JPH0577145A - 超音波加工ヘツド - Google Patents

超音波加工ヘツド

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JPH0577145A
JPH0577145A JP24177891A JP24177891A JPH0577145A JP H0577145 A JPH0577145 A JP H0577145A JP 24177891 A JP24177891 A JP 24177891A JP 24177891 A JP24177891 A JP 24177891A JP H0577145 A JPH0577145 A JP H0577145A
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outer cylinder
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shaft
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楯夫 谷本
Masanori Masumoto
雅典 益本
Tetsuo Ichikizaki
哲雄 市来崎
Katsumi Nakamura
克己 中村
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  • Grinding And Polishing Of Tertiary Curved Surfaces And Surfaces With Complex Shapes (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 軸振動及び加工範囲を阻害しないでより剛性
を向上させた超音波振動系の支持を得る。 【構成】 工具に超音波振動を与えて加工を行う超音波
加工ヘッドにおいて、超音波振動子11と、超音波振動
子11を支持して発生した超音波振動を伝送する伝送ホ
ーン14と、伝送ホーン14の先端部に着脱自在に装着
される工具34と、伝送ホーン14を支持する外筒16
とを具え、伝送ホーン14における軸振動の節の部分の
外径側に外方に突出するフランジ22を設けると共に伝
送ホーン14における軸振動の節の部分の軸中心部に支
持軸23を設け、伝送ホーン14をフランジ22及び支
持軸23により外筒16に押圧支持する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はセラミックスの超音波研
削加工、あるいは粉粒体粒子の圧縮加工、フィルムの接
着、金属薄板の圧延加工などに適用される超音波加工ヘ
ッドに関する。
【0002】
【従来の技術】近年、セラミックス等の硬脆材料の穴明
け加工や平面研削加工において、工具を超音波振動させ
ながら加工する方法が従来からよく知られており、この
加工に適用される超音波加工ヘッドも各種のものが提案
されている。例えば、特開昭63−200953号公報
において開示されたものがある。
【0003】図4に特開昭63−200953号公報に
て開示された従来の超音波加工ヘッドの主要部を示す。
図4に示すように、101は超音波発振子(電歪素子)
であり、ボルト102により押え板103をはさんで伝
送ホーン104に締めつけられている。超音波発振子1
01に図示しない超音波電源からスリップリング等を介
して超音波電力がケーブル105,106で供給される
と、超音波発振子101は振動し、伝送ホーン104で
増幅されながら、伝送ホーン104のもう一方の端に着
脱自在に取り付けられている工具107に伝送され、工
具107は高振幅で超音波振動する。
【0004】この超音波振動系の支持は線X−Xで示し
た軸方向の振動の節(ノード位置)と、線R−Rで示し
た径方向の振動の節(ループ位置)の部分であって、そ
れぞれ薄い円板108,109を介して外筒110と1
11にボルト112,113で締めつけられている。外
筒110の他端部には工作機械の主軸に着脱可能なよう
にテーパシャンク114が設けられており、その先端に
プルスタッド115が取りつけられている。
【0005】また、高圧の研削液は矢印Mのところから
図示していない回転継手を介して外筒111に設けた穴
116から供給され、伝送ホーン104に設けた穴11
7を通って工具107に設けた孔118から噴出される
ようになっている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】一般に、超音波加工ヘ
ッドでは、超音波振動系の支持剛性が低く、重研削がで
きないために十分な研削能力が得られなかったり、また
は、振動系の回転精度が悪くなって高速回転ができなか
ったり、使用する工具が変わるとその質量変化への対応
も不十分となりやすいという問題があった。
【0007】そのため、従来の超音波加工ヘッドにあっ
ては、前述したように、超音波振動系の支持剛性を向上
させている。ところが、円板108,109による2個
所の支持は振動を外筒110と伝送ホーン111へ伝え
ないようにするために必然的にこの円板108,109
を薄いものにしなくてはならず、且つ、線R−Rで示し
た径方向の振動の節(ループ位置)は軸振動の振幅が最
も大きい位置であり、円板109は軸振動を阻害する要
因となってしまう。
【0008】また、円板109は工具107の近傍に位
置しているため、工具107の加工範囲を阻害すること
となってしまうという問題があった。
【0009】一方、超音波研削加工では、工具内部から
高圧の研削液を噴出させながら研削すれば、工具の冷却
や潤滑性の改善による砥粒への熱的影響の減少、摩擦の
減少などが生じて加工能率の向上が得られることが従来
から知られている。
【0010】ところが、前述したように、従来の超音波
加工ヘッドにあっては、外部から回転継手を介して超音
波振動系に側面から高圧の研削液を供給する方法が一般
に用いられており、このため回転精度に影響がでて高速
回転ができなかったり、超音波加工ヘッドの自動交換が
できないなどの問題があった。
【0011】本発明はこのような問題を解決するもので
あって、研削能力の向上を図った超音波加工ヘッドを提
供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めの本発明の超音波加工ヘッドは、工具に超音波振動を
与えて加工を行う超音波加工ヘッドにおいて、超音波振
動子と、該超音波振動子を支持して発生した超音波振動
を伝送する伝送ホーンと、該伝送ホーンの先端部に着脱
自在に装着される工具と、前記伝送ホーンを支持する外
筒とを具え、前記伝送ホーンにおける軸振動の節の部分
の外径側に外方に突出するフランジを設けると共に該伝
送ホーンにおける軸振動の節の部分の軸中心部に支持軸
を設け、前記伝送ホーンが該フランジ及び支持軸により
前記外筒に押圧支持されたことを特徴とするものであ
る。
【0013】また、本発明の超音波加工ヘッドは、伝送
ホーンのフランジに該伝送ホーンの先端部側に向かう第
1テーパ部を形成すると共に支持軸の先端部に第2テー
パ部を形成する一方、前記第1テーパ部に対向する第3
テーパ部が形成された締付けリングを前記外筒に装着す
ると共に前記第2テーパ部に対向する第4テーパ部を前
記外筒の軸中心に形成したことを特徴とするものであ
る。
【0014】更に、本発明の超音波加工ヘッドは、外筒
と支持軸と伝送ホーンと工具のそれぞれに軸方向に貫通
する貫通孔を形成し、各貫通孔を連通することで冷却媒
体の供給通路を形成したことを特徴とするものである。
【0015】また、本発明の超音波加工ヘッドには、支
持軸の軸方向一方における伝送ホーンの内部に該支持軸
の外径と同等あるいはそれ以上の径を有する空洞を設け
たことを特徴とするものである。
【0016】また、本発明の超音波加工ヘッドには、外
筒の軸方向一端部に工作機械の回転主軸に着脱自在なテ
ーパシャンクを設けると共に該テーパシャンクに前記回
転主軸の給電部から受電して超音波振動子に給電を行う
ソケット端子を設けたことを特徴とするものである。
【0017】
【作用】超音波加工ヘッドの軸中心部が外筒と支持軸、
支持軸と伝送ホーン、伝送ホーンと工具で各々連結され
ており、工具が受ける加工反力において、スラスト力に
ついては工具から伝送ホーン、支持軸を経て直接的に外
筒本体が受けるために伝送ホーンのフランジには、大き
なスラスト力は作用しない。一方ラジアル力については
伝送ホーンのフランジと支持軸を介して外筒が受けるた
めに従来に比べて高剛性支持となる。
【0018】また、伝送ホーンの軸振動の節の部分の外
径側のフランジには第1テーパ部、一方、支持軸先端部
には第2テーパ部が形成され、第1テーパ部に対向する
第3テーパ部を有した締めつけフランジを外筒に締めつ
けると、支持軸先端部の第2テーパ部は外筒の軸中心部
に設けた第4テーパ部にはめあわされ、伝送ホーンの軸
中心が外筒の軸中心と一致するように自動調心されなが
ら精度よく、且つ、高剛性で外筒に伝送ホーンが支持さ
れる。
【0019】更に、外筒と支持軸、伝送ホーン、工具の
軸中心部には各々貫通孔が設けられて連続冷却媒体の供
給通路が形成されており、軸中心部を超音波加工ヘッド
が高速回転しても遠心力の作用が小さい部位であり、こ
の部位を高圧の研削液等の通路とすることにより、回転
バランスを良好に保つことが可能となる。
【0020】また、伝送ホーン内部に支持軸の直径と同
等以上の直径を有する空胴を設けることで、工具の超音
波振動が逆に伝送ホーンを通じて支持軸に直接伝送され
ることが防止され、超音波振動が外部へ伝送されるのを
極力おさえることができる。
【0021】また、外筒の軸方向の一端部に工作機械等
の回転主軸に着脱可能なテーパシャンクを設けてここに
給電部から受電するソケット部を設け、超音波発動子へ
給電することにより工作機械等の回転主軸から研削液の
供給、および給電が可能となり、これまで実現されてい
なかった超音波加工ヘッドの自動交換が可能となる。
【0022】
【実施例】以下、図面に基づいて本発明の実施例を詳細
に説明する。
【0023】図1に本発明の第1実施例に係る超音波加
工ヘッドを示す。図1に示すように、11は超音波発振
子(電歪素子)であり、本実施例では4枚の穴明き円板
状のもので構成されており、押え板12をはさんで押え
治具13により伝送ホーン14のねじ部15で伝送ホー
ン14に締めつけられている。外筒16の軸方向一方の
端部にはテーパシャンク17が形成されており、シャン
ク部に超音波電力受電ソケット端子18,19が設けら
れ、このソケット端子18,19は電力ケーブル20,
21を介して超音波発振子11に接続されている。テー
パシャンク17は図示していない工作機械等の回転主軸
に着脱自在に取付けられるものであり、このとき、ソケ
ット端子18,19も図示しない工作機械等の回転主軸
に設けられている給電部に着脱自在に装入される。
【0024】この超音波振動系の支持は線X−Xで示し
た軸方向の振動の節(ノード位置)で伝送ホーン14の
外径側に設けたフランジ22と、伝送ホーン14の軸中
心部に設けた支持軸23が締めつけフランジ24により
ボルト25で外筒16に押しつけられて支持されてい
る。この支持構造はフランジ24に下向きの第1テーパ
部26を形成し、且つ、支持軸23の先端部には上向き
の第2テーパ部27を形成し、一方、フランジ24の第
1テーパ部26を、これとはめあわされる第3テーパ部
28を有した締めつけフランジ24によりボルト25で
外筒16に締めつけらえる。この時、支持軸23の先端
の第2テーパ部27は外筒16の軸中心部に設けた第4
テーパ部29にはめあわされ、伝送ホーン14の軸中心
が外筒16の軸中心と一致するように自動調心されなが
ら、精度よく、且つ、高剛性で外筒16に伝送ホーン1
4が支持される構造となっている。
【0025】また、外筒16の軸中心部には貫通穴30
が設けられており、テーパシャンク部17にはプルスタ
ッド31が取付けられているが、プルスタッド31にも
貫通穴32が設けられている。支持軸23の第2テーパ
部30はOリングによる研削液等のシール33がなされ
ており、支持軸23、伝送ホーン14、工具34の軸中
心部にもそれぞれ貫通孔35,36,37,38がそれ
ぞれ設けられ、これらが連続した孔となっており、研削
液等の供給通路を構成している。
【0026】而して、超音波発振子11にソケット端子
18,19から電力ケーブル20,21を通じて超音波
電力が供給されると、超音波発振子11は振動し、伝送
ホーン14で増幅されながら伝送ホーン14のもう一方
の端部に着脱自在に取付けられている工具34に伝送さ
れ、この工具34は高振幅で超音波振動する。
【0027】このとき、超音波加工ヘッドの軸中心部は
超音波加工ヘッドが高速回転しても遠心力の作用が小さ
い部位であり、この部位を高圧の研削液等の供給通路と
することにより、回転バランスを良好に保つことが可能
となる。また、超音波加工ヘッドの軸中心部は外筒1
6、支持軸23、伝送ホーン14、工具34で連結され
ており、工具34が受ける加工反力はスラスト力につい
ては工具34から伝送ホーン14及び支持軸23を経て
直接的に外筒16が受けるため、伝送ホーン14のフラ
ンジ22には大きなスラスト力は作用しない。一方、ラ
ジアル力については伝送ホーン14のフランジ22と支
持軸23を介して外筒16が受ける構造となっており、
これらから従来に比べて高剛性支持ができることとな
る。なお、研削実験では、スラスト力150kg以上の重
研削が容易にでき、かつ4,000rpmの高速回転にも何
ら問題は生じなかった。今後、セラミックス等の小径穴
あけ加工では10,000rpm 以上の高速回転に適用で
きる超音波加工ヘッドが要望されてくるものと判断され
るが、本発明の超音波加工ヘッドは、充分期待に応じら
れるものと推定される。
【0028】なお、図1中、37で示す伝送ホーン14
の内部空洞は工具34の超音波振動が逆に伝送ホーン1
4を通じて支持軸23に直接伝送されるのを防止するも
のであり、図1中Dで示す空胴の直径は支持軸23の直
径と同等以上であることが望ましい。これにより超音波
振動が外部へ伝送されるのを極力おさえることができ、
効率のよい安定した伝送ホーンの支持構造を形成するこ
とができる。
【0029】図2に本発明の第2実施例に係る超音波加
工ヘッドを示す。なお、前述の実施例と同様の機能を有
する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略す
る。本実施例の超音波加工ヘッドは伝送ホーンと支持軸
とが別体となっている。
【0030】図2に示すように、線X−Xで示した軸方
向の振動の節(ノード位置)で伝送ホーン41とこの伝
送ホーン41の軸中心部を支持する軸42がその接触部
43で精度よくはめあわされ、Oリングによる研削液等
のシール44が挿入されている。支持軸42の軸中心部
には研削液等の通路となる貫通孔45が設けられ、先端
部には第1テーパ部47が形成されている。超音波発振
子11は押え板12をはさんで押えボルト47で伝送ホ
ーン41に締めつけられている。押えボルト47の軸中
心部には大きな穴があいており、この内に支持軸42が
取付けられる構造となっている。
【0031】なお、伝送ホーン41には第一テーパ部4
8を有するフランジ49が形成されると共に、貫通孔4
5と連通する貫通孔50,51,52が形成されてい
る。
【0032】而して、本実施例の超音波加工ヘッドによ
れば、伝送ホーン41の加工が容易となる。しかし、ラ
ジアル力に対して剛性が前述の実施例のものより低下す
るため、セラミックスの穴あけ加工等スラスト力主体の
超音波加工ヘッドに適用することが望ましい。
【0033】図3に本発明の第3実施例に係る超音波加
工ヘッドを示す。本実施例の超音波加工ヘッドは粉粒体
や粒子の超音波圧縮加工、フィルムの超音波接着、等の
超音波振動を利用した圧縮加工用ヘッドに適用したもの
である。
【0034】図3に示すように、伝送ホーン61には支
持軸62とフランジ63が一体に形成され、内部に空胴
64と貫通孔65が形成されている。この伝送ホーン6
1は締めつけフランジ24によって外筒66に固定さ
れ、外筒66は回転しないハウジング67にボルト68
により取付けられている。そして、伝送ホーン61の下
端部には圧縮加工用工具69が装着されている。
【0035】なお、本実施例においては、研削液等の供
給通路は設けられていないが、必要があれば回転主軸に
取りつけてもよいし、軸中心部に連続した穴を形成し、
加工液、冷却水などの通路としてもよい。
【0036】このように本実施例においては、超音波振
動系の剛性の高い支持装置として各種の用途に、例え
ば、超音波圧延ロールの超音波加振源として使用するこ
ともできる等広範囲に適用できるものである。
【0037】
【発明の効果】以上、実施例を挙げて詳細に説明したよ
うに本発明の超音波加工ヘッドによれば、軸振動を阻害
しないで、且つ、加工範囲も阻害しないでより剛性を向
上させた超音波振動系の支持を得ることができ、また、
外筒への精度の良い組込みが可能となった。
【0038】また、軸中心部に形成した供給通路から冷
却媒体等を供給することで、重研削、高速回転可能で、
且つ、コンパクトとすることができ、自動交換も可能と
なる。その結果、研削能力の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例に係る超音波加工ヘッドの
断面図である。
【図2】本発明の第2実施例に係る超音波加工ヘッドの
要部断面図である。
【図3】本発明の第3実施例に係る超音波加工ヘッドの
要部断面図である。
【図4】従来の超音波加工ヘッドの断面図である。
【符号の説明】 11 超音波振動子 14,41,61 伝送ホーン 16,66 外筒 17 テーパシャンク 18,19 ソケット端子 22,49,63 フランジ 23,42,62 支持軸 24 締めつけフランジ 26〜29,46,48 テーパ部 30,32,35〜38,45,50〜52,64,6
5 貫通孔(供給通路) 34,69 工具
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中村 克己 京都府京都市右京区太秦巽町1番地 三菱 重工業株式会社京都精機製作所内

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 工具に超音波振動を与えて加工を行う超
    音波加工ヘッドにおいて、超音波振動子と、該超音波振
    動子を支持して発生した超音波振動を伝送する伝送ホー
    ンと、該伝送ホーンの先端部に着脱自在に装着される工
    具と、前記伝送ホーンを支持する外筒とを具え、前記伝
    送ホーンにおける軸振動の節の部分の外径側に外方に突
    出するフランジを設けると共に該伝送ホーンにおける軸
    振動の節の部分の軸中心部に支持軸を設け、前記伝送ホ
    ーンが該フランジ及び支持軸により前記外筒に押圧支持
    されたことを特徴とする超音波加工ヘッド。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の超音波加工ヘッドにおい
    て、伝送ホーンのフランジに該伝送ホーンの先端部側に
    向かう第1テーパ部を形成すると共に支持軸の先端部に
    第2テーパ部を形成する一方、前記第1テーパ部に対向
    する第3テーパ部が形成された締付けリングを前記外筒
    に装着すると共に前記第2テーパ部に対向する第4テー
    パ部を前記外筒の軸中心に形成したことを特徴とする超
    音波加工ヘッド。
  3. 【請求項3】 請求項1記載の超音波加工ヘッドにおい
    て、外筒と支持軸と伝送ホーンと工具のそれぞれに軸方
    向に貫通する貫通孔を形成し、各貫通孔を連通すること
    で冷却媒体の供給通路を形成したことを特徴とする超音
    波加工ヘッド。
  4. 【請求項4】 請求項1記載の超音波加工ヘッドにおい
    て、支持軸の軸方向一方における伝送ホーンの内部に該
    支持軸の外径と同等あるいはそれ以上の径を有する空洞
    を設けたことを特徴とする超音波加工ヘッド。
  5. 【請求項5】 請求項1記載の超音波加工ヘッドにおい
    て、外筒の軸方向一端部に工作機械の回転主軸に着脱自
    在なテーパシャンクを設けると共に該テーパシャンクに
    前記回転主軸の給電部から受電して超音波振動子に給電
    を行うソケット端子を設けたことを特徴とする超音波加
    工ヘッド。
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