JP7127810B2

JP7127810B2 - 加工ツールを用いた穴加工機

Info

Publication number: JP7127810B2
Application number: JP2018110851A
Authority: JP
Inventors: 智久田中; 康徳酒井
Original assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2018-06-11
Filing date: 2018-06-11
Publication date: 2022-08-30
Anticipated expiration: 2038-06-11
Also published as: JP2019214079A

Description

本発明は加工ツールを用いた穴加工機に関する。

図８は従来の穴加工機（ボール盤）を示す図である。

図８の穴加工機においては、工作物１０１を穴加工するためのドリル１０２を装着して穴加工する加工ツール１０３は、モータ１０３１と、モータ１０３１によって回転する主軸（スピンドル）１０３２と、主軸１０３２の先端に設けられ、ドリル１０２を装着するためのチャック機構１０３３とによって構成される。また、モータ１０３１は増幅器（ＡＭＰ）１０４の出力によって駆動される。工作物１０１を固定するテーブル１０５はベース１０６上のガイド１０７に固定され、リニアモータ等のリニアアクチュエータ（ＬＡ）１０８によって駆動され、水平方向に移動する。他方、加工ツール１０３を工作物１０１に対して相対的に前進、後進させるために、加工ツール１０３を固定するテーブル１０９はベース１１０上のガイド１１１に固定され、リニアモータ等のリニアアクチュエータ（ＬＡ）１１２によって駆動され、上下方向に移動する。ここで、ベース１１０、ガイド１１１及びリニアアクチュエータ１１２は直線送り機構（垂直送り機構）を構成する。この場合、加工ツール１０３は矢印Ｆに示すごとく前進し、矢印Ｂに示すごとく後進することによって上下移動する。増幅器１０４、リニアアクチュエータ１０８、１１２は制御ユニット１１３によって制御される。

図８の従来の穴加工機においては、工作物１０１の穴あけ加工は図９に示すごとく行われる。すなわち、図９の（Ａ）の穴加工フェーズにおいて、主軸１０３２をたとえば右回転させてドリル１０２を回転させると同時に、リニアアクチュエータ１１２によって主軸１０３２を矢印Ｆに示すごとく前進させてドリル１０２を相対的に下方向に前進させる。この結果、工作物１０１の穴加工が進む。次に、図９の（Ｂ）の無視できない程度の長時間の切りくず排出フェーズにおいて、主軸１０３２の上述の右回転を持続させているドリル１０２をアクチュエータ１１２によって相対的に矢印Ｂに示すごとく上方向に後進させる。この結果、穴加工が停止されて切りくず１０１ａが排出される。次に、図９の（Ｃ）の穴加工フェーズにおいて、図９の（Ａ）の穴加工フェーズと同様に、ドリル１０２を右回転させると同時に、リニアアクチュエータ１１２によってドリル１０２を相対的に矢印Ｆに示すごとく下方向に前進させる。この結果、工作物１０１の穴加工が再開する。次に、図９の（Ｄ）の無視できない程度の長時間の切りくず排出フェーズにおいて、図９の（Ｂ）の切りくず排出フェーズと同様に、ドリル１０２の矢印に示す右回転を持続させると共に、アクチュエータ１１２によってドリル１０２を相対的に矢印Ｂに示すごとく上方向へ後進させる。この結果、穴加工が停止されて切りくず１０１ａが排出される。以後、同様の穴加工フェーズ及び切りくず排出フェーズが繰返されることにより所望の穴加工を実現する。

Y.Jin, J. Plott, et al., "Additive Manufacturing of Custom Orthoses and Processes - A Review", Procedia CIRP, Vol. 36, (2015), pp. 199-204.

しかしながら、図８の従来の穴加工機の加工ツール１０３においては、ドリル１０２回転用のモータ１０３１を必要とするので、大型化しかつ製造コストが高いという課題がある。

また、穴あけ加工には、後進送りによる加工プロセス全体に対して無視できない程度の長時間の切りくず排出フェーズを必要とするので、加工効率が悪いという課題もある。しかも、切りくず排除効率が悪いので、ドリル寿命の低下やドリル欠損の要因となる。

さらに、深穴を加工する場合は、ドリル１０２を長く突き出して回転させる必要があるが、その場合は遠心力によってドリル１０２が振れ回り運動を起こす。また、切りくず１０１ａが長くなるので、穴内部から排出されにくくなる。この結果、深穴加工が困難であるという課題もある。

さらにまた、穴加工フェーズ及び切りくず排出フェーズにおいてドリル１０２は一方向へ高速に回転しているので、潤滑剤が加工点へ供給されにくく、従って、発熱、摩耗が大きくなり、この結果、ドリル１０２の寿命が短いという課題もある。

さらにまた、主軸１０３２にドリル１個しか固定されないので、１回の穴加工は１つの穴しか加工できず、作業効率が悪いという課題もある。

上述の課題を解決するために、本発明に係る穴加工機は、加工ツールと、加工ツールにスクィーズモード動作を行う加工ツールの唯一の固有振動数と同一の周波数の加振信号を発生するための加振信号発生ユニットと、加工ツールを工作物に対して相対的に直進させるための直進送り機構とを具備する穴加工機であって、加工ツールは、加振ユニットと、加振ユニットによって加振される少なくとも１つのレゾネータと、レゾネータに結合され、レゾネータからドリル装着口に向って断面積が変化する少なくとも１つのドリルホーンとを具備し、レゾネータは、加振ユニットに結合された第１の金属プレートと、第１の金属プレートに結合された金属筋交部と、金属筋交部とドリルホーンとの間に結合された第２の金属プレートとを具備し、金属筋交部の筋交の傾斜角は加工ツールの固有振動数がスクィーズモード動作可能な周波数となるように定め、加振信号発生ユニットは、正弦波信号を発生するためのファンクションジェネレータと、正弦波信号を増幅し、増幅された正弦波信号を加振信号とするための増幅器と、ファンクションジェネレータ、増幅器及び直進送り機構を制御するための制御ユニットとを具備し、制御ユニットはファンクションジェネレータを制御して正弦波信号の周波数を加工ツールの固有振動数となるようにし、制御ユニットは増幅器の増幅率を制御するようにし、制御ユニットは直進送り機構を制御して加工ツールを工作物に対して所定の速度で直進させるようにしたものである。

本発明によれば、加工ツールは回転用モータが不要となるので、構造が単純となる。従って、穴加工機に用いた場合、穴加工機の製造コストを低く抑えることができ、かつ小型化できる。これにより、穴加工に要するコストを大幅に低減できる。

本発明に係る穴加工機の第１の実施の形態を示す図である。図１の加工ツールの概略図である。図２のレゾネータのスクィーズモード動作原理を説明するための図である。図２の加工ツールの固有振動数を説明するためのグラフである。図１の穴加工機の動作を説明するための図である。従来の穴加工機による加工痕及び図１の穴加工機による加工痕を示す写真である。本発明に係る穴加工機の第２の実施の形態を示す図である。従来の穴加工機を示す図である。図８の穴加工機の動作を説明するための図である。

図１は本発明に係る穴加工機の第１の実施の形態を示す図である。

図１において、工作物１の穴加工をするためにドリル２を装着して穴加工する加工ツール３は、加振ユニット３１、レゾネータ３２及びドリルホーン３３によって構成される。

加振ユニット３１は超音波振動子、動電型加振器、圧電アクチュエータ等によって構成され、ファンクションジェネレータ４１及び増幅器（ＡＭＰ）４２よりなる加振信号発生ユニット４によって発生される加振信号Ａｓｉｎωｔを入力することで所望の角振動数ω、振動振幅Ａで加振される。この場合、ファンクションジェネレータ４１は与えられた角振動数ωに応じて正弦波信号ｓｉｎωｔを発生し、増幅器４２は与えられた振動振幅Ａに応じて正弦波信号ｓｉｎωｔを増幅した加振信号Ａｓｉｎωｔを発生する。

レゾネータ３２及びドリルホーン３３については後述する。

工作物１を固定するテーブル５はベース６上のガイド７に固定され、リニアモータ等のリニアアクチュエータ（ＬＡ）８によって駆動され、水平方向に移動する。他方、加工ツール３を工作物１に対して相対的に前進、後進させるために、加工ツール３を固定するテーブル９はベース１０上のガイド１１に固定され、リニアモータ等のリニアアクチュエータ（ＬＡ）１１によって駆動され、上下方向に移動する。ここで、ベース１０、ガイド１１及びリニアアクチュエータ１２は直線送り機構（垂直送り機構）を構成する。たとえば、リニアアクチュエータ１１によって加工ツール３は矢印Ｆに示すごとくゆっくりと前進することができる。

工作物１を固定したテーブル５、ベース６及びガイド７で構成される水平送り機構によって工作物１を加工ツール３に対して相対的に水平運動させることで、所望の間隔で複数の穴を加工できる。

加振信号発生ユニット４のファンクションジェネレータ４１、増幅器４２及びリニアアクチュエータ８、１２はマイクロコンピュータ等によって構成される制御ユニット１３によって制御される。

図１の加工ツール３の詳細を図２を参照して説明する。

図２において、レゾネータ３２は、加振ユニット３１の振動運動エネルギーＥ１を並進運動エネルギーＥ２１及び回転運動エネルギーＥ２２に変換する動作（スクィーズモード動作）を行う。ドリルホーン３３はレゾネータ３２とドリル２との間に結合され、レゾネータ３２からドリル２に向ってドリルホーン３３の断面積が段階的または連続的に変化する。この結果、レゾネータ３２の並進運動エネルギーＥ２１及び回転運動エネルギーＥ２２がドリル２に収束する。ここで、レゾネータ３２はたとえば鋼等の金属材料よりなり、さらに、ドリルホーン３３はたとえばアルミニウム等の金属材料よりなる。

ドリルホーン３３の形状を段階的又は連続的に変化させることにより、所望の後述の並進方向の振動振幅及び回転方向の振動角度振幅をドリル２の先端に付与することが可能となる。

さらに、レゾネータ３２は、円板状の金属プレート３２１、金属筋交部３２２及び円板状の金属プレート３２３よりなる。このとき、金属プレート３２３は、円板状部と、円板状部がドリルホーン３３に向って段階的または連続的に断面積が変化するホーン部によって構成されているが、ホーン部を省略して円板状部とドリルホーン３３とを直接結合してもよい。ドリルホーン３３の先端のドリル装着口３３ａにドリル２が装着され、ドリル２はねじ３３ｂや接着剤等によってドリルホーン３３に固定される。

レゾネータ３２は一体的に構成された金属構造体である。複雑な幾何学形状を有する金属構造体は３ＤＣＡＤデータから直接立体を造形可能な金属積層造形ＡＭ（Additive Manufacturing）法によって容易に製造できる（参照：非特許文献１）。

図２のレゾネータ３２のスクィーズモード動作原理を図３の（Ａ）、（Ｂ）を参照して説明する。尚、図３の（Ａ）、（Ｂ）においては、便宜上、金属プレート３２３は円板状としてある。スクィーズモード動作自体はレゾネータ３２の弾性的な固有振動によってもたらされるものであるので、荷重の有無によらず生じる。ここでは、加工中、金属プレート３２３上にはドリルホーン３３及びドリル２によってある荷重が印加されている、たとえば、金属プレート３２３上のドリル２が工作物１に接触しているものとする。

図３の（Ａ）に示すごとく、加振ユニット３１からの振動エネルギーＥ１が金属プレート３２１の垂直方向へ伝達されると、図３の（Ｂ）に示すごとく、金属プレート３２３に並進変位δが生じ、金属プレート３２３の並進運動エネルギーＥ２１と金属筋交部３２２の回転運動エネルギーＥ２２とに変換される。この並進運動エネルギーＥ２１及び回転運動エネルギーＥ２２はドリル２に伝達されてドリル２がスクィーズモード動作、つまり加振ユニットの並進方向振動がドリル中心軸周りの回転角度振動を起こすことになる。

スクィーズモード動作は、レゾネータ３２の固有振動として生じる。そのため、所望の固有振動数でスクィーズモード動作が得られるようにレゾネータ３２の金属筋交部３２２の形状を設計する。また、金属筋交部３２２の形状を変更することで、所望の並進方向の振動振幅及び回転方向の振動角度振幅を得ることができる。たとえば、ドリル２の並進方向の振動振幅は数μｍ～数十μｍ程度であり、周方向変位は数μｍ程度（回転方向の振動角度振幅は数秒～数十秒程度）である。

穴加工を行うために、図３に示すスクィーズモード動作をする固有振動数で加工ツール３を加振する。加工ツール３の固有振動数νは、加振ユニット３１、レゾネータ３２、ドリルホーン３３及びドリル２の振動特性によって決定される。このとき、有限要素解析を用いることで、加工ツール３がスクィーズモード動作をする固有振動数を事前に予測することができる。

たとえば、金属プレート３２１、金属筋交部３２２、金属プレート３２３の材料は鋼とし、この場合のヤング率Ｅ＝２０７ＧＰａ、損失係数η＝０．０００５とし、また、金属プレート３２１、金属プレート３２３の厚さを所定値、金属筋交部３２２の筋交本数を所定値とした場合の金属筋交部３２２の筋交の傾斜角θと固有振動数νとの関係を図４に示す。図４によれば、筋交の傾斜角θが大きくなる程、固有振動数νは小さくなることが分かる。

特に、上記固有振動数νを超音波領域（２０ｋＨｚ～４０ｋＨｚ）の周波数に合致させると、ブラハ（Ｂｌａｈａ）効果により工作物１の塑性流動性が向上し、切削抵抗が低下して加工力を低下できる。加えて、超音波による接触界面の摩擦低減も発生する。従って、ドリル２の寿命を長くできる。さらに、ドリル２の先端が高速で往復並進運動をするので、ドリル冷却剤、潤滑剤の効果的な供給により、また、ＭＱＬ（ＭｉｎｉｍｕｍＱｕａｎｔｉｔｙＬｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ、潤滑剤噴霧）との組合せによる相乗的効果によりドリル２の寿命をさらに長くできる。

図１の穴加工機の動作に当り、制御ユニット１３はファンクションジェネレータ４１の正弦波出力の周波数を加工ツール３の固有振動数νとおおむね一致させ、また、増幅器４２の増幅率Ａを最適値とし、さらに、リニアアクチュエータ１２による工作物１の送り速度を最適値とする。

図１の穴加工機の動作を図５を参照して説明する。尚、ここでは加工ツール３の固有振動数νは２０ｋＨｚ（固有振動周期０．０５μｓ）とする。

まず、加工ツール３は、図５の（Ａ）に示すごとく、半周期（０．０２５μｓ）の間欠の穴加工フェーズとなり、ドリル２が第１の回転方向たとえば右回転しながら工作物１に対して押し付ける方向へ前進する。尚、この場合、ドリル２の送り速度は相対的に小さいので無視できる。

次に、図５の（Ｂ）に示すごとく、半周期（０．０２５μｓ）の間欠の切りくず排出フェーズとなり、ドリル２が第２の回転方向たとえば左回転しながら工作物１から離れる方向へ後進する。このとき、工作物１とドリル２との間に微小の隙間Ｇが発生する。尚、この場合も、ドリル２の送り速度は相対的に小さいので無視できる。

レゾネータ３２のスクィーズモード動作によって生じる加工ツール３が有する固有の弾性振動を利用しているので、穴加工フェーズと切りくず排出フェーズとが加工ツールの固有振動周期（０．０５μｓ）で繰り返す。このとき、並進方向の振動振幅及び回転方向の振動角度振幅は２フェーズ間でそれぞれおおむね同一である。

このように、一連の動作を非常に短時間（０．０５μｓ）で繰り返すので、図５の（Ｃ）に示すごとく、穴加工フェーズと切りくず１ａを排出する切りくず排出フェーズとが実質的に同時に行われていると等価であると言え、このとき、リニアアクチュエータ１２によってドリルの振動速度よりも低速でドリル２の前進が行われる。従って、従来の直進送り機構による後進による加工効率を低下させるほど長時間の切りくず排出フェーズは存在しないので、加工効率を向上できると共に、切りくず排除効率も向上でき、深穴加工も可能となる。また、ドリル２の回転方向は穴加工フェーズと切りくず排出フェーズとが交互に短時間（０．０２５μｓ）で切換り、回転方向の振動角度振幅も微小なので、潤滑剤が加工点へ供給され易くなり、従って、発熱、摩擦が小さくなり、この結果、ドリル２の寿命を長くできる。

また、制御ユニット１３は増幅器４２の増幅率Ａを調整してドリル２の振動振幅を延性モードによる穴加工が実現できる程度に小さい値となるようにする。これにより、ガラス等の高脆材料の工作物１に対して延性モードによる高精度、高効率の高アスペクト比の穴加工ができる。

図６は従来の穴加工機による加工痕及び図１の穴加工機による加工痕を示す写真である。尚、図６は、ポリスチレンブロックの工作物を直径１ｍｍの汎用ドリルで加工した場合を示す。

従来の穴加工機（ボール盤）によれば、ドリル回転数１０００ｒｐｍとした場合、図６の（Ａ）に示すごとく、穴内部に切りくずがむしれた形状で溜まると共に、穴縁にむしれた痕が発生していた。つまり、きれいな穴が加工できていなかった。これに対し、本発明の第１の実施の形態によれば、図６の（Ｂ）に示すごとく、切りくずがリンゴの皮むきのように生成されて穴内部に溜まらず、また、穴の側面及び縁形状が良好であった。

図７は本発明に係る穴加工機の第２の実施の形態を示す図である。

図７の穴加工機においては、図１の加工ツール３の代りに加工ツール３’を設ける。加工ツール３’においては、１つの加振ユニット３１、レゾネータ３２－１、３２－２、…、３２－５、ドリルホーン３３－１、３３－２、…、３３－５、ドリル２－１、２－２、…、２－５を設ける。従って、１つの加振ユニット３１によってドリル２－１、２－２、…、２－５を同時に振動できる。この結果、工作物１に対して５個の穴加工を同時に行えるので、加工能率を著しく向上できる。尚、図７の加工ツール３’におけるレゾネータ、ドリルホーン及びドリルの数は５に限らず、任意の数に設定できる。

また、図７の穴加工機においては、深さ及び直径が異なる複数の穴も同時に加工することも可能である。この場合、各ドリル２－１，２－２，…，２－５の直径や突き出し量を変更すればよい。このとき、加振ユニット３１で入力される振動数において各ドリル２－１，２－２，…，２－５にスクィーズモード動作が生じるように，レゾネータ３２－１、３２－２、…、３２－５の金属筋交部の設計をそれぞれ行うこともできる。

尚、本発明は上述の実施の形態の自明の範囲でいかなる変更にも適用できる。

１：工作物
１ａ：切りくず
２、２－１、２－２、…、２－５：ドリル
３、３’：加工ツール
３１：加振ユニット
３２、３２－１、３２－２、…、３２－５：レゾネータ
３３、３３－１、３３－２、…、３３－５：ドリルホーン
３３ａ：ドリル装着口
３３ｂ：ねじ
４：加振信号発生ユニット
４１：ファンクションジェネレータ
４２：増幅器（ＡＭＰ）
５：テーブル
６：ベース
７：ガイド
８：リニアアクチュエータ（ＬＡ）
９：テーブル
１０：ベース
１１：ガイド
１２：リニアアクチュエータ（ＬＡ）
１３：制御ユニット
１０１：工作物
１０１ａ：切りくず
１０２：ドリル
１０３：加工ツール
１０３１：モータ
１０３２：主軸
１０３３：チャック機構
１０４：増幅器（ＡＭＰ）
１０５：テーブル
１０６：ベース
１０７：ガイド
１０８：リニアアクチュエータ（ＬＡ）
１０９：テーブル
１１０：ベース
１１１：ガイド
１１２：リニアアクチュエータ（ＬＡ）
１１３：制御ユニット

Claims

加工ツールと、
前記加工ツールにスクィーズモード動作を行う前記加工ツールの唯一の固有振動数と同一の周波数の加振信号を発生するための加振信号発生ユニットと、
前記加工ツールを前記工作物に対して相対的に直進させるための直進送り機構と
を具備する穴加工機であって、
前記加工ツールは、
加振ユニットと、
前記加振ユニットによって加振される少なくとも１つのレゾネータと、
前記レゾネータに結合され、ドリル装着口を有し、前記レゾネータから前記ドリル装着口に向って断面積が変化する少なくとも１つのドリルホーンと
を具備し、
前記レゾネータは、
前記加振ユニットに結合された第１の金属プレートと、
前記第１の金属プレートに結合された金属筋交部と、
前記金属筋交部と前記ドリルホーンとの間に結合された第２の金属プレートと
を具備し、
前記金属筋交部の筋交の傾斜角は前記加工ツールの前記固有振動数が前記スクィーズモード動作可能な周波数となるように定め、
前記加振信号発生ユニットは、
正弦波信号を発生するためのファンクションジェネレータと、
前記正弦波信号を増幅し、該増幅された正弦波信号を前記加振信号とするための増幅器と、
前記ファンクションジェネレータ、前記増幅器及び前記直進送り機構を制御するための制御ユニットと
を具備し、
前記制御ユニットは前記ファンクションジェネレータを制御して前記正弦波信号の周波数を前記加工ツールの前記固有振動数となるようにし、
前記制御ユニットは前記増幅器の増幅率を制御するようにし、
前記制御ユニットは前記直進送り機構を制御して前記加工ツールを前記工作物に対して所定の速度で直進させるようにした穴加工機。
前記ドリルホーンの断面積の変化は段階的又は連続的である請求項１に記載の穴加工機。
前記第１の金属プレート、前記金属筋交部及び前記第２の金属プレートは一体の金属構成体によって構成された請求項１に記載の穴加工機。
前記第１の金属プレートは円板状をなし、
前記第２の金属プレートは、
前記金属筋交部に結合された円板状部と、
前記円板状部と前記ドリルホーンとの間に結合され、該円板状部から前記ドリルホーンに向って断面積が変化するホーン部と
を具備する請求項１に記載の穴加工機。
前記第１、第２の金属プレートは共に円板状をなしている請求項１に記載の穴加工機。
前記金属筋交部の横方向断面における前記筋交の全占有面積は前記金属筋交部の前記第１、第２の金属プレートの横方向断面積の１／２以下である請求項１に記載の穴加工機。