JP2010005779A - 超音波バイトシャンク - Google Patents
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Abstract
【課題】加工精度が高く、加工速度が高くかつ切削工具が長寿命であるバイトホルダーを提供すること。
【解決手段】超音波捻り振動器の後方の端部の中心部に軸方向支持部14を設け、さらに固定部15に取付ける。フランジ13により超音波捻り振動器の振動の節部がケースにフランジ13を介して固定される。
【選択図】図3
【解決手段】超音波捻り振動器の後方の端部の中心部に軸方向支持部14を設け、さらに固定部15に取付ける。フランジ13により超音波捻り振動器の振動の節部がケースにフランジ13を介して固定される。
【選択図】図3
Description
本発明は、旋盤に用いる超音波バイトシャンクに関するものである。
従来、例えば金属材料やプラスチック材料等からなるワークの内周面の切削加工においては、図1に示すように、旋盤5の刃物台である保持装置4に内周加工用のバイトチップ6を備えたバイトシャンク1を取付けると共にワーク11を旋盤主軸先端のチャック装置9に取り付け、ワーク11を回転させると同時に刃物台である保持装置4に送りを与え、これによりワーク11の内周面を所定の寸法に加工していた。
しかしながら、かかる従来のワーク11の内周面の切削加工においては切削加工中にバイトシャンク1とワーク11との間にびびり振動が発生し、このびびり振動が加工精度の劣化や工具寿命の短縮などを招く問題があった。
特に、このような切削加工ではバイトシャンク1の突き出し長さをワーク11の加工深さより長くする必要があるが、このためワーク11の加工深さが深くなればなるほどバイトシャンク1の突き出し長さは、長くなり、バイトシャンク1が長くなると前記びびり振動がより生じ易くなる。
さらに、ワーク11の内径が小さい場合にはそれに合わせバイトシャンク1も径を小さくする必要があるが、このようなバイトシャンク1が細くなるとバイトシャンク1の剛性が低下し、同様にびびり振動がより生じ易くなる。
このような従来の切削加工における問題点を解決するために、図2の特許文献1に示す超音波振動を切削工具に印加し、切削加工中にバイトシャンクとワークとの間に発生するびびり振動を抑制し、加工精度が良好で加工能率が良く、工具寿命の長くすることを狙ったものがある。
前記の超音波振動を印加する加工方法は、超音波切削加工と呼ばれており、例えば、非特許文献1に詳しく記載されている。超音波切削加工は、加工対象物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。
ここで図2の特許文献1に示す超音波加工装置について詳しく説明する。切削工具は、超音波捻り振動を発生する超音波捻り振動器と、超音波捻り振動器により発生された捻り振動を撓み振動に変換する撓み振動体とを備えている。超音波捻り振動器は、ボルト締めランジュバン型電歪振動子からなり、超音波発振器10からの高周波駆動信号により駆動される。
また、超音波捻り振動器の先端には、超音波捻り振動器より発生した捻り振動の振幅を拡大して、撓み振動体に伝達する振幅拡大用ホーンがねじ止めされており、超音波捻り振動は該ホーンを通過することにより振動振幅が数倍に拡大される。
さらに振幅拡大用ホーンの先端には、捻り振動を撓み振動に変換するための撓み振動体が図示しないネジでねじ止めされており、該撓み振動体の先端にはバイトチップ6がねじ止めされている。
そして、これら超音波捻り振動器、振幅拡大用ホーン、撓み振動体、バイトチップ6は、超音波捻り振動器の固有振動数とほぼ同一の振動数で定在波が発生し共振する振動系となっている。
さらに該捻り振動系は、振幅拡大用ホーンに発生した定在波の節に設けられたフランジによりケースに取付けられている。また、超音波捻り振動器の後方には、該超音波捻り振動器を冷却するファンが設けられている。
また、このような切削工具を旋盤の刃物台に取り付け、ワークの円周切削加工を行う場合には、該切削工具の取付け手段として防振合金製のバイトシャンクを用いることが好ましいとされている。
このような構成の切削工具によると、加工中のホルダに発生する振動が、従来の1/10〜1/30に減少し、高精度且つ高能率の切削加工を行うことができ、工具の長寿命化が図られているとされている。
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
特開平7−164217号公報
しかし、上記特許文献1に示す旋盤は、バイトシャンクの軸方向に応力が加わった場合、振動の節部と接続するフランジの厚さは、できるだけ薄いことが振動を抑制しないため必要であるので、フランジは薄く撓み易い。そのためバイトシャンクの軸方向に変位するため、精度の高い加工ができない。
また、バイトシャンクの軸方向に対して直交する成分の応力が加わった場合、フランジが撓み、バイトシャンクの軸方向にある角度を持つ変位が発生するため、精度の高い加工ができない。
さらに、バイトシャンクの軸に対して回転成分を持つ応力が加わった場合、軸を中心軸とする角度を持つ変位が発生するため、精度の高い加工ができない。
本発明の目的は、高精度かつ高能率の超音波旋盤加工を提供するものである。
本発明は、超音波振動切削に用いられる切削工具において、超音波振動する圧電素子が接合されているバイトシャンクと前記バイトシャンクの先端部にバイトチップが取付けられ、バイトシャンクの軸方向を支持する軸方向支持部と軸方向と直交する面を支持するフランジを有するものとすることである。
本発明のバイトシャンクを用いることにより高精度かつ高速加工な切削加工が可能となり、さらにバイトチップが長寿命となる。
本発明の実施の形態である基本的な構成を図3の断面図で示す。図2の超音波捻り振動器の後方の端部の中心部に軸方向支持部14を設け、さらに固定部15に取付ける。
フランジ13により超音波捻り振動器の振動の節部がケースにフランジ13を介して固定される。しかし、フランジ13だけでは、フランジ面と直交する軸方向の応力が発生したときは、フランジ面と直交する軸方向に変位する虞がある。図3の2点鎖線と中心線の交点が振動の節部を示す。
また、フランジ面と平行な応力に対してフランジ面と直交する軸方向に対して、角度を持った変位をする虞がる。さらにバイトシャンクの軸に対して回転応力が加わると、バイトシャンクの軸を中心として角度を持つ変位を発生する虞がある。
そこで、図4の断面図で示す超音波捻り振動器のリアマス17と一体の軸方向支持部14を設け、固定部15を介してケースに取付ける。リアマス17と軸方向支持部14を振動的に接続することにより、軸方向支持部14に振動が伝播し、所望の固定部15と軸方向支持部14の接続部で振動の節部にすることができる。軸方向支持部14は、その振動の節部を固定するものであるから、細ければ細いほうが良いが、構造的に強度が必要であるので、最適な形状にする。超音波捻り振動器は、いわゆるランジュバン型超音波振動子の構成であり、図5の斜視図で示す圧電素子7をフロントマス16とリアマス17で締め付け一体化したものである。
前記軸方向支持部14により、フランジ面と直交する軸方向と軸方向に角度を持つ方向の変位を防止することができる。したがって、高精度のバイト加工を実施できる。
また、ランジュバン型超音波振動子に用いる圧電素子の分極方向により前記の捻り振動の他、縦振動そして曲げ振動を励起させることができる。図5、図6、図7中に示す矢印は圧電素子7の分極方向であり、図5は捻り振動、図6は縦振動、図7は曲げ振動を励起させるものである。
捻り振動、縦振動、曲げ振動のどの振動モードにおいても、フランジ及び軸方向支持部と固定部の接続部は、それぞれの振動モードの節部であることが必要である。
本発明の実施の別の形態を図8の平面図と図9の側面図で示す。バイトシャンク1は、工具鋼製である。バイトシャンク1に放電加工によりスリット2を設ける。スリット2は、図9の表面から裏面に向かって貫通している。
スリット2により設けられたフランジ13は、振動の節部に設けられる。そして機械加工と放電加工により設けられた軸方向支持部14の後方の端部も振動の節部に位置させる。
フランジ13によりバイトシャンク1の軸方向と直交する面方向の変位を拘束できる。そして軸方向支持部14の後方の端部を固定することにより、バイトシャンク1の軸方向の変位と軸を中心とする回転方向および軸方向に対して角度を持つ変位を拘束できる。いわゆるX、Y、Z方向さらに軸の周りの変位と軸の傾く方向の変位を拘束できる。
また、フランジ13と軸方向支持部14は振動の節部に設けられているので、バイトシャンク1の超音波振動を抑制することはない。さらにバイトシャンク1の振動の節部の側面に設けられた突起18だけが保持装置と接触するので、超音波振動を抑制することなく位置決めして保持できる。
このようにバイトシャンク1を高精度に位置を保持できるので、従来にない高精度である超音波加工を実施できる。
圧電素子7a、7bである圧電セラミックをバイトシャンク1の側面のスリットの内側にエポキシ樹脂を用いて接合する。そしてボルト12によりバイトシャンク1の先端にバイトチップ6を取り付ける。
圧電セラミックの両面には銀ペーストを印刷して設けた電極部があり、図10の矢印で示すように板厚方向に分極されている。このような分極をすることによりバイトシャンク1に縦振動を励起する。図9中の2点鎖線が中心線と交わったところが振動の節部であり、中心線より上側が軸方向に沿って図面の左側に変位していることを示し、中心線より下側が軸方向に沿って右側に変位していることを示す。もちろん振動の逆位相の時は、これとは反対方向に変位する。電極部の表面には電気的絶縁を確保するために絶縁塗料を塗布している。
そして、電極にリード線をハンダ付けし、そしてこれらリード線を超音波発振器に接続する。
次に保持装置4に固定保持されたバイトシャンク1を用いた旋盤5の運転方法について図12を用いて説明する。超音波発振器10から高周波電圧をリード線8を介して板状の圧電素子7a、7bである圧電セラミックに印加する。所望の周波数の高周波電圧を印加することにより、図9の2点差線に示すようバイトシャンク1の長さ方向に伸縮振動が励起される。これとほぼ同時に図示しないモータを起動し、チャック装置9とこれにより機械的に固定されたワーク11を回転させる。そして、図示しない送りモータを起動し、バイトチップ6をワーク11方向に移動させ、ワーク11の内周部を切削加工する。切削時には切削液を切削部分に供給する。
ここでバイトシャンク1の振動について説明する。まずバイトシャンク1の圧電素子7を接合していない面を保持装置4である刃物台で保持する。後部の軸方向支持部14と固定部15の連結部、フランジ13を節とする棒の縦振動モードで振動できる。
バイトシャンク1の振動はボルト12で取付けたバイトチップ6にも伝播し、バイトチップ6は振動する。ここで、バイトシャンク1とバイトチップ6との間の振動の伝播のロスを防ぐため、バイトシャンク1とバイトチップ6を仮接着剤で接合し、さらにボルト12で接合しても良い。
市販のバイトシャンク1を放電加工することにより作成できるので、ほとんどの旋盤で使用することができる。
そして、従来の超音波加工を用いた旋盤は、質量の大きなランジュバン型超音波振動子を用いてバイトシャンク1を振動させている。これに対して図8のバイトシャンク1の質量は数分の1以下であるので、必要な振動エネルギーは、ほぼ振動させる質量に比例するので、数分の1以下になる。したがって、超音波発振器10を小型化できることはもちろん、電力投入量が小さいためバイトチップの温度の上昇も小さくできるので、加工精度、加工速度も高くできる。
上記の例では、バイトシャンク1に縦振動を励起したが、図10、図11の斜視図で示す圧電素子7の矢印で示す分極方向と電圧の印加方法により、もちろん曲げ振動またはねじり振動を励起することもできる。
以上に述べた本発明の図のバイトシャンク1によれば、ほぼバイトチップ6とバイトシャンク1だけを振動させることができることによりバイトチップ6が長寿命であり、加工精度が高く、加工能率の高い旋盤加工を提供できる。
また、旋盤にもほとんど振動が伝播しないので振動による損傷の恐れはほとんどない。
さらに、不要な装置には、ほとんど振動が伝播することがないため振動ロスがほとんどないので小さな電力で必要な大きさの振動を励起させることができる。したがって、バイトチップの温度の上昇を小さくできるので、加工精度を向上させることができる。
本発明のバイトシャンクは、旋盤に用いることができる。
1 バイトシャンク
2 スリット
3 連結部
4 保持装置
5 旋盤
6 バイトチップ
7 圧電素子
8 リード線
9 チャック装置
10 超音波発振器
11 ワーク
12 ボルト
13 フランジ
14 軸方向支持部
15 固定部
16 フロントマス
17 リアマス
18 突起
2 スリット
3 連結部
4 保持装置
5 旋盤
6 バイトチップ
7 圧電素子
8 リード線
9 チャック装置
10 超音波発振器
11 ワーク
12 ボルト
13 フランジ
14 軸方向支持部
15 固定部
16 フロントマス
17 リアマス
18 突起
Claims (2)
- 超音波振動切削に用いられる切削工具において、超音波振動するバイトシャンクと前記バイトシャンクの先端部にバイトチップが取付けられ、バイトシャンクの軸方向を支持する軸方向支持部と軸方向と直交する面を支持するフランジを有していることを特徴とする。
- バイトシャンクに圧電素子が接合されていることを特徴とする請求項1に記載のバイトシャンク。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008189171A JP2010005779A (ja) | 2008-06-24 | 2008-06-24 | 超音波バイトシャンク |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008189171A JP2010005779A (ja) | 2008-06-24 | 2008-06-24 | 超音波バイトシャンク |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2010005779A true JP2010005779A (ja) | 2010-01-14 |
Family
ID=41586833
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2008189171A Withdrawn JP2010005779A (ja) | 2008-06-24 | 2008-06-24 | 超音波バイトシャンク |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2010005779A (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106424836A (zh) * | 2016-12-26 | 2017-02-22 | 东北大学 | 一种由车床刀架固定的轴向超声振动钻削装置 |
CN106624044A (zh) * | 2016-12-26 | 2017-05-10 | 东北大学 | 一种由机床尾座固定的轴向超声振动钻削装置 |
CN117733196A (zh) * | 2024-02-21 | 2024-03-22 | 深圳极智超声科技有限公司 | 一种换能器一体式超声刀柄及超声加工系统 |
-
2008
- 2008-06-24 JP JP2008189171A patent/JP2010005779A/ja not_active Withdrawn
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN117733196A (zh) * | 2024-02-21 | 2024-03-22 | 深圳极智超声科技有限公司 | 一种换能器一体式超声刀柄及超声加工系统 |
CN117733196B (zh) * | 2024-02-21 | 2024-04-23 | 深圳极智超声科技有限公司 | 一种换能器一体式超声刀柄及超声加工系统 |
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Legal Events
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A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20110906 |