JP2008213073A - Vibratory machining device and holder - Google Patents
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Description
本発明は、軸方向に振動する工具を被加工部材に接触させて振動を与えながら、前記被加工部材を加工する振動加工装置と、この振動加工装置に装着される工具保持用ホルダーとに関する。 The present invention relates to a vibration processing device that processes a workpiece while bringing a tool that vibrates in an axial direction into contact with the workpiece, and a tool holding holder that is attached to the vibration processing device.
従来、シリコン、セラミックス、超硬合金などの加工が困難な材質の硬い難削材に高周波で振動する工具を接触させて振動を与えながら難削材を加工する振動加工装置がある。 2. Description of the Related Art Conventionally, there are vibration processing apparatuses that process difficult-to-cut materials while applying vibration by bringing a tool that vibrates at high frequency into contact with a hard-to-cut material that is difficult to process such as silicon, ceramics, and cemented carbide.
この振動加工装置は、振動エネルギを発生するアクチュエータ(振動源)、アクチュエータの振動エネルギを工具に効率良く伝達する振動体などで構成されている。 This vibration machining apparatus includes an actuator (vibration source) that generates vibration energy, a vibrating body that efficiently transmits the vibration energy of the actuator to a tool, and the like.
さらに、振動加工装置は、振動体をスピンドルとして、このスピンドルを支持部材である軸受によって回転自在に支持させることにより、いわゆるドリル加工やミーリング加工を行えるようになる。この場合、振動加工装置のスピンドルと軸受は、ロータを構成している。 Further, the vibration machining apparatus can perform so-called drilling and milling by using a vibrating body as a spindle and rotatably supporting the spindle by a bearing as a support member. In this case, the spindle and the bearing of the vibration processing apparatus constitute a rotor.
そして、振動加工装置は、各種の工具を利用するため、工具を高精度かつ確実に把持させて、工具把持部をロータのスピンドルに備えている(特許文献1)。 In order to use various tools, the vibration machining apparatus grips the tool with high accuracy and reliability, and includes a tool gripping portion on the spindle of the rotor (Patent Document 1).
ところで、振動加工装置における工具把持部は、アクチュエータの振動エネルギを工具に伝達すること、ロータの回転による工具の振れまわりを可能な限り小さくすること等の機能を備えていなければならない。仮に、振動エネルギが確実に工具へと伝達されない場合には、エネルギは損失し、工具が振動しないばかりか、工具の脱落やエネルギ損失が熱にかわり熱膨張や焼損などの問題を引き起こす。また、スピンドルの振れまわりも加工精度の低下原因になる。特に、振動の助けによる加工(振動援用加工)が優位になる工具径の小さな加工においては、工具の折損や、工具の摩耗を引き起こすことになる。 By the way, the tool gripping part in the vibration processing apparatus must have functions such as transmitting vibration energy of the actuator to the tool and minimizing the tool swing due to the rotation of the rotor as much as possible. If the vibration energy is not reliably transmitted to the tool, the energy is lost and the tool does not vibrate. In addition, the tool is dropped and the energy loss is replaced with heat, causing problems such as thermal expansion and burning. In addition, the swing of the spindle also causes a reduction in machining accuracy. In particular, in processing with a small tool diameter, in which processing with the aid of vibration (vibration-assisted processing) is dominant, tool breakage and tool wear are caused.
工具把持部には、広く使用されているコレットチャックがある。コレットチャックは、柔軟な弾性体が介在するために、高周波の振動エネルギを伝達することが困難である。 There is a widely used collet chuck in the tool gripping portion. Since the collet chuck has a flexible elastic body, it is difficult to transmit high-frequency vibration energy.
また、工具把持部としてスピンドルに着脱自在に装着されるホルダーがある。このホルダーには、工具に対して僅かな隙間が生じる隙間ばめ用の孔が形成されている。このため、ホルダーは、孔に工具を挿入して、ボルトで締結したり、接着や接合したりした場合、振れまわりを減らすための工具の芯だし作業が繁雑で、かつ困難であり、高い加工技術が必要であり、さらに、工具の交換が不可能であるなどの問題がある。 There is also a holder that is detachably attached to the spindle as a tool gripping part. The holder is formed with a gap fitting hole that creates a slight gap with respect to the tool. For this reason, when the tool is inserted into the hole and fastened with bolts, or bonded or joined, the tool centering work to reduce runout is complicated and difficult, and high processing There is a problem that a technique is necessary, and that a tool cannot be changed.
本発明は、工具を確実、高精度に把持して高精度に被加工部材を加工する振動加工装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a vibration processing apparatus that reliably and accurately holds a tool to process a workpiece.
本発明は、工具を振動加工装置に確実、高精度に保持させて、工具による被加工部材の加工精度を向上させることのできる工具用のホルダーを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a tool holder that can hold a tool in a vibration machining apparatus with high accuracy and improve the machining accuracy of a workpiece by the tool.
本発明の振動加工装置は、
軸方向に振動する工具を被加工部材に接触させて振動を与えながら、前記被加工部材を加工するようになっており、
前記工具を保持部で保持するホルダーと、
前記ホルダーを円錐状のテーパ部同士の嵌合によって着脱可能に有して振動源の振動を前記ホルダーに伝達するスピンドルと、
前記スピンドルを支持する軸受と、を備え、
前記ホルダーは、前記保持部で焼きばめによって前記工具を保持し、
前記振動源の所定の振動数によって生じる節が前記軸受と前記ホルダーの軸方向の中間部分に位置し、腹が前記テーパ部と前記保持部とに位置している、
ことを特徴としている。
The vibration processing apparatus of the present invention is
While the tool that vibrates in the axial direction is brought into contact with the workpiece, and the vibration is applied, the workpiece is processed,
A holder for holding the tool by a holding part;
A spindle that detachably attaches the holder by fitting conical taper portions and transmits vibrations of a vibration source to the holder;
A bearing for supporting the spindle,
The holder holds the tool by shrink fitting in the holding part,
A node generated by a predetermined frequency of the vibration source is located at an intermediate portion in the axial direction of the bearing and the holder, and an antinode is located at the tapered portion and the holding portion.
It is characterized by that.
本発明のホルダーは、
上記の振動加工装置に用いられるホルダーであって、
一端に、前記スピンドルの円錐状のテーパ凹部に嵌合する円錐状のテーパ凸部を備え、
他端に、前記工具を焼きばめによって保持する保持部を備え、
中間部に、前記ホルダーの最大径の部分を備え、
ていることを特徴としている。
The holder of the present invention is
A holder used in the above vibration processing apparatus,
At one end, it is provided with a conical taper convex portion that fits into the conical taper concave portion of the spindle,
The other end is provided with a holding portion for holding the tool by shrink fitting,
In the middle part, with the largest diameter part of the holder,
It is characterized by having.
本発明の振動加工装置は、ホルダーが工具を保持部で焼きばめによって保持しているので、工具がホルダーに確実に保持されて、振動源の振動が工具に確実に伝達されるとともに、工具の振れまわりが少なくなり、被加工部材に高精度な加工をすることができる。 In the vibration processing apparatus of the present invention, the holder holds the tool by shrink fitting in the holding portion, so that the tool is securely held by the holder, and the vibration of the vibration source is reliably transmitted to the tool. Therefore, the workpiece can be processed with high accuracy.
本発明の振動加工装置は、ホルダーが円錐状のテーパ部同士の嵌合によって着脱可能にスピンドルに備えられるようになっているので、工具の芯だしや、工具の交換が容易である。 In the vibration processing apparatus of the present invention, since the holder is detachably provided on the spindle by fitting the conical taper portions, tool centering and tool replacement are easy.
本発明の振動加工装置は、振動源の所定の振動数によって生じる節が軸受とホルダーの軸方向の中間部分に位置しているので、スピンドルやホルダーの振動の影響を少なくして確実に保持して、被加工部材の加工精度を向上させることができる。 In the vibration machining apparatus of the present invention, the node generated by the predetermined frequency of the vibration source is located at the intermediate portion in the axial direction of the bearing and the holder, so that the influence of the vibration of the spindle and the holder is reduced and securely held. Thus, the processing accuracy of the workpiece can be improved.
本発明の振動加工装置用のホルダーは、工具を保持部で焼きばめによって保持しているので、工具を確実に保持して、振動源の振動を工具に確実に伝達することができる。また、工具の振れまわりを少なくすることができる。 In the holder for the vibration processing apparatus of the present invention, the tool is held by shrink fitting in the holding portion, so that the tool can be securely held and the vibration of the vibration source can be reliably transmitted to the tool. Moreover, the tool run-out can be reduced.
本発明の振動加工装置用のホルダーは、円錐状のテーパ部によってスピンドルに着脱可能に備えられるようになっているので、工具の芯だしや、工具の交換が容易である。 Since the holder for the vibration processing apparatus of the present invention is detachably attached to the spindle by the conical tapered portion, it is easy to center the tool and change the tool.
以下、本発明の実施形態の振動加工装置と、この振動加工装置に保持される工具用のホルダーとを図に基づいて説明する。なお、本発明において取り上げる数値は、参考数値であって、本発明を限定するものではない。 Hereinafter, a vibration machining apparatus according to an embodiment of the present invention and a tool holder held by the vibration machining apparatus will be described with reference to the drawings. The numerical values taken up in the present invention are reference numerical values and do not limit the present invention.
図1は振動加工装置の概略正面図である。図2は図1の振動加工装置のスピンドルに装着さるホルダーである。 FIG. 1 is a schematic front view of the vibration processing apparatus. FIG. 2 shows a holder that is attached to the spindle of the vibration processing apparatus of FIG.
振動加工装置1は、軸方向に振動する工具Tを被加工部材Wに接触させて振動を与えながら、被加工部材Wを加工するようになっている。振動加工装置1は、工具としてドリルを取り付ければドリル加工、エンドミルを取り付ければミーリング加工、研削砥石を取り付ければ研削加工をすることができる。 The vibration machining apparatus 1 is configured to machine the workpiece W while bringing the tool T vibrating in the axial direction into contact with the workpiece W and applying vibration. The vibration processing device 1 can perform drilling if a drill is attached as a tool, milling if an end mill is attached, and grinding if a grinding wheel is attached.
振動加工装置1は、振動エネルギを発生する振動源としてのアクチュエータ10と、振動エネルギを工具Tへと効率的に伝達できるように設計されたスピンドル11と、スピンドル11に着脱自在で工具を保持するホルダー12とを備えている。スピンドル11は、軸受13によって回転支持されている。なお、軸受は、1つしか図示していないが他にもあるものとする。
The vibration processing apparatus 1 includes an
ホルダー12は、工具Tを保持孔21で焼きばめによって保持している。
The
ホルダー12の下端(他端)には、工具を保持する保持部としての保持孔21が軸方向に沿って形成されている。保持孔21の内径は、常温においては工具Tのシャンク部Taの外径より僅かに小さく形成されている。ホルダー12を加熱すると保持孔21が、僅かに拡張して、工具Tのシャンク部Taを受け入れることができるようになる。この結果、ホルダー12に工具Tを挿入することができる。その後、ホルダー12が冷却されて常温に戻ると、保持孔21は、締まり、工具Tのシャンク部Tを把持する。このように、ホルダー12は、保持孔21で焼きばめによって工具Tを保持するようになっている。
At the lower end (the other end) of the
焼きばめは、熟練した技術が不要でありながら、ホルダー12に工具Tを確実に保持することができる。また、ホルダー12と工具Tとの接触面積が広いので、振動エネルギの伝達効率を高めることができる。これによって、工具を確実に保持して、被加工部材の加工精度を向上させることができる。
Shrink fitting does not require skilled techniques, but can securely hold the tool T in the
さらに、工具Tの中心とホルダー12の中心とを一致させて、保持させることができて、工具の芯振れを少なくすることができ、被加工部材の加工精度を向上させることができる。
Furthermore, the center of the tool T and the center of the
ホルダー12とスピンドル11との間にも、高い取り付け精度と振動伝達能力が必要である。特に、工具Tは、ホルダー12に取り付けられたままストックされて、他の工具を使用するときはホルダー12ごと交換する必要がある。
High attachment accuracy and vibration transmission capability are also required between the
したがって、ホルダー12をスピンドル11に容易に着脱できると同時に、作業者の能力や環境に影響されることなく、常に安定して高い精度で装着されて振動エネルギをスピンドル11からホルダー12に確実に伝達ができるようにする必要がある。
Therefore, the
そこで、ホルダー12には、円錐状のテーパ凸部22を形成されている。スピンドル11には、ホルダー12のテーパ凸部22が嵌合される円錐状のテーパ凹部23が形成されている。テーパ凸部22とテーパ凹部23は、互いに接触面積を広くして嵌合するようになっている。なお、ホルダー12の上端(一端)には雄ねじ24が形成され、スピンドル11には、雄ねじ24がねじ込まれる雌ねじ25が形成されている。このため、ホルダー12はスピンドル11にねじ込むようにして嵌合される。なお、これらのねじ24,25は、必ずしも必要としない。ねじ24,25を設けていない場合には、ホルダー12をスピンドル11に勢い良く挿入させて、スピンドル11で受け止めさせて、嵌合させる必要がある。
Therefore, the
このように、ホルダー12は、スピンドル11に嵌合装着されるので、半径方向への自由度が拘束されて、作業者の作業能力とは無関係にホルダー12をスピンドル11に確実に装着することができる。
Thus, since the
図3は、ホルダー12をスピンドル11に脱着を10回(試行回数10回)繰り替えした場合のホルダー12の、半径方向の静的な振れまわりを測定器Sで測定した結果のグラフである。取り付けに際しては、特に芯出しに相当する調整作業は行っていない。これより、平均で2μm以下の振れまわりを容易に実現することができる。また、振れまわりの標準偏差も1μm以下であり、高い繰り返し再現性を有していることが確認できた。
FIG. 3 is a graph showing a result of measuring the static runout in the radial direction of the
また、円柱端面同士の当たり面に比べて、有効接触面積が広くなるので、振動エネルギをスピンドル11からホルダー12により効率的に伝達することができる。上述の特性を総合的に評価するため、工具Tとホルダー12との間の焼きばめと取り外し作業、およびスピンドル12に対するホルダー11の脱着交換作業を5回(試行回数5回)繰り返した場合の工具(直径4mmの超硬軸)の先端部における振れまわりの変化を測定器Sで測定した結果を図4に示す。
In addition, since the effective contact area is larger than the contact surfaces between the cylindrical end faces, vibration energy can be efficiently transmitted from the
図4に示した特性は、加工精度に直接影響を与える特性である。図4によると、振れまわりの平均値は2.6μm、標準偏差は1.3μmである。この振れまわりの大きさは、コレットチャックなどの一般的な工具把持部と同程度なレベルであり、本ホルダー12が十分な把持精度を有していることが確認された。また、アクチュエータ10の発生した振動エネルギが工具Tに伝達されることも確認されて、本振動加工装置1を、振動の助けによる加工(振動援用加工)を優位にすることができる。
The characteristics shown in FIG. 4 are characteristics that directly affect the machining accuracy. According to FIG. 4, the average value of the run-out is 2.6 μm, and the standard deviation is 1.3 μm. The size of the run-out is about the same level as that of a general tool gripping part such as a collet chuck, and it was confirmed that the
以上の構成において、振動加工装置1は、アクチュエータ10によって工具Tを軸方向に振動させて被加工部材Wに接触させて振動を与えながら、被加工部材を加工するようになっている。工具Tの軸方向への振幅が1μm、振動数60kHz±500Hz、工具Tの直径3mm、ホルダー12からの突出長さ12mmとしたとき、スピンドル11とホルダー12とに図1(b)に示すように、振動の節Aと腹Bが発生する。節Aは、軸方向への振幅が少ない部分であり、腹Bは、軸方向への振幅が多い部分である。
In the above configuration, the vibration processing apparatus 1 is configured to process the workpiece while the tool T is vibrated in the axial direction by the
節Aは、軸受13と、ホルダー12の軸方向の中間部分のホルダーとして最大径の部分12aとに位置している。腹Bは、テーパ部22,23と、保持部としてのホルダーの保持孔21の部分と、工具Tの先端とに位置している。
The node A is located in the bearing 13 and the
節と腹の位置は、スピンドル、ホルダー、工具の径や長さ、材質等によって決まるものであり、振動を解析して一概に求めることができるものではなく、実験的に求めたものである。 The positions of the nodes and the abdomen are determined by the diameter, length, material, etc. of the spindle, holder, tool, etc., and are not determined by analyzing vibrations but are experimentally determined.
節Aが軸受13に位置しているので、スピンドル11を軸受13に振動の影響を少なくして支持させることができて、スピンドル11を不図示のモータによって円滑に回転させることができる。
Since the node A is located on the bearing 13, the
また、節Aがホルダー12の最大径の部分12aに位置していると、ホルダー12に不必要な軸方向の慣性力が発生することがなく、工具Tに所定の振動を確実に伝達することができて、被加工部材の加工精度を向上させることができる。
Further, when the node A is positioned at the
節Bがテーパ部22,23と、保持孔21の部分とに位置していても、スピンドルとホルダーはテーパ部22,23によって、ホルダーと工具は焼きばめによって、それぞれ確実に接続されている部分であるので、脱落のおそれがない。また、エネルギ損失が少なくなり、熱膨張や焼損などの問題を引き起こすようなことがなくなる。
Even if the node B is located at the
また、腹Bが工具の先端に位置していると、振動加工装置1は、被加工部材に所定の振動を確実に伝えて、加工精度を向上させることができる。 Further, when the antinode B is located at the tip of the tool, the vibration processing device 1 can reliably transmit a predetermined vibration to the workpiece and improve the processing accuracy.
A 節
B 腹
T 工具
Ta シャンク部
W 被加工部材
S 測定器
1 振動加工装置
10 アクチュエータ(振動源)
11 スピンドル
12 ホルダー
12a ホルダーの最大径の部分(ホルダーの軸方向の中間部分)
13 軸受
21 保持孔(保持部)
22 テーパ凸部(テーパ部)
23 テーパ凹部(テーパ部)
24 雄ねじ
25 雌ねじ
Section A B Belly T Tool Ta Shank W Workpiece member S Measuring instrument 1
11
13
22 Taper convex part (taper part)
23 Tapered recess (tapered part)
24
Claims (2)
前記工具を保持部で保持するホルダーと、
前記ホルダーを円錐状のテーパ部同士の嵌合によって着脱可能に有して振動源の振動を前記ホルダーに伝達するスピンドルと、
前記スピンドルを支持する軸受と、を備え、
前記ホルダーは、前記保持部で焼きばめによって前記工具を保持し、
前記振動源の所定の振動数によって生じる節が前記軸受と前記ホルダーの軸方向の中間部分に位置し、腹が前記テーパ部と前記保持部とに位置している、
ことを特徴とする振動加工装置。 In a vibration processing apparatus for processing the workpiece while bringing a tool that vibrates in the axial direction into contact with the workpiece and applying vibration,
A holder for holding the tool by a holding part;
A spindle that detachably attaches the holder by fitting conical taper portions and transmits vibrations of a vibration source to the holder;
A bearing for supporting the spindle,
The holder holds the tool by shrink fitting in the holding part,
A node generated by a predetermined frequency of the vibration source is located at an intermediate portion in the axial direction of the bearing and the holder, and an antinode is located at the tapered portion and the holding portion.
Vibration processing apparatus characterized by that.
一端に、前記スピンドルの円錐状のテーパ凹部に嵌合する円錐状のテーパ凸部を備え、
他端に、前記工具を焼きばめによって保持する保持部を備え、
中間部に、前記ホルダーの最大径の部分を備え、
ていることを特徴とするホルダー。 A holder used in the vibration processing apparatus according to claim 1,
At one end, it is provided with a conical taper convex portion that fits into the conical taper concave portion of the spindle,
The other end is provided with a holding portion for holding the tool by shrink fitting,
In the middle part, with the largest diameter part of the holder,
Holder characterized by that.
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