JP2007021657A - 工作機械 - Google Patents

Abstract

【課題】
ワーク加工時に、刃具の高速回転に伴って発生する振動を低減する機能を備えた工作機械を提供する。
【解決手段】
ワーク４０に対して、所定の加工を行う加工具１、２を保持する工具保持部３と、工具保持部３を回転可能に支持するハウジング４と、工具保持部３を回転駆動する駆動部と、弾性部材１６と錘１０とを少なくとも有し、当該錘１０はハウジング４に弾性部材１６を介して取付けられる振動減衰部５０と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ワーク加工時における、加工具の回転に伴って発生する振動を低減する機能を備えた工作機械に関する。

図５（ａ）に示すように、マシニングセンタをはじめとする各種工作機械において、加工対象となるワークに対して所定の加工を行う加工具、例えば、刃具は、取付工具に取付けられている。この取付工具は工具保持部と勘合して保持されている。そして、この工具保持部を高速回転させることで、刃具を高速回転させつつ、刃具、取付工具、工具保持部からなる回転機構側、及びワークを保持する保持機構側の少なくとも一方を動かすことで、ワークに対して所定の加工、例えば、切削加工を行っている。

そこで、ワークを加工するために刃具を高速回転させるにあたり、刃具、取付工具、工具保持部からなる回転機構の回転バランスを調整することが重要である。このため、実際に、これらを工作機械に組み込み、工作機械として使用可能な状態にして、回転バランスを調整することが試みられている。

そのような試みとして、例えば、特許文献１に開示された発明では、工作機械に組み込んだ工具保持部の端部にねじ穴を設けている。このねじ穴に重さが調整されたねじ状の錘を挿入することで回転バランスを調整し、ワーク加工時における刃具の高速回転に伴って発生する、刃具、取付工具、工具保持部の振動を低減している。

また、ワークを加工するために刃具を高速回転させるにあたり、図５（ｂ）に示す刃具に対して、図５（ｃ）に示すように、ワークの加工時に発生する切粉を排出するための排出溝を浅く、又は、狭くすることで、刃具自体の剛性を向上させて、刃具の高速回転に伴って、刃具、取付工具、工具保持部に発生する振動を低減している。

あるいは、図５（ｂ）に示す刃具に対して、図５（ｄ）に示すように、刃具を切刃が設けられた先端部に向かって徐々に細くすることで、刃具回転時の回転モーメントを減少させて、刃具の高速回転に伴って、刃具、取付工具、工具保持部に発生する振動を低減している。
特開平６−１２６５８８号公報

しかしながら、刃具、取付工具、工具保持部からなる回転機構に対して、回転バランスの調整を行ったとしても、これらがより高速に回転すると、特定の回転数で振動が発生することがある。

すなわち、ワークに対して所定の加工を行う刃具は、刃具自体が固有のバネ定数を有し、刃具とこの刃具を取付ける取付工具、及びこの取付工具を保持する工具保持部等を質量とした系において、このバネ定数と質量とによって定まる固有振動数を有している。このため、刃具、取付工具、工具保持部からなる回転機構には、この固有振動数に応じて、特定の回転数で振動増幅現象（共振）が発生することがある。このとき、刃具の振動は著しく大きくなり、ワークに対する加工精度の低下や生産効率の低下をもたらすことになる。

刃具の排出溝を浅く、又は、狭くすると、刃具自体の剛性が向上して刃具の振動の低減には効果があるが、ワークの加工時に発生する切粉等を排出する能力が低下してしまうことがある。すると、刃具の清掃作業に割く時間が増大し、結果として、工作機械を停止する時間が増加し、ワークに対する生産効率が低下してしまう。

また、刃具を切刃が設けられた先端部に向かって細くすると、刃具回転時の慣性モーメントが減少して、刃具の振動の低減には効果があるが、刃具自体の耐久性が低下してしまうことがある。すると、刃具の交換作業に割く時間が増加し、やはり、ワークに対する生産効率が低下してしまう。

そこで、本発明は以上のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ワークに対して所定の加工を行う時に用いられる工作機械において、加工具、及びそれを保持する工具保持部からなる回転機構の回転に伴って発生する振動を低減するとともに、より高回転領域での使用を可能として、生産効率を向上させた工作機械を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に係る工作機械は、ワークに対して、所定の加工を行う加工具を保持する工具保持部と、工具保持部を回転可能に支持するハウジングと、工具保持部を回転駆動する駆動部と、弾性部材と錘とを少なくとも有し、当該錘はハウジングに弾性部材を介して取付けられる振動減衰部と、を備え、ワークに対する加工を行うため、駆動部によって、加工具が工具保持部とともに回転されたとき、ハウジングの振動が弾性部材を介して錘に伝播することで、錘がハウジングの振動とは異なる位相で振動することにより、ハウジングの振動を減衰することを特徴とする。

ワークに対して所定の加工を行うにあたり、ハウジングにより回転可能に支持された工具保持部は、ワークに対して所定の加工を行う加工具を保持し、駆動部の作用により加工具とともに回転する。ところが、この回転に伴って、加工具、及び工具保持部に振動が発生することがある。加工具、及び工具保持部に発生した振動は、ワークに対する加工精度の低下の原因となることがある。

そこで、請求項１に記載の発明によれば、錘が弾性部材を介してハウジングに取付けられた構造を有する振動減衰部は、工具保持部の回転に伴って、加工具、及び工具保持部に発生した振動を受けて、弾性部材が有する弾性によって、緩衝作用を発揮する。その結果、錘はハウジングの振動とは異なる位相で振動する。これにより、錘の振動は、ハウジングの振動を打ち消すように作用するので、加工具、及び工具保持部に発生した振動を良好に減衰することができ、加工具、及び工具保持部に発生する振動や共振を気にすることなく工作機械を稼動することができる。したがって、工作機械をより高回転領域で稼動させることができ、ワークに対する加工精度の向上や生産効率の向上を図ることができる。

請求項２に係る工作機械は、振動減衰部を構成する弾性部材及び錘は、工具保持部の回転の半径方向に沿うように、ハウジングに取付けられることを特徴とする。

ワークに対して所定の加工を行うにあたり、工具保持部の回転に伴って発生する加工具、及び工具保持部の振動は、主に回転の半径方向に発生する。したがって、請求項２に記載の発明によれば、振動減衰部を工具保持部の回転の半径方向に取付けることで、加工具、及び工具保持部に発生する振動を効果的に減衰することができる。

請求項３に係る工作機械は、振動減衰部は、ハウジングに固定される第１のブロックと、貫通孔内に弾性部材を保持する第２のブロックと、第２のブロックに結合される第３のブロックと、からなり、貫通孔内の弾性部材が第１のブロックに結合されることにより、第２のブロック及び第３のブロックが錘として働くことを特徴とする。

ワークに対して所定の加工を行うにあたり、ワークの材質や様々な加工条件等を勘案して、工作機械の稼動条件を適宜設定、又は変更する必要がある。このような、工作機械の稼動条件の設定、変更に伴って、加工具、及び工具保持部に振動が発生する条件（回転数）にも違いが生じることになる。

そこで、請求項３に記載の発明によれば、ハウジング、第１のブロック及び弾性部材を介して第２及び第３のブロックに伝播する振動に対して、第２及び第３のブロックが振動減衰部の錘として機能することで、工作機械の稼動条件の設定、又は変更に伴って、加工具、及び工具保持部に振動が発生する条件の違いに対応できる。すなわち、ブロックを増減して錘の重さを調節することにより、発生した振動をより効果的に減衰することができる。

以下、本発明の好適な実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態における工作機械３０の構成を示す断面図である。図１に示すように、工具保持部３に形成された工具保持孔５に、取付工具２のテーパー部２ａが当接している。また、同時に、工具保持部３の端面に、取付工具２のフランジ部２ｂが当接して、取付工具２は、二面拘束によって工具保持部３に装着されている。

取付工具２の端部には、加工対象となるワーク４０に対して所定の加工、例えば、切削加工を行うための刃具１を取付ける。ワーク４０は、刃具１の先端部の方向に配置されている。刃具１の先端部にはワーク４０の素材に応じた素材で形成された切刃１ａが設けられている。また、刃具１の側面部分にはワーク４０を加工した際に発生する切屑等を排出する機能を備えた排出溝１ｂが形成されている。なお、刃具１を取付工具２へ取付けるにあたって、取付工具２の端部からの刃具１が突き出す量は、刃具１の特性、例えば、刃具１の材質や太さ、あるいは、ワーク４０の加工条件に基づいて、最適となるように調整を行うことができる。

工具保持部３の外周部には、軸受部材６が配置されている。ハウジング４は、この軸受部材６を介して、刃具１とほぼ同一直線上にある軸１４が回転軸となるように、工具保持部３を回転可能に支持している。なお、工作機械３０は、工具保持部３を回転させるためのモータ等を含む駆動部（図示せず）を備えており、この駆動部の作用により、工具保持部３が軸１４を回転軸として回転すると、刃具１、取付工具２からなる加工具と工具保持部３とが一体となって回転する。

そして、ワーク４０の加工時には、図１中の矢印で示すように、回転する加工具及び工具保持部３は、ハウジング４と共にワーク４０に対して３次元方向に自在に移動する。あるいは、回転する加工具及び工具保持部３に対して、ワーク４０が３次元方向に自在に移動してもよく、さらに、回転する加工具及び工具保持部３とワーク４０との双方が、３次元方向に自在に移動してもよい。

図２に示すように、ハウジング４の端面４ａには、工具保持部３の回転時に回転の半径方向に発生する振動を減衰する振動減衰部５０を取り付けている。本実施形態における工作機械３０では、取付工具２の交換時に用いるアーム（図示せず）が、図２の図面左上斜め方向から降りてくる構造となっている。そこで、図示しないアームと振動減衰部５０とが干渉しない方向であり、工具保持部の回転の半径方向に沿うようにして図面右下斜め方向に向かうように振動減衰部５０を取り付けている。なお、工具保持部３の回転に伴って発生する加工具、及び工具保持部３の振動は、主に回転の半径方向に発生する。したがって、工具保持部の回転の半径方向に沿うようであれば、振動減衰部５０の取付位置や取付方向は制限されない。

次に、ハウジング４の端面４ａに取付けられる振動減衰部５０について、図３に基づいて説明する。振動減衰部５０は、第１〜第３のブロック１１〜１３と弾性部材１６とを含んで構成されている。第２のブロック１２及び第３のブロック１３で錘１０を構成する。振動減衰部５０をハウジング４の端面４ａに取付けた時には、回転軸１４から離れる方向（工具保持部の回転の半径方向）に、第１〜第３のブロック１１〜１３の順で連接されている。

第１のブロック１１は、ハウジング端面４ａにピン、ボルト等で強固に固定され、第２、第３のブロック１２、１３を取り付けるためのブラケットとして機能する。第２のブロック１２は、第２のブロック１２を貫通する貫通孔１５が形成されている。この貫通孔１５の内部には、弾性部材１６が貫通孔１５に密着するようにはめ込まれている。弾性部材１６は両端面１６ａ、１６ｃを有する。両端面１６ａ、１６ｃは貫通孔１５の開口部の形状とほぼ等しい形状を有する。弾性部材１６にはその中央部において、貫通孔１５と同方向に延びる空洞１６ｂが形成されている。第２のブロック１２は、後述する固定部材１７により、第１のブロック１１と連接している。

第１、第２のブロック１１、１２を連接する固定部材１７は、第２のブロック１２の厚さよりも十分な長さを有するものである。固定部材１７は、例えば、棒部１７ｂの一端には貫通孔１５の開口部の形状及び弾性部材１６の一端面１６ａの形状とほぼ等しい形状を成した、つば状の頭部１７ａが形成され、棒部１７ｂの他端には第１のブロック１１と嵌合する嵌合部１７ｃが形成されている。そして、固定部材１７は、弾性部材１６の空洞１６ｂを通貫し、棒部１７ｂが弾性部材１６の空洞１６ｂと当接し、棒部１７ｂの一端に形成されたつば状の頭部１７ａが、弾性部材１６の一方の端面１６ａと当接し、棒部１７ｂの他端に形成された嵌合部１７ｃが、第１のブロック１１と嵌合する。なお、嵌合部１７ｃにねじ山を設け、固定部材１７を第１のブロック１１にねじ込むようにしてもよい。これにより、つば状の頭部１７ａは、第２のブロック１２を直接支持するのではなく、弾性部材１６を介して第２のブロック１２を間接的に支持していることになる。

貫通孔１５に密着するようにはめ込まれた弾性部材１６は、例えば、外部からの振動（応力）に対して可逆性を有する材質であり、例えば、ゴムや樹脂等を使用することができる。望ましくは、可逆性と耐油性とを兼ね備えた硬質ゴムである。弾性部材１６の形状は、例えば、図３（ｂ）に示すように、貫通孔１５に密着する円筒型である。なお、弾性部材１６は、圧縮、せん断、ねじり等のバネ定数を有している。このため、伝播する振動に対して、これらのバネ定数を単独、あるいは組み合わせて作用することで、工具保持部３の回転に伴って発生する振動の減衰を効果的に行うことができる。

第３のブロック１３は、第２のブロック１２と連接するようにして配置されている。第３のブロック１３と第２のブロック１２との連接のために、図３（ａ）に示すように、上述した固定部材１７を用いて、頭部１７ａが第３のブロックの下側から支持するようにすることができる。あるいは、固定部材１７とは異なる種類の固定器具を用いることもできるが、固定部材１７を用いることで、複数種類の固定器具の手配、これらの管理が不要となる。第３のブロック１３は、錘１０としての重さを調節するために増減でき、第３のブロック１３に第４のブロック１３ａを連接することで、錘１０の重さを増やすことができる。

さて、ワーク４０に対して加工を行うにあたり、刃具１と刃具１を取り付ける取付工具２とからなる加工具、及び取付工具２を保持する工具保持部３が、図示しない駆動部の作用により高速で回転する。ところが、これらの回転数が特定の回転数に達すると、振動増幅現象（共振）が発生することがある。共振が発生すると、刃具１は回転の半径方向に大きく振動するので、この回転数を維持したままでは、ワーク４０に対して加工を行うことができない。また、ワーク４０の加工中に回転数が特定の回転数に達して共振が発生してしまうと、加工中のワーク４０に対する加工精度が著しく低下する。

そこで、本実施形態における工作機械３０は、ハウジング４の端面４ａに、弾性部材１６と第１〜第３のブロック１１〜１３とで構成される振動減衰部５０を取り付けて、加工具及び工具保持部３の回転に伴って発生する振動を抑制し、併せて、特定の回転数で発生する共振を防止するものである。

ところで、工具保持部３の回転に伴って発生する振動は、ハウジング４及びハウジング４の端面４ａに固定された第１のブロック１１から、弾性部材１６を介して、錘１０を構成する第２のブロック１２及び第３のブロック１３に伝播する。すると、ハウジング４及び第１のブロック１１と、弾性部材１６、及び錘１０とで、いわゆるダイナミックダンパを構成する。

このようなダイナミックダンパが構成されることで、工具保持部３の回転に伴って発生する振動の伝播時に弾性部材１６の作用によって、錘１０が振動する位相に遅れが生じる。すると、ハウジング４及び第１のブロック１１の振動と錘１０の振動とが打ち消し合うように作用し、その結果、加工具及び工具保持部３の回転に伴って発生する振動を抑制し、併せて、特定の回転数で発生する共振を防止する。

弾性部材１６の作用について説明する。ハウジング４及び第１のブロック１１の振動は、先ず、弾性部材１６を３次元方向の少なくとも一方向へ圧縮して変形させるように作用する。この時の弾性部材１６の圧縮変形の様子の例を図３（ｃ）、（ｄ）に示す。

図３（ｃ）に示すように、弾性部材１６は、空洞１６ｂを通貫する固定部材１７の棒部１７ｂからの応力に対して、ｘ軸方向への圧縮で作用して、この方向に弾性部材１６が変形する。すると、弾性部材１６は、第３のブロック１３が振れ過ぎないようにする緩衝作用を発揮する。

一方、弾性部材１６のｙ軸方向は、ｘ軸方向に比べてバネ定数が小さく、剛性が低くなるように形成されている。したがって、図３（ｄ）に示すように、弾性部材１６は、固定部材１７の頭部１７ａからの応力に対してｙ軸方向に圧縮されて沈み込むように変形する。すると、弾性部材１６は、この沈み込みに伴って、固定部材１７の頭部１７ａと貫通孔１５を形成する壁との隙間から弾性部材１６がはみ出して、固定部材１７の頭部１７ａに対して、せん断で作用する。すなわち、この場合も、弾性部材１６は第３のブロック１３がｙ軸方向に振れ過ぎないようにする緩衝作用を発揮する。

図３（ｃ）、（ｄ）に示したいずれの場合でも、弾性部材１６には、弾性部材１６が有する弾性によって、弾性部材１６の変形を復元しようとする復元力が生じている。すると、この復元力はハウジング４及び第１のブロック１１の振動と錘１０の振動とが打ち消し合うように作用し、その結果、加工具及び工具保持部３の回転に伴って発生する振動を抑制し、併せて、特定の回転数で発生する共振を防止するのである。

したがって、本実施形態における工作機械３０は、加工具及び工具保持部３の回転に伴って発生する振動を抑制することができ、併せて、特定の回転数で発生する共振を防止することができる。

例えば、ハウジング端面４ａに振動減衰部５０を取り付ける前に、刃具１の回転数が毎分７００回、刃具１のワーク４０への送り速度が毎分２００ｍｍに達すると共振が発生していた工作機械において、重さが約数キログラムの錘１０を有する振動減衰部５０をハウジング４の端面４ａに取り付けることで、刃具１の回転数が毎分２５００回、送り速度が毎分１１００ｍｍに達しても、加工精度に影響する振動（共振）は発生せず、この稼動条件において、ワーク４０の加工が可能となった。このことは、ワーク４０に対する加工精度の向上及び生産性の向上につながるものである。

以上、説明したように、本実施形態における工作機械３０によれば、ハウジング４の端面４ａに、弾性部材１６と第１〜第３のブロック１１〜１３とで構成される振動減衰部５０を取り付けることで、加工具、及び工具保持部３の回転に伴って発生する振動（共振）を効果的に減衰することがきる。

したがって、本実施形態における工作機械３０は、従来よりも高回転領域での使用が可能であり、ワーク４０に対する加工精度及び生産効率が向上した工作機械を提供することができる。

（その他の実施形態）
第１の実施形態における工作機械３０では、工作機械３０に付随する他の設備の制約により、図２に示すように、振動減衰部５０をハウジング４の端面４ａに右下斜め方向に向かうように取り付けた。しかしながら、工具保持部の回転の半径方向に沿うようであれば、振動減衰部５０の取付位置や取付方向は制限されない。例えば、工作機械の仕様に応じて、振動減衰部５０を図２の紙面真下方向に向かうように取付けてもよい。

また、工作機械３１の規模に応じて、図４（ａ）に示す、貫通孔１５内に弾性部材１６を保持する第２のブロック１２と第３のブロック１３とで構成される振動減衰部６０を、図４（ｂ）に示すように、固定部材１７を用いて第２のブロック１２を直接ハウジング４の端面４ａに取り付けてもよい。

図４（ａ）に示すような振動減衰部６０の構成を採用しても、工具保持部３の回転に伴って発生する振動を、効果的に減衰することができる。

以上、本発明を実施するための最良の形態について説明したが、本発明は上述した実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、数々の変形実施が可能である。また、本発明のうち従属請求項に係る発明においては、従属先の請求項の構成要件の一部を省略する構成とすることもできる。

本発明の工作機械の断面図である。 工作機械をワークの方向から見た図である。 錘の構成を示す図であり、（ａ）は、第１〜第３のブロックで構成される錘の断面図、（ｂ）は、第２のブロックの貫通孔にはめ込む円筒型の弾性部材及び固定部材の断面図、（ｃ）は、振動で弾性部材がｘ軸方向に圧縮された状態を示す断面図、（ｄ）は、振動で弾性部材がｙ軸方向に圧縮された状態を示す断面図である。 その他の実施形態における錘の構成を示す断面図である。 従来の工作機械の構成を示す図であり、（ａ）は、刃具、取付工具、工具保持部及びハウジングの断面図、（ｂ）は、通常用いられる刃具の断面図、（ｃ）は、排出溝を浅くした刃具の断面図、（ｄ）は先端部を細くした刃具の断面図である。

符号の説明

１…刃具、１ａ…切刃、１ｂ…排出溝、２…取付工具、２ａ…取付工具のテーパー部、２ｂ…取付工具のフランジ部、３…工具保持部、４…ハウジング、４ａ…ハウジングの端面、５…工具保持孔、６…軸受部材、１０…錘、１１…第１のブロック、１２…第２のブロック、１３…第３のブロック、１３ａ…第４のブロック、１４…回転軸、１５…貫通孔、１６…弾性部材、１６ａ…弾性部材の一端面、１６ｂ…弾性部材の空洞、１７…固定部材、１７ａ…固定部材の頭部、１７ｂ…固定部材の棒部、１７ｃ…固定部材の嵌合部、１８…固定器具、３０，３１…工作機械、４０…ワーク、５０，６０・・・振動減衰部

Claims (3)

1. ワークに対して、所定の加工を行う加工具を保持する工具保持部と、
   前記工具保持部を回転可能に支持するハウジングと、
   前記工具保持部を回転駆動する駆動部と、
   弾性部材と錘とを少なくとも有し、当該錘は前記ハウジングに前記弾性部材を介して取付けられる振動減衰部と、を備え、
   前記ワークに対する加工を行うため、前記駆動部によって、前記加工具が前記工具保持部とともに回転されたとき、前記ハウジングの振動が前記弾性部材を介して前記錘に伝播することで、前記錘が、前記ハウジングの振動とは異なる位相で振動することにより、前記ハウジングの振動を減衰することを特徴とする工作機械。
2. 前記振動減衰部を構成する弾性部材及び錘は、前記工具保持部の回転の半径方向に沿うように、前記ハウジングに取付けられることを特徴とする請求項１記載の工作機械。
3. 前記振動減衰部は、
   前記ハウジングに固定される第１のブロックと、
   貫通孔内に前記弾性部材を保持する第２のブロックと、
   前記第２ブロックに結合される第３のブロックとからなり、
   前記貫通孔内の弾性部材が前記第１のブロックに結合されることにより、前記第２のブロック及び第３のブロックが前記錘として働くことを特徴とする請求項２記載の工作機械。

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