JP2009045725A - 焼嵌め式超音波工具ホルダ - Google Patents

Abstract

【課題】 加工精度が高く、かつ信頼性の高い超音波加工する工具ホルダを提供すること。
【解決手段】 ［００１１］
焼嵌め式超音波工具ホルダ１は、回転軸に取り付けるテーパー状の鋼製のホルダ部２があり、そのホルダ部２の中に顎５ａ、５ｂそしてマニピュレータ把持用溝６がある。さらにマニピュレータ把持用溝６の中にさらに周波数調整溝２０を設ける。ホルダ部２のテーパー状の部分と同じくホルダ部２の顎５ｂの間に回転側のフェライト製のロータリートランス８を配置する。そしてその回転側のロータリートランス８を固定するためにメネジを持つ鋼製の固定リング７により締め付け固定する。また、顎５ａの前部の端面に超音波振動子である圧電セラミック９を耐熱性のエポキシ樹脂で接合する。焼嵌め式超音波工具ホルダ１のホルダ部２の後部に鋼製のプルスタッド１０をネジにより接続している。チャック筒３はホルダ部２の前部に設けている。
【選択図】図２

Description

本発明は、工具を保持する超音波工具ホルダに関するものである。

最近、いわゆる難加工材料を加工するために超音波振動を工具または、ワークに与え加工する方法が多用されるようになってきた。このような加工方法は、超音波切削加工と呼ばれて、例えば、非特許文献１に詳しく記載されている。

超音波研削装置は、非特許文献２に詳しく記載されている。図１に示す超音波研削装置は回転軸を回転させるためのモータがあり、その回転軸にスリップリング、超音波振動子が備えられている。さらに、回転軸にはブースタ、ホーンそして研削工具であるダイヤモンド砥石が接続されている。また回転自在に支持するための軸受が配置されている。また超音波交流電圧を超音波振動子に印加するための超音波発振器とブラシを備えている。

上記の超音波研削装置の概略の運転方法は以下の通りである。まずモータを動作させるとほぼ同時に超音波発振器からブラシを介して回転するスリップリングに超音波交流電圧を印加する。スリップリングに与えられた交流電圧は超音波振動子に印加され、超音波振動子は超音波振動する。この超音波振動が、ブースタそしてホーンを伝播し、そして研削工具であるダイヤモンド砥石に伝播する。
超音波便覧編集委員会、「超音波便覧」、丸善株式会社、平成１１年８月、ｐ６７９−６８４ 日本電子機械工業会、「超音波工学」、株式会社コロナ社、１９９３年、ｐ２１８−２２９

図１の超音波研削装置は、回転軸に超音波振動子を取り付けているため、回転軸は超音波振動するので軸受にも超音波振動が伝播し、軸受は破損の恐れが生ずる。また回転軸および軸受に異常な磨耗が発生する恐れがある。別の問題点として、工具を保持するチャック装置と工具が超音波振動により互いに摩擦し焼き付けが発生する。さらに、超音波振動により、時としては工具を保持するチャック装置の保持力が小さくなり、加工時に機械的負荷が工具に加わったときに工具が止まってしまう問題点もある。

また、工具に最適な超音波振動を励起するためには、工具の長さにより駆動周波数を変化させなければならないが、工具に比較してランジュバン型超音波振動子、回転軸及びホーンの質量が大きいため、主に前記ランジュバン型超音波振動子などの固有振動数でしか効率的に振動を励起することができない。したがって、工具に最適な振動を励起することができないという問題点もある。

本発明の目的は、高精度および高い信頼性をもつ超音波加工法を提供するものである。

本発明は、工具を保持する工具ホルダにおいて、工具を焼嵌めによりチャック筒に保持すること、回転軸ハウジングの軸受けより工具側に超音波振動子部を配置すること、そしてホルダ部の顎に超音波振動子を接合するものである。

本発明はまた、前記工具ホルダにおいて超音波振動子の前部に遮蔽体を配置するものである。

本発明の超音波工具ホルダを使用して、旋盤、フライス盤、ミリング装置などの機械加工機に用いて超音波加工を行うことにより高精度かつ高速加工を可能となる。

図２は、本発明の焼嵌め式超音波工具ホルダ１の基本的な構成を示す斜視図である。焼嵌め式超音波工具ホルダ１は、回転軸に取り付けるテーパー状の鋼製のホルダ部２があり、そのホルダ部２の中に顎５ａ、５ｂそしてマニピュレータ把持用溝６がある。さらにマニピュレータ把持用溝６の中にさらに周波数調整溝２０を設ける。ホルダ部２のテーパー状の部分と同じくホルダ部２の顎５ｂの間に回転側のフェライト製のロータリートランス８を配置する。そしてその回転側のロータリートランス８を固定するためにメネジを持つ鋼製の固定リング７により締め付け固定する。

また、顎５ａの前部の端面に超音波振動子である圧電セラミック９を耐熱性のエポキシ樹脂で接合する。焼嵌め式超音波工具ホルダ１のホルダ部２の後部に鋼製のプルスタッド１０をネジにより接続している。チャック筒３はホルダ部２の前部に設けられているが、すべて、一体の鋼である。高精度加工を行うには、一体の構成物にするのが望ましい。

ここで、図２の断面を示す図３を用いてさらに説明する。チャック筒３には、焼嵌めにより工具４を固定保持する。ここで工具４は超硬製のエンドミルである。誘導加熱装置の加熱コイルの中にチャック筒３を挿入し、スイッチを入れ電磁誘導によりチャック筒３を誘導加熱する。そしてチャック筒３は、加熱されることにより、膨張する。そして膨張したチャック筒３に工具４のシャンク部を挿入して焼き嵌めする。工具４の焼嵌めについては、例えば特許文献１および特許文献２に詳しく記述してある。
特開２００２−３５５７２７公報 特開２００２−１２０１１５公報

チャック筒３は、焼嵌めにより工具４を固定保持する際には、短時間で数百℃に達する。この熱の圧電セラミック９への伝播を小さくするために、ステンレス製の遮蔽体１１を圧電セラミック９の前部に位置させる。圧電セラミック９は、キュリー点以上になると分極が消失してしまうので、圧電セラミック９の温度は、１５０℃以下が望ましい。さらに遮蔽体１１は加工くずが直接、圧電セラミック９に接触することも防ぐことができる。

次に本発明の焼嵌め式超音波工具ホルダ１を回転軸１６に取り付けた構成について断面図４を用いて説明する。焼嵌め式超音波工具ホルダ１のホルダ部２のテーパー部を回転軸１６のテーパー穴１９に挿入し、プルスタッド１０を引き具１２により引き込み取付ける。回転軸１６は回転軸ハウジング１３の軸受け１８で回転自在に支持されている。軸受け１８は、転がり軸受けだけでなく、エア軸受け、流体静圧軸受けなど任意である。

さらに本発明の焼嵌め式超音波工具ホルダ１を用いた超音波加工装置の運転方法を、同じく図４を用いて説明する。まず図示しないモータの電源を入れ回転軸１６を回転させる。次に超音波発振器１７のスイッチを入れ固定側のロータリートランス８ａ、回転側のロータリートランス８ｂを介して圧電セラミック９に約５８ＫＨｚの１００Ｖ（Ｐ−Ｐ）の交流電圧を印加する。チャック筒３を超音波振動が伝播し、工具先端に約６μｍの縦振動が励起される。図４の中では、超音波発振器１７の位置を図の下方に位置させているが、実際は図示しないコントロールボックスの中に収められている。

ここで回転側のロータリートランス８ｂから圧電セラミック９への電力の供給経路を詳しく説明する。ホルダ部２にリード線を通す２個のリード線穴１４ａ、１４ｂを設ける。リード線穴１４は回転バランスを維持するためにさらに２個設けてもよい。回転側のロータリートランス８ｂと圧電セラミック９はリード線穴１４を通したリード線１５により電気的に接続される。

図５の断面図を用いて本発明の焼嵌め式超音波工具ホルダ１と工具の所望の振動モードについて説明する。回転軸１６によりホルダ部２のテーパー部は支持固定される。したがって、テーパー部２が支持固定された条件でも工具先端が大きく振動するモードが望まれる。本発明者はこのような振動モードを得るために研究した結果、図５に示すように顎５ａが矢印方向に曲がり、工具が矢印方向に伸縮するモードが存在することを発見した。

先に述べたように実際に回転軸１６に焼嵌め式超音波工具ホルダ１を保持固定して、このモードを励起する約５８ＫＨｚの１００Ｖ（ｐ−ｐ）の電圧を圧電セラミック９に印加することにより工具先端に約６ミクロンの縦振動を励起させることができた。

さらに工具に与える振動の大きさ調整する手段の一つとして、固有振動数を調整する方法がある。そのための手段として周波数調整溝２０を設けことができる。このモードの固有振動数は、１５ＫＨｚ以上、８０ＫＨｚ以下が望ましい。

ここで、上記の振動モードと比較する振動モードを、図６を用いて説明する。拘束なしつまり自由振動において、焼嵌め式超音波工具ホルダ１および工具４が矢印方向に縦振動するモードである。しかしテーパー部２が縦振動しているので、回転軸１６に保持固定すると、この振動モードを励起することは困難になる。したがって、この振動モードは適さない。

この構成において工具４を焼嵌めによりチャック筒３に固定するので、工具４とチャック筒３は機械的に一体化できる。コレットチャックと比較すると、コレットチャックは、コレットとコレット締め付け手段により工具を保持する構成であるので、超音波振動の伝播経路、振動モードが複雑になる。そして、各接触部で振動エネルギーが熱に変換されてしまう。また、超音波振動によりコレットの締め付け力が変化する虞がある。

焼嵌めによる工具のチャックは、コレットチャックに比較して把握力、精度、剛性、回転バランス等の性能を高めることが可能である。高速回転対応するためには、回転バランスと遠心力により低下する把握力が重要であり、焼嵌め式工具ホルダは、コレットチャックの２〜４倍の把握力を持ち、回転バランスについても締め付け用の部品が無いので、工具の着脱に伴う回転バランスのばらつきが発生しないのである。

さらに、焼嵌め式工具ホルダの利点としては、加工に耐えうる最小限の工具把持部の肉厚と把持長を持つことであり、他の方式の工具ホルダと異なってチャック部の外形形状をある程度自由に設計できることである。そして、加工時の工具ホルダと加工物や治具との干渉を防ぐ最適形状を採用することで他の工具ホルダと比較して剛性が高まり、加工時間の短縮や加工精度の向上を図ることができる。

圧電セラミック９が軸受け１８より先端部にあり、超音波振動する部分が工具４及びチャック筒３だけに励起されるため、軸受け１８には超音波振動による損傷の虞はない。

またこの構成においてチャック筒および工具だけがほぼ振動するモードを使用することにより、約５８ＫＨｚで５μｍ以上の振動を工具の先端に励起できるので、従来の超音波加工機のように振動を拡大するためのホーンが不要になる。

このことにより装置は小型化ができる。また、ホーンなどの大型部品を振動させる必要がないので省電力かできる。

さらに、チャック筒および工具だけがほぼ振動するモードの固有振動数を超音波発振回路により追尾することにより、工具の長さが変化しても、最適な周波数の電圧を印加できる。そして、工具の長さが変化しても安定した振動を工具に与えることができる。

上記の加工は超音波切削加工であり、ワークと工具との摩擦抵抗が小さくなるため、加工面の熱歪みが低減され加工精度が高くなり、そして工具の寿命が長くなるなどの利点を有している。

上記の同様な超音波切削加工の効果については、非特許文献２の２２６ページから２２９ページに詳しく記述されている。

また、当然回転軸にもほとんど振動が伝播しないので軸受または回転軸の振動による損傷の恐れはほとんどない。

上記のように、工具とチャック筒にだけ振動を励起することができることにより加工精度の高い、信頼性の高い超音波加工を提供できる。

本発明の焼嵌め式超音波工具ホルダは、多様な機械加工装置に用いて超音波加工することができる。

従来の超音波研磨装置を示す概略説明図である。 本発明の焼嵌め式超音波工具ホルダを示す斜視図である。 図２の側面断面図である。 回転軸に焼嵌め式超音波工具ホルダを取り付けた断面図である。 焼嵌め式超音波工具ホルダの好適な振動モードを説明する断面図である。 図５の振動モードと比較する振動モードを説明する断面図である。

符号の説明

１ 焼嵌め式超音波工具ホルダ
２ ホルダ部
３ チャック筒
４ 工具
５ 顎
６ マニピュレータ把持用溝
７ 固定リング
８ ロータリートランス
９ 圧電セラミック
１０ プルスタッド
１１ 遮蔽体
１２ 引き具
１３ 回転軸ハウジング
１４ リード線穴
１５ リード線
１６ 回転軸
１７ 超音波発振器
１８ 軸受け
１９ テーパー穴
２０ 周波数調整溝

Claims (2)

1. 工具を保持する工具ホルダにおいて、工具を焼嵌めによりチャック筒に保持すること、回転軸ハウジングの軸受けより工具側に超音波振動子を配置すること、そしてホルダ部の顎に超音波振動子を接合していることを特徴とするものである。
2. 超音波振動子の前部に遮蔽体を持つことを特徴とする請求項１に記載の工具ホルダ。

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