JPWO2008087942A1 - Cutting tool and cutting device - Google Patents
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Abstract
長尺状のホルダ(41)の先端部に切削チップ(42)を装着してなる切削工具であって、前記のホルダ(41)が、互いに対向する側面から構成される二つの支持面(41a、41b)と、支持面とは異なる側面に配置された長尺状の超音波振動子(43)とを備え、そしてホルダ(41)の上記支持面(41a、41b)の各々と超音波振動子(43)との間に空気相空間(46、47)が形成されていることを特徴とする切削工具(40)を用いることにより、加工対象物を安定した高い精度で切削することができる。A cutting tool in which a cutting tip (42) is mounted on the tip of a long holder (41), and the holder (41) has two support surfaces (41a) formed of side surfaces facing each other. 41b) and an elongated ultrasonic transducer (43) disposed on a side surface different from the support surface, and ultrasonic vibrations with each of the support surfaces (41a, 41b) of the holder (41) By using the cutting tool (40) characterized in that the air phase space (46, 47) is formed between the child (43), it is possible to cut the workpiece with stable and high accuracy. .
Description
本発明は、金属材料製あるいは樹脂材料製の加工対象物の切削に有利に用いることができる切削工具及び切削装置に関する。 The present invention relates to a cutting tool and a cutting apparatus that can be advantageously used for cutting a workpiece made of a metal material or a resin material.
従来より、長尺状のホルダの先端部に切削チップが装着された構成の切削工具(バイト)を用いて、金属材料製あるいは樹脂材料製の加工対象物の切削が行なわれている。 2. Description of the Related Art Conventionally, a workpiece made of a metal material or a resin material is cut using a cutting tool (bite) having a configuration in which a cutting tip is attached to the tip of a long holder.
図1は、公知の切削工具を備えた切削装置(旋盤)の構成を示す平面図であり、そして図2は、図1に示す切削工具20及びホルダ支持具11の拡大側面図である。
FIG. 1 is a plan view showing a configuration of a cutting device (lathe) provided with a known cutting tool, and FIG. 2 is an enlarged side view of the
切削装置10は、長尺状のホルダ21の先端部に切削チップ22を装着してなる切削工具20と、ホルダ21の後部をホルダ21の側面のうちの互いに対向する二つの支持面21a、21bにて支持するホルダ支持具11と、ホルダ支持具11の移動装置12とを含む切削ユニット13、および加工対象物19の回転支持具14を含む支持ユニット15から構成されている。そして、この切削工具20のホルダ21の側面には、超音波振動子23a、23bが備えられている。このような切削装置10と同様の構成を持つ切削装置は、例えば、特許文献1に記載されている。
The
切削ユニット13のホルダ支持具11は、図2に示すように上板11aと下板11bとが支柱11cを介して連結された構成を有している。ホルダ支持具11は、下板11bの上面に配置されたホルダ21の後部を、ボルト11dで締め付けて支持している。
As shown in FIG. 2, the
切削工具20は、図1に示す移動装置12のハンドル12a、12bを操作することにより、ホルダ支持具11と共に図の上下及び左右の各々の方向に移動させることができる。切削工具20はまた、移動装置12のレバー12cを操作することにより、ホルダ支持具11と共に図の紙面に垂直な軸を中心に揺動(もしくは回転)させることができる。
The
支持ユニット15は、駆動装置(図示は略する)によって回転可能とされている回転軸14a、および回転軸14aの先端に取り付けられたチャック14bからなる回転支持具14を備えている。チャック14bには、例えば、円筒状の加工対象物19が回転可能に支持される。
The
加工対象物19は、例えば、下記の手順に従って切削される。先ず、支持ユニット15の回転軸14aを駆動して加工対象物19を回転させる。次に、切削工具20の超音波振動子23a、23bの各々に電気エネルギーを付与して超音波振動を発生させる。この超音波振動は、ホルダ21を介して切削チップ22に伝達し、切削チップ22を超音波振動させる。そして、切削工具20を、移動装置12のハンドル12a、12bあるいはレバー12cを操作して移動して、超音波振動する切削チップ22を、回転する加工対象物19の内側面に接触させることにより、加工対象物19の切削が行なわれる。通常、加工対象物19と切削チップ22との接触部には、切削液(代表例、水)が供給される。
The
このように切削チップを超音波振動させることにより切削抵抗が低下し、切削チップとの摩擦による加工対象物の発熱及び熱膨張が抑制されるため、加工対象物を高い精度で切削することができる。
前記のように超音波振動子を備えた切削工具を用いることにより、加工対象物を高い精度で切削することができる。 By using the cutting tool provided with the ultrasonic vibrator as described above, the workpiece can be cut with high accuracy.
しかしながら、超音波振動子にて発生した超音波振動は、切削チップを超音波振動させるだけでなく、ホルダを介してホルダ支持具に伝わり、振動エネルギーの損失を生じる。このため、切削チップを所定の振幅で超音波振動させるためには、超音波振動子に前記の振動エネルギーの損失を補う大きな電気エネルギー(例、交流電圧)を付与する必要がある。このように、超音波振動子に大きな電気エネルギーを付与すると、超音波振動子が発熱してホルダや切削チップが熱膨張するため、加工対象物を切削する精度が低下する。 However, the ultrasonic vibration generated by the ultrasonic vibrator not only causes the cutting tip to vibrate ultrasonically but also propagates to the holder support through the holder, resulting in loss of vibration energy. For this reason, in order to ultrasonically vibrate the cutting tip with a predetermined amplitude, it is necessary to apply large electrical energy (eg, AC voltage) to compensate for the loss of the vibration energy to the ultrasonic vibrator. As described above, when large electric energy is applied to the ultrasonic vibrator, the ultrasonic vibrator generates heat and the holder and the cutting tip are thermally expanded, so that the accuracy of cutting the workpiece is lowered.
また、加工対象物の切削を続けると、ホルダ支持具に支持されたホルダが、ホルダに生じた超音波振動によって僅かに移動して、加工対象物の切削精度が変動する場合がある。 Further, when the cutting of the workpiece is continued, the holder supported by the holder support may move slightly due to the ultrasonic vibration generated in the holder, and the cutting accuracy of the workpiece may vary.
更にまた、切削工具は、ホルダ支持具に拘束されずに自由に振動できる先端側の部分、すなわちホルダ支持具から突き出された先端側の部分(以下、突き出し部)の形状に応じた固有振動数(共振周波数)を持つ。そして、この共振周波数に対応する周波数の交流電圧を付与して超音波振動子を超音波振動させることにより、切削工具を切削チップと共に前記の共振周波数で効率良く(大きな振幅で)超音波振動させることができる。ところが、切削工具の突き出し部の形状、すなわち切削工具の共振周波数は、ホルダ支持具によるホルダの支持位置、すなわちホルダ支持具へのホルダの取り付け方により変動し、これに伴い切削工具の超音波振動の振幅も変動する。すなわち、この切削工具は、ホルダ支持具へのホルダの取り付け方により切削の条件(切削チップの超音波振動の周波数や振幅)が変動するため、加工対象物を安定した精度で切削することが難しい。 Furthermore, the cutting tool has a natural frequency corresponding to the shape of the tip-side portion that can freely vibrate without being constrained by the holder support, that is, the tip-side portion protruding from the holder support (hereinafter referred to as a protruding portion). (Resonance frequency). Then, by applying an AC voltage having a frequency corresponding to the resonance frequency to ultrasonically vibrate the ultrasonic vibrator, the cutting tool is efficiently vibrated (with a large amplitude) at the resonance frequency together with the cutting tip. be able to. However, the shape of the protruding portion of the cutting tool, that is, the resonance frequency of the cutting tool, varies depending on the holder support position by the holder support, that is, how the holder is attached to the holder support. The amplitude of fluctuates. That is, in this cutting tool, since the cutting conditions (frequency and amplitude of ultrasonic vibration of the cutting tip) vary depending on how the holder is attached to the holder support, it is difficult to cut the workpiece with stable accuracy. .
本発明の課題は、加工対象物を安定した高い精度で切削することのできる切削工具及び切削装置を提供することにある。 The subject of this invention is providing the cutting tool and cutting device which can cut a workpiece with the stable high precision.
本発明は、長尺状のホルダの先端部に切削チップを装着してなる切削工具と、ホルダの後部をホルダの側面のうちの互いに対向する二つの支持面にて支持するホルダ支持具と、ホルダ支持具の移動装置とを含む切削ユニット、および加工対象物の回転支持具を含む支持ユニットからなる切削装置であって、ホルダが上記支持面とは異なる側面に長尺状の超音波振動子を備え、そしてホルダの上記支持面の各々と超音波振動子との間に空気相空間が形成されていることを特徴とする切削装置にある。 The present invention includes a cutting tool in which a cutting tip is attached to the tip of a long holder, a holder support that supports the rear portion of the holder with two support surfaces facing each other among the side surfaces of the holder, A cutting apparatus comprising a cutting unit including a holder support moving device and a support unit including a rotation support for a workpiece, wherein the holder has a long ultrasonic transducer on a side surface different from the support surface. And an air phase space is formed between each of the support surfaces of the holder and the ultrasonic transducer.
本発明はまた、長尺状のホルダの先端部に切削チップを装着してなる切削工具であって、前記のホルダが、互いに対向する側面から構成される二つの支持面と、上記支持面とは異なる側面に配置された長尺状の超音波振動子とを備え、そしてホルダの上記支持面の各々と超音波振動子との間に空気相空間が形成されていることを特徴とする切削工具にもある。 The present invention is also a cutting tool in which a cutting tip is mounted on the tip of a long holder, and the holder includes two support surfaces each having side surfaces facing each other, and the support surface. Are provided with long ultrasonic vibrators arranged on different side surfaces, and an air phase space is formed between each of the support surfaces of the holder and the ultrasonic vibrator. There are also tools.
本発明の切削装置が備える切削工具の好ましい態様は、次の通りである。
(1)空気相空間が、多孔質材料層から構成されている。
(2)空気相空間が、ホルダの上記支持面に平行に形成された中空層から構成されている。
(3)空気相空間が、ホルダの上記支持面に形成された複数の凹部から構成されている。The preferable aspect of the cutting tool with which the cutting apparatus of this invention is provided is as follows.
(1) The air phase space is composed of a porous material layer.
(2) The air phase space is composed of a hollow layer formed in parallel with the support surface of the holder.
(3) The air phase space is composed of a plurality of recesses formed on the support surface of the holder.
本発明の切削工具や切削装置を用いることにより、超音波振動子にて発生した超音波振動がホルダを介してホルダ支持具に伝達することが抑制されるため、加工対象物を安定した高い精度で切削することができる。 By using the cutting tool and the cutting apparatus of the present invention, it is possible to suppress the ultrasonic vibration generated by the ultrasonic vibrator from being transmitted to the holder support through the holder. Can be cut with.
本発明の切削装置を添付の図面を用いて説明する。図3は、本発明の切削装置の構成例を示す平面図であり、そして図4は、図3に示す切削工具40の拡大平面図である。また、図5は、図3に示す切削工具40及びホルダ支持具11の拡大側面図であり、そして図6は、図5に記入した切断線I−I線に沿って切断した切削工具40及びホルダ支持具11の断面図である。
A cutting device of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 3 is a plan view showing a configuration example of the cutting apparatus of the present invention, and FIG. 4 is an enlarged plan view of the
切削装置30は、長尺状のホルダ41の先端部に切削チップ42を装着してなる切削工具40と、ホルダ41の後部をホルダ41の側面のうちの互いに対向する二つの支持面41a、41bにて支持するホルダ支持具11と、ホルダ支持具11の移動装置12とを含む切削ユニット33、および加工対象物19の回転支持具14を含む支持ユニット15などから構成されている。そして、切削装置30は、切削工具40のホルダ41が上記支持面41a、41bとは異なる側面に長尺状の超音波振動子43を備え、そしてホルダ41の上記支持面41a、41bの各々と超音波振動子43との間に空気相空間46、47が形成されていることに主な特徴がある。
The
切削装置30の構成は、切削工具の構成が異なること以外は図1の切削工具10と同様である。このため以下では、図3〜図6を参照しながら、切削装置30の特徴部分である切削工具40について主に説明する。
The configuration of the
切削工具40は、長尺状のホルダ41の先端部に切削チップ42が装着された構成を有している。図5及び図6に示すように、切削工具40のホルダ41には、上記支持面41a、41bとは異なる側面に長尺状の超音波振動子43が備えられ、そしてホルダ41の上記支持面41a、41bの各々と超音波振動子43との間には空気相空間46、47が形成されている。
The
ホルダ41は、例えば、鋼や超硬合金から形成される。ホルダ41の後部は、ホルダ支持具11により、ホルダ41の側面のうちの互いに対向する二つの支持面41a、41bにて支持される。
The
ホルダの形状に特に制限はないが、通常は、角柱、特に好ましくは四角柱の形状に設定される。また、ホルダ支持具によりホルダの支持が可能であれば、ホルダの上記支持面を含む側面は曲面であってもよい。例えば、ホルダの形状を円柱形に設定し、このホルダを、その外周面に対応する曲面を持つ一対の支持体の前記曲面で挟んで支持するホルダ支持具を用いるのであれば、ホルダの外周面の上記支持体の曲面と接触する表面部分が上記支持面に相当する。 Although there is no restriction | limiting in particular in the shape of a holder, Usually, it sets to the shape of a prism, Especially preferably, the shape of a square prism. In addition, as long as the holder can be supported by the holder support, the side surface including the support surface of the holder may be a curved surface. For example, if the holder shape is set to a cylindrical shape and a holder support is used that supports the holder sandwiched between the curved surfaces of a pair of supports having a curved surface corresponding to the outer circumferential surface thereof, the outer circumferential surface of the holder The surface portion in contact with the curved surface of the support corresponds to the support surface.
切削チップ42は、例えば、六角穴付きボルト48を用いてホルダ41の先端部に固定される。切削チップのホルダへの取り付け方法に特に制限はなく、公知の方法(例、チップをホルダにろう付けする方法、チップを押え金などを用いてホルダにクランプする方法)を採用することができる。
The
切削チップとしては、加工対象物に行なう切削加工の種類(例、外丸削り、みぞ削り、ねじ切り、突切り、中ぐり)に応じて適切な形状(例、多角形や円形)に設定された公知の切削チップを用いることができる。 As a cutting tip, a known shape set to an appropriate shape (eg, polygonal or circular) according to the type of cutting performed on the workpiece (eg, external rounding, grooving, threading, parting off, boring) These cutting tips can be used.
切削チップは、例えば、超硬合金、サーメット、ハイス、セラミックス、あるいはダイヤモンドから形成される。 The cutting tip is formed of, for example, cemented carbide, cermet, high speed, ceramics, or diamond.
超音波振動子43としては、例えば、圧電体44及び一対の電極45a、45bから構成される圧電振動子が用いられている。
As the
超音波振動子43は、一対の電極45a、45bに電気エネルギー(例、交流電圧)を付与することにより超音波振動を発生する。
The
圧電体44の材料の代表例としては、ジルコン酸チタン酸鉛系の圧電セラミック材料が挙げられる。圧電体44は、図4に記入した矢印44aが示す方向に分極処理されている。電極45a、45bの各々の材料の例としては、銀やリン青銅などの金属材料が挙げられる。
A typical example of the material of the
超音波振動子43は、例えば、エポキシ樹脂などの電気的に絶縁性の接着剤を用いて、ホルダ41の側面に固定される。これにより超音波振動子43とホルダ41とは互いに電気的に絶縁される。なお、前記の接着剤として導電性の接着剤を用いることにより電極45bとホルダ41とを互いに電気的に接続し、電極45bにホルダ41を介して電気エネルギーを付与することもできる。
The
また、切削加工の際に導電性を示す切削液(例、水)を使用した場合に、電極45aと電極45bとが切削液を介して互いに電気的に短絡することを防止するため、超音波振動子43には防水処理(例、絶縁塗料の塗布など)を施すことが好ましい。
Further, in order to prevent the
超音波振動子43には、電気配線51を介して交流電源52が電気的に接続される。電気配線51は、超音波振動子43の後部(例えば、図3においてホルダ支持具11の右側に突き出された部分)に電気的に接続してもよい。
An
交流電源52としては、発生する交流電圧の周波数を、切削工具40の共振周波数に対応する周波数に自動的に調節する周波数追尾回路を持つ超音波発振器を用いることが好ましい。
As the
この交流電源52にて発生した交流電圧を超音波振動子43に付与すると、超音波振動子43はその長さ方向に(図5にて左右の方向に)に沿って伸縮するモードで超音波振動する。このように超音波振動子43が伸縮することにより、超音波振動子43が固定されたホルダの側面はホルダの長さ方向に大きく伸縮するが、この側面に対向する側面は殆ど伸縮しない。このため、ホルダ41の先端部は、切削チップ42と共に図4に記入した矢印49aが示す方向に超音波振動する。
When the AC voltage generated by the
長尺状の超音波振動子43を、ホルダ41と共に十分に伸縮させるため、超音波振動子の長さは、ホルダの長さの30%以上、特に50%以上の値に設定することが好ましい。超音波振動子は、ホルダの先端あるいは後端から突き出ていてもよいが、この突き出た部分はホルダ支持具などに強く接触すると破損し易い。このため、実用的には、超音波振動子の長さは、ホルダの長さ以下(ホルダの長さの100%以下)の値に設定される。長尺状の超音波振動子は、ホルダの側面に複数個の超音波振動子片をホルダの長さ方向に沿って並べて配置して構成することもできる。
In order to sufficiently expand and contract the long
切削装置30では、交流電源52にて発生した交流電圧を付与して超音波振動子43にて超音波振動を発生させ、この超音波振動がホルダ41を介して付与されることで超音波振動する切削チップ42を、回転する加工対象物19の内側面に接触させることにより、加工対象物19の切削が行なわれる。切削装置30の作動は、図1の切削装置10と同様であるため説明は省略する。
In the
このようにして加工対象物19を切削する際に、切削工具40が備える空気相空間46、47は、超音波振動子43が発生した超音波振動がホルダ41の支持面41a、41bを介してホルダ支持具11に伝達することを抑制する。その理由は、下記の通りである。
When the
切削工具40の空気相空間46、47の各々は、ホルダ41が備える多孔質材料層56、57の各々から構成されている。すなわち、空気相空間46は、多孔質材料層56が含む多数の気泡46a、46b、〜から構成され、そして空気相空間47は、同様に多孔質材料層57が含む多数の気泡から構成されている。
Each of the
一般に、異なる二つの物質が互いに接触して界面を形成している場合に、各々の物質に固有の音響インピーダンスの値が互いに大きく異なると、一方の物質中を他方の物質に向かって伝わる音波の大部分は前記界面にて反射され、他方の物質には殆ど伝わらないことが知られている。前記の音響インピーダンスは、物質の密度と、この物質中での音速との積により定まる。そして、固体と気体とでは、両者の密度の値、すなわち音響インピーダンスの値が互いに大きく異なるため、例えば、固体中を伝わる音波の大部分は、固体と気体との界面にて反射されて気体中には殆ど伝わらない。 In general, when two different materials are in contact with each other to form an interface, if the acoustic impedance values inherent in each material are significantly different from each other, the sound waves transmitted through one material toward the other It is known that most of the light is reflected at the interface and hardly transmitted to the other material. The acoustic impedance is determined by the product of the density of the substance and the speed of sound in the substance. Since the density value of the solid and the gas, that is, the value of the acoustic impedance are greatly different from each other, for example, most of the sound waves transmitted through the solid are reflected at the interface between the solid and the gas and are in the gas. Is hardly transmitted.
そして、前記のようにホルダ41に空気相空間46、47が形成されていると、ホルダ41の支持面41aと超音波振動子43との間には、ホルダ(固体)41と空気相空間(気体)46との界面からなる超音波反射面が形成され、そして同様に、ホルダ41の支持面41bと超音波振動子43との間には、ホルダ41と空気相空間47との界面からなる超音波反射面が形成される。
When the
このため、切削加工の際に超音波振動子43にて発生し、そしてホルダ41に付与された超音波振動は、空気相空間46により構成される超音波反射面に到達すると、その大部分が超音波反射面にて反射され、そしてホルダ41の支持面41aの側とは逆側に伝わる。そして前記の超音波振動はまた、空気相空間47により構成される超音波反射面に到達すると、その大部分が超音波反射面にて反射され、そしてホルダ41の支持面41bの側とは逆側に伝わる。
For this reason, most of the ultrasonic vibration generated in the
従って、超音波振動子43にて発生した超音波振動は、その大部分がホルダ41の空気相空間46と空気相空間47との間の部分(以下、ホルダの振動部と云う)を伝達して切削チップ42に付与される。
Accordingly, most of the ultrasonic vibration generated by the
その一方で、前記の超音波振動は、ホルダ41の空気相空間46よりも支持面41aの側の部位(以下、支持部と云う)、そしてホルダ支持具11には殆ど伝達しない。同様に、前記の超音波振動はまた、ホルダ41の空気相空間47よりも支持面41bの側の部位(以下、支持部と云う)、そしてホルダ支持具11には殆ど伝達しない。このため、超音波振動の振動エネルギーの損失は殆ど生じない。
On the other hand, the ultrasonic vibration is hardly transmitted to a portion (hereinafter referred to as a support portion) closer to the support surface 41 a than the
このように、切削工具40を用いると、切削チップ42を所定の振幅で超音波振動させるために、超音波振動子43に前記の超音波振動の振動エネルギーの損失を補う大きな電気エネルギー(例、交流電圧)を付与する必要はない。このため、超音波振動子43の発熱と、これに伴うホルダ41及び切削チップ42の熱膨張とが抑制されるため、加工対象物を高い精度で切削することができる。
As described above, when the
また、ホルダ41の各々の支持部には殆ど超音波振動が伝達しない、すなわち各々の支持部は殆ど超音波振動しないため、ホルダ支持具11は、ホルダ41を支持面41a、41bにて極めて安定に支持することができる。従って、加工対象物の切削を続けた場合であっても、ホルダ支持具11に支持されたホルダ41が、超音波振動子43にて発生した超音波振動の影響を受けて移動することがないため、加工対象物を安定した精度で切削することができる。
In addition, since the ultrasonic vibration is hardly transmitted to each support portion of the
更にまた、図5及び図6に示すように、ホルダ支持具11は、前記のホルダ41をその支持部の各々を拘束した状態で支持しているため、ホルダ41の振動部は、ホルダ支持具11に殆ど拘束されることなく自由に振動することができる。このため、ホルダ41の振動部の共振周波数(これは切削工具40の共振周波数に相関する)は、ホルダ支持具11によるホルダ41の支持位置、すなわちホルダ支持具11へのホルダの取り付け方の影響を殆ど受けずに安定した値を示し、これに伴い、切削工具40の超音波振動の振幅も安定した値を示す。従って、切削工具40を用いると、ホルダ支持具11によるホルダ41の支持位置に変更があった場合であっても、切削チップ42の超音波振動の周波数や振幅が殆ど変動しないため、加工対象物を安定した精度で切削することができる。
Furthermore, as shown in FIGS. 5 and 6, since the
このように、切削工具40を備えた切削装置30を用いることにより、加工対象物を安定した高い精度で切削することができる。
Thus, by using the
ホルダの各々の空気相空間は、ホルダの支持面の沿ってなるべく広い領域に形成されていることが好ましい。ホルダ支持具へのホルダの取り付け方によらずに、ホルダの空気相空間が形成された部位をホルダ支持具で確実に支持できるからである。ホルダ支持具のサイズにもよるが、ホルダの各々の空気相空間は、ホルダの支持面の30%以上、好ましくは50%以上の領域と対応する領域に形成されていることが好ましい。また、ホルダの先端部の側はホルダ支持具により支持されることはないので、空気相空間は、実用的には、支持面の切削チップよりも後方側の領域(好ましくは、支持面の95%以下の領域)と対応する領域に形成される。 Each air phase space of the holder is preferably formed in as wide an area as possible along the support surface of the holder. This is because the holder support member can reliably support the portion where the air phase space of the holder is formed, regardless of how the holder is attached to the holder support member. Although depending on the size of the holder support, each air phase space of the holder is preferably formed in a region corresponding to a region of 30% or more, preferably 50% or more of the support surface of the holder. In addition, since the holder tip is not supported by the holder tip, the air phase space is practically an area behind the cutting tip of the support surface (preferably, 95 of the support surface). % Region or less).
図3〜図6に示す切削工具40のホルダ41は、例えば、公知のホルダの側面に、多孔質材料層56、57の各々を構成する多孔質材料から形成された板材を、例えば、接着あるいは溶接して固定することにより容易に作製することができる。
The
多孔質材料の代表例としては、多孔質金属材料が挙げられる。前記の多孔質材料製の板材は、例えば、青銅、ステンレススチール、ニッケル、あるいはチタンなどの金属粉末(もしくは金属繊維)を圧縮成形して焼結することにより作製することができる。多孔質金属の各々の気泡の直径は、その製造方法にもよるが、一般に10nm〜数mmの範囲内にある。 A representative example of the porous material is a porous metal material. The plate material made of the porous material can be produced, for example, by compressing and sintering metal powder (or metal fiber) such as bronze, stainless steel, nickel, or titanium. The diameter of each bubble of the porous metal is generally in the range of 10 nm to several mm although it depends on the production method.
多孔質材料製の板材の密度(かさ密度)は、ホルダ41の振動部の密度の5〜75%の範囲内の値に設定することが好ましい。多孔質材料製の板材の密度を、ホルダ41の振動部の密度の5%未満の値に設定すると、ホルダ41をホルダ支持具11で支持する際に多孔質材料層56、57が塑性変形あるいは破損することもある。その一方で、多孔質材料製の板材の密度を、ホルダ41の振動部の密度の75%を超える値に設定すると、空気相空間46、47から構成される超音波反射面で反射される超音波振動の量が少なくなる。
The density (bulk density) of the plate material made of the porous material is preferably set to a value within a range of 5 to 75% of the density of the vibrating portion of the
また、切削工具40の超音波振動子43にて発生した超音波振動の一部分は、ホルダ41の図6にて右側の側面からホルダ支持具11の支柱11cに伝達する。このような超音波振動の伝達を抑制するため、ホルダの前記側面の近傍に更に空気相空間を形成することもできる。この空気相空間は、例えば、前記の側面に多孔質材料製の板材を更に固定して構成することができる。あるいは、前記の側面に、ホルダを形成する金属材料とは音響インピーダンスの値が大きく異なる材料(例、フッ素樹脂に代表される樹脂材料)から形成された薄膜を形成し、前記の超音波振動を前記薄膜とホルダとの界面にて反射させてもよい。
A part of the ultrasonic vibration generated by the
図7は、本発明の切削装置に用いられる別の切削工具を示す平面図である。図8は、図7の切削工具70をホルダ支持具11で支持された状態にて示す側面図である。そして図9は、図8に記入した切断線II−II線に沿って切断した切削工具70及びホルダ支持具11の拡大断面図である。
FIG. 7 is a plan view showing another cutting tool used in the cutting apparatus of the present invention. FIG. 8 is a side view showing the
切削工具70の構成は、ホルダ71の支持面41a、41bとは異なり、かつ互いに対向する側面に超音波振動子43a、43bがそれぞれ固定されていること、そして超音波振動子43a、43bが、ホルダ71に形成された凹部71a、71bの各々に収容されていること以外は図4に示す切削工具40と同様である。なお、図7に記入した矢印44a、44bは、それぞれ超音波振動子43a、43bの圧電体の分極方向を示している。
The configuration of the
図9に示すように、超音波振動子43a、43bが、ホルダ71に形成された凹部71a、71bの各々に収容されていると、切削工具70を取り扱う際に、超音波振動子がホルダ支持具11などに強く接触して破損することを防止することができる。また、超音波振動子43bが、ホルダ支持具11の支柱11cに接触し、そして超音波振動子43bにて発生した超音波振動が支柱11cに直接に伝達することも防止することができる。ホルダ71は、その多孔質材料層56、57にて支柱11cに接触しているため、ホルダ71の振動部(ホルダ71の空気相空間46と空気相空間47との間の部分)から支柱11cへの超音波振動の伝達が十分に抑制されている。
As shown in FIG. 9, when the
また、ホルダ71に二つの超音波振動子43a、43bが備えられていると、切削加工の種類に応じて、切削チップ42が超音波振動する方向を制御できる。
Further, if the
例えば、図7に示すように、超音波振動子43a、43bの各々と交流電源52とを電気的に接続し、各々の振動子に電源52にて発生した正弦波交流電圧を付与すると、振動子43aと振動子43bとが長さ方向に互いに同相で超音波振動する。すなわち、超音波振動子43aが長さ方向に伸びるときには、超音波振動子43bもまた長さ方向に伸び、そして振動子43aが長さ方向に縮むときには、振動子43bもまた長さ方向に縮む。その結果、ホルダ71の先端部は、切削チップ42と共に図7に記入した矢印79aが示す方向に超音波振動する。
For example, as shown in FIG. 7, when each of the
一方、超音波振動子43aに正弦波交流電圧を付与し、そして超音波振動子43bに前記正弦波交流電圧と逆相の正弦波交流電圧を付与すると、振動子43aと振動子43bとが長さ方向に互いに逆相で超音波振動する。すなわち、超音波振動子43aが長さ方向に伸びるときには、超音波振動子43bは長さ方向に縮み、そして振動子43aが長さ方向に縮むときには、振動子43bは長さ方向に伸びる。その結果、ホルダ71の先端部は、切削チップ42と共に図7に記入した矢印79bが示す方向に超音波振動する。
On the other hand, when a sinusoidal AC voltage is applied to the
図10は、本発明の切削装置に用いられる更に別の切削工具を、ホルダ支持具11で支持された状態にて示す側面図である。そして図11は、図10に記入した切断線III−III線に沿って切断した切削工具100及びホルダ支持具11の拡大断面図である。
FIG. 10 is a side view showing still another cutting tool used in the cutting apparatus of the present invention in a state where it is supported by the
切削工具100の構成は、ホルダ101の空気相空間106、107の各々が、ホルダ101の支持面41a、41bの各々に平行に形成された中空層から構成されていること以外は図7の切削工具70と同様である。
The
前記の空気相空間(中空層)106は、各々ホルダ101に支持面41aと平行に形成された複数の透孔106a、106b、〜から構成され、そして空気相空間(中空層)107もまた、同様に各々ホルダ41の支持面41bと平行に形成された複数の透孔から構成されている。
The air phase space (hollow layer) 106 includes a plurality of through
切削工具100は、そのホルダ101を、公知のホルダに、例えば、放電加工により複数の透孔を形成することにより、別の材料(前記の多孔質材料製の板材)を用いることなく簡単に作製できるという利点を有している。なお、空気相空間を構成する各々の透孔は、ホルダを貫通している必要はなく、また、ホルダの後端面からホルダの先端部に向かって形成されていてもよい。
The
図12は、本発明の切削装置に用いられる更に別の切削工具を、ホルダ支持具11で支持された状態にて示す側面図である。そして図13は、図12に記入した切断線IV−IV線に沿って切断した切削工具120及びホルダ支持具11の拡大断面図である。
FIG. 12 is a side view showing still another cutting tool used in the cutting apparatus of the present invention in a state where it is supported by the
切削工具120の構成は、ホルダ121の空気相空間(中空層)126が、各々ホルダ121に支持面41aと平行に形成された四個のスリット状の透孔126a、126b、126c、126dから構成され、そして空気相空間(中空層)127もまた、同様に各々ホルダ121の支持面41bと平行に形成された四個のスリット状の透孔から構成されていること以外は図10の切削工具100と同様である。
The
切削工具120は、図10の切削工具100と比較して、ホルダ121の空気相空間126、127の形成が容易であるという利点を有している。また、後に図16〜図18を用いて説明するように、各々の空気相空間を構成するスリット状の透孔の内部に更に超音波振動子を配置することができるという利点も有している。
The
図14は、本発明の切削装置に用いられる更に別の切削工具を示す平面図である。そして図15は、図14に記入した切断線V−V線に沿って切断した切削工具140の拡大断面図である。但し、図15において、切削工具140は、ホルダ支持具11で支持された状態にて記入した。
FIG. 14 is a plan view showing still another cutting tool used in the cutting apparatus of the present invention. FIG. 15 is an enlarged cross-sectional view of the
切削工具140の構成は、ホルダ141の空気相空間146が、支持面41aに形成された複数の凹部146a、146b、〜から構成され、そして空気相空間147もまた、同様に支持面41bに形成された複数の凹部から構成されていること以外は図10の切削工具100と同様である。
In the configuration of the
切削工具140は、図10の切削工具100と比較して、ホルダ141の空気相空間の容積を小さくすることが可能であるため、ホルダ141の強度を大きくできるという利点を有している。また、ホルダ支持具11にホルダ141を取り付ける際に、ホルダ141の空気層空間146が形成されている部位を容易に確認できるという利点も有している。
The
図16は、本発明の切削装置に用いられる更に別の切削工具を示す平面図である。図17は、図16の切削工具160の側面図である。そして図18は、図17に記入した切断線VI−VI線に沿って切断した切削工具160の拡大断面図である。
FIG. 16 is a plan view showing still another cutting tool used in the cutting apparatus of the present invention. FIG. 17 is a side view of the
切削工具160の構成は、ホルダ161の空気相空間166を構成する三個のスリット状の透孔の内部に、それぞれ追加の超音波振動子163a、163b、163cが備えられ、そして空気相空間167を構成する三個のスリット状の透孔の内部に、それぞれ追加の超音波振動子173a、173b、173cが備えられていること以外は図12の切削工具120と同様である。
The
超音波振動子43a、43b、163a、163b、163c、173a、173b、173cの各々は、エポキシ樹脂を用いてホルダ161に固定され、ホルダ161と電気的に絶縁されている。また、図18に記入した矢印44aは、超音波振動子43aの圧電体の分極方向を示し、矢印44bは、超音波振動子43bの圧電体の分極方向を示し、矢印164aは、超音波振動子163a、163b、163cの各々の圧電体の分極方向を示し、そして矢印174aは、超音波振動子173a、173b、173cの各々の圧電体の分極方向を示している。
Each of the
切削工具160は、切削チップ42を超音波楕円振動させることができるという利点を有してる。切削チップを楕円振動させると、加工対象物の表面を極めて平滑に切削することができる。
The
例えば、図18に示すように、超音波振動子43aに、振動子のホルダの側の電極を基準として余弦波交流電圧(図に「cos」と記入した)を付与し、そして超音波振動子43bに、振動子のホルダの側の電極を基準として前記余弦波交流電圧と逆相の余弦波交流電圧(図に「−cos」と記入した)を付与することにより、振動子43aと振動子43bとがホルダ161の長さ方向に互いに逆相で超音波振動する。その結果、ホルダ161の先端部は、切削チップ42と共に図16に記入した矢印169bが示す方向に超音波振動する。
For example, as shown in FIG. 18, a cosine wave AC voltage (indicated as “cos” in the figure) is applied to the
その一方で、超音波振動子163a、163b、163cの各々に、振動子のホルダの側の電極を基準として正弦波交流電圧(図に「sin」と記入した)を付与し、そして超音波振動子173a、173b、173cの各々に、振動子のホルダの側の電極を基準として前記正弦波交流電圧と逆相の正弦波交流電圧(図に「−sin」と記入した)を付与することにより、振動子163a、163b、163cと、振動子173a、173b、173cとがホルダ161の長さ方向に互いに逆相で超音波振動する。その結果、ホルダ161の先端部は、切削チップ42と共に図17に記入した矢印169dが示す方向に超音波振動する。
On the other hand, a sinusoidal AC voltage (indicated as “sin” in the drawing) is applied to each of the
そして、図16に記入した矢印169bが示す方向に振動する超音波振動と、図17に記入した矢印169dが示す方向に振動する超音波振動が切削チップ42に同時に付与されると、切削チップ42には、図18に記入した矢印179aが示す方向に回転変位を示す超音波楕円振動が励起される。
When the ultrasonic vibration that vibrates in the direction indicated by the
また、切削チップ42に、図16に記入した矢印179bが示す方向に回転変位を示す超音波楕円振動を励起することもできる。この超音波楕円振動は、切削チップ42に、図16に記入した矢印169aが示す方向に振動する超音波振動と、矢印169bが示す方向に振動する超音波振動とを同時に付与することにより励起することができる。前者の超音波振動は、超音波振動子163a、163b、163cと、超音波振動子173a、173b、173cとに互いに同相の正弦波交流電圧を付与することにより励起することができる。そして後者の超音波振動は、超音波振動子43aと、超音波振動子43bとに互いに逆相の余弦波交流電圧を付与することにより励起することができる。
In addition, ultrasonic elliptical vibration indicating rotational displacement can be excited in the cutting
更にまた、切削チップ42に、図17に記入した矢印179cが示す方向に回転変位を示す超音波楕円振動を励起することもできる。この超音波楕円振動は、例えば、切削チップ42に、図17に記入した矢印169cが示す方向に振動する超音波振動と、矢印169dが示す方向に振動する超音波振動とを同時に付与することにより励起することができる。前者の超音波振動は、超音波振動子43aと、超音波振動子43bとに互いに同相の余弦波交流電圧を付与することにより励起することができる。そして後者の超音波振動は、超音波振動子163a、163b、163cと、超音波振動子173a、173b、173cとに互いに逆相の正弦波交流電圧を付与することにより励起することができる。
Furthermore, it is also possible to excite the ultrasonic elliptical vibration indicating the rotational displacement in the direction indicated by the
更にまた、切削工具160を用いることにより、図12の切削工具120と比較して、切削チップ42をホルダ161の長さ方向に更に大きな振幅で超音波振動させることもできる。このためには、ホルダの全ての超音波振動子を、これらの振動子に互いに同相の交流電圧(例、正弦波交流電圧)を付与することにより、ホルダ161の長さ方向に互いに同相で超音波振動させればよい。
Furthermore, by using the
なお、本発明の切削工具は、マシニングセンタ用の切削工具としても有利に使用することができる。 In addition, the cutting tool of this invention can be advantageously used also as a cutting tool for machining centers.
10 切削装置
11 ホルダ支持具
11a 上板
11b 下板
11c 支柱
11d ボルト
12 移動装置
12a、12b ハンドル
12c レバー
13 切削ユニット
14 回転支持具
14a 回転軸
14b チャック
15 支持ユニット
19 加工対象物
20 切削工具
21 ホルダ
21a、21b ホルダの支持面
22 切削チップ
23a、23b 超音波振動子
30 切削装置
33 切削ユニット
40 切削工具
41 ホルダ
41a、41b 支持面
42 切削チップ
43、43a、43b 超音波振動子
44 圧電体
44a、44b 圧電体の分極方向を示す矢印
45a、45b 電極
46、47 空気相空間
46a、46b 気泡
48 ボルト
49a 切削チップが超音波振動する方向を示す矢印
51 電気配線
52 交流電源
56、57 多孔質材料層
70 切削工具
71 ホルダ
71a、71b 凹部
79a、79b 切削チップが超音波振動する方向を示す矢印
100、120 切削工具
101、121 ホルダ
106、107 空気相空間
106a、106b 透孔
126、127 空気相空間
126a、126b、126c、126d スリット状の透孔
140 切削工具
141 ホルダ
146、147 空気相空間
146a、146b 凹部
160 切削工具
161 ホルダ
163a、163b、163c 追加の超音波振動子
164a 圧電体の分極方向を示す矢印
166、167 空気相空間
169a、169b、169c、169d 切削チップが超音波振動する方向を示す矢印
173a、173b、173c 追加の超音波振動子
174a 圧電体の分極方向を示す矢印
179a、179b、179c 切削チップが超音波楕円振動する方向を示す矢印DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Cutting device 11 Holder support tool 11a Upper plate 11b Lower plate 11c Support | pillar 11d Bolt 12 Moving device 12a, 12b Handle 12c Lever 13 Cutting unit 14 Rotation support tool 14a Rotating shaft 14b Chuck 15 Support unit 19 Work object 20 Cutting tool 21 Holder 21a, 21b Holder support surface 22 Cutting tips 23a, 23b Ultrasonic vibrator 30 Cutting device 33 Cutting unit 40 Cutting tool 41 Holder 41a, 41b Support surface 42 Cutting tips 43, 43a, 43b Ultrasonic vibrator 44 Piezoelectric body 44a, 44b Arrows 45a and 45b indicating the polarization direction of the piezoelectric body Electrodes 46 and 47 Air-phase spaces 46a and 46b Bubbles 48 Bolts 49a Arrows indicating the direction in which the cutting tip vibrates ultrasonically 51 Electrical wiring 52 AC power sources 56 and 57 Porous material layer 70 Cutting tool 71 Holder 7 a, 71b Recesses 79a, 79b Arrows 100, 120 indicating the direction in which the cutting tip vibrates ultrasonically Cutting tool 101, 121 Holder 106, 107 Air phase space 106a, 106b Through hole 126, 127 Air phase space 126a, 126b, 126c, 126d Slit-shaped through hole 140 Cutting tool 141 Holder 146, 147 Air phase space 146a, 146b Recess 160 Cutting tool 161 Holder 163a, 163b, 163c Additional ultrasonic vibrator 164a Arrows 166, 167 indicating the polarization direction of the piezoelectric body Phase spaces 169a, 169b, 169c, 169d Arrows 173a, 173b, 173c indicating the direction in which the cutting tip vibrates ultrasonically Additional ultrasonic transducers 174a Arrows 179a, 179b, 179c indicating the polarization direction of the piezoelectric body Cutting tip is ultrasonic Elliptical vibration Directional arrows
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