JPS61236401A - 超音波横振動リ−ド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、超音波振動切削または超音波溶接などに用い
る超音波横振動リードに関する。

〔従来の技術〕

超音波の動力的応用において広く用いられる縦振動ホー
ンに対応し、横振動を伝達する振動伝達体をここでは横
振動リードと呼ぶ。

一般に旋削作業においては外周、内周、端面、溝、ある
いはねじなど加工部位に適した切削チップを選択するの
で、多種類の切削チップ付きバイトが数多く用いられる
。

このバイトを超音波振動させることにより、在来の慣用
旋削に比較して工具寿命を延ばし、正じく所定の幾何学
的形状を創成できる超音波旋削法が実現する。

一方、超音波振動の発生手段として、縦振動を利用する
システムが実用されている。超音波旋削においてもこれ
を利用すれば、経済的でかつ実績の裏付けのある高い信
頼性を持つことになる。

しかし、縦振動システムの一部である縦振動ホーンがバ
イトシャンクに比較して高価でかつ同程度の大きさを持
つので、各種のバイトシャンクに対し、専用の縦振動ホ
ーンを技術的に確実なろ一部は法などによって結合する
ことは、特殊な場合を除き、経済的に不利で、また、工
具ハンドリング（ストッカーとの関係など）上も問題を
はらむ。

したがって、バイトシャンクに対し、縦振動ホーンを着
脱自在にねじ止めする方法が、第１図と第２図に示すよ
うにすでに公表されている。

（精密機械、４８−１０．ＰＰ６０〜６４）しかし、同
図に示すバイトシャンクの形では、切削チップの振動振
幅を実用上必要なレベルに高めようとすると、縦振動ホ
ーンとの結合部が発熱する傾向が認められ、これを避け
ようとするとバイトシャンクの形状寸法の決定に細心の
注意が必要となる。これはバイトシャンクの形状寸法を
振動リードとしての適格条件に合致させる必要性を意味
し、専門知識の少ないユーザからみるとどうしても使い
にくい印象をぬぐい去ることができなかった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

第１図および第２図において、１は縦振動ホーン、２は
横振動リード、３はこの両者を結合するためのボルトで
ある。

横振動リード２は通常四角形断面を持つ。その上面“Ｘ
”および下面“Ｙ”　（以下表層という）は、弾性変形
の性質から、上下方向の横振動と同時に、長手方向の動
的伸縮を伴い、一方が伸びるとき他方が縮む。

一方、ボルト３の頭部座面とホーン１の端面は、本来そ
の軸に垂直な方向に高い剛性を持ち。

いずれも横振動リード２の表層に一定の圧力で押し付け
られている。

そこで、接合面の摩擦力を超えた動的表層応力が横振動
リードに加わると、相互の滑りが生起し、結合部が発熱
する。以上が結合部の発熱の原因である。

また１、横振動リードの動的表層応力は、一般に横振動
の変位振幅（以下誤解のない限り振幅と略す）に比例す
る。したがって、上記結合部が発熱することなく実用で
きる結合部の振幅は必然的に制限される。

この値は一般に、切削チップに必要な振幅より小さいに
もかかわらず、第１図に示す横振動リードにおいては、
結合部の振幅が切削チップの振幅より大きくなるように
構成されているのは不合理である。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明者らは以上の矛盾を解消するため、横振動リード
２の結合部の動的表層応力を小さくすると同時に、切削
チップ４の振幅を大きくするように、横振動リードの断
面の形状寸法を選ぶことに着目した。

このため本発明においては、超音波縦振動ホーンと着脱
自在に係合する均一断面入力区分と上記入力区分と一体
でかつ自由端に工具を持つ均一断面出力区分とからなる
横振動リードにおいて、上記出力区分における断面二次
モーメントと回転半径の比を、上記入力区分における断
面二次モーメントと中立面から表層までの距離の比より
小さく選ぶものである。

第３図および第４図に本発明にかかる横振動リードを示
す。図において７は横振動リードで。

入力区分５と出力区分６とからなり、縦振動ホーン１が
ボルト３によって横振動変位ループの近傍において、入
力区分５に対し、しっかりと取り付けられる。

第３図において振幅分布を点線で示すが、第１図の分布
と異なり、入力区分の振幅が出力区分の振幅より小さい
ことが重要である０図において７ｂが切削チップ４の振
幅、ノａが入力区分の結合部の振幅であり、ｊｂが７．
より大きい。

第３図においては、縦振動ホーン１との結合部をほぼ横
振動リードの振幅ループに設けである。しかし、この位
置は厳密に振幅ループに一致する必要はない。横振動の
振幅ループから結合部が多、少外れでも、この結果縦振
動ホーン１に重畳される軸直角の振動成分が実用上差し
支えないことが多いし、この振動成分を完全に抑制する
ことは、むしろ困難というのが実情に近い。

入力区分５と出力区分６の境界、つまり段付部の位置も
ある範囲で自由に選ぶことができる。

材質、入力区分と出力区分の各々の断面形状寸法と軸方
向長さを与えたとき、その横振動リードの共振周波数、
振幅および動的表層応力、動的曲げモーメントの軸上の
分布を求める問題は、かなり複雑で、取扱いの簡単な古
典ビームに限っても見通しの悪い式の羅列に落ち入る心
配が大きい、そこでここでは、その詳細は省略するが、
単純モデルの解析からの推論あるいは伝達マトリックス
法からの推論によって個々の解を求めることが原理的に
可能である。

〔作用〕

本発明の主旨に沿った横振動リードが、結合部の動的表
層応力を低レベルに保ちながら切削チップの振幅を高く
できる理由を次に明らかにする。

第３図の段付部８の近傍のある瞬間における長手方向の
動的応力の分布を第５図に示すが、上下面に接する薄層
の応力が前述の動的表層応力である。

図は、幅（紙面に垂直）を同じくする矩形断面の横振動
リードの長手方向の振動応力を示すもので、曲げの中立
面９を境にして引張りと圧縮に別れ、その断面上の分布
は、古典ビームの曲げにおける仮定（オイラーベルヌイ
）を満たしている。

段付部８を含む長手方向の垂直断面の厚さを限りなく薄
くした極限においては、その薄層の中立面を通り、紙面
に垂直な軸０の周りの慣性モーメントが限りなく小さく
なるので、そのエレメントの及ぼす角追動量も限りなく
小さくなり、動的曲げモーメントが左右で等しくなる。

いいかえると、段付部において動的曲げモーメントが連
続である。

一方、動的曲げモーメントをＭ、動的表層応力を６．断
面二次モーメントを１、回軸半径をに、中立面から表層
までの距離をｒとし、入力区分に１出力区分に２の脚筒
を付けるものとしよう。

古典ビームの曲げ理論によると、動的曲げモーメントＭ
と動的表層応力６の間には次の関係が成立する。

Ｍ　＝−δ　　　　　　　　　　　　　　　　（１）上
述のごとく７段付部においてＭ、＝Ｍ、である。

入力区分の段付部の動的表層応力６は、縦振動ホーンと
の結合部の動的表層応力δｒに比例するのでに工を入力
区分の振動モードによって定まる定数、Ｋ２を段付部か
　ら結合部までの距離によって定まる定数として ｅ　＝Ｋ＞　Ｋ　２６　ｒ　　　　　　　　　（２）と
なり、これを（１）に代入すると 工 Ｍｌ　＝　Ｋ１に２□　δｒ　　　　　（３）を得る。

一方、段付部の動的曲げモーメントＭ２と切削チップの
振動速度振幅ｖ２との間にも一般に比例関係が存在する
。

横振動リードの材質の密度をρ、ギヤング率Ｅとして、
Ｊ司ろ「をＣ１振動モードによって、定まる定数をに、
と置くと、 Ｍ、　＝　Ｋ、ｐａＶ、二、（４） が成り立つ。

Ｍ工＝Ｍ、であるから、（３）、（４）　？１Ｉｉｉ式
より結合部の応力と切削チップの振動速度を結びつける
次の関係を得る。

工２ ここで振動速度ｖ２が、切削チップの振幅に比例するこ
とを考慮すれば、出力区分における慣性モーメントと回
転半径の比Ｉｚ／　Ｋ２を、入力区分における慣性モー
メントと中立面から表層までの距離の比重、／ｒ１より
小さく選ぶことにより、切削チップの振幅を所定の大き
さに維持しつつ、結合部の動的表層応力を希望値以下に
制限することができるのである。

〔実施例〕

第４図に超音波振動旋削に用いるバイトシャンクの一実
施例を示す。

２０μｐ−ｐでホーン結合部の振幅は６μｐ−ｐあり、
約３．３倍の振幅拡大比を持つ。

このレベルでねじ結合部の発熱がほとんどなく連続運転
ができた。

なお黒い矢印は横振動の変位ノードであり、この点を利
用して刃物台に固定した。

〔発明の効果〕

本発明の結果、縦振動ホーンとの結合部で。

発熱なく効率的に縦振動を横振動に変換することができ
るようになった。その結果、縦振動ホーンと横振動リー
ドを着脱自在に結合する必要のある超音波振動切削ある
いは溶接などの分野に、新しく超音波利用の道を拓くこ
とになった。

【図面の簡単な説明】

第１図は在来技術の横振動リードと縦振動ホーンの複合
体の正面図 第２図は第１図を右から見た側面図 第３図は本発明にかかる横振動リードと縦振動ホーンの
複合体の正面図 第４図は、第３図を右から見た側面図 第５図は、第３図の８の部分の振動応力を図示した説明
図 第６図は１本発明の一実施例を示す横振動リードを示す
正面図 １・・・　縦振動ホーン ２・・・　在来技術の横振動リード ３・・・　結合用ボルト ４・・・　切削チップ ５・・・　本発明にかかる横振動リードの入力区分６・
・・　本発明にかかる横振動リードの出力区分７・・・
　本発明にかかる横振動リード８・・・　本発明にかか
る横振動リードの入力区分と出力区分の境の段付部 ９・・・　曲げの中立面 ゝ、 第１図　　　　　　男２図 第３図　　　　　　　男４図 第５図 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 超音波縦振動ホーンと着脱自在に係合する均一断面入力
   区分と、上記入力区分と一体でかつ自由端に工具を持つ
   均一断面出力区分とからなり、上記出力区分における断
   面二次モーメントと回転半径の比を、上記入力区分にお
   ける断面二次モーメントと中立面から表層までの距離の
   比より小さくすることを特徴とする超音波横振動リード
   。