CN103506637A - 主轴装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及主轴装置。其具备：主轴（20），其保持旋转工具（21）并被旋转驱动；轴承（41）～（44），其可旋转地支承主轴（20）；和阻尼附加轴承（50），其可旋转地支承主轴（20），并具有比轴承（41）～（44）的阻尼系数（C2～C5）大的阻尼系数（C1）。阻尼附加轴承（50）的阻尼系数（C1）被设定在10,000～1,000,000N·m/s的范围。本发明的主轴装置能够更可靠地抑制颤振。

Description

主轴装置
技术领域
本发明涉及在机床中使用的主轴装置。
背景技术
例如，在日本特开平6-8005号公报中，公开有在配置于主轴的前侧（工具侧）的前侧轴承和前侧壳体之间安装中间壳体，并利用附加了阻尼性的静压轴承支承中间壳体来抑制加工中的主轴的颤振的主轴装置。另外，在日本特开2004-106091号公报中公开有与配置在主轴的前侧（工具侧）的球轴承并列设置空气静压轴承来抑制加工中的主轴的颤振的主轴装置。另外，在US2008/0231129 A1中公开有在主轴的前侧（工具侧）设置多个径向磁轴承以及多个径向位移传感器，基于由径向位移传感器检测出的径向的位移来控制径向磁轴承的电磁铁，抑制主轴的共振的主轴装置。
但在现有技术中，存在阻尼力弱、主轴颤振的抑制效果不足这样的课题。
发明内容
本发明提供能够更可靠地抑制颤振的主轴装置。
根据本发明的一个例子，本单元的主轴装置具备：主轴，其保持旋转工具并被旋转驱动；可旋转地支承上述主轴的轴承；可旋转地支承上述主轴并具有比上述轴承的阻尼系数大的阻尼系数的阻尼附加轴承，上述阻尼附加轴承的阻尼系数被设定10,000～1,000,000N·m/s的范围。
根据本发明的另一个例子，上述阻尼附加轴承的阻尼系数被设定为30,000～700,000N·m/s的范围。
进一步根据本发明的另一个例子,上述阻尼附加轴承的阻尼系数被设定为30,000～100,000N·m/s的范围。
附图说明
通过以下参照附图对本发明的优选实施方式进行的详细描述，本发明前述的和其它的特点和优点得以进一步明确。其中，附图标记表示本发明的要素，其中，
图1是本发明的实施方式中的主轴装置的轴向剖视图。
图2是图1的主轴装置的解析模型。
图3A是构成图1的主轴装置的旋转工具的支架的BT类型的图。
图3B是构成图1的主轴装置的旋转工具的支架的HSK类型的图。
图4是表示使图2所示的解析模型的阻尼系数C1变化的情况下的共振点的弹性柔量的最大值的关系的图。
图5A表示图2所示的解析模型频率特性，纵轴表示弹性柔量，即表示相对赋予的力的旋转工具的前端的位移量。示出阻尼系数C1为7,000、70,000、1,000,000这3个种类。
图5B与图5A相同，表示解析模型频率特性，示出阻尼系数C1为1,000～70,000之间的6个种类。
图5C与图5A相同，表示解析模型频率特性，示出阻尼系数C1为70,000～1,000,000之间的6个种类。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施例进行说明。
参照图1对主轴装置的构成进行说明。如图1所示，主轴装置具备壳体10、主轴20、马达30、多个轴承41～44、和阻尼附加轴承50。
壳体10形成为中空筒状，在其中插通主轴20。主轴20在前端侧（图1的左侧）保持着具有被支架22保持的状态的旋转工具21。马达30被配置在壳体10的筒内，具备固定在壳体10上的定子31以及固定在主轴20上的转子32。
轴承41～44以能够使主轴20相对于壳体10旋转的方式对主轴20进行支承。轴承41～43例如应用球轴承，被配置在相对于马达30的旋转工具21侧（前侧）。另一方面，轴承44例如应用滚柱轴承，并被配置在相对于马达30的旋转工具21的相反侧（后侧）。即，将轴承41～44配置成在轴向中央夹着马达30的方式。
阻尼附加轴承50例如采用油等的流体静压轴承，被配置在与最靠近旋转工具21侧的轴承41相比还要靠近旋转工具21侧的位置。即，阻尼附加轴承50在所有的轴承41～44、50中，被配置在最靠近旋转工具21侧。并且，阻尼附加轴承50具有比轴承41～44的阻尼系数大的阻尼系数。该阻尼系数的详细内容后述。此外，阻尼附加轴承50能够根据附加的阻尼系数C，适当地改用油静压轴承、空气静压轴承、磁轴承等。
接下来，参照图2，对主轴装置的解析模型进行说明。如图2所示，能够通过弹簧常数K的弹簧成分、阻尼系数C的阻尼成分来表示轴承。这里，分别将阻尼附加轴承50、轴承41～44的弹簧常数以及阻尼系数表示为K1～K5、C1～C5。
而且，在适当地赋予了K1～K5、C1～C5的状态下，对旋转工具21的前端赋予沿主轴20的径向的力。这样，主轴20如双点划线所示那样发生变形。计算此时的旋转工具21的前端的位移量。
这里，将主轴20的前端侧设为对相当于支架22的部分进行了模型化后的形状。该支架22是如图3A所示的BT类型的支架的情况下将BT-30～BT-50作为对象，或者，是如图3B所示的HSK类型的支架的情况下将HSK-40～HSK-100作为对象，来变更模型。即，解析模型是指能够应用上述支架的主轴20轴体。MAS是在日本机床产业标准（Japan Machine Tool builder's Association Standard）中规定的工具的标准，HSK是在ISO中规定的工具的标准。
参照图4对解析结果进行说明。图4是将BT-40应用于支架22的例（case）1、将BT-40应用于支架22的例2、将BT-50应用于支架22的例3、将HSKA-40应用于支架22的例4这4个种类的解析结果。这里，在例1和例2中，将工具直径/工具长度设为不同的值。另外，在例3中，相对于例1将工具直径设为不同的值。此时，仅适当地变更解析模型的阻尼附加轴承50的阻尼系数C1，将其他的阻尼系数C2～C5设为7,000N·s/m。另外，将弹簧常数K1～K5设为相同。
这里，图4中的区域A表示仅利用轴承来支承主轴20的情况下的阻尼系数的范围，大概是2,000～7,000N·s/m的范围。即，将其他的阻尼系数C2～C5设为轴承的阻尼系数的等效值。另外，图4中的区域B表示仅利用油静压轴承支承主轴20的情况下的阻尼系数的范围，大概是1,150,000～7,000,000N·s/m的范围。
如图4所示，除了利用轴承41～44之外，还利用阻尼附加轴承50支承主轴20，从而能够将阻尼系数设定在仅有轴承的情况（区域A）和仅有油静压轴承的情况（区域B）之间。特别是，通过将阻尼附加轴承50的阻尼系数C1设为10,000～1,000,000N·s/m的范围，从而能够将共振点的弹性柔量（compliance）的最大值达到极小值附近。
这里，共振点的弹性柔量的最大值越大，越成为在该共振点附近容易产生振动的状态。因此，通过如上述那样设定阻尼系数C1来减小共振点的弹性柔量的最大值，能够抑制振动的产生。特别是，将阻尼附加轴承50的阻尼系数C1设为30,000～700,000N·s/m的范围内，从而在上述所有例子中，都能够落入极小值附近的范围。
接下来，参照将横轴设为频率、将纵轴设为弹性柔量的解析结果的图5A～图5C来进行说明。该解析在将BT-40应用于支架22的例1中，使阻尼系数C1变化为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。
在图5A中，为了易于观看，图示出将阻尼系数C1设为7,000、70,000、1,000,000N·s/m的这3种。根据图5A，在将阻尼系数C1设为7,000N·s/m的情况下，即设为与轴承的阻尼系数相同的情况下，如下所示。在1,500Hz以下的频带中存在1次、2次、3次的共振点（图5A的区域C）。将这些共振点称为低阶共振点（相当于本发明中的“虚拟低阶共振点”）。低阶共振点中的弹性柔量是1.0E-06m/N左右。并且，表示在整体上最大的弹性柔量的共振点（图5A的区域E）存在于1,500Hz以上的范围内。将该共振点称为高阶共振点（相当于本发明中的“虚拟高阶共振点”）。应予以说明，在图5A中，表示最大的弹性柔量的共振点（区域E）存在于1,500～2,000Hz的范围，但根据工具条件、式样，有时该共振点存在于2,000Hz以上的范围。
这里，为了抑制振动的产生，而减小弹性柔量的最大值是有效的。进而，通过减小存在多个的共振点的弹性柔量，能够在宽度较宽的频带中抑制振动的产生。并且，共振点的个数越少，抑制振动的产生越有效。
在图5A中，在将阻尼系数C1设为1,000,000N·s/m的情况下，如以下所示。在1,500Hz以下的频带中，低阶共振点（图5A的区域C）的弹性柔量减小，相对于此，在1,000Hz附近引发新的共振点（区域D）。另一方面，在1,500Hz以上的频带中，与将阻尼系数C1设为7,000N·s/m的情况相比，高阶共振点（图5A的区域E）的弹性柔量减小。但在2,000Hz附近引发新的共振点（区域F）。从整体来看，将阻尼系数C1设为1,000,000N·s/m的情况下，相对于设为7,000N·s/m情况而言，弹性柔量的最大值减小，另一方面，在1,000Hz附近和2,000Hz附近引发新的共振点（区域D、F）。
在图5A中，在将阻尼系数C1设为70,000N·s/m的情况下，如以下所示。在1,500Hz以下的频带中，与将阻尼系数C1设为7,000N·s/m的情况相比，低阶共振点（图5A的区域C）的弹性柔量减小。另外，在1,500Hz以下的频率带中，也不会引发区域D那样的新的共振点。并且，在1,500Hz以上的频带中，与将阻尼系数C1设为7,000N·s/m的情况相比，高阶共振点（图5的区域E）的弹性柔量减小。另外，在1,500Hz以上的频率带中，也不会引发区域F那样的新的共振点。
接下来，参照图5B，对将阻尼系数C1设定在1,000～70,000N·s/m的范围内的情况进行详细研究。若将阻尼系数C1设为1,000N·s/m，则与设为7,000N·s/m的情况相比，低阶共振点以及高阶共振点的弹性柔量增大。
另一方面，随着使阻尼系数C1从7,000N·s/m向70,000N·s/m增大，低阶共振点以及高阶共振点的弹性柔量减小。并且，在将阻尼系数C1设定在7,000～70,000N·s/m的范围的情况下，均不产生1,500Hz以下的引发共振点（图5A的区域D）以及1,500Hz以上的引发共振点（图5A的区域F）。
接下来，参照图5C，对将阻尼系数C1在70,000～1,000,000N·s/m的范围的情况进行详细研究。在将阻尼系数C1在7,000～1,000,000N·s/m的范围内，低阶共振点（图5A的区域C）以及高阶共振点（图5A的区域E）的弹性柔量基本不发生变化。
在将阻尼系数C1在100,000N·s/m的情况下，若与70,000N·s/m的情况相比，弹性柔量在1,000Hz附近以及2,000Hz附近增大，但不会产生共振点。
另一方面，若使阻尼系数C1从100,000N·s/m进一步增大，则在1,500Hz以下产生低阶共振点以外的新的引发共振点（图5A的区域D）以及产生1,500Hz以上的高阶共振点以外的新的引发共振点（图5A的区域F）。而且，随着使阻尼系数C1从100,000N·s/m进一步增大，它们的弹性柔量增大。
根据图5A～图5C，通过将阻尼系数C1设定在10,000～1,000,000N·s/m的范围，能够减小弹性柔量的最大值。并且，通过该范围，能够减小低阶共振点（图5A的区域C）以及高阶共振点（图5A的区域E）的弹性柔量。
并且，通过将阻尼系数C1设定在30,000N·s/m以上，能够使高阶共振点（图5A的区域E）的弹性柔量极小。即，通过上述范围，能够使高阶共振点的弹性柔量变成与将阻尼系数C1设定在最佳的70,000N·s/m时几乎相同的程度。
并且，通过将阻尼系数C1设定在100,000N·s/m以下，能够不产生1,500Hz以下的新的引发共振点（图5A的区域D）以及1,500Hz以上的引发共振点（图5A的区域F）。
通过将阻尼附加轴承配置在最靠近旋转工具侧，能够更有效地发挥该轴承的阻尼效果，作为结果能够更有效地抑制颤振。
通过使1,500Hz以下的频带中的虚拟低阶共振点的实际的弹性柔量比虚拟弹性柔量小，能够抑制该频带中的颤振的产生。
另外，能够通过使比虚拟低阶共振点高且1,500Hz以下的频带中不引发新的共振点，抑制因附加阻尼而引发的负面影响，并且整体上抑制颤振的产生。
能够通过使1,500Hz以上的频带中不引发新的共振点，抑制因附加阻尼而引发的负面影响，并在整体上抑制颤振的产生。
在将MASBT-30～BT-50或者HSK-40～HSK-100等工具支架应用于旋转工具时，能够可靠地抑制颤振。
通过作为阻尼附加轴承而采用流体静压轴承，能够容易并且可靠地附加高的阻尼。

Claims (9)

1.一种主轴装置，其特征在于，具备：
主轴，其保持旋转工具并被旋转驱动；
轴承，其可旋转地支承所述主轴；
阻尼附加轴承，可旋转地支承所述主轴，并具有比所述轴承的阻尼系数大的阻尼系数，
所述阻尼附加轴承的阻尼系数被设定为10,000～1,000,000N·m/s的范围。
2.根据权利要求1所述的主轴装置，其特征在于，
所述阻尼附加轴承的阻尼系数被设定为30,000～700,000N·m/s的范围。
3.根据权利要求2所述的主轴装置，其特征在于，
所述阻尼附加轴承的阻尼系数被设定为30,000～100,000N·m/s的范围。
4.根据权利要求1所述的主轴装置，其特征在于，
所述主轴被包含所述轴承以及所述阻尼附加轴承的多个轴承所支承，
所述阻尼附加轴承在所有的轴承中被配置于最靠近所述旋转工具侧。
5.根据权利要求1所述的主轴装置，其特征在于，
当假设将所述阻尼附加轴承的阻尼系数设定为与所述轴承相同的阻尼系数的情况下，将在1,500Hz以下的频带中产生的共振点定义为虚拟低阶共振点，并且，将该虚拟低阶共振点的弹性柔量定义为虚拟弹性柔量，
所述阻尼附加轴承的阻尼系数被设定为使所述虚拟低阶共振点的实际的弹性柔量小于虚拟弹性柔量的范围。
6.根据权利要求5所述的主轴装置，其特征在于，
所述阻尼附加轴承的阻尼系数被设定为比所述虚拟低阶共振点高且在1,500Hz以下的频带中针对所述虚拟低阶共振点而不引发新的共振点的范围。
7.根据权利要求1所述的主轴装置，其特征在于，
当假设将所述阻尼附加轴承的阻尼系数设定为与所述轴承相同的阻尼系数的情况下，将在1,500Hz以上的频带中产生的共振点定义为虚拟高阶共振点，
所述阻尼附加轴承的阻尼系数被设定为在1,500Hz以上的频带中针对所述虚拟高阶共振点而不引发新的共振点的范围。
8.根据权利要求1所述的主轴装置，其特征在于，
所述阻尼附加轴承的阻尼系数在当对所述旋转工具应用MASBT-30～BT-50或HSK-40～HSK-100工具支架时，被设定为所述范围。
9.根据权利要求1所述的主轴装置，其特征在于，
所述阻尼附加轴承是流体静压轴承。
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