JP2005271171A - Vibration cutting device and vibration generating device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、切削工具に係り、特に切削工具に円(楕円)軌道を与えて切削する振動切削工具の改良に関する。 The present invention relates to a cutting tool, and more particularly to an improvement of a vibration cutting tool that cuts by giving a circular (elliptical) orbit to the cutting tool.
従来、切削時に、第1および第2のアクチュエータによって、切削工具に切削方向および切削流出方向の振動を重畳して与えるよう構成された振動切削加工装置が、例えば特開平7―68401号公報によって提案されていた(特許文献1)。 Conventionally, a vibration cutting apparatus configured to superimpose vibrations in the cutting direction and the cutting outflow direction on the cutting tool by the first and second actuators during cutting is proposed, for example, in Japanese Patent Laid-Open No. 7-68401 (Patent Document 1).
さらに特開2000−52101号公報では、楕円振動子における胴体部を円柱状に構成するとともに、制御機構から円柱状胴体部に設けられた圧電素子に所定の正弦波状電圧を各別に入力して楕円振動子に楕円振動を発生させることにより、切削用工具を楕円振動させて被削材を切削可能に構成した楕円振動切削装置が提案されていた(特許文献2)。
しかしながら、上記特許文献1には、振動子を振動可能に固定する方法の詳細については開示されていなかった。上記特許文献2では、円柱状胴体部を二つの支持部材に各別に貫通させた状態で支持する旨の記載があるが(段落番号0018)、具体的にどのような支持方法が好ましいのかについての開示はなかった。
However, the
また、本願出願人が上記特許文献2に係る特許権者の製造販売した装置を調査したところによれば、円柱状胴体部がφ2.5程度の接触面積を有するビスで支持部材に支持されていることが判明した。
Further, according to the applicant's investigation of the device manufactured and sold by the patentee according to
しかし、このような比較的広い接触面積で振動子である胴体部を保持した場合、振動減衰が大きくなるため充分に大きな切削工具の振動が得られない。一方、胴体部を固定するビス等の接触面積をこれ以下の径にすると、螺子締め時にまたは振動させた場合にビスの先端が胴体部に食い込んでしまい、製品として使えなくなってしまう。製品が小さくなればなるほど、胴体部とビスとの接触面積を小さくしなければならないが、これらの制約があるため、製品の小型化を図ることが難しかった。 However, when the body portion that is a vibrator is held with such a relatively wide contact area, vibration damping of the cutting tool becomes large and vibration of a sufficiently large cutting tool cannot be obtained. On the other hand, if the contact area of a screw or the like for fixing the body part is made smaller than this, the tip of the screw will bite into the body part when screwed or vibrate, making it unusable as a product. The smaller the product, the smaller the contact area between the body and the screw. However, due to these limitations, it has been difficult to reduce the size of the product.
このような事情から振動子の固定による振動減衰を甘受しなければならなかった。このため、圧電アクチュエータにはこのエネルギー損失の分も含めた振動を発生させる必要があった。このことは圧電アクチュエータに高電圧(例えば耐電圧付近)を印加しなければならないことを意味し、圧電アクチュエータの過剰な発熱や接着剤の劣化を早め、耐久性を低下させることを意味していた。 Under such circumstances, it has been necessary to accept vibration attenuation by fixing the vibrator. For this reason, it is necessary to generate vibrations including the energy loss in the piezoelectric actuator. This means that a high voltage (for example, near the withstand voltage) must be applied to the piezoelectric actuator, which means that excessive heat generation and adhesive deterioration of the piezoelectric actuator are accelerated, and durability is reduced. .
そこで本発明は上記課題を解決するために、振動減衰が少なく、耐久性が高く、小型化が可能な構造を備えた振動切削工具を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above-described problems, an object of the present invention is to provide a vibration cutting tool having a structure with low vibration attenuation, high durability, and miniaturization.
上記目的を達成するために、本発明は、切削工具を振動させる振動体を備える振動切削装置において、振動体を点支持する点支持部材を備え、振動体は、振動時に振動の節となる領域であって点支持部材によって点支持される領域のみに硬化領域を備えていることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention provides a vibration cutting apparatus including a vibrating body that vibrates a cutting tool, and includes a point support member that supports the vibrating body as a point, and the vibrating body is a region that becomes a vibration node during vibration. And only the area | region which is point-supported by a point support member is equipped with the hardening area | region, It is characterized by the above-mentioned.
上記構成によれば、切削工具を振動させる振動体が振動の節において点支持されるため、接触面積が少なく振動減衰が抑制されて、切削工具の振動を大きくすることができる。このとき、点支持部材により点支持される振動体には相対的に強い力が加わり、通常の金属等の材料であれば点支持部材が振動体に食い込んでしまうが、当該構成によれば、この領域が硬化領域となっているので、点支持部材が振動体に食い込む等の変形を抑制可能である。ここで、この硬化領域は点支持部材によって点支持される領域のみに設けられており、振動体の他の部分には及んでいないため、振動体全体の弾性を減少させることがない。よって、硬化領域を設けたとしても振動増幅を行うべき振動体の振動特性を維持可能である。 According to the above configuration, since the vibrating body that vibrates the cutting tool is point-supported at the vibration node, the contact area is small and vibration attenuation is suppressed, so that the vibration of the cutting tool can be increased. At this time, a relatively strong force is applied to the vibrator that is point-supported by the point support member, and the point support member bites into the vibrator if the material is a normal metal or the like. Since this region is a hardened region, deformation such as the point support member biting into the vibrating body can be suppressed. Here, since this hardening region is provided only in the region that is point-supported by the point support member and does not reach other parts of the vibration body, the elasticity of the entire vibration body is not reduced. Therefore, even if the hardened region is provided, it is possible to maintain the vibration characteristics of the vibration body to be subjected to vibration amplification.
ここで「硬化領域」とは、ある程度の弾性を要する振動体全体の硬さに比べ相対的に硬く形成されている領域をいい、その硬化領域の態様に限定はない。例えば金属であれば焼き入れ加工等が考えられる。またその領域に硬度の高い膜を形成したり硬度の高い材料で覆ったりすることが考えられる。 Here, the “cured region” refers to a region that is formed relatively hard compared to the hardness of the entire vibrator that requires a certain degree of elasticity, and there is no limitation on the form of the cured region. For example, if it is a metal, hardening processing etc. can be considered. Further, it is conceivable to form a film having a high hardness in the region or to cover it with a material having a high hardness.
また「点支持される領域のみ」とは、振動体全体の振動特性を阻害しない程度という意味であり、点支持される点から外れた位置に硬化領域が形成されている場合であっても振動特性を阻害しないような態様であれば、当該請求項の範囲に入る。 Further, “only the point-supported region” means that the vibration characteristics of the entire vibrating body are not hindered, and even if a hardened region is formed at a position deviated from the point-supported point. Any aspect that does not inhibit the characteristics falls within the scope of the claims.
さらに「点支持」とは従来の硬化領域を有しない装置に比べ十分に小さい接触面積で振動体を支持することをいい、例えば、点支持部材が振動体を点支持する接触点の径がφ1.5mm以下、好ましくは略φ0.6mmになっていることは好ましい。この程度の接触点の径であれば接触自体によって発生する振動減衰が少なく、切削工具の小型化が可能だからである。 Furthermore, “point support” means that the vibrating body is supported with a sufficiently small contact area as compared with a conventional apparatus having no hardening region. For example, the diameter of the contact point at which the point supporting member supports the vibrating body is φ1. 0.5 mm or less, preferably approximately φ0.6 mm. This is because, if the diameter of the contact point is such a level, vibration attenuation caused by the contact itself is small, and the cutting tool can be downsized.
またさらに、支持部材のうち、振動体を点支持する点支持部材の少なくとも先端が、振動体に設けられた硬化領域の硬さより硬くなっていることは好ましい。点支持することで点支持部材自体にも単位面積当たりの応力が従来より高くなると考えられるが、当該構成によれば、点支持部材先端の硬さが硬化領域のそれより高いため、摩耗や変形が抑制される。 Furthermore, it is preferable that at least the tip of the point support member that supports the vibrating body on the point of the supporting member is harder than the hardness of the hardened region provided on the vibrating body. It is considered that the point support member itself has a higher stress per unit area than point in the past, but according to this configuration, the point support member tip has a higher hardness than that of the hardened region, so wear and deformation Is suppressed.
具体的には、点支持部材は、受け部に螺子止めされるものであって、点支持部材の螺子締めトルクが10〜15cN・mの範囲に設定されていることは好ましい。本願出願人の実験によれば、螺子締めトルクが10cN・m程度に達すると、振動特性の相対値である機械的Q値が高くなって、かつ、振動体のずれが生じにくくなり、螺子締めトルクが15cN・m程度を超えると機械的Q値が低下することが判明したため、この範囲に螺子締めトルクを調整することが好ましいと考えられる。 Specifically, the point support member is screwed to the receiving portion, and it is preferable that the screw tightening torque of the point support member is set in a range of 10 to 15 cN · m. According to the experiment conducted by the present applicant, when the screw tightening torque reaches about 10 cN · m, the mechanical Q value, which is the relative value of the vibration characteristics, becomes high, and the displacement of the vibrating body hardly occurs. Since it has been found that the mechanical Q value decreases when the torque exceeds about 15 cN · m, it is considered preferable to adjust the screw tightening torque within this range.
振動体は軸対称形状を備えていることが好ましい。好ましい楕円軌道を得るためには、振動体の軸方向と当該軸に垂直な方向の2軸の少なくとも一方に対して対称性が良いことが望まれる。当該構成によれば、振動体が軸方向に対して対称な形状を備えているため、振動体の軸方向に対する対称性を担保可能である。このことは例えば振動体の片面にセンサ等を設けるためのサライを設けた場合には、その軸方向反対側にも同一形状のサライをダミーとして設けることを意味している。 The vibrating body preferably has an axisymmetric shape. In order to obtain a preferable elliptical orbit, it is desirable that the symmetry be good with respect to at least one of the two axes of the axial direction of the vibrating body and the direction perpendicular to the axis. According to this configuration, since the vibrating body has a symmetrical shape with respect to the axial direction, the symmetry of the vibrating body with respect to the axial direction can be ensured. This means, for example, that when a salai for providing a sensor or the like is provided on one side of the vibrating body, a salai having the same shape is also provided on the opposite side in the axial direction as a dummy.
同様に、振動体は軸線と直交する、重心を通る面に対して対称形状を備えていることが好ましい。上記したように、好ましい楕円軌道を得るためには、振動体の軸方向と当該軸に垂直な方向の2軸の少なくとも一方に対して対称性が良いことが望まれが、当該構成によれば、振動体の軸方向に垂直な面に対して対称な形状を備えているため、振動体の軸方向に垂直な面に対する対称性を担保可能である。このことは、例えば、振動体の重心から軸方向に偏った位置にセンサ等のために特殊な形状(サライ等)を設けたならば、重心を通る軸に対して対称な位置にも同様の特殊な形状を設けることを意味している。 Similarly, it is preferable that the vibrating body has a symmetrical shape with respect to a plane that passes through the center of gravity and is orthogonal to the axis. As described above, in order to obtain a preferable elliptical orbit, it is desirable that the symmetry is good with respect to at least one of the two axes of the axial direction of the vibrating body and the direction perpendicular to the axis. Since the shape symmetric with respect to the plane perpendicular to the axial direction of the vibrating body is provided, symmetry with respect to the plane perpendicular to the axial direction of the vibrating body can be ensured. For example, if a special shape (such as Saray) is provided for a sensor or the like at a position offset in the axial direction from the center of gravity of the vibrating body, the same applies to a position symmetrical with respect to the axis passing through the center of gravity. This means providing a special shape.
本発明は、振動端を振動させる振動発生装置において、振動端を有する振動体と、振動体の振動の腹に設けられる振動子と、振動体の振動の節に配置される受け部と、受け部に設けられ、振動体の振動の節を点支持する点支持部材とを備え、振動体の点支持部材によって点支持される領域のみに、硬化領域が設けられていることを特徴とする。 The present invention relates to a vibration generator that vibrates a vibration end, a vibration body having a vibration end, a vibrator provided on a vibration belly of the vibration body, a receiving portion disposed at a vibration node of the vibration body, And a point support member that supports the vibration node of the vibrating body at a point, and a hardening region is provided only in a region that is point-supported by the point support member of the vibrating body.
上記構成によれば、振動子が振動すると振動体が振動するが、この振動の節は点支持部材によって支持されている。このとき、振動体は点支持されているため、接触面積が少なく振動減衰を抑制することができる。また点支持される領域が硬化領域となっているので、点支持部材が振動体に食い込む等の変形を抑制可能である。ここで、この硬化領域は点支持部材によって点支持される領域のみに設けられており、振動体の他の部分には及んでいないため、振動体全体の弾性を減少させることがない。よって、硬化領域を設けたとしても振動増幅を行うべき振動体の振動特性を維持可能である。 According to the above configuration, when the vibrator vibrates, the vibrating body vibrates, and the vibration node is supported by the point support member. At this time, since the vibrating body is point-supported, the contact area is small and vibration damping can be suppressed. Further, since the point-supported region is a hardened region, deformation such as the point support member biting into the vibrating body can be suppressed. Here, since this hardening region is provided only in the region that is point-supported by the point support member and does not reach other parts of the vibration body, the elasticity of the entire vibration body is not reduced. Therefore, even if the hardened region is provided, it is possible to maintain the vibration characteristics of the vibration body to be subjected to vibration amplification.
本発明によれば、振動体は点支持部材によって点支持されるので、振動減衰を少なくすることができる。また振動減衰を抑制できるため圧電アクチュエータに加える電圧を耐電圧まで上げる必要が無くなり、耐久性を高くすることができる。また、振動特性が良いため、切削装置の小型化が可能である。特に本発明によれば、点支持部材が接する領域のみに硬化領域を備えているので、振動特性を犠牲にすることなく、点支持によって振動体の摩耗・変形を防止することができる。 According to the present invention, since the vibrating body is point-supported by the point support member, vibration attenuation can be reduced. Further, since vibration damping can be suppressed, it is not necessary to increase the voltage applied to the piezoelectric actuator to the withstand voltage, and durability can be enhanced. Further, since the vibration characteristics are good, the cutting device can be downsized. In particular, according to the present invention, since the hardened region is provided only in the region where the point support member is in contact, it is possible to prevent the vibration body from being worn or deformed by the point support without sacrificing the vibration characteristics.
次に本発明を実施するための好適な実施形態を、図面を参照しながら説明する。 Next, preferred embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
(実施形態1)
本発明の実施形態1は、軸対称であり、軸芯に垂直な重心を通る面に対しても対称な、二軸対称形状を備える振動切削工具に関する。
(Embodiment 1)
図1に本振動切削工具の全体斜視図を示す。図2に本振動切削工具のうち振動体1の拡大斜視図を示す。図1に示すように、振動切削工具は、振動する振動体1、及び振動体1を振動可能に保持する振動体支持装置2を備える。
FIG. 1 is an overall perspective view of the vibration cutting tool. FIG. 2 shows an enlarged perspective view of the vibrating
当該振動切削工具全体は、NC旋盤等の位置合わせ装置に取り付けられるようになっている。振動体支持装置2は、振動体1を保持する基台21と位置合わせ装置に保持させるための差し込み部22とを備えている。基台21の取付面210には、振動体1を保持する腕となる受け部20が、螺子穴203に螺子止めすることで固定されている。受け部20には、開口が設けられており、この開口に振動体1を挿通し、振動体1の振動の節において振動体1を複数の点支持部材202で点支持するように構成されている。
The entire vibration cutting tool is attached to an alignment device such as an NC lathe. The vibrating
図3に図1のA−A切断面における受け部20の断面図を示す。図3に示すように、受け部20は、振動体1のステップホーン大106(126)を挿通しており、その振動の節となる部分を点支持部材202によって点支持している。点支持部材202は受け部20に設けられた螺子孔201に軸持されており、所定のトルクで螺子締めされている。点支持部材202によって点支持される振動体1の領域は硬化領域103及び124が設けられている。
FIG. 3 shows a cross-sectional view of the receiving
図2に示すように、振動体1は、先端部100、胴体部110、及び後端部120で構成されている。先端部100は、胴体部110寄りにステップホーン大106、その先にステップホーン小107を備え、胴体部110で発生した振動を増幅して先端面102を大きな振幅で振動させることが可能な二段ステップホーン構造を備えている。同様に後端部120も、胴体部110寄りにステップホーン大126、その先にステップホーン小127を備え、振動増幅可能になっている。胴体部の中心に対し、ステップホーン大106と126、ステップホーン小107と127とは同一形状で同一の長さで対称的に設けられている。
As shown in FIG. 2, the vibrating
胴体部110は、図2のX軸とY軸とに垂直に四面が面取りされ取付面111を形成している。X軸方向に垂直な面(X面という)である二つの面には圧電アクチュエータ112Xがそれぞれ設けられ、Y軸方向に垂直な面(Y面という)である二つの面には圧電アクチュエータ112Yがそれぞれ設けられている。圧電アクチュエータ112は、ジルコン酸チタン酸鉛(PZT)等の強誘電性セラミックスの結晶の両面に金属メッキ等により電極膜を形成して製造されている。圧電アクチュエータ112は接着剤で貼り付けられている。電極膜の隅部には半田等の溶着がし易いように半田メッキが設けられ、半田付け等により配線(リード線)114が電気的に接続される接点113となっている。この接点113に配線114が溶着され、圧電アクチュエータ112の両極間に電圧を印加可能に引き出されている。当該配線114はツイスト線になっている。圧電アクチュエータ112は、交流電圧の印加に応じて電気機械変換作用によって変形しその変形が振動として胴体部110に伝達されるようになっている。
The
先端部100では、ステップホーン小107に加工時の接触部材となる切削工具101が設けられている。当該切削工具101は、ダイヤモンド等の硬度の高い材料で構成されたチップ状の切削刃である。当該切削工具101は、ステップホーン小107の先端に軸持され、その一部の刃が先端面102から飛び出すように固定されている。
At the
ステップホーン大106には、ダミーサライ105が設けられている。X面を有するダミーサライ105XとY面を有するダミーサライ105Yとが設けられている。当該ダミーサライ105は、当該振動体1の重心に対する対称性を維持するために形成されているものである。
The
同様にステップホーン大126には、センサ用サライ121が設けられている。X面を有するセンサ用サライ121XとY面を有するセンサ用サライ121Yとが設けられている。センサ用サライ121Xと121Yとには、振動センサ122X及びYが設けられている。振動センサ122の両極からは、ツイスト線である配線(リード線)123が引き出されている。振動センサ122X及びYは、圧電アクチュエータと同様の構造を備え、機械電気変換作用により、その貼り付け面における機械的な歪みをその歪み量に対応した電圧に変換して配線123経由で出力可能になっている。
Similarly, the
図4Aに図2のB−B切断面におけるセンサ用サライ121の断面図を、図4Bに図2のA−A切断面におけるダミーサライ105の断面図を示す。図4Aに示すように、センサ用サライ121の四面のうち、一方のX面に振動センサ122Xが、一方のY面に振動センサ122Yが設けられている。振動センサ122X及びYは、X軸方向とY軸方向とにそれぞれ1個ずつ備えていれば、振動を検出可能であるため、合計2個が設けられている。その振動センサ122を歪み無く設置する接着面を提供するサライも本来であれば、振動センサの数だけあればよいはずである。しかし、本実施形態では、振動センサ122Xを設けたサライ121XAの反対側にもサライ121XBを設け、振動センサ122Yを設けたサライ121YAの反対側にもサライ121YBを設けてある。サライの有無は重心のズレに影響するが、このようにダミーとしてのサライ121XBやYBを設けたので、振動体1が軸芯に対して対称的に構成されていることになる。
4A is a sectional view of the sensor saray 121 taken along the line BB of FIG. 2, and FIG. 4B is a sectional view of the dummy saray 105 taken along the line AA of FIG. As shown in FIG. 4A, among the four surfaces of the sensor salai 121, the
また、図4Bに示すように、ステップホーン大106には、センサも何も設けられていないダミーサライ105が四面設けられている。このダミーサライ105は、当該振動体1の重心を通り軸芯方向(Z軸方向)に垂直な面に対して、四面のセンサ用サライ122とは対称な位置に設けられている。この構成によって、振動体1の重心に垂直なY軸方向を含む面に対しても対称的な形状を備えることになっており、総てのサライが無いとした場合の重心位置と同じ位置に重心が位置している。
Further, as shown in FIG. 4B, the step horn large 106 is provided with four sides of dummy sarays 105 provided with no sensors. The dummy salai 105 is provided at a position symmetrical to the four-surface sensor saray 122 with respect to a plane that passes through the center of gravity of the
上記ダミーサライ121XB、YB、105の存在によって、X軸、Y軸、Z軸周りで対称性が維持されることになり、振動加工時に圧電アクチュエータ112XとYに加える交流電圧の振幅と位相差によって発生する楕円振動の制御を大幅に単純化することが可能となった。
Symmetry is maintained around the X, Y, and Z axes due to the presence of the dummy salais 121XB, YB, and 105, which are generated by the amplitude and phase difference of the AC voltage applied to the
図5に、振動体1が振動した場合の歪みの様子を拡大して示したシミュレーション図を示す。図5においてハッチングの濃い部分ほど振幅が少なく薄いほど振動が大きいことを示している。振動体1の先端部102の振幅が大きく、二段ステップホーン構造により、振動の腹に設けられた圧電アクチュエータ112の振動が増幅されて先端面102、すなわち切削工具101の振動が大きくなっていくことが判る。また、当該振動体1には四つの振動の節C1〜C4が形成されている。どのように振動が伝達されどの位置に振動の腹ができどの位置に振動の節ができるかは、振動体の形状と弾性、振動の周波数等によって定まる。当該実施形態では、図5に示すように振動の節が生じる周波数を圧電アクチュエータ112に印加することにし、振動の節C1とC4とに受け部20が位置するようにして、振動体1を点支持している。
FIG. 5 is a simulation diagram illustrating an enlarged state of distortion when the vibrating
図9に、螺子締めトルクと機械的Q値代用値との関係図を示す。本実施形態では、点支持部材202の螺子締めトルクが10〜15cN・mの範囲に設定されている。機械的Q値が高い程、機械的共振の度合いが高く、エネルギーが高められ大きな振動が得られることを示している。図9に示すように、螺子締めトルクが10cN・m程度に達すると、振動特性の相対値である機械的Q値が高くなって、螺子締めトルクが15cN・m程度を超えると機械的Q値が低下する。一方、螺子締めトルクが10cN・m程度以下であると緩み、振動体1が加工中に動いてしまう可能性がある。点支持部材202の螺子締めトルクを10〜15cN・mの範囲に設定することが適当である。
FIG. 9 shows a relationship between the screw tightening torque and the mechanical Q value substitute value. In this embodiment, the screw tightening torque of the
図10に螺子先端径と出力振幅との関係図を示す。当該関係図は、同一の振動切削装置において、支持される接触点の面積を変更した場合に先端面に現れる出力振幅を示したものである。本実施形態では点支持部材202は、振動体1を点支持する接触点の径が略φ0.6mmになっている。図10に示すように、従来の切削装置で利用されていたφ2.5mmの場合では出力振幅が4μmより小さいのに対し、接触点がφ1.5mm以下であれば1.5倍の出力振幅6μm以上が得られ、さらに本願実施形態のように接触点の径をφ0.6mmとした場合には出力振幅が8μm以上となり、二倍以上の振幅が得られている。さらに接触点の径を小さくすればさらに出力振幅は大きくなると考えられるが、点保持部材やその接触点の応力が大きくなり過ぎ、点支持部材202が食い込み、変形や孔あき等の不都合が生じるため、φ0.6mm当たりが妥当な径である。
FIG. 10 shows a relationship between the screw tip diameter and the output amplitude. The said relationship figure shows the output amplitude which appears on a front-end | tip surface when the area of the contact point supported is changed in the same vibration cutting device. In the present embodiment, the
点支持部材202の先端の接触点の径をφ0.6mmとした場合、振動体1の構成材料には強い応力により変形が生じ、点支持部材202が食い込み、孔が空いてしまうことが考えられる。これに対応するため、本実施形態では、図2及び図3に示すように、振動体1のうち振動時に振動の節となる領域であって点支持部材202によって点支持される領域のみに硬化領域103及び124を備えている。この硬化領域103及び124は例えば部分焼き入れ処理によって形成される。硬化領域の硬さは、例えばHv650程度とする。このような点接触部分の硬度強化処理によって、点接触により振動体1に孔が空いたり変形したりする不都合を抑制することが可能である。
When the diameter of the contact point at the tip of the
また、このような硬化領域103及び124に上記トルクで螺子締めされて当接する点支持部材202の先端には強い応力が働く。このため、本実施形態では、点支持部材202の先端が、振動体1に設けられた硬化領域103及び124の硬さより硬く形成されている。当該構成によれば、点支持部材202の先端の硬さが硬化領域103及び124のそれより高いため、摩耗や変形が抑制される。具体的には、硬化領域の硬さをHv650程度とした場合には、点支持部材202の先端の硬度をHv750程度とする。このような点支持部材202の硬度向上によって、点接触によって点支持部材202が変形摩耗してしまうことを抑制することができる。
In addition, a strong stress is applied to the tip of the
上記構成において、圧電アクチュエータ112Xに所定の周波数、20kHz程度の交流電圧を加えると、点支持部材202によって点支持されている接触点104や125を中心として振動体1のY軸方向に撓み振動が発生する。また圧電アクチュエータ112Yにも同様の周波数の交流電圧を加えると、接触点104及び125を中心として振動体1のX軸方向にも撓み振動が発生する。圧電アクチュエータ112Xに加える交流電圧と圧電アクチュエータ112Yに加える交流電圧とに所定の位相差(例えばπ/2)を設けておけば、X軸方向の撓み振動とY軸方向の撓み振動とが合成されて楕円(円)振動を発生させることができるようになる。胴体部110の振動の腹で発生するこの楕円振動は、当該振動体1の二段ステップホーン構造によって増幅され、先端面102から突出する切削工具101を大きな楕円軌道で振動させるようになる。このようにして楕円振動している切削工具101を被削材に接触させれば、楕円振動切削の作用によって、通常の切削より切り屑の厚みが薄くなり、切削抵抗力が低減され、焼き入れ鋼等の鏡面加工が可能となり、また切削熱が低減することから切削工具寿命が長くなり、加工精度が向上する。またバリやひびり振動が防止される。
In the above configuration, when an AC voltage having a predetermined frequency of about 20 kHz is applied to the
ここで特に本実施形態1によれば、振動体1を従来より大幅に小さな接触径で点支持するので、エネルギーロスを最小限にして振動減衰を抑制することができた。このため圧電アクチュエータ112に耐電圧近くの高電圧を印加しなくても充分な振幅を得ることが可能となったので、例えば従来の1/3程度の電圧で駆動電圧が充分である。このことから圧電アクチュエータの寿命を延ばすことができる。
Here, in particular, according to the first embodiment, since the vibrating
また、振動減衰が少ないため、従来品と同じ出力を得るための圧電アクチュエータの面積または厚みを、従来品の半分程度にできるため、それに応じて振動切削装置全体の大きさも従来より半分程度、重量にすれば1/10程度にと、大幅に振動切削工具の小型化を図ることができた。振動切削工具の小型化が可能となったため、次のような用途に振動切削工具の利点を生かすことが可能となった。 In addition, since the vibration attenuation is small, the area or thickness of the piezoelectric actuator for obtaining the same output as the conventional product can be reduced to about half that of the conventional product. As a result, the vibration cutting tool can be greatly reduced in size to about 1/10. Since the vibration cutting tool can be downsized, it is possible to take advantage of the vibration cutting tool in the following applications.
まず、設置できるNC旋盤等の位置決め装置の幅が広がったため、レンズの研磨レス仕上げや小物部品の研磨レス加工が可能となった。振動加工装置は、切削工具が常に楕円軌道を描いているため、レンズの中心点の加工においても切削工具の相対速度がゼロにはならない。このため、レンズ鏡面仕上げにおいて、レンズ中心部に切削できない部分が残留するようなことが無くなった。したがって、従来の慣用していた切削加工後の中心ボツ除去加工が必要無くなった。 First, because the range of positioning devices such as NC lathes that can be installed has expanded, it has become possible to polish lenses without polishing and polishing small parts. In the vibration processing apparatus, since the cutting tool always has an elliptical orbit, the relative speed of the cutting tool does not become zero even when processing the center point of the lens. For this reason, in the lens mirror finish, there is no longer any portion that cannot be cut off at the center of the lens. This eliminates the need for the conventional center-bottom removal processing after cutting.
またウォッチ関連の番車軸のような非常に細い軸物加工において、振動切削によって、ホゾ部を鏡面仕上げすることが可能になった。 In addition, in the processing of very thin shafts such as watch-related wheel axles, it has become possible to mirror finish the horn part by vibration cutting.
また振動切削によれば鏡面仕上げが可能であるため、従来の切削加工→焼き入れ→砥石による研磨という複数工程に代えて一回の振動切削加工で同様の仕上げができるようになった。このため工程の簡略化や砥石の粒による摩耗性悪化を防止できるため、精度の高い加工、例えば高級時計の番車軸のホゾ部加工に利点が大変多い。 In addition, mirror finishing can be performed by vibration cutting, so that similar finishing can be performed by one vibration cutting instead of a plurality of processes of conventional cutting, quenching, and polishing with a grindstone. For this reason, since simplification of the process and prevention of deterioration of wear due to grindstone grains can be prevented, there are many advantages in highly accurate machining, for example, machining of the horn part of the watch axle of a luxury watch.
また、本実施形態1によれば、ダミーサライ121や105によって、X軸及びY軸、Z軸の対称性が良くなり、楕円軌道を制御することが楽になった。すなわち、振動体の対称性が狂っていると好ましい楕円軌道を得るために圧電アクチュエータ112X及びYに入力する交流電圧の振幅や位相を調整しなければならなくなったが、本実施形態によれば対称性に優れているので、原則同一の振幅の交流電圧をπ/2の位相差でそれぞれの圧電アクチュエータ112X及びYに加えれば、きれいな楕円軌道が得られることとなった。例えば、二軸対称性の無い従来品では、完全な対称物であると過程して予測した機械的Q値が実際のものと100%程度狂っていたのに対し、本実施形態によれば二軸対称性があるため、誤差を数%の範囲に納められるようになった。
In addition, according to the first embodiment, the dummy salais 121 and 105 improve the symmetry of the X-axis, the Y-axis, and the Z-axis, making it easier to control the elliptical orbit. That is, if the symmetry of the vibrating body is out of order, the amplitude and phase of the AC voltage input to the
(実施形態2)
本発明の実施形態2は、実施形態1よりさらに小型化した振動切削工具に関する。図6に本振動切削工具の全体斜視図を示す。図7に振動体3の拡大斜視図を示す。
(Embodiment 2)
The second embodiment of the present invention relates to a vibration cutting tool that is further downsized than the first embodiment. FIG. 6 is an overall perspective view of the present vibration cutting tool. FIG. 7 shows an enlarged perspective view of the vibrating
図6に示すように、振動切削工具は、振動する振動体3を振動可能に保持する振動体支持装置4が収容した構造を備える。この振動切削工具全体は、さらに図示しない取付部材によってNC旋盤等の位置合わせ装置に取り付けられるようになっている。
As shown in FIG. 6, the vibration cutting tool includes a structure in which a vibrating
振動体支持装置4は、ハウジング構造になっており、内部に振動体3を収容可能になっている。振動体支持装置4の端面には開口403が設けられ、そこから振動体3の先端部300が突出している。振動体支持装置4は四面の受け部401を有し、各面には点支持装置402が螺持されており、内部の振動体3を点支持している。
The vibrating
図7に示すように、振動体3は、先端部300及び胴体部310を備えている。先端部300は、シングルのステップホーン構造を備え、胴体部310で発生した振動を増幅して先端面302を大きな振幅で振動させることが可能になっている。
As shown in FIG. 7, the vibrating
先端部300の先端面302には実施形態1と同様、加工時の接触部材となる切削工具301が設けられている。当該切削工具301は、ダイヤモンド等の硬度の高い材料で構成されたチップ状の切削刃である。当該切削工具301は、その一部の刃が先端面302から飛び出すように固定されている。先端部300の胴体部310寄りは、振動時の節となる部分で、振動体支持装置4に設けられる点保持部材402の接触点304となっており、接触点304を含む周辺領域が硬化領域303となっている。
A
胴体部310は、四面が面取りされ取付面311を形成している。X面には圧電アクチュエータ312Xが設けられ、Y面には圧電アクチュエータ312Yが設けられている。圧電アクチュエータ312は接着剤で貼り付けられている。そのコーナーの接点313には半田付け等により配線314が電気的に接続されており、圧電アクチュエータ312の両極間に電圧を印加可能になっている。配線314はツイスト線になっている。圧電アクチュエータ312は、交流電圧の印加に応じて電気機械変換作用によって変形しその変形が振動として胴体部310に伝達されるようになっている。当該胴体部310は軸心(Z軸)に対して対称的な構造を備え、当該振動体3の重心に対する対称性が維持されている。このため、振動加工時に圧電アクチュエータ312XとYに加える交流電圧の振幅と位相差によって発生する楕円振動の制御を大幅に単純化することが可能となった。
The
取付面311のうち一つのX面と一つのY面には、振動センサ322X及びYが貼り付けられている。振動センサ322の両極からは、ツイスト線である配線323が引き出されている。振動センサ322X及びYは、圧電アクチュエータと同様の構造を備え、機械電気変換作用により、その貼り付け面における機械的な歪みをその歪み量に対応した電圧に変換して配線323経由で出力可能になっている。
また胴体部310の後端の振動の節となる領域には、振動体支持装置4に軸持される点保持部材402が当接する接触点325が存在しており、当該接触点を含む周辺領域が硬化領域324となっている。
In addition, a
図8に、振動体3が振動した場合の歪みの様子を拡大して示したシミュレーション図を示す。図3においてハッチングの濃い部分ほど振幅が少なく薄いほど振動が大きいことを示している。振動体3の先端部302の振幅が大きく、振動の腹に設けられた圧電アクチュエータ312の振動が増幅されて先端面302、すなわち切削工具301の振動が大きくなっていくことが判る。
FIG. 8 is a simulation diagram illustrating an enlarged state of distortion when the vibrating
本実施形態2においても、点支持部材402の螺子締めトルクが10〜15cN・mの範囲に設定されている。ある程度高い機械的Q値を維持しつつ振動体3がずれたりすることを防止できる。
Also in the second embodiment, the screw tightening torque of the
また本実施形態2においても、点支持部材402が振動体3を点支持する接触点の径が略φ0.6mmになっている。このため、従来のようにφ2.5mmに接触部分の径を設定した場合に比べ大幅に出力振幅が大きくなっている。
Also in the second embodiment, the diameter of the contact point where the
また本実施形態2においても、振動体3のうち振動時に振動の節となる領域であって点支持部材402によって点支持される領域のみに硬化領域303及び324を備えている。この硬化領域303及び324は例えば部分焼き入れ処理によって形成される。硬化領域の硬さは、例えばHv650程度とする。このような点接触部分の硬度強化処理によって、点接触により点支持部材402が食い込み、振動体3に孔が空いたり変形したりする不都合を抑制することが可能である。
Also in the second embodiment, the cured
また、このような硬化領域303及び324に上記トルクで螺子締めされて当接する点支持部材402の先端が、振動体3に設けられた硬化領域303及び324の硬さより硬く形成されている。具体的には、硬化領域303や324の硬さをHv650程度とした場合には、点支持部材402の先端の硬度をHv750程度とする。このような点支持部材402の硬度向上によって、点接触によって点支持部材402が変形摩耗してしまうことを抑制することができる。
Further, the tip of the
上記構成において、圧電アクチュエータ312Xに所定の周波数、25kHz程度の交流電圧を加えると、点支持部材402によって点支持されている接触点304や325を中心として振動体3のY軸方向に撓み振動が発生する。また圧電アクチュエータ312Yにも同様の周波数の交流電圧を加えると、接触点304及び325を中心として振動体3のX軸方向にも撓み振動が発生する。圧電アクチュエータ312Xに加える交流電圧と圧電アクチュエータ312Yに加える交流電圧とに所定の位相差(例えばπ/2)を設けておけば、X軸方向の撓み振動とY軸方向の撓み振動とが合成されて楕円(円)振動を発生させることができるようになる。胴体部310の振動の腹で発生するこの楕円振動は、当該振動体3の単段ステップホーン構造によって増幅され、先端面302から突出する切削工具301を大きな楕円軌道で振動させるようになる。このようにして楕円振動している切削工具301を被削材に接触させれば、楕円振動切削の作用によって、通常の切削より切り屑の厚みが薄くなり、切削抵抗力が低減され、焼き入れ鋼等の鏡面加工が可能となり、また切削熱が低減することから切削工具寿命が長くなり、加工精度が向上する。またバリやひびり振動が防止される。このため上記実施形態1と同様の作用効果を当該実施形態2でも奏する。
In the above configuration, when an AC voltage of about 25 kHz is applied to the
特に当該実施形態2によれば、コンパクトな形状をしているため、取り付け対象となる旋盤を選ばず、多様な加工に振動切削工具を用いることが可能である。 In particular, according to the second embodiment, since it has a compact shape, it is possible to use a vibration cutting tool for various processes without selecting a lathe to be attached.
また当該実施形態2によれば、振動周波数を可聴周波数帯を超えた超音波領域に選んでいるので、騒音を防止できるという利点も有する。 Further, according to the second embodiment, since the vibration frequency is selected in the ultrasonic region exceeding the audible frequency band, there is an advantage that noise can be prevented.
本発明は上記実施形態に限定されることなく種々に変形して利用することが可能である。 The present invention is not limited to the above embodiment, and can be variously modified and used.
例えば、上記実施形態では、先端に切削工具を設けた振動切削装置に本発明を適用したが、適応製品はこれに限定されるものではない。すなわち圧電アクチュエータなどの振動子で発生した振動を、支点を介して増幅し、作用点である他端に伝達するような振動発生装置(工具)であれば本発明を適用可能である。支点における点支持構造に本発明の点支持部材を設け、振動体の接触点に本発明の硬化領域を設け、好ましくは振動体に本発明の軸対称性を持たせれば、高い機械的Q値が得られ、振動振幅を大きくすることができ、本発明の利点をそのまま享有することが可能である。 For example, in the above-described embodiment, the present invention is applied to a vibration cutting apparatus in which a cutting tool is provided at the tip, but the applicable product is not limited thereto. That is, the present invention can be applied to any vibration generator (tool) that amplifies vibration generated by a vibrator such as a piezoelectric actuator via a fulcrum and transmits the amplified vibration to the other end that is an action point. If the point support member of the present invention is provided in the point support structure at the fulcrum, the hardened region of the present invention is provided at the contact point of the vibrating body, and preferably the vibrating body has the axial symmetry of the present invention, a high mechanical Q value Thus, the vibration amplitude can be increased, and the advantages of the present invention can be enjoyed as they are.
また、上記実施形態では、点支持部材を螺子締めしていたが他の方法で固定するものでもよい。さらに点支持される箇所を2箇所としていたが支持箇所の個数を変更してもよい。また一つの支持箇所あたり接触点を4個としていたがこれに限定されるものではない。 Moreover, in the said embodiment, although the point support member was screwed, it may fix by another method. Further, the number of points supported is two, but the number of points supported may be changed. Moreover, although the four contact points per one support location were used, it is not limited to this.
C1〜C4…振動の節、1、3…振動体、2、4…振動体支持装置、20…受け部、21…基台、22…差し込み部、100…先端部、101…切削工具、102…先端面、103…硬化領域、104…接触点、105…ダミーサライ、106…ステップホーン大、107…ステップホーン小、110…胴体部、111…取付面、112…圧電アクチュエータ、113…接点、114…配線(リード線)、120…後端部、121…センサ用サライ、122…振動センサ、123…配線(リード線)、124…硬化領域、125…接触点、126…ステップホーン大、127…ステップホーン小、201…螺子孔、202…点支持部材(螺子)、203…螺子穴、300…先端部、301…切削工具、302…先端面、303…硬化領域、304…接触点、310…胴体部、311…取付面、312…圧電アクチュエータ、313…接点、314…配線(リード線)、322…振動センサ、323…配線(リード線)、324…硬化領域、325…接触点、401…受け部、402…点支持部材(螺子) C1 to C4 ... nodes of vibration, 1, 3 ... vibrating body, 2, 4 ... vibrating body support device, 20 ... receiving portion, 21 ... base, 22 ... insertion portion, 100 ... tip portion, 101 ... cutting tool, 102 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Tip surface, 103 ... Hardening area, 104 ... Contact point, 105 ... Dummy salai, 106 ... Step horn large, 107 ... Step horn small, 110 ... Body part, 111 ... Mounting surface, 112 ... Piezoelectric actuator, 113 ... Contact, 114 ... Wiring (lead wire), 120 ... Rear end portion, 121 ... Salai for sensor, 122 ... Vibration sensor, 123 ... Wiring (lead wire), 124 ... Hardening region, 125 ... Contact point, 126 ... Large step horn, 127 ... Step horn small, 201 ... screw hole, 202 ... point support member (screw), 203 ... screw hole, 300 ... tip part, 301 ... cutting tool, 302 ... tip surface, 303 ... hardening region, 3 4 ... contact point, 310 ... body part, 311 ... mounting surface, 312 ... piezoelectric actuator, 313 ... contact, 314 ... wiring (lead wire), 322 ... vibration sensor, 323 ... wiring (lead wire), 324 ... hardened region, 325 ... contact point, 401 ... receiving part, 402 ... point support member (screw)
Claims (7)
前記振動体を点支持する点支持部材を備え、
前記振動体は、振動時に振動の節となる領域であって前記点支持部材によって点支持される領域のみに、硬化領域を備えていることを特徴とする振動切削装置。 In a vibration cutting apparatus including a vibrating body that vibrates a cutting tool,
Comprising a point support member for point-supporting the vibrating body;
The vibrator is provided with a hardening region only in a region that becomes a vibration node during vibration and is point-supported by the point support member.
前記点支持部材の螺子締めトルクが10〜15cN・mの範囲に設定されている、請求項1に記載の振動切削装置。 The point support member is screwed to the receiving portion,
The vibration cutting device according to claim 1, wherein a screw tightening torque of the point support member is set in a range of 10 to 15 cN · m.
前記振動端を有する振動体と、
前記振動体の振動の腹に設けられる振動子と、
前記振動体の振動の節に配置される受け部と、
前記受け部に設けられ、前記振動体の振動の節を点支持する点支持部材とを備え、
前記振動体の前記点支持部材によって点支持される領域のみに、硬化領域が設けられていることを特徴とする振動発生装置。
In the vibration generator that vibrates the vibration end,
A vibrating body having the vibrating end;
A vibrator provided on a vibration belly of the vibrator;
A receiving portion disposed at a vibration node of the vibrating body;
A point support member provided at the receiving portion and supporting a node of vibration of the vibrating body;
A vibration generating device, wherein a hardening region is provided only in a region of the vibrating body that is point-supported by the point support member.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2007072681A1 (en) * | 2005-12-19 | 2007-06-28 | Konica Minolta Opto, Inc. | Vibrator for cutting, vibration cutting unit, processing device, mold, and optical element |
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JP7205665B1 (en) * | 2021-04-28 | 2023-01-17 | 住友電気工業株式会社 | Cutting tools |
-
2004
- 2004-03-26 JP JP2004091620A patent/JP2005271171A/en active Pending
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