JPH0577145A

JPH0577145A - 超音波加工ヘツド

Info

Publication number: JPH0577145A
Application number: JP24177891A
Authority: JP
Inventors: Tateo Tanimoto; 楯夫谷本; Masanori Masumoto; 雅典益本; Tetsuo Ichikizaki; 哲雄市来崎; Katsumi Nakamura; 克己中村
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1991-09-20
Filing date: 1991-09-20
Publication date: 1993-03-30
Anticipated expiration: 2014-05-17
Also published as: JP2891570B2

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

【特許請求の範囲】

【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。
【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。
【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。
【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。
【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。