JP2019104100A - フランジを持つ工具とその支持方法とその振動励起方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ほぼ工具だけに超音波振動を励起することができ、工具を正確な位置に支持でき，かつ支持により工具の超音波振動が小さくなることを防ぎ、工具に適する超音波振動を励起することを提供することにある。【解決手段】超硬製の円柱状、または板状の棒を研磨してフランジ３を持つ工具棒２を一体で製作する。工具棒２の先端部にはダイヤモンド粒子を電着する。そしてフランジ３より後ろ側に円筒状の圧電素子５を接着剤により接合する。【選択図】図１

Description

本発明は、炭素ケイ素などの固くて脆い無機セラミック、アルミナなどの固くて脆い酸化セラミック、ＣＦＲＰなどの異方性を持つ繊維強化プラスチック，モリブデンや超硬材料などの難切削金属材料そして脆いガラスなどの加工に好適に用いる工具、工具の支持方法そして工具に超音波振動を励起する方法に関する。

従来、超音波振動を用いた加工は、ランジュバン型超音波振動子に工具を接続する機構を接続して、その工具接続機構に工具を接続していた。そしてその構成は、非特許文献１に詳しく記述されている。

しかし、図１０に示すようにランジュバン型超音波振動子に工具を接続する機構を接続して、その工具接続機構に工具を接続する手段では、工具接続機構と工具の接続した状態での超音波振動を励起してしまう。このため、工具に最適な超音波振動を付与することが困難である。

そこで本発明者は特許文献１に記載の図１１に示す工具に直接、圧電素子を接合した構成を考案した。しかし、この構成では振動の節を支持しない場合があるので、振動の節でない位置を支持した場合には振動が大きく減衰してしまう虞がある。また図１２に示す工具を保持する方法も提案した。しかし、この構成では、研削用ロッドが研削用ロッドと工具が一体となって超音波振動してしまう。したがって、工具に最適な超音波振動を付与することが困難であった。

特許 第４８５６６５０号

磯部浩己他、「超音波振動加工技術」、科学情報出版株式会社、２０１７年７月、ｐ９１〜ｐ１１２

従って、本発明の目的は、ほぼ工具だけに超音波振動を励起する工具の構成を提供することにある。
本発明の別の目的は、工具を正確な位置に支持でき，かつ工具の超音波振動の減衰を小さくすることにある。
本発明のさらに別な目的は、工具に適する超音波振動を励起することにある。

本発明は、柱状または板状の工具棒に金属製フランジと圧電素子を持ち、そして金属製フランジを支持部材により支持するものである。

本発明はまた、金属製フランジをテーパー形状とするものである。

本発明はまた、金属製フランジと柱状または板状の工具棒の中心軸が同一であり、工具棒とフランジを熱嵌めによって接合するものである。

本発明はまた、金属製フランジと柱状または板状の工具棒の中心軸が同一であり、工具棒と金属製フランジが同一の材料とするものである。

本発明はまた、ナットと、外面にオネジを持つハウジングにより締め付けることによりハウジングに支持するものである。

本発明はまた、フランジの凸方向の振動方向と、ナットの外周表面の振動方向が逆方向である振動モードで工具棒を振動させるものとするものである。

本発明の工具とその支持方法とその超音波振動励起方法により、ほぼ工具にだけ超音波振動を励起することができる。そして、工具に励起された超音波振動を支持部材に伝播し、熱になって消耗することを小さくできる。さらにほぼ工具に所望の振動モードを励起することができる。

本発明に用いた工具を説明する図である。 本発明に用いた別の工具を説明する図である。 工具の先端に砥石を接合した断面図である。 工具の先端にネジによりドリルを接合した断面図である。 工具の先端に熱嵌めにより研磨具を接合した断面図である。 工具の先端に熱嵌めによりフランジを接合した断面図である。 工具棒の形状を説明する斜視図である。 テーパーシャンクに工具を支持した構成を説明する断面図である。 フランジとナットの振動を説明する断面図である。 従来の超音波加工機の工具の接続を説明する図である。 特許文献１の工具を説明する図である。 特許文献１の別の工具を説明する図である。

以下、本発明に関わる超音波振動子を、図１（Ａ）の平面図とその切断線Ａ―Ａで切断した断面で示す図１（Ｂ）を用いて説明する。

本発明は、超硬製の円柱状の棒を研磨してフランジ３を持つ工具棒２を一体で製作する。工具棒２の先端部にはダイヤモンド粒子を電着する。そしてフランジ３より後ろ側に円筒状の圧電素子５を接着剤により接合する。この構成は工具棒２の直径が約１０ｍｍ以下に適する。

工具棒２の直径が約１０ｍｍより大きい場合は、円筒状の圧電素子５を製造するのが困難になるため、図２（Ａ）の平面図とその切断線Ａ―Ａで切断した断面である図２（Ｂ）に示す構成にした。

超硬の丸棒から、工具棒２とフランジ３を一体で作成する。工具棒２のフランジ３より後ろ側にオネジを砥石８により設ける。次に工具棒２の先端部にダイヤモンド粒子を電着する。

工具棒２にリング状の圧電素子５、電極板の順に偶数回積み重ね、ナット７により締付け、工具１とする。そして電極板４に電圧印加とアース側を区別してリード線を接続する。

工具棒２先端部について説明する。図３は工具棒２の先端に接着剤を用いて砥石を接合した構成を示す。ダイヤモンド電着材は厚さが薄いため、電着法で形成できたが、工具棒２の先端部の厚さが約１ｍｍ以上であると、例えば砥粒がアルミナで、結合剤がビトリファイドなどの砥石を工具棒２の先端に接着剤を用いて接合する。

次にダイヤモンドを電着した砥石を焼嵌めにより装着した超硬製の工具を図４に示す。このような構成にすることで工具の先端部を着脱できるので、工具全部を交換する必要がないので経済的効果は大きい。

さらに工具軸２先端部にドリルをネジにより接合する構成を図５に示す。工具軸２先端部に取付けたドリルをネジにより交換することができるので、簡単に着脱できる。

工具棒２とフランジの材料をフランジの撓みを調整するために異ならせる必要がある場合は、図６（Ａ）の平面図とその切断線Ａ―Ａで切断した断面である図６（Ｂ）に示す構成にした。例えば工具棒２が超硬製で、フランジが鋼（Ｓ４５Ｃ）である場合、工具棒２よりフランジの方がヤング率が小さいためフランジは撓みやすくなる。

工具棒２は、円柱状だけでなく図７（Ａ）の斜視図で示す板状、そして図７（Ｂ）の斜視図で示す角状などがある。板状の工具棒２は、工具棒の先端をナイフ状にすれば、超音波カッターになる。また角状の工具棒の先端の穴を角状にすれば、超音波打ち抜き機ともなる。

超硬製の円柱状の棒に、鋼製のリングを熱して嵌めて接合する。次に超硬製の円柱状の棒と鋼製のリングを研磨して超硬製の工具棒２と鋼製のフランジ３を製作する。次に工具棒２の先端部にダイヤモンド粒子を電着する。そして、工具棒２のフランジ３より後ろ側にパイプ状の圧電素子を接着剤で固定する。

ここで工具に設けたフランジの作用について図８を用いて説明する。工具に設けたフランジを先端にテーパーを設けたハウジング６とフランジのテーパーとを合わせ、ナット７とハウジング６の外側に設けたオネジとでハウジング６にフランジ３を締め込む。

工具棒２に接合した圧電素子５に目的とする図９に示す振動モードを励起する周波数の電圧を印加する。工具棒２とフランジ３が振動し、接続したナット７も振動する。フランジ３が矢印で示す凸方向に振動するときナット７の外周は矢印で示す逆方向に振動する。この時、フランジ３、ナット７そしてハウジング６の接触位置附近に振動の節がある。

振動の節を、ハウジング６を支持することにより、ハウジング６への振動が伝播することを小さくできるので支持による振動の影響を小さくできる。

ハウジング６の外側にはロータリートランス９の回転部１０が接着剤で接合されている。そして対向する位置にロータリートランス９の固定部１１が図示しない支持器具により支持されている。

そして超音波発振回路１３から所望の周波数の電圧を固定部に印加する。回転するテーパーシャンク１４に取付けた回転部１０に固定部１１に印加した所望の周波数の電圧が励起される。回転部１０で励起された電圧はリード線を通り、圧電素子５に電圧が印加される。そして圧電素子の振動は、工具棒２に伝播する。

以上の説明では、工具棒２の先端部に砥石などの加工部品を持ち、そして工具棒２のフランジのより上に圧電素子を持つ構成を工具１と言う。また、工具棒２と工具の間に例えばコレットのような接続部品は持たない。

ここで、工具とは切削工具、研削工具そして研磨工具であり、切削工具はドリル、フライス、エンドミル、バイト、リーマ、タップ、ホブ、ピニオンカッター、ダイス、トリマ、ルータなどである。研削工具は研削砥石であり、研磨工具は研磨砥石である。

本発明の工具とその支持方法とその振動励起方法により、工具の両端が振動の腹となる振動を励起する。このため、常に工具に好適な超音波振動を励起することができるので様々な超音波加工装置に用いることができる。

１ 工具
２ 工具棒
３ フランジ
４ 電極板
５ 圧電素子
６ ハウジング
７ ナット
８ 砥石
９ ロータリートランス
１０ 回転部
１１ 固定部
１２ コイル
１３ 超音波発振回路
１４ テーパーシャンク
１５ ドリル
１６ 研削用ロッド

Claims (6)

1. 柱状または板状の工具に金属製フランジと圧電素子を持ち、そして金属製フランジを支持部材により支持することを特徴とする工具と支持方法。
2. 金属製フランジがテーパー形状であることを特徴とする請求項１に記載の工具と支持方法。
3. 金属製フランジと柱状または板状の工具の中心軸が同一であり、工具とフランジを焼嵌めによって接合することを特徴とする請求項１に記載の工具と支持方法。
4. 金属製フランジと柱状または板状の工具の中心軸が同一であり、工具と金属製フランジが同一の材料であることを特徴とする請求項１に記載の工具と支持方法。
5. ナットと、外面にオネジを持つハウジングにより締め付けることによりハウジングに支持することを請求項１に記載の工具と支持方法。
6. フランジの凸方向の振動方向と、ナットの外周表面の振動方向が逆方向である振動モードで工具を振動させることを特徴とする請求項１に記載の工具と支持方法そして振動励起方法。

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