JP2009006434A - 主軸装置及びその固有振動数調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】静剛性を変えることなく単純な構造にて固有振動数を調整して使用回転数における振動の発生を抑えることが可能な主軸装置を提供する。
【解決手段】回転軸１３の一端側を支持する一端側軸受１４と、回転軸１３の他端側を支持する他端側軸受１６と、スリーブ１５とハウジング２０との間に介装されてこれらスリーブ１５及びハウジング２０に軸線方向に付勢力を付与して一端側軸受１４及び他端側軸受１６に定圧予圧を付与するバネ部材１７とを有し、スリーブ１５がスリーブ本体５０とバネ受け５１とから構成され、質量の異なる複数種類のバネ受け５１のいずれかをスリーブ本体５０に取り付けることにより、スリーブ１７の質量を変更して固有振動数を調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械等に設けられて高速回転する回転軸を備えた主軸装置及びその固有振動数調整方法に関する。

工作機械等に設けられて高速回転する回転軸を備えた主軸装置として、ゴムダンパを回転軸に外嵌し、このゴムダンパを介して筒状のダンピングマスを装着することにより、共振点付近での振動発生を抑止するものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。さらに、ハウジングに軸線方向に移動可能に設けられて軸受を支持する軸受スリーブに、振動防止手段を設けて振動を抑止するものも知られている（例えば、特許文献２参照。）。

また、軸受スリーブの外周に固定スリーブを設け、これらの間に圧力室を形成し、この圧力室に圧力流体を供給する主軸装置が示され、圧力室へ供給する圧力流体の圧力を調整することにより軸受に対する予圧を連続的に変化させ、回転軸の回転速度に応じた軸受予圧を付与するものが提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
特開平１１−２５７３６４号公報 特開平１０−２３８５３８号公報 特開平７−９６４０５号公報

ところで、上記特許文献１，２の技術は、共振点付近での振動を抑止する機能を有するものの、振動系自体の固有振動数を調整する機能は有していない。そのため、常に同じ周波数の固有振動数が存在し、周波数領域にて振動値が大きくなってしまう。したがって、主軸装置を、その固有振動数領域を避けて使用しなければならないという制限が生じてしまう。

また、特許文献３の技術によれば、予圧を変化させることにより固有振動数も変化するので、装置の共振点を変化させることができるが、複数のスリーブを高精度に加工して、これらの間に圧力室を形成し、さらに、回転軸の回転数を検出して流体の圧力を調整するので、その構造及び構成が極めて複雑なものとなってしまう。

また、回転数に応じて予圧を調整するものであるので、振動系の固有振動数自体を自由に変更することはできず、しかも、予圧を調整することにより、装置の静剛性も変わってしまうという問題もあった。

また、振動系の固有振動数を設計段階で完全に予測することは困難であるため、実際に製作した結果、しばしば使用回転数と固有振動数が一致して振動が生じてしまうことがあった。

本発明は、上記のような不都合を解消するためになされたものであり、その目的は、静剛性を変えることなく単純な構造にて固有振動数を調整して使用回転数における振動の発生を抑えることが可能な主軸装置及びその固有振動数調整方法を提供することにある。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１） ハウジングと、
回転自在な回転軸と、
内輪が前記回転軸の一端側に外嵌され、外輪が前記ハウジングに内嵌された一端側軸受と、
前記回転軸の他端側に配置され、前記ハウジング内で軸線方向に移動可能なスリーブと、
内輪が前記回転軸の他端側に外嵌され、外輪が前記スリーブに内嵌された他端側軸受と、
前記スリーブと前記ハウジングとの間に介装されて前記スリーブ及びハウジングに軸線方向に付勢力を付与して前記一端側軸受及び前記他端側軸受に定圧予圧を付与するバネ部材と、を有する主軸装置であって、
前記回転軸の使用回転数と前記回転軸及び前記スリーブを含む振動系の固有振動数が一致する場合に、前記回転軸と前記回転軸回りに配置された前記スリーブの少なくとも一方の質量が変更可能であることを特徴とする主軸装置。
（２） 前記スリーブは、前記他端側軸受の外輪が内嵌されるスリーブ本体と、前記スリーブ本体に着脱可能で前記バネ部材の端部を係止するバネ受けとを備え、質量の異なる複数種類の前記バネ受けのいずれかを前記スリーブ本体に取り付けることにより、前記スリーブの質量が変更されることを特徴とする（１）に記載の主軸装置。
（３） 前記スリーブには、調整おもりが着脱可能とされ、前記調整おもりを前記スリーブに取り付けることにより、前記スリーブの質量が変更されることを特徴とする（１）又は（２）に記載の主軸装置。
（４） 前記回転軸には、質量調整部材が着脱可能とされ、前記質量調整部材を前記回転軸に取り付けることにより、前記回転軸の質量が変更されることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の主軸装置。
（５） ハウジングと、
回転自在な回転軸と、
内輪が前記回転軸の一端側に外嵌され、外輪が前記ハウジングに内嵌された一端側軸受と、
前記回転軸の他端側に配置され、前記ハウジングに内で軸線方向に移動可能なスリーブと、
内輪が前記回転軸の他端側に外嵌され、外輪が前記スリーブに内嵌された他端側軸受と、
前記スリーブと前記ハウジングとの間に介装されて前記スリーブ及びハウジングに軸線方向に付勢力を付与して前記一端側軸受及び前記他端側軸受に定圧予圧を付与するバネ部材と、を有する主軸装置の固有振動数調整方法であって、
前記回転軸の使用回転数と前記回転軸及び前記スリーブを含む振動系の固有振動数が一致する場合に、前記回転軸と前記回転軸回りに配置された前記スリーブの少なくとも一方の質量を変更することを特徴とする主軸装置の固有振動数調整方法。

本発明の主軸装置及びその固有振動数調整方法によれば、回転軸と回転軸回りに配置されたスリーブの少なくとも一方の質量を変更して調整することにより、回転軸を交換することなく、回転軸及びスリーブを含む振動系の固有振動数を調整することができ、これにより、加工すべきワークに対応する回転軸の使用回転数に対して、その周波数と異なる周波数へ振動系の固有振動数を調整することができ、一つの回転軸にて、より広い回転数で所望の性能を得ることができる。
これにより、静剛性を変えることなく単純な構造にて極めて容易に固有振動数を調整して使用回転数における振動の発生を抑えることができる。

以下、本発明に係る主軸装置の各実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（第１実施形態）
まず、第１実施形態に係る主軸装置について説明する。図１は第１実施形態に係る主軸装置を説明するための要部断面図である。主軸装置１１は、ハウジング１２と、一端側に工具が取り付けられる回転自在な回転軸１３と、内輪１４ａが回転軸１３の一端側に外嵌され、外輪１４ｂがハウジング１２に内嵌された複数（本実施形態では、２つ）の一端側軸受（本実施形態では、アンギュラ玉軸受）１４と、回転軸１３の他端側に配置され、ハウジング１２内で軸線方向に移動可能なスリーブ１５と、内輪１６ａが回転軸１３の他端側に外嵌され、外輪１６ｂがスリーブ１５に内嵌された複数（本実施形態では、２つ）の他端側軸受（本実施形態では、アンギュラ玉軸受）１６と、スリーブ１５とハウジング１２との間に介装されてこれらスリーブ１５及びハウジング１２に軸線方向に付勢力を付与して一端側軸受１４及び他端側軸受１６に定圧予圧を付与するバネ部材１７とを有している。なお、本実施形態では、回転軸１３の軸線方向において、一端側（図１中、左側）を前側と称し、他端側（図１中、右側）を後側とも称す。

ハウジング１２は、円筒状の外筒２０と、外筒２０の軸線方向一端側を閉塞するように外筒２０に嵌合固定されるフロントハウジング２１と、外筒２０の軸線方向他端側に内嵌される略段付き円筒状のリアハウジング２２とを有している。

外筒２０の内周部には、ビルトインモータ２４のステータ２５が固定されている。ステータ２５は、電源線（不図示）から所定の電流が供給されることにより、内周部に回転磁界を発生する。また、回転軸１３の軸線方向中間の外周部には、ロータ２６がステータ２５と対向して固定されており、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１３を回転する。

フロントハウジング２１の内周面には、複数の一端側軸受１４の外輪１４ｂが内嵌されている。また、複数の一端側軸受１４の外輪１４ｂは、後側の一端側軸受１４の外輪１４ｂをフロントハウジング２１の内周面後側に形成された内向き段部２７に当接させ、外輪１４ｂ同士の間に配置された間座２８を介して、フロントハウジング２１に押さえ板２９を固定することで軸方向に規制されている。

複数の一端側軸受１４の内輪１４ａは、回転軸１３の軸線方向一端側の外周面に外嵌される。また、複数の一端側軸受１４の内輪１４ａは、後側の一端側軸受１４の内輪１４ａを回転軸１３の外周面に形成された段部１３ａに当接させ、内輪１４ａ同士の間に配置された間座３０を介して、回転軸１３の外周面に形成された雌ねじ部１３ｂに押さえナット３１を螺合することで軸方向に規制されている。

リアハウジング２２は、軸線方向一端側に形成された内側円筒部４０と、軸線方向他端側に形成された内側円筒部４０よりも大径の外側円筒部４１とを有しており、内側円筒部４０において外筒２０の軸線方向他端側に内嵌され、外側円筒部４１の内側円筒部４０側の端面において外筒２０の後端面に当接する。内側円筒部４０の外側円筒部４１側の端面には、軸線方向に沿って延びる所定深さのバネ収容穴４３が円周方向に複数穿設されている。これらバネ収容穴４３は、バネ部材１７を収容しつつ、その底面でバネ部材１７の軸線方向一端を係止する。

スリーブ１５は、軸線方向の全長に亙ってリアハウジング２２の内側円筒部４０の内径よりも小径とされてリアハウジング２２に軸線方向に移動可能に内挿される略円筒状のスリーブ本体５０と、このスリーブ本体５０の端面と当接し、スリーブ本体５０より大径の板状のバネ受け５１と、スリーブ本体５０にバネ受け５１を着脱可能に取り付けるボルト５２とを有している。なお、スリーブ本体５０とバネ受け５１とが着脱可能であれば、バネ受け５１はボルト締結以外の他の手段を用いて固定されてもよい。

スリーブ本体５０の内周面には、複数の他端側軸受１６の外輪１６ｂが内嵌されている。また、複数の他端側軸受１６の外輪１６ｂは、前側の他端側軸受１６の外輪１６ｂをスリーブ本体５０の内周面前側に形成された内向き段部５４に当接させ、スリーブ本体５０にバネ受け５１を固定してバネ受け５１に形成された押さえ環部５１ａを後側の他端側軸受１６の外輪１６ｂに当接させることで、外輪１６ｂ同士の間に配置された間座５５を介して軸方向に規制される。

また、複数の他端側軸受１６の内輪１６ａは、回転軸１３の軸線方向他端側の外周面に外嵌される。また、複数の一端側軸受１６の内輪１６ａは、前側の他端側軸受１６の内輪１６ａを回転軸１３の外周面に形成された段部１３ｃに当接させ、内輪１４ａ同士の間に配置された間座５８、及び他の間座５９を介して、回転軸１３の外周面に形成された雌ねじ部１３ｄに押さえナット６０を螺合することで軸方向に規制されている。これにより、回転軸１３は、ハウジング本体２２に設けられた一端側軸受１４と、スリーブ１５に設けられた他端側軸受１６とで回転自在に保持されている。

スリーブ１５のバネ受け５１は、リアハウジング２２のバネ収容穴４３と軸線方向で対向しており、バネ収容穴４３に収容され一端が係止されたバネ部材１７の他端を係止する。

バネ部材１７は、上記したように、ハウジング１２のリアハウジング２２とスリーブ１５のバネ受け５１との間に介装されており、これにより、バネ部材１７の付勢力でスリーブ１５がハウジング１２に対して抜け出し方向に付勢されて軸線方向の位置を調整し、ハウジング１２の内向き段部２７によって規制される複数の一端側軸受１４と、スリーブ１５の内向き段部５４によって規制される複数の他端側軸受１６とに定圧予圧を付与する。

ここで、上記構成の主軸装置１１では、スリーブ本体５０に対して着脱可能なバネ受け５１として、比重の異なる材質から形成された質量の異なる複数種類のバネ受け５１が用意されている。

例えば、比重の大きい鋼及び比重の小さいジュラルミンからバネ受け５１を形成することにより、質量の大きい鋼製のバネ受け５１と質量の小さいジュラルミン製のバネ受け５１が用意されており、これらのいずれかのバネ受け５１をスリーブ本体５０に装着することにより、スリーブ１５の質量を調整することができる。

そして、これらの何れかのバネ受け５１を用いて回転軸１３回りの質量を変更することにより、回転軸１３を交換することなく、回転軸１３、ロータ２６、他端側軸受１６、スリーブ１５等を含む振動系の固有振動数を調整することができる。これにより、加工すべきワークに対応する回転軸１３の使用回転数に対して、その周波数と異なる周波数へ振動系の固有振動数を調整することができ、一つの回転軸１３にて、より広い回転数で所望の性能を得ることができる。

このように、上記第１実施形態の主軸装置１１によれば、質量の異なる複数種類のバネ受け５１のいずれかを用いて回転軸１３回りの質量、即ち、スリーブ１５の質量を調整することにより、静剛性を変えることなく単純な構造にて極めて容易に固有振動数を調整して使用回転数における振動の発生を抑えることができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る主軸装置について説明する。なお、第１実施形態と同等部分については、同一符号を付して、説明を省略或いは簡略化する。

図２は第２実施形態に係る主軸装置を説明するための要部断面図である。図２に示すように、この主軸装置１１では、スリーブ１５を構成するバネ受け５１に、ボルト等５２によってリング状の調整おもり６１が着脱可能に取り付けられている。

ここで、このバネ受け５１に取り付けられる調整おもり６１としては、比重の異なる材質から形成された質量の異なる複数種類のものが用意されている。例えば、比重の大きい鋼及び比重の小さいジュラルミンから調整おもり６１を形成することにより、質量の大きい鋼製の調整おもり６１と質量の小さいジュラルミン製の調整おもり６１が用意され、これらのいずれかの調整おもり６１をバネ受け５１に装着することにより、スリーブ１５の質量を調整することができる。

そして、これらの何れかの調整おもり６１を用いてスリーブ１５の質量を変更することにより、回転軸１３を交換することなく、振動系の固有振動数を調整することができる。これにより、加工すべきワークに対応する回転軸１３の使用回転数に対して、その周波数と異なる周波数へ回転軸１３の固有振動数を調整することができ、一つの回転軸１３にて、より広い回転数で所望の性能を得ることができる。

このように、上記第２実施形態の主軸装置１１によれば、質量の異なる複数種類の調整おもり６１のいずれかを用いて回転軸１３回りの質量を調整することにより、静剛性を変えることなく単純な構造にて極めて容易に固有振動数を調整して使用回転数における振動の発生を抑えることができる。
なお、調整おもり６１は、材質を異ならせるだけでなく、例えば、内径及び外径の寸法を変えて質量を異ならせても良い。また、固有振動数は、調整おもり６１を取り外して調整してもよい。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態に係る主軸装置について説明する。なお、第１実施形態と同等部分については同一符号を付して、説明を省略或いは簡略化する。

図３は第３実施形態に係る主軸装置を説明するための要部断面図である。図３に示すように、この主軸装置１１では、回転軸１３の端部に取付穴７１が形成されており、この取付穴７１には、質量調整部材７２が着脱可能に取り付けられている。なお、取付穴７１への質量調整部材７２の取付構造としては、本実施形態のように、取付穴７１に雌ねじを形成するとともに、質量調整部材７２にねじ部を形成し、質量調整部材７２を取付穴７１に螺着してもよい。

ここで、回転軸１３の取付穴７１に取り付けられる質量調整部材７２としては、比重の異なる材質から形成された質量の異なる複数種類のものが用意されている。例えば、比重の大きい鋼及び比重の小さいジュラルミンから質量調整部材７２を形成することにより、質量の大きい鋼製の質量調整部材７２と質量の小さいジュラルミン製の質量調整部材７２が用意されており、これらのいずれかの質量調整部材７２を回転軸１３の取付穴７１に装着することにより、回転軸１３の質量を調整することができる。

そして、これらの何れかの質量調整部材７２を用いて回転軸１３自体の質量を変更することにより、回転軸１３を交換することなく、振動系の固有振動数を調整することができる。これにより、加工すべきワークに対応する回転軸１３の使用回転数に対して、その周波数と異なる周波数へ回転軸１３の固有振動数を調整することができ、一つの回転軸１３にて、より広い回転数で所望の性能を得ることができる。

このように、上記第３実施形態の主軸装置１１によれば、質量の異なる複数種類の質量調整部材７２のいずれかを用いて回転軸１３の質量を調整することにより、静剛性を変えることなく単純な構造にて極めて容易に固有振動数を調整して使用回転数における振動の発生を抑えることができる。
なお、質量調整部材７２は、材質を異ならせるだけでなく、例えば、長さ寸法又は外径を変えて質量を異ならせても良い。また、固有振動数は、質量調整部材７２を取り外して調整してもよい。

ここで、主軸装置の振動について、アキシアル方向を例にとると、図５に示すような２自由度系のモデルで説明することができる。このモデルの固有振動数は、ｋ１：軸受１４の剛性、ｋ２：軸受１６の剛性、ｍ１：回転軸１３の質量、ｍ２：スリーブ１５の質量とした場合、以下の式（１）で表される。なお、バネ部材１７の剛性は、ｋ１，ｋ２に比べて非常に小さいため無視できる。

ここで、ｆ１＜ｆ２であり、ｆ１は１次共振周波数、ｆ２は２次共振周波数である。周波数がｆ１となるとき、回転軸１３とスリーブ１５は同位相で動き、周波数がｆ２となる場合は逆位相で動く。ｆ１，ｆ２は、ｋ１，ｋ２，ｍ１，ｍ２の関数であるので、スピンドルの使用回転数がこのどちらかと一致してしまった場合、回転軸１３の重さｍ１かスリーブ１５の重さｍ２のどちらか、あるいは両方を変更することで、ｆ１，ｆ２の値を変化させることができる。

回転軸１３とスリーブ１５の重さｍ１，ｍ２のどちらがｆ１，ｆ２に対してより影響するかを式（１）から判断することができるので、ｆ１，ｆ２のうち、変更したい方の共振周波数に影響の大きいものの重さを変更する。

材質Ａ製のバネ受け及び材質Ｂ製のバネ受けを用意し、これらをそれぞれスリーブ本体に取り付けてスリーブの質量を調整する。物質Ａのバネ受けを取り付けた場合のスリーブの重さをｍＡ、物質Ｂのバネ受けを取り付けた場合のスリーブの重さをｍＢとすると、材質Ａ、材質Ｂのバネ受けを取り付けた場合の共振周波数は、式（２）、（３）で表される。

この式（２）、（３）を用いてシミュレーションを行うと、材質Ａ製のバネ受けから材質Ｂ製のバネ受けに変更した場合のアキシアル方向における１次共振周波数及び２次共振周波数を求めることができる。

材質Ａに鋼、材質Ｂにジュラルミンを用いて、シミュレーションの結果を実験で確かめたところ、アキシアル方向における１次共振周波数及び２次共振周波数は図４に示すようになり、１次共振周波数は約１０％、２次共振周波数は約３％高くなった。

従って、上記の結果より、例えば、材質Ａ製のバネ受けの場合に、振動系の固有振動数が回転軸の使用回転数と一致してしまったとしても、材質Ｂ製のバネ受けに交換することにより、振動系の固有振動数を使用回転数と異なる値にすることができることがわかった。つまり、回転軸の使用可能な回転数の範囲を容易に拡張可能であることがわかった。

第１実施形態に係る主軸装置を説明するための断面図である。 第２実施形態に係る主軸装置を説明するための断面図である。 第３実施形態に係る主軸装置を説明するための断面図である。 鋼製及びジュラルミン製のバネ受けを用いて、アキシアル方向における１次共振周波数及び２次共振周波数を求めたグラフである。 主軸装置の振動を説明するための２自由度系のモデルを示す図である。

符号の説明

１１ 主軸装置
１２ ハウジング
１３ 回転軸
１４ 一端側軸受
１４ａ 内輪
１４ｂ 外輪
１５ スリーブ
１６ 他端側軸受
１６ａ 内輪
１６ｂ 外輪
１７ バネ部材
５０ スリーブ本体
５１ バネ受け
６１ 調整おもり
７２ 調整部材

Claims (5)

1. ハウジングと、
   回転自在な回転軸と、
   内輪が前記回転軸の一端側に外嵌され、外輪が前記ハウジングに内嵌された一端側軸受と、
   前記回転軸の他端側に配置され、前記ハウジング内で軸線方向に移動可能なスリーブと、
   内輪が前記回転軸の他端側に外嵌され、外輪が前記スリーブに内嵌された他端側軸受と、
   前記スリーブと前記ハウジングとの間に介装されて前記スリーブ及びハウジングに軸線方向に付勢力を付与して前記一端側軸受及び前記他端側軸受に定圧予圧を付与するバネ部材と、を有する主軸装置であって、
   前記回転軸及び前記スリーブを含む振動系の固有振動数が前記回転軸の使用回転数と異なるように、前記回転軸と前記回転軸回りに配置された前記スリーブの少なくとも一方の質量が変更可能であることを特徴とする主軸装置。
2. 前記スリーブは、前記他端側軸受の外輪が内嵌されるスリーブ本体と、前記スリーブ本体に着脱可能で前記バネ部材の端部を係止するバネ受けとを備え、質量の異なる複数種類の前記バネ受けのいずれかを前記スリーブ本体に取り付けることにより、前記スリーブの質量が変更されることを特徴とする請求項１に記載の主軸装置。
3. 前記スリーブには、調整おもりが着脱可能とされ、前記調整おもりを前記スリーブに取り付けることにより、前記スリーブの質量が変更されることを特徴とする請求項１又は２に記載の主軸装置。
4. 前記回転軸には、質量調整部材が着脱可能とされ、前記質量調整部材を前記回転軸に取り付けることにより、前記回転軸の質量が変更されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の主軸装置。
5. ハウジングと、
   回転自在な回転軸と、
   内輪が前記回転軸の一端側に外嵌され、外輪が前記ハウジングに内嵌された一端側軸受と、
   前記回転軸の他端側に配置され、前記ハウジングに内で軸線方向に移動可能なスリーブと、
   内輪が前記回転軸の他端側に外嵌され、外輪が前記スリーブに内嵌された他端側軸受と、
   前記スリーブと前記ハウジングとの間に介装されて前記スリーブ及びハウジングに軸線方向に付勢力を付与して前記一端側軸受及び前記他端側軸受に定圧予圧を付与するバネ部材と、を有する主軸装置の固有振動数調整方法であって、
   前記回転軸の使用回転数と前記回転軸及び前記スリーブを含む振動系の固有振動数が一致する場合に、前記回転軸と前記回転軸回りに配置された前記スリーブの少なくとも一方の質量を変更することを特徴とする主軸装置の固有振動数調整方法。

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