JP3701128B2

JP3701128B2 - インサートホーン

Info

Publication number: JP3701128B2
Application number: JP32818898A
Authority: JP
Inventors: 健太高木; 智雄田中; 正也伊藤
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 1998-11-18
Filing date: 1998-11-18
Publication date: 2005-09-28
Anticipated expiration: 2018-11-18
Also published as: JP2000153230A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波により作業を行なう超音波ホーンに関し、特に、例えば熱可塑性樹脂などを金属などの材料中にインサートしたり、逆に、熱可塑性樹脂中に金属などをインサートするインサートホーンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、超音波を利用して攪拌や接合などの各種の作業を行なう超音波ホーンとしては、鋼製、チタン合金製、アルミニウム合金製のものが知られている。
また、近年では、耐久性を向上する目的で、ホーン先端にセラミック部材を接合したものも提案されている（実開平５−８０５６９号公報、特開平９−１０６５号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
また、例えば熱可塑性樹脂を金属材料に圧入するようなインサート加工を行なう場合には、インサートホーンと呼ばれる超音波ホーンが用いられる。
このインサートホーンにおいても、ホーン先端をセラミック化することにより、ホーン先端の耐摩耗性の向上が図れるが、インサートする部材やインサートされる部材が硬質（例えば金属）の場合には、インサート加工時に、セラミックが破損することがあった。
【０００４】
つまり、ホーン先端のセラミックが硬質の部材に当って、セラミック表面に大きな衝撃応力が付与される場合には、セラミックの強度、靱性によっては、セラミックが破損することがあった。
特に、ホーン先端のセラミックが厚い場合には、セラミックの接合時の残留応力が大きくなり、接合体の強度が低下したり、インサートホーンの稼働時に、接合部に働く応力が大きいことにより、接合部で破損することがあった。
【０００５】
本発明は、上記の問題点を鑑みて提案されたものであり、インサートホーンの破損等の不具合の発生を防止できるインサートホーンを提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
（１）前記目的を達成するための請求項１の発明は、ホーン本体の先端に硬質部材を取り付けた超音波ホーンであり、前記硬質部材を第１部材に押当てて該第１部材を第２部材（例えば第２部材の穴等）に挿入するインサートホーンにおいて、前記硬質部材の３点曲げによる機械的強度が３５０ＭＰａ以上であり、前記硬質部材の厚さ（Ａ）と硬質部材の先端の直径（Ｂ）との関係が、下記式（１）を満たすことを特徴とするインサートホーン。以上であることを特徴とするインサートホーンを要旨とする。
０．０４≦Ａ／Ｂ≦０．４ …（１）
【０００７】
本発明では、ホーン本体の先端に取り付ける硬質部材の強度を、３５０ＭＰａ以上（ＪＩＳＲ１６０１３点曲げ強度）としているので、硬質部材の耐破損性が向上する。そのため、インサートホーンを使用して超音波加工（インサート加工）をする際に、硬質部材が例えば硬質の第２部材などに当たって破損することを防止できる。
【０００９】
また、硬質部材の厚さが薄い場合には、接合時に硬質部材が割れ易かったり、超音波加工時に、硬質部材（例えば窒化珪素の様な場合）がカケ易いという問題がある。更に、硬質部材は、ホーン本体に通常使用される金属と比べて、熱膨張係数が小さいために、接合により残留応力が発生するが、硬質部材が厚い場合には、硬質部材の剛性が高くなり、接合時に硬質部材にクラックが入ったり、使用時に接合部で破損するなどの不具合が生じることがある。
【００１０】
この対策として、本発明では、硬質部材の厚さ（Ａ）と硬質部材の先端の直径（Ｂ）との関係を、前記式（１）により規定している。
これにより、硬質部材の厚さが薄過ぎることがないので、接合時の硬質部材の割れや、超音波加工時の硬質部材のカケを防止することができる。また、接合時に硬質部材に残留応力が発生しても、硬質部材は厚過ぎることがないので、接合時の硬質部材のクラックや、使用時の接合部における破損を防止することができる。
【００１１】
（２）請求項２の発明は、前記硬質部材の厚さ（Ａ）と硬質部材の先端の直径（Ｂ）との関係が、下記式（２）を満たすことを特徴とする前記請求項１に記載のインサートホーンを要旨とする。
【００１２】
０．０８≦Ａ／Ｂ≦０．４ …（２）
本発明は、前記請求項１の発明と同様に、硬質部材の厚さ（Ａ）と硬質部材の先端の直径（Ｂ）との関係を規定したものである。本発明によれば、前記請求項１の発明の効果が一層顕著である。
【００１３】
（３）請求項３の発明は、前記硬質部材の先端が、全面にわたって平坦であることを特徴とする前記請求項１又は２に記載のインサートホーンを要旨とする。本発明では、硬質部材の先端は、全面にわたって平坦であるので、第１部材を傷つけることなく、第１部材の頂部にわたって均一に押圧することができるので、インサート加工をスムーズに行なうことができる。
【００１４】
（４）請求項４の発明は、前記ホーン本体と前記硬質部材との間に、応力を緩和する軟質金属の層を配置したことを特徴とする前記請求項１〜３のいずれかに記載のインサートホーンを要旨とする。
【００１５】
本発明では、ホーン本体と硬質部材との間に、応力を緩和する軟質金属の層を配置したので、接合時に発生する応力や、超音波加工時に発生する応力を緩和することができる。それにより、硬質部材の破損や、接合部における破損を防止することができる。
【００１６】
（５）請求項５の発明は、前記ホーン本体の先端に、ろう付けにより、前記硬質部材を接合したことを特徴とする前記請求項１〜４のいずれかに記載のインサートホーンを要旨とする。本発明は、硬質部材の取り付け方法を例示したものである。このろう付けにより、硬質部材をホーン本体の先端に強固に接合することができる。
【００１７】
（６）請求項６の発明は、前記ホーン本体は、一端部を太く他端部を細くした金属製であり、このホーン本体の細径の先端に前記硬質部材を備えたことを特徴とする前記請求項１〜５のいずれかに記載のインサートホーン。
【００１８】
本発明は、ホーン本体の形状を例示したものであり、この様な形状とすることで、超音波振動を先端側に伝達して、好適に超音波加工を行なうことができる。
以下、前記本発明の各構成について、詳細に説明する。
・前記硬質部材の材料としては、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、サイアロン（Ｓｉａｌｏｎ）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、ジルコニア（ＺｒＯ₂）、炭化珪素（ＳｉＣ）等のセラミック、又はこれらの複合部材、或は、例えばＷＣ−Ｎｉ、ＷＣ−Ｃｏ等の超硬、サーメット等の周知の硬質材料が使用可能である。
【００１９】
このうち、窒化珪素を主成分とする硬質部材は、優れた耐熱性、耐摩耗性、靱性を備えているので、好ましいものである。
また、その硬さは、治工具などで使用される鋼の硬さ（ＨＶ６００）より硬いことが望ましい。
【００２０】
下記表１に、使用できる硬質部材の物性値を示す。
【００２１】
【表１】

【００２２】
・前記超音波ホーンのホーン本体の材質としては、構造用に用いられる高強度材料が好ましく、合金鋼や工具鋼やダイス鋼など、比較的強度の高い鋼が望ましい。また、チタン合金、アルミニウム合金などの低密度材料も使用できる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明のインサートホーンの実施の形態の例（実施例）について、図面に基づいて説明する。
（実施例１）
ａ）まず、本実施例のインサートホーンの構成について説明する。
【００２４】
本実施例のインサートホーンとは、超音波振動を利用して、第１部材を第２部材に圧入する際に使用するインサートホーンである。
図１に示す様に、インサートホーンは、棒状の部材であり、その中間部から先端に向かって細く形成された円柱状のホーン本体（基体）１と、ホーン本体１の細い先端部分に接合された硬質部材２とから構成されている。このインサートホーンの寸法は、全長Ｌ１４５ｍｍ、先端径１８ｍｍである。
【００２５】
尚、全長Ｌ１４５ｍｍは、稼働周波枢２０ｋＨｚが共振点となるように、接合された硬質部材２の材料やその厚さにより、若干異なる。ここでは、例えば硬質部材の厚さを２ｍｍとした。
前記ホーン本体１は、超音波振動子３が取り付けられた断面円形の太軸の基端部４と、硬質部材２が先端に接合されている断面円形の細軸の先端部６とから構成されている。このホーン本体１の寸法は、太軸径４８ｍｍ、太軸長さ６３ｍｍ、細軸長さ８０ｍｍ、細軸先端径１８ｍｍである。また、ホーン本体１は、ＪＩＳＳＮＣＭ６３０の金属材料（即ち３％Ｃｒ、３％Ｎｉ、０．６％Ｍｏ、残部Ｆｅ、他）からなり、その硬さは、ＨＲＣ４０である。
【００２６】
一方、硬質部材２は、ホーン本体１の先端部６の先端面７に、ＴｉＡｇＣｕ系の活性ろう材を用いたろう付により接合されたセラミックス製の部材であり、下記表２〜表４に示す材料からなる。例えば窒化珪素の場合には、主成分の窒化珪素９０重量％に、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃、ＴｉＮが適量添加された材料からなる。
【００２７】
この硬質部材２は、図２に示す様に、例えば外径（直径Ｂ）が１８ｍｍで厚み（Ａ）が２ｍｍの円盤状の部材であり、その寸法の比Ａ／Ｂは、０．１１である。また、ホーン本体１に接合される面（接合面）２ａには、ろう付け性を向上するために、Ａｌが蒸着されてメタライズ層（図示せず）が形成されている。
【００２８】
ｂ）次に、本実施例のインサートホーンの製造方法について説明する。
まず、ホーン本体１となる前記金属材料からなる金属の棒材（図示せず）を作製する。
また、これとは別の硬質部材２となる焼結体の製造工程にて、例えば粉末の窒化珪素等の材料を成形し、焼結して円盤状の焼結体を作製した。
【００２９】
次に、ホーン本体１となる棒材の先端面７と硬質部材２となる焼結体の接合面２ａとの間に、前記ＴｉＡｇＣｕ系の活性ろう材を配置して、９００℃で２時間真空で加熱して、ろう付けした。所望の硬度（ＨＲＣ４０以上）を得た。
その後、ホーン本体１となる棒材に対し、金属切削用のバイト及び旋盤を使用して、基端部４から先端部６までを切削加工した。
【００３０】
次に、セラミック加工用のダイヤモンド砥石を使用して、硬質部材２を、上述した寸法に研削加工した。
これにより、図１に示すインサートホーンを完成した。
この様にして製造された本実施例のインサートホーンは、硬質部材２の３点曲げによる機械的強度が３５０ＭＰａ以上である。また、硬質部材２の厚さ（Ａ）と硬質部材２の直径（Ｂ）との関係は、下記式（１）及び下記（２）を満たしている。更に、硬質部材２の先端は、全面にわたって平坦である。
【００３１】
ｃ）次に、本実施例のインサートホーンの使用方法を説明する。
図３に示す様に、ここでは、第１部材１１であるポリエチレン製の熱可塑性樹脂（直径１０ｍｍ、長さ１０ｍｍ）を、第２部材１２である硬さＨＲＣ６１の、ＪＩＳＳＫＤ１１製の金属（外径３０ｍｍ、内径９．８ｍｍ、厚さ１０ｍｍ）にインサートする場合について述べる。
【００３２】
まず、基台１３上に、第２部材１２を配置して、治具（図示せず）により固定する。そして、第２部材１２の穴１４上に第１部材１１を配置し、更にその上に、インサートホーンを配置する。
そして、インサートホーンを駆動する電源をオンして、超音波振動を発生させた状態で、インサートホーンの硬質部材２の先端面２ｂを第１部材１１の頂部１１ａ押しあてて、振動を加えながら、第１部材１１を第２部材１２の穴１４内に徐々に圧入してゆく。
【００３３】
尚、これとは逆に、金属製の第１部材１１を熱可塑性樹脂製の第２部材１２の穴にインサートすることも等も可能である。
本実施例では、インサートホーンは、上述した構成を備えているので、後述する実験例に示す様に、インサート加工（第１部材１１を第２部材１２に圧入する加工）を行う場合に、硬質部材２にカケ等の破損が生じることや、ろう材による硬質部材２の接合部分（接合部）での破損の発生を防止できる。
【００３４】
ｄ）次に、本実施例のインサートホーンの効果を確認するために行った実験例について説明する。
本実験例では、下記表２〜表４に示す様に、硬質部材の材料や寸法を違えて、実験に用いるインサートホーンを製造した。
【００３５】
また、ＪＩＳＲ１６０１により、硬質部材の３点曲げ強度を測定した。その結果を同じく同じく下記表２〜表４に記す。
そして、これらのインサートホーンを用いて、下記の条件にてインサート加工を行った。
【００３６】

そして、このインサート加工では、各々のインサートホーンにつき各１０回行ない、１回毎に２０倍の拡大鏡にてホーン先端の硬質部材の破損の有無を確認した。その結果を同じく下記表２〜表４に記す。
【００３７】
尚、インサートホーンは第２部材の金属に対して３度の傾斜角度を保ち、インサートホーンが第２部材に片当りするようにセットした。この理由は、超音波加工が工業的に用いられる場合、部品や治工具の精度のバラツキにより、片当りした状態で使用される可能性を考慮したからである。
【００３８】
尚、試料No.２０は、試料No.１５の試料において、ホーン本体と硬質部材との間に、厚さ０．２ｍｍの純ニッケルを介在させたものである。
【００３９】
【表２】

【００４０】
【表３】

【００４１】
【表４】

【００４２】
この表２〜表４から明かな様に、本発明の範囲内のインサートホーン（試料No.１〜５，１０〜１４，１６，１８〜２２）は、その強度が３５０ＭＰａ以上であるので、異常が無いか、あるいは多数の加工を行わなければカケやクラックが発生せず、好適であった。
【００４３】
また、硬質部材の厚さ（Ａ）と直径（Ｂ）の寸法比Ａ／Ｂの範囲が、０．０４〜０．４の範囲であるので、クラックやカケの発生の度合が少なく好適であり、特に、０．０８〜０．４の範囲のもの（例えば表３の試料No.１３，１４）は、異常の発生がなく、一層好適である。
【００４４】
尚、試料No.１６は、Ａ／Ｂは０．０４４と比較的小さいが、応力を緩和する層としてＮｉ層を有しているので、異常が無く好適である。
それに対して比較例のもの（試料No.６，７，１７，２３）は、何等かの異常があり好ましくない。例えば試料No.６は、加工１回目でアルミナにカケが発生し、試料No.７，１７は、接合時にアルミナにクラックが入ったため、超音波加工を実施できず、試料No.２３は、接合時にガラスセラミックにワレが発生した。また、比較例の試料 No. ８，９，１５は、加工回数が４回以下でカケやクラックが発生した。
【００４５】
尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で各種の態様で実施できるのは勿論である。
（１）例えば前記実施例では、同じ金属でホーン本体を作成したが、必要な機能を発揮する限りでは、異なる金属を結合（又は接合）させてホーン本体を作製してもよい。
【００４６】
（２）前記インサートホーンのホーン本体の形状としては、一端部（他端部）を太くし、他短端（先端部）を細くしたものを採用できるが、この形状とは別に、基端部と先端部との材質を違えることによって、所望の振動特性を得られるようにしてもよい。
【００４７】
（３）前記硬質部材をホーン本体の先端に取り付ける方法としては、上述したろう付け以外に、ホーン本体の先端側又は硬質部材側にオネジやメネジを設けて、螺合により硬質部材をホーン本体の先端に固定する方法を採用できる。尚、超硬部材に直接ネジを形成する加工は困難であるので、超硬部材側には、例えばオネジ又はメネジを設けた金属部材をろう付けする方法を採用できる。
【００４８】
【発明の効果】
以上詳述した様に、本発明のインサートホーンは、硬質部材の強度が高いので、耐破損性に優れている。
また、硬質部材の寸法が適度であるので、接合時における硬質部材のクラックやワレの発生を防止でき、また、超音波加工時における硬質部材のカケを防止できる。更に、超音波加工を行なう際の、接合部における破損を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例のインサートホーンを示し、（ａ）はその正面図、（ｂ）はその右側面図である。
【図２】実施例のインサートホーンの硬質部材を示し、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその正面図である。
【図３】実施例のインサートホーンの使用方法を示す説明図である。
【符号の説明】
１…ホーン本体
２…硬質部材
４…基端部
６…先端部
１１…第１部材
１２…第２部材
１４…穴

Claims

ホーン本体の先端に硬質部材を取り付けた超音波ホーンであり、前記硬質部材を第１部材に押当てて該第１部材を第２部材に挿入するインサートホーンにおいて、
前記硬質部材の３点曲げによる機械的強度が３５０ＭＰａ以上であり、
前記硬質部材の厚さ（Ａ）と硬質部材の先端の直径（Ｂ）との関係が、下記式（１）を満たすことを特徴とするインサートホーン。
０．０４≦Ａ／Ｂ≦０．４ …（１）
前記硬質部材の厚さ（Ａ）と硬質部材の先端の直径（Ｂ）との関係が、下記式（２）を満たすことを特徴とする前記請求項１に記載のインサートホーン。
０．０８≦Ａ／Ｂ≦０．４ …（２）
前記硬質部材の先端が、全面にわたって平坦であることを特徴とする前記請求項１又は２に記載のインサートホーン。
前記ホーン本体と前記硬質部材との間に、応力を緩和する軟質金属の層を配置したことを特徴とする前記請求項１〜３のいずれかに記載のインサートホーン。
前記ホーン本体の先端に、ろう付けにより、前記硬質部材を接合したことを特徴とする前記請求項１〜４のいずれかに記載のインサートホーン。
前記ホーン本体は、一端部を太く他端部を細くした金属製であり、このホーン本体の細径の先端に前記硬質部材を備えたことを特徴とする前記請求項１〜５のいずれかに記載のインサートホーン。