JP2018012145A - 工作機械の主軸装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】使用工具によって異なる主軸の曲げ固有角周波数の振動を効果的に抑制することができる上、安価に構成することが可能な工作機械の主軸装置を提供する。
【解決手段】主軸装置Ｍは、制御装置１において、使用する工具８に応じて、主軸９に組み込まれた緩衝部材２０ａ，２０ｂの吸振効果を最大限に発揮できる軸受１０ａ，１０ｂの剛性を算出する。そして、算出された結果に基づいて付加圧力を制御し、軸受１０ａ，１０ｂの剛性を任意の値に変更することで、加工の加振力によって発生する振動を大幅に低減し、工具寿命および加工面品位を改善することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械の主軸装置に関するものである。
工作機械、特に、マシニングセンタを用いた切削加工においては、さまざまな原因で振動が発生する。従来、加工中に振動が生じた場合には、主軸の回転速度を制御することで振動を抑制、あるいは回避する方法が提案されている（特許文献１）。かかる方法では、機械系の固有振動数に起因する振動の場合には、回転速度を変えるだけでは振動を抑えることができないことがある。そこで、機械系の固有振動数に起因する振動を回避するために、軸受の剛性を上げて機械系の固有振動数を変えることによって、振動を抑制する試みもなされている（特許文献２）。
特開２０１２−１７１０７４号公報 特開平５−１３８４０８号公報
従来技術は、切削加工において振動が発生した場合に、センサによって振動を感知し、軸受の剛性を上げたり、振動の周波数分析に基づいて最適な回転速度に変更したりすることによって振動を抑制する。しかし、どちらの方法も、振動の発生が前提条件であり、加工前に最適な剛性や加工条件を決定することができない。また、回転速度を制御する方法では、回転速度を下げることによって振動を抑制できるものの生産性が悪化する。
本発明の目的は、上記従来の工作機械の主軸装置における問題点を解消し、使用工具によって異なる主軸の曲げ固有角周波数の振動を効果的に抑制することができる上、安価に構成することが可能な工作機械の主軸装置を提供することにある。
かかる本発明の内、請求項１に記載された発明は、主軸がスリーブの内側に転がり軸受を介して回転支持されているとともに、回転体の振動変位のある位置に緩衝部材が設けられた工作機械の主軸装置であって、演算装置によって、使用する工具のデータを用いて、軸受（たとえば、転がり軸受）の支持剛性、工具を含む回転体の各部品の質量、減衰係数、剛性および回転による慣性から導かれる運動方程式に基づいて、回転体の自由振動における振動形態を解析し、その振動形態における振動の腹（すなわち、振幅が最大になり変位が最も揺れ動く点）または振動変位のある位置と、主軸内における前記緩衝部材の位置とが一致するように軸受のハウジング外径を変化させて、軸受のハウジング外径への予圧を変更することを特徴とするものである。
請求項２に記載された発明は、請求項１に記載された発明において、前記各軸受の設置部分の近傍におけるハウジングとスリーブとの間に、圧力を付加するための媒体を充填可能な空間を、軸受の幅と同程度以上の大きさとなるように設けて、その空間内の媒体の圧力を調整することにより、軸受のハウジング外径を変化させることによって、軸受のハウジング外径への予圧を制御することを特徴とするものである。
請求項１に記載の工作機械の主軸装置は、主軸と主軸内蔵部材との間に緩衝部材を取り付け、ハウジングや周辺部品に特殊な加工を施すことなく、ハウジングの外側に圧力付加用の溝を設けただけの非常に安価な構造である。そして、そのような簡単な構造でありながら、加工する前に、使用する工具の情報に基づいて振動抑制に最適な軸受剛性を算出し、主軸の振動形態を変化させ、振動抑制部材の吸振効果を最大限に発揮し、加工中の振動を抑えることができる。
主軸装置の要部の断面図である。 主軸装置の制御内容を示すフローチャートである。
＜工作機械の主軸装置の構造＞
以下、本発明に係る工作機械の主軸装置の一実施形態について、図面に基づいて詳細に説明する。図１は、横形のマシニングセンタの主軸装置を示したものであり、主軸装置Ｍは、主軸９、ハウジング１１、スリーブ１２、軸受１０ａ，１０ｂ等によって構成されている。
主軸９は、前側の部分が軸受（転がり軸受）１０ａ，１０ｂによって軸承されており、後側の部分が軸受（転がり軸受）１０ｃによって軸承されている。また、主軸９は、マシニングセンタの前後方向（図１の左右方向）に伸長しており、中空の筒状になっている。そして、コレット１８、ドローバー１９、複数の皿ばね２１，２１・・、リング状のカラー１３，１４が内部に挿入されている。
また、カラー１３およびカラー１４の外周面には、緩衝部材２０ａ，２０ｂが取り付けられている。そして、カラー１３は、主軸９、主軸内蔵部材、ロータ１５を含む回転体の１次の曲げ固有角周波数における振動の腹の位置に組み込まれた状態になっている。加えて、ドローバー１９のカラー１３の装着部分の外周に、雄ネジが螺刻されており、かつ、カラー１３の内周面に（その雄ネジと螺合する）雌ネジが螺刻されていることによって、皿ばね２１の形状や主軸９の全長に応じて、カラー１３の位置を変えることができるようになっている。
一方、カラー１４は、ドローバー１９の１次曲げ固有各周波数における振動の腹の位置に組み込まれた状態になっている。当該カラー１４の前後には、皿ばね２１ａ，２１ｂが組み込まれており、それらの皿ばね２１ａ，２１ｂの組み合わせを変えることによって、カラー１４の位置を自由に変えることができるようになっている。また、コレット１８の前端には、皿ばね２１ａ，２１ｂの引き上げ力を利用して、各種の工具８を着脱可能に固着することができるようになっている。
さらに、ハウジング１１の内部には、スリーブ１２が組み込まれており、ハウジング１１の先端際とスリーブ１２との間には、油圧を付加するための溝（油圧付加用溝）１７ａ，１７ｂが設けられており、それらの溝１７ａ，１７ｂは、それぞれ、Ｏリング１６ａ，１６ｂでシールされている。そして、それらの溝１７ａ，１７ｂに付加する油圧を変えることによって、スリーブ１２の径方向の収縮量を変化させて、軸受１０ａ，１０ｂの予圧（剛性）を変えることができるようになっている。
一方、主軸装置Ｍには、作動を制御するための制御装置１が接続されている。当該制御装置１には、入力装置２、演算装置３、記憶装置４、ＮＣ装置５等が内蔵されている。また、制御装置１の記憶装置４には、溝１７ａ，１７ｂ内の付加油圧と軸受１０ａ，１０ｂの予圧（剛性）との関係がデータ化されて記憶されている。また、制御装置１のＮＣ装置５には、溝１７ａの付加油圧を調整するための制御弁７ａ、溝１７ｂ内の付加油圧を調整するための制御弁７ｂ、および油圧ユニット６が接続されている。
かかる制御装置１は、入力装置２を利用して、使用する工具８の寸法を入力すると、演算装置３によって、回転体（主軸９、主軸内蔵部材、ロータ１５を含む回転体）の振動形態を解析し、振動の腹または振動変位のある位置と緩衝部材２０ａの位置とが一致する軸受１０ａ，１０ｂの予圧（剛性）を計算するようになっている。さらに、制御装置１は、演算装置３によって、必要な予圧に応じた軸受１０ａ，１０ｂのハウジング外径に付加する油圧を計算するとともに、制御弁７に指令を出して、油圧ユニット６を作動させて任意の油圧を付加することができるようになっている。
＜工作機械の主軸装置の作動制御＞
以下、この主軸装置Ｍの作動制御内容について、図２のフローチャートに基づいて説明する。主軸装置Ｍの作動を制御する際には、まず加工前に、ステップ（以下、単にＳとする）１で、入力装置２により、演算装置３で用いる工具８の寸法と回転速度を設定する。
さらに、Ｓ２で、演算装置３によって、Ｓ１において設定された回転速度から、許容軸受剛性（すなわち、軸受１０ａ，１０ｂの剛性）の最小値および最大値を算出し、記録装置４内にデータ化されて記憶されている軸受剛性と付加油圧の関係より、付加できる油圧の範囲を決定する。しかる後、Ｓ３で、主軸系を複数の円筒部品のはり要素と軸受要素で構成し（モデル化し）、振動モードを解析する。
さらに、Ｓ４で、解析された振動モードの腹の位置と緩衝部材２０（ａ）の位置とを比較し、位置のずれ量｜Ｘ｜を算出する。しかる後、Ｓ５で、付加圧力Ｙ、および、振動モードの腹の位置と緩衝部材２０（ａ）の位置とのずれ量｜Ｘ｜を記憶手段４に記録する。
そして、Ｓ６で、主軸の振動モード解析で用いた付加圧力ＹとＳ２で算出した許容付加圧力とを比較し、付加圧力Ｙが許容値の上限より小さければ、Ｓ７で、付加圧力Ｙを徐々に高くし、付加圧力Ｙが許容値を超えるまで、再計算を行う。
一方、Ｓ６で付加圧力Ｙが許容値を超えるとＳ８に移行し、記録された振動モードの腹の位置と緩衝部材２０（ａ）の位置とのずれ量｜Ｘ｜が最も小さくなる付加圧力Ｙを決定する。
＜主軸装置による効果＞
上記した主軸装置Ｍは、主軸９と主軸内蔵部材との間に緩衝部材２０ａ，２０ｂを取り付け、ハウジング１１や周辺部品に特殊な加工をすることなく、ハウジング１１の外側に圧力付加用の溝１７ａ，１７ｂを設けただけの非常に安価な構造になっている。それにもかかわらず、主軸装置Ｍは、加工する前に、使用する工具８の情報に基づいて振動抑制に最適な軸受剛性（軸受１０ａ，１０ｂの剛性）を算出し、主軸９の振動形態を変化させ、振動抑制部材（緩衝部材２０ａ，２０ｂ）の吸振効果を最大限に発揮し、加工中の振動を抑えることができる。
＜主軸装置の変更例＞
本発明に係る主軸装置の構成は、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、主軸、軸受、ハウジング、スリーブ、カラー、溝（応力付加用の溝）、緩衝部材等の形状等の構成を、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、必要に応じて適宜変更することができる。たとえば、本発明に係る主軸装置は、上記実施形態の如く、軸受の予圧を変える手段として油圧を用いたものに限定されず、軸受への付加圧力を制御可能であれば、エアー圧等を用いたもの等でも良い。
Ｍ・・主軸装置
１・・制御装置
２・・入力装置
３・・演算装置
４・・記録装置
５・・ＮＣ装置
６・・油圧ユニット
７・・制御弁
８・・工具
９・・主軸
１０ａ，１０ｂ・・軸受
１１・・ハウジング
１２・・スリーブ
１３・・カラー（第１カラー）
１４・・カラー（第２カラー）
１５・・ロータ
１６・・Ｏリング
１７・・溝（圧力付加用の溝）
１８・・コレット
１９・・ドローバー
２０ａ，２０ｂ・・緩衝部材
２１ａ，２１ｂ・・皿ばね

Claims (2)

  1. 主軸がスリーブの内側に軸受を介して回転支持されているとともに、回転体の振動変位のある位置に緩衝部材が設けられた工作機械の主軸装置であって、
    演算装置によって、使用する工具のデータを用いて、軸受の支持剛性、工具を含む回転体の各部品の質量、減衰係数、剛性および回転による慣性から導かれる運動方程式に基づいて、回転体の自由振動における振動形態を解析し、
    その振動形態における振動の腹または振動変位のある位置と、主軸内における前記緩衝部材の位置とが一致するように軸受のハウジング外径を変化させて、軸受のハウジング外径への予圧を変更することを特徴とする工作機械の主軸装置。
  2. 前記各軸受の設置部分の近傍におけるハウジングとスリーブとの間に、圧力を付加するための媒体を充填可能な空間を、軸受の幅と同程度以上の大きさとなるように設けて、
    その空間内の媒体の圧力を調整することにより、軸受のハウジング外径を変化させることによって、軸受のハウジング外径への予圧を制御することを特徴とする請求項１に記載の工作機械の主軸装置。
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