JPS63200953A - 超音波加工用アタツチメント - 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〕 本発明は超音波加工用アタッチメントに関するものであ
る。

〔従来の技術とその問題点〕

セラミックの穴明は加工に代表される硬脆材料の研削加
工においては、砥石の目詰りや目潰れが起りやすいため
、長い加工時間を要すると共に、砥石の摩耗や、これに
起因する加工精度の低下などの問題がある。この対策と
して、メタルボンド砥石を慣用法と同じく高速回転して
被加工物に押し付けつつ、超音波振動させる複合加工法
が提案されている。

この方法によれば、超音波振動の複合により砥粒の被加
工物への喰い付き性の改善や、工具の冷却、潤滑性の改
善による砥粒への熱的影響の減少、摩擦の減少などの効
果により加工能率の向上を期待できる。

しかしながら、従来では、この超音波加工法を実施する
ための要部である超音波振動系が大型。

大重量で１機械本体への取付けに広いスペースを必要と
し、また、超音波研削盤として専用機化され、高価で、
しかも機能的にも限られるという問題があった。

また、従来の超音波研削盤では、超音波振動系の支持が
主としてスラスト方向についてだけ行われ、横方向につ
いては特別な留意が払われておらず、かつ、スラスト方
向の支持法も、鋼球と穴との線接触による固定か、もし
くは軟質ガスケットを介して軽く押える方法で行ってい
た。このため、剛性特に横剛性が低く、横送り速度を上
げることが回道で、さらに支持部の接触面積が少なく支
持部の剛性も低いため、振動系の回転精度が低く、工具
質量変化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。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は前記のような問題点を解決するために研究して
創案されたもので、その目的とするところは、高価な専
用機に依らず、マシニングセンタなど汎用工作機械の回
転主軸に取付けるだけで高能率かつ高精度な超音波複合
加工を行えるアタッチメントを提供することにある。

この目的を達成するため本発明は、工作機械の主軸に固
定されるシャンクを備えた回転筒と、この回転筒に内蔵
された直接加振型振動子ユニットと、前記直接加振型振
動子ユニットの出力ブロック先端に着脱可能に取付けら
れる工具と、前記回転筒の外周との間に直接加振型振動
子ユニットへの給電機構を配したケーシングとを備え、
前記直接加振型振動子ユニットの出力ブロックの入力側
がリフレクタリングと非共振のバッファからなる支持体
により、また出力側が前記リフレクタリングと同心のリ
フレクタリングと非共振のバッファからなる補強体によ
りそれぞれ回転筒に支持されているものである。

この構成により、小型で、剛性が高く、工具質量変化へ
の対応が良く、回転精度が高く、加工に必要な高出力も
発揮できる実用的な超音波加工用アタッチメントを得る
ことができる。

〔実　施　例〕

以下本発明の実施例を添付図面に基いて説明する。

第１図ないし第３図は本発明による超音波加工用アタッ
チメントを示すもので、第１図において、１はマシニン
グセンタなどの工作機械の主軸頭、２は主軸である。Ａ
は本発明による超音波加工用アタッチメントである。

この超音波加工用アタッチメントＡは、主軸２に対し着
脱可能な回転筒３と、これに内蔵される直接加振型振動
子ユニット４と、これの出力ブロック先端に着脱可能に
取付けられる工具５と回転筒３を外囲し、内部に直接加
振型振動子ユニット４に対する給電機構７を配したケー
シング６とを備え、直接加振型振動子ユニット４は特殊
な支持体８と補強体９により前記回転筒３に支持されて
いる。

、まず１回転筒３は、主軸端の穴に嵌挿され図示しない
プルスタッド用コレットにより固定されるシャンク１２
を備えた基筒１０と、これに結合一体化される前筒１１
とからなっている。基筒１０には、主軸端面に当接する
鍔１３から先に所要長さの筒部１４が形成されている。

一方、前筒１１は内側後半部に筒部１４に対する外嵌部
１５を有すると共に１段部１５′を介して前方は径小に
構成されている。この基筒１０と前筒１１の結合方法は
ねじ式でもよいが、実施例では筒部１４と外嵌部１５に
フランジ１６．１７を設け、ボルト１８により締付は固
定する方法を採用している。

直接加振型振動子ユニット４は、側面徳利状をなす出力
ブロック１９と、背面ブロック２ｏと、それらの間に介
装される圧電素子２１．２２とを備え、中心ボルト２３
によりそれぞれ同心状に強固に固定されることでユニッ
トとなっており、出力ブロック１９の先端に工具５のシ
ャンク５１に対するねじ穴５０が形成されている。この
直接加振型振動子ユニット４は、第３図に示すように全
長が１７２波長となっている。

前記支持体８は、工具５のスラスト方向の荷重を受は止
めるためのもので、出力ブロック１９の入力側すなわち
軸線方向後半部域に設けられる。

支持体８は、具体的には第１ａ図のように、リフレクタ
リング（厚肉円筒体）８ｏ及びこれより薄肉化されるこ
とで非共振となったバッファ８１からなり、バッファ８
１は、径方向振動成分を吸収する同心状スリーブ８１ａ
と、軸方向の振動成分を吸収するフランジ８１ｂ、８１
ｃを有し、フランジ８１ｂをもって出力ブロック１９に
結合されている。なお、出力ブロック１９の断面が細い
場合には同心状スリーブ８１ａを省略してもよい。前記
支持体８は出力ブロック１９に一体に削り出されるか、
あるいは溶接等により形成される。

前記リフレクタリング８０は１段部１５′に当接するよ
うに前筒１１に内挿され、これに嵌合された基筒１０の
先端面により挟圧され、必要に応じ前筒１１の肉厚を貫
いて挿着された複数のビス２３により外径側が止められ
、前筒１１と一体化される。

補強体９は、前記支持体８と協働し横剛性を高めるため
のもので、出力ブロック１９の出力側すなわち工具に近
い先端部を支持する。この補強体９は、リフレクタリン
グ９０と、このリフレクタリング９０の内径側に一体に
形成された肉薄撓み円板状のバッファ９１から構成され
る。バッファ９１は工具５の軸方向振動に応じて自由に
撓み、かつこの振動系の周波数に同調せず非共振となる
ように、構成材料に応じて内外径と肉厚を適宜選定する
。

前記リフレクタリング９０は前筒１１に強固に固定され
、バッファ９１は出力ブロック１９の端面１９０と工具
フランジ５２の間に挟持される。

リフレクタリング９ｏの前筒１１との固定方法は、実施
例では前筒１１の前端段部２４にリフレクタリング９０
を嵌装してボルト２５で締付けるようにしているが、こ
れに代え、リフレクタリング９０の外周におねじを形成
し、前筒１１の目端部に形成しためねじにねじ込む方法
など任意である。

ケーシング６は、前筒１１の外周とベアリング２６を介
して回転から切り離され、端板２７から突出する回転止
め２８を介して主軸頭２と結ばれている。

給電機構７は、前記端板２７と対峙する側の端板２９に
導入した給電ケーブル３０と、これと接続したスリップ
リング３１と、前記ベアリング２６と前筒１１の筒部フ
ランジ１７の間に取付けたリング端子３２と、基筒１０
の開孔３３を通してリング端子３２と前記圧電素子２１
．２２を接続する導線３４．３５とを有している。

なお、ケーシング６には、ポートを有する給液部材３６
が設けられ、この給液部材３６は前筒１１に設けた給液
孔３７を介して前筒内と通じており、出力ブロック１９
には工具５を貫通する通路５４に連通ずる液通路３８が
穿設されている。

〔実施例の作用〕

次に上記構成の作用を説明する。

本発明のアタッチメントは、第１図のように基筒１０の
シャンク１２をマシニングセンタなど所望の工作機械の
主軸２にチャッキングし、ケーシング６から軸方向に延
びる回転止め２８を主軸頭１などの適所に係止すること
によりセットされる。

以後は、給電ケーブル３０から超音波用の電力を供給し
、ボート３５から研削液などの加工液を供給し、工作機
械本体に備わったスピンドルモータと制御系（例えばＮ
Ｃ制御）を使って加工を行えばよい。

主軸２の回転によりシャンク１２を介して回転筒３が回
転し、直接加振型振動子ユニット４が支持体８と補強体
９の各リフレクタリング８０，９０を介して回転筒３と
一体化しているため、該振動子およびこれの端面に取付
けられている工具５も同期回転する。また回転筒３の外
周ではリング端子３２が一体回転する。一方、この回転
筒３と直接加振型振動ユニット４の回転はベアリング２
６により縁が切られるため、ケーシング６は回転せず、
給電ケーブル３ｏからスリップリング３１一端子３２−
導線３４を経て圧電素子２１．２２に給電されるため、
出力ブロック１９が超音波振動を起し、これが出力ブロ
ック先端の工具５に直接伝えられる。従って、被加工物
Ｂに工具５を押付けることで被加工物Ｂの表面は工具に
より衝撃的に除去加工され、衝撃ポイントは工具５の回
転により移動する。

ここで従来の超音波振動系は、既述のようにホーンを多
段に縦設することで移動子先端の変位を増幅しており、
そのため全長が１．５波長と長い。

これに対し本発明は、１／２半長の直接加振型振動ユニ
ットを用い、しかも出力ブロック１９の先端に直接工具
５を装着している。そのため、振動系が小型化し、工作
機械の取付はスペースも小さくて済み、工具交換機能を
利用して簡単に着脱可能であると共に、機械本体との干
渉も起らない。

また、ツールマガジンへの収納も容易である。

さらに、出力ブロック１９が徳利状をなしているため、
ねじ底付近の断面寸法を十分にとれ、材料破断の危険が
ないと共に、圧電素子２１．２２の動的応力も軽減され
、その発熱も少ない。このため出力１００Ｗ以上で、工
具取付は面の振動速度をｉｎ／ｓ以上にまで高めること
ができる。これは、多段ホーン式のものが約０．５ｍ／
ｓであるのに比べ、きわめて実用的である。

さらに本発明では、直接加振型振動子ユニット４の出力
ブロック１９の２点を特殊な支持体８と補強体９で強固
に支持している。すなわち、支持体８と補強体９はリフ
レクタリング８０．９０とこれと非共振のバッファ８１
．９１を備え、バッファ８１．９１の撓みにより軸方向
振動を吸収し。

ことに補強体９のバッファ９１が工具５と出力ブロック
１９の間に挟持され、横荷重を面内張力の形で負担し、
厚肉のリフレクタリング９０に伝えることから、外部へ
の振動のリークが極力抑えられる。そして、各リフレク
タリング８０．９０は回転筒３の前筒１１と直接金属同
志で強固に固定され、前筒１１は超音波振動の特性と関
係なく必要な肉厚と長さを持たせることができる。その
ため軸方向に十分な剛性のみならず、工具に加わる荷重
によって生ずる曲げモーメントに対し、十分大きな抵抗
力を発揮することができ、工具のオーバハング量が小さ
いこととあいまち、横方向の剛性も大幅に増大する。こ
のことから、穴明けだけでなく、カップ砥石による平面
研削や、小径の軸付き砥石による溝入れ加工も的確に実
施できる。

また、振動ユニットがリフレクタリング８０゜９０とバ
ッファ８１．９１により回転筒３に完全に固定されるた
め回転精度も高くすることができると共に、従来のよう
な負荷が大の時に振幅を下げるのではなく、定振幅制御
による強制切込みを行える。そのため高寸法精度を維持
することができる。

さらに、本発明では共振のバッファ８１．９１が振動を
吸収し許容振幅を大きくとれるため、工具質量が変化し
ても支持部の損失が少なく、発熱による工具の伸びが小
さい。このため、複雑な調整なしに多種（形状１寸法）
の工具に対応することが可能となる。たとえば第２図の
ようなカップ状工具との取替えも容易であり、研削加工
において１００ｍψを超えるような砥石も使用可能とな
る。

次に本発明をマシニングセンタによる超音波研削に適用
した結果を示す。

１、本発明を適用して得た超音波アタッチメントは、第
１図および第３図に示すように工具取付は面から鍔面ま
での長さＱが１６５ｍ、オーバーハングＱ′が２０ｍａ
＋、回転部分直径７５ｍφである。

補強体のバッファは外径４０ｍ、内径２０ｍｍ、厚さ０
．８ｍの５ＵＳ３０４製円板を用い、リフレクタリング
はこれと一体に厚さ１０ｍとした。出力ブロック先端に
、鋳鉄ファイバーボンドダイヤモンド砥石（外径３０ｍ
、内径２０ａｍ、＃１００／１２０．集中度１００）を
装着した時のアタッチメントの周波数（振動数）は、１
６．２ｋＨｚ、振幅は１５μｍ（ρ−Ｐ）である。

■、上記アタッチメントを用い、アルミナに対し。

幅２０ｎｍの平面研削加工（周速ｖ　＝　９４　ｏＩ／
ｗｉｎ、送りｆ　＝　５００　ｎｍ／＋＋＋ｉｎ、切込
みｚ＝０．０４＋ｎａ＋）を行った結果を示すと第４図
のとおりである。超音波を付加しない場合、垂直方向切
削抵抗Ｆｚは研削の進行と共に増大し、９ｋｇｆから研
削距離８０＋＋ｍではｌｌｋｇｆに増大した。これに超
音波を付加すると、Ｆｚは急激に低下しはじめ、Ｆｚ＝
４ｋｇｆで安定した切れ味を示した。

■０次に切込み深さを０．０５〜０．３ｍまで変化させ
た時の超音波付加の効果を第５図に示す。

この結果からいずれの切込み深さにおいても研削抵抗の
大幅な低減と切れ味の持続が達成されていることがわか
る。

■、なお、本発明の剛性を調べるため超音波を停止した
状態で、故意に重研削を行ってみた。対象材は窯化けい
素、周速ｖ　＝　９６　ｍ／ｗｉｎ、送りｆ＝１００ｒ
ｍ／ｍｉｎ、切込みｚ＝０．８ｍｍ、幅５ｍとした。そ
の結果、送り方向に６６ｋｇｆ、横方向に１００ｋｇｆ
、軸方向には４４ｋｇｆの荷重が作用した。また、切込
みをｚ＝０．３ｍｍ、研削幅をＷ＝２０ｆｆｆｉとした
場合には、軸方向に１２５ｋｇｆの荷重が作用した。

しかし、このような高い負荷をかけても、アタッチメン
トには何ら異常が生じなかった。

〔発明の効果〕

以上説明した本発明によるときには、小型で十分な剛性
と精度を備えた超音波アタッチメントとすることができ
るため、高価な専用機を要さず、マシニングセンタ等回
転主軸を持つ工作機械に装着だけで、硬質材料を簡単に
高能率かつ高精度に超音波複合加工することができ、ま
た工具質量の変化に対応できるため、複雑な調整なしに
各種寸法、形状の工具と交換して研削、切削などの各種
加工を実施することができるなどのすぐれた効果が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による超音波加工用アタッチメントの一
実施例を示す半部切欠側面図、第１　ａ図はその一部拡
大図、第２図は別の工具と交換した状態を示す断面図、
第３図は本発明の振動子ユニッ１−の振動モードを模式
的に示す説明図、第４図は本発明を適用して超音波重畳
を研削を行ったときの研削抵抗の変化を示すグラフ、第
５図は各切込み深さにおける超音波付加効果を示すグラ
フである。 ２・・・主軸、３・・・回転筒、４・・・直接加振型振
動子ユニット、５・・・工具、６・・・ケーシング、７
・・・給電機構、８・・・支持体、９・・・補強体、８
０・・・リフレクタリング、８１・・・バッファ、９０
・・・リフレクタリング、９１・・・バッファ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 工作機械の主軸に固定されるシャンクを備えた回転筒と
   、この回転筒に内蔵された直接加振型振動子ユニットと
   、前記直接加振型振動子ユニットの出力ブロック先端に
   着脱可能に取付けられる工具と、前記回転筒の外周との
   間に直接加振型振動子ユニットへの給電機構を配したケ
   ーシングとを備え、前記直接加振型振動子ユニットの出
   力ブロックの入力側がリフレクタリングと非共振のバッ
   ファからなる支持体により、また出力側が前記リフレク
   タリングと同心のリフレクタリングと非共振のバッファ
   からなる補強体によりそれぞれ回転筒に支持されている
   ことを特徴とする超音波加工用アタッチメント。