(57)【要約】  工具の進行方向のみに振動を入力することにより、高精度な穴開けなどの穴開け加工を行う。振動体としての超音波ホーン１と、被加工物としてのワークＷを穴開け加工する穴開け工具としてのパンチ２と、パンチ２の進行方向をガイドするガイドブッシュ３と、パンチ２をガイドブッシュ３に対して浮動状態で保持するための弾性体４と、パンチ２と一対の穴開け工具としてのダイス５とを備え、ガイドブッシュ３内にパンチ２を弾性体４によって浮動保持し、パンチ２に超音波ホーン１により振動を印加してワークＷへ向けて跳ね飛ばし、パンチ２をワークＷへ衝突させることによりワークＷを穴開け加工する。
2005039800.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
穴開け工具と、
この穴開け工具の進行方向を制限するガイドと、
前記穴開け工具に振動を印加して跳ね飛ばすための振動体と、
前記穴開け工具を所定位置に浮動保持するとともに前記所定位置から変位した場合に少なくとも前記振動体に接触する位置まで戻すための復元力を発生する浮動保持部材と
を備えた穴開け加工装置。
【請求項２】
前記浮動保持部材は、前記穴開け加工工具を前記所定位置から変位した場合に前記所定位置に戻すものである請求の範囲１記載の穴開け加工装置。
【請求項３】
前記振動体を前記穴開け工具側へ押し込む押込装置を備えた請求の範囲１記載の穴開け加工装置。
【請求項４】
前記振動体は、前記穴開け工具に対して前記振動を繰り返し印加するものである請求の範囲１記載の穴開け加工装置。
【請求項５】
前記振動体は、前記穴開け工具に対して前記振動を繰り返し印加するものである請求の範囲２記載の穴開け加工装置。
【請求項６】
前記振動体は、前記穴開け工具に対して前記振動を繰り返し印加するものである請求の範囲３記載の穴開け加工装置。
【請求項７】
進行方向を制限するガイド内に穴開け工具を所定位置に浮動保持し、
前記穴開け工具に振動体により振動を印加して被加工物へ向けて跳ね飛ばし、
前記穴開け工具を前記被加工物へ衝突させ、
前記所定位置から変位した前記穴開け工具を少なくとも前記振動体に接触する位置まで戻す
ことにより前記被加工物を穴開け加工する穴開け加工方法。
【請求項８】
前記所定位置から変位した前記穴開け工具を前記所定位置に戻すことを特徴とする請求の範囲７記載の穴開け加工方法。
【請求項９】
前記穴開け工具に振動体により振動を印加して被加工物へ向けて跳ね飛ばす際、前記穴開け工具を前記被加工物側へ押し込みながら跳ね飛ばすことを特徴とする請求の範囲７記載の穴開け加工方法。
【請求項１０】
前記穴開け工具に対して前記振動体により前記振動を繰り返し印加することを特徴とする請求の範囲７記載の穴開け加工方法。
【請求項１１】
前記穴開け工具に対して前記振動体により前記振動を繰り返し印加することを特徴とする請求の範囲８記載の穴開け加工方法。
【請求項１２】
前記穴開け工具に対して前記振動体により前記振動を繰り返し印加することを特徴とする請求の範囲９記載の穴開け加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被加工物を超音波等の振動により穴開け加工する穴開け加工装置および穴開け加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、被加工物に対する穴開けは、プレス加工や放電加工により行われている。ところが、プレス加工では穴の精度が悪く、放電加工においてはコストが掛かるといった問題がある。そこで、高精度で安価な穴開けを行うことが可能なものとして、超音波振動による超音波加工が知られている。【０００３】
超音波振動を用いて穴開けを行う場合、例えば特許文献１に記載のように、超音波振動子ユニットに工具を直接装着し、工具に対して連続的に超音波振動を与えながら加工を行う。また、特許文献１には、超音波振動子ユニットに垂直精度良く工具を取り付けることによって、極微小径の超音波穴開け加工を可能にすることが記載されている。【０００４】
【特許文献１】特開平７−１３６８１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載のように超音波振動子に工具を直接取り付けたものでは、工具の進行方向に縦波の超音波振動を印加しているものの、工具の進行速度に対して連続的に入力される振動が速すぎるため、どうしても工具に対して横波の振動が入ってしまう。そのため、この横波の振動を受けた工具がぶれて、空けた穴の側壁に触れてしまい、穴の側壁の表面を荒らすことになる。【０００６】
そこで、本発明においては、高精度な穴開け加工を行うことを可能とした穴開け加工装置および穴開け加工方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の穴開け加工装置は、穴開け工具と、この穴開け工具の進行方向を制限するガイドと、穴開け工具に振動を印加して跳ね飛ばすための振動体と、穴開け工具を所定位置に浮動保持するとともに所定位置から変位した場合に少なくとも振動体に接触する位置まで戻すための復元力を発生する浮動保持部材とを備えたものである。なお、本発明において穴開けとは、打ち抜き加工によって形成する貫通孔だけでなく、押し出し加工によって形成する有底の止まり穴を含むものとする。【０００８】
振動体としては、超音波振動子により発生する超音波を収束させ、その先端から超音波振動を発生する超音波ホーン、圧電素子や電歪素子の急速変形に伴う慣性力を利用して微小振動を発生する圧電アクチュエータや、ハンマーでパンチを叩き、慣性を利用してハンマーの打撃力をパンチを介して伝える、いわゆるハンマーパンチなどの間接打撃工具によって繰り返し打撃を加えるもの等を利用することができる。【０００９】
本発明の穴開け加工装置によれば、所定位置に浮動保持された穴開け工具が、振動体からの振動の印加により跳ね飛ばされて振動体から離れ、ガイドによってその進行方向を制限されて、被加工物へ衝突する。このとき、穴開け工具は、振動体から離れているため、その進行方向に振動しており、衝突した被加工物に対して進行方向の力を加えて穴開け加工を行う。【００１０】
また、被加工物へ衝突した穴開け工具は、浮動保持部材の復元力によって少なくとも振動体に当接する位置まで、例えば跳ね飛ばされる前の元の所定位置へ戻され、再度振動体からの振動の印加を受けて跳ね飛ばされる。すなわち、穴開け工具は、繰り返し振動体から離れて被加工物へ衝突するようになり、繰り返し被加工物を穴開け加工する。【００１１】
ここで、本発明の穴開け加工装置は、振動体を穴開け工具側へ押し込む押込装置を備えたものであることが望ましい。この場合、穴開け工具は、被加工物側へ押し込まれながら振動体により振動が印加されて被加工物へ向けて跳ね飛ばされるので、被加工物までの到達距離が小さい。そのため、穴開け工具は、前述の場合よりも小さな振幅で振動体と被加工物との間を往復運動しながら、徐々に被加工物を穴開け加工する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、進行方向を制限するガイド内に穴開け工具を所定位置に浮動保持し、穴開け工具に振動体により振動を印加して被加工物へ向けて跳ね飛ばし、穴開け工具を被加工物へ衝突させ、所定位置から変位した穴開け工具を少なくとも振動体に接触する位置まで戻すことにより、被加工物に対して穴開け工具により進行方向に振動を入力して穴開け加工を行うことができるため、穴開け工具の進行方向以外のぶれが防止され、高精度な穴開け加工を行うことが可能となる。【００１３】
また、穴開け工具を被加工物側へ押し込みながら跳ね飛ばすことにより、穴開け工具の被加工物までの到達距離が小さくなり、小さな振幅で振動体と被加工物との間を往復運動しながら、徐々に被加工物を穴開け加工するので、その先端にかかる衝撃力が軽減される。これにより、穴開け工具の寿命を延ばすことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態における穴開け加工装置を示す概略断面図である。
【図２Ａ】図１の穴開け加工装置による穴開け加工工程を示す図である。
【図２Ｂ】図１の穴開け加工装置による穴開け加工工程を示す図である。
【図２Ｃ】図１の穴開け加工装置による穴開け加工工程を示す図である。
【図２Ｄ】図１の穴開け加工装置による穴開け加工工程を示す図である。
【図２Ｅ】図１の穴開け加工装置による穴開け加工工程を示す図である。
【図２Ｆ】図１の穴開け加工装置による穴開け加工工程を示す図である。
【図３Ａ】パンチとワークとの接触部を拡大した図であって、有底の止まり穴を形成する場合の穴開け加工工程を示す図である。
【図３Ｂ】パンチとワークとの接触部を拡大した図であって、有底の止まり穴を形成する場合の穴開け加工工程を示す図である。
【図４Ａ】押込装置による押し込み動作を伴う穴開け加工工程を示す図である。
【図４Ｂ】押込装置による押し込み動作を伴う穴開け加工工程を示す図である。
【図４Ｃ】押込装置による押し込み動作を伴う穴開け加工工程を示す図である。
【図４Ｄ】押込装置による押し込み動作を伴う穴開け加工工程を示す図である。
【図４Ｅ】押込装置による押し込み動作を伴う穴開け加工工程を示す図である。
【図４Ｆ】押込装置による押し込み動作を伴う穴開け加工工程を示す図である。
【符号の説明】
【００１５】
１  超音波ホーン
２  パンチ
２ａ  頭部
２ｂ  加工部
２ｃ  胴体軸部
３  ガイドブッシュ
３ａ，３ｂ  ガイド穴
４  弾性体
５  ダイス
５ａ  穴開け用穴
６  押込装置
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は本発明の実施の形態における穴開け加工装置を示す概略断面図、図２Ａ〜Ｆは図１の穴開け加工装置による穴開け加工工程を示す図である。【００１７】
図１に示すように、本実施形態における穴開け加工装置は、振動体としての超音波ホーン１と、被加工物としてのワークＷを穴開け加工する穴開け工具としてのパンチ２と、パンチ２の進行方向をガイドするガイドブッシュ３と、パンチ２をガイドブッシュ３に対して浮動状態で保持するための浮動保持部材としての弾性体４と、パンチ２と一対の穴開け工具としてのダイス５と、超音波ホーン１をダイス５側すなわちワークＷ側へ押し込む押込装置６とを備える。【００１８】
超音波ホーン１は、超音波振動子（図示せず。）により発生する超音波を収束させ、その先端から超音波振動を発生するものである。超音波ホーン１とパンチ２とは固定されていない。そのため、超音波ホーン１によってパンチ２の後端部（頭部２ａ）に振動が印加されると、パンチ２は跳ね飛ばされ、超音波ホーン１から離れて進行する。【００１９】
パンチ２は、超音波ホーン１によって振動が印加される頭部２ａと、ワークＷに接触して穴開け加工を施す加工部２ｂと、頭部２ａと加工部２ｂとを連結する胴体軸部２ｃとを有する。パンチ２は、その頭部２ａとガイドブッシュ３との間に設けられた弾性体４によって所定位置（図２Ａに示す位置）に浮動状態で保持されている。【００２０】
パンチ２の頭部２ａは、図１に示すように超音波ホーン１との接触部が円弧状面となっている。超音波ホーン１とパンチ２とが平面同士で接触する場合、どちらかの面が少しでも傾いていると片当たりを起こし、パンチ２が真っ直ぐ下方へ打ち出されにくくなる。これに対し、パンチ２の頭部２ａが円弧状面、より好ましくは球面となっていると、常にパンチ２の中心軸上に近い点でパンチ２の頭部２ａと超音波ホーン１が接触するようになり、パンチ２が真っ直ぐに打ち出されやすくなる。また、パンチ２の加工部２ａの先端部の断面形状は、円状、翼形状、四角形状、三角形状や楕円形状等、任意の形状とすることができる。【００２１】
弾性体４は、少なくとも超音波ホーン１に接触する位置、例えば図２Ａに示す所定位置への復元力を有するものであり、この復元力によって所定位置から変位したパンチ２を所定位置に戻すものである。弾性体４は、例えば、ばね（板ばね、コイルばね、ぜんまい、空気ばね、ゴム）、ダンパやこれらの組み合わせ等により構成される。【００２２】
ダイス５は、パンチ２とともにワークＷを狭持するものである。ダイス５は、パンチ２の加工部２ｂに対応する穴開け用穴５ａと、この穴開け用穴５ａに接続されたテーパ状の穴５ｂとを有する。テーパ状の穴５ｂは、穴開け方向、すなわち穴開け用穴５ａとの接続部からダイス５の下方（開放側）に向かって拡大する孔である。このテーパ状の穴５ｂによって、加工後に発生する抜き屑が下方へ容易に排出され、抜き屑が穴に詰まりにくくなる。【００２３】
ガイドブッシュ３は、パンチ２の進行方向を制限するため、パンチ２の頭部２ａがその内側を摺動する筒状のガイド穴３ａと、パンチ２の加工部２ｂがその内側を摺動する筒状のガイド穴３ｂとを有する。パンチ２は、これらのガイド穴３ａ，３ｂによって、その胴体軸部２ｃの軸方向以外の動作を制限される。なお、前述の弾性体４は、このガイド穴３ａの下端とパンチ２の頭部２ａとの間に設けられている。【００２４】
なお、パンチ２の頭部２ａ、胴体軸部２ｃ、加工部２ｂおよびガイドブッシュ３のガイド穴３ａ，３ｂは、その径がパンチ２の穴開け方向に向かって縮径した段付き形状としている。最も直径の大きいパンチ２の頭部２ａとガイド穴３ａの部分で嵌め合いを調整し、加工部２ｂとガイド穴３ｂの部分に遊びを設けるためである。加工部２ｂとガイド穴３ｂの部分に遊びを設けるのは、加工中に加工部２ｂの先端が過剰な応力を受け、曲げや座屈などの変形により破損しないようにするためである。【００２５】
また、弾性体４は、パンチ２の頭部２ａと胴体軸部２ｃとの段差部分とガイド穴３ａ，３ｂの段差部分との間に挟み込まれるかたちで保持されている。このような保持形態とすることによって、パンチ２を最も単純な構造で浮動保持することが可能となる。なお、図示しないが、ガイド穴３ａ，３ｂの外側に弾性体を設けてパンチ２を浮動保持することも可能である。【００２６】
上記構成の塑性加工装置において、超音波振動を発生している超音波ホーン１を、図２Ａに示すようにパンチ２の頭部２ａに当接させると、この超音波ホーン１からパンチ２へ超音波振動が印加され、パンチ２は超音波ホーン１から離れて、ワークＷに向けて跳ね飛ばされる。このとき、パンチ２は、ガイドブッシュ３のガイド穴３ａ，３ｂによってその頭部２ａおよび加工部２ｂの軸方向以外の動作が制限されている。そのため、パンチ２は、左右に振られることなく、ワークＷに向かって真っ直ぐ進行し、ワークＷに達する。【００２７】
その後、パンチ２は、図２Ｂに示すように弾性体４の復元力によって、超音波ホーン１へ向けて跳ね戻され、図２Ｃに示すようにパンチ２の初期位置に戻る。そして、パンチ２は、再度超音波ホーン１から超音波振動の印加を受けて、ワークＷに向けて跳ね飛ばされる。パンチ２は、図２Ｄに示すようにワークＷに達すると、再度弾性力４の復元力によって超音波ホーン１へ向けて跳ね戻される。【００２８】
このようにパンチ２は、超音波ホーン１から離れてワークＷへ衝突する動作を繰り返し行う（図２Ｄ，Ｅ参照。）。これにより、ワークＷは、パンチ２から受ける繰り返し力によって高精度な穴開け加工が行われる（図２Ｆ参照。）。【００２９】
なお、上記実施形態においては、穴開け加工として打ち抜き加工によって貫通孔を形成する例について説明したが、この穴開け加工装置を用いて押し出し加工することによって有底の止まり穴を形成することも可能である。図３Ａおよび図３Ｂはパンチ２とワークＷとの接触部を拡大した図であって、有底の止まり穴を形成する場合の穴開け加工工程を示している。【００３０】
前述と同様に、超音波ホーン１により振動が印加され、図３Ａに示すように跳ね飛ばされたパンチ２の加工部２ｂがワークＷへ繰り返し衝突する動作を繰り返し、図３Ｂに示すようにワークＷをダイス５の穴開け用穴５ａへ押し出していく。これにより、ワークＷには、底Ｂを備えた有底の止まり穴Ｃが形成される。【００３１】
なお、上記実施形態においては、穴開け加工時には押込装置６を駆動せず、超音波ホーン１の位置を固定した状態で穴開け加工を行った例であるが、穴開け加工時に、この押込装置６により超音波ホーン１をワークＷ側へ押し込みながら加工することも可能である。【００３２】
図４Ａ〜Ｆは押込装置６による押し込み動作を伴う穴開け加工工程を示す図である。
この場合、まず図４Ａ、図４Ｂに示すように、押込装置６により超音波ホーン１およびパンチ２を、パンチ２の胴体軸部２ｃの先端がワークＷの上面と接触するまで静的に押し込む。次に、押込装置６により押し込みながら、超音波ホーン１によりパンチ２へ超音波振動を印加する（図４Ｃ参照。）。【００３３】
このとき、パンチ２は、超音波ホーン１から離れて、ワークＷに向けて跳ね飛ばされ、弾性体４の復元力によって、超音波ホーン１へ向けて跳ね戻され、超音波ホーン１と接触する。パンチ２は、この動作を繰り返してワークＷへの高精度な穴開け加工を行う（図４Ｄ、図４Ｅ、図４Ｆ参照。）が、パンチ２は押込装置６によりワークＷ側へ押し込まれながら跳ね飛ばされているので、ワークＷまでの到達距離が小さい。【００３４】
したがって、パンチ２は小さな振幅で超音波ホーン１とワークＷとの間を往復運動しながら、徐々にワークＷを穴開け加工することになる。これにより、パンチ２の先端にかかる衝撃力が軽減されるので、パンチ２の寿命を延ばすことができる。ワークＷが、繊維材料、厚材、複合材料等の場合には、このように押込装置６により超音波ホーン１をワークＷ側へ押し込みながら加工することが望ましい。【００３５】
なお、押込装置６による押し込み速度は、板厚（ｍｍ）×０．０５〜板厚（ｍｍ）×５（／秒）程度、つまり板厚１ｍｍの場合、０．０５〜５ｍｍ／秒が最も望ましい。また、超音波振動数は２０〜８０ｋＨｚ程度、最適な超音波振動数は４０ｋＨｚである。また、超音波出力はワークＷの素材によって大きく変化するが、５０〜１０００Ｗ程度、例えば板厚０．５〜１．０ｍｍの鋼板では５００〜８００Ｗ程度、板厚０．１ｍｍの箔では２００〜４００Ｗ程度が最適である。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、超音波等の振動を利用して被加工物の穴開け加工を行う装置および方法として有用であり、特に高精度な穴開け加工に好適である。
【図１】
2005039800.tif 000003
【図２Ａ】
2005039800.tif 000004
【図２Ｂ】
2005039800.tif 000005
【図２Ｃ】
2005039800.tif 000006
【図２Ｄ】
2005039800.tif 000007
【図２Ｅ】
2005039800.tif 000008
【図２Ｆ】
2005039800.tif 000009
【図３Ａ】
2005039800.tif 000010
【図３Ｂ】
2005039800.tif 000011
【図４Ａ】
2005039800.tif 000012
【図４Ｂ】
2005039800.tif 000013
【図４Ｃ】
2005039800.tif 000014
【図４Ｄ】
2005039800.tif 000015
【図４Ｅ】
2005039800.tif 000016
【図４Ｆ】
2005039800.tif 000017
【国際調査報告】
2005039800.tif 000018
2005039800.tif 000019
2005039800.tif 000020
2005039800.tif 000021