JP5966651B2 - 主軸装置 - Google Patents

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Description

本発明は、工作機械に使用される主軸装置に関する。
例えば、特許文献１には、主軸の前側（工具側）に配置された前側転がり軸受と前側ハウジングとの間に中間ハウジングを介装し、減衰性を付加した静圧軸受で中間ハウジングを支承して加工中の主軸のびびり振動を抑制する主軸装置が開示されている。また、特許文献２には、主軸の前側（工具側）に配置された玉軸受に対し空気静圧軸受を併設して加工中の主軸のびびり振動を抑制する主軸装置が開示されている。また、特許文献３には、主軸の前側（工具側）に複数のラジアル磁気軸受および複数のラジアル変位センサを設け、ラジアル変位センサで検出した径方向の変位に基づいてラジアル磁気軸受の電磁石を制御し、主軸の共振を抑制する主軸装置が開示されている。
特開平６−８００５号公報 特開２００４−１０６０９１号公報 特開２００８−２２９８０６号公報
本発明は、びびり振動をより確実に抑制することができる主軸装置を提供することを目的とする。
（請求項１）本手段に係る主軸装置は、回転工具を保持して回転駆動される主軸と、前記主軸を回転可能に支持する転がり軸受と、前記主軸を回転可能に支持し、前記転がり軸受における減衰係数より大きな減衰係数を有する減衰付加軸受と、を備える。
ここで、前記減衰付加軸受における減衰係数を仮想的に前記転がり軸受と同一の減衰係数とした場合に、1,500Hz以下の周波数帯域において発生する共振点を仮想低次共振点と定義し、かつ、当該仮想低次共振点におけるコンプライアンスを仮想コンプライアンスと定義する。
そして、前記減衰付加軸受における減衰係数は、10,000〜1,000,000 N・s/mの範囲とし、かつ、前記仮想低次共振点における実際のコンプライアンスを、仮想コンプライアンスより小さくする範囲とし、かつ、前記仮想低次共振点より高くかつ1,500Hz以下の周波数帯域において前記仮想低次共振点に対して新たな共振点を誘起しない範囲とする。
（請求項２）本手段に係る主軸装置は、回転工具を保持して回転駆動される主軸と、前記主軸を回転可能に支持する転がり軸受と、前記主軸を回転可能に支持し、前記転がり軸受における減衰係数より大きな減衰係数を有する減衰付加軸受と、を備える。
ここで、前記減衰付加軸受における減衰係数を仮想的に前記転がり軸受と同一の減衰係数とした場合に、1,500Hz以上の周波数帯域において発生する共振点を仮想高次共振点と定義する。
そして、前記減衰付加軸受における減衰係数は、10,000〜1,000,000 N・s/mの範囲とし、かつ、1,500Hz以上の周波数帯域において前記仮想高次共振点に対して新たな共振点を誘起しない範囲とする、主軸装置。
また、前記減衰付加軸受における減衰係数は、30,000〜700,000 N・s/mの範囲とするとよい。
また、前記減衰付加軸受における減衰係数は、30,000〜100,000 N・s/mの範囲とするとよい。
また、前記主軸は、前記転がり軸受および前記減衰付加軸受を含む複数の軸受により支持され、前記減衰付加軸受は、全ての軸受の中で最も前記回転工具側に配置されるようにしてもよい。
また、前記減衰付加軸受における減衰係数は、前記回転工具にMAS BT-30〜BT-50またはHSK-40〜HSK-100の工具ホルダを適用したときに前記範囲としてもよい。
また、前記減衰付加軸受は、流体静圧軸受としてもよい。
（請求項１）本手段によれば、減衰付加軸受における減衰係数を10,000〜1,000,000 N・s/mの範囲とすることにより、主軸のコンプライアンスを小さくでき、結果としてびびり振動をより抑制できる。さらに、1,500Hz以下の周波数帯域における仮想低次共振点における実際のコンプライアンスを、仮想コンプライアンスより小さくすることにより、当該周波数帯域におけるびびり振動の発生を抑制できる。さらに、仮想低次共振点より高くかつ1,500Hz以下の周波数帯域において、新たな共振点を誘起しないようにすることで、減衰を付加することによる悪影響を抑制しつつ、全体としてびびり振動の発生を抑制できる。
（請求項２）本手段によれば、減衰付加軸受における減衰係数を10,000〜1,000,000 N・s/mの範囲とすることにより、主軸のコンプライアンスを小さくでき、結果としてびびり振動をより抑制できる。さらに、1,500Hz以上の周波数帯域において、新たな共振点を誘起しないようにすることで、減衰を付加することによる悪影響を抑制しつつ、全体としてびびり振動の発生を抑制できる。
なお、減衰付加軸受における減衰係数を30,000〜700,000 N・s/mの範囲とすることにより、主軸のコンプライアンスをより確実に小さくでき、結果としてびびり振動をより確実に抑制できる。
また、減衰付加軸受における減衰係数を30,000〜100,000 N・s/mの範囲とすることにより、新たな共振点を誘起することなく、主軸のコンプライアンスをより確実に小さくでき、結果としてびびり振動をより確実に抑制できる。
また、減衰付加軸受を最も回転工具側に配置することで、当該軸受の減衰効果をより効果的に発揮でき、結果としてびびり振動をより効果的に抑制できる。
また、回転工具にMAS BT-30〜BT-50またはHSK-40〜HSK-100の工具ホルダを適用したときに、確実にびびり振動を抑制できる。MASは、日本工作機械工業規格（Japan Machine Tool builder's Association Standard）の略称である。
また、減衰付加軸受を流体静圧軸受とすることにより、容易にかつ確実に高い減衰を付加することができる。
本発明の実施形態における主軸装置の軸方向断面図である。 図１の主軸装置の解析モデルである。 図１の主軸装置を構成する回転工具のホルダのＢＴタイプの図である。 図１の主軸装置を構成する回転工具のホルダのＨＳＫタイプの図である。 図２に示す解析モデルの減衰係数Ｃ１を変化させた場合における共振点のコンプライアンスの最大値の関係を示すグラフである。 図２に示す解析モデル周波数特性を示し、縦軸にコンプライアンス、すなわち付与する力に対する回転工具の先端の変位量を示す。減衰係数Ｃ１が7,000、70,000、1,000,000の３種類について示す。 図５Ａと同様に解析モデル周波数特性を示し、減衰係数Ｃ１が1,000〜70,000の間の６種類について示す。 図５Ａと同様に解析モデル周波数特性を示し、減衰係数Ｃ１が70,000〜1,000,000の間の６種類について示す。
以下、本発明の主軸装置を具体化した実施形態について図面を参照しつつ説明する。主軸装置の構成について、図１を参照して説明する。図１に示すように、主軸装置は、ハウジング１０と、主軸２０と、モータ３０と、複数の転がり軸受４１〜４４と、減衰付加軸受５０とを備える。
ハウジング１０は、中空筒状に形成され、その中に主軸２０を挿通する。主軸２０は、先端側（図１の左側）に、ホルダ２２に保持された状態の回転工具２１を保持する。モータ３０は、ハウジング１０の筒内に配置されており、ハウジング１０に固定されたステータ３１および主軸２０に固定されたロータ３２を備える。
転がり軸受４１〜４４は、ハウジング１０に対して主軸２０を回転可能に支持する。転がり軸受４１〜４３は、例えば玉軸受を適用し、モータ３０より回転工具２１側（前側）に配置される。一方、転がり軸受４４は、例えばころ軸受を適用し、モータ３０より回転工具２１の反対側（後側）に配置される。つまり、転がり軸受４１〜４４は、モータ３０を軸方向中央に挟むように配置される。
減衰付加軸受５０は、例えば油などの流体静圧軸受を適用し、最も回転工具２１側に位置する転がり軸受４１よりもさらに回転工具２１側に配置される。つまり、減衰付加軸受５０は、全ての軸受４１〜４４，５０の中で、最も回転工具２１側に配置される。さらに、減衰付加軸受５０は、転がり軸受４１〜４４における減衰係数よりも大きな減衰係数を有する。この減衰係数の詳細は、後述する。なお、減衰付加軸受５０は、付加する減衰係数Ｃに応じて、油静圧軸受、空気静圧軸受、磁気軸受など適宜変更することができる。
次に、図２を参照して、主軸装置の解析モデルについて説明する。図２に示すように、軸受は、ばね定数Kのばね成分と、減衰係数Cの減衰成分とにより表すことができる。ここで、減衰付加軸受５０、転がり軸受４１〜４４のそれぞれのばね定数および減衰係数を、K1〜K5，C1〜C5と表す。
そして、K1〜K5，C1〜C5を適宜付与した状態において、回転工具２１の先端に対して主軸２０の径方向への力を付与する。そうすると、主軸２０は、二点鎖線となるように変形する。このときの回転工具２１の先端の変位量を算出する。
ここで、主軸２０の先端側は、ホルダ２２に相当する部分をモデル化した形状としている。このホルダ２２は、図３Ａに示すＢＴタイプのホルダの場合にはBT-30〜BT-50、または、図３Ｂに示すＨＳＫタイプのホルダの場合にはHSK-40〜HSK-100を対象とし、モデル変更可能としている。つまり、解析モデルは、上記ホルダを適用できる主軸２０の体格を意味する。
解析結果について、図４を参照して説明する。図４は、ホルダ２２にBT-40を適用したcase1、ホルダ２２にBT-40を適用したcase2、ホルダ２２にBT-50を適用したcase3、ホルダ２２にHSKA-40を適用したcase4の４種類についての解析結果である。ここで、case1とcase2は、工具径／工具長を異なる値とした。また、case3は、case1に対して工具径を異なる値とした。このとき、解析モデルの減衰付加軸受５０の減衰係数C1のみを適宜変更し、他の減衰係数C2〜C5は7,000N・s/mとした。また、ばね定数K1〜K5は同一とした。
ここで、図４における領域Ａは、転がり軸受のみにより主軸２０を支持する場合の減衰係数の範囲を示し、およそ2,000〜7,000N・s/mの範囲である。つまり、他の減衰係数C2〜C5は、転がり軸受の減衰係数の相当値としている。また、図４における領域Ｂは、油静圧軸受のみにより主軸２０を支持する場合の減衰係数の範囲を示し、およそ1,150,000〜7,000,000N・s/mの範囲である。
図４に示すように、転がり軸受４１〜４４に加えて減衰付加軸受５０により主軸２０を支持することで、減衰係数を、転がり軸受のみの場合（領域Ａ）と油静圧軸受のみの場合（領域Ｂ）の間に設定することができる。特に、減衰付加軸受５０の減衰係数C1を10,000〜1,000,000N・s/mの範囲とすることで、共振点のコンプライアンスの最大値を極小値付近にすることができる。
ここで、共振点のコンプライアンスの最大値が大きいほど、当該共振点付近においてびびりが発生しやすい状態となる。そこで、上記のように減衰係数C1を設定することにより
、共振点のコンプライアンスの最大値を小さくすることで、びびりの発生を抑制できる。特に、減衰付加軸受５０の減衰係数C1を30,000〜70,000N・s/mの範囲にすることで、上記のケースの全てにおいて、極小値付近の範囲とすることができる。
次に、横軸に周波数とし、縦軸にコンプライアンスとした解析結果のグラフである図５Ａ〜図５Ｃを参照して説明する。当該解析は、ホルダ２２にBT-40を適用したcase1とし、減衰係数C1を、1,000、7,000、10,000、30,000、50,000、70,000、100,000、300,000、500,000、700,000、1,000,000N・s/mに変化させた。
図５Ａには、見やすくするために、減衰係数C1を7,000、70,000、1,000,000N・s/mの３種類について図示している。図５Ａによれば、減衰係数C1を7,000 N・s/mとした場合、すなわち転がり軸受の減衰係数と同一とした場合には、以下のようになっている。1,500Hz以下の周波数帯域において１次、２次、３次の共振点（図５Ａの領域Ｃ）が存在する。これらの共振点を低次共振点（本発明における「仮想低次共振点」に相当する）を称する。低次共振点におけるコンプライアンスは、1.0E-06m/N程度である。さらに、全体として最も大きなコンプライアンスを示す共振点（図５Ａの領域Ｅ）が1,500Hz以上の範囲に存在する。この共振点を高次共振点（本発明における「仮想高次共振点」に相当する）を称する。なお、図５Ａにおいては、最も大きなコンプライアンスを示す共振点（領域Ｅ）は、1,500〜2,000Hzの範囲に存在するが、工具条件や仕様によっては、2,000Hz以上の範囲に当該共振点が存在する場合がある。
ここで、びびりの発生を抑制するためには、コンプライアンスの最大値を小さくすることが効果的である。さらには、複数存在する共振点のコンプライアンスを小さくすることにより、幅広い周波数帯においてびびりの発生を抑制できるようになる。さらに、共振点の数が少ないほど、びびりの発生の抑制に効果的である。
図５Ａにおいて、減衰係数C1を1,000,000 N・s/mとした場合には、以下のようになっている。1,500Hz以下の周波数帯域において、低次共振点（図５Ａの領域Ｃ）のコンプライアンスが小さくなっているのに対して、1,000Hz付近に新たな共振点を誘起している（領域Ｄ）。一方、1,500Hz以上の周波数帯域において、高次共振点（図５Ａの領域Ｅ）のコンプライアンスは、減衰係数C1を7,000 N・s/mとした場合に比べて、小さくなっている。ただし、2,000Hz付近において、新たな共振点が誘起されている（領域Ｆ）。全体として見ると、減衰係数C1を1,000,000 N・s/mとした場合には、7,000 N・s/mとした場合に対して、コンプライアンスの最大値が小さくなっている一方、新たな共振点として、1,000Hz付近と2,000Hz付近とに誘起している（領域Ｄ，Ｆ）。
図５Ａにおいて、減衰係数C1を70,000 N・s/mとした場合には、以下のようになっている。1,500Hz以下の周波数帯域において、減衰係数C1を7,000 N・s/mとした場合に比べて、低次共振点（図５Ａの領域Ｃ）のコンプライアンスが小さくなっている。また、1,500Hz以下の周波数帯において、領域Ｄのような新たな共振点が誘起されていることもない。さらに、1,500 Hz以上の周波数帯域において、高次共振点（図５の領域Ｅ）のコンプライアンスは、減衰係数C1を7,000 N・s/mとした場合に比べて、小さくなっている。また、1,500Hz以上の周波数帯において、領域Ｆのような新たな共振点が誘起されていることもない。
次に、図５Ｂを参照して、減衰係数C1を1,000〜70,000 N・s/mの範囲について詳細に検討する。減衰係数C1を1,000 N・s/mとすると、7,000 N・s/mとした場合に比べて、低次共振点および高次共振点のコンプライアンスが大きくなる。
一方、減衰係数C1を7,000 N・s/mから70,000 N・s/mへ大きくするにつれて、低次共振点および高次共振点のコンプライアンスが小さくなる。さらに、減衰係数C1を7,000〜70,000 N・s/mの範囲とした場合において、1,500Hz以下の誘起共振点（図５Ａの領域Ｄ）および1,500Hz以上の誘起共振点（図５Ａの領域Ｆ）は、どちらも発生しない。
次に、図５Ｃを参照して、減衰係数C1を70,000〜1,000,000 N・s/mの範囲について詳細に検討する。減衰係数C1を7,000 〜1,000,000 N・s/mの範囲において、低次共振点（図５Ａの領域Ｃ）および高次共振点（図５Ａの領域Ｅ）のコンプライアンスは、それほど変化しない。
減衰係数C1を100,000 N・s/mとした場合には、70,000 N・s/mの場合に比べると、1,000Hz付近および2,000Hz付近において、コンプライアンスが大きくなっているが、共振点の発生はない。
一方、減衰係数C1を100,000 N・s/mからさらに大きくすると、1,500Hz以下において低次共振点以外の新たな誘起共振点（図５Ａの領域Ｄ）および1,500Hz以上の高次共振点以外の新たな誘起共振点（図５Ａの領域Ｆ）が発生している。そして、減衰係数C1を100,000 N・s/mからさらに大きくするにつれて、それらのコンプライアンスが大きくなっている。
図５Ａ〜図５Ｃによれば、減衰係数C1を10,000〜1,000,000 N・s/mの範囲とすることで、コンプライアンスの最大値を小さくすることができる。さらに、当該範囲により、低次共振点（図５Ａの領域Ｃ）および高次共振点（図５Ａの領域Ｅ）のコンプライアンスを小さくできる。
さらに、減衰係数C1を30,000 N・s/m以上とすることで、高次共振点（図５Ａの領域Ｅ）のコンプライアンスを極めて小さくすることができる。すなわち、上記範囲により、高次共振点のコンプライアンスを、減衰係数C1を最適な70,000 N・s/mとした場合とほぼ同程度とすることができる。
さらに、減衰係数C1を100,000 N・s/m以下とすることで、1,500Hz以下における新たな誘起共振点（図５Ａの領域Ｄ）および1,500Hz以上における誘起共振点（図５Ａの領域Ｆ）を発生させないようにできる。
４１〜４４：転がり軸受、 ２０：主軸、 ２１：回転工具、 ２２：ホルダ、 ５０：減衰付加軸受

Claims (2)

  1. 回転工具を保持して回転駆動される主軸と、
    前記主軸を回転可能に支持する転がり軸受と、
    前記主軸を回転可能に支持し、前記転がり軸受における減衰係数より大きな減衰係数を有する減衰付加軸受と、
    を備え、
    前記減衰付加軸受における減衰係数を仮想的に前記転がり軸受と同一の減衰係数とした場合に、1,500Hz以下の周波数帯域において発生する共振点を仮想低次共振点と定義し、かつ、当該仮想低次共振点におけるコンプライアンスを仮想コンプライアンスと定義し、
    前記減衰付加軸受における減衰係数は、
    10,000〜1,000,000 N・s/mの範囲とし、
    かつ、前記仮想低次共振点における実際のコンプライアンスを、仮想コンプライアンスより小さくする範囲とし、
    かつ、前記仮想低次共振点より高くかつ1,500Hz以下の周波数帯域において前記仮想低次共振点に対して新たな共振点を誘起しない範囲とする、主軸装置。
  2. 回転工具を保持して回転駆動される主軸と、
    前記主軸を回転可能に支持する転がり軸受と、
    前記主軸を回転可能に支持し、前記転がり軸受における減衰係数より大きな減衰係数を有する減衰付加軸受と、
    を備え、
    前記減衰付加軸受における減衰係数を仮想的に前記転がり軸受と同一の減衰係数とした場合に、1,500Hz以上の周波数帯域において発生する共振点を仮想高次共振点と定義し、
    前記減衰付加軸受における減衰係数は、
    10,000〜1,000,000 N・s/mの範囲とし、
    かつ、1,500Hz以上の周波数帯域において前記仮想高次共振点に対して新たな共振点を誘起しない範囲とする、主軸装置。
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