(57)【要約】【課題】超音波振動しながら回転する主軸の製作工程を削減し、低コストで、しかも高速化、高精度化を得ることができる。【解決手段】先端側に工具１を有する主軸２が超音波振動しながら回転する超音波スピンドル装置Aであって、主軸２の先端側と駆動側とを軸受１０、１１を介して支持するハウジング４と、主軸２を超音波振動させる加振部５と、を備え、加振部５を、主軸２の駆動側の軸受１１の位置より駆動装置側に配置した。【選択図】図１
2009241225.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端側に工具を有する主軸が超音波振動しながら回転する超音波スピンドル装置であって、
前記主軸の先端側と駆動側とを軸受を介して支持するハウジングと、
前記主軸を超音波振動させる加振部と、を備え、
前記加振部を、前記主軸の駆動側の前記軸受の位置より駆動装置側に配置したことを特徴とする超音波スピンドル装置。
【請求項２】
前記加振部は、圧電素子と、電極板を有し、
前記ハウジングに給電ブラシを取付け、
前記給電ブラシから前記電極板に給電を行い、前記圧電素子を駆動させることを特徴とする請求項１に記載の超音波スピンドル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、工具を有する主軸が超音波振動しながら回転する超音波スピンドル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
金型加工などの分野において、高速ミリング加工法が用いられており、例えば１本の工具を用いて粗加工から仕上げ加工まで行なうことができる。
【０００３】
この高速ミリング加工を行う装置として、例えば、工具を有する主軸が超音波振動しながら回転する超音波ミリング装置が提案されている（特許文献１）。この装置は、圧電素子が振動節部位にあるように圧電素子を中間に位置させ、その前後軸方向に前側軸部と後側軸を一体に結合した超音波主軸を用い、この超音波主軸を直接ハウジング内に配し、前側軸部と後側軸部の圧電素子を配置した中央部からほぼ等しい距離にある振動節部位をそれぞれ軸受によりハウジングに直接支持させたものである。
【特許文献１】特開２００２−３４６８１７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この特許文献１の超音波主軸は、略同じ長さの前側軸部と後側軸の２部材を結合したものであり、前側軸部と後側軸部とを連結した後に同心を出すために再研削しているため、超音波主軸を製作する工程が増加し、かつ製作コストが嵩む。
【０００５】
この発明は、かかる点に鑑みてなされたもので、超音波振動しながら回転する主軸の製作工程を削減し、低コストで、しかも高速化、高精度化を得ることができる超音波スピンドル装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決し、かつ目的を達成するために、この発明は、以下のように構成した。
【０００７】
請求項１に記載の発明は、先端側に工具を有する主軸が超音波振動しながら回転する超音波スピンドル装置であって、
前記主軸の先端側と駆動側とを軸受を介して支持するハウジングと、
前記主軸を超音波振動させる加振部と、を備え、
前記加振部を、前記主軸の駆動側の前記軸受の位置より駆動装置側に配置したことを特徴とする超音波スピンドル装置である。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、前記加振部は、圧電素子と、電極板を有し、
前記ハウジングに給電ブラシを取付け、
前記給電ブラシから前記電極板に給電を行い、前記圧電素子を駆動させることを特徴とする請求項１に記載の超音波スピンドル装置である。
【発明の効果】
【０００９】
前記構成により、この発明は、以下のような効果を有する。
【００１０】
請求項１に記載の発明では、主軸の先端側と駆動側とを軸受を介してハウジングに支持し、主軸を超音波振動させる加振部を、主軸の駆動側の軸受の位置より駆動装置側に配置することで、主軸を複数の軸部材を組み付けて軸加工する必要がなく、製作工程を削減し、低コストであり、回転バランスがよく、高速化、高精度化を得ることができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明では、加振部は、圧電素子と、電極板を有し、ハウジングに給電ブラシを取付け、給電ブラシから電極板にブラシ給電を行い、圧電素子を駆動させるから、主軸に給電系の経路や導線などを設ける必要がなく、給電系の簡素化が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、この発明の超音波スピンドル装置の実施の形態について説明する。この発明の実施の形態は、発明の最も好ましい形態を示すものであり、この発明はこれに限定されない。
【００１３】
図１乃至図３は超音波スピンドル装置の実施の形態を示しており、図１は超音波スピンドル装置の断面図、図２は加振部の断面図、図３は焼きばめチャックの固定を説明する図である。
【００１４】
超音波スピンドル装置Aは、先端側に工具１を有する主軸Cが超音波振動しながら回転する装置である。主軸Cは、軸本体部２、加振部５、締め付けねじ２０などを有している。
【００１５】
軸本体部２は、単一の部材で成形され、材質が例えば軸受鋼、ステンレス鋼やチタン合金である。この本体部２は、円柱状であり、外周は研磨加工され、先端側に焼きばめチャック６を固定するための固定穴２ａが形成されている。
【００１６】
工具１及び焼きばめチャック６の取付は、図３に示すように、焼きばめチャック６を軸本体部２の先端の固定穴２ａに圧入により固定するが、ねじ込み、焼きばめなど固定方法は特に限定されない。工具１は、焼きばめチャック６の固定穴６ａに焼きばめにより固定する。このように、工具１を焼きばめチャック６に焼きばめにより固定して取付したから、工具支持剛性が高く、高精度に固定することができバランス性もよいので、超音波振動を効率よく加工物６０に伝えることができるとともに高速ミリング加工時の高速回転及び振動や負荷に耐えることができる。
【００１７】
工具１はエンドミルなどが用いられるが、材質としては、超硬、コーティング超硬、焼結および単結晶ダイヤモンド、cBN(立方晶窒化ホウ素）、研削砥石などが好適である。
【００１８】
主軸Cは、軸本体部２の先端側２ｂが軸受１０を介して、駆動側２ｃが軸受１１を介してハウジング４に支持されている。軸受１０と軸受１１は同様に構成され、通常、転がり軸受が用いられ、外輪１０ａ，１１ａと、転動体１０ｂ，１１ｂと、内輪１０ｃ，１１ｃとを備え、ハウジング４とは別体のものとなっている。
【００１９】
軸受１０と軸受１１は、軸本体部２の外周にそれぞれ内輪１０ｃ，１１ｃが圧入されることにより固定される。そして、このように軸受１０と軸受１１を取り付けた主軸Cを、ハウジング４の筒室１２に挿入し、外輪１０ａ，１１ａを、筒室１２の内壁面に圧入することによりハウジング４に保持固定させている。
【００２０】
この例では、軸受１０と軸受１１の外輪１０ａ，１１ａとの間に間隔保持のためのスリーブ１３を配置しているが、これは必ずしも必要ではない。
【００２１】
また、軸本体部２の外周に環状溝（図示せず）を形成し、軸受１０と軸受１１の転動体１０ｂ，１１ｂを環状溝にそれぞれはめることで、内輪は省略してもよい。
【００２２】
主軸Cを回転する駆動装置３は、駆動軸３ａを有する。駆動軸３ａは、締め付けねじ２０を介して主軸Cの軸線上に接続されている。駆動軸３ａは、その先端部を締め付けねじ２０の係合穴２０ａに係合して一体回転可能になっている。駆動装置３は、高速回転用の装置であれば任意であるが、例えば高周波モータやＡＣサーボモータなどが使用され、ハウジング４の筒室１２に納められている。この実施の形形態では、駆動装置３をハウジング４に収納して蓋40によって取り付けているが、駆動装置３は必ずしもハウジング４に収納して設ける必要はなく、主軸Cの後端をアーバにして別の工作機械につける方式でもよい。
【００２３】
加振部５は、主軸Cを超音波振動させ、この加振部５は、主軸Cの駆動側の軸受１１の位置より駆動装置側に配置されている。加振部５は、一対の圧電素子５０と、電極板５１を有し、圧電素子５０と電極板５１とを交互にサンドイッチ構造とした複数枚ものからなっており、中心には通孔５０ａ,51aが形成されている。
【００２４】
一対の圧電素子５０の間に電極板５１が配置され、締め付けねじ２０の雄ねじ部２０ｂを軸本体部２の雌ねじ穴２ｄに螺着する時に、一対の圧電素子５０の通孔５０ａ、電極板５１の通孔５１ａに貫通して軸本体部２の駆動側２ｃの先端部に共締めされる。
【００２５】
ハウジング４には給電ブラシ５２が取付けられ、この給電ブラシ５２には超音波を発振するための超音波発振器５３の給電線５４が接続されている。給電ブラシ５２から電極板５１にブラシ給電を行い、圧電素子５０を駆動させて、主軸２を超音波振動させる。圧電素子５０への給電は、給電ブラシ５２から電極板５１から行い、導電性の軸本体部２、軸受１０と軸受１１、ハウジング４を介してアースされ、給電系が簡素化されている。
【００２６】
この超音波スピンドル装置Aは、被削材としての工作物６０の加工を行い、この工作物６０の材質は任意であり、炭素鋼、プレハードン鋼、ステンレス鋼、金型用焼入れ鋼などのほか、アルミニウムなどの非鉄金属、さらにガラスやセラミックス、宝石類の非金属、ゴム、プラスチック、木材なども含まれる。
【００２７】
駆動装置３の駆動軸３ａが締め付けねじ２０に一体回転可能であるため、駆動装置３を駆動すれば、軸受１０と軸受１１によりハウジング４に支持されている主軸Cは高速で回転させられ、併行して超音波発振装置５３からの給電により、電極板５１を介して圧電素子５０は軸方向、ねじれ方向もしくは曲げ方向に振動させられ、工具１により工作物６０がミーリング加工される。この超音波振動により工具１の材質がダイヤモンド、工作物の材質が鉄系材料である場合にも化学反応による化学的摩耗が回避される。
【００２８】
主軸Cは、軸受１０と軸受１１により、回転が許容されつつ軸方向および半径方向には動かされないようにしっかりと支持されているため、高速回転と振動とが作用しても、主軸Cは高速回転と横方向の負荷に耐えることができ、円滑に安定して長距離の高速ミーリング加工を行なうことができる。
【００２９】
また、主軸Cの軸本体部２は、単一の部材で成形し、軸本体部２の先端側２ｂを軸受１０を介して、駆動側２ｃを軸受１１を介してハウジング４に支持し、主軸Cを超音波振動させる加振部５を、主軸Cの駆動側の軸受１１の位置より駆動装置側に配置しているため、主軸Cを複数の軸部材を組み付けて加工する必要がなく、製作工程を削減し、低コストである。
【００３０】
また、加振部５は、圧電素子５０と、電極板５１を有し、ハウジング４に給電ブラシ５２を取付け、給電ブラシ５２から電極板５１にブラシ給電を行い、圧電素子５０を駆動させるから、主軸Cに給電系の経路や導線などを設ける必要がなく、給電系の簡素化が可能で、回転バランスがよく、高速化、高精度化を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
この発明は、工具を有する主軸が超音波振動しながら回転する超音波スピンドル装置に適用可能であり、超音波振動しながら回転する主軸の製作工程を削減し、低コストで、しかも高速化、高精度化を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】超音波スピンドル装置の断面図である。
【図２】加振部の断面図である。
【図３】焼きばめチャックの固定を説明する図である。
【符号の説明】
【００３３】
A  超音波スピンドル装置
１  工具
２  主軸
３  駆動装置
４  ハウジング
５  加振部
６  焼きばめチャック
１０，１１  軸受
２０  取付軸
５０  圧電素子
５１  電極板
５２  給電ブラシ
５３  超音波発振装置
６０  工作物
【図１】
2009241225.tif 000003
【図２】
2009241225.tif 000004
【図３】
2009241225.tif 000005