JP2009028882A - 超音波加工機のスピンドル構造およびこれに用いる支持ホーン - Google Patents

Abstract

【課題】支持ホーンの熱膨張を防止して高精度の加工を行うことが可能な超音波加工機のスピンドル構造およびこれに用いる支持ホーンの提供。
【解決手段】スピンドル２に形成された中空の本体スリーブ３の中に配置する超音波振動子４と、超音波振動子４に同軸上に連接され、かつ本体スリーブ３の内周壁に拘束固定され、超音波振動子４により励起された超音波振動を切削工具６へ伝達する支持ホーン５とを備え、支持ホーン５が、超音波振動子４と同軸上に連接される本体５ａと、本体５ａの外周面に鍔状に形成された基部５ｂ−１と、基部５ｂ−１の外周部を本体５ａの軸方向に延設して形成された弾性を有する円筒状の緩衝スリーブ５ｃ−１と、緩衝スリーブ５ｃ−１の端部に形成され、本体スリーブ３を貫通して本体スリーブ３の外側へ引っ張ることにより、本体スリーブ３の内周壁に接触させた状態で固定される周接フランジ５ｄとを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、各種研削工具などの加工工具に超音波振動を印加しながら被加工物に高精度な研削加工などの加工を施すことのできる超音波加工機のスピンドル構造に関する。

精密加工あるいは超精密加工の分野においては、被加工物の表面研磨や孔空け加工手段として超音波加工機が使用されている。超音波加工機は、一般に、モータによって回転駆動されるスピンドルと、スピンドルと同軸配置された超音波ヘッドと、超音波ヘッドに一体的に連結されたホーンと、ホーン先端に取り付けられた研削工具などを備え、超音波振動系は高剛性状態に固定されている。

このような超音波加工機においては、超精密加工に対応できる精度を維持するため、スピンドル、超音波ヘッドおよびホーンの組立精度を厳格かつ高剛性状態に保つ必要がある。そして、超音波ヘッドによって印加される超音波振動が軸線方向と完全に一致し、かつ振幅も変動することなく研削工具に伝達されるようにすることが最も重要な設計課題とされている。

例えば、本発明者は、特許文献１において、組み立て工数を削減し、加工精度を向上させ、加工作業中の発熱も軽減することのできる超音波加工機のスピンドル構造を開示している。この超音波加工機のスピンドル構造は、軸線周りに回転駆動されるスピンドル本体と、スピンドル本体に設けられた円筒形の本体スリーブ内に配置された超音波振動子と、本体スリーブ内で超音波振動子と連接された支持ホーンとを備え、支持ホーンが、超音波振動子と同軸上に連接される本体と、本体の外周面の当該本体の軸方向長さの中間位置に鍔状に形成された基部と、基部の外周部を本体の軸方向の両端に向かってそれぞれ軸方向に延設することにより本体の外周を包囲するように形成された弾性を有する円筒状の緩衝スリーブと、緩衝スリーブの一方の端部に形成された周接フランジと、緩衝スリーブの他端部に形成された軸接フランジと、基部の外周面にその周方向に沿って設けられた不連続部とを有し、支持ホーンの周接フランジを本体スリーブ内周面に摺動可能に接触させた状態で超音波振動子側に配置し、軸接フランジを軸方向に拘束した状態で本体スリーブに取り付けたことにより、スピンドルの組み立て工数を削減し、加工精度を向上させ、加工作業中の発熱を軽減している。

また、特許文献２には、工作機械の主軸に固定されるシャンクを備えた回転筒と、この回転筒に内蔵された直接加振型振動子ユニットの出力ブロック先端に着脱可能に取り付けられる工具と、回転筒の外周との間に直接加振型振動子ユニットへの給電機構を配したケーシングとを備え、直接加振型振動子ユニットの出力ブロックの入力側がリフレクタリングと非共振のバッファからなる支持体により、また出力側がリフレクタリングと同心のリフレクタリングと非共振のバッファからなる補強体によりそれぞれ回転筒に支持されていることを特徴とする超音波加工用アタッチメントが開示されている。

なお、特許文献２に記載の超音波加工用アタッチメントにおける支持体のリフレクタリングは、回転筒を構成する前筒の段部に当接するように内挿され、これに嵌合された基筒の先端面により挟圧され、必要に応じ前筒の肉厚を貫いて挿着された複数のビスにより外径側が止められ、前筒と一体化されている。図４は、この支持体の回転筒への固定部分の拡大断面図である。図４に示すように、支持体１００のリフレクタリング１０１は、回転筒１０２を貫いて挿着された複数のビス１０３により外径側が内側へ向かって押さえ付けられるように止められている。

特許第３６７６９９７号公報 特開昭６３−２００９５３号公報

上述のように、特許文献２に記載の超音波加工用アタッチメントでは、支持体は、回転筒を貫いて挿着された複数のビスにより外径側が内側へ向かって押さえ付けられるように止められているが、この支持体（支持ホーン）には超音波振動が印加されるため、加工時には僅かながらこの押さえ付け部分にずれが生じる。このように支持体と回転筒との間にずれが生じると、互いに擦れて熱が発生し、支持体が熱膨張してしまうため、この支持体の先端に取り付けられた工具の位置がずれるという問題が発生する。

そこで、本発明においては、支持ホーンの熱膨張を防止して高精度の加工を行うことが可能な超音波加工機のスピンドル構造およびこれに用いる支持ホーンを提供することを目的とする。

本発明の超音波加工機のスピンドル構造は、軸線回りに回転駆動されるスピンドルと、スピンドルに形成された中空の本体スリーブの中に配置する超音波振動子と、超音波振動子に同軸上に連接され、かつ本体スリーブの内周壁に拘束固定され、超音波振動子により励起された超音波振動を加工工具へ伝達する支持ホーンとを備え、支持ホーンが、超音波振動子と同軸上に連接される支持ホーン本体と、この支持ホーン本体の外周面に鍔状に形成された基部と、この基部の外周部を支持ホーン本体の軸方向に延設して形成された弾性を有する円筒状の緩衝スリーブと、この緩衝スリーブの端部に形成され、本体スリーブを貫通して本体スリーブの外側へ引っ張ることにより、本体スリーブの内周壁に接触させた状態で固定される周接フランジとを有することを特徴とするものである。

本発明の超音波加工機のスピンドル構造では、支持ホーンの周接フランジが、本体スリーブを貫通して本体スリーブの外側へ引っ張られることにより、本体スリーブの内周壁に固定されるので、この支持ホーンに超音波振動が印加された際に、この周接フランジの固定部分にずれが生じることがなく、発熱が防止される。

ここで、周接フランジは、軸線を中心として等間隔かつ放射状に引っ張るものであることが望ましい。軸線を中心として等間隔かつ放射状に引っ張ることによって、周接フランジの外周面を真円に近い状態とすることができ、本体スリーブの内周壁に隙間無く接触させて固定することが可能となり、さらに発熱を防止することができる。

特に、この引っ張る箇所は、６箇所以上、好ましくは８箇所以上を引っ張るものであることが望ましく、６箇所以上であれば、周接フランジの外周面をほぼ真円に維持することが可能となる。なお、５箇所未満の場合には周接フランジの外周面が真円よりは多角形状に近い状態となり、本体スリーブの内周壁との間に僅かな隙間が発生する可能性がある。

また、周接フランジの引っ張り位置には、ねじ穴が形成され、周接フランジは、本体スリーブの外側からねじ穴へねじを螺合することにより本体スリーブの内周壁に固定されるものであることが望ましい。これにより、簡易な構造で周接フランジを、本体スリーブを貫通して本体スリーブの外側へ引っ張ることが可能となり、本体スリーブの内周壁に接触させた状態で固定することができる。

（１）支持ホーンの周接フランジが、本体スリーブを貫通して本体スリーブの外側へ引っ張られることにより、本体スリーブの内周壁に固定されるので、この支持ホーンに超音波振動が印加された際に、この周接フランジの固定部分にずれが生じることがなく、発熱が防止される。これにより、支持ホーンの熱膨張が防止され、高精度の加工を行うことが可能となる。

（２）周接フランジが、軸線を中心として等間隔かつ放射状に引っ張るものであることにより、周接フランジの外周面を真円に近い状態とすることができ、本体スリーブの内周壁に隙間無く接触させて固定することが可能となり、さらに発熱を防止し、支持ホーンの熱膨張を防止することが可能となる。

（３）６箇所以上を引っ張って周接フランジを本体スリーブの内周壁に固定することにより、周接フランジの外周面をほぼ真円に維持して、本体スリーブの内周壁に隙間無く接触させて固定することが可能となり、さらに発熱を防止し、支持ホーンの熱膨張を阻止することが可能となる。

（４）周接フランジの引っ張り位置に、ねじ穴が形成され、周接フランジが、本体スリーブの外側からねじ穴へねじを螺合することにより本体スリーブの内周壁に固定されるものであることにより、簡易な構造で周接フランジを、本体スリーブを貫通して本体スリーブの外側へ引っ張ることが可能となり、高精度な加工が可能な超音波加工機を安価に提供することができる。

図１は本発明の実施の形態における超音波加工機のスピンドル構造を示す概略縦断面図、図２は図１におけるスピンドルの拡大断面図、図３（ａ）は図１に示すスピンドル構造を構成する支持ホーンの拡大断面図、同図（ｂ）は同支持ホーンの下面図、同図（ｃ）は同支持ホーンの上面図である。なお、図３（ｃ）において、軸接フランジは省略している。

図１および図２に示すように、本実施形態における超音波加工機は、中空円筒状のハウジング１内に、図示しないモータおよび駆動機構により１軸線周りに回転駆動されるスピンドル２が軸受１ａを介して組み込まれている。スピンドル２は、下端が開放された中空円筒形の本体スリーブ３と、本体スリーブ３の中に配置される超音波振動子４と、超音波振動子４の下端に超音波振動子４と同軸上に連接された支持ホーン５とを備える。また、支持ホーン５の下端には、加工工具としての切削工具６が接続されている。

超音波振動子４は、セラミックス製の圧電素子４ａを正負の電極プレート４ｂ，４ｃの間に挟持し、その下端部分を、超音波振動を増幅させる質点として機能する出力部４ｄとしている。この超音波振動子４は、電極プレート４ｂ，４ｃに図示しない給電ユニットから通電がなされることにより、圧電素子４ａが作動して、出力部４ｄに、その軸線方向を振動方向とする２０ｋＨｚ〜４０ｋＨｚの超音波振動が励起される。そして、スピンドル２の本体スリーブ３内においては、超音波振動子４および支持ホーン５が同軸上で連接配置されているため、出力部４ｄに励起された超音波振動は、支持ホーン５を経由して切削工具６へ伝達される。

支持ホーン５は、例えば、ステンレス鋼を素材とする一体成形品であり、図３に示すように、超音波振動子４と同軸（軸線Ｚ）上に連接される中実円柱状の本体５ａと、本体５ａの外周面の上部および下部にそれぞれ鍔状に形成された基部５ｂ−１，５ｂ−２と、基部５ｂ−１の外周を軸線Ｚ方向の一方（超音波振動子４側）に延設して形成された弾性を有する円筒状の緩衝スリーブ５ｃ−１と、緩衝スリーブ５ｃ−１の超音波振動子４側の端部に形成された周接フランジ５ｄと、基部５ｂ−２の外周を軸線Ｚ方向の一方（切削工具６側）に延設して形成された弾性を有する円筒状の緩衝スリーブ５ｃ−２と、緩衝スリーブ５ｃ−２の切削工具６側の端部に形成された軸接フランジ５ｅとを有している。

なお、本実施形態において、支持ホーン５は、超音波振動子４により印加される１波長の長さに設定されている。また、周接フランジ５ｄおよび軸接フランジ５ｅは軸線Ｚ方向の位置が変位しないノード位置に形成されており、これらの基部５ｂ−１，５ｂ−２間の距離は１／２波長である。

周接フランジ５ｄには、軸線Ｚを中心として放射状に形成されたねじ穴７が等間隔（４５°間隔）に８個配置されている。支持ホーン５は、この周接フランジ５ｄの外周面を本体スリーブ３の内周面に当接させることによって径方向に拘束された状態で配置される。また、本体スリーブ３には、この配置された周接フランジ５ｄのねじ穴７に対応する位置に貫通孔３ａが８個形成されている。支持ホーン５は、この貫通孔３ａを通じて本体スリーブ３の外側から図示しないねじ（ボルト）がねじ穴７に締結されることにより、本体スリーブ３の外側へ引っ張られ、本体スリーブ３の内周壁に接触させた状態で固定されている。

また、軸接フランジ５ｅは、軸線Ｚ方向と交差する面を本体スリーブ３の先端部に接触させて固定するため、本体スリーブ３の先端部に等間隔（４５°間隔）に８個配置されたねじ穴３ｂに対応する位置に、それぞれ貫通孔８が形成されている。支持ホーン５は、この貫通孔８を通じて図示しないねじ（ボルト）が本体スリーブ３のねじ穴３ｂに締結されることにより、軸線方向に拘束された状態で本体スリーブ３の先端に固定されている。

これにより、支持ホーン５は、軸接フランジ５ｅ部分で少なくとも軸方向に拘束され、周接フランジ５ｄ部分では本体スリーブ３の外側へ引っ張られた状態で径方向に拘束された状態となっている。すなわち、本実施形態における超音波加工機のスピンドル構造では、支持ホーン５に超音波振動が印加された際に、周接フランジ５ｄの接触面が本体スリーブ３の内周壁から離れないため、この周接フランジ５ｄの固定部分にずれが生じることがなく、発熱が防止される。

また、支持ホーン５の周接フランジ５ｄおよび軸接フランジ５ｅは、別々に設けられた基部５ｂ−１，５ｂ−２により分離されているため、それぞれ独立変形を有しており、本体５ａに印加された超音波の本体スリーブ３への漏洩が防止されている。すなわち、超音波振動子４から支持ホーン５に印加された超音波は無駄なく切削工具６に伝達される。

したがって、本実施形態における超音波加工機のスピンドル構造では、加工作業中の周接フランジ５ｄの固定部分のずれによる発熱および本体スリーブ３への超音波漏洩による発熱を大幅に減少することができ、これによって加工精度も向上している。また、軸接フランジ５ｅを軸方向に拘束した状態で本体スリーブ３に取り付ければ良いので、スペーサなどが不要となって部品点数が減少し、組立時の微調整も不要となる。これにより、組み立て工数を大幅に削減することができ、スペーサとフランジとの隙間に起因する加工作業中の発熱もなくすことができる。

特に、本実施形態における超音波加工機のスピンドル構造では、周接フランジ５ｄを、軸線Ｚを中心として８箇所を等間隔かつ放射状にねじによって引っ張ることにより、周接フランジ５ｄの外周面をほぼ真円に維持して、本体スリーブ３の内周壁に隙間無く接触させて固定しているので、発熱はほとんどなく、非常に高精度な加工を行うことが可能である。

本発明の超音波加工機のスピンドル構造およびこれに用いる支持ホーンは、各種研削工具などの加工工具に超音波振動を印加しながら被加工物に高精度な研削加工などの加工を施すためのものとして有用である。

本発明の実施の形態における超音波加工機のスピンドル構造を示す概略縦断面図である。 図１におけるスピンドルの拡大断面図である。 （ａ）は図１に示すスピンドル構造を構成する支持ホーンの拡大断面図、（ｂ）は下面図、（ｃ）は上面図である。 従来の支持体の回転筒への固定部分の拡大断面図である。

符号の説明

１ ハウジング
１ａ 軸受
２ スピンドル
３ 本体スリーブ
３ａ，８ 貫通孔
３ｂ，７ ねじ穴
４ 超音波振動子
４ａ 圧電素子
４ｂ，４ｃ 電極プレート
４ｄ 出力部
５ 支持ホーン
５ａ 本体
５ｂ−１，５ｂ−２ 基部
５ｃ−１，５ｃ−２ 緩衝スリーブ
５ｄ 周接フランジ
５ｅ 軸接フランジ
６ 切削工具

Claims (5)

1. 軸線周りに回転駆動されるスピンドルと、
   前記スピンドルに形成された中空の本体スリーブの中に配置する超音波振動子と、
   前記超音波振動子に同軸上に連接され、かつ前記本体スリーブの内周壁に拘束固定され、前記超音波振動子により励起された超音波振動を加工工具へ伝達する支持ホーンと
   を備え、
   支持ホーンが、前記超音波振動子と同軸上に連接される支持ホーン本体と、この支持ホーン本体の外周面に鍔状に形成された基部と、この基部の外周部を前記支持ホーン本体の軸方向に延設して形成された弾性を有する円筒状の緩衝スリーブと、この緩衝スリーブの端部に形成され、前記本体スリーブを貫通して前記本体スリーブの外側へ引っ張ることにより、前記本体スリーブの内周壁に接触させた状態で固定される周接フランジとを有する
   ことを特徴とする超音波加工機のスピンドル構造。
2. 前記周接フランジは、軸線を中心として等間隔かつ放射状に引っ張るものである請求項１記載の超音波加工機のスピンドル構造。
3. 前記周接フランジは、６箇所以上を引っ張るものである請求項２記載の超音波加工機のスピンドル構造。
4. 前記周接フランジの引っ張り位置には、ねじ穴が形成され、前記周接フランジは、前記本体スリーブの外側から前記ねじ穴へねじを螺合することにより前記本体スリーブの内周壁に固定されるものである請求項１から３のいずれかに記載の超音波加工機のスピンドル構造。
5. 超音波加工機のスピンドルに形成された中空の本体スリーブの中に配置された超音波振動子と連接される支持ホーンであって、
   前記超音波振動子と同軸上に連接される支持ホーン本体と、この支持ホーン本体の外周面に鍔状に形成された基部と、この基部の外周部を前記支持ホーン本体の軸方向に延設して形成された弾性を有する円筒状の緩衝スリーブと、この緩衝スリーブの端部に形成され、前記本体スリーブを貫通して前記本体スリーブの外側へ引っ張ることにより、前記本体スリーブの内周壁に接触させた状態で固定される周接フランジとを有する
   ことを特徴とする支持ホーン。

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