專利名稱：開孔加工裝置及開孔加工方法
技術領域：
本發明涉及將被加工物用超聲波等的振動來進行開孔加工的開孔加工裝置及開孔加工方法。
背景技術：
以往，對被加工物的開孔通過沖壓加工及放電加工來進行。但是，存在用沖壓加工孔的精度不好，用放電加工成本高的問題。于是，作為可高精度且廉價地進行開孔的方法，已知有通過超聲波振動來進行超聲波加工的方法。
例如專利文獻1(特開平7-136818號公報)中所公開的，在使用超聲波振動來進行開孔的情況下，將工具直接安裝于超聲波振子單元上，在向工具連續地施加超聲波振動的同時進行加工。此外，在專利文獻1中公開了通過在超聲波振子單元上垂直精度良好地安裝工具可進行極微小直徑的超聲波開孔加工。
如專利文獻1所述，由于將工具直接安裝于超聲波振子上，所以雖然在工具的進給方向上施加縱波超聲波振動，但由于連續輸入的振動相對于工具的進給速度過快，所以也對工具輸入了橫波振動。因此，承受該橫波振動的工具晃動，接觸已鉆空的孔的側壁，從而使孔的側壁表面損傷。
發明內容
于是，在本發明中，其目的是提供一種可進行高精度的開孔加工的開孔加工裝置及開孔加工方法。
本發明的開孔加工裝置具備開孔工具、限制該開孔工具的進給方向的導引部、用于向開孔工具施加振動使其跳起的振動體、和在將開孔工具浮動保持于規定位置處的同時產生用于使其在從規定位置發生變位的情況下至少回到接觸振動體的位置的恢復力的浮動保持部件。再有，在本發明中，開孔不僅包括通過沖裁加工而形成的通孔，還包括通過擠壓加工而形成的有底的盲孔。
作為振動體可使用使超聲波振子產生的超聲波收斂并從其前端產生超聲波振動的擴音器(ホ一ン)、壓電元件或與電致伸縮元件的快速變形相伴的慣性力而產生微小振動的壓電促動器、用錘擊打沖頭并利用慣性來經過沖頭傳遞錘的打擊力的、所謂錘沖(ハンマ一パンチ)等間接打擊工具來施以反復打擊等。
根據本發明的開孔加工裝置，浮動保持于規定位置處的開孔工具通過來自振動體的振動的施加而跳起并從振動體離開，導引部限制其進給方向，撞擊被加工物。這時，由于開孔工具從振動體遠離，所以在其進給方向上振動，并對沖撞的被加工物施加進給方向的力，由此進行開孔加工。
此外，沖撞到被加工物的開孔工具通過浮動保持部件的恢復力而至少回到與振動體接觸的位置，例如，回到跳起前的原規定位置，并再次承受振動體所施加的振動而跳起。即，開孔工具反復從振動體離開并撞擊被加工物，從而反復對被加工物進行開孔加工。
這里，本發明的開孔加工裝置理想的是具備將振動體壓入開孔工具側的壓入裝置的開孔加工裝置。這時，開孔工具由于在被壓入被加工物側的同時由振動體施加振動而向被加工物側跳起，所以到被加工物的到達距離小。因此，開孔工具在以比上述情況小的振幅而在振動體和被加工物之間往返運動的同時逐漸對被加工物進行開孔加工。
根據本發明，在限制進給方向的導引部內將開孔工具浮動保持于規定位置處，通過由振動體向開孔工具施加振動而使其向被加工物跳起來使開孔工具向被加工物撞擊，并使已從規定位置變位的開孔工具至少回到接觸振動體的位置，從而由開孔工具對被加工物在進給方向上輸入振動來進行開孔加工，所以可防止開孔工具的進給方向以外的晃動，從而可進行高精度的開孔加工。
此外，通過在將開孔工具壓入被加工物側的同時使其跳起，開孔工具到被加工物的到達距離變小，在以小振幅在振動體和被加工物之間往返運動的同時逐漸對被加工物進行開孔加工，所以其前端的沖擊力減輕。這樣，可延長開孔工具的壽命。
圖1是表示本發明實施方式的開孔加工裝置的概要剖視圖。
圖2A是表示圖1的開孔加工裝置的開孔加工工序的圖。
圖2B是表示圖1的開孔加工裝置的開孔加工工序的圖。
圖2C是表示圖1的開孔加工裝置的開孔加工工序的圖。
圖2D是表示圖1的開孔加工裝置的開孔加工工序的圖。
圖2E是表示圖1的開孔加工裝置的開孔加工工序的圖。
圖2F是表示圖1的開孔加工裝置的開孔加工工序的圖。
圖3A是擴大沖頭與工件之間的接觸部的圖，是表示形成有底的盲孔情況的開孔加工工序的圖。
圖3B是擴大沖頭與工件之間的接觸部的圖，是表示形成有底的盲孔情況的開孔加工工序的圖。
圖4A是表示與壓入裝置的壓入動作相伴的開孔加工工序的圖。
圖4B是表示與壓入裝置的壓入動作相伴的開孔加工工序的圖。
圖4C是表示與壓入裝置的壓入動作相伴的開孔加工工序的圖。
圖4D是表示與壓入裝置的壓入動作相伴的開孔加工工序的圖。
圖4E是表示與壓入裝置的壓入動作相伴的開孔加工工序的圖。
圖4F是表示與壓入裝置的壓入動作相伴的開孔加工工序的圖。
圖中1-超聲波擴音器2-沖頭 2a-頭部2b-加工部 2c-主體軸部 3-導套3a、3b-導引孔 4-彈性體 5-下模5a-開孔用孔 6-壓入裝置具體實施方式
圖1表示本發明實施方式的開孔加工裝置的概要剖視圖，圖2A-F是表示圖1的開孔加工裝置的開孔加工工序的圖。
如圖1所示，本實施方式的開孔加工裝置具備作為振動體的超聲波擴音器1、作為將作為被加工物的工件W進行開孔加工的開孔工具的沖頭2、導引沖頭2的進給方向的導套3、作為用于將沖頭2在相對于導套3處于浮動狀態下保持的浮動保持部件的彈性體4、與沖頭2作為一對開孔工具的下模5和將超聲波擴音器1壓入下模5一側即工件W側的壓入裝置6。
超聲波擴音器1使超聲波振子(未圖示)產生的超聲波收斂并從其前端產生超聲波振動。超聲波擴音器1和沖頭2沒有固定。因此，如果由超聲波擴音器1向沖頭(頭部2a)施加振動，則沖頭2跳起并遠離超聲波擴音器1而進給。
沖頭2具有由超聲波擴音器1施加振動的頭部2a、與工件W接觸并實施開孔加工的加工部2b和連接頭部2a和加工部2b的主體軸部2c。沖頭2由在其頭部2a和導套3之間所設的彈性體4在浮動狀態下保持于規定位置(圖2A所示位置)處。
如圖1所示，沖頭2的頭部2a的與超聲波擴音器1的接觸部呈圓弧狀面。在超聲波擴音器1和沖頭2以平面接觸的情況下，即使任一面稍傾斜也會引起一端接觸，從而沖頭2難以向正下方沖出。相反，如果沖頭2的頭部2a為圓弧狀面、較理想的是球面，則沖頭2的頭部2a和超聲波擴音器1總是在靠近沖頭2的中心軸上的點接觸，從而沖頭2易于向正下方沖出。此外，沖頭2的加工部2b的前端部的截面形狀可以是圓形、翼形、四邊形、三角形或橢圓形等任意形狀。
彈性體4具有至少回到接觸超聲波擴音器1的位置、例如圖2A所示的規定位置的恢復力，并使從規定位置變位的沖頭2通過該恢復力回到規定位置。彈性體4由例如彈簧(板簧、螺旋彈簧、發條、氣墊、橡膠)、緩沖器或其組合等構成。
下模5與沖頭2一道夾持工件W。下模5具有與沖頭2的加工部2b對應的開孔用孔5a和與該開孔用孔5a連接的錐形孔5b。錐形孔5b是向開孔方向、即向從與開孔用孔5a的連接部向下模5的下方(開放側)擴大的孔。通過該錐形孔5b，加工后產生的加工廢屑易于向下方排出，且加工廢屑難以堵住孔。
導套3具有用于限制沖頭2的進給方向，沖頭2的頭部2a在其內側滑動的筒狀導引孔3a；和沖頭2的加工部2b在其內部滑動的筒狀導引孔3b。沖頭2通過這些導引孔3a、3b來限制其主體軸部2c的軸向以外的動作。再有，上述彈性體4設于該導引孔3a下端和沖頭2的頭部2a之間。
再有，沖頭2的頭部2a、主體軸部2c、加工部2b及導套3的導引孔3a、3b其直徑為朝向沖頭2的開孔方向直徑縮小的帶階梯形狀。這是因為在直徑最大的沖頭2的頭部2a和導引孔3a的部分調整嵌合，在加工部2b和導引孔3b的部分設有間隙。加工部2b和導引孔3b的部分設有間隙是為了加工部2b的前端在加工中承受過大應力不會因彎曲和屈曲等變形而破損。
此外，彈性體4以在沖頭2的頭部2a和主體軸部2c的階梯部分和導引孔3a、3b的階梯部分之間夾持的形式被保持。由于成為此類保持狀態，所以可用最簡單的構造來浮動保持沖頭2。再有，雖然未圖示，但可在導引孔3a、3b的外側設置彈性體，浮動保持沖頭2。
在上述構成的塑性加工裝置中，如果使產生超聲波振動的超聲波擴音器1如圖2A所述般與沖頭2的頭部2a接觸，則從該超聲波擴音器1向沖頭2施加超聲波振動，沖頭2從超聲波擴音器1離開向工件W跳起。這時，由導套3的導引孔3a、3b來限制沖頭2的其頭部2a及加工部2b的軸向以外的動作。因此，沖頭2不左右振動，向工件W正直進給并到達工件W。
其后，沖頭2如圖2B所示般通過彈性體4的恢復力向超聲波擴音器1跳回，如圖2C所示般回到沖頭2的初期位置。而且，沖頭2再次承受從超聲波擴音器施加的超聲波振動并向工件W跳起。如果沖頭2如圖2D所示般到達工件W，則再次通過彈性體4的恢復力向超聲波擴音器1跳回。
這樣，沖頭2重復進行從超聲波擴音器1離開并向工件W撞擊的動作(參照圖2D、E)。這樣，工件W通過承受來自沖頭2的反復力而進行高精度的開孔加工(參照圖2F)。
再有，在上述實施方式中，雖然對作為開孔加工用孔裁加工來形成通孔的實例進行說明，但是也可通過使用該開孔加工裝置進行擠壓加工來形成有底的盲孔。圖3A和圖3B是擴大沖頭2和工件W的接觸部的圖，表示形成有底的盲孔的情況下的開孔加工工序。
與上述同樣，由超聲波擴音器1施加振動，如圖3A所示般跳起的沖頭2的加工部2b重復向工件W的反復撞擊動作，如圖3B所示般將工件W向下模5的開孔用孔5a壓出。這樣，工件W上形成了具有底B的有底盲孔C。
再有，雖然上述實施方式是在開孔加工時不驅動壓入裝置6，在固定超聲波擴音器1的位置的狀態下進行開孔加工的例子，但是在開孔加工時可由該壓入裝置6將超聲波擴音器1壓入工件W側并加工。
圖4A-F是表示與壓入裝置6的壓入動作相伴的開孔加工工序的圖。
該情況下，首先，如圖4A、4B所示，由壓入裝置6將超聲波擴音器1及沖頭2靜態地壓入到沖頭2的主體軸部2c的前端與工件W上面接觸。接著，在由壓入裝置6壓入的同時，由超聲波擴音器1向沖頭2施加超聲波振動(參照圖4C)。
這時，沖頭2從超聲波擴音器1離開并向工件W跳起，通過彈性體4的恢復力向超聲波擴音器1跳回并接觸超聲波擴音器1。雖然沖頭2重復該動作來進行對工件W的高精度開孔加工(參照圖4D、圖4E、圖4F)，但由于沖頭2在由壓入裝置6壓入工件W側的同時跳起，所以到工件W的到達距離小。
因此，沖頭2以小振幅在超聲波擴音器1和工件W之間作往返運動，同時，逐漸對工件W進行開孔加工。這樣，由于沖頭2的前端的沖擊力減輕，所以可延長沖頭2的壽命。在工件W是纖維材料、厚材、復合材料等的情況下，理想的是在如此般通過壓入裝置6將超聲波擴音器1壓入工件W側的同時進行加工。
再有，壓入裝置6的壓入速度最理想的是板厚(mm)×0.05～板厚(mm)×5(/秒)左右，即板厚為1mm的情況下為0.05～5mm/秒。此外，超聲波振動頻率為20～80kHz，最合適的超聲波振動頻率是40kHz。再有，超聲波輸出因工件W的材料而變化較大，為50～1000W，例如對于板厚為0.5～1.0mm鋼板理想的是500～800W左右，在板厚為0.1mm的箔是200～400W左右。
本發明在工業上的可利用性為本發明可作為利用超聲波等的振動來進行被加工物的開孔加工的裝置及方法來使用，特別適于進行高精度的開孔加工。
權利要求
1.一種開孔加工裝置，其特征在于，具備開孔工具；限制該開孔工具的進給方向的導引部；用于向上述開孔工具施加振動使其跳起的振動體；和在將上述開孔工具浮動保持于規定位置處的同時產生用于使其在從上述規定位置發生變位的情況下至少回到接觸上述振動體的位置的恢復力的浮動保持部件。
2.根據權利要求1所述的開孔加工裝置，其特征在于上述浮動保持部件是在上述開孔加工工具從上述規定位置變位的情況下使其回到上述規定位置的部件。
3.根據權利要求1所述的開孔加工裝置，其特征在于具備將上述振動體壓入上述開孔工具側的壓入裝置。
4.根據權利要求1所述的開孔加工裝置，其特征在于上述振動體是對上述開孔工具反復施加上述振動的部件。
5.根據權利要求2所述的開孔加工裝置，其特征在于上述振動體是對上述開孔工具反復施加上述振動的部件。
6.根據權利要求3所述的開孔加工裝置，其特征在于上述振動體是對上述開孔工具反復施加上述振動的部件。
7.一種開孔加工方法，其特征在于通過以下步驟對上述被加工物進行開孔加工在限制進給方向的導引部內將開孔工具浮動保持于規定位置；由振動體向上述開孔工具施加振動使其向被加工物跳起；使上述開孔工具撞擊上述被加工物；以及使從上述規定位置變位的上述開孔工具至少回到接觸上述振動體的位置。
8.根據權利要求7所述的開孔加工方法，其特征在于使從上述規定位置變位的上述開孔工具回到上述規定位置。
9.根據權利要求7所述的開孔加工方法，其特征在于在由振動體向上述開孔工具施加振動使其向被加工物跳起時，使上述開孔工具在壓入上述被加工物側的同時跳起。
10.根據權利要求7所述的開孔加工方法，其特征在于由上述振動體對上述開孔工具反復施加上述振動。
11.根據權利要求8所述的開孔加工方法，其特征在于由上述振動體對上述開孔工具反復施加上述振動。
12.根據權利要求9所述的開孔加工方法，其特征在于由上述振動體對上述開孔工具反復施加上述振動。
全文摘要
本發明涉及一種開孔加工裝置及開孔加工方法，通過僅在工件進給方向上輸入振動來進行高精度的開孔等開孔加工。該裝置包括作為振動體的超聲波擴音器(1)、作為對作為被加工物的工件(W)進行開孔加工的開孔工具的沖頭(2)、導引沖頭(2)的進給方向的導套(3)、作為用于將沖頭(2)在相對于導套(3)處于浮動狀態下保持的彈性體(4)、和與沖頭(2)作為一對開孔工具的下模(5)，在導套(3)內由彈性體(4)浮動保持沖頭(2)，并通過超聲波擴音器(1)向沖頭(2)施加振動以向工件(W)跳起，使沖頭(2)向工件(W)撞擊，由此進行開孔加工工件(W)。
文檔編號B21D28/34GK1871077SQ20048003119
公開日2006年11月29日 申請日期2004年10月14日 優先權日2003年10月22日
發明者竹增光家, 寺島一樹 申請人:株式會社產學連攜機構九州, 株式會社電裝