JP2010194614A

JP2010194614A - 焼嵌め式超音波工具ホルダ

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Publication number: JP2010194614A
Application number: JP2007210402A
Authority: JP
Inventors: Kazumasa Onishi; 一正大西
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-07-13
Filing date: 2007-07-13
Publication date: 2010-09-09

Abstract

【課題】加工精度が高く、かつ信頼性の高い超音波加工する工具ホルダを提供すること。
【解決手段】焼嵌め式超音波工具ホルダ１は、回転軸に取り付けるテーパー状の鋼製のホルダ部２があり、そのホルダ部２の中に顎５そしてマニピュレータ把持用溝６がある。ホルダ部２のテーパー状の部分と同じくホルダ部２の顎５の間に回転側のフェライト製のロータリートランス８を配置する。そしてその回転側のロータリートランス８を固定するためにメネジを持つ鋼製の固定リング７により締め付け固定する。焼嵌め式超音波工具ホルダ１のホルダ部２の中に焼嵌めなどにより超音波振動子部９の鋼製のリアマス１１を接合する。ただし、リアマス１１とホルダ部２の接続部分である接続部２３は超音波振動子部９に含まない。そして、超音波振動子部９の前部に鋼製のチャック筒３を設ける。そして、チャック筒３に焼嵌めにより超硬製の工具４であるエンドミルを接合する。
【選択図】図３

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。

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。

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。

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

図１の超音波研削装置は、回転軸に超音波振動子を取り付けているため、回転軸は超音波振動するので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する恐れがある。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。

また、工具に最適な超音波振動を励起するためには、工具の長さにより駆動周波数を変化させなければならないが、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。

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。

本発明は、工具を保持する工具ホルダにおいて、工具を焼嵌めによりチャック筒に保持すること、回転軸ハウジングの軸受けより工具側に超音波振動子部を配置すること、そしてホルダ部と工具の間に超音波振動子部を有するものである。
を有するものである。

本発明はまた、前記工具ホルダにおいてホルダ部に回転側のロータリートランスを配置するものである。

本発明の超音波工具ホルダを使用して、旋盤、フライス盤、ミリング装置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。

図２は、本発明の焼嵌め式超音波工具ホルダ１の基本的な構成を示す斜視図である。焼嵌め式超音波工具ホルダ１は、回転軸に取り付けるテーパー状の鋼製のホルダ部２があり、そのホルダ部２の中に顎５そしてマニピュレータ把持用溝６がある。ホルダ部２のテーパー状の部分と同じくホルダ部２の顎５の間に回転側のフェライト製のロータリートランス８を配置する。そしてその回転側のロータリートランス８を固定するためにメネジを持つ鋼製の固定リング７により締め付け固定する。

焼嵌め式超音波工具ホルダ１のホルダ部２の中に焼嵌めなどにより接続部２３を接合する。接続部２３には、超音波振動子部９が接続されている。そして、超音波振動子部９の前部に鋼製のチャック筒３を設ける。そして、チャック筒３に焼嵌めにより超硬製の工具４であるエンドミルを接合する。

ここで、図２の断面を示す図３を用いてさらに説明する。焼嵌め式超音波工具ホルダ１のホルダ部２の後部に鋼製のプルスタッド１０をネジにより接続している。ランジュバン型の超音波振動子部９は、鋼製のリアマス１１、圧電セラミック１２ａ、１２ｂ、鋼製のフロントマス１３で構成されている。リアマス１３は接続部２３そしてチャック筒３が一体で製作されている。

超音波振動子部９は、接続部２３とチャック筒３が一体になったリアマス１１に圧電セラミック１２ａ、図示しない燐青銅製の電極、圧電セラミック１２ｂを挿入し、そしてリアマス１１に設けられたオネジとフロントマス１３に設けられたメネジにより強く締め付け一体化する。

チャック筒３には、焼嵌めにより工具４を固定保持する。誘導加熱装置の加熱コイルの中にチャック筒３を挿入し、スイッチを入れ電磁誘導によりチャック筒３を誘導加熱する。そしてチャック筒３は、加熱されることにより、膨張する。そして膨張したチャック筒３に工具４のシャンク部を挿入して焼き嵌めする。工具４の焼嵌めについては、例えば特許文献１および特許文献２に詳しく記述してある。
特開２００２−３５５７２７公報特開２００２−１２０１１５公報

次に本発明の焼嵌め式超音波工具ホルダ１を回転軸１９に取り付けた構成について断面図４を用いて説明する。焼嵌め式超音波工具ホルダ１のホルダ部２のテーパー部を回転軸１９のテーパー穴２０に挿入し、プルスタッド１０を引き具１４により引き込み取付ける。回転軸１９は回転軸ハウジング１５の軸受け２２で回転自在に支持されている。軸受け２２は、転がり軸受けだけでなく、エア軸受け、流体静圧軸受けなど任意である。

さらに本発明の焼嵌め式超音波工具ホルダ１を用いた超音波加工装置の運転方法を、同じく図４を用いて説明する。まず図示しないモータの電源を入れ回転軸１９を回転させる。次に超音波発振器２１のスイッチを入れ固定側のロータリートランス８ａ、回転側のロータリートランス８ｂを介して圧電セラミック１２ａ、１２ｂに３６ＫＨｚの９０Ｖ（Ｐ−Ｐ）の交流電圧を印加する。超音波振動子部９そしてチャック筒３を超音波振動が伝播し、工具先端に約１５μｍの縦振動が励起される。図４の中では、超音波発振器２１の位置を図の下方に位置させているが、実際は図示しないコントロールボックスの中に収められている。

ここで回転側のロータリートランス８ｂから圧電セラミック１２ａ、１２ｂへの電力の供給経路を詳しく説明する。ホルダ部２にリード線を通すリード線穴１７ａ、１７ｂを設ける。リード線穴１７は回転バランスを維持するためにさらに２個設けてもよい。回転側のロータリートランス８ｂと電極板１６ａ、１６ｂをリード線穴１７ａ、１７ｂを通したリード線１８ａ、１８ｂにより電気的に接続する。

この構成において工具４を焼嵌めによりチャック筒３に固定するので、工具４とチャック筒３は機械的に一体化できる。コレットチャックと比較すると、コレットチャックは、コレットとコレット締め付け手段により工具を保持する構成であるので、超音波振動の伝播経路、振動モードが複雑になる。そして、各接触部で振動エネルギーが熱に変換されてしまう。また、超音波振動によりコレットの締め付け力が変化する虞がある。

焼嵌めによる工具のチャックは、コレットチャックに比較して把握力、精度、剛性、回転バランス等の性能を高めることが可能である。高速回転対応するためには、回転バランスと遠心力により低下する把握力が重要であり、焼嵌め式工具ホルダは、コレットチャックの２〜４倍の把握力を持ち、回転バランスについても締め付け用の部品が無いので、工具の着脱に伴う回転バランスのばらつきが発生しないのである。

さらに、焼嵌め式工具ホルダの利点としては、加工に耐えうる最小限の工具把持部の肉厚と把持長を持つことであり、他の方式の工具ホルダと異なってチャック部の外形形状をある程度自由に設計できることである。そして、加工時の工具ホルダと加工物や治具との干渉を防ぐ最適形状を採用することで他の工具ホルダと比較して剛性が高まり、加工時間の短縮や加工精度の向上を図ることができる。

超音波振動子部９が軸受け２２より先端部にあり、超音波振動する部分が工具４及びチャック筒３だけに励起されるため、軸受け２２には超音波振動による損傷の虞はない。

またこの構成においてチャック筒および工具だけがほぼ振動するモードを使用することにより、約３５ＫＨｚで１５μｍ以上の振動を工具の先端に励起できるので、従来の超音波加工機のように振動を拡大するためのホーンが不要になる。

このことにより装置は小型化ができる。また、ホーンなどの大型部品を振動させる必要がないので省電力かできる。

さらに、チャック筒および工具だけがほぼ振動するモードの固有振動数を超音波発振回路により追尾することにより、工具の長さが変化しても、最適な周波数の電圧を印加できる。そして、工具の長さが変化しても安定した振動を工具に与えることができる。

上記の加工は超音波切削加工であり、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、そして工具の寿命が長くなるなどの利点を有している。

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。

また、当然回転軸にもほとんど振動が伝播しないので軸受または回転軸の振動による損傷の恐れはほとんどない。

上記のように、工具とチャック筒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。

上記の実施の形態では、リアマス、接続部とチャック筒を一体化した構成について説明したが、それぞれを別の部品としてもよい。

ここで、本発明の焼嵌め式超音波工具ホルダの別の形態について図５の断面図を用いて説明する。焼嵌め式超音波工具ホルダ１のホルダ部２のテーパー部を回転軸１９のテーパー穴２０に挿入し、プルスタッド１０を引き具１４により引き込み取付ける。回転軸１９は回転軸ハウジング１５の軸受け２２で回転自在に支持されている。

そして超音波振動子部９、前面板２４そしてチャック筒３を一体にした構成を、ホルダ部２の前部に設けた穴に超音波振動子部９の部分を挿入して前面板２４とホルダ部２の先端部のネジにより接合する。

図５の焼嵌め式超音波工具ホルダ１を用いた超音波加工装置の運転方法は、図４で説明したものと同様であるので省略する。

この構成の特徴は、鋼製の前面板２４を振動の節部としてチャック筒３および工具４だけがほぼ振動するモードを励起できることである。このことにより回転軸１９に不要な振動を伝達しない。また、ほぼチャック筒３および工具４だけの長さで駆動周波数が決まるため、工具が短くなった場合、すぐその周波数に変化するのでいつも工具の振動に最適な周波数の電圧を圧電セラミック１２に印加できる。

また、工具をチャック筒３に取り付ける際、チャック筒３を加熱するが前面板２４が熱を遮蔽するため超音波振動子部９の温度の上昇が抑えられる。したがって、圧電セラミックの熱による劣化の虞が無くなる。

さらに、ホルダ部２の中に超音波振動子部９が収納されているため、切削液や金属の切りくずなどにより超音波振動子部９の電極板１６ａと電極板１６ｂが短絡する虞がない。

本発明の焼嵌め式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。

従来の超音波研磨装置を示す概略説明図である。本発明の焼嵌め式超音波工具ホルダを示す斜視図である。図２の側面断面図である。回転軸に焼嵌め式超音波工具ホルダを取り付けた断面図である。回転軸に別の焼嵌め式超音波工具ホルダを取り付けた断面図である。

符号の説明

１焼嵌め式超音波工具ホルダ
２ホルダ部
３チャック筒
４工具
５顎
６マニピュレータ把持用溝
７固定リング
８ロータリートランス
９超音波振動子部
１０プルスタッド
１１リアマス
１２圧電セラミック
１３フロントマス
１４引き具
１５回転軸ハウジング
１６電極板
１７リード線穴
１８リード線
１９回転軸
２０テーパー穴
２１超音波発振器
２２軸受け
２３接続部
２４前面板

Claims

工具を保持する工具ホルダにおいて、工具を焼嵌めによりチャック筒に保持すること、回転軸ハウジングの軸受けより工具側に超音波振動子部を配置すること、そしてホルダ部の前面部に超音波振動子部を接合していることを特徴とするものである。
ホルダ部に回転側のロータリートランスを有していることを特徴とするものである。