JP2006142469A - 超音波精密加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 超音波振動体の各構成部品をネジ止め締結することから生じる問題点を解消できる簡単な構造とし、かつ、工作機械の回転主軸と工具軸心との軸心合せ調整が容易であり、しかも、コレットシャフト部と工具とを同一軸心上で容易に脱着することが可能で、高速回転時における工具先端の心振れを無くして、高精度の加工が達成できる超音波加工装置を提供すること。
【解決手段】 従来装置のような超音波振動子の後端面のネジ穴とボルトで圧電素子などを締結するためのネジ部を無くして、後方シャフト部と超音波振動子部及びコレットシャフト部とを一体的に形成し、かつ、ノードフランジを振動子本体と別部品とすることにより剛性を高め、また、コレットシャフト先端部と工具の基底部とをテーパーとネジ部で同一軸心上に締結し、しかも、分離ノードフランジの位置を微動調整することにより、工作機械の回転軸心と工具との心振れを１μｍ以内に合致させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、工作機械の主軸に先端のテーパー部を装着して回転するＢＴシャンクに超音波振動子ユニットを組付けた超音波加工装置に関する。

従来から、難削材や脆性材料の研削、孔の穿設加工等において、工具に超音波振動を与えることにより比較的簡単に加工を行なうことが可能であり、また通常の材料においても研削抵抗や切削抵抗が減少するので工具寿命が延びるという特徴があることから超音波加工装置が特殊な加工分野で使用されている。

これらの超音波加工装置の構造の一例が特許文献１に開示されている。この特許文献１の超音波加工装置は、マシニングセンターなど汎用工作機械の回転主軸に取付けるだけで高能率かつ高精度な超音波複合加工を行なえるアタッチメントとして、その構造が示されている。この装置では、振動子ユニット（４）の出力ブロック（１９）の入口側に支持体（８）が一体的に形成されており、この支持体は具体的には、リフレクタリング（厚肉円筒体８０）及びこれにより薄肉化されることで非共振となったバッファ（８１）とからなり、径方向の振動成分を吸収する同心状スリーブ（８１ａ）と軸方向の振動成分を吸収するフランジ（８１ｂ）、（８１ｃ）を有し、フランジ（８１ｂ）部分で出力ブロック（１９）と一体形成されている。

すなわち、特許文献１の第１ａ図に示されている支持体（８）のバッファ（８１）は、振動子の中心から外周方向に向けてジャバラ状に形成されているので、径方向の振動成分を吸収させるためには有効であるが、工具の先端が工具軸心とは直角方向に強い応力を受けた場合に、ジャバラ構造のバッファ（８１）が工作機械の軸心からずれることとなり、ひいては工具の軸心位置が変動するという問題を有している。

また、特許文献１の第１図に示されているように、背面ブロック（２０）と圧電素子（２１）及び（２２）と振動子（４）とを中心ボルト（２３）で締結する構造であるために、締結時のトルクによって各部品が偏芯固定する（偏芯した状態で固定される）可能性が避けられず、その結果工具部分の超音波振動が不規則になったり、高速回転時の動バランスが大きくずれて不良振動が発生しやすい問題があった。

次に、特許文献２は、図１と図２において駆動モーター（２）によって軸線回りに回転する中空スリーブ（３ｂ）内に、圧電素子（４ａ）と超音波振動子（４）の出力部（４ｄ）と支持ホーン（６）、（７）及び加工チップ（５ａ）を設けたホルダーホーン（５）とを組み込んだ超音波加工機のスピンドル構造が開示されている。同図１及び図２からも明らかなように、少なくとも出力部と支持ホーン（６）、（７）及びホルダーホーン（５）とがボルトでネジ止めされている。従がって、この装置においても締結時のトルクによって各部品が偏芯固定されることになり、工具の軸心がずれて高速回転時に不良振動が発生し易い。更に工具の先端の心振れ発生との複合作用で加工精度や面粗度の劣化あるいは工具が破損するトラブルが発生しやすい。

更に、特許文献３の図２及び図８の加工工具の分解斜視図及び軸心で縦断した断面図によって、簡便に工具を装着することができながら工具に大きな振動速度を得るための構造が示されている。この加工工具は、後部ホーン（１１５）と前部ホーン（１１２）の間に圧電素子（１１３）を締結ボルト（１１６）で締結し、超音波振動子（１１１）の一部を構成する前部ホーン（１１２）の先端の軸心に工具挿入孔（１１７）が設けられており、フランジ（１２２）付きの角型シャンク（１２４）部と角型シャンク（１２４）部から基端部に向けて長く延長されたシャンク部とを前記工具挿入孔（１１７）に挿入した後、工具ホルダー（１３１）で工具（１２１）がネジ止め締結されている。

この加工工具も、前記特許文献１及び２と同様に超音波振動子の構成部品及び工具がネジ止め締結されているために、各締結部分の微振動による超音波振動のノイズ混入の問題や工具の軸心がずれる問題を有している。特に工具の角型シャンク部が工具挿入孔に挿入締結されるが、角型シャンク部の外部寸法と工具挿入孔の内径とは当然のことながら若干のギャップが必要であり、このギャップに相当する寸法が工具の軸心のずれとなる問題点を有している。

特許文献１乃至３に関して前述したように、ほとんどの超音波加工装置は、超音波振動子の構成部品及び工具がネジ止め締結されているため、工具の先端に心振れが発生して加工精度や面粗度の劣化あるいは工具が破損するトラブルが発生しやすい。更には、従来の超音波加工装置は、工作機械の主軸の軸心と工具の軸心とがずれた状態で組立が完了した後では、同一軸心への調整が非常に困難であった。
特開昭６３−２００９５３ 特開２０００−２５４８０１ 特開２００４−１０６１２５

本発明が解決しようとする課題は、超音波振動体の各構成部品をネジ止め締結することから生じる問題点を解消できる簡単な構造とし、かつ工作機械の主軸即ち超音波加工装置の回転センターと工具軸心との軸心合せ調整が容易であり、しかも、コレットシャフト部と工具とを同一軸心上で容易に脱着することが可能な装置を提供することにある。

本発明は、工作機械の主軸に先端のテーパー部を装着して回転するＢＴシャンクに超音波振動子ユニットを組付けた加工ヘッドにおいて、超音波振動子の後端面に圧電素子と後部ホーンとを締結するための捩込みボルトのネジ部を無くして、後方シャフト部と超音波振動子部及びコレットシャフト部とを一体的に形成した超音波精密加工装置である。

このように、一体化することによって、従来装置のような超音波振動子に各構成部材をボルト止め締結する問題点が解消されるとともに、従来の装置の後部シャフトまたは後部ホーンと超音波振動子部及びコレットシャフト部とに相当する部分を一体化することにより、超音波振動子ユニット部の剛性が強くなり、結果的に工具軸心と直角方向の応力による心振れを小さくすることができ、その上振動子を固定するノードフランジを振動子本体とは別部品としたことで、振動子本体を細い素材から超音波振動体が成形でき、素材コストの低減と製作時間の短縮化が可能となる。

また、本発明は、コレットシャフトの先端部及び焼嵌工具の基底部のいづれか一方が雌形のテーパーとネジ部とを有し、他方が雄形のテーパーとネジ部とを有しており、前記コレットシャフトの先端部と焼嵌工具の基底部とを、同一軸心上にネジ止め締結した請求項１に記載の超音波精密加工装置である。

前述のコレットシャフトの先端部と焼嵌工具の基底部とは、雌雄のテーパーとネジが形成されているので、従来装置のような工具挿入孔と工具シャンク部とのギャップによる軸心ずれが無く、捩じ込むことにより双方のテーパー部が合致した状態となり、同一軸心上に締結することができる。

また更に、本発明は、ＢＴシャンクと受電ケースとの締結ボルト及び分離ノードフランジ部の締結ボルトを僅かに緩めた状態で分離ノードフランジの位置を微動調整することにより、工作機械の主軸に対して工具の芯出しが可能な構造にした請求項１に記載の超音波精密加工装置である。

例えば、旋盤の三爪チャックに取付けた被削材の回転振れを無くするための芯出し作業において、三爪チャックの裏ネジを若干緩めた状態で三爪チャックの外周を木ハンマーで叩きながら、芯出し微調整した後裏ネジを締結するのが通例であり、本発明の装置においては、分離ノードフランジの外周部を当て板を介して木ハンマーで叩いて微動調整した後、前述の締結ネジを固定することによりコレットシャフト部あるいは工具の芯出しを行なうことができる。

１．従来装置における、超音波振動子の後端面に少なくとも後部ホーン及び圧電素子を締結するための捩込み用締結ボルトと超音波振動子に相当する部分とを一体形成したことにより、ネジ部のガタ及び締結部の不規則振動や曲がりやずれの発生に伴なう工具軸心のずれや加工精度不良等の問題を解消できる。

２．従来の装置の捩込みボルトと超音波振動子部及びコレットシャフト部とに相当する部分が一体化されたことで、超音波振動子ユニット部の剛性が強くなり、結果的に工具軸心と直角方向の応力による心振れを小さくすることができ、工具軸心のずれや異常振動を抑制することができる。

３．コレットシャフトの先端部と焼嵌工具の基底部とを同一軸心上に締結できるので、回転軸に対する工具振れが無いので加工精度が良く、また焼嵌工具の脱着が非常に簡単にできる。

４．分離ノードフランジの締結位置を微動調整することにより、回転主軸に対する工具の芯出しが可能なので、工具心振れに伴なう加工精度の低下が発生せず精密な加工が達成できる。

５．従来装置は、超音波振動子の外径方向にジャバラ状の振動吸収体が一体形成されているために、超音波振動子の形状が複雑で製造コストも高いものとなっていたが、本発明は振動吸収体に相当するノードフランジを振動子本体とは別部品としたことで、超音波振動体は細い素材から別個に形成できるので素材コストの低減と製作時間の短縮化が可能で、従来装置に比べて製造が簡単で加工コストも安価にできる。

６．加工ヘッド全体が短くて剛性があり、しかも工具軸心がずれない構造としているので、工具先端に負荷が掛かる加工時においても安定した振動振幅が加わり、予定通りの加工精度が得られる。

７．工具の軸心ずれに伴なう不良振動と工具先端の心振れとの複合作用による工具の破損や工具の折れ込みなどのトラブルがほとんど発生しない。

以下本発明の実施形態を添付図によって説明する。添付図に示すものは単に一例にすぎず、本発明の技術思想の範囲内で各部の形状や構成を適宜組合せることができる。

図１は、本発明の超音波精密加工装置の一実施形態を示す模式図である。同図の加工ヘッド１は、ＢＴシャンク２先端のテーパー部を工作機械の主軸に取付けて回転するＢＴシャンク２と受電ケース３の内部及び回転しない給電カバー４とベアリングケース５内に超音波振動子ユニット１ａを組付けたものである。

本発明の加工ヘッドの一例を示す図１は、発振器２１の超音波駆動電圧を給電コネクタ２０を介して回転しない給電カバー４内の給電ブラシＡ１８と給電ブラシＢ１９に供給する。給電ブラシＡ１８と給電ブラシＢ１９に対して回転自在で且つ電気的に摺動接触するスリップリングＡ１４とスリップリングＢ１５は、この実施例の場合はドーナッツ状の形態を有して各々同心円状に配置されている。受電ケース３に固定された絶縁体製スリップリング保持具１６上にスリップリングＡ１４とスリップリングＢ１５は固定設置され、発振器２１の超音波駆動電圧を一体形成された超音波振動体６の圧電素子７に供給する。超音波周波数で作動する２枚の圧電素子７は、超音波振動子部６ｂの後方に分離ノードフランジＡ１０を介してセットし、前記圧電素子７の後端面を締結ナットＢ９ｂを用いてホーンＢ８で加圧締結されている。更に超音波振動体６の後方シャフト部６ａには、分離ノードフランジＢ１１を装着して締結ナットＡ９ａによって締結している。

同図１で、ハッチ表示しているコレットシャフト部６ｃと超音波振動子部６ｂと後方シャフト部６ａとからなる一体形成された超音波振動体６は、従来装置を示す図８のような超音波振動子部１０６ｂの後端軸心穴に形成された雌ネジに圧電素子を締結する雄ネジ付きの捩じ込みボルト１０９が無いので、締結時のトルクによって各部品が偏芯固定されることによる工具の軸心がずれるなどの異常が発生しない。

また、超音波振動体６と分離ノードフランジＡ１０と分離ノードフランジＢ１１とが各々単独で形成されているので、超音波振動体６を製造する鋼材材料の直径が小さくて済み、材料費が安価で、しかも形状が簡単になるので、製作加工が容易で製造コストを安くすることができる。

図３（ａ）は、分離ノードフランジＢ１１の平面図で、同図（ｂ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ’断面図を示す。図３（ｂ）の上下両面に形成した半円状のＵ溝２２は径方向及び軸心方向の超音波微振動成分を吸収する。図４（ａ）は、分離ノードフランジＡ１０の平面図で、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ’断面図を示す。図４（ａ）に示す穴２４はＢＴシャンク２に締結するためのボルトＢ１３用の穴を示し、同図（ｂ）の上下両面に形成した半円状のＵ溝２３は径方向及び軸心方向の超音波微振動成分を吸収する。分離ノードフランジＡ１０、Ｂ１１は図４、図３で示すように、超音波振動体６とは別に独自製作が可能で形状も簡単であるので、製造コストを安くすることができる。

図５は、分離ノードフランジＡ１０と分離ノードフランジＢ１１を組み込んだ超音波振動子ユニット１ａの斜視図で、同図（ａ）は斜め前方図で、同図（ｂ）は、斜め後方図である。図６は超音波共振周波数における振動振幅分布図で、超音波振動体６の各部位と振動振幅の強度を対比させている。振幅の大きい所謂「腹」の部分はＬ１〜Ｌ４で表し、振幅の最も小さい所謂「節」の部分はＮ１〜Ｎ３で表す。ここで、Ｎ１の部分が分離ノードフランジＢ１１の位置と、Ｎ２の部分が分離ノードフランジＡ１０の位置と完全に一致し、超音波振動が外部保持装置に伝播せず、且つ強固に保持可能であることが図６からわかる。

特許文献１の第１ａ図の支持体（８）に示されているような径方向の振動成分を吸収する同心状スリーブ（８１ａ）と軸方向の振動成分を吸収するフランジ（８１ｂ）、（８１ｃ）とからなるバッファ（８１）及びリフレクタリング（８０）で外径方向に向けて形成されているジャバラ状部分がタワミ振動を起こしやすいのに対し、本発明の分離ノードフランジＡ１０及び分離ノードフランジＢ１１は各々の設置位置が、振幅拡大以前の部位にある、即ち振幅が最小の振動節部分と完全に一致しているので超音波振動が外部保持装置に伝播せずに保持可能である。更に形状が特許文献１の第１ａ図の同心状スリーブ（８１ａ）と軸方向の振動成分を吸収するフランジ（８１ｂ）、（８１ｃ）とからなるバッファ（８１）及びリフレクタリング（８０）と比べて剛性が高いので必要以上の振動変形を発生しない。

図７は、コレットシャフト６１０の先端部６１１と焼嵌工具６２３の基底部即ち焼嵌工具のホルダー部６２０とを締結するための模式図で、コレットシャフト６１０の先端部６１１を軸心で縦断した断面図と焼嵌工具６２３を縦断した断面図を示す。同図において、コレットシャフト６１０の軸心に先端々面６１２の方向に、漸次拡開した雌形のテーパー穴６１３を有し、かつ、その奥の同一直径からなる穴部には雌ネジ部６１４を有している。一方、焼嵌工具のホルダー部６２０は軸心方向に工具のシャンク部を焼嵌め保持するためのシャンク保持穴６２１を有しており、かつ、基端部外径のストレート部には、前説雌ネジ部６１４に対応する雄ネジ部６２２を有し、さらに、雄ネジ部６２２の根元から長手中央方向に向けて、漸次拡開する雄形のテーパー部６２４が形成されている。なお、前記焼嵌工具の代わりに冷し嵌め工具を用いることもできる。

従来のコレットシャフトに工具を取り付ける方法としては、図８に示しているようにコレットシャフト部１０６ｃの先端部と割りコレット１２２とのテーパー嵌め合い部、及び割りコレット１２２の内径と工具シャンクとの結合部、更には割りコレット１２２を押し込むためのナット１２３雌ネジ部とコレットシャフト部１０６ｃの雄ネジとの締結部の三ヶ所の接触部部位があるために超音波振動時の振動伝達ロスが大きく、振動効率の低下や異常発熱などの問題があった。また、シャフトコレット方式の場合は、工具を取り付ける嵌め合い部分が２ヶ所と少なくて済むが、この場合も振動効率の低下や異常発熱などが皆無とはならず、またコレットシャフトの外径よりもかなり大径のナットを有することになるので動バランスが狂いやすくなる。

これら従来方式に対して本発明は、図７で示すように、コレットシャフト６１０の先端部６１１に焼嵌工具の基底部（ホルダー部）６２０を捩じ込むことにより、コレットシャフト６１０と焼嵌工具の基底部６２０とが雌雄のテーパー部で合致するので、必然的にコレットシャフト部６１０と焼嵌工具６２３とが同一軸心上に合致し、しかも雌雄のネジ部で強固に締結できるので、超音波振動力によって締結部が緩むことがなく、かつ、工具の軸心ずれが発生することもない。また、焼嵌工具６２３を脱着する都度、常に同一軸心上の締結が容易に達成できる。

また更に、図１のＢＴシャンク２と受電ケース３とはボルトＡ１２によって締結されており、かつ、超音波振動体６の長手方向中央付近の外径部分に組込む分離ノードフランジＡ１０がボルトＢ１３で締結されている。このボルトＡ１２を図２に示すように緩め、更にボルトＢ１３を僅かに緩めた状態で分離ノードフランジ１０の外周の適当な部分を当て板を介して木ハンマー等で叩きながら微動調整して工作機械の主軸の回転軸心とコレットシャフト部６ｃの先端またはコレットシャフト部６ｃの先端に取付けた焼嵌工具６２３の回転センターとを合致させた後、ボルトＢ１３及びＡ１２を締付けることにより、焼嵌工具６２３のセンター位置を１μｍ以内の精度で合致させることができる。従がって、焼嵌工具６２３の心振れの無い精密加工を達成することができる。図２は、ボルトＡ１２を僅かに緩めた状態を示す。

図８は、従来から使用されている代表的な超音波加工装置の一例を示す。同図において、超音波振動体１０６は、コレットシャフト部１０６ｃと連続形成されている超音波振動子部１０６ｂの後端面から軸心に捩じ込んだボルト１０９に、圧電素子１０７とホーンＢ１０８を組付け、前記ボルト１０９後方の雄ネジ部と後部ホーン１０６ａの雌ネジ部とで加圧締結した構成となっている。この図８によって示す従来の装置は超音波振動体１０６を製作する際の締結時トルクによって各部品が偏芯固定される可能性が大きく、その結果工具部分の超音波振動が不規則になったり、高速回転時の動バランスが大きくずれて不良振動が発生し易く、更には工具の先端の心振れ発生との複合作用で加工精度や面粗度の劣化あるいは工具が破損する等のトラブルが発生しやすく、高精度の加工を達成することが困難であった。

難削材の単結晶シリコンの材料に０．２ｍｍの微少孔を穿設する目的で、シャンク径が３ｍｍの先端に刃先直径と長さが０．１９８０ｍｍと４ｍｍからなる焼嵌工具を本発明の超音波精密加工装置と図８に示した従来の装置に取付けて加工精度を比較した。

本発明は、難削材料のみならず、各種の被削材を超音波加工装置によって、切削、研削、穿孔、溝加工、研磨仕上げ等の加工分野に適用できる。

本発明に係る超音波精密加工装置の一実施形態の縦断面図を示す。 図１と同じ縦断面図において、ボルトＡ１２を僅かに緩めた状態を示す。 本発明の分離ノードフランジＢの一実施形態を示し、（ａ）は正面図であり、（ｂ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ′線横断面図である。 本発明の分離ノードフランジＡの一実施形態を示し、（ａ）は正面図であり、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ′線横断面図である。 本発明の超音波振動子ユニットの一実施形態を示し、（ａ）は斜め前方斜視図であり、（ｂ）は斜め後方斜視図である。 本発明の超音波振動体の各部位における振動振幅の強度を示す模式図である。 コレットシャフトの先端部と焼嵌工具の基底部とを締結する一実施形態図である。 従来の超音波加工装置で、（ａ）は加工ヘッドの一例を示す縦断模式図であり（ｂ）は割りコレットの拡大斜視図である。

符号の説明

１ 加工ヘッド
１ａ 超音波振動子ユニット
２ ＢＴシャンク
３ 受電ケース
４ 給電カバー
５ ベアリングケース
６ 超音波振動体
６ａ 後方シャフト部
６ｂ 超音波振動子部
６ｃ コレットシャフト部
７ 圧電素子
８ ホーンＢ
９ａ 締結ナットＡ
９ｂ 締結ナットＢ
１０ 分離ノードフランジＡ
１１ 分離ノードフランジＢ
１２ ボルトＡ
１３ ボルトＢ
１４ スリップリングＡ
１５ スリップリングＢ
１６ スリップリング保持具
１７ ベアリング
１８ 給電ブラシＡ
１９ 給電ブラシＢ
２０ 給電コネクタ
２１ 発振器
１０１ 加工ヘッド
１０２ ＢＴシャンク
１０３ 受電ケース
１０４ 給電カバー
１０５ ベアリングケース
１０６ 超音波振動体
１０６ａ 後部ホーン
１０６ｂ 超音波振動子部
１０６ｃ コレットシャフト部
１０７ 圧電素子
１０８ ホーンＢ
１０９ 捩込みボルト
１１０ ノードフランジＡ
１１１ ノードフランジＢ
１１２ ボルトＡ
１１３ ボルトＢ
１１４ スリップリングＡ
１１５ スリップリングＢ
１１６ スリップリング保持具
１１７ ベアリング
１１８ 給電ブラシＡ
１１９ 給電ブラシＢ
１２０ 給電コネクタ
１２１ 発振器
１２２ 割りコレット
１２３ ナット
６１０ コレットシャフト
６１１ コレットシャフト先端部
６１２ コレットシャフト先端端面
６１３ 雌形テーパー穴
６１４ 雌ネジ部
６２０ 焼嵌工具の基底部（焼嵌工具のホルダー部）
６２１ シャンク保持穴
６２２ 雄ネジ部
６２３ 焼嵌工具
６２４ 雄形テーパー部

Claims (4)

1. 工作機械の主軸に先端のテーパー部を装着して回転するＢＴシャンク内に超音波振動子ユニットを組付けた加工ヘッドにおいて、超音波振動子の後端面に圧電素子と後部ホーンとを締結するための捩込みボルトのネジ部を無くして、後方シャフト部と超音波振動子部及びコレットシャフト部とを一体的に形成した超音波精密加工装置。
2. コレットシャフトの先端部及び焼嵌工具の基底部のいづれか一方が雌形のテーパーとネジ部とを有し、他方が雄形のテーパーとネジ部とを有しており、前記コレットシャフトの先端部と焼嵌工具の基底部とを同一軸心上にネジ止め締結した請求項１に記載の超音波精密加工装置。
3. ＢＴシャンクと受電ケースとの締結ボルト及び分離ノードフランジ部の締結ボルトを僅かに緩めた状態で前記分離ノードフランジを微動調整することにより、工作機械の主軸に対する工具の軸心合せが可能な機構にした請求項１に記載の超音波精密加工装置。
4. 振動子を固定するノードフランジを超音波振動体とは別部品としたことを特徴とする請求項１に記載の超音波精密加工装置。

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