TW202216397A - 超音波切削裝置 - Google Patents
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Abstract
於超音波切削裝置(1)的旋轉軸(8)的前端設置內螺紋。另一方面，以形成一體的金屬來製成具有六角孔的條形螺絲(6)與前塊體(3)。將壓電元件(3a)置入具有以一體的方式製成的前塊體(3)的條形螺絲(6)，置入未圖示的磷青銅板，置入壓電元件(3b)，置入磷青銅板後將六角扳手置入條形螺絲(6)的六角孔，將扳手搭上後塊體(5)的缺口後進行鎖固，而製成具有條形螺絲(6)的朗之萬式超音波振動器(2)。將切削具(7)插入至所製成之具有條形螺絲(6)的朗之萬式超音波振動器(2)的前端後，螺入旋轉軸(8)的內螺紋孔，將扳手搭上後塊體(5)的缺口後進行螺入。
Description
本發明係關於對切削具激起超音波振動的構成及其驅動方法、支撐方法。
以往，為了切削以玻璃、聚矽氧、氮化矽、鋁-TiC(含碳化鈦的鋁)、稀土類磁鐵材料、或超硬金屬所代表之硬且脆的材料所形成的加工對象物，乃廣泛地使用具有圓盤狀的切削具之切削裝置。於此切削裝置，係藉由凸緣(flange)夾著圓盤狀的切削具，一邊使其旋轉一邊使其外周緣部的刀緣接觸加工對象物而進行加工對象物的切削(例如切斷或開槽)。
本發明的發明人所發明的專利文獻1揭示有具備由圓盤狀的切削具(切斷具)及固定於其表面之圓環狀的超音波振動器所構成的圓盤狀的切削具(圓盤狀具)的切削裝置。該切削裝置一邊使圓盤狀的切削工具與切削具一同旋轉，一邊將以超音波振動器所產生的超音波振動賦加於切斷具，而使該經賦加超音波振動的切斷具之外周緣部的刀緣接觸加工對象物，藉此進行加工對象物的切削。而該專利文獻1的切削工具係藉由對其切削具賦加超音波振動，而能夠以高速且高精度切削加工對象物。
然而，於切削具進行擴張收縮振動的模式中，由於切削具沒
有振動的節點，所以不論是支撐切削具的哪個部位，振動都會大幅地衰減。因此，本發明的發明人研究了專利文獻2所揭示的切削具。該切削具係於比支撐位置更靠外側具備藉由細縫(slit)的超音波反射部。而且，將壓電元件接合於比細縫更靠外周部。如此一來，將切削具進行擴張收縮振動之模式之固有振動頻率附近的電壓施加於壓電元件，藉此能夠對切削具激起擴張收縮振動。
但是，由於存在著設於比切削具的支撐位置更外側的細縫，所以當切削具高速旋轉時，藉由離心力並且由於細縫為原因而有切削具損壞之虞。再者，當切削具的質量變大時離心力就會變大，由於細縫為原因而有切削具損壞之虞。此外，當切削具的半徑變大時離心力就會變大，由於細縫為原因而有切削具損壞之虞。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
專利文獻1：日本特許第4620370號
專利文獻2：日本特開2000-210928號公報
[非專利文獻]
非專利文獻1：伊藤勝彥等，「振動方向變換體的研究」，日本音響學會雜誌，第29卷第5期，第307至314頁
從而，本發明的目的在於提供一種對切削具激起超音波振動的構成、驅動方法及支撐方法，依據該對切削具激起超音波振動的構成、驅動方法及支撐方法，即使對切削具賦予大的機械負荷也無損壞之虞。
本發明之一型態，係在將切削具與朗之萬(Langevin)式超音波振動器裝設於超音波加工裝置的旋轉軸時，使朗之萬式超音波振動器設置於比切削具更靠前端側。
又，本發明之一型態，係於旋轉軸設置外螺紋，而將切削具與朗之萬式超音波振動器鎖固。
又，本發明之一型態，係以一體的方式構成切削具與朗之萬式超音波振動器的前塊體(front mass)。
又，本發明之一型態，係以一體的方式構成條形的外螺紋與朗之萬式超音波振動器的前塊體。
又，本發明之一型態，係於旋轉軸設置內螺紋，將外螺紋插入前述內螺紋，而將切削具與朗之萬式超音波振動器鎖固。
又，本發明之一型態，係藉由朗之萬式超音波振動器的縱振動而激起切削具之徑向的振動。
本發明之一型態，係於具有會旋轉之切削具的超音波切削裝置中，使壓電元件以對稱於切削具的中心面的方式設置於超音波切削裝置之旋轉軸向的切削具的前方與後方。
又，本發明之一型態，係設成：於會旋轉之切削具的旋轉軸
向的前側、後側配置二個以上壓電元件，且相對的壓電元件之極化方向彼此為相反方向。
又，本發明之一型態，係設成：於會旋轉之切削具的旋轉軸向的前側、後側配置二個以上壓電元件，且相對的壓電元件之極化方向彼此為相反方向，並且將切削具與壓電元件接合。
又，本發明之一型態，係設成：於會旋轉之切削具的旋轉軸向的前側、後側配置二個以上壓電元件，於相鄰的壓電元件之間配置電極板，且相對的壓電元件之極化方向彼此為相反方向。
又，本發明之一型態，係設成：於會旋轉之切削具的旋轉軸向的前側、後側配置一個壓電元件，相對於切削具於壓電元件的外側配置絕緣體，且相對的壓電元件之極化方向彼此為相反方向。
又，本發明之一型態，係設成：從前端至切削具之中心面為止的長度L大於或等於圓盤狀的切削具的半徑R的1/3倍且小於或等於該半徑R的3/2倍。
由於不須於接合有壓電元件的切削具設細縫，就能夠於切削具激起「進行擴張收縮的超音波振動」，所以於對切削具施加大的機械負荷的高速旋轉之質量大且切削具之半徑大的切削具也能夠進行超音波加工。
1:超音波加工裝置
2:朗之萬式超音波振動器
3:前塊體
4,4a,4b:壓電元件
5:後塊體
6:條形螺絲
7:切削具
8:旋轉軸
9,9a,9b:導線
11:超音波切削裝置
12:切削具
13,13a,13b:壓電元件
14,14a,14b:電極板
15:後塊體
16,16a,16b:絕緣板
17:旋轉軸
18:條形螺絲部
19:條形螺絲
21,21a,21b:凸緣
22:導線
CL:中心線
L:長度
R:半徑
圖1係本發明之於旋轉軸裝設有切削具與朗之萬式超音波振動器的剖視圖。
圖2係使用箭號來說明圖1的振動模式的圖。
圖3係以一體的方式構成前塊體與切削具的圖。
圖4係以一體的方式構成旋轉軸與條形螺絲的圖。
圖5係本發明之於旋轉軸裝設有切削具與超音波振動部的第一剖視圖。
圖6係本發明之於旋轉軸裝設有切削具與超音波振動部的第二剖視圖。
圖7係使用箭號來說明圖5的振動模式的圖。
圖8係使用箭號來說明圖6的振動模式的圖。
圖9係使用切削具的俯視圖來說明第一振動模式的圖。
圖10係使用切削具的俯視圖來說明第二振動模式的圖。
圖11係本發明之於旋轉軸裝設有切削具與超音波振動部的第三剖視圖。
圖12係將圖11的壓電元件的周邊放大的圖。
使用顯示有關本發明之第一構成之超音波加工裝置1使用的旋轉軸8與切削具7及作為超音波振動發生部的朗之萬式超音波振動器2的剖面的圖1來進行說明。
超音波加工裝置1的旋轉軸8的前端設置內螺紋。另一方面，以形成
一體的金屬來製成具有六角孔的條形螺絲6與前塊體3。
將壓電元件4a置入具有以一體的方式製成的前塊體3的條形螺絲6，置入未圖示的磷青銅(phosphor bronze)板，置入壓電元件4b，置入磷青銅板後將六角扳手置入條形螺絲6的六角孔，將扳手搭上後塊體5的缺口後進行鎖固，而製成具有條形螺絲6的朗之萬式超音波振動器2。
將切削具7插入至所製成之具有條形螺絲6的朗之萬式超音波振動器2的前端後，螺入旋轉軸8的內螺紋孔，將扳手搭上後塊體5的缺口後進行螺入。
對朗之萬式超音波振動器2的壓電元件4a、4b施加會激起以圖2顯示之箭號所示的縱振動(軸向的振動)之頻率的電壓。在此，條形螺絲6之中的黑圓圈與旋轉軸8之中的黑圓圈係縱振動的節點。
當圓板狀的切削具7的擴張收縮振動的固有振動頻率與施加於朗之萬式超音波振動器2之電壓的頻率幾乎相同時，就會於切削具7發生以箭號所示的擴張收縮振動。在此，圓板狀的切削具7的擴張收縮振動的節點係條形螺絲6之中的黑圓圈，與縱振動的節點相同。
將上述的縱振動轉換成徑向的振動的研究已於非專利文獻1詳細地解說。再者，將縱振動轉換成徑向的振動的切削方法及切削裝置已於專利文獻2詳細地記述。
依據本發明的第一構成，能夠激起剛性大的切削具7的擴張收縮振動。如此一來，藉由將朗之萬式超音波振動器2設為超音波振動的驅動源，能夠於切削具7激起大的振動。
在此，針對於切削具7激起超音波振動的手段詳細地進行說
明。將作為目的之朗之萬振動器的縱振動模式之固有振動頻率附近的頻率之電壓經由未圖示的超音波振盪電路、旋轉變壓器(rotary transformer)等並通過導線9a、9b而施加於壓電元件4a、4b。朗之萬式超音波振動器2之縱振動模式係藉由非專利文獻1所記載的振動方向轉換作用而於切削具7激起徑向的擴張收縮振動。由於切削具7係被以朗之萬式超音波振動器2與旋轉軸8牢固地鎖固，所以能夠支撐剛性大的切削具7。
使用圖3來進行說明，圖3係顯示有關本發明之第二構成之超音波加工裝置1使用的旋轉軸8與圓板狀的切削具7及作為超音波振動發生部的朗之萬式超音波振動器2的剖面。
在超音波加工裝置1的旋轉軸8的前端設置內螺紋。此外，將具有六角孔的條形螺絲6鎖固於前述旋轉軸8的內螺紋。
於條形螺絲6插入「將圓板狀的切削具7與前塊體3以一體的方式製作後的構成」。接著，將壓電元件4a、未圖示的磷青銅板、壓電元件4b、未圖示的磷青銅板以此順序插入，將後塊體5鎖固，將圓板狀的切削具7連接於旋轉軸8。
藉由將前塊體3與圓板狀的切削具7一體化，能夠高效率地將朗之萬式超音波振動器2的縱振動轉換成圓板狀的切削具7的擴張收縮振動。當僅前塊體3與圓板狀的切削具7接觸時，在接觸面的振動損失就會變大。
使用圖4來進行說明，圖4係顯示有關本發明之第三構成之超音波加工裝置1使用的旋轉軸8與圓板狀的切削具7及作為超音波振動發生部的朗之萬式超音波振動器2的剖面。
首先，以一體的方式製作金屬製的旋轉軸8與條形螺絲6。然後，將已以一體的方式製作後的前塊體3與圓板狀的切削具7插入至條形螺絲6，接著將壓電元件4a、未圖示的磷青銅板、壓電元件4b、未圖示的磷青銅板以此順序插入，將後塊體5鎖固，將圓板狀的切削具7連接於旋轉軸8。
藉由將條形螺絲6與旋轉軸8一體化，能夠高效率地將朗之萬式超音波振動器2的縱振動傳導至旋轉軸。由於縱振動在圓板狀的切削具7的兩側更為相等，所以能夠激起相對於與圓板狀的切削具7的平面平行的中心面呈對稱的擴張收縮振動。
以上的說明中，係設為金屬製的圓板狀的切削具7，然而也可使用於金屬製的圓板的外周裝設有砥石等而成的工具。而且也可應用於圓盤狀的各種工具。
使用圖5來說明關於本發明的第四構成的超音波切削裝置11。以一體的方式製成材料S45C製的旋轉軸17與條形螺絲部18。再者，旋轉軸17的右端部的以虛線表示的斜線為保持超音波切削裝置11的保持部。
以氧化鋯(Zirconia)製的圓環狀的絕緣板16b、磷青銅製的圓環狀的電極板14b、圓環狀形狀的壓電元件13b、圓環狀的切削具12、壓電元件13a、電極板14a、絕緣板16a的順序，對旋轉軸17的條形螺絲部18進行插入，而將設於材料S45C製的後塊體15的內螺紋鎖固，藉此組裝超音波振動部。
圓環狀形狀的壓電元件13係鋯鈦酸鉛(lead zirconate
titanate,PZT)陶瓷製，其兩面具有銀電極。再者，壓電元件之中的箭號表示極化方向。相對於通過切削具12之中心線CL，壓電元件13a與壓電元件13b的極化方向對稱於以切削具12之中心線CL表示的中心面。
再者，相對於通過切削具12之中心線CL，壓電元件13、電極板14及絕緣板16的位置也對稱。
於此針對使用絕緣板16的理由進行說明。由於必須對壓電元件13a、13b的電極板14a、14b施加用以激起超音波振動的電壓，所以電極板14a、14b不能與具有接地側之電壓的後塊體15、旋轉軸17等電位。因此，後塊體15與電極板14a之間設有絕緣板16a，旋轉軸17與電極板14b之間設有絕緣板16b。
接著使用圖7、圖9針對所期望的切削具12的第一振動模式進行說明。圖7中所示箭號為振動方向，表示旋轉軸17與條形螺絲部18之中的箭號的方向，亦即長度方向的振動轉換成切削具12的箭號的方向。圖中的黑圓圈表示振動的節點。
為了效率良好地激起切削具12的第一振動模式，圖11所示的切削具12的半徑R與從切削具12之中心線CL至後塊體15的前端為止的距離L必須幾乎相等。再者，由於也會受到構成及各零件的材料的影響，所以從超音波切削裝置11的前端至切削具12之中心面CL為止的長度L係設成大於或等於圓盤狀的切削具12的半徑R的1/2倍且小於或等於該半徑R的3/2倍者。
為了效率良好地激起切削具12的第二振動模式，圖11所示的切削具12的半徑R與從切削具12之中心線CL至後塊體15的前端為
止的距離L必須為切削具12的幾乎半徑R的約1/3。再者，由於也會受到構成及各零件的材料的影響，所以從後塊體15的前端至切削具12之中心面CL為止的長度L係設成大於或等於圓盤狀的切削具12的半徑R的1/3倍且小於或等於該半徑R的2/3倍者。
因此，為了激起第一振動模式或第二振動模式，較佳為從後塊體15的前端至切削具12之中心面CL為止的長度L係大於或等於圓盤狀的切削具12的半徑R的1/3倍且小於或等於該半徑R的3/2倍。
圖9係顯示圓盤狀的切削具12的圓盤面的圖，說明振動模式時，就如箭號所示往圓環狀的切削具12的中心方向振動，圓環會收縮。振動的反相位時，振動的箭號的方向變成相反，圓環會擴大。因此稱為擴張收縮振動模式。
接著使用圖8、圖10針對所期望的切削具12的第二振動模式進行說明。圖8中所示的箭號為振動方向，表示旋轉軸17與條形螺絲19之中的箭號的方向，亦即長度方向的振動轉換成切削具12之箭號的方向。再者，圓環形狀的切削具12之中有表示振動的節點的黑圓圈。
圖10係顯示圓盤狀的切削具12的圓盤面的圖，說明振動模式時，就如箭號所示從圓環狀的切削具12之中心朝向以虛線所示之圓狀的節線擴大，從切削具12的外周朝向以虛線所示的圓狀的節線收縮。振動的反相位時，振動的箭號的方向變成相反。
上述的縱振動轉換成徑向的振動的研究已於非專利文獻1詳細地解說。再者，將縱振動動轉換成徑向的振動的切削方法及切削裝置已於專利文獻2詳細地記述。
依據本發明的第四構成，能夠激起剛性大的切削具12的擴張收縮振動。如此一來，藉由將壓電元件13設為超音波振動的驅動源，能夠於切削具12激起大的振動。
在此，針對於切削具12激起超音波振動的手段詳細地進行說明。
將圓環狀的切削具12的擴張收縮振動之固有振動頻率附近的頻率之電壓經由未圖示的超音波振盪電路、旋轉變壓器等並通過導線22而施加於壓電元件13a、13b。然後，連接了旋轉軸17、後塊體15、壓電元件13a、13b等之後的構成係以使藉由調整後塊體15的長度而具有圓環狀的切削具12的擴張收縮振動之固有振動頻率附近的縱振動模式之固有振動頻率的方式設定時，就會依據非專利文獻1所記載之振動方向轉換作用而激起後塊體15、壓電元件13a、13b、切削具12及旋轉軸17等的構成的縱振動模式。由於切削具12係以後塊體15及旋轉軸17來牢固地鎖固，所以能夠支撐剛性大的切削具12。
使用圖11、屬於圖11之一部分放大圖的圖12來說明關於本發明之第五構成的超音波切削裝置11。利用顯示使用有切削具12的超音波切削裝置11的剖面的圖11及圖12來進行說明，而該切削具12係將圓環狀的壓電元件13a、13b接合於具有凸緣21a、21b的圓環狀的切削具12的凸緣21的內周側。
使凸緣21設於圓環狀的切削具12的方法，係將圓盤狀的切削具12與凸緣21設成一體的構成，並藉由機械加工等而製成。其他的方法，可藉由接著劑、熔接等方式將圓環狀的凸緣21接合於圓環狀的切削具
12。又，其他的方法，係於圓環狀的切削具12設置溝槽，而使圓環狀的凸緣21對準於該溝槽的位置。
由於壓電元件13a、13b不會接觸後塊體15及旋轉軸17，所以不須要絕緣板。如此一來，藉由凸緣21a與後塊體15、凸緣21b與旋轉軸17接觸而能夠防止來自外部的切削屑及切削液接觸到壓電元件。
在此，針對於切削具12激起超音波振動的手段詳細地進行說明。
將作為目的之朗之萬振動器的縱振動模式之固有振動頻率附近的頻率之電壓經由未圖示的超音波振盪電路、旋轉變壓器等並通過導線而施加於壓電元件13a、13b。連接有旋轉軸17、後塊體15、壓電元件13a、13b等而成的構成的縱振動模式係藉由非專利文獻1所記載的振動方向轉換作用而於切削具12激起徑向的擴張收縮振動。由於切削具12係以後塊體15與旋轉軸17牢固地鎖固，所以能夠支撐剛性大的切削具12。
有關上述本發明之第五構成之超音波切削裝置11的振動模式乃與使用圖7、圖8所說明的內容相同，然而於後塊體15與切削具12之間具有凸緣21a，於後塊體15與壓電元件13a之間具有空間。如此一來，旋轉軸17與切削具12之間具有凸緣21b，於旋轉軸17與壓電元件13b之間具有空間。
藉由上述的空間的作用，由於旋轉軸向之振動的一部分會反射，所以會變小。切削具12之半徑方向的振動係與旋轉軸向之會反射的情形成反比而會變大，因此，與圖5、圖6的構成相比較，旋轉軸向的振動變小，而切削具12的振動變大。從而，可得知更佳為以具有凸緣的構成來作
為超音波切削裝置。
再者，由於凸緣21會與後塊體15及旋轉軸17一起振動，所以不會限制切削具12的擴張收縮振動。
以上的第五構成因為壓電元件接合於切削具，故實際將切削具裝設於超音波切削裝置的作業變得簡單。
以上的說明係設為金屬製之圓板狀的切削具12，然而也可使用於金屬製的圓板的外周裝設有砥石等而成的工具。而且也可應用於圓盤狀的各種工具。
上述的實施形態係以本發明所屬技術領域中具有通常知識者能夠實施本發明為目的所記載者。上述實施形態之各種變化例只要是本領域的通常知識者當然可完成，本發明的技術思想亦可應用於其他的實施形態。因此，本發明並不限定於所記載的實施形態，而係可解釋為依照以申請專利範圍所定義之技術思想之最寬廣的範圍者。
[產業利用性]
依據本發明的切削具及其驅動方法，即使對切削具施加大的負荷時，也能夠激起不會造成切削具損壞之虞之高效率的超音波振動，因此，能夠使用於各式各樣的超音波切削裝置。
1:超音波加工裝置
2:朗之萬式超音波振動器
3:前塊體
4a,4b:壓電元件
5:後塊體
6:條形螺絲
7:切削具
8:旋轉軸
9a,9b:導線
Claims (13)
- 一種超音波加工裝置，係：在將切削具與朗之萬式超音波振動器裝設於超音波加工裝置的旋轉軸時，使朗之萬式超音波振動器設置於比切削具更靠前端側。
- 如請求項1所述之超音波加工裝置，其中，於旋轉軸設置外螺紋，而將切削具與朗之萬式超音波振動器鎖固。
- 如請求項1所述之超音波加工裝置，其中，以一體的方式構成切削具與朗之萬式超音波振動器的前塊體。
- 如請求項1所述之超音波加工裝置，其中，以一體的方式構成條形的外螺紋與朗之萬式超音波振動器的前塊體。
- 如請求項1所述之超音波加工裝置，其中，於旋轉軸設置內螺紋，將條形螺絲插入前述內螺紋，而將切削具與朗之萬式超音波振動器鎖固。
- 如請求項1所述之超音波加工裝置，其中，藉由朗之萬式超音波振動器的縱振動而激起切削具之徑向的振動。
- 一種超音波切削裝置，係：於具有會旋轉之切削具的超音波切削裝置中，使壓電元件以對稱於切削具的中心面的方式設置於超音波切削裝置之旋轉軸向的切削具的前方與後方。
- 一種超音波切削裝置，係：於具有會旋轉之切削具的超音波切削裝置中，使壓電元件以對稱於切削具的中心面的方式設置於超音波切削裝置之旋轉軸向的切削具的前方與後方，且該超音波切削裝置具有凸緣。
- 如請求項7或8所述之超音波切削裝置，其中，於會旋轉之切削具的旋轉軸向的前側、後側配置二個以上壓電元件，且相對的壓電元件之極化方向彼此為相反方向。
- 如請求項7或8所述之超音波切削裝置，其中，於會旋轉之切削具的旋轉軸向的前側、後側配置二個以上壓電元件，且相對的壓電元件之極化方向彼此為相反方向，並且將切削具與壓電元件接合。
- 如請求項7或8所述之超音波切削裝置，其中，於會旋轉之切削具的旋轉軸向的前側、後側之各者配置一個壓電元件，相對於切削具於壓電元件之外側配置絕緣體，且相對的壓電元件之極化方向彼此為相反方向。
- 如請求項7或8所述之超音波切削裝置，其中，從前端至切削具之中心面為止的長度L大於或等於圓盤狀的切削具的半徑R的1/3倍且小於或等於該半徑R的3/2倍。
- 如請求項7或8所述之超音波切削裝置，其轉換旋轉軸向的振動與切削具之徑向的振動。
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