JP2008023696A - Ultrasonic processing device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、回転する工具に超音波振動を与え、被加工物であるガラス、セラミック、シリコーン、超硬金属などを加工する超音波加工装置に関するものである。 The present invention relates to an ultrasonic processing apparatus that applies ultrasonic vibration to a rotating tool to process glass, ceramic, silicone, cemented carbide, and the like, which are workpieces.
最近、いわゆる難加工材料を加工するために超音波振動を工具または、加工対象物に与え加工する方法が多用されるようになってきた。このような加工方法は、超音波切削加工と呼ばれて、例えば、非特許文献1に詳しく記載されている。超音波切削加工は、被加工物と工具との摩擦抵抗が、小さくなるため、加工面の熱歪みが低減され、加工精度が高くなり、そして切削工具の寿命が長くなるなどの利点を有している。
超音波研削装置は、非特許文献2に詳しく記載されている。図1に示す超音波研削装置も回転軸を回転させるためのモータがあり、その回転軸にスリップリング、超音波振動子が備えられている。さらに、回転軸にはブースタ、ホーンそして研削工具であるダイヤモンド砥石が接続されている。また回転自在に支持するための軸受が配置されている。また超音波交流電圧を超音波振動子に印加するための超音波発振器とブラシを備えている。
上記の超音波研削装置の概略の運転方法は以下の通りである。まずモータを動作させるとほぼ同時に超音波発振器からブラシを介して回転するスリップリングに超音波交流電圧を印加する。スリップリングに与えられた交流電圧は超音波振動子に印加され、超音波振動子は超音波振動する。この超音波振動が、ブースタそしてホーンを伝播し、そして研削工具であるダイヤモンド砥石に伝播する。
The general operation method of the above ultrasonic grinding apparatus is as follows. First, when the motor is operated, an ultrasonic alternating voltage is applied from an ultrasonic oscillator to a slip ring that rotates through a brush almost simultaneously. The AC voltage applied to the slip ring is applied to the ultrasonic vibrator, and the ultrasonic vibrator vibrates ultrasonically. This ultrasonic vibration propagates through the booster and horn, and then propagates to the grinding wheel, which is a grinding tool.
しかし、回転軸に超音波振動子を取り付けると回転軸が超音波振動するので軸受にも超音波振動が伝播し、軸受は破損の恐れが生ずる。また回転軸および軸受に異常な磨耗が発生し、磨耗が大きくなる恐れがある。さらに、回転軸の直径とほぼ等しい超音波振動子であるランジュバン型超音波振動子を回転軸に接合するため、重量が増加して、回転慣性が大きくなり高速回転には不適な構成になる。さらに、回転軸に接合された超音波振動子の形状の誤差、重量のアンバランスにより回転が不安定になり、回転装置が故障し、加工精度が低下する。
別の問題点として、工具を保持するチャック装置と工具が超音波振動により互いに摩擦し焼き付けが発生する。
さらに、超音波振動により、時としては工具を保持するチャック装置の保持力が小さくなり、加工時に機械的負荷が工具に加わったときに工具が止まってしまう問題点もある。However, when an ultrasonic vibrator is attached to the rotating shaft, the rotating shaft vibrates ultrasonically, so that the ultrasonic vibration propagates to the bearing and the bearing may be damaged. Also, abnormal wear may occur on the rotating shaft and the bearing, which may increase wear. Furthermore, since a Langevin type ultrasonic transducer, which is an ultrasonic transducer approximately equal to the diameter of the rotating shaft, is joined to the rotating shaft, the weight increases, the rotational inertia increases, and the structure becomes unsuitable for high speed rotation. Further, the rotation becomes unstable due to the shape error and weight imbalance of the ultrasonic transducer bonded to the rotating shaft, the rotating device breaks down, and the processing accuracy decreases.
Another problem is that the chuck device holding the tool and the tool are rubbed with each other by ultrasonic vibration and seizure occurs.
Furthermore, due to the ultrasonic vibration, the holding force of the chuck device that holds the tool sometimes becomes small, and there is a problem that the tool stops when a mechanical load is applied to the tool during processing.
また、チャック装置を固定端として工具が振動するので、固定端からの工具の長さにより駆動周波数を変化させなければならないが、工具に比較してランジュバン型超音波振動子、回転軸及びホーンの質量が大きいため、主に前記ランジュバン型超音波振動子などの固有振動数でしか効率的に振動を励起することができない。したがって、工具に最適な振動を励起することができないという問題点もある。 In addition, since the tool vibrates with the chuck device as a fixed end, the drive frequency must be changed depending on the length of the tool from the fixed end. However, the Langevin type ultrasonic vibrator, rotating shaft and horn Since the mass is large, vibration can be efficiently excited mainly only at the natural frequency of the Langevin type ultrasonic vibrator. Therefore, there is also a problem that it is impossible to excite vibrations optimal for the tool.
本発明の目的は、被加工物を高精度および高速度で加工することができ、かつ切削加工する回転工具の消耗の小さい超音波加工装置を提供するものである。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an ultrasonic machining apparatus that can machine a workpiece with high accuracy and high speed and that consumes less of a rotary tool for machining.
本発明は、切削加工する回転工具を持つ超音波加工装置において、圧電素子を有する超音波ホルダーが回転工具を固定保持し、かつ超音波加工装置の回転軸に直接またはチャック装置を用いて前記超音波ホルダーが固定保持され、そして前記圧電素子に超音波発振器より交流電圧を印加するものである。 The present invention relates to an ultrasonic machining apparatus having a rotary tool for cutting, wherein an ultrasonic holder having a piezoelectric element holds and holds the rotary tool, and the ultrasonic tool is used directly on a rotation shaft of the ultrasonic machining apparatus or using a chuck device. A sonic holder is fixedly held, and an AC voltage is applied to the piezoelectric element from an ultrasonic oscillator.
本発明はまた、前記超音波ホルダーが同じ中心軸を有する筒体を2個持ち、外側の筒体と内側の筒体は弾性板で接続され、かつ内側の筒体の外表面に圧電素子が接合されていることを特徴とするものである。 In the present invention, the ultrasonic holder has two cylinders having the same central axis, the outer cylinder and the inner cylinder are connected by an elastic plate, and a piezoelectric element is provided on the outer surface of the inner cylinder. It is characterized by being joined.
本発明はまた、前記外側の筒体と内側の筒体を接続する弾性板が、複数個とするものである。 In the present invention, a plurality of elastic plates connecting the outer cylinder and the inner cylinder are provided.
本発明はまた、前記筒体の中心軸に直交する断面形状が、筒体の外側形状が円、または正4角形以上の正多角形であり、筒体の内側形状が円、または正4角形以上の正多角形とするものである。 According to the present invention, the cross-sectional shape orthogonal to the central axis of the cylindrical body is an outer shape of the cylinder or a regular polygon that is equal to or more than a regular tetragon, and an inner shape of the cylinder is a circle or a regular square. The above regular polygon is used.
本発明の超音波加工装置は、被加工物を高精度および高速度で加工することができ、かつ切削加工する回転工具の消耗を小さくできる。 The ultrasonic processing apparatus of the present invention can process a workpiece with high accuracy and high speed, and can reduce the consumption of a rotary tool for cutting.
図2は、本発明の実施の形態を示す基本的な構成を示す断面図である。ステンレス製の回転軸2を回転させるためのモータ1が備えられている。回転軸2を回転自在に支持するための軸受3があり、さらにこの軸受3を固定するためのステンレスのケース10がある。回転軸2には工具ホルダー5がネジ込み連結されている。ケース10に固着された固定側のロータリートランス4bがある。そして、固定側のロータリートランス4bには超音波交流電力を供給するための超音波発振器14がリード線15bにより接続されている。また回転側のロータリートランス4aは、工具ホルダー5の上部にネジを用いて接合されている。回転側のロータリートランス4aと超音波ホルダー12の圧電セラミックは、リード線15aにより接続する。ドリル6は超音波ホルダー12に嵌め込まれ、そしてコレット11にさらに嵌め込まれ、締め付けナット9により工具ホルダー5に固定保持される。ドリル6の下には、テーブル8にワックスなどを用いて固定された被加工物7がある。 FIG. 2 is a cross-sectional view showing a basic configuration showing the embodiment of the present invention. A
上記では超音波ホルダー12を回転軸2に取り付けた工具ホルダー5とコレット11そして締め付けナット9を固定保持したが、もちろん超音波ホルダー12を直接、回転軸2に取り付けることもできる。さらに、超音波ホルダー12を固定保持するチャック装置としてドリルチャックもある。 In the above description, the
超音波ホルダー12の詳細を図3の平面図と図3のA−A線での断面を示す図4を用いて説明する。超音波ホルダー12は、工具を保持するテーパ穴17を持った円筒体16bとコレットに保持される円筒体16a、そしてこれらの2個の円筒を接続する弾性板18a、18bから成っている。なおテーパ穴17を持った円筒16bの外側にエポキシ樹脂を用いて圧電素子である円筒状の圧電セラミック13が接合されている。圧電素子としては、通常圧電セラミックを用いるが、例えば特に高温になる環境では圧電単結晶を用いることもできる。 Details of the
ここで超音波ホルダー12の作成方法について説明する。まず、テーパ穴17を持ったステンレス製の円筒体16bの外側にエポキシ樹脂を用いて円筒状の圧電セラミック13を接合する。なお、円筒体16bと弾性板18bは一体で構成する。また、同様に円筒体16aと弾性板18aも一体で構成する。このようにすることで、部品点数を減らすことができ、かつ弾性板の接合部分を少なくできるので、信頼性の高い構造となる。次いで、コレットに保持されるステンレス製の円筒体16aと、上記の円筒状の圧電セラミック13を接合した円筒体16bのそれぞれの中心軸を一致させエポキシ樹脂により接合する。ここでは、エポキシ樹脂を用いて接合したが、ロウ付けまたは、溶接などの接合方法もある。 Here, a method of creating the
図5の斜視図で示す円筒状の圧電セラミック13は矢印で示す半径方向に分極されている。そしてその内面と外面に銀電極が設けられている。また、外面からのみリード線を出すために内面の電極から折り返し電極を設ける。図面の都合上、折り返し電極だけを格子状の斜線で示した。そして、外面の電極と接続するリード線15a、内面の電極と接続した折り返し電極とリード線15bを接続する。 The cylindrical piezoelectric ceramic 13 shown in the perspective view of FIG. 5 is polarized in the radial direction indicated by an arrow. Silver electrodes are provided on the inner and outer surfaces. Further, in order to lead out the lead wire only from the outer surface, a folded electrode is provided from the electrode on the inner surface. For convenience of drawing, only the folded electrodes are indicated by grid-like oblique lines. Then, the
次にこの超音波加工装置の運転方法を、図2を用いて説明する。まずモータ1の電源を入れ回転軸2を回転させる。次に共振周波数を追尾できる超音波発振器14のスイッチを入れ、固定側のロータリートランス4b、回転側のロータリートランス4aを介して円筒状の圧電セラミック13に超音波交流電圧を印加する。そして被加工物7をドリル6により加工する。 Next, the operation method of this ultrasonic processing apparatus will be described with reference to FIG. First, the
ここで、コレット11に固定保持された超音波ホルダー12とドリル6の振動変位を有限要素法を用いて計算する。計算したモデルは図6に示すものである。計算時間を短縮するためと、軸対称の条件を含ませるために、中心軸に対して1/4だけを計算した。またその他の条件として、コレット11に保持される円筒体16aの外側の変位を拘束した。 Here, the vibration displacement of the
ここで計算に用いた寸法と材料について説明する。先ずコレットに保持される円筒体16aの材料はステンレスであり、寸法は外径20mm、内径16mm、長さ30mmである。2個の弾性板18a、18bの材料はステンレスであり、外径16mm、内径10mm、長さ2mmである。また、テーパ穴17を持った円筒体16bの材料はステンレスであり、外径10mm、長さ30mmであり、その中心部のテーパ穴17の形状は、ドリル先端側の直径が6mm、反対側の直径が4mmそして長さが30mmである。そしてテーパ穴17を持った円筒体16bの外側に接合した圧電セラミック13の寸法は、外径12mm、内径10mm、長さ24mmである。 Here, dimensions and materials used for the calculation will be described. First, the material of the
また、円筒体のテーパ穴に嵌め込まれたドリルは工具鋼製であり、シャンク部の寸法はドリル先端側の直径が6mm、反対側の直径が4mmそして長さが30mmであり、ドリル部の寸法が直径が6mm、長さが50mmである。 The drill fitted into the tapered hole of the cylindrical body is made of tool steel. The diameter of the shank is 6 mm on the drill tip side, 4 mm on the opposite side, and 30 mm in length. Has a diameter of 6 mm and a length of 50 mm.
ドリル6はシャンクの形状によって、図8に示すテーパシャンクドリル6aと図9に示すストレートシャンクドリル6bに大別される。また、ドリルはシャンク部19とドリル部20に区分される。本実施の形態ではシャンク部19がテーパであるドリルを円筒体のテーパ穴にはめ込むことにより工具であるドリルを固定保持したが、さらに固定保持力を増強するために瞬間接着材を用いてもよい。瞬間接着材は剥離液により簡単に取り除くことができるので超音波ホルダーを再利用するのに適している。また、図9に示すストレートシャンクドリル6bはドリルチャックにより固定保持するのに適している。ドリルのシャンク及びドリルチャックについては、非特許文献3に記述してある。
周波数応答の計算条件として、圧電セラミックの内径側の電極に0ボルト、外径側の電極に1ボルトを印加する。 As a calculation condition of the frequency response, 0 volt is applied to the inner diameter side electrode and 1 volt is applied to the outer diameter side electrode of the piezoelectric ceramic.
周波数応答の計算結果を図7に示す。図7のグラフの横軸は周波数であり、10KHzから100KHzまでの間を1KHzステップで計算している。また、縦軸はアドミッタンスである。このグラフより68KHzと89KHzに固有振動数を持つ固有振動モードがあることがわかる。The calculation result of the frequency response is shown in FIG. The horizontal axis of the graph of FIG. 7 is the frequency, and is calculated from 1 KHz to 100 KHz in 1 KHz steps. The vertical axis represents admittance. From this graph, it can be seen that there are natural vibration modes having natural frequencies at 68 KHz and 89 KHz.
図10に68KHzの固有振動モードを示す。圧電セラミック13の印加された電圧により内側の円筒体16bが変位する。この振動変位はテーパ穴17に接続されたドリル6に伝播し、ドリル6を主に軸方向に振動させる。ドリル6の振動の大きさは、1ボルトの印加電圧で約0.2μmであり、実際は数十ボルトの電圧を印加するので、十分な振動の大きさである。また内側の円筒体16bと外側の円筒体16aを接続する弾性板18a、18bも振動するが、弾性板18a、18bの形状の効果によりバネの作用をする。すなわち、内側の円筒体16bの振動を抑制する作用は小さく、かつ外側円筒体16aと接続しているのである。さらに外側の円筒体16aをコレットにより固定保持しているので、外側の円筒体16aの外表面の変位はない。 FIG. 10 shows the 68 KHz natural vibration mode. The inner
図11に89KHzの固有振動モードを示す。圧電セラミック13の印加された電圧により内側の円筒体16bが変位する。この振動変位はテーパ穴17に接続されたドリル6に伝播し、ドリル6を主に軸方向に振動させる。ドリルの振動の大きさは、1ボルトの印加電圧で約0.02μmであり、68KHzの固有振動モードの約10分の1であるが、周波数が高いので加速度は大きい。この振動モードも68KHzの固有振動モードとほぼ同様であり、内側の円筒体16bと外側の円筒体16aを接続する弾性板18a、18bがバネの作用をする。すなわち、内側の円筒体16bの振動を抑制する作用は小さく、かつ外側の円筒体16aと接続しているのである。さらに外側の円筒体16aをコレットにより固定保持しているので、外側の円筒体の外表面の変位はない。 FIG. 11 shows the natural vibration mode of 89 KHz. The inner
上記のように、圧電セラミック13が発生する超音波振動は内側の円筒体16bとこれに保持されたドリル6だけにほぼ集中し、2個の弾性板18a、18bの効果により外側の円筒体16aにはほとんど伝播しない。したがって、工具ホルダーなどには、ほとんど振動が伝播することがないため振動ロスが小さい。このため、小さな電力で必要な大きさの振動をドリルに励起させることができる。したがって、ドリルの温度の上昇を小さくできるので、加工精度を向上させることができる。また、当然回転軸2にもほとんど振動が伝播しないので軸受3または回転軸2の振動による損傷の恐れはほとんどない。 As described above, the ultrasonic vibration generated by the piezoelectric ceramic 13 is almost concentrated only on the inner
また、超音波振動は摩擦係数を小さくする作用が、工具ホルダーと超音波ホルダーの接触面では超音波振動はほとんどないので、被加工物を加工しているときの負荷により工具ホルダーと超音波ホルダーの間でスリップすることはない。したがって、ドリルが破損し、被加工物が損傷することはない。 Also, ultrasonic vibration has the effect of reducing the coefficient of friction, but there is almost no ultrasonic vibration at the contact surface between the tool holder and the ultrasonic holder, so the tool holder and ultrasonic holder are affected by the load when processing the workpiece. Never slip between. Therefore, the drill is broken and the workpiece is not damaged.
上記のように、ドリルと内側の円筒体だけが振動することにより、被加工物とドリルとの摩擦抵抗が、小さくなるため、加工面の熱歪みが低減され、加工精度が高くなり、そして、切削工具の寿命が長くなるなどの利点を有している。 As described above, only the drill and the inner cylindrical body vibrate, so that the frictional resistance between the workpiece and the drill is reduced, so that the thermal distortion of the processed surface is reduced, the processing accuracy is increased, and It has advantages such as a long tool life.
また、当然回転軸にもほとんど振動が伝播しないので軸受または回転軸の振動による損傷の恐れはほとんどない。 Of course, since vibration hardly propagates to the rotating shaft, there is almost no risk of damage due to vibration of the bearing or the rotating shaft.
また、工具であるドリルに直接圧電セラミックを接合すると、工具の消耗とともに高価な圧電セラミックも廃棄しなければならない。しかし、上記のように超音波ホルダーを使用することにより、消耗したドリルだけを廃棄すればよいので、製造コストを小さくできる。 In addition, when a piezoelectric ceramic is directly joined to a drill, which is a tool, the expensive piezoelectric ceramic must be discarded as the tool is consumed. However, by using the ultrasonic holder as described above, it is only necessary to discard the worn drill, so that the manufacturing cost can be reduced.
本発明では、超音波ホルダーの形状として円筒体を用いて説明したが、例えば図12(A)で示す外側の筒体を円筒体とし、内側の筒体を貫通穴を持った正4角柱でもよい。また、図12(B)で示す外側の筒体を正6角柱のパイプとし、内側の筒体を貫通穴を持った正6角柱でもよい。さらに図12(C)で示す外側の筒体を正8角柱のパイプで、内側に貫通穴を持った円筒体でもよい。 Although the present invention has been described using a cylindrical body as the shape of the ultrasonic holder, for example, the outer cylinder shown in FIG. 12A is a cylindrical body, and the inner cylinder is a regular quadrangular prism having a through hole. Good. Alternatively, the outer cylinder shown in FIG. 12B may be a regular hexagonal pipe, and the inner cylinder may be a regular hexagonal cylinder having a through hole. Further, the outer cylinder shown in FIG. 12C may be a regular octagonal pipe and a cylinder having a through hole inside.
本発明では、超音波ホルダーの外側の筒体と内側の筒体を接続するために弾性板を2個用いたが、図13の平面図、そして図13のA−A線での断面図14で示すように例えば、大型の工具を用いる場合は、超音波ホルダーの強度を上げるために弾性板を3個以上用いることもある。またそれに従い、圧電セラミックを複数個用いることもある。 In the present invention, two elastic plates are used to connect the outer cylindrical body and the inner cylindrical body of the ultrasonic holder, but the plan view of FIG. 13 and the sectional view taken along the line AA of FIG. For example, when a large tool is used, three or more elastic plates may be used to increase the strength of the ultrasonic holder. In accordance with this, a plurality of piezoelectric ceramics may be used.
さらに前記弾性板の剛性を小さくするために弾性体にスリット、穴などを設けることもできる。また、弾性板の材料は、振動疲労特性の優れたチタン、アルミ合金、ステンレスなどの金属材料が適している。 Furthermore, in order to reduce the rigidity of the elastic plate, a slit, a hole or the like can be provided in the elastic body. As the material of the elastic plate, a metal material such as titanium, aluminum alloy or stainless steel having excellent vibration fatigue characteristics is suitable.
本発明では、回転工具としてドリルを用いて説明したが、回転工具としては、エンドミル、リーマ、タップなどがある。 Although the present invention has been described using a drill as the rotary tool, examples of the rotary tool include an end mill, a reamer, and a tap.
本発明の超音波加工装置は、工具を回転させ被加工物を加工する様々な加工装置に用いることができる。 The ultrasonic processing apparatus of the present invention can be used in various processing apparatuses that process a workpiece by rotating a tool.
1 モータ
2 回転軸
3 軸受
4 ロータリートランス
5 工具ホルダー
6 ドリル
7 被加工物
8 テーブル
9 締め付けナット
10 ケース
11 コレット
12 超音波ホルダー
13 圧電セラミック
14 超音波発振器
15 リード線
16 筒体
17 テーパ穴
18 弾性板
19 シャンク部
20 ドリル部DESCRIPTION OF
Claims (4)
Priority Applications (1)
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JP2006222104A JP2008023696A (en) | 2006-07-20 | 2006-07-20 | Ultrasonic processing device |
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JP2006222104A Withdrawn JP2008023696A (en) | 2006-07-20 | 2006-07-20 | Ultrasonic processing device |
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