JP5335322B2 - Rotary cutting device with an annular cutting blade - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、加工対象物を切削して溝入れあるいは切断するために特に有利に用いることができる、環状の切削ブレードを備えた回転切削装置に関する。 The present invention relates to a rotary cutting device provided with an annular cutting blade, which can be used particularly advantageously for cutting and grooving or cutting a workpiece.
ガラス、シリコン、サファイア、シリコンカーバイト(SiC)に代表される硬く且つ脆い材料から形成された加工対象物を切削するため、環状の切削ブレードを備えた回転切削装置が広く用いられている。 In order to cut a workpiece formed of a hard and brittle material typified by glass, silicon, sapphire, and silicon carbide (SiC), a rotary cutting device having an annular cutting blade is widely used.
このような回転切削装置では、環状の切削ブレードを回転させながら、その外周縁部に設けられた刃先を加工対象物に接触させることにより、加工対象物の切削が行なわれる。 In such a rotary cutting apparatus, the workpiece is cut by bringing the cutting edge provided on the outer peripheral edge thereof into contact with the workpiece while rotating the annular cutting blade.
このような回転切削装置の切削ブレードに超音波振動を付与することにより、加工対象物を切削する精度が向上することは知られている。 It is known that the accuracy of cutting a workpiece is improved by applying ultrasonic vibration to the cutting blade of such a rotary cutting device.
図1は、特許文献1の回転切削装置の構成を示す断面図である。 FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the rotary cutting device of Patent Document 1. As shown in FIG.
図1の回転切削装置10は、回転軸11、回転軸11の周囲に同軸に配設されている環状の切削ブレード12と、切削ブレード12の各々の表面に同軸に固定されている、各々環状の超音波振動子13a、13bを表面に備えた環状の支持板(剛性板)14a、14bとを含む切削具15、および切削具15を超音波振動子13a、13bの外周縁よりも外周側の環状領域にて支持板14a、14bを介して挟持している一対のフランジ16a、16bなどから構成されている。そして、この回転切削装置10の一対のフランジ16a、16bは、前記の切削具15を樹脂材料層17a、17bを介して挟持している。
A
同文献には、前記樹脂材料層の音響インピーダンスの値と、フランジの音響インピーダンスの値とが大きく異なるため、各々の超音波振動子にて発生する超音波振動がフランジに伝わり難くなり、その結果、前記の超音波振動が切削ブレードに十分に付与されると記載されている。 In the same document, since the acoustic impedance value of the resin material layer and the acoustic impedance value of the flange are greatly different, the ultrasonic vibration generated in each ultrasonic vibrator is difficult to be transmitted to the flange, and as a result, It is described that the ultrasonic vibration is sufficiently applied to the cutting blade.
図2は、特許文献2の回転切削装置の構成を示す断面図である。 FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration of the rotary cutting device of Patent Document 2. As shown in FIG.
図2の回転切削装置20は、回転軸21、回転軸21の周囲に同軸に配設されている環状の切削ブレード22と、切削ブレード22の各々の表面に同軸に固定されている環状の超音波振動子23a、23bとを含む切削具25、および切削具25を超音波振動子23a、23bの外周縁よりも外周側の環状領域にて支持している一対のフランジ26a、26bなどから構成されている。この回転切削装置20の一対のフランジ26a、26bは、前記の切削具25を直接挟持している。
前記の特許文献1の回転切削装置では、一対のフランジを用いて、これらのフランジの音響インピーダンスの値とは大きく異なる音響インピーダンスの値を示す樹脂材料層を介して切削具を挟持することにより、超音波振動子にて発生する超音波振動のフランジへの伝播が抑制されている。このため、超音波振動子にて発生する超音波振動は、切削ブレードを超音波振動させるために有効に利用される。 In the rotary cutting device of the above-mentioned Patent Document 1, by using a pair of flanges, by sandwiching a cutting tool through a resin material layer showing an acoustic impedance value greatly different from the acoustic impedance values of these flanges, Propagation of ultrasonic vibration generated by the ultrasonic vibrator to the flange is suppressed. For this reason, the ultrasonic vibration generated by the ultrasonic vibrator is effectively used for ultrasonically vibrating the cutting blade.
このような回転切削装置においては、通常、フランジは金属材料から形成される。そして、金属材料の音響インピーダンス(単位:Ns/m3、以下同じ)は、例えば、鉄で46.4×106、アルミニウムで17.3×106、そしてステンレススチールで45.7×106である。その一方で、樹脂材料の音響インピーダンスは、例えば、ポリエチレンで1.75×106、そしてポリスチレンで2.49×106である。このように、樹脂材料の音響インピーダンスの値は、金属材料の音響インピーダンスの概ね十分の一程度の値を示すため、前記樹脂材料層を形成する樹脂材料の選定によって、超音波振動子にて発生する超音波振動のフランジへの伝播(超音波振動のエネルギーの損失の発生)を更に抑制することは難しい。 In such a rotary cutting device, the flange is usually formed from a metal material. The acoustic impedance (unit: Ns / m 3 , hereinafter the same) of the metal material is, for example, 46.4 × 10 6 for iron, 17.3 × 10 6 for aluminum, and 45.7 × 10 6 for stainless steel. It is. On the other hand, the acoustic impedance of the resin material is, for example, 1.75 × 10 6 for polyethylene and 2.49 × 10 6 for polystyrene. Thus, since the acoustic impedance value of the resin material is approximately one tenth of the acoustic impedance of the metal material, it is generated in the ultrasonic vibrator by selecting the resin material for forming the resin material layer. It is difficult to further suppress the propagation of ultrasonic vibration to the flange (occurrence of loss of energy of ultrasonic vibration).
本発明の課題は、超音波振動子にて発生する超音波振動のエネルギーの損失の発生が十分に抑制された回転切削装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a rotary cutting apparatus in which generation of loss of energy of ultrasonic vibration generated by an ultrasonic vibrator is sufficiently suppressed.
本発明は、回転軸;回転軸の周囲に同軸に配設された環状の切削ブレードと、切削ブレードの少なくとも一方の表面に同軸に固定された、環状の超音波振動子を表面に備えた環状の支持板とを含む切削具;および切削具を超音波振動子の外周縁よりも外周側の環状領域にて支持板を介して挟持している一対のフランジを含み、前記のフランジによる切削具の挟持が環状多孔質部材を介してなされていることを特徴とする回転切削装置にある。 The present invention relates to a rotating shaft; an annular cutting blade disposed coaxially around the rotating shaft, and an annular surface provided with an annular ultrasonic transducer fixed coaxially to at least one surface of the cutting blade And a pair of flanges sandwiching the cutting tool in the annular region on the outer peripheral side of the outer periphery of the ultrasonic transducer via the support plate, and the cutting tool using the flange. The rotary cutting apparatus is characterized in that the pinching is performed via an annular porous member.
本発明はまた、回転軸;回転軸の周囲に同軸に配設された環状の切削ブレードと、切削ブレードの少なくとも一方の表面に同軸に固定された環状の超音波振動子とを含む切削具;および切削具を超音波振動子の外周縁よりも外周側の環状領域にて挟持している一対のフランジを含み、前記のフランジによる切削具の挟持が環状多孔質部材を介してなされていることを特徴とする回転切削装置にもある。 The present invention also includes a rotating shaft; an annular cutting blade disposed coaxially around the rotating shaft; and a cutting tool including an annular ultrasonic transducer fixed coaxially to at least one surface of the cutting blade; And a pair of flanges holding the cutting tool in an annular region on the outer peripheral side of the outer peripheral edge of the ultrasonic transducer, and the cutting tool is held by the flange via an annular porous member There is also a rotary cutting device characterized by the following.
前記の本発明の回転切削装置の好まし態様は、次の通りである。
(1)環状多孔質部材が多孔質樹脂材料からなる。
(2)環状多孔質部材が10〜300kg/m3の範囲内にある嵩密度を持つ。
(3)上記の支持板を備えた回転切削装置において、支持板が、環状の超音波振動子の内周縁よりも内周側に、支持板の厚み方向に延びる、非空間部を介して環状に配置された複数の弧状の空気相空間との界面により形成される超音波反射面を備えている。更に好ましくは、前記の各非空間部の内周側に別の空気相空間が形成され、追加の超音波反射面を構成している。
(4)切削ブレードが、環状の超音波振動子の内周縁よりも内周側に、切削ブレードの厚み方向に延びる、非空間部を介して環状に配置された複数の弧状の空気相空間との界面により形成される超音波反射面を備えている。更に好ましくは、前記の各非空間部の内周側に別の空気相空間が形成され、追加の超音波反射面を構成している。
Preferred embodiments of the rotary cutting device of the present invention are as follows.
(1) The annular porous member is made of a porous resin material.
(2) The annular porous member has a bulk density in the range of 10 to 300 kg / m 3 .
(3) In the rotary cutting apparatus provided with the above-described support plate, the support plate has an annular shape through a non-space portion that extends in the thickness direction of the support plate on the inner peripheral side with respect to the inner peripheral edge of the annular ultrasonic transducer. And an ultrasonic reflection surface formed by interfaces with a plurality of arc-shaped air phase spaces disposed in the space. More preferably, another air phase space is formed on the inner peripheral side of each of the non-space portions to constitute an additional ultrasonic reflection surface.
(4) a plurality of arc-shaped air phase spaces arranged in an annular shape through a non-space portion, the cutting blade extending in the thickness direction of the cutting blade on the inner peripheral side with respect to the inner peripheral edge of the annular ultrasonic transducer; And an ultrasonic reflection surface formed by the interface. More preferably, another air phase space is formed on the inner peripheral side of each of the non-space portions to constitute an additional ultrasonic reflection surface.
本発明の回転切削装置では、一対のフランジが、環状の切削ブレードと超音波振動子とを備える切削具を環状多孔質部材を介して挟持している。そして、切削具の超音波振動子が発生する超音波振動の殆どは、この環状多孔質部材が含む気泡により構成される超音波反射面にて反射されるため、この環状多孔質部材を通ってフランジに伝播することがない。このため、本発明の回転切削装置では、超音波振動子が発生する超音波振動が、環状多孔質部材を介してフランジに殆ど伝播することなく、すなわち前記伝播による超音波振動のエネルギーの損失を殆ど発生させることなく、切削ブレードを超音波振動させるために極めて有効に利用される。 In the rotary cutting device of the present invention, the pair of flanges sandwich the cutting tool including the annular cutting blade and the ultrasonic vibrator via the annular porous member. And most of the ultrasonic vibration generated by the ultrasonic vibrator of the cutting tool is reflected by the ultrasonic reflecting surface composed of the bubbles contained in the annular porous member, and therefore passes through the annular porous member. There is no propagation to the flange. Therefore, in the rotary cutting device of the present invention, the ultrasonic vibration generated by the ultrasonic vibrator hardly propagates to the flange via the annular porous member, that is, the energy loss of the ultrasonic vibration due to the propagation is reduced. It is very effectively used for ultrasonically vibrating the cutting blade with almost no generation.
次に、本発明の回転切削装置を添付の図面を用いて説明する。 Next, the rotary cutting device of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図3は、本発明の回転切削装置の構成例を示す断面図である。図4は、図3に示す切削具35を回転軸31から取り外した状態で示す図である。そして図5は、図4の切削具35を図の右側から見た図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration example of the rotary cutting device of the present invention. FIG. 4 is a diagram showing the
図3〜図5に示す回転切削装置30は、回転軸31、回転軸31の周囲に同軸に配設されている環状の切削ブレード32と、切削ブレード32の一方の表面に同軸に固定されている、環状の超音波振動子33を表面に備えた環状の支持板34とを含む切削具35、および切削具35を超音波振動子33の外周縁よりも外周側の環状領域にて支持板34を介して挟持している一対のフランジ36a、36bなどから構成されている。そして、この回転切削装置30は、前記のフランジ36a、36bによる切削具35の挟持が、環状多孔質部材37a、37bを介してなされていることに大きな特徴がある。
A
切断装置30では、回転軸31に接続された駆動装置を作動させ、この回転軸31を切削具35と共に回転させ、そして切削具35の切削ブレード32に超音波振動子33にて発生する超音波振動を支持板34を介して付与しながら、切削ブレード32の外周縁端部の刃先を加工対象物に接触させることにより、加工対象物の切削(溝入れあるいは切断)が行なわれる。通常、加工対象物を切削する際には、切削ブレードと加工対象物との接触部に冷却液(代表例、水)が供給される。
In the
前記のように、この切削装置30のフランジ36a、36bは、切削具35を環状多孔質部材37a、37bを介して挟持している。
As described above, the
環状多孔質部材37a、37bの各々は、公知の多孔質材料、例えば、多孔質樹脂材料や多孔質金属材料から形成される。
Each of the annular
多孔質樹脂材料の例としては、発泡ポリウレタン樹脂、発泡ポリスチレン樹脂、発泡シリコーン樹脂、および発泡ゴムが挙げられる。環状多孔質部材の材料として多孔質樹脂材料を用いると、環状多孔質部材を、ポリウレタンフォーム、ポリスチレンフォーム、シリコーンスポンジ、あるいはゴムスポンジを環状に切断して容易に作製することができる。 Examples of the porous resin material include foamed polyurethane resin, foamed polystyrene resin, foamed silicone resin, and foamed rubber. When a porous resin material is used as the material of the annular porous member, the annular porous member can be easily produced by cutting a polyurethane foam, a polystyrene foam, a silicone sponge, or a rubber sponge into an annular shape.
多孔質金属材料を用いる場合には、環状多孔質部材を、例えば、青銅、ステンレススチール、ニッケル、あるいはチタンなどの金属粉末(もしくは金属繊維)を圧縮成形したのちに焼結して作製することができる。環状多孔質部材を多孔質金属材料から形成する場合には、環状多孔質部材の切削具の側の表面に樹脂材料層を付設することもできる。 In the case of using a porous metal material, the annular porous member may be prepared by, for example, compressing and molding metal powder (or metal fiber) such as bronze, stainless steel, nickel, or titanium. it can. When the annular porous member is formed from a porous metal material, a resin material layer can be provided on the surface of the annular porous member on the cutting tool side.
多孔質材料は、その内部に多数の気泡を含んでいる。この気泡(気体)は、樹脂材料や金属材料(固体)と比較して、極めて小さな音響インピーダンスの値を示す。例えば、空気は、その音響インピーダンスが約429Ns/m3であり、すなわち樹脂材料の音響インピーダンスの値の一万分の一程度、また金属材料の音響インピーダンスの値の十万分の一程度の極めて小さな音響インピーダンスの値を示す。 The porous material contains a large number of bubbles therein. This bubble (gas) shows an extremely small acoustic impedance value as compared with a resin material or a metal material (solid). For example, air has an acoustic impedance of about 429 Ns / m 3, that is, about one tenth of the value of acoustic impedance of a resin material and about one hundred thousand of the value of acoustic impedance of a metal material. Indicates a small acoustic impedance value.
このため、超音波振動子33から支持板34に付与された超音波振動の殆どは、環状多孔質部材37a、37bを形成する樹脂材料あるいは金属材料(固体)と気泡(気体)との界面に形成される超音波反射面にて反射されるため、これらの環状多孔質部材37a、37bを通ってフランジ36a、36bに伝播する(超音波振動のエネルギーの損失を発生させる)ことがない。その結果、超音波振動子33にて発生する超音波振動は、切削ブレード32を支持板34と共に超音波振動させるために有効に利用される。また、超音波振動子33に、超音波振動の損失を補う大きな電気エネルギーを付与する必要がないため、超音波振動子33での発熱量が低減され、この発熱による切削ブレード32の熱膨張が抑制される。このため、本発明の回転切削装置30を用いることにより、加工対象物を極めて高い精度で切削することができる。
For this reason, most of the ultrasonic vibration applied to the
また、支持板34に付与された超音波振動が、環状多孔質部材37a、37b、フランジ36a、36b、そして回転軸31を介して、この回転軸31を支持する軸受46に殆ど伝播しないため、超音波振動の付与による軸受46の故障を防止することができる。
Further, since the ultrasonic vibration applied to the
更にまた、超音波振動子33が、フランジ36a、環状多孔質部材37a、そして切削ブレード32により形成される空間の内部に収容されるため、切削加工の際に切削ブレードと加工対象物との接触部に導電性を示す冷却液(代表例、水)が供給(噴射)された場合であっても、この冷却液との接触により超音波振動子が備える一対の電極層が電気的に短絡することを防止することができる。
Furthermore, since the
なお、環状多孔質部材は、超音波振動が環状多孔質部材を介してフランジに伝播することを効果的に抑制するため、10〜300kg/m3の範囲内にある嵩密度を持つことが好ましい。例えば、前記のように環状多孔質部材の材料として用いるポリウレタンフォームとしては嵩密度が35kg/m3程度のもの、ポリスチレンフォームとしては嵩密度が35kg/m3程度のもの、シリコーンスポンジとしては嵩密度が220kg/m3程度のもの、あるいはゴムスポンジとしては嵩密度が160kg/m3程度のものが市販されている。 The annular porous member preferably has a bulk density in the range of 10 to 300 kg / m 3 in order to effectively suppress the ultrasonic vibration from propagating to the flange via the annular porous member. . For example, as described above, the polyurethane foam used as the material for the annular porous member has a bulk density of about 35 kg / m 3 , the polystyrene foam has a bulk density of about 35 kg / m 3 , and the silicone sponge has a bulk density. There of about 220 kg / m 3, or bulk density as the rubber sponge is commercially available in about 160 kg / m 3.
本発明の回転切削装置30においては、支持板34が、環状の超音波振動子33の内周縁よりも内周側に、支持板34の厚み方向に延びる、非空間部51aを介して環状に配置された複数(例えば、四つ)の弧状の空気相空間52aとの界面により形成される超音波反射面を備えていることが好ましい。
In the
このような複数の弧状の空気相空間52aを設けることにより、切削加工の際に超音波振動子33から支持板34に付与された超音波振動は、各々の弧状の空気相空間52aにより形成される超音波反射面53aにて反射されて支持板34の外周側に伝わり、支持板34の超音波反射面53aよりも内周側の部分には殆ど伝わらない。このため、超音波振動子33が発生する超音波振動は、支持板34の内周縁端部を通って回転軸31に伝播する(超音波振動のエネルギーの損失を発生させる)ことが殆どなく、切削ブレード32を支持板34と共に超音波振動させるために極めて有効に利用される。
By providing such a plurality of arc-shaped
支持板34には、前記の各非空間部51aの内周側に別の空気相空間52bが形成され、追加の超音波反射面53bが構成されていることが更に好ましい。これにより、支持板34の各非空間部51aを内周側に向かって伝播する超音波振動が、前記の追加の超音波反射面53bにより反射される。このため、超音波振動子33が発生する超音波振動が、切削ブレード32を支持板34と共に超音波振動させるために更に有効に利用される。
In the
なお、前記の空気相空間としては、支持板に形成された貫通孔の内部の空気相空間、あるいは支持板に形成された凹部(例、非貫通孔あるいは非貫通溝)の内部の空気相空間を用いることもできる。 The air phase space is an air phase space inside a through hole formed in the support plate, or an air phase space inside a recess (eg, a non-through hole or a non-through groove) formed in the support plate. Can also be used.
超音波振動が支持板の内周縁端部を通って回転軸に伝播することを効果的に抑制するため、支持板には、その周方向の50〜100%(好ましくは70〜90%、特に90〜100%)の範囲内の部分に超音波反射面(上記の追加の超音波反射面を含む)が形成されていることが望ましい。 In order to effectively suppress the ultrasonic vibration from propagating to the rotation axis through the inner peripheral edge of the support plate, the support plate has 50 to 100% (preferably 70 to 90%, particularly 70 to 90%, particularly in the circumferential direction). It is desirable that an ultrasonic reflection surface (including the above-described additional ultrasonic reflection surface) be formed in a portion within a range of 90 to 100%.
また、本発明の回転切削装置においては、図3に示すように、上記のフランジ36a、36bの各々に、切削具35を超音波振動子33の内周縁よりも内周側の位置(但し、前記のように支持板34に超音波反射面53a、53bが形成されている場合には、これらの超音波反射面53a、53bよりも内周側の位置)にて支持板34を介して支持する環状の支持部45a、45bが備えられていることが好ましい。
Further, in the rotary cutting device of the present invention, as shown in FIG. 3, the cutting
前記のように、回転切削装置30においては、環状多孔質部材37a、37bにより、支持板34に付与された超音波振動のフランジ36a、36bへの伝播が抑制されている。このような超音波振動の伝播を効果的に抑制するためには、環状多孔質部材37a、37bの密度を出来るだけ小さくする(気孔率を大きくする)ことが好ましい。しかしながら、環状多孔質部材37a、37bの密度を極端に小さくすると、その機械的強度が低下して、切削ブレード32の外周縁部の刃先が、切削具35の環状多孔質部材37a、37bによる支持部を支点として移動(揺動)し易くなる。
As described above, in the
切削具35が、フランジ36a、36bに備えられた環状多孔質部材37a、37bと、更には環状の支持部45a、45bとにより支持されていると、切削ブレード32がフランジ36a、36bにより極めて安定に支持されるため、前記の切削ブレード32の刃先の移動(揺動)が抑制される。このため、超音波振動のフランジ36a、36bへの伝播を十分に抑制するために環状多孔質部材37a、37bの密度を極端に小さくした場合であっても、加工対象物を安定した高い精度で切削することができる。
When the
以下に、本発明の回転切削装置30の詳細な構成について説明する。
Below, the detailed structure of the
環状の切削ブレード32は、中央に円孔32aを備えた円盤状の形状に設定されている。切削ブレード32としては、例えば、丸鋸、円盤状の基板の外周縁部に砥粒が固定された円盤状の切削ブレード、あるいは砥粒及び樹脂(結合剤)から製造した円盤状の切削ブレード(レジノイドブレード)に代表される公知の円盤状の切削ブレードが用いられる。
The
前記の切削ブレードの円盤状の基板は、例えば、アルミニウム、チタン、鉄、アルミニウム合金、もしくはステンレススチールなどの金属材料、あるいは樹脂材料から形成することができる。 The disk-shaped substrate of the cutting blade can be formed of, for example, a metal material such as aluminum, titanium, iron, aluminum alloy, or stainless steel, or a resin material.
砥粒としては、例えば、ダイヤモンド粒子、アルミナ粒子、シリカ粒子、酸化鉄粒子、酸化クロム粒子、炭化硅素粒子、あるいは立方晶窒化ホウ素(CBN)粒子などが用いられる。通常、砥粒の平均粒径は、0.1乃至50μmの範囲内の値に設定される。 Examples of the abrasive grains include diamond particles, alumina particles, silica particles, iron oxide particles, chromium oxide particles, silicon carbide particles, and cubic boron nitride (CBN) particles. Usually, the average grain size of the abrasive grains is set to a value in the range of 0.1 to 50 μm.
砥粒は、例えば、砥粒を含むメッキ浴にて円盤状の基板にメッキ処理することにより円盤状の基板の外周縁部に固定(電着)される。砥粒は、バインダー樹脂(例、フェノールホルマリン樹脂)を用いて円盤状の基板に固定することもできる。 The abrasive grains are fixed (electrodeposited) to the outer peripheral edge of the disk-shaped substrate by, for example, plating the disk-shaped substrate with a plating bath containing the abrasive grains. The abrasive grains can also be fixed to a disk-shaped substrate using a binder resin (eg, phenol formalin resin).
切削ブレード32の一方の表面には、環状の超音波振動子33を備えた環状の支持板34が、切削ブレード32と同軸に固定されている。支持板34は、切削ブレード32をその外周縁よりも内周側の環状の領域にて支持している。
On one surface of the
切削ブレード32と支持板34(あるいは後に説明する補強板38)とは、例えば、接着剤を用いて互いに固定される。この接着剤としては、ホットメルト型の接着剤を用いることが好ましい。ホットメルト型の接着剤を用いると、切削ブレード32と支持板34とを加熱して接着剤を溶解させることにより、支持板34を超音波振動子33と共に切削ブレード32から容易に取り外すことができる。従って、例えば、使用により刃先が摩耗した切削ブレード32から、超音波振動子33を備えた支持板34を取り外し、これを別の新しい切削ブレードの表面に固定して再使用することができる。すなわち、製造コストの高い超音波振動子を廃棄することなく再使用することが可能になる。
The
切削ブレード32の他方の表面には、支持板34と共に切削ブレード32を支持する環状の補強板38を固定することが好ましい。この補強板38もまた、切削ブレード32をその外周縁よりも内周側の環状の領域にて支持している。なお、切削ブレード32と支持板34との固定が確実に行なわれていて、切削加工の際に切削ブレード32が支持板34から離脱することがなければ、補強板38を使用しなくてもよい。
An annular reinforcing
支持板34や補強板38は、チタン、鉄、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン合金、もしくはステンレススチールなどの金属材料、あるいは酸化アルミニウム、もしくはガラスなどのセラミック材料から形成される。
The
支持板34は、切削ブレード32の厚みが薄い場合に、切削ブレード32を補強する(その厚み方向に撓み難くする)機能を有している。このため、支持板34で補強された切削ブレード32は、その厚みが薄い場合であっても厚み方向には超音波振動し難い。このような支持板34を用いることにより、加工対象物を使用する切削ブレードの厚みに依らずに高い精度で切削することができるようになる。
The
環状の超音波振動子33としては、例えば、環状の圧電体の各々の表面に電極層が付設された構成の圧電振動子が用いられる。圧電振動子は、その両表面の電極層の間に電気エネルギー(例、交流電圧)が付与されることにより、その直径方向に振動する超音波振動を発生する。
As the annular
超音波振動子(圧電振動子)33の圧電体は、通常、その厚み方向(図3にて左右の方向)に分極処理される。 The piezoelectric body of the ultrasonic vibrator (piezoelectric vibrator) 33 is usually polarized in the thickness direction (left and right directions in FIG. 3).
圧電体の材料の例としては、ジルコン酸チタン酸鉛系の圧電セラミック材料、およびポリフッ化ビニリデン樹脂に代表される圧電高分子材料が挙げられる。また、電極の材料の例としては、銀やリン青銅などの金属材料が挙げられる。 Examples of the piezoelectric material include lead zirconate titanate-based piezoelectric ceramic materials and piezoelectric polymer materials typified by polyvinylidene fluoride resin. Moreover, metal materials, such as silver and phosphor bronze, are mentioned as an example of the material of an electrode.
図3に示す切削具35の超音波振動子33は、導電性接着剤を用いて支持板34の表面に固定されている。導電接着剤を用いると、超音波振動子33の支持板34の側の電極層と、支持板34、そしてフランジ36aとが互いに電気的に接続される。このため、超音波振動子33の支持板34の側の電極層を、支持板34、そしてフランジ36aを介して、次に説明するロータリートランス41と電気的に接続することが容易になる。なお、超音波振動子を、導電性を有しない接着剤を用いて支持板の表面に固定することもできる。この場合には、超音波振動子の支持板の側の電極層とロータリートランスとを、例えば、電気配線を用いて直接に(支持板とフランジとを介さずに)接続すればよい。
The
切削具35の超音波振動子33は、ロータリートランス41を介して電源39に電気的に接続されている。ロータリートランス41は、環状の電力供給手段41aと、電力供給手段41aに対向して配置された環状の電力受容手段41bとから構成されている。この電力供給手段41aは、電力受容手段41bとの対向面にステータコイル42aを備えている。そして電力受容手段41bは、電力供給手段41aとの対向面にロータコイル42bを備えている。
The
電力供給手段41aのステータコイル42aには、電気配線43a、43bを介して電源39が電気的に接続されている。
A
電力受容手段41bのロータコイル42bには、電気配線44a、44bが接続されている。電気配線44aは、フランジ36aに形成された透孔の内部に、フランジ36aと電気的に絶縁された状態にて収容配置された棒状電極端子48に電気的に接続されている。この棒状電極端子48は、例えば、コイルバネ(図示は略する)等を用いて超音波振動子33に押し付けられ、超音波振動子33の支持板34の側とは逆側の電極層と電気的に接続されている。その一方で、電気配線44bは、フランジ36a、支持板34を介して、超音波振動子33の支持板34の側の電極層と電気的に接続されている。
そして、電力供給手段41aのステータコイル42aに、電源39が発生する電気エネルギーを供給することにより、前記のステータコイル42aとロータコイル42bとが互いに磁気的に結合される。このため、電力供給手段41aに供給された電気エネルギーは、電力受容手段41bが固定されたフランジ36aが回転軸31と共に回転している場合であっても、前記のステータコイル42a及びロータコイル42bを介して電力受容手段41bに伝達する。
The
ロータリートランス41を用いることにより、加工対象物を切削する際に回転軸31と共に回転する切削具35の超音波振動子33に、電源39が発生する電気エネルギーを付与することができる。ロータリートランスは公知のものであるため、これ以上の説明は省略する。なお、電源と超音波振動子とを、前記のロータリートランスに代えて、スリップリングを介して電気的に接続することもできる。
By using the
図6は、本発明の回転切削装置の別の構成例を示す断面図である。図6の回転切削装置60の構成は、切削具65の切削ブレード62の一方の表面に、環状の超音波振動子63aを表面に備えた支持板64aが固定され、そして他方の表面に、環状の超音波振動子63bを表面に備えた支持板64bが固定されていること以外は図3の切削装置30と同様である。
FIG. 6 is a sectional view showing another configuration example of the rotary cutting device of the present invention. In the configuration of the
図6に示すように、切削具65の切削ブレード62の各々の表面に、各々環状の超音波振動子63a、63bを表面に備えた支持板64a、64bを固定することもできる。
As shown in FIG. 6,
この切削具65の支持板64a、64bの各々にもまた、超音波反射面を構成する弧状の空気相空間52aと、追加の超音波振動反射面を構成する上記とは別の弧状の空気相空間52bとが形成されている。
Each of the
また、切削ブレードに付与された超音波振動が切削ブレードの内周縁端部を通って回転軸に伝播することを抑制するため、切削ブレードには、支持板64a、64bの場合と同様に、環状の超音波振動子の内周縁よりも内周側に、切削ブレードの厚み方向に延びる、非空間部を介して環状に配置された複数の弧状の空気相空間との界面により形成される超音波反射面を備えていることが好ましい。そして切削ブレードの各非空間部の内周側に別の空気相空間が形成され、追加の超音波反射面を構成していることが更に好ましい。
In addition, in order to suppress the ultrasonic vibration applied to the cutting blade from propagating through the inner peripheral edge of the cutting blade to the rotating shaft, the cutting blade has an annular shape as in the case of the
なお、切削具65の超音波振動子63bの支持板64bの側とは逆側の電極層は、支持板64aの空気相空間52a、切削ブレード62に形成された貫通孔の内部の空気相空間52c、そして支持板64bの空気相空間52aを通る電気配線47を介して、超音波振動子63aの支持板63aの側とは逆側の電極層に電気的に接続されている。これにより、超音波振動子63a、63bは、互いに電気的に並列に接続される。そして、これらの超音波振動子63a、63bは、ロータリートランス41を介して電源39に電気的に接続されている。
The electrode layer on the side opposite to the
図7は、本発明の回転切削装置の更に別の構成例を示す断面図である。図7の回転切削装置70の構成は、切削具75の切削ブレード62の一方の表面にのみ、環状の超音波振動子63aを表面に備えた支持板64aが固定されていること以外は図6の切削装置60と同様である。
FIG. 7 is a cross-sectional view showing still another configuration example of the rotary cutting device of the present invention. The configuration of the
図7の切削装置70は、切削具75の構成が簡単であるため、その製造が容易である利点を有している。
The cutting
図8は、本発明の回転切削装置の更に別の構成例を示す断面図である。図8の回転切削装置80の構成は、切削具85が支持板を備えていないこと以外は図3の切削装置30と同様である。
FIG. 8 is a cross-sectional view showing still another configuration example of the rotary cutting device of the present invention. The configuration of the
すなわち、図8の回転切削装置80は、回転軸31、回転軸31の周囲に同軸に配設されている環状の切削ブレード82と、切削ブレード82の一方の表面に同軸に固定されている環状の超音波振動子33とを含む切削具85、および切削具85を超音波振動子33の外周縁よりも外周側の環状領域にて挟持している一対のフランジ36a、36bなどから構成されている。この回転切削装置80もまた、前記のフランジ36a、36bによる切削具85の挟持が、環状多孔質部材37a、37bを介してなされていることに大きな特徴がある。
That is, the
この回転切削装置80もまた、超音波振動子33から切削ブレード82に付与された超音波振動の殆どが、環状多孔質部材37a、37bを形成する樹脂材料あるいは金属材料(固体)と気泡(気体)との界面に形成される超音波反射面にて反射されるため、これらの環状多孔質部材37a、37bを通ってフランジ36a、36bに伝播する(超音波振動のエネルギーの損失を発生させる)ことがない。その結果、超音波振動子33にて発生する超音波振動が、切削ブレード82を超音波振動させるために有効に利用される。また、超音波振動子33に、超音波振動の損失を補う大きな電気エネルギーを付与する必要がないため、超音波振動子33での発熱量が低減され、この発熱による切削ブレード82の熱膨張が抑制される。このため、本発明の回転切削装置80を用いることにより、加工対象物を極めて高い精度で切削することができる。
Also in this
図3の回転切削装置30の支持板34の場合と同様に、図8の回転切削装置80の切削ブレード82は、環状の超音波振動子33の内周縁よりも内周側に、切削ブレード82の厚み方向に延びる、非空間部を介して環状に配置された複数の弧状の空気相空間92aとの界面により形成される超音波反射面93aを備えていることが好ましい。そして切削ブレード82には、前記の各非空間部の内周側に別の空気相空間92bが形成され、追加の超音波反射面93bを構成していることが更に好ましい。
As in the case of the
また、回転切削装置80のフランジ36a、36bの各々に、切削具85を超音波振動子33の内周縁よりも内周側の位置(但し、前記のように切削ブレード82に超音波反射面93a、93bが形成されている場合には、これらの超音波反射面93a、93bよりも内周側の位置)にて支持する環状の支持部45a、45bが備えられていることが好ましい。
Further, the cutting
なお、図8の切削装置80の詳細な構成やその他の好ましい態様については、図3の切削装置30と同様であるため、繰り返し説明することは省略する。
The detailed configuration of the cutting
10 回転切削装置
11 回転軸
12 切削ブレード
13a、13b 超音波振動子
14a、14b 支持板
15 切削具
16a、16b フランジ
17a、17b 樹脂材料層
20 回転切削装置
21 回転軸
22 切削ブレード
23a、23b 超音波振動子
25 切削具
26a、26b フランジ
30 回転切削装置
31 回転軸
32 切削ブレード
32a 円孔
33 超音波振動子
34 支持板
35 切削具
36a、36b フランジ
37a、37b 環状多孔質部材
38 補強板
39 電源
41 ロータリートランス
41a 電力供給手段
41b 電力受容手段
42a ステータコイル
42b ロータコイル
43a、43b 電気配線
44a、44b 電気配線
45a、45b 環状の支持部
46 軸受
47 電気配線
48 棒状電極端子
51a、51b 非空間部
52a、52b 空気相空間
52c 空気相空間
53a、53b 超音波反射面
60 回転切削装置
62 切削ブレード
63a、63b 超音波振動子
64a、64b 支持板
65 切削具
70 回転切削装置
75 切削具
80 回転切削装置
82 切削ブレード
85 切削具
92a、92b 空気相空間
93a、93b 超音波反射面
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