JP3676769B2

JP3676769B2 - Machining tools

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Publication number: JP3676769B2
Application number: JP2002272703A
Authority: JP
Inventors: 晴司浜田; 和義太田
Original assignee: Taga Electric Co Ltd
Current assignee: Taga Electric Co Ltd
Priority date: 2002-09-19
Filing date: 2002-09-19
Publication date: 2005-07-27
Anticipated expiration: 2022-09-19
Also published as: JP2004106125A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波振動子を利用して、切削、研削、削孔、溶着等の各種の超音波加工を行う加工工具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波振動を利用した加工を行う場合、超音波振動の駆動源である超音波振動子に工具を装着し、その工具に超音波特有の大きな加速度を持つ高周波微振動を発生させ、このような工具を被加工物に衝突させる。これにより、効率の良い加工を行うことが可能である。
【０００３】
このような超音波振動を利用した加工工具の従来の一例を図９ないし図１３に基づいて説明する。図９は超音波振動を利用した従来の加工工具の一例を示す斜視図、図１０はその分解斜視図である。また、図１１は超音波振動を利用した従来の加工工具の別の一例を示す斜視図、図１２はその分解斜視図である。そして、図１３は、加工工具の縦断面と共にその共振振動分布を示す説明図である。
【０００４】
ここで紹介する加工工具１は、被加工物に微小穴を穿孔する超音波穿孔装置の一例であり、超音波振動子１１に対して、工具２１を止めネジ式の工具ホルダ３１で固定する構造のものである。
【０００５】
超音波振動子１１は、前部ホーン１２、２個の圧電素子１３、２枚の電極１４、後部ホーン１５、及び締着ボルト１６（図１３参照）によって構成されている。工具２１としては、ドリル形状のものを例示する。つまり、工具２１の先端に位置する加工部は、ドリル２２となっている。そして、前部ホーン１２の先端部には雌ネジ１７が切られており、この雌ネジ１７に工具ホルダ３１に設けられた雄ネジ３２が螺合し、これによって前部ホーン１２と工具ホルダ３１とがネジ結合されている。この工具ホルダ３１は、工具挿入孔３３を有する。工具２１は、その後端側から工具挿入孔３３に挿入され、工具ホルダ３１に設けられた工具止めネジ３４によって締め付けられて固定されている。ここに、加工工具１が構成されている。
【０００６】
このような構造のものは、図示しない高周波電源から、超音波振動子１１、工具ホルダ３１及び工具２１から構成された加工工具の共振周波数に対応した高周波電圧を２枚の電極１４に印加することで、２個の圧電素子１３が伸縮を繰り返し、これによって超音波振動子１１に超音波振動が発生する。これにより、工具２１の先端に設けられたドリル２２がその機能を発揮する。
【０００７】
なお、超音波振動子１１の振動は、一般的に、圧電素子１３の種類に応じて、軸振動、たわみ振動、捩れ振動、及びこれらの複合振動等がある。図９及び図１０に例示する超音波振動子１１は軸振動をする。どの振動を選択するかは、工具２１の種類に応じて決めれば良い。
【０００８】
図１１及び図１２に示す加工工具は、工具ホルダ３１にすり割３５を設けた構造の一例である。図９及び図１０に例示する工具ホルダ３１では、工具２１の側方から工具止めネジ３４の先端を工具２１に直接押し付けて工具２１を固定する構造であるのに対して、図１１及び図１２に例示する工具ホルダ３１では、工具止めネジ３４を締め込むことによってすり割３５の間隔を狭め、これによって工具ホルダ３１それ自体の加圧力で工具２１を固定する。
【０００９】
ここで、図１３に基づいて、超音波穿孔装置振動体として機能する加工工具１の振動分布について説明する。加工工具１の振動分布を示す図１３に示すように、Ｎで示すノード（節）は軸振動が０（ゼロ）の部分であり、ここを境に左右は位相を逆にして伸び縮みする。ループ（腹）は、振幅の最大部であり、後端部の振幅Ｌ２に対して、工具２１の先端部の振幅Ｌ１は大きくなる。これは、ノードＮを境に直径を細くすると、振動振幅が拡大されるためである。ノードＮ部分から直径を絞れば、その形状と直径比とによって所望の振幅拡大率が得られ、加工に必要な振幅を設計することができる。図９ないし図１３に示す例では、半波長（１／２波長）の共振体として構成された加工工具１を示すが、半波長（１／２波長）の整数倍の波長で共振体を構成することも可能である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
昨今の工業技術の進歩に伴い、超音波の有効利用の試みが以前にも増して活発になるにつれ、付加価値の高い加工、つまり超微細化、高精度化、高速度化等の高難易度な加工が強く求められるようになってきている。しかしながら、このような要望には、従来の超音波技術だけでは対応が困難である。その理由を次に説明する。
【００１１】
図１３に示す振動分布に見られるように、加工工具１の振動分布の振幅は、工具２１の先端部分で最大となる。このときの工具２１の振動速度Ｖ（ｍ／ｓｅｃ）は、
Ｖ（ｍ／ｓｅｃ）＝２×π×ｆ×ａ ……（１）
で表される。ここで、ｆ（Ｈｚ）は装置の共振周波数、ａ（ｍ）は工具２１の先端部分の片振幅である。
【００１２】
一般に、図９ないし図１３に例示する加工工具１のような超音波振動を応用した加工工具の場合、工具２１の振動速度Ｖ（ｍ／ｓｅｃ）が大きいほど高能率で高精度、つまり品位の高い加工が可能とされている。そこで、振動速度を大きくすることが望ましいが、そのためには共振周波数を高くするか振幅を大きくする必要が生ずる。
【００１３】
一方、工具２１の振動は往復運動であり、その振動の上死点及び下死点では大きな加速度が発生する。そして、振動速度Ｖ（ｍ／ｓｅｃ）の大きさに比例して加速度は当然に大きくなり、これによって工具２１に大きな慣性力が生ずることになる。これを数式で説明すると、振動により発生する工具２１の慣性力Ｆ（Ｎ）は、工具２１自身の質量ｍ（ｋｇ）と加速度ｇ（ｍ／ｓｅｃ^２）とに支配され、
Ｆ（Ｎ）＝ｍ×ｇ ……（２）
で表されることになる。
【００１４】
以上の理論から、高効率で高精度な超音波加工を行うためには、工具２１を高速で振動させる、つまり工具２１の振動速度Ｖ（ｍ／ｓｅｃ）を大きくする必要があるのに対して、振動速度Ｖ（ｍ／ｓｅｃ）が大きくなるに伴い工具２１の加速度ｇ（ｍ／ｓｅｃ^２）も急激に増大することが明白である。
【００１５】
しかしながら、例えば図９ないし図１３に示す例でも明らかなように、工具２１は超音波共振体の一部ではあるが、工具ホルダ３１の機械的構造で保持されているに過ぎない。このため、高効率で高精度な超音波加工を行うために加工工具１の振動速度Ｖ（ｍ／ｓｅｃ）を増大させた場合、工具ホルダ３１による工具２１の保持力が弱いと、工具２１は自分自身の慣性力Ｆ（Ｎ）で飛び出してしまうことになるという問題がある。
【００１６】
このようなことから、少しでも大きな振動速度Ｖ（ｍ／ｓｅｃ）で工具２１を振動させるには、工具２１を強力に保持すると共に、できるだけ工具を軽くする必要がある。上記（１）式及び（２）式より、振動速度Ｖ（ｍ／ｓｅｃ）が増大すれば工具２１の加速度ｇ（ｍ／ｓｅｃ^２）が増大して工具２１に生ずる慣性力Ｆ（Ｎ）が大きくなり、これに対処するには工具２１を強力に保持する必要があり、また、この時に工具２１に生ずる慣性力Ｆ（Ｎ）を少しでも減少させるには工具２１の質量ｍ（ｋｇ）をできるだけ小さくするしかないからである。
【００１７】
ここで、工具２１を確実に超音波振動子１１に固定する手法は、過去にも様々な形が提案されてきたが、一般的には図９及び図１０又は図１１及び図１２に例示する手法が広く用いられている。これらの固定手法では、工具２１を簡便に交換できるという利点がある。
【００１８】
しかしながら、図９及び図１０に例示する手法は、通常、２０ｋＨｚの周波数においては、ａ＝１０μｍ程度の振幅にまでしか適用することができない。しかも、工具２１の固着力を増加するために工具止めネジ３４を強く締め込むと、工具２１の変形、折れ、偏芯等の工具性能や加工性能の劣化を引き起こし易いという問題もある。
【００１９】
また、図１１及び図１２に例示する手法では、工具止めネジ３４を強く締め込んだとしても、工具２１の変形、折れ、偏芯等が発生する可能性が少ないものの、図９及び図１０に例示する手法と比較して、工具２１の保持力が弱くなってしまうという問題がある。通常、２０ｋＨｚの周波数においては、ａ＝５〜７μｍ程度の振幅にまでしか適用できない。
【００２０】
このようなことから、さらに強力な振動速度Ｖ（ｍ／ｓｅｃ）で工具２１を振動させるには、工具ホルダ３１と工具２１とをロウ付けなどに代表される溶接技術を用いて直接接合する手法が取られる。しかし、この手法は、材料を高温で加熱してロウ材を溶かし込むため、熱歪による材料の変形や精度劣化、高温による材質特性の劣化が生じ、しかも生産性が悪く高コストとなる等の大きな問題を抱えている。
【００２１】
本発明の目的は、簡便に工具を装着することができながら工具に大きな振動速度を得ることができるようにすることである。
【００２２】
本発明の別の目的は、工具を再装着する場合であっても、優れた寸法再現性を得られるようにすることである。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、超音波振動を発生し、先端部から軸方向に向けて工具挿入孔が設けられた超音波振動子と、後端部から前記工具挿入孔に挿入されて先端部に加工部を有し、前記超音波振動子と共振周波数が略等しい工具と、前記超音波振動子に挿入された前記工具を、その後端側を非固定状態としながらそのノード近傍からループまでの位置で固定する締結構造と、を具備し、複数の共振振動分布を有する単一の共振体として構成した加工工具である。
【００２４】
したがって、締結構造による超音波振動子に対する工具の固定位置を工夫するだけで、工具には超音波振動子に発生する超音波振動の振幅よりも大きな振幅が得られる。しかも、超音波振動子に対する工具の固定位置における振幅は、工具に得られる振動の振幅よりも小さいため、工具を簡便に装着しても十分な剛性が得られる。
【００２５】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の加工工具において、前記工具挿入孔と前記工具との挿入構造における断面形状を非真円形状とした。
【００２６】
したがって、工具挿入孔に対する工具の周方向の位置が一意的に定められるため、工具を再装着する場合に優れた寸法再現性が得られる。
【００２９】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の加工工具において、非真円形状として多角形が選択されている。
【００３０】
したがって、工具挿入孔と工具との挿入構造における非真円形状である断面形状を容易に製造することができる。
【００３１】
請求項４記載の発明は、請求項２記載の加工工具において、非真円形状として、歯車形状が選択されている。
【００３２】
したがって、工具挿入孔と工具との挿入構造における非真円形状である断面形状を容易に製造することができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の一形態を図１ないし図８に基づいて説明する。
【００３４】
図１は加工工具を示す斜視図、図２はその分解斜視図、図３は工具の振動方向を示す斜視図である。図４は加工工具の別の実施の一形態を示す斜視図、図５はその分解斜視図、図６は工具の振動方向を示す斜視図である。
【００３５】
本実施の形態の加工工具１０１は、超音波振動子１１１に対して、工具１２１を工具ホルダ１３１で固定する構造のものである。
【００３６】
超音波振動子１１１は、前部ホーン１１２、２個の圧電素子１１３、２枚の電極１１４、及び後部ホーン１１５によって構成され、これらが締着ボルト１１６（図５参照）によって締め込まれることで一体をなしている。
【００３７】
図２に示すように、前部ホーン１１２の先端部にはその軸方向に延出する工具挿入孔１１７が設けられており、この工具挿入孔１１７に工具１２１がその後端部から挿入されている。
【００３８】
工具１２１は、超音波振動子１１１と共振周波数が略等しく、工具挿入孔１１７に挿入される部分が長く形成されている。また、工具１２１にはフランジ１２２が形成されており、工具１２１は、そのフランジ１２２が前部ホーン１１２の先端部に当接する位置まで工具挿入孔１１７に挿入されている。このような工具１２１の先端部には、加工部１２３が一体に形成されている。
【００３９】
ここで、図１ないし図３に示す加工工具１０１では、工具１２１として、角孔を穿孔するための立方体形のツールが加工部１２３として設けられている。この加工部１２３は、軸振動をすることによってガラスやセラミックス等のような硬くて脆い、いわゆる高脆性材に穿孔加工を施す。そこで、このような加工部１２３を工具１２１に設ける場合であれば、その加工部１２３を軸振動させるために、軸振動用の超音波振動子１１１が用いられる。軸振動用の超音波振動子１１１は、代表的な超音波振動子１１１の一つであり、圧電素子１１３の選択によって容易に得られる。
【００４０】
これに対して、図４ないし図６に示す加工工具１０１では、工具１２１として、穴繰りバイトが加工部１２３として設けられている。この加工部１２３、つまり穴繰りバイトは、たわみ振動をすることによって振動切削をする。そこで、このような加工部１２３を工具１２１に設ける場合であれば、その加工部１２３をたわみ振動させるために、たわみ振動用の超音波振動子１１１が用いられる。たわみ振動用の超音波振動子１１１は、代表的な超音波振動子１１１の一つであり、圧電素子１１３の選択によって容易に得られる。
【００４１】
次いで、工具１２１には、フランジ１２２よりも後端側に位置させて角型シャンク１２４が形成されている。この角型シャンク１２４は、工具１２１のフランジ１２２よりも後端側の部分全体に比較すれば長さが短く、工具１２１における角型シャンク１２４から後ろの部分は、円筒形状を維持している。このような角型シャンク１２４に対応させて、前部ホーン１１２に形成された工具挿入孔１１７は、その先端部分のみが角型シャンク１２４と相似形になっている（図５参照）。これにより、工具挿入孔１１７と工具１２１との挿入構造における断面形状は、その一部が非真円形状であると言える。そして、角型シャンク１２４を採用する本実施の形態では、そのような非真円形状のうち、多角形が選択されていると言える。もっとも、このような工具挿入孔１１７と工具１２１との挿入構造における断面形状については、いかなる非円形状をも選択可能であり、例えば歯車形状状や星形形状、Ｄカット形状等、各種の形状が選択可能である。
【００４２】
工具挿入孔１１７に挿入された工具１２１は、工具ホルダ１３１で固定され、これによって超音波振動子１１１に工具１２１が締結される。工具ホルダ１３１及びこの工具ホルダ１３１による工具１２１の固定構造の形態は、図１ないし図３に示す加工工具１０１と図４ないし図６に示す加工工具１０１とで異なる。
【００４３】
図１ないし図３に示す加工工具１０１では、前部ホーン１１２の先端部外周軸方向に雄ネジ１１８が切られており、袋ナット構造の工具ホルダ１３１がその雄ネジ１１８にネジ止めされ、これによって超音波振動子１１１に工具１２１が締結されている。つまり、工具ホルダ１３１には、前部ホーン１１２の外周に設けられた雄ネジ１１８に螺合する雌ネジ１３２が切られている（図８参照）。そこで、フランジ１２２が前部ホーン１１２の先端部に当接する位置まで工具１２１が工具挿入孔１１７に挿入された状態で、工具ホルダ１３１を工具１２１側から装着し、その雌ネジ１３２を前部ホーン１１２に形成された雄ネジ１１８に螺合させることで工具１２１は超音波振動子１１１に締結される。つまり、工具１２１に設けられたフランジ１２２が前部ホーン１１２の先端部と工具ホルダ１３１との間に挟まれるわけである。
【００４４】
これに対して、図４ないし図６に示す加工工具１０１では、前部ホーン１１２の先端部にその軸方向と直交するする方向に雌ネジ１１９が切られており、この雌ネジ１１９に螺合する雄ネジ形態の工具ホルダ１３１が締め込まれて超音波振動子１１１に工具１２１が締結されている。つまり、フランジ１２２が前部ホーン１１２の先端部に当接する位置まで工具１２１が工具挿入孔１１７に挿入された状態で、前部ホーン１１２に設けられた雌ネジ１１９に螺合する工具ホルダ１３１が締め込まれると、その工具ホルダ１３１の先端が工具１２１に押圧され、これによって工具１２１が固定されるわけである。
【００４５】
こうして、図１ないし図３に示す加工工具１０１、あるいは図４ないし図６に示す加工工具１０１が構成される。
【００４６】
こうして構成された加工工具１０１を使用するには、図示しない高周波電源から２枚の電極１１４に高周波電圧を印加する。このとき、超音波振動子１１１と工具ホルダ１３１と工具１２１とから構成された振動装置となる加工工具１０１の共振周波数に対応した高周波電圧を印加することで、２枚の電極１１４に挟まれた２個の圧電素子１１３が伸縮を繰り返し、これによって超音波振動が発生する。
【００４７】
ここで、図１ないし図３に示す加工工具１０１と図４ないし図６に示す加工工具１０１とのそれぞれについて、超音波振動子１１１に超音波振動を発生させて行う作業について説明する。
【００４８】
まず、図１ないし図３に示す加工工具１０１では、工具１２１として、角孔を穿孔するための立方体形のツールが加工部１２３として設けられている。そこで、このような加工部１２３を備える工具１２１が装着された加工工具１０１を用いた作業について説明する。
【００４９】
ガラスやセラミックスなど硬くて脆い、いわゆる高脆性材を加工する場合、超音波振動を利用した加工方法は最も効率の良い加工手段の一つとして以前より利用されている。例えば、高脆性材に角穴を穿孔する場合、図３に例示するように、工具１２１の先端に設ける加工部１２３の形状を、希望の角形に成形すればよい。そして、超音波振動子１１１に軸方向の超音波振動を発生させた状態で、高脆性材の被加工物に加工部１２３を当て、遊離砥粒を供給する。すると、図３中の矢印で示す方向、つまり超音波振動子１１１の軸方向に超音波振動が生ずるため、遊離砥粒が加工部１２３の先端で加速されて被加工物である高脆性材に衝突し、これによって被加工物に無数の極微小クラックが発生し、加工部１２３の形状と相似形の角孔が開けられることになる。この場合、加工部１２３を砥石で形成すれば、切削液を供給するのみで同一の穿孔加工が可能になる。
【００５０】
次いで、図４ないし図６に示す加工工具１０１では、工具１２１として、穴繰りバイトが加工部１２３として設けられている。そこで、このような加工部１２３を備える工具１２１が装着された加工工具１０１を用いた作業について説明する。
【００５１】
超音波振動を応用した振動切削は、従来は切削が困難とされていたような加工領域において、高精度で高効率な加工を行うことができる手段として利用されている。このような超音波振動を応用した振動切削は、通常、刃先の振動方向を切削方向と一致させることで実現することができる。そこで、図６に例示する加工部１２３を用いて振動切削する場合、超音波振動子１１１を、その軸方向に対して直角方向にたわみ振動させれば良い。穴繰り加工は、穴の内壁面を切削加工する手法で、本実施の形態では、穴繰りバイトである加工部１２３を穴の内壁周面の接線方向に振動させて精密に切削することが可能である。この時、精密穴繰り加工において一番重要なことは、穴繰りバイトである加工部１２３の刃の高さを非切削物内周面の軸心と正確に一致させることであり、これを怠ると、特に小径穴加工では寸法精度の悪化や切削面の品位の劣化、あるいはバイト寿命の劣化などの問題が発生する。また、切削性の悪い材質や高硬度金属、あるいは焼入れされた鋼材等、切削性が悪くなるほど刃先の位置を厳密に制御する必要があり、その良し悪しで加工の良否が殆んど決まるといって過言ではない。
【００５２】
ここで、本実施の形態の加工工具１０１における共振振動特性について、図７及び図８を参照して説明する。図７は加工工具の側面図、図８は加工工具の図７におけるＡ−Ａ断面と共にその共振振動分布を示す説明図である。つまり、図８に示す説明図では、加工工具１０１を超音波振動させた際に発生する各部の振動状態を振動分布図で表し、このような振動分布と超音波振動子１１１の内部構造とを対比して説明している。なお、図７及び図８に示す例では、工具１２１の先端にドリル形態の加工部１２３が装着され、これに合せて軸振動を発生する超音波振動子１１１が用いられた例を示している。
【００５３】
図８中、点線は超音波振動子１１１の振動分布、実線は工具１２１の振動分布をそれぞれ示している。これらの振動分布から明らかなように、超音波振動子１１１は１波長で構成されており、工具１２１は１／２波長で構成されている。これらの超音波振動子１１１及び工具１２１の振動分布は、いずれも、超音波振動子１１１に工具１２１を工具ホルダ１３１で締結固定した状態、つまり加工工具１０１としての状態での振動分布である。
【００５４】
超音波振動子１１１の軸方向の振動分布は、図８の点線で示すように、ノードの部分Ｎ１及びＮ２で軸方向の振幅は０になり、ループ部Ｌ１、Ｌ２、及びＬ３でその振幅は最大となり、その振動分布は正弦波状のカーブを示す。工具１２１は、前述したように、超音波振動子１１１と共振周波数が略等しいことから、超音波振動子１１１の超音波振動に応じて１／２の波長で共振超音波振動し、この場合のノードはＮ３、ループはＬ３及びＬ４となる。このような超音波振動子１１１と工具１２１との振動分布から明らかなように、工具１２１は、その振動分布におけるノードＮ３とループＬ３との中間点で超音波振動子１１１に固定され、接合していることになる。つまり、工具１２１は、図１ないし図３に例示する加工工具１０１の場合であれば、そのフランジ１２２が前部ホーン１１２の先端部と工具ホルダ１３１との間に挟まれて固定されることから、この固定位置でのみ超音波振動子１１１に固定されることになり、その他の部分はフリー状態となっている。このような構造は、図４ないし図６に例示する加工工具１０１の場合であれば、工具ホルダ１３１として構成されている雄ネジが工具１２１を押圧する位置が工具１２１の超音波振動子１１１に対する固定位置ということになる。図８に示す振動分布図では、このような超音波振動子１１１に対する工具１２１の固定位置を交差点ＬＮとして示している。なお、このような超音波振動子１１１に対する工具１２１の固定位置である交差点ＬＮは、工具１２１のノードＮ３近傍からループＬ３までの位置であれば、どの位置をも許容することができる。
【００５５】
したがって、超音波振動子１１１に挿入された工具１２１は、その後端側を非固定状態としながらそのノードＮ３近傍からループまでの位置で固定されていることになる。これにより、本実施の形態では、超音波振動子１１１に挿入された工具１２１を、その後端側を非固定状態としながらそのノードＮ３近傍からループＬ３までの位置で固定する締結構造が設けられている。そして、このような締結構造が設けられた結果、本実施の形態の加工工具１０１は、複数の共振振動分布を有する単一の共振体として構成されることになる。
【００５６】
また、上記締結構造によって超音波振動子１１１と工具１２１とを締結した結果、本実施の形態では、超音波振動子１１１における振動の振幅と工具１２１における振動の振幅とは、交差点ＬＮで同一となる。この交差点ＬＮは、超音波振動子１１１に関してはループＬ１の振幅にほぼ等しい。これに対して、この交差点ＬＮは、工具３にとってはそのノードＮ３とループＬ３との略中間点である。これにより、超音波振動子１１１と工具ホルダ１３１とで構成される振動体によって、工具１２１は交差点ＬＮを起点として励振されることになり、結果的に、工具１２１の先端に設けられた加工部１２３の振幅は、工具ホルダ１３１を装着した超音波振動子１１１の最大振幅部であるループＬ１よりも増大することになる。したがって、本実施の形態によれば、工具１２１に特別な振幅拡大手段を用いなくとも、工具１２１の先端に設けた加工部１２３の振幅を大きくすることが可能となる。よって、工具に大きな振動速度を得ることができる。
【００５７】
しかも、従来の一般的な超音波振動子１１１と工具１２１との締結手段、例えば図９ないし図１３に示すような締結手段を採用した加工工具１では、工具２１は全体の共振体、つまり一つの振動分布の一部として構成されるのに対して、本実施の形態によれば、二つの共振体（工具ホルダ１３１を装着した超音波振動子１１１と工具１２１）が各々独立した振動分布を持つことになる。これにより、各々独立した振動分布を持つ二つの共振体である工具ホルダ１３１を装着した超音波振動子１１１と工具１２１とを、それぞれの振動振幅が小さな位置、つまり振動速度が小さい位置で接合することができる。また、振動子はもとより、工具１２１の振動形態は、単独で共振振動している形態と全く同じであり、加工部１２４の振幅が大きくなっても工具１２１を構成する素材要素の限界強度を超えない範囲であれば、効率の良い振動が可能である。また、交差点ＬＮでは、二つの共振体が同期をとって同一の振幅で振動しており、図９ないし図１３に例示する従来技術のように、加速度が増大して工具ホルダ１３１の保持力の限界を超えた時点で工具１２１が飛び出すようなことがない。したがって、簡便な接合方法で超音波振動子１１１と工具１２１とを固定したとしても、工具１２１に対して確実に振動を伝達することができることになる。
【００５８】
以上のことから、本実施の形態によれば、簡便に工具１２１を装着することができながら、工具１２１に大きな振動速度を得ることができる。
【００５９】
しかも、超音波振動子１１１と工具１２１とを任意の位置で接合できることから、工具１２１の先端部の長さを必要とされる任意の長さに設定することができ、これにより、工具１２１の先端部の長さを必要以上に長くする必要がなくなって剛性の高い加工工具１０１を容易に設計できるようになる。
【００６０】
次いで、本実施の形態における工具１２１の取り付け再現性について説明する。加工位置精度が要求されたり、精密な寸法で加工を行う必要があったりする場合、当然ながら、工具１２１の取り付け再現性に対して厳しい精度要求が出てくる。これに対して、本実施の形態では、角型シャンク１２４と工具挿入孔１１７とが嵌め合い状態の構成となっているため、工具１２１を交換したとしても、厳しい精度が要求される加工にも十分対応した加工が可能になる。
【００６１】
ここで、本実施の形態では、工具１２１の角型シャンク１２４に連なる後端部の一部は丸棒形状を呈し角型シャンク１２４より若干径が細くなっているが、これは、工具挿入孔１１７との接触を避け、異なる振幅同士の接触による不要な騒音の発生を防止するのが目的である。このため、工具１２１の中間から後端にかけての部分については、必要に応じて全域を角型シャンク１２４として形成しても良い。但し、これは、図１ないし図３に例示する加工工具１０１のように軸振動する超音波振動子１１１を採用した場合の話であり、図４ないし図６に例示する加工工具１０１のようにたわみ振動をする超音波振動子１１１が採用される場合には、工具１２１の角型シャンク１２４に連なる後端部と工具挿入孔１１７との間には、超音波振動子１１１を妨げない程度の隙間が設けられていなければならない。もっとも、この隙間は、目視できない程度の隙間である。
【００６２】
以上、本実施の形態における工具１２１の取り付け再現性について一般的に説明したが、この工具１２１の取り付け再現性について、図１ないし図３に例示する加工工具１０１と図４ないし図６に例示する加工工具１０１との場合について個別的に説明する。
【００６３】
まず、図１ないし図３に例示する加工工具１０１では、角穴穿孔用の加工部１２３が工具１２１の先端に設けられている。このような加工部１２３では、穿孔する角穴の回転角や加工位置精度が要求されたり、精密な寸法で角穴加工を行う必要があったりする場合、当然ながら、工具１２１の取り付け再現性に対して厳しい精度要求が出てくる。この場合、工具１２１側の角型シャンク１２４と超音波振動子１１１側の工具挿入孔１１７とが嵌め合い状態の構成となっていれば、工具１２１を交換したとしても、厳しい精度が要求される角穴加工にも十分対応した加工が可能になる。
【００６４】
次いで、図４ないし図６に例示する加工工具１０１では、穴繰りバイトとして構成された加工部１２３が工具１２１の先端に設けられている。このような加工部１２３では、加工部１２３である穴繰りバイトの刃は、加工を続けることで磨耗し、品質管理の観点から適切な時期に新品に交換する必要がある。この際、いかに短時間でバイトの交換が行えるかという要求と共に、交換時の寸法再現性についても厳しい要求がなされることがある。つまり、特に切削性の悪いいわゆる難削材の小径穴繰り加工の刃先の高さに関しては、非常に厳密な精度が望まれ、従来は工具交換の都度、工具顕微鏡で数十倍〜数百倍に拡大した状態で刃先位置を計測し、その位置を微調整していた。ところが、この場合には、その調整に非常に手間がかかり、生産性の観点からも改善が望まれていた。
【００６５】
これに対して、本実施の形態では、工具１２１側の角型シャンク１２４と超音波振動子１１１側の工具挿入孔１１７とが嵌め合い状態の構成となっていることから、工具１２１を交換したとしても、厳しい精度が要求される穴繰り加工にも十分対応した加工が可能になる。これをより詳細に説明すると、図４ないし図６に例示する加工工具１０１では、角型シャンク１２４及び工具挿入孔１１７は四角柱であるため、工具１２１の装着時、工具固定用の雄ネジとして構成された工具ホルダ１３１で角型シャンク１２４の角部分を強く押さえ込むことで、角型シャンク１２４及び工具挿入孔１１７の底面に相当する直角の二面が強く押さえ込まれることになる。このため、各部品精度が正確であれば、正確な寸法再現性が得られ、工具１２１を交換しても、再度、加工部１２３である穴繰りバイトの刃の位置を微調整する必要がなくなる。これにより、穴繰りバイトの刃の位置を微調整する煩雑さから開放され、生産性も飛躍的に向上することになる。
【００６６】
なお、工具１２１に設けられたフランジ１２２は、工具１２１を工具挿入孔１１７に挿入する際のストッパの役目を果たし、穴繰りバイトである加工部１２３の突き出し量の再現性を高める働きをするが、このような再現性の制御については、フランジ１２２ではなく、別の手法で制御することも可能である。
【００６７】
【発明の効果】
請求項１記載の発明は、超音波振動を発生し、先端部から軸方向に向けて工具挿入孔が設けられた超音波振動子と、後端部から前記工具挿入孔に挿入されて先端部に加工部を有し、前記超音波振動子と共振周波数が略等しい工具と、前記超音波振動子に挿入された前記工具を、その後端側を非固定状態としながらそのノード近傍からループまでの位置で固定する締結構造と、を具備し、複数の共振振動分布を有する単一の共振体として構成した加工工具であるので、締結構造による超音波振動子に対する工具の固定位置を工夫するだけで、工具には超音波振動子に発生する超音波振動の振幅よりも大きな振幅を得ることができ、しかも、超音波振動子に対する工具の固定位置における振幅は、工具に得られる振動の振幅よりも小さいため、工具を簡便に装着しても十分な剛性を得ることができる。
【００６８】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の加工工具において、前記工具挿入孔と前記工具との挿入構造における断面形状を非真円形状としたので、工具挿入孔に対する工具の周方向の位置が一意的に定められるため、工具を再装着する場合に優れた寸法再現性を得ることができる。
【００７０】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の加工工具において、非真円形状として多角形が選択されているので、工具挿入孔と工具との挿入構造における非真円形状である断面形状を容易に製造することができる。
【００７１】
請求項４記載の発明は、請求項２記載の加工工具において、非真円形状として、歯車形状が選択されているので、工具挿入孔と工具との挿入構造における非真円形状である断面形状を容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態として、加工工具を示す斜視図である。
【図２】その分解斜視図である。
【図３】工具の振動方向を示す斜視図である。
【図４】本発明の別の実施の一形態である加工工具を示す斜視図である。
【図５】その分解斜視図である。
【図６】工具の振動方向を示す斜視図である。
【図７】加工工具の側面図である。
【図８】加工工具の図７に示すＡ−Ａ断面と共にその共振振動分布を示す説明図である。
【図９】加工工具の従来の一例を示す斜視図である。
【図１０】その分解斜視図である。
【図１１】加工工具の別の従来の一例を示す斜視図である。
【図１２】その分解斜視図である。
【図１３】加工工具の縦断面と共にその共振振動分布を示す説明図である。
【符号の説明】
１１１超音波振動子
１１７工具挿入孔
１２３加工部
１２１工具
Ｎ３ノード
Ｌ３ループ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a processing tool that performs various types of ultrasonic processing such as cutting, grinding, drilling, and welding using an ultrasonic vibrator.
[0002]
[Prior art]
When processing using ultrasonic vibration, a tool is attached to the ultrasonic vibrator that is the driving source of ultrasonic vibration, and high frequency micro vibration with a large acceleration specific to the ultrasonic is generated in the tool. Make the tool collide with the workpiece. Thereby, efficient processing can be performed.
[0003]
A conventional example of a processing tool using such ultrasonic vibration will be described with reference to FIGS. FIG. 9 is a perspective view showing an example of a conventional processing tool using ultrasonic vibration, and FIG. 10 is an exploded perspective view thereof. FIG. 11 is a perspective view showing another example of a conventional processing tool using ultrasonic vibration, and FIG. 12 is an exploded perspective view thereof. And FIG. 13 is explanatory drawing which shows the resonance vibration distribution with the longitudinal cross-section of a processing tool.
[0004]
The machining tool 1 introduced here is an example of an ultrasonic drilling apparatus that drills a minute hole in a workpiece, and a structure in which a tool 21 is fixed to an ultrasonic transducer 11 with a set screw type tool holder 31. belongs to.
[0005]
The ultrasonic transducer 11 includes a front horn 12, two piezoelectric elements 13, two electrodes 14, a rear horn 15, and a fastening bolt 16 (see FIG. 13). The tool 21 is exemplified by a drill shape. That is, the machining part located at the tip of the tool 21 is a drill 22. A front end of the front horn 12 has a female screw 17 cut therein, and a male screw 32 provided on the tool holder 31 is screwed into the female screw 17, whereby the front horn 12 and the tool holder 31 are engaged. And are screwed together. The tool holder 31 has a tool insertion hole 33. The tool 21 is inserted into the tool insertion hole 33 from the rear end side, and is fastened and fixed by a tool set screw 34 provided in the tool holder 31. Here, the machining tool 1 is configured.
[0006]
In such a structure, a high-frequency voltage corresponding to the resonance frequency of the machining tool composed of the ultrasonic vibrator 11, the tool holder 31, and the tool 21 is applied to the two electrodes 14 from a high-frequency power source (not shown). Thus, the two piezoelectric elements 13 repeatedly expand and contract, thereby generating ultrasonic vibrations in the ultrasonic vibrator 11. Thereby, the drill 22 provided at the tip of the tool 21 exhibits its function.
[0007]
In general, the vibration of the ultrasonic vibrator 11 includes axial vibration, flexural vibration, torsional vibration, combined vibration thereof, and the like depending on the type of the piezoelectric element 13. The ultrasonic transducer 11 illustrated in FIGS. 9 and 10 performs axial vibration. Which vibration is to be selected may be determined according to the type of tool 21.
[0008]
The processing tool shown in FIGS. 11 and 12 is an example of a structure in which a slit 35 is provided in the tool holder 31. The tool holder 31 illustrated in FIGS. 9 and 10 has a structure in which the tool 21 is fixed by pressing the tip of the tool set screw 34 directly from the side of the tool 21 against the tool 21, whereas FIGS. In the tool holder 31 illustrated in FIG. 1, the gap between the slits 35 is narrowed by tightening the tool set screw 34, and thereby the tool 21 is fixed by the applied pressure of the tool holder 31 itself.
[0009]
Here, based on FIG. 13, the vibration distribution of the processing tool 1 functioning as an ultrasonic drilling device vibrating body will be described. As shown in FIG. 13 showing the vibration distribution of the processing tool 1, a node (node) indicated by N is a portion where the axial vibration is 0 (zero), and the left and right are expanded and contracted with the phase reversed at this point. The loop (antinode) is the maximum amplitude portion, and the amplitude L1 of the tip portion of the tool 21 is larger than the amplitude L2 of the rear end portion. This is because the vibration amplitude is increased when the diameter is reduced with the node N as a boundary. If the diameter is reduced from the node N portion, a desired amplitude enlargement ratio can be obtained depending on the shape and diameter ratio, and the amplitude necessary for processing can be designed. In the example shown in FIGS. 9 to 13, the processing tool 1 configured as a half-wavelength (1/2 wavelength) resonator is shown, but the resonator is configured with a wavelength that is an integral multiple of the half-wavelength (1/2 wavelength). It is also possible to do.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
Along with recent advances in industrial technology, as the number of attempts to effectively use ultrasonic waves becomes more active than before, high-value processing, that is, high degree of difficulty such as ultra miniaturization, high precision, high speed, etc. There is a strong demand for smooth processing. However, it is difficult to meet such a demand only with the conventional ultrasonic technology. The reason will be described next.
[0011]
As can be seen from the vibration distribution shown in FIG. 13, the amplitude of the vibration distribution of the machining tool 1 becomes maximum at the tip portion of the tool 21. The vibration speed V (m / sec) of the tool 21 at this time is
V (m / sec) = 2 × π × f × a (1)
It is represented by Here, f (Hz) is the resonance frequency of the apparatus, and a (m) is the half amplitude of the tip portion of the tool 21.
[0012]
In general, in the case of a machining tool using ultrasonic vibration such as the machining tool 1 illustrated in FIGS. 9 to 13, the higher the vibration speed V (m / sec) of the tool 21, the higher the efficiency and the higher the accuracy. High processing is possible. Therefore, although it is desirable to increase the vibration speed, it is necessary to increase the resonance frequency or increase the amplitude.
[0013]
On the other hand, the vibration of the tool 21 is a reciprocating motion, and a large acceleration is generated at the top dead center and the bottom dead center of the vibration. Then, the acceleration naturally increases in proportion to the magnitude of the vibration velocity V (m / sec), which causes a large inertial force in the tool 21. This can be explained by mathematical expressions. The inertial force F (N) of the tool 21 generated by vibration is the mass m (kg) of the tool 21 itself and the acceleration g (m / sec). ² )
F (N) = m × g (2)
It will be represented by
[0014]
From the above theory, in order to perform highly efficient and highly accurate ultrasonic machining, the tool 21 needs to vibrate at high speed, that is, the vibration speed V (m / sec) of the tool 21 needs to be increased. As the vibration velocity V (m / sec) increases, the acceleration g (m / sec) of the tool 21 increases. ² ) Is also clearly increasing.
[0015]
However, as is clear from the examples shown in FIGS. 9 to 13, for example, the tool 21 is a part of the ultrasonic resonator, but is only held by the mechanical structure of the tool holder 31. For this reason, when the vibration speed V (m / sec) of the processing tool 1 is increased in order to perform highly efficient and highly accurate ultrasonic processing, if the holding force of the tool 21 by the tool holder 31 is weak, the tool 21 is There is a problem that it will jump out with its own inertial force F (N).
[0016]
For this reason, in order to vibrate the tool 21 at a slight vibration speed V (m / sec), it is necessary to hold the tool 21 strongly and make the tool as light as possible. From the above equations (1) and (2), if the vibration velocity V (m / sec) increases, the acceleration g of the tool 21 (m / sec) ² ) Increases to increase the inertial force F (N) generated in the tool 21. To cope with this, the tool 21 must be held strongly, and the inertial force F (N) generated in the tool 21 at this time This is because the mass m (kg) of the tool 21 can only be reduced as much as possible in order to reduce this as much as possible.
[0017]
Here, various methods for fixing the tool 21 to the ultrasonic transducer 11 have been proposed in the past. Generally, the method is exemplified in FIG. 9 and FIG. 10 or FIG. 11 and FIG. The method is widely used. These fixing methods have an advantage that the tool 21 can be easily replaced.
[0018]
However, the technique illustrated in FIGS. 9 and 10 can be applied only to an amplitude of about a = 10 μm at a frequency of 20 kHz. In addition, if the tool set screw 34 is tightened strongly in order to increase the fixing force of the tool 21, there is a problem that the tool performance such as deformation, breakage, and eccentricity of the tool 21 and processing performance are liable to be deteriorated.
[0019]
Further, in the method illustrated in FIGS. 11 and 12, even if the tool set screw 34 is strongly tightened, the tool 21 is less likely to be deformed, bent, eccentric, or the like. There is a problem that the holding force of the tool 21 becomes weaker than the method illustrated. Usually, at a frequency of 20 kHz, it can be applied only to an amplitude of about a = 5 to 7 μm.
[0020]
For this reason, in order to vibrate the tool 21 at a stronger vibration velocity V (m / sec), a method of directly joining the tool holder 31 and the tool 21 using a welding technique typified by brazing or the like. Is taken. However, since this method heats the material at a high temperature and melts the brazing material, the material is deformed and deteriorated in accuracy due to thermal strain, the material characteristics are deteriorated due to high temperature, and the productivity is low and the cost is high. I have a big problem.
[0021]
An object of the present invention is to enable a tool to obtain a large vibration speed while being able to easily attach the tool.
[0022]
Another object of the present invention is to obtain excellent dimensional reproducibility even when the tool is remounted.
[0023]
[Means for Solving the Problems]
According to the first aspect of the present invention, an ultrasonic vibrator that generates ultrasonic vibrations and has a tool insertion hole provided in the axial direction from the front end portion, and a front end portion that is inserted from the rear end portion into the tool insertion hole. And a tool having a resonance frequency substantially equal to that of the ultrasonic vibrator, and the tool inserted into the ultrasonic vibrator, from the vicinity of the node to the loop while the rear end side thereof is not fixed. And a fastening tool fixed at a position, and a machining tool configured as a single resonator having a plurality of resonance vibration distributions.
[0024]
Therefore, only by devising the fixing position of the tool with respect to the ultrasonic vibrator by the fastening structure, the tool can obtain an amplitude larger than the amplitude of the ultrasonic vibration generated in the ultrasonic vibrator. Moreover, since the amplitude of the tool at the fixed position with respect to the ultrasonic transducer is smaller than the amplitude of vibration obtained in the tool, sufficient rigidity can be obtained even if the tool is simply mounted.
[0025]
According to a second aspect of the present invention, in the processing tool according to the first aspect, the cross-sectional shape of the insertion structure of the tool insertion hole and the tool is a non-circular shape.
[0026]
Therefore, since the circumferential position of the tool with respect to the tool insertion hole is uniquely determined, excellent dimensional reproducibility can be obtained when the tool is remounted.
[0029]
Claim 3 The described invention is claimed. 2 In the described processing tool, a polygon is selected as a non-circular shape.
[0030]
Therefore, the cross-sectional shape which is a non-circular shape in the insertion structure of the tool insertion hole and the tool can be easily manufactured.
[0031]
Claim 4 The described invention is claimed. 2 In the described processing tool, the gear shape is selected as the non-circular shape.
[0032]
Therefore, the cross-sectional shape which is a non-circular shape in the insertion structure of the tool insertion hole and the tool can be easily manufactured.
[0033]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0034]
1 is a perspective view showing a machining tool, FIG. 2 is an exploded perspective view thereof, and FIG. 3 is a perspective view showing a vibration direction of the tool. FIG. 4 is a perspective view showing another embodiment of the machining tool, FIG. 5 is an exploded perspective view thereof, and FIG. 6 is a perspective view showing a vibration direction of the tool.
[0035]
The processing tool 101 according to the present embodiment has a structure in which a tool 121 is fixed to an ultrasonic transducer 111 with a tool holder 131.
[0036]
The ultrasonic vibrator 111 includes a front horn 112, two piezoelectric elements 113, two electrodes 114, and a rear horn 115, and these are tightened by fastening bolts 116 (see FIG. 5). It is united.
[0037]
As shown in FIG. 2, a tool insertion hole 117 extending in the axial direction is provided at the front end portion of the front horn 112, and a tool 121 is inserted into the tool insertion hole 117 from the rear end portion. .
[0038]
The tool 121 has a resonance frequency substantially equal to that of the ultrasonic vibrator 111 and a long portion to be inserted into the tool insertion hole 117. Further, a flange 122 is formed on the tool 121, and the tool 121 is inserted into the tool insertion hole 117 to a position where the flange 122 abuts on the front end portion of the front horn 112. A machining part 123 is integrally formed at the tip of such a tool 121.
[0039]
Here, in the machining tool 101 shown in FIGS. 1 to 3, a cubic tool for drilling a square hole is provided as the machining part 123 as the tool 121. The processed portion 123 performs a drilling process on a so-called highly brittle material such as glass and ceramics by virtue of axial vibration. Therefore, in the case where such a processed portion 123 is provided in the tool 121, an axial vibrator 111 is used to axially vibrate the processed portion 123. The axial vibration ultrasonic transducer 111 is one of typical ultrasonic transducers 111 and can be easily obtained by selecting the piezoelectric element 113.
[0040]
On the other hand, in the machining tool 101 shown in FIGS. 4 to 6, a hole cutting tool is provided as the machining part 123 as the tool 121. The machined portion 123, that is, the boring tool, performs vibration cutting by bending vibration. Therefore, in the case where such a processing unit 123 is provided in the tool 121, the ultrasonic vibrator 111 for flexural vibration is used to cause the processing unit 123 to flexurally vibrate. The ultrasonic vibrator 111 for flexural vibration is one of typical ultrasonic vibrators 111 and can be easily obtained by selecting the piezoelectric element 113.
[0041]
Next, a square shank 124 is formed on the tool 121 so as to be positioned on the rear end side of the flange 122. The length of the square shank 124 is shorter than that of the entire portion on the rear end side of the flange 122 of the tool 121, and the portion behind the square shank 124 in the tool 121 maintains a cylindrical shape. The tool insertion hole 117 formed in the front horn 112 corresponding to such a square shank 124 is similar in shape to the square shank 124 only at the tip (see FIG. 5). Thereby, it can be said that a part of the cross-sectional shape in the insertion structure of the tool insertion hole 117 and the tool 121 is a non-circular shape. And in this Embodiment which employ | adopts the square-shaped shank 124, it can be said that the polygon is selected among such non-circular shapes. However, any non-circular shape can be selected as the cross-sectional shape in the insertion structure of the tool insertion hole 117 and the tool 121, and various shapes such as a gear shape, a star shape, a D-cut shape, and the like can be selected. Can be selected.
[0042]
The tool 121 inserted into the tool insertion hole 117 is fixed by the tool holder 131, whereby the tool 121 is fastened to the ultrasonic vibrator 111. The form of the tool holder 131 and the fixing structure of the tool 121 by the tool holder 131 differs between the processing tool 101 shown in FIGS. 1 to 3 and the processing tool 101 shown in FIGS. 4 to 6.
[0043]
In the machining tool 101 shown in FIGS. 1 to 3, a male screw 118 is cut in the direction of the outer peripheral axis of the front end of the front horn 112, and a cap holder 131 having a cap nut structure is screwed to the male screw 118. Thus, the tool 121 is fastened to the ultrasonic vibrator 111. In other words, the tool holder 131 has a female screw 132 that is screwed into a male screw 118 provided on the outer periphery of the front horn 112 (see FIG. 8). Therefore, with the tool 121 inserted into the tool insertion hole 117 until the flange 122 abuts against the tip of the front horn 112, the tool holder 131 is mounted from the tool 121 side, and the female screw 132 is attached to the front horn. The tool 121 is fastened to the ultrasonic vibrator 111 by being screwed into the male screw 118 formed in 112. That is, the flange 122 provided on the tool 121 is sandwiched between the tip of the front horn 112 and the tool holder 131.
[0044]
On the other hand, in the processing tool 101 shown in FIGS. 4 to 6, a female screw 119 is cut at a front end portion of the front horn 112 in a direction orthogonal to the axial direction, and screwed into the female screw 119. The tool holder 131 in the form of a male screw is tightened and the tool 121 is fastened to the ultrasonic vibrator 111. That is, the tool holder 131 that is screwed into the female screw 119 provided in the front horn 112 in a state in which the tool 121 is inserted into the tool insertion hole 117 until the flange 122 contacts the front end of the front horn 112. When tightened, the tip of the tool holder 131 is pressed against the tool 121, thereby fixing the tool 121.
[0045]
Thus, the machining tool 101 shown in FIGS. 1 to 3 or the machining tool 101 shown in FIGS. 4 to 6 is configured.
[0046]
In order to use the machining tool 101 configured in this manner, a high frequency voltage is applied to the two electrodes 114 from a high frequency power source (not shown). At this time, by applying a high-frequency voltage corresponding to the resonance frequency of the machining tool 101 which is a vibration device composed of the ultrasonic vibrator 111, the tool holder 131 and the tool 121, it is sandwiched between the two electrodes 114. The two piezoelectric elements 113 repeatedly expand and contract, thereby generating ultrasonic vibration.
[0047]
Here, for each of the processing tool 101 shown in FIGS. 1 to 3 and the processing tool 101 shown in FIGS. 4 to 6, ultrasonic vibration is applied to the ultrasonic vibrator 111. The The work to be performed is described.
[0048]
First, in the processing tool 101 shown in FIGS. 1 to 3, a cubic tool for drilling a square hole is provided as the processing part 123 as the tool 121. Therefore, an operation using the machining tool 101 on which the tool 121 including the machining unit 123 is mounted will be described.
[0049]
When processing so-called highly brittle materials such as glass and ceramics that are hard and brittle, a processing method using ultrasonic vibration has been used as one of the most efficient processing means. For example, when a square hole is drilled in a highly brittle material, the shape of the processing portion 123 provided at the tip of the tool 121 may be formed into a desired square as illustrated in FIG. Then, in a state where the ultrasonic vibration is generated in the ultrasonic vibrator 111, the processed portion 123 is applied to the workpiece of the highly brittle material, and free abrasive grains are supplied. Then, since ultrasonic vibration is generated in the direction indicated by the arrow in FIG. 3, that is, in the axial direction of the ultrasonic vibrator 111, the loose abrasive grains are accelerated at the tip of the processing portion 123 to form a highly brittle material as a workpiece. Colliding with each other, innumerable micro cracks are generated in the workpiece, and a square hole similar to the shape of the processed portion 123 is opened. In this case, if the processing part 123 is formed of a grindstone, the same drilling can be performed only by supplying the cutting fluid.
[0050]
Next, in the machining tool 101 shown in FIGS. 4 to 6, a hole cutting tool is provided as the machining part 123 as the tool 121. Therefore, an operation using the machining tool 101 on which the tool 121 including the machining unit 123 is mounted will be described.
[0051]
Vibrating cutting using ultrasonic vibration is used as a means capable of performing high-precision and high-efficiency machining in a machining area where cutting has conventionally been difficult. Such vibration cutting using ultrasonic vibration can be usually realized by making the vibration direction of the cutting edge coincide with the cutting direction. Therefore, when vibration cutting is performed using the processing unit 123 illustrated in FIG. 6, the ultrasonic vibrator 111 may be flexibly vibrated in a direction perpendicular to the axial direction. Hole drilling is a technique for cutting the inner wall surface of a hole. In this embodiment, the machining part 123, which is a hole punching tool, can be vibrated in the tangential direction of the inner wall surface of the hole and cut precisely. It is. At this time, the most important thing in precision drilling is to make the height of the blade of the machining part 123, which is a hole cutting tool, exactly coincide with the axis of the inner peripheral surface of the non-cut object, and this is neglected. In particular, in small-diameter drilling, problems such as deterioration of dimensional accuracy, deterioration of the quality of the cutting surface, or deterioration of the tool life occur. In addition, it is necessary to control the position of the cutting edge more strictly as the machinability deteriorates, such as a material with poor machinability, high hardness metal, or hardened steel, and the quality of machining is almost determined by the quality. It is not an exaggeration.
[0052]
Here, the resonance vibration characteristics in the machining tool 101 of the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 7 is a side view of the machining tool, and FIG. 8 is an explanatory diagram showing the resonance vibration distribution along the AA section in FIG. 7 of the machining tool. That is, in the explanatory diagram shown in FIG. 8, the vibration state of each part generated when the processing tool 101 is ultrasonically vibrated is represented by a vibration distribution diagram, and such vibration distribution and the internal structure of the ultrasonic vibrator 111 are represented. It explains in contrast. 7 and 8 show an example in which a drill-shaped processing portion 123 is attached to the tip of a tool 121, and an ultrasonic transducer 111 that generates axial vibration is used in accordance with this. .
[0053]
In FIG. 8, the dotted line indicates the vibration distribution of the ultrasonic transducer 111, and the solid line indicates the vibration distribution of the tool 121. As is clear from these vibration distributions, the ultrasonic transducer 111 is composed of one wavelength, and the tool 121 is composed of ½ wavelength. The vibration distributions of the ultrasonic vibrator 111 and the tool 121 are both vibration distributions in a state where the tool 121 is fastened and fixed to the ultrasonic vibrator 111 by the tool holder 131, that is, a state as the processing tool 101.
[0054]
As shown by the dotted line in FIG. 8, the vibration distribution in the axial direction of the ultrasonic vibrator 111 has an axial amplitude of 0 at the node portions N1 and N2, and the amplitude at the loop portions L1, L2, and L3. The vibration distribution becomes maximum and shows a sinusoidal curve. As described above, since the resonance frequency of the tool 121 is substantially equal to that of the ultrasonic vibrator 111, the tool 121 resonates ultrasonically with a half wavelength according to the ultrasonic vibration of the ultrasonic vibrator 111. The node is N3 and the loop is L3 and L4. As is clear from the vibration distribution between the ultrasonic transducer 111 and the tool 121, the tool 121 is fixed to and bonded to the ultrasonic transducer 111 at an intermediate point between the node N3 and the loop L3 in the vibration distribution. Will be. That is, in the case of the machining tool 101 illustrated in FIGS. 1 to 3, the tool 121 is fixed by being sandwiched between the front end portion of the front horn 112 and the tool holder 131. The ultrasonic transducer 111 is fixed only at this fixed position, and the other portions are in a free state. In such a structure, in the case of the machining tool 101 illustrated in FIGS. 4 to 6, the position at which the male screw configured as the tool holder 131 presses the tool 121 is relative to the ultrasonic vibrator 111 of the tool 121. It will be a fixed position. In the vibration distribution diagram shown in FIG. 8, such a fixed position of the tool 121 with respect to the ultrasonic transducer 111 is shown as an intersection LN. Note that the intersection LN, which is the fixed position of the tool 121 with respect to the ultrasonic transducer 111, can be any position as long as it is a position from the vicinity of the node N3 of the tool 121 to the loop L3.
[0055]
Therefore, the tool 121 inserted into the ultrasonic transducer 111 is fixed at a position from the vicinity of the node N3 to the loop while the rear end side is not fixed. Thus, in the present embodiment, a fastening structure is provided that fixes the tool 121 inserted into the ultrasonic transducer 111 at a position from the vicinity of the node N3 to the loop L3 while the rear end side is not fixed. Yes. As a result of providing such a fastening structure, the machining tool 101 of the present embodiment is configured as a single resonator having a plurality of resonance vibration distributions.
[0056]
In addition, as a result of fastening the ultrasonic vibrator 111 and the tool 121 by the fastening structure, in this embodiment, the vibration amplitude in the ultrasonic vibrator 111 and the vibration amplitude in the tool 121 are the same at the intersection LN. Become. The intersection LN is substantially equal to the amplitude of the loop L1 with respect to the ultrasonic transducer 111. On the other hand, the intersection LN is a substantially intermediate point between the node N3 and the loop L3 for the tool 3. As a result, the tool 121 is excited from the intersection LN as a starting point by the vibrating body constituted by the ultrasonic vibrator 111 and the tool holder 131, and as a result, the machining portion provided at the tip of the tool 121. The amplitude of 123 is larger than that of the loop L1, which is the maximum amplitude portion of the ultrasonic transducer 111 on which the tool holder 131 is mounted. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to increase the amplitude of the machining portion 123 provided at the tip of the tool 121 without using a special amplitude enlarging means for the tool 121. Therefore, a large vibration speed can be obtained in the tool.
[0057]
Moreover, in the processing tool 1 that employs a conventional fastening means between the ultrasonic transducer 111 and the tool 121, for example, fastening means as shown in FIGS. In contrast to being configured as a part of two vibration distributions, according to the present embodiment, the two resonators (the ultrasonic vibrator 111 and the tool 121 with the tool holder 131 mounted) have independent vibration distributions. Will have. As a result, the ultrasonic vibrator 111 and the tool 121, to which the tool holder 131, which is two resonators having independent vibration distributions, are attached, and the tool 121 are joined at a position where the vibration amplitude is small, that is, a position where the vibration speed is small. be able to. Further, the vibration form of the tool 121 as well as the vibrator is exactly the same as the form of resonance vibration alone, and exceeds the limit strength of the material elements constituting the tool 121 even when the amplitude of the processing part 124 is increased. If it is within the range, efficient vibration is possible. Further, at the intersection LN, the two resonators vibrate with the same amplitude in synchronism, and the acceleration increases and the holding force of the tool holder 131 increases as in the prior art illustrated in FIGS. The tool 121 does not pop out when the limit is exceeded. Therefore, even if the ultrasonic vibrator 111 and the tool 121 are fixed by a simple joining method, the vibration can be reliably transmitted to the tool 121.
[0058]
From the above, according to the present embodiment, a large vibration speed can be obtained in the tool 121 while the tool 121 can be easily mounted.
[0059]
In addition, since the ultrasonic transducer 111 and the tool 121 can be joined at an arbitrary position, the length of the tip of the tool 121 can be set to an arbitrary length as required. It is not necessary to make the length of the tip portion longer than necessary, and the processing tool 101 having high rigidity can be easily designed.
[0060]
Next, the mounting reproducibility of the tool 121 in the present embodiment will be described. When machining position accuracy is required or when machining needs to be performed with precise dimensions, it is a matter of course that strict accuracy is required for the mounting reproducibility of the tool 121. On the other hand, in the present embodiment, since the square shank 124 and the tool insertion hole 117 are in a fitted state, even if the tool 121 is replaced, even in a process that requires strict accuracy. Fully compatible processing is possible.
[0061]
Here, in this embodiment, a part of the rear end portion of the tool 121 connected to the square shank 124 has a round bar shape and is slightly smaller in diameter than the square shank 124. The object is to avoid contact with 117 and prevent unnecessary noise from being generated due to contact of different amplitudes. For this reason, as for the part from the middle of the tool 121 to the rear end, the entire region may be formed as the square shank 124 as necessary. However, this is a case where an ultrasonic vibrator 111 that vibrates axially as in the processing tool 101 illustrated in FIGS. 1 to 3 is employed, and as in the processing tool 101 illustrated in FIGS. 4 to 6. When the ultrasonic vibrator 111 that performs flexural vibration is employed, the ultrasonic vibrator 111 is not hindered between the rear end portion of the tool 121 connected to the square shank 124 and the tool insertion hole 117. There must be a gap. However, this gap is a gap that is not visible.
[0062]
Although the mounting reproducibility of the tool 121 in the present embodiment has been generally described above, the mounting reproducibility of the tool 121 is illustrated in the processing tool 101 illustrated in FIGS. 1 to 3 and FIGS. 4 to 6. The case of the processing tool 101 will be described individually.
[0063]
First, in the processing tool 101 illustrated in FIGS. 1 to 3, a processing portion 123 for drilling a square hole is provided at the tip of the tool 121. In such a machining part 123, when the rotation angle of the square hole to be drilled and the machining position accuracy are required, or when it is necessary to perform the square hole machining with a precise dimension, naturally, the mounting reproducibility of the tool 121 is improved. On the other hand, strict accuracy demands come out. In this case, if the square shank 124 on the tool 121 side and the tool insertion hole 117 on the ultrasonic transducer 111 side are in a fitted state, strict accuracy is required even if the tool 121 is replaced. Machining that fully supports square hole machining is possible.
[0064]
Next, in the machining tool 101 illustrated in FIGS. 4 to 6, a machining portion 123 configured as a hole cutting tool is provided at the tip of the tool 121. In such a processing unit 123, the blade of the boring tool that is the processing unit 123 is worn by continuing processing, and needs to be replaced with a new one at an appropriate time from the viewpoint of quality control. At this time, in addition to the requirement for how quickly the tool can be replaced, there may be a strict requirement for dimensional reproducibility during the replacement. In other words, very high accuracy is desired for the height of the cutting edge for small-diameter hole drilling of so-called difficult-to-cut materials with particularly poor machinability. The position of the blade edge was measured in an enlarged state and the position was finely adjusted. However, in this case, the adjustment is very laborious, and improvement has been desired from the viewpoint of productivity.
[0065]
On the other hand, in the present embodiment, the tool 121 is replaced because the square shank 124 on the tool 121 side and the tool insertion hole 117 on the ultrasonic transducer 111 side are fitted together. However, it is possible to perform processing that can sufficiently cope with drilling that requires strict accuracy. More specifically, in the machining tool 101 illustrated in FIGS. 4 to 6, the square shank 124 and the tool insertion hole 117 are square poles, and therefore, when the tool 121 is mounted, as a male screw for fixing the tool. By strongly pressing the corner portion of the square shank 124 with the configured tool holder 131, the two perpendicular surfaces corresponding to the bottom surfaces of the square shank 124 and the tool insertion hole 117 are strongly pressed. For this reason, if each component accuracy is accurate, accurate dimensional reproducibility can be obtained, and even if the tool 121 is replaced, there is no need to finely adjust the position of the blade of the boring tool that is the processing unit 123 again. . As a result, the complexity of finely adjusting the position of the blade of the boring tool is relieved, and productivity is dramatically improved.
[0066]
Note that the flange 122 provided on the tool 121 serves as a stopper when the tool 121 is inserted into the tool insertion hole 117, and functions to increase the reproducibility of the protruding amount of the processing portion 123, which is a boring tool. Such reproducibility control can be controlled not by the flange 122 but by another method.
[0067]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, an ultrasonic vibrator that generates ultrasonic vibrations and has a tool insertion hole provided in the axial direction from the front end portion, and a front end portion that is inserted from the rear end portion into the tool insertion hole. And a tool having a resonance frequency substantially equal to that of the ultrasonic vibrator, and the tool inserted into the ultrasonic vibrator, from the vicinity of the node to the loop while the rear end side thereof is not fixed. And a fastening tool that is fixed at a position, and a processing tool configured as a single resonator having a plurality of resonance vibration distributions. The tool can obtain an amplitude larger than the amplitude of the ultrasonic vibration generated in the ultrasonic vibrator, and the amplitude at the fixed position of the tool with respect to the ultrasonic vibrator is larger than the vibration amplitude obtained in the tool. Because it is small, It is possible to obtain a sufficient rigidity even if easily mounted.
[0068]
Since the cross-sectional shape in the insertion structure of the tool insertion hole and the tool is a non-circular shape in the processing tool according to the first aspect, the circumferential position of the tool with respect to the tool insertion hole Is uniquely determined, it is possible to obtain excellent dimensional reproducibility when the tool is remounted.
[0070]
Claim 3 The described invention is claimed. 2 In the described processing tool, since the polygon is selected as the non-circular shape, a cross-sectional shape that is a non-circular shape in the insertion structure of the tool insertion hole and the tool can be easily manufactured.
[0071]
Claim 4 The described invention is claimed. 2 In the described processing tool, since the gear shape is selected as the non-circular shape, a cross-sectional shape that is a non-circular shape in the insertion structure of the tool insertion hole and the tool can be easily manufactured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a processing tool as one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an exploded perspective view thereof.
FIG. 3 is a perspective view showing a vibration direction of the tool.
FIG. 4 is a perspective view showing a processing tool according to another embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an exploded perspective view thereof.
FIG. 6 is a perspective view showing a vibration direction of the tool.
FIG. 7 is a side view of the processing tool.
8 is an explanatory view showing a resonance vibration distribution of the machining tool along with the AA cross section shown in FIG. 7; FIG.
FIG. 9 is a perspective view showing an example of a conventional machining tool.
FIG. 10 is an exploded perspective view thereof.
FIG. 11 is a perspective view showing another conventional example of a processing tool.
FIG. 12 is an exploded perspective view thereof.
FIG. 13 is an explanatory view showing a resonance vibration distribution along with a longitudinal section of a machining tool.
[Explanation of symbols]
111 Ultrasonic transducer
117 Tool insertion hole
123 Processing part
121 tools
N3 node
L3 loop

Claims

An ultrasonic transducer that generates ultrasonic vibrations and is provided with a tool insertion hole from the tip toward the axial direction;
A tool inserted into the tool insertion hole from the rear end portion and having a processing portion at the tip portion, and a tool having substantially the same resonance frequency as the ultrasonic transducer,
A fastening structure for fixing the tool inserted into the ultrasonic vibrator at a position from the vicinity of the node to the loop while keeping the rear end side in an unfixed state;
And a machining tool configured as a single resonator having a plurality of resonance vibration distributions.

The machining tool according to claim 1, wherein a cross-sectional shape of the insertion structure of the tool insertion hole and the tool is a non-circular shape.

The machining tool according to claim 2 , wherein a polygon is selected as the non-circular shape.

The machining tool according to claim 2 , wherein a gear shape is selected as the non-circular shape.