(57)【要約】【課題】超音波加工工具の交換を自動化可能とするとともに、超音波振動子、支持ホーン、加工工具のバランス調整を容易なものとし、また正確な位置決めを可能にして加工効率や加工精度の向上をはかる。【解決手段】スピンドル本体Ａと同本体Ａのスピンドル１３に着脱自在に取り付けられる先端ユニットＢとで超音波スピンドル加工機を構成し、この先端ユニットＢを超音波振動子３５と支持ホーン３６と加工工具３７とを備えたユニットとして構成することにより、超音波加工工具の交換を自動化できるとともに、超音波振動子、支持ホーン、加工工具のバランス調整が実機以外で可能となり、これによって加工効率および加工精度が向上する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波スピンドル加工機本体と、同本体のスピンドルに着脱自在に取り付けられる先端ユニットとからなり、同先端ユニットを超音波振動子と支持ホーンと加工工具とを備えた構成とした超音波スピンドル加工機。
【請求項２】
前記スピンドルの内部に設けられたクランプロッドに中空部を形成し、前記先端ユニットと前記スピンドル加工機本体にそれぞれ設けられた電気接続部を前記クランプロッドの中空部を介して接続した請求項１記載の超音波スピンドル加工機。
【請求項３】
前記スピンドル加工機本体と先端ユニットとの接続は二面拘束タイプである請求項１または２記載の超音波スピンドル加工機。
【請求項４】
超音波スピンドル加工機本体のスピンドルに着脱自在に取り付けられる先端ユニットであって、超音波振動子と支持ホーンと加工工具とを備えたユニットとして構成したことを特徴とする超音波スピンドル加工機用先端ユニット。
【請求項５】
前記超音波振動子と支持ホーンと加工工具とを備えたユニットが発振確認テストを行ったものである請求項４記載の超音波スピンドル加工機用先端ユニット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は硬脆性材などの加工に用いられる超音波振動子を備えた加工装置、より詳しくは自動工具交換（ＡＴＣ）を適用するのに適した超音波スピンドル加工機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、機械、電気通信機器、医療機器などの高機能化、高性能化の追求に伴い、金属、非金属を問わず難加工材料の加工が増大しており、この中でも各種セラミックス材のような非金属硬脆材、チタン合金、各種耐熱合金などの加工には、精密超音波加工が適していることが知られている。
【０００３】
このような超音波加工を可能にする超音波スピンドル加工機は、一般に、回転主軸であるスピンドルに超音波振動子が接続され、さらにこの振動子に微細加工用のドリルなどが取り付けられた構造である。これによって高速回転するドリルに超音波振動子から超音波エネルギーが付加され、従来困難であった硬脆材の効率的な精密加工を可能にしている。
【０００４】
一方、加工対象物に対する加工精度、加工コストなどに関する要求は年々厳しくなり、また加工形状も複雑な形状が増え、従来のような単独の超音波工具を使用すれば加工が済むものから、複数の超音波加工具を必要とするものが主流を占めつつある。この場合、ダイヤモンド砥石やドリルなどの加工具を要求される加工内容に応じて加工具を適宜交換することが必要である。
【０００５】
特開平４−１１１７９９号公報には、上記要請に応えた超音波加工機が提案されている。この超音波加工機は、ワーク載置部を有する本体テーブルと、加工機の主軸に把持されワークに対してＸＹＺ軸方向にそれぞれ相対移動可能な超音波振動子およびこれを拡大伝達するコーンからなる超音波アタッチメントと、振動伝達用ホーンの先端に工具を固定した工具ユニットとを備え、コーンとホーンはネジによって取り外し可能となっている。
【０００６】
これによって、ＮＣ制御にて超音波アタッチメントを工具交換手段まで移動させ、このアタッチメント側のコーンからホーンを取り外し、所要の工具ユニットのホーンを新たにコーンへ締結することで、超音波工具の交換を行うことができ、いわゆる自動工具交換（ＡＴＣ）が達成できる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
一般の加工と異なり、特に精密加工用の超音波加工機では、毎秒数万回以上の振動を持つ超音波を伝達し、共振現象により加工工具に機械的振動を付加して加工するものであるため、超音波振動子、支持ホーン、加工具が所定の目的を達成するように固有振動数を合わせバランスをとって取り付けられていることが重要であり、超音波振動子、支持ホーン、加工具のバランスが少しでもずれていたり、その結合部に隙間が生じたりすると、必要とする超音波のエネルギーが加工工具に伝達されなかったり、加工精度に影響を与える芯ブレなどを生じさせたりする原因となる。
【０００８】
従来の超音波スピンドル加工機ではこの調整に手間取っており、これが効率化や工具自動交換の阻害要因の一つであった。このような問題は上記した特開平４−１１１７９９号公報記載の超音波加工機においても同様で、工具の自動交換は可能なものの、交換した工具が確実に共振するかどうかは不確実であり、また工具の位置決め精度も劣るものと推定され、超音波加工機の自動工具交換方式としては完全なものではない。
【０００９】
本発明が解決すべき課題は、超音波加工工具の交換を自動化可能とするとともに、超音波振動子、支持ホーン、加工工具のバランス調整を容易なものとし、加工機への装着前に発信確認を済ませて発信不良や異常発熱を防止し、また正確な位置決めを可能にして加工効率や加工精度の向上をはかることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者は上記課題を解決するために鋭意研究の結果、バランス調整が最も困難である超音波振動子と支持ホーンと加工工具とをユニットとして構成し、これを着脱式とすることを思いつき本発明を完成するに至ったものである。
【００１１】
すなわち、本発明の超音波スピンドル加工機は、超音波スピンドル加工機本体と、同本体のスピンドルに着脱自在に取り付けられる先端ユニットとからなり、同先端ユニットを超音波振動子と支持ホーンと加工工具とをユニットとして構成したことを特徴とする。
【００１２】
超音波振動子と支持ホーンと加工工具とをユニットとして構成することにより、超音波振動子と支持ホーンと加工工具のバランス調整や発振確認を実機に取り付ける前に簡単に実施することができる。しかもこのようなユニットをいくつかのパターンに対応可能なように複数備えておくことにより、あらかじめ設定されたプログラムに従い、この先端ユニットを自動的に交換して、実機に取り付けた後は直ちに加工作業を行うことが可能になり、超音波加工機の連続自動運転が可能となる。
【００１３】
超音波振動子と支持ホーンと加工工具のバランス調整は、例えば超音波ツールプリセッター上にて超音波共振バランスと刃先位置の調整を行うことにより、実機上での調整に比べ、はるかに早くしかも正確な調整作業が実現できる。
【００１４】
具体的な構造として、例えば、スピンドル内部に設けられたクランプロッドに中空部を形成し、前記先端ユニットと前記超音波スピンドル加工機本体（以下、スピンドル本体という）にそれぞれ設けられた電気接続部を前記中空部を介して接続する構造とすることができる。
【００１５】
これによって、高速回転するスピンドルを介して、スピンドル本体側の非回転部分と、スピンドル本体に取り付けられスピンドルとともに高速回転する先端ユニットの超音波振動子とを通電ブラシなどにより電気的に接続することが容易にできるようになる。
【００１６】
また、スピンドル本体と先端ユニットとの接続は、ワンタッチで高精度な接続が可能なように、先端ユニットの外郭を形成するハウジングにそれぞれ形成された、回転軸に対して傾斜したテーパ面と回転軸に直行するフランジ面との二面で位置決めするいわゆる二面拘束タイプであることが望ましく、固定はクランプロッドの上下移動でロックとアンロックが可能な公知のチャック方式が望ましい。
【００１７】
また、本発明の先端ユニットは、スピンドル本体のスピンドルに着脱自在に取り付けられる先端ユニットであって、超音波振動子と支持ホーンと加工工具とを備えた構成としたことを特徴とする。ここで、支持ホーンと加工工具とは、コレットチャックや圧入などの手段で接続が可能であるが、超音波振動の伝達を確実にするため、支持ホーンの端面と加工工具の端面を密着させる必要があり、ネジ結合により接続されていることが望ましい。
【００１８】
さらにこの先端ユニットは、先端ユニットを実機に取り付ける前に、スピンドル本体と同一機構を備えたツールプリセッターに装着して刃先の位置調整を行い、さらに実機と同じ超音波発振器を用いて発振テストを行って超音波共振周波数や振幅の調整を行ったものであることが望ましい。これによって実機に取り付けられた後は、即座に加工作業が可能となり、自動工具交換装置を用いて複数の超音波加工工具を自在に交換し、全自動で連続的な超音波加工ができるようになり、作業時間を大幅に短縮するのみでなく、省力化、加工の高精度化も実現することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の形態の超音波スピンドル加工機を示す概略縦断面図、図２は図１の超音波スピンドル加工機のクランプロッド上端部の拡大図である。
【００２０】
図１において、Ａはスピンドル本体であり、Ｂは先端ユニットである。１０は駆動モータ、１１−１，１１−２はプーリ、１３はスピンドルで、駆動モータ１０の回転力はプーリ１１−１、ベルト１２、プーリ１１−２を介してスピンドル１３へと伝達される。スピンドル１３はスピンドルケーシング１７に内蔵され、さらにその中心には上下方向に長いクランプロッド１４が設けられている。クランプロッド１４には軸方向内部に中空部１４ａが形成され、この中空部１４ａ内に図示しない電気コードが設けられている。またクランプロッド１４は、スピンドル１３の内面１３ｄとプーリ１１−２に形成された孔の内面１１ａによって摺動自在に保持され、スピンドル１３の内部空間に設けられた皿バネ１５によって下方に押し下げられている。１６はスピンドル１３を支持するベアリングである。
【００２１】
図１の部分拡大図である図２に示すように、クランプロッド１４の上端部には超音波ブラシケース１８が形成され、その下方にはクランプロッド１４を押し上げるためのピストン１９およびシリンダ２０が設けられている。シリンダ２０のヘッド側２０ａまたは上側２０ｂに油圧または空圧を加えることでピストン１９は上方または下方に移動する。
【００２２】
クランプロッド１４の上部には、負極の電極ロータ４４がネジにより係合され、さらに電極ロータ４４の外周にはリング４５が取り付けられており、ピストン１９を上方に移動させると、ピストン１９の内部に設けられたリング状の突起１９ａがリング４５に当接してこれを押し上げる。これによってクランプロッド１４も上方に押し上げられることになる。またピストン１９を下方に移動させると、リング状の突起１９ａがリング４５から離れ、クランプロッド１４は皿ばね１５により再び下方に押し下げられる。
【００２３】
超音波ブラシケース１８の内部には正極の電源ブラシ４１が絶縁体４７を介して、先端ユニットＢをスピンドル本体Ａに取り付けてロックしたときに電極ロータ４２と接触するように取り付けられている。電極ロータ４２は、絶縁体４６に取り付けられており、ネジ４２ａと端子台４２ｂを経由して電極ロータ４２から中空部１４ａ内の電気コード（図示せず）に接続されている。これにより、超音波発振器の出力電源（図示せず）の正極は、電源ブラシ４１−電極ロータ４２−ネジ４２ａ−端子台４２ｂ−クランプロッド１４の中空部１４ａ内の電気コード−端子２１ａ（図４参照）−端子３３ａ（図３，４参照）−導線３２ａ（図３，４参照）を経由して超音波振動子３５に接続される。また、図２の符号４３は負極の電源ブラシであり、超音波発振器の出力電源の負極は、電源ブラシ４３−負極の電極ロータ４４−端子４４ａ−クランプロッド１４の中空部１４ａ内の電気コード−端子２１ｂ（図４参照）−端子３３ｂ（図３，４参照）−導線３２ｂ（図３，４参照）を経由して超音波振動子３５に接続される。
【００２４】
次いで図３および図４を参照して、超音波スピンドル加工機本体Ａに着脱自在に取り付けられた先端ユニットＢについて詳細に説明する。図３は図１の超音波スピンドル加工機の先端ユニットの拡大図、図４は図１の超音波スピンドル加工機の先端ユニット取付け部分の拡大図である。
【００２５】
先端ユニットＢはハウジング３０と、このハウジング３０内部の超音波振動子３５と支持ホーン３６と、支持ホーン３６にネジ３８で結合された加工工具３７を備えている。ハウジング３０の上部開口内面には、クランプロッド１４により拡縮されるロックボール３１との係合面３０ｃが形成されている。またハウジング３０上部外周には図１に示すスピンドル１３のテーパ面１３ａに合致するテーパ面３０ａが形成され、さらに、テーパ面３０ａの下端から連続して水平方向にはスピンドル１３の下端に形成されたフランジ受け面１３ｂに対応する位置にフランジ受け面３０ｂが形成されている。
【００２６】
この先端ユニットＢは、ハウジング３０内に超音波振動子３５、支持ホーン３６が組み込まれており、この支持ホーン３６の端部に加工工具３７を取り付けた後、超音波スピンドル加工機本体Ａと同一機構を備えたツールプリセッターに装着して刃先の位置調整を行い、さらに実機と同じ超音波発振器を用いて発振テストを行って超音波共振周波数や振幅の調整を行う。これらの調整を行った後、実機の超音波スピンドル加工機本体Ａに取り付ける。事前調整を行って実機に取り付けられた後は、即座に加工作業が可能となり、自動工具交換装置を用いて複数の超音波加工工具を自在に交換し、全自動で連続的な超音波加工ができるようになる。
【００２７】
次いで、上記超音波スピンドル加工機における先端ユニットＢの交換作業について説明する。図１の状態は通常の使用状態で、先端ユニットＢはスピンドル１３によってロックされている。交換時、クランプロッド１４を押し上げると、それまで図４において実線で示す位置にあったロックボール３１が破線で示す位置に移動し、これによって先端ユニットＢのロックが解除され、取り外すことができる。ロックボール３１は、スピンドル１３の先端部の周方向４箇所に設けた孔内に保持され、クランプロッド１４の上下移動により図４に示すように実線の位置と破線の位置の間で移動する。
【００２８】
図５はスピンドル本体Ａから先端ユニットＢを取り外した状態を示す図である。スピンドル本体Ａから先端ユニットＢを取り外した後、あらかじめ複数個用意され既にバランス調整された先端ユニットＢの中から適当なものを選び、上記と逆の手順で、先端ユニットＢをスピンドル１３の下端に形成された凹部１３ｃに差し込んで上方に押し上げる。これによって、テーパ面１３ａ、３０ａ、とフランジ受け面１３ｂ、３０ｂの二面拘束で位置決めされ、さらにクランプロッド１４を押し下げることでロックボール３１が図４の実線の位置に移動して、先端ユニットＢがロックされ、使用可能となる。なお、上記した先端ユニットＢの交換装置としては、公知の自動工具交換装置を用いることができる。
【００２９】
このように本実施の形態の超音波スピンドル加工機では、先端ユニットＢを自動交換装置を用いて交換することが可能となり、しかも、あらかじめ刃先位置調整および発振テストを行った先端ユニットＢを使用することで、加工機本体への工具取付け位置精度が向上し、かつ発振不良が生じないので、高精度の超音波加工が可能となる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によって以下の効果を奏することができる。
（１）スピンドル本体と同本体のスピンドルに着脱自在に取り付けられる先端ユニットとで超音波スピンドル加工機を構成し、この先端ユニットを超音波振動子と支持ホーンと加工工具とを備えたユニットとして構成することにより、超音波加工工具の交換を自動化できるとともに、超音波振動子、支持ホーン、加工工具のバランス調整が実機以外で可能となり、これによって加工効率および加工精度が向上する。
【００３１】
（２）スピンドル内部に設けられたクランプロッドに中空部を形成し、先端ユニットとスピンドル本体にそれぞれ設けられた電気接続部をこの中空部を介して接続する構造とすることで、高速回転するスピンドルを介して、スピンドル本体側の非回転部分と、スピンドル本体に取り付けられスピンドルとともに高速回転する先端ユニットの超音波振動子とを通電ブラシなどにより電気的に接続することが容易となる。
【００３２】
（３）スピンドル本体と先端ユニットとの接続を二面拘束タイプとすることで、ワンタッチで経時劣化の少ない高精度な接続が可能となる。
【００３３】
（４）超音波振動子と支持ホーンと加工工具とをユニット化し、スピンドル本体のスピンドルに着脱自在に取り付けられる先端ユニットによって、超音波加工工具の交換を自動化できるとともに、予め調整した先端ユニットを複数個配置し、公知の工具交換装置により交換することによって、超音波加工作業の全自動化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態を示す超音波スピンドル加工機の概略縦断面図である。
【図２】  図１の超音波スピンドル加工機のクランプロッド上端部の拡大図である。
【図３】  図１の超音波スピンドル加工機の先端ユニットの拡大図である。
【図４】  図１の超音波スピンドル加工機の先端ユニット取付部分の拡大図である。
【図５】  図１の超音波スピンドル加工機から先端ユニットを外した状態を示す図である。
【符号の説明】
Ａ  スピンドル本体
Ｂ  先端ユニット
１０  駆動モータ
１１−１，１１−２  プーリ
１２  ベルト
１３  スピンドル
１３ａ  テーパ面
１３ｂ  フランジ受け面
１４  クランプロッド
１４ａ  中空部
１５  皿バネ
１６  ベアリング
１７  スピンドルケーシング
１８  超音波ブラシケース
１９  ピストン
１９ａ  突起
２０  シリンダ
２１ａ，２１ｂ  端子
３０  先端ユニットのハウジング
３０ａ  テーパ面
３０ｂ  フランジ受け面
３０ｃ  係合面
３１  ロックボール
３２ａ，３２ｂ  導線
３３ａ，３３ｂ  端子
３５  超音波振動子
３６  支持ホーン
３７  加工工具
３８  ネジ
４１  電源ブラシ（正極）
４２  電極ロータ（正極）
４２ａ  ネジ
４２ｂ  端子台
４３  電源ブラシ（負極）
４４  電極ロータ（負極）
４４ａ  端子
４５  リング
４６  絶縁体
４７  絶縁体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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