JP2006305661A

JP2006305661A - 超音波振動加工装置及び超音波振動加工装置に用いる電着工具の製作方法

Info

Publication number: JP2006305661A
Application number: JP2005129743A
Authority: JP
Inventors: Hiromi Isobe; 浩已磯部; Hideo Yoshihara; 英雄吉原
Original assignee: Nagaoka University of Technology NUC
Current assignee: Nagaoka University of Technology NUC
Priority date: 2005-04-27
Filing date: 2005-04-27
Publication date: 2006-11-09
Anticipated expiration: 2025-04-27
Also published as: JP4512737B2

Abstract

【課題】加工が困難な硬脆材（難削材）への高精度な加工を達成し得る、画期的な技術を提供する。
【解決手段】スピンドル１を回転する回転手段２と、このスピンドル１を軸方向に超音波振動する振動手段３とを設け、前記スピンドル１に保持した工具ａに回転運動と超音波振動とを付与して材料除去加工を行う超音波振動加工装置において、前記スピンドル１を受ける軸受体４内に嵌挿配設し、この軸受体４は、前記スピンドル１とこの軸受体４の内面４ａとの間隙部ｓに流体５を供給する流体供給手段６を備えこの流体５の静圧により前記スピンドル１を非接触支持するように構成し、この流体５を間隙部ｓに充填し前記振動手段３によりスピンドル１を超音波振動した際には、このスピンドル１の径方向に変位する変位面と、これに対向する軸受体４の内面４ａとの間にスクイーズ動圧が発生するように前記軸受体４の内面４ａを前記スピンドル１の近接位置に設けた超音波振動加工装置。
【選択図】図２

Description

本発明は、スピンドルを回転する回転手段と、このスピンドルを軸方向に超音波振動する振動手段とを設け、前記スピンドルに保持した工具に回転運動と超音波振動とを付与して材料除去加工を行う超音波振動加工装置及び超音波振動加工装置に用いる電着工具の製作方法に関するものである。

近年、産業界の多くの分野で小型化、高機能化が進んでいく中で、部品の精度（表面粗さ、幾何偏差偏差）に対する要求がミクロンの世界からナノの世界へ移行している。

ところで、今後成長が期待されている燃料電池、ロボット，マイクロマシン，ＩＴ及び半導体産業などで使用される材料は、セラミックス，グラナイト，超硬金属，チタン，マグネシウム，シリコン，ガラス及びそれらのハイブリッド材料を含め多伎に渡るが、これら材料の中には、極端に硬く切削加工若しくは研削加工などの材料除去加工が困難な難削材も多々あり、よって、このような難削材の微細加工技術の開発が望まれる。

この難削材に微細加工を施す技術として、従来からエッチング処理や放電加工、レーザー加工が発達してきたものの、加工精度および加工速度を追求する方法として機械加工が最適であると考える。これは様々な工作機械メーカー、周辺機器メーカーの技術力が向上し、ナノ加工を実現する精密な機械加工装置が実用段階に入ってきた為である。

このような精密な機械加工装置のターゲットはＩＴ産業向け小型精密金型、燃料電池のセパレータ，導光管，導波路，マイクロリアクタ及びマイクロマシンの部品等であり、これらの中には、例えば燃料電池など、環境問題が最重要課題である２１世紀の生活には欠かせないものも含まれており、その実用価値は非常に高い。

しかしながら、この従来の精密な機械加工装置による機械加工は、例えば、セラミック，グラナイト、ガラス及びシリコンのような脆性材料や超硬のような極端に硬い材料などの難削材ではなく、一般的な硬さの材料を加工するのであれば、加工精度面でも満足できるレベルに達しつつあるが、しかし、脆性材料や超硬のような極端に硬い材料（難削材）の加工には不向きで、加工精度面でも満足できるものではない。つまり、切削抵抗に工具が負けて削れないか、また、削れても工具や工作機械のたわみにより、加工精度が落ちるという欠点があるからである。

しかし、工作機の剛性向上や工具材質・形状や切削液の改良などを行っても、飛躍的な向上は望めない。即ち、慣用加工のままでは、母性原理に基づく高精度化は期待できない領域に達している。

そこで、単に工具を回転させて材料を削る慣用加工ではなく、工具を回転させると共に超音波振動させて加工を行う、所謂、超音波振動加工装置が従来から提案されている。

これは、例えば、切削・研削工具を保持し、このスピンドルを回転させると共に超音波振動させることによって前記工具に回転運動と超音波振動とを付与して材料を加工する構成であり、工具の切れ刃を超音波領域（２０ｋＨｚ以上）で微小振動（振幅数μｍ以下）させて加工を進展させることにより（１）振動による工具，ワーク（加工材料）及び切り屑間の摩擦低減、（２）振動による加工エリアへの研削液供給作用、（３）ブラハ効果によるワークの軟化作用、（４）実切削・研削時間の短縮による熱伝達率の低下、などの作用効果があり、これら（１）〜（４）の単独、若しくは相乗効果によって加工を進展でき、例えば、小径加工やヘール加工など、原理的に切削速度が不足する加工に適応することで、加工性の向上を図り得、また、高い周波数で切れ刃が振動するので非常に早い加速度が得られ、切れ刃がワークに衝突するような衝撃力による加工が行われ、即ち、微小な粉砕加工を高速で繰り返されるが如く加工が進展する為、上記の難削材も不得意とせず、良好に加工できるものである。

しかし、このような超音波振動加工装置は、工具を保持するスピンドルの超音波振動を妨げないようにこのスピンドルを安定性良く軸支するのが非常に困難である為（例えば、スピンドルの超音波振動による撓み振動の節となる部分をスピンドルを囲繞するハウジング部に固定支持してこのハウジングごとスピンドルを回転させる構成など）、スピンドルを安定性良く支持することができず非常に軸安定性に乏しい構成となってしまい、これが加工精度を損ねる原因となってしまうという欠点を有し、それ故、従来の超音波振動加工装置は、加工が極めて困難な難削材を加工することはできるものの、ナノ加工に要求されるような超高精度な加工を達成し得るものは従来までには開発されていないのが現状である。

よって、脆性材料や超硬のような極端に硬い材料（難削材）をも良好に材料除去加工（切削加工や研削加工）を行うことができ、且つ、超高精度な加工精度を達成し得る技術が望まれる。

本発明は、従来から提案されている機械加工装置について更なる研究開発を進め、難削材をも良好に材料除去加工（切削加工や研削加工）でき、且つ、超高精度な加工を可能とする従来に無い画期的な超音波振動加工装置及び超音波振動加工装置に用いる電着工具の製作方法を提供するものである。

添付図面を参照して本発明の要旨を説明する。

スピンドル１を回転する回転手段２と、このスピンドル１を軸方向に超音波振動する振動手段３とを設け、前記スピンドル１に保持した工具ａに回転運動と超音波振動とを付与して材料除去加工を行う超音波振動加工装置において、前記スピンドル１を受ける軸受体４内に嵌挿配設し、この軸受体４は、前記スピンドル１とこの軸受体４の内面４ａとの間隙部ｓに流体５を供給する流体供給手段６を備えこの流体５の静圧により前記スピンドル１を非接触支持するように構成し、この流体５を間隙部ｓに充填し前記振動手段３によりスピンドル１を超音波振動した際には、このスピンドル１の径方向に変位する変位面と、これに対向する軸受体４の内面４ａとの間にスクイーズ動圧が発生するように前記軸受体４の内面４ａを前記スピンドル１の近接位置に設けたことを特徴とする超音波振動加工装置に係るものである。

また、前記流体供給手段６は、前記軸受体４の内面４ａに設けられる多孔状の表面部７ａからこの軸受体４内に流体５を供給可能な静圧パット７を有する構成としたことを特徴とする請求項１記載の超音波振動加工装置に係るものである。

また、前記静圧パット７は、前記流体５の静圧により可及的に多方向から前記スピンドル１を非接触支持し得るように、前記軸受体４の内面４ａにして前記スピンドル１と対向する複数箇所に設けたことを特徴とする請求項２記載の超音波振動加工装置に係るものである。

また、前記スピンドル１は、軸方向と交差する方向に突出する突出部１ｔを有する形状に形成し、この突出部１ｔを前記流体５の静圧によりスラスト方向に非接触支持する形状に前記軸受体４の内面４ａを形成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波振動加工装置に係るものである。

また、前記振動手段３は、高周波電圧を印加されることにより発振するアクチュエータ３ａを有する構成としたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の超音波振動加工装置に係るものである。

また、ワークＷを保持するワーク保持部８ａを有し、このワーク保持部８ａに保持したワークＷと前記スピンドル１に保持した工具ａとを相対移動せしめる送り案内手段８と、この送り案内手段８による送り案内移動を可変制御する制御手段９と、前記工具ａに付与する加工抵抗を測定する測定手段10とから成り、この測定手段10から前記制御手段９に送られる測定結果に基づき前記送り案内手段８の送り案内移動速度を可変制御することで前記工具ａに付与する加工抵抗が所定量となるように調整制御する定圧送り加工機Ｐを備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の超音波振動加工装置に係るものである。

また、スピンドル１を回転する回転手段２と、このスピンドル１を軸方向に超音波振動する振動手段３とを設け、前記スピンドル１に保持した工具ａに回転運動と超音波振動とを付与して材料除去加工を行う超音波振動加工装置に用いる電着工具ａの製作方法において、前記スピンドル１に工具母材11を保持し、この保持状態の工具母材11を母材加工手段Ｔにより所定の工具形状に加工形成し、この保持状態の工具母材11の所定位置に、電着手段Ｄにより砥粒12を電着することを特徴とする超音波振動加工装置に用いる電着工具の製作方法に係るものである。

また、前記電着手段Ｄは、前記母材加工手段Ｔにより所定の工具形状に加工形成した前記工具母材11に前記振動手段３により超音波振動を付与して振動形態を実測若しくは解析し、この実測結果若しくは解析結果に基づいて、前記砥粒12を電着する位置を決定することを特徴とする請求項７記載の超音波振動加工装置に用いる電着工具の製作方法に係るものである。

また、前記電着手段Ｄは、前記母材加工手段Ｔにより所定の工具形状に加工形成した前記工具母材11に前記振動手段３により超音波振動を付与して振動形態を実測若しくは解析し、少なくともこの工具母材11の各部位の軸方向振幅及び径方向振幅の実測結果若しくは解析結果に基いて、前記砥粒12を電着する位置を決定することを特徴とする請求項７，８のいずれか１項に記載の超音波振動加工装置に用いる電着工具の製作方法に係るものである。

また、前記砥粒12にはダイヤモンド砥粒12を用い、前記電着手段Ｄはこのダイヤモンド砥粒12を前記工具母材11に電着し得る構成としたことを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の超音波振動加工装置に用いる電着工具の製作方法に係るものである。

本発明は、工具を保持しているスピンドルを軸受体内に嵌挿配設すると共に、このスピンドルと、前記軸受体の内面との間隙部に供給した流体の静圧とスクイーズ動圧とにより振動運動を妨げることなく軸支できるように構成したので、前記工具の超音波振動を減衰させることなくこの工具を良好に超音波振動させながら加工を進展させることができ、繰り返し衝撃力による超微細な加工現象により切削力（加工抵抗）を非常に小さくでき、また、発熱、残留応力や加工変質層を減少させ、切削温度低下、加工変質層の最小化、工具長寿命化を図り得、所謂、母性原理に基く加工により極端に硬く加工が困難な難削材なども良好に切削・研削加工できる。

また、本発明は、この工具を保持しているスピンドルを、前記軸受体内で、流体の静圧とスクイーズ動圧とにより強固に安定性良く軸支できるように構成したから、工具が回転時に軸ブレしたりせず非常に安定して回転することができるが故に加工精度面においても秀れ、よって高精度な加工を実現し得る。

よって、本発明は、従来においては実現し得なかった、例えば、セラミックを用いた硬質ガラス用金型の加工や機械加工による射出成形用金型の鏡面仕上げ加工，導波路，マイクロリアクタ，射出ノズルなどの加工が困難な硬脆材（難削材）への高精度な加工を達成し得る、極めて画期的で実用性に秀れた超音波振動加工装置となる。

また、請求項６記載の発明においては、定圧送り加工機を備えることで、加工時に前記工具に付与する加工抵抗が一定となるように送り速度を調整する、所謂、「定圧加工」方式によって加工を進展させることができ、よって、一層加工形状の高精度化を図り得、一層高精度な加工を達成し得る秀れた超音波振動加工装置となる。

また、請求項７記載の発明においては、スピンドルに工具母材を保持し、この保持状態の工具母材を母材加工手段により所定の工具形状に加工形成し、更に、この工具母材をスピンドルに保持した状態のまま電着手Ｄにより砥粒を電着して工具（電着工具）を製作するようにしたから、この電着工具を前記スピンドルに保持して回転させた際に、この電着工具が回転しながら周期的に軸ブレする、所謂、振れ回りが非常に少ない電着工具を簡単に製作できる。

また、この砥粒の電着位置は前記電着工具の使用用途に応じて適宜決定できるようにしたから、所望の加工性能を有する電着工具を簡単に選択製作することができる。

また、このように、スピンドルに工具母材を保持したままの状態で上記の通り電着工具を製作する為、例えば、前記母材加工手段により所定の工具形状に加工形成した前記工具母材に前記振動手段により超音波振動を付与して振動形態を実測し、この実測結果（例えば、工具母材の各部位の軸方向振幅や径方向振幅など）に基づいて、前記砥粒を電着する位置を任意に決定することも可能である。つまり、スピンドルに工具を保持して超音波振動を付与した際の工具の振動形態は非常に複雑でありこれに適した工具を既存の工具の中から選択使用することは難しいものの、本発明においては、スピンドルに工具母材を保持し、振動形態を実測した後、この実測結果に基き決定した所望の位置に砥粒を電着することで最適な電着工具を簡単に製作することができる。

よって、真に超音波振動加工装置に適した電着工具を簡単に得ることができ、超音波振動加工装置による加工精度の向上を図り得る画期的で極めて実用性に秀れた超音波振動加工装置に用いる電着工具の製作方法となる。

好適と考える本発明の実施形態（発明をどのように実施するか）を、図面に基づいて本発明の作用を示して簡単に説明する。

スピンドル１を回転する回転手段２と、このスピンドル１を軸方向に超音波振動する振動手段３により、このスピンドル１を回転及び超音波振動させると、このスピンドル１に保持した工具ａに回転運動と超音波振動とが付与される。

ここで、前記スピンドル１は、このスピンドル１を受ける軸受体４内に嵌挿配設されている。また、この軸受体４は、流体供給手段６により前記スピンドル１とこの軸受体４の内面４ａとの間隙部ｓに流体供給手段６により流体５を供給しこの流体５の静圧により前記スピンドル１を非接触支持する。

よって、前記スピンドル１は、前記軸受体４に接触することなく、即ち、スピンドル１の超音波振動を妨げられることなく、前記流体５の静圧により前記軸受体４内に非接触状態に軸支されることとなる。

また、このスピンドル１が超音波振動した際には、このスピンドル１の撓み振動によりこのスピンドル１の周面が径方向に周期的に変位する。

この際、スピンドル１の径方向に変位する面（以下、変位面）と、これと対向する前記軸受体４の内面４ａとは、対向方向（接離方向）に高い周波数で相対振動しており、且つ、この対向する二面間の距離は非常に近接している（軸受体４の内面４ａがスピンドル１の近接位置に設けられている為。）ので、このスピンドル１の変位面と、軸受体４の内面４ａとの間隙部ｓに前記流体ｓが充填されていた場合には、この対向する二面間に負荷容量が生じ、よって、スクイーズ動圧が前記スピンドル１に作用することとなる。

即ち、前記スピンドル１は、超音波振動時には、前記静圧によって軸受体４に非接触状態に軸支されるだけでなく、スクイーズ動圧によっても非接触状態に軸支されることとなる。

よって、前記軸受体４内で超音波振動するスピンドル１は、超音波振動を妨げられることなく、且つ、前記流体５の静圧とスクイーズ動圧との複合により強固に安定性良く軸支されることとなり、スピンドル１の剛性（特に、スクイーズ動圧によるラジアル剛性）と減衰特性向上を図り得、このスピンドル１に保持して回転運動と超音波振動を付与された前記工具ａは、軸ブレせず安定た回転運動と、軸方向の良好な超音波振動を行えることとなる。

従って、本発明は、工具ａを保持しているスピンドル１を軸受体４内に嵌挿配設すると共に、このスピンドル１と、前記軸受体４の内面４ａとの間隙部ｓに供給した流体５の静圧とスクイーズ動圧とにより振動運動を妨げることなく軸支できるから、前記工具ａの超音波振動を減衰してしまうことなくこの工具ａを良好に超音波振動させながら加工を進展させることができ、繰り返し衝撃力による超微細な加工現象により切削力（加工抵抗）を非常に小さくでき、また、発熱、残留応力や加工変質層を減少させ、切削温度低下、加工変質層の最小化、工具長寿命化を図り得、所謂、母性原理に基く加工により極端に硬く加工が困難な難削材なども良好に切削・研削加工できることとなり、しかも、この工具ａを保持しているスピンドル１は、前記軸受体４内で、流体５の静圧とスクイーズ動圧とにより強固に安定性良く軸支できるから、工具ａが回転時に軸ブレしたりせず非常に安定して回転することができるが故に加工精度面においても秀れ、よって、高精度加工を実現し得ることとなり、よって、本発明は、例えば、セラミックを用いた硬質ガラス用金型の加工や機械加工による射出成形用金型の鏡面仕上げ加工，導波路，マイクロリアクタ，射出ノズルなどの加工が困難な硬脆材（難削材）への、高精度な加工を達成し得ることとなる。

また、例えば、前記流体供給手段６は、前記軸受体４の内面４ａと面一にして多孔状の表面部７ａから前記軸受体４内に流体５を供給する静圧パット７を有する構成とした場合には、この静圧パット７の表面部７ａから、前記間隙部ｓに直接流体５を供給できるから、例えば、素早く確実にこの間隙部ｓに流体５を供給したり充填したりできる構成とすることができる。

また、例えば、この静圧パット７を前記軸受体４の内面４ａにして前記スピンドル１と対向する複数箇所に設けるだけで、簡単に、前記流体５の静圧により可及的に多方向から前記スピンドル１を非接触支持し得る構成とするとができる。

また、例えば、ワークＷを保持するワーク保持部８ａを有し、このワーク保持部８ａに保持したワークＷと前記スピンドル１に保持した工具ａとを相対移動せしめる送り案内手段８と、この送り案内手段８による送り案内移動を可変制御する制御手段９と、前記工具ａに付与する加工抵抗を測定する測定手段10とから成り、この測定手段10から前記制御手段９に送られる測定結果に基づき前記送り案内手段８の送り案内移動速度を可変制御することで前記工具ａに付与する加工抵抗が所定量となるように調整制御する定圧送り加工機Ｐを備えた構成とした場合には、例えば、工具摩擦や目詰まりによる加工抵抗の増大や、金型などの三自由度曲面における切り込み深さの逐次変化による加工抵抗の変化など、材料除去加工時には工具ａに付与する加工抵抗が増減変化することとなるが、この工具ａに付与する加工抵抗を前記測定手段10によって測定し、この加工抵抗が大きくなった場合には前記制御手段９により前記送り案内手段８の送り案内移動速度を下げるなどして、前記工具ａに付与する抵抗が一定となる「定圧加工」方式によって加工を進展させることができ、よって、加工ムラなどが生ずることなく、より加工形状の高精度化が図られ、一層高精度な加工を達成し得ることとなる。

また、請求項７記載の発明においては、スピンドル１を回転する回転手段２と、このスピンドル１を軸方向に超音波振動する振動手段３とを設け、前記スピンドル１に保持した工具ａに回転運動と超音波振動とを付与して材料除去加工を行う超音波振動加工装置に用いる電着工具ａの製作方法において、前記スピンドル１に工具母材11を保持し、この保持状態の工具母材11を母材加工手段Ｔにより所定の工具形状に加工形成するので、更に、この工具母材11をスピンドル１に保持した状態のまま電着手段Ｄにより砥粒12を電着して工具ａ（電着工具ａ）を製作することで、この電着工具ａを前記スピンドル１に保持して回転させた際に、この電着工具ａが周期的に軸ブレしながら回転する、所謂、振れ回りが非常に少ない電着工具ａを簡単に製作することが可能となる。

また、この電着工具ａは、電着手段Ｄにより所定の位置に砥粒12を電着することによって製作するので、この砥粒12の電着位置は前記電着工具ａの使用用途に応じて適宜決定することができ、所望の加工性能を有する電着工具ａを簡単に選択製作することができるなど、実用性に秀れることとなる。

また、このように、スピンドル１に工具母材11を保持したままの状態で上記の通り電着工具ａを製作する為、例えば、前記母材加工手段Ｔにより所定の工具形状に加工形成した前記工具母材11に前記振動手段３により超音波振動を付与して振動形態を実測し、この実測結果（例えば、工具母材11の各部位の軸方向振幅や径方向振幅など）に基づいて、前記砥粒12を電着する位置を任意に決定することも可能である。つまり、スピンドル１に工具ａを保持して超音波振動を付与した際の工具ａの振動形態は非常に複雑でありこれに適した工具ａを既存の工具ａの中から選択使用することは難しいものの、本発明においては、スピンドル１に工具母材11を保持し、振動形態を実測した後、この実測結果に基き決定した所望の位置に砥粒12を電着することで最適な電着工具ａを簡単に製作することができ、従って、真に超音波振動加工装置に適した電着工具ａを簡単に得られることとなる。

本発明の具体的な実施例について図面に基づいて説明する。

本実施例は、スピンドル１を回転する回転手段２と、このスピンドル１を軸方向に超音波振動する振動手段３とを設け、前記スピンドル１に保持した工具ａに回転運動と超音波振動とを付与して切削加工若しくは研削加工などの材料除去加工を行う超音波振動加工装置である。

具体的には、図１に図示したように、油静圧・スクイーズ動圧とを複合したハイブリット軸受（軸受体４）を備えた切削・研削機Ｍと、この切削・研削機Ｍに用いる工具ａを製作する工具の機上製作システムＢと、ワークＷを保持し送り案内する定圧送り加工機Ｐとを統合し、超高精度加工を実現する超音波振動加工装置である。

前記切削・研削機Ｍは、前記スピンドル１を受ける軸受体４内に嵌挿配設し、この軸受体４は、前記スピンドル１とこの軸受体４の内面４ａとの間隙部ｓに流体５を供給する流体供給手段６を備えこの流体５の静圧により前記スピンドル１を非接触支持するように構成し、この流体５を間隙部ｓに充填し前記振動手段３によりスピンドル１を超音波振動した際には、このスピンドル１の径方向に変位する変位面と、これに対向する軸受体４の内面４ａとの間にスクイーズ動圧が発生するように前記軸受体４の内面４ａを前記スピンドル１の近接位置に設けて構成したものである。

具体的には、図２に図示したように、ハウジング状の軸受体４内に、前記スピンドル１の工具ホルダ１ａが軸受体４から下方に突出するように嵌挿配設している。

このハウジング状の軸受体４の流体供給手段６は、図２に図示したように、前記軸受体４の内面４ａと面一にして多孔状の表面部７ａから前記軸受体４内に流体５を供給する静圧パット７を有し、この多孔状の表面部７ａから染み出すように前記間隙部ｓに流体５を供給する構成である。また、この静圧パット７は、前記軸受体４の内面４ａにして前記スピンドル１と対向する複数箇所に設けている。

従って、この静圧パット７の表面部７ａから、前記間隙部ｓに流体５を直接、素早く確実に供給したり充填したりでき、また、この複数箇所に設けられた静圧パット７から間隙部ｓに供給される流体５の静圧により、可及的に多方向から前記スピンドル１を非接触支持できる。更に、この表面部７ａは多孔状に形成して前記軸受体４の内面４ａとは面一に構成しているから、スクイーズ動圧を発生させる際にこの静圧パット７が妨げとなることが無い。

また、スピンドル１は、図２に図示したように、下端に前記工具ホルダ１ａ、上端側に振動手段３を設け、中央の下端寄り位置の一部を径大に形成して軸方向と直交方向に突出する突出部１ｔを有する形状に形成しており、また、このスピンドル１の形状に応じて前記軸受体４の内面形状４ａも一部凹状に形成している。更に、このスピンドル１の突出部１ｔの上面及び下面と夫々対向する軸受体４の内面４ａにも静圧パット７を設けている。

従って、前記スピンドル１は、この突出部１ｔの上面及び下面で確実に前記流体５の静圧を受け、この軸受体４によりスラスト方向に非接触支持される。

また、このスピンドル１の上端に設けた振動手段３は、図２に図示したように、スピンドル１の上端部に連設され高周波電圧を印加されることにより発振するアクチュエータ３ａを有する構成である。

従って、このアクチュエータ３に超音波電圧を印加することにより、アクチュエータ３が前記スピンドル１の軸方向に発振し、このスピンドル１が振動ホーンとして作用し、このアクチュエータ３の発振が工具ホルダ１ａに保持した工具ａに付与される。

また、図２中、符号２ａ及び符号２ｂは、回転手段２の回転モータ２ａ及びプーリ２ｂであり、前記回転モータ２ａの回転駆動を前記プーリ２ｂによりスピンドル１に伝達しこのスピンドル１を回転せしめる。

尚、スピンドル１は、前記振動手段３により軸方向に超音波振動すると、図３に図示したように、自身の撓み振動により径方向に振動することとなる。この際、このスピンドル１の撓み振動振幅最大時にこのスピンドル１の変位面が前記軸受体４の内面４ａに当接せず、且つ、このスピンドル１に近接する位置となるように前記軸受体４の内面４ａを設定している。また、前記流体５は、本実施例では油を採用している。

従って、前記スピンドル１が超音波振動した際には、このスピンドル１の変位面と、これと対向する前記軸受体４との間に、良好に負荷容量が生じ、スクイーズ動圧による前記スピンドル１のラジアル方向の非接触支持が為される。

以上のように、研削・切削部Ｍでは、前記スピンドル１が流体５（油）の静圧とスクイーズ動圧との複合によるハイブリット軸受構造の前記軸受体４により、スラスト方向にもラジアル方向にも良好に軸支され、前記回転手段２の回転駆動を工具ａに伝える為の回転子にして前記振動手段３の振動を工具ａに伝える振動ホーンであるスピンドル１が、このハイブリット軸受としての軸受体４により秀れた剛性と、秀れた減衰特性を有することとなり、よって、このスピンドル１の工具ホルダ１ａに保持した工具ａは振れ回りの少ない秀れた回転運動と、軸方向の良好な超音波振動を行うこととなる。

よって、超音波振動加工の特性である、加工が困難な難削材に対する良好な切削・研削機能を有していながら、超音波振動加工の欠点である軸ブレを阻止でき高精度な加工が実現される。

定圧送り加工機Ｐは、具体的には、図１に図示したように、ワークＷを保持するワーク保持部８ａを有し、このワーク保持部８ａに保持したワークＷと前記スピンドル１に保持した工具ａとを相対移動せしめる送り案内手段８と、この送り案内手段８による送り案内移動を可変制御する制御手段９と、前記工具ａに付与する切削抵抗や研削抵抗などの加工抵抗を測定する測定手段10とから成り、この測定手段10から前記制御手段９に送られる測定結果に基づき前記送り案内手段８の送り案内移動速度を可変制御することで前記工具ａに付与する加工抵抗が所定量となるように調整制御する構成である。

従って、材料除去加工時には、例えば切削力が変化すると、それが即ち、実切削量の変化となり、その結果加工精度が低下してしまうが、この点、本実施例においては、この定圧送り加工機Ｐにより、測定手段10により逐次測定する切削力が大きくなった場合には前記制御手段９により前記送り案内手段８の送り案内移動速度を下げることで（力のフィードバックループにより）、前記工具ａに付与する切削力が常に一定となるように調整制御して加工を進展する「定圧加工」方式が可能となる。

よって、この定圧送り加工機Ｐを、上述の切削・研削機Ｍに組み合わることによって、更に加工精度が向上され、一層の高精度加工を実現する秀れた超音波振動加工装置となる。

また、この切削・研削機Ｍに用いる工具ａを製作する工具の機上製作システムＢは、具体的には、先ず、図４（ａ）に図示したように、前記スピンドル１に工具母材11を保持し、この保持状態の工具母材11を母材加工手段Ｔ（研削機、切削機など）により所定の工具形状に加工形成する。

次いで、図４（ｂ）に図示したように、この所定形状に加工形成された工具母材11を、前記スピンドル１に保持した状態のまま、電着はがれを防ぐためにメッキ処理時に下地処理に用いられる一般的なクロム酸、塩酸などの下地処理液13に浸漬して下地処理を行う。

次いで、図４（ｃ）に図示したように、電着手段Ｄにより、下地処理された工具母材11を硫酸ニッケルメッキ液にて電着を行ってダイヤモンド砥粒12を工具母材11に固定して電着工具ａを完成するものである。尚、電着手段Ｄの電着手順は本実施例に限られるものではなく、本実施例と同様に、砥粒12を良好に電着し得る手順であれば良い。また、砥粒12は、ダイヤモンド砥粒12に限らず、例えば、立方晶窒化ホウ素砥粒（ＣＢＮ砥粒）など、用途に応じて適宜選択すれば良い。

また、具体的には、記電着手段Ｄは、前記母材加工手段Ｔにより所定の工具形状に加工形成した前記工具母材11に前記振動手段３により超音波振動を付与して振動形態を実測し、この実測結果に基づいて、前記砥粒12を電着する位置を決定する。

尚、上記振動形態の実測結果とは、例えば、この工具母材11の各部位の軸方向振幅及び径方向振幅の実測結果などであり、これらの実測結果を基に、使用用途に応じて、所望の位置に前記砥粒12（ダイヤモンド砥粒12）の電着位置を決定することで、最適な電着工具ａを簡単に得ることが可能となる。

また、このダイヤモンド砥粒12を電着した電着工具ａを前記スピンドル１に保持し超音波振動加工装置に用いる工具ａとして採用することで、従来では困難とされていた、ダイヤモンド工具による鉄鋼材料の切削加工（材料除去加工）なども可能となり、この点においても非常に実用性に秀れる。

以上から、従来においては、スピンドル１に工具ａを保持して超音波振動を付与した際の工具ａの振動形態は非常に複雑でありこれに適した工具ａを既存の工具ａの中から選択使用することは難しかったものの、この本実施例の工具の機上作成システムＢによれば、スピンドル１に工具母材11を保持し、振動形態を実測した後、この実測結果に基き決定した所望の位置に砥粒12（ダイヤモンド砥粒12）を電着することで最適な電着工具ａを簡単に製作することができ、従って、真に超音波振動加工装置に適した電着工具ａを簡単に得られることとなる。

本実施例は、この工具の機上作成システムＢにより製作した電着工具ａを上記の切削・研削部Ｍのスピンドル１に保持する工具ａとして採用し、更に、加工時に「定圧加工」方式を行う定圧送り加工機Ｐを備えた構成とすることで、従来においては実現し得なかった、例えば、セラミックを用いた硬質ガラス用金型の加工や機械加工による射出成形用金型の鏡面仕上げ加工，光導波路，マイクロリアクタ，射出ノズルなどの加工が困難な硬脆材（難削材）への高精度な加工を達成し得る、極めて画期的で実用性に秀れた超音波振動加工装置が実現することとなる。

尚、本発明は、本実施例に限られるものではなく、各構成要件の具体的構成は適宜設計し得るものである。

本実施例に係る超音波振動加工装置の概略説明図である。本実施例に係るスピンドル１及び軸受体４の説明断面図である。本実施例に係るスピンドル１の超音波振動時を示す図である。本実施例に係る超音波振動加工装置に用いる電着工具ａの製作方法を示す概略説明図である。

符号の説明

１スピンドル
１ｔ突出部
２回転手段
３振動手段
３ａアクチュエータ
４軸受体
５流体
６流体供給手段
７静圧パット
７ａ表面部
８送り案内手段
９制御手段
10 測定手段
11 工具母材
12 砥粒
Ｄ電着手段
Ｐ定圧送り加工機
Ｔ母材加工手段
Ｗワーク
ａ工具，電着工具
ｓ間隙部

Claims

スピンドルを回転する回転手段と、このスピンドルを軸方向に超音波振動する振動手段とを設け、前記スピンドルに保持した工具に回転運動と超音波振動とを付与して材料除去加工を行う超音波振動加工装置において、前記スピンドルを受ける軸受体内に嵌挿配設し、この軸受体は、前記スピンドルとこの軸受体の内面との間隙部に流体を供給する流体供給手段を備えこの流体の静圧により前記スピンドルを非接触支持するように構成し、この流体を間隙部に充填し前記振動手段によりスピンドルを超音波振動した際には、このスピンドルの径方向に変位する変位面と、これに対向する軸受体の内面との間にスクイーズ動圧が発生するように前記軸受体の内面を前記スピンドルの近接位置に設けたことを特徴とする超音波振動加工装置。
前記流体供給手段は、前記軸受体の内面に設けられる多孔状の表面部からこの軸受体内に流体を供給可能な静圧パットを有する構成としたことを特徴とする請求項１記載の超音波振動加工装置。
前記静圧パットは、前記流体の静圧により可及的に多方向から前記スピンドルを非接触支持し得るように、前記軸受体の内面にして前記スピンドルと対向する複数箇所に設けたことを特徴とする請求項２記載の超音波振動加工装置。
前記スピンドルは、軸方向と交差する方向に突出する突出部を有する形状に形成し、この突出部を前記流体の静圧によりスラスト方向に非接触支持する形状に前記軸受体の内面を形成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波振動加工装置。
前記振動手段は、高周波電圧を印加されることにより発振するアクチュエータを有する構成としたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の超音波振動加工装置。
ワークを保持するワーク保持部を有し、このワーク保持部に保持したワークと前記スピンドルに保持した工具とを相対移動せしめる送り案内手段と、この送り案内手段による送り案内移動を可変制御する制御手段と、前記工具に付与する加工抵抗を測定する測定手段とから成り、この測定手段から前記制御手段に送られる測定結果に基づき前記送り案内手段の送り案内移動速度を可変制御することで前記工具に付与する加工抵抗が所定量となるように調整制御する定圧送り加工機を備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の超音波振動加工装置。
スピンドルを回転する回転手段と、このスピンドルを軸方向に超音波振動する振動手段とを設け、前記スピンドルに保持した工具に回転運動と超音波振動とを付与して材料除去加工を行う超音波振動加工装置に用いる電着工具の製作方法において、前記スピンドルに工具母材を保持し、この保持状態の工具母材を母材加工手段により所定の工具形状に加工形成し、この保持状態の工具母材の所定位置に、電着手段により砥粒を電着することを特徴とする超音波振動加工装置に用いる電着工具の製作方法。
前記電着手段は、前記母材加工手段により所定の工具形状に加工形成した前記工具母材に前記振動手段により超音波振動を付与して振動形態を実測若しくは解析し、この実測結果若しくは解析結果に基づいて、前記砥粒を電着する位置を決定することを特徴とする請求項７記載の超音波振動加工装置に用いる電着工具の製作方法。
前記電着手段は、前記母材加工手段により所定の工具形状に加工形成した前記工具母材に前記振動手段により超音波振動を付与して振動形態を実測若しくは解析し、少なくともこの工具母材の各部位の軸方向振幅及び径方向振幅の実測結果若しくは解析結果に基いて、前記砥粒を電着する位置を決定することを特徴とする請求項７，８のいずれか１項に記載の超音波振動加工装置に用いる電着工具の製作方法。
前記砥粒にはダイヤモンド砥粒を用い、前記電着手段はこのダイヤモンド砥粒を前記工具母材に電着し得る構成としたことを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の超音波振動加工装置に用いる電着工具の製作方法。