JPS62225280A - 超音波振動を振動工具に伝達する方法 - 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〕 この発明は通常の超音波振動技術において超音波振動を
振動工具に伝達する方法に係り、特に共振をとりにくい
任意形状の振動工具でも、加工作業等を行なうに充分な
振動を伝達する方法に関するものである。

〔従来の技術〕

従来超音波振動を利用した超音波振動加工、あるいは放
電加工電極に超音波振動を加えた超音波振動加工、切削
工具に超音波振動を加えた超音波切削加工などが知られ
ている。これらは、振動工具を振動系に装着したとき加
工に必要な振幅を発生させるためには、振動系全体が共
振する振動数になるように振動工具の形状寸法、重量を
調整する必要があり、その調整に著るしい手数を必要と
した。そのためには超音波振動を応用した加工法は、有
効な作用効果を有しているにもかかわらず、発展しない
ままで今日に至っている。

すなわち、特定形状の振動工具を製作しようとしても、
（１）計算や設計が面倒。（２）放電加工の電極の設計
・製作のように自由にはならない。固有振動数を振動発
生装置がもつ振動数に合せる必要があるため、寸法形状
に制約を受ける。

（３）振動発生装置への装着固定にねじ等を必要とする
。（４）装着固定後にも共振がとれろように経験的な技
能によって微少寸法を振動工具から取り除いたゆ、附加
させたりする調整作業を必要とした。

次に従来技術について第１６図にて説明する。

第１６図（ａ）は従来の超音波加工装置の構成図であり
、（１）は磁歪振動子、（２）は振幅拡大具、（３）は
振動工具、（４）は発振器でありこれらによって超音波
加工装置が構成され、これがフランジ（５）を介して支
持され支柱（６）によって支えられている。磁歪振動子
（１）は（電磁振動子が用いられるときもある）発振器
（４）からの交番磁界によって高周波振動を行なうもの
である。上記振幅拡大具（２）の先端を細くしているこ
とは、第１６図（ｂ）に示すごとく磁歪振動子（１）の
振幅だけでは加工等を効率よく行なうのに不充分なため
、振幅を拡大するためのものである。図中（５）はフラ
ンジで振幅拡大具（２）の支持点である。そしてさらに
その先端には加工工具（７）を取り付けた振動工具（３
）を第１６図（ｃｌのごとくねじ（８）によって接合固
定している。（９）は油圧装置で、この油圧装置にはお
もり（１の、ダイヤルインジケータ（１１）が装着され
ている。（１）は加工物である。

なお振幅拡大具（２）の拡大作用については第１７図に
示し、振動工具（３）が加工に必要な振動を生じるため
には、磁歪振動子（１）、振幅拡大具（２）、振動工具
（３）のそれぞれの固有振動数ｆ工、ｋ、ｆｓ　　が等
しく、そして発振器（４）は、この固有振動数に等しい
周波数ｆ４の高周波電力を供給することが必要である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来技術では、放゛１ニ加工に超音波振動を重畳すれば
、仕上面あらさの精細な点で有効な作用効果があるが、
任意形状電極の共振が困難、電極消耗による固有振動数
変化に対処することが困難などがあり実用には供さなか
った。

また、最近精密嵌合を行なうのに超音波振動を嵌合部材
に加えながら圧入すると、こじることなく円滑に嵌合で
きることを我々は発見したが、不特定固有振動数の嵌合
部材への振動伝達が不可欠であり、振動体に固定結合し
たのでは、共振困難のみならず、作業遂行１奢るしく不
便であるなどの問題点があった。

この発明は任意の形状（任意の固有振動をもつ）の物体
に、加工作業等に充分な超音波振動を与えることを目的
としたものである。加工目的に必要な形状の工具、作業
目的に必要な部材に、その形状、材質等により定まる固
有振動数に応じた超音波振動を伝達させる超音波振動を
振動工具に伝達する方法を得ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係る超音波振動を振動工具に伝達する方法は
、任意の固有振動を有し、任意の形状の超音波振動工具
を用いて超音波砥粒加工、超音波電解加工、超音波放電
加工、超音波切削加工、超音波放電解加工、超音波塑性
加工、超音波鋳造、超音波嵌合などの超音波振動加工ま
たは超音波重畳作業を行なう場合において、振動工具ま
たは振動部材を振動発生体と固定的に結合することなく
、振動工具または振動部材に対し振動発生体を押し付け
ること、もしくは接触することによって超音波振動を振
動工具または振動部材に伝達するようにしたものである
。

〔作用〕

この発明においては、振動工具または振動させたい部材
すなわち、振動部材に対し１機械的に固定結合すること
なく、超音波振動している振動体を押し付けることによ
り、振動工具または振動部材に超音波振動が伝達される
。

〔発明の実施例〕

この発明は、振動工具を振動発生体に対し、機械的に固
定結合することなく、振動工具、または振動させたい部
材に対し、超音波振動をしている振動体を押しつけるこ
とにより、振動工具または部材に超音波振動を伝達させ
うろことにはじまる。

この状態を第１図に示す。長さの異る５種数の棒を１７
．３　ｆｌｚの超音波振動子によって叩いた時の振動波
形を示す。

超音波振動子の固有振動数と棒の固有振動数は、共振関
係になくとも、棒の縦振動を発生していることがわかる
。振動工具または部材の振動している状態を測定観察し
たものを第１図に示す。部材が本来持っている固有振動
数ｆｎと超音波振動装ｆｒ周波数ｆｒ　　と重畳したよ
うな振動状態を示し、ｆｒｒより高い固有振動数（／ｎ
＝　２５．０〜５０．０　ＫＨｚ）の方はｆｒに栖する
周期に於て振幅が大きく　、ｆｒより低い方（Ｉｎ　＝
　１４．７〜１１．４　ＩＧＩｚ）では、部材のもって
いる固有振動数（／ｎ）に相当する周期に於て振幅が大
きいことが見られる。

したがって、このように伝達された振動によって、加工
作業等が行なわれるだけの振幅を与えるように、充分な
打撃力をもつ超音波出力によって振動伝達を行なえばよ
いことになる。

充分な打撃力を与えるには、超音波振動体を部材に強く
押付けた時に、押付る前の振幅よりもあまり減少しない
だけの出力であればよい。

第２図はこの発明の一実施例を示し、セラミックスの超
音波加工装置として用いられた構成図である。

図において、α３）は超音波振動子で、高周波発振器（
１４）によって駆動されている。（１５）は振幅拡大大
具、（１６）は超音波振動工具で上記振幅拡大具（１５
）によって叩き超音波振動を超音波振動加工に伝達する
。超音波振動工具αΦの先端部には加工形状に対応した
工具が取り付けられている。この超音波振動工具（１の
の上端部が振幅拡大具αΦによって叩かれ先端振動する
。（１′Ｑはノード支持ボルトで超音波振動工具（１の
のノードｌ振動Ｗ）付近を支持している。（功はガイド
で、上記超音波振動工具が垂直方向に動作し易い様設け
られ、ガイド（１８）と超音波振動工具（１のとの摩擦
は超音波振動作用により小さくなる。高周波発振器α◇
は加工物α９）、油圧装置Ｇ２０）、おもり（２１）と
によって加工物α９）、超音波振動工具α６）が加圧さ
れた後、超音波振動工具（１のの振幅が大きくなるよう
調整することもある。セラミックスである加工物（１の
は、砥粒ポンプ（２１）からの砥粒を水に懸濁した流体
は、超音波振動工具αのの上下振伸により工具と加工物
間とに隙間ができるために加工隙間に入り込み加工を行
なう。油圧装置ＣΦでは、おもりＩ２！０によって加圧
された油は油圧シリンダ（２）に送られ、加工台ＱΦを
押し上げる。超音波振動工具（１６）も振動拡大具（１
のと加工物（１９）の間で加圧され、振動伝達および加
工圧力を生じる。

おもり＠）は油圧に一定圧力を加えている。油圧シリン
ダＧ２２）は加工台（２つを押し上げる。

上記のように構成された超音波加工装置によって行なわ
れる加工作用について説明する。

超音波振動工具（６）の先端形状を半焼結アルミナセラ
ミック（１１００℃半焼結）に加工を行なう。

このとき砥粒懸濁水が加工物α９にかけ続けられる。超
音波振動系の固有振動数は１７．３　ＫＨｚ　、超音波
振動工具（１Φの固有振動数は約１０　ＫＨｚで共振条
件には無い。

工具先端形状　　対辺距離２０−　六角形砥粒グリーン
カーボランダム　（ＧＣ，２５Ｑ）加工圧力　約ＩＫｇ
ｆ／ａｎ’ 振幅拡大具（１５）の先端振幅で　４０μｍ超音波振動
工具（１０の先端振幅で　３５μｍ加工速度　５分間で
１０ａ＋ｍの深さに達した。

この加工速度は同一形状の工具をねじ結合を行ない共振
条件を整えた後の加工速度と比べ大差がない。

この発明の実施に於ては、超音波振動工具とガイドとの
構造の関係と、加工作業の相異による（砥粒加工、放電
加工嵌合、塑性加工、切削加工などの用途の違い）特有
の構造もあるので、こればついて述べる。

Ａ、超音波振動工具とガイドとの構造の関係第２図に示
す超音波振動工具αの、ノード支持ポル）　（１７）、
ガイド（１８）に示す超音波振動工具（１のとガイド（
１６）との構造が実施上重要であり、これらに関し次に
示すような構造が有効である。

第３図は超音波振動工具とガイド部分の構成図で、超音
波振動工具（ｌのは、その縦振動のノード附近をノード
支持ボルトα７）によって固定されている。

超音波振幅拡大子Ｇ２４）によって加圧状態にありなが
ら叩かれる。超音波振動工具αのの上部が叩かれれば、
超音波振動具は振縮を行なうことになるが、縮む時はノ
ードを中心として太くなり、伸びる時はノードを中心と
して細くなる。

この棒の縦振動における伸縮と太さの変化を第４図に示
す。

したがって第３図のようにノード付近をノード支持ボル
ト（１つを固定する時には、ノードが太くなったり細く
なったりする変形運動を拘束することは、振動伝達を効
率的に進めるためには、好ましくない。その変形を自由
に行なわせるために超音波振動工具α６）の中心部分を
中空にしておけば、上記の変形運動は自由に行なわれる
。そのために、中空部（１６ａ）を設ける。（イ）は加
工工具部分（２のを超音波振動工具α６）に接合固定す
る工具接合部、（２７）はガイド保持アームである。超
音波振動工具αのの上下運動の方向を保つためにガイド
（１８）を設ける。

なお、ノードの支持の方法は、ボルトの代りに板パイ・
でもよい。

あるいは、つる巻きばねでノード部分を支えるようにし
てもよい。これを第５図に示す。

第５図において、（２Φはガイドで、このガイド（２８
）にはノード部分を支えるつる巻ばね（２０を有してい
る。

さらにノード部の支持ではなくループ（振動の腹）を板
ばね等で支持してもよい。これを第６図に示し、ガイド
（３のを超音波振動工具（１のに固定された板ばね（３
ｊ）で支持している。

ループ部分を磁石で吸引結合する例を第７図に示す。（
３２）は磁石で、この磁石（３）は超音波振動工具０の
に固着されている。これによって超音波振動工具（１６
）の落下を防止し超音波振幅拡大子Ｇ２４）と吸引力が
作用するようにしておくものである。この場合、超音波
振幅拡大子（２のは鉄鋼等の磁性体である。

Ｂ、超音波放電加工、電解加工、砥粒加工の場合次に放
電加工や電解加工、超音波砥粒加工に多く用いられる遊
星運動、揺動運動に対して、超音波を重畳させる実施例
を示す。

第８図に遊星運動もしくは揺動運動を示す。囚〜■）に
示すような各種の水平方向運動を与えながら、深さ方向
に加工を進めてゆくものである。これらの運動の寸法を
加工深さによって変化させるようにプログラムすること
も可能である。（Ｅ、Ｆ、）第８図において、囚−は１
５°単位の放射状運動、（刑は多角形運動、（０は任意
軌跡運動、（Ｄは円弧偏進運動の状況を示し、（ト）は
テーパー加工の状況を示し、上記（至）の）（Ｄ）の運
動の場合可能である。回は自動拡大加工の状況を示し、
上記（Ａ）０３）　ＣＤ）の運動の場合可能である。

第９図は超音波振動加工と、ＮＣ揺動運動との複合加工
の構成図であり、ｃ３３）はＮＣ装置に入力される紙テ
ープ、（３４）はキーボード、■）はＸ軸モータ、（３
のはＹ軸モータ、（３７）は２軸スケールである。（３
８）はＸ軸モータ（３５）およびＹ軸モータＱのによっ
て移動されるＸＹクロステーブル、（３９）は位置検出
器、（４Φは油圧シリンダー、（４１）は油圧装置であ
る。

加工テーブルにＮ、Ｃ揺動運動を与え、加工ヘッドに超
音波振動を加えたものである。このようにすれば、上記
の加工の加工速度は、２〜５倍程度に向上する場合が多
い。その理由は、加工生成物（加工屑など）の加工間隙
からの排除が容易であるからである。

第１０図は機械的操作による遊星運動を示す構成図であ
り、（３３）は駆動軸歯車、（３４）　（＋５）は従動
歯車である。機械的に遊星運動を行なう遊星運動取付台
（３のに振動工具（３７）を取り付け、超音波振動子（
３Φで叩くことによって、偏心寸法（３〕をもつ遊星運
動軌跡（４のに示す加工物ができ上る。

Ｃ０超音波塑性加工 第Ｕ図は超音波塑性加工の場合を示す構成図であり、（
４υは超音波振動工具αのに装置された雄型、（４２）
は雌型で、この雌型（４２）の下方より加圧して雌型（
４２）上に配置された板（４）を雄型０◇に超音波振動
与えることによって深絞りされる。

Ｄ、超音波放電解加工 第１２図は超音波放電解加工の場合を示す構成図であり
、（４４）はモータ、（４つは回転子で、この回転子（
４５）は超音波振動工具（ｌのとキー（４のを介し接合
されている。（４７）は回転子０５）を回転自在に支承
するベアリング、（！８）は回転子（４ツに固定された
プーリーで、上記モーター（４４）よりの回転力がベル
ト（イ））を介して回転子（４Φに伝達される。

０のは超音波振動工具（ｌのの下部に取り付けられた砥
石である。

超音波振動工具（ｌのはモーター（４４）によって高速
回転している。この超音波振動工具αのは超音波振動子
（２４）によって叩かれ、砥石（５のは超音波振動を行
ないながら研削加工を行なうことになる。

この砥石（５のにダイヤモンド砥石を使用する時は、焼
結されたセラミックスの加工を単なる砥石のみによる加
工にくらべ、５〜１０倍加工速度が向上する。

Ｅ、超音波作業チー・プル 第１３図、第１４図は複数の超音波振動子と振幅拡大具
とを併列に配置し、広い作業テーブルに大出力の超音波
振動を与える装置の構成図であり、第１３図は作業テー
ブルが上部に位置した場合を示し、（５１）は作業テー
ブル、（５２）は熱歪振動子、（５３）は作業テーブル
（５υの下部に位置し、上記熱歪振動子＠）と機械的に
結合された振幅拡大具、（５４）は超音波発振器で、こ
の超音波発振器（５４）より磁歪振動子（５２）へは直
列に接続され電力供給されている。モして磁歪振動子（
５）が基礎Ｃ５５）に当接しないよう空隙（５のを有し
て配設されている。（５７）は作業ケーブル（５１）を
基礎６５）を保持する固定ボルトである。

第１４図は作業テーブル（５１）が下部に位置した場合
を示し、（５１）は基礎台、Ｃ５８）はリード線端子台
である。そして磁歪振動子（５２）が基礎台（５７）に
当接しないよう空隙（５のを有して配設されている。

上記第１３図、第１４図の場合において、磁歪振動子（
５〕、振幅拡大具Ｓ３）から構成され、同位相で振動す
る必要があるため、超音波発振器（５少からの電力供給
は位相が同一になるように処置する必要がある。このた
め上記実施例では、磁歪振動子Ｃ５２）への電力供給を
直列に結線しているものである。磁歪振動子（５２）は
ｉ幅拡大具（５３）に機械的に結合されているが、振幅
拡大具（５ツのノード（節、不動点）付近を保持して、
それが基礎（５５）に取り付けられている。

これによって作業テーブルｃｉｐは、振幅拡大具（５３
）の先端を介して超音波で叩かれることになる。

この作業テーブル（５１）は超音波加工、超音波研削、
超音波放電加工、超音波フライス加工等に用いられる。

なお、第１４図に示す超音波作業へ・ノドについては、
超音波放電加工の電極取り付け、大面禎の超音波加工に
用いられる。作用については、第１３図に示す超音波作
業テーブルの場合と全く同様である。

Ｆ、ガイドの摩耗の問題 上述した各実施例に超音波振動工具αのをガイド（１８
）　（２８）　（３のによって振動方向に案内している
が、その時の摩擦系数は動摩擦系数よりも低く、通常、
静摩擦系数が０．２程度に対して０．０２程度と低下し
ている。そのため超音波振動工具（１・とガイド（ＩＥ
Ｄ　（２ｇ）　（３Φとの隙間を小さくすることができ
る上、潤滑剤は供給しなくてもよい。

Ｇ、超音波振動発振器の発振周波数の調整通常の加工作
業においては上述のように、任意の固有振動数の振動工
具もしくは部材を、超音波振動子で叩けば、振動伝達が
可能である。

しかし、第１ｒ！Ａからも判るように、振動伝達の効率
を上げるためには、叩かれる方の部材の固有振動の位相
に会うように、叩く周波数を変えるとよい場合がある。

すなわち、位相がそろっている例は、第１図のｊ＝５０
の時である。他は位相が合っていないので、効率が悪く
振巾は、同一超音波エイ、ルギーによっても５０〜６０
％となることがある。

このような場合には、塩６図に示す発振器（４）の周波
数を　１０％程度変化させてみることが有効である。

これを自動的に行なうには、第１図の上段のように、Ｗ
ＬｔＭＪ工具にピエゾ素子や加速度計・速度計等をつけ
ておき、加工中にそれから発生する出力が最大になるよ
うに発振周波数を制御すればよい。

ピエゾ素子等からの出力をＷとすれば ｗ □二〇 ｔ となるように、周波数を制御する。

発振器の周波数を変えて振動子を共振させうる範囲はせ
いぜい±５〜±１０％程度である。

それ以上広範囲に変えるには、振動系を変えなければ最
適値は求まらない。

その場合は、振動子の適当な位置に質量をとりつけ、そ
れによって固有振動数を変える方法をみ明した。

第１５図は、機械振動系の固有振動数の調整方法を示し
、超音波振動拡大子Ｇ２４）に多数個の穴部（２４ａ）
を設け、この穴部（２４ａ）内に質量となるナツト状の
ものを挿入固定する。ループ（図中Ａで示す）に近い程
、慣性力が大きく、周波数は低下する。ノード（図中Ｂ
で示す）では影響は著しく小さい。ナツト状のものとし
ては、ねじを作りり、ねじ結合してもよい。また第１５
図（ｃ）で示す凸部を有するリング状の磁石ｃ５４）を
作り、上記穴部ン （２４ａ）に塑合させてもよい。

〔発明の効果〕

この発明１よ′以上説明したとおり、振動工具または振
動部材を振動発生体と固定的に結合することなく、振動
工具または振動部材に対し振動発生体を押し付けること
、もしくは接触することによって超音波振動を振動工具
または振動部材に伝達するので、加工作業に充分な超音
波振動をうろことができ、円滑に作業を行なうことがで
き、応用性に優れるなどの効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は超音波振動子にて棒を叩いた時の振動の伝わり
方を説明するための説明図、第２図はこの発明の一実施
例を示すセラミックスの超音波加工装置の構成図、第３
図は超音波振動工具とガイド部分の詳細を示す構成図、
第４図は棒の縦振動における伸縮と太さの変化を示す状
態図、第５図〜第７図、第９図〜第１５図は他の実施例
を示し、第５図はノード部分につる巻ばねが用いられる
場合の振動工具部分の詳細を示す構成図、第６図はルー
プを板ばねで支えた場合の振動工具部分の詳細を示す構
成図、第７図はループに磁石を取付けた場合の工具部分
の詳細を示す構成図、第８図は遊星運動、揺動運動の説
明図第９図は超音波振動加工と数値制御装置との複合加
工の場合の構成図第１Ｏ図は機械的遊星運動の超音波加
工の場合の構成を示す構成図、第１１図は超音波塑性加
工の場合の構成を示す構成図、第１２図は超音波放電解
加工の場合の構成を示す構成図、第１３図は超音波作業
テーブルの場合の構成を示す構成図、第１４図は超音波
作業ヘッドの場合の構成を示す構成図、第１５図は機械
掘ｍ系の固有振動数の調整方法を示し、第巧図（ａ）は
超音波振幅拡大子の構成図、第１５図（ｂｌは超音波振
幅拡大子の詳ｍｗ、観５図（ｃ）は超音波振幅拡大子に
装着される磁石の正面図、側面図、第１６図は従来の超
音波加工装置を示し、第１６図（ａ）は超音波加工装置
の構成図、第１６図（ｂ）は磁歪振動子の振幅の状況を
示す状態図、第１６図（ｃｌは振動工具の詳細図、第１
７図は振幅拡大具の拡大作用を示すグラフ図である。 図においてＧ３）は超音波振動子、Ｇ５）　（５３）は
振幅拡大具、Ｇ６）は超音波振動工具、（１６ａ）は中
空部、（１８）　（（２）（３Φはガイド、Ｇ２４）は
超音波振幅拡大子、（２９）　Ｉ！　つル！ｉｆ　ネ、
（３１）　Ｊ！　ｉｆ　ネ、Ｃ３２）（！５４）は磁石
、（５１）は作業テーブル、（５２）は磁歪振動子であ
る。 なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示す。 参考文献

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）任意の固有振動を有し、任意の形状の超音波振動
   工具を用いて超音波砥粒加工、超音波放電解加工、超音
   波切削加工、超音波研削加工、超音波塑性加工、超音波
   鋳造、超音波嵌合などの超音波振動加工または超音波重
   畳作業を行なう場合において、振動工具または振動部材
   を振動発生体と固定的に給合することなく、振動工具ま
   たは振動部材に対し振動発生体を押し付けること、もし
   くは接触することによって超音波振動を振動工具または
   振動部材に伝達することを特徴とする超音波振動を振動
   工具に伝達する方法。
2. （２）振動工具は工具ホルダーにより振動工具の自由振
   動における振動の節となる付近を把持されることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の超音波振動を振動工
   具に伝達する方法。
3. （３）振動工具は少なくとも振動の節となる部分を含ん
   で中空部を有していることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項または第２項記載の超音波振動を振動工具に伝達
   する方法。
4. （４）振動工具は振動工具の節もしくは腹付近をバネ系
   またはゴム等の可撓性部材で保持されていることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項、第２項または第３項記載
   の超音波振動を振動工具に伝達する方法。
5. （５）振動工具または振動部材の作動する方向（加工、
   嵌合、搬送）を定めるためにガイドを設けたことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の超音波振動を振動工
   具に伝達する方法。
6. （６）加工速度または作業速度が最大となるよう超音波
   振動の発振器の周波数を自動的または手動的に制御する
   こと、または必要に応じ小質量を振動子に取り付け振動
   系の固有振動数も変える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を振動工具に伝達する方法。
7. （７）振動工具または振動部材は回転運動もしくは遊星
   運動、揺動運動させる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を振動工具に伝達する方法。