JP5688342B2

JP5688342B2 - 振動切削装置

Info

Publication number: JP5688342B2
Application number: JP2011171714A
Authority: JP
Inventors: 耕山岸
Original assignee: 耕山岸
Priority date: 2011-08-05
Filing date: 2011-08-05
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2031-08-05
Also published as: JP2013035087A

Description

本発明は、切削工具を取り付けた主軸が軸心方向に超音波振動しながら高速回転する振動切削装置に関するものである。

従来より、この種の振動切削装置として、特許文献１に示される構造のものが一般的である。

このものは、主軸の先端側と駆動側とを軸受を介してハウジングに支持させ、主軸の基端側に、主軸を軸心方向に超音波振動させる加振部と、主軸を回転させる駆動装置とを設ける一方、先端側に切削工具を取り付けて、主軸が超音波振動しながら回転することで、加工対象物の切削を行うことができるように構成されている。

加振部は、複数種類の圧電素子を組み合わせ、軸方向、ねじれ方向もしくは曲げ方向に振動するように構成されている。

特開２００９−２４１２２５号公報

しかしながら、特許文献１のものは、筐体の軸方向の振動が軸受の内輪と外輪の間に相対動作として作用するため、軸受に常時必要以上の好ましくない負荷が掛かる。このため、軸受の劣化が起こり易く、メンテナンス性を低下させる要因になるという問題がある。

また、加振部は複数の圧電素子によって軸方向、ねじれ方向もしくは曲げ方向に振動するように構成されるため、圧電素子の構造やこれを制御する制御装置が複雑になり、大型化やコスト増を招くという問題もある。

本発明は、このような課題に着目し、構造簡単、コンパクトかつ廉価に構成できて信頼性や耐久性を有効に向上させることが可能な振動切削装置を提供することを目的としている。

本発明は、かかる目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。

すなわち、本発明の振動切削装置は、先端側に取り付けた切削工具を軸心方向に超音波振動させながら回転させるものであって、ハウジングと、このハウジングに支持機構を介して支持された筐体と、この筐体に収容されたモータと、このモータによって回転駆動され先端に前記切削工具が取り付けられる主軸と、前記筐体を軸心方向に振動させる加振部とを具備し、前記支持機構は、前記筐体が軸心方向に振動する動作を利用して当該筐体の回転位相を変化させる動作変換部を有し、この動作変換部において前記加振部からの振動を軸心方向と円周方向とに分波することを特徴とする。

このように構成すると、筐体の軸心方向の振動がモータを含めて筐体全体に作用し、モータ内部の軸受負荷を大きく増大させることがないので、軸受の劣化を防いでメンテナンス性を有効に向上させることができる。また、加振部で軸心方向の振動のみを発生させ、その一部を円周方向の振動に分波するので、加振部を構成する圧電素子等の構造やこれを制御する制御装置の構成が簡素となり、小型化やコストダウンにも資するものとなる。

構造の更なる簡素化を図るためには、動作変換部が、捻り部材の捻りを利用して軸心方向の振動の一部を円周方向の振動に分波するものであることが有効である。

特に、工具径の補正を不要とするためには、捻り部材が軸心まわりの略等角位置に複数配置されていることが望ましい。

好ましい実施の態様としては、捻り部材が径方向に沿ってハウジングから筐体に近づくにつれて曲斜する翼形状をなすものが挙げられる。

本発明は、以上説明した構成であるから、構造簡単、コンパクトかつ廉価に構成できて信頼性や耐久性を有効に向上させた、新規有用な振動切削装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る振動切削装置を正面側から示す全体斜視図。同実施形態を裏面側から示す全体斜視図。図２の分解斜視図。同実施形態の模式的な縦断面図。図３におけるＡ部拡大図。同実施形態の作用説明図。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

図１〜図３に示す本実施形態の振動切削装置（超音波切削装置）は、超音波駆動源となる加振部１を取り付けた筐体２を、支持機構３を介してハウジング４に支持させてなる。ハウジング４は筐体２を据え付ける台座としての役割を担っており、適用対象に応じて適宜の形態をとることができる。

筐体２は、図４に示すように、ステンレス鋼やチタン合金等の単一の部材を加工することによって形成された中空体状の円筒部２１と、この円筒部２１に適宜の手段で一体的に取り付けた後端部２２とを備え、加振部１は電極１１を一対の圧電素子１２、１２で挟んで構成されるもので、この加振部１を当該筐体２の後端部２２と前記加振部１の更に後方に配置した押さえ部材２３との間に挟持するように配置し、押さえ部材２３に挿入した締め付けねじ５１によってこれらの圧電素子１２、１２を電極１１とともに筐体２の後端部２２に共締めしている。電極１１には圧電素子１２を超音波駆動するための図示しない給電線が接続され、圧電素子１２の振動方向は筐体２の軸心ｍに沿った方向である。この実施形態の圧電素子１２は筐体２ともども次に述べるモータ６の回転とは縁が切れているため、ブラシ等の電気的摺動部は不要である。

筐体２の内部には、モータ６が組み込まれている。この実施形態のモータ６は、後端部に図３及び図４に示すように給気口６１と排気口６２を有し、給気口６１に圧空を送り込むことによって先端の主軸６３が回転駆動される、いわゆるエアモータである。給気口６１および排気口６２は筐体２に設けた切欠部２ａを介して図示しない外部配管の着脱が容易な位置に持ち出されている。エアモータ自身の原理や構造については種々のものが既知であるため、ここでの説明は省略する。

主軸６３の軸端部には、圧入等によってチャック７が取り付けられている。このチャック７は、先端に取付孔７１を有し、この取付孔７１にエンドミル等の切削工具８が焼き嵌め等により一体回転可能に取り付けられる。切削工具８の材質としては、超硬合金、焼結材料、ダイヤモンド、研削砥石等を挙げることができる。

ハウジング４は、アルミダイキャスト等によって構成されるもので、振動の減衰が影響しない程度のウェイトが付与してあり、全体は図３等に示すように直方体状をなし、対向２面の一部に板状の切欠部４１を有するとともに、これらの切欠部４１、４１間を貫通する位置に貫通孔４２が形成されている。

一方、支持機構３は、前記ハウジング４の切欠部４１に対応する厚み及び外形を有しハウジング４の対向２面にねじｖにより固定される矩形状の枠体３１と、前記筐体２を支持する筐体支持部３２と、筐体支持部３２に作用する筐体２からの負荷を枠体３１に伝える位置に配置されて軸心ｍ方向の振動の一部を異なる方向に分波する振動変換部ＡＬとから構成される。

筐体支持部３２は、筐体２の外形よりも僅かに大きく形成された部分円環状の挟持部３２ａと、この挟持部３２ａの両端からほぼ径方向に延びるアーム部３２ｂとを一体に形成したもので、アーム部３２ｂ、３２ｂ間には所定の隙間が形成され、その隙間を狭める方向にアーム部３２ｂ、３２ｂが付勢されることで挟持部３２ａが縮径し、付勢力を取り除くことでアーム部３２ｂ、３２ｂ間が開いて挟持部３２ａが元の形状に拡径する弾性を有する。アーム部３２ｂ、３２ｂの先端部間は閉じている。

図５は図３におけるＡ部を拡大したものである。振動変換部ＡＬの主体となる曲斜翼３３は、板材の一端側と他端側の間を捻った捻り部材であり、筐体２の径方向（放射方向）に沿って筐体支持部３２ａと枠体３１とを接続する位置に取り付けられる。この曲斜翼３３は径方向と直交する断面である横断面が軸心ｍに近い基端側（図５における破線ｓ１参照）では軸心ｍに対して曲斜し、枠体３１付近（図５における破線ｓ２参照）では軸心ｍに対して略平行すなわちハウジング４の対向２面から直立するような状態で取り付けられる。この実施形態では、２つの曲斜翼３３が先端を軸心ｍに平行な姿勢で枠体３１のコーナー部付近に溶接等により取り付けられ、残り１つの曲斜翼３３が枠体３１の底辺部に溶接等により取り付けられている。

すなわち、筐体支持部３２の円環状をなす挟持部３２ａおよび前記ハウジング４の貫通孔４２に筐体２を挿通し、軸心ｍ方向の２箇所において筐体支持部３２のアーム部３２ｂ、３２ｂ間をその隙間が狭まる方向にねじ３０により締め付けることによって、筐体２は図１及び図２に示すように軸心ｍ方向の２箇所において、同じ方向に同様に捻られた曲斜翼３３を主体とする動作変換部ＡＬを介して枠体３１の内周かつハウジング４の両対向面から浮いた状態で支持される。

このように構成して、電極１１に通電を行い、圧電素子１２を軸心ｍ方向に例えば４０ｋＨｚ程度の超音波領域で振動させると、径方向（ラジアル方向）に対しては前記振動変換部ＡＬの主体をなす曲斜翼３３が筐体２の中心を常時一定の軸心ｍ上に位置規制し、円周方向に対しては筐体２が軸心ｍ方向に往復運動するに伴い曲斜側靭性（塑性）に依り揺動することで主軸６３ひいては切削工具８に周方向の位相差を発生させる。例えば、静止時に筐体２上のある点が図６（ａ）におけるＭの位置にあり、この横断面が同図（ｂ）であったとすると、これが超音波振動とともに図６（ａ）における矢印Ｘ方向に振動することによって、ある点がＭの位置からＡの位置へ移動したときに同図（ｃ）に示すように筐体２は一方向に位相変位を引き起こし、ある点がＭの位置からＢの位置へ移動したときに同図（ｄ）に示すように筐体２は他方向に位相変位を引き起こす。このような位相変化が超音波振動数と同じ周期で起こり、これと同時に、図４に示すエアモータ６が主軸６３を所定回転数で高速回転させるため、主軸６３に取り付けた切削工具８は所定回転数で回りながら、超音波振動数で軸心ｍ方向に往復運動し、同時に円周方向に対して進み側、遅れ側へツイスト運動を引き起こす。

このため、この振動切削装置を用いれば、加工対象物が結晶粒界を持つもの、例えばガラスやセラミックのような割れ易い被削材、炭素鋼やステンレス鋼、焼入れ鋼のような超高硬度の被削材等に対して、結晶粒破壊を効果的に促進しつつ、切削加工を行うことが可能となる。

以上のように、本実施形態の振動切削装置は、先端側に取り付けた切削工具８を軸心ｍ方向に超音波振動させながら回転させるものであって、ハウジング４と、このハウジング４に支持機構３を介して支持された筐体２と、この筐体２に収容されたモータ６と、このモータ６によって回転駆動され先端に前記切削工具が取り付けられる主軸６３と、前記筐体２を軸心ｍ方向に振動させる加振部１とを具備し、前記支持機構３は、前記筐体２が軸心ｍ方向に振動する動作を利用して当該筐体２の回転位相を変化させる動作変換部ＡＬを有し、この動作変換部ＡＬにおいて加振部１からの振動を軸心ｍ方向と円周方向とに分波するようにしたものである。

このように構成することで、筐体２の軸心ｍ方向の振動がモータ６を含めて筐体２の全体に作用し、モータ６の内部の軸受負荷を大きく増大させることがなくなるので、軸受の劣化を防いでメンテナンス性を有効に向上させることができる。また、加振部１で軸心ｍ方向の振動のみを発生させ、その一部を円周方向の振動に分波するので、加振部１を構成する圧電素子１２等の構造やこれを制御する制御装置の構成が簡素となり、小型化やコストダウンにも資するものとなる。

また、動作変換部ＡＬが、捻り部材である曲斜翼３３の捻りを利用して軸心方向の振動の一部を円周方向の振動に分波するものであって、ころがり動作や滑り動作を伴わず、ガイド溝等も不要になるため、構造を更に簡素なものにすることができる。

特に、捻り部材である曲斜翼３３を軸心ｍまわりの略等角位置に複数配置し、各捻り部材に同一の捻り動作を行わせるようにしているので、筐体２を常時軸心位置に保持することができる。このため、筐体２ひいては切削工具８の径方向への移動を無くして、工具径の補正を不要とすることができる。

さらに、捻り部材である曲斜翼３３は、径方向に沿ってハウジング４から筐体２に近づくにつれて曲斜する形状をなしているので、簡単に構成することができて、筐体２付近で有効な捻り動作を発現するものとなる。

なお、各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではない。

例えば、上記実施形態では、捻り部材を筐体の軸心回りの等角３箇所に配置したが、等角２箇所でもよいし、等角４箇所以上であっても構わない。

また、捻り部材の形状も、分波する動作を行うことができるものであれば図示例の構成に限定されない。

その他、主軸や工具の取付構造等も、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

１…加振部
２…筐体
３…支持機構
６…モータ
８…切削工具
３３…ねじり部材（曲斜翼）
６３…主軸
ＡＬ…動作変換部
ｍ…軸心

Claims

切削工具を軸心方向に超音波振動させながら回転させる振動切削装置であって、
ハウジングと、このハウジングに支持機構を介して支持された筐体と、この筐体に収容されたモータと、このモータによって回転駆動され先端に前記切削工具が取り付けられる主軸と、前記筐体を軸心方向に振動させる加振部とを具備し、
前記支持機構は、前記筐体が軸心方向に振動する動作を利用して当該筐体の回転位相を変化させる動作変換部を有し、この動作変換部において前記加振部からの振動を軸心方向と円周方向とに分波することを特徴とする振動切削装置。
動作変換部が、捻り部材の捻りを利用して軸心方向の振動の一部を円周方向の振動に分波するものである請求項１記載の振動切削装置。
捻り部材が軸心まわりの略等角位置に複数配置されている請求項２記載の振動切削装置。
捻り部材が径方向に沿ってハウジングから筐体に近づくにつれて曲斜する翼形状をなすものである請求項３記載の振動切削装置。