JP2004106125A - Working tool - Google Patents

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  • Grinding And Polishing Of Tertiary Curved Surfaces And Surfaces With Complex Shapes (AREA)
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a tool with a high vibration speed while simply mounting the tool. <P>SOLUTION: The tip of an ultrasonic vibrator 111 is formed with a tool insertion hole 117 extending facing in the axial direction, and a tool 121 having an approximately equal resonant frequency to that of the ultrasonic vibrator 111 is inserted in the tool insertion hole 117 and fixed to a position from the adjacent to its node N3 to a loop L3 while making its rear end side in an unfixed state. This constitution constitutes this working tool 101 as a single resonance body having a plurality of resonance vibration distributions, so that the tip of the tool 121 obtains an amplitude larger than the ultrasonic vibration generated in the ultrasonic vibrator 111. The amplitude relative to the ultrasonic vibrator 111 in the fixed position of the tool 121 is smaller than the amplitude of the vibration provided to the tool 121 so as to provide sufficient rigidity even if the tool is simply mounted. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波振動子を利用して、切削、研削、削孔、溶着等の各種の超音波加工を行う加工工具に関する。
【0002】
【従来の技術】
超音波振動を利用した加工を行う場合、超音波振動の駆動源である超音波振動子に工具を装着し、その工具に超音波特有の大きな加速度を持つ高周波微振動を発生させ、このような工具を被加工物に衝突させる。これにより、効率の良い加工を行うことが可能である。
【0003】
このような超音波振動を利用した加工工具の従来の一例を図9ないし図13に基づいて説明する。図9は超音波振動を利用した従来の加工工具の一例を示す斜視図、図10はその分解斜視図である。また、図11は超音波振動を利用した従来の加工工具の別の一例を示す斜視図、図12はその分解斜視図である。そして、図13は、加工工具の縦断面と共にその共振振動分布を示す説明図である。
【0004】
ここで紹介する加工工具1は、被加工物に微小穴を穿孔する超音波穿孔装置の一例であり、超音波振動子11に対して、工具21を止めネジ式の工具ホルダ31で固定する構造のものである。
【0005】
超音波振動子11は、前部ホーン12、2個の圧電素子13、2枚の電極14、後部ホーン15、及び締着ボルト16(図13参照)によって構成されている。工具21としては、ドリル形状のものを例示する。つまり、工具21の先端に位置する加工部は、ドリル22となっている。そして、前部ホーン12の先端部には雌ネジ17が切られており、この雌ネジ17に工具ホルダ31に設けられた雄ネジ32が螺合し、これによって前部ホーン12と工具ホルダ31とがネジ結合されている。この工具ホルダ31は、工具挿入孔33を有する。工具21は、その後端側から工具挿入孔33に挿入され、工具ホルダ31に設けられた工具止めネジ34によって締め付けられて固定されている。ここに、加工工具1が構成されている。
【0006】
このような構造のものは、図示しない高周波電源から、超音波振動子11、工具ホルダ31及び工具21から構成された加工工具の共振周波数に対応した高周波電圧を2枚の電極14に印加することで、2個の圧電素子13が伸縮を繰り返し、これによって超音波振動子11に超音波振動が発生する。これにより、工具21の先端に設けられたドリル22がその機能を発揮する。
【0007】
なお、超音波振動子11の振動は、一般的に、圧電素子13の種類に応じて、軸振動、たわみ振動、捩れ振動、及びこれらの複合振動等がある。図9及び図10に例示する超音波振動子11は軸振動をする。どの振動を選択するかは、工具21の種類に応じて決めれば良い。
【0008】
図11及び図12に示す加工工具は、工具ホルダ31にすり割35を設けた構造の一例である。図9及び図10に例示する工具ホルダ31では、工具21の側方から工具止めネジ34の先端を工具21に直接押し付けて工具21を固定する構造であるのに対して、図11及び図12に例示する工具ホルダ31では、工具止めネジ34を締め込むことによってすり割35の間隔を狭め、これによって工具ホルダ31それ自体の加圧力で工具21を固定する。
【0009】
ここで、図13に基づいて、超音波穿孔装置振動体として機能する加工工具1の振動分布について説明する。加工工具1の振動分布を示す図13に示すように、Nで示すノード(節)は軸振動が0(ゼロ)の部分であり、ここを境に左右は位相を逆にして伸び縮みする。ループ(腹)は、振幅の最大部であり、後端部の振幅L2に対して、工具21の先端部の振幅L1は大きくなる。これは、ノードNを境に直径を細くすると、振動振幅が拡大されるためである。ノードN部分から直径を絞れば、その形状と直径比とによって所望の振幅拡大率が得られ、加工に必要な振幅を設計することができる。図9ないし図13に示す例では、半波長(1/2波長)の共振体として構成された加工工具1を示すが、半波長(1/2波長)の整数倍の波長で共振体を構成することも可能である。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
昨今の工業技術の進歩に伴い、超音波の有効利用の試みが以前にも増して活発になるにつれ、付加価値の高い加工、つまり超微細化、高精度化、高速度化等の高難易度な加工が強く求められるようになってきている。しかしながら、このような要望には、従来の超音波技術だけでは対応が困難である。その理由を次に説明する。
【0011】
図13に示す振動分布に見られるように、加工工具1の振動分布の振幅は、工具21の先端部分で最大となる。このときの工具21の振動速度V(m/sec)は、
V(m/sec)=2×π×f×a ……(1)
で表される。ここで、f(Hz)は装置の共振周波数、a(m)は工具21の先端部分の片振幅である。
【0012】
一般に、図9ないし図13に例示する加工工具1のような超音波振動を応用した加工工具の場合、工具21の振動速度V(m/sec)が大きいほど高能率で高精度、つまり品位の高い加工が可能とされている。そこで、振動速度を大きくすることが望ましいが、そのためには共振周波数を高くするか振幅を大きくする必要が生ずる。
【0013】
一方、工具21の振動は往復運動であり、その振動の上死点及び下死点では大きな加速度が発生する。そして、振動速度V(m/sec)の大きさに比例して加速度は当然に大きくなり、これによって工具21に大きな慣性力が生ずることになる。これを数式で説明すると、振動により発生する工具21の慣性力F(N)は、工具21自身の質量m(kg)と加速度g(m/sec )とに支配され、
F(N)=m×g ……(2)
で表されることになる。
【0014】
以上の理論から、高効率で高精度な超音波加工を行うためには、工具21を高速で振動させる、つまり工具21の振動速度V(m/sec)を大きくする必要があるのに対して、振動速度V(m/sec)が大きくなるに伴い工具21の加速度g(m/sec )も急激に増大することが明白である。
【0015】
しかしながら、例えば図9ないし図13に示す例でも明らかなように、工具21は超音波共振体の一部ではあるが、工具ホルダ31の機械的構造で保持されているに過ぎない。このため、高効率で高精度な超音波加工を行うために加工工具1の振動速度V(m/sec)を増大させた場合、工具ホルダ31による工具21の保持力が弱いと、工具21は自分自身の慣性力F(N)で飛び出してしまうことになるという問題がある。
【0016】
このようなことから、少しでも大きな振動速度V(m/sec)で工具21を振動させるには、工具21を強力に保持すると共に、できるだけ工具を軽くする必要がある。上記(1)式及び(2)式より、振動速度V(m/sec)が増大すれば工具21の加速度g(m/sec )が増大して工具21に生ずる慣性力F(N)が大きくなり、これに対処するには工具21を強力に保持する必要があり、また、この時に工具21に生ずる慣性力F(N)を少しでも減少させるには工具21の質量m(kg)をできるだけ小さくするしかないからである。
【0017】
ここで、工具21を確実に超音波振動子11に固定する手法は、過去にも様々な形が提案されてきたが、一般的には図9及び図10又は図11及び図12に例示する手法が広く用いられている。これらの固定手法では、工具21を簡便に交換できるという利点がある。
【0018】
しかしながら、図9及び図10に例示する手法は、通常、20kHzの周波数においては、a=10μm程度の振幅にまでしか適用することができない。しかも、工具21の固着力を増加するために工具止めネジ34を強く締め込むと、工具21の変形、折れ、偏芯等の工具性能や加工性能の劣化を引き起こし易いという問題もある。
【0019】
また、図11及び図12に例示する手法では、工具止めネジ34を強く締め込んだとしても、工具21の変形、折れ、偏芯等が発生する可能性が少ないものの、図9及び図10に例示する手法と比較して、工具21の保持力が弱くなってしまうという問題がある。通常、20kHzの周波数においては、a=5〜7μm程度の振幅にまでしか適用できない。
【0020】
このようなことから、さらに強力な振動速度V(m/sec)で工具21を振動させるには、工具ホルダ31と工具21とをロウ付けなどに代表される溶接技術を用いて直接接合する手法が取られる。しかし、この手法は、材料を高温で加熱してロウ材を溶かし込むため、熱歪による材料の変形や精度劣化、高温による材質特性の劣化が生じ、しかも生産性が悪く高コストとなる等の大きな問題を抱えている。
【0021】
本発明の目的は、簡便に工具を装着することができながら工具に大きな振動速度を得ることができるようにすることである。
【0022】
本発明の別の目的は、工具を再装着する場合であっても、優れた寸法再現性を得られるようにすることである。
【0023】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の発明は、超音波振動を発生し、先端部から軸方向に向けて工具挿入孔が設けられた超音波振動子と、後端部から前記工具挿入孔に挿入されて先端部に加工部を有し、前記超音波振動子と共振周波数が略等しい工具と、前記超音波振動子に挿入された前記工具を、その後端側を非固定状態としながらそのノード近傍からループまでの位置で固定する締結構造と、を具備し、複数の共振振動分布を有する単一の共振体として構成した加工工具である。
【0024】
したがって、締結構造による超音波振動子に対する工具の固定位置を工夫するだけで、工具には超音波振動子に発生する超音波振動の振幅よりも大きな振幅が得られる。しかも、超音波振動子に対する工具の固定位置における振幅は、工具に得られる振動の振幅よりも小さいため、工具を簡便に装着しても十分な剛性が得られる。
【0025】
請求項2記載の発明は、請求項1記載の加工工具において、前記工具挿入孔と前記工具との挿入構造における断面形状を非真円形状とした。
【0026】
したがって、工具挿入孔に対する工具の周方向の位置が一意的に定められるため、工具を再装着する場合に優れた寸法再現性が得られる。
【0027】
請求項3記載の発明は、超音波振動を発生し、先端部から軸方向に向けて工具挿入孔が設けられた超音波振動子と、後端部から前記工具挿入孔に挿入されて先端部に加工部を有する工具と、前記超音波振動子に挿入された前記工具を固定する締結部と、を具備し、前記工具挿入孔と前記工具側との挿入構造における断面形状は、非真円形状である加工工具である。
【0028】
したがって、工具挿入孔に対する工具の周方向の位置が一意的に定められるため、工具を再装着する場合に優れた寸法再現性が得られる。
【0029】
請求項4記載の発明は、請求項2又は3記載の加工工具において、非真円形状として多角形が選択されている。
【0030】
したがって、工具挿入孔と工具との挿入構造における非真円形状である断面形状を容易に製造することができる。
【0031】
請求項5記載の発明は、請求項2又は3記載の加工工具において、非真円形状として、歯車形状が選択されている。
【0032】
したがって、工具挿入孔と工具との挿入構造における非真円形状である断面形状を容易に製造することができる。
【0033】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の一形態を図1ないし図8に基づいて説明する。
【0034】
図1は加工工具を示す斜視図、図2はその分解斜視図、図3は工具の振動方向を示す斜視図である。図4は加工工具の別の実施の一形態を示す斜視図、図5はその分解斜視図、図6は工具の振動方向を示す斜視図である。
【0035】
本実施の形態の加工工具101は、超音波振動子111に対して、工具121を工具ホルダ131で固定する構造のものである。
【0036】
超音波振動子111は、前部ホーン112、2個の圧電素子113、2枚の電極114、及び後部ホーン115によって構成され、これらが締着ボルト116(図5参照)によって締め込まれることで一体をなしている。
【0037】
図2に示すように、前部ホーン112の先端部にはその軸方向に延出する工具挿入孔117が設けられており、この工具挿入孔117に工具121がその後端部から挿入されている。
【0038】
工具121は、超音波振動子111と共振周波数が略等しく、工具挿入孔117に挿入される部分が長く形成されている。また、工具121にはフランジ122が形成されており、工具121は、そのフランジ122が前部ホーン112の先端部に当接する位置まで工具挿入孔117に挿入されている。このような工具121の先端部には、加工部123が一体に形成されている。
【0039】
ここで、図1ないし図3に示す加工工具101では、工具121として、角孔を穿孔するための立方体形のツールが加工部123として設けられている。この加工部123は、軸振動をすることによってガラスやセラミックス等のような硬くて脆い、いわゆる高脆性材に穿孔加工を施す。そこで、このような加工部123を工具121に設ける場合であれば、その加工部123を軸振動させるために、軸振動用の超音波振動子111が用いられる。軸振動用の超音波振動子111は、代表的な超音波振動子111の一つであり、圧電素子113の選択によって容易に得られる。
【0040】
これに対して、図4ないし図6に示す加工工具101では、工具121として、穴繰りバイトが加工部123として設けられている。この加工部123、つまり穴繰りバイトは、たわみ振動をすることによって振動切削をする。そこで、このような加工部123を工具121に設ける場合であれば、その加工部123をたわみ振動させるために、たわみ振動用の超音波振動子111が用いられる。たわみ振動用の超音波振動子111は、代表的な超音波振動子111の一つであり、圧電素子113の選択によって容易に得られる。
【0041】
次いで、工具121には、フランジ122よりも後端側に位置させて角型シャンク124が形成されている。この角型シャンク124は、工具121のフランジ122よりも後端側の部分全体に比較すれば長さが短く、工具121における角型シャンク124から後ろの部分は、円筒形状を維持している。このような角型シャンク124に対応させて、前部ホーン112に形成された工具挿入孔117は、その先端部分のみが角型シャンク124と相似形になっている(図5参照)。これにより、工具挿入孔117と工具121との挿入構造における断面形状は、その一部が非真円形状であると言える。そして、角型シャンク124を採用する本実施の形態では、そのような非真円形状のうち、多角形が選択されていると言える。もっとも、このような工具挿入孔117と工具121との挿入構造における断面形状については、いかなる非円形状をも選択可能であり、例えば歯車形状状や星形形状、Dカット形状等、各種の形状が選択可能である。
【0042】
工具挿入孔117に挿入された工具121は、工具ホルダ131で固定され、これによって超音波振動子111に工具121が締結される。工具ホルダ131及びこの工具ホルダ131による工具121の固定構造の形態は、図1ないし図3に示す加工工具101と図4ないし図6に示す加工工具101とで異なる。
【0043】
図1ないし図3に示す加工工具101では、前部ホーン112の先端部外周軸方向に雄ネジ118が切られており、袋ナット構造の工具ホルダ131がその雄ネジ118にネジ止めされ、これによって超音波振動子111に工具121が締結されている。つまり、工具ホルダ131には、前部ホーン112の外周に設けられた雄ネジ118に螺合する雌ネジ132が切られている(図8参照)。そこで、フランジ122が前部ホーン112の先端部に当接する位置まで工具121が工具挿入孔117に挿入された状態で、工具ホルダ131を工具121側から装着し、その雌ネジ132を前部ホーン112に形成された雄ネジ118に螺合させることで工具121は超音波振動子111に締結される。つまり、工具121に設けられたフランジ122が前部ホーン112の先端部と工具ホルダ131との間に挟まれるわけである。
【0044】
これに対して、図4ないし図6に示す加工工具101では、前部ホーン112の先端部にその軸方向と直交するする方向に雌ネジ119が切られており、この雌ネジ119に螺合する雄ネジ形態の工具ホルダ131が締め込まれて超音波振動子111に工具121が締結されている。つまり、フランジ122が前部ホーン112の先端部に当接する位置まで工具121が工具挿入孔117に挿入された状態で、前部ホーン112に設けられた雌ネジ119に螺合する工具ホルダ131が締め込まれると、その工具ホルダ131の先端が工具121に押圧され、これによって工具121が固定されるわけである。
【0045】
こうして、図1ないし図3に示す加工工具101、あるいは図4ないし図6に示す加工工具101が構成される。
【0046】
こうして構成された加工工具101を使用するには、図示しない高周波電源から2枚の電極114に高周波電圧を印加する。このとき、超音波振動子111と工具ホルダ131と工具121とから構成された振動装置となる加工工具101の共振周波数に対応した高周波電圧を印加することで、2枚の電極114に挟まれた2個の圧電素子113が伸縮を繰り返し、これによって超音波振動が発生する。
【0047】
ここで、図1ないし図3に示す加工工具101と図4ないし図6に示す加工工具101とのそれぞれについて、超音波振動子111に超音波振動が発生させて行う作業について説明する。
【0048】
まず、図1ないし図3に示す加工工具101では、工具121として、角孔を穿孔するための立方体形のツールが加工部123として設けられている。そこで、このような加工部123を備える工具121が装着された加工工具101を用いた作業について説明する。
【0049】
ガラスやセラミックスなど硬くて脆い、いわゆる高脆性材を加工する場合、超音波振動を利用した加工方法は最も効率の良い加工手段の一つとして以前より利用されている。例えば、高脆性材に角穴を穿孔する場合、図3に例示するように、工具121の先端に設ける加工部123の形状を、希望の角形に成形すればよい。そして、超音波振動子111に軸方向の超音波振動を発生させた状態で、高脆性材の被加工物に加工部123を当て、遊離砥粒を供給する。すると、図3中の矢印で示す方向、つまり超音波振動子111の軸方向に超音波振動が生ずるため、遊離砥粒が加工部123の先端で加速されて被加工物である高脆性材に衝突し、これによって被加工物に無数の極微小クラックが発生し、加工部123の形状と相似形の角孔が開けられることになる。この場合、加工部123を砥石で形成すれば、切削液を供給するのみで同一の穿孔加工が可能になる。
【0050】
次いで、図4ないし図6に示す加工工具101では、工具121として、穴繰りバイトが加工部123として設けられている。そこで、このような加工部123を備える工具121が装着された加工工具101を用いた作業について説明する。
【0051】
超音波振動を応用した振動切削は、従来は切削が困難とされていたような加工領域において、高精度で高効率な加工を行うことができる手段として利用されている。このような超音波振動を応用した振動切削は、通常、刃先の振動方向を切削方向と一致させることで実現することができる。そこで、図6に例示する加工部123を用いて振動切削する場合、超音波振動子111を、その軸方向に対して直角方向にたわみ振動させれば良い。穴繰り加工は、穴の内壁面を切削加工する手法で、本実施の形態では、穴繰りバイトである加工部123を穴の内壁周面の接線方向に振動させて精密に切削することが可能である。この時、精密穴繰り加工において一番重要なことは、穴繰りバイトである加工部123の刃の高さを非切削物内周面の軸心と正確に一致させることであり、これを怠ると、特に小径穴加工では寸法精度の悪化や切削面の品位の劣化、あるいはバイト寿命の劣化などの問題が発生する。また、切削性の悪い材質や高硬度金属、あるいは焼入れされた鋼材等、切削性が悪くなるほど刃先の位置を厳密に制御する必要があり、その良し悪しで加工の良否が殆んど決まるといって過言ではない。
【0052】
ここで、本実施の形態の加工工具101における共振振動特性について、図7及び図8を参照して説明する。図7は加工工具の側面図、図8は加工工具の図7におけるA−A断面と共にその共振振動分布を示す説明図である。つまり、図8に示す説明図では、加工工具101を超音波振動させた際に発生する各部の振動状態を振動分布図で表し、このような振動分布と超音波振動子111の内部構造とを対比して説明している。なお、図7及び図8に示す例では、工具121の先端にドリル形態の加工部123が装着され、これに合せて軸振動を発生する超音波振動子111が用いられた例を示している。
【0053】
図8中、点線は超音波振動子111の振動分布、実線は工具121の振動分布をそれぞれ示している。これらの振動分布から明らかなように、超音波振動子111は1波長で構成されており、工具121は1/2波長で構成されている。これらの超音波振動子111及び工具121の振動分布は、いずれも、超音波振動子111に工具121を工具ホルダ131で締結固定した状態、つまり加工工具101としての状態での振動分布である。
【0054】
超音波振動子111の軸方向の振動分布は、図8の点線で示すように、ノードの部分N1及びN2で軸方向の振幅は0になり、ループ部L1、L2、及びL3でその振幅は最大となり、その振動分布は正弦波状のカーブを示す。工具121は、前述したように、超音波振動子111と共振周波数が略等しいことから、超音波振動子111の超音波振動に応じて1/2の波長で共振超音波振動し、この場合のノードはN3、ループはL3及びL4となる。このような超音波振動子111と工具121との振動分布から明らかなように、工具121は、その振動分布におけるノードN3とループL3との中間点で超音波振動子111に固定され、接合していることになる。つまり、工具121は、図1ないし図3に例示する加工工具101の場合であれば、そのフランジ122が前部ホーン112の先端部と工具ホルダ131との間に挟まれて固定されることから、この固定位置でのみ超音波振動子111に固定されることになり、その他の部分はフリー状態となっている。このような構造は、図4ないし図6に例示する加工工具101の場合であれば、工具ホルダ131として構成されている雄ネジが工具121を押圧する位置が工具121の超音波振動子111に対する固定位置ということになる。
図8に示す振動分布図では、このような超音波振動子111に対する工具121の固定位置を交差点LNとして示している。なお、このような超音波振動子111に対する工具121の固定位置である交差点LNは、工具121のノードN3近傍からループL3までの位置であれば、どの位置をも許容することができる。
【0055】
したがって、超音波振動子111に挿入された工具121は、その後端側を非固定状態としながらそのノードN3近傍からループまでの位置で固定されていることになる。これにより、本実施の形態では、超音波振動子111に挿入された工具121を、その後端側を非固定状態としながらそのノードN3近傍からループL3までの位置で固定する締結構造が設けられている。そして、このような締結構造が設けられた結果、本実施の形態の加工工具101は、複数の共振振動分布を有する単一の共振体として構成されることになる。
【0056】
また、上記締結構造によって超音波振動子111と工具121とを締結した結果、本実施の形態では、超音波振動子111における振動の振幅と工具121における振動の振幅とは、交差点LNで同一となる。この交差点LNは、超音波振動子111に関してはループL1の振幅にほぼ等しい。これに対して、この交差点LNは、工具3にとってはそのノードN3とループL3との略中間点である。
これにより、超音波振動子111と工具ホルダ131とで構成される振動体によって、工具121は交差点LNを起点として励振されることになり、結果的に、工具121の先端に設けられた加工部123の振幅は、工具ホルダ131を装着した超音波振動子111の最大振幅部であるループL1よりも増大することになる。したがって、本実施の形態によれば、工具121に特別な振幅拡大手段を用いなくとも、工具121の先端に設けた加工部123の振幅を大きくすることが可能となる。よって、工具に大きな振動速度を得ることができる。
【0057】
しかも、従来の一般的な超音波振動子111と工具121との締結手段、例えば図9ないし図13に示すような締結手段を採用した加工工具1では、工具21は全体の共振体、つまり一つの振動分布の一部として構成されるのに対して、本実施の形態によれば、二つの共振体(工具ホルダ131を装着した超音波振動子111と工具121)が各々独立した振動分布を持つことになる。これにより、各々独立した振動分布を持つ二つの共振体である工具ホルダ131を装着した超音波振動子111と工具121とを、それぞれの振動振幅が小さな位置、つまり振動速度が小さい位置で接合することができる。また、振動子はもとより、工具121の振動形態は、単独で共振振動している形態と全く同じであり、加工部124の振幅が大きくなっても工具121を構成する素材要素の限界強度を超えない範囲であれば、効率の良い振動が可能である。また、交差点LNでは、二つの共振体が同期をとって同一の振幅で振動しており、図9ないし図13に例示する従来技術のように、加速度が増大して工具ホルダ131の保持力の限界を超えた時点で工具121が飛び出すようなことがない。したがって、簡便な接合方法で超音波振動子111と工具121とを固定したとしても、工具121に対して確実に振動を伝達することができることになる。
【0058】
以上のことから、本実施の形態によれば、簡便に工具121を装着することができながら、工具121に大きな振動速度を得ることができる。
【0059】
しかも、超音波振動子111と工具121とを任意の位置で接合できることから、工具121の先端部の長さを必要とされる任意の長さに設定することができ、これにより、工具121の先端部の長さを必要以上に長くする必要がなくなって剛性の高い加工工具101を容易に設計できるようになる。
【0060】
次いで、本実施の形態における工具121の取り付け再現性について説明する。加工位置精度が要求されたり、精密な寸法で加工を行う必要があったりする場合、当然ながら、工具121の取り付け再現性に対して厳しい精度要求が出てくる。これに対して、本実施の形態では、角型シャンク124と工具挿入孔117とが嵌め合い状態の構成となっているため、工具121を交換したとしても、厳しい精度が要求される加工にも十分対応した加工が可能になる。
【0061】
ここで、本実施の形態では、工具121の角型シャンク124に連なる後端部の一部は丸棒形状を呈し角型シャンク124より若干径が細くなっているが、これは、工具挿入孔117との接触を避け、異なる振幅同士の接触による不要な騒音の発生を防止するのが目的である。このため、工具121の中間から後端にかけての部分については、必要に応じて全域を角型シャンク124として形成しても良い。但し、これは、図1ないし図3に例示する加工工具101のように軸振動する超音波振動子111を採用した場合の話であり、図4ないし図6に例示する加工工具101のようにたわみ振動をする超音波振動子111が採用される場合には、工具121の角型シャンク124に連なる後端部と工具挿入孔117との間には、超音波振動子111を妨げない程度の隙間が設けられていなければならない。もっとも、この隙間は、目視できない程度の隙間である。
【0062】
以上、本実施の形態における工具121の取り付け再現性について一般的に説明したが、この工具121の取り付け再現性について、図1ないし図3に例示する加工工具101と図4ないし図6に例示する加工工具101との場合について個別的に説明する。
【0063】
まず、図1ないし図3に例示する加工工具101では、角穴穿孔用の加工部123が工具121の先端に設けられている。このような加工部123では、穿孔する角穴の回転角や加工位置精度が要求されたり、精密な寸法で角穴加工を行う必要があったりする場合、当然ながら、工具121の取り付け再現性に対して厳しい精度要求が出てくる。この場合、工具121側の角型シャンク124と超音波振動子111側の工具挿入孔117とが嵌め合い状態の構成となっていれば、工具121を交換したとしても、厳しい精度が要求される角穴加工にも十分対応した加工が可能になる。
【0064】
次いで、図4ないし図6に例示する加工工具101では、穴繰りバイトとして構成された加工部123が工具121の先端に設けられている。このような加工部123では、加工部123である穴繰りバイトの刃は、加工を続けることで磨耗し、品質管理の観点から適切な時期に新品に交換する必要がある。この際、いかに短時間でバイトの交換が行えるかという要求と共に、交換時の寸法再現性についても厳しい要求がなされることがある。つまり、特に切削性の悪いいわゆる難削材の小径穴繰り加工の刃先の高さに関しては、非常に厳密な精度が望まれ、従来は工具交換の都度、工具顕微鏡で数十倍〜数百倍に拡大した状態で刃先位置を計測し、その位置を微調整していた。ところが、この場合には、その調整に非常に手間がかかり、生産性の観点からも改善が望まれていた。
【0065】
これに対して、本実施の形態では、工具121側の角型シャンク124と超音波振動子111側の工具挿入孔117とが嵌め合い状態の構成となっていることから、工具121を交換したとしても、厳しい精度が要求される穴繰り加工にも十分対応した加工が可能になる。これをより詳細に説明すると、図4ないし図6に例示する加工工具101では、角型シャンク124及び工具挿入孔117は四角柱であるため、工具121の装着時、工具固定用の雄ネジとして構成された工具ホルダ131で角型シャンク124の角部分を強く押さえ込むことで、角型シャンク124及び工具挿入孔117の底面に相当する直角の二面が強く押さえ込まれることになる。このため、各部品精度が正確であれば、正確な寸法再現性が得られ、工具121を交換しても、再度、加工部123である穴繰りバイトの刃の位置を微調整する必要がなくなる。これにより、穴繰りバイトの刃の位置を微調整する煩雑さから開放され、生産性も飛躍的に向上することになる。
【0066】
なお、工具121に設けられたフランジ122は、工具121を工具挿入孔117に挿入する際のストッパの役目を果たし、穴繰りバイトである加工部123の突き出し量の再現性を高める働きをするが、このような再現性の制御については、フランジ122ではなく、別の手法で制御することも可能である。
【0067】
【発明の効果】
請求項1記載の発明は、超音波振動を発生し、先端部から軸方向に向けて工具挿入孔が設けられた超音波振動子と、後端部から前記工具挿入孔に挿入されて先端部に加工部を有し、前記超音波振動子と共振周波数が略等しい工具と、前記超音波振動子に挿入された前記工具を、その後端側を非固定状態としながらそのノード近傍からループまでの位置で固定する締結構造と、を具備し、複数の共振振動分布を有する単一の共振体として構成した加工工具であるので、締結構造による超音波振動子に対する工具の固定位置を工夫するだけで、工具には超音波振動子に発生する超音波振動の振幅よりも大きな振幅を得ることができ、しかも、超音波振動子に対する工具の固定位置における振幅は、工具に得られる振動の振幅よりも小さいため、工具を簡便に装着しても十分な剛性を得ることができる。
【0068】
請求項2記載の発明は、請求項1記載の加工工具において、前記工具挿入孔と前記工具との挿入構造における断面形状を非真円形状としたので、工具挿入孔に対する工具の周方向の位置が一意的に定められるため、工具を再装着する場合に優れた寸法再現性を得ることができる。
【0069】
請求項3記載の発明は、超音波振動を発生し、先端部から軸方向に向けて工具挿入孔が設けられた超音波振動子と、後端部から前記工具挿入孔に挿入されて先端部に加工部を有する工具と、前記超音波振動子に挿入された前記工具を固定する締結部と、を具備し、前記工具挿入孔と前記工具側との挿入構造における断面形状は、非真円形状である加工工具であるので、工具挿入孔に対する工具の周方向の位置が一意的に定められるため、工具を再装着する場合に優れた寸法再現性を得ることができる。
【0070】
請求項4記載の発明は、請求項2又は3記載の加工工具において、非真円形状として多角形が選択されているので、工具挿入孔と工具との挿入構造における非真円形状である断面形状を容易に製造することができる。
【0071】
請求項5記載の発明は、請求項2又は3記載の加工工具において、非真円形状として、歯車形状が選択されているので、工具挿入孔と工具との挿入構造における非真円形状である断面形状を容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の一形態として、加工工具を示す斜視図である。
【図2】その分解斜視図である。
【図3】工具の振動方向を示す斜視図である。
【図4】本発明の別の実施の一形態である加工工具を示す斜視図である。
【図5】その分解斜視図である。
【図6】工具の振動方向を示す斜視図である。
【図7】加工工具の側面図である。
【図8】加工工具の図7に示すA−A断面と共にその共振振動分布を示す説明図である。
【図9】加工工具の従来の一例を示す斜視図である。
【図10】その分解斜視図である。
【図11】加工工具の別の従来の一例を示す斜視図である。
【図12】その分解斜視図である。
【図13】加工工具の縦断面と共にその共振振動分布を示す説明図である。
【符号の説明】
111  超音波振動子
117  工具挿入孔
123  加工部
121  工具
N3   ノード
L3   ループ
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a processing tool that performs various types of ultrasonic processing such as cutting, grinding, drilling, and welding using an ultrasonic vibrator.
[0002]
[Prior art]
When performing processing using ultrasonic vibration, a tool is attached to the ultrasonic vibrator that is the drive source of ultrasonic vibration, and the tool generates high-frequency micro-vibration with a large acceleration peculiar to ultrasonic waves. The tool is caused to collide with the workpiece. Thereby, efficient processing can be performed.
[0003]
An example of a conventional machining tool utilizing such ultrasonic vibration will be described with reference to FIGS. FIG. 9 is a perspective view showing an example of a conventional processing tool utilizing ultrasonic vibration, and FIG. 10 is an exploded perspective view thereof. FIG. 11 is a perspective view showing another example of a conventional machining tool using ultrasonic vibration, and FIG. 12 is an exploded perspective view thereof. FIG. 13 is an explanatory diagram showing the longitudinal vibration section and the resonance vibration distribution of the machining tool.
[0004]
The processing tool 1 introduced here is an example of an ultrasonic drilling device that drills a minute hole in a workpiece, and has a structure in which the tool 21 is fixed to the ultrasonic vibrator 11 with a set screw type tool holder 31. belongs to.
[0005]
The ultrasonic transducer 11 includes a front horn 12, two piezoelectric elements 13, two electrodes 14, a rear horn 15, and a fastening bolt 16 (see FIG. 13). As the tool 21, a drill-shaped tool is exemplified. That is, the processing part located at the tip of the tool 21 is the drill 22. A female screw 17 is cut at the tip of the front horn 12, and a male screw 32 provided on a tool holder 31 is screwed into the female screw 17, whereby the front horn 12 and the tool holder 31 are screwed. And are screwed together. This tool holder 31 has a tool insertion hole 33. The tool 21 is inserted into the tool insertion hole 33 from the rear end side, and is fastened and fixed by a tool set screw 34 provided in the tool holder 31. Here, the machining tool 1 is configured.
[0006]
In such a structure, a high-frequency voltage corresponding to the resonance frequency of a processing tool including the ultrasonic vibrator 11, the tool holder 31, and the tool 21 is applied to two electrodes 14 from a high-frequency power supply (not shown). Thus, the two piezoelectric elements 13 repeat expansion and contraction, thereby generating ultrasonic vibration in the ultrasonic vibrator 11. Thus, the drill 22 provided at the tip of the tool 21 performs its function.
[0007]
The vibration of the ultrasonic vibrator 11 generally includes axial vibration, flexural vibration, torsional vibration, and a composite vibration of these, depending on the type of the piezoelectric element 13. The ultrasonic transducer 11 illustrated in FIGS. 9 and 10 performs axial vibration. Which vibration to select may be determined according to the type of the tool 21.
[0008]
The working tool shown in FIGS. 11 and 12 is an example of a structure in which a slot 35 is provided on the tool holder 31. The tool holder 31 illustrated in FIGS. 9 and 10 has a structure in which the tip of the tool set screw 34 is directly pressed against the tool 21 from the side of the tool 21 to fix the tool 21, whereas FIGS. In the tool holder 31 illustrated in FIG. 1, the interval between the slits 35 is narrowed by tightening the tool set screw 34, and the tool 21 is fixed by the pressing force of the tool holder 31 itself.
[0009]
Here, the vibration distribution of the processing tool 1 functioning as the ultrasonic drilling device vibrator will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 13 showing the vibration distribution of the machining tool 1, a node (node) indicated by N is a portion where the axial vibration is 0 (zero), and the right and left sides of the node expand and contract with the phases reversed. The loop (antinode) is the maximum portion of the amplitude, and the amplitude L1 at the front end of the tool 21 is larger than the amplitude L2 at the rear end. This is because when the diameter is reduced at the node N, the vibration amplitude is increased. If the diameter is reduced from the node N portion, a desired amplitude expansion rate can be obtained by the shape and the diameter ratio, and the amplitude required for processing can be designed. 9 to 13 show the processing tool 1 configured as a half-wavelength (1 / wavelength) resonator, the resonator is configured with a wavelength that is an integral multiple of the half-wavelength (1 / wavelength). It is also possible.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
With the recent advances in industrial technology, attempts to effectively use ultrasonic waves have become more active than ever before, and high-value processing, that is, high difficulty such as ultrafineness, high precision, and high speed, etc. Processing is being strongly demanded. However, it is difficult to meet such a demand only by the conventional ultrasonic technology. The reason will be described below.
[0011]
As can be seen from the vibration distribution shown in FIG. 13, the amplitude of the vibration distribution of the working tool 1 is maximum at the tip of the tool 21. The vibration speed V (m / sec) of the tool 21 at this time is
V (m / sec) = 2 × π × f × a (1)
Is represented by Here, f (Hz) is the resonance frequency of the apparatus, and a (m) is the one-sided amplitude of the tip of the tool 21.
[0012]
In general, in the case of a machining tool using ultrasonic vibration such as the machining tool 1 illustrated in FIGS. 9 to 13, the higher the vibration speed V (m / sec) of the tool 21 is, the higher the efficiency and the accuracy, that is, the higher the quality. High processing is possible. Therefore, it is desirable to increase the vibration speed, but for that purpose, it is necessary to increase the resonance frequency or increase the amplitude.
[0013]
On the other hand, the vibration of the tool 21 is a reciprocating motion, and a large acceleration is generated at the top dead center and the bottom dead center of the vibration. Then, the acceleration naturally increases in proportion to the magnitude of the vibration speed V (m / sec), and this causes a large inertial force on the tool 21. To explain this with a mathematical formula, the inertia force F (N) of the tool 21 generated by the vibration is represented by the mass m (kg) of the tool 21 itself and the acceleration g (m / sec). 2 ) And dominated by
F (N) = m × g (2)
Will be represented by
[0014]
From the above theory, it is necessary to vibrate the tool 21 at high speed, that is, to increase the vibration speed V (m / sec) of the tool 21 in order to perform high-efficiency and high-accuracy ultrasonic machining. As the vibration velocity V (m / sec) increases, the acceleration g (m / sec) of the tool 21 increases. 2 ) Also increase sharply.
[0015]
However, as is clear from the examples shown in FIGS. 9 to 13, for example, the tool 21 is a part of the ultrasonic resonator, but is only held by the mechanical structure of the tool holder 31. For this reason, when the vibration speed V (m / sec) of the processing tool 1 is increased in order to perform high-efficiency and high-accuracy ultrasonic processing, if the holding force of the tool 21 by the tool holder 31 is weak, the tool 21 There is a problem in that the player jumps out due to his own inertial force F (N).
[0016]
For this reason, in order to vibrate the tool 21 at a slightly higher vibration velocity V (m / sec), it is necessary to hold the tool 21 strongly and make the tool as light as possible. From the above equations (1) and (2), if the vibration velocity V (m / sec) increases, the acceleration g (m / sec) of the tool 21 will increase. 2 ) Increases and the inertial force F (N) generated on the tool 21 increases. To cope with this, the tool 21 needs to be strongly held, and the inertial force F (N) generated on the tool 21 at this time. This is because the mass m (kg) of the tool 21 must be reduced as much as possible in order to reduce even a little.
[0017]
Here, various methods have been proposed in the past for securely fixing the tool 21 to the ultrasonic vibrator 11, but generally, examples are shown in FIGS. 9 and 10 or FIGS. 11 and 12. The technique is widely used. These fixing methods have an advantage that the tool 21 can be easily replaced.
[0018]
However, the method illustrated in FIGS. 9 and 10 can be generally applied only to an amplitude of about a = 10 μm at a frequency of 20 kHz. In addition, if the tool set screw 34 is strongly tightened to increase the fixing force of the tool 21, there is a problem that the tool performance such as deformation, breakage, and eccentricity of the tool 21 and the processing performance are easily deteriorated.
[0019]
Further, in the method illustrated in FIGS. 11 and 12, even if the tool set screw 34 is strongly tightened, deformation, breakage, and eccentricity of the tool 21 are less likely to occur. There is a problem that the holding force of the tool 21 becomes weaker than the method illustrated. Usually, at a frequency of 20 kHz, it can be applied only to an amplitude of a = about 5 to 7 μm.
[0020]
For this reason, in order to vibrate the tool 21 at a stronger vibration velocity V (m / sec), a method of directly joining the tool holder 31 and the tool 21 using a welding technique represented by brazing or the like. Is taken. However, in this method, the material is heated at a high temperature to melt the brazing material. I have a big problem.
[0021]
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a tool capable of obtaining a large vibration speed while allowing the tool to be easily mounted.
[0022]
Another object of the present invention is to provide excellent dimensional reproducibility even when a tool is remounted.
[0023]
[Means for Solving the Problems]
According to the first aspect of the present invention, there is provided an ultrasonic vibrator that generates ultrasonic vibration and has a tool insertion hole provided in an axial direction from a front end portion, and a front end portion inserted into the tool insertion hole from a rear end portion. A tool having a resonance frequency substantially equal to the ultrasonic vibrator and the tool inserted into the ultrasonic vibrator, from the vicinity of the node to the loop while the rear end side is in an unfixed state. And a fastening structure fixed at a position, and configured as a single resonator having a plurality of resonance vibration distributions.
[0024]
Therefore, by merely devising the fixing position of the tool with respect to the ultrasonic vibrator by the fastening structure, the tool can obtain an amplitude larger than the amplitude of the ultrasonic vibration generated in the ultrasonic vibrator. Moreover, since the amplitude of the tool at the fixed position with respect to the ultrasonic vibrator is smaller than the amplitude of the vibration obtained in the tool, sufficient rigidity can be obtained even if the tool is simply mounted.
[0025]
According to a second aspect of the present invention, in the processing tool according to the first aspect, a cross-sectional shape of the insertion structure between the tool insertion hole and the tool has a non-circular shape.
[0026]
Therefore, since the circumferential position of the tool with respect to the tool insertion hole is uniquely determined, excellent dimensional reproducibility can be obtained when the tool is remounted.
[0027]
According to a third aspect of the present invention, there is provided an ultrasonic vibrator which generates ultrasonic vibration and has a tool insertion hole provided in an axial direction from a front end portion, and a front end portion which is inserted into the tool insertion hole from a rear end portion. A tool having a processing portion, and a fastening portion for fixing the tool inserted into the ultrasonic vibrator, the cross-sectional shape of the insertion structure between the tool insertion hole and the tool side is a non-perfect circle A machining tool that is shaped.
[0028]
Therefore, since the circumferential position of the tool with respect to the tool insertion hole is uniquely determined, excellent dimensional reproducibility can be obtained when the tool is remounted.
[0029]
According to a fourth aspect of the present invention, in the processing tool according to the second or third aspect, a polygon is selected as the non-circular shape.
[0030]
Therefore, a non-circular cross-sectional shape in the insertion structure of the tool insertion hole and the tool can be easily manufactured.
[0031]
According to a fifth aspect of the present invention, in the machining tool according to the second or third aspect, a gear shape is selected as the non-circular shape.
[0032]
Therefore, a non-circular cross-sectional shape in the insertion structure of the tool insertion hole and the tool can be easily manufactured.
[0033]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0034]
1 is a perspective view showing a working tool, FIG. 2 is an exploded perspective view thereof, and FIG. 3 is a perspective view showing a vibration direction of the tool. 4 is a perspective view showing another embodiment of the working tool, FIG. 5 is an exploded perspective view thereof, and FIG. 6 is a perspective view showing a vibration direction of the tool.
[0035]
The processing tool 101 of the present embodiment has a structure in which a tool 121 is fixed to an ultrasonic vibrator 111 with a tool holder 131.
[0036]
The ultrasonic transducer 111 includes a front horn 112, two piezoelectric elements 113, two electrodes 114, and a rear horn 115, which are tightened by fastening bolts 116 (see FIG. 5). They are one.
[0037]
As shown in FIG. 2, a tool insertion hole 117 extending in the axial direction is provided at the tip of the front horn 112, and the tool 121 is inserted into the tool insertion hole 117 from the rear end. .
[0038]
The tool 121 has a resonance frequency substantially equal to that of the ultrasonic vibrator 111, and a portion to be inserted into the tool insertion hole 117 is formed long. A flange 122 is formed on the tool 121, and the tool 121 is inserted into the tool insertion hole 117 to a position where the flange 122 comes into contact with the tip of the front horn 112. A processing portion 123 is integrally formed at the tip of such a tool 121.
[0039]
Here, in the processing tool 101 shown in FIGS. 1 to 3, a cubic tool for drilling a square hole is provided as the processing part 123 as the tool 121. The processed portion 123 performs a perforation process on a hard and brittle, so-called highly brittle material such as glass or ceramics by vibrating the shaft. Therefore, when such a processing part 123 is provided on the tool 121, the ultrasonic vibrator 111 for shaft vibration is used to axially vibrate the processing part 123. The ultrasonic oscillator 111 for shaft vibration is one of typical ultrasonic oscillators 111 and can be easily obtained by selecting the piezoelectric element 113.
[0040]
On the other hand, in the machining tool 101 shown in FIGS. 4 to 6, a drill bit is provided as the machining portion 123 as the tool 121. The machined portion 123, that is, the hole turning tool performs vibration cutting by performing flexural vibration. Therefore, when such a processing part 123 is provided in the tool 121, the ultrasonic vibrator 111 for bending vibration is used to cause the processing part 123 to bend and vibrate. The ultrasonic oscillator 111 for flexural vibration is one of the representative ultrasonic oscillators 111, and can be easily obtained by selecting the piezoelectric element 113.
[0041]
Next, a square shank 124 is formed on the tool 121 at a position closer to the rear end than the flange 122. This square shank 124 is shorter in length than the entire rear end portion of the flange 121 of the tool 121, and the portion of the tool 121 behind the square shank 124 maintains a cylindrical shape. The tool insertion hole 117 formed in the front horn 112 corresponding to such a square shank 124 has a shape similar to that of the square shank 124 only at the tip portion (see FIG. 5). Thereby, it can be said that a part of the cross-sectional shape in the insertion structure of the tool insertion hole 117 and the tool 121 is a non-circular shape. In the present embodiment employing the square shank 124, it can be said that a polygon is selected from among such non-circular shapes. However, as for the cross-sectional shape in the insertion structure of the tool insertion hole 117 and the tool 121, any non-circular shape can be selected, and for example, various shapes such as a gear shape, a star shape, a D-cut shape, etc. Can be selected.
[0042]
The tool 121 inserted into the tool insertion hole 117 is fixed by the tool holder 131, whereby the tool 121 is fastened to the ultrasonic vibrator 111. The form of the tool holder 131 and the structure of fixing the tool 121 by the tool holder 131 are different between the processing tool 101 shown in FIGS. 1 to 3 and the processing tool 101 shown in FIGS.
[0043]
In the machining tool 101 shown in FIGS. 1 to 3, a male screw 118 is cut in the outer peripheral axis direction of the tip of the front horn 112, and a tool holder 131 having a cap nut structure is screwed to the male screw 118. Thereby, the tool 121 is fastened to the ultrasonic vibrator 111. That is, the tool holder 131 has a female screw 132 that is screwed into the male screw 118 provided on the outer periphery of the front horn 112 (see FIG. 8). Therefore, with the tool 121 inserted into the tool insertion hole 117 until the flange 122 comes into contact with the front end of the front horn 112, the tool holder 131 is mounted from the tool 121 side, and the female screw 132 is attached to the front horn. The tool 121 is fastened to the ultrasonic vibrator 111 by being screwed into a male screw 118 formed at 112. That is, the flange 122 provided on the tool 121 is sandwiched between the tip of the front horn 112 and the tool holder 131.
[0044]
On the other hand, in the machining tool 101 shown in FIGS. 4 to 6, a female screw 119 is cut at a front end of the front horn 112 in a direction orthogonal to the axial direction. The tool 121 is fastened to the ultrasonic vibrator 111 by tightening the male screw-shaped tool holder 131. That is, with the tool 121 being inserted into the tool insertion hole 117 until the flange 122 abuts on the tip of the front horn 112, the tool holder 131 that is screwed into the female screw 119 provided on the front horn 112 is When tightened, the tip of the tool holder 131 is pressed against the tool 121, and the tool 121 is thereby fixed.
[0045]
Thus, the processing tool 101 shown in FIGS. 1 to 3 or the processing tool 101 shown in FIGS. 4 to 6 is configured.
[0046]
In order to use the processing tool 101 configured as described above, a high-frequency voltage is applied to two electrodes 114 from a high-frequency power supply (not shown). At this time, by applying a high-frequency voltage corresponding to the resonance frequency of the processing tool 101 serving as a vibration device including the ultrasonic vibrator 111, the tool holder 131, and the tool 121, the device is sandwiched between the two electrodes 114. The two piezoelectric elements 113 repeatedly expand and contract, thereby generating ultrasonic vibration.
[0047]
Here, for each of the processing tool 101 shown in FIGS. 1 to 3 and the processing tool 101 shown in FIGS. 4 to 6, an operation performed by generating ultrasonic vibration in the ultrasonic vibrator 111 will be described.
[0048]
First, in the machining tool 101 shown in FIGS. 1 to 3, a cubic tool for drilling a square hole is provided as the machining portion 123 as the tool 121. Therefore, an operation using the processing tool 101 on which the tool 121 including the processing unit 123 is mounted will be described.
[0049]
When processing hard and brittle materials, such as glass and ceramics, so-called highly brittle materials, processing methods using ultrasonic vibration have been used as one of the most efficient processing means. For example, when drilling a square hole in a highly brittle material, the shape of the processing portion 123 provided at the tip of the tool 121 may be formed into a desired square as illustrated in FIG. Then, with the ultrasonic vibrator 111 generating ultrasonic vibration in the axial direction, the processing portion 123 is applied to the workpiece made of a brittle material to supply loose abrasive grains. Then, since ultrasonic vibration is generated in the direction indicated by the arrow in FIG. 3, that is, in the axial direction of the ultrasonic vibrator 111, the loose abrasive grains are accelerated at the tip of the processing portion 123, and the high-brittle material is processed. The collision causes an infinite number of micro cracks in the workpiece, and a square hole similar to the shape of the processed portion 123 is opened. In this case, if the processing portion 123 is formed of a grindstone, the same drilling can be performed only by supplying the cutting fluid.
[0050]
Next, in the machining tool 101 shown in FIGS. 4 to 6, a drill bit is provided as the machining portion 123 as the tool 121. Therefore, an operation using the processing tool 101 on which the tool 121 including the processing unit 123 is mounted will be described.
[0051]
Vibration cutting using ultrasonic vibration is used as a means for performing high-precision and high-efficiency processing in a processing region where cutting has conventionally been difficult. Vibration cutting using such ultrasonic vibration can be usually realized by matching the vibration direction of the cutting edge with the cutting direction. Therefore, when performing vibration cutting using the processing unit 123 illustrated in FIG. 6, the ultrasonic vibrator 111 may be flexibly vibrated in a direction perpendicular to the axial direction. Hole drilling is a method of cutting the inner wall surface of a hole, and in this embodiment, it is possible to precisely cut the processed portion 123, which is a hole drilling tool, in the tangential direction of the inner wall peripheral surface of the hole. It is. At this time, the most important thing in precision drilling is to make the height of the blade of the processing portion 123, which is a drilling bit, exactly coincide with the axis of the inner peripheral surface of the non-cutting object. In particular, in the processing of small-diameter holes, problems such as deterioration of dimensional accuracy, deterioration of the quality of the cut surface, and deterioration of the tool life occur. In addition, it is necessary to control the position of the cutting edge more strictly as the machinability deteriorates, such as a material having poor machinability, a hard metal, or a hardened steel material. It's not an exaggeration.
[0052]
Here, the resonance vibration characteristics of the working tool 101 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 7 is a side view of the working tool, and FIG. 8 is an explanatory diagram showing the resonance vibration distribution of the working tool along with the AA cross section in FIG. In other words, in the explanatory diagram shown in FIG. 8, the vibration state of each part generated when the processing tool 101 is ultrasonically vibrated is represented by a vibration distribution diagram, and such a vibration distribution and the internal structure of the ultrasonic vibrator 111 are described. It is explained in contrast. 7 and 8 show an example in which a drill-shaped processing portion 123 is attached to the tip of a tool 121, and an ultrasonic vibrator 111 that generates axial vibration in accordance with the drilling is used. .
[0053]
8, the dotted line indicates the vibration distribution of the ultrasonic transducer 111, and the solid line indicates the vibration distribution of the tool 121. As is clear from these vibration distributions, the ultrasonic transducer 111 has one wavelength, and the tool 121 has 1 / wavelength. Each of the vibration distributions of the ultrasonic transducer 111 and the tool 121 is a vibration distribution in a state where the tool 121 is fastened and fixed to the ultrasonic transducer 111 with the tool holder 131, that is, in a state as the processing tool 101.
[0054]
As shown by the dotted line in FIG. 8, the axial vibration distribution of the ultrasonic transducer 111 has an axial amplitude of 0 at the node portions N1 and N2, and the amplitude at the loop portions L1, L2, and L3. It becomes maximum and its vibration distribution shows a sinusoidal curve. As described above, since the resonance frequency of the tool 121 is substantially equal to that of the ultrasonic vibrator 111, the tool 121 performs resonance ultrasonic vibration at 波長 wavelength according to the ultrasonic vibration of the ultrasonic vibrator 111. The node is N3, and the loops are L3 and L4. As is apparent from the vibration distribution between the ultrasonic vibrator 111 and the tool 121, the tool 121 is fixed to the ultrasonic vibrator 111 at the midpoint between the node N3 and the loop L3 in the vibration distribution, and joined. Will be. That is, in the case of the processing tool 101 illustrated in FIGS. 1 to 3, the tool 122 is fixed by being sandwiched between the tip of the front horn 112 and the tool holder 131. Only at this fixed position is the ultrasonic transducer 111 fixed, and the other parts are in a free state. In the case of the processing tool 101 illustrated in FIGS. 4 to 6, such a structure is such that the position at which the male screw configured as the tool holder 131 presses the tool 121 is set with respect to the ultrasonic vibrator 111 of the tool 121. This is a fixed position.
In the vibration distribution diagram shown in FIG. 8, the fixed position of the tool 121 with respect to the ultrasonic transducer 111 is shown as an intersection LN. The intersection LN, which is the fixed position of the tool 121 with respect to the ultrasonic transducer 111, can be any position as long as the position is from the vicinity of the node N3 of the tool 121 to the loop L3.
[0055]
Therefore, the tool 121 inserted into the ultrasonic transducer 111 is fixed at a position from the vicinity of the node N3 to the loop while the rear end side is in an unfixed state. Thus, in the present embodiment, there is provided a fastening structure for fixing the tool 121 inserted into the ultrasonic transducer 111 at a position from the vicinity of the node N3 to the loop L3 while keeping the rear end side in an unfixed state. I have. As a result of providing such a fastening structure, the working tool 101 of the present embodiment is configured as a single resonator having a plurality of resonance vibration distributions.
[0056]
Further, as a result of fastening the ultrasonic vibrator 111 and the tool 121 by the above-described fastening structure, in the present embodiment, the amplitude of the vibration in the ultrasonic vibrator 111 and the amplitude of the vibration in the tool 121 are the same at the intersection LN. Become. The intersection LN is substantially equal to the amplitude of the loop L1 for the ultrasonic transducer 111. On the other hand, the intersection LN is a substantially intermediate point between the node N3 and the loop L3 for the tool 3.
Thus, the tool 121 is excited by the vibrator constituted by the ultrasonic vibrator 111 and the tool holder 131 from the intersection LN as a starting point, and as a result, the machining portion provided at the tip of the tool 121 The amplitude of 123 will be larger than the loop L1 which is the maximum amplitude part of the ultrasonic transducer 111 on which the tool holder 131 is mounted. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to increase the amplitude of the processing portion 123 provided at the tip of the tool 121 without using any special amplitude expanding means for the tool 121. Therefore, a large vibration speed can be obtained for the tool.
[0057]
In addition, in the conventional processing tool 1 which employs a conventional fastening means between the ultrasonic transducer 111 and the tool 121, for example, a fastening means as shown in FIGS. 9 to 13, the tool 21 is an entire resonator, that is, one tool. According to the present embodiment, two resonators (the ultrasonic vibrator 111 with the tool holder 131 mounted thereon and the tool 121) form independent vibration distributions while being configured as a part of one vibration distribution. Will have. As a result, the ultrasonic transducer 111 having the tool holder 131, which is two resonators having independent vibration distributions, and the tool 121 are joined at a position where the vibration amplitude is small, that is, at a position where the vibration speed is small. be able to. In addition to the vibrator, the vibration mode of the tool 121 is exactly the same as the mode in which the tool 121 resonates and vibrates independently. Within this range, efficient vibration is possible. Further, at the intersection LN, the two resonators vibrate at the same amplitude in synchronization with each other, and the acceleration increases and the holding force of the tool holder 131 increases as in the related art illustrated in FIGS. 9 to 13. The tool 121 does not jump out when the limit is exceeded. Therefore, even if the ultrasonic transducer 111 and the tool 121 are fixed by a simple joining method, vibration can be reliably transmitted to the tool 121.
[0058]
As described above, according to the present embodiment, a large vibration speed can be obtained for the tool 121 while the tool 121 can be easily mounted.
[0059]
Moreover, since the ultrasonic vibrator 111 and the tool 121 can be joined at any position, the length of the tip of the tool 121 can be set to any required length. It is not necessary to make the length of the distal end portion unnecessarily long, so that the processing tool 101 having high rigidity can be easily designed.
[0060]
Next, the mounting reproducibility of the tool 121 according to the present embodiment will be described. When the processing position accuracy is required or the processing needs to be performed with a precise dimension, a strict accuracy requirement is naturally required for the mounting reproducibility of the tool 121. On the other hand, in the present embodiment, since the square shank 124 and the tool insertion hole 117 are in a fitted state, even if the tool 121 is exchanged, it is possible to perform machining requiring strict accuracy. Processing that is fully compatible is possible.
[0061]
Here, in the present embodiment, a part of a rear end portion of the tool 121 connected to the square shank 124 has a round bar shape and is slightly smaller in diameter than the square shank 124. It is an object to avoid contact with 117 and to prevent generation of unnecessary noise due to contact between different amplitudes. Therefore, the entire area of the portion from the middle to the rear end of the tool 121 may be formed as the square shank 124 as necessary. However, this is a case where the ultrasonic vibrator 111 that vibrates axially is employed as in the processing tool 101 illustrated in FIGS. 1 to 3, and is similar to the processing tool 101 illustrated in FIGS. 4 to 6. When the ultrasonic vibrator 111 that performs flexural vibration is employed, the ultrasonic vibrator 111 is not obstructed between the tool insertion hole 117 and the rear end of the tool 121 connected to the square shank 124. A gap must be provided. However, this gap is a gap that is not visible.
[0062]
The reproducibility of the attachment of the tool 121 according to the present embodiment has been generally described above. The reproducibility of the attachment of the tool 121 is illustrated in the processing tool 101 illustrated in FIGS. 1 to 3 and in FIGS. 4 to 6. The case with the processing tool 101 will be described individually.
[0063]
First, in the machining tool 101 illustrated in FIGS. 1 to 3, a machining portion 123 for drilling a square hole is provided at the tip of the tool 121. In such a processing part 123, when the rotation angle of the square hole to be drilled and the processing position accuracy are required, or when it is necessary to perform the square hole processing with precise dimensions, the mounting reproducibility of the tool 121 is naturally reduced. Strict precision requirements come out. In this case, if the square shank 124 on the tool 121 side and the tool insertion hole 117 on the ultrasonic vibrator 111 side are in a fitted state, strict accuracy is required even if the tool 121 is replaced. Processing that is fully compatible with square hole processing becomes possible.
[0064]
Next, in the working tool 101 illustrated in FIGS. 4 to 6, a working portion 123 configured as a hole boring tool is provided at the tip of the tool 121. In such a processing section 123, the blade of the hole drill bit as the processing section 123 is worn by continuing the processing, and it is necessary to replace the blade with a new one at an appropriate time from the viewpoint of quality control. At this time, there is a case where strict demands are made on the dimensional reproducibility at the time of replacement, together with the demand for how quickly the tool can be replaced. In other words, particularly with respect to the height of the cutting edge of small-diameter drilling of so-called difficult-to-cut materials with poor machinability, very strict accuracy is desired. The position of the cutting edge was measured in a state of being enlarged, and the position was finely adjusted. However, in this case, the adjustment is extremely troublesome, and improvement has been desired from the viewpoint of productivity.
[0065]
On the other hand, in the present embodiment, since the square shank 124 on the tool 121 side and the tool insertion hole 117 on the ultrasonic vibrator 111 side are in a fitted state, the tool 121 is replaced. However, it is possible to perform processing that is sufficiently compatible with hole boring processing that requires strict accuracy. This will be described in more detail. In the machining tool 101 illustrated in FIGS. 4 to 6, since the square shank 124 and the tool insertion hole 117 are square pillars, when the tool 121 is mounted, it is used as a male screw for fixing the tool. By strongly pressing the corners of the square shank 124 with the configured tool holder 131, two rectangular surfaces corresponding to the square shank 124 and the bottom surface of the tool insertion hole 117 are strongly pressed. For this reason, if the accuracy of each part is accurate, accurate dimensional reproducibility can be obtained, and even if the tool 121 is replaced, there is no need to finely adjust the position of the blade of the drill bit as the machining part 123 again. . As a result, the complexity of finely adjusting the position of the blade of the boring tool is relieved, and the productivity is dramatically improved.
[0066]
The flange 122 provided on the tool 121 serves as a stopper when the tool 121 is inserted into the tool insertion hole 117, and functions to increase the reproducibility of the amount of protrusion of the machined portion 123, which is a boring tool. The control of the reproducibility can be controlled by another method instead of the flange 122.
[0067]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, there is provided an ultrasonic vibrator that generates ultrasonic vibration and has a tool insertion hole provided in an axial direction from a front end portion, and a front end portion inserted into the tool insertion hole from a rear end portion. A tool having a resonance frequency substantially equal to the ultrasonic vibrator and the tool inserted into the ultrasonic vibrator, from the vicinity of the node to the loop while the rear end side is in an unfixed state. And a fastening structure to be fixed at a position, since it is a working tool configured as a single resonator having a plurality of resonance vibration distributions, it is only necessary to devise a fixing position of the tool to the ultrasonic vibrator by the fastening structure. However, the amplitude of the ultrasonic vibration generated in the ultrasonic vibrator can be larger than the amplitude of the ultrasonic vibration generated in the ultrasonic vibrator, and the amplitude at the fixed position of the tool with respect to the ultrasonic vibrator is larger than the amplitude of the vibration obtained in the tool. Because it is small, It is possible to obtain a sufficient rigidity even if easily mounted.
[0068]
According to a second aspect of the present invention, in the processing tool according to the first aspect, the cross-sectional shape of the insertion structure between the tool insertion hole and the tool is a non-circular shape, so that the position of the tool in the circumferential direction with respect to the tool insertion hole. Is uniquely determined, so that excellent dimensional reproducibility can be obtained when the tool is remounted.
[0069]
According to a third aspect of the present invention, there is provided an ultrasonic vibrator which generates ultrasonic vibration and has a tool insertion hole provided in an axial direction from a front end portion, and a front end portion which is inserted into the tool insertion hole from a rear end portion. A tool having a processing portion, and a fastening portion for fixing the tool inserted into the ultrasonic vibrator, the cross-sectional shape of the insertion structure between the tool insertion hole and the tool side is a non-perfect circle Since the processing tool has a shape, the circumferential position of the tool with respect to the tool insertion hole is uniquely determined, so that excellent dimensional reproducibility can be obtained when the tool is remounted.
[0070]
According to a fourth aspect of the present invention, in the machining tool according to the second or third aspect, since a polygon is selected as the non-circular shape, a cross-section having a non-circular shape in the insertion structure of the tool insertion hole and the tool. The shape can be easily manufactured.
[0071]
According to a fifth aspect of the present invention, in the processing tool according to the second or third aspect, since the gear shape is selected as the non-round shape, the processing tool has a non-round shape in the insertion structure of the tool insertion hole and the tool. The cross-sectional shape can be easily manufactured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a working tool as one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an exploded perspective view thereof.
FIG. 3 is a perspective view showing a vibration direction of a tool.
FIG. 4 is a perspective view showing a working tool according to another embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an exploded perspective view thereof.
FIG. 6 is a perspective view showing a vibration direction of a tool.
FIG. 7 is a side view of the working tool.
8 is an explanatory diagram showing the resonance vibration distribution of the working tool along with the AA cross section shown in FIG. 7;
FIG. 9 is a perspective view showing an example of a conventional processing tool.
FIG. 10 is an exploded perspective view thereof.
FIG. 11 is a perspective view showing another conventional example of a working tool.
FIG. 12 is an exploded perspective view thereof.
FIG. 13 is an explanatory diagram showing a longitudinal cross section of a machining tool and its resonance vibration distribution.
[Explanation of symbols]
111 ultrasonic transducer
117 Tool insertion hole
123 Processing part
121 tools
N3 node
L3 loop

Claims (5)

超音波振動を発生し、先端部から軸方向に向けて工具挿入孔が設けられた超音波振動子と、
後端部から前記工具挿入孔に挿入されて先端部に加工部を有し、前記超音波振動子と共振周波数が略等しい工具と、
前記超音波振動子に挿入された前記工具を、その後端側を非固定状態としながらそのノード近傍からループまでの位置で固定する締結構造と、
を具備し、複数の共振振動分布を有する単一の共振体として構成した加工工具。
An ultrasonic vibrator that generates ultrasonic vibration and has a tool insertion hole from the tip end toward the axial direction,
A tool having a processing portion at the tip end portion that is inserted into the tool insertion hole from the rear end portion and has a resonance frequency substantially equal to the ultrasonic vibrator;
A fastening structure for fixing the tool inserted into the ultrasonic vibrator at a position from the vicinity of the node to the loop while keeping the rear end in an unfixed state,
And a processing tool configured as a single resonator having a plurality of resonance vibration distributions.
前記工具挿入孔と前記工具との挿入構造における断面形状は、非真円形状である請求項1記載の加工工具。The processing tool according to claim 1, wherein a cross-sectional shape of the insertion structure between the tool insertion hole and the tool is a non-circular shape. 超音波振動を発生し、先端部から軸方向に向けて工具挿入孔が設けられた超音波振動子と、
後端部から前記工具挿入孔に挿入されて先端部に加工部を有する工具と、
前記超音波振動子に挿入された前記工具を固定する締結部と、
を具備し、前記工具挿入孔と前記工具側との挿入構造における断面形状は、非真円形状である加工工具。
An ultrasonic vibrator that generates ultrasonic vibration and has a tool insertion hole from the tip end toward the axial direction,
A tool that is inserted into the tool insertion hole from the rear end and has a processing portion at the front end,
A fastening portion for fixing the tool inserted into the ultrasonic transducer,
And a cross-sectional shape of the insertion structure between the tool insertion hole and the tool side is a non-circular shape.
非真円形状として、多角形が選択されている請求項2又は3記載の加工工具。The processing tool according to claim 2, wherein a polygon is selected as the non-circular shape. 非真円形状として、歯車形状が選択されている請求項2又は3記載の加工工具。The machining tool according to claim 2, wherein a gear shape is selected as the non-circular shape.
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