JPH0911199A

JPH0911199A - 超音波振動加工装置

Info

Publication number: JPH0911199A
Application number: JP7160310A
Authority: JP
Inventors: Koichi Saotome; 功一早乙女; Yusuke Shimizu; 祐介清水; Shinichi Otsuka; 信一大塚
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-06-27
Filing date: 1995-06-27
Publication date: 1997-01-14

Abstract

(57)【要約】【目的】ホーンの取り付けフランジから加工工具まで
の長さ（または、ホーンの自由端部分の長さ）を低減し
て、その結果、ホーンまたは加工主軸の撓みを防止する
効果を増大させ、しかも装置の小型化を可能とする超音
波振動加工装置を提供すること。【構成】少なくとも、超音波振動を発生させる超音波
振動子１１ａと、加工工具１３ａが取り付けられ、か
つ、発生した振動の振幅を拡大するホーン１２ａと、を
備えた超音波振動を用いた加工装置において、前記ホー
ン１２ａを加工の主軸とし、かつ、前記ホーン１２ａの
材料として銅合金を用いてなることを特徴とする超音波
振動加工装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は金属材料、プラスチック
材料等を切削、研削するための超音波振動加工装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】金属材料、プラスチック材料等の加工に
おいては、加工形状等によって各種の工作加工装置が用
いられている。例えば、加工形状が円筒形である場合
は、刃物を固定し、工作物（被加工物）を主軸に取り付
け、これを回転して加工する装置（即ち旋盤）が用いら
れる。

【０００３】また、加工形状が平面やブロック形である
場合は、工作物を装置テーブルに固定して、エンドミル
やメタルソー等の回転工具で加工するフライス盤を使用
するか、或いは、単刃の往復運動により加工するシェー
パやプレーナを使用するのが一般的である。その他に、
ドリルを用いた穴あけにはボール盤が、焼入鋼等の高硬
度の工作物の加工等には円筒研削盤や平面研削盤が、そ
れぞれ使用される。

【０００４】ここで切削加工において、工作物（被加工
物）がインバー、チタン、ステンレス等の難削材である
場合には、工具寿命が極めて短くなる、加工中の発熱が
大きくなるために加工物に加工変質層が多く発生する、
などの問題が発生する。また、薄肉材料等の難加工形状
物の加工においては、びびりの発生や被加工物の変形が
問題となる。

【０００５】前記問題を軽減する手法の１つとして、刃
物（加工工具）に超音波振動を与えて加工する超音波振
動加工法についての報告がある。また、この超音波振動
加工法を用いた旋盤やフライス盤等の各種工作加工装置
の実施例についても報告がされている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】刃物（加工工具）に超
音波振動を与えるユニットは、例えば図１、図２に示す
様に、超音波振動を発生させる超音波振動子１１と、発
生した振幅を拡大するホーン１２と、ホーンに取り付け
られた刃物（加工工具）１３等からなる。この例のユニ
ットでは、各要素は、ねじ、接着または溶接等によって
結合され、ユニット全体は、ホーンの節（ノード）部に
設けた固定用フランジ１４等を介してホルダー１７によ
り支持されている。

【０００７】加工を実際に行う際には、その加工形状等
によりフランジ１４から刃物（加工工具）１３までの長
さを変える必要がある。しかし、その長さは超音波振動
の周波数に大きく影響を与えるので、自由に選択するこ
とはできず、１／２波長単位で選択することになる。ホ
ーンの固定用フランジの厚みは、振動効率等をよくする
上では薄いほど良く、またホーン及び加工主軸の撓みを
防止するために、フランジから荷重がかかる刃物（加工
工具）までの長さ（または、ホーンの片持ち梁部分の長
さ）は、短くすることが好ましい。

【０００８】しかしながら、工作加工装置の主軸スピン
ドルとしての使用を考慮して、一般的に用いられている
ＳＫ材等の鉄系の材料を用いたホーンでは、この長さが
比較的大きくなり、そのため、固定用フランジの厚みを
薄くできない（薄くすると、長いホーンの片持ち梁部分
をうまく保持できない）という問題点がある。また、刃
物（加工工具）をフランジから遠い位置に配置するとき
（即ち、ホーンの片持ち梁部分の長さが大きいとき）に
は、ホーンの材料選定に当たって、剛性が高いものを
使用する必要がある、負荷の小さい加工に限定して使
用する必要がある、ホーン形状を図３の様に両端支持
（両持ち梁）にする必要がある、被加工物によって
は、〜の方法をとることができない、という問題点
があるのが現状である。

【０００９】本発明は、かかる問題点に鑑みてなされた
ものであり、ホーンの取り付けフランジから加工工具ま
での長さ（または、ホーンの片持ち梁部分の長さ）を低
減して、その結果、ホーンまたは加工主軸の撓みを防止
する効果を増大させ、しかも装置の小型化を可能とする
超音波振動加工装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】そのため、本発明は第一
に「少なくとも、超音波振動を発生させる超音波振動子
と、加工工具が取り付けられ、かつ、発生した振動の振
幅を拡大するホーンと、を備えた超音波振動を用いた加
工装置において、前記ホーンの長軸を加工の主軸とし、
かつ、前記ホーンの材料として銅合金を用いてなること
を特徴とする超音波振動加工装置（請求項１）」を提供
する。

【００１１】また、本発明は第二に「前記銅合金をネー
バル黄銅、りん青銅、ベリリウム青銅、またはアルミニ
ウム青銅としたことを特徴とする請求項１記載の超音波
振動加工装置（請求項２）」を提供する。

【００１２】

【作用】ホーンの長さＬと周波数ｆの関係は、ホーン形
状を単純中実丸棒としたとき、（１）式で表現されるこ
とが知られている。Ｌ＝（π／２）・（２ｃ／ω）・・・・・（１） ω＝２πｆ・・・・・・・（２）Ｌ；１／２波長の長さ（ｍｍ）ｃ；材料の音速（ｍｍ／ｓｅｃ） ω；角固有振動数（１／ｓｅｃ）ｆ；振動周波数（Ｈｚ）これらの式から、振動周波数ｆが一定の場合、ホーン材
料として音速ｃの遅い材料を選ぶことができれば、１／
２波長の長さ（梁の長さ）Ｌを短くすることができるこ
とが判る。

【００１３】各種材料の縦波（縦振動）音速ｃのデータ
として、Ｎｅｐｐｉｒａｓ氏の報告（表１参照）が知ら
れている。また、図４に示すような丸棒の片持ち梁にお
ける、荷重Ｗと棒の撓みは（３）式により表される。こ
れから判るように、撓み量ｙは梁の長さＬに大きく影響
される。

【００１４】ｙ＝Ｗ・ｘ²・（３・Ｌ−ｘ）／（６・Ｅ・Ｉ）・・・・・（３）ｉ＝Ｗ・ｘ²／（２・Ｅ・Ｉ）・・・・・（４）Ｉ＝π・ｄ⁴／６４・・・・・・・・・（５）ｙ；最大撓み量（ｍｍ）Ｌ；梁の長さ（ｍｍ）ｘ；荷重位置（ｍｍ）Ｅ；弾性係数ｉ；撓み角Ｉ；断面二次モーメントｄ；梁断面直径本発明では、ホーンを加工の主軸とし、かつ、ホーンの
材料として音速ｃの値が小さい銅合金を用いているの
で、１／２波長の長さ（梁の長さ）Ｌを低減することが
可能である。

【００１５】即ち、本発明によれば、ホーンの取り付け
フランジから加工工具までの長さ（または、ホーンの片
持ち梁部分の長さ）を低減することが可能であり、その
結果、加工主軸となるホーンの撓みを防止する効果を増
大させ、しかも装置を小型化することができる。ホーン
の材料として用いる銅合金としては、例えば、ネーバル
黄銅、りん青銅、ベリリウム青銅、またはアルミニウム
青銅などが好ましい（請求項２）。

【００１６】以下、本発明を実施例により更に詳細に説
明するが、本発明はこの例に限定されるものではない。

【００１７】

【表１】

【００１８】

【実施例】図１は、本実施例の超音波振動加工装置であ
る、超音波ねじり振動を用いた溝加工装置の概略構成図
である。超音波振動を得るために、高周波電気信号は、
スリップリング２４ａとそれに接するブラシ２３ａを介
して、ボルト締めランジュバン型電歪ねじり振動子１１
ａに供給される。

【００１９】振動子１１ａで発生したねじり振動の振幅
を拡大するために、振動子１１ａの先端には、３／２波
長の振幅拡大ホーン１２ａがねじ止めされている。振幅
拡大ホーン１２ａは、その振動の節（ノード）におい
て、ホルダー１７ａにボルトで取り付けられ、該ホルダ
ー１７ａは、モータからの回転を伝達するプーリー２２
ａに直結されたスリーブ１８ａにテーパー接合されてい
る。

【００２０】振幅拡大ホーン１２ａの先端には、メタル
ソー１３ａと１／２波長の共振用ホーン１５ａがねじ止
めされている。また、加工中の振動子からの熱発生を抑
えるために、回転継手２７ａを介して冷却用空気をスリ
ーブ内に供給し、ファンモータ２６ａにより排出してい
る。本実施例においては、振動系の共振周波数ｆは約２
０ｋＨｚであり、ホーンには、比較的低い縦波（縦振
動）音速ｃの値を有するりん青銅に、傷つき防止のため
のクロムメッキを施した材料を用いた。また、メタルソ
ーには幅１ｍｍ、直径６０ｍｍの超硬材を用いた。

【００２１】以上のような構成にすることにより、振幅
拡大ホーンのホルダー取付部（ノード）からメタルソー
までの長さは、約８０ｍｍ程度となり、従来の鉄系ホー
ンを用いた場合が約１３０ｍｍであることから、その約
４０％程度の長さに低減することができた。また、式
（３）、（４）、（５）から、撓み量は計算上、従来の
鉄系ホーンの場合の約１／１０になった。その結果、剛
性の点で従来の鉄系主軸（ホーン）と比較して問題はな
く、実際に加工を旨く行うことができた。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ホーンの取り付けフランジから加工工具までの長さ（ま
たは、ホーンの片持ち梁部分の長さ）を低減することが
可能であり、その結果、加工主軸となるホーンの撓みを
防止する効果を増大させ、しかも装置を小型化すること
ができる。

【００２３】また、加工主軸となるホーンの剛性が増大
するので、加工主軸となるホーンを両端支持にするとい
った複雑な構造にする必要がない。

【図面の簡単な説明】

【図１】は、実施例の超音波ねじり振動を用いた溝加工
装置の概略構成図である。

【図２】は、本発明の超音波振動加工装置の一例である
超音波振動切削加工装置の概略構成図である。

【図３】は、従来の超音波振動加工装置の一例である超
音波振動溝加工装置の概略構成図である（ホーンを両端
支持する装置）。

【図４】は、片持ち梁の撓みに関する式（３）、
（４）、（５）を解説するための説明図である。

【符号の説明】

１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ・・・振動姿
態１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ・・・超音波
振動子１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ・・・振幅拡
大ホーン１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ・・・刃物
（メタルソー）１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ・・・ホーン
固定用フランジ１５ａ、１５ｂ、１５ｅ・・・・・・・・・・共振用
ホーン１６ｅ・・・・・・・・・・・・・・・・・・共振ホ
ーン固定用フランジ１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ、１７ｅ・・ホルダ
ー１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｅ・・・・・・スリー
ブ１９ｅ・・・・・・・・・・・・・・・・・・支持ホ
ルダー２０ｅ・・・・・・・・・・・・・・・・・・支持台２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｅ・・・・・・軸受２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｅ・・・・・・プーリ
ー２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｅ・・・・・・ブラシ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｅ・・・・・・スリッ
プリング２５ｄ・・・・・・・・・・・・・・・・・・コネク
タ２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ、２６ｅ・・・ファン
モータ２７ａ・・・・・・・・・・・・・・・・・・回転継
手以上

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも、超音波振動を発生させる超
音波振動子と、加工工具が取り付けられ、かつ、発生し
た振動の振幅を拡大するホーンと、を備えた超音波振動
を用いた加工装置において、前記ホーンを加工の主軸とし、かつ、前記ホーンの材料
として銅合金を用いてなることを特徴とする超音波振動
加工装置。
【請求項２】前記銅合金をネーバル黄銅、りん青銅、
ベリリウム青銅、またはアルミニウム青銅としたことを
特徴とする請求項１記載の超音波振動加工装置。