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公開番号2025077078
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-05-19
出願番号2023189008
出願日2023-11-06
発明の名称超音波加工装置
出願人国立大学法人長岡技術科学大学
代理人
主分類B23D 79/06 20060101AFI20250512BHJP(工作機械;他に分類されない金属加工)
要約【課題】専用の加工装置の移し替えなく高い創成効率でマイクロテクスチャを創成する超音波加工装置の提供。
【解決手段】超音波振動体と移動機構と柔軟支持部を備え、超音波振動体は超音波振動子と振動ホーンと工具を有し、移動機構により工具を被加工面に押し込みながら、かつ、超音波振動体が励振しながら被加工面を加工し、柔軟支持部は被加工面の加工による時間平均的な加工反力と柔軟支持部の時間平均的なばね力とが釣り合う位置に配設され、超音波振動体の質量と柔軟支持部のばね定数からなる系の低周波固有振動数が超音波振動体の超音波共振周波数の1/10以下とする。
【選択図】図1

特許請求の範囲【請求項１】
被加工面にマイクロテクスチャを形成する超音波加工装置であって、
超音波振動体と、
移動機構と、
前記超音波振動体と前記移動機構を接続する柔軟支持部を備え、
前記超音波振動体は超音波振動子と振動ホーンと工具を有し、
前記移動機構により前記工具を前記被加工面に押し込みながら、かつ、前記超音波振動体が励振しながら前記被加工面を加工し、
前記柔軟支持部は前記被加工面の加工による時間平均的な加工反力と前記柔軟支持部の時間平均的なばね力とが釣り合う位置に配設され、
前記超音波振動体の質量ｍ１と前記柔軟支持部のばね定数ｋからなる系の低周波固有振動数ｆpが前記超音波振動体の超音波共振周波数ｆsの１／１０以下である
ことを特徴とする超音波加工装置。
続きを表示（約 480 文字）【請求項２】
前記低周波固有振動数ｆpが１６０Ｈｚ以上であり、
前記超音波共振周波数ｆsが２０ｋＨｚ以上３０ｋＨｚ以下であり、
前記柔軟支持部のばね定数ｋが５，０００，０００Ｎ／ｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の超音波加工装置。
【請求項３】
前記工具の振動全振幅が前記超音波振動体の励振軸に沿って０．８μｍ以上２５μｍ以下であり、
前記移動機構は、前記工具を前記被加工面に対する時間平均的な相対速度を１００ｍ／ｍｉｎ以下で調整可能であり、
前記工具の形状を前記被加工面に転写しマイクロテクスチャを形成する
ことを特徴とする請求項１に記載の超音波加工装置。
【請求項４】
前記工具の振動位相角が前記被加工面と前記工具の相対位置に応じて１８度以内に調整可能であり、
前記被加工面に形成するマイクロテクスチャの配列を前記移動機構の移動方向に対して０度または１８０度に調整可能である
ことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の超音波加工装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波加工装置に関する。
続きを表示（約 2,300 文字）【背景技術】
【０００２】
被加工物の表面に微細なくぼみ（以下、「マイクロテクスチャ」と記載する。）を形成することがある。マイクロテクスチャを形成することで潤滑性の向上や摩耗粉の捕集効果など表面に機能性を付与できる。これらの特性から摺動部品の摺動面などにマイクロテクスチャを形成し、例えば摩擦係数を調整することで摺動特性を向上させる試みがある。
マイクロテクスチャは、ショットブラスト，エッチング，放電加工などによって形成されることがある。これらのテクスチャ形成（テクスチャリング）方法はテクスチャパターンを形成したマスクを必要としたり、深さや形状にばらつきを生じやすい。あるいはマイクロテクスチャは、レーザ加工によって被加工物表面を穿孔する方法で形成されることもある。また、これらのテクスチャリングは，製品の形状を加工するための工作機械と呼ばれる（例：旋盤やフライス盤等）加工装置の機械加工による成形工程からテクスチャリングのための専用の加工（例：ショットブラスト，エッチング，放電加工，レーザ加工）装置への移し替えが生じる。
【０００３】
専用の加工装置を必要とするテクスチャリングは移し替えにより作業工程が複雑化する問題があり、例えば特許文献１には、回転工具を用いることで機械加工の後に移し替えなくテクスチャリングできる技術が開示されている。これは、回転する切れ刃が一度の切削で一つのテクスチャを形成するものである。しかしながら、切れ刃の回転数は1分間に数千回程度であることから単位時間あたりに創成できるテクスチャの個数（以下、「創成効率」と記載する。）が少ないという課題をもつ。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
特開2022-188412号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
テクスチャリングにおいては高い生産性で形成できる技術が望まれているが、専用の加工装置の移し替えや創成効率の低さが課題となっていた。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、専用の加工装置の移し替えなく高い創成効率でマイクロテクスチャを創成する超音波加工装置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】
【０００６】
本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、以下の構成を具備することで上記課題を解決することを見いだし、本発明の完成に至った。
【０００７】
（１）被加工面にマイクロテクスチャを形成する超音波加工装置であって、超音波振動体と、移動機構と、該超音波振動体と該移動機構を接続する柔軟支持部を備え、該超音波振動体は超音波振動子と振動ホーンと工具を有し、該移動機構により該工具を該被加工面に押し込みながら、かつ、該超音波振動体が励振しながら該被加工面を加工し、該柔軟支持部は該被加工面の加工による時間平均的な加工反力と該柔軟支持部の時間平均的なばね力とが釣り合う位置に配設され、該超音波振動体の質量ｍ１と該柔軟支持部のばね定数ｋからなる系の低周波固有振動数ｆpが該超音波振動体の超音波共振周波数ｆsの１／１０以下であることを特徴とする超音波加工装置。
（２）該低周波固有振動数ｆｐが１６０Ｈｚ以上であり、該超音波共振周波数ｆｓが２０ｋＨｚ以上３０ｋＨｚ以下であり、該柔軟支持部のばね定数ｋが５，０００，０００Ｎ／ｍ以上であることを特徴とする（１）に記載の超音波加工装置。
（３）該工具の振動全振幅が該超音波振動体の励振軸に沿って０．８μｍ以上２５μｍ以下であり、該移動機構は、該工具を該被加工面に対する時間平均的な相対速度を１００ｍ／ｍｉｎ以下で調整可能であり、該工具の形状を該被加工面に転写しマイクロテクスチャを形成することを特徴とする（１）に記載の超音波加工装置。
（４）該工具の振動位相角が該被加工面と該工具の相対位置に応じて１８度以内に調整可能であり、該被加工面に形成するマイクロテクスチャの配列を該移動機構の移動方向に対して０度または１８０度に調整可能であることを特徴とする（１）から（３）のいずれか１項に記載の超音波加工装置。
【発明の効果】
【０００８】
このような構成を具備した本発明の1つの特徴は，旋盤やフライス盤等の工作機械と呼ばれる１つの加工装置内において超音波振動（1秒間に2万回以上）する切削工具をテクスチャリングしたい面に対する面内方向に走査させることで高効率にマイクロテクスチャを創成することである。
【０００９】
以上、本発明によって、専用の加工装置の移し替えなく高い創成効率でマイクロテクスチャを創成する超音波加工装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
超音波加工装置の側面図
マイクロテクスチャ形成の概念図
マイクロテクスチャの配列を移動機構の移動方向に対して４５度に整列させた場合の概念図
マイクロテクスチャの配列を移動機構の移動方向に対して９０度に整列させた場合の概念図
マイクロテクスチャの配列を移動機構の回転方向に対して４５度に整列させた場合の概念図
マイクロテクスチャの配列を移動機構の回転方向に対して９０度に整列させた場合の概念図
比較例におけるマイクロテクスチャ形成面の形状
実施例におけるマイクロテクスチャ形成面の形状
【発明を実施するための形態】
（【００１１】以降は省略されています）

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