JPH07108401A - 超音波ねじり振動を用いた振動切削ユニット - Google Patents
超音波ねじり振動を用いた振動切削ユニットInfo
- Publication number
- JPH07108401A JPH07108401A JP5254555A JP25455593A JPH07108401A JP H07108401 A JPH07108401 A JP H07108401A JP 5254555 A JP5254555 A JP 5254555A JP 25455593 A JP25455593 A JP 25455593A JP H07108401 A JPH07108401 A JP H07108401A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】超音波ねじり振動切削ユニットを小型化し、加
工前の調整作業の簡略化を図る。 【構成】超音波ねじり振動を発生する超音波振動子１１
と、該振動子に取り付けられ、該振動子より発生した超
音波振動の振幅を拡大し、伝達するホーン１２と、ホー
ン先端にねじ止めされた切削用チップ１３とで振動切削
ユニットを構成する。
工前の調整作業の簡略化を図る。 【構成】超音波ねじり振動を発生する超音波振動子１１
と、該振動子に取り付けられ、該振動子より発生した超
音波振動の振幅を拡大し、伝達するホーン１２と、ホー
ン先端にねじ止めされた切削用チップ１３とで振動切削
ユニットを構成する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は金属材料、脆性材料、プ
ラスチック材料等の切削加工装置に使用される振動切削
ユニットに関する。
ラスチック材料等の切削加工装置に使用される振動切削
ユニットに関する。
【０００２】
【従来技術】近年の難削材加工の増加に伴い超音波振動
切削加工技術が注目されている。ニッケル基耐熱合金
や、チタン合金といった難削性の高い材料を切削加工す
る場合工具摩耗が大きく工具寿命が極めて短い。このよ
うな難削材に超音波振動切削加工を適用することにより
工具寿命が数十倍から数百倍に延びることが確かめられ
ている。超音波振動切削技術を用いて切削加工を行なう
従来から用いられている振動切削ユニットを図３に示
す。発振器からの高周波電気信号は縦振動を発生する振
動子３１に入力され、ここで機械的な超音波振動に変換
される。さらに、この振動子に取り付けられた振幅拡大
ホーン３２で振幅が拡大され、ホーンの先端に取り付け
られたたわみ振動体３３に伝達される。このたわみ振動
体３３は、振動子から発せられた超音波振動の振動周波
数とほぼ同じ周波数で振動されるようにあらかじめ設計
されていて、振動子から発生した縦振動はホーンで伝達
され、このたわみ振動体３３でたわみ振動（定在波）に
変換される。たわみ振動体３３の先端には切削用チップ
３４が取り付けられていて、伝達された超音波振動は、
切削チップ３４を、加工物の切削時の主分力方向に振動
させ切削が行なわれる。たわみ振動体に伝達された超音
波は定在波となるため、振幅がほぼ０となるノード点が
できる。この部分をたわみ振動体固定用治具３５で固定
することにより、振動系全体をサポートし、旋盤の刃物
台への取り付けを可能にする。
切削加工技術が注目されている。ニッケル基耐熱合金
や、チタン合金といった難削性の高い材料を切削加工す
る場合工具摩耗が大きく工具寿命が極めて短い。このよ
うな難削材に超音波振動切削加工を適用することにより
工具寿命が数十倍から数百倍に延びることが確かめられ
ている。超音波振動切削技術を用いて切削加工を行なう
従来から用いられている振動切削ユニットを図３に示
す。発振器からの高周波電気信号は縦振動を発生する振
動子３１に入力され、ここで機械的な超音波振動に変換
される。さらに、この振動子に取り付けられた振幅拡大
ホーン３２で振幅が拡大され、ホーンの先端に取り付け
られたたわみ振動体３３に伝達される。このたわみ振動
体３３は、振動子から発せられた超音波振動の振動周波
数とほぼ同じ周波数で振動されるようにあらかじめ設計
されていて、振動子から発生した縦振動はホーンで伝達
され、このたわみ振動体３３でたわみ振動（定在波）に
変換される。たわみ振動体３３の先端には切削用チップ
３４が取り付けられていて、伝達された超音波振動は、
切削チップ３４を、加工物の切削時の主分力方向に振動
させ切削が行なわれる。たわみ振動体に伝達された超音
波は定在波となるため、振幅がほぼ０となるノード点が
できる。この部分をたわみ振動体固定用治具３５で固定
することにより、振動系全体をサポートし、旋盤の刃物
台への取り付けを可能にする。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記のような超音波振
動切削を行なうユニットにおいては、縦振動系とたわみ
振動系の２種類の振動系から構成されているため、ユニ
ットが大型になり、ユニットを旋盤に取り付けて加工す
る場合には、心間が１ｍ程度の一般的な大きさの旋盤で
は刃物台をはずして、専用の治具を介して取り付けなけ
ればならないといった問題点があった。また、ＮＣ旋盤
の刃物台にも取り付けが困難である。さらに、縦振動か
らたわみ振動に変換しているため変換点での発熱があ
り、使用中にたわみ振動体の温度が徐々に上昇し、その
結果たわみ振動体が延び、連続した加工においては加工
物の寸法精度の維持が困難であるという問題点がある。
動切削を行なうユニットにおいては、縦振動系とたわみ
振動系の２種類の振動系から構成されているため、ユニ
ットが大型になり、ユニットを旋盤に取り付けて加工す
る場合には、心間が１ｍ程度の一般的な大きさの旋盤で
は刃物台をはずして、専用の治具を介して取り付けなけ
ればならないといった問題点があった。また、ＮＣ旋盤
の刃物台にも取り付けが困難である。さらに、縦振動か
らたわみ振動に変換しているため変換点での発熱があ
り、使用中にたわみ振動体の温度が徐々に上昇し、その
結果たわみ振動体が延び、連続した加工においては加工
物の寸法精度の維持が困難であるという問題点がある。
【０００４】さらに、たわみ振動体のノード点を治具で
サポートしているため、極めて微妙な位置調整が必要と
なりセッティングに熟練を要するといった問題点もあ
る。本発明の目的はこれらの問題点の解決にある。
サポートしているため、極めて微妙な位置調整が必要と
なりセッティングに熟練を要するといった問題点もあ
る。本発明の目的はこれらの問題点の解決にある。
【０００５】
【問題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
め、本発明は、「超音波ねじり振動を発生する超音波振
動子と、該振動子に取り付けられ、該振動子より発生し
た超音波振動の振幅を拡大し伝達するホーンと、ホーン
先端にねじ止めされた切削用チップとを有することを特
徴とする振動切削ユニット」を提供する。
め、本発明は、「超音波ねじり振動を発生する超音波振
動子と、該振動子に取り付けられ、該振動子より発生し
た超音波振動の振幅を拡大し伝達するホーンと、ホーン
先端にねじ止めされた切削用チップとを有することを特
徴とする振動切削ユニット」を提供する。
【０００６】
【作用】工具の切れ刃を主分力方向に超音波振動させな
がら切削する超音波振動切削を難削材に適用することに
より、切削抵抗が減少し加工時の発熱が減少するといっ
た作用により、工具寿命の延長といった効果生まれるこ
とが知られている。本発明では、一部の超音波溶接器で
用いられている超音波ねじり振動を発生する振動子を利
用し、切削工具に超音波振動を与え、超音波振動切削で
旋削加工を行なえるユニットとした。超音波ねじり振動
（一般に２０ｋＨｚ〜４０ｋＨｚ）は超音波縦振動と比
較すると固体中を伝達する音波の速度が６０％程度にな
る。例えば、鋼材の場合縦振動では秒速５２００ｍであ
るがねじり振動では秒速３２００ｍ程度である。そのた
め振動系を構成する振動体の材種が同じで、振動周波数
が同じであるならば、ねじり振動の場合は縦振動と比較
して、振動体の長さを４０％程度短くすることができ
る。以上のようにねじり振動を用いて振動切削ユニット
を構成することによって、装置の大幅な小型化が達成さ
れる。図２は、超音波ねじり振動切削ユニットの切削チ
ップ取り付け部分の正面図（図２Ａ）及び側面図（図２
Ｂ）を示す。このように、本発明のユニットでは振幅拡
大ホーンの先端外周部に切削チップが取り付けられてい
るため、ホーンのねじり方向の振動は切削チップ先端の
円弧振動となり、振動切削が可能となる。そのため、従
来の振動切削装置のように縦振動からたわみ振動に振動
形態を変換する必要がない。
がら切削する超音波振動切削を難削材に適用することに
より、切削抵抗が減少し加工時の発熱が減少するといっ
た作用により、工具寿命の延長といった効果生まれるこ
とが知られている。本発明では、一部の超音波溶接器で
用いられている超音波ねじり振動を発生する振動子を利
用し、切削工具に超音波振動を与え、超音波振動切削で
旋削加工を行なえるユニットとした。超音波ねじり振動
（一般に２０ｋＨｚ〜４０ｋＨｚ）は超音波縦振動と比
較すると固体中を伝達する音波の速度が６０％程度にな
る。例えば、鋼材の場合縦振動では秒速５２００ｍであ
るがねじり振動では秒速３２００ｍ程度である。そのた
め振動系を構成する振動体の材種が同じで、振動周波数
が同じであるならば、ねじり振動の場合は縦振動と比較
して、振動体の長さを４０％程度短くすることができ
る。以上のようにねじり振動を用いて振動切削ユニット
を構成することによって、装置の大幅な小型化が達成さ
れる。図２は、超音波ねじり振動切削ユニットの切削チ
ップ取り付け部分の正面図（図２Ａ）及び側面図（図２
Ｂ）を示す。このように、本発明のユニットでは振幅拡
大ホーンの先端外周部に切削チップが取り付けられてい
るため、ホーンのねじり方向の振動は切削チップ先端の
円弧振動となり、振動切削が可能となる。そのため、従
来の振動切削装置のように縦振動からたわみ振動に振動
形態を変換する必要がない。
【０００７】また、振幅拡大ホーンの先端を長くして振
動次数を高くすることで内周切削加工への適用も可能に
なる。
動次数を高くすることで内周切削加工への適用も可能に
なる。
【０００８】
【実施例】図１は超音波ねじり振動を用いた振動切削ユ
ニットの実施例である。発振器１６からの高周波電気信
号は給電用コネクタ１４を介して超音波ねじり振動を発
生するボルト締めランジュバン型電歪ねじり振動子１１
に印加される。該振動子の先端には該振動子より発生し
たねじり振動の振幅を拡大し、伝達する振幅拡大用ホー
ン１２がねじ止めされており、超音波ねじり振動が該ホ
ーンを通過する際に振動振幅が数倍に拡大される。振幅
拡大用ホーン１２の先端外周部には、切削用チップ１３
がねじ止めされる。ねじり振動子１１、振幅拡大用ホー
ン１２、切削用チップ１３はねじり振動子１１の固有振
動数とほぼ同じ振動数で定在波が発生し共振する振動系
となっている。図２に示されるように切削用チップ２２
は振幅拡大ホーン２１の先端切り欠き部分に固定用ねじ
２３によって取り付けられ切削チップの先端の振動方向
２４はホーン端面中心より切削チップ先端までの距離を
半径とした、円弧状の振動となる。実施例１において
は、無負荷時の振動系の共振周波数は約２０．４ｋＨ
ｚ、切削用チップ刃先振幅は、発振器の出力２０Ｗで約
２５μｍで、ユニットの重量は４．２ｋｇで、全長は２
４０ｍｍである。実施例２においては、無負荷時の振動
系の共振周波数は約２８．１ｋＨｚ、切削用チップ刃先
振幅は、発振器の出力１５Ｗで約２０μｍで、ユニット
の重量は１．７ｋｇ、全長は１８０ｍｍである。図４
は、本発明の超音波ねじり振動切削ユニットを汎用旋盤
に取り付けた状態を示す。図５は実施例１の超音波ねじ
り振動切削ユニットを取り付けた旋盤を用いて難削材で
あるインバーの内周切削加工をし、表面あらさの測定デ
ータである。加工条件は回転数１２０ｒｐｍ、送り速度
０．０５ｍｍ／ｒｅｖ、切り込み０．１ｍｍ、切削工具
材種；ダイヤモンド（先端Ｒ＝０．４）、加工内周直径
２５ｍｍ、加工内周長さ１００ｍｍである。
ニットの実施例である。発振器１６からの高周波電気信
号は給電用コネクタ１４を介して超音波ねじり振動を発
生するボルト締めランジュバン型電歪ねじり振動子１１
に印加される。該振動子の先端には該振動子より発生し
たねじり振動の振幅を拡大し、伝達する振幅拡大用ホー
ン１２がねじ止めされており、超音波ねじり振動が該ホ
ーンを通過する際に振動振幅が数倍に拡大される。振幅
拡大用ホーン１２の先端外周部には、切削用チップ１３
がねじ止めされる。ねじり振動子１１、振幅拡大用ホー
ン１２、切削用チップ１３はねじり振動子１１の固有振
動数とほぼ同じ振動数で定在波が発生し共振する振動系
となっている。図２に示されるように切削用チップ２２
は振幅拡大ホーン２１の先端切り欠き部分に固定用ねじ
２３によって取り付けられ切削チップの先端の振動方向
２４はホーン端面中心より切削チップ先端までの距離を
半径とした、円弧状の振動となる。実施例１において
は、無負荷時の振動系の共振周波数は約２０．４ｋＨ
ｚ、切削用チップ刃先振幅は、発振器の出力２０Ｗで約
２５μｍで、ユニットの重量は４．２ｋｇで、全長は２
４０ｍｍである。実施例２においては、無負荷時の振動
系の共振周波数は約２８．１ｋＨｚ、切削用チップ刃先
振幅は、発振器の出力１５Ｗで約２０μｍで、ユニット
の重量は１．７ｋｇ、全長は１８０ｍｍである。図４
は、本発明の超音波ねじり振動切削ユニットを汎用旋盤
に取り付けた状態を示す。図５は実施例１の超音波ねじ
り振動切削ユニットを取り付けた旋盤を用いて難削材で
あるインバーの内周切削加工をし、表面あらさの測定デ
ータである。加工条件は回転数１２０ｒｐｍ、送り速度
０．０５ｍｍ／ｒｅｖ、切り込み０．１ｍｍ、切削工具
材種；ダイヤモンド（先端Ｒ＝０．４）、加工内周直径
２５ｍｍ、加工内周長さ１００ｍｍである。
【０００９】本発明の実施例１に示した装置において
は、従来の超音波振動切削装置と比較して、重量で約１
／９程度になった。実施例２の装置では、従来の超音波
振動切削装置と比較して、重量が約１／２０程度になっ
た。また、大きさも大幅に小型化され、汎用旋盤の刃物
台やＮＣ旋盤の刃物台への取り付けが可能になった。
は、従来の超音波振動切削装置と比較して、重量で約１
／９程度になった。実施例２の装置では、従来の超音波
振動切削装置と比較して、重量が約１／２０程度になっ
た。また、大きさも大幅に小型化され、汎用旋盤の刃物
台やＮＣ旋盤の刃物台への取り付けが可能になった。
【００１０】
【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、ユニット
構成が極めて単純であり、調整箇所がないため、取り付
けセッティングが極めて容易である。また、従来のユニ
ットのような振動形態の変換（縦振動からたわみ振動）
がないため、発熱が少なく振動効率が高い。そのため加
工物の寸法精度が飛躍的に向上し，製品の量産加工にお
ける管理が極めて容易になる。また、ねじり振動を用い
ているため内周加工への適用が容易であり、内周切削時
に、シャンクのびびり振動を抑制する効果もある。
構成が極めて単純であり、調整箇所がないため、取り付
けセッティングが極めて容易である。また、従来のユニ
ットのような振動形態の変換（縦振動からたわみ振動）
がないため、発熱が少なく振動効率が高い。そのため加
工物の寸法精度が飛躍的に向上し，製品の量産加工にお
ける管理が極めて容易になる。また、ねじり振動を用い
ているため内周加工への適用が容易であり、内周切削時
に、シャンクのびびり振動を抑制する効果もある。
【図１】は、本発明の実施例にかかる超音波ねじり振動
切削ユニットの断面図である。
切削ユニットの断面図である。
【図２】は、実施例にかかる超音波ねじり振動切削ユニ
ットの切削チップ取り付け部分を示す概略図である。
ットの切削チップ取り付け部分を示す概略図である。
【図３】は、従来の縦振動とたわみ振動を用いた超音波
振動切削ユニットの概略側面図である。
振動切削ユニットの概略側面図である。
【図４】は、本発明の超音波ねじり振動切削ユニットを
汎用旋盤に取り付けた状態を示す概略平面図である。
汎用旋盤に取り付けた状態を示す概略平面図である。
【図５】は、実施例１にかかる超音波ねじり振動切削ユ
ニットを用いて内周切削加工を行なった時の表面あらさ
測定結果である。
ニットを用いて内周切削加工を行なった時の表面あらさ
測定結果である。
１１・・・ボルト締めランジュバン型電歪ねじり振動子 １２・・・振幅拡大用ホーン １３・・・切削用チップ １４・・・給電用コネクタ １５・・・振動子冷却用ファン １６・・・発振器 １７・・・ケース １８・・・ねじり振動姿態 ２１・・・振幅拡大用ホーン先端部 ２２・・・切削用チップ ２３・・・切削用チップ固定用ねじ ２４・・・振動方向 ３１・・・縦振動子 ３２・・・振幅拡大用ホーン ３３・・・たわみ振動体 ３４・・・切削用チップ ３５・・・たわみ振動体固定用治具 ３６・・・たわみ振動姿態 ４１・・・超音波ねじり振動切削ユニット ４２・・・旋盤刃物台 ４３・・・加工物 ４４・・・旋盤の主軸 ４５・・・チャック 以上
Claims (1)
- 【請求項１】 超音波ねじり振動を発生する超音波振動
子と、該振動子に取り付けられ、該振動子より発生した
超音波振動の振幅を拡大し、伝達するホーンと、ホーン
先端にねじ止めされた切削用チップとを有することを特
徴とする振動切削ユニット。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5254555A JPH07108401A (ja) | 1993-10-12 | 1993-10-12 | 超音波ねじり振動を用いた振動切削ユニット |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5254555A JPH07108401A (ja) | 1993-10-12 | 1993-10-12 | 超音波ねじり振動を用いた振動切削ユニット |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07108401A true JPH07108401A (ja) | 1995-04-25 |
Family
ID=17266675
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5254555A Pending JPH07108401A (ja) | 1993-10-12 | 1993-10-12 | 超音波ねじり振動を用いた振動切削ユニット |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07108401A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102008052326A1 (de) * | 2008-10-20 | 2010-04-22 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Werkzeughalter an einer Werkzeugmaschine und Bearbeitungsverfahren eines Werkstücks |
| CN109158622A (zh) * | 2018-10-16 | 2019-01-08 | 东华理工大学 | 一种基于普通车床的纵向超声振动车削装置 |
-
1993
- 1993-10-12 JP JP5254555A patent/JPH07108401A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102008052326A1 (de) * | 2008-10-20 | 2010-04-22 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Werkzeughalter an einer Werkzeugmaschine und Bearbeitungsverfahren eines Werkstücks |
| DE102008052326B4 (de) * | 2008-10-20 | 2013-09-19 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Werkzeughalter an einer Werkzeugmaschine und Bearbeitungsverfahren eines Werkstücks |
| CN109158622A (zh) * | 2018-10-16 | 2019-01-08 | 东华理工大学 | 一种基于普通车床的纵向超声振动车削装置 |
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