JP3766291B2

JP3766291B2 - 超音波ミリング装置

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Publication number: JP3766291B2
Application number: JP2001151374A
Authority: JP
Inventors: 正夫村川; 雅彦神
Original assignee: 正夫村川
Priority date: 2001-05-21
Filing date: 2001-05-21
Publication date: 2006-04-12
Anticipated expiration: 2021-05-21
Also published as: JP2002346817A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波ミリング装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金型加工などの分野において、高速ミリング加工法が利用されつつある。この方法は、熱処理された材料を小径のボールエンドミルなどのフライス工具を２００００ｒｐｍ以上の回転数で高速回転させて加工する方法であり、概して１本の工具を用いて粗加工から仕上げ加工まで行なうことを特徴としており、従来の放電加工等による加工法に比べて加工能率及び加工精度の向上を図ることができるとされている。
【０００３】
しかしながら、この高速ミリング加工法は１本の工具を用いて高速切削するために工具にかる負担が大きく、工具寿命が短いことが大きな問題となっていた。
この対策として、硬質膜をコーティングした超硬工具、たとえば、ＴｉＡｌＮコーティング工具、さらにはｃＢＮ焼結体工具の開発が進められている。後者は硬くて耐熱性に優れているため前者よりも工具寿命を長くすることができるが、刃先成形性が悪いため、工具として良好な形状に成形できない欠点があった。
【０００４】
したがって、工具としては、最も硬くかつ刃先成形性もよい焼結ダイヤモンド、単結晶ダイヤモンド、気相ダイヤモンドなどのダイヤモンド工具を用いることが効果的である。しかしながら、ダイヤモンド工具により鉄系材料の切削を行なうと、工具と工作物が化学反応して化学的摩耗が激しいため、工具寿命が極端に短く、実用に耐えないという新たな問題が生ずる。
【０００５】
かかる問題点を解決するため、本発明者らは、ダイヤモンド工具を用い、主軸の軸方向、円周方向あるいは曲げ方向（軸方向と直角方向）に超音波振動を付加しながら回転数２００００ｒｐｍ以上で高速ミリングすると、前記化学反応が防止されて工具寿命が向上することを知見した。しかしながら、従来の超音波スピンドル装置は、主軸の軸方向あるいは円周方向で超音波振動しながら２００００ｒｐｍ以上で回転する加工条件に耐えられる構造となっていなかったため、研削用あるいはドリル孔明け用としては使用可能であっても、高速超音波振動ミリングには適用が困難であった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
詳述すると、従来の超音波スピンドル装置は、ホーン部分のみが支持されているだけであるため支持作用が脆弱となり、高速ミリング加工時の高速回転および横方向の負荷に耐えられないという問題があった。また、超音波主軸を駆動するための振動子が軸方向後端部にねじ止めされている構造となっているため、主軸の回転バランスが悪く、高速ミリング加工の高速回転時に超音波振動子が連れ回りして有害な振動が発生したり、スリーブ主軸の内壁との衝突で破壊を招くといった問題があった。
【０００７】
この対策として、本発明者らは、特願２００１−１３７３８号において、圧電素子の軸方向前後にホーンを一体にした超音波主軸をスリーブ主軸内に配し、前側ホーンと後側ホーンをそれぞれ振動節部位でスリーブ主軸に支持させ、かつ圧電素子が前記前側ホーンと後側ホーンの２か所の支持点間の略振動節部位にあることを特徴とする超音波ミリング装置を提案し、これにより高速回転、振動および横負荷に耐えて、焼入れなどの熱処理された材料等を高い加工能率と加工精度で加工することを可能とした。
【０００８】
しかし、この提案においては、超音波主軸の外側にスリーブを配し、それら超音波主軸とスリーブを超音波主軸の振動節部において圧締めなどの形式で連結して主軸とし、それら超音波主軸とスリーブ主軸の一体化主軸を、スピンドルハウジングに回転可能に支持させていた。しかしこの先行技術は主軸が２重構造となっているため、超音波ミリング主軸の直径がどうしても大きくなり、小型工作機械用の小径のスピンドルに適用することができなくなるという問題が解決困難であった。
【０００９】
本発明は前記課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、構造が簡単かつ小型で、小型工作機械用の小径のスピンドルに適用することができ、しかも高速化、高精度化、高剛性化を得ることができる超音波ミリング装置を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、上記に加え、工具を高速ミリング加工時の高速回転および横方向の負荷に安定して耐えられ、超音波振動を効率よく伝達できる超音波ミリング装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明は、主軸が超音波振動しながら回転する形式の超音波ミリング装置であって、圧電素子が振動節部位にあるように圧電素子を中間に位置させその前後軸方向に前側ホーンと後側ホーンを一体に結合した超音波主軸を用い、該超音波主軸を直接スピンドルハウジング内に配し、前記前側ホーンと後側ホーンの前記圧電素子中央部からほぼ等しい距離にある振動節部位をそれぞれベアリングにより前記ハウジングに直接支持させたことを特徴としている。
【００１１】
超音波主軸がベアリングの内輪を兼ねていてもよいし、別体のベアリングの内輪を超音波主軸の外周に、外輪をハウジング内壁にそれぞれ圧入してもよい。
ハウジングは超音波主軸の駆動装置を有していることも好都合である。
【００１２】
前記第２の目的を達成するため本発明は、前側ホーンの前端部に奥部に雌ねじ穴を有するテーパコーン穴を設け、該テーパコーン穴に対応するテーパ部を有するチャックをねじ込み固定し、このチャックに工具を焼き嵌めしたことを特徴としている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施例を添付図面を参照して説明する。
図１ないし図４は本発明による超音波ミリング装置の第１実施例を示しており、１はスピンドルハウジング、２はスピンドルハウジング１内に配置された超音波主軸、３，３’は超音波主軸２をスピンドルハウジング１に支持させたベアリング、４は超音波主軸２に連結されたチャック、５はチャック４に装着された工具、６は超音波主軸２を高速回転する駆動装置、７は超音波発振装置である。Ｗは工作物である。
【００１４】
超音波主軸２はホーンと圧電素子の一体型構造となっており、図３に分解状態を示すように、圧電素子２ａと、該圧電素子２ａの後端側に重合される裏打ち部材を兼ねた後側ホーン２ｂと、圧電素子２ａの前端側に重合される前面部材を兼ねた前側ホーン２ｃとからなっている。
【００１５】
前記後側ホーン２ｂは、振動節Ｓ１に対応する外周部分に環状溝２３を有し、後端面から軸心上には回転力の伝達部としての歯付き孔２１が設けられており、後端側には前側ホーン２ｃとの連結のためのボルト２２が設けられている。
圧電素子２ａはたとえば圧電セラミックスと電極板とを交互にサンドイッチ構造とした複数枚（図面では２枚）ものからなっており、中心には前記ボルト２２の貫通を許容する通孔が形成されている。圧電素子２ａは厚さ方向の中央がほぼ振動節Ｓ２に対応するように設定されている。
後述する各実施例を含めて、本発明における超音波振動は、図１（ｂ）のように、軸方向Ｆ１、ねじり方向Ｆ２および曲げ方向Ｆ３のいずれの態様をも含んでおり、これは圧電セラミックスの組成（材質）の選定により容易に実現しうる。
【００１６】
前側ホーン２ｃは中間部より先が径大となっており、振動節Ｓ３に対応する外周部分に環状溝２０を有しており、後端面から軸心上には前記ボルト２２と螺合する雌ねじ穴２４が設けられている。また、先端面中央部にはテーパーコーン穴２６が形成されるとともに、このテーパーコーン穴２６の奥端から雌ねじ穴が形成されている。
前側ホーン２ｃの環状溝２０と後側ホーン２ｂの環状溝２３は、圧電素子２ａの中央部からほぼ等しい距離に設けられている。
【００１７】
ベアリング３，３’は、通常、転がり軸受が用いられ、この例では外輪３ａと転動体３ｂとリテーナ３ｃとを有し、転動体３ｂは前側ホーン２ｃの環状溝２０と後側ホーン２ｂの環状溝２３にそれぞれはめられている。したがって、内輪は省略されている。この例では転動体３ｂとしてボールが使用されているが、ローラであってもよい。
【００１８】
前記ベアリング３と３’はそれぞれ前側ホーン２ｃと後側ホーン２ｂの振動節Ｓ１，Ｓ３に対応するように設けられている環状溝２０，２３の外周に取り付けられ、その状態で後側ホーン２ｂと圧電素子２ａおよび前側ホーン２ｃは直列状に重ね合わされ、後側ホーン２ｂのボルト２２の基部が圧電素子２ａの通孔を貫通し、ねじ部が前側ホーン２ｃの雌ねじ穴２４に螺合されることにより締付け一体化され、超音波主軸アッセンブリーを構成している。
【００１９】
チャック４は、図４のように前記テーパーコーン穴２６に対応するテーパコーン部４０の頂部に雌ねじ穴と螺合する雄ねじ軸４１を有しており、テーパコーン部４０の基部には回動操作用の多角形部４２を介して工具取り付け部４３が連成されている。工具取り付け部４３には下端面から軸心上に圧入用穴４３０が設けられており、この圧入用穴４３０に工具５のシャンク部５０が焼き嵌めされている。
工具５はエンドミルなどが用いられるが、材質としては、焼結ダイヤモンド、単結晶ダイヤモンド、気相合成ダイヤモンドなどのダイヤモンド工具が本発明の効果を最もよく発揮できるため好適である。もちろん超硬工具、コーテッド工具などであってもよい。
【００２０】
スピンドルハウジング１は前記超音波主軸２を内挿保持するために内部が筒状をなし、後端側には拡大した内径の駆動装置格納部１０が設けられ、この駆動装置格納部１０の底から筒室１１が形成されている。筒室１１の振動節Ｓ１付近には前記ベアリング３の位置決め肩１２が形成されている。
筒室１１は前記振動節Ｓ３に略対応する部位に段付き拡大部１３が形成されており、下端開口部内周には雌ねじ部が所要範囲にわたって設けられている。
【００２１】
前記超音波主軸アッセンブリーはスピンドルハウジング１の筒室１１に挿入され、後側ホーン２ｂに取り付けたベアリング３’の外輪３ａが筒室１１の内壁に圧入され、位置決め肩１２に当接することにより位置決め固定される。また、前側ホーン２ｃに取り付けられているベアリング３は、外輪３ａが段付き拡大部１３の段面に当接することで位置決めされ、開口側の雌ねじ部に固定用リング８が螺合されることにより該固定用リング８の上端８０が外輪３ａに当接することで位置決め保持される。
これにより、超音波主軸２は、スピンドルハウジング１に対し図１のように前端領域と後端領域の２か所のしかも略振動節Ｓ１，Ｓ３の位置でベアリング３，３’により回転可能かつ軸方向に動かないように保持される。この状態では、圧電素子２ａは前記支持点である振動節Ｓ１，Ｓ３の間の略振動節Ｓ２に位置している。
【００２２】
高速回転用の駆動装置６は任意であるが、たとえば４００００〜１５００００ｒｐｍの回転数を出力可能な高周波モータやＡＣサーボモータなどが使用され、前記駆動装置格納部１０に納められ、駆動装置格納部１０に取り付けた蓋体１０ａによって保持される。駆動装置６は出力軸先端の歯車部６０が超音波主軸２の歯付き孔２１に係合することにより出力を伝達するようになっている。
前記圧電素子２ａに対する超音波発振装置７からの給電系はスピンドルハウジング１の任意の箇所から導入されて圧電素子２ａに接続されればよい。この例では超音波主軸２の外周表面にスリップリング７０を設け、スリップリング７０と接続した導線をボルト２２に達する導孔２５に導き、導孔から径方向に取り出して圧電素子２ａに接続する一方、超音波発振装置７からの導線と接続したブラシ７１をスピンドルハウジング１の壁を貫いて筒室１１に延出させ、前記スリップリング７０と接触させている。
その他図面において、１５はスピンドルハウジング１の壁を貫通して取り付けた冷却用流体の噴出部である。
【００２３】
図５は本発明による超音波ミリング装置の第２実施例を示している。
この実施例においては、ベアリング３，３’が外輪３ａと転動体３ｂとリテーナ（図示せず）および内輪３ｄとを備え、スピンドルハウジング１とは別体のものとなっている。
これらベアリング３，３’は前側ホーン２ｃと後側ホーン２ｂの振動節Ｓ１，Ｓ３に対応する部位にそれぞれ内輪３ｄが圧入されることにより固定される。そして、このようにベアリング３，３’を取り付けた超音波主軸２をスピンドルハウジング１の筒室１１に挿入し、ベアリング３の外輪３ａを筒室１１の内壁面に圧入することによりスピンドルハウジング１に保持固定させている。
【００２４】
この例では、ベアリング３とベアリング３’の外輪３ａ，３ａとの間に間隔保持のためのスリーブ３１を配しているが、これは必ずしも必要ではない。
他の構成は第１実施例と同様であるから、同じ部分および部品に同じ符号を付し、説明は省略する。
なお、この実施例では、給電系として、スピンドルハウジング１の壁を貫通してブラシ７１を取り付け、圧電素子２ａの電極板と接触させているが、第１実施例と同じ構造を採用してもよい。逆に、第１実施例の給電系を第２実施例に示すものに代えてもよい。
【００２５】
図６は本発明の第３実施例を示している。この実施例は超音波主軸２の圧電素子２ａと前側ホーン２ｃおよび後側ホーン２ｂをボルト２ｄで結合して一体化した例を示している。
後側ホーン２ｂには、後端から所要深さの袋孔１００が形成されており、この袋孔１００の底部から軸方向に通孔１０１が設けられている。
後側ホーン２ｂと圧電素子２ａおよび前側ホーン２ｃは直列状に配され、袋孔１００を通してボルト２ｄを挿通し、ねじ部を前側ホーン２ｃの雌ねじ穴２４に螺合することにより締結されている。
ベアリング３，３’の態様と取り付け形式は前記第１実施例または第２実施例のいずれでもよいが、この実施例では前側ホーン２ｃおよび後側ホーン２ｂの振動節Ｓ１，Ｓ３に相当する部位に突台リング状の内輪部３０，３０を一体形成している。
他の構成は第１実施例と同様であるから、同じ部分および部品に同じ符号を付し、説明は省略する。
【００２６】
なお、図示するものは本発明の数例であり、他に種々の構成を採用しうるものである。
１）第１実施例と第２実施例の超音波主軸２を第３実施例のようにボルトによる結合形式としてもよい。
２）チャック５への工具の取り付けは、好適には焼きはめであるが、コレット式でもダイヤフラム式であってもよい。
３）本発明は駆動装置を有する専用の高速ミリング装置としてもよいが、これに限らず、駆動装置が外部にある形式としてもよい。
【００２７】
４）被削材としての工作物Ｗの材質は任意であり、炭素鋼、プレハードン鋼、ステンレス鋼、金型用焼入れ鋼などのほか、アルミニウムなどの非鉄金属も含まれる。
５）本発明は高速ミリングに好適であるが、もちろん低速の通常のミリングでも効果を発揮することができる。また、ミリングだけでなく、研削やドリル加工にも適用可能である。
【００２８】
【実施例の作用】
駆動装置６の出力軸の歯車部６０が超音波主軸２の歯付き孔２１と係合しているため、駆動装置６を駆動すれば、ベアリング３，３’によりスピンドルハウジング１に支持されている超音波主軸２は２００００ｒｐｍ以上の高速で回転させられ、併行して超音波発振装置７からの電流の印加により、圧電素子２ａは軸方向、ねじれ方向もしくは曲げ方向に振動させられ、工具５により工作物Ｗがミーリング加工される。この超音波振動により工具５の材質がダイヤモンド、工作物の材質が鉄系材料である場合にも化学反応による化学的摩耗が回避される。
【００２９】
第１実施例ないし第３実施例のいずれにおいても、超音波主軸２の前側ホーン２ｃと後側ホーン２ｂの振動節に相当する部分（２か所）がスピンドルハウジング１に固定されているベアリング３，３’により、回転が許容されつつ軸方向および半径方向には動かされないようにしっかりと支持される。
このため、前記のような高速回転と振動とが作用しても、超音波主軸２は高速回転と横方向の負荷に耐えることができ、円滑に安定して長距離の高速ミーリング加工を行なうことができる。
また、冷却用流体の噴出部１５をスピンドルハウジング１に取り付けておいた場合には、たとえばミストエアを噴出することにより、加工熱を除去することができるので、超音波主軸２の発熱による伸長や曲りを抑制することができる。
【００３０】
また、本発明は超音波主軸２が前側ホーン２ｃと後側ホーン２ｂを圧電素子２ａを挟んで直結した一体型とし、前側ホーン２ｃと後側ホーン２ｂの振動節部分を支持固定し、圧電素子２ａを支持固定部の中間に配置しているため、超音波主軸２の回転バランスがよくなり、従来のような振動子が回転に伴って連れ回りして振動を発生したりスピンドルハウジングと衝突して破壊するといった現象が起こらなくなる。
【００３１】
しかも本発明は、スリーブ主軸が存在せず、超音波主軸２が直接ベアリング３，３’によりスピンドルハウジング１に支持されているため、スピンドルそのものの直径を小さくすることができ、これにより小型工作機械の小型スピンドルに対応することができる。また、スピンドルハウジング１に駆動装置６をビルトインしているため、外部に駆動源を要さず、工作機械にマウントするだけで高速超音波ミーリング加工を行なうことができる。
【００３２】
また、主軸が超音波主軸とスリーブ主軸の２重構造となっておらず、超音波主軸のみの単一主軸構造となっているため、機構が簡単で部材数が少なくなり、かつ組立て誤差が減る。このため振れまわりなどの精度が向上し、より高速化、および高精度化、高剛性化を図ることができる。
加えて、振動節Ｓ１，Ｓ３に配置されているベアリング３，３’に超音波振動がわずかに作用することによりベアリングの潤滑性が向上するため、よりスムーズな回転性能が得られるとともに、寿命の向上を図ることができる。
【００３３】
チャック５に対する工具５の取り付けを焼き嵌めとし、チャック５をテーパコーン式に超音波主軸２の前側ホーン２ｃに挿着させるようにした場合には、工具支持剛性が高く、動バランス特性もよく、超音波振動を効率よく工具５に伝達することができる。
【００３４】
次に本発明を適用した加工例を示す。
装置として図１に示す構造のものを使用した。超音波圧電素子はピエゾタイプを使用した。工具として焼結ダイヤモンドコーテッドエンドミル（Ｒ１．５，一枚刃）を使用し、プレハードン鋼ＨＲＣ４０を加工形状：波形に高速超音波ミリング加工した。工具回転数は２００００ｒｐｍ、超音波振動数は６０．１ＫＨｚ、送りは０．０５ｍｍ／刃、切込みは軸方向０．２ｍｍ、送りピッチ０．１ｍｍ、切削油は不水溶性を使用した。比較のため、超音波振動を付加しない以外は同条件にて加工を行なった。
【００３５】
この結果、比較例の場合は、ダイモンド工具刃先が急速に摩耗し、切削距離１８ｍ時には切削不能となってしまった。これに対して本発明の場合には、３０ｍ切削時点でも工具の摩耗は生じていなかった。この摩耗状況を検討したところ、初期摩耗が１７μm発生したものの、その後はほぼ摩耗ゼロの状態で推移していた。負荷に対する効果を見るため切削距離２５０ｍまでの連続切削を行なったところ、摩耗ゼロの状態で推移していた。
また、負荷に対する耐久性を見るため、切削距離１０５００ｍまでの連続切削を行なったが、超音波主軸およびスピンドルハウジングはなんらの損傷もなく、安定した耐久性のあることが確認された。
【００３６】
また、比較のため、工具に近いホーン部分のフランジのみを支持する従来装置を使用して前記条件で高速ミリングを行なった結果、切削距離１０５０ｍで超音波振動子に亀裂が入って異常音が発生し、使用不能となった。この結果から、前側ホーンと超音波圧電素子と後側ホーンとを一体化した構造とし、前側ホーンと後側ホーンの双方を振動節位置で支持固定することが効果的であることがわかる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明した本発明の請求項１によるときには、主軸が超音波振動しながら回転する形式の超音波ミリング装置であって、圧電素子２ａが振動節部位にあるように圧電素子２ａを中間に位置させその前後軸方向に前側ホーン２ｃと後側ホーン２ｂを一体に結合した超音波主軸２を用い、該超音波主軸２を直接スピンドルハウジング１内に配し、前記前側ホーン２ｃと後側ホーン２ｂの前記圧電素子中央部からほぼ等しい距離にある振動節部位Ｓ３，Ｓ１をそれぞれベアリング３，３´により前記スピンドルハウジング１に直接支持させたので、超音波振動を阻害することなく超音波主軸２をミリングスピンドルに固定することができ、高速回転と超音波振動が重畳された厳しい使用条件においても負荷に十分に耐えられ、安定した高速ミリング加工を行うことができる。
【００３８】
しかもスピンドルハウジング１に直接超音波主軸２を回転自在に支持させ、スリーブ主軸が無いため、直径を小さくすることができ、小型工作機械の小型スピンドルに対応することができる。さらにスリーブ主軸を使用しない超音波主軸のみの単一構造となるので、機構や構造が簡単になるとともに組立て誤差が減り、これにより振れまわり等の精度を向上することができ、さらなる高速化、高精度化、高剛性化を低コストで実現することができる。また、ベアリング３，３´に超音波振動がわずかに作用するため潤滑性が向上し、よりスムーズな回転性能と寿命向上を図ることができるなどのすぐれた効果が得られる。
【００３９】
請求項２によれば、請求項１の効果に加え、超音波主軸がベアリングの内輪を兼ねているので、構造を簡易化することができるとともに、支持剛性を高くすることができるというすぐれた効果が得られる。
請求項３によれば、請求項１の効果に加え、スピンドルハウジング１が超音波主軸２の駆動装置６をも有した超音波高速ミリングユニットとなっているので、特別な駆動源や伝達機構を要さず、工作機械にマウントするだけで高速ミリング加工を行うことができるというすぐれた効果が得られる。
【００４０】
請求項４によれば、前側ホーン２ｃの前端部に奥部に雌ねじ穴２６１を有するテーパコーン穴２６を設け、該テーパコーン穴２６に対応するテーパ部４０を有するチャック４をねじ込み固定し、このチャック４に工具５を焼き嵌めしているので、工具支持剛性が高く、動バランス性もよいので、超音波振動を効率よく加工物に伝えることができるとともに高速ミリング加工時の高速回転及び振動や負荷に耐えることができるというすぐれた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明による超音波ミリング装置の第１実施例を示す縦断面図、（ｂ）は振動方向の例を示す説明図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。
【図３】第１実施例における超音波主軸を分解状態で示す部分切欠正面図である。
【図４】チャツク機構の部分切欠正面図である。
【図５】本発明装置の第２実施例を示す一部切欠断面図である。
【図６】本発明装置の第３実施例を示す一部切欠断面図である。
【符号の説明】
１スピンドルハウジング
２超音波主軸
２ａ圧電素子
２ｂ後側ホーン
２ｃ前側ホーン
３，３’ ベアリング
４チャック
５工具
８固定リング

Claims

主軸が超音波振動しながら回転する形式の超音波ミリング装置であって、圧電素子２ａが振動節部位にあるように圧電素子２ａを中間に位置させその前後軸方向に前側ホーン２ｃと後側ホーン２ｂを一体に結合した超音波主軸２を用い、該超音波主軸２を直接スピンドルハウジング１内に配し、前記前側ホーン２ｃと後側ホーン２ｂの前記圧電素子中央部からほぼ等しい距離にある振動節部位Ｓ３，Ｓ１をそれぞれベアリング３，３’により前記スピンドルハウジング１に直接支持させたことを特徴とする超音波ミリング装置。
超音波主軸２がベアリング３，３’の内輪を兼ねているものを含む請求項１に記載の超音波ミリング装置。
スピンドルハウジング１が超音波主軸２の駆動装置６を有している請求項１または２に記載の超音波ミリング装置。
前側ホーン２ｃの前端部に奥部に雌ねじ穴２６１を有するテーパコーン穴２６を設け、該テーパコーン穴２６に対応するテーパ部４０を有するチャック４をねじ込み固定し、このチャック４に工具５を焼き嵌めしている請求項１ないし３のいずれかに記載の超音波ミリング装置。