JP2008510631A - 超音波振動アシスト型加工装置 - Google Patents

Abstract

振動ホーン中に超音波を生成する超音波トランスデューサと、振動ホーン上の超音波の静的節点にある第１のクランプと、第１のクランプと振動ホーンの最下端との間にある第２のクランプとを備える超音波振動アシスト型加工装置に関する。この加工装置は、第２のクランプは、振動ホーンの横方向の振動ホーンの振動を低減し、振動ホーンの縦軸方向の振動ホーンの振動を可能とするリニアベアリングを備えることを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

発明の分野

本発明は、超音波振動アシスト型加工装置に関し、これに限らないが特に鋼鉄およびステンレス鋼等の金属の超音波振動アシスト型加工装置に関するものである。

発明の背景

超音波振動アシスト型加工は、いくつかの重要な利点を有する。１つの重要な利点は、摩擦低減作用によりもたらされるが、これは各振動サイクル中に工具の刃先または刃部が加工物から離れる際に発生し、超音波ポンプ作用を生じさせる。このポンプ作用が冷却流体を加工物領域の全領域に送り込むことを可能にする。冷却流体は空気とすることができる。

通常の加工は５μｍ超の精度を有し、普通の加工工具を用いる。超音波振動アシスト型加工は、通常加工に優る利点をもたらすために１９６０年代に導入された。しかしながら、工具の寿命を延ばしたわけでも表面処理を改善したわけでもなく、期待された利点は実現されていない。また、切削速度が振動速度より遅くならざるを得ず、切削効率が低い。

１９８０年から、複雑な光学系を作製する要求を満たすために超精密加工が開発された。ダイヤモンド工具ビットだけが、光学ミラーの表面処理を行うのに用いることが可能な工具ビットである。しかしながら、ダイヤモンド工具ビットは、ダイヤモンドと鋼鉄の間の強い化学反応のために鋼鉄には用いることができない。この化学反応は、ダイヤモンドの黒鉛化を引き起こすものである。

従来技術のシステムでは、図１に示すように、振動ホーンが振動波の２つの静的節点で固定されている。ダイヤモンド工具ビットは、振動ホーンの自由端上に取り付けられている。ミラーの表面処理を達成するには、径方向に誘発されるホーンの横振動を大幅に低減しなければならない。

２つの静的クランプ点を持った振動ホーンの従来技術による方法については、下側の静的節点から工具ビットが取り付けられた自由端までいくらか距離がある。このような場合には、自由端の点は横／径方向に剛性が低くなるため、横／径方向の横振動が容易に誘発され得る。

横方向の剛性を高めるため、ホーンの直径を大きくし、次に超音波振動のパワーも大きくする。したがって、装置の全体サイズが大きくなる。さらに、デバイスの動作温度がパワーの増大により上昇するため、高温によって容易に損傷してしまう。また、横（または径）方向振動が工具ビットに損傷を与える。切削が深くなり、表面加工の質が下がる原因ともなる。このような横径方向振動は通常４μｍ程度である。

過度の工具の消耗を防ぐために、プラスチックレンズの射出成形用の光学金型インサートを作製する際に、加工前の加工物への無電解ニッケルめっきまたはコーティングを用いる２段階プロセスが提案されている。しかしながら、このような方法は多くの利点を有している。また、ニッケルは鋼鉄の加工物をリフトオフする傾向があるため、高耐久性の金型を製造することはできない。

発明の概要

第１の態様によれば、振動ホーン中に超音波を生成する超音波トランスデューサと、振動ホーン上の超音波の静的節点にある第１のクランプと、第１のクランプと振動ホーンの最下端との間にある第２のクランプとを備える超音波振動アシスト型加工装置が提供される。第２のクランプが、振動ホーンの横方向の振動ホーンの振動を低減し、振動ホーンの縦軸方向の振動ホーンの振動を可能とするリニアベアリングを備える。

リニアベアリングを、超音波の波長の半分未満だけ第１のクランプから軸方向に離間してもよい。

第２の態様によれば、振動ホーン中に超音波を生成する超音波トランスデューサと、振動ホーン上の超音波の静的節点にある第１のクランプと、第１のクランプと振動ホーンの最下端との間にある第２のクランプとを備える、超音波振動アシスト型加工装置が提供される。第２のクランプが、超音波の波長の半分未満だけ第１のクランプから軸方向に離間されている。

第２のクランプが、振動ホーンの横方向の振動ホーンの振動を低減し、振動ホーンの縦軸方向の振動ホーンの振動を可能とするリニアベアリングを備えてもよい。

いずれの態様についても、第２のクランプが略Ｕ字形であり、上側クランプ、下側クランプ、ならびに上側クランプおよび下側クランプの間にある中間部からなってよい。上側クランプおよび下側クランプを、リニアベアリングに対して径方向に調整可能としてよい。

第２のクランプが、取り付けブロックに取り外し可能かつ調整可能に取り付けられてもよい。第１のクランプが、取り付けブロックに取り外し可能に取り付けられてもよい。取り付けブロックが、工具ポストに取り外し可能かつ調整可能に取り付けられてもよい。工具ポストが、上側部分と、下側部分と、上側部分および下側部分の間のギャップと、ギャップを調整する調整機構とを備えてもよい。

この装置が、振動ホーンにその最下端で解放可能に固定された工具ビットをさらに備えてもよい。

本発明が十分に理解され、容易に実用化されるように、本発明の好ましい実施形態を添付の説明図を参照して非限定的な例によって説明する。

好ましい実施形態の詳細な説明

図１を参照すると、従来技術の装置８が示されている。ここに、振動ホーン１２を持った超音波トランスデューサ１０がある。これらは、上側クランプ１６および下側クランプ１８により取り付けブロック１４に取り付けられている。工具ビット２０が振動ホーン１２の最下端にある。超音波トランスデューサ１０は、例えば４０ＫＨｚで音波２２を生成する。波は超音波トランスデューサ１０で最大振幅を有し、工具ビット２０で工具ビット２０の運動を最大にする。振動ホーン１２を適所に保持するため、また不要な横（または径）方向運動を防ぐため、振動ホーン１２は上側クランプ１６および下側クランプ１８により取り付けブロック１４に固定されている。クランプ１６、１８は静的節点２４に位置しているため、工具ビット２０の動作と干渉せずに機能することができる。しかしながら、このことは、下側クランプ１８と工具ビット２０の間にもともとギャップがあることを意味する。このことによって、不要な動きが工具ビット２０に発生し、不要な振動が振動ホーン１２により誘発される。

次に図２および３を参照すると、好ましい実施形態による装置２８が示されている。ここに、間にギャップ３６を持った上ポスト３２および下ポスト３４を有する工具ポスト３０がある。ネジ付きシャフト（図示せず）上の調整つまみ３８を用いてギャップ３６を調整することにより、装置２８を正確に位置合わせおよび位置決めすることができる。

超音波トランスデューサ４０に振動ホーン６８が設けられている。超音波トランスデューサ４０は、振動ホーン６８の軸方向に振動波４４を生成する。波４４は、超音波トランスデューサ４０および振動ホーン６８の最下端に取り付けられる工具ビット５０でその最大振幅４８となる。波４４は、単一の静的節点４６を有する。静的節点４６に、クランプリング４２が設けられる。このように、クランプリング４２が振動ホーン６８を保持する。静的節点４６と工具ビット５０での最大振幅４８の間には、リニアベアリング５２がある。リニアベアリング５２は、振動ホーン６８の縦軸方向の振動を可能にするが、振動ホーン６８の横（または径）方向の振動は最小限に抑える。

リニアベアリング５２は、中間部６０により接合された上側クランプ５６および下側クランプ５８を有するＵ字形ベアリング取り付け台５４により、取り付けブロック６２に取り付けられる。中間部６０は、取り付けブロック６２に取り外し可能かつ調整可能に取り付けられる。取り付けブロック６２は、工具ポスト３０に取り外し可能かつ調整可能に取り付けられる。

上側クランプ５６および下側クランプ５８は、それぞれ分割されており、それぞれギャップ６４を有する。締め付けネジ６６を用いてリニアベアリング５２上のクランプ５６、５８によるクランプ力を制御する。このように、振動ホーン６８の横／径方向振動を調整し、制御することができる。

リニアベアリング５２は、例えば、Ｈｉｗｉｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｃｏｒｐ ｏｆ Ｇｌｅｎｖｉｅｗ，Ｉｌｌｉｎｏｉｓ，ＵＳＡから入手可能な「ＫＵＧＥＬＢＵＣＨＳＥ」として知られるリニアベアリング等の任意の既知の構成としてよい。このようなリニアベアリング５２を図４に概略的に示す。ベアリングはその内側にギャップ７２を持った外側ケーシング７０を有している。ケーシング７０は、通常、例えば鋼鉄等の金属からなっており、比較的薄いのが好ましい。ケーシング内には、円筒形本体７４があり、その中に複数のボール７６が回転可能に取り付けられている。円筒形本体７４は、プラスチック材料からなるのが好ましい。ボール７６は、例えば鋼鉄等の金属からなるのが好ましく、スナップ嵌合で本体７４内に保持されている。ボール７６は、本体７４の内面７８および外面８０を越えて突出している。ギャップ７２は、ケーシング７０上のクランプ５６、５８を軽くすることにより、本体７４による振動ホーン６８へのクランピングを大きくする。

このように、振動ホーン６８は、静的節点２４間の距離がなくなるために軸方向の長さを短くすることができる。また、クランプ４２によるクランピングおよびリニアベアリング５２間の軸方向距離は、波４４の波長の半分未満であるのが好ましい。（下側クランプ５８による）最下端クランピング位置は、工具ビット５０に隣接するのが好ましい。しかしながら、ホーン６８上のどの位置でもよい。したがって、振動ホーン６８は、従来技術の振動ホーン１２の比較的高い構造強度を必要としないように、直径を小さくして形成することができる。例えば、下側クランプ５８は工具ビット５０から３〜１５ｍｍの範囲、好ましくは１００ｍｍとすることができる。より短い軸方向長さの、またより小さい半径の振動ホーン６８を有することにより、超音波トランスデューサ４０に要求されるパワーを減らすことができる。このことが、工具ビット５０の熱発生を低減する。また、装置を高精度機械とともに用いることも可能にする。

例として、超音波トランスデューサ４０を４０ＫＨｚとし、切削パラメータに応じて振動振幅を０〜２４μｍ、好ましくは２〜４μｍの範囲内で変化させることができる。切削速度は毎分１０メートル未満とし、切削の深さおよび送り速度をそれぞれ１０マイクロメートルおよび１回転あたり１０マイクロメートル未満とすることができる。横／径方向、およびランダム振動は０．１〜０．２μｍの範囲とすることができる。したがって、鋼鉄を加工してＲａ＜８ｎｍでミラー処理することができる。

さらに、温度を下げた結果として低減された黒鉛形成により、工具ビット５０の生産寿命を延ばすことができる。６００回までの工具ビット寿命の延びを経験している。

加工物は、任意のサイズとしてよいが、直径４０ｍｍを超えるサイズについてはより高周波および／または長時間の加工時間となる。加工物のサイズは、下は直径１０μｍまで加工可能となっている。加工物は、例えばガラス、レンズ用ガラス、鋼鉄、ステンレス鋼、磁化可能ステンレス鋼、モールディング／ツーリング鋼等の任意の適当な材料とすることができる。

本発明の好ましい実施形態を上記のように説明してきたが、本発明から逸脱することなく設計または構成の詳細における多くの変形または修正が可能であることは、当業者には理解されよう。

従来技術の装置の概略側面図である。 好ましい実施形態の概略側面図である。 好ましい実施形態の斜視図である。 リニアベアリングの好適な形状の水平方向断面図である。

符号の説明

８…従来技術の装置、１０…超音波トランスデューサ、１２…振動ホーン、１４…取り付けブロック、１６…クリッパークランプ、１８…下側クランプ、２０…工具ビット、２２…波、２４…静的節点、２６…最大振幅位置、２８…実施形態の装置、３０…工具ポスト、３２…３０の上ポスト、３４…３０の下ポスト、３６…３２および３４のギャップ、３８…調整つまみ、４０…超音波トランスデューサ、４２…静的節点でのクランピング、４４…波、４６…静的節点、４８…最大振幅、５０…工具ビット、５２…リニアベアリング、５４…ベアリング取り付け台（Ｕ字形）、５６…上側クランプ、５８…下側クランプ、６０…中間部、６２…取り付けブロック、６４…５６、５８のギャップ、６６…締め付けネジ、６８…振動ホーン、７０…ケーシング、７２…７０のギャップ、７４…本体、７６…ボール、７８…７４の内面、８０…７４の外面。

Claims (12)

1. （ａ）振動ホーン中に超音波を生成する超音波トランスデューサと、
   （ｂ）前記振動ホーン上の超音波の静的節点にある第１のクランプと、
   （ｃ）前記第１のクランプと前記振動ホーンの最下端との間にある第２のクランプと
   を備える超音波振動アシスト型の加工装置であって、
   前記第２のクランプが、前記振動ホーンの横方向の前記振動ホーンの振動を低減し、前記振動ホーンの縦軸方向の前記振動ホーンの振動を可能とするリニアベアリングを備える、加工装置。
2. 前記リニアベアリングが、超音波の波長の半分未満だけ前記第１のクランプから軸方向に離間されている、請求項１に記載の加工装置。
3. （ａ）前記振動ホーン中に超音波を生成する超音波トランスデューサと、
   （ｂ）前記振動ホーン上の超音波の静的節点にある第１のクランプと、
   （ｃ）前記第１のクランプと前記振動ホーンの最下端との間にある第２のクランプと
   を備える超音波振動アシスト型の加工装置であって、
   前記第２のクランプが、超音波の波長の半分未満だけ前記第１のクランプから軸方向に離間されている、加工装置。
4. 前記第２のクランプが、前記振動ホーンの横方向の前記振動ホーンの振動を低減し、前記振動ホーンの縦軸方向の前記振動ホーンの振動を可能とするリニアベアリングを備える、請求項３に記載の加工装置。
5. 前記第２のクランプが、略Ｕ字形であり、上側クランプ、下側クランプ、ならびに前記上側クランプおよび前記下側クランプの間にある中間部を備える、請求項１、２または４に記載の加工装置。
6. 前記上側クランプおよび前記下側クランプが、前記リニアベアリングに対して調整可能である、請求項５に記載の加工装置。
7. 前記第２のクランプが、取り付けブロックに取り外し可能かつ調整可能に取り付けられている、請求項５または６に記載の加工装置。
8. 前記第１のクランプが、前記取り付けブロックに取り外し可能に取り付けられている、請求項７に記載の加工装置。
9. 前記取り付けブロックが、工具ポストに取り外し可能かつ調整可能に取り付けられている、請求項７または８に記載の加工装置。
10. 前記工具ポストが、
    （ａ）上側部分と、
    （ｂ）下側部分と、
    （ｃ）前記上側部分および前記下側部分の間のギャップと、
    （ｄ）前記ギャップを調整する調整機構と
    を備える、請求項９に記載の加工装置。
11. 前記振動ホーンにその最下端で解放可能に固定された工具ビットをさらに備える、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の加工装置。
12. 前記静的節点が前記超音波トランスデューサと前記振動ホーンの最下端の間にある静的節点だけである、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の加工装置。

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