KR20120117156A - 초음파 스핀들 장치 - Google Patents

Abstract

구조가 간단하고 또한 소형이며, 소형 공작 기계용의 소직경의 스핀들에 적용할 수 있고, 더구나 고속화, 고정밀도화, 고강성화를 얻을 수 있으며, 또한 공구를 고속 밀링 가공 시의 고속 회전 및 가로 방향의 부하에 안정되게 견딜 수 있고, 초음파 진동을 효율적으로 전달할 수 있다.
선단측에 공구(5)를 갖는 주축(2)이 초음파 진동하면서 회전하는 초음파 스핀들 장치(A)로서, 주축(2)의 선단측과 구동측을 베어링(3a, 3b)을 통해 지지하는 장치 본체와, 주축(2)을 회전시키는 구동부(6)와, 주축(2)을 초음파 진동시키는 가진부(加振部)(X)를 구비하고, 가진부(X)를, 선단측의 베어링(3a)과 구동측의 베어링(3b)의 중간 위치에서, 진동 마디 부근의 진동 효율이 최대인 부분에 배치하였다. 또한, 가진부(X)를, 구동측의 베어링(3b)과 구동부(6)의 중간 위치에서, 진동 효율이 최대인 부분에 배치하였다.

Description

초음파 스핀들 장치{ULTRASONIC SPINDLE DEVICE}

본 발명은 선단측에 공구(工具)를 갖는 주축이 초음파 진동하면서 회전하는 초음파 스핀들 장치에 관한 것이다.

종래, 금형 가공 등의 분야에서, 고속 밀링 가공법이 이용되고 있다. 이 방법은, 열처리된 재료를 소직경의 볼엔드밀 등의 프라이즈 공구를 20000 rpm 이상의 회전수로 고속 회전시켜 가공하는 방법이며, 일반적으로 1개의 공구를 이용하여 조(粗)가공부터 마무리 가공까지 행하는 것을 특징으로 하고 있고, 종래의 방전 가공 등에 따른 가공법에 비하여 가공 능률 및 가공 정밀도의 향상을 도모할 수 있다고 되어 있다.

그러나, 이 고속 밀링 가공법은 1개의 공구를 이용하여 고속 절삭하기 때문에, 공구에 가해지는 부담이 크고, 공구 수명이 짧은 것이 큰 문제로 되어 있었다. 이 대책으로서, 경질막을 코팅한 초경(超硬) 공구, 예컨대, TiAlN 코팅 공구, 심지어는 cBN 소결체 공구의 개발이 진행되고 있다. 후자는 딱딱하고 내열성이 우수하기 때문에 전자보다도 공구 수명을 길게 할 수 있지만, 날끝 성형성이 나쁘기 때문에, 공구로서 양호한 형상으로 성형할 수 없는 결점이 있었다.

따라서, 공구로서는, 가장 딱딱하고 또한 날끝 성형성도 좋은 소결 다이아몬드, 단결정 다이아몬드, 기상(氣相) 다이아몬드 등의 다이아몬드 공구를 이용하는 것이 효과적이다. 그러나, 다이아몬드 공구에 의해 철계 재료의 절삭을 행하면, 공구와 공작물이 화학 반응하여 화학적 마모가 매우 심하기 때문에, 공구 수명이 극단적으로 짧아지고, 실용에 견디지 못한다고 하는 새로운 문제가 생긴다.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 다이아몬드 공구를 이용하여, 주축의 축 방향, 원주 방향 또는 만곡 방향(축 방향과 직각 방향)으로 초음파 진동을 부가하면서 회전수 20000 rpm 이상으로 고속 밀링하면, 화학 반응이 방지되어 공구 수명이 향상된다. 또한, 소직경 드릴 가공, 소직경 축을 갖는 지석에 의한 경취재(硬脆材) 연삭, 미소 심공의 랩핑, 초음파 지립 가공 등의 가공에 대해서도, 마찬가지로 초음파 진동을 부가하여 고속 가공하는 방법이 유효하다.

그러나, 종래의 초음파 스핀들 장치는, 주축의 축 방향 또는 원주 방향에서 초음파 진동하면서 20000 rpm 이상으로 회전하는 가공 조건에 견딜수 있는 구조로 되어 있지 않았기 때문에, 극저속에서의 연삭용 또는 드릴 펀칭용으로서는 사용 가능하여도, 고속에서의 초음파 진동 밀링, 연삭, 펀칭에는 적용이 곤란하였다.

즉, 종래의 초음파 스핀들 장치는, 혼 부분만이 지지되어 있을 뿐이기 때문에 지지 작용이 취약하게 되며, 상기 고속 가공 시의 고속 회전 및 가로 방향의 부하에 견딜 수 없다고 하는 문제가 있었다. 또한, 주축을 구동하기 위한 진동자가 축 방향 후단부에 나사 고정되어 있는 구조로 되어 있기 때문에, 주축의 회전 밸런스가 나쁘며, 고속 가공의 고속 회전 시에 초음파 진동자가 연통 회전하여 유해한 진동이 발생하거나, 슬리브 주축의 내벽과의 충돌로 파괴를 초래한다고 하는 문제가 있었다.

이 대책으로서, 일본 특허 출원 제2001-13738호(특허문헌 1)에서, 압전 소자의 축 방향 전후에 혼을 일체로한 주축을 슬리브 주축 내에 배치하고, 전방측 혼과 후방측 혼을 각각 진동 마디 부위에서 슬리브 주축에 지지시키며, 또한 압전 소자가 전방측 혼과 후방측 혼의 2부분의 지지점 사이의 대략 진동 마디 부위에 있는 초음파 스핀들 장치를 제안하고, 이에 따라 고속 회전, 진동 및 가로 부하에 견디며, 담금질 등의 열 처리된 재료 등을 높은 가공 능률과 가공 정밀도로 가공하는 것을 가능하게 하였다.

일본 특허 출원 제2001-13738호

이 특허문헌 1에서는, 주축의 외측에 슬리브를 배치하고, 이들 주축과 슬리브를 주축의 진동 마디부에서 프레싱 등의 형식으로 연결하며, 이들 주축과 슬리브 주축의 일체화 주축을, 스핀들 하우징에 회전 가능하게 지지시키고 있었다. 그러나, 이 선행기술은 주축이 2중 구조로 되어 있기 때문에, 초음파 밀링의 주축의 직경이 반드시 커지며, 축 방향으로도 길어져, 소형 공작 기계용의 스핀들에 적용할 수 없게 된다고 하는 문제가 있었다.

또한, 종래의 초음파 스핀들은, 주축을 지지하는 슬리브 구조가 대형화되고, 또한 별도 부품의 진동자를 이용하고 있으며, 고속 밀링 가공의 고속 회전에는 한계가 있었다. 또한, 고속 밀링 가공을 행하는 공구의 부착이 특수하며, 비범용화적이고, 공구 비용이 높으며, 공구 납기가 길어지는 등의 문제가 있었다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 구조가 간단하고 또한 소형이며, 고속화, 고정밀도화, 고강성화를 얻을 수 있고, 또한 범용화, 저비용이며, 장치의 납기의 단축이 가능한 초음파 스핀들 장치를 제공하는 것에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 전술한 내용에 더하여, 공구를 고속 가공 시의 고속 회전 및 가로 방향의 부하에 안정되게 견딜 수 있으며, 초음파 진동을 효율적으로 전달할 수 있는 초음파 스핀들 장치를 제공하는 것에 있다.

상기 과제를 해결하고, 또한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 이하와 같이 구성하였다.

청구항 1에 기재된 발명은, 선단측에 공구를 갖는 주축이 초음파 진동하면서 회전하는 초음파 스핀들 장치로서, 상기 주축의 선단측과 구동측을 베어링을 통해 지지하는 장치 본체와, 상기 주축을 회전시키는 구동부와, 상기 주축을 초음파 진동시키는 가진부(加振部)를 구비하고, 상기 가진부를, 상기 선단측의 베어링과 상기 구동측의 베어링의 중간 위치에서, 진동 마디 부근의 진동 효율이 최대인 부분에 배치한 것을 특징으로 하는 초음파 스핀들 장치이다.

청구항 2에 기재된 발명은, 선단측에 공구를 갖는 주축이 초음파 진동하면서 회전하는 초음파 스핀들 장치로서, 상기 주축의 선단측과 구동측을 베어링을 통해 지지하는 장치 본체와, 상기 주축을 회전시키는 구동부와, 상기 주축을 초음파 진동시키는 가진부를 구비하고, 상기 가진부를, 상기 구동측의 베어링과 상기 구동부의 중간 위치에서, 진동 효율이 최대인 부분에 배치한 것을 특징으로 하는 초음파 스핀들 장치이다.

청구항 3에 기재된 발명은, 상기 주축을, 상기 베어링의 내륜과 일체로 형성한 것을 특징으로 하는 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 초음파 스핀들 장치이다.

청구항 4에 기재된 발명은, 상기 주축을, 진동의 전달에 있어서, 상기 베어링의 내륜과 상기 주축이 일체라고 간주할 수 있을 정도로 압입한 것을 특징으로 하는 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 초음파 스핀들 장치이다.

청구항 5에 기재된 발명은, 상기 구동부가, 전기 모터, 또는 에어 터빈 등의 구동원을 갖는 것을 특징으로 하는 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 초음파 스핀들 장치이다.

청구항 6에 기재된 발명은, 초음파 진동의 정해진 주파수로 공진하는 기능을 갖는 척에, 상기 공구를 수축 끼워 맞춤하고, 상기 척을 테이퍼축에 의해 상기 주축에 장착한 것을 특징으로 하는 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 초음파 스핀들 장치이다.

청구항 7에 기재된 발명은, 초음파 진동의 정해진 주파수로 공진하는 기능을 갖는 척에, 상기 공구를 콜릿으로 장착하고, 상기 척을 테이퍼축에 의해 상기 주축에 장착한 것을 특징으로 하는 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 초음파 스핀들 장치이다.

청구항 8에 기재된 발명은, 상기 가진부는, 압전 소자와, 전극판을 가지며, 상기 장치 본체에 급전 브러시를 부착하며, 상기 전극판을 슬립 링과 겸용하고, 상기 급전 브러시로부터 상기 전극판에 급전하는 것을 특징으로 하는 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 초음파 스핀들 장치이다.

청구항 9에 기재된 발명은, 상기 장치 본체에, 공작 기계의 주축에 직접 부착 가능한 아버(arbor)를 갖는 것을 특징으로 하는 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 초음파 스핀들 장치이다.

상기 구성에 따라, 본 발명은 이하와 같은 효과를 갖는다.

청구항 1에 기재된 발명에서는, 주축을 초음파 진동시키는 가진부를 구비하고, 가진부를, 선단측의 베어링과 구동측의 베어링의 중간 위치에서, 진동 마디 부근의 진동 효율이 최대인 부분에 배치함으로써, 주축을 소직경으로 하며, 또한 장치의 축 방향의 길이를 단축시키고, 더구나 초음파 진동을 저해하는 일없이 주축을 장치 본체에 지지할 수 있으며, 고속 회전과 초음파 진동이 중첩된 엄격한 사용 조건에서도 부하에 충분히 견딜 수 있고, 소형이며, 안정된 고속 밀링 가공을 행할 수 있다. 또한, 선단측의 베어링과 구동측의 베어링에 초음파 진동이 약간 작용하기 때문에 윤활성이 향상되며, 보다 원활한 회전 성능과 수명 향상을 도모할 수 있다.

청구항 2에 기재된 발명에서는, 주축을 초음파 진동시키는 가진부를 구비하고, 가진부를, 구동측의 베어링과 구동부의 중간 위치에서, 진동 효율이 최대인 부분에 배치함으로써, 주축을 소직경으로 하며, 또한 장치의 축 방향의 길이를 단축시키고, 더구나 초음파 진동을 저해하는 일없이 주축을 하우징에 지지할 수 있으며, 고속 회전과 초음파 진동이 중첩된 엄격한 사용 조건에서도 부하에 충분히 견딜 수 있고, 소형이며, 안정된 고속 밀링 가공을 행할 수 있다. 또한, 선단측의 베어링과 구동측의 베어링에 초음파 진동이 약간 작용하기 때문에 윤활성이 향상되며, 보다 원활한 회전 성능과 수명 향상을 도모할 수 있다.

청구항 3에 기재된 발명에서는, 주축을, 베어링의 내륜과 일체로 형성함으로써, 주축이 베어링의 내륜을 겸하고 있고, 구조를 간이화할 수 있으며, 지지 강성을 높일 수 있다.

청구항 4에 기재된 발명에서는, 주축을, 진동의 전달에 있어서, 베어링의 내륜과 주축이 일체라고 간주할 수 있을 정도로 압입함으로써, 구조를 간이화할 수 있으며, 지지 강성을 높일 수 있다.

청구항 5에 기재된 발명에서는, 구동부가, 전기 모터, 또는 에어 터빈 등 구동원을 갖기 때문에, 공작 기계에 탑재하는 것만으로 고속 밀링 가공을 행할 수 있다.

청구항 6에 기재된 발명에서는, 초음파 진동의 정해진 주파수로 공진하는 기능을 갖는 척에, 공구를 수축 끼워 맞춤하고, 척을 테이퍼축에 의해 주축에 장착함으로써, 공구 지지 강성이 높으며, 움직임 밸런스성도 좋기 때문에, 초음파 진동을 효율적으로 가공물에 전할 수 있으며 고속 밀링 가공 시의 고속 회전 및 진동이나 부하에 견딜 수 있다. 또한, 고속 밀링 가공을 행하는 공구의 부착이 간단해지고, 범용화, 저비용이며, 장치의 납기를 단축시킬 수 있다.

청구항 7에 기재된 발명에서는, 초음파 진동의 정해진 주파수로 공진하는 기능을 갖는 척에, 공구를 콜릿으로 장착하고, 척을 테이퍼축에 의해 주축에 장착함으로써, 종래의 수축 끼워 맞춤에 의해 고정하는 방법에 대하여 척을 가열할 필요가 없기 때문에, 결과적으로 초경 공구 이외의 각종 재질의 공구의 장착이 가능해진다. 또한, 간단한 구조로, 공구를 교환할 수 있으며, 고속 밀링 가공을 행하는 공구의 부착이 간단해지고, 범용화, 저비용이며, 장치의 납기를 단축시킬 수 있다.

청구항 8에 기재된 발명에서, 가진부는, 압전 소자와, 전극판을 가지고, 장치 본체에 급전 브러시를 부착하며, 전극판을 슬립 링과 겸용하고, 급전 브러시로부터 전극판에 급전함으로써, 주축에 급전 시스템의 경로나 도선 등을 마련할 필요가 없으며, 급전 시스템의 간소화가 가능하다.

청구항 9에 기재된 발명에서는, 장치 본체에, 공작 기계의 주축에 직접 부착 가능한 아버를 갖기 때문에, 공작 기계에 간단하게 부착할 수 있다.

도 1의 (a)는 제1 실시형태의 초음파 스핀들 장치의 종단면도이며, (b)는 진동 방향의 예를 나타내는 설명도이다.
도 2는 도 1의 X-X선을 따르는 단면도이다.
도 3은 주축을 분해 상태로 나타내는 부분 절결 정면도이다.
도 4는 척 기구의 부분 절결 정면도이다.
도 5는 제2 실시형태의 초음파 스핀들 장치를 나타내는 일부 절결 단면도이다.
도 6은 제3 실시형태의 초음파 스핀들 장치를 나타내는 일부 절결 단면도이다.
도 7은 초음파 스핀들 장치의 제4 실시형태를 나타내는 단면도이다.
도 8은 가진부의 단면도이다.
도 9는 척의 고정을 설명하는 도면이다.
도 10은 급전의 구성의 실시형태를 나타내는 도면이다.
도 11은 초음파 스핀들 장치의 정면도이다.
도 12는 초음파 스핀들 장치에 부착 홀더를 구비한 정면도이다.
도 13은 초음파 스핀들 장치에 부착 홀더를 구비한 평면도이다.
도 14는 도 15의 좌측면도이다.

이하, 본 발명의 초음파 스핀들 장치의 실시형태에 대해서 설명한다. 본 발명의 실시형태는, 발명의 가장 바람직한 형태를 나타내는 것이며, 본 발명은 이것으로 한정되지 않는다.

[제1 실시형태]

도 1 내지 도 4는, 초음파 스핀들 장치(A)의 제1 실시형태를 나타내고 있으며, 도면 부호 1은 장치 본체를 구성하는 하우징, 도면 부호 2는 하우징(1) 내에 배치된 주축, 도면 부호 3a, 3b는 선단측과 구동측에서 주축(2)을 하우징(1)에 지지시킨 베어링, 도면 부호 4는 주축(2)에 연결된 척, 도면 부호 5는 척(4)에 장착된 공구, 도면 부호 6은 주축(2)을 고속 회전하는 구동부, 도면 부호 7은 초음파 발진 장치이다. W는 공작물이다.

주축(2)은 혼과 압전 소자의 일체형 구조로 되어 있고, 도 3에 분해 상태를 나타내는 바와 같이, 압전 소자(2a)와, 이 압전 소자(2a)의 후단측에 중합되는 보강 부재를 겸한 후방측 혼(2b)과, 압전 소자(2a)의 전단측에 중합되는 전면(前面) 부재를 겸한 전방측 혼(2c)으로 이루어져 있다.

후방측 혼(2b)은, 진동 마디(S2) 부위에 대응하는 외주 부분에 환형 홈(23)을 가지고, 후단면으로부터 축심상에는 회전력의 전달부로서의 톱니 구멍(21)이 마련되어 있으며, 선단측에는 전방측 혼(2c)과의 연결을 위한 볼트(22)가 마련되어 있다. 전방측 혼(2c)의 후단면으로부터 축심상에는, 볼트(22)와 나사 결합하는 암나사 구멍(24)이 마련되어 있다. 전방측 혼(2c)의 암나사 구멍(24)에, 후방측 혼(2b)의 볼트(22)를 나사 접촉하여 연결한다.

압전 소자(2a)는, 예컨대 압전 세라믹스와 전극판을 교대로 샌드위치 구조로 한 복수매(도면에서는 2장)로 이루어져 있고, 중심에는 볼트(22)의 관통을 허용하는 관통 구멍이 형성되어 있다. 이 압전 소자(2a)가 주축(2)을 초음파 진동시키는 가진부(X)를 구성하고 있다.

이 초음파 진동은, 도 1의 (b)에 나타내는 바와 같이, 축 방향(F1), 트위스트 방향(F2) 및 만곡 방향(F3) 중 어느 것의 양태도 포함하고 있고, 이것은 압전 세라믹스의 조성(재질)의 선정에 의해 용이하게 실현할 수 있다.

전방측 혼(2c)은 중간부보다 앞이 대직경으로 되어 있고, 진동 마디(S1) 부위에 대응하는 외주 부분에 환형 홈(20)을 가지고 있으며, 후단면으로부터 축심상에는 볼트(22)와 나사 결합하는 암나사 구멍(24)이 마련되고, 또한 선단면 중앙부에는 테이퍼콘 구멍(26)이 형성되며, 이 테이퍼콘 구멍(26)의 내단으로부터 암나사 구멍(261)이 형성되어 있다.

전방측 혼(2c)의 환형 홈(20)과 후방측 혼(2b)의 환형 홈(23)은, 압전 소자(2a)의 중앙부로부터 거의 동일한 거리에 마련되고, 선단측의 베어링(3a)을 주축(2)의 진동 마디(S1) 부위에 위치시키며, 구동측의 베어링(3b)을 주축(2)의 진동 마디(S2) 부위에 위치시키고, 가진부(X)를, 선단측의 베어링(3a)과 구동측의 베어링(3b)의 중간 위치(S3)에 배치하며, 압전 소자(2a)는 두께 방향의 중앙의 중간 위치(S3)에 대응하도록 설정되어 있다.

즉, 가진부(X)를, 선단측의 베어링(3a)과 구동측의 베어링(3b)의 중간 위치에서, 진동 마디 부근의 진동 효율이 최대인 부분에 배치함으로써, 주축(2)을 소직경으로 하며, 또한 장치의 축 방향의 길이를 단축시키고, 더구나 초음파 진동을 저해하는 일없이 주축(2)을 장치 본체에 지지할 수 있으며, 고속 회전과 초음파 진동이 중첩된 엄격한 사용 조건에서도 부하에 충분히 견딜 수 있고, 소형이며, 안정된 고속 밀링 가공을 행할 수 있다. 또한, 선단측의 베어링(3a)과 구동측의 베어링(3b)에 초음파 진동이 약간 작용하기 때문에 윤활성이 향상되며, 보다 원활한 회전 성능과 수명 향상을 도모할 수 있다.

선단측의 베어링(3a)과 구동측의 베어링(3b)에는, 통상, 구름 베어링이 이용되고, 이 예에서는 외륜(3a1, 3b1)과 회전체(3a2, 3b2)와 리테이너(3a3, 3b3)를 가지고, 회전체(3a2, 3b2)는 전방측 혼(2c)의 환형 홈(20)과 후방측 혼(2b)의 환형 홈(23)에 각각 끼워져 있다. 따라서, 내륜은 생략되어 있다. 이 예에서는, 회전체(3a2, 3b2)로서 볼이 사용되고 있지만, 롤러여도 좋다.

즉, 주축(2)을, 선단측의 베어링(3a) 및 구동측의 베어링(3b)의 내륜과 일체로 형성함으로써, 주축(2)이 베어링의 내륜을 겸하고 있고, 구조를 간이화할 수 있으며, 지지 강성을 높일 수 있다. 또한, 슬리브 주축이 없기 때문에, 장치의 직경을 작게 할 수 있으며, 소형 공작 기계의 소형 스핀들에 대응할 수 있다.

선단측의 베어링(3a)과 구동측의 베어링(3b)은, 각각 전방측 혼(2c)과 후방측 혼(2b)의 진동 마디(S1, S2) 부위에 대응하도록 마련되어 있는 환형 홈(20, 23)의 외주에 부착되고, 그 상태로 후방측 혼(2b)과 압전 소자(2a) 및 전방측 혼(2c)은 직렬형으로 중첩되며, 후방측 혼(2b)의 볼트(22)의 베이스부가 압전 소자(2a)의 관통 구멍을 관통하고, 나사부가 전방측 혼(2c)의 암나사 구멍(24)에 나사 결합됨으로써 체결 일체화되어, 초음파의 주축 어셈블리를 구성하고 있다.

척(4)은, 도 4의 (a)에 나타내는 바와 같이, 테이퍼콘 구멍(26)에 대응하는 테이퍼콘부(40)의 꼭대기부에 암나사 구멍(261)과 나사 결합하는 수나사 축(41)을 갖고 있고, 테이퍼콘부(40)의 베이스부에는 회동 조작용의 다각형부(42)를 통해 공구 부착부(43)가 연결되어 있다. 공구 부착부(43)에는 하단면으로부터 축심상에 압입용 구멍(430)이 마련되어 있고, 이 압입용 구멍(430)에 공구(5)의 생크부(50)가 수축 끼워 맞춤되어 있다.

또한, 척(4)은, 도 4의 (b), (c)에 나타내는 바와 같이, 테이퍼콘부(40)의 베이스부에, 별개로 형성한 공구 부착부(43)를 압입하여 고정하고, 이 공구 부착부(43)의 압입용 구멍(430)에 공구(5)의 생크부(50)를 수축 끼워 맞춤하여도 좋다.

즉, 초음파 진동의 정해진 주파수로 공진하는 기능을 갖는 척(4)에, 공구(5)를 공구 부착부(43)의 콜릿으로 장착하고, 척(4)을 테이퍼축에 의해 주축(2)에 장착함으로써, 종래의 수축 끼워 맞춤에 의해 고정한 척에 비하여, 척(4)을 가열하는 일없이, 공구(5)를 척(4)으로부터 용이하게 제거할 수 있고, 간단한 구조로, 초경 공구 이외의 모든 공구를 교환할 수 있다. 고속 밀링 가공을 행하는 공구(5)의 부착이 간단해지고, 범용화, 저비용이며, 장치의 납기를 단축시킬 수 있다.

공구(5)는 엔드밀 등이 이용되지만, 재질로서는, 소결 다이아몬드, 단결정 다이아몬드, 기상 합성 다이아몬드 등의 다이아몬드 지석, 다이아몬드 공구가 적합하다. 물론 초경 공구, 코티드 공구 등이어도 좋다.

하우징(1)은 주축(2)을 내삽 유지하기 위해 내부가 통형상을 이루며, 후단측에는 확대한 내직경의 구동부 저장부(10)가 마련되고, 이 구동부 저장부(10)의 바닥으로부터 튜브실(11)이 형성되어 있다. 튜브실(11)의 진동 마디(S2) 부위 부근에는 베어링(3b)의 위치 결정 숄더(12)가 형성되어 있다. 튜브실(11)은 진동 마디(S1) 부위에 대략 대응하는 부위에 단차식 확대부(13)가 형성되어 있고, 하단 개구부 내주에는 암 나사부가 소요(所要) 범위에 걸쳐 마련되어 있다.

초음파의 주축 어셈블리는 하우징(1)의 튜브실(11)에 삽입되고, 후방측 혼(2b)에 부착한 베어링(3b)의 외륜(3b1)이 튜브실(11)의 내벽에 압입되어, 위치 결정 숄더(12)에 접촉함으로써 위치 결정 고정된다. 또한, 전방측 혼(2c)에 부착되어 있는 베어링(3a)은, 외륜(3a1)이 단차식 확대부(13)의 단면에 접촉함으로써 위치 결정되고, 개구측의 암 나사부에 고정용 링(8)이 나사 결합됨으로써 고정용 링(8)의 상단(80)이 외륜(3a1)에 접촉함으로써 위치 결정 유지된다.

이에 따라, 주축(2)은, 하우징(1)에 대하여 도 1에 나타내는 바와 같이, 전단 영역과 후단 영역의 2부분의 더구나 대략 진동 마디(S1) 부위의 위치에서 베어링(3a)에 의해, 진동 마디(S2) 부위의 위치에서 베어링(3b)에 의해 회전 가능 또한 축 방향으로 움직이지 않도록 유지된다. 이 상태에서, 압전 소자(2a)는 지지점인 진동 마디(S1, S2) 부위의 사이, 선단측의 베어링(3a)과 구동측의 베어링(3b)의 중간 위치(S3)에 배치되어 있다.

고속 회전용의 구동부(6)는 임의이지만, 예컨대 40000?150000 rpm의 회전수를 출력 가능한 고주파 모터나 AC 서보 모터 등의 전기 모터가 사용되고, 구동부 저장부(10)에 수납되며, 구동부 저장부(10)에 부착한 덮개(10a)에 의해 유지된다. 구동부(6)는 출력축 선단의 톱니바퀴부(60)가 주축(2)의 톱니 구멍(21)에 결합함으로써 출력을 전달하도록 되어 있다. 또한, 구동부(6)는, 에어 터빈 등의 구동원을 갖는 것이어도 좋고, 공작 기계에 탑재하는 것만으로 고속 밀링 가공을 행할 수 있다.

압전 소자(2a)에 대한 초음파 발진 장치(7)로부터의 급전 시스템은 하우징(1)의 임의의 부분으로부터 도입되어 압전 소자(2a)에 접속되면 좋다. 이 예에서는, 주축(2)의 외주 표면에 슬립 링(70)을 마련하고, 슬립 링(70)과 접속한 도선을 볼트(22)에 도달하는 도전 구멍(25)에 유도하며, 도전 구멍(25)으로부터 직경 방향으로 추출하여 압전 소자(2a)에 접속하는 한편, 초음파 발진 장치(7)로부터의 도선과 접속한 급전 브러시(71)를 하우징(1)의 벽을 관통하여 튜브실(11)에 연장시켜, 슬립 링(70)과 접촉시키고 있다. 그 외 도면에서, 도면 부호 15는 하우징(1)의 벽을 관통하여 부착한 냉각용 유체의 분출부이다.

[제2 실시형태]

도 5는 본 발명에 따른 초음파 스핀들 장치의 제2 실시형태를 나타내고 있다. 이 실시형태에 있어서는, 선단측의 베어링(3a)과 구동측의 베어링(3b)이 외륜(3a1, 3b1)과 회전체(3a2, 3b2)와 리테이너(도시하지 않음) 및 내륜(3a4, 3b4)을 구비하고, 하우징(1)과는 별개의 부재의 것으로 되어 있다.

이들 선단측의 베어링(3a)과 구동측의 베어링(3b)은, 전방측 혼(2c)과 후방측 혼(2b)의 진동 마디(S1, S2) 부위에 대응하는 부위에 각각 내륜(3a4, 3b4)이 압입됨으로써 고정된다. 그리고, 이와 같이 선단측의 베어링(3a)과 구동측의 베어링(3b)을 부착한 주축(2)을 하우징(1)의 튜브실(11)에 삽입하고, 선단측의 베어링(3a)과 구동측의 베어링(3b)의 외륜(3a1, 3b1)을 튜브실(11)의 내벽면에 압입함으로써 하우징(1)에 유지 고정시키고 있다.

즉, 주축(2)을, 진동의 전달에 있어서, 선단측의 베어링(3a)과 구동측의 베어링(3b)의 각각 내륜(3a4, 3b4)과 주축(2)이 일체라고 간주할 수 있을 정도로 압입함으로써, 구조를 간이화할 수 있으며, 지지 강성을 높일 수 있다.

이 예에서는, 선단측의 베어링(3a)과 구동측의 베어링(3b)의 외륜(3a1, 3b1) 사이에 간격 유지를 위한 슬리브(31)를 배치하고 있지만, 이것은 반드시 필요하지 않다. 다른 구성은 제1 실시형태와 동일하기 때문에, 동일한 부분 및 부품에 동일한 부호를 붙이고, 설명은 생략한다.

또한, 이 실시형태에서는, 급전 시스템으로서, 하우징(1)의 벽을 관통하여 급전 브러시(71)를 부착하고, 압전 소자(2a)의 전극판과 접촉시키고 있다. 즉, 장치 본체에 급전 브러시(71)를 부착하고, 압전 소자(2a)의 전극판을 슬립 링과 겸용하며, 급전 브러시(71)로부터 전극판에 급전함으로써, 주축(2)에 급전 시스템의 경로나 도선 등을 마련할 필요가 없고, 급전 시스템의 간소화가 가능하다. 또한, 제1 실시형태와 동일한 구조를 채용하여도 좋다. 반대로, 제1 실시형태의 급전 시스템을 제2 실시형태에 나타내는 것으로 대신하여도 좋다.

[제3 실시형태]

도 6은 본 발명의 제3 실시형태를 나타내고 있다. 이 실시형태는, 주축(2)의 압전 소자(2a)와 전방측 혼(2c) 및 후방측 혼(2b)을 볼트(2d)로 결합하여 일체화한 예를 나타내고 있다.

후방측 혼(2b)에는, 후단으로부터 소요 깊이의 막힘 구멍(100)이 형성되어 있고, 이 막힘 구멍(100)의 바닥부로부터 축 방향에 관통 구멍(101)이 마련되어 있다. 후방측 혼(2b)과 압전 소자(2a) 및 전방측 혼(2c)은 직렬형으로 배치되고, 막힘 구멍(100)을 통해 볼트(2d)를 삽입 관통하며, 나사부를 전방측 혼(2c)의 암나사 구멍(24)에 나사 결합함으로써 체결되어 있다.

선단측의 베어링(3a)과 구동측의 베어링(3b)의 양태와 부착 형식은, 제1 실시형태 또는 제2 실시형태 중 어느 것이어도 좋지만, 이 실시형태에서는 전방측 혼(2c) 및 후방측 혼(2b)의 진동 마디(S1, S2) 부위에 상당하는 부위에 돌출대 링형의 내륜부(30a, 30b)를 일체 형성하고 있다. 다른 구성은, 제1 실시형태와 동일하기 때문에, 동일한 부분 및 부품에 동일한 부호를 붙이고, 설명은 생략한다.

또한, 도시하는 것은, 본 발명의 몇몇 예이며, 그 외에 여러가지 구성을 채용할 수 있는 것이다. 예컨대, 제1 실시형태와 제2 실시형태의 주축(2)을 제3 실시형태와 같이 볼트에 의한 결합 형식으로 하여도 좋다. 척(4)에의 공구의 부착은, 적합하게는 수축 끼워 맞춤이지만, 콜릿식이어도 다이어프램식이어도 좋다. 또한, 본 발명은 구동부를 갖는 전용의 초음파 스핀들 장치로 하여도 좋지만, 이것에 한정되지 않고, 구동부가 외부에 있는 형식으로 하여도 좋다.

또한, 피삭재로서의 공작물(W)의 재질은 임의적이며, 탄소강, 프리하든강(pre-hardened steel), 스테인리스강, 금형용 담금질강 등의 외에, 알루미늄 등의 비철 금속도 포함된다. 또한, 본 발명은 고속 밀링에 적합하지만, 물론 저속의 통상의 밀링으로도 효과를 발휘할 수 있다. 또한, 밀링 뿐만 아니라, 연삭이나 드릴 가공에도 적용 가능하다.

[실시형태의 작용]

구동부(6)의 출력축의 톱니바퀴부(60)가 주축(2)의 톱니 구멍(21)과 결합하고 있기 때문에, 구동부(6)를 구동하면, 선단측의 베어링(3a)과 구동측의 베어링(3b)에 의해 하우징(1)에 지지되어 있는 주축(2)은 20000 rpm 이상의 고속으로 회전시켜지고, 병행하여 초음파 발진 장치(7)로부터의 전류의 인가에 의해, 압전 소자(2a)는 축 방향, 트위스트 방향 또는 만곡 방향으로 진동시켜지고, 공구(5)에 의해 공작물(W)이 밀링 가공된다. 이 초음파 진동에 의해 공구(5)의 재질이 다이아몬드, 공작물의 재질이 철계 재료인 경우에도 화학 반응에 의한 화학적 마모가 회피된다.

제1 실시형태 내지 제3 실시형태 중 어느 것에서도, 주축(2)의 전방측 혼(2c)과 후방측 혼(2b)의 진동 마디에 상당하는 부분(2부분)이 하우징(1)에 고정되어 있는 선단측의 베어링(3a)과 구동측의 베어링(3b)에 의해, 회전이 허용되면서 축 방향 및 반경 방향으로는 움직이지 않도록 단단히 지지된다.

이 때문에, 고속 회전과 진동이 작용하여도, 주축(2)은 고속 회전과 가로 방향의 부하에 견딜 수 있고, 원활하고 안정되게 장거리의 고속 밀링 가공을 행할 수 있다. 또한, 냉각용 유체의 분출부(15)를 하우징(1)에 부착해 둔 경우에는, 예컨대 미스트 에어를 분출함으로써, 가공열을 제거할 수 있기 때문에, 주축(2)의 발열에 의한 신장이나 만곡을 억제할 수 있다.

또한, 본 발명은 주축(2)이 전방측 혼(2c)과 후방측 혼(2b)을 압전 소자(2a)를 사이에 두고 직결한 일체형으로 하며, 전방측 혼(2c)과 후방측 혼(2b)의 진동 마디 부분을 지지 고정하고, 압전 소자(2a)를 지지 고정부의 중간에 배치하고 있기 때문에, 주축(2)의 회전 밸런스가 좋아지며, 종래와 같은 진동자가 회전에 따라 연통 회전하여 진동을 발생하거나, 하우징과 충돌하여 파괴된다고 하는 현상이 발생하지 않게 된다.

더구나, 슬리브 주축이 존재하지 않고, 주축(2)이 직접 선단측의 베어링(3a)과 구동측의 베어링(3b)에 의해 하우징(1)에 지지되어 있기 때문에, 스핀들 그 자체의 직경을 작게 할 수 있고, 이에 따라 소형 공작 기계의 소형 스핀들에 대응할 수 있다. 또한, 하우징(1)에 구동부(6)를 빌트인하고 있기 때문에, 외부에 구동원이 필요하지 않고, 공작 기계에 탑재하는 것만으로 고속 초음파 밀링 가공을 행할 수 있다.

또한, 주축이 주축과 슬리브 주축의 2중 구조로 되어 있지 않고, 주축만의 단일 주축 구조로 되어 있기 때문에, 기구가 간단하며 부재수가 적어지고, 또한 조립 오차가 감소한다. 이 때문에 휠링(whirling) 등의 정밀도가 향상되고, 보다 고속화, 및 고정밀도화, 고강성화를 도모할 수 있다. 덧붙여, 진동 마디(S1, S2) 부위에 배치되어 있는 선단측의 베어링(3a)과 구동측의 베어링(3b)에 초음파 진동이 약간 작용함으로써 베어링의 윤활성이 향상되기 때문에, 보다 원활한 회전 성능을 얻을 수 있으며, 수명의 향상을 도모할 수 있다.

척(4)에 대한 공구(5)의 부착을 수축 끼워 맞춤으로 하고, 척(4)을 테이퍼콘식으로 주축(2)의 전방측 혼(2c)에 삽입 접촉시키도록 한 경우에는, 공구 지지 강성이 높고, 움직임 밸런스 특성도 좋으며, 초음파 진동을 효율적으로 공구(5)에 전달할 수 있다.

[실시형태의 가공예]

다음에, 본 발명을 적용한 가공예를 나타낸다. 장치로서, 도 1에 나타내는 구조의 것을 사용하였다. 초음파 압전 소자는 피에조 타입을 사용하였다. 공구로서 소결 다이아몬드 코티드 엔드밀(R1.5, 1장날)을 사용하고, 프리하든강 HRC40을 가공 형상: 파형으로 고속 초음파 밀링 가공하였다. 공구 회전수는 20000 rpm, 초음파 진동수는 60.1 KHz, 이송은 0.05 ㎜/날, 절결은 축 방향 0.2 ㎜, 이송 피치 0.1 ㎜, 절삭유는 불수용성을 사용하였다. 비교를 위해, 초음파 진동을 가하지 않는 것 이외에는 동일 조건으로 가공을 행하였다.

이 결과, 비교예의 경우는, 다이아몬드 공구 날끝이 급속히 마모하고, 절삭 거리 18 m 시에는 절삭 불능이 되어 버렸다. 이에 대하여, 본 발명의 경우에는, 30 m 절삭 시점에서도 공구의 마모는 생기고 있지 않았다. 이 마모 상황을 검토한 바, 초기 마모가 17 ㎛ 발생하였지만, 그 후는 거의 마모 제로의 상태로 추이하고 있었다. 부하에 대한 효과를 보기 위해 절삭 거리 250 m까지의 연속 절삭을 행한 바, 마모 제로의 상태로 추이하고 있었다.

또한, 부하에 대한 내구성을 보기 위해, 절삭 거리 10500 m까지의 연속 절삭을 행하였지만, 주축 및 하우징은 전혀 손상도 없고, 안정된 내구성이 있는 것이 확인되었다.

또한, 비교를 위해, 공구에 가까운 혼 부분의 플랜지만을 지지하는 종래 장치를 사용하여 상기 조건으로 고속 밀링을 행한 결과, 절삭 거리 1050 m에서 초음파 진동자에 균열이 들어가 이상음이 발생하고, 사용 불능이 되었다. 이 결과로부터, 전방측 혼과 초음파 압전 소자와 후방측 혼을 일체화한 구조로 하며, 전방측 혼과 후방측 혼의 쌍방을 진동 마디 위치에서 지지 고정하는 것이 효과적인 것을 알 수 있다.

이와 같이, 주축(2)이 초음파 진동하면서 회전하는 형식의 초음파 스핀들 장치로서, 선단측의 베어링(3a)과 구동측의 베어링(3b)을 주축(2)의 진동 마디(S1, S2) 부위에 위치시키고, 가진부(X)를, 선단측의 베어링(3a)과 구동측의 베어링(3b)의 중간 위치(S3)에 배치함으로써, 장치의 축 방향의 길이를 단축하고, 더구나 초음파 진동을 저해하는 일없이 주축(2)을 하우징(1)에 지지할 수 있으며, 고속 회전과 초음파 진동이 중첩된 엄격한 사용 조건에서도 부하에 충분히 견딜 수 있고, 안정된 고속 밀링 가공을 행할 수 있다. 또한, 선단측의 베어링(3a)과 구동측의 베어링(3b)에 초음파 진동이 약간 작용하기 때문에 윤활성이 향상하며, 보다 원활한 회전 성능과 수명 향상을 도모할 수 있다.

더구나, 하우징(1)에 직접 주축(2)을 회전 가능하게 지지시키고, 슬리브 주축이 없기 때문에, 직경을 작게 할 수 있으며, 소형 공작 기계의 소형 스핀들에 대응할 수 있다. 또한 슬리브 주축을 사용하지 않는 주축만의 단일 구조가 되기 때문에, 기구나 구조가 간단해지며 조립 오차가 감소하고, 이에 따라 휠링 등의 정밀도를 향상시킬 수 있으며, 더욱 더 고속화, 고정밀도화, 고강성화를 저비용으로 실현할 수 있다. 또한, 선단측의 베어링(3a)과 구동측의 베어링(3b)에 초음파 진동이 약간 작용하기 때문에 윤활성이 향상하며, 보다 원활한 회전 성능과 수명 향상을 도모할 수 있는 등의 우수한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 주축(2)이 선단측의 베어링(3a)과 구동측의 베어링(3b)의 내륜을 겸하고 있기 때문에, 구조를 간이화할 수 있으며, 지지 강성을 높게 할 수 있다고 하는 우수한 효과를 얻을 수 있다. 또한, 하우징(1)이 주축(2)의 구동부(6)도 갖는 초음파 고속 밀링 유닛으로 되어 있기 때문에, 특별한 구동원이나 전달 기구를 요구하지 않고, 공작 기계에 탑재하는 것만으로 고속 밀링 가공을 행할 수 있다고 하는 우수한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 전방측 혼(2c)의 전단부에서 내부에 암나사 구멍(261)을 갖는 테이퍼콘 구멍(26)을 마련하고, 테이퍼콘 구멍(26)에 대응하는 테이퍼콘부(40)를 갖는 척(4)을 나사 삽입 고정하며, 이 척(4)에 공구(5)를 수축 끼워 맞춤하고 있기 때문에, 공구 지지 강성이 높고, 움직임 밸런스성도 좋기 때문에, 초음파 진동을 효율적으로 가공물에 전할 수 있으며 고속 밀링 가공 시의 고속 회전 및 진동이나 부하에 견딜 수 있다고 하는 우수한 효과를 얻을 수 있다.

[제4 실시형태]

도 7 내지 도 9는 초음파 스핀들 장치의 제4 실시형태를 나타내고 있으며, 도 7은 초음파 스핀들 장치의 단면도, 도 8은 가진부의 단면도, 도 9는 척의 고정을 설명하는 도면이다.

주축(2)은, 단일의 부재로 성형되고, 재질이 예컨대 베어링강, 스테인리스강이나 티탄 합금이다. 이 주축(2)은, 원기둥형이며, 외주는 연마 가공되고, 선단측에 척(106)을 수축 끼워 맞춤에 의해 고정하기 위한 고정 구멍(2e)이 형성되어 있다.

공구(5) 및 척(106)의 부착은, 도 9에 나타내는 바와 같이, 척(106)을 주축(2)의 선단의 고정 구멍(2e)에 수축 끼워 맞춤에 의해 압입하여 고정하지만, 나사 삽입, 수축 끼워 맞춤 등 고정 방법은 특별히 한정되지 않는다. 공구(5)는, 척(106)의 고정 구멍(106a)에 수축 끼워 맞춤에 의해 고정한다.

즉, 초음파 진동의 정해진 주파수로 공진하는 기능을 갖는 척(106)에, 공구(5)를 수축 끼워 맞춤하고, 척(106)을 테이퍼축에 의해 주축(2)에 장착함으로써, 공구 지지 강성이 높고, 고정밀도로 고정할 수 있으며 밸런스성도 좋기 때문에, 초음파 진동을 효율적으로 가공물(W)에 전할 수 있으며 고속 밀링 가공 시의 고속 회전 및 진동이나 부하에 견딜 수 있다. 또한, 고속 밀링 가공을 행하는 공구의 부착이 간단해지고, 범용화, 저비용이며, 장치의 납기를 단축시킬 수 있다.

공구(5)는 엔드밀 등이 이용되지만, 재질로서는, 초경, 코팅 초경, 소결 및 단결정 다이아몬드, cBN(입방정 질화 붕소), 연삭 지석 등이 적합하다.

주축(2)은, 선단측이 베어링(3a)을 통해, 구동측이 베어링(3b)을 통해 하우징(1)에 지지되고, 선단측의 베어링(3a)과 구동측의 베어링(3b)은 동일하게 구성되며, 통상, 구름 베어링이 이용된다. 이 선단측의 베어링(3a)과 구동측의 베어링(3b)은, 외륜(3a1, 3b1)과, 회전체(3a2, 3b2)와, 내륜(3a4, 3b4)을 구비하고, 하우징(1)과는 별개 부재의 것으로 되어 있다.

선단측의 베어링(3a)과 구동측의 베어링(3b)은, 주축(2)의 외주에 각각 내륜(3a4, 3b4)이 압입됨으로써 고정된다. 그리고, 이와 같이 선단측의 베어링(3a)과 구동측의 베어링(3b)을 부착한 주축(2)을, 하우징(1)의 튜브실(11)에 삽입하고, 외륜(3a1, 3b1)을, 튜브실(11)의 내벽면에 압입함으로써 하우징(1)에 유지 고정시키고 있다.

이 예에서는, 선단측의 베어링(3a)과 구동측의 베어링(3b)의 외륜(3a1, 3b1)의 사이에 간격 유지를 위한 슬리브(113)를 배치하고 있지만, 이것은 반드시 필요하지 않다. 또한, 주축(2)의 외주에 환형 홈(도시하지 않음)을 형성하고, 선단측의 베어링(3a)과 구동측의 베어링(3b)의 회전체(3a2, 3b2)를 환형 홈에 각각 끼움으로써, 내륜은 생략하여도 좋다.

이 실시형태에서는, 선단측의 베어링(3a)을 주축(2)의 진동 마디(S1) 부위에 위치시키고, 구동측의 베어링(3b)을 주축(2)의 진동 마디(S2) 부위에 위치시키며, 가진부(X)를, 주축(2)의 구동측의 베어링(3b)의 위치보다 구동부측에 배치하고 있다.

즉, 가진부(X)를, 구동측의 베어링(3a)과 구동부(6)의 중간 위치에서, 진동 효율이 최대인 부분에 배치함으로써, 주축(2)을 소직경으로 하며, 또한 장치의 축 방향의 길이를 단축시키고, 더구나 초음파 진동을 저해하는 일없이 주축(2)을 하우징(1)에 지지할 수 있으며, 고속 회전과 초음파 진동이 중첩된 엄격한 사용 조건에서도 부하에 충분히 견딜 수 있고, 소형이며, 안정된 고속 밀링 가공을 행할 수 있다. 또한, 선단측의 베어링(3a)과 구동측의 베어링(3b)에 초음파 진동이 약간 작용하기 때문에 윤활성이 향상하며, 보다 원활한 회전 성능과 수명 향상을 도모할 수 있다.

주축(2)을 회전시키는 구동부(6)는, 구동축(6a)을 가지며, 이 구동축(6a)은, 체결 나사(120)를 통해 주축(2)의 축선상에 접속되어 있다. 구동축(6a)은, 그 선단부를 체결 나사(120)의 결합 구멍(120a)에 결합하여 일체 회전 가능하게 되어 있다. 구동부(6)는, 고속 회전용의 장치이면 임의적이지만, 예컨대 고주파 모터나 AC 서보 모터 등의 전기 모터가 사용되고, 하우징(1)의 튜브실(11)에 수납되어 있다. 이 실시형태에서는, 구동부(6)를 하우징(1)에 수납하여 덮개(1a)에 의해 부착하고 있지만, 구동부(6)는 반드시 하우징(1)에 수납하여 마련할 필요는 없고, 주축(2)의 후단을 아버로 하여 별도의 공작 기계에 붙이는 방식이어도 좋다.

가진부(X)는, 주축(2)을 초음파 진동시키고, 이 가진부(X)는, 한쌍의 압전 소자(150)와, 전극판(151)을 가지며, 한쌍의 압전 소자(150)와 전극판(151)을 교대로 샌드위치 구조로 한 복수매의 것으로 이루어져 있고, 중심에는 관통 구멍(150a, 151a)이 형성되어 있다.

한쌍의 압전 소자(150)의 사이에 전극판(151)이 배치되고, 체결 나사(120)의 수나사부(120b)를 주축(2)의 암나사 구멍(2f)에 나사 접촉할 때에, 한쌍의 압전 소자(150)의 관통 구멍(150a), 전극판(151)의 관통 구멍(151a)에 관통하여 주축(2)의 구동측의 선단부(2g)에 함께 체결된다.

하우징(1)에는 급전 브러시(152)가 부착되고, 이 급전 브러시(152)에는 초음파를 발진하기 위한 초음파 발진 장치(7)의 급전선(154)이 접속되어 있다. 급전 브러시(152)로부터 전극판(151)에 브러시 급전을 행하고, 한쌍의 압전 소자(150)를 구동시켜, 주축(2)을 초음파 진동시킨다. 압전 소자(150)에의 급전은, 급전 브러시(152)로부터 전극판(151)으로부터 행하고, 도전성의 주축(2), 베어링(3a)과 베어링(3b), 하우징(1)을 통해 접지되며, 급전 시스템이 간소화되어 있다.

이 초음파 스핀들 장치(A)는, 피삭재로서의 공작물(W)의 가공을 행하고, 이 공작물(W)의 재질은 임의적이며, 탄소강, 프리하든강, 스테인리스강, 금형용 담금질강 등의 외에, 알루미늄 등의 비철 금속, 나아가서는 유리나 세라믹스, 보석류의 비금속, 고무, 플라스틱, 목재 등도 포함된다.

구동부(6)의 구동축(6a)이 체결 나사(120)에 일체 회전 가능하기 때문에, 구동부(6)를 구동하면, 베어링(3a)과 베어링(3b)에 의해 하우징(1)에 지지되어 있는 주축(2)은 고속으로 회전되고, 병행하여 초음파 발진 장치(7)로부터의 급전에 의해, 전극판(151)을 통해 한쌍의 압전 소자(150)는 축 방향, 트위스트 방향 또는 만곡 방향으로 진동되고, 공구(5)에 의해 공작물(W)이 밀링 가공된다. 이 초음파 진동에 의해 공구(5)의 재질이 다이아몬드, 공작물의 재질이 철계 재료인 경우에도 화학 반응에 의한 화학적 마모가 회피된다.

또한, 이 실시형태에서는, 선단측의 베어링(3a)과 구동측의 베어링(3b)을 주축(2)의 진동 마디(S1, S2) 부위에 위치시키고, 가진부(X)를, 주축(2)의 구동측의 베어링(3b)의 위치보다 구동부측에 배치함으로써, 장치의 축 방향의 길이를 단축시키고, 더구나 초음파 진동을 저해하는 일없이 주축(2)을 하우징(1)에 지지할 수 있으며, 고속 회전과 초음파 진동이 중첩된 엄격한 사용 조건에서도 부하에 충분히 견딜 수 있고, 안정된 고속 밀링 가공을 행할 수 있다.

또한, 주축(2)은, 베어링(3a)과 베어링(3b)에 의해, 회전이 허용되면서 축 방향 및 반경 방향으로는 움직이지 않도록 단단히 지지되어 있기 때문에, 고속 회전과 진동이 작용하여도, 주축(2)은 고속 회전과 가로 방향의 부하에 견딜 수 있고, 원활하게 안정적으로 장거리의 고속 밀링 가공을 행할 수 있다.

또한, 주축(2)은, 단일의 부재로 성형하며, 선단측은 베어링(3a)을 통해, 구동측은 베어링(3b)을 통해 하우징(1)을 지지하고, 주축(2)을 초음파 진동시키는 가진부(X)를, 주축(2)의 구동측의 베어링(3b)의 위치보다 구동부측에 배치하고 있기 때문에, 주축(2)을 복수의 축부재를 맞붙여 가공할 필요가 없고, 제작 공정이 삭감되며, 저비용적이다.

또한, 가진부(X)는, 압전 소자(150)와, 전극판(151)을 가지고, 하우징(1)에 급전 브러시(152)를 부착하며, 급전 브러시(152)로부터 전극판(151)에 브러시 급전을 행하고, 압전 소자(150)를 구동시키기 때문에, 주축(2)에 급전 시스템의 경로나 도선 등을 마련할 필요가 없고, 급전 시스템의 간소화가 가능하며, 회전 밸런스가 좋고, 고속화, 고정밀도화를 얻을 수 있다.

[급전의 구성]

제1 내지 제4 실시형태의 초음파 스핀들 장치(A)는, 도 10에 나타내는 급전의 구성의 실시형태를 이용할 수 있다. 이 실시형태에서, 가진부(X)는, 한쌍의 압전 소자(150)와, 전극판(151)을 가지며, 하우징(1)에 급전 브러시 유닛(Y)을 맞붙이고 있다.

이 급전 브러시 유닛(Y)은, 하우징(1)에 부착되는 도전성 재질의 브러시 홀더(300)와, 브러시 홀더(300)에 삽입 접촉한 도전성 재질의 컬러(301)와, 컬러(301)에 삽입 접촉한 급전 브러시(302)와, 급전 브러시(302)의 선단부를 전극판(151)에 접촉시키도록 압박하는 도전성 재질의 압박 부재(303)로 구성되어 있다. 급전 브러시(302)의 후단은, 압박 부재(303)를 구성하는 스프링에 유지되고, 압박 부재(303)는 링(310)에 의해 지지되며, 링(310)은 캡(311)에 고정되어 있다.

브러시 홀더(300)에 나사 접촉한 캡(311)에는, 초음파를 발진하기 위한 초음파 발진 장치(7)의 급전선(154)이 접속되고, 브러시 홀더(300)로부터 컬러(301) 및 압박 부재(303)를 통해 급전 브러시(302)로부터 전극판(151)에 급전을 행하며, 한쌍의 압전 소자(150)를 구동시킨다. 이 급전 브러시(302)는, 소형 또한 내마모성이 우수한 특수 마이크로 브러시를 이용하고, 이 특수 마이크로 브러시에는, 배선을 부속하고 있다. 따라서, 급전 브러시(302)에 특수 마이크로 브러시를 이용함으로써, 컬러(301) 및 압박 부재(303) 중 어느 것에 있어서 급전 브러시(302)에 전력을 공급할 수 있다.

이와 같이, 가진부(X)는, 한쌍의 압전 소자(150)와, 전극판(151)을 가지며, 하우징(1)에 급전 브러시 유닛(Y)을 맞붙임으로써, 하우징(1)에 급전 브러시(302)를 간단하며 또한 정확하게 부착할 수 있다. 또한, 급전 브러시 유닛(Y)의 급전 브러시(302)로부터 전극판(151)에 급전을 행하고, 한쌍의 압전 소자(150)를 구동시킴으로써, 주축(2)에 급전 시스템의 경로나 도선 등을 마련할 필요가 없어, 급전 시스템의 간소화가 가능하다.

[공작 기계에의 부착 구조]

제1 내지 제4 실시형태의 초음파 스핀들 장치(A)는, 도 11 내지 도 14에 나타내는 부착 구조의 실시형태를 이용할 수 있다. 도 11은 초음파 스핀들 장치의 정면도, 도 12는 초음파 스핀들 장치에 부착 홀더를 구비한 정면도, 도 13은 초음파 스핀들 장치에 부착 홀더를 구비한 평면도, 도 14는 도 13의 좌측면도이다.

이 실시형태의 초음파 스핀들 장치(A)는, 도 11에 나타내는 바와 같이, 제4 실시형태의 초음파 스핀들 장치(A)를 나타내고 있지만, 하우징(1)에는, 급전 브러시 유닛(Y)을 맞붙이고, 초음파 발진 장치(7)로부터 코드(400)에 의해 접속된 급전부(401)로부터 급전 브러시 유닛(Y)에 급전된다. 또한, 하우징(1)에는, 하우징(1)의 내부에 공기를 흡입하는 공기 흡입부(402)가 마련되고, 컨트롤러(500)의 제어에 의해 호스(502)를 통해 공기 흡입부(402)로부터 하우징(1)의 내부에 공기를 공급하여 주축(2)을 냉각한다.

또한, 하우징(1)에서, 구동부(6)에는 브러시리스 모터가 이용되고, 이 브러시리스 모터는 코드(501)에 의해 컨트롤러(500)에 접속되며, 컨트롤러(500)에 의해 제어된다. 또한, 구동부(6)에는, 브러시리스 모터의 내부에 공기를 흡입하는 공기 흡입부(403)가 마련되고, 컨트롤러(500)의 제어에 의해 호스(503)를 통해 공기 흡입부(403)로부터 브러시리스 모터의 내부에 공기를 공급하여 브러시리스 모터를 냉각한다. 호스(502) 및 호스(503)는, 호스(504)를 통해 컨트롤러(500)에 접속되며, 컨트롤러(500)에 의해 공기의 공급량을 제어한다.

이 초음파 스핀들 장치(A)는, 도 12 내지 도 14에 나타내는 바와 같이, 부착 홀더(C)를 구비하고 있고, 이 부착 홀더(C)에 의해 초음파 스핀들 장치(A)를 공작 기계에 부착할 수 있다. 이 부착 홀더(C)는, 제1 홀더(600)와 제2 홀더(601)로 구성되고, 이 제1 홀더(600)와 제2 홀더(601)는 SUS에 의해 성형되며, 볼트(602)에 의해 고정되어 있다. 장치 본체에, 공작 기계의 주축에 직접 부착 가능한 아버를 가지며, 이 아버가 제2 홀더(601)에 의해 구성되며, 공작 기계에 간단히 부착할 수 있다.

제2 홀더(601)에는, 전원 커넥터(610)와 냉각 커넥터(620)가 마련되고, 전원 커넥터(610)는 코드에 의해 구동부(6)로서 브러시리스 모터와 급전 브러시 유닛(Y)의 급전부(401)에 접속되고, 냉각 커넥터(620)는 호스에 의해 하우징(1)의 공기 흡입부(402)와 브러시리스 모터의 공기 흡입부(403)에 접속되어 있다.

전원 커넥터(610)에는, 전원 커넥터(611)를 접속하고, 이 전원 커넥터(611)에는 코드(400) 및 코드(501)가 접속되며, 전원 커넥터(610) 및 전원 커넥터(611)를 통해 가진부(X)와 구동부(6)에 전원 공급을 행한다. 또한, 냉각 커넥터(620)에는, 냉각 커넥터(621)를 접속하며, 이 냉각 커넥터(621)에는 호스(502) 및 호스(503)가 접속되고, 냉각 커넥터(620) 및 냉각 커넥터(621)를 통해 공기 흡입부(402) 및 공기 흡입부(403)에 공기를 공급한다.

이 실시형태에서는, 초음파 스핀들 장치(A)가 부착 홀더(C)를 구비하고, 이 부착 홀더(C)에 의해 초음파 스핀들 장치(A)를 공작 기계에 부착한다. 이 부착 홀더(C)는, 전원 커넥터(610)에 전원 커넥터(611)를 접속함으로써, 가진부(X)와 구동부(6)에 전원 공급을 행할 수 있고, 냉각 커넥터(620)에 냉각 커넥터(621)를 접속함으로써, 공기 흡입부(402) 및 공기 흡입부(403)에 공기를 공급할 수 있으며, 초음파 스핀들 장치(A)를 공작 기계에 간단히 부착할 수 있다.

본 발명은, 선단측에 공구를 갖는 주축이 초음파 진동하면서 회전하는 초음파 스핀들 장치에 적용 가능하고, 구조가 간단하고 또한 소형이며, 소형 공작 기계용의 소직경의 스핀들에 적용할 수 있고, 더구나 고속화, 고정밀도화, 고강성화를 얻을 수 있으며, 또한 공구를 고속 밀링 가공 시의 고속 회전 및 가로 방향의 부하에 안정되게 견딜 수 있고, 초음파 진동을 효율적으로 전달할 수 있다.

A 초음파 스핀들 장치 S1, S2 진동 마디
S3 중간 위치 W 공작물
X 가진부 1 하우징
2 주축 2a 압전 소자
2b 후방측 혼 2c 전방측 혼
3a, 3b 베어링 3a1, 3b1 외륜
3a2, 3b2 회전체 3a3, 3b3 리테이너
4, 106 척 5 공구
6 구동부 6a 구동축
7 초음파 발진 장치 10 구동부 저장부
11 튜브실 12 위치 결정 숄더
13 단차식 확대부 20, 23 환형 홈
22 볼트 24 암나사 구멍
26 테이퍼콘 구멍 31 슬리브
40 테이퍼콘부 41 수나사 축
42 다각형부 43 공구 부착부
50 생크부 70 슬립 링
71 급전 브러시 120 체결 나사
150 한쌍의 압전 소자 151 전극판
152 급전 브러시 261 암나사 구멍
430 압입용 구멍

Claims (9)

1. 선단측에 공구를 갖는 주축이 초음파 진동하면서 회전하는 초음파 스핀들 장치로서,
   상기 주축의 선단측과 구동측을 베어링을 통해 지지하는 장치 본체와,
   상기 주축을 회전시키는 구동부와,
   상기 주축을 초음파 진동시키는 가진부(加振部)를 구비하고,
   상기 가진부를, 상기 선단측의 베어링과 상기 구동측의 베어링의 중간 위치에서, 진동 마디 부근의 진동 효율이 최대인 부분에 배치한 것을 특징으로 하는 초음파 스핀들 장치.
2. 선단측에 공구를 갖는 주축이 초음파 진동하면서 회전하는 초음파 스핀들 장치로서,
   상기 주축의 선단측과 구동측을 베어링을 통해 지지하는 장치 본체와,
   상기 주축을 회전시키는 구동부와,
   상기 주축을 초음파 진동시키는 가진부를 구비하고,
   상기 가진부를, 상기 구동측의 베어링과 상기 구동부의 중간 위치에서, 진동 효율이 최대인 부분에 배치한 것을 특징으로 하는 초음파 스핀들 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 주축을, 상기 베어링의 내륜과 일체로 형성한 것을 특징으로 하는 초음파 스핀들 장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 주축을, 진동의 전달에 있어서, 상기 베어링의 내륜과 상기 주축이 일체라고 간주할 수 있을 정도로 압입한 것을 특징으로 하는 초음파 스핀들 장치.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 구동부는, 전기 모터, 또는 에어 터빈 등의 구동원을 갖는 것을 특징으로 하는 초음파 스핀들 장치.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 초음파 진동의 정해진 주파수로 공진하는 기능을 갖는 척에, 상기 공구를 수축 끼워 맞춤하고,
   상기 척을 테이퍼 축에 의해 상기 주축에 장착한 것을 특징으로 하는 초음파 스핀들 장치.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 초음파 진동의 정해진 주파수로 공진하는 기능을 갖는 척에, 상기 공구를 콜릿으로 장착하고,
   상기 척을 테이퍼 축에 의해 상기 주축에 장착한 것을 특징으로 하는 초음파 스핀들 장치.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가진부는, 압전 소자와, 전극판을 가지며,
   상기 장치 본체에 급전 브러시를 부착하며,
   상기 전극판을 슬립 링과 겸용하고,
   상기 급전 브러시로부터 상기 전극판에 급전하는 것을 특징으로 하는 초음파 스핀들 장치.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 장치 본체에, 공작 기계의 주축에 직접 부착 가능한 아버(arbor)를 갖는 것을 특징으로 하는 초음파 스핀들 장치.

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