JP2008200838A - 超音波工具ホルダ - Google Patents

Abstract

【課題】 加工精度が高く、かつ信頼性の高い超音波加工する工具ホルダを提供すること。
【解決手段】 超音波工具ホルダ１は、振動駆動部２、チャック板４そして工具６または工具取付け軸５から構成される。振動駆動部２は、圧電セラミック３ａ、３ｂを鋼製のフロントマス１９と、リアマス２０により締め付けて一体化したものである。フロントマス１９の前面に工具取付け軸５が一体として設けられている。チャック板４をフロントマス１９の前面にボルトにより接合する。そして、チャック板４の外周部を保持固定する。フロントマス１９と電極が短絡を防ぐために絶縁体２２を位置させている。
【選択図】図３

Description

本発明は、工具を保持する超音波工具ホルダに関するものである。

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、ワーク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。工具としては、旋盤に用いるバイト、フライス盤に用いるエンドミルなどがある。超音波切削加工は、ワーク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は、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。
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 日本電子機械工業会、「超音波工学」、株式会社コロナ社、１９９３年、ｐ２１８−２２９

図１の超音波研削装置は、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。

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。

本発明の目的は、高精度および高い信頼性をもつ超音波加工法を提供するものである。

本発明は、工具を保持する工具ホルダにおいて、中心軸を同一にする工具または工具取付け軸、振動駆動部、そしてチャック板から構成されていること、そして振動駆動部には圧電セラミックを接合していること、工具または工具取付け軸側の振動駆動部の端面にチャック板を接合し、機械加工装置がそのチャック板を固定保持するものである。

本発明はまた、工具または工具取付け軸の直径を超音波工具ホルダの振動駆動部の直径より小さいものとすることである。

本発明の超音波工具ホルダを使用して、フライス盤などの機械加工機に用いて超音波加工を行うことにより高精度かつ高速加工を可能となる。

図２は、本発明の構成の超音波工具ホルダ１を示す基本的な構成を示す正面図、そして図３は図２のＡ−Ａ線での断面図である。超音波工具ホルダ１は、振動駆動部２、チャック板４そして工具６または工具取付け軸５から構成される。振動駆動部２は、圧電セラミック３ａ、３ｂを鋼製のフロントマス１９と、リアマス２０により締め付けて一体化したものである。なお、このような構成はランジュバン型振動子と呼ばれている。フロントマス１９の前面に工具取付け軸５が一体として設けられている。チャック板４をフロントマス１９の前面にボルトにより接合する。そして、チャック板４の外周部を保持固定する。フロントマス１９と電極が短絡を防ぐために絶縁体２２を位置させている。

工具取付け軸５を工具６そのものにすることも可能であることはもちろんであり、工具６の例としてエンドミル、ドリルなどがある。

また工具取付け軸５の直径Ｄ２も超音波工具ホルダの直径Ｄ１の０．１倍から０．７倍の範囲にあることが望ましい。工具取付け軸５の直径Ｄ２が超音波工具ホルダ１の振動駆動部の直径Ｄ１の０．１倍より小さいと、工具取付け軸５が細くなる過ぎるため、工具６を剛性高く保持できない。そして工具取付け軸５の直径Ｄ２が超音波工具ホルダの振動駆動部の直径Ｄ１の０．７倍より大きいと、工具取付け軸５の超音波振動の変位が小さくなってしまう。

ここでチャック板４の外周を保持固定することで、工具６または、工具取付け軸５だけが振動するモードを優先的に励起することができる。なぜなら、他の振動モードはチャック板４が大きく振動するモードであり、チャック板４の振動を拘束することにより、これらの他の振動モードを励起させない、または小さくできる。

上記の内容を確認するために超音波工具ホルダ１の振動を、有限要素法を用いて計算した。計算を簡単にするために対称条件を用いて図４に示すモデルを用いて９０度だけ計算した。工具取付け軸５の材質は鋼製で寸法は、直径１０ｍｍそして長さ３０ｍｍである。また超音波工具ホルダ１の振動駆動部２は直径が３０ｍｍ、長さ２０ｍｍの鋼製のリアマス２０、外径３０ｍｍ、内径１０ｍｍそして厚さ５ｍｍの圧電セラミック３、直径が３０ｍｍ、長さ２０ｍｍの鋼製のフロントマス１９を直径１０ｍｍ長さ５ｍｍの鋼製の棒で連結して製作する。そして、１０ＫＨｚから１００ＫＨｚまで１ＫＨｚ刻みで圧電セラミック３に１Ｖ印加した周波数特性を計算した。この計算結果を図５に示す。

まず３４ＫＨｚの振動モードを図６に示す。超音波工具ホルダ１の振動変位をベクトルにより示す。チャック板４はほとんど振動していない。そして、振動駆動部２も振動が小さい。工具取付け軸５だけが、チャック板４を固定端として大きく振動している。この振動モードは、今まで使用されていない新規な振動モードである。

この新規な振動モードをより確実に励起するためには、チャック板４の振動を拘束する。このような拘束を与えることでチャック板４が振動するモードが励起されることを防ぐことができ、工具取付け軸５だけが振動するモードを優先的に励起することができる。さらに、工具取付け軸５の長さは、振動駆動部２の０．５倍以上であることが望ましい。なぜならば工具取付け軸の長さが振動駆動部２の長さの０．５倍以上にすることにより振動駆動部の端面を固定端とする工具取付け軸５の１次縦振動モードを励起させ易くするためである。

以上のようなチャック板４がほとんど節になっている振動モードでは、チャック板４を拘束してもほとんど工具取付け軸５の縦振動を減衰させない。工具取付け軸５だけをほぼ振動させるだけなので、不要な振動を機械装置に伝播させない。また、不要な振動を伝播させないため、振動エネルギーを小さくできるので発熱量を小さくでき、加工精度を向上させることができる。さらに供給電力を小さくすることができるので電源を小さくすることができるので設備コストを低減することができる。

次に４２ＫＨｚの振動モードを図７に示す。超音波工具ホルダ１の振動変位をベクトルにより示す。振動駆動部２の中心部を節とした縦振動をしている。振動駆動部２の中心部を節とする振動モードでは、チャック板４は、振動駆動部２の中心部を節とした振動をするが、チャック板４を拘束すれば、このモードの振動は小さくなる。

さらに５８ＫＨｚの振動モードを図８に示す。超音波工具ホルダ１の振動変位をベクトルにより示す。チャック板４が大きく振動しているモードである。チャック板４を拘束すれば、このモードの振動は小さくなる。

図９は、超音波工具ホルダ１を用いた超音波研磨装置の基本的な構成を示す一部の断面を含む正面図である。ステンレス製の中空の回転軸８を回転させるための中空のモータ９が備えられている。回転軸８を回転自在に支持するための軸受１０があり、さらにこの軸受１０を固定するためのステンレスのケース１１がある。回転軸８には回転軸８に固着された回転側のロータリートランス１２ａがある。回転側のロータリートランス１２ａの近傍には固定側のロータリートランス１２ｂがある。固定側のロータリートランス１２ｂを取付けた固定板は図面を簡略化するために示さない。回転軸８に取り付けた保持装置であるチャック装置１６によりチャック板４を固定するフランジ２１を介して超音波工具ホルダ１を固定する。回転側のロータリートランス１２ａと、超音波工具ホルダ１に固着した圧電セラミック３はリード線１７により電気的に結合されている。超音波工具ホルダ１の工具取付け軸５の先端には工具６であるダイヤモンド単結晶の切削チップ１５を持った円盤が接合してある。そしてその下には、テーブル１８に固定された円盤状のアルミナのワーク１３がある。

次にこの超音波工具ホルダ１を用いた加工装置の運転方法を、図９を用いて説明する。まずモータ９の電源をいれ回転軸８を回転させる。次に超音波発振器１６のスイッチを入れ、回転側のロータリートランス１２ａ、固定側のロータリートランス１２ｂを介して圧電セラミック３に３４ＫＨｚの９０Ｖ（Ｐ−Ｐ）の交流電圧を印加する。工具取付け軸５先端に約１１μｍの縦振動が励起され、工具取付け軸５先端に取り付けた工具６であるダイヤモンド単結晶の切削チップ１５を持った円盤が振動する。

上記の加工は超音波切削加工であり、ワーク１３と工具６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、工具６の寿命が長くなるなどの利点を有している。

上記の同様な超音波切削加工の効果については、非特許文献２の２２６ページから２２９ページに詳しく記述されている。

また、当然回転軸８にもほとんど振動が伝播しないので軸受１０または回転軸８の振動による損傷の恐れはほとんどない。

上記のように、工具６と超音波工具ホルダ１の工具取付け軸５にだけ振動を励起することができることにより加工精度の高い、信頼性の高い超音波加工を提供できる。

回転軸８に超音波工具ホルダを取り付ける別の方法について図１０の正面図と図１０のＡ−Ａ線での断面図を用いて説明する。

超音波工具ホルダ１をチャック板４と一体となった円筒状の構成により固定保持する。円筒状の先端はテーパー状になっている。そして、回転軸８の先端もテーパー状にしている。
回転軸８のテーパーとチャック板４のテーパーを熱によりカシメ接合する。このような接合法により加工負荷が大きくなっても緩みなどが生じるのを防ぐことができる。

また回転軸の直径と同じ直径で接続されているので、曲げ応力に対して構造的に強くなっているため、不要な曲げ振動の発生の虞がない。

以上示したように本発明の超音波工具ホルダを用いた超音波加工は、超音波工具ホルダの工具取付け軸と工具にだけほぼ超音波振動を励起させることができるので、加工精度が高く、工具の寿命が長くなりそして加工速度を高めるなどの利点を有している。

本発明に用いる工具は、上記の他、エンドミル、ナイフ、ドリル、リーマー、溶着ヘッド、分散ヘッドなどがある。

以上の超音波工具ホルダの外側形状は、円柱で説明したが、超音波工具ホルダの所望の振動モードを得るためには、正三角柱以上の正多角柱および円柱が望ましい。

本発明の超音波工具ホルダは、多様な機械加工装置に用いて超音波加工することができる。

従来の超音波研磨装置を示す概略説明図である。 本発明の構成の超音波工具ホルダを示す正面図である。 図３のＡ−Ａ線での断面図である。 超音波回転ホルダの有限要素法の計算で使用するモデルである。 図５のモデルの周波数応答を示す図である。 有限要素法により３４ＫＨｚの振動モードを計算した図である。 有限要素法により４２ＫＨｚの振動モードを計算した図である。 有限要素法により５８ＫＨｚの振動モードを計算した図である。 研磨装置に本発明の超音波工具ホルダを用いた一部断面を含む側面図である。 本発明の別の超音波工具ホルダを示す正面図である。 図１０のＡ−Ａ線での断面図である。

符号の説明

１ 超音波工具ホルダ
２ 振動駆動部
３ 圧電セラミック
４ チャック板
５ 工具取付け軸
６ 工具
７ 超音波研磨装置
８ 回転軸
９ モータ
１０ 軸受
１１ ケース
１２ ロータリートランス
１３ ワーク
１４ チャック装置
１５ 切削チップ
１６ 超音波発振器
１７ リード線
１８ テーブル
１９ フロントマス
２０ リアマス
２１ フランジ
２２ 絶縁体

Claims (3)

1. 工具を保持する工具ホルダにおいて、中心軸を同一にする工具または工具取付け軸、振動駆動部、そしてチャック板から構成されていること、そして振動駆動部は圧電セラミックを有し、かつ機械加工装置がチャック板を固定保持する特徴とするものである。
2. 前記チャック板を振動駆動部の工具または工具取付け軸側の端面に接合することを特徴とする請求項１に記載の工具ホルダ。
3. 前記工具または工具取付け軸の直径が振動駆動部の直径より小さいことを特徴とする請求項１に記載の工具ホルダ。

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