JP4244260B2 - 超音波加工用ねじり振動装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属材料、複合材料、ガラス、セラミックス等の切削、研削、ドリル加工等に用いて好適な超音波加工用ねじり振動装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の超音波加工用ねじり振動装置は、図4に示す如く、ねじり振動共振周波数が互いに等しい振動子1、コーン2、ホーン3をボルト4、5により接続して構成され、ホーン3の先端部に工具装着部6を備える。振動子1は、ボルト締めランジュバン型であり、前面体1Aと背面体1Bの間にねじり振動用電歪素子1Cと電極1Dを挟持するように、電歪素子1Cと電極1Dを貫通するボルト1Eを前面体1Aと背面体1Bの中心ねじ孔に螺合している。
【0003】
図4の振動装置では、コーン2に設けたフランジ2A(振動の節に相当する位置)を刃物台等の固定台に固定して用いられ、振動子1の振幅がコーン2、ホーン3で拡大されて工具装着部6に装着された工具7に伝達される。
【0004】
図4の振動装置では、工具装着部6がめねじ部6Aを備え、工具7のためのスリ割付コレットチャック8の基端おねじ部8Aをそのめねじ部6Aに螺合することによってコレットチャック8を工具装着部6に引込んでテーパ結合し、工具7及びコレットチャック8を工具装着部6に取付け可能としている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術には、以下の問題点がある。
▲1▼振動子1とコーン2とホーン3の長さがそれぞれ共振周波数の半波長(λ/2)であり、それらを接続した振動装置の全長が3/2 波長となってしまい、形状が長大、質量が過大となり、加工機への据付に際して大きなスペースが必要とされる。特に、小物ワークに対して不都合な大型加工機になる。
【0006】
▲2▼振動子1とコーン2とホーン3の各部の長さを、同一共振周波数で半波長となるように調整する作業は、それら振動子1、コーン2、ホーン3のそれぞれの形状の切削と共振周波数の計測を繰り返す(カットアンドトライ)ものとなり、多大な労力を必要とする。
【0007】
▲3▼工具装着部6のめねじ部6Aのねじ径を大きくとることができないため、コレットチャック8を工具装着部6に強力に引込んでテーパ結合できず、工具7の取付強度の向上に困難がある。また、コレットチャック8が工具装着部6に対して回動操作せしめられるため、工具装着部6とコレットチャック8のテーパ結合部の摺動摩耗が多大になる。
【0008】
本発明の第1の課題は、振動装置の全長を小型化とするとともに、共振周波数の調整を容易化することにある。
【0009】
本発明の第2の課題は、振動装置の振動振幅を簡易に拡大することにある。
【0010】
本発明の第3の課題は、コレットチャックを簡易且つ確実に取付けることにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の本発明は、ねじり振動用電歪素子と電極板を挟持する前面体と背面体とを有し、電歪素子と電極板を貫通するボルトを前面体と背面体の中心ねじ孔に螺合してなるボルト締めランジュバン型ねじり振動子を用いる超音波加工用ねじり振動装置において、ねじり振動子は、前面体の全体を軸対称の一体構造とするとともに、その全長を共振周波数の半波長とし、前面体に周波数調整用の段付円柱部を備えるとともに、前面体の先端部に工具をチャックしたコレットチャックが挿入されて固定される工具装着部を備え、前面体に備える段付円柱部は、コレット装着具が着脱されるねじを備えるとともに、長さの削除によりねじり振動子の共振周波数を調整可能にされ、コレット装着具は、段付円柱部のねじに螺着されて生ずる推力をコレットチャックの前端面に付与して該コレットチャックを工具装着部に圧入して固定し、その固定後には上記ねじから分離されて振動の負荷にならないように構成したものである。
【0012】
請求項2に記載の本発明は、請求項1に記載の本発明において更に、前記前面体の先端側の直径を背面体に比して細径とするようにしたものである。
【0020】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の超音波加工用ねじり振動装置を示す模式図、図2は超音波加工用ねじり振動装置の工具装着部を示す模式図、図3は共振周波数の調整線図、図4は従来例を示す模式図である。
【0021】
超音波加工用ねじり振動装置10は、図1に示す如く、ボルト締めランジュバン型ねじり振動子10Aにて構成される。ねじり振動子10Aは、前面体11と背面体12の間にねじり振動用電歪素子13、14、電極板15、16、17を挟持するように、電歪素子13、14と電極板15、16、17を貫通するボルト18を前面体11と背面体12の中心ねじ孔に螺合している。
【0022】
ねじり振動子10Aの前面体11は、単一金属体を段付加工したものであり、背面体12、電歪素子13、14と同一直径の大径部21(半径r1 )、大径部21にフランジ部21Aを介して連なる中間小径部22(半径r2 )、中間小径部22に連なる段付円柱部23(半径r3 )、及び段付円柱部23に連なる先端小径部24(半径r4 )の全体を軸対称の一体構造としている。
【0023】
このとき、ねじり振動子10Aは、前面体11の大径部21〜背面体12の長さをL1 、前面体11の中間小径部22、段付円柱部23、先端小径部24のそれぞれの長さをL2 、L3 、L4 とし、大径部21と中間小径部22の間のフランジ部21Aを振動の節(加工機の刃物台等の固定点)とし(図1)、L1 =λ/4 、L2 +L3 +L4 =λ/4 としてその全長を共振周波数(λ)の半波長(λ/2 )としている。
【0024】
また、ねじり振動子10Aは、前面体11の先端小径部24にテーパ孔状の工具装着部25を備える。そして、ドリル等の工具30が装着されたスリ割付コレットチャック31(31Aはテーパ面、31Bはスリ割)は、図2(A)に示す如く、工具装着部25に挿入された状態で、前面体11の段付円柱部23に設けたねじ23Aに螺着されるコレット装着具32の推力をその前端面に付与されて工具装着部25に引込み圧入されて緊着固定される。コレット装着具32はコレットチャック31を工具装着部25に固定した後には、段付円柱部23のねじ23Aから直ちに分離され、振動の負荷にならない。また、工具30の取外し時には、図2(B)に示す如く、コレットチャック31のねじ31Cに螺着されるコレット離脱具33の推力を前面体11の先端小径部24の前端面に付与し、コレットチャック31を工具装着部25から引抜き離脱可能とする。
【0025】
また、ねじり振動子10Aは、前面体11の段付円柱部23を周波数調整用とし、その長さL3 を切削等により調整することにより、ねじり振動子10Aの共振周波数を図3に示す如くに調整可能とする。図3の横軸は、段付円柱部23の長さL3 の削除により増加する中間小径部22の長さL2 をとった。尚、ねじり振動子10Aにあっては、段付円柱部23が前述の如くにコレット装着具32のためのねじ23Aを備えていてその直径(2r3 )を切削できない構造になっているから、その長さL3 を調整するものとしたが、共振周波数調整のためには段付円柱部23の直径を切削等により調整しても良い。
【0026】
今、前面体11において、r2 =r4 、r3 =nr2 、各エレメント21〜24の波長定数をβ(β=2πf/c、f:周波数、c:音速)とおくと、ねじり振動子10Aの周波数条件は、
【数1】
で与えられる。(1) 式において、前面体11の構成材料はチタン合金とし、L2+L3 =20mm、L4 =10mm、n=1.125 とすると、L2 に対するねじり振動子10Aの共振周波数は図3の如くに変化するものとなる。即ち、ねじり振動子10Aにあっては、前面体11の段付円柱部23の長さL3 を削除して中間小径部22の長さL2 を大きくすることにより、希望する共振周波数に簡易に調整できる。
【0027】
次に、ねじり振動子10Aの振幅拡大率について説明する。
(A) ねじり振動子10Aにおいて、前面体11のフランジ部21Aより先端側のすべての部分(中間小径部22、段付円柱部23、先端小径部24)の直径(2r2 、2r3 、2r4 )を、背面体12の直径(2r1 )に比して細径とすることにより、ねじり振動子10Aの振幅拡大率Mfを増大化できる。振幅拡大率Mfは、ねじり振動子10Aが前述(1) 式と同一条件で、前面体11と背面体12が同一材料からなるものとするとき、
【数2】
で表わされる。(2) 式より、前面体11のフランジ部21Aより先端側の各エレメントの直径を背面体12の直径より細径にすることにより、振幅拡大率Mfは直径比(r1 /r4 )の3乗に比例して増大するものとなる。
【0028】
(B) ねじり振動子10Aにおいて、背面体12の音響インピーダンスを前面体11に比して高い音響インピーダンスとすることにより、ねじり振動子10Aの振幅拡大率Mbを増大化できる。ねじり振動子10Aにおいて、前面体11のフランジ部21Aより背面側のエレメント、即ち大径部21、電歪素子13、14、背面体12による振幅拡大率Mbは、各エレメント21、13、14、12を同一直径(2r1 )とし、大径部21の長さとインピーダンスと波長定数をLa、Za、βa、電歪素子13、14の合計の長さとインピーダンスと波長定数をLb、Zb、βb、背面体12の長さとインピーダンスと波長定数をLc、Zc、βcとし、Kを定数とおくと、
【数3】
となる。(3)式で、電歪素子13、14をPZTからなるものとし、(Za≒Zb、Lb=10mm)、前面体11(大径部21)をチタン合金、背面体12をステンレス鋼(SUS316)にて構成するものとすると、SUS316(背面体12)の音響インピーダンスZcがチタン合金(前面体11)の音響インピーダンスZaに比して高い(Zc≒2Za)ため、同一共振周波数において振幅拡大率Mbは、前面体11、背面体12の両方ともチタン合金からなるものより1.2 倍増大するものとなる。
【0029】
従って、本実施形態によれば、以下の作用がある。
▲1▼ねじり振動子10Aの前面体11に従来装置におけるコーン、ホーンの如くを一体に取り込むようにし、その全長を共振周波数の半波長に短縮し、その先端部に工具装着部25を備えた。これにより、振動装置10の全長の小型化(従来の1/3 長)ができる。
【0030】
▲2▼ねじり振動子10Aの前面体11に周波数調整用の段付円柱部23を備えた。これにより、共振周波数の調整工数を低減できる。
【0031】
▲3▼ねじり振動子10Aの前面体11のフランジ21Aより先端側の直径を背面体12に比して細径とすることにより、振動装置10の振動振幅を前面体11と背面体12の形状の選定により簡易に拡大(直径比の3乗)できる。従って、ねじり振動子10Aの全長を前述▲1▼により短縮化した状態においても、その振動振幅を従前以上に拡大できる。
【0032】
▲4▼ねじり振動子10Aの背面体12の音響インピーダンスを前面体11に比して高い音響インピーダンスとすることにより、振動装置10の振動振幅を前面体11と背面体12の材質の選定により簡易により拡大できる。
【0033】
▲5▼ねじり振動子10Aの前面体11の段付円柱部23に、コレットチャック31を工具装着部25に取付けるためのねじ23Aを備えた。これにより、コレットチャック31を簡易且つ確実に取付けできる。
【0034】
以上、本発明の実施の形態を図面により詳述したが、本発明の具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。
【0035】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、振動装置の全長を小型化とするとともに、共振周波数の調整を容易化することができる。
【0036】
また、本発明によれば、振動装置の振動振幅を簡易に拡大することできる。
【0037】
また、本発明によれば、コレットチャックを簡易且つ確実に取付けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は本発明の超音波加工用ねじり振動装置を示す模式図である。
【図2】 図2は超音波加工用ねじり振動装置の工具装着部を示す模式図である。
【図3】 図3は共振周波数の調整線図である。
【図4】 図4は従来例を示す模式図である。
【符号の説明】
10 超音波加工用ねじり振動装置
10A ねじり振動子
11 前面体
12 背面体
13、14 電歪素子
15、16、17 電極板
18 ボルト
23 段付円柱部
23A ねじ
25 工具装着部
31 コレットチャック
32 コレット装着具
Claims (2)
- ねじり振動用電歪素子と電極板を挟持する前面体と背面体とを有し、電歪素子と電極板を貫通するボルトを前面体と背面体の中心ねじ孔に螺合してなるボルト締めランジュバン型ねじり振動子を用いる超音波加工用ねじり振動装置において、
ねじり振動子は、前面体の全体を軸対称の一体構造とするとともに、その全長を共振周波数の半波長とし、前面体に周波数調整用の段付円柱部を備えるとともに、前面体の先端部に工具をチャックしたコレットチャックが挿入されて固定される工具装着部を備え、
前面体に備える段付円柱部は、コレット装着具が着脱されるねじを備えるとともに、長さの削除によりねじり振動子の共振周波数を調整可能にされ、
コレット装着具は、段付円柱部のねじに螺着されて生ずる推力をコレットチャックの前端面に付与して該コレットチャックを工具装着部に圧入して固定し、その固定後には上記ねじから分離されて振動の負荷にならないように構成したことを特徴とする超音波加工用ねじり振動装置。 - 前記前面体の先端側の直径を背面体に比して細径とする請求項1記載の超音波加工用ねじり振動装置。
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