JP2013215853A - Method for improving dynamic rigidity and damping capacity while maintaining and improving static rigidity of coupled structure - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、工作機械などにおける結合構造体において、静剛性を維持又は向上させつつ動剛性及び減衰能を向上させる方法に関するものである。 The present invention relates to a method for improving dynamic rigidity and damping capacity while maintaining or improving static rigidity in a joint structure in a machine tool or the like.
食品、薬品、衣料品、建物など、多種多様の産業製品が、いわゆる産業機械と呼ばれる機械によって製造されている。近年、これらの産業製品に求められる加工精度は非常に高くなってきており、そのような要求を満たすためには、産業機械自体が高い加工精度を実現できるように構成されていることは勿論のこと、産業機械を構成する機械部品も高い加工精度で製造されていることが必要となる。 A wide variety of industrial products such as food, medicine, clothing, and buildings are manufactured by a so-called industrial machine. In recent years, the processing accuracy required for these industrial products has become very high, and in order to satisfy such a requirement, it is a matter of course that the industrial machine itself is configured to realize high processing accuracy. In addition, it is necessary that machine parts constituting the industrial machine are also manufactured with high processing accuracy.
ここで、産業機械等の機械を構成する機械部品を製造する機械は、一般に工作機械と呼ばれる。工作機械は、加工素材を機械部品に加工する機械であり、機械を作る機械であるという意味からマザーマシンとも呼ばれている。上述のように、最終製品の加工精度を向上させるためには、その製品を製造するために用いられる産業機械の加工精度を向上させることは勿論、当該産業機械を構成する機械部品を製造するための工作機械の加工精度を向上させることが求められている。 Here, the machine which manufactures the machine parts which comprise machines, such as an industrial machine, is generally called a machine tool. A machine tool is a machine that processes a processed material into machine parts, and is also called a mother machine because it is a machine that makes a machine. As described above, in order to improve the processing accuracy of the final product, not only to improve the processing accuracy of the industrial machine used to manufacture the product, but also to manufacture machine parts constituting the industrial machine. There is a need to improve the processing accuracy of machine tools.
工作機械には、機能上、製作上、運搬上の必要性から、非常に多くの結合部(例えば、ボルトにより締結されたボルト結合部など)が存在している。従来、このような結合部の存在が、結合部によって結合された結合構造体の減衰能を向上させることが知られていた。結合構造体の減衰能を向上させることは、工作機械において発生する振動(例えば、主軸、軸受、歯車などの回転に伴う振動、加工に伴う各種振動、及びテーブルなどの直進運動に伴う振動等)を低下させるために有効であるため、工作機械の加工精度を向上させるのに役立つ。一方、結合部の存在によって一般に結合部の静剛性が低下することも知られており、このことは工作機械の加工精度の低下に繋がる。 A machine tool has a large number of coupling parts (for example, bolt coupling parts fastened by bolts) because of the necessity for function, production, and transportation. Conventionally, it has been known that the presence of such a coupling part improves the damping capacity of the coupling structure coupled by the coupling part. Improving the damping capacity of the coupled structure means vibrations generated in machine tools (for example, vibrations associated with rotation of main shafts, bearings, gears, etc., various vibrations associated with machining, vibrations associated with linear motion of tables, etc.) This is effective in reducing the machining accuracy, and is useful for improving the machining accuracy of the machine tool. On the other hand, it is also known that the static rigidity of the joint portion generally decreases due to the presence of the joint portion, which leads to a decrease in machining accuracy of the machine tool.
このように、結合部の存在は、結合構造体の減衰能を向上させるため、工作機械の加工精度を向上させるのに寄与する一方、結合部の静剛性を低下させるため、工作機械の加工精度を低下させることにも繋がる。そのため、工作機械の加工精度を向上させるためには、結合部において静剛性を低下させないことと減衰能を向上させることとをバランスよく実現すること、言い換えると、結合部の静剛性を維持しつつ、動剛性を高めることが求められている(例えば、非特許文献1参照)。 In this way, the presence of the coupling portion improves the damping capacity of the coupling structure, thereby contributing to improving the machining accuracy of the machine tool, while reducing the static rigidity of the coupling portion, thereby reducing the machining accuracy of the machine tool. It leads to lowering. Therefore, in order to improve the machining accuracy of the machine tool, it is necessary to achieve a good balance between not reducing the static rigidity and improving the damping capacity in the joint part, in other words, while maintaining the static rigidity of the joint part. Therefore, it is required to increase dynamic rigidity (see, for example, Non-Patent Document 1).
本発明者らは、鋭意検討の末、結合部の静剛性を維持又は向上させつつ、動剛性及び減衰能を高めるための方法を見出すとともに、これを実験的に確かめることにより本発明に至った。 As a result of intensive studies, the present inventors have found a method for increasing dynamic rigidity and damping capacity while maintaining or improving the static rigidity of the joint, and have experimentally verified this to arrive at the present invention. .
本発明の目的は、結合部の静剛性を維持又は向上させつつ、動剛性及び減衰能を高めるための方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a method for increasing dynamic rigidity and damping capacity while maintaining or improving the static rigidity of a joint.
本発明に従えば、結合構造体の静剛性を維持又は向上させつつ動剛性及び減衰能を向上させる方法であって、
第1当接面を有する第1部材、第2当接面を有する第2部材、第1部材と第2部材との間に配置される弾性部材、及び第1部材と第2部材とを締結する締結部材を有する結合構造体を用意することと、
前記第1部材と第2部材との間の締め代を調整することと、
第1部材と第2部材との間に前記弾性部材を配置し、第1当接面と第2当接面とが所定の結合面圧で互いに当接するように前記締結部材を用いて締結することとを備え、
前記締め代及び前記所定の結合面圧は、前記弾性部材を介在させない場合と比べて、結合部分の等価剛性が同等以上となるように、且つ、等価粘性減衰係数が増加するように調整されていることを特徴とする方法が提供される。
According to the present invention, a method for improving dynamic rigidity and damping capacity while maintaining or improving the static rigidity of a combined structure,
Fastening the first member having the first contact surface, the second member having the second contact surface, the elastic member disposed between the first member and the second member, and the first member and the second member Providing a coupling structure having a fastening member to be
Adjusting a tightening margin between the first member and the second member;
The elastic member is disposed between the first member and the second member, and is fastened using the fastening member so that the first contact surface and the second contact surface are in contact with each other with a predetermined coupling surface pressure. And
The tightening margin and the predetermined coupling surface pressure are adjusted so that the equivalent rigidity of the coupling portion is equal to or greater than that in the case where the elastic member is not interposed, and the equivalent viscous damping coefficient is increased. There is provided a method characterized in that
この場合には、締め代及び結合面圧は、弾性部材を介在させない場合と比べて、結合部の等価剛性が同等以上になるように調整されているので、結合部分の静剛性を維持又は向上させることができる。さらに、締め代及び結合面圧は、弾性部材を介在させない場合と比べて、結合部の等価粘性減衰係数が増加するように調整されているので、結合部分の動剛性及び減衰特性を向上させることができる。ここで、締め代とは、弾性部材を介在させた状態で、第1部材と第2部材と締め付けないで配置したときのギャップに相当する。締結部材を締め付けていくとこの締め代の分だけ、弾性部材が弾性変形することになる。このときの弾性変形力は、結合面圧を下げるように寄与する。そのため、締め代を調整することにより、弾性変形力、すなわち、弾性部材が支持する荷重の大きさを調整でき、結合面圧を調整することができる。 In this case, the tightening allowance and the coupling surface pressure are adjusted so that the equivalent stiffness of the coupling portion is equal to or higher than that in the case where no elastic member is interposed, so that the static stiffness of the coupling portion is maintained or improved. Can be made. Furthermore, since the tightening allowance and the coupling surface pressure are adjusted so that the equivalent viscous damping coefficient of the coupling portion is increased as compared with the case where no elastic member is interposed, the dynamic rigidity and damping characteristics of the coupling portion are improved. Can do. Here, the tightening allowance corresponds to a gap when the first member and the second member are arranged without being tightened with an elastic member interposed therebetween. When the fastening member is tightened, the elastic member is elastically deformed by the amount of the fastening allowance. The elastic deformation force at this time contributes to lower the coupling surface pressure. Therefore, by adjusting the tightening allowance, the elastic deformation force, that is, the magnitude of the load supported by the elastic member can be adjusted, and the coupling surface pressure can be adjusted.
本発明の方法において、前記第1部材の第1当接面には、前記弾性部材を配置する凹部が形成されてもよく、前記締め代の調整は、前記凹部の深さを調整することによってなされてもよい。この場合には、弾性部材を配置する凹部の深さを予め調整しておくことにより、所定のトルクで締結したときに、所望の結合面圧を得ることができるようになる。なお、「凹部の深さを調整する」ことには、凹部の開口部から底部までの長さを調整することだけではなく、凹部の底部に任意の形状の調整部材を挿入することにより、実質的に凹部の深さを調整することも含む。 In the method of the present invention, the first contact surface of the first member may be formed with a recess in which the elastic member is disposed, and the adjustment of the tightening margin is performed by adjusting the depth of the recess. May be made. In this case, by adjusting the depth of the concave portion in which the elastic member is disposed in advance, a desired coupling surface pressure can be obtained when fastened with a predetermined torque. Note that “adjusting the depth of the recess” means not only by adjusting the length from the opening to the bottom of the recess, but also by inserting an adjusting member of an arbitrary shape into the bottom of the recess. It also includes adjusting the depth of the recess.
本発明の方法において、前記弾性部材は、少なくとも1枚の皿ばねであってもよい。また、前記弾性部材は、表裏が同じ向きになるように積み重ねられた複数の皿ばねを有する皿ばね組を複数個含んでもよく、前記複数の皿ばね組は、表裏が逆向きになるように積み重ねられていてもよい。いずれの場合にも、皿ばねを用いることにより比較的容易に締め代を調整することができる。 In the method of the present invention, the elastic member may be at least one disc spring. The elastic member may include a plurality of disc spring sets having a plurality of disc springs stacked so that the front and back are in the same direction. It may be stacked. In any case, the tightening allowance can be adjusted relatively easily by using a disc spring.
本発明の方法において、前記締結部材はボルト又はクランプ機構であってもよい。前記弾性部材は、前記ボルト又はクランプ機構に隣接して配置されてもよく、リング状、棒状又は板状の形状を有してもよい。この場合には、締結部材の選択の自由度を上げることができる。さらに、弾性部材の形状の選択の自由度及び配置の自由度を上げることができる。 In the method of the present invention, the fastening member may be a bolt or a clamp mechanism. The elastic member may be disposed adjacent to the bolt or the clamp mechanism, and may have a ring shape, a rod shape, or a plate shape. In this case, the freedom degree of selection of a fastening member can be raised. Furthermore, the freedom degree of selection of the shape of an elastic member and the freedom degree of arrangement | positioning can be raised.
例えば、締結部材がボルトであって、弾性部材がリング状の形状を有している場合には、ボルトを挿通するための孔を形成する際に、少し大きめの径を有する開口を同時に形成することにより、容易にリング状の形状の弾性部材を挿入する開口部を形成することができる。 For example, when the fastening member is a bolt and the elastic member has a ring shape, an opening having a slightly larger diameter is simultaneously formed when forming a hole for inserting the bolt. Thereby, the opening part which inserts an elastic member of a ring shape easily can be formed.
本発明に係る結合部の静剛性を維持又は向上させつつ、動剛性及び減衰能を高めるための方法を利用することにより、工作機械の静剛性を維持又は向上させつつ、工作機械に発生する振動を抑えることができるため、工作機械の加工精度を向上させることができる。 The vibration generated in the machine tool while maintaining or improving the static rigidity of the machine tool by utilizing the method for increasing the dynamic rigidity and damping capacity while maintaining or improving the static rigidity of the coupling portion according to the present invention. Therefore, the machining accuracy of the machine tool can be improved.
本発明に係る、結合構造体の静剛性を維持又は向上させつつ動剛性及び減衰能を向上させる方法について説明する。本発明の方法に係る結合構造体は、例えば、図1に示される横中ぐりフライス盤1のような、工作機械に適用される。ここでは、先ず図1に示される横中ぐりフライス盤1の構造について簡単に説明し、その後、横中ぐりフライス盤1のボルト結合部などに適用される、本発明に係る結合構造体の静剛性を維持又は向上させつつ動剛性及び減衰能を向上させる方法について説明する。図1に示すように、横中ぐりフライス盤1は、加工対象物であるワークWを載置するテーブル10と、テーブル10の下方に配置されてテーブル10をY軸方向に移動可能に支持するサドル13と、テーブル10をサドル13に対してX軸方向に移動させるテーブル駆動部15と、サドル13をY軸方向に移動可能に支持するベッド20と、サドル13をY軸方向に移動させるサドル駆動部17と、ベッド20のY方向一端部に配置されて、Z方向に立設するコラム40と、主軸51及び主軸51をその軸心(回転軸)の周りに回転させる主軸モータ52を有する主軸頭50と、主軸頭50をコラム40に沿ってZ方向に移動させる主軸頭駆動部19とを主に備える。主軸51の先端には、例えばコレットチャック等のチャック部が取り付けられたツールホルダが装着され、ホルダのチャック部には、エンドミルなどの切削工具70が固定される。
A method for improving dynamic rigidity and damping capacity while maintaining or improving the static rigidity of the bonded structure according to the present invention will be described. The connection structure according to the method of the present invention is applied to a machine tool such as a horizontal boring mill 1 shown in FIG. Here, first, the structure of the horizontal boring mill 1 shown in FIG. 1 will be briefly described, and then the static rigidity of the coupling structure according to the present invention applied to the bolt coupling portion of the horizontal boring mill 1 will be described. A method for improving dynamic rigidity and damping capacity while maintaining or improving will be described. As shown in FIG. 1, the horizontal boring and milling machine 1 includes a table 10 on which a workpiece W as a workpiece is placed, and a saddle that is disposed below the table 10 and supports the table 10 so as to be movable in the Y-axis direction. 13, a
ここで、サドル駆動部17は、Y軸方向に延在し、サドル13に挿入された第1の送りねじ17aと、第1の送りねじ17aの一端に結合されて第1の送りねじ17aを回転駆動する第1のモータ17bとを有する。第1のモータ17bを駆動して第1の送りねじ17aを回転させることにより、第1の送りねじ17aが挿入されたサドル13をY軸方向に移動させることができる。同様に、テーブル駆動部15は、X軸方向に延在し、テーブル10に挿入された第2の送りねじ15aと、第2の送りねじ15aの一端に結合されて第2の送りねじ15aを回転駆動する不図示の第2のモータとを有する。第2のモータを駆動して第2の送りねじ15aを回転させることにより、第2の送りねじ15aが挿入されたテーブル10をX軸方向に移動させることができる。さらに、主軸頭駆動部19は、Z軸方向に延在し、主軸頭50に挿入された第3の送りねじ19aと、第3の送りねじ19aの一端に結合されて第3の送りねじ19aを回転駆動する不図示の第3のモータとを有する。第3のモータを駆動して第3の送りねじ19aを回転させることにより、第3の送りねじ19aが挿入された主軸頭50をZ軸方向に移動させることができる。
Here, the
横中ぐりフライス盤1には、テーブル駆動部15、サドル駆動部17及び主軸頭駆動部19が設けられており、主軸頭50の主軸51の先端に取り付けられた切削工具を回転させつつ、テーブル10の上面10aに固定されたワークWに対して、X軸方向、Y軸方向、Z軸方向に独立に移動させることができる。このようにして、横中ぐりフライス盤1は、回転する切削工具をワークWの所望の位置に当接させて、ワークWの切削加工を行うことができる。
The horizontal boring and milling machine 1 is provided with a
ワークWの切削加工を行う際に、横中ぐりフライス盤1に振動が発生すると、これに起因してワークWの加工精度が低下してしまう。ここで、一般に、横中ぐりフライス盤1等の工作機械においては、加工に起因する力、機械に起因する力、及び機械以外の要因による力によって振動が発生することが考えられる。加工に起因する力としては、例えば、フライス加工における断続切削の際、及び、非対称形状のワークを旋削する際に生じる強制振動外力や、自励振動が挙げられる。また、機械に起因する力としては、主軸などの回転要素に起因するアンバランス、歯車の噛み合い振動、軸受の転がり振動、テーブルなどの反転衝撃力などが挙げられる。そして、機械以外の要因による力としては、工具、ワークの取付精度不良によるアンバランス振動、床からの伝達振動等が挙げられる。 When vibration is generated in the horizontal boring and milling machine 1 when cutting the workpiece W, the machining accuracy of the workpiece W is reduced due to this. Here, in general, in a machine tool such as the horizontal boring and milling machine 1, it is conceivable that vibration is generated by a force caused by machining, a force caused by the machine, and a force caused by factors other than the machine. Examples of the force resulting from machining include forced vibration external force and self-excited vibration that are generated during intermittent cutting in milling and when turning an asymmetrical workpiece. Examples of the force caused by the machine include unbalance caused by a rotating element such as a main shaft, gear meshing vibration, bearing rolling vibration, and reversing impact force of a table. The force caused by factors other than the machine includes unbalanced vibration due to poor mounting accuracy of tools and workpieces, vibration transmitted from the floor, and the like.
工作機械などの機械構造における結合部は、図2に示すように、減衰係数Cを有するダンパ要素と、ばね定数kを有するばね要素との組み合わせによってモデル化することができる。ここで、ばね定数kは接触剛性を特徴付けるパラメータであり、減衰係数Cはダンピング特性を特徴付けるパラメータである。各結合部がダンパ要素により特徴付けられることから、ボルトにより締結されたボルト結合部等の結合部の数が多くなると、ダンピング特性が向上することがわかる。ダンピング特性が向上すると、工作機械において発生した振動を効果的に減衰させることができるため、工作機械の加工精度を向上させることができる。そのため、結合部の数を増やすことは、工作機械の減衰能を向上させて、加工精度を向上させるという観点からは好ましいと言える。しかしながら、結合部が存在すると、結合部なしで一体に形成されている場合に比べて、必然的に静剛性が低下してしまう。このことは逆に、工作機械の加工精度を低下させる要因となる。 As shown in FIG. 2, a coupling portion in a machine structure such as a machine tool can be modeled by a combination of a damper element having a damping coefficient C and a spring element having a spring constant k. Here, the spring constant k is a parameter characterizing the contact rigidity, and the damping coefficient C is a parameter characterizing the damping characteristic. Since each coupling part is characterized by a damper element, it can be seen that the damping characteristics are improved when the number of coupling parts such as bolt coupling parts fastened by bolts is increased. When the damping characteristic is improved, the vibration generated in the machine tool can be effectively damped, so that the machining accuracy of the machine tool can be improved. Therefore, it can be said that increasing the number of coupling portions is preferable from the viewpoint of improving the machining accuracy by improving the damping capability of the machine tool. However, if there is a coupling portion, the static rigidity is inevitably lowered as compared with a case where the coupling portion is formed integrally without the coupling portion. On the contrary, this becomes a factor of reducing the machining accuracy of the machine tool.
なお、横中ぐりフライス盤1等の工作機械において、機能上、製作上、運搬上の理由から、複数の結合部を設けることは必須である。つまり、結合部の数をゼロにすることは事実上不可能であるため、複数の結合部が存在することを前提として、各結合部において、静剛性を維持しつつ減衰能を向上させるための新しい設計手法が望まれてきた。 In the machine tool such as the horizontal boring and milling machine 1, it is essential to provide a plurality of coupling portions for functional, manufacturing, and transportation reasons. In other words, since it is practically impossible to reduce the number of coupling parts to zero, on the assumption that there are a plurality of coupling parts, in order to improve damping capacity while maintaining static rigidity in each coupling part New design approaches have been desired.
そこで、本発明者らは鋭意検討を重ね、従来望まれてきた「結合部において、静剛性を維持しつつ減衰能を向上させるための新しい設計手法」からさらに進んで、「結合部において、静剛性を維持又は向上させつつ動剛性及び減衰能を向上させるための新しい設計手法」を見出し、これを実験的に確かめることにより本発明に至った。以下、本発明者らが見出した、結合構造体の静剛性を維持又は向上させつつ動剛性及び減衰能を向上させるための新たな方法について説明する。 Therefore, the present inventors have made extensive studies and further proceeded from the conventionally desired “new design method for improving damping capacity while maintaining static rigidity in the joint portion”. The inventors have found a “new design method for improving the dynamic rigidity and damping capacity while maintaining or improving the rigidity” and experimentally confirming this, thereby reaching the present invention. Hereinafter, a new method for improving the dynamic rigidity and damping capacity while maintaining or improving the static rigidity of the bonded structure, which has been found by the present inventors, will be described.
図3に、結合面圧と接触剛性との関係、及び、結合面圧と減衰との関係を示す。図3の横軸は接触剛性の大きさを表し、左側縦軸、右側縦軸はそれぞれ接触剛性、減衰の大きさを示す。図3に示されるように、接触剛性はある程度の結合面圧以上の範囲でほぼ一定となる。これに対して、減衰はある結合面圧においてピークとなる。このことは、減衰がピークとなる結合面圧(以下、第1結合面圧と呼ぶ)付近の結合面圧において、結合面に微小滑りが発生しやすくなり、これにより減衰能が向上するからであると理解される。ここで本発明者らは、接触剛性が維持できる範囲において、減衰が大きくなるように結合面圧の大きさを調整することができれば、接触剛性を維持しつつ、減衰能を高めることができるのではないかと考えた。なお、接触剛性を維持することができれば、結合構造体の静剛性の低下を抑えることができるため、結合構造体の静剛性を維持しつつ動剛性及び減衰能を向上させることができるのではないかと考えた。そこで、本発明者らは、これを検証するために以下のような検証実験を行った。 FIG. 3 shows the relationship between the coupling surface pressure and the contact rigidity, and the relationship between the coupling surface pressure and the damping. The horizontal axis in FIG. 3 represents the magnitude of contact stiffness, and the left vertical axis and the right vertical axis represent the contact stiffness and the magnitude of attenuation, respectively. As shown in FIG. 3, the contact rigidity is substantially constant in a range of a certain bonding surface pressure or more. In contrast, the attenuation peaks at a certain bonding surface pressure. This is because a minute slip is likely to occur on the coupling surface at a coupling surface pressure near the coupling surface pressure at which the attenuation reaches a peak (hereinafter referred to as the first coupling surface pressure), thereby improving the damping capacity. It is understood that there is. Here, if the magnitude | size of a coupling surface pressure can be adjusted so that attenuation | damping may become large in the range which can maintain contact rigidity, we can improve damping capacity, maintaining contact rigidity. I thought that. Note that if the contact rigidity can be maintained, it is possible to suppress a decrease in the static rigidity of the combined structure, and thus it is not possible to improve the dynamic rigidity and the damping capacity while maintaining the static rigidity of the combined structure. I thought. Therefore, the present inventors conducted the following verification experiment in order to verify this.
図4に示すように、円柱形状の基部110と、基部110の中心軸方向両端にそれぞれ配置された、2つの円柱形状の接続部111とを有し、基部110及び接続部111が2本のボルト115により締結された、円柱状のボルト結合構造体200を用意した。基部110の中心軸方向両端の、接続部111に当接する当接面110aには、それぞれねじ孔110bが形成されている。また、各接続部111には、中心軸方向に貫通する貫通孔112が形成され、基部110に当接する当接面111aには、各接続部111の貫通孔112の径を部分的に大きくするように開口された円形の開口部113が形成されている。開口部113には、12枚の皿ばね114からなる介在要素が挿入されている。2つの接続部111と基部110とは、接続部111の貫通孔112及び皿ばね114に挿通された2本のボルト115により締結される。
As shown in FIG. 4, it has a
なお、皿ばねとは、円盤の中心に穴をあけたリングを円錐状に成形した、皿状のばねである。本検証実験に用いられた皿ばね114は、板圧1.5mm、外径25mmのリング状の板材である。皿ばね114の中央部分には、直径12.2mmの貫通孔があけられており、その貫通孔にボルト115が挿通される。上述のように、皿ばね114は平らな板材ではなく、図5(A)に示されるように外周側に比べて内周側が0.55mm高くなるように、円錐状に成形されている。そのため、皿ばね114を平らな面においたときの高さは2.05mmとなる。このときの高さを有効高さと呼ぶ。以下の説明においては、便宜的に、皿ばね114の内周側が高くなるように置いたときに上を向く面を表面114aとし、下を向く面を裏面114bとする。
The disc spring is a disc-shaped spring in which a ring having a hole in the center of a disk is formed into a conical shape. The
本検証実験では、図5(B)に示されるように、3枚の皿ばね114を一組にして、これらの表面114aと裏面114bとが重なるように、互いに平行に重ね合わせている。そして、このようにして構成された4組の皿ばねの組を、表面114a同士、裏面114a同士が重なるように、互いに逆向きに重ね合わせている。このようにして積み重ねられた12枚の皿ばね114の組の有効高さは、20.2mmとなる。
In this verification experiment, as shown in FIG. 5B, a set of three disc springs 114 are overlapped in parallel so that the
開口部113の深さは、基部110と接続部111との間に介在している12枚の皿ばね114の組の有効高さよりも浅くなるように形成されている。つまり、ボルト115を締め付けない場合には、図4に示すように、基部110と接続部111との間に隙間Gが形成されるように、開口部113の深さが調整されている。ここで、ボルト115を締め付けていくと、隙間Gがなくなるまで12枚の皿ばね114が弾性変形する。隙間Gが存在している間は、基部110の当接面110aと接続部111の当接面111aとは接触していないので、その間の結合面圧はゼロである。隙間Gがなくなって基部110の当接面110aと接続部111の当接面111aとが当接すると、ボルト115によって加えられる締付力により、当接面110a,111aの間の結合面圧が増加する。なお、以下の説明において、ボルト115を締め付けないときの、基部110と接続部111との間の隙間Gを締め代とも呼ぶ。
The depth of the
ここで、所定のトルクでボルト115を締め付ける場合を考える。基部110と接続部111との間に、皿ばね114の組が介在していない場合には、ボルト115の締付力は、そのまま当接面110a,111aの間の結合面圧の増加に寄与することになる。しかしながら、基部110と接続部111との間に、皿ばね114の組が介在している場合には、ボルト115の締付力の一部は、皿ばね114の組を弾性変形させるために費やされ、ボルト115の締付力の全てが当接面110a,111aの間の結合面圧の増加に寄与するわけではない。言い換えると、圧縮されるように弾性変形した皿ばね114の組は、基部110と接続部111とを、互いに遠ざける方向に押圧しているため、ボルト115の締付力を弱める方向に働く。つまり、当接面110a,111aの間の結合面圧は、皿ばね114の組が支持している荷重の分だけ、皿ばね114の組が介在しない場合と比べて低下することになる。
Here, a case where the
上述のように、締め代の大きさは、基部110と接続部111とが当接したときの皿ばね114の弾性変形量(以下、単に皿ばね114の弾性変形量と呼ぶ)に等しい。そのため、開口部113の深さを調整することにより、皿ばね114の弾性変形量を調整することができる。つまり、開口部113を深くすれば締め代の大きさを小さくすることができ、皿ばね114の弾性変形量を小さくすることができる。このときには、弾性変形した皿ばね114が、基部110と接続部111とを、互いに遠ざける方向に押圧する力が小さくなるため、所定のトルクでボルト115を締め付けた際の、当接面110a,111aの間の結合面圧を大きくすることができる。逆に、開口部113の深さを浅くすれば、皿ばね114の弾性変形量を大きくすることができる。このときには、弾性変形した皿ばね114が、基部110と接続部111とを、互いに遠ざける方向に押圧する力が大きくなるため、所定のトルクでボルト115を締め付けた際の、当接面110a,111aの間の結合面圧を小さくすることができる。このようにして、開口部113の深さを調整することにより、所定のトルクでボルト115を締め付けた際の、当接面110a,111aの間の結合面圧の大きさを調整することができる。なお、本明細書において、「開口部113の深さを調整する」という記載は、開口部113の開口から穴底までの長さを調整することに限られず、開口部113に深さ調整用の調整部材(不図示)を挿入することも含むものとする。調整部材の形状は特に限定されず、必要に応じて任意の形状の部材を用いることができる。例えば、中央にボルト115を挿通可能な貫通孔が形成されたリング状の板材(ワッシャー等)を開口部113の穴底に配置してもよい。このように、調整部材を開口部の穴底に配置することにより、開口部113の開口から穴底までの長さを調整することと同様の効果を得ることができる。
As described above, the size of the tightening allowance is equal to the amount of elastic deformation of the
ここで、発明者らは、本検証実験に先がけて、締め代の大きさ(すなわち皿ばね114の弾性変形量)と皿ばね114が支持する荷重との関係を調べるため図6に示すように、接続部111とボルト115との間に圧電式ロードセル130を挿入し、ボルト115が圧電式ロードセル130に与える荷重の大きさと、締め代の大きさとの関係を測定した。なお、締め代の大きさは、ボルト115を締め付けたときの接続部111の変位量を、電気マイクロメータ131により測定することにより求めた。具体的には、種々の深さの開口部113を有する接続部111を用意し、各接続部111について、所定のトルクでボルト115を締め付けた際の、接続部111の変位量と、そのときの圧電式ロードセル130に加えられる荷重の大きさを測定した。ここで、皿ばね114を介在させない場合において圧電式ロードセル130に加えられる荷重の大きさとの差が、皿ばね114が支持する荷重に相当する。図7に示されるように、皿ばね114の支持する荷重と、皿ばね114の弾性変形量とは、線形な関係があることがわかった。
Here, prior to this verification experiment, the inventors examined the relationship between the size of the tightening margin (that is, the amount of elastic deformation of the disc spring 114) and the load supported by the
次に、本発明者らが行った検証実験について説明する。図8に示すように、基部110と接続部111とを、皿ばね114の組を介在させた状態でボルト115で締め付けて、円柱状のボルト結合構造体200を形成した。ボルト結合構造体200に、FFTアナライザ210に接続された加速度ピックアップ211を取り付けて、ボルト結合構造体200をインパルスハンマ212で叩いて加振した。そのときのインパルス加振力と、加速度応答とをFFTアナライザ210に取り込み、伝達関数を求めた。
Next, a verification experiment conducted by the present inventors will be described. As shown in FIG. 8, the
本検証実験においては、振動振幅が最も大きい1次モードに着目し、以下のようにしてモーダルパラメータを算出した。まず、伝達関数のコ・クアド線図より、固有振動数fn(=ωn/2π)を算出した。そして、減衰波形から、バンドパスフィルタリングによって1次モード成分のみの減衰波形を抽出し、過渡応答法を用いて減衰比ζを算出した。さらに、実験より得られたボード線図よりコンプライアンスを求め、固有振動数fnと減衰比ζを用いて最小二乗法によりピークの誤差を補正し、その逆数をとって動剛性Kdを算出した。 In this verification experiment, focusing on the primary mode with the largest vibration amplitude, the modal parameters were calculated as follows. First, the natural frequency f n (= ω n / 2π) was calculated from the co-quad diagram of the transfer function. Then, the attenuation waveform of only the first-order mode component was extracted from the attenuation waveform by bandpass filtering, and the attenuation ratio ζ was calculated using the transient response method. Furthermore, the compliance was obtained from the Bode diagram obtained from the experiment, the peak error was corrected by the least square method using the natural frequency f n and the damping ratio ζ, and the dynamic stiffness K d was calculated by taking the reciprocal thereof. .
ここで、1自由度モデルにおいては、固有角周波数ωn、減衰比ζ、動剛性Kdは、物理パラメータである等価質量meq、等価粘性減衰係数ceq、等価剛性keqを用いて、それぞれ、以下の数式1〜3のように表わすことができる。 Here, in the one-degree-of-freedom model, the natural angular frequency ω n , the damping ratio ζ, and the dynamic stiffness K d are obtained by using an equivalent mass m eq , an equivalent viscous damping coefficient c eq , and an equivalent stiffness k eq that are physical parameters, Each can be expressed as the following Formulas 1-3.
これらの関係式を用いることによって、測定によって得られた3つのモーダルパラメータから、物理パラメータである等価質量meq、等価粘性減衰係数ceq、等価剛性keqを同定した。 By using these relational expressions, an equivalent mass m eq , an equivalent viscous damping coefficient c eq , and an equivalent stiffness k eq as physical parameters were identified from three modal parameters obtained by measurement.
先ず、ボルト115の締付力が9kNとなるように調整し、締め代がゼロの場合(つまり、皿ばね114を介在させない場合)、及び、締め代が60.9μm、255.7μm、435.5μmである場合について、それぞれ、上述のような測定を行った。図9は、得られた等価剛性keqを各締め代ごとにプロットしたグラフであり、図10は、得られた等価粘性減衰係数ceqを各締め代ごとにプロットしたグラフである。
First, the tightening force of the
図9から、いずれの締め代においても等価剛性にあまり変化がないことがわかる。このことから、皿ばね114を組み込んだことは、ボルト結合構造体200の静剛性に対してあまり影響を与えていないことが分かる。図10から、皿ばね114の締め代を大きくする、すなわち、皿ばね114が支持する荷重を大きくすることによって、当接面110a,111aの間の結合面圧を小さくしていくことで減衰性が増大していることがわかる。このことから,皿ばね114を介在させることによって当接面110a,111aの間の結合面圧が適切に調整され、減衰能が向上していることが分かる。
From FIG. 9, it can be seen that there is not much change in the equivalent rigidity at any tightening allowance. From this, it can be understood that the incorporation of the
次に、当接面110a,111aの間の結合面圧が6.2MPaとなるように調整した状態で、同様の測定を行った。なお、本測定における結合面圧(6.2MPa)は、皿ばね114を介在させていない場合においてボルト115の締付力を9kNに設定したときの、当接面110a,111aの間の結合面圧とほぼ同じである。図11は、得られた等価粘性減衰係数を各締め代ごとにプロットしたグラフである。図11より,皿ばね114を挿入していない場合よりも,挿入している場合のほうが減衰性が高いことがわかる。本測定においては、結合面圧が一定になるように調整されている。にもかかわらず、皿ばね114を挿入した場合と挿入していない場合との間にこのような差が生じるのは、皿ばね114を挿入したことに起因して減衰性が高まったからであると考えられる。また、図11から、締め代が異なるとその減衰性が異なることがわかる。本測定においては、皿ばね114の締め代が255.7μmの時に最も減衰性が高くなり、締め代が435.5μmの場合には減衰性が低下していることが分かった。これは皿ばね114に加える荷重が大きすぎると皿ばね114の減衰性が発揮されにくくなることを示していると考えられる。
Next, the same measurement was performed in a state where the coupling surface pressure between the
表1は、ボルト115の締付力が一定となるように当接面110a,111aの間の結合面圧を調整した場合における減衰の効果と、結合面圧が一定になるように調整した場合における減衰の効果の比較のためのものである。表1における「減衰係数」の値は、皿ばね114を挿入している場合に得られた等価粘性減衰係数の値から、皿ばね114を挿入していない場合に得られた等価粘性減衰係数の値を差し引いたものである。ここで、前述のように、結合面圧が一定になるように調整した場合には、皿ばね114を挿入していない場合からの増加分は、皿ばね114を挿入したことによる減衰性の向上によるものであると考えられる。これに対して、ボルト115の締付力が一定となるように調整した場合には、皿ばね114を挿入していない場合からの増加分は、皿ばね114を挿入したことによる効果と、結合面圧が減少したことによる効果の両方が含まれていると考えられる。
Table 1 shows the effect of attenuation when the coupling surface pressure between the
ここで、表1の「皿ばねの変形」の列には、各締め代における、皿ばね114の弾性変形力が示されている。つまり、皿ばね114が弾性変形した分だけ、ボルト115の締付力は弱められていることになる。ここで、図12は、皿ばね114を挿入しない場合において、ボルト115の締付力を変化させた場合における等価粘性減衰係数の値をプロットしたグラフである。図12から、締付力を弱めると、すなわち、結合面圧を下げると、それに伴って、等価粘性減衰係数が増加することが分かる。
Here, the column of “deformation of the disc spring” in Table 1 shows the elastic deformation force of the
前述のように、ボルト115の締付力が一定となるように調整した場合には、皿ばね114を挿入したことによる効果と、結合面圧が減少したことによる効果の両方が含まれていると考えられる。これに対して、結合面圧が一定になるように調整した場合には、皿ばね114を挿入したことによる効果のみが含まれていると考えられる。このことから、ボルト115の締付力が一定となるように調整した場合における減衰効果のうち、皿ばね114に起因する減衰効果が占める割合を算出した(表1の「皿ばねに起因する減衰の割合」参照)。これによれば、締め代が60.9μmである場合には、締め代が小さいため皿ばねの減衰効果が顕著に現れず、皿ばねに起因する減衰効果の割合は低い。これに対して、締め代が255.7μmである場合には、皿ばねに起因するの減衰効果が高い上に、この時に結合面に加わる荷重は、7.75kNであり、図12によれば、結合面の減衰があまり変化しないことがわかる。そのため、皿ばねに起因する減衰効果の割合が大きくなっている。また、締め代が435.5μmである場合には、結合面に加わる荷重が6.75kNになり、図12によれば、結合面の減衰が大きく増大する。そのため、皿ばねに起因する減衰効果が占める割合は、締め代が255.7μmである場合と比べて減少している。
As described above, when the adjustment is made so that the tightening force of the
このように結合面の静剛性が維持できる範囲で皿ばねを適用し、皿ばねが支持する荷重を、皿ばねに起因する減衰が最も大きくなるように調整することにより、静剛性を維持しつつ、減衰能及び動剛性を向上させることが可能であることがわかった。さらに、発明者らの知見によれば、皿ばね等の介在要素に減衰性と剛性が高いものを利用することにより、結合部の静剛性を高めることができると考えられる。つまり、本発明の方法によれば、静剛性を維持しつつ、減衰能及び動剛性を向上させることが可能であるであるだけでなく、静剛性を高めつつ、減衰能及び動剛性を向上させることが可能となる。 In this way, the disc spring is applied within the range where the static rigidity of the coupling surface can be maintained, and the load supported by the disc spring is adjusted so that the attenuation caused by the disc spring is maximized, while maintaining the static stiffness. It has been found that damping capacity and dynamic rigidity can be improved. Further, according to the knowledge of the inventors, it is considered that the static rigidity of the coupling portion can be increased by using an intervening element such as a disc spring having high damping property and rigidity. That is, according to the method of the present invention, it is possible not only to improve the damping capacity and the dynamic rigidity while maintaining the static rigidity, but also to improve the damping capacity and the dynamic rigidity while increasing the static rigidity. It becomes possible.
以上をまとめると、図13のフローチャートのように、皿ばね等の介在要素が減衰を十分に発揮できるように締め代を調整し(S101)、結合面に皿ばね等の介在要素を配置し(S102)、所定の結合面圧になるようにボルトを締め付ける(S103)ことにより、結合部の静剛性を維持しつつ又は静剛性を高めつつ、減衰能及び動剛性を向上させることができる。具体的には、皿ばねを配置していない場合に比べて、前述の等価剛性が同等以上となるように、且つ、等価粘性減衰係数が増加するように締め代、及び結合面圧を調整することができる。この方法を、横中ぐりフライス盤1等の工作機械に適用することにより、工作機械の静剛性を維持又は向上させつつ、工作機械に発生する振動を抑えることができる。そのため、工作機械の加工精度を向上させることができる。 To summarize the above, as shown in the flowchart of FIG. 13, the tightening margin is adjusted so that the intervening elements such as the disc springs can sufficiently exhibit the damping (S101), and the interposing elements such as the disc springs are arranged on the coupling surface ( S102) By tightening the bolt so as to have a predetermined coupling surface pressure (S103), it is possible to improve the damping capacity and the dynamic rigidity while maintaining or increasing the static rigidity of the coupling portion. More specifically, the tightening margin and the coupling surface pressure are adjusted so that the above-described equivalent rigidity is equal to or greater than that in the case where no disc spring is disposed and the equivalent viscosity damping coefficient is increased. be able to. By applying this method to a machine tool such as the horizontal boring and milling machine 1, vibrations generated in the machine tool can be suppressed while maintaining or improving the static rigidity of the machine tool. Therefore, the processing accuracy of the machine tool can be improved.
なお、上述の説明においては、介在要素として、12枚の皿ばねを組み合わせたものを用いていたが、本発明はこれには限られない。必要に応じて、所望の枚数の皿ばねを組み合わせてもよい。また、皿ばねの枚数を一定にしたまま、開口部の深さを調節することにより、結合面圧の大きさを調整していたが、本発明はこれには限られない。例えば、開口部の深さを調節することに代えて、あるいは、開口部の深さを調節することに加えて、皿ばねの枚数、材質、大きさ、厚さ、形状などを調整することにより結合面圧の大きさを調整してもよい。また、上述の説明において、開口部は、接続部に設けられていたが、これに加えて又はこれに代えて、基部に開口部が設けられていてもよい。なお、締め代を調整する際には、所定のトルクでボルトを締めるだけで、適切な結合面圧が得られるように、開口部の深さ、皿ばねの枚数等が調整されていることが望ましい。 In the above description, a combination of 12 disc springs is used as the intervening element, but the present invention is not limited to this. If necessary, a desired number of disc springs may be combined. Moreover, although the magnitude | size of the joint surface pressure was adjusted by adjusting the depth of an opening part, with the number of disk springs made constant, this invention is not limited to this. For example, instead of adjusting the depth of the opening, or in addition to adjusting the depth of the opening, by adjusting the number, material, size, thickness, shape, etc. of the disc spring You may adjust the magnitude | size of a joint surface pressure. In the above description, the opening portion is provided in the connection portion. However, in addition to or instead of this, the opening portion may be provided in the base portion. When adjusting the tightening allowance, the depth of the opening, the number of disc springs, etc. may be adjusted so that an appropriate coupling surface pressure can be obtained simply by tightening the bolt with a predetermined torque. desirable.
なお、介在要素としては、皿ばねには限られず、例えば、硬質ゴム、金属リングなど、他の弾性変形体を用いることができる。また、介在要素として、液状の物質を用いることもできる。また、上述の検証実験においては、ボルトを取り囲むように皿ばねのような介在要素が挿入されていたが、本発明はこれには限られず、必要に応じて結合面の任意の箇所に介在要素を配置することができる。例えば、図14に示すように、ボルト315の列に平行に棒状の硬質ゴム製の介在要素314を配置してもよい。また、介在要素の形状は、リング状、棒状の形状に限られず、任意の形状のものを利用することができる。例えば、図14に示される棒状の介在要素314に代えて、板状の介在要素を用いてもよい。
In addition, as an interposition element, it is not restricted to a disc spring, For example, other elastic deformation bodies, such as hard rubber and a metal ring, can be used. Moreover, a liquid substance can also be used as an intervening element. Further, in the above-described verification experiment, an intervening element such as a disc spring is inserted so as to surround the bolt. However, the present invention is not limited to this, and the intervening element is disposed at an arbitrary position on the coupling surface as necessary. Can be arranged. For example, as shown in FIG. 14, rod-shaped hard
上述の説明においては、機械構造における結合部の一例として、ボルトにより締結されたボルト結合部を例に挙げて説明してきたが、本発明はこれには限られず、任意の結合機構に適用することができる。例えば、ボルトに代えて、あるいはボルトに加えて、任意のクランプ機構を用いることができる。なお、ボルトに代えてクランプ機構を用いる場合にも、上述の説明のような、皿ばね114、介在要素314等の介在要素を同様に用いることができる。
In the above description, as an example of the coupling portion in the mechanical structure, the bolt coupling portion fastened by the bolt has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and can be applied to any coupling mechanism. Can do. For example, an arbitrary clamping mechanism can be used instead of or in addition to the bolt. In addition, also when using a clamp mechanism instead of a volt | bolt, interposition elements, such as a
上述の説明においては、本発明に係る静剛性を維持又は向上させつつ減衰能及び動剛性を向上させる方法を、横中ぐりフライス盤1のような工作機械に適用することを例に挙げて説明してきたが、本発明はこれには限られず、任意の機械の結合部分に適用することが可能である。 In the above description, the method for improving the damping capacity and the dynamic rigidity while maintaining or improving the static rigidity according to the present invention will be described as an example applied to a machine tool such as the horizontal boring milling machine 1. However, the present invention is not limited to this, and can be applied to a connecting portion of any machine.
最後に、従来、単に減衰能を向上させることを目的として、ゴムなどの弾性材料を結合面全体を覆うように挟み込むことが行われてきた。この場合には、減衰能を向上させることはできるが、結合面の結合面圧を著しく低下させることになり、静剛性を維持することはできなかった。また、気密性を保つことなどを目的として、結合面にいわゆるO−リング等のシール部材を挟み込むことがあった。この場合には、あくまで結合面における気密性の確保が目的であるため、本発明のように減衰能が向上するように結合面に加えられる結合面圧を下げるという意図は全くなく、むしろ、結合面圧をできるだけ上げるように調整されていた。いずれの場合も、結合面に弾性部材を挟むという点は、本発明に係る静剛性を維持又は向上させつつ、減衰能及び動剛性を向上させる方法と一致する。しかしながら、いずれの場合にも、本発明のように、減衰能が向上するように結合面に加えられる結合面圧を下げるという意図が全くないことに注目すべきである。 Finally, conventionally, an elastic material such as rubber has been sandwiched so as to cover the entire coupling surface for the purpose of simply improving the damping capacity. In this case, although the damping capacity can be improved, the bonding surface pressure of the bonding surface is remarkably lowered, and the static rigidity cannot be maintained. In addition, a sealing member such as a so-called O-ring may be sandwiched between the coupling surfaces for the purpose of maintaining airtightness. In this case, since the purpose is to ensure airtightness at the bonding surface, there is no intention to lower the bonding surface pressure applied to the bonding surface so as to improve the damping capacity as in the present invention. It was adjusted to increase the surface pressure as much as possible. In any case, the point that the elastic member is sandwiched between the coupling surfaces is consistent with the method for improving the damping capacity and the dynamic rigidity while maintaining or improving the static rigidity according to the present invention. However, it should be noted that in any case, as in the present invention, there is no intention of lowering the bonding surface pressure applied to the bonding surface so as to improve the damping capacity.
本発明に係る静剛性を維持又は向上させつつ減衰能及び動剛性を向上させる方法を工作機械に適用することにより、加工精度が向上し、誤差の小さい機械部品を製造することができ、精密機械などの製造に供することができる。 By applying the method for improving damping capacity and dynamic rigidity to a machine tool while maintaining or improving the static rigidity according to the present invention, machining accuracy is improved and machine parts with small errors can be manufactured. It can use for manufacture.
1 横中ぐりフライス盤
110 基部
111 接続部
114 皿ばね
130 圧電式ロードセル
131 電気マイクロメータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Side boring milling
Claims (5)
第1当接面を有する第1部材、第2当接面を有する第2部材、第1部材と第2部材との間に配置される弾性部材、及び第1部材と第2部材とを締結する締結部材を有する結合構造体を用意することと、
前記第1部材と第2部材との間の締め代を調整することと、
第1部材と第2部材との間に前記弾性部材を配置し、第1当接面と第2当接面とが所定の結合面圧で互いに当接するように前記締結部材を用いて締結することとを備え、
前記締め代及び前記所定の結合面圧は、前記弾性部材を介在させない場合と比べて、結合部の等価剛性が同等以上となるように、且つ、等価粘性減衰係数が増加するように調整されていることを特徴とする方法。 A method of improving dynamic rigidity and damping capacity while maintaining or improving the static rigidity of a coupled structure,
Fastening the first member having the first contact surface, the second member having the second contact surface, the elastic member disposed between the first member and the second member, and the first member and the second member Providing a coupling structure having a fastening member to be
Adjusting a tightening margin between the first member and the second member;
The elastic member is disposed between the first member and the second member, and is fastened using the fastening member so that the first contact surface and the second contact surface are in contact with each other with a predetermined coupling surface pressure. And
The tightening margin and the predetermined coupling surface pressure are adjusted so that the equivalent rigidity of the coupling portion is equal to or greater than that in the case where the elastic member is not interposed, and the equivalent viscous damping coefficient is increased. A method characterized by being.
前記締め代の調整は、前記凹部の深さを調整することによってなされることを特徴とする請求項1に記載の方法。 The first contact surface of the first member is formed with a recess for arranging the elastic member,
The method according to claim 1, wherein the tightening margin is adjusted by adjusting a depth of the recess.
前記弾性部材は、前記ボルト又はクランプ機構に隣接して配置され、リング状、棒状又は板状の形状を有することを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。 The fastening member is a bolt or a clamp mechanism,
The method according to claim 1, wherein the elastic member is disposed adjacent to the bolt or the clamp mechanism and has a ring shape, a rod shape, or a plate shape.
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