JP2013527808A - 可搬式装置と共に使用するための超音波機械加工用組立体 - Google Patents

Abstract

超音波機械加工用組立体であって、機械加工工具と、機械加工工具を受け入れるように適合されているコレットと、音響振動を機械加工工具へ伝達するよう作動する超音波トランスデューサと、を更に含んでいる、超音波機械加工用組立体と、機械加工器械であって、超音波機械加工用組立体を受け入れ固定するように適合されていて、回転運動を超音波機械加工用組立体へ加えることによってトルクを機械加工工具へ伝達するよう作動する、機械加工器械と、を含んでいる機械加工システム。
【選択図】図１

Description

関連出願への相互参照
[0001]本出願は、「超音波機械加工システム」という名称で２０１０年４月２９日に出願されている米国仮特許出願第６１／３２９，３５５号並びに「超音波機械加工システム」という名称で２０１０年５月１１日に出願されている米国仮特許出願第６１／３３３，４８３号の恩典を主張し、前記仮出願の開示をこれによりここにそっくりそのままあたかもここに完全に書き直されたかのごとく援用する。

[0002]記載の発明は、概括的には材料を機械加工するためのシステムに関し、より厳密には非常に硬質な材料を機械加工するのに使用される工具へ長手方向運動と回転運動の両方の運動を提供するためのシステムに関する。

[0003]機械加工とは、穴あけ、フライス削り、リーマ仕上げ、及び旋削の総称であって、米国及びそれ以外の国々で製造業のほぼ全ての態様に影響を与える有望な技術である。或る具体例に関して、フライス削り機械は、中実材料、特に金属を、機械加工するのに使用される機械加工工具である。フライス削り機械は、典型的には水平方向又は垂直方向のどちらかとして分類されており、この水平方向又は垂直方向とは主スピンドルの向きをいう。どちらの型式も大きさは小型の作業台載置型装置から産業用に適したはるかに大型の機械まで多岐に及ぶ。ボール盤はドリルが軸方向に動いて材料を穿つ際に被加工品を静止保持するが、そのボール盤とは違い、フライス削り機械は、被加工品を、側面並びに先端で切削する回転しているフライスに押し当てて軸方向及び半径方向に動かす。フライス削り機械は、単純作業（例えば、溝切りや鍵溝切り、平削り、穴あけ）から複雑作業（例えば、輪郭づけ、型彫り）まで、膨大な数の工程をこなすように使用されている。

[0004]一部の特定の材料の機械加工性を改善することは、軍用機材及び商業用金物類の製造業者らにとっても、また機械工具建造者らにとっても同様に、重大な関心事である。より具体的には、装甲板や装甲複合材の様な最先端材料は、周知の様に、標準的な方法を用いて機械加工するのは困難である。上記の様な材料には、高速度システム及び超硬質工具ビットが使用されているが、工具寿命と生産性は極僅かな伸びしかもたらされていない。材料の機械加工性の有意改善は、レーザー切削、噴射水切削、及びＥＤＭ切削の様な、先端技術を実装することによって実現されてきた。しかしながら、これらのプロセスは、資本コストが高く、用途が限られ、標準的な機械工場で使用するにはあまりに違いが大きすぎる。更に、それらの適用は、材料での一部の特定の型式のカットに限定される。

[0005]超音波支援型機械加工が１９５０年代に米国で開発され、当時は機械加工が難しいと考えられていた材料を機械加工するのに使用された。超音波機械加工（ＵＭ）のより近代的なプロセスには、「伝統的」機械加工プロセス（例えば、穴あけ、旋削、フライス削り）へ、より高速な穴あけ、硬質材料の有効な穴あけ、工具寿命向上、及び精度向上の観点からの全般的性能改善を目指して、高パワー超音波振動を適用することが伴う。これは、典型的には、超音波（ＵＳ）伝達ラインへボルト止めされた焼嵌めコレットへ固着されている高速度鋼（ＨＳＳ）ドリルビットを使用することによって達成されている。因みに、ＵＭは、ガラス、セラミックス、石英の様な、極めて硬質の材料を切削するのに使用されている既存の超音波ベーススラリー穴あけプロセス（即ち衝撃機械加工）ではない。むしろ、ＵＭのこの型式は、ドリル、フライス、リーマ、及び近代的機械加工システムと共に使用される他の工具へ、高パワー超音波を印加するための方法に関わる。

米国仮特許出願第６１／３２９，３５５ 米国仮特許出願第６１／３３３，４８３号

[0006]近代的機械加工システムと一体での超音波の使用は数々の有意な恩恵をもたらしはするが、或る種の技術的課題を抱えており、超音波エネルギーを元来はこの種のエネルギー出力に対応するよう設計されていない機械加工システムへ組み入れているものは少しもない。故に、既存の機械加工システムと適合性があり、それら既存の機械加工システムへ組み入れることのできる、超音波機械加工用組立体の必要性が継続して存在している。

[0007]以下は、本発明の一部の特定の一例としての実施形態の概要を提供している。この概要は、包括的な外観ではなく、また本発明の主要な又は欠くことのできない態様又は要素を識別しようとするものでもなければ本発明の範囲を線引きしようとするものでもない。

[0008]本発明の１つの態様によれば、機械加工システムが提供されている。この機械加工システムは、超音波機械加工用組立体と機械加工器械を含んでいる。超音波機械加工用組立体は、更に、機械加工工具と、機械加工工具を受け入れるように適合されているコレットと、音響振動を機械加工工具へ伝達するよう作動する超音波トランスデューサと、を含んでいる。機械加工器械は、超音波機械加工用組立体を受け入れるように適合されていて、回転運動を超音波機械加工用組立体へ加えることによってトルクを機械加工工具へ伝達するよう作動する。

[0009]本発明の別の態様によれば、同様に機械加工システムが提供されている。この機械加工システムは、超音波機械加工用組立体と機械加工器械を含んでいる。超音波機械加工用組立体は、更に、工具と、工具を受け入れるように適合されているコレットと、音響振動を工具へ伝達するよう作動する半波超音波トランスデューサと、を含んでいる。機械加工器械は、超音波機械加工用組立体を受け入れるように適合されていて、回転運動を超音波機械加工用組立体へ加えることによってトルクを工具へ伝達するよう作動する。随意的な半波延長部が、コレットと超音波トランスデューサの間に配置されている。

[0010]本発明の更に別の態様によれば、穴あけシステムが提供されている。この穴あけシステムは、超音波穴あけ用組立体と穴あけ器械を含んでいる。超音波穴あけ用組立体は、更に、ドリルビットと、ドリルビットを受け入れるように適合されているコレットと、音響振動をドリルビットへ伝達するよう作動する超音波トランスデューサと、を含んでいる。穴あけ器械は、超音波穴あけ用組立体を受け入れるように適合されていて、回転運動を超音波穴あけ用組立体へ加えることによってトルクをドリルビットへ伝達するよう作動する。

[0011]当業者には、以下の例示としての実施形態の詳細な説明が読み進まれ理解されれば、本発明の更なる特徴及び態様が自明となることであろう。当業者には理解される様に、本発明の範囲及び精神から逸脱することなしに本発明の更なる実施形態が実施される余地がある。従って、図面及び関連付けられる説明は、例示目的であり一切制限を課すものではないと見なされるべきである。

[0012]明細書に組み込まれその一部を成す添付図面は、本発明の１つ又はそれ以上の例示としての実施形態を概略的に描いており、以上に与えられている概略的な説明及び以下に与えられている詳細な説明と一体で、本発明の原理を解説するために供されている。

本発明の超音波機械加工用／穴あけ用組立体の或る例示としての実施形態の切断側面図である。 図１の超音波機械加工用／穴あけ用組立体の分解側面図である。 図１の超音波機械加工用／穴あけ用組立体の分解切断側面図である。 本発明の超音波機械加工用／穴あけ用組立体のコレット／マンドレル構成要素の分解側面図である。 本発明の超音波機械加工用／穴あけ用組立体のコレット／マンドレル構成要素の分解切断側面図である。 或る例示としての機械加工器械内に取り付けられた或る例示としての超音波機械加工用／穴あけ用組立体の側面図である。

[0017]本発明の１つ又はそれ以上の例示としての実施形態をこれより図を参照しながら説明する。以下の詳細な説明は、例示を目的として多くの明細を含んでいるが、当業者には、以下の詳細事項に対する多くの変型及び修正は本発明の範囲内であることが理解されるであろう。従って、次に続く本発明の実施形態は、特許請求されている発明に対する一般性の何らの損失もなしに、また特許請求されている発明へ制限を課すことなく、述べられている。本発明は、高パワー超音波の従来式機械工具類への一体化を可能にし、それにより現在の産業用プロセスを向上させる。本発明は、機械加工産業が、超音波機械加工の恩恵を、ツイストドリル、フライス、リーマ、中ぐり棒、など、の様な一般的工具を使用する単純化された設計を通して有効に活用できるようにしている。これは、機械のスピンドルの役目を果たす修正された音響伝達ラインを、例えば２０ｋＨｚでパワーレベル６ｋＷまでの作動時に高い軸方向の力とトルクを発揮する能力と組み合わせて使用することを通して達成されている。これは、高速度鋼、カーバイド、及び専用コートで被覆された切削工具と適合性がある。一部の特定の用途については、本発明は、ドリルヘッド組立体へのアクセスをやり易くしており、その結果、ツイストドリル又は他の工具や装置を、工具製造業者及び使用者に予想のつくやり方で容易に交換できるようになる。これより図を参照しながら、本発明の１つ又はそれ以上の特定の実施形態を更に詳細に説明する。

[0018]図１及び図２Ａ−図２Ｂに最も分かり易く示されている様に、ツイストドリル（例えば、クライマックス（Climax）・ドリル）などと共に使用するように構成されている本発明の或る例示としての実施形態は、超音波機械加工用組立体１０を備えている。超音波機械加工用組立体１０は、更に、先端部２２と胴体部２４と基部２６を含む全波ドリルビット１０と、コレットとしてもマンドレルとしても機能するコレット３０と、半波延長部６０と、半波超音波トランスデューサ７０と、を含んでおり、それら全ては、支持体９４に滑動式に取り付けられているドリルヘッド９０へ差し込まれドリルヘッド９０によって支持される。システムが使用中であるとき、ドリルヘッド９０は、超音波機械加工用組立体１０を回転させる。半波延長部６０は、止めねじ（図示せず）を受け入れるための第１領域６２と、細長い胴体部６４と、止めねじ（図示せず）を受け入れるための第２領域６６と、を含んでいる。超音波トランスデューサ７０は、前塊体部７２と、止めねじ（図示せず）を受け入れるように適合されている領域７４と、後塊体部７６と、ハウジング７８と、トランスデューサ電極（図示せず）を電源へ接続するための電気コネクタ８０と、を含んでいる。前塊体部７２と後塊体部７６の間には複数の圧電セラミックスが配置されている。この実施形態では、半波延長部６０をコレット３０へ接続するのにも超音波トランスデューサ７０へ接続するのにも１／２−２０ＵＮＦの止めねじが使用されている。システムが使用中であるとき、超音波トランスデューサ７０は、音響振動エネルギーを超音波機械加工用組立体１０へ提供する。

[0019]図２Ａ−図２Ｂ及び図３Ａ−図３Ｂに最も分かり易く示されている様に、コレット３０は上殻部分３２を含んでおり、上殻部分３２の内径が上チャンバ３４を画定している。上チャンバ３４は、ドリルビット２０の基部２６を受け入れるように適合されており、当該基部２６は焼嵌めプロセスを用いて上チャンバ３４の中に固定される。上チャンバ３４の周りの塊体を均一に加熱することにより、チャンバの直径を大きく拡げることができる。次いで、基部２６を拡げられたチャンバの中へ挿入する。冷却すると、孔の周りの塊体は縮んでその元の直径へ戻り、摩擦力が有効性の高い継手を作り出す。コレット３０は、更に、剛性を有する節点取付リング３６と下殻部分３８を含んでいる。殻壁４０には周方向のアンダーカット４１（図３Ａ参照）が形成され、同様に随意的な取付部４２が形成されており、当該取付部は、例示としての実施形態では、所望に応じ、コレット３０をドリルヘッド９２（図４参照）へ固着する格納板を受け入れるように適合されている１０個−３２個の穴である。コレット３０がドリルヘッド９２の中へ差し込まれた後、ドリルヘッド９２を駆動するモーターからのトルクをコレット３０へ伝達するべく、スロット型カット４３がドリルヘッド９２内部の固定された鍵部に係合する。この様にして、その後トルクはドリルビット２０の切削面又は他の機械加工工具へと伝達される。殻壁４０の内径は、半波延長部６０の一端を受け入れるように適合されている下チャンバ４４を画定している。円筒構造体４６が、下チャンバ４４の中へ延びており、止めねじ（図示せず）を受け入れるように適合されている領域５０並びにコレット３０の中央部分を貫いて延びている孔４８を含んでいる。孔４８は、基部２６が上チャンバ３４内へ焼嵌めされるとき、チャンバ３４の底に閉じ込められた空気の圧縮に打ち勝つことが必要であることから含まれている。

[0020]コレット３０の設計は、超音波トランスデューサ７０によって生成される全ての振動を、但しドリルビット２０へ伝達される軸方向の振動を除いて、絶縁しており、その結果、ドリルヘッド９２及び機械加工システムは全体として、超音波振動がコレット３０よりも向こうへ伝達されてしまったならその様な振動によって引き起こされる恐れのある損傷から保護される。より具体的には、剛性を有する節点取付リング３６の設置と殻壁４０の厚さと周方向のアンダーカット４１の設置との間の関係により、機械加工システム内の超音波機械加工用組立体１０の取付位置でのコレット３０の振動運動が実質的にゼロになるという結果がもたらされる。基本的に、本発明は、剛性な取付システムにおいて、超音波振動から絶縁されてはいるがなおも高いトルクを機械加工工具へ伝達することのできる挟み止め場所を含んでいるシステムを提供している。加えて、欠陥、損傷、又は摩耗のある機機械加工工具を取り替えるには、当該機械加工工具を収容しているコレットの取り外ししか必要ないのに対し、先行技術のやり方では、工具交換には重ね積まれた部品一式をまるごと分解する必要があった。従って、本発明は、工具交換で必要な時間と労力を著しく軽減するとともに工具寿命の劇的な改善をもたらす。

[0021]本発明をその例示としての実施形態を説明することにより示し、また実施形態を或る程度詳細に説明してきたが、付随の特許請求の範囲をその様な詳細事項に制限すること又は如何様にか限定することは出願人の意図ではない。当業者には更なる利点及び修正が容易に自明になろう。故に、本発明は、そのより広範な態様においては、示され説明されている特定の詳細事項、代表的な装置及び方法、及び／又は例示的な実施例に限定されない。従って、その様な詳細事項からの逸脱が出願人の一般的発明概念の精神又は範囲から外れることなくなされる余地がある。

１０ 超音波機械加工用組立体
２０ ドリルビット
２２ 先端部
２４ 胴体部
２６ 基部
３０ コレット
３２ 上殻部分
３４ 上チャンバ
３６ 節点取付リング
３８ 下殻部分
４０ 殻壁
４１ アンダーカット
４２ 取付部
４３ スロット型カット
４４ 下チャンバ
４６ 円筒構造体
４８ コレットの中央部分を貫く孔
５０ 止めねじを受け入れるように適合されている領域
６０ 半波延長部６
６２ 止めねじを受け入れるための第１領域
６４ 細長い胴体部
６６ 止めねじを受け入れるための第２領域
７０ 超音波トランスデューサ
７２ 前塊体部
７４ 止めねじを受け入れるように適合されている領域
７６ 後塊体部
７８ ハウジング
８０ 電気コネクタ
９０ ドリルヘッド
９２ ドリルヘッド
９４ 支持体

関連出願への相互参照
[0001]本出願は、「超音波機械加工システム」という名称で２０１０年４月２９日に出願されている米国仮特許出願第６１／３２９，３５５号並びに「超音波機械加工システム」という名称で２０１０年５月１１日に出願されている米国仮特許出願第６１／３３３，４８３号の恩典を主張し、前記仮出願の開示をこれによりあらゆる目的で参考文献としてここにそっくりそのまま援用するとともに本米国実用特許出願の一部と成す。本特許出願は、「超音波機械加工モジュール」の名称で２０１１年３月１１日に出願されている米国特許出願第１３／０４６，０９９号の一部継続出願でもあり、前記特許出願の開示をこれによりあらゆる目的で参考文献としてここにそっくりそのまま援用するとともに本米国実用特許出願の一部と成す。

Claims (20)

1. 機械加工システムにおいて、
   （ａ）超音波機械加工用組立体であって、
   （ｉ）機械加工工具と、
   （ｉｉ）前記機械加工工具を受け入れるように適合されているコレットと、
   （ｉｉｉ）音響振動を前記機械加工工具へ伝達するよう作動する超音波トランスデューサと、を更に含んでいる、超音波機械加工用組立体と、
   （ｂ）機械加工器械であって、前記超音波機械加工用組立体を受け入れるように適合されていて、回転運動を前記超音波機械加工用組立体へ加えることによってトルクを前記器械加工工具へ伝達するよう作動する、機械加工器械と、を備えている機械加工システム。
2. 前記コレットと前記超音波トランスデューサの間に配置されている半波延長部を更に備えている、請求項１に記載の機械加工システム。
3. 前記機械加工工具は、ドリルビットである、請求項１に記載の機械加工システム。
4. 前記コレットは、前記超音波トランスデューサによって生成される音響振動を前記穴あけ器械から絶縁しながらもなお長手方向運動と回転運動の両方を前記機械加工工具へ伝達する働きをする、請求項１に記載の機械加工システム。
5. 前記コレットは、
   （ａ）チャンバをその中に画定している第１部分又は上部分と、
   （ｂ）第２部分又は下部分であって、外殻壁と、前記外殻壁によって画定されている内チャンバと、前記内チャンバに形成されている円筒状延長部と、を更に含んでいる第２部分又は下部分と、
   （ｃ）前記上部分と前記下部分の間に形成されている剛性を有する節点取付リングと、
   （ｄ）前記下部分の前記剛性を有する節点取付リングの真下の前記外殻壁に形成されている周方向のアンダーカットと、を更に備えている、請求項１に記載の機械加工システム。
6. 前記機械加工工具は、前記コレットの前記上部分の前記チャンバ内に、焼嵌めプロセスによって固定されている、請求項１に記載の機械加工システム。
7. 前記超音波トランスデューサは、半波トランスデューサである、請求項１に記載の機械加工システム。
8. 機械加工システムにおいて、
   （ａ）超音波機械加工用組立体であって、
   （ｉ）工具と、
   （ｉｉ）前記工具を受け入れるように適合されているコレットと、
   （ｉｉｉ）音響振動を前記工具へ伝達するよう作動する超音波トランスデューサと、を更に含んでいる、超音波機械加工用組立体と、
   （ｂ）機械加工器械であって、前記超音波機械加工用組立体を受け入れるように適合されていて、回転運動を前記超音波機械加工用組立体へ加えることによってトルクを前記工具へ伝達するよう作動する、機械加工器械と、
   （ｃ）随意的に、前記コレットと前記超音波トランスデューサの間に配置されている半波延長部と、を備えている機械加工システム。
9. 前記機械加工システムは、クライマックス・ドリルである、請求項８に記載の機械加工システム。
10. 前記工具は、ドリルビットである、請求項８に記載の機械加工システム。
11. 前記コレットは、前記超音波トランスデューサによって生成される音響振動を前記穴あけ器械から絶縁しながらもなお長手方向運動と回転運動の両方を前記工具へ伝達する働きをする、請求項８に記載の機械加工システム。
12. 前記コレットは、
    （ａ）チャンバをその中に画定している第１部分又は上部分と、
    （ｂ）第２部分又は下部分であって、外殻壁と、前記外殻壁によって画定されている内チャンバと、前記内チャンバに形成されている円筒状延長部と、を更に含んでいる第２部分又は下部分と、
    （ｃ）前記上部分と前記下部分の間に形成されている剛性を有する節点取付リングと、
    （ｄ）前記下部分の前記剛性を有する節点取付リングの真下の前記外殻壁に形成されている周方向のアンダーカットと、を更に備えている、請求項８に記載の機械加工システム。
13. 前記工具は、前記コレットの前記上部分の前記チャンバ内に、焼嵌めプロセスによって固定されている、請求項８に記載の機械加工システム。
14. 穴あけシステムにおいて、
    （ａ）超音波穴あけ用組立体であって、
    （ｉ）ドリルビットと、
    （ｉｉ）前記ドリルビットを受け入れるように適合されているコレットと、
    （ｉｉｉ）音響振動を前記ドリルビットへ伝達するよう作動する超音波トランスデューサと、を更に含んでいる、超音波穴あけ用組立体と、
    （ｂ）穴あけ器械であって、前記超音波穴あけ用組立体を受け入れるように適合されていて、回転運動を前記超音波穴あけ用組立体へ加えることによってトルクを前記ドリルビットへ伝達するよう作動する、穴あけ器械と、を備えている穴あけシステム。
15. 前記コレットと前記超音波トランスデューサの間に配置されている半波延長部を更に備えている、請求項１４に記載の穴あけシステム。
16. 前記コレットは、前記超音波トランスデューサによって生成される音響振動を前記穴あけ器械から絶縁しながらもなお長手方向運動と回転運動の両方を前記ドリルビットへ伝達する働きをする、請求項１４に記載の穴あけシステム。
17. 前記コレットは、
    （ａ）チャンバをその中に画定している第１部分又は上部分と、
    （ｂ）第２部分又は下部分であって、外殻壁と、前記外殻壁によって画定されている内チャンバと、前記内チャンバに形成されている円筒状延長部と、を更に含んでいる第２部分又は下部分と、
    （ｃ）前記上部分と前記下部分の間に形成されている剛性を有する節点取付リングと、
    （ｄ）前記下部分の前記剛性を有する節点取付リングの真下の前記外殻壁に形成されている周方向のアンダーカットと、を更に備えている、請求項１４に記載の穴あけシステム。
18. 前記ドリルビットは、前記コレットの前記上部分の前記チャンバ内に、焼嵌めプロセスによって固定されている、請求項１４に記載の穴あけシステム。
19. 前記超音波トランスデューサは、半波トランスデューサである、請求項１４に記載の穴あけシステム。
20. 前記穴あけ器械は、油圧式穴あけ器械である、請求項１４に記載の穴あけシステム。

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