JP2008162004A

JP2008162004A - バイトホルダー

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Publication number: JP2008162004A
Application number: JP2007023523A
Authority: JP
Inventors: Kazumasa Onishi; 一正大西
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-01-04
Filing date: 2007-01-04
Publication date: 2008-07-17

Abstract

【課題】加工精度が高く、加工速度が高くかつ切削工具が長寿命であるバイトホルダーを提供すること。
【解決手段】バイトホルダー１は、工具鋼製である。圧電素子７ａ、７ｂである圧電セラミックをバイトホルダー１の側面にエポキシ樹脂を用いて接合する。そしてボルト１２によりバイトホルダー１の先端に切削チップ６を取り付ける。バイトホルダー１に放電加工により複数のスリット２を設ける。スリット２は、表面から裏面に向かって厚さ方向に貫通している。スリット２は長さ方向に平行に配置されている。圧電セラミック７の両面には銀ペーストを印刷して設けた電極部があり、かつ板厚方向に分極されている。電極部の表面には電気的絶縁を確保するために絶縁塗料を塗布している。
【選択図】図３

Description

本発明は、旋盤に用いるバイトホルダーに関するものである。

従来、例えば金属材料やプラスチック材料等からなるワークの内周面の切削加工においては、図１に示すように、旋盤５の刃物台である保持装置４に内周加工用の切削チップ６を備えたバイトホルダー１を取付けると共にワーク１１を旋盤主軸先端のチャック装置９に取り付け、ワーク１１を回転させると同時に刃物台である保持装置４に送りを与え、これによりワーク１１の内周面を所定の寸法に加工していた。

しかしながら、かかる従来のワーク１１の内周面の切削加工においては切削加工中にバイトホルダー１とワーク１１との間にびびり振動が発生し、このびびり振動が加工精度の劣化や工具寿命の短縮などを招く問題があった。

特に、このような切削加工ではバイトホルダー１の突き出し長さをワーク１１の加工深さより長くする必要があるが、このためワーク１１の加工深さが深くなればなるほどバイトホルダー１の突き出し長さは、長くなり、バイトホルダー１が長くなると前記びびり振動がより生じ易くなる。

さらに、ワーク１１の内径が小さい場合にはそれに合わせバイトホルダー１も径を小さくする必要があるが、このようなバイトホルダー１が細くなるとバイトホルダー１の剛性が低下し、同様にびびり振動がより生じ易くなる。

このような従来の切削加工における問題点を解決するために、図２の特許文献１に示す超音波振動を切削１具に印加し、切削加工中にバイトホルダーとワークとの間に発生するびびり振動を抑制し、加工精度が良好で加工能率が良く、工具寿命の長くすることを狙ったものがある。

前記の超音波振動を印加する加工方法は、超音波切削加工と呼ばれており、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、加工対象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。

ここで図２の特許文献１に示す超音波加工装置について詳しく説明する。切削工具は、超音波捻り振動を発生する超音波捻り振動器と、超音波捻り振動器により発生された捻り振動を撓み振動に変換する撓み振動体とを備えている。超音波捻り振動器は、ボルト締めランジュバン型電歪振動子からなり、超音波発振器１０からの高周波駆動信号により駆動される。

また、超音波捻り振動器の先端には、超音波捻り振動器より発生した捻り振動の振幅を拡大して、撓み振動体に伝達する振幅拡大用ホーンがねじ止めされており、超音波捻り振動は該ホーンを通過することにより振動振幅が数倍に拡大される。

さらに振幅拡大用ホーンの先端には、捻り振動を撓み振動に変換するための撓み振動体が図示しないネジでねじ止めされており、該撓み振動体の先端には切削チップ６がねじ止めされている。

そして、これら超音波捻り振動器、振幅拡大用ホーン、撓み振動体、切削チップ６は、超音波捻り振動器の固有振動数とほぼ同一の振動数で定在波が発生し共振する振動系となっている。

さらに該捻り振動系は、振幅拡大用ホーンに発生した定在波の節に設けられたフランジによりケースに取付けられている。また、超音波捻り振動器の後方には、該超音波捻り振動器を冷却するファンが設けられている。

また、このような切削工具を旋盤の刃物台に取り付け、ワークの円周切削加工を行う場合には、該切削工具の取付け手段として防振合金製のバイトホルダーを用いることが好ましいとされている。

このような構成の切削工具によると、加工中のホルダに発生する振動が、従来の１／１０〜１／３０に減少し、高精度且つ高能率の切削加工を行うことができ、工具の長寿命化が図られているとされている。

超音波便覧編集委員会、「超音波便覧」、丸善株式会社、平成１１年８月、ｐ６７９−６８４特開平７−１６４２１７号公報

しかし、上記特許文献１に示す旋盤は、一般のバイトホルダーを使用できないので、特別な形状だけしか加工できない虞がある。

また、工具を保持する保持装置である刃物台と切削工具の一部であるバイトホルダーが超音波振動により互いに摩擦し焼き付けが発生する虞がある。

また超音波振動により、バイトホルダーと保持装置である刃物台の摩擦力が小さくなり、加工時に機械的負荷が切削工具の一部であるバイトホルダーに加わったときに保持装置内でバイトホルダーの位置が変化することにより加工精度が悪化する問題点もある。

さらに、超音波振動子の超音波振動が保持装置である刃物台などに伝播してしまい、切削チップに与える超音波振動が小さくなる。所望の大きさの超音波振動を切削チップに印加するためには、保持装置である刃物台など不要な部分に振動を与えるため不要に大きい超音波交流電力を超音波振動子に与える。このため、超音波振動子は、不要な部分に超音波振動を与える分に相当する余分な発熱があり、切削チップ、保持装置などの温度が上昇する。そのため、加工精度、加工能率及び切削チップの寿命に悪影響を与える。

本発明の目的は、高精度かつ高能率の超音波旋盤加工を提供するものである。

本発明は、旋盤に用いられるバイトホルダーにおいて、バイトホルダーに圧電素子が接合されていること、かつバイトホルダーの長さ方向沿って、厚さ方向に貫通するスリットが設けるものとすることである。そして、前記スリットが２本以上あり、かつ平行に配置するものである。

本発明はまた、旋盤に用いられるバイトホルダーにおいて、バイトホルダーに圧電素子が接合されていること、かつバイトホルダーの長さ方向に溝が設けられ、その溝の深さが保持方向の厚さの１／８以上であるものとすることである。そして、溝がバイトホルダーの長さ方向に平行に２本以上あるものとすることである。

本発明のバイトホルダーを用いることにより高精度かつ高速加工な切削加工が可能となり、さらに切削チップが長寿命となる。

第１の実施の形態である基本的な構成を図３の平面図と図４の側面図で示す。バイトホルダー１は、工具鋼製である。圧電素子７ａ、７ｂである圧電セラミックをバイトホルダー１の側面にエポキシ樹脂を用いて接合する。圧電素子７ａ、７ｂは、バイトホルダー１の長さの半分以上の長さがあることが望ましい。なぜなら、効率よくバイトホルダー１に超音波振動を励起するためには、加振源もバイトホルダー１の長さ方向に振動させる必要がある。そのためには、圧電素子７ａ、７ｂの長さがバイトホルダー１の半分以上の長さが必要である。そしてボルト１２によりバイトホルダー１の先端に切削チップ６を取り付ける。

バイトホルダー１に放電加工により複数のスリット２を設ける。スリット２は、表面がら裏面に向かって厚さ方向に貫通している。スリット２は長さ方向に平行に配置されている。したがって表面と裏面は同じ形状である。

圧電セラミック７の両面には銀ペーストを印刷して設けた電極部があり、かつ板厚方向に分極されている。電極部の表面には電気的絶縁を確保するために絶縁塗料を塗布している。

そして、圧電セラミックにリード線をハンダ付けし、そしてこれらリード線を超音波発振器に接続する。

次に保持装置４に固定保持されたバイトホルダー１を用いた旋盤５の運転方法について図５を用いて説明する。超音波発振器１０から高周波電圧をリード線８を介して板状の圧電素子７ａ、７ｂである圧電セラミックに印加する。所望の周波数の高周波電圧を印加することにより、図３の矢印に示すようバイトホルダー１の長さ方向に伸縮振動が励起される。これとほぼ同時に図示しないモータを起動し、チャック装置９とこれにより機械的に固定されたワーク１１を回転させる。そして、図示しない送りモータを起動し、切削チップ６をワーク１１方向に移動させ、ワーク１１の内周部を切削加工する。切削時には切削液を切削部分に供給する。

複数のスリット２で囲まれたバイトホルダー１の面を保持装置４である刃物台で保持する。スリット２で囲まれたバイトホルダー１の面を保持固定しても、バイトホルダー１のスリット２より外側とは連結部１３だけで接続されているので、保持装置４による固定による影響は、非常に小さい。

したがって、スリット２で囲まれたバイトホルダー１の面内であれば、どこを保持固定してもバイトホルダー１にほとんど同じ振動モードでほとんど同じ振動変位を励起できる。

スリット２の合計長さと連結部１３の合計長さの比は大きいほど保持装置により振動は影響を受けなくなる。しかしこの比が大きくなると機械的強度が小さくなる。したがってスリット２の合計長さが８に対して連結部１３の合計長さが１以上は必要である。

また、市販のバイトホルダー１を放電加工することにより作成できるので、ほとんどの旋盤で使用することができる。

そして、従来の超音波加工を用いた旋盤５は、質量の大きなランジュバン型超音波振動子を用いてバイトホルダー１を振動させている。これに対してバイトホルダー１に接合した圧電素子７の質量は数分の１以下であるので、必要な振動エネルギーは、ほぼ振動させる質量に比例するので、数分の１以下になる。したがって、超音波発振器１０を小型化できることはもちろん、電力投入量が小さいため切削チップの温度の上昇も小さくできるので、加工精度、加工速度も高くできる。

第２の実施の形態である基本的な構成を図６の平面図と図７の側面図で示す。バイトホルダー１は工具鋼製である。そして、幅方向の両側に圧電セラミックである圧電素子７Ａ、７Ｂがエポキシ樹脂により接合する。また、圧電セラミックの分極方向は厚さ方向である。

バイトホルダー１の保持方向の両面にバイトホルダー１厚さの１／４の深さを持つ溝３を設ける。溝３は、バイトホルダー１の上下面の内周を囲む形状である。

このバイトホルダー１を用いた旋盤の運転方法について図５を用いて説明する。超音波発振器１０から高周波電圧をバイトホルダー１に接合された圧電素子７ａ、７ｂの電極部に印加して、バイトホルダー１の工作部２の長さ方向に伸縮振動が励起させる。

同じくこれとほぼ同時に図示しないモータを起動し、チャック装置９とこれにより機械的に固定されたワーク１１を回転させる。そして、図示しない送りモータを起動し、バイトホルダー１とこれに取付けられた切削チップ６をワーク１１方向に移動させ、ワーク１１の内周部を切削加工する。切削時には切削液を切削部分に供給する。

保持装置４である刃物台によりバイトホルダー１の溝３の内側を保持する。溝３で囲まれたバイトホルダー１の面を保持固定しても、バイトホルダー１の溝３より外側とは溝３を除いた厚さだけで接続されているので、保持装置４による固定による影響は、非常に小さい。

したがって、溝３で囲まれたバイトホルダー１の面内であれば、どこを保持固定してもバイトホルダー１にほとんど同じ振動モードでほとんど同じ振動変位を励起できる。

上記の例では、バイトホルダー１の保持方向の両面に深さがバイトホルダー１の厚さの１／４の深さの溝３を持つ構成とした。溝３がない残りのバイトホルダー１の厚さは１／２となる。通常溝３はバイトホルダー１の両面に設ける。したがって溝３の深さは、１／８でも２個の溝３の深さの合計は１／４となる。

バイトホルダー１に設けられた溝の深さは、振動に保持の影響を与えないためには深ければ深いほどよい。しかし機械的な強度を確保するためには最低でもバイトホルダー１の溝３がない厚さはバイトホルダー１の１／８は必要である。

また、市販のバイトホルダー１を機械加工することにより作成できるので、ほとんどの旋盤で使用することができる。

バイトホルダー１の長さが８０ｍｍ以上になると、長さ方向の縦の１次振動の固有振動数が２０ＫＨｚ以下になってしまうこともある。このような場合は、より高次の振動モードを使用する。そのために圧電素子７である圧電セラミックにも高次の振動モードを励起する電極パターンあるいは分極パターンを用いる。

また、溝３を持つバイトホルダー１の保持するため、保持装置４である刃物台の面で保持するには、図８の斜視図で示すように、溝３で囲まれたバイトホルダー１の突起部１４を溝３の外側より高くすればよい。

さらに、スリット２を持つバイトホルダー１の保持するため、保持装置４である刃物台の面で保持するには、図９の斜視図で示すように、スリット２で囲まれたバイトホルダー１の突起部１４をスリット２の外側より高くすればよい。

このような構成にすることで、刃物台で保持するときにバイトホルダー１の位置を細かく設定することなく保持できる。

第１の実施の形態で細長い形状のスリットをバイトホルダー１に設けたが、他の形状でもよく、例えば図１０の斜視図で示すものでも良い。バイトホルダー１に複数のスリット２である孔を設ける。孔の円の直径に対して隣り合う孔の距離である連結部１３の長さが孔の直径の１／８以上は必要である。これは第１の実施の形態で説明した理由によるものである。

上記の例では、バイトホルダー１に縦振動を励起したが、もちろん曲げ振動またはねじり振動を励起することもできる。

以上に述べた本発明のバイトホルダー１によれば、ほぼ切削チップとバイトホルダー１だけを振動させることができることにより切削チップが長寿命であり、加工精度が高く、加工能率の高い旋盤加工を提供できる。

また、旋盤にもほとんど振動が伝播しないので振動による損傷の恐れはほとんどない。

さらに、不要な装置には、ほとんど振動が伝播することがないため振動ロスがほとんどないので小さな電力で必要な大きさの振動を励起させることができる。したがって、切削チップ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、超音波振動は摩擦係数を小さくする作用があるので本体部３または保持装置４が振動すると、保持装置４のバイトホルダー１の保持力が小さくなり、ワーク１１を加工しているときの負荷によりバイトホルダー１と保持装置４の間でスリップし、工具が破損したり、ワークが損傷する。本発明のバイトホルダー１は保持装置４に振動がほとんど伝播しないので、保持装置４の切削工具の保持力が、小さくなる恐れはほとんどない。

本発明のバイトホルダーは、旋盤に用いることができる。

従来の旋盤と切削工具を示す平面図である。従来の超音波切削工具を示す一部断面平面図である。本発明の第１の構成のバイトホルダーを示す平面図である。図３で示したバイトホルダーの側面図である。本発明の第１の構成のバイトホルダーを用いた旋盤を示す平面図である。本発明の第２の構成のバイトホルダーを示す平面図である。図６で示したバイトホルダーの側面図である。本発明の構成の別のバイトホルダーを示す斜視図である。本発明の構成のさらに別のバイトホルダーを示す斜視図である。本発明の構成のさらにもう一つ別のバイトホルダーを示す斜視図である。

符号の説明

１バイトホルダー
２スリット
３溝
４保持装置
５旋盤
６切削チップ
７圧電素子
８リード線
９チャック装置
１０超音波発振器
１１ワーク
１２ボルト
１３連結部
１４突起部

Claims

旋盤に用いられるバイトホルダーにおいて、バイトホルダーに圧電素子が接合されていること、かつバイトホルダーの長さ方向沿って厚さ方向に貫通するスリットが設けられていることを特徴とする。
前記スリットが２本以上あり、かつ平行に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のバイトホルダー。
旋盤に用いられるバイトホルダーにおいて、バイトホルダーに圧電素子が接合されていること、かつバイトホルダーの長さ方向に溝が設けられ、その溝の深さが保持方向の厚さの１／８以上であることを特徴とする。
溝がバイトホルダーの長さ方向に平行に２本以上あることを特徴とする請求項３に記載のバイトホルダー。