JPH0649242B2

JPH0649242B2 - 超音波振動切削装置

Info

Publication number: JPH0649242B2
Application number: JP2404787A
Authority: JP
Inventors: 祥二三代
Original assignee: Taga Electric Co Ltd
Current assignee: Taga Electric Co Ltd
Priority date: 1987-02-04
Filing date: 1987-02-04
Publication date: 1994-06-29
Anticipated expiration: 2009-06-29
Also published as: JPS63191501A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、たわみ振動を用いた超音波加工装置、特に旋
盤、形削り盤、平削り盤などの超音波振動切削装置に関
する。

従来の技術超音波振動を利用した振動切削装置は、従来からよく知
られている。例えば、旋盤におけるバイトシヤンクをた
わみ振動させてその先端に取付けたバイトを切削加工物
の接線方向に超音波振動させて加工すると、切削抵抗が
著しく減少して加工制度が向上するなどの大きな効果が
あることが知られている。

第１２図はその一例を示す従来の切削装置である。ま
ず、刃物台１に押え板２と締付けボルト３と締付け治具
４により曲げ（たわみ）振動するバイトシヤンク（バイ
トホルダー）５が支持されている。ここに締付け治具４
はバイトシヤンク５のノード部分に位置するように設定
されている。そして、バイトシヤンク５の一方の先端に
は被加工物６に臨む工具としてのバイト７が固着されて
いる。又、バイトシヤンク５の他端側にはこのバイトシ
ヤンク５の振動姿態（一点鎖線で図示）のループ部分に
位置させて縦形振動子８と振幅拡大ホーン９とが接合さ
れている。

このように構成された超音波振動切削装置において、縦
形振動子８を超音波発振装置（図示せず）により駆動す
ると、図示する一点鎖線の如くバイトシヤンク５が振動
してバイト７の先端は切削方向に超音波振動し、前述し
たような振動切削効果を発揮する。ここで、より具体的
には、被加工物６の切削速度をｖとし、振動するバイト
７の振動周波数をｆ、振幅をａとすると、ｖ＜２πｆａ
なる条件下でその効果が発揮される。

これによれば、超音波振動の発生源である縦形振動子８
をバイト７から離れた位置に取付けられるので、汎用の
旋盤に容易に取付けたことができるという利点がある。

発明が解決しようとする問題点ところが、このような切削装置構造によると、縦形振動
子８や拡大ホーン９が加工作業の邪魔となる。又、バイ
トシヤンク５の刃物台１への取付けが難しいという欠点
もある。即ち、締付け治具４が正しくノード位置に位置
しないとエネルギーロスを生ずる。又、バイト７の刃先
が正しい振動方向から外れて上述した切削効果が減殺さ
れるだけでなく、かえつて有害な結果をもたらすものと
なる。しかも、バイトシヤンク５の交換には煩雑な手間
と細心の注意を必要とするものでもある。

又、第１３図に示すように、バイトの被加工物６との接
点には被加工物接線方向の主分力Ｐｃの他に、バイト７
に向かう径方向背分力Ｐｔが発生する。この結果、これ
らの合力Ｐがバイト７に作用して有害な異常振動を発生
し、十分な振動切削効果が得られないことがあるもので
ある。

問題点を解決するための手段まず、厚み方向に分極され均等に２分割された１枚又は
複数枚の電歪素子本体の両面に金属材を締着具により一
体的に締着したたわみ振動子を設ける。このようなたわ
み振動子の一方の出力端部にバイトを取付ける。

作用たわみ振動子を共振周波数にて励振駆動させると、バイ
トは振動子軸と直角に振動する。よつて、バイトの刃先
が当接する被加工物はこのような超音波振動により切削
される。

実施例本発明の第一の実施例を第１図ないし第８図に基づいて
説明する。まず、第１図ないし第３図に示すようにたわ
み振動子１０が設けられ、例えば上向きコ字状に形成さ
れたホルダー１１内に収納支持されている。

ここで、このようなたわみ振動子１０の基本的構造及び
振動動作について第４図ないし第６図を参照して説明す
る。このようなたわみ振動子１０は例えば本出願人によ
り既に特願昭６０−２５２５２６合により提案されてい
るものと同等のものである。まず、第５図に示すように
厚み方向に分極された円環状の電歪素子本体１２が設け
られ、この電歪素子本体１２の一面には絶縁部１３を中
心として電極１４，１５が２分割されて形成され、他面
には共通電極１６が全面電極として形成され、これらに
より電歪素子１７が構成されている。このような構成の
電歪素子１７を例えば２個用意し、それらの絶縁部１３
を一致させてＵ字形に形成した第６図のような２枚の電
極板１８，１９を間にして前記電極１４，１５を対向さ
せ、かつ、中心部に絶縁筒２０を挿通する。そして、一
方の電歪素子１７の共通電極１６面側には出力端部２１
を補足形成するとともに振動振幅拡大用の断面変形部と
なるエクスポネンシヤル段部２２を形成した金属材２３
が接合されている。又、他方の電歪素子１７の共通電極
１６面側には共通電極板２４が接合され、この共通電極
板２４には金属材２５が接合されている。そして、これ
らの部材は締着具としてのボルト２６により一体的に固
定されている。即ち、前記金属材２５には前記ボルト２
６を挿通する孔２７が形成され、前記金属材２３にはボ
ルト２６が螺合するねじ部２８が形成されている。この
ようにして、本実施例で用いる複合振動子構造のたわみ
振動子１０が構成されている。

ここで、このようなたわみ振動子１０の電極１４，１５
や共通電極１６には、電極板１８，１９や共通電極板２
４を介して、例えば後述するような駆動制御回路に接続
されて、励振駆動される。

即ち、電極板１８，１９と共通電極板２４とに互いに位
相を独立して制御できる駆動電源を接続し、その駆動周
波数を軸方向共振周波数に調整する。その位相差を零に
した時は、同相並列駆動となり、出力端部２１は軸方向
共振振動となつて縦形振動子と同様な振動姿態で振動す
る。しかるに、一方の電極板１８に対し他方の電極板１
９に印加する駆動電圧の位相を反転、即ち逆相の電圧を
印加すると、出力端部２１は軸に直角で、かつ、電歪素
子１７の分割方向（即ち、第４図図示状態では上下方
向）にたわみ共振振動を行なうことになる。

これが、本実施例で用いるたわみ振動子１０の動作原理
である。もつとも、電歪素子１７としては円環状で一体
のものを用い、残留分極の分極方向は厚み方向とした
が、例えば各々の電極１４，１５部分には厚み方向で互
いに逆向きの分極方向としたものでもよい。この場合で
あれば、２枚の電極板１８，１９には同相の電圧を印加
することにより、出力端部２１にたわみ振動が発生す
る。又、電歪素子１７は分離した半円環状素子構造のも
のを用いてもよく、かつ、分極方向を同一方向又は逆方
向として配置させてもよい。

しかして、第１図ないし第３図ではこのような構造のた
わみ振動子１０を略図的に示すものである。このような
たわみ振動子１０は、例えば第２図(b)に振動変位分布
の特性Ａを示すように、その軸方向に１波長でたわみ共
振するように構成されている。そして、たわみ振動子１
０には左右両側の４箇所のノード位置Ｎ₁，Ｎ₂，
Ｎ₁′，Ｎ₂′に位置させて円錐状凹み２９が形成されて
いる。この内、ノード位置Ｎ₁′，Ｎ₂′の円錐状凹み２
９に対してはホルダー１１に固定された２個のとがり先
ピン３０が係止し、ノード位置Ｎ₁，Ｎ₂の円錐状凹み２
９に対してはホルダー１１に進退自在に取付けられた２
本のとがり先ボルト３１の先端が係止しており、これら
のとがり先ボルト３１を締付けることにより、たわみ振
動子１０はホルダー１１によつて左右両側より固定支持
されている。つまり、たわみ振動子１０は４箇所のノー
ド位置にて点当り状態で支持されている。

そして、たわみ振動子１０は出力端部２１より第１のノ
ード位置Ｎ₁，Ｎ₁′付近までエクスポネンシヤル段部２
２を含めて細径形状に構成されており、出力端部２１で
のたわみ振動変位が拡大されるように設定されている。
しかして、このようなたわみ振動子１０の出力端部２１
に被加工物３２の切削加工を行なう工具であるバイト３
３を直接取付けている点が本実施例の大きな特徴であ
る。

このように、出力端部２１にバイト３３を取付けたわみ
振動子１０をホルダー１１に支持させた状態で用い、こ
のたわみ振動子１０をたわみ振動させると、出力端部２
のバイト３３は第２図(a)に示す状態で上下方向に大き
く共振振動を行なう。よつて、矢印方向に回転している
被加工物３２にバイト３３の先端を押し当てれば、被加
工物３２の振動切削加工が行なわれることになる。

よつて、本実施例のようにたわみ振動子１０の出力端部
２１に直接バイト３３を設けた切削装置によれば、極め
て簡単な構造であるとともに、従来の超音波振動切削装
置におけるような縦形振動子が不要となる。更には、振
動振幅拡大比も大きくとれ、従来の振動系に比べてその
全長がかなり短くてもよく、装置の小型・コンパクト化
も図れる。

又、たわみ振動子１０におけるたわみ振動のノード位置
Ｎ₁，Ｎ₂，Ｎ₁′，Ｎ₂′にて点当り状態で固定保持して
いるので、振動体（即ち、たわみ振動子１０）の保持や
交換が簡単かつ確実となる。又、点当り保持により振動
損失も少なく効率のよい駆動となる。ここで、このよう
なたわみ振動子１０を点当り状態で保持する理由につい
て第２図(c)を参照して説明する。まず、第２図(c)はた
わみ振動子１０の側面より見た瞬時的な振動変位分布を
各々の矢印Ｂの大きさと方向とで示すものであり、同図
(b)に示した軸線上でのたわみ振動変位分布の特性Ａに
対応させてある。Ｌはループ位置を示す。第２図(c)中
の各々の矢印Ｂからも理解し得るように、ノード位置Ｎ
₁，Ｎ₂であつても、たわみ振動子１０の軸線上から離れ
た位置では軸方向に変位しており、ノード位置₁，Ｎ₂で
あつて、かつ、中心軸上の点のみが常に静止してい
ることになる。即ち、点を中心として隣り合うノー
ド位置₁，Ｎ₂毎に向きを変えて回動方向に変位する。こ
のようなことから、たわみ振動子１０の理論的な静止点
である点にて、点当り状態で保持させるものであ
る。

ところで、たわみ振動子１０における電歪素子１７が難
れも厚み方向に対して同方向に分極されて配置されてい
る場合には、たわみ振動子１０の駆動系は第７図に示す
ように構成すればよい。第７図では、絶縁部１３により
２分割された電歪素子１７ａ，１７ｂ各々に矢印で残留
分極の方向を示してある。まず、各々の電極板１８，１
９は出力トランス３４の２次巻線３５の両端に接続され
ている。この２次巻線３５のセンタータツプ３６は検出
抵抗Ｒｓを介して接地されている。一方、出力トランス
３４の１次巻線３７の両端には駆動電源３８が接続さ
れ、その一端が設置されている。又、共通電極板２４は
接地されている。

このような構成において、駆動周波数をたわみ振動子１
０の共振周波数に合せた駆動電源３８より励振させる
と、出力トランス３４の２次巻線３５により、各々逆相
の駆動電圧が電源板１８，１９に印加される。よつて、
分割された一方の電歪素子１７ａが伸びた時には他方の
電歪素子１７ｂは縮むことになり、たわみ振動子１０は
共振振動を発生する。これにより、出力端部２１に設け
られたバイト３３は、ノード部分のステツプにより軸と
直角方向（上下方向）に大きく振動して、回転する被加
工物３２に押し当てることにより切削加工が行なわれ
る。

ところで、バイト３３の振動方向は被加工物３２の接点
方向であるが、従来例でも示したように軸方向の背分力
がバイトに印加されると振動切削効果が削減してしま
う。従つて、バイト３３にはこのような背分力がかから
ないような状態に、たわみ振動子１０の軸線の角度を設
定するのがよい。このためには、例えばこのような背分
力を検出し、振動子軸線の角度設定に細してこの背分力
が零（Ｎull）となるようにすればよい。角度設定は、
例えばホルダー１１の工作機械に対する取付け角度調整
によりなし得る。

ここに、背分力の検出について第７図により説明する。
第７図においては、検出抵抗Ｒｓには両方の電歪素子１
７ａ，１７ｂに同時に同一方向の応力が印加された時に
圧電現象により信号電圧Ｅｓを発生する。従つて、たわ
み振動に対しては、両圧電素子１７ａ，１７ｂは伸縮方
向が逆であるので、その振動方向成分の負荷に対しては
信号電圧Ｅｓが検出されない。一方、切削加工時に背分
力が引火されると、軸方向に力を受けて信号電圧Ｅｓが
発生するので、背分力の有無が判別される。よつて、検
出抵抗Ｒｓの両端の信号電圧Ｅｓの値をモニターしなが
ら被加工物３２に対するたわみ振動子１０の軸線の角度
設定を行なうようにすればよい。なお、背分力の検出機
能が不要であれば、検出抵抗Ｒｓを省略し、出力トラン
ス３４の２次巻線３５のセンタータツプ３６を直接接地
すればよい。

このようなことは、バイト３３の振動方向が軸と直角方
向からずれている場合であつても適用できる。即ち、第
８図に示すようにバイト３３の刃先の振動方向が軸と直
角な方向からずれている時に、それが被加工物３２から
の背分力Ｐｔを含めた合力Ｐの方向と一致しないと、軸
方向成分がたわみ振動子１０に印加されるために、検出
抵抗Ｒｓ両端の信号電圧Ｅｓによつて振動方向の異常が
発見されることになる。即ち、バイト３３の振動方向の
軸線と直角方向からのずれを含めて、被加工物３２の反
作用の方向と一致させ、良好なる振動切削条件に設定す
ることができる。

なお、第９図に示すように電歪素子１７の分割線を境に
して厚み方向に対して残留分極の方向を逆向きとさせた
電歪素子１７ａ，１７ｂを持つたわみ振動子１０を用い
る場合には、この第９図に示すような駆動系とすればよ
い。即ち、各々の電極板１８，１９をたわみ共振周波数
の同相電圧で励振させるものであり、第７図との対比で
は駆動電源と検出抵抗との接続位置を取替えたものとし
て考えればよい。まず、検出トランス３９の１次巻線４
０の両端が電極板１８，１９に接続され、１次巻線４０
のセンタータツプ４１には駆動電源４２が接続されて接
地されている。一方、２次巻線４３の両端には検出抵抗
Ｒｓが接続され、その一端が接地されている。

これによれば、駆動電源４２からの励振出力が両方の電
歪素子１７ａ，１７ｂに同相で印加されるので、一方の
電歪素子１７ａ又は１７ｂが伸びた時には他方の電歪素
子１７ｂ又は１７ａは縮むことになり、たわみ共振振動
することになる。ここに、電歪素子１７ａ，１７ｂに均
等な軸方向振動が感知されると、各々逆相の電圧を発生
するので、検出抵抗Ｒｓの両端に信号電圧Ｅｓが検出さ
れる。この場合も、検出機能が不要であれば、電極板１
８，１９は並列接続して駆動電源４２に直接接続すれば
よい。

又、第１０図に示すようにたわみ振動子１０の４点支持
位置となる円錐状凹み２９の位置内に電歪素子１７が位
置しないように、この電歪素子１７の配置位置を変えて
もよい。これによれば、電歪素子１７が４点当り支持点
外に位置するので、振動子組立て時の締着によるノード
位置、即ち円錐状凹み２９位置の相対的な位置ずれを防
止することができる。

つづいて、本発明の第二の実施励を第１１図により説明
する。本実施例は、たわみ振動子１０の出力端部側にバ
イト３３を直接取付けず、バイト３３付きのバイトホル
ダー４４を介して締着リング４５により取付けるように
したものである。まず、金属材２３の出力端部２１には
位置合せ用のスリツト４６が形成されているとともに周
面上には雄ねじ４７が形成されている。一方、バイトホ
ルダー４４の端部には前記スリツト４６に嵌合してバイ
ト３３の方向、即ち、角度合せを行なうための板状突起
４８が形成され、かつ、端部周面上には雄ねじ４９が形
成されている。そして、締着リング４５の内周部にはこ
れらの雄ねじ４７，４９に螺合して振動子１０・バイト
ホルダー４４間を着脱自在に締着結合させる右及び左ね
じ５０が形成されている。もつとも、締着リング４５に
代えて、例えば袋ナツトなどによりたわみ振動子１０の
先端にバイトホルダー４４を締着取付けさせるようにし
てもよい。

このように、バイト３３を備えたバイトホルダー４４を
締着リング４５等を用いて着脱自在に取付ければ、予め
各種バイトの取付けられたバイトホルダーを用意してお
き、加工に応じて必要なバイトを有するバイトホルダー
を交換取付けすればよく、バイト＋振動子単位で交換す
るような必要がなくなり、バイトの選択や交換作業が容
易となる。

ところで、本実施例においては、振動変位分布が第１１
図(b)に示す特性Ａのように、例えばたわみ振動子１０
の後端からバイト３３先端までに１．５波長分の定在波
が生ずるように設定され、バイトホルダー４４による連
結位置がノード位置Ｎ_３に位置する点も大きな特徴点で
ある。つまり、たわみ振動子１０とバイトホルダー４４
との連結点は強度的に弱いものであるが、このような連
結点もノード位置Ｎ_３に位置することにより強度的な問
題を生じないものとなる。又、バイトホルダー４４先端
のバイト３３はループ位置に位置するので、大きな振動
振幅が得られる。

なお、本実施例では旋盤への応用を想定して説明した
が、例えば平削り盤や形削り盤などの他の切削加工機械
にも適用できるものである。

又、たわみ振動１０の形状としても、断面円形状に限ら
ず、例えば断面方形状のものであつてもよい。

発明の効果本発明は、上述したようにたわみ振動子の出力端にバイ
トを取付けたので、従来におけるような大きな容積の縦
形振動子を不要にして被加工物の超音波振動切削を行な
うことができ、切削作業が容易となり、構造的にも小型
・コンパクトのものとなり、この際、バイトを取付ける
金属材に振動振幅拡大用の断面変形部を形成すれば、バ
イト部分に大きな切削用振動を得て効率よい切削がで
き、更には、バイトを直接取付けずにバイトホルダーを
介して締着リング等により取付けたので、所望のバイト
を有するバイトホルダーの着脱交換のみで加工作業に適
したバイトを装着して切削作業を行なわせることがで
き、バイト選択・交換等の便ならしめることができるも
のである。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第８図は本発明の第一の実施例を示すもの
で、第１図は概略斜視図、第２図は振動姿態等を含めて
示す縦断側面図、第３図は平面図、第４図はたわみ振動
子の基本的構造を示す断面図、第５図は電歪素子の斜視
図、第６図は電極板の斜視図、第７図は駆動系回路図、
第８図は側面図、第９図は変形例を示す駆動系回路図、
第１０図は変形例を示す概略側面図、第１１図は本発明
の第二の実施例を示す一部切欠いた側面図、第１２図は
従来例を示す側面図、第１３図は力方向等を示す側面図
である。１０……たわみ振動子、１７……電歪素子、２１……出
力端部、２２……エクスポネンシヤル段部（断面変形
部）、２３……金属材、２５……金属材、３３……バイ
ト、４４……バイトホルダー、４５……締着リング

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】厚み方向に分極され均等に２分割された１
枚又は複数枚の電歪素子本体の両面に金属材を締着具に
より一体的に締着したたわみ振動子を設け、このたわみ
振動子の一方の出力端部にバイトを設けたことを特徴と
する超音波振動切削装置。
【請求項２】バイトを出力端部に設ける金属材に、振動
振幅拡大用の断面変形部を形成したことを特徴とする特
許請求の範囲第１項記載の超音波振動切削装置。
【請求項３】厚み方向に分極され均等に２分割された１
枚又は複数枚の電歪素子本体の両面に金属材を締着具に
より一体的に締着したたわみ振動子を設け、このたわみ
振動子の一方の出力端部に右及び左雌ねじを持つ締着リ
ング又は袋ナツトにより角度を合せたバイトホルダーを
介してバイトを設けたことを特徴とする超音波振動切削
装置。