JP3706239B2

JP3706239B2 - Ultrasonic horn

Info

Publication number: JP3706239B2
Application number: JP03612598A
Authority: JP
Inventors: 信行堀田; 正也伊藤; 智雄田中; 春男山森
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 1998-02-18
Filing date: 1998-02-18
Publication date: 2005-10-12
Anticipated expiration: 2018-02-18
Also published as: JPH11226499A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波圧搾機、超音波かしめ機、超音波半田付機、超音波切断機、超音波溶接機などの超音波加工機や、超音波洗浄機、超音波攪拌機などに用いられる超音波ホーンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、この種の超音波ホーンとしては、鋼製、チタン合金製、アルミニウム合金製のものが知られており、超音波加工用或は超音波洗浄用に用いる場合は、ホーンの先端部（実際に作業を行なう部分）は、耐摩耗性、耐エロージョン性を備えていることが要求される。そのため、鋼製のホーンでは、焼き入れ、硬化処理が施されており、またチタン合金製のものにおいても、窒化処理などの硬化処理が施されている。
【０００３】
また、近年では、ホーンの先端部の耐摩耗性を向上させるために、ホーンの先端部に超硬合金からなる硬質部材を接合したもの（特表平２−５０４４８７号公報参照）が提案されている。
上述した超音波ホーンを使用する場合、例えば超音波による切断を行う場合には、超音波切断機により、例えば熱可塑性樹脂、カメラのフィルム、ビニールシート等をそのまま切断したり、あるいは２枚以上のフィルムやシートを重ねて切断する際に、切断と同時に切口をシールしていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような超音波切断機では、被切断物を一度に何枚も切断する場合や、厚みのある被切断物を切断する場合には、超音波ホーンの先端部を凸形状にして、その凸部を長くすることが行われるが、下記の様な問題が生じることがあった。
【０００５】
つまり、先端部の凸部を長くした場合には、超音波加工中に、横振れが発生したり、異音が発生することがあり、更には、凸部が根元から破断することがあった。
本発明は上記の問題点を鑑みて提案されたもので、横振れや異音の発生を防止するとともに、超音波ホーンの先端部の破損を防止できる超音波ホーンを提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための請求項１の発明は、金属からなる基体の先端部に、超音波による作業を行なう硬質部材を取り付けた超音波ホーンにおいて、硬質部材は、基体の先端部に固定される基部と、基部の略中央部から先端側に突出する凸部とを有するとともに、凸部の高さｌ（小文字のエル）が９．５ｍｍ以上且つ凸部の厚みｔが１．５ｍｍ以下であり、凸部の高さｌと超音波ホーンの長さＬとが、ｌ／Ｌ＜１／６の関係を満たすことを特徴とする超音波ホーンを要旨とする。
【０００７】
本発明では、前記関係を満たす様に、硬質部材の凸部の高さｌと超音波ホーンの長さＬとを設定することにより、横振れや異音の発生を防止できるとともに、凸部の根元での破損を防止することができる。
また、超音波ホーンの長さＬは、超音波加工機の使用周波数によって、例えば下記の様にして、決めることができる。
【０００８】
例えば図４の様に、２８ＫＨｚ用アルミニウムホーンの先端に、φ５ｍｍ×長さ３ｍｍ（＝ｌ₃）の工具（窒化珪素）付の単純ステップ形ホーンにおいて、Ｌ、ｌ₁、ｌ₂の値を設計する。
ここで、Ｎ点を節点とすると、ｌ₁＝λ／４（λ＝１波長）となり、
下記共振条件式（１）より、ｌ₂を求めることができる。
【０００９】
ｔａｎ(２πｆ／Ｃ₂)ｌ₂・ｔａｎ(２πｆ／Ｃ₃)ｌ₃＝Ｓ₂／Ｓ₃ …（１）
尚、λ＝Ｃ（音速）／ｆ（周波数）、Ｃは物性値で、アルミニウムはＣ₂＝５２００ｍ／ｓ、窒化珪素はＣ₃＝１１０００ｍ／ｓ
従って、ｌ₁＝約４６ｍｍ
ｌ₂＝約４６ｍｍ
ｌ₃＝３ｍｍ
Ｌ＝ｌ₁＋ｌ₂＋ｌ₃＝９５ｍｍ
尚、実際には、単純ステップ形ホーンのＮ部にはＲがついていたり、工具部は複雑形状とされている場合が多く、単純に前記共振条件式（１）にて設計した値では振動が得られないことがある。その場合、試行錯誤によりＬを調整したり、近年では、有限要素法の固有値解析によって設計する場合が多くなってきている。
【００１０】
請求項２の発明は、金属からなる基体の先端部に、超音波による作業を行なう硬質部材を取り付けた超音波ホーンにおいて、硬質部材は、基体の先端部に固定される基部と、基部の略中央部から先端側に突出する凸部とを有するとともに、凸部の高さｌが９．５ｍｍ以上且つ凸部の厚みｔが１．５ｍｍ以下であり、凸部の高さｌと凸部の厚みｔとが、ｔ／ｌ≧１／１０の関係を満たすことを特徴とする超音波ホーンを要旨とする。
【００１１】
本発明では、前記関係を満たす様に、硬質部材の凸部の高さｌと凸部の厚みｔとを設定することにより、横振れや異音の発生を防止できるとともに、凸部の根元での破損を防止することができる。
特に、本発明の構成に加え、前記請求項１の構成を備えた場合には、本発明の作用が一層顕著となる。
【００１２】
請求項３の発明は、金属からなる基体の先端部に、超音波による作業を行なう硬質部材を取り付けた超音波ホーンにおいて、硬質部材は、基体の先端部に固定される基部と、基部の略中央部から先端側に突出する凸部とを有するとともに、凸部の高さｌが９．５ｍｍ以上且つ凸部の厚みｔが１．５ｍｍ以下であり、基部の外径ｄと凸部の厚みｔとが、ｔ／ｄ≧１／１０の関係を満たすことを特徴とする超音波ホーンを要旨とする。
【００１３】
本発明では、前記関係を満たす様に、硬質部材の基部の外径ｄと凸部の厚みｔとを設定することにより、横振れや異音の発生を防止できるとともに、凸部の根元での破損を防止することができる。
特に、本発明の構成に加え、前記請求項１〜２の構成を備えた場合には、本発明の作用が一層顕著となる。
【００１４】
請求項４の発明は、前記基部と前記凸部との境界部分（凸部の根元部分）にＲ形状のスミの丸ミを有し、該スミの丸ミの曲率半径Ｒａが、０．５ｍｍ以上であることを特徴とする前記請求項１〜３のいずれかに記載の超音波ホーンを要旨とする。
【００１５】
本発明では、上述した曲率半径に設定されているので、基部と凸部との境界部分の応力集中を和らげることができ、凸部の根元からの破断を抑制することができる。
【００１６】
以下、前記発明の各構成について、詳細に説明する。
（１）前記硬質部材のヤング率は、１８０〜６５０ＧＰａの範囲が好ましい。つまり１８０ＧＰａ以上であると、硬質部材の凸部の剛性が高いため、凸部の変形が少なく、横振れ等の影響を小さく抑えることができる。また、６５０ＧＰａ以下であると、加工がし易いという利点がある。
【００１７】
従って、ヤング率の点から、下記のものが好適である。
窒化珪素３２０ＧＰａ
ジルコニア２１０ＧＰａ
アルミナ３６０ＧＰａ
超硬合金６００ＧＰａ
（２）前記凸部が板状である場合、その先端側の方が薄くなるテーパ形状であると、切断等の作業を好適に行うことができる。
【００１８】
また、凸部の先端側のうち、超音波加工の際に超音波ホーンが移動する方向の側又は被加工物が移動する側をＲ形状に丸めると、超音波加工の際にひっかかりにくく、スムーズに加工を行うことができる。
（３）ここで、超音波による作業を行なう硬質部材とは、超音波による作業を行なう固体や液体に対して直接的に（又は間接的に）作用して、切断等の超音波加工や攪拌などを行なう部材である。
【００１９】
（４）前記硬質部材の材料としては、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）以外に、例えば、サイアロン（Ｓｉａｌｏｎ）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、ジルコニア（ＺｒＯ₂）、炭化珪素（ＳｉＣ）等のセラミック、又はこれらの複合部材、或は、例えばＷＣ−Ｎｉ、ＷＣ−Ｃｏ等の超硬、サーメット等の周知の硬質材料が使用可能である。
【００２０】
このうち、窒化珪素を主成分とする硬質部材は、優れた耐熱性、耐摩耗性、靱性を備えているので、好ましいものである。
（５）前記硬質部材を基体の先端部に取り付ける方法としては、ろう材により、先端部の先端面に硬質部材を接合するろう付けを採用できる。
【００２１】
また、先端部側又は硬質部材側にオネジやメネジを設けて、螺合により硬質部材を基体の先端部に固定する方法を採用できる。尚、超硬部材に直接ネジを形成する加工は困難であるので、超硬部材側には、例えばオネジ又はメネジを設けた金属部材をろう付けする方法を採用できる。
【００２２】
（６）前記超音波ホーンの基体の形状としては、その基端部を太くし、先端部を細くしたものを採用できる。また、この形状とは別に、基端部と先端部との材質を違えることによって、所望の振動特性を得られるようにしてもよい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の超音波ホーンの実施の形態の例（実施例）について、図面に基づいて説明する。
（実施例１）
ａ）まず、本実施例の超音波ホーンの構成について説明する。
【００２４】
図１に示す様に、本実施例の超音波ホーンは、例えば超音波切断機に用いられる全長Ｌが１０７ｍｍの棒状の部材であり、その中間部から先端に向かって細く形成された円柱状のホーン本体（基体）１と、ホーン本体１の細い先端部分に接合された硬質部材２とから構成されている。
【００２５】
前記ホーン本体１は、超音波振動子３が取り付けられた断面円形の基端部４と、硬質部材２が接合されている断面円形の（基端部４より細径の）先端部６とから構成されている。このホーン本体１は、ＪＩＳＡ２０２４の（Ａｌ−Ｃｕ系）アルミニウム合金からなる。
【００２６】
一方、硬質部材２は、ホーン本体１の先端部６の先端面７にろう付により接合された（軸方向の）断面略Ｔ字状の部材であり、その先端面７に接合される基部８と、該基部８から垂直に立設された凸部（刃先）９とから構成されている。この硬質部材２は、セラミックス製の部材であり、主成分の窒化珪素９０重量％に、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃、ＴｉＮが適量添加された材料からなる。
【００２７】
このうち、基部８は、図２に示す様に、外径ｄが１０ｍｍで厚みが１．５ｍｍの円盤状の部材であり、ホーン本体１に接合される面（接合面）１１には、ろう付け性を向上するために、Ａｌが蒸着されてメタライズ層（図示せず）が形成されている。
【００２８】
また、凸部９は、高さｌが９．５ｍｍ、厚みｔが１．５ｍｍ、幅が約１０ｍｍの板状の部材であり、基部８の先端側の面（先端面）１２の中央部から先端側に向かって垂直に立設されている。
更に、基部８から凸部９が立ち上がる根元部分はＲ形状とされている。即ち、基部８と凸部９の境界部分には、曲率半径Ｒａが３ｍｍのスミの丸ミが形成されている。
【００２９】
尚、前記凸部９の先端側は、その板厚方向（図２（ａ）の上下方向）の両側にて、その厚みが先端側にゆくに従って薄くなるテーパ状に形成されている。また、凸部９の先端側の幅方向（図２（ｂ）の上下方向）の両端はＲ形状とされ、曲率半径Ｒｂが３ｍｍのカドの丸ミが設けられている。
【００３０】
ｂ）次に、本実施例の超音波ホーンの製造方法について説明する。
まず、ホーン本体１となる前記合金材料からなる金属の棒材（図示せず）を作製する。
また、これとは別の硬質部材２となる焼結体の製造工程にて、例えば粉末の窒化珪素等の材料を成形し、焼結して棒状の焼結体を作製した。
【００３１】
次に、ホーン本体１となる棒材の先端面７と硬質部材２となる焼結体の接合面１１との間に、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系のろう材（図示せず）を配置して、５５０℃で２時間真空で加熱して、ろう付けした。その後、所望の硬度（ＨＶ１００以上）を得るため、溶体化処理し室温時効を５０時間を行った。
【００３２】
その後、ホーン本体１となる棒材に対し、金属切削用のバイト及び旋盤を使用して、基端部４から先端部６までを切削加工した。
次に、セラミック加工用のダイヤモンド砥石を使用して、硬質部材２の基部８と凸部９とを、上述した断面略Ｔ字状に研削加工した。
【００３３】
これにより、図１に示す超音波ホーンを完成した。
この様に、本実施例の超音波ホーンは、その硬質部材２の凸部９の高さｌと超音波ホーンの長さＬとが、ｌ／Ｌ＜１／６の関係を満たし、凸部９の高さｌと凸部９の厚みｔとが、ｔ／ｌ≧１／１０の関係を満たし、基部８の外径ｄと凸部９の厚みｔとが、ｔ／ｄ≧１／１０の関係を満たしている。
【００３４】
従って、後述する実験例に示す様に、横振れや異音の発生を防止できるとともに、凸部９の根元での破損を防止することができる。
また、基部８と凸部９との境界部分のスミの丸ミの曲率半径Ｒａが、０．５ｍｍ以上であるので、凸部９の根元からの破断を一層効果的に抑制することができる。
【００３５】
更に、凸部９の先端側の方が薄くなるテーパ形状であるので、切断等の作業を好適に行うことができる。また、凸部９の先端側の幅方向の両端がＲ形状とされているので、超音波加工の際にひっかかりにくく、スムーズに加工を行うことができる。
【００３６】
ｃ）次に、本実施例に超音波ホーンの効果を確認するために行った実験例について説明する。
本実験例では、下記表１に示す寸法に設定して、超音波ホーンを製造した。このうち、試料No.１〜６が本発明の範囲内であり、これらは、請求項１〜４の発明全てに該当する。また、試料No.７〜１１が本発明の範囲外の比較例である。尚、試料No.１１は硬質部材を使用しない例である。
【００３７】
そして、これらの超音波ホーンを超音波切断機に装着し、表２に示す周波数にて実際の超音波加工を行った。その結果を、同じく表２に記す。
【００３８】
【表１】

【００３９】
【表２】

【００４０】
この表１及び表２からから明かな様に、本発明の範囲内の超音波ホーン（試料No.１〜６）は、異音や横振れの発生がなく、更に、凸部の根元から破断することがなく、好適に超音波加工を行うことができる。
それに対して比較例のもの（試料No.７〜１１）は、異音や横振れが発生し、好適な超音波加工を行うことができなかった。特に、試料No.１０の凸部の根元のＲａの寸法が小さなものは、凸部の根元から破断してしまい、好ましくない。
（実施例２）
次に、実施例２について説明するが、前記実施例１と同様な箇所の説明は省略又は簡略化する。
【００４１】
本実施例の超音波ホーンは、図３に示す様に、ホーン本体２１の先端部２２の先端面２３側に、ネジ穴２４を形成する。また、硬質部材２６の基部２７の一方の面に凸部２８を立設するとともに、他方の面にネジ部２９ａを有する金属板２９ｂをろう付けする。
【００４２】
そして、このネジ部２９ａをネジ穴２４に螺合させることにより、硬質部材２６をホーン本体２１の先端部の固定する。
これにより、硬質部材２６が、摩耗や欠損等によって使用できなくなった場合には、硬質部材２６のみを容易に交換できるという利点がある。
【００４３】
尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で各種の態様で実施できるのは勿論である。
（１）例えば前記実施例１，２では、同じ金属でホーン本体を作成したが、必要な機能を発揮する限りでは、異なる金属を結合（又は接合）させてホーン本体を作製してもよい。
【００４４】
（２）硬質部材としては、ヤング率が１８０〜６５０ＧＰａ以上の範囲内の各種の材料を使用できる。
（３）硬質部材の凸部の先端側のテーパ形状とＲ形状は、その両方の形状を採用すると好適であるが、どちらか一方のみを採用してもよい。或は、両方とも採用しなくてもよい。
【００４５】
【発明の効果】
以上詳述した様に、請求項１の発明では、硬質部材の凸部の高さｌと超音波ホーンの長さＬとを、所定の関係を満たす様に設定することにより、横振れや異音の発生を防止できるとともに、凸部の根元での破損を防止することができる。
【００４６】
請求項２の発明は、硬質部材の凸部の高さｌと凸部の厚みｔとを、所定の関係を満たす様に設定することにより、横振れや異音の発生を防止できるとともに、凸部の根元での破損を防止することができる。
請求項３の発明では、硬質部材の基部の外径ｄと凸部の厚みｔとを、所定の関係を満たす様に設定することにより、横振れや異音の発生を防止できるとともに、凸部の根元での破損を防止することができる。
【００４７】
請求項４の発明では、凸部の根元の曲率半径Ｒａを前記範囲に設定することにより、基部と凸部との境界部分の応力集中を和らげることができ、特に凸部の根元からの破断を抑制する効果が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の超音波ホーンのホーン本体を示し、（ａ）はその正面図、（ｂ）はその平面図、（ｃ）はその右側面図である。
【図２】実施例１の超音波ホーンの硬質材料を示し、（ａ）はその正面図、（ｂ）はその平面図、（ｃ）はその右側面図、（ｄ）はその右側面図である。
【図３】実施例２の超音波ホーンを分解して示す説明図である。
【図４】超音波ホーンの長さＬの設定方向を示す説明図である。
【符号の説明】
１，２１…基体（ホーン本体）
６，２２…先端部
２，２６…硬質部材
８，２７…基部
９，２８…凸部（刃先）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic processing machine such as an ultrasonic squeezing machine, an ultrasonic caulking machine, an ultrasonic soldering machine, an ultrasonic cutting machine, an ultrasonic welding machine, an ultrasonic cleaning machine, an ultrasonic stirrer and the like. It relates to a sonic horn.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as this type of ultrasonic horn, those made of steel, titanium alloy, and aluminum alloy are known. When used for ultrasonic processing or ultrasonic cleaning, the tip of the horn ( The part where the work is actually performed is required to have wear resistance and erosion resistance. Therefore, the steel horn is quenched and hardened, and the titanium alloy is hardened such as nitriding.
[0003]
In recent years, in order to improve the wear resistance of the horn tip, a hard member made of cemented carbide is joined to the horn tip (see Japanese Patent Publication No. 2-504487). Yes.
When using the above-described ultrasonic horn, for example, when cutting by ultrasonic waves, the ultrasonic cutting machine is used to cut, for example, a thermoplastic resin, a camera film, a vinyl sheet, or the like, or two or more sheets. When the film or sheet was stacked and cut, the cut was sealed simultaneously with the cutting.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In such an ultrasonic cutting machine, when cutting a number of objects to be cut at once, or when cutting a thick object to be cut, the tip of the ultrasonic horn is made convex and the convex Although the part is made longer, the following problems may occur.
[0005]
In other words, when the convex part at the tip part is lengthened, lateral vibration or abnormal noise may occur during ultrasonic processing, and the convex part may break from the root. .
The present invention has been proposed in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an ultrasonic horn capable of preventing the occurrence of lateral vibration and abnormal noise and preventing damage to the tip of the ultrasonic horn. .
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is an ultrasonic horn in which a hard member that performs ultrasonic work is attached to the tip of a base made of metal, and the hard member is fixed to the tip of the base. And a convex portion protruding from the substantially central portion of the base portion toward the tip side, the height l (lower case el) of the convex portion is 9.5 mm or more and the thickness t of the convex portion is 1.5 mm or less. The gist of the ultrasonic horn is characterized in that the height l of the convex portion and the length L of the ultrasonic horn satisfy the relationship of 1 / L <1/6.
[0007]
In the present invention, by setting the height l of the convex portion of the hard member and the length L of the ultrasonic horn so as to satisfy the above relationship, it is possible to prevent occurrence of lateral vibration and abnormal noise, and Damage at the root can be prevented.
Further, the length L of the ultrasonic horn can be determined, for example, as follows according to the frequency used by the ultrasonic processing machine.
[0008]
For example, as shown in Fig. 4, the values of L, l ₁ , and l ₂ are designed in a simple step type horn with a tool (silicon nitride) of φ5 mm x length 3 mm (= l ₃ ) at the tip of a 28 KHz aluminum horn. To do.
Here, if the N point is a node, l ₁ = λ / 4 (λ = 1 wavelength),
L ₂ can be obtained from the following resonance condition (1).
[0009]
tan (2πf / C ₂ ) l ₂ tan (2πf / C ₃ ) l ₃ = S ₂ / S ₃ (1)
Note that λ = C (sound speed) / f (frequency), C is a physical property value, aluminum is C ₂ = 5200 m / s, and silicon nitride is C ₃ = 11000 m / s.
Therefore, l ₁ = about 46 mm
l ₂ = 46 mm
l ₃ = 3mm
L = l ₁ + l ₂ + l ₃ = 95 mm
Actually, there are many cases where the N part of the simple step type horn has R or the tool part has a complicated shape, and the vibration is simply generated by the value designed by the resonance condition equation (1). It may not be obtained. In this case, L is often adjusted by trial and error, and in recent years, designing is often performed by eigenvalue analysis of the finite element method.
[0010]
According to a second aspect of the present invention, there is provided an ultrasonic horn in which a hard member that performs ultrasonic work is attached to a distal end portion of a base made of metal. The hard member includes a base fixed to the distal end portion of the base and an abbreviation of the base. A convex portion protruding from the center portion toward the tip side, the height l of the convex portion is 9.5 mm or more and the thickness t of the convex portion is 1.5 mm or less, and the height l of the convex portion and the convex portion The gist of the ultrasonic horn is that the thickness t satisfies the relationship of t / l ≧ 1/10.
[0011]
In the present invention, by setting the height l of the convex portion of the hard member and the thickness t of the convex portion so as to satisfy the above relationship, it is possible to prevent the occurrence of lateral vibration and abnormal noise, and at the base of the convex portion. Can be prevented from being damaged.
In particular, in addition to the configuration of the present invention, when the configuration of claim 1 is provided, the operation of the present invention becomes more remarkable.
[0012]
According to a third aspect of the present invention, in the ultrasonic horn in which a hard member that performs ultrasonic work is attached to the tip of a base made of metal, the hard member includes a base fixed to the tip of the base and an abbreviation of the base. A convex portion protruding from the central portion toward the tip side, the height l of the convex portion is 9.5 mm or more and the thickness t of the convex portion is 1.5 mm or less, and the outer diameter d of the base portion and the thickness of the convex portion The gist of the ultrasonic horn is that t satisfies a relationship of t / d ≧ 1/10.
[0013]
In the present invention, by setting the outer diameter d of the base portion of the rigid member and the thickness t of the convex portion so as to satisfy the relationship, it is possible to prevent the occurrence of lateral vibration and abnormal noise, and at the base of the convex portion. Breakage can be prevented.
In particular, in addition to the configuration of the present invention, when the configuration of the first and second aspects is provided, the effect of the present invention becomes more remarkable.
[0014]
The invention according to claim 4, before Symbol base and having a corner of the round Mi R shape in the boundary portion (a root portion of the convex portion) between the convex portion, the radius of curvature Ra of the round Mi of the corners is 0. The gist of the ultrasonic horn according to any one of claims 1 to 3, which is 5 mm or more.
[0015]
In the present invention, since the radius of curvature is set as described above, the stress concentration at the boundary between the base and the convex portion can be reduced, and breakage from the base of the convex portion can be suppressed .
[0016]
Hereafter, each structure of the said invention is demonstrated in detail.
(1) The Young's modulus of the hard member is preferably in the range of 180 to 650 GPa. That is, if it is 180 GPa or more, the rigidity of the convex portion of the hard member is high, so that the deformation of the convex portion is small, and the influence of lateral vibration or the like can be suppressed to a low level. Moreover, there exists an advantage that it is easy to process that it is 650 GPa or less.
[0017]
Therefore, from the viewpoint of Young's modulus, the following are preferable.
Silicon nitride 320 GPa
Zirconia 210GPa
Alumina 360GPa
Cemented carbide 600GPa
(2) When the convex portion has a plate shape, a cutting operation or the like can be suitably performed when the convex portion has a tapered shape in which the tip side is thinner.
[0018]
Also, if the side of the convex portion in the direction in which the ultrasonic horn moves or the side on which the workpiece moves is rounded into an R shape, it is difficult to get caught during ultrasonic processing, and smooth Can be processed.
(3) Here, the hard member that performs the operation using ultrasonic waves acts directly (or indirectly) on the solid or liquid that performs the operation using ultrasonic waves, and ultrasonic processing such as cutting or stirring. It is a member which performs etc.
[0019]
(4) As the material of the hard member, in addition to silicon nitride (Si ₃ N ₄ ), for example, sialon (Sialon), alumina (Al ₂ O ₃ ), zirconia (ZrO ₂ ), silicon carbide (SiC), etc. Ceramics, or a composite member thereof, or a known hard material such as carbide or cermet such as WC-Ni or WC-Co can be used.
[0020]
Among these, a hard member mainly composed of silicon nitride is preferable because it has excellent heat resistance, wear resistance, and toughness.
(5) As a method of attaching the hard member to the distal end portion of the base, brazing in which the hard member is joined to the distal end surface of the distal end portion by a brazing material can be employed.
[0021]
In addition, a method can be employed in which a male screw or a female screw is provided on the distal end side or the hard member side, and the hard member is fixed to the distal end portion of the base body by screwing. Since it is difficult to form a screw directly on the cemented carbide member, a method of brazing a metal member provided with, for example, a male screw or a female screw on the cemented carbide member side can be adopted.
[0022]
(6) As the shape of the base of the ultrasonic horn, one having a thick base end and a thin tip can be employed. In addition to this shape, desired vibration characteristics may be obtained by using different materials for the proximal end portion and the distal end portion.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The example (example) of embodiment of the ultrasonic horn of this invention is demonstrated based on drawing.
(Example 1)
a) First, the configuration of the ultrasonic horn of this embodiment will be described.
[0024]
As shown in FIG. 1, the ultrasonic horn of the present embodiment is a rod-shaped member having a total length L of 107 mm used for an ultrasonic cutting machine, for example, and is a columnar member that is formed thinly from the middle portion toward the tip. The horn main body (base body) 1 and a hard member 2 joined to a thin tip portion of the horn main body 1 are configured.
[0025]
The horn body 1 includes a base end portion 4 having a circular cross section to which the ultrasonic transducer 3 is attached and a tip end portion 6 having a circular cross section (having a smaller diameter than the base end portion 4) to which the hard member 2 is joined. It is configured. The horn body 1 is made of a JIS A2024 (Al—Cu-based) aluminum alloy.
[0026]
On the other hand, the hard member 2 is a member having a substantially T-shaped cross section (in the axial direction) joined to the tip surface 7 of the tip portion 6 of the horn body 1 by brazing, and a base portion 8 joined to the tip surface 7. And a convex portion (blade edge) 9 erected vertically from the base portion 8. The hard member 2 is a ceramic member, and is made of a material obtained by adding appropriate amounts of Al ₂ O ₃ , Y ₂ O ₃ , and TiN to 90% by weight of silicon nitride as a main component.
[0027]
Among these, the base 8 is a disk-shaped member having an outer diameter d of 10 mm and a thickness of 1.5 mm, as shown in FIG. In order to improve the attachment, Al is vapor-deposited to form a metallized layer (not shown).
[0028]
The convex portion 9 is a plate-like member having a height l of 9.5 mm, a thickness t of 1.5 mm, and a width of about 10 mm. From the central portion of the front surface 12 (front surface) 12 of the base 8. It stands upright vertically toward the tip side.
Furthermore, the root portion where the convex portion 9 rises from the base portion 8 is formed in an R shape. That is, in the boundary portion between the base portion 8 and the convex portion 9, a sumi circle having a curvature radius Ra of 3 mm is formed.
[0029]
Note that the tip end side of the convex portion 9 is formed in a tapered shape on both sides in the plate thickness direction (vertical direction in FIG. 2 (a)) so that the thickness becomes thinner toward the tip end side. Further, both ends in the width direction (vertical direction in FIG. 2B) on the front end side of the convex portion 9 are R-shaped, and are provided with a circular circle having a curvature radius Rb of 3 mm.
[0030]
b) Next, a method for manufacturing the ultrasonic horn of this embodiment will be described.
First, a metal bar (not shown) made of the alloy material to be the horn body 1 is prepared.
Further, in a manufacturing process of a sintered body to be a hard member 2 different from this, for example, a powdered material such as silicon nitride was formed and sintered to produce a rod-shaped sintered body.
[0031]
Next, an Al—Cu—Si based brazing material (not shown) is arranged between the tip end surface 7 of the bar to be the horn main body 1 and the joint surface 11 of the sintered body to be the hard member 2. Heated in vacuum at 550 ° C. for 2 hours and brazed. Then, in order to obtain desired hardness (HV100 or more), solution treatment was performed and room temperature aging was performed for 50 hours.
[0032]
Then, from the base part 4 to the front-end | tip part 6, it cut | disconnected with respect to the bar used as the horn main body 1 using the cutting tool and lathe for metal cutting.
Next, the base portion 8 and the convex portion 9 of the hard member 2 were ground into the above-described substantially T-shaped cross section using a diamond grindstone for ceramic processing.
[0033]
Thereby, the ultrasonic horn shown in FIG. 1 was completed.
Thus, in the ultrasonic horn of the present embodiment, the height l of the convex portion 9 of the hard member 2 and the length L of the ultrasonic horn satisfy the relationship of 1 / L <1/6, and the convex portion The height l of 9 and the thickness t of the convex portion 9 satisfy the relationship of t / l ≧ 1/10, and the outer diameter d of the base 8 and the thickness t of the convex portion 9 are t / d ≧ 1/10. Meet the relationship.
[0034]
Therefore, as shown in an experimental example to be described later, it is possible to prevent the occurrence of lateral vibration and abnormal noise, and it is possible to prevent damage at the base of the convex portion 9.
In addition, since the radius of curvature Ra of the sumi circle at the boundary portion between the base portion 8 and the convex portion 9 is 0.5 mm or more, breakage from the root of the convex portion 9 can be more effectively suppressed.
[0035]
Furthermore, since the tip end side of the convex portion 9 has a tapered shape, work such as cutting can be suitably performed. In addition, since both ends in the width direction on the front end side of the convex portion 9 are R-shaped, it is difficult to be caught during ultrasonic processing, and the processing can be performed smoothly.
[0036]
c) Next, an experimental example performed to confirm the effect of the ultrasonic horn in this embodiment will be described.
In this experimental example, an ultrasonic horn was manufactured with the dimensions shown in Table 1 below. Among these, sample Nos. 1 to 6 are within the scope of the present invention, and these correspond to all the inventions of claims 1 to 4. Sample Nos. 7 to 11 are comparative examples outside the scope of the present invention. Sample No. 11 is an example in which a hard member is not used.
[0037]
Then, these ultrasonic horns were mounted on an ultrasonic cutting machine, and actual ultrasonic processing was performed at the frequencies shown in Table 2. The results are also shown in Table 2.
[0038]
[Table 1]

[0039]
[Table 2]

[0040]
As is clear from Table 1 and Table 2, the ultrasonic horn (sample Nos. 1 to 6) within the scope of the present invention is free from abnormal noise and lateral vibration, and is further broken from the root of the convex portion. Therefore, ultrasonic processing can be suitably performed.
On the other hand, in the comparative examples (samples Nos. 7 to 11), abnormal noise and lateral vibration occurred, and suitable ultrasonic machining could not be performed. In particular, a sample having a small Ra dimension at the base of the convex portion of Sample No. 10 is not preferable because it breaks from the base of the convex portion.
(Example 2)
Next, the second embodiment will be described, but the description of the same parts as the first embodiment will be omitted or simplified.
[0041]
As shown in FIG. 3, the ultrasonic horn of the present embodiment has a screw hole 24 formed on the distal end surface 23 side of the distal end portion 22 of the horn main body 21. Further, a convex portion 28 is erected on one surface of the base portion 27 of the hard member 26, and a metal plate 29b having a screw portion 29a is brazed on the other surface.
[0042]
Then, the hard member 26 is fixed to the distal end portion of the horn main body 21 by screwing the screw portion 29 a into the screw hole 24.
Thereby, when the hard member 26 becomes unusable due to wear or chipping, there is an advantage that only the hard member 26 can be easily replaced.
[0043]
In addition, this invention is not limited to the said Example at all, Of course, it can implement in various aspects within the range which does not deviate from the summary of this invention.
(1) For example, in the first and second embodiments, the horn main body is made of the same metal. However, as long as a necessary function is exhibited, the horn main body may be manufactured by combining (or joining) different metals.
[0044]
(2) As the hard member, various materials having a Young's modulus in the range of 180 to 650 GPa or more can be used.
(3) Although it is preferable to employ both the tapered shape and the R shape on the tip side of the convex portion of the hard member, only one of them may be employed. Alternatively, neither may be adopted.
[0045]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the first aspect of the present invention, by setting the height l of the convex portion of the hard member and the length L of the ultrasonic horn so as to satisfy a predetermined relationship, lateral vibration or different Generation of sound can be prevented, and damage at the base of the convex portion can be prevented.
[0046]
In the invention of claim 2, by setting the height l of the convex portion of the hard member and the thickness t of the convex portion so as to satisfy a predetermined relationship, it is possible to prevent the occurrence of lateral vibration and abnormal noise, It is possible to prevent damage at the base of the part.
In the invention of claim 3, by setting the outer diameter d of the base portion of the hard member and the thickness t of the convex portion so as to satisfy a predetermined relationship, it is possible to prevent occurrence of lateral vibration and abnormal noise, and It is possible to prevent the damage at the base of the.
[0047]
In the invention of claim 4, by setting the curvature radius Ra of the base of the convex portion within the above range, the stress concentration at the boundary portion between the base portion and the convex portion can be relieved. The effect of suppressing is great.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a horn body of an ultrasonic horn of Embodiment 1, wherein (a) is a front view thereof, (b) is a plan view thereof, and (c) is a right side view thereof.
2 shows a hard material of the ultrasonic horn of Example 1, (a) is a front view thereof, (b) is a plan view thereof, (c) is a right side view thereof, and (d) is a right side view thereof. It is.
FIG. 3 is an explanatory view showing the ultrasonic horn of Example 2 in an exploded manner.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a setting direction of a length L of an ultrasonic horn.
[Explanation of symbols]
1, 21 ... Base (horn body)
6, 22 ...

tip part

2, 26 ...

hard member

8, 27 ...

base part

9, 28 ... convex part (blade edge)

Claims

金属からなる基体の先端部に、超音波による作業を行なう硬質部材を取り付けた超音波ホーンにおいて、
前記硬質部材は、前記基体の先端部に固定される基部と、該基部の略中央部から先端側に突出する凸部とを有するとともに、
前記凸部の高さｌが９．５ｍｍ以上且つ前記凸部の厚みｔが１．５ｍｍ以下であり、前記凸部の高さｌと前記超音波ホーンの長さＬとが、ｌ／Ｌ＜１／６の関係を満たすことを特徴とする超音波ホーン。In an ultrasonic horn in which a hard member that performs ultrasonic work is attached to the tip of a base made of metal,
The hard member has a base fixed to the distal end portion of the base body and a convex portion protruding from the substantially central portion of the base portion toward the distal end side,
The height l of the convex portion is 9.5 mm or more and the thickness t of the convex portion is 1.5 mm or less, and the height l of the convex portion and the length L of the ultrasonic horn are 1 / L < An ultrasonic horn characterized by satisfying a 1/6 relationship.

金属からなる基体の先端部に、超音波による作業を行なう硬質部材を取り付けた超音波ホーンにおいて、
前記硬質部材は、前記基体の先端部に固定される基部と、該基部の略中央部から先端側に突出する凸部とを有するとともに、
前記凸部の高さｌが９．５ｍｍ以上且つ前記凸部の厚みｔが１．５ｍｍ以下であり、前記凸部の高さｌと該凸部の厚みｔとが、ｔ／ｌ≧１／１０の関係を満たすことを特徴とする超音波ホーン。In an ultrasonic horn in which a hard member that performs ultrasonic work is attached to the tip of a base made of metal,
The hard member has a base fixed to the distal end portion of the base body and a convex portion protruding from the substantially central portion of the base portion toward the distal end side,
The height l of the convex portion is 9.5 mm or more and the thickness t of the convex portion is 1.5 mm or less. The height l of the convex portion and the thickness t of the convex portion are t / l ≧ 1 / An ultrasonic horn characterized by satisfying 10 relationships.

金属からなる基体の先端部に、超音波による作業を行なう硬質部材を取り付けた超音波ホーンにおいて、
前記硬質部材は、前記基体の先端部に固定される基部と、該基部の略中央部から先端側に突出する凸部とを有するとともに、
前記凸部の高さｌが９．５ｍｍ以上且つ前記凸部の厚みｔが１．５ｍｍ以下であり、前記基部の外径ｄと前記凸部の厚みｔとが、ｔ／ｄ≧１／１０の関係を満たすことを特徴とする超音波ホーン。In an ultrasonic horn in which a hard member that performs ultrasonic work is attached to the tip of a base made of metal,
The hard member has a base fixed to the distal end portion of the base body and a convex portion protruding from the substantially central portion of the base portion toward the distal end side,
The height l of the convex part is 9.5 mm or more and the thickness t of the convex part is 1.5 mm or less, and the outer diameter d of the base part and the thickness t of the convex part are t / d ≧ 1/10. An ultrasonic horn characterized by satisfying the relationship.

前記基部と前記凸部との境界部分にＲ形状のスミの丸ミを有し、該スミの丸ミの曲率半径Ｒａが、０．５ｍｍ以上であることを特徴とする前記請求項１〜３のいずれかに記載の超音波ホーン。 Before SL base and having a corner of the round Mi R shape in the boundary portion between the convex portion, the radius of curvature Ra of the round Mi of the corners is, the claims, characterized in that at 0.5mm or more 1 4. The ultrasonic horn according to any one of 3 above .