの下端から連続して水平方向にはスピンドル13の下端に形成されたフランジ受け面13bに対応する位置にフランジ受け面30bが形成されている。
【0026】
この先端ユニットBは、ハウジング30内に超音波振動子35、支持ホーン36が組み込まれており、この支持ホーン36の端部に加工工具37を取り付けた後、超音波スピンドル加工機本体Aと同一機構を備えたツールプリセッターに装着して刃先の位置調整を行い、さらに実機と同じ超音波発振器を用いて発振テストを行って超音波共振周波数や振幅の調整を行う。これらの調整を行った後、実機の超音波スピンドル加工機本体Aに取り付ける。事前調整を行って実機に取り付けられた後は、即座に加工作業が可能となり、自動工具交換装置を用いて複数の超音波加工工具を自在に交換し、全自動で連続的な超音波加工ができるようになる。
【0027】
次いで、上記超音波スピンドル加工機における先端ユニットBの交換作業について説明する。図1の状態は通常の使用状態で、先端ユニットBはスピンドル13によってロックされている。交換時、クランプロッド14を押し上げると、それまで図4において実線で示す位置にあったロックボール31が破線で示す位置に移動し、これによって先端ユニットBのロックが解除され、取り外すことができる。ロックボール31は、スピンドル13の先端部の周方向4箇所に設けた孔内に保持され、クランプロッド14の上下移動により図4に示すように実線の位置と破線の位置の間で移動する。
【0028】
図5はスピンドル本体Aから先端ユニットBを取り外した状態を示す図である。スピンドル本体Aから先端ユニットBを取り外した後、あらかじめ複数個用意され既にバランス調整された先端ユニットBの中から適当なものを選び、上記と逆の手順で、先端ユニットBをスピンドル13の下端に形成された凹部13cに差し込んで上方に押し上げる。これによって、テーパ面13a、30a、とフランジ受け面13b、30bの二面拘束で位置決めされ、さらにクランプロッド14を押し下げることでロックボール31が図4の実線の位置に移動して、先端ユニットBがロックされ、使用可能となる。なお、上記した先端ユニットBの交換装置としては、公知の自動工具交換装置を用いることができる。
【0029】
このように本実施の形態の超音波スピンドル加工機では、先端ユニットBを自動交換装置を用いて交換することが可能となり、しかも、あらかじめ刃先位置調整および発振テストを行った先端ユニットBを使用することで、加工機本体への工具取付け位置精度が向上し、かつ発振不良が生じないので、高精度の超音波加工が可能となる。
【0030】
【発明の効果】
本発明によって以下の効果を奏することができる。
(1)スピンドル本体と同本体のスピンドルに着脱自在に取り付けられる先端ユニットとで超音波スピンドル加工機を構成し、この先端ユニットを超音波振動子と支持ホーンと加工工具とを備えたユニットとして構成することにより、超音波加工工具の交換を自動化できるとともに、超音波振動子、支持ホーン、加工工具のバランス調整が実機以外で可能となり、これによって加工効率および加工精度が向上する。
【0031】
(2)スピンドル内部に設けられたクランプロッドに中空部を形成し、先端ユニットとスピンドル本体にそれぞれ設けられた電気接続部をこの中空部を介して接続する構造とすることで、高速回転するスピンドルを介して、スピンドル本体側の非回転部分と、スピンドル本体に取り付けられスピンドルとともに高速回転する先端ユニットの超音波振動子とを通電ブラシなどにより電気的に接続することが容易となる。
【0032】
(3)スピンドル本体と先端ユニットとの接続を二面拘束タイプとすることで、ワンタッチで経時劣化の少ない高精度な接続が可能となる。
【0033】
(4)超音波振動子と支持ホーンと加工工具とをユニット化し、スピンドル本体のスピンドルに着脱自在に取り付けられる先端ユニットによって、超音波加工工具の交換を自動化できるとともに、予め調整した先端ユニットを複数個配置し、公知の工具交換装置により交換することによって、超音波加工作業の全自動化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態を示す超音波スピンドル加工機の概略縦断面図である。
【図2】 図1の超音波スピンドル加工機のクランプロッド上端部の拡大図である。
【図3】 図1の超音波スピンドル加工機の先端ユニットの拡大図である。
【図4】 図1の超音波スピンドル加工機の先端ユニット取付部分の拡大図である。
【図5】 図1の超音波スピンドル加工機から先端ユニットを外した状態を示す図である。
【符号の説明】
A スピンドル本体
B 先端ユニット
10 駆動モータ
11−1,11−2 プーリ
12 ベルト
13 スピンドル
13a テーパ面
13b フランジ受け面
14 クランプロッド
14a 中空部
15 皿バネ
16 ベアリング
17 スピンドルケーシング
18 超音波ブラシケース
19 ピストン
19a 突起
20 シリンダ
21a,21b 端子
30 先端ユニットのハウジング
30a テーパ面
30b フランジ受け面
30c 係合面
31 ロックボール
32a,32b 導線
33a,33b 端子
35 超音波振動子
36 支持ホーン
37 加工工具
38 ネジ
41 電源ブラシ(正極)
42 電極ロータ(正極)
42a ネジ
42b 端子台
43 電源ブラシ(負極)
44 電極ロータ(負極)
44a 端子
45 リング
46 絶縁体
47 絶縁体

Claims (5)

  1. 超音波スピンドル加工機本体と、同本体のスピンドルに着脱自在に取り付けられる先端ユニットとからなり、同先端ユニットを超音波振動子と支持ホーンと加工工具とを備えた構成とした超音波スピンドル加工機。
  2. 前記スピンドルの内部に設けられたクランプロッドに中空部を形成し、前記先端ユニットと前記スピンドル加工機本体にそれぞれ設けられた電気接続部を前記クランプロッドの中空部を介して接続した請求項1記載の超音波スピンドル加工機。
  3. 前記スピンドル加工機本体と先端ユニットとの接続は二面拘束タイプである請求項1または2記載の超音波スピンドル加工機。
  4. 超音波スピンドル加工機本体のスピンドルに着脱自在に取り付けられる先端ユニットであって、超音波振動子と支持ホーンと加工工具とを備えたユニットとして構成したことを特徴とする超音波スピンドル加工機用先端ユニット。
  5. 前記超音波振動子と支持ホーンと加工工具とを備えたユニットが発振確認テストを行ったものである請求項4記載の超音波スピンドル加工機用先端ユニット。
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