JP2009214286A - 超音波振動切削ユニット装置とその繊維強化樹脂等の加工方法、大型孔明加工機、多関節ロボットとその繊維強化樹脂等の加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 繊維強化樹脂等の被切削物において、多数の孔明け加工を小物から大物に至る広域（一品少量・多品多量等）にわたり切削性能・作業能率の向上と対環境性の向上が複合して図れる超音波振動切削ユニット装置とその加工方法を提供する。
【解決手段】 ベース基部１に進退制御可能に備えた回転駆動軸手段ＤＳと、上記回転駆動軸手段の刃具Ｔに回転方向に超音波振動を付与する超音波振動手段１０と、上記刃具及び主軸先端部６・超音波振動手段１０を包囲し刃具の進退移動に連動する防塵手段２０と、上記防塵手段内に空気流Ｅを流入・排気して切粉塵Ｃを回収する切粉塵回収手段３０と、上記回転駆動軸手段ＤＳとを包囲する防爆手段４０と、上記防爆手段内に空気流Ｅを流入・排気して樹脂粉塵Ｊを回収する粉塵回収手段５０と、を備えた超音波振動切削ユニット装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転方向に対して超音波ねじり振動が付与されるドリルで被切削物を孔明け加工する超音波振動切削ユニット装置と、これによる繊維強化樹脂等の加工方法に係り、特に被切削物が難切削で対環境性の悪化を招く繊維強化樹脂等に対して多数の孔明け加工を小物から大物に至る広域にわたり好環境の基に効率良く加工できるようにした超音波振動切削ユニット装置と、その繊維強化樹脂等の加工方法に関するものである。

近年、航空機による国際的な物流の増大に伴い、対地球環境性の向上を図るための低燃費性の要求が高まり、航空機の機体軽量化が図られている。その具体的方策として、アルミ合金から繊維強化樹脂材を使用した機体の開発が急速に進んでいる。上記繊維強化樹脂には、カーボン繊維を強化繊維として内存した（ＣＦＲＰ）、ガラス繊維を強化繊維として内存した（ＧＦＲＰ）等が提供されている。通常、その組織は、強化繊維が交互に直交または斜交させた複数の樹脂層を積層させて構成されている。上記繊維強化樹脂材を航空機等の機体またはその構成要素に使用時、構成要素間の連結にボルト等を挿通するための孔加工が多数箇所にわたり施されるのであるが、汎用ドリルで繊維強化樹脂材（特にカーボンを強化繊維としたもの）を孔明けすると、切削抵抗による発熱が著しく生じ、加工面の平滑性が著しく悪化する上、ドリル寿命が著しく短くすることが知られている。更に、加工時に多量で微細な切り屑が発生し、加工環境を悪化するとともに火災発生の危険性も孕んでいる。

その理由は、内存する強化繊維（カーボン繊維）が汎用ドリルの切削方向に対して平行に延びている箇所においては、ドリル切刃と強化繊維との摩擦に起因する切削抵抗が過大となって過度に発熱し、その熱が繊維強化樹脂の基材である樹脂（例えばエポキシ樹脂等）に影響を与えて加工面に凹凸形状が生じてしまうと考えられる。更に、過度の発熱がドリルの切刃を痛め寿命を短くしている。

上記問題に直接対処しない対策として、例えば、繊維強化樹脂を被加工物としない他の難削材（ファインセラミックス、ガラス、複合材料等）に対する加工方法において、加工用ドリルに縦振動あるいは捩じれ振動等の超音波振動を与えながら、微細孔を切削形成させたり、研削する超音波微細加工装置とし、切削抵抗による発熱を抑えることで、加工面の平滑性の向上やドリル寿命を延ばしたものが提供されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、本出願人に係わる超音波加工用ねじり振動装置は、繊維強化樹脂を被加工物としない他の難削材（ファインセラミックス、ガラス、複合材料等）を加工対象とし、装置全長を小型化するとともに、共振周波数の調整を容易化し、更に、ホーン前面に工具を容易に装着できるようにしたものである。その構成は、超音波加工用ねじり振動子において、ねじり振動子が前面体の全体を軸対称の一対構造とするとともに、その全長を共振周波数の半波長とし、前面体に周波数調整用の段付円柱部を備えるとともに、前面体の先端部に工具装着部を設けたものが提供されている（例えば、特許文献２参照。）。

更に、上記超音波微細加工装置や超音波加工用ねじり振動装置を利用した航空機エンジンナセル吸音パネル用多孔板の孔明け方法、製造方法が提供されている。その孔明け方法は、未硬化繊維強化樹脂プリプレグ面板に、多数の孔加工すべく超音波振動を付加した刃具、又は熱を付加した刃具、若しくはレーザにて、孔周りのプリプレグ中の樹脂を半硬化させながら多数の孔明けするものである。その構成と加工手順は、積層した未硬化繊維強化樹脂プリプレグ面板を多数の孔を明けた上側のプリプレグ押え板と下側の受刃兼プリプレグ押え板とにより挟んで固定した後、超音波発信ホーンにより超音波振動を付加した刃具をプレス機にて下降すると、未硬化繊維強化樹脂プリプレグ面板に接触した刃具の刃先で超音波摩擦熱が発生し、この状態の刃先と受刃兼プリプレグ押え板との剪断作用により上記面板に孔が明けられると同時に刃具の超音波摩擦熱により孔周りが加熱されてその孔周りのプリプレグ中の樹脂は半硬化される。従って、後のオートクレーブでのプリプレグの硬化工程において、明けられた孔内にプリプレグ中の樹脂が流れることがない。しかも得られた積層未硬化繊維樹脂プリプレグ多孔面板は柔らかく粘着力を保持している。そして、孔明けによって抜かれたプリプレグは、真空ポンプに吸引されてタンクに貯められるとしたものが提供されている（例えば、特許文献３参照。）。

そして、粉塵対策として、例えば、繊維強化樹脂等の樹脂板を電動ドリルやボール盤等で孔明けすると、軽く細かく粉砕された切削粉塵が空気中に漂い、作業者の呼吸器系や環境を悪化させない電動工具が提供されている。その手段は、ドリルの先端周囲に防塵カバーを取付けて加工時に発生する防塵カバー内の切削粉塵を吸引機器により吸引回収し、作業者の呼吸器系や環境を悪化させないようにしたものが提供されている（例えば、特許文献４参照。）。

特開平１０−７１５１３号公報 特開２００１−２３９４０５号公報 特許第３６０３１６１号公報 特開２００５−７８２９号公報

上記航空機の機体軽量化には、上記繊維強化樹脂であるカーボン繊維を強化繊維として内存した（ＣＦＲＰ）又は、ガラス繊維を強化繊維として内存した（ＧＦＲＰ）等が使用されている。上記繊維強化樹脂は難削材であり、構成要素間の連結用の多数の孔加工には高耐久性・耐摩耗性に優れた高価なドリルを使用しているにも係らず、孔明け個数が少なく寿命に至る。そこに、上記ドリルに、例えば、超音波加工用ねじり振動装置を利用した孔明け方法を合理的に採用し、加工効率の向上、耐久性の向上、低コストを図らねばならない開発課題がある。また、加工時に発生する軽く細かく粉砕された切削粉塵が空気中に漂う現象を解消すべく、吸引手段をドリル先端や装置全体に装備して対環境性の向上・対防爆対策を確保しなければならない開発課題がある。更に、大型航空機は、機体寸法が数十メールと長く、それらの構成要素も数メートル〜十数メートルと長く大物であるから、その孔明け装置も据付式の大型孔明加工機よりも小型で手軽に携帯できる孔明切削ユニットにする開発課題がある。また、多量生産指向に対応する据付式の大型孔明加工機において、加工軸やロボットハンドの手首に、簡潔に装着できる孔明切削ユニットの開発課題がある。

上記各種の開発課題は、上記従来の公知技術を単に組み合わせるだけでは到底達成されない。即ち、大型航空機において、繊維強化樹脂による機体寸法が数十メールと長く、それらの構成要素も数メートル〜十数メートルと長く大物であり少量加工となることから、その孔明け装置も据付式の大型孔明加工機よりも小型で手軽に携帯できる超音波振動切削ユニット装置により被加工物の加工位置に接近・装着させて加工する手段が好ましいがその対策が不明である。また、大量生産指向には、据付式の大型孔明加工機の加工軸やロボットハンドの手首に、簡潔に装着して無人自動化運転できる対策が不明である。更に、加工時に繊維強化樹脂から多量に発生する軽く細かく粉砕された切削粉塵が空気中に漂い、作業者の呼吸器系に係る環境改善や燃焼爆発する現象を解消すべく、ドリル先端や装置全体を防護しなければならない具体的な解決すべき対策が不明である。更に、上記超音波振動切削ユニット装置を使用した加工方法の具体的な解決すべき対策が不明である。

本発明は、上記従来の超音波加工用ねじり振動装置やこれを利用した孔明け方法における各種問題点を解決すべき課題に鑑みてなされたものである。その目的とするところは、特に航空機の機体となる繊維強化樹脂等の被切削物において、多数の孔明け加工を小物から大物に至る広域（一品少量生産・多品多量生産等）にわたり切削性能・作業能率の向上・低コストと対環境性の向上が複合して図れる超音波振動切削ユニット装置とその加工方法を提供するものである。

上記目的を達成するべく本発明の請求項１による超音波振動切削ユニット装置は、回転方向に超音波振動が付与されるドリルで繊維強化樹脂等を孔明けする超音波振動切削ユニット装置において、ベース基部に進退制御可能に備えた回転駆動軸手段と、上記回転駆動軸手段の先端に装着された刃具に回転方向に超音波振動を付与する超音波振動手段と、上記刃具及び主軸先端部・超音波振動手段を包囲し刃具の進退移動に連動する防塵手段と、上記防塵手段内に空気流を流入・排気して切粉塵及び内部空気を回収する切粉塵回収手段と、上記ベース基部及び回転駆動軸手段を包囲する防爆手段と、上記防爆手段内に空気流を流入・排気して樹脂粉塵を回収する粉塵回収手段と、を具備したことを特徴とする。

請求項２による超音波振動切削ユニット装置は、請求項１記載の超音波振動切削ユニット装置において、上記刃具の磨耗・異常切削を検知する異常検知手段を備え、上記刃具の磨耗・異常切削を発振周波数の変動又はパワー変動等により検出することを特徴とする。

請求項３による超音波振動切削ユニット装置は、請求項１または２記載の超音波振動切削ユニット装置おいて、上記回転駆動軸手段は、回転駆動部とベース基部に備えた送り軸とガイドバー又はベース基部に備えたクイル軸を軸心方向へ進退移動させる送りモータとからなることを特徴とする。

請求項４による超音波振動切削ユニット装置は、請求項１または２または３記載の超音波振動切削ユニット装置おいて、上記防塵手段の先端に、被加工物に備える加工位置決め具と係合する結合部を備えたことを特徴とする。

請求項５による繊維強化樹脂等の加工方法は、上記超音波振動切削ユニット装置を作業者が携帯し、繊維強化樹脂等の孔明け位置に予め取付けた加工位置決め具を介して孔明けすることを特徴とする。

請求項６による大型孔明加工機は、上記超音波振動切削ユニット装置を、固定据付又は移動据付けした大型孔明加工機の加工軸に装着させたことを特徴とする。

請求項７による多関節ロボットは、上記超音波振動切削ユニット装置を、固定据付又は移動据付けした多関節ロボットアームの手首に装着させたことを特徴とする。

請求項８による繊維強化樹脂等の加工方法は、上記大型孔明加工機の加工軸に備えた超音波振動切削ユニット装置により、長尺物の繊維強化樹脂等に多数の孔明けを行わせることを特徴とする。

請求項９による繊維強化樹脂等の加工方法は、上記多関節ロボットアームの手首に備えた超音波振動切削ユニット装置により、長尺物の繊維強化樹脂等に多数の孔明けを行わせることを特徴とする。

本発明の請求項１〜５記載の超音波振動切削ユニット装置及びこの加工方法によると、例えば、航空機の機体となる繊維強化樹脂等の被切削物において、多数の孔明け加工を小物から大物に至る広域（一品少量・多品多量等）にわたり作業者の手作業により、切削性能・作業能率の向上と対環境性の向上を図っての作業が低コストにできる。

また、本発明の請求項６〜９記載の超音波振動切削ユニット装置を備えた大型孔明加工機や多関節ロボット及びこの加工方法によると、航空機の機体となる繊維強化樹脂等の被切削物において、多数の孔明け加工を、特に、大物（一品少量・多品多量等）の孔明け加工が全自動無人運転により、切削性能・無人運転による作業能率の向上と対環境性の向上を図っての作業が低コストにできる。

しかして、本発明の超音波振動切削ユニット装置とこの加工方法によると、航空機の機体となる繊維強化樹脂等の被切削物に対する切削抵抗を低減した加工が可能となり、▲１▼複合材の剥離等が抑えられ、加工精度が向上する。▲２▼加工熱が減少し、複合材の樹脂部分の変質が抑えられる。▲３▼工具寿命が向上し、大幅なコスト低減が可能となる。更に、超音波振動切削ユニット装置を大型孔明加工機や多関節ロボットに備えれば、航空機の機体となる長尺物の繊維強化樹脂等の被切削物に対し切削抵抗を低減した連続加工が可能となる。

以下、図１乃至図４を参照して本発明の第１の実施の形態を説明する。図１は超音波振動切削ユニット装置の全体斜視図、図２は超音波振動切削ユニット装置の断面図、図３は異常検知手段のブロック線図、図４は超音波振動切削ユニット装置の作用図である。

本発明の超音波振動切削ユニット装置１００は、図１〜図４に示す。先ず、全体構成の概要を説明する。ベース基部１には、回転駆動部（モーター）Ｍ１により回転される回転駆動軸手段ＤＳと、ベース基部に備えた送り軸２とガイドバー３，４に支持された上記回転駆動軸手段ＤＳを載せた送り台５を軸心方向へ進退移動させる送りモータＭ２とを備えている。上記回転駆動軸手段ＤＳの先端に装着された刃具（ドリル・エンドミル・リーマ等）Ｔには、回転方向に超音波振動（電気制御部８０により駆動される）を付与する超音波振動手段１０を備えている。上記刃具Ｔ及び主軸先端部６及び超音波振動手段１０を包囲し刃具Ｔの進退移動に伸縮連動する防塵手段２０をベース基部１に備えている。上記防塵手段２０内に空気流Ｅ（火災防止用には窒素流Ｅ０）を流入・排気して切粉塵Ｃ及び内部空気Ｅを回収する切粉塵回収手段３０を防塵手段２０の先端部に備えている。上記ベース基部１及びこれに進退制御可能に備えた回転駆動軸手段ＤＳを包囲する防爆手段４０をベース基部１に備えている。上記防爆手段４０内に空気流Ｅ又は窒素流Ｅ０を流入・排気して樹脂粉塵Ｊを回収する粉塵回収手段５０を防爆手段４０の背面部に備えている。

上記超音波振動切削ユニット装置１００において、刃具（ドリル・エンドミル・リーマ等）Ｔの磨耗・異常切削を検知する異常検知手段ＤＤを備え、上記刃具の磨耗・異常切削を超音波振動手段１０における発振周波数の変動又はパワー変動等により検出する。その概要は、図３の異常検知手段のブロック線図に示す。先ず、刃具Ｔの磨耗・異常切削を異常振動として検出するには、電気制御部８０に備える発振周波数の設定値ｆがしきい値ｆ１を超えると、刃具Ｔの磨耗・異常切削として感知設定される。また、電気制御部８０に備えるパワー設定値Ｐがしきい値Ｐ１を超えると、刃具Ｔの磨耗・異常切削として感知される。上記異常検知手段ＤＤにおいては、発振周波数の設定値ｆがしきい値ｆ１を超えるか、パワーの検出値Ｐがしきい値Ｐ１を超えるか、の何れか一方が超えた時を、刃具Ｔの磨耗・異常切削のアラームとして軽微の警告音を発する。また、上記両方がしきい値Ｌ１・Ｐ１を超える時を、刃具Ｔの磨耗・異常切削のアラームとし重度の警告音を発する。としたものであるが、他の方式を採用することも可能である。

上記防塵手段２０は、上記刃具Ｔ及び主軸先端部６及び超音波振動手段１０を包囲し刃具Ｔの進退移動に連動するようにベース基部１に備えており、その詳細構成は、筒体２０Ｂが伸縮可能な蛇腹を成し、筒体２０Ｂの先端は刃具Ｔの進退移動とともに移動するとともに、孔明け時に、刃具Ｔの先端が被加工物Ｈに切り込まれると、その前進量だけ後退（停止した位置に止まる）する関係になっている。上記筒体２０Ｂの先端には、被加工物（航空機の機体となる繊維強化樹脂等）Ｈに備える加工位置決め具Ｇと係合する結合部Ｋを備えている。その結合部Ｋの構成は、上記防塵手段２０の先端部にテーパー状（尖端状）の係合環２０Ａを設けたものである。上記結合部Ｋの係合環２０Ａは、その孔中心位置Ｏが上記刃具Ｔの中心位置Ｏ１と一致するように配置されている。

他方の被加工物Ｈにおける孔明け位置には、リング状の加工位置決め具Ｇが配置されている。この端面にテーパー状（すり鉢状）の係合環２２Ａを設けたものである。しかして、被加工物Ｈの孔明け時に、結合部Ｋの係合環２０Ａと被加工物Ｈの係合環２２Ａとを接合すれば、正確な位置に孔明け作業が簡潔に行える。また、切削時には、上記防塵手段２０内の切粉塵Ｃ及び空気Ｅ（又は窒素流Ｅ０）が切粉塵回収手段３０により空気流Ｅ（又は窒素流Ｅ０）を流入・排気して切粉塵Ｃ及び内部空気Ｅ（又は窒素流Ｅ０）が回収されるものである。

上記切粉塵回収手段３０は、防塵手段２０内へ空気流Ｅを流入・排気して切粉塵Ｃ及び内部空気Ｅ（又は窒素流Ｅ０）を回収するもので、筒体２０Ｂの先端側の対称位置に、エア吸気口２０Ｃと切粉塵Ｃ及び内部空気Ｅ（又は窒素流Ｅ０）の排気口２０Ｄとを備えており、エア供給機ＥＫとエア吸引機ＥＵに繋がれている。また、ベース基部１に備える上記防爆手段４０は、正方形体の箱型を呈しており、前面に明けた丸孔４０Ａに上記筒体２０Ｂがスライド可能で且つ機密性を維持して係合されている。上記防爆手段４０の背面には、粉塵回収手段５０を備えている。その構成は、防爆手段４０の内部に空気流Ｅを流入する防爆対策用の吸気口４０Ｂと、内部の樹脂粉塵Ｊを回収する防塵対策用の排気口４０Ｃとを備えている。尚、エア供給機ＥＫとエア吸引機ＥＵに繋がれている。

本発明の第１の実施の形態となる超音波振動切削ユニット装置１００は、上記のように構成されており、以下の繊維強化樹脂等の加工方法により作用する。図４（ａ）において、超音波振動切削ユニット装置１００の作用を説明する。航空機の機体の一部を構成する被加工物（繊維強化樹脂等）Ｈの多数の明けるべき孔ｈに予め備えた加工位置決め具Ｇの係合環２２Ａに対して、作業者の手に持った超音波振動切削ユニット装置１００において、防塵手段２０となる筒体２０Ｂの先端側に設けた結合部Ｋの係合環２０Ａを係合させる。この係合は、特に、上方に位置する機体底面の孔明け時には、クランプ機能を持たせるのが望ましい。これで、上記結合部Ｋの係合環２０Ａは、その孔中心位置Ｏが上記刃具Ｔの中心位置Ｏ１と一致していることから、明けるべき孔ｈの位置（イ）に合わせられる。続いて、図４（ｂ）において、超音波振動切削ユニット装置１００の回転駆動部（モーター）Ｍ１により回転駆動軸手段ＤＳを回転させるとともに、超音波振動手段１０を起動させる。更に、送りモータＭ２を起動し、上記回転駆動軸手段ＤＳを載せた送り台５を被加工物（繊維強化樹脂等）Ｈに向け所定の送り速度で前進移動して孔明け作業が円滑に進められる。図４（ｃ）において、上記刃具Ｔの回転方向への超音波振動を伴う回転駆動により、被加工物（繊維強化樹脂等）Ｈへの孔加工が円滑に進められる。そして、被加工物（繊維強化樹脂等）Ｈの刃具Ｔから発生する防塵手段２０内の切粉塵Ｃ及び内部空気Ｅ（又は窒素流Ｅ０）は、切粉塵回収手段３０により空気流Ｅ（又は窒素流Ｅ０）を流入・排気して切粉塵Ｃ及び内部空気Ｅ（又は窒素流Ｅ０）が回収される。また、上記ベース基部１及びこれに進退制御可能に備えた回転駆動軸手段ＤＳは、防爆手段４０に包囲されていて、この内部に漂う樹脂粉塵Ｊは、粉塵回収手段５０により空気流Ｅ（又は窒素流Ｅ０）を防爆対策用の吸気口４０Ｂから流入され、防塵対策用の排気口４０Ｃから吸引して外部へと回収される。

しかして、上記刃具Ｔの回転方向への超音波振動を伴う回転駆動により、被加工物（繊維強化樹脂等）Ｈへの孔加工が円滑に進められるとともに、被加工物（繊維強化樹脂等）Ｈの刃具Ｔから発生する切粉塵Ｃ及び内部空気Ｅやベース基部１・回転駆動軸手段ＤＳの周辺で漂う樹脂粉塵Ｊが強制的に回収され、作業者による多数の孔明け加工が切削性能・作業能率の向上と対環境性の向上と火災防止を図って低コストにできる。特に、小物から大物に至る広域（一品少量・多品多量等）にわたり作業者の手作業により、合理的に行われる。また、上記超音波振動切削ユニット装置１００には、刃具（ドリル・エンドミル・リーマ等）Ｔの磨耗・異常切削を検知する異常検知手段ＤＤを備えているから、刃具（ドリル・エンドミル・リーマ等）Ｔの磨耗・異常切削による不良孔加工を未然に防止される。

上記第１の実施の形態となる上記超音波振動切削ユニット装置１００を使用した時のコスト低減効果を試算すると、概略以下のようになる。航空機１機（中型機のボーイング７８７相当）を製造するには、複合部材を接着するためのリベット孔１０万孔が必要である。従来技術では、超硬ドリル１本当たり２０孔を開けるだけの工具寿命が限界である。本発明によれば、工具寿命が３倍に伸びることが孔明け試験から確認した。そこで、リベット孔加工にかかるコスト計算を１機当たりで比較する。
従来技術：１０万孔（孔数）／２０孔（工具寿命）であり、ドリル１本単価が２万円で あるから、１億円／１機となる。
本発明：１０万孔（孔数）／６０孔（工具寿命）であり、ドリル１本単価が２万円であるから、３３００万円／１機となる。しかして、約６６００万円／１機（６６％）のコスト削減効果がある。

本発明の第１の実施の形態となる上記超音波振動切削ユニット装置１００によると、下記の効果が得られる。航空機の機体となる繊維強化樹脂等の被切削物において、多数の孔明け加工を小物から大物に至る広域（一品少量・多品多量等）にわたり作業者の手作業により、切削性能・作業能率の向上と対環境性の向上を図っての作業が低コストにできる。しかして、本発明の超音波振動切削ユニット装置とこの加工方法によると、航空機の機体となる繊維強化樹脂等の被切削物に対する切削抵抗を低減した加工が可能となり、▲１▼複合材の剥離等が抑えられ、加工精度が向上する。▲２▼加工熱が減少し、複合材の樹脂部分の変質が抑えられる。▲３▼工具寿命が向上し、大幅なコスト低減が可能となる。

本発明は、上記第１の実施の形態となる超音波振動切削ユニット装置１００に限定されない。図５に示す第２の実施の形態の超音波振動切削ユニット装置２００のように構成しても良い。例えば、上記回転駆動軸手段ＤＳは、回転駆動部Ｍ１とベース基部１に備えたクイル軸Ｑを軸心方向へ進退移動させる送りモータＭ２とで構成したものである。その他の構成は、上記第１の実施の形態の超音波振動切削ユニット装置１００と同一につき、同一符号を付して説明を省略する。

上記第２の実施の形態の超音波振動切削ユニット装置２００は、以下のように作用する。即ち、超音波振動手段１０を起動させ、送りモータＭ２を起動し、上記回転駆動軸手段ＤＳを備えるクイル軸Ｑを被加工物（繊維強化樹脂等）Ｈに向けて軸心方向へ前進移動させることで孔明け作業が円滑に進められる。その他の作用は、上記第１の実施の形態となる超音波振動切削ユニット装置１００と同一につき説明を省略する。

しかして、上記超音波振動切削ユニット装置２００による効果は、上記第１の実施の形態の超音波振動切削ユニット装置１００による効果の他、超音波振動切削ユニット装置２００を細身・軽量にコンパクトに構成でき、操作性にも優れている。

続いて、上記超音波振動切削ユニット装置１００又は２００を、据付式の大型孔明加工機に装備した時の構成と作用と効果を説明する。図６において、本発明の超音波振動切削ユニット装置１００又は２００を、据付式の大型孔明加工機３００の主軸に装備した状態を示す。この実施例においては、レールＬＯ上の搬送体７０に長尺な被加工物（繊維強化樹脂等）Ｈの多数の孔ｈの位置に対して、超音波振動切削ユニット装置１００又は２００の刃具Ｔの先端を自動制御により合わせ自動孔加工が無人運転で進められる。勿論、大型孔明加工機３００をレールＬＯ上で移動可能に移動据付させても良い。

続いて、上記超音波振動切削ユニット装置１００，２００を据付式のロボットのハンドＨＡの手首に装備した時の構成と作用と効果を説明する。図７において、本発明の超音波振動切削ユニット装置１００又は２００を、据付式のロボットＲのハンドＨＡの手首に装備した状態を示す。この実施例においては、レールＬＯ上の搬送体７０に長尺な被加工物（繊維強化樹脂等）Ｈの多数の孔ｈの位置に対して、超音波振動切削ユニット装置１００又は２００の刃具Ｔの先端を自動制御により合わせ自動孔加工が無人運転で進められる。勿論、ロボットＲをレールＬＯ上で移動可能に移動据付させても良い。

本発明の超音波振動切削ユニット装置を備えた大型孔明加工機や多関節ロボット及びこの加工方法によると、航空機の機体となる繊維強化樹脂等の被切削物において、多数の孔明け加工を、特に、大物（一品少量・多品多量等）の孔明け加工が全自動無人運転により、切削性能・無人運転による作業能率の向上と対環境性の向上を図っての作業が低コストにできる。更に、超音波振動切削ユニット装置を大型孔明加工機や多関節ロボットに備えれば、航空機の機体となる長尺物の繊維強化樹脂等の被切削物に対し切削抵抗を低減した連続加工が可能となる。

本発明は、その被切削物を航空機の機体となる繊維強化樹脂等に対するドリル孔明けで説明したが、仕上げ用のエンドミル他にも工具寿命の延長とコスト削減が図られる。また、航空機の機体以外の製品にも適用できる。即ち、小型のボール盤やフライス盤等のヘッドに上記超音波振動切削ユニット装置１００又は２００を装備させ、他分野に使用される部品の加工にも実施が可能である。例えば、ゴルフシャフト、釣具、テニスラケット、スキーストック、風力発電のブレード、船舶の船体、各種ボディや筐体等の製品の軽量化、低コスト化、省エネ化に資する波及効果が期待できる。更に、他部門の各種加工機用にも適用が可能である。

本発明の第１の実施の形態を示し、超音波振動切削ユニット装置の全体斜視図である。 本発明の第１の実施の形態を示し、超音波振動切削ユニット装置の断面図である。 本発明の第１の実施の形態を示し、異常検知手段のブロック線図である。 本発明の第１の実施の形態を示し、超音波振動切削ユニット装置の作用図である。 本発明の第２の実施の形態を示し、超音波振動切削ユニット装置の断面図である。 本発明の超音波振動切削ユニット装置を大型孔明加工機に装備した正面図である。 本発明の超音波振動切削ユニット装置をロボットハンドの手首に装備した正面図である。

符号の説明

１ ベース基部
２ 送り軸
３，４ ガイドバー
５ 送り台
６ 主軸先端部
１０ 超音波振動手段
１２ 振動センサー
１４ 電流センサー
２０ 防塵手段
２０Ａ 係合環
２０Ｂ 筒体
２０Ｃ エア吸気口
２０Ｄ 排気口
２２Ａ 係合環
３０ 切粉塵回収手段
４０ 防爆手段
４０Ａ 丸孔
４０Ｂ 吸気口
４０Ｃ 排気口
５０ 粉塵回収手段
７０ 搬送体
８０ 電気制御部
Ｃ 切粉塵
ＤＤ 異常検知手段
ＤＳ 回転駆軸手段
Ｅ 空気流
Ｅ０ 窒素流
ＥＫ エア供給機
ＥＵ エア吸引機
ｆ 周波数設定値
ｆ１ しきい値
ＬＯ レール
Ｇ 加工位置決め具
ｈ 孔
Ｈ 被加工物（繊維強化樹脂等）
ＨＡ ハンド
Ｐ パワー設定値
Ｐ１ しきい値
Ｊ 樹脂粉塵
Ｋ 結合部
Ｍ１ 回転駆動部（モーター）
Ｍ２ 送りモータ
Ｔ 刃具（ドリル・エンドミル・リーマ等）
Ｏ 孔中心位置
Ｏ１ 刃具の中心位置
Ｑ クイル軸
Ｒ ロボット
１００ 超音波振動切削ユニット装置
２００ 超音波振動切削ユニット装置
３００ 大型孔明加工機

Claims (9)

1. 回転方向に超音波振動が付与されるドリルで繊維強化樹脂等を孔明けする超音波振動切削ユニット装置において、ベース基部に進退制御可能に備えた回転駆動軸手段と、上記回転駆動軸手段の先端に装着された刃具に回転方向に超音波振動を付与する超音波振動手段と、上記刃具及び主軸先端部・超音波振動手段を包囲し刃具の進退移動に連動する防塵手段と、上記防塵手段内に空気流を流入・排気して切粉塵及び内部空気を回収する切粉塵回収手段と、上記ベース基部及び回転駆動軸手段とを包囲する防爆手段と、上記防爆手段内に空気流を流入・排気して樹脂粉塵を回収する粉塵回収手段と、を具備したことを特徴とする超音波振動切削ユニット装置。
2. 上記刃具の磨耗・異常切削を検知する異常検知手段を備え、上記刃具の磨耗・異常切削を発振周波数の変動又はパワー変動等により検出することを特徴とする請求項１記載の超音波振動切削ユニット装置。
3. 上記回転駆動軸手段は、回転駆動部とベース基部に備えた送り軸とガイドバー又はベース基部に備えたクイル軸を軸心方向へ進退移動させる送りモータとからなることを特徴とする請求項１記載の超音波振動切削ユニット装置。
4. 上記防塵手段の先端に、被加工物に備える加工位置決め具と係合する結合部を備えたことを特徴とする請求項１または２または３記載の超音波振動切削ユニット装置。
5. 上記超音波振動切削ユニット装置を作業者が携帯し、繊維強化樹脂等の孔明け位置に予め取付けた加工位置決め具を介して孔明けすることを特徴とする繊維強化樹脂等の加工方法。
6. 上記超音波振動切削ユニット装置を、固定据付又は移動据付けした大型孔明加工機の加工軸に装着させたことを特徴とする大型孔明加工機。
7. 上記超音波振動切削ユニット装置を、固定据付又は移動据付けした多関節ロボットアームの手首に装着させたことを特徴とする多関節ロボット。
8. 上記大型孔明加工機の加工軸に備えた超音波振動切削ユニット装置により、長尺物の繊維強化樹脂等に多数の孔明けを行わせることを特徴とする繊維強化樹脂等の加工方法。
9. 上記多関節ロボットアームの手首に備えた超音波振動切削ユニット装置により、長尺物の繊維強化樹脂等に多数の孔明けを行わせることを特徴とする繊維強化樹脂等の加工方法。

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