(57)【要約】      （修正有）【課題】  工具に与える超音波振動の大きさを工具の場所に依らず一定にすることができ、装置の簡素化、小型化、低コスト化そして信頼性の向上が可能な超音波加工装置を提供する。【解決手段】  回転スピンドル４により軸支されたラップ盤１、ラップ盤の表面に砥粒スラリ２を供給するスラリ供給装置３、研磨対象物であるワーク５をラップ盤の表面に砥粒スラリを介して接触させながら回転可能に保持するワーク保持具６などから構成され、ラップ盤は支持具１８に取り付けられ、支持具と超音波振動付与手段７ａ及び７ｂが接触しながら相対的に運動するため、超音波振動付与手段の先端部に固体潤滑材８が接合されている。【選択図】        図１
2005169615.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波振動を利用してワークを加工する超音波加工装置において、ワークを加工する工具に固体潤滑材を介して超音波振動を与えることを特徴とする超音波加工装置。
【請求項２】
ワークを加工する工具が回転運動し、超音波振動を発生する超音波振動子が固定されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波加工装置。
【請求項３】
ワークを加工する工具が直線運動し、超音波振動を発生する超音波振動子が固定されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波加工装置。
【請求項４】
固体潤滑材がワークを加工する工具に取り付けられていることを特徴とする請求項１乃至３のうちのいずれかの項に記載の超音波加工装置。
【請求項５】
固体潤滑材が超音波振動子に取り付けられていることを特徴とする請求項１乃至３のうちのいずれかの項に記載の超音波加工装置。
【請求項６】
固体潤滑材とワークを加工する工具の間に流体潤滑膜が存在していることを特徴とする請求項１乃至５のうちのいずれかの項に記載の超音波加工装置。
【請求項７】
超音波振動子に印加する交流電圧の周波数が１５ｋＨｚ以上、１００ｋＨｚ以下であることを特徴とする請求項１乃至５のうちのいずれかの項に記載の超音波加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属、セラミックおよびプラスチックを加工する工作機械であって、超音波振動を用いるものに関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械は、物を製作するために使われる機械である。工作機械は普通、狭義に定義し、切削、研削など主に除去加工を使って目的の形状を作る機械である。近年、工作機械の加工対象物として、従来の工作機械では加工できないか、または加工速度が遅いセラミック、チタン、超硬金属などの難加工材料から形成されたものが増加してきた。そこで、工作機械に超音波振動を付与することで難加工材料を加工する、いわゆる超音波切削加工技術が多用されるようになってきた。なお、超音波切削加工は、切削抵抗が低減するために、切削ツールの摩擦熱が少なく加工面の熱歪が少なくなり、切削ツールの寿命が長くなると共に、加工精度が向上する利点を有している。なお超音波切削加工については、非特許文献１に詳しく記載されている。
【非特許文献１】超音波便覧編集委員会編，「超音波便覧」，丸善株式会社，平成１１年８月，ｐ．６７９−６８４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の回転または直線運動する機械加工装置に超音波振動を付与する装置は、加工装置と共に超音波振動子も運動するものであった。ところが、前記回転または直線運動する機械加工装置の工作具に取り付ける超音波振動子の位置により、超音波振動が大きい場所と小さい場所とが生じて工作具の場所による磨耗量が異なること、そしてそのことにより機械加工精度のムラ及び加工スピードの変化が生じていた。
【０００４】
また、回転する機械加工装置と共に超音波振動子を回転させるため、スリップリングなどの給電装置が必要になり、装置が複雑になると共に高価になる。さらに直線運動する加工装置と共に超音波振動子を直線運動させるため、給電のための移動するケーブル線が必要となり、このケーブル線が運動するため断線する恐れがある。
【０００５】
従来の加工装置の例としては、図７に示す本発明者の先の特許出願（特願２００２−１９９２６９号）の明細書に記載の「ラップ装置及びラップ加工方法」が挙げられる。図７のラップ装置は、回転スピンドル４により軸支されたラップ盤１、ラップ盤１の表面に砥粒スラリ２を供給するスラリ供給装置３、そして研磨するワーク５をラップ盤１の表面に砥粒スラリ２を介して接触させながら回転可能に保持する研磨対象物であるワークの保持具６などから構成されている。ラップ盤１には、ラップ盤１の支持具６を介して、ラップ盤１の表面に垂直な方向に振動する超音波振動を与える超音波振動付与手段７ａ及び７ｂが付設されている。各々の超音波振動付与手段は、これにより発生した超音波振動を支持具６に効率よく付与するために、グリースなどの接触媒質を介して固定されていることが好ましい。超音波振動付与手段７ａ及び７ｂには、各々に電気エネルギーを供給する手段として超音波交流電源１５が備えられている。各々の超音波振動付与手段と超音波交流電源１５とは、モータ２４の回転軸４に備えられたスリップリング３３を介して電気的に接続されている。
【０００６】
この例では、ラップ盤１を取り付けたラップ盤１の支持具６の一定の場所に超音波振動付与手段を取り付けるので、当然その位置の上にあるラップ盤の位置の超音波振動が最も大きい。この結果、ラップ盤の位置により超音波振動の大きさが異なるので、ラップ盤の位置による磨耗量、加工速度も異なる。このことは加工精度に影響するので問題である。また、超音波振動付与手段７ａ及び７ｂに電気エネルギーを供給する手段としてスリップリング３３が必要であり、このことにより装置が複雑、大型化し、製造コストが高くなってしまう問題もある。
【０００７】
切断装置に超音波振動を付与することも行われている。その例を図８に示す。切断装置の回転スピンドル４の一部は超音波振動子とされている。すなわち回転スピンドル４に圧電セラミック１２ａ、１２ｂが取り付けられ、超音波振動子とされている。そして、圧電セラミック１２ａ、１２ｂに、超音波交流電源１５よりスリップリング３３を介して高周波交流電圧を印加する。その結果、回転スピンドル４に超音波振動が励起され、これが切断ブレード１９に伝播する。しかし、回転スピンドル４の固有振動数と、切断ブレード１９の所望の振動モードの固有振動数とは一般に一致しないので、切断ブレードに所望の振動モードを効率よく励起させることは困難である。また、圧電セラミックに電気エネルギーを供給する手段としてスリップリング３３が必要であり、このことにより装置が複雑、大型化し、製造コストが高くなってしまう問題もある。
【０００８】
超音波ＴＥＣＨＮＯ（１９９８年４月号２〜８ページ、日本工業出版株式会社発行）には、図９に示す小径穴加工用超音波切削装置が記載されている。この装置はドリルに超音波振動を付与するものであり、ドリル２５はドリルホルダ２６に収められ、ドリルホルダ２６は回転する超音波振動付与手段７に接合されている。超音波振動付与手段７は回転モータ２４で回転させる。回転する超音波振動付与手段７には超音波交流電源１５によりスリップリング３３を介して超音波交流電圧が与えられる。この小径穴加工用超音波切削装置は、超音波振動の効果により通常の切削と比較して加工精度が著しく向上している。しかし、この小径穴加工用超音波切削装置もスリップリング３３が必要であり、このことにより装置が複雑、大型化し、製造コストが高くなってしまう問題もある。また、切削効率を高めるためにはドリルの材質、形状により超音波振動子の固有振動数を変えなければならないが簡単にはできない。
【０００９】
本発明の課題は、回転または直線運動する加工装置に超音波振動を付与する装置であって、超音波振動が必要とされる工作具の場所による振動の変化が小さく、超音波振動子に給電するためのスリップリングが不要であり、そして給電のための移動するケーブル線が必要でない機械加工装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、超音波振動を利用してワークを加工する超音波加工装置において、ワークを加工する工具に固体潤滑材を介して超音波振動を与えることを特徴とする超音波加工装置にある。
【００１１】
本発明の超音波加工装置の好ましい態様は、下記の通りである。
（１）ワークを加工する工具が回転運動し、超音波振動を発生する超音波振動子が固定されている。
（２）ワークを加工する工具が直線運動し、超音波振動を発生する超音波振動子が固定されている。
（３）固体潤滑材がワークを加工する工具に取り付けられている。
（４）固体潤滑剤が超音波振動子に取り付けられている。
（５）固体潤滑材とワークを加工する工具との間に流体潤滑膜が存在している。
（６）超音波振動子に印加する交流電圧の周波数が１５ｋＨｚ以上、１００ｋＨｚ以下である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の超音波加工装置は、超音波振動子を固定しても、ワークを加工する工具に超音波振動を励起することができるので、スリップリングなどのように回転する機器に電力を供給する装置が不要になるため、安価に製造できる。また、装置も小型化できる。さらに、既存の装置に超音波振動子を簡単に取り付けることができる。また、超音波振動子が固定され、ワークを加工する工作具が運動するので、工作具の運動の一周期として見ると工作具の場所に依らない均一な超音波振動を工作具に与えることが可能になるため、超音波振動の効果が顕著になる。さらに、超音波振動子が固定されているので、電力を供給するケーブルは運動しないので、十分に形状の大きいものが使用できるので大きな電力を超音波振動子に供給することが可能となり、そして強力な超音波振動を励起できるので、超音波振動の効果を十分に発揮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
まず、本発明において、使用される固体潤滑材について説明する。固体潤滑材は、大別して四種類ある。
【００１４】
第一は、層状結晶構造をもつ物質であり、二硫化モリブデン、二硫化タングステンなどの硫化物および黒鉛である。その他ではフッ化炭素などのフッ化物、窒化ボロンなどの窒化物がある。
【００１５】
第二は、プラスチックスであり、ＰＴＦＥをはじめとするエンジニアプラスチックは、機械的特性が優れているため摺動部材として用いた場合は、非常に良い潤滑性を示し、自己潤滑性固体潤滑材料として多用されている。
【００１６】
第三は、自己潤滑性複合材料であり、潤滑性のない金属材料に二硫化モリブデンや黒鉛などの固体潤滑剤を複合化することによって、自己潤滑性をもった複合材料を得ることができる。
【００１７】
第四は、軟質金属であり、低融点の鉛、亜鉛、すずなどや、金や銀などの薄膜がある。
【００１８】
図１は、第一の実施の形態を示す正面図である。図７の装置の構成と異なるところは、スリップリングが無いことと、超音波振動付与手段がラップ盤の支持具に取り付けられずにベース台１０に固定されていることである。
【００１９】
図１のラップ装置は、回転スピンドル４により軸支されたラップ盤１、ラップ盤の表面に砥粒スラリ２を供給するスラリ供給装置３、そして研磨対象物であるワーク５をラップ盤１の表面に砥粒スラリ２を介して接触させながら回転可能に保持するワーク保持具６などから構成されている。ラップ盤１は支持具１８に取り付けられている。支持具１８と超音波振動付与手段７ａ及び７ｂが接触しながら相対的に運動するため、超音波振動付与手段７ａ及び７ｂの先端部に固体潤滑材８が接合されている。また、超音波振動付与手段７ａ及び７ｂは、超音波振動子取り付け台９を用いてベース台１０に固定する。但し超音波振動付与手段７ａ及び７ｂは、支持具１８と確実に接触させるためにバネ１１を用いて支持具１８に押し付けられている。さらに、固体潤滑材８と接触する支持具１８の面は、接触状態を良好にするためラップ加工が施されている。
【００２０】
超音波振動付与手段７ａとしては、圧電セラミックス１２ａ、１２ｂと電極板１３ａ、１３ｂとを、上側金属部材１４ａと下側金属部材１４ｂとで挟んだ状態でボルト締めして構成されるランジュバン型振動子が用いられている。なお、このランジュバン型振動子には固体潤滑材８がエポキシ樹脂で接合されている。したがって、固体潤滑材を含めてランジュバン型振動子を構成している。また、固体潤滑材は、黒鉛にアンチモン合金を含浸した複合材料であり、日本カーボン株式会社製のＳＣカーボンのＮＣ−０７１である。
【００２１】
圧電セラミックス１２ａ、１２ｂのそれぞれは、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛系のセラミック材料から形成される。電極板１３ａ、１３ｂのそれぞれは、例えばリン青銅から形成される。圧電セラミックス１２ａ、１２ｂのそれぞれは、その厚み方向に分極されている。
【００２２】
超音波交流電源１５により電気配線１６ａ、１６ｂに電圧が印加されると、ランジュバン型振動子は長さ方向の縦振動を発生する。この振動は固体潤滑材８を介して支持具１８に伝播し、さらにラップ盤１に伝播する。
【００２３】
固体潤滑材は、工作具である支持具に接合しても良い。その際、固体潤滑材と接する超音波振動子の面はラップ加工などしてその面を平滑にした方がより好ましい。
【００２４】
超音波振動付与手段の例としては、電歪振動子及び磁歪振動子が挙げられる。電歪振動子の例としては、圧電セラミックスの各々の面に電極が付設された構成の圧電振動子、及び前記ランジュバン型振動子が挙げられる。磁歪振動子の例としては、金属磁歪振動子およびフェライト振動子が挙げられる。超音波振動付与手段としては、その構成が簡単であることから電歪振動子を用いることが好ましい。
【００２５】
次に、図１のラップ装置を用いて、研磨対象物であるワークを研磨する手順について説明する。まず、ワーク５をワックスなどを用いて、ワーク保持具６に保持固定（仮固定）する。ワーク５が保持されたワーク保持具６を、その側面が二本のローラ１７によって支持されるように、ラップ盤１の表面に置く。そしてモータ２４を駆動して、モータ２４に接続された回転スピンドル４に固定されたラップ盤１を回転させる。ラップ盤１の回転に伴って、ローラ１７により支持されたワーク保持具６が回転する。ラップ盤１が回転を始めるのとほぼ同時に、スラリ供給装置３から、ラップ盤１の表面に砥粒スラリ２を滴下する。ラップ盤１の回転に伴って、砥粒スラリ２はワーク５とラップ盤１との間に供給される。さらに、ラップ盤１が回転し始めるのと同時に超音波交流電源１５により、超音波振動付与手段７ａ及び７ｂのそれぞれに超音波交流を印加する。超音波交流を印加することにより、超音波振動付与手段７ａ及び７ｂのそれぞれは、固体潤滑剤８を介して、回転運動する支持具１８、そしてラップ盤１に超音波振動を伝搬させる。ラップ盤１と、ワーク保持具６に保持されたワーク５とが、砥粒スラリ２を介して回転することによりワーク５の表面が研磨される。
【００２６】
次に、図１のラップ装置により、精度の高い研磨を実現できる理由について説明する。超音波振動子はベース台に固定されているため、振動の節を固定できるので本来の振動子の性能を発揮させることができる。このため、先に述べた超音波切削加工の効果を十分に得ることができる。
【００２７】
また、運動する支持具１８に固体潤滑剤のすべり軸受けの役割により超音波振動子から超音波振動を伝播させることができるため、支持具の一回転で見ると、超音波振動子は３６０度支持具に接触するため支持具の上に載せたラップ盤にも３６０度に均一な超音波振動を付与することができる。このことにより、ラップ盤はワークに均一に接触して均一に磨耗するためにラップ精度が向上する。また、ラップ盤の偏磨耗の恐れは無い。
【００２８】
さらに、超音波振動子がベース台に固定されているので、電力を供給するのに電気配線だけでよく、スリップリングは必要ない。このため、装置が小型、安価になる。また、故障の原因も少なくなる。
【００２９】
図２は、本発明の第二の構成の切断装置の一例の構成を示す平面図である。図２に示すような薄いリング状の切断ブレード１９を、回転スピンドル４の先端に取り付けた第一のフランジ２０と回転スピンドル４のねじ部に嵌めた第二のフランジ２１とで挟み付け、締め付け用ナット２２をねじ部に螺着することにより固定し、この切断ブレード１９を回転させてその外周切削部で加工が行なわれる。そして回転スピンドル４の最先端部に、固体潤滑剤８を接合した超音波振動付与手段７である超音波振動子をバネ１１により押し付ける。バネ１１は超音波振動付与手段７である超音波振動子を固定するための固定装置２３に取り付けられている。固定装置２３は図示しないベース台に取り付けられている。
【００３０】
次に、図２の切断装置を用いてワークを切断する手順について説明する。図示しないノズルより水を切断ブレード１９に放射する。これとほぼ同時に超音波振動付与手段７である超音波振動子に高周波電圧を印加する。その結果、回転スピンドル４の最先端部にバネ１１により押し付けられた、固体潤滑剤８を接合した超音波振動子は、回転スピンドル４の最先端部に超音波振動を与えるとともに、超音波振動の効果により回転スピンドルの最先端部と固体潤滑剤との間の摩擦係数を大幅に低減する。さらに固体潤滑剤の効果により摩擦係数は低くなるため、回転スピンドルの回転の障害になることはない。次に、回転モータ２４に電力を供給し、回転モータ２４に接続した回転スピンドル４を回転させる。回転スピンドルに与えられた超音波振動は切断ブレードに伝播する。このことにより、大幅に切断速度と切断精度が向上する。
【００３１】
図３は、本発明の第三の構成の切断装置の一例の構成を示す平面図である。図３に示すような薄いリング状の切断ブレード１９を、回転スピンドル４の先端に取り付けた第一のフランジ２０と回転スピンドル４のねじ部に嵌めた第二のフランジ２１とで挟み付け、締め付け用ナット２２をねじ部に螺着することにより固定し、この切断ブレード１９を回転させてその外周切削部で加工が行なわれる。そして切断ブレード１９に、固体潤滑剤８を接合した超音波振動付与手段７である超音波振動子をバネ１１により押し付ける。切断ブレードに押し付けた固体潤滑剤は、切断ブレードのぶれ防止にもなる。さらにこれに超音波振動が加わるので摩擦力は小さくなる。また、切断ブレードと固体潤滑材との間の水は、流体ガイドにもなる。バネは超音波振動付与手段７である超音波振動子を固定するための固定装置２３に取り付けられている。固定装置２３は図示しないベース台に取り付けられている。
【００３２】
次に、図３の切断装置を用いて、ワークを切断する手順について説明する。図示しないノズルより水を切断ブレードに放射する。これとほぼ同時に超音波振動子に高周波電圧を印加する。その結果、切断ブレードにバネにより押し付けられた、固体潤滑剤を接合した超音波振動子は、切断ブレードに超音波振動を与えるとともに、超音波振動の効果により切断ブレードと固体潤滑剤との間の摩擦係数を大幅に低減する。さらに固体潤滑剤の効果により摩擦係数は低くなるため、転がり軸受けと同様な状態になるため、切断ブレードの回転の障害になることはない。また、ノズルにより切断ブレードに放出された水は、固体潤滑材と切断ブレードとの間に入り、超音波を伝搬し易くする伝搬媒質の役割りもある。さらに、水は流体潤滑の役割もある。次に回転モータに電力を供給し、回転モータに接続した回転スピンドルを回転させる。切断ブレードに直接超音波振動が伝播するので、大幅に切断速度と切断精度が向上する。
【００３３】
図４は、本発明の第四の構成のドリル装置の一例の構成を示す正面図である。中空である回転モータ２４には中空の回転スピンドル４が接続され、そしてその中空の回転スピンドル４にはドリルチャック２５が接続されている。そしてドリルチャック２５にチャッキングされたドリル２６の加工側と反対側には、固体潤滑剤８が接合されている。また固体潤滑剤８と超音波振動付与手段７である超音波振動子との接触状態を確保するため、超音波振動子の節を支持板２７により支持し、その支持板２７にさらに棒２９を設け、その先にウエイト３０を載せる。ここで、棒がドリル加工方向だけの運動になるようにリニアガイド２８を使用する。
【００３４】
固体潤滑剤８は、平均粒径０．５μｍのスピンドル油含有グラファイトを５質量％並びにＰＴＦＥを５質量％を混合した固体潤滑剤成分を含有したエポキシ樹脂である。またこの固体潤滑剤８は相手材との間に流体潤滑膜を設ける。ドリル２６に接合した固体潤滑剤８の上に超音波振動付与手段７である超音波振動子をある一定荷重でもって接触させる。
【００３５】
次に、図４のドリル装置を用いてワークに穴加工する手順について説明する。まず、超音波振動付与手段７である超音波振動子に高周波電圧を与える。これによりドリルに接合した固体潤滑剤に超音波振動が与えられ、さらにこれがドリルに伝播する。固体潤滑剤と超音波振動子は一定荷重で接しているが、超音波振動の効果により摩擦係数は大幅に低減する。さらに固体潤滑剤の効果により摩擦係数は低くなるため、転がり軸受けと同様な状態になるため、ドリルの回転の障害になることはない。次に、研作油をドリルに与え、中空モータを回転させ、ワークを加工する。また、ドリルはリニアモータ３１により上下に運動させる。ドリルに直接、超音波振動が伝播するので、大幅にドリル加工速度が向上し、かつバリの発生もほとんど無い状態になる。
【００３６】
図５は、本発明の第五の構成の横軸平面研削盤の一例の構成を示す斜視図である。横軸平面研削盤では、ベース台１０に取り付けたリニアガイド２８の上に加工テーブル３１を載せ、テーブル３１をその長さ方向に沿って移動させる。加工テーブル３１の上に載せたワーク５を研削するため、研削砥石３２がある。研削砥石３２は回転スピンドル４に取り付けられ、回転スピンドル４はさらに回転モータ２４に接続されている。
【００３７】
次に、図６を参照しながら超音波振動を用いる部分について説明する。ベース台１０には研削砥石３２の下方の位置に超音波振動付与手段７である超音波振動子が取り付けられている。超音波振動子先端部には固体潤滑剤８が接合されている。加工テーブル３１の裏面に固体潤滑剤８が接している。
【００３８】
次に、図５の横軸平面研削盤を用いてワークを平面研削する手順について説明する。まず、超音波振動子に高周波電圧を印加すると固体潤滑剤に超音波振動が与えられ、さらにこれが加工テーブルに伝播する。固体潤滑剤と加工テーブルはバネ圧で接しているが、超音波振動の効果により摩擦係数は大幅に低減する。さらに固体潤滑剤の効果により摩擦係数は低くなるため、転がり軸受けと同様な摩擦状態になるため、加工テーブルの障害になることはない。次に、研作油をワークに与え、回転モータを回転させ回転スピンドルと研削砥石を回転させワークを加工する。加工テーブルの超音波振動がワークに伝播するので、大幅に平面研削速度が向上し、かつ研削面の精度も向上する。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明の超音波加工装置は、切削、研削など主に除去加工を使って、目的の形状を作る機械に用いられるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第一の構成のラップ装置の一例の構成を示す正面図である。
【図２】本発明の第二の構成の切断装置の一例の構成を示す平面図である。
【図３】本発明の第三の構成の切断装置の一例の構成を示す平面図である。
【図４】本発明の第四の構成のドリル装置の一例の構成を示す正面図である。
【図５】本発明の第五の構成の横軸平面研削盤の一例の構成を示す斜視図である。
【図６】横軸平面研削盤の加工テーブル付近の断面図である。
【図７】従来の超音波振動を利用したラップ装置を示す正面図である。
【図８】従来の超音波振動を利用した切断装置を示す平面図である。
【図９】従来の超音波振動を利用したドリル加工装置を示す正面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  ラップ盤
２  砥粒スラリ
３  スラリ供給装置
４  回転スピンドル
５  ワーク
６  ワーク保持具
７  超音波振動付与手段
８  固体潤滑剤
９  取り付け台
１０  ベース台
１１  バネ
１２  圧電セラミックス
１３  電極板
１４  金属部材
１５  超音波交流電源
１６  電気配線
１７  ローラ
１８  支持具
１９  切断ブレード
２０  第1のフランジ
２１  第2のフランジ
２２  締め付け用ナット
２３  固定装置
２４  回転モータ
２５  ドリルチャック
２６  ドリル
２７  支持板
２８  リニアガイド
２９  棒
３０  ウエイト
３１  加工テーブル
３２  切削砥石
３３  スリップリング
【図１】
2005169615.tif 000003
【図２】
2005169615.tif 000004
【図３】
2005169615.tif 000005
【図４】
2005169615.tif 000006
【図５】
2005169615.tif 000007
【図６】
2005169615.tif 000008
【図７】
2005169615.tif 000009
【図８】
2005169615.tif 000010
【図９】
2005169615.tif 000011