[发明专利]超声波心轴装置

说明书

技术领域

本发明涉及在前端侧具有工具的主轴一边超声波振动一边旋转的超声波心轴(spindle)装置。

背景技术

以往，在金属模具加工等的领域中，日益采用高速铣削加工法。该方法是使小径的球头立铣刀等的铣刀工具以20000rpm以上的转速高速旋转而将热处理后的材料加工的方法，其特征是大体上使用1个工具进行从粗加工到精加工，与以往的放电加工等的加工法相比，能够实现加工效率及加工精度的提高。

但是，该高速铣削加工法由于使用1个工具进行高速切削，所以作用在工具上的负担较大，工具寿命短成为较大的问题。作为其对策，推进了涂层(coating)有硬质膜的超硬工具、例如TiAlN涂层工具、还有cBN烧结体工具的开发。后者由于较硬且耐热性良好，所以能够使工具寿命比前者长，但由于刀尖成形性较差，所以有不能作为工具而成形为良好的形状的缺点。

因而，作为工具，使用最硬且刀尖成形性也较好的烧结金刚石、单结晶金刚石、气相金刚石等的金刚石工具是有效的。但是，如果通过金刚石工具进行铁类材料的切削，则工具与工件化学反应，化学性磨损较剧烈，所以工具寿命极短，产生不能经受实际使用的新的问题。

为了解决这样的问题，如果使用金刚石工具、一边沿主轴的轴向、圆周方向或弯折方向(与轴向成直角方向)附加超声波振动一边以转速20000rpm以上进行高速铣削，则防止化学反应而工具寿命提高。此外，对于小径钻削加工、通过带有小径轴的砂轮进行的硬脆材料磨削、微小深孔的研磨、超声波磨粒加工等的加工也同样，附加超声波振动进行高速加工的方法是有效的。

但是，以往的超声波心轴装置并没有成为能够承受一边沿主轴的轴向或圆周方向超声波振动一边以20000rpm以上旋转的加工条件的构造，所以虽然作为极低速下的磨削用或钻削开孔用能够使用，但难以在高速下的超声波振动铣削、磨削、开孔中采用。

即，以往的超声波心轴装置由于仅机臂部分受到支撑，所以支撑作用较弱，有不能承受上述高速加工时的高速旋转及横向的负荷的问题。此外，由于为用来驱动主轴的振子被螺钉固定在轴向后端部上的构造，所以主轴的旋转平衡较差，有在高速加工的高速旋转时超声波振子跟随旋转而发生有害的振动、或因与套筒主轴的内壁的碰撞而导致损坏的问题。

作为其对策，在日本专利申请2001-13738号(专利文献1)中，提出了如下的超声波心轴装置：将使机臂一体连结在压电元件的轴向前后的主轴配设在套筒主轴内、将前侧机臂和后侧机臂分别在振动节部位支撑在套筒主轴上、并且压电元件处于前侧机臂与后侧机臂的两处支撑点间的大致振动节部位，由此，能够承受高速旋转、振动及横向负荷，将淬火等的热处理后的材料等以较高的加工效率和加工精度加工。

专利文献1：日本专利申请2001-13738号

在该专利文献1中，在主轴的外侧配设套筒，将这些主轴和套筒在主轴的振动节部以压固等的形式连结，使这些主轴和套筒主轴的一体化主轴可旋转地支撑在心轴机壳上。但是，该先行技术由于主轴为双层构造，所以超声波铣削的主轴的直径不论怎样也要变大，在轴向上也要变长，有不能在小型工作机械用的心轴中使用的问题。

此外，以往的超声波心轴的支撑主轴的套筒构造大型化，此外利用另外的部件的振子，在高速铣削加工的高速旋转方面存在极限。进而，进行高速铣削加工的工具的安装是特殊的、非通用化的，具有工具成本较高、工具交货期变长等的问题。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而做出的，其目的是提供一种构造简单且小型、能够高速化、高精度化、高刚性化、而且能够通用化、低成本、缩短装置的交货期的超声波心轴装置。

此外，本发明的另一目的是提供一种除了上述以外，还能够稳定地承受将工具高速加工时的高速旋转及横向的负荷，能够将超声波振动高效率地传递的超声波心轴装置。

为了解决上述问题且达到目的，本发明如以下这样构成。

技术方案1所述的发明，是一种在前端侧具有工具的主轴一边超声波振动一边旋转的超声波心轴装置，其特征在于，具备：装置主体，经由轴承支撑上述主轴的前端侧和驱动侧；驱动部，使上述主轴旋转；振动施加部，使上述主轴超声波振动；将上述振动施加部配置在上述前端侧的轴承与上述驱动侧的轴承的中间位置、即振动节附近的振动效率最大的部位。