JP4842936B2 - 振動ヘッドを有するツール - Google Patents

Description

本発明は、ツールホルダおよびスピンドルノーズと、ツールリセスに挿入可能なツールヘッドとを具備し、ツールホルダは、第１の端部に、回転自在なスピンドルノーズに適合させるためのツールホルダブシュを有し、第２の端部にツールリセスを有し、ツールホルダおよびスピンドルノーズは振動モータを形成してなるツールに関する。

通常は、工作機械は、回転自在なスピンドルを備えている。このスピンドルの端部はスピンドルノーズを有する。スピンドルノーズへは、加工されるワークピースおよび求められる形状に応じて、種々のツール、特にカッタヘッドを挿入することができる。

ワークピースの最適な加工のために、過去には、既に、ツールヘッドを振動させるべく機械側でスピンドルに振動ユニットを設ける試みがなされた。これらの知られた構造の欠点は、利用されるすべてのツールが振動ユニットに同調されねばならないことにある。この方法は非常に費用がかかり、しばしば不首尾になる。何故ならば、これらのツールは、振動数および振幅を補償し、更に、かなりの熱発生をもたらす固有振動を受けるからである。

従って、適切な周波数範囲で特に効果的に常に作動されることできるツールを提供するという課題が、本発明の基礎になっている。

上記課題は、本発明に係わる第１の実施の形態では、振動モータが、強磁性システムを介して、ツールホルダを振動させ、強磁性システムが、固設された励起コイルと、ツールホルダに回転不能に設けられた強磁性のヘッドとを有してなるツールによって解決される。

このことからは、ツールを最早機械側の振動ユニットに適合させる必要がないという利点が結果として生じる。むしろ、本発明では、各々のツールは、振動ユニットに同調された振動モータを有する。それ故に、ツールを標準化された方式で製造することができる。振動モータは、ツールの外側に設けられた通常の高周波発生器と協働する。この高周波発生器は、１７と６０ｋＨｚの間の周波数範囲の、ツールの振動周波数にほぼ対応する交流電圧を供給する。この場合、最大限４００００Ｕ／ｍｉｎの同時的な回転で、シャフトの１００μｍの縦方向の拡張があり得る。種々の使用のためには、種々の周波数範囲に及ぶ、異なった振動モータを提供することも可能である。ツールのアクティブな励起の他に、本発明に係わるツールは、プロセスセンサとしても用いられ、製造工程における処理データを収集することができる。

振動モータは、強磁性システムを介してツールホルダを振動させる。それ故に、この実施の形態では、ツールホルダは、恒常的に交番する電磁界によって、振動へ励起される。この場合、極性の交番は、供給された交流電圧の周波数に依存する。この実施の形態では、電気エネルギの、回転するツールへの伝達は必要ない。

強磁性システムは、固設された励起コイルと、ツールホルダに回転不能に設けられた強磁性のヘッドとを有する。強磁性のヘッドは、強磁性材料、例えば強磁性セラミックで製造されている。

強磁性のヘッドが非接触で励起コイルと協働することは好都合である。このことから結果として生じる利点は、特に摩耗の少ない作動および例えば流出する冷却液に対する故障のない操作にある。

強磁性のヘッドは、周方向に、励起コイルによって共軸に囲繞されていることが可能である。このことから、振動モータの一定の均等に強い振動を伴う、特に均等な電界が結果として生じる。

強磁性のヘッドと励起コイルとの間に、被覆管が設けられていることは好ましい。被覆管がセラミック材料または炭素繊維材料で製造されていることは好都合である。被覆管は、強磁性のヘッドが励起コイルの電磁界にあるように、いずれの場合にも、非磁性の材料で製造されていなければならない。

被覆管は、回転するツールに対し固設されており、あるいは、この代わりに、スリーブ状にツールホルダに組み入れられていてもよい。第２の実施の形態では、保持管が保持スリーブの一体形の構成要素であり、保持スリーブと共に回転する。

本発明に係わる第２の実施の形態では、振動モータは、圧電システムを介して、ツールホルダを振動させる。圧電システムは、第１の固定式のコイルと、このコイルから離隔してツールホルダに係合する第２のコイルとを有する。ここでは、この第２のコイルは複数の圧電アクチュエータに接続されている。この場合、電気エネルギが、回転するツールへ伝達され、振動がツール自らによって発生される。

複数の圧電アクチュエータはツールリセスをリング状に取り囲み、交流電圧の供給の際に例えば８μｍの振幅で振動することが可能である。より大きな振動振幅は、これらの圧電アクチュエータの複数が、重なり合って設けられており、電気的に接続されることによって、達成される。

第１および第２のコイルは重なり合っており、その際、円形にツールホルダを囲繞するほうがよい。この実施の形態によっても、振動モータの非接触の励起が可能である。

本発明に係わる２つの実施の形態では、ツールホルダを、軸方向に延びている冷却媒体通路を有するように形成することは好都合である。この実施の形態は、ツールヘッドのみならず、振動モータをも冷却することができる。

以下、都合３つの図を参照して、本発明を詳述する。図１には、第１の実施の形態のツールホルダ２が、横断面で示されている。このツールホルダの、上端３に設けられた錐形のツールホルダブシュ４が、詳細には示さない工作機械の、相補的に形成されたスピンドルノーズ５に挿入されており、互いに回転しなように取着されている。

ツールホルダ２は、２部構成になっており、支持要素２３と、この支持要素２３から延びておりかつナット２４によって保持されるメインスピンドルシャフト２０とを有する。トルクの伝達は、スピンドルノーズ５から、支持要素２３の一体形の構成要素であるツールホルダブシュ４へ生じ、このツールホルダブシュからメインスピンドルシャフト２０へ生じる。

メインスピンドルシャフト２０は、更に、支持要素２３のツールリセス７に支持されている。この支持は、ラビリンスベアリングとして、メインスピンドルシャフト２０の軸方向の振動を可能にする。

メインスピンドルシャフト２０には、強磁性のヘッド２５が設けられている。このヘッドは、ツールホルダ２の支持要素２３に挿入された被覆管１２によって囲繞されている。この実施の形態では、被覆管１２は、強磁性のヘッド２５およびメインスピンドルシャフト２０と共に回転する。

ツールホルダ２は、径方向に間隔をあけて、固設された励起コイル１１によって囲繞されている。電界をこの励起コイルによって生起させることができる。励起コイル１１には、高周波数発生器１５によって、交流電圧が印加される。このことから、交番極性を有する脈動的な電磁界が生じる。電磁界は、強磁性のヘッド２５およびこのヘッドに接続されているメインスピンドルシャフト２０を、メインスピンドルシャフトに設けられておりかつ図１には示さないツールヘッド８（図２を参照せよ）と共に、往復回動させる。強磁性のヘッド２５および励起コイル１１は、共に、振動モータ９の強磁性システム１０ａを形成する。

図２に示したツールヘッド８への冷却媒体の供給は、スピンドルノーズ５を通って、支持要素２３の中を延びている冷却媒体通路１９および中空のメインスピンドルシャフト２０へなされる。ここでも、冷却媒体はツールホルダ２を通って導かれる。

図２は、ツール１の第２の実施の形態を、横断面で示す。ツール１はツールホルダ２を有し、ツールホルダの下端６は、ツールリセス７として、錐形に延びるねじ穴を有する。ツールリセス７には、同様に錐形のねじを有するツールヘッド８が螺入されている。

ツールホルダ２は、まず、中心に設けられたメインスピンドルシャフト２０からなる。メインスピンドルシャフトは、管状に、図２には示されないスピンドルノーズ５から、端面に取着されたツールヘッド８へ延びている。メインスピンドルシャフト２０は、工作機械のトルクをツールヘッド８に伝達し、更に、ツールヘッド８への冷却媒体の常なる供給をもたらす。この目的のために、メインスピンドルシャフト２０は、管状に、冷却媒体通路１９をもって形成されている。

メインスピンドルシャフト２０には、強磁性のヘッド２５が回転不能に設けられている。回転防止手段として、シャフトとカラーとからなる知られた結合手段が用いられる。

強磁性のヘッド２５は、強磁性システム１０ａの構成部材である。強磁性システムは、更に、固設された励起コイル１１を有する。

励起コイル１１は、強磁性のヘッド２５の回りに共軸に設けられている。励起コイル１１の軸方向の整列は、強磁性のヘッド２５の軸方向の整列に一致する。

炭素繊維で製造された固定式の被覆管１２は、強磁性のヘッド２５から機械式に離された状態で、この強磁性のヘッドを囲繞する。この被覆管１２は、まず第１に、振動モータ９の、励起コイル１１からの電気的な分離をもたらす。

被覆管１２は、強磁性のヘッド２５を周方向に完全に囲繞し、被覆管の上端２１および下端２２は開いている。工作機械の作動中に、冷却媒体は、種々の個所から流出し、従って、冷却媒体通路１９を通って、ツールヘッド８へと導かれるだけでなく、メインスピンドルシャフト２０の外壁の外側でも流れ下る。被覆管１２の実施の形態が開放的な構造になっているので、メインスピンドルシャフト２０従ってまた強磁性のヘッド２５と、被覆管１２との間の環状空間における冷却媒体の停滞が防止される。

被覆管１２の軸方向の長さは、強磁性のヘッド２５のまたは固設された励起コイル１１の軸方向の長さよりも著しく長く形成されている。このことによって、冷却媒体が噴出するが故に、励起コイル１１と強磁性のヘッド２５との間の短絡が生じることが防止される。

図３は第３の他の実施の形態を示す。ツール１の振動が、振動モータ９である圧電システム１０ｂによって実現される。圧電システム１０ｂの複数の主要な構成要素は、第１の及び第２のコイル１３，１４と、ツールホルダ上にある複数の圧電アクュエータ１６とである。ツールホルダ２は、ここでも、ツールホルダブシュ４によって、回転不能にスピンドルノーズ５と結合されている。

ツールホルダ２の構造は、２部構成でなく、３部構成にデザインされている。構成要素である支持要素２３およびメインスピンドルシャフト２０に追加して、図３に示す実施の形態は、支持要素２３にしっかり結合している第２のコイル１４を有する。

スピンドルノーズ５と第２のコイルとの間には、第１の固定式のコイル１３が設けられている。この第１のコイル１３は、複数の接続線を介して、ツール１の外側に設けられた高周波数発生器１５に接続されている。この高周波数発生器から、コイルに、高周波電圧が供給される。

第２のコイル１４はツールホルダ２を周方向に完全に囲繞し、ツールホルダ２上に重なり合って設けられた２つの圧電アクチュエータ１６に接続されている。この場合、第２のコイル１４は、軸方向に、圧電アクチュエータ１６の高さにある。２つのコイル１３，１４は、構造的に、ツールホルダ２から実質的に分離されている。

強磁性システムを有し、スプリングノーズに挿入されており、第１の実施の形態を示すツールホルダの、その横断面を示す。 強磁性システムを有し、第２の実施の形態を示すツールホルダの、その横断面を示す。 圧電システムを有し、スプリングノーズに挿入されており、第３の実施の形態を示すツールホルダの、その横断面を示す。

符号の説明

１ ツール
２ ツールホルダ
３ ツールホルダの第１の端部または上端
４ ツールホルダブシュ
５ スピンドルノーズ
６ ツールホルダの第２の端部または下端
７ ツールリセス
８ ツールヘッド
９ 振動モータ
１０ａ 強磁性システム
１０ｂ 圧電システム
１１ 固設された励起コイル
１２ 被覆管
１３ 固定式のコイル
１４ 第２のコイル
１５ 高周波数発生器
１６ 圧電アクチュエータ
１９ 冷却媒体通路
２０ メインスピンドルシャフト
２１ 被覆管の上端
２２ 被覆管の下端
２３ 支持要素
２４ ナット
２５ 強磁性のヘッド

Claims (7)

1. ツールホルダ（２）およびスピンドルノーズ（５）を具備し、
   前記ツールホルダ（２）は、メインスピンドルシャフト（２０）とこのメインスピンドルシャフト（２０）を支持する支持要素（２３）とを有し、
   この支持要素（２３）は、第１の端部（３）に、回転自在な前記スピンドルノーズ（５）に適合させるためのツールホルダブシュ（４）を有し、第２の端部（６）にツールリセス（７）を有し、
   このツールリセス（７）は、前記メインスピンドルシャフト（２０）を、このメインスピンドルシャフト（２０）がメインスピンドルシャフト（２０）の軸方向に振動可能なように、支持し、
   前記ツールホルダ（２）と前記スピンドルノーズ（５）とは、振動モータ（９）を形成してなるツール（１）であって、
   前記振動モータ（９）は、強磁性システム（１０ａ）を介して、前記メインスピンドルシャフト（２０）を前記軸方向に振動させ、前記強磁性システム（１０ａ）は、前記スピンドルノーズ（５）に固設された励起コイル（１１）と、前記ツールホルダ（２）に回転不能に設けられた強磁性のヘッド（２５）とを有することを特徴とするツール。
2. 前記強磁性のヘッド（２５）は、非接触で、前記励起コイル（１１）と協働することを特徴とする請求項１に記載のツール。
3. 前記強磁性のヘッド（２５）は、周方向に、前記励起コイル（１１）によって共軸に囲繞されていることを特徴とする請求項１または２に記載のツール。
4. 前記強磁性のヘッド（２５）と前記励起コイル（１１）との間に、被覆管（１２）が設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１に記載のツール。
5. 前記被覆管（１２）は、非磁性の材料で形成されていることを特徴とする請求項４に記載のツール。
6. 前記被覆管（１２）は、固設されていることを特徴とする請求項４または５に記載のツール。
7. 前記被覆管（１２）は、前記ツールホルダ（２）に組み入れられていることを特徴とする請求項４または５に記載のツール。

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