JPH04129610A - 超音波振動付フライス盤 - 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、例えばグラスチイックに強化繊維をいれた複
合強化材などの難削材の平面や溝堀りゃ穴明けなどの加
工をするフライス盤に関するものである。

〔従来の技術〕

従来のフライス盤の一例を第４図に示す。

第４図はその要部正面断面図であり、第４図においては
エンドミル刃１７をチャ、り５に装着し、これを軸２４
に固着し、軸２４の外側にスリーブ２３を介して中間軸
２６が配設されている。

この中間軸２６と軸２４との嵌合関係は、軸長手方向に
は自在に移動可能とし、回転運動は伝達するようにスラ
イドキーを設け、また軸２４にはラック歯を設け、これ
にピニオン、ハンドルなどを装着させ、ハンドルを廻せ
ば軸２４を任意に上下可能なようにし、中間軸部をベア
リングによりケース２７に回転支持させたものである。

更に中間軸２６の後端にはグー！Ｊ　２８　、２８’　
、ベルト２９を介してモータ１０′を配設する。ケース
２７の下端にはベースｎ′を配し、この上に左右方向（
図中Ｘ方向）へ自在に移動可能とする送り部２１′およ
び奥行き方向（図中Ｚ方向）へ自在に移動可能とする送
り部２０′をそれぞれ設け、その上面に被加工物１９を
セットして、平面加工などを行うようにこれらを一体構
築してフライス盤を構成している。

〔発明が解決しようとする課題〕 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ック層と繊維との密
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ックは柔らかいの
で、切削に必要な力が付与されると撓んでしまい、抗切
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る。

この時繊維には大きな引っばり力がかかり、これを支持
しているプ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、加工部の寸
法誤差、切削面は滑らかにならず、繊維が凸起するなど
加工形成の不備を生じる。

■　また例えば穴明は加工の場合は、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
、切削熱により抗切は小さくなり、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、複合強化材の平面、溝堀り、穴明は加工などの施工
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
振動付フライス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、（１）回転
駆動させる１ンドミル刃などの刃物を取着した軸と、 伸縮形の圧電素子の両端に慣性体を配設してボルトなど
で締結し、圧電素子よりの歪みによる縦波動が共振する
ように、一体化したランジュバン形の振動体と、 前記軸とこの振動体との間に複数の斜形状のスリットを
円筒体に設け、軸系の上下方向および回転方向の慣性量
を適宜に配分することにより、上下方向の歪みを回転方
向の変位と、上下方向の変位の二方向に変換する機能を
もたせた所要のビームを形成したねじり円筒体と、 のそれぞれからなる回転軸体と、 （２）外周部はダイヤフラム形にし、その内周は複数の
薄板形のスポークを放射状に配し、前記回転軸体を上下
方向および回転方向の微動変位に対しては自在に運動可
能とし、他の左右１前後などの方向には固定支持する機
能を有する支持体と、（３）上端部に前記振動体を取着
した上軸と、下端部に取着した前記支持体をそれぞれボ
ルトなどで取着した中間軸と、 （４）この中間軸をベアリングを介して軸支したケース
と、 のそれぞれから構成され、圧電素子よりの上下方向の超
音波域の微振動を、上下方向と回転方向の両微振動に変
換し、これとモータよりの回転運動との王者を複合化し
て刃物へ駆動伝達できるようにしたことにある。

〔作　用〕

その作用は、次に述べる実施例と併せて説明する。

以下、本発明の一実施例を、図面に基づいて詳述する。

〔実　施　例〕

第１図は本発明の一実施例を示す超音波付７９体）の動
作原理説明図である。

第１図、第２図において、１ンドミル刃１７ヲアダプタ
１８を介して回転駆動する軸１の下端に装着し、この軸
１の上端に円筒に複数の斜形状の所要の溝３ａを入れ、
所要のビームＢを形成し、軸１系の上下方向及び回転方
向の慣性量を適宜に配分することにより上下方向の歪を
回転方向と上下方向の２方向の変位に変換する機能を有
するねじり円筒体３が配されている。

この上部には、伸縮形の圧電素子５の両端に各々慣性体
４．４′を配し、これら三者をボルト６により一体化し
て圧電素子５よりの歪による縦波動が共振するようにラ
ンジ−パン形の振動体Ｑを構築し、軸１．ねじり円筒体
３．振動体Ｑからなる回転軸体を形成している。

さらに、上端部の慣性体４′には上軸８を配し、この上
軸８にスリ、プリング７を設け、その上部にカップリン
グ９を介してモータ１０が接続されている。また上軸８
の下端には中間軸１３を固着し、この中間軸１３の下端
部と軸１との間に支持体２を配して支持連係している。

この支持体２は軸ｌを上下及び回転方向の微動変位に対
しては自在に運動可能とし、他の左右２前後などの方向
には固定支持するような機能を備えている。その構造は
、外周部をダイヤフラム形ムで、その円周部に複数の薄
板形のスポークあを放射状に配している。

更に中間軸１３の上、下端部をベアリング１２　、１２
’を介してケース１４へ回転支持し、ケース１４の上部
に上ケース１５を配し、これにモータｌＯが固定されて
いる。スリ、プリング７には刷子１１′や電線１１を接
続し、電線１１の一方は圧電素子５へ、他方は電源Ｅへ
それぞれ接続されている。

ケース１４の右側には支持軸１６が嵌着されており、ケ
ース１４全体は手動にてハンドルを廻せば任意に上下動
することができる。また、支持軸１６はベース２２に固
着されており、この上部に被加工物１９を左右方向（図
中Ｘ方向）へ移動する送り部２１があり、更に奥行方向
（図中Ｚ方向）へ移動する送り部加があり、この上部に
被加工物１９をセットして、平面、穴明は加工などを行
うようにし、これらを一体構築して超音波振動付フライ
ス盤を構成している。

次にその作用について説明する。

先ずモータ１０を所要の回転数に駆動する。同時に・圧
電素子５へ超音波域（約２０ＫＨｚ以上）の高周波の交
流電源を供給すると、圧電素子５は伸縮する。この伸縮
量は通常では極めて微少であるが、本発明の要旨とする
ランジ−パン形の振動体Ｑに構築することにより大きな
歪を得ることができる。

すなわち、圧電素子５よりの伸縮歪は慣性体４゜４′へ
縦波動となって伝播される。この波動伝播速度Ｃと慣性
体４．４′の端部間の距離により、縦波動の所要の固有
振動数ｆが得られるように構築する。

今、波長をλ、慣性体４，４′と圧電素子５との三者一
体の長さを！（波動伝播路の長さ）とすれば固有振動数
ｆは、 で示される。

式（１）により、固有振動数ｆを得るので、このｆの値
と圧電素子５へ供給する電源の周波数ｆｅを同調させれ
ば、圧電素子５と慣性体４．４′を一体とした振動体Ｑ
は共振現象となり、極めて多くの電流が入り、その歪量
は共振しない時とくらべ数十倍にもなり、極めて多くの
歪量が得られ、この種の適用時に問題となる圧電素子５
の微少な歪量を拡大して問題を解決している。

圧電素子５よりの上下方向の歪変位量Ｃは、ねじり円筒
体３へ上下方向の変位（歪量Ｃと同等）となって伝達さ
れる。これが上下及び回転方向の微少変位に変換される
。次にその原理を第３図を基に説明する。

今、ねじり円筒体３の斜形状のビームＢは、角度−をも
って下部Ａ点で固定して配している。このビームＢの上
部より歪変位量Ｃを付与すると、ビームＢは略半径凡の
円弧の軌跡をもって下方に変位ΔＨする。このとき、ビ
ームＢの上部の左右位置はＷよりΔＷだけ変位する。こ
の変位分ΔＷはねじり円筒体３をねじり変位させること
になる。

ここに、実際の構造は、上部が固定となり下部の固定点
Ａは自由で、上下及び回転方向に変位するので、このＡ
点の反力に相応して上下方向と回転方向の変位配分が決
定さる。この反力の発生量は固有振動数ｆが共通なので
、各々の慣性量に依存する。すなわち、ねじり円筒体３
の下部に連係されている軸ｌ系の上下方向の慣性量と、
そのねじれ方向の慣性量の配分、ビームＢのねじれ剛性
を所要にすることにより、圧電素子５よりの歪変位量−
は、軸ｌを上下及び回転の２方向の所要の微振動（変位
は電源の高周波に相当した振動となる）に駆動する。

これにより軸ｌに装着されている１ンドミル刃１７は、
連係したモータ１０の回転と上下及び回転方向の微振動
ｆｙ、　ｆｒが複合化して駆動伝達される。

すなわち、１ンドミル刃１７の刃先が上下方向の深さの
切り込みと穴明けなどの回転方向の切り込み、例えば「
キー溝」などの加工時でも両方向の微振動（ｆｙ、ｆｒ
）の作用により、強化繊維を入れたプラスチックの複合
材などの難削材でも容易にフライス加工が可能となる。

この微振動を複合化したときの切削加工の効用の原理を
以下に述べる。

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、それを支持するマトリ、クス材である
プラスチック材が柔らかいので柳んでしまい、さらには
はくすするなどの理由で切削時に対向する抗切刃が得ら
れず、エンドミル刃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
より大きな抗切刃を得、この抗切刃を繊維の剪断力より
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、エンドミル刃１７に複合
して付与する超音波域の微振動はエンドミル刃１７より
極めて高加速度で被切削物１９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。なお、微振動は上下及
び回転方向の２方向であるが、原理説明のため穴明けな
どの回転方向に限定して記述する。

もちろん上下方向も同様の効用原理である。

まず、エンドミル刃１７の振動に対抗する加工物の回転
方向抗切刃〔ΔＦ”ｌ（以下単に抗切刃と称す）を求め
ると、 で示される。

振動波形をｓｉｎ波とすると、 Δα＝ａ＊　　ｓ＋ｎｅｔ　　但し−＝２πｆ。

で示され、これを式（２）に代入すると、ΔＦ（Ｍｉｘ
）＝ａ＊”７”＝ａ（２ｇｆｒ）　”’ｒ　＋＊＋＋＋
＋＋＋（３）となる。

ここで、ｆｒ；エンドミル刃の回転方向の振動数、ａ：
エンドミル刃の平均片振幅、Δα；エンドミル刃の平均
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。ここで、前述の平均とはエンド
ミル刃１７の径方向に対する振動変位の平均を意味する
。

次に加工物を切削する所要の剪断力（Ｆｒ）を求めると
、 ｐ７　＝：　ｒ・β・Ｓ　・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・−・（４
）で示される。

ここで、Ｓ：エンドミル刃の１振動当りの切り込みの面
積β；エンドミル刃の刃先の形状による係数Ｔ：加工物
（強化繊維など）の剪断応力かくして、 抗切刃（式（３）　）　＞剪断力（式（４））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１９として強化繊維材ニカ
ーボンファイバ（ｒ　＝　４００ｋｇｆ／ｍｍ　）、マ
トリ、クス材にエポキシ樹脂を使用し、それぞれの値、
ｆｒ＝６０ＫＨｚ　、　ａ＝１μｍ　、　Ｓ＝０．００
５ｍｍ　　、Δｍ＝＝３Ｆ。

β＝５とすると、式（３）　、　（４）から２　３Ｘ１
０−３ ΔＦ＝ＩＸ１０”（２πＸ６００００）　×ｇＢ前＝４
３．５ｋｇｆＦＴ　＝　４００Ｘ５Ｘ０．Ｏ０５＝１０
ｋｇｆとなり、抗切刃〉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０ 〔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晶わされて
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がなく、適正な平面、溝堀り、
穴明は加工が施工可能となる。この理由は、回転駆動と
超音波域の上下方向と回転方向の両微振動を複合化する
ことにより、エンドミル刃１７の切削先端では数万七の
振動数（ｆｒ　、ｙ　）による上下方向と回転方向の両
切側方向への超高速の切削切り込みが付与されるので、
被切削近傍の質量（Δｍ）の慣性効果振動加速度（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ックであって
もその切削は容易となる。また本技術はフライス加工の
ばか研削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り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フライス盤の一実施例を
示す要部正面断面図、第２図は第１図中のア〜ア′線断
面図、第３図は第１図中のイ部（ねじり円筒体）の動作
原理説明図、第４図は従来のフライス盤の一例の要部正
面断面図である。 １・・・・・・軸、２・・・・・−支持体、３・・・・
・・ねじり円筒体、４．４′・・・・・・慣性体、５・
・・・−・圧電素子、６・・・・・・ボルト、７・・・
・・・スリ、プリング、８・−・・−・上軸、９・・−
・・力、プリング、１０　、１０’・・・・・・モータ
、１１・・・・・・電線、１１′・・・・・・刷子、１
２　、１２’・−・・・ベアリング、１３・−・・−・
中間軸、１４・−・・−・ケース、１５・・・・・・上
ケース、１６・・・・・・支持軸、１７・・・・・・エ
ンドミル刃、１８・・・・・・アダプタ、１９・・・・
・・被加工物、２０　、２０’・・・・・・送り部、２
１　、２１’・−・・・・送り部、２２　、２２’・・
・・・・ベース、２３・・・・・・スリーブ、ス・−・
・・・軸、５・・・・・・チャ、り、託・・・・・・中
間軸、２７・・・・・・ケース、２８　、２８’・−・
・・・プーリ、四・−・・・・ベルト、Ｑ−・・・・・
振動体。 業２図 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １　平面や溝堀りや孔明け加工などを行うフライス盤に
   おいて、回転駆動させるエンドミル刃などの刃物を取着
   した軸と、伸縮形の圧電素子の両端に慣性体を配設して
   ボルトなどで締結し、圧電素子よりの歪みによる縦波動
   が共振するように、一体化したランジュバン形の振動体
   と、前記軸とこの振動体との間に複数の斜形状のスリッ
   トを円筒体に設け、軸系の上下方向および回転方向の慣
   性量を適宜に配分することにより、上下方向の歪みを回
   転方向の変位と、上下方向の変位の二方向に変換する機
   能をもたせた所要のビームを形成したねじり円筒体と、
   のそれぞれからなる回転軸体と、外局部はダイヤフラム
   形にし、その内周は複数の薄板形のスポークを放射状に
   配し、前記回転軸体を上下方向および回転方向の微動変
   位に対しては自在に運動可能とし、他の左右前後などの
   方向には固定支持する機能を有する支持体と、上端部に
   前記振動体を取着した上軸と、下端部に取着した前記支
   持体をそれぞれボルトなどで取着した中間軸と、この中
   間軸をベアリングを介して軸支したケースと、のそれぞ
   れから構成され、圧電素子よりの上下方向の超音波域の
   微振動を、上下方向と回転方向の両微振動に変換し、こ
   れとモータよりの回転運動との三者を複合化して刃物へ
   駆動伝達できるようにしたことを特徴とする超音波振動
   付フライス盤。