JP2008238390A

JP2008238390A - Ultrasonic tool holder

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Publication number: JP2008238390A
Application number: JP2007110994A
Authority: JP
Inventors: Kazumasa Onishi; 一正大西
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-03-23
Filing date: 2007-03-23
Publication date: 2008-10-09

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a tool holder performing ultrasonic machining with high machining accuracy and high reliability. <P>SOLUTION: The ultrasonic tool holder 1 comprises a vibration drive section 2 and a tool 6 or a tool attachment device 5. The tool 6 may be directly attached to a front mass 19 of the ultrasonic tool holder 1 or the tool attachment device 5 may be attached to the front mass 19 of the ultrasonic tool holder 1 and then the tool 6 may be attached to the tool attachment device 5. The vibration drive section 2 is an integrated combination of piezoelectric ceramics 3a, 3b fastened by the front mass 19 made of steel and a rear mass 20 made of steel. The piezoelectric ceramics 3a, 3b are polarized in a plate thickness direction. The tool 6 or the tool attachment device 5 is integrally provided on a front surface of the front mass 19. An insulator 4 is situated for preventing short-circuit of the front mass 19 and an electrode. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

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。 The present invention relates to an ultrasonic tool holder for holding a tool.

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。 Recently, in order to process a so-called difficult-to-process material, a method of applying ultrasonic vibration to a tool or a workpiece and processing has been frequently used. Such a processing method is called ultrasonic cutting, and is described in detail in Non-Patent Document 1, for example. Examples of tools include a tool used for a lathe and an end mill used for a milling machine. Ultrasonic cutting has the advantages that the frictional resistance between the workpiece and the tool is reduced, so that the thermal distortion of the machined surface is reduced, the machining accuracy is increased, and the life of the cutting tool is extended. .

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。 The ultrasonic grinding apparatus is described in detail in Non-Patent Document 2. The ultrasonic grinding apparatus shown in FIG. 1 has a motor for rotating a rotary shaft, and a slip ring and an ultrasonic vibrator are provided on the rotary shaft. Further, a booster, a horn, and a diamond grindstone as a grinding tool are connected to the rotating shaft. In addition, a bearing for rotatably supporting is arranged. An ultrasonic oscillator and a brush for applying an ultrasonic alternating voltage to the ultrasonic vibrator are provided.

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 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.
Ultrasonic Handbook Editorial Committee, “Ultrasonic Handbook”, Maruzen Co., Ltd., August 1999, p679-684 Japan Electromechanical Industry Association, "Ultrasonic Engineering", Corona Co., Ltd., 1993, p218-229

回転軸の後部に超音波振動子を取り付け、回転軸を超音波振動させ、そして回転軸の先端に取付けた砥石に超音波振動を励起する図１の超音波研削装置は、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、ランジュバン型超音波振動子と回転軸を接合した構成を超音波振動させなければならないため、超音波振動させるための質量が大きくなり大きな電力が必要になる。そして、ランジュバン型超音波振動子に印加された大きな電力によりランジュバン型超音波振動子、回転軸、ホーンそして砥石の温度が高くなるため、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。The ultrasonic grinding apparatus of FIG. 1 that attaches an ultrasonic vibrator to the rear part of the rotating shaft, causes the rotating shaft to vibrate ultrasonically, and excites ultrasonic vibrations on the grindstone attached to the tip of the rotating shaft. The vibration propagates and the bearing may be damaged. Also, abnormal wear may occur on the rotating shaft and the bearing, which may increase wear. Furthermore, since the configuration in which the Langevin type ultrasonic transducer and the rotating shaft are joined must be ultrasonically vibrated, the mass for ultrasonic vibration is increased and a large amount of electric power is required. And since the temperature of a Langevin type ultrasonic vibrator, a rotating shaft, a horn, and a grindstone becomes high with the big electric power applied to the Langevin type ultrasonic vibrator, processing accuracy falls.
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、工具だけが超音波振動するのが理想であるが、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, it is ideal that only the tool vibrates ultrasonically, but the Langevin type ultrasonic vibrator, the rotating shaft and the horn have a larger mass than the tool, so that the inherent characteristic of the Langevin type ultrasonic vibrator is mainly used. The vibration can be excited efficiently only at the frequency. Therefore, there is also a problem that it is impossible to excite vibrations optimal for the tool.

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。 An object of the present invention is to provide an ultrasonic processing method having high accuracy and high reliability.

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装置そして振動駆動部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するものである。 The present invention is a tool holder for holding a tool, comprising a tool or a tool mounting device having the same central axis and a vibration drive unit, and the vibration drive unit has a piezoelectric ceramic.

本発明はまた、前記工具または工具取付け装置の直径が振動駆動部の直径より小さくする工具ホルダとするものである。 The present invention also provides a tool holder in which the diameter of the tool or the tool attachment device is smaller than the diameter of the vibration drive unit.

本発明はまた、工具または工具取付け装置だけがほぼ振動する振動モードの固有振動数の電圧を振動駆動部の圧電セラミックに印加する工具ホルダとするものである。 The present invention also provides a tool holder that applies a voltage having a natural frequency in a vibration mode in which only the tool or the tool mounting apparatus vibrates substantially to the piezoelectric ceramic of the vibration driving unit.

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。 By using the ultrasonic tool holder of the present invention and performing ultrasonic processing on a machining machine such as a milling machine, high-precision and high-speed processing becomes possible.

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、そして工具６または工具取付け装置５から構成される。つまり、超音波工具ホルダ１のフロントマス１９に直接、工具６を取付けても良いし、超音波工具ホルダ１のフロントマス１９に工具取付け装置５を取り付けさらにその工具取付け装置５に工具６を取り付けてもよい。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、鋼製のリアマス２０により締め付けて一体化したものである。圧電セラミック３ａ、３ｂは板厚方向に分極されている。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６または工具取付け装置５が一体として設けられている。フロントマス１９と電極が短絡を防ぐために絶縁体４を位置させている。 FIG. 2 is a front view showing a basic configuration of the ultrasonic tool holder 1 having the configuration of the present invention, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. The ultrasonic tool holder 1 includes a vibration drive unit 2 and a tool 6 or a tool attachment device 5. That is, the tool 6 may be directly attached to the front mass 19 of the ultrasonic tool holder 1, or the tool attachment device 5 is attached to the front mass 19 of the ultrasonic tool holder 1, and the tool 6 is attached to the tool attachment device 5. May be. The vibration drive unit 2 is obtained by integrating piezoelectric ceramics 3 a and 3 b by a steel front mass 19 and a steel rear mass 20. The piezoelectric ceramics 3a and 3b are polarized in the plate thickness direction. Such a configuration is called a Langevin type vibrator. The tool 6 or the tool attachment device 5 is integrally provided on the front surface of the front mass 19. The insulator 4 is positioned to prevent a short circuit between the front mass 19 and the electrodes.

以上に述べたランジュバン型振動子は、縦振動を発生するものである。その他の構成として、ねじり振動を発生させるランジュバン型振動子がある。これに用いる圧電セラミックとしては、ねじり素子がある。さらに曲げ振動を発生させるランジュバン型振動子がある。これに用いる圧電セラミックは分極方向を反転させたものを用いる。 The Langevin type vibrator described above generates longitudinal vibration. As another configuration, there is a Langevin type vibrator that generates torsional vibration. There exists a torsion element as a piezoelectric ceramic used for this. Furthermore, there is a Langevin type vibrator that generates bending vibration. As the piezoelectric ceramic used for this, the one with the polarization direction reversed is used.

工具取付け装置５の例として、例えばコレットホルダ２１、チャック筒２２そしてドリルチャックなどがある。工具６の例としてエンドミル、ドリルなどがある。 Examples of the tool mounting device 5 include a collet holder 21, a chuck cylinder 22, and a drill chuck. Examples of the tool 6 include an end mill and a drill.

工具６の直径Ｄ２は、超音波工具ホルダの直径Ｄ１の０．１倍以上であることが望ましい。工具６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６に不要な振動が発生してしまう虞がある。また、フロントマス１９の前面の面積に比較して工具６の断面積が１００分の１以下になってしまうため工具６に超音波エネンルギーを十分に伝えることが困難である。 The diameter D2 of the tool 6 is desirably 0.1 times or more the diameter D1 of the ultrasonic tool holder. If the diameter D2 of the tool 6 is smaller than 0.1 times the diameter D1 of the vibration drive unit of the ultrasonic tool holder 1, unnecessary vibration may occur in the tool 6. Further, since the cross-sectional area of the tool 6 becomes 1/100 or less compared to the area of the front surface of the front mass 19, it is difficult to sufficiently transmit the ultrasonic energy to the tool 6.

工具取付け装置５の場合にも、工具取付け装置５の直径Ｄ２が超音波工具ホルダ１の直径Ｄ１の０．１倍以上であることが望ましい。工具取付け装置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、工具取付け装置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。また、フロントマス１９の前面の面積に比較して工具取付け装置５の断面積が１００分の１以下になってしまうため工具取付け装置５に超音波エネンルギーを十分に伝えることが困難である。そして工具取付け装置５に接続した工具６にも当然、超音波エネンルギーを十分に伝えることが困難であり、工具６の振動は小さくなってしまう。 Also in the case of the tool attachment device 5, it is desirable that the diameter D2 of the tool attachment device 5 is 0.1 times or more the diameter D1 of the ultrasonic tool holder 1. If the diameter D2 of the tool attachment device 5 is smaller than 0.1 times the diameter D1 of the vibration drive unit of the ultrasonic tool holder 1, the tool attachment device 5 becomes too thin, and the tool 6 cannot be held with high rigidity. In addition, since the cross-sectional area of the tool attachment device 5 becomes 1/100 or less compared to the area of the front surface of the front mass 19, it is difficult to sufficiently transmit the ultrasonic energy to the tool attachment device 5. Naturally, it is difficult to sufficiently transmit the ultrasonic energy to the tool 6 connected to the tool mounting apparatus 5, and the vibration of the tool 6 is reduced.

さらに詳しく説明するために、工具６と工具取付け装置５を明確に区別する。図４は工具取付け装置５がコレットホルダ２１である側面断面図である。ここではフロントマス１９とコレットホルダ２１を一体のものとしたが、コレットホルダ２１とフロントマス１９を別々にして、これをネジで結合させてもよい。振動駆動部２の直径Ｄ１に対して超音波工具ホルダ１に接続した工具取付け装置５であるコレットホルダ２１の直径Ｄ２は、１／３である。ここで、超音波工具ホルダに対して工具取付け装置５であるコレットホルダ２１の直径Ｄ２は、０．１倍以上ことが望ましい。０．１倍以下では、工具取付け装置５として構造的強度が不足する。また工具取付け装置５に取り付けた工具６に不要な振動を与えてしまう虞がある。 For further explanation, the tool 6 and the tool mounting device 5 are clearly distinguished. FIG. 4 is a side sectional view in which the tool mounting device 5 is a collet holder 21. Here, the front mass 19 and the collet holder 21 are integrated, but the collet holder 21 and the front mass 19 may be separated and coupled with screws. The diameter D2 of the collet holder 21 which is the tool attachment device 5 connected to the ultrasonic tool holder 1 is 1/3 with respect to the diameter D1 of the vibration drive unit 2. Here, the diameter D2 of the collet holder 21 which is the tool attachment device 5 with respect to the ultrasonic tool holder is desirably 0.1 times or more. If it is 0.1 times or less, the structural strength of the tool attachment device 5 is insufficient. Moreover, there is a possibility that unnecessary vibration is applied to the tool 6 attached to the tool attachment device 5.

また工具６であるエンドミルの直径Ｄ３は、工具取付け装置５であるコレットホルダ２１の直径Ｄ２の０．１倍以上ことが望ましい。０．１倍以下では、工具として構造的強度が不足する。また工具に不要な振動が発生してしまう虞がある。 The diameter D3 of the end mill that is the tool 6 is preferably 0.1 times or more the diameter D2 of the collet holder 21 that is the tool attachment device 5. If it is 0.1 times or less, the structural strength is insufficient as a tool. There is also a risk that unnecessary vibrations may occur in the tool.

工具取付け装置５としてチャック筒２２を用いた側面断面を図５に示す。ここではフロントマス１９とチャック筒２２を一体のものとしたが、チャック筒２２とフロントマス１９を別々にして、これをネジで結合させてもよい。振動駆動部２の直径Ｄ１に対して振動駆動部２に接続したチャック筒２２の直径Ｄ２は、１／３である。ここで、振動駆動部２に対して工具取付け装置５であるチャック筒２２の直径Ｄ２は、０．１倍以上であることが望ましい。０．１倍以下では、工具取付け装置５であるチャック筒２２の構造的強度が不足する。また工具取付け装置５であるチャック筒２２に取り付けた工具に不要な振動を与えてしまう虞がある。 A side cross-section using a chuck cylinder 22 as the tool mounting device 5 is shown in FIG. Here, the front mass 19 and the chuck cylinder 22 are integrated, but the chuck cylinder 22 and the front mass 19 may be separated and coupled with screws. The diameter D2 of the chuck cylinder 22 connected to the vibration drive unit 2 is 1/3 of the diameter D1 of the vibration drive unit 2. Here, it is desirable that the diameter D2 of the chuck cylinder 22 which is the tool attachment device 5 with respect to the vibration driving unit 2 is 0.1 times or more. If it is 0.1 times or less, the structural strength of the chuck cylinder 22 which is the tool attachment device 5 is insufficient. Moreover, there is a possibility that unnecessary vibration is given to the tool attached to the chuck cylinder 22 which is the tool attachment device 5.

ここで焼き嵌めに用いる工具取付け装置５としてのチャック筒２２のチャックする機構を説明する。チャック筒２２を加熱コイル中に挿入して、その電磁誘導によってチャック筒２２を誘導加熱し、チャック筒２２の熱膨張によりその内径を拡大させ、この状態で工具６のシャンク部を挿入して焼き嵌めすることによって工具を固定する。またこうして焼き嵌めにより固定した工具をチャック筒２２から取り外すときは、上記同様にチャック筒２２を加熱膨張させた状態で、工具シャンク部をチャック筒２２から抜きとるようになっている。 Here, a chucking mechanism of the chuck cylinder 22 as the tool mounting device 5 used for shrink fitting will be described. The chuck cylinder 22 is inserted into the heating coil, the chuck cylinder 22 is induction-heated by the electromagnetic induction, the inner diameter is expanded by the thermal expansion of the chuck cylinder 22, and the shank portion of the tool 6 is inserted and baked in this state. The tool is fixed by fitting. When the tool fixed by shrink fitting is removed from the chuck cylinder 22, the tool shank is removed from the chuck cylinder 22 with the chuck cylinder 22 heated and expanded as described above.

超音波加工装置に工具取付け装置５として焼き嵌めを用いると、工具取付け装置５と工具が構造的に一体化できるので、工具と工具取付け装置５の界面で超音波振動の伝播が損失する虞がない。そして工具と工具取付け装置５の接触面が損傷を受ける虞もない。このように超音波加工装置の工具取付け装置５としては焼き嵌めは最適である。 When shrink fitting is used as the tool attachment device 5 in the ultrasonic processing device, the tool attachment device 5 and the tool can be structurally integrated, and therefore there is a possibility that the propagation of ultrasonic vibration is lost at the interface between the tool and the tool attachment device 5. Absent. And there is no possibility that the contact surface of a tool and the tool attachment apparatus 5 may be damaged. Thus, shrink fitting is optimal for the tool mounting device 5 of the ultrasonic processing device.

また工具６の直径Ｄ３は、工具取付け装置５であるチャック筒２２の直径Ｄ２の０．１倍以上ことが望ましい。０．１倍以下では、工具６として構造的強度が不足する。また工具６に不要な振動が発生してしまう虞がある。 The diameter D3 of the tool 6 is preferably 0.1 times or more the diameter D2 of the chuck cylinder 22 that is the tool attachment device 5. If it is 0.1 times or less, the structural strength of the tool 6 is insufficient. Moreover, there is a possibility that unnecessary vibrations may occur in the tool 6.

ここで超音波工具ホルダ１を超音波工具ホルダ取付け軸１４に取付けた状態について説明する。超音波工具ホルダ取付け軸１４は、フライス盤などに用いられる場合は、回転する。また超音波工具ホルダ取付け軸１４が例えば旋盤に用いられる場合は回転しない。図６には超音波工具ホルダ１の直径に対して、超音波工具ホルダ取付け軸１４の直径が大きい場合の側面断面図を示す。そして、超音波工具ホルダ取付け軸１４の外側表面を拘束する条件での周波数特性を、有限要素法を用いて計算した結果を図７に示す。ここで工具６だけが振動するモードの共振周波数は３６ＫＨｚであり、図８に工具６だけが振動するモードの振動変位をベクトルで示す。ただし、超音波工具ホルダ１の直径より大きい超音波工具ホルダ取付け軸１４の外側表面を拘束するため、どうしても中心軸の変位は大きくなる。したがって超音波工具ホルダ取付け軸１４の中心部に振動が伝播する。 Here, a state in which the ultrasonic tool holder 1 is mounted on the ultrasonic tool holder mounting shaft 14 will be described. The ultrasonic tool holder mounting shaft 14 rotates when used in a milling machine or the like. Further, when the ultrasonic tool holder mounting shaft 14 is used for a lathe, for example, it does not rotate. FIG. 6 shows a side cross-sectional view when the diameter of the ultrasonic tool holder mounting shaft 14 is larger than the diameter of the ultrasonic tool holder 1. And the result of having calculated the frequency characteristic on the conditions which restrain the outer surface of the ultrasonic tool holder attachment axis | shaft 14 using the finite element method is shown in FIG. Here, the resonance frequency of the mode in which only the tool 6 vibrates is 36 KHz, and FIG. 8 shows the vibration displacement of the mode in which only the tool 6 vibrates as a vector. However, since the outer surface of the ultrasonic tool holder mounting shaft 14 larger than the diameter of the ultrasonic tool holder 1 is constrained, the displacement of the central axis inevitably increases. Accordingly, the vibration propagates to the central portion of the ultrasonic tool holder mounting shaft 14.

図９には超音波工具ホルダ１の直径と超音波工具ホルダ取付け軸１４の直径が等しい場合の側面断面図を示す。そして、超音波工具ホルダ取付け軸１４の外側表面を拘束する条件での周波数特性を、有限要素法を用いて計算した結果を図１０に示す。ここで工具６だけが振動するモードの共振周波数は３９ＫＨｚであり、図１１に工具６だけが振動するモードの振動変位をベクトルで示す。ただし、超音波工具ホルダ１の直径と等しい直径を持つ超音波工具ホルダ取付け軸１４の外側表面を拘束するため、超音波工具ホルダ１の振動は小さい。したがって３９ＫＨｚの共振ピークは小さい。 FIG. 9 shows a side cross-sectional view when the diameter of the ultrasonic tool holder 1 is equal to the diameter of the ultrasonic tool holder mounting shaft 14. And the result of having calculated the frequency characteristic on the conditions which restrain the outer surface of the ultrasonic tool holder attachment axis | shaft 14 using the finite element method is shown in FIG. Here, the resonance frequency of the mode in which only the tool 6 vibrates is 39 KHz, and FIG. 11 shows the vibration displacement of the mode in which only the tool 6 vibrates as a vector. However, since the outer surface of the ultrasonic tool holder mounting shaft 14 having a diameter equal to the diameter of the ultrasonic tool holder 1 is constrained, the vibration of the ultrasonic tool holder 1 is small. Therefore, the resonance peak at 39 KHz is small.

図１２には超音波工具ホルダ１の直径に対して超音波工具ホルダ取付け軸１４の直径が小さい場合の側面断面図を示す。そして、超音波工具ホルダ取付け軸１４の外側表面を拘束する条件での周波数特性を、有限要素法を用いて計算した結果を図１３に示す。ここで工具だけが振動するモードの共振周波数は３９ＫＨｚであり、その工具６だけが振動するモードの振動変位を図１４のベクトルで示す。ただし、超音波工具ホルダ１の振動エネルギーが集中する中心軸に近い超音波工具ホルダ取付け軸１４の外側表面を拘束するため、超音波工具ホルダ１の振動は小さい。したがって３９ＫＨｚの共振ピークは小さい。 FIG. 12 shows a side sectional view when the diameter of the ultrasonic tool holder mounting shaft 14 is smaller than the diameter of the ultrasonic tool holder 1. And the result of having calculated the frequency characteristic on the conditions which restrain the outer surface of the ultrasonic tool holder attachment axis | shaft 14 using the finite element method is shown in FIG. Here, the resonance frequency of the mode in which only the tool vibrates is 39 KHz, and the vibration displacement in the mode in which only the tool 6 vibrates is shown by the vector in FIG. However, since the outer surface of the ultrasonic tool holder mounting shaft 14 close to the central axis where the vibration energy of the ultrasonic tool holder 1 is concentrated is restrained, the vibration of the ultrasonic tool holder 1 is small. Therefore, the resonance peak at 39 KHz is small.

以上から超音波工具ホルダ１の直径と超音波工具ホルダ取付け軸１４の直径の大小に関わらず工具６だけが振動するモードを励起することが可能であることがわかる。つまり工具取付け装置５の直径の大きさによらずほぼ工具６だけが振動するモードを励起できる。 From the above, it can be seen that it is possible to excite a mode in which only the tool 6 vibrates regardless of the diameter of the ultrasonic tool holder 1 and the diameter of the ultrasonic tool holder mounting shaft 14. That is, a mode in which only the tool 6 vibrates can be excited regardless of the diameter of the tool mounting device 5.

図１５は、本発明の形態の超音波工具ホルダ１を示す別の構成を示す正面図、そして図１６は図１５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、そして工具６そして工具取付け装置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装置５が接合されている。工具取付け装置５は例えば、コレットホルダ２１、ドリルチャックまたはチャック筒２２である。フロントマス１９と電極が短絡を防ぐために絶縁体４を位置させている。そしてリアマス２０には、超音波工具ホルダ取付け軸１４に接続するためのネジが設ける。 FIG. 15 is a front view showing another configuration showing the ultrasonic tool holder 1 according to the embodiment of the present invention, and FIG. 16 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. The ultrasonic tool holder 1 includes a vibration driving unit 2, a tool 6, and a tool mounting device 5. The vibration drive unit 2 is formed by fastening piezoelectric ceramics 3 a and 3 b by a steel front mass 19 and a rear mass 20 to be integrated. Such a configuration is called a Langevin type vibrator. The tool attachment device 5 is joined to the front surface of the front mass 19. The tool attachment device 5 is, for example, a collet holder 21, a drill chuck or a chuck cylinder 22. The insulator 4 is positioned to prevent a short circuit between the front mass 19 and the electrodes. The rear mass 20 is provided with a screw for connecting to the ultrasonic tool holder mounting shaft 14.

そして、超音波工具ホルダ１をジルコニア１５のリングを挟んで超音波工具ホルダ取付け軸１４とネジにより接合する。このような構成にすると超音波工具ホルダ１とジルコニア１５のリングの音響インピーダンスが異なることから、超音波工具ホルダ１の振動が超音波工具ホルダ取付け軸１４に伝播するのを小さくできる。このため、超音波工具ホルダ１に取り付けた工具６の振動変位を大きくできる。また超音波工具ホルダ取付け軸１４に超音波振動を伝播する割合を小さくできる。 Then, the ultrasonic tool holder 1 is joined to the ultrasonic tool holder mounting shaft 14 with screws with the zirconia 15 ring interposed therebetween. With such a configuration, the acoustic impedance of the ring of the ultrasonic tool holder 1 and that of the zirconia 15 are different, so that the vibration of the ultrasonic tool holder 1 can be reduced from propagating to the ultrasonic tool holder mounting shaft 14. For this reason, the vibration displacement of the tool 6 attached to the ultrasonic tool holder 1 can be increased. In addition, the proportion of ultrasonic vibration propagating to the ultrasonic tool holder mounting shaft 14 can be reduced.

また、超音波工具ホルダ１と超音波工具ホルダ取付け軸１４の間にジルコニア１５のリングを挟んでいるので、超音波工具ホルダ取付け軸１４に超音波振動が漏れる量を小さくできる。このため工具６だけが振動するモードの共振電流は大きくなる。つまり工具６の振動を大きくできる。また、工具取付け装置５にジルコニア１５のリング、超音波工具ホルダ１が隙間なく接合されるため剛性が高くなる。 Further, since the ring of zirconia 15 is sandwiched between the ultrasonic tool holder 1 and the ultrasonic tool holder mounting shaft 14, the amount of ultrasonic vibration leaking to the ultrasonic tool holder mounting shaft 14 can be reduced. For this reason, the resonance current in the mode in which only the tool 6 vibrates increases. That is, the vibration of the tool 6 can be increased. Moreover, since the ring of the zirconia 15 and the ultrasonic tool holder 1 are joined to the tool attachment device 5 without a gap, rigidity is increased.

また、フロントマス１９、工具取付け装置５、工具６の順に直径が小さくなっているため、いわゆるステップホーンの構成となっているため工具に励起される超音波振動は大きくなる。 Moreover, since the diameter becomes small in order of the front mass 19, the tool attachment apparatus 5, and the tool 6, since it has what is called a step horn structure, the ultrasonic vibration excited by a tool becomes large.

図１７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。ここで回転軸は超音波工具ホルダ取付け軸１４としても用いられている。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と超音波工具ホルダ１をネジにより接続する。そして超音波工具ホルダに接続した工具取付け装置５であるチャック筒２２にダイヤモンドを電着した棒状の工具を焼き嵌めにより接続する。回転側のロータリートランス１２ａと、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。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。 FIG. 17 is a front view including a partial cross section showing a basic configuration of an ultrasonic polishing apparatus using the ultrasonic tool holder 1. A hollow motor 9 for rotating a stainless steel hollow rotating shaft 8 is provided. Here, the rotating shaft is also used as the ultrasonic tool holder mounting shaft 14. There is a bearing 10 for rotatably supporting the rotating shaft 8, and there is a stainless case 11 for fixing the bearing 10. The rotary shaft 8 includes a rotary rotary transformer 12 a fixed to the rotary shaft 8. In the vicinity of the rotary transformer 12a, there is a fixed rotary transformer 12b. The fixing plate to which the rotary transformer 12b on the fixed side is attached is not shown for simplifying the drawing. The rotating shaft 8 and the ultrasonic tool holder 1 are connected by screws. Then, a rod-shaped tool electrodeposited with diamond is connected to the chuck cylinder 22 which is the tool attachment device 5 connected to the ultrasonic tool holder by shrink fitting. The rotary transformer 12 a on the rotating side and the piezoelectric ceramic 3 are electrically coupled by a lead wire 17. Below that, there is a disc-shaped alumina work 13 fixed to a table 18.

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１７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に約５５ＫＨｚの９０Ｖ（Ｐ−Ｐ）の交流電圧を印加する。チャック筒２２に取り付けた工具６の先端に約１７μｍの縦振動が励起される。このように５０ＫＨｚ以上の超音波振動で、１５μｍ以上の振動を励起させることができるのは、工具６に超音波振動を集中させることができる本発明の構成によるものである。 Next, the operating method of the processing apparatus using this ultrasonic tool holder 1 will be described with reference to FIG. First, the power of the motor 9 is turned on to rotate the rotating shaft 8. Next, the ultrasonic oscillator 16 is turned on, and an AC voltage of 90 V (PP) of about 55 KHz is applied to the piezoelectric ceramic 3 via the rotary transformer 12a on the rotating side and the rotary transformer 12b on the fixed side. A longitudinal vibration of about 17 μm is excited at the tip of the tool 6 attached to the chuck cylinder 22. The reason why the vibration of 15 μm or more can be excited by the ultrasonic vibration of 50 KHz or more is due to the configuration of the present invention in which the ultrasonic vibration can be concentrated on the tool 6.

ここで、図１７に用いた超音波工具ホルダ１と工具６の詳細について図１８の正面図、そして図１８のＡ−Ａ線での断面である図１９である。寸法はｍｍ単位で示す。ステンレス製のフロントマス１９とステンレス製のリアマス２０の間に圧電セラミックを挟みフロントマス１９に設けられたオネジとリアマス２０に設けられたメネジにより締め付け一体化する。圧電セラミックの寸法は外径３６ｍｍ、内径１６ｍｍそして厚さ５ｍｍである。フロントマス１９と接続棒２３は一体で製作されており接続棒２３にはネジが設けられている。そして接続棒２３のオネジと、回転軸のメネジにより超音波工具ホルダと回転軸を接続する。またフロントマス１９の先端には、一体でチャック筒２２が設けられている。そしてこのチャック筒２２に工具６を焼き嵌めにより接合する。 Here, FIG. 18 is a front view of the ultrasonic tool holder 1 and the tool 6 used in FIG. 17, and FIG. 19 is a cross section taken along the line AA of FIG. 18. Dimensions are given in mm. A piezoelectric ceramic is sandwiched between a stainless steel front mass 19 and a stainless steel rear mass 20 and tightened and integrated with a male screw provided on the front mass 19 and a female screw provided on the rear mass 20. The dimensions of the piezoelectric ceramic are an outer diameter of 36 mm, an inner diameter of 16 mm and a thickness of 5 mm. The front mass 19 and the connecting rod 23 are manufactured integrally, and the connecting rod 23 is provided with a screw. Then, the ultrasonic tool holder and the rotary shaft are connected by the male screw of the connecting rod 23 and the female screw of the rotary shaft. A chuck cylinder 22 is integrally provided at the tip of the front mass 19. The tool 6 is joined to the chuck cylinder 22 by shrink fitting.

ここで、超音波工具ホルダ１は、回転軸８に接続棒２３を固定支持されることにより接続されている。したがって、通常のランジュバン型超音波振動子のようにランジュバン型超音波振動子の中央部に固定支持するためのフランジを設けない。これは、工具６に振動を与えるための振動モードが異なるためである。本発明の超音波工具ホルダ１は工具６だけが振動するモードを励起する。それに対して従来の中央部のフランジで固定支持するランジュバン型超音波振動子は、中央部が節で両端が振動の腹となるものである。したがってランジュバン型超音波振動子の中央を節とした振動だけが強く励起できる構成であり、工具６だけを振動させることは困難になる。 Here, the ultrasonic tool holder 1 is connected to the rotating shaft 8 by fixing and supporting the connecting rod 23. Accordingly, a flange for fixing and supporting the central portion of the Langevin type ultrasonic transducer is not provided unlike a normal Langevin type ultrasonic transducer. This is because the vibration modes for applying vibration to the tool 6 are different. The ultrasonic tool holder 1 of the present invention excites a mode in which only the tool 6 vibrates. On the other hand, a conventional Langevin type ultrasonic transducer fixedly supported by a flange at the center portion has a node at the center and antinodes at both ends. Therefore, only the vibration with the node at the center of the Langevin type ultrasonic transducer can be excited strongly, and it is difficult to vibrate only the tool 6.

上記に説明したように、同じようなランジュバン型超音波振動子でも固定支持する場所により全く異なる振動モードになる。本発明は、ほぼ工具だけが振動するモードになるような固定支持する場所およびそのモードを発生させる周波数を印加することにより実現した。 As described above, even a similar Langevin type ultrasonic transducer has completely different vibration modes depending on where it is fixedly supported. The present invention has been realized by applying a place to be fixedly supported so that only a tool vibrates and a frequency for generating the mode.

また、上記では超音波工具ホルダの振動駆動部の構成をランジュバン型超音波振動子としたが、図２０の正面図、および図２１の側面図で示す振動駆動部を用いてももちろんよい。振動駆動部は正６角柱の外側表面に６個の圧電セラミックを接合したものである。 In the above description, the configuration of the vibration drive unit of the ultrasonic tool holder is the Langevin type ultrasonic vibrator. However, the vibration drive unit shown in the front view of FIG. 20 and the side view of FIG. The vibration drive unit is obtained by joining six piezoelectric ceramics to the outer surface of a regular hexagonal column.

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。 The above machining is an ultrasonic cutting process, and the frictional resistance between the workpiece 13 and the tool 6 is reduced, so that the thermal distortion of the machining surface is reduced, the machining accuracy is increased, and the life of the tool 6 is extended. It has the advantages such as.

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。 The effect of the same ultrasonic cutting described above is described in detail on pages 226 to 229 of Non-Patent Document 2.

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。 Of course, vibration hardly propagates to the rotating shaft 8, so there is almost no risk of damage due to vibration of the bearing 10 or the rotating shaft 8.

上記のように、工具６と超音波工具ホルダ１の工具取付け装置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。 As described above, since vibration can be excited only in the tool attachment device 5 of the tool 6 and the ultrasonic tool holder 1, ultrasonic processing with high processing accuracy and high reliability can be provided.

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装置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。 As described above, the ultrasonic machining using the ultrasonic tool holder of the present invention can excite the ultrasonic vibration only by the tool mounting device and the tool of the ultrasonic tool holder, so that the machining accuracy is high and the tool is high. Has advantages such as longer life and higher processing speed.

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。 In addition to the above, the tools used in the present invention include end mills, knives, drills, reamers, welding heads, and dispersion heads.

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。 The outer shape of the ultrasonic tool holder has been described as a cylinder. However, in order to obtain a desired vibration mode of the ultrasonic tool holder, a regular polygonal cylinder and a cylinder that are equal to or more than a regular triangular prism are desirable.

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。 The ultrasonic tool holder of the present invention can be ultrasonically used in various machining apparatuses.

従来の超音波研磨装置を示す概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing which shows the conventional ultrasonic polishing apparatus. 本発明の構成の超音波工具ホルダを示す正面図である。It is a front view which shows the ultrasonic tool holder of the structure of this invention. 図３のＡ−Ａ線での断面図である。It is sectional drawing in the AA of FIG. 工具取付け装置、工具を持った超音波回転ホルダの断面図である。It is sectional drawing of the ultrasonic attachment holder with a tool attachment apparatus and a tool. 別の工具取付け装置、工具を持った超音波回転ホルダの断面図である。It is sectional drawing of an ultrasonic rotary holder with another tool attachment apparatus and a tool. 超音波工具ホルダ取付け軸に超音波工具ホルダを取り付けた断面図である。It is sectional drawing which attached the ultrasonic tool holder to the ultrasonic tool holder attachment axis | shaft. 有限要素法により図６の周波数特性を計算した図である。It is the figure which calculated the frequency characteristic of FIG. 6 by the finite element method. 有限要素法により図６の３６ＫＨｚの振動モードを計算した図である。It is the figure which calculated the vibration mode of 36 KHz of FIG. 6 by the finite element method. 別の超音波工具ホルダ取付け軸に超音波工具ホルダを取り付けた断面図である。It is sectional drawing which attached the ultrasonic tool holder to another ultrasonic tool holder attachment axis | shaft. 有限要素法により図９の周波数特性を計算した図である。It is the figure which computed the frequency characteristic of FIG. 9 by the finite element method. 有限要素法により図９の３９ＫＨｚの振動モードを計算した図である。It is the figure which calculated the vibration mode of 39 KHz of FIG. 9 by the finite element method. さらに別の超音波工具ホルダ取付け軸に超音波工具ホルダを取り付けた断面図である。It is sectional drawing which attached the ultrasonic tool holder to another ultrasonic tool holder attachment axis | shaft. 有限要素法により図１２の周波数特性を計算した図である。It is the figure which calculated the frequency characteristic of FIG. 12 by the finite element method. 有限要素法により図１２の３９ＫＨｚの振動モードを計算した図である。It is the figure which calculated the vibration mode of 39 KHz of FIG. 12 by the finite element method. 本発明の別の構成の超音波工具ホルダを示す正面図である。It is a front view which shows the ultrasonic tool holder of another structure of this invention. 図１５のＡ−Ａ線での断面図である。It is sectional drawing in the AA of FIG. 本発明の超音波工具ホルダを取り付けた超音波研磨装置を示す側面図である。It is a side view which shows the ultrasonic polishing apparatus which attached the ultrasonic tool holder of this invention. 本発明の超音波工具ホルダの詳細な形状を示す正面図である。It is a front view which shows the detailed shape of the ultrasonic tool holder of this invention. 図１８のＡ−Ａ線での断面図である。It is sectional drawing in the AA of FIG. 本発明の別の振動駆動部を持つ超音波工具ホルダを示す正面図である。It is a front view which shows the ultrasonic tool holder with another vibration drive part of this invention. 図２０の側面図である。It is a side view of FIG.

Explanation of symbols

１超音波工具ホルダ
２振動駆動部
３圧電セラミック
４絶縁体
５工具取付け装置
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超音波工具ホルダ取付け軸
１５ジルコニア
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コレットホルダ
２２チャック筒
２３接続棒DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ultrasonic tool holder 2 Vibration drive part 3 Piezoelectric ceramic 4 Insulator 5 Tool mounting apparatus 6 Tool 7 Ultrasonic polishing apparatus 8 Rotating shaft 9 Motor 10 Bearing 11 Case 12 Rotary transformer 13 Work 14 Ultrasonic tool holder mounting shaft 15 Zirconia 16 Ultrasonic oscillator 17 Lead wire 18 Table 19 Front mass 20 Rear mass 21 Collet holder 22 Chuck cylinder 23 Connecting rod

Claims

A tool holder for holding a tool is composed of a tool or a tool mounting shaft having the same central axis and a vibration drive unit, and the vibration drive unit has a piezoelectric ceramic.

The tool holder according to claim 1, wherein a diameter of the tool or a tool mounting shaft is smaller than a diameter of the vibration driving unit.

2. The tool holder according to claim 1, wherein a voltage having a natural frequency in a vibration mode in which only the tool or the tool mounting shaft vibrates is applied to the piezoelectric ceramic of the vibration drive unit.