JP2005161457A - Main spindle device - Google Patents

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JP2005161457A JP2003402931A JP2003402931A JP2005161457A JP 2005161457 A JP2005161457 A JP 2005161457A JP 2003402931 A JP2003402931 A JP 2003402931A JP 2003402931 A JP2003402931 A JP 2003402931A JP 2005161457 A JP2005161457 A JP 2005161457A
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vibration
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Sumio Sugita
澄雄 杉田
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NSK Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a main spindle device having the damping function capable of effectively absorbing its vibrational energy even in a little amplitude by vibration. <P>SOLUTION: This main spindle device 10 has a freely rotatable rotary shaft 11, a fixed side bearing 12 having an inner ring 13 fitted around one end of the rotary shaft 11 and having an outer ring 14 fixed to a housing 16, a sleeve 16 arranged on the other end side of the rotary shaft 11, inserted into the housing 16 and movable in the shaft direction of the rotary shaft 11, and an anti-fixed side bearing 17 having an inner ring 18 fitted around the other end of the rotary shaft 11, having an outer ring 19 fixed to the sleeve 16 and preloaded with constant pressure. Silicon oil having a coefficient of kinetic viscosity of 5,000 to 30,000 mm<SP>2</SP>/s of oil at 40°C, is applied to an outer diameter of the sleeve 16. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、工作機械等の高速回転する主軸装置に関する。   The present invention relates to a spindle device that rotates at high speed, such as a machine tool.

従来の主軸装置の一例として、スリーブに減衰特性を与え、振動特性を改善するようにした主軸装置が知られている。このような主軸装置は、油圧シリンダ装置等からなる予圧設定手段により、主軸を支承する軸受に所定の予圧を付与した後、この予圧負荷状態にある軸受を、その構成材料よりも減衰特性に優れる一定圧力の圧油等の予圧保持手段によって保持している(例えば、特許文献1参照)。   As an example of a conventional spindle apparatus, a spindle apparatus is known in which a damping characteristic is given to a sleeve to improve vibration characteristics. Such a spindle device has a damping characteristic better than that of its constituent material after a predetermined preload is applied to a bearing that supports the spindle by a preload setting means including a hydraulic cylinder device or the like. It is held by preload holding means such as pressure oil at a constant pressure (see, for example, Patent Document 1).

また、従来の主軸装置の他の一例として、摩擦を利用してスリーブの振動を抑えるようにした主軸装置が知られている。このような主軸装置は、ハウジングと、ハウジングの前側内部に装着された前側軸受と、ハウジングの後側内部にその軸線方向に所定範囲移動可能に装着されたスリーブと、スリーブの前側内部にスリーブと一体に移動可能に装着された後側軸受と、ハウジングの内部に前側軸受と後側軸受とを介して回転自在に支持されたシャフトと、後側軸受にその軸方向への予圧を付与する予圧バネとを具備した予圧型スピンドルにおいて、スリーブの後側軸受とその軸方向に離間した位置にハウジングと一体に設けられ且つ円周上等間隔または円周上全周に亘って振動防止作用を行なう振動防止手段を設けている(例えば、特許文献2参照)。
特開平5−177406号公報 特開平10−238538公報
As another example of a conventional spindle device, there is known a spindle device that suppresses vibration of a sleeve using friction. Such a spindle device includes a housing, a front bearing mounted inside the front side of the housing, a sleeve mounted inside the rear side of the housing so as to be movable within a predetermined range in its axial direction, and a sleeve inside the front side of the sleeve. A rear bearing mounted so as to be movable integrally, a shaft rotatably supported through a front bearing and a rear bearing inside the housing, and a preload for applying a preload in the axial direction to the rear bearing In a preload type spindle having a spring, vibration prevention is provided integrally with the rear bearing of the sleeve and the housing at a position spaced apart in the axial direction, and performs vibration preventing action at equal intervals on the circumference or on the entire circumference. Means are provided (see, for example, Patent Document 2).
JP-A-5-177406 Japanese Patent Laid-Open No. 10-238538

ところで、通常、定圧予圧の主軸装置では、軸受の予圧荷重を一定に保つため、反固定側軸受が軸方向にスライドする構造となっている。その際、軸受が傾き、引っ掛からないように、軸受スリーブを使うことが多い。
この場合、軸受スリーブは予圧を一定にするためにスライドさせているので、逆に振動を発生しやすいことが問題となる。さらに、定位置予圧の主軸装置に比べて、同じ予圧荷重を付加しても、軸のアキシャル剛性が略半分になることから、アキシャルの共振点が低くなり振動しやすくなる。そこで、特許文献1や特許文献2に挙げたように減衰特性を与えて振動を低減する方法が提案されている。
By the way, normally, the main shaft device of constant pressure preload has a structure in which the non-fixed-side bearing slides in the axial direction in order to keep the preload of the bearing constant. At that time, a bearing sleeve is often used so that the bearing is not tilted and caught.
In this case, since the bearing sleeve is slid to make the preload constant, the problem is that vibration tends to occur. Furthermore, even if the same preload is applied, the axial rigidity of the shaft is substantially halved even when the same preload is applied as compared with the fixed position preload spindle device, so that the axial resonance point is lowered and vibration is likely to occur. Therefore, as described in Patent Document 1 and Patent Document 2, a method of reducing the vibration by providing a damping characteristic has been proposed.

高速回転する主軸装置においてスリーブが振動する変位量は、スリーブの共振点においても、実際のところ数μmであり、この数μmの振動が問題となっている。工作機械用の主軸装置であれば、びびり、の発生や、加工面の品質の低下や、騒音の増加といった問題が発生する。このような、わずか数μmの振動に対して効果的に減衰特性を与えて振動を低減することは難しかった。   The amount of displacement that the sleeve vibrates in the spindle device that rotates at high speed is actually several μm even at the resonance point of the sleeve, and this vibration of several μm is a problem. In the case of a spindle device for a machine tool, problems such as chattering, degradation of the quality of the machined surface, and increase in noise occur. It has been difficult to effectively reduce the vibration by giving damping characteristics to such a vibration of only a few μm.

上記特許文献1では、軸受ケースが振動した場合にシリンダ室内の減衰特性によって、振動を減衰させることを期待しているが、実際にはシリンダ内の油は弾性的に振る舞うので、振動のエネルギーを吸収する量はわずかであり、振動を確実に減衰するには至らない。   In the above Patent Document 1, when the bearing case vibrates, it is expected that the vibration is damped by the damping characteristic in the cylinder chamber. However, since the oil in the cylinder behaves elastically, the vibration energy is actually reduced. The amount absorbed is small and does not reliably dampen vibration.

また、上記特許文献2では、振動振幅が小さく、摩擦板がスリーブを弾性支持していることになり、その結果、減衰要素とはならない場合がある。   In Patent Document 2, the vibration amplitude is small, and the friction plate elastically supports the sleeve. As a result, it may not be a damping element.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、わずかな振動振幅においても効果的にその振動エネルギーを吸収することができる減衰機能をもつ主軸装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a spindle device having a damping function capable of effectively absorbing vibration energy even with a small vibration amplitude. .

1)本発明の主軸装置は、回転自在な回転軸と、内輪が前記回転軸の一端に外嵌され、外輪がハウジングに固定された固定側軸受と、前記回転軸の他端側に配され、前記ハウジングに内挿されて前記回転軸の軸方向に移動可能なスリーブと、内輪が前記回転軸の他端に外嵌され、外輪が前記スリーブに固定されて定圧予圧され、前記固定側軸受と共働して前記回転軸を回動自在に支持する反固定側軸受と、を備えた主軸装置であって、前記スリーブの外径に、40℃における動粘度が5000〜30000mm2/sであるシリコン油が塗布されていることを特徴とする。 1) A main shaft device according to the present invention includes a rotatable rotating shaft, an inner ring fitted on one end of the rotating shaft, a fixed bearing having an outer ring fixed to a housing, and the other end of the rotating shaft. A sleeve inserted in the housing and movable in the axial direction of the rotating shaft; an inner ring is fitted on the other end of the rotating shaft; an outer ring is fixed to the sleeve and is preloaded at a constant pressure; And a non-fixed side bearing that rotatably supports the rotating shaft, and the outer diameter of the sleeve has a kinematic viscosity at 40 ° C. of 5000 to 30000 mm 2 / s. It is characterized in that a certain silicone oil is applied.

前記構成の主軸装置によれば、スリーブの外径に塗布された、高い粘度である、40℃における動粘度が5000〜30000mm2/sであるシリコン油により減衰性を得ている。 According to the spindle device having the above-described configuration, the damping property is obtained by the silicon oil having a high viscosity and a kinematic viscosity at 40 ° C. of 5000 to 30000 mm 2 / s applied to the outer diameter of the sleeve.

従って、スリーブが振動すると、スリーブの外径とハウジングのすきまとに介在する油の粘性によりせん断抵抗が発生するが、計算および試験の結果、主軸系として実際に振動が低減するために必要な動粘度は5000mm2/s以上であることがわかった。また、必要以上に大きな粘性を持たせると、動的な振動モデルが変化し、別の共振点が現れるために、動粘度は30000mm2/s以下としなければならないことがわかった。これらの特性を実現するために、シリコン油が適していることがわかった。これにより、わずかな振動振幅においても効果的にその振動エネルギーを吸収することができる減衰機能をもつ主軸装置を提供することができる。 Therefore, when the sleeve vibrates, shear resistance is generated due to the viscosity of the oil intervening between the outer diameter of the sleeve and the clearance of the housing. However, as a result of calculations and tests, the movement necessary for actually reducing the vibration as the main spindle system is generated. The viscosity was found to be over 5000 mm 2 / s. It was also found that the kinematic viscosity should be less than 30000 mm 2 / s because the dynamic vibration model changes and another resonance point appears when the viscosity is increased more than necessary. Silicon oil has been found to be suitable for realizing these properties. As a result, it is possible to provide a spindle device having a damping function capable of effectively absorbing vibration energy even with a small vibration amplitude.

なお、シリコン油としては、ジメチルポリシロキサン、ジメチコーン、シリコンゴムから界面活性を持たせた変成シリコンでジメチコーンコポリオールを例示できる。シリコン油は、高い粘度を実現できるほか、密度が高く、温度粘度特性が平坦(例えばVI値120以上)であるため、冬場の低温においても急激な粘度上昇がなく、さらに使用中の発熱による高温においても粘度低下が少ないため、減衰特性に変化が少なく幅広い温度条件で使用可能である。   Examples of silicone oil include dimethicone copolyol, which is a modified silicone having surface activity from dimethylpolysiloxane, dimethicone, or silicon rubber. Silicone oil has high viscosity, high density and flat temperature viscosity characteristics (for example, VI value of 120 or more), so there is no sudden increase in viscosity even at low temperatures in winter, and high temperature due to heat generation during use. Since there is little decrease in viscosity, there is little change in the damping characteristics and it can be used under a wide range of temperature conditions.

2)本発明の主軸装置は、回転自在な回転軸と、内輪が前記回転軸の一端に外嵌され、外輪がハウジングに固定された固定側軸受と、前記回転軸の他端側に配され、前記ハウジングに内挿されて前記回転軸の軸方向に移動可能なスリーブと、内輪が前記回転軸の他端に外嵌され、外輪が前記スリーブに固定されて定圧予圧され、前記固定側軸受と共働して前記回転軸を回動自在に支持する反固定側軸受と、を備えた主軸装置であって、前記スリーブが、弾性支持された質量部材を付加されていることを特徴とする。   2) The main shaft device of the present invention is arranged on a rotatable rotating shaft, an inner ring is fitted on one end of the rotating shaft, a fixed bearing having an outer ring fixed to a housing, and the other end of the rotating shaft. A sleeve inserted in the housing and movable in the axial direction of the rotating shaft, an inner ring is fitted on the other end of the rotating shaft, an outer ring is fixed to the sleeve and is preloaded at a constant pressure, and the fixed bearing And a non-fixed side bearing that rotatably supports the rotating shaft, wherein the sleeve is provided with an elastically supported mass member. .

前記構成の主軸装置によれば、質量部材として動吸振器を用いることにより振動を吸収している。このようにすると、従来のようにスリーブとハウジングとの間に直接減衰を与えるのではなく、スリーブに付加した質量を振動させてエネルギーを吸収することができる。この動吸振器の設計を適切に行うことにより、付加質量のみ振動振幅を大きして振動エネルギーを吸収することが可能となる。付加質量の振幅はスリーブの振動振幅に比して大きいので、この振動エネルギーはダンパにより容易に吸収することが可能である。これにより、スリーブのスライド特性を全く犠牲にすることなく、振動を確実に吸収することができる。   According to the spindle device having the above-described configuration, vibration is absorbed by using a dynamic vibration absorber as the mass member. In this way, it is possible to absorb the energy by vibrating the mass added to the sleeve, instead of directly giving the damping between the sleeve and the housing as in the prior art. By appropriately designing this dynamic vibration absorber, it is possible to absorb vibration energy by increasing the vibration amplitude of only the additional mass. Since the amplitude of the additional mass is larger than the vibration amplitude of the sleeve, this vibration energy can be easily absorbed by the damper. As a result, vibration can be reliably absorbed without sacrificing the sliding characteristics of the sleeve at all.

本発明によれば、従来のような、振動を確実に減衰することができない、という問題を解消でき、これにより、わずかな振動振幅においても効果的にその振動エネルギーを吸収することができる減衰機能をもつ主軸装置を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to solve the problem that the vibration cannot be reliably damped as in the prior art, and thereby it is possible to effectively absorb the vibration energy even with a small vibration amplitude. Can be provided.

以下、本発明に係る複数の好適な実施の形態例を図面に基づいて詳細に説明する。図1は本発明に係る主軸装置の第1実施形態を示す断面図、図2は図1に示す主軸装置のアキシャル振動モデル、図3は油の動粘度を変更した場合の振動の大きさを調べたグラフ、図4は軸のアキシャル振動の周波数応答特性図、図5は油の動粘度と温度との関係を示すグラフ、図6は主軸装置を回転させた時のスリーブのアキシャル振動測定値のグラフである。   Hereinafter, a plurality of preferred embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. 1 is a cross-sectional view showing a first embodiment of a spindle device according to the present invention, FIG. 2 is an axial vibration model of the spindle device shown in FIG. 1, and FIG. 3 is a diagram showing the magnitude of vibration when the kinematic viscosity of oil is changed. Fig. 4 is a graph showing the frequency response characteristics of the axial vibration of the shaft, Fig. 5 is a graph showing the relationship between the kinematic viscosity and temperature of the oil, and Fig. 6 is a measurement value of the axial vibration of the sleeve when the spindle device is rotated. It is a graph.

また、図7は本発明に係る主軸装置の第2実施形態を示す断面図、図8は図7に示す主軸装置のアキシャル振動モデル、図9は図7に示す主軸装置における振動特性の解析結果表である。   7 is a sectional view showing a second embodiment of the spindle device according to the present invention, FIG. 8 is an axial vibration model of the spindle device shown in FIG. 7, and FIG. 9 is an analysis result of vibration characteristics in the spindle device shown in FIG. It is a table.

図1に示すように、本発明の第1実施形態である主軸装置10は、回転自在な回転軸(以下、単に軸とも言う。)11と、内輪13,13が回転軸11の一端に外嵌され、外輪14,14がハウジング15に固定された固定側軸受12,12と、回転軸11の他端側に配され、ハウジング15に内挿されて回転軸11の軸方向に移動可能なスリーブ(後側スリーブ)16と、内輪18,18が回転軸11の他端に外嵌され、外輪19,19がスリーブ16に固定されて定圧予圧され、固定側軸受12,12と共働して回転軸11を回動自在に支持する反固定側軸受17,17と、を備えた主軸装置10であって、スリーブ16の外径に、40℃における動粘度が5000〜30000mm2/sであるシリコン油が塗布されている。 As shown in FIG. 1, the main spindle device 10 according to the first embodiment of the present invention includes a rotatable rotating shaft (hereinafter also simply referred to as a shaft) 11 and inner rings 13, 13 at one end of the rotating shaft 11. The outer rings 14 and 14 are fitted to the fixed bearings 12 and 12 fixed to the housing 15 and the other end of the rotary shaft 11. The outer rings 14 and 14 are inserted into the housing 15 and movable in the axial direction of the rotary shaft 11. A sleeve (rear sleeve) 16 and inner rings 18, 18 are fitted on the other end of the rotary shaft 11, and outer rings 19, 19 are fixed to the sleeve 16 and constant pressure preloaded and cooperate with the fixed bearings 12, 12. The spindle device 10 includes anti-fixed bearings 17 and 17 that rotatably support the rotary shaft 11, and the outer diameter of the sleeve 16 has a kinematic viscosity at 40 ° C. of 5000 to 30000 mm 2 / s. Some silicone oil is applied.

ハウジング15は、内ハウジング24と、外筒21と、後側スリーブハウジング22と、リアカバー23と、からなる。   The housing 15 includes an inner housing 24, an outer cylinder 21, a rear sleeve housing 22, and a rear cover 23.

フロントカバー20は、前方端部に配されている。外筒21は、円筒形状に形成されており、前段の固定側軸受12,12を内嵌した内ハウジング24に外嵌されているとともに、ビルトインモータのステータ25を内周部に固定している。内ハウジング24には、潤滑油ノズル26,26が組付けられている。ステータ25は、モータ電源線(不図示)から所定の電流を供給されることにより、内周部に回転磁界を発生する。   The front cover 20 is disposed at the front end. The outer cylinder 21 is formed in a cylindrical shape, and is externally fitted to an inner housing 24 in which the front fixed side bearings 12 and 12 are fitted. The stator 25 of the built-in motor is fixed to the inner peripheral part. . Lubricating oil nozzles 26, 26 are assembled in the inner housing 24. The stator 25 is supplied with a predetermined current from a motor power line (not shown), thereby generating a rotating magnetic field in the inner periphery.

後側スリーブハウジング22は、円筒形状に形成されており、反固定側軸受17,17に外嵌された後側スリーブ16に外挿されている。リアケース23は、後方端部に配されている。   The rear sleeve housing 22 is formed in a cylindrical shape, and is externally inserted into the rear sleeve 16 that is externally fitted to the non-fixed side bearings 17 and 17. The rear case 23 is disposed at the rear end.

回転軸11は、ドローバ27を内装しており、このドローバ27を、戻しばね28に抗して進退移動させることにより、工具(不図示)をクランプまたはアンクランプする。また、回転軸11は、ビルトインモータのロータ29を、ステータ25の内周部に非接触に固定している。ロータ29は、ステータ25が発生した回転磁界により回転力を与えられて、回転軸11を回転させる。   The rotary shaft 11 includes a draw bar 27, and the draw bar 27 moves forward and backward against the return spring 28 to clamp or unclamp a tool (not shown). Further, the rotary shaft 11 fixes the rotor 29 of the built-in motor to the inner peripheral portion of the stator 25 in a non-contact manner. The rotor 29 is rotated by the rotating magnetic field generated by the stator 25 and rotates the rotating shaft 11.

固定側軸受12,12は、内径が65mmのセラミック玉アンギュラ軸受を並列組合せで用いており、内輪13,13が回転軸11の前端側に外嵌され、外輪14,14が前側スリーブ24に内嵌されている。   The fixed-side bearings 12 and 12 use ceramic ball angular bearings with an inner diameter of 65 mm in a parallel combination, the inner rings 13 and 13 are fitted on the front end side of the rotary shaft 11, and the outer rings 14 and 14 are fitted on the front sleeve 24. It is fitted.

反固定側軸受17,17は、固定側軸受12,12と同様の、内径が55mmのセラミック玉アンギュラ軸受を並列組合せで用いており、内輪18,18が回転軸11の後端側に外嵌され、外輪19,19が後側スリーブ26に内嵌されている。   The anti-fixed bearings 17 and 17 use ceramic ball angular bearings with an inner diameter of 55 mm in parallel combination as in the fixed bearings 12 and 12, and the inner rings 18 and 18 are fitted on the rear end side of the rotary shaft 11. The outer rings 19 are fitted into the rear sleeve 26.

後側スリーブ16は、反固定側軸受17,17の外輪19,19に外挿されており、潤滑油ノズル30,30が組付けられている。後側スリーブ16は、Oリング31,31を介して後側スリーブハウジング22とのスライド面32に組付けられている。また、後側スリーブ16は、後方側に、予圧ばね33が内蔵された予圧ピストン34がホルダ35を介して組付けられている。   The rear sleeve 16 is extrapolated to the outer rings 19 and 19 of the anti-fixed side bearings 17 and 17, and the lubricating oil nozzles 30 and 30 are assembled. The rear sleeve 16 is assembled to a slide surface 32 with the rear sleeve housing 22 via O-rings 31 and 31. The rear sleeve 16 is assembled with a preload piston 34 having a preload spring 33 built in via a holder 35 on the rear side.

ここで、予圧は、予圧ばね33により、図1中の右方側に後側スリーブ16が押圧されることにより負荷されている。また、外部装置(不図示)によって、リアカバー23に設けられた予圧油圧入口36から油圧を入れることで、予圧ピストン34が、図1中の右方向に押されて予圧を加えることもできる。この場合、予圧荷重を外部からコントロールすることが可能である。   Here, the preload is loaded by pressing the rear sleeve 16 to the right side in FIG. Further, by applying hydraulic pressure from a preload hydraulic inlet 36 provided in the rear cover 23 by an external device (not shown), the preload piston 34 can be pushed rightward in FIG. 1 to apply preload. In this case, the preload can be controlled from the outside.

後側スリーブハウジング22の内径と、後側スリーブ16の外径と、の直径すきまは、約35μmである。この大きさは、主軸装置10が回転中の温度条件(後側スリーブ16が高温になっても、後側スリーブハウジング22の温度はそれほど上昇しない)においても、すきまが確保されて、スライドすることが可能な値である。   A diameter clearance between the inner diameter of the rear sleeve housing 22 and the outer diameter of the rear sleeve 16 is about 35 μm. This size ensures that a clearance is secured and slides even under temperature conditions during rotation of the spindle device 10 (the temperature of the rear sleeve housing 22 does not increase so much even when the rear sleeve 16 becomes hot). Is a possible value.

高速回転するビルトインモータ式の主軸装置10においては、直径すきまの設定値としては、後側スリーブ16の直径の1/5000〜1/3000とすることが好ましく、すきまが小さすぎれば熱膨張によってスライドできなくなり、逆に、すきまが大きすぎればアキシャル方向のみならずラジアル方向にも振動してしまう。   In the built-in motor type spindle device 10 that rotates at high speed, the setting value of the diameter clearance is preferably 1/5000 to 1/3000 of the diameter of the rear sleeve 16, and if the clearance is too small, it slides due to thermal expansion. On the other hand, if the clearance is too large, it vibrates not only in the axial direction but also in the radial direction.

スライド面32は、摩耗やフレッチングを防ぐため、表面処理が施されており、この場合には、硬質クロームメッキを施している。スライド面32に対しては、同様な効果を得るために、無電解ニッケルメッキを施したり、高周波焼入れによって表面硬度を上げたりすることもできる。   The slide surface 32 is subjected to surface treatment in order to prevent wear and fretting. In this case, hard chrome plating is applied. In order to obtain the same effect, the slide surface 32 can be subjected to electroless nickel plating or the surface hardness can be increased by induction hardening.

そして、スライド面32には、40℃における動粘度が10000mm2/sであるシリコン油が塗付されている。Oリング31,31は、スライド面32に塗布したシリコン油が外部に逃げないようにシールする機能を持つ。 The slide surface 32 is coated with silicon oil having a kinematic viscosity at 40 ° C. of 10,000 mm 2 / s. The O-rings 31 and 31 have a function of sealing so that silicon oil applied to the slide surface 32 does not escape to the outside.

図2に示すように、主軸装置10は、アキシャル振動モデルにおいて、固定側軸受12,12、反固定側軸受17,17の2つのばね要素と、回転軸11と後側スリーブ(スリーブ)16の2つの質量と、を持つ2自由度系の振動モデルとみなすことができる。
この場合の条件は、
回転軸質量 約15kg
後側スリーブ質量 約6kg
固定側軸受アキシャル剛性 50N/μm
反固定側軸受アキシャル剛性 50N/μm
である。
軸受のアキシャル剛性は予圧荷重を1000N、回転速度を40000min-1として遠心力や玉(転動体)の弾性近接などの釣り合い条件から計算により求めた。
本モデルにより共振周波数を計算すると、
共振周波数=13000min-1(1次)、35000min-1(2次)
となり、最高回転速度である40000min-1以下に共振点がある。特に2次の共振点は、最高回転速度の近くに存在するために、振動エネルギーが大きくなり、問題である。これは、高速回転する定圧予圧の主軸装置一般に言えることで、高速側の共振点における振動を小さくする工夫が必要である。
また、後側スリーブハウジング(固定)22と、後側スリーブ16と、の間に減衰要素Dがある。減衰定数は、後側スリーブ16が後側スリーブハウジング22の軸心の中心に浮いており、すきまに存在する油がニュートン流体であると仮定することによって、以下のように近似することができる。
C=ρνA/dr
C:減衰定数N/(m/s)
dr:半径すきまm
ρ:油比重kg/m3
ν:油粘度m2/s
A:後側スリーブの外径面積m2
As shown in FIG. 2, in the axial vibration model, the main shaft device 10 includes two spring elements of fixed side bearings 12 and 12 and anti-fixed side bearings 17 and 17, a rotating shaft 11 and a rear sleeve (sleeve) 16. It can be regarded as a vibration model of a two-degree-of-freedom system having two masses.
The condition in this case is
Rotating shaft mass approx. 15 kg
Rear sleeve mass approx. 6kg
Fixed side bearing axial rigidity 50 N / μm
Anti-fixed side bearing axial rigidity 50N / μm
It is.
The axial stiffness of the bearing was calculated from the balance conditions such as centrifugal force and elastic proximity of the balls (rolling elements) with a preload of 1000 N and a rotational speed of 40000 min −1 .
When the resonance frequency is calculated using this model,
Resonance frequency = 13000min -1 (primary), 35000min -1 (secondary)
Thus, there is a resonance point below the maximum rotation speed of 40000 min −1 . In particular, since the secondary resonance point exists near the maximum rotation speed, the vibration energy becomes large, which is a problem. This can be said in general for a spindle device of constant pressure preload that rotates at a high speed, and it is necessary to devise a method for reducing vibration at a resonance point on the high speed side.
Further, a damping element D is provided between the rear sleeve housing (fixed) 22 and the rear sleeve 16. The damping constant can be approximated as follows by assuming that the rear sleeve 16 floats in the center of the axis of the rear sleeve housing 22 and the oil present in the clearance is a Newtonian fluid.
C = ρνA / dr
C: Damping constant N / (m / s)
dr: Radius clearance m
ρ: Oil specific gravity kg / m 3
ν: Oil viscosity m 2 / s
A: Rear sleeve outer diameter area m 2

図3に示すように、図2のアキシャル振動モデルにおいて、40℃における油の動粘度を変えたときの35000min-1(アキシャル共振点)での振動の大きさの度合いを計算した。結果において、振動の大きさの度合いを示すのに、回転軸11の振幅比を用いており、減衰無限大における回転軸11の振動振幅を1としている。油の動粘度が約5000mm2/s以上となると、35000min-1の共振点において振幅が大きくならずに振動制御の効果があらわれることがわかる。 As shown in FIG. 3, in the axial vibration model of FIG. 2, the degree of vibration at 35000 min −1 (axial resonance point) when the kinematic viscosity of oil at 40 ° C. was changed was calculated. In the results, the amplitude ratio of the rotating shaft 11 is used to indicate the degree of the magnitude of vibration, and the vibration amplitude of the rotating shaft 11 at infinite attenuation is 1. It can be seen that when the kinematic viscosity of the oil is about 5000 mm 2 / s or more, the vibration control effect appears without increasing the amplitude at the resonance point of 35000 min −1 .

また、減衰要素が非常に大きい場合、動的には後側スリーブ16は固定とみなすことができ、一自由度系の振動モデルとみなせ、別の共振点があらわれる(例えば100000mm2/s
の40Hz付近のピーク)。転がり軸受自体には大きな減衰が期待できないために、この共振点では振動が大となってしまう。
Further, when the damping element is very large, the rear sleeve 16 can be dynamically considered as being fixed, and can be regarded as a vibration model of a one-degree-of-freedom system, and another resonance point appears (for example, 100000 mm 2 / s).
Peak around 40Hz). Since the rolling bearing itself cannot be expected to be greatly damped, vibration will be large at this resonance point.

図4に示すように、後側スリーブ16の減衰定数をパラメータに軸のアキシャル振動の周波数応答を計算した。
計算の結果、振動を抑える最適な粘度は約15000mm2/sであり、5000〜30000mm2/sの範囲であれば実用上問題ない減衰効果が得られることがわかった。
なお、サイズの違いによる一般性を持たせるために無次元数である、
減衰比=C/√(m・k)
m:後側スリーブ質量
k:反固定側軸受ばね定数
を用いると、減衰比=0.6〜3.5程度が良好な範囲となる。なお、軸受のばね定数のサイズ効果、後側スリーブの面積と質量、すきま等を考慮すると、回転軸径φ30〜φ120mm度の主軸においては、減衰比は油の動粘度にほぼ比例することがわかり、5000〜30000mm2/sの粘度範囲が有効であることがわかった。
As shown in FIG. 4, the frequency response of the axial vibration of the shaft was calculated using the damping constant of the rear sleeve 16 as a parameter.
As a result of calculation, it was found that the optimum viscosity for suppressing vibration is about 15000 mm 2 / s, and that a damping effect having no practical problem can be obtained in the range of 5000 to 30000 mm 2 / s.
In order to have generality due to the difference in size, it is a dimensionless number.
Attenuation ratio = C / √ (m · k)
m: Mass of rear sleeve k: When the anti-fixed side bearing spring constant is used, a damping ratio of about 0.6 to 3.5 is a good range. In addition, considering the size effect of the spring constant of the bearing, the area and mass of the rear sleeve, the clearance, etc., it can be seen that the damping ratio is approximately proportional to the kinematic viscosity of the oil for the main shaft with a rotating shaft diameter of φ30 to φ120 mm. A viscosity range of 5000-30000 mm 2 / s was found to be effective.

図5に示すように、油の動粘度と温度の関係を調べたところ、シリコン油は他の合成油やVG680(動粘度(40℃)において680mm2/s、粘度範囲が612〜748)などのISOグレードと比べて、温度の変化に対して動粘度の変化が小さい。主軸装置10では、冬場の始動時−10℃程度から、40000min-1の定常温度である60℃程度までの使用温度が想定される。既に図4により明らかであるように、粘度が変わると振動特性も変わることから、粘度変化の少ないシリコン油が適していることがわかる。 As shown in FIG. 5, when the relationship between the kinematic viscosity and the temperature of the oil was examined, silicone oil was another synthetic oil, VG680 (680 mm 2 / s at kinematic viscosity (40 ° C.), viscosity range 612 to 748), etc. The change in kinematic viscosity with respect to the change in temperature is small compared to the ISO grade. The spindle device 10 is assumed to have a working temperature from about −10 ° C. at the start in winter to about 60 ° C., which is a steady temperature of 40000 min −1 . As is clear from FIG. 4, since the vibration characteristics change when the viscosity changes, it can be seen that silicone oil with little change in viscosity is suitable.

図6に示すように、実際に主軸装置10を回転させたときの後側スリーブ16のアキシャル振動値を測定した結果では、比較例として、VG680を塗付したときの振動値を載せた。
測定の結果、40℃における動粘度が10000mm2/sであるシリコン油を用いることによって、実際に、振動を抑えることが可能なことがわかった。
As shown in FIG. 6, in the result of measuring the axial vibration value of the rear sleeve 16 when the spindle device 10 is actually rotated, the vibration value when VG680 is applied is listed as a comparative example.
As a result of measurement, it was found that vibration can be actually suppressed by using silicon oil having a kinematic viscosity at 40 ° C. of 10,000 mm 2 / s.

第1実施形態の主軸装置10によれば、後側スリーブ16の外径に塗布された、高い粘度である、40℃度における動粘度が5000〜30000mm2/sであるシリコン油により減衰性を得ている。従って、後側スリーブ16が振動すると、後側スリーブ16の外径と後側スリーブハウジング22とのすきまに介在する油の粘性によりせん断抵抗が発生するが、計算および試験の結果、主軸系として実際に振動が低減するために必要な40℃における油の動粘度は5000mm2/s以上であることがわかった。また、必要以上に大きな粘性を持たせると、動的な振動モデルが変化し、別の共振点が現れるために、40℃における油の動粘度は30000mm2/s以下としなければならないことがわかった。これらの特性を実現するために、シリコン油が適していることがわかった。これにより、わずかな振動振幅においても効果的にその振動エネルギーを吸収することができる減衰機能をもつ主軸装置を提供することができる。 According to the spindle device 10 of the first embodiment, the damping property is achieved by the silicon oil having a high viscosity and a kinematic viscosity at 40 ° C. of 5000 to 30000 mm 2 / s applied to the outer diameter of the rear sleeve 16. It has gained. Accordingly, when the rear sleeve 16 vibrates, shear resistance is generated due to the viscosity of the oil interposed in the clearance between the outer diameter of the rear sleeve 16 and the rear sleeve housing 22, but as a result of calculation and test, the actual main shaft system is obtained. It was found that the kinematic viscosity of the oil at 40 ° C required to reduce vibrations was 5000 mm 2 / s or more. Also, if the viscosity is higher than necessary, the dynamic vibration model changes and another resonance point appears, so the kinematic viscosity of the oil at 40 ° C must be less than 30000 mm 2 / s. It was. Silicon oil has been found to be suitable for realizing these properties. As a result, it is possible to provide a spindle device having a damping function capable of effectively absorbing vibration energy even with a small vibration amplitude.

次に、図7,図8,図9を参照して、本発明に係る主軸装置の第2実施形態について説明する。なお、第2実施形態において、既に説明した部材等と同様な構成・作用を有する部材等については、図中に同一符号または相当符号を付することにより、説明を簡略化或いは省略する。   Next, a second embodiment of the spindle device according to the present invention will be described with reference to FIG. 7, FIG. 8, and FIG. Note that in the second embodiment, members and the like having the same configurations and functions as those already described are denoted by the same or corresponding reference numerals in the drawing, and the description thereof is simplified or omitted.

図7に示すように、第2実施形態の主軸装置40は、回転自在な回転軸11と、内輪13、13が回転軸11の一端に外嵌され、外輪14、14がハウジング15に固定された固定側軸受12、12と、回転軸11の他端側に配され、ハウジング15に内挿されて回転軸11の軸方向に移動可能なスリーブ(後側スリーブ)16と、内輪18、18が回転軸11の他端に外嵌され、外輪19、19がスリーブ16に固定されて定圧予圧され、固定側軸受12,12と共働して回転軸11を回動自在に支持する反固定側軸受17,17と、を備えた主軸装置40であって、スリーブ16が、弾性支持された質量部材41を付加されている。   As shown in FIG. 7, in the spindle device 40 of the second embodiment, the rotatable rotating shaft 11 and the inner rings 13 and 13 are fitted on one end of the rotating shaft 11, and the outer rings 14 and 14 are fixed to the housing 15. The fixed bearings 12 and 12, the other end of the rotating shaft 11, the sleeve (rear sleeve) 16 that is inserted in the housing 15 and movable in the axial direction of the rotating shaft 11, and the inner rings 18 and 18 Is externally fitted to the other end of the rotating shaft 11, the outer rings 19, 19 are fixed to the sleeve 16, are preloaded with constant pressure, and work together with the fixed side bearings 12, 12 to support the rotating shaft 11 in a freely rotating manner. The main shaft device 40 includes side bearings 17 and 17, and a sleeve 16 is added with a mass member 41 that is elastically supported.

質量部材41は、金属製であり、付加質量としてOリング42,樹脂ロッド43を介して後側スリーブ16に取付けられており、樹脂ロッド43の軸方向剛性が設計したばね定数となるように調整されている。質量部材41は樹脂ロッド43のつば部αに圧入固定されており、樹脂ロッド43のl部弾性とで、ばね質量系を構成している。ロッド43の樹脂ロッド43の周りにはグリース等の封入油が塗布されていて、減衰要素をなしている。   The mass member 41 is made of metal and is attached to the rear sleeve 16 as an additional mass via an O-ring 42 and a resin rod 43, and is adjusted so that the axial rigidity of the resin rod 43 becomes a designed spring constant. Has been. The mass member 41 is press-fitted and fixed to the flange portion α of the resin rod 43, and the spring mass system is configured by the l-part elasticity of the resin rod 43. Enclosed oil such as grease is applied around the resin rod 43 of the rod 43 to form a damping element.

ばね定数のオーダは1N/μmであるが、樹脂ロッド43を用いる他、ボールのヘルツ接触を用いる(玉軸受など)ことでも具体的に構成することができる。減衰器は、Oリングと封入油によって構成されている。減衰定数は、動吸振器単体にてあらかじめ周波数分析をおこない、実験的に調整することもできる。
主軸装置40では、後側スリーブ16の外径に抵抗となるOリングはなく、グリースが塗付されているのみなので、スライド性を重視している。これにより精密に予圧荷重を負荷でき、高精度な主軸装置が構成できる。このような構成では、従来振動が大きくなったが、スライド性を全く犠牲にせず振動を抑えることが出来る。
The order of the spring constant is 1 N / μm, but in addition to using the resin rod 43, it can be specifically configured by using Hertz contact of a ball (such as a ball bearing). The attenuator is composed of an O-ring and sealed oil. The damping constant can be adjusted experimentally by performing frequency analysis in advance with a dynamic vibration absorber alone.
In the spindle device 40, since there is no resistance O-ring on the outer diameter of the rear sleeve 16, and only grease is applied, slidability is emphasized. Thereby, a preload load can be applied precisely and a highly accurate spindle device can be configured. In such a configuration, vibration has been increased conventionally, but vibration can be suppressed without sacrificing slidability.

図8に示すように、主軸装置40のアキシャル振動モデルでは、後側スリーブ16に動吸振器44を取付けている。そのため、付加質量とばねおよび減衰要素を適切に設計することにより、付加質量のみを大きく振動させてエネルギーを吸収させ、後側スリーブ16と回転軸11の振動を制御することができる。   As shown in FIG. 8, in the axial vibration model of the spindle device 40, a dynamic vibration absorber 44 is attached to the rear sleeve 16. Therefore, by appropriately designing the additional mass, the spring, and the damping element, it is possible to vibrate only the additional mass to absorb energy and control the vibration of the rear sleeve 16 and the rotating shaft 11.

主軸装置40では、主軸装置10と比べて、後側スリーブ16と後側スリーブハウジング22との間に直接減衰要素を入れる必要性がなくなり、後側スリーブ16のスライド性を重視した設計が可能である。主軸装置10では、シリコン油を保持するために、Oリング31,31を用いたが、Oリングを使用すると、Oリングの摺動抵抗があるために、軸受にかかる予圧荷重が摺動抵抗分変動する恐れがあり、精密な予圧コントロールの妨げとなる。それに対して、主軸装置40では、後側スリーブ16と後側スリーブハウジング22との間はスライド性のみを考慮すればよく、減衰は動吸振器44によって行うことができる。   Compared with the main shaft device 10, the main shaft device 40 eliminates the need to insert a damping element directly between the rear sleeve 16 and the rear sleeve housing 22, and can be designed with an emphasis on the slidability of the rear sleeve 16. is there. In the spindle device 10, the O-rings 31 and 31 are used to hold the silicon oil. However, if the O-ring is used, the O-ring has sliding resistance, so that the preload applied to the bearing is equal to the sliding resistance. May fluctuate and hinder precise preload control. On the other hand, in the main shaft device 40, only the sliding property needs to be considered between the rear sleeve 16 and the rear sleeve housing 22, and the damping can be performed by the dynamic vibration absorber 44.

図9に示すように、主軸装置10に対して、付加質量1kg、ばね0.5N/μm、減衰器C=1000N/(m/s)の動吸振器44を取付けたときの、振動特性の解析結果を、回転軸11に振動外力が加わったときの軸アキシャル変位の比率(静的値を1とする)を示すと、動吸振器無しと、動吸振器有りと、の値を比較すると、動吸振器44によって振動を確実に低減することができるのがわかる。   As shown in FIG. 9, the vibration characteristics when the dynamic vibration absorber 44 having an additional mass of 1 kg, a spring of 0.5 N / μm, and an attenuator C = 1000 N / (m / s) are attached to the spindle device 10. When the analysis result shows the ratio of axial axial displacement when a vibration external force is applied to the rotary shaft 11 (static value is 1), the values of no dynamic vibration absorber and that with dynamic vibration absorber are compared. It can be seen that the vibration absorber 44 can reliably reduce vibration.

第2実施形態の主軸装置40によれば、質量部材41として動吸振器44を用いることにより振動を吸収している。このようにすると、従来のように、スリーブとハウジングとの間に直接減衰を与えるのではなく、スリーブに付加した質量を振動させてエネルギーを吸収することができる。この動吸振器44の設計を適切に行うことにより、付加質量のみ振動振幅を大きして振動エネルギーを吸収することが可能となる。付加質量の振幅が大きいので、この振動エネルギーはダンパにより容易に吸収することが可能である。これにより、スリーブのスライド特性を全く犠牲にすることなく、振動を確実に吸収することができる。   According to the spindle device 40 of the second embodiment, vibration is absorbed by using the dynamic vibration absorber 44 as the mass member 41. In this case, the energy can be absorbed by vibrating the mass added to the sleeve, instead of directly giving the damping between the sleeve and the housing as in the prior art. By appropriately designing the dynamic vibration absorber 44, it is possible to increase the vibration amplitude of only the additional mass and absorb the vibration energy. Since the amplitude of the added mass is large, this vibration energy can be easily absorbed by the damper. As a result, vibration can be reliably absorbed without sacrificing the sliding characteristics of the sleeve at all.

尚、本発明に係る主軸装置は、上述した実施の形態例に限定されるものではなく、適宜な変形、改良等が可能である。
例えば、軸受は、セラミック玉アンギュラ軸受に限らず、深溝玉軸受等の各種転がり軸受を適用しても良い。
The spindle device according to the present invention is not limited to the above-described embodiment, and appropriate modifications and improvements can be made.
For example, the bearing is not limited to a ceramic ball angular bearing, and various rolling bearings such as a deep groove ball bearing may be applied.

本発明に係る主軸装置の第1実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows 1st Embodiment of the main axis | shaft apparatus which concerns on this invention. 図1に示した主軸装置のアキシャル振動モデルである。2 is an axial vibration model of the spindle device shown in FIG. 1. 図1に示した主軸装置において油の動粘度を変更した場合の振動の大きさを調べたグラフである。It is the graph which investigated the magnitude | size of the vibration at the time of changing the kinematic viscosity of oil in the main shaft apparatus shown in FIG. 図1に示した主軸装置において軸のアキシャル振動の周波数応答特性図である。FIG. 2 is a frequency response characteristic diagram of axial vibration of the spindle in the spindle apparatus shown in FIG. 1. 図1に示した主軸装置において油の動粘度と温度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the kinematic viscosity of oil and temperature in the main shaft apparatus shown in FIG. 図1に示した主軸装置を回転させた時のスリーブのアキシャル振動測定値のグラフである。It is a graph of the axial vibration measured value of a sleeve when rotating the spindle apparatus shown in FIG. 本発明に係る主軸装置の第2実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows 2nd Embodiment of the main axis | shaft apparatus which concerns on this invention. 図7に示した主軸装置のアキシャル振動モデルである。8 is an axial vibration model of the spindle device shown in FIG. 7. 図7に示した主軸装置における振動特性の解析結果表である。It is an analysis result table | surface of the vibration characteristic in the main shaft apparatus shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

10,40 主軸装置
11 回転軸
12 固定側軸受
13 内輪
14 外輪
16 後側スリーブ(スリーブ)
17 反固定側軸受
18 内輪
19 外輪
21 外筒(ハウジング)
22 後側スリーブハウジング(ハウジング)
41 質量部材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10,40 Main shaft apparatus 11 Rotating shaft 12 Fixed side bearing 13 Inner ring 14 Outer ring 16 Rear side sleeve (sleeve)
17 Anti-fixed side bearing 18 Inner ring 19 Outer ring 21 Outer cylinder (housing)
22 Rear sleeve housing (housing)
41 Mass members

Claims (2)

回転自在な回転軸と、
内輪が前記回転軸の一端に外嵌され、外輪がハウジングに固定された固定側軸受と、
前記回転軸の他端側に配され、前記ハウジングに内挿されて前記回転軸の軸方向に移動可能なスリーブと、
内輪が前記回転軸の他端に外嵌され、外輪が前記スリーブに固定されて定圧予圧され、前記固定側軸受と共働して前記回転軸を回動自在に支持する反固定側軸受と、
を備えた主軸装置であって、
前記スリーブの外径に、40℃における動粘度が5000〜30000mm2/sであるシリコン油が塗布されていることを特徴とする主軸装置。
A rotatable axis of rotation,
A fixed-side bearing in which an inner ring is fitted on one end of the rotating shaft and an outer ring is fixed to the housing;
A sleeve disposed on the other end side of the rotating shaft, inserted in the housing and movable in the axial direction of the rotating shaft;
An anti-fixed side bearing in which an inner ring is externally fitted to the other end of the rotating shaft, an outer ring is fixed to the sleeve and constant pressure preloaded, and cooperates with the fixed side bearing to rotatably support the rotating shaft;
A spindle device comprising:
A main spindle device characterized in that silicon oil having a kinematic viscosity at 40 ° C. of 5000 to 30000 mm 2 / s is applied to the outer diameter of the sleeve.
回転自在な回転軸と、
内輪が前記回転軸の一端に外嵌され、外輪がハウジングに固定された固定側軸受と、
前記回転軸の他端側に配され、前記ハウジングに内挿されて前記回転軸の軸方向に移動可能なスリーブと、
内輪が前記回転軸の他端に外嵌され、外輪が前記スリーブに固定されて定圧予圧され、前記固定側軸受と共働して前記回転軸を回動自在に支持する反固定側軸受と、
を備えた主軸装置であって、
前記スリーブが、弾性支持された質量部材を付加されていることを特徴とする主軸装置。
A rotatable axis of rotation,
A fixed-side bearing in which an inner ring is fitted on one end of the rotating shaft and an outer ring is fixed to the housing;
A sleeve disposed on the other end side of the rotating shaft, inserted in the housing and movable in the axial direction of the rotating shaft;
An anti-fixed side bearing in which an inner ring is externally fitted to the other end of the rotating shaft, an outer ring is fixed to the sleeve and constant pressure preloaded, and cooperates with the fixed side bearing to rotatably support the rotating shaft;
A spindle device comprising:
A main shaft device characterized in that a mass member elastically supported by the sleeve is added.
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