JPH03293976A - 超音波振動付ボール盤 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は有機材料、例えばプラスチックに強化繊維を入
れた複合強化材などの難削材の穴明け。

タッグ加工をするボール盤ζこ関するものである。

〔従来の技術〕

従来のボール盤の一例を第３図に示す。

第３図はその要部正面図であり、ドリル刃１７をチャ、
り２３に装着し、これを軸２２に固着し、軸２２の外側
に中間軸２４を配し、この中間軸２４と軸２２との嵌合
関係は軸長手方向には自在に移動可能とし、回転運動は
連係するようにスライドキーを設け、軸２２にはラック
歯を設け、これにピニオン１４′、ハンドル１５’を装
着させ、ハンドルを回せば軸２２を任意に上下可能なよ
うにし、中間軸２４をベアリングによりケース２５に回
転支持させる。

更に中間軸２４の後端にはグーリ２６　、２６’、ベル
ト２７を介してモータ１０′を配設する。ケース２５の
下端にベース１９′を配し、そのベース１９’の上面に
被加工物をセットして、穴明は加工を行うようにこれら
を一体構築してボール盤を構成している。

〔発明が解決しようとするａ題〕

しかし、かような構成においては次のような問題点があ
る。

■　マトリ、クス材であるプラスチ、り層と繊維との密
着部位の剥離である。

この原因はプラスチックの強度及び弾性率に比べ、繊維
の強度及び弾性率は５から１０倍（例えばプラスチック
にエポキシ繊維にカーボン、アラミド等を組み合わせた
場合）高く、靭性も大きいので、この繊維を切削するた
めには大きな剪断力を要する。

然るに、繊維を支持しているプラスチ、りは柔らかいの
で、切削Ｉこ必要な力が付与されると撓んでしまい、尻
切刃は小さくなり、繊維は切削すると云うよりは引きち
ぎられるように切断され、この時繊維には大きな引っば
り力がかかる。これを支持しているグラスチック層の密
着部がはくすされる。このはく離により応力集中が発生
して遂には疲労破壊に到り、大きな問題となる。

■　繊維が引きちぎられるようになるので、穴明は寸法
、切削面は滑らかにならず、繊維が若干凸起し、穴形成
の不備を生じる。

■　穴明けの抜は切るとき縁がまくれてかえりが出る問
題がある。

プラスチ、りは熱により弾性率が極めて小さくなるので
、切削熱により尻切は小さくなり、熱変形して外側にだ
れてしまい、穴形状の不備を生じるなど多くの問題があ
り、複合強化材の穴明は加工やタップ加工などの施工を
阻害している。

本発明は上述した点に鑑みて創案されたもので、その目
的とするところは、強靭な繊維や柔らかいプラスチ、り
であっても、その切削は容易に加工が可能となる超音波
振動付ボール盤を提供するものである。

〔課題を解決するための手段〕

つまり、その目的を達成するための手段は、イ、請求項
（１）において、 穴明け、タッピング加工するボール盤において、ドリル
刃を回転駆動する軸に回転軸芯に対し直角方向にアーム
を設け、このアームに振動子として伸縮する圧電素子な
どを具備し、ドリル刃へ圧電素子よりの回転方向の超音
波域の微振動及びモータによる回転運動を複合化して駆
動付与するように構成するものである。

口　請求項（２）項において、 前記のアームにおいて、軸と圧電素子の略中間部位を境
にして前端である軸側の振動系の慣性モーメン）　（１
，）と、後端である中間軸側の振動系の慣性モーメント
（Ｉり間におけるねじり固有振動数（ｆＴ）と、圧電素
子部の縦波動の固有振動数げ）を同数にして共振するよ
うになし、共振効果により圧電素子よりの微振動をより
増幅して切削の向上を図るものである。

ハ、請求項（３）項において、 繭記軸において、アームを取着したドリル側の近傍部位
を境にして、後端である圧電素子側の軸の振動系の慣性
モーメン）　（Ｌ）と、前端であるドリル刃側の軸の振
動系の慣性モーメント（Ｉ、）間におけるねじり固有振
動数（ｆＴ）と、圧電素子部の縦波動の固有振動数げ）
を同数にして共振するようになし、共振効果により圧電
素子よりの微振動をより増幅して切削の向上を図るよう
にしたものである。

〔作　用〕

その作用は、次に述べる実施例において併せて説明する
。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて祥述する。

〔実　施　例〕

第１図は本発明の一実施例を示す要部正面図、第２図は
第１図のア〜ア矢視方向断面図である。

■　請求項（１項において、 ドリル刃１７をアダプタ１６を介して回転駆動する軸ｌ
に装着し、この軸ｌに軸芯に対し直角方向へアーム２を
設け、これに振動子として伸縮する圧電素子３などをア
ーム２の両端に具備し、これらを中間軸５の内筒に受は
金４を介して一体装着し、ベアリングなどで回転支持す
る。さらに中間軸５の上端１こ中間軸６を連係させ、こ
れにスリ０．プリング７を具備し、その先端には撓み継
手９及びモータ１０を配し、中間軸５の外径部位にベア
リングを配してケース１２に一体装着する。

このケース１２の右端に送り軸１３を緩挿させ、送り軸
１３にはスライドキー及びラック歯を設け、このう、り
歯に噛合せしめてピニオン！４を配し、更にハンドル１
５を連係させ、送り軸１３をベース１９に取着スる。ベ
ース１９の上向に被加工物１８をセットして穴明は加工
を行うようにし、これらを一体構築して超音波振動付ボ
ール盤を構成している。

次にその作用について説明する。

先ずモータｌＯを所要の回転数に駆動する。同時に、圧
電素子３ヘパルス状の超音波域（約２０ＫＨｚ以上）の
高周波電圧を印加すると、圧電素子３は伸縮してアーム
２及び受は金４に振動として伝達される。受は金４は中
間軸５に接続されており、この振動系の慣性モーメント
をドリル刃１７を装着している軸重より極めて大きくし
ておくことにより、この系側には前記の伸縮振動の変位
はほとんど生じず、逆側の軸ｌにその振動変位が付与さ
れ、アーム２を介して軸ｌにねじり振動として作用する
。この振動数は超音波域（２０Ｋ）ｈ以上）なので、人
間の可聴域を越えているので振動騒音を発生しない。而
して、ドリル刃１７には所要の回転駆動とその同じ方向
に超音波域の微振動が複合化して切削作用する。

複合強化材の切削が困難なのは、高強度の繊維を剪断す
る所要力に対し、それを支持するマｌ−ＩＪ、クス材で
あるプラスチ、り材が柔らかいので撓んでしまい、さら
にははくすするなどの理由で切削時に対向する尻切刃が
得られず、ドリル刃１７の外周部で繊維を力まかせに引
きちぎるように切断をするからである。本発明ではこの
柔らかな部位でも切削近傍の質量を利用して慣性効果に
より大きな尻切刃（ΔＦ）を得、この尻切刃（ΔＦ）を
繊維の剪断力（ΔＴ）よりも大きくして容易に繊維を切
削し、前記の大きな問題を解決するものである。

今、例えとしてゴムのボールを糸で吊し、水平方向より
細い棒で押すとボールは押した方向へ移動し、ボールに
は穴は明かない。しかし、細い棒で押す替りに銃で打て
ば、ボールは弾丸の穴が貫通する。すなわち、相手が柔
らかく逃げるような支持の方法でも、極めて高速に物体
へ衝突させれば、ボールの質量による慣性効果によりそ
の抗力は大きくなり、その力がボールの剪断力より大き
い場合には穴が明けられることになる。つまり、本発明
はこのことに着目したもので、ドリル刃１７に複合して
付与する超音波域の微振動はドリル刃１７より極めて高
加速度で被切削物１８に刃先を衝突させるものである。

この原理を定式的に以下に示す。

まず、ドリル刃１７の振動に対抗する加工物の尻切刃〔
ΔＦ〕を求めると、 で示される。

振動波形をｓｉｎ波とすると、 Δ（１＝ａ＃２Ｓ　ｉｉｌ　ａｓ　ｌ　　但し一＝２ｔ
ｆで示され、これを式（１１に代入すると、となる。

ここで、ｆ；ドリル刃の振動、日；ドリル刃の平均振幅
、Δαニトリル刃の平均振動加速度、Δｍ：切削を受け
る微少時間（ｄｔ）内の波動伝播域の等価質量。

次に加工物を切削する所要の剪断力（ＦＴ　）を求める
と、 ＦＴ＝τ・β・Ｓ　　・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・（３）で示される。

ここで、Ｓ；ドリル刃の１振動当りの切り込みの面積β
ニトリル刃の刃先の形状による係数 ｆ：加工物（強化繊維など）の剪断応力かくして、 尻切刃（式（４）〉剪断力（式（３））が成立すれば、
容易に加工物は切削可能となる。

かような条件にて、被切削物１８として強化繊維材にカ
ーボンファイバ（ｒ　＝　４００ｋｇｆ／ｒｎｍ　）、
マトリ、クス材にエポキシ樹脂を使用し、それぞれの値
、ｆ＝６０ＫＨｚ　、　ａ＝１μｍ　、　Ｄ＝１μｍ　
、　８＝０．００５ｍｍ＋Δｒｎ＝３ノ、β＝５とする
と、式（匂、（３）からＦｙ　＝　４００　Ｘ　５　Ｘ
　Ｏ，００５＝　１０ｋｇｆとなり、尻切刃〉剪断力と
なって十分切削され、超音波振動の効用が成立する。

従って、本発明によれば柔らかなプラスチックも強靭な
繊維も超音波域の振動をドリル刃１７に複合付与するこ
とにより刃切れよく切削され、穴明けがなされる。また
ドリル刃１７の代りに自動タッピング工具（スリ、プラ
スチック）を装着すれば、前述の原理により刃切れのよ
いねじ加工ができる。

■　請求項第（２）項において、 前記圧電素子３の伸縮ストロークは、この部の縦波動を
共振させても１〜５μｍ程度である。そこで、圧電素子
３近傍（第１図中０部）のアーム２において、この部位
を境にして前端である軸側の振動系の慣性モーメント（
ＩＩ）と後端である中間軸側の振動系の慣性モーメント
（Ｉｔ）間における固有振動数（ｆＴ）と、圧電素子３
の縦波動による固有振動数（ｆｏ）を共振させ、その加
振力、振幅を増大させて超音波微振動をより強力にする
ものである。その設計方法を以下に示す。

軸系のねじり固有振動数（ｆｓ）は次の式（４）で示さ
れる。

また、圧電素子部の縦波動による固有振動数（ｆｏ）は
次の式（５）で示される。

Ｃ：波動伝播速度 はドリル刃１７は数万出の振動（ｆｏ）による切削力λ
：波長 （４１、（５１式により、アーム部の弾性体部位（第１
図中■部）をばね常数ｋｌとなるように形成すればよい
。

■　請求項第（３）項において、 その作用、効用原理は前記と全く同様であるが、軸系側
の所要の固有振動数（ｆＴ）を得るためのばね常数の形
成部位をアーム２近傍の軸ｌ（第１図中■部）に設け、
よりコンパクト化を図ったものである。

〔発明の効果〕

以上説明したごとく本発明によれば、複合強化材のよう
な柔らかいプラスチ、り材と強靭な繊維材が組合わされ
ていても、従来のように層間のはく離、繊維の凸起、後
端縁のだれなど生ずることなく、適正な穴明け、タップ
加工が施工可能となる。この理由は、回転駆動に超音波
域の微振動を複合化することにより、ドリル刃１７の切
削先端でｍ′ｋ“°ＡＩ′ｒＩ）により尻切刃体Ｆ）は
振動加速度　　　　Ｐ （Δα）を大きくすれば比例して大きな力が得られる。

従って、強靭な繊維であっても柔らかいプラスチ、りで
あってもその切削は容易となる。また本技術はねじ切り
などのタッピング加工にも同様に有効なので、その応用
範囲は極めて広い。

すなわち、本発明により、従来、飛行機、自動車などへ
の複合強化材の適用が前記のような理由で加工上問題と
なり、その使用が困難であった部分にも十分対応可能と
なり、極めて有用性の高いものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の超音波振動付ボール盤の一実施例を示
す要部正面構造図、Ｍ２図はＭ１図のア〜ア方向矢視断
面図、第３図は従来のボール盤の一例の要部構造図であ
る。 １・・・・・・軸、２・・・・・・アーム、３・・・・
・・圧電素子、４・・−・・・受は金、５．６・・・・
・・中間軸、７・・・・・・スリ。 プリング、８．８′・・・・・・電線、９・・・・・・
撓み継手、１０　、１０’・・・・・・モータ、１１・
・・・・・上ケース、１２・・・・・・ケース、１３・
−・・・・送り軸、１４　、１４’・・・・・・ピニオ
ン、１５．１５’・・・・・・ハンドル、１Ｇ・・・・
・・アダプタ、１７・・・・・・ドリル刃、１８・・・
・・・被加工物％　１９　、１９’・・・・・・ベース
、２０　、２１・・・・・・ボルト、２２・・・・・・
軸、２３・・・・・・チャ、り、２４・・・・・・中間
軸、２５・・・・・・ケース、２６　、２６’・・・・
・・プ！Ｊ％２７・・・・・・ベルト。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）穴明けタッピング加工をするボール盤において、
   ドリル刃を回転駆動する軸に回転軸芯に対し直角方向に
   備えたアームと、このアームに取着した振動子として伸
   縮する圧電素子とを、スリップリングを備えた中間軸の
   内筒に一体装着し、その先端に撓み継手を介してモータ
   を備え、これらをベアリングなどで回転支持して一体構
   築し、圧電素子よりの回転方向の超音波域の微振動とモ
   ータによる回転運動を複合化してドリル刃へ伝達できる
   よう構成した事を特徴とする超音波振動付ボール盤。
2. （２）前記アームを、軸と圧電素子の中間部位を境にし
   て前端の軸側振動形の慣性モーメントと後端の中間軸側
   振動形の慣性モーメント間における捩じり固有振動数と
   、圧電素子部の波動による縦波の固有振動数を同数にし
   て共振するようなばね定数を得る弾性体にすることを特
   徴とする請求項第（１）項記載の超音波振動付ボール盤
   。
3. （３）前記軸を、アームを取着したドリル側の近傍部位
   を境にして後端の圧電素子側軸の振動形の慣性モーメン
   トと前端のドリル刃側軸の振動形の慣性モーメント間に
   おける捩じり固有振動数と、圧電素子部の波動による縦
   波の固有振動数を同数にして、共振するようなバネ定数
   を得る弾性体にすることを特徴とする請求項第（１）項
   及び請求項第（２）項記載の超音波振動付ボール盤。