JP4064786B2 - 主軸の支持構造、工作機械 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械、特に工具を装着する主軸の支持構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マシニングセンタ等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を加工する工具は、主軸(スピンドル)に装着され、この主軸を回転させることで工具を回転させつつ、主軸側やワークを保持する側を動かすことで、所定の加工を行っている。
図１２に示すように、工作機械において、工具を装着する主軸１は、通常、３つの軸受け２Ａ、２Ｂ、２Ｃによって支持されている。工具(図示無し)は、主軸１の先端部１ａに図示しないチャック機構を介して装着される。また、この主軸１の軸受け２Ｂ、２Ｃ間には、ロータ３が一体に設けられ、その外周に設けられたステータ４との間に生じる磁気により、主軸１がその軸線周りに回転駆動されるようになっている。
ここで、軸受け２Ａ、２Ｂには、ラジアル方向、スラスト方向ともに拘束力の大きなものを用い、これに対し、主軸１の終端部１ｂ側の軸受け２Ｃには、ラジアル方向に対しスラスト方向の拘束力が小さな軸受けを採用している。これにより、主軸１の終端部１ｂ側で、スラスト方向(軸方向)の変位を逃がす構造となっている。
【０００３】
マシニングセンタ等では、従来、上記のような主軸１を２００００ｒｐｍ程度で回転させ、加工を行うものが多い。
近年、生産性を向上させるため、主軸１の回転数を３００００ｒｐｍあるいはそれ以上の高速回転とすることが望まれている。
【０００４】
主軸１を高速回転させるにあたり、非常に重要なのは、主軸１のバランス調整である。従来より、工作機械の主軸１に限ったものではないが、高速で回転する物体は、何らかの方法でバランス調整が行われている。主軸１の場合、通常、単体で所定の回転数(例えば５００〜６００ｒｐｍ)で回転させたときのアンバランスを計測し、その結果に応じて主軸１の一部に穴をあけたり研削したりすることで、回転バランスを調整している。
上記したような回転バランスは、主軸１の使用回転数に対して非常に低い回転数で計測を行うため、主軸１の、いわば静バランスを調整することになる。
これに対し、主軸１を実際に工作機械に組み込み、この状態で主軸１の回転バランスを取ることも考えられる。そのような方法として、工作機械に組み込んだ主軸１の端部にねじ穴を設け、このねじ穴に重さが調整された錘を挿入した状態で回転バランスを調整するものがある。(例えば、特許文献１参照。)。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−１２６５８８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、主軸１を従来以上に高速回転としようとすると、例え上記のようなバランス調整を取ったとしても、高速回転化には限界があるのが実状であった。
すなわち、主軸１は、主軸１自体がバネ定数を有し、この主軸１に一体に取りつけられたロータ３を質量とした系において、これらバネ定数と質量によって決まる固有振動数を有している。そして、図１３に示すように、この固有振動数に応じ、特定の回転数で共振が生じ(このときの回転数を「危険速度」と言う)、主軸１の振動が大きくなる。主軸１の振動が大きくなれば、主軸１に装着される工具先端の振れが大きくなるので、加工精度の低下に直結する。
このため、従来は、この危険速度を下回る回転数を使用領域として主軸１を回転させるしかなく、これによって主軸１の高速回転化に限界があったのである。
【０００７】
また、高速回転化を図ろうとすると、以下のような問題も顕在化しやすくなる。
まず、図１２(ａ)に示したような構成であると、図１２(ｂ)に示すように、主軸１は、中間部(図１２(ｂ)中(イ)の部分)において振動が小さく、先端部１ａ、終端部１ｂにおいて振動が大きなモードとなっている。このため、アンバランスに対する感度が高い(アンバランスを生じさせる要素が作用した時に、大きな振動になりやすい)という欠点がある。
また、主軸１の先端部１ａに工具を装着するわけであるが、主軸１だけでなく工具にもアンバランスの生じる要素はあり、また工具を度々付け替えることで、主軸１にアンバランスが生じてしまうこともある。このため、アンバランスに対する感度が高い主軸１の先端部１ａにおいて、アンバランスが発生すると、振動が増大する可能性が高いのである。
さらに、加工時に工具で加工対象のワークを切削すると、工具から主軸１に切削力が作用する。すると、アンバランスに対する感度が高い主軸１では、この切削力によって主軸１の振動が増幅されやすく、その結果、加工精度が低下してしまう。
【０００８】
また、主軸１は、主軸１単体での静的バランスだけでなく、主軸１を軸受け２Ａ、２Ｂ、２Ｃで支持した状態での回転時における動的バランスを取る必要がある。したがって、当然のことながら、主軸１を軸受け２Ａ、２Ｂ、２Ｃで保持した状態で、そのアライメントが高精度に取れている必要がある。アライメントが正確に取れていないと、高速回転時に主軸１に軸受け２Ａ、２Ｂ、２Ｃから外力が作用し、これも主軸１の振動に影響を与える。
このため、軸受け２Ａ、２Ｂ、２Ｃのそれぞれの部品精度を高めるとともに、軸受け２Ａ、２Ｂ、２Ｃを非常に高精度で取り付けることが要求されるが、軸受け２Ａ、２Ｂ、２Ｃによる３点支持となる主軸１において、軸受け２Ａ、２Ｂ、２Ｃのアライメントを高精度に取るのは困難である。そして、これも主軸１の使用回転数を制限する要因の一つとなっている。
【０００９】
ところで、上記したような主軸１の固有振動数に応じた共振点は、図１４に示すように、１次、２次、３次、…と複数次のものがある。このため、図１５に示すように、実際の回転数に応じて変化する振動モードは、これら複数次全ての影響を受けており、モードは非常に複雑な形態を呈している。
主軸１のバランス調整を取るにしても、これら複数次の振動に対応した調整を行わなければならない。特に主軸１のように軸線方向に長いものの場合、複数の面(軸線に直交する面)においてバランス調整を取る必要がある。しかし、主軸１単体で取る静的バランスはともかく、主軸１を軸受け２Ａ、２Ｂ、２Ｃにセットした状態で取る動的バランスの場合、主軸１の中間部分においてバランス修正を行うのは実質的に困難であり、前記特許文献１でも行っているように、主軸１の先端部１ａ、終端部１ｂでのみのバランス修正とならざるを得ず、思うようにバランス調整を行うことができない。
その結果、特に高次モードの影響が残り、所定の精度が得にくいのである。
【００１０】
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、より高回転数での使用を可能とする主軸の支持構造、工作機械を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
かかる目的のもと、本発明の主軸の支持構造は、一端に工具が装着される主軸を、ホルダで３以上の軸受けを介して回転可能に支持するとともに、この主軸をモータによってその軸線回りに回転駆動させ、３以上の軸受けのうち、主軸の他端側に位置する軸受けが、主軸の径方向の振動を減衰する振動減衰部を備えるとともに、振動減衰部を備えない他の軸受けに対して主軸をより柔軟に支持することを特徴とする。
主軸は、静的には、主軸の一端側に位置した２つの軸受けによって二点支持され、動的には、主軸の一端側に位置した２つの軸受けと主軸の他端側に位置して振動減衰部を備えた軸受けとによって三点支持されたものとすることができる。
この振動減衰部は、主軸の固有振動数に応じた特定周波数領域の振動に対し振動減衰能力を有するのが好ましい。
振動減衰部としては、例えば、間隔を隔てて対向する軸受けとホルダとの間に一対のシール部材を介在させ、この一対のシール部材の間にダンパオイルを封入する構成がある。
また、間隔を隔てて対向する軸受けとホルダの間に斜めに延出し、軸受けとホルダが互いに接近・離間する方向の変位を吸収する変位吸収部を備える構成とすることもできる。このような変位吸収部は、斜めに延出する部分を二つ設け、全体として略く字状の断面形状とすることもできる。
さらに、振動減衰部としては、ホルダに支持され、軸受けの外周面に当接する接触面を有し、接触面に略直交する方向に変形することで軸受けとホルダが互いに接近・離間する方向の変位を吸収するダイヤフラム部を備える構成とすることもできる。
ここで、前記の変位吸収部やダイヤフラム部にスリット等を形成し、その剛性を調整することもできる。
【００１２】
また、本発明は、加工対象のワークを保持するワーク保持部と、ワークを加工する工具を一端で保持してその工具を軸線回りに回転させる主軸と、ワーク保持部および主軸の相対移動を制御するコントローラと、を備えた工作機械として捉えることもできる。そしてこの工作機械は、主軸が３以上の軸受けによって回転可能に支持され、かつ３以上の軸受けのうち主軸の他端側に位置する軸受けが、主軸の径方向の振動を減衰する振動減衰部を備えるとともに、振動減衰部を備えない他の軸受けに対して主軸をより柔軟に支持することを特徴とする。
主軸は、静的には、主軸の一端側に位置した２つの軸受けによって二点支持され、動的には、主軸の一端側に位置した２つの軸受けと主軸の他端側に位置して振動減衰部を備えた軸受けとによって三点支持されたものとすることができる。
さらにこの工作機械は、主軸が、主軸の固有振動数に基づいて決まる危険速度を超えた回転数で使用されることを特徴とすることもできる。より具体的には、その回転数は３００００ｒｐｍ以上である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１は、本実施の形態におけるマシニングセンタの構成を説明するための図である。
図１に示すように、マシニングセンタ１０は、ワークベンチ２０と、加工ヘッド３０と、これらワークベンチ２０および加工ヘッド３０の動作を制御するコントローラ(図示無し)とから構成されている。
ワークベンチ２０は、ベースブロック２１上に、加工対象となるワークを保持するワーク台(ワーク保持部)２２を備え、ベースブロック２１の上面には、ワーク台２２を水平一方向(これをＸ方向とする)に移動可能とするリニアガイド２３が設けられ、このワーク台２２は、図示しない送りモータの駆動により、リニアガイド２３に沿って移動する構成となっている。また、このワーク台２２に、鉛直軸線回りに回転する回転機構２４を備え、これによってマシニングセンタ１０を４軸加工機とすることもできる。
【００１４】
加工ヘッド３０は、ベースブロック３１、コラムブロック３２、スピンドルブロック３３とを備えている。
ベースブロック３１上には、ワーク台２２の移動方向とは直交する水平方向(これをＹ方向とする)に延びる二本一対のリニアガイド３４が設けられている。コラムブロック３２は、ワーク台２２に対して鉛直上方に延び、リニアガイド３４に沿って図示しない送りモータによって移動可能に設けられている。また、このコラムブロック３２には、鉛直方向(これをＺ方向とする)に延びる二本一対のリニアガイド３５が設けられ、図示しない送りモータの駆動によりリニアガイド３５に沿ってスピンドルブロック３３が移動可能に設けられている。
スピンドルブロック３３は、ワーク台２２上に保持されるワークに対し切削等の加工を行うための工具を装着する主軸４０を備え、この主軸４０は軸線周りに回転駆動されるようになっている。
【００１５】
上記したようなワークベンチ２０のワーク台２２のＸ方向に沿った移動、加工ヘッド３０のコラムブロック３２のＹ方向に沿った移動、スピンドルブロック３３のＺ方向に沿った移動は、予め入力された数値制御プログラムに基づき図示しない送りモータの作動をコントローラ(図示無し)で制御することによって行われる。これによって、ワーク台２２上に保持されるワークと、主軸４０に装着される工具とは、Ｘ、Ｙ、Ｚの３方向に相対移動するようになっている。そして、主軸４０に装着された工具を主軸４０の軸線回りに回転させつつ、予め入力された加工プログラムに基づいてワークと工具を３方向に相対移動させることで、ワーク台２２上に保持されるワークに対し所定の加工を施すのである。
【００１６】
さて、スピンドルブロック３３に備えられた主軸４０は、詳細には、図２に示すような支持構造を有している。
この図２に示すように、主軸４０は、スピンドルブロック３３に固定されたホルダ４１に、軸受け４２、４３、４４を介し、その軸線回りに回動自在に支持されている。また、主軸４０の中間部に位置する軸受け４３と、主軸４０の終端部４０ｂに位置する軸受け４４の間の部分において、主軸４０の外周面にはモータを構成するロータ４５が一体に設けられている。そして、ホルダ４１の内周面の、ロータ４５に対向する位置には、モータを構成するステータ４６が設けられている。これらロータ４５およびステータ４６によって構成されるモータにより、主軸４０を、その軸線回りに所定の回転速度で回転駆動させる。
【００１７】
さて、主軸４０を回動自在に保持する３つの軸受け４２、４３、４４のうち、主軸４０の先端部４０ａに位置する軸受け４２と、中間部に位置する軸受け４３には、従来と同様、ラジアル方向、スラスト方向ともに拘束力の大きなものが用いられている。例えば、図３に示すように、主軸４０の外周面に嵌め合うインナーレース５０ａ、ホルダ４１の内周面に嵌め合うアウターレース５０ｂ、インナーレース５０ａとアウターレース５０ｂ間で回転するローラ５０ｃ、から構成される、いわゆる一般的なベアリング５０である。
【００１８】
これに対し、図４に示すように、主軸４０の終端部４０ｂに位置する軸受け４４は、ベアリング部６０と、ダンパー部(振動減衰部)６１を有している。
ベアリング部６０は、主軸４０の外周面に嵌め合うインナーレース６０ａ、その外周側に位置するアウターレース６０ｂ、インナーレース６０ａとアウターレース６０ｂの間で回転するローラ６０ｃ、から構成されている。
【００１９】
一方、ダンパー部６１は、以下のような構成となっている。
アウターレース６０ｂの外周側には、主軸４０の軸線方向に所定幅を有した短筒状のリングプレート６２が嵌め合って設けられている。
このリングプレート６２は、その外径が、ホルダ４１のリングプレート６２に対向する部分の内径よりも所定寸法小さく設定されており、これによって、リングプレート６２とホルダ４１との間に所定寸法のクリアランスＣが形成されている。
リングプレート６２の外周面には、その周方向に連続する二本一対の溝６２ａ、６２ａが形成されている。一方、ホルダ４１の内周面には、溝６２ａ、６２ａに対応する位置に、二本一対の溝４１ａ、４１ａが形成されている。そして、これらリングプレート６２の溝６２ａ、６２ａと、ホルダ４１の溝４１ａ、４１ａの部分には、例えばゴム系材料からなるＯ−リング(シール部材)６３、６３が配設されている。これにより、Ｏ−リング６３、６３は、主軸４０の軸線方向に所定間隔を隔てて配置されている。そして、リングプレート６２の外周面と、ホルダ４１の内周面と、二本のＯ−リング６３、６３とで囲まれる空間が形成され、この空間には、オイル(ダンパオイル)６４が封入されている。この、封入されたオイル６４が、ダンパー部６１として機能するのである。
【００２０】
このようにダンパー部６１を備えた軸受け４４では、図５(ａ)、(ｂ)に示すように、例えばゴム系材料からなるＯ−リング６３、６３が弾性係数ｋを有するバネとして機能し、充填されたオイル６４が減衰係数ｃを有するダッシュポット(減衰部材)として機能する。Ｏ−リング６３、６３およびオイル６４は、リングプレート６２とホルダ４１との間に、全周に渡って介在しているため、主軸４０の全周方向に対してサスペンション効果を有していることになる。そして、それぞれの方向において、図５(ｂ)に示すような系を有することになる。
【００２１】
図６(ａ)に示すように、上記のようにして、主軸４０を支持する軸受け４２、４３、４４のうち、終端部４０ｂ側の軸受け４４のみが、ダンパー部６１を有した構成となっている。これによって、三点支持されている主軸４０は、先端部４０ａ側の二点(軸受け４２、４３の部分)で「剛」に支持され、これに対して終端部４０ｂ側では「柔」に支持された構成となっている。
このような構成において、軸受け４４のダンパー部６１は、弾性係数ｋを有するＯ−リング６３、６３と、減衰係数ｃを有するオイル６４により、主軸４０の振動が大きくなるとそのサスペンション効果を発揮し、特に主軸４０の回転時に生じる共振点での振動を抑制する。
【００２２】
ここで、一般に、共振の鋭さに対応するＱファクタ(Ｑｆ)は、図６(ｂ)に示すように、共振点での振幅をａ、主軸４０の弾性係数をｋとすると、
ａ＝ｋ・Ｑｆ
である。また、
Ｑｆ＝１／２ζ
であり(ζは減衰比である。)、
ζ＝ｃ／［２・(ｍｋ)1/2］
である(ｍはロータ４５の等価質量)。
したがって、減衰係数ｃが大きくなればＱファクタ・Ｑｆは小さくなり、それによって共振点での振幅ａが小さくなるのである。
つまり、上記のダンパー部６１において、オイル６４の減衰係数ｃを適宜設定することで、共振点における振動を有効に抑制できるのである。
【００２３】
さて、上記したような主軸４０の支持構造により、ダンパー部６１によって共振を有効に抑えることができるので、主軸４０の固有振動数に応じて決まる危険速度を超えた領域で、主軸４０を回転させることが可能となる。
そして、主軸４０は、振動が大きくない領域においては、先端部４０ａ側の軸受け４２、４３の二点で支持されたような状態となっており、高回転となって振動が大きくなる領域になると、ダンパー部６１が発揮するサスペンション効果によって軸受け４４での支持力が増し、軸受け４２、４３、４４の三点で支持されるような状態となる。つまり静的には二点支持であり、動的には三点支持となるのである。すなわち、この主軸４０は、特に動剛性が高い、と言える。
このような支持構造において、主軸４０の振動モードは、図６(ｃ)に示すように、先端部４０ａ近傍を節とし、先端部４０ａおよび中間部で振動が小さく、終端部４０ｂ側で大きくなる形態を示す。したがって、工具を装着する先端部４０ａ側では、従来(図１２(ｂ)参照)よりも振動が小さくなり、工具先端に生じる振れによる加工精度の低下を抑えることができる。また、図６(ｃ)のような振動モードを有することで、アンバランスに対する感度も低くなり、主軸４０の先端部４０ａに様々な工具を着脱したり、加工時に作用する切削力が入力されても、振動が増大しにくくなる。
【００２４】
また、前記したように、主軸４０は、共振が生じる危険速度領域を除けば、実質的に先端部４０ａ側の軸受け４２、４３の二点で強固に支持され、終端部４０ｂ側の軸受け４４では、より柔軟に支持された構成となっている。したがって、従来の三点支持の構成に比較すれば、主軸４０および軸受け４２、４３、４４のアライメントをシビアに取る必要が無く、アライメントを容易に行うことが可能となる。しかも、終端部４０ｂ側が軸受け４４によって柔軟に支持されているので、主軸４０の熱延び等の影響も、従来に比べれば遥かに小さい。
【００２５】
さらに、主軸４０の終端部４０ｂ側を、ダンパー部６１を有した軸受け４４で支持することで、図７に示すように、１次だけでなく、２次、３次の高次の振動モードも、図１５に示したものよりも変曲点の少ないモード形態となる。したがって、特に主軸４０を実際にスピンドルブロック３３に組み込んだ状態で動的バランスを取る場合でも、例えば主軸４０の先端部４０ａと終端部４０ｂ等、少ない修正面でもバランスを修正しやすくなる。
【００２６】
上述したように、マシニングセンタ１０の主軸４０を、工具を装着する先端部４０ａ側を軸受け４２、４３によって剛に支持し、終端部４０ｂ側を、ダンパー部６１を有した軸受け４４で支持することによって、特に工具を装着する先端部４０ａ側での振動を有効に抑制することが可能となり、高精度の切削性能を有したものとすることができる。しかも、ダンパー部６１に封入したオイル６４が発揮する減衰効果により、主軸４０の共振時振幅を抑えることができるので、従来は困難であった危険速度を超えた、３００００〜５００００ｒｐｍといった超高速回転領域での使用が可能となる。したがって、マシニングセンタ１０を、従来に無い高い生産性を有するものとすることができるのである。
【００２７】
ところで、上記実施の形態では、ダンパー部６１として、ベアリング部６０とホルダ４１との間に封入したオイル６４を用いる構成としたが、減衰効果を有効に発揮することができるのであれば、他の構造を適宜採用することができる。
以下に、そのような構造の他の例を示す。
[他の例]
図８に示すダンパー部(振動減衰部)７０は、主軸４０の外周部を支持する軸受け４４の、ベアリング部６０のアウターレース６０ｂと、ホルダ４１との間に設けられている。このダンパー部７０は、ベアリング部６０の幅方向両側に設けられ、それぞれ内周リング７１と外周リング７２とから形成されている。これら内周リング７１と外周リング７２は、合わせ面７１ａ、７２ａにて一体に接合され、断面視すると略「く」字状の形態をなしている。
内周リング７１は、基端部７１ｂがアウターレース６０ｂの側面(または外周面)に固定され、断面視するとホルダ４１の内周面に向けて斜めに延びるスリ鉢状あるいはテーパ状の中間部(変位吸収部)７１ｃを有し、中間部７１ｃの先端部に合わせ面７１ａが形成されている。外周リング７２は、基端部７２ｂがホルダ４１の内周面に固定され、断面視するとベアリング部６０側に向けて斜めに延びるスリ鉢状あるいはテーパ状の中間部(変位吸収部)７２ｃを有し、中間部７２ｃの先端部に合わせ面７２ａが形成されている。
このようなダンパー部７０の内周リング７１、外周リング７２は、主軸４０とホルダ４１とがその径方向に相対移動しようとすると、スリ鉢状の中間部７１ｃ、７２ｃが弾性変形することで、反発力を生じ、これによって主軸４０の振動を減衰する。このため、内周リング７１、外周リング７２は、その材質(弾性係数)、中間部７１ｃ、７２ｃの長さや厚さが、主軸４０の固有振動数等に応じて目的の振動減衰効果が得られるよう、予め適宜設定・選択される。
【００２８】
[さらに他の例]
図９(ａ)に示すダンパー部(振動減衰部)８０は、主軸４０の外周部を支持する軸受け４４の、ベアリング部６０のアウターレース６０ｂと、ホルダ４１との間に設けられている。このダンパー部８０は、アウターレース６０ｂの外周面に、カラー８１を介して接する接触面を有した中間部(ダイヤフラム部)８０ａと、その両側にて主軸４０側(内周側)に向けて延出するフランジ部８０ｂとから形成されている。そして、このダンパー部８０は、ホルダ４１からその内周側に突出する一対の支持部８３に、両側のフランジ部８０ｂが固定されており、支持部８３とフランジ部８０ｂとの間には、Ｏ−リング８４が設けられている。
中間部８０ａは、アウターレース６０ｂおよびカラー８１の幅よりも十分に大きな幅を有し、主軸４０とホルダ４１とがその径方向に相対移動しようとすると、この中間部８０ａがダイヤフラムのようにその面と略直交する方向に弾性変形することで反発力を発し、これによって主軸４０の振動を減衰する。このため、このダンパー部８０は、その材質(弾性係数)、中間部８０ａの幅や厚さが、主軸４０の固有振動数等に応じて目的の振動減衰効果が得られるよう、予め適宜設定・選択される。
さらに、中間部８０ａとホルダ４１との間に形成される空間には、ダンパとして機能するオイル８５を充填することもできる。このオイル８５は、図示しない注入口から注入される。この注入時には、中間部８０ａとホルダ４１との間に形成される空間に存在する空気を図示しない排出口から排出し、注入後には注入口と排出口を密封することで、この空間にオイル８５を封入する。
また、このオイル８５は、中間部８０ａとホルダ４１との間に形成される空間だけでなく、主軸４０やベアリング部６０の潤滑のために循環させる構成とすることもできる。
また、図９(ｂ)に示すように、中間部８０ａには、上記の弾性変形をしやすくするため、両側のフランジ部８０ｂ、８０ｂを結ぶ方向に延在し、中間部８０ａを貫通しない溝８２を形成することもできる。
【００２９】
図１０に示すダンパー部８０は、図９(ａ)と同様の構成であり、主軸４０の外周部を支持する軸受け４４の、ベアリング部６０のアウターレース６０ｂと、ホルダ４１との間に設けられている。このダンパー部８０は、アウターレース６０ｂの外周面に、カラー８１を介して接する接触面を有した中間部８０ａと、その両側にて主軸４０側に向けて延出するフランジ部８０ｂとから形成されている。
このダンパー部８０は、ホルダ４１に形成された溝に装着された一対のＯ−リング８６によって支持されている。つまり、主軸４０は、これらＯ−リング８６によって位置決めされているのである。
さらに、中間部８０ａ、ホルダ４１、Ｏ−リング８６によって囲まれた空間には、ダンパとして機能するオイルを充填することもできる。このオイルは、図示しない注入口から注入される。この注入時には、中間部８０ａとホルダ４１との間に形成される空間に存在する空気を図示しない排出口から排出し、注入後には注入口と排出口を密封することで、この空間にオイルを封入する。
また、このオイルは、中間部８０ａとホルダ４１との間に形成される空間だけでなく、主軸４０やベアリング部６０の潤滑のために循環させる構成とすることもできる。
そして、中間部８０ａは、アウターレース６０ｂおよびカラー８１の幅よりも十分に大きな幅を有し、主軸４０とホルダ４１とがその径方向に相対移動しようとすると、この中間部８０ａがダイヤフラムのようにその面と略直交する方向に弾性変形することで反発力を発し、これによって主軸４０の振動を減衰する。このとき、中間部８０ａ、ホルダ４１、Ｏ−リング８６に囲まれた空間に充填されたオイルによっても振動減衰効果を得ることができる。また、Ｏ−リング８６も、その材質を適宜設定することで、振動減衰効果が得られる。
【００３０】
図１１(ａ)に示すダンパー部８０は、主軸４０の外周部を支持する軸受け４４の、ベアリング部６０のアウターレース６０ｂと、ホルダ４１との間に設けられている。このダンパー部８０は、アウターレース６０ｂの外周面に、カラー８１を介して接する接触面を有した中間部８０ａと、その両側にて主軸４０側に向けて延出するフランジ部８０ｂとから形成されている。
図１１(ｂ)に示すように、中間部８０ａには、両側のフランジ部８０ｂ、８０ｂを結ぶ方向に延在し、中間部８０ａを貫通するスリット８７が形成されている。
さらに、中間部８０ａとホルダ４１との間の空間には、ダンパとして機能するオイルを充填することもできる。
カラー８１の外周面と中間部８０ａの内周面との間には、スリット８７の外側に位置するＯ−リング８８が設けられ、オイルの漏れを防止するようになっている。
そして、中間部８０ａは、主軸４０とホルダ４１とがその径方向に相対移動しようとすると、この中間部８０ａがダイヤフラムのようにその面と略直交する方向に弾性変形することで反発力を発し、これによって主軸４０の振動を減衰する。このとき、中間部８０ａおよびホルダ４１に囲まれた空間に充填されたオイルによっても振動減衰効果を得ることができる。
【００３１】
なお、上記実施の形態では、３軸のマシニングセンタを例に用いたが、もちろん、４軸、５軸のマシニングセンタや、あるいはさらに他の工作機械の主軸にも、同様の構造を適用することができる。
また、主軸４０の支持構造が同様であれば、マシニングセンタや各種工作機械の他の部分の構成はいかなるものであっても良い。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、特に工具を装着する先端部側での主軸の振動を有効に抑制することが可能となり、高精度の加工性能を有した工作機械を実現することができる。また、ダンパー部での減衰効果により主軸の共振を抑えることができるので、従来は困難であった危険速度を超えた超高速回転領域での使用が可能となり、工作機械を、より高い生産性を有するものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本実施の形態における工作機械の概略構成を示す斜視図である。
【図２】 主軸の支持構造を示す断面図である。
【図３】 主軸の先端側の軸受けを示す図である。
【図４】 主軸の終端側に備えたダンパー部付きの軸受けを示す図である。
【図５】 ダンパー部を備えた軸受けのモデル図である。
【図６】 ダンパー部を有した軸受けによって支持される主軸の、振動の発生状況を示すための図であり、(ａ)は主軸の支持構造を簡略的に示した図、(ｂ)は回転数と振幅の関係を示す図、(ｃ)は主軸の１次振動モードを示す図である。
【図７】 １次、２次、３次の振動モードを示す図である。
【図８】 主軸の支持構造の他の例を示す図である。
【図９】 主軸の支持構造のさらに他の例を示す図である。
【図１０】 主軸の支持構造のさらに他の例を示す図である。
【図１１】 主軸の支持構造のさらに他の例を示す図である。
【図１２】 (ａ)は従来の主軸の支持構造を示す図、(ｂ)は主軸の１次振動モードを示す図である。
【図１３】 従来の主軸の支持構造における、主軸の回転数と振幅の関係を示す図である。
【図１４】 従来の主軸の支持構造における、複数次の振動を含む回転数と振幅の関係を示す図である。
【図１５】 従来の主軸の支持構造における、１次、２次、３次の振動モードを示す図である。
【符号の説明】
１０…マシニングセンタ、２２…ワーク台(ワーク保持部)、３０…加工ヘッド、３３…スピンドルブロック、４０…主軸、４０ａ…先端部、４０ｂ…終端部、４１…ホルダ、４２、４３、４４…軸受け、４５…ロータ、５０…ベアリング、６０…ベアリング部、６１、７０、８０…ダンパー部(振動減衰部)、６３…Ｏ−リング(シール部材)、６４…オイル(ダンパオイル)、７１…内周リング、７２…外周リング、７１ｃ、７２ｃ…中間部(変位吸収部)、８０ａ…中間部(ダイヤフラム部)
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械、特に工具を装着する主軸の支持構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マシニングセンタ等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を加工する工具は、主軸(スピンドル)に装着され、この主軸を回転させることで工具を回転させつつ、主軸側やワークを保持する側を動かすことで、所定の加工を行っている。
図１２に示すように、工作機械において、工具を装着する主軸１は、通常、３つの軸受け２Ａ、２Ｂ、２Ｃによって支持されている。工具(図示無し)は、主軸１の先端部１ａに図示しないチャック機構を介して装着される。また、この主軸１の軸受け２Ｂ、２Ｃ間には、ロータ３が一体に設けられ、その外周に設けられたステータ４との間に生じる磁気により、主軸１がその軸線周りに回転駆動されるようになっている。
ここで、軸受け２Ａ、２Ｂには、ラジアル方向、スラスト方向ともに拘束力の大きなものを用い、これに対し、主軸１の終端部１ｂ側の軸受け２Ｃには、ラジアル方向に対しスラスト方向の拘束力が小さな軸受けを採用している。これにより、主軸１の終端部１ｂ側で、スラスト方向(軸方向)の変位を逃がす構造となっている。
【０００３】
マシニングセンタ等では、従来、上記のような主軸１を２００００ｒｐｍ程度で回転させ、加工を行うものが多い。
近年、生産性を向上させるため、主軸１の回転数を３００００ｒｐｍあるいはそれ以上の高速回転とすることが望まれている。
【０００４】
主軸１を高速回転させるにあたり、非常に重要なのは、主軸１のバランス調整である。従来より、工作機械の主軸１に限ったものではないが、高速で回転する物体は、何らかの方法でバランス調整が行われている。主軸１の場合、通常、単体で所定の回転数(例えば５００〜６００ｒｐｍ)で回転させたときのアンバランスを計測し、その結果に応じて主軸１の一部に穴をあけたり研削したりすることで、回転バランスを調整している。
上記したような回転バランスは、主軸１の使用回転数に対して非常に低い回転数で計測を行うため、主軸１の、いわば静バランスを調整することになる。
これに対し、主軸１を実際に工作機械に組み込み、この状態で主軸１の回転バランスを取ることも考えられる。そのような方法として、工作機械に組み込んだ主軸１の端部にねじ穴を設け、このねじ穴に重さが調整された錘を挿入した状態で回転バランスを調整するものがある。(例えば、特許文献１参照。)。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−１２６５８８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、主軸１を従来以上に高速回転としようとすると、例え上記のようなバランス調整を取ったとしても、高速回転化には限界があるのが実状であった。
すなわち、主軸１は、主軸１自体がバネ定数を有し、この主軸１に一体に取りつけられたロータ３を質量とした系において、これらバネ定数と質量によって決まる固有振動数を有している。そして、図１３に示すように、この固有振動数に応じ、特定の回転数で共振が生じ(このときの回転数を「危険速度」と言う)、主軸１の振動が大きくなる。主軸１の振動が大きくなれば、主軸１に装着される工具先端の振れが大きくなるので、加工精度の低下に直結する。
このため、従来は、この危険速度を下回る回転数を使用領域として主軸１を回転させるしかなく、これによって主軸１の高速回転化に限界があったのである。
【０００７】
また、高速回転化を図ろうとすると、以下のような問題も顕在化しやすくなる。
まず、図１２(ａ)に示したような構成であると、図１２(ｂ)に示すように、主軸１は、中間部(図１２(ｂ)中(イ)の部分)において振動が小さく、先端部１ａ、終端部１ｂにおいて振動が大きなモードとなっている。このため、アンバランスに対する感度が高い(アンバランスを生じさせる要素が作用した時に、大きな振動になりやすい)という欠点がある。
また、主軸１の先端部１ａに工具を装着するわけであるが、主軸１だけでなく工具にもアンバランスの生じる要素はあり、また工具を度々付け替えることで、主軸１にアンバランスが生じてしまうこともある。このため、アンバランスに対する感度が高い主軸１の先端部１ａにおいて、アンバランスが発生すると、振動が増大する可能性が高いのである。
さらに、加工時に工具で加工対象のワークを切削すると、工具から主軸１に切削力が作用する。すると、アンバランスに対する感度が高い主軸１では、この切削力によって主軸１の振動が増幅されやすく、その結果、加工精度が低下してしまう。
【０００８】
また、主軸１は、主軸１単体での静的バランスだけでなく、主軸１を軸受け２Ａ、２Ｂ、２Ｃで支持した状態での回転時における動的バランスを取る必要がある。したがって、当然のことながら、主軸１を軸受け２Ａ、２Ｂ、２Ｃで保持した状態で、そのアライメントが高精度に取れている必要がある。アライメントが正確に取れていないと、高速回転時に主軸１に軸受け２Ａ、２Ｂ、２Ｃから外力が作用し、これも主軸１の振動に影響を与える。
このため、軸受け２Ａ、２Ｂ、２Ｃのそれぞれの部品精度を高めるとともに、軸受け２Ａ、２Ｂ、２Ｃを非常に高精度で取り付けることが要求されるが、軸受け２Ａ、２Ｂ、２Ｃによる３点支持となる主軸１において、軸受け２Ａ、２Ｂ、２Ｃのアライメントを高精度に取るのは困難である。そして、これも主軸１の使用回転数を制限する要因の一つとなっている。
【０００９】
ところで、上記したような主軸１の固有振動数に応じた共振点は、図１４に示すように、１次、２次、３次、…と複数次のものがある。このため、図１５に示すように、実際の回転数に応じて変化する振動モードは、これら複数次全ての影響を受けており、モードは非常に複雑な形態を呈している。
主軸１のバランス調整を取るにしても、これら複数次の振動に対応した調整を行わなければならない。特に主軸１のように軸線方向に長いものの場合、複数の面(軸線に直交する面)においてバランス調整を取る必要がある。しかし、主軸１単体で取る静的バランスはともかく、主軸１を軸受け２Ａ、２Ｂ、２Ｃにセットした状態で取る動的バランスの場合、主軸１の中間部分においてバランス修正を行うのは実質的に困難であり、前記特許文献１でも行っているように、主軸１の先端部１ａ、終端部１ｂでのみのバランス修正とならざるを得ず、思うようにバランス調整を行うことができない。
その結果、特に高次モードの影響が残り、所定の精度が得にくいのである。
【００１０】
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、より高回転数での使用を可能とする主軸の支持構造、工作機械を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
かかる目的のもと、本発明の主軸の支持構造は、一端に工具が装着される主軸を、ホルダで３以上の軸受けを介して回転可能に支持するとともに、この主軸をモータによってその軸線回りに回転駆動させ、３以上の軸受けのうち、主軸の他端側に位置する軸受けが、主軸の径方向の振動を減衰する振動減衰部を備えるとともに、振動減衰部を備えない他の軸受けに対して主軸をより柔軟に支持することを特徴とする。
主軸は、静的には、主軸の一端側に位置した２つの軸受けによって二点支持され、動的には、主軸の一端側に位置した２つの軸受けと主軸の他端側に位置して振動減衰部を備えた軸受けとによって三点支持されたものとすることができる。
この振動減衰部は、主軸の固有振動数に応じた特定周波数領域の振動に対し振動減衰能力を有するのが好ましい。
振動減衰部としては、例えば、間隔を隔てて対向する軸受けとホルダとの間に一対のシール部材を介在させ、この一対のシール部材の間にダンパオイルを封入する構成がある。
また、間隔を隔てて対向する軸受けとホルダの間に斜めに延出し、軸受けとホルダが互いに接近・離間する方向の変位を吸収する変位吸収部を備える構成とすることもできる。このような変位吸収部は、斜めに延出する部分を二つ設け、全体として略く字状の断面形状とすることもできる。
さらに、振動減衰部としては、ホルダに支持され、軸受けの外周面に当接する接触面を有し、接触面に略直交する方向に変形することで軸受けとホルダが互いに接近・離間する方向の変位を吸収するダイヤフラム部を備える構成とすることもできる。
ここで、前記の変位吸収部やダイヤフラム部にスリット等を形成し、その剛性を調整することもできる。
【００１２】
また、本発明は、加工対象のワークを保持するワーク保持部と、ワークを加工する工具を一端で保持してその工具を軸線回りに回転させる主軸と、ワーク保持部および主軸の相対移動を制御するコントローラと、を備えた工作機械として捉えることもできる。そしてこの工作機械は、主軸が３以上の軸受けによって回転可能に支持され、かつ３以上の軸受けのうち主軸の他端側に位置する軸受けが、主軸の径方向の振動を減衰する振動減衰部を備えるとともに、振動減衰部を備えない他の軸受けに対して主軸をより柔軟に支持することを特徴とする。
主軸は、静的には、主軸の一端側に位置した２つの軸受けによって二点支持され、動的には、主軸の一端側に位置した２つの軸受けと主軸の他端側に位置して振動減衰部を備えた軸受けとによって三点支持されたものとすることができる。
さらにこの工作機械は、主軸が、主軸の固有振動数に基づいて決まる危険速度を超えた回転数で使用されることを特徴とすることもできる。より具体的には、その回転数は３００００ｒｐｍ以上である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１は、本実施の形態におけるマシニングセンタの構成を説明するための図である。
図１に示すように、マシニングセンタ１０は、ワークベンチ２０と、加工ヘッド３０と、これらワークベンチ２０および加工ヘッド３０の動作を制御するコントローラ(図示無し)とから構成されている。
ワークベンチ２０は、ベースブロック２１上に、加工対象となるワークを保持するワーク台(ワーク保持部)２２を備え、ベースブロック２１の上面には、ワーク台２２を水平一方向(これをＸ方向とする)に移動可能とするリニアガイド２３が設けられ、このワーク台２２は、図示しない送りモータの駆動により、リニアガイド２３に沿って移動する構成となっている。また、このワーク台２２に、鉛直軸線回りに回転する回転機構２４を備え、これによってマシニングセンタ１０を４軸加工機とすることもできる。
【００１４】
加工ヘッド３０は、ベースブロック３１、コラムブロック３２、スピンドルブロック３３とを備えている。
ベースブロック３１上には、ワーク台２２の移動方向とは直交する水平方向(これをＹ方向とする)に延びる二本一対のリニアガイド３４が設けられている。コラムブロック３２は、ワーク台２２に対して鉛直上方に延び、リニアガイド３４に沿って図示しない送りモータによって移動可能に設けられている。また、このコラムブロック３２には、鉛直方向(これをＺ方向とする)に延びる二本一対のリニアガイド３５が設けられ、図示しない送りモータの駆動によりリニアガイド３５に沿ってスピンドルブロック３３が移動可能に設けられている。
スピンドルブロック３３は、ワーク台２２上に保持されるワークに対し切削等の加工を行うための工具を装着する主軸４０を備え、この主軸４０は軸線周りに回転駆動されるようになっている。
【００１５】
上記したようなワークベンチ２０のワーク台２２のＸ方向に沿った移動、加工ヘッド３０のコラムブロック３２のＹ方向に沿った移動、スピンドルブロック３３のＺ方向に沿った移動は、予め入力された数値制御プログラムに基づき図示しない送りモータの作動をコントローラ(図示無し)で制御することによって行われる。これによって、ワーク台２２上に保持されるワークと、主軸４０に装着される工具とは、Ｘ、Ｙ、Ｚの３方向に相対移動するようになっている。そして、主軸４０に装着された工具を主軸４０の軸線回りに回転させつつ、予め入力された加工プログラムに基づいてワークと工具を３方向に相対移動させることで、ワーク台２２上に保持されるワークに対し所定の加工を施すのである。
【００１６】
さて、スピンドルブロック３３に備えられた主軸４０は、詳細には、図２に示すような支持構造を有している。
この図２に示すように、主軸４０は、スピンドルブロック３３に固定されたホルダ４１に、軸受け４２、４３、４４を介し、その軸線回りに回動自在に支持されている。また、主軸４０の中間部に位置する軸受け４３と、主軸４０の終端部４０ｂに位置する軸受け４４の間の部分において、主軸４０の外周面にはモータを構成するロータ４５が一体に設けられている。そして、ホルダ４１の内周面の、ロータ４５に対向する位置には、モータを構成するステータ４６が設けられている。これらロータ４５およびステータ４６によって構成されるモータにより、主軸４０を、その軸線回りに所定の回転速度で回転駆動させる。
【００１７】
さて、主軸４０を回動自在に保持する３つの軸受け４２、４３、４４のうち、主軸４０の先端部４０ａに位置する軸受け４２と、中間部に位置する軸受け４３には、従来と同様、ラジアル方向、スラスト方向ともに拘束力の大きなものが用いられている。例えば、図３に示すように、主軸４０の外周面に嵌め合うインナーレース５０ａ、ホルダ４１の内周面に嵌め合うアウターレース５０ｂ、インナーレース５０ａとアウターレース５０ｂ間で回転するローラ５０ｃ、から構成される、いわゆる一般的なベアリング５０である。
【００１８】
これに対し、図４に示すように、主軸４０の終端部４０ｂに位置する軸受け４４は、ベアリング部６０と、ダンパー部(振動減衰部)６１を有している。
ベアリング部６０は、主軸４０の外周面に嵌め合うインナーレース６０ａ、その外周側に位置するアウターレース６０ｂ、インナーレース６０ａとアウターレース６０ｂの間で回転するローラ６０ｃ、から構成されている。
【００１９】
一方、ダンパー部６１は、以下のような構成となっている。
アウターレース６０ｂの外周側には、主軸４０の軸線方向に所定幅を有した短筒状のリングプレート６２が嵌め合って設けられている。
このリングプレート６２は、その外径が、ホルダ４１のリングプレート６２に対向する部分の内径よりも所定寸法小さく設定されており、これによって、リングプレート６２とホルダ４１との間に所定寸法のクリアランスＣが形成されている。
リングプレート６２の外周面には、その周方向に連続する二本一対の溝６２ａ、６２ａが形成されている。一方、ホルダ４１の内周面には、溝６２ａ、６２ａに対応する位置に、二本一対の溝４１ａ、４１ａが形成されている。そして、これらリングプレート６２の溝６２ａ、６２ａと、ホルダ４１の溝４１ａ、４１ａの部分には、例えばゴム系材料からなるＯ−リング(シール部材)６３、６３が配設されている。これにより、Ｏ−リング６３、６３は、主軸４０の軸線方向に所定間隔を隔てて配置されている。そして、リングプレート６２の外周面と、ホルダ４１の内周面と、二本のＯ−リング６３、６３とで囲まれる空間が形成され、この空間には、オイル(ダンパオイル)６４が封入されている。この、封入されたオイル６４が、ダンパー部６１として機能するのである。
【００２０】
このようにダンパー部６１を備えた軸受け４４では、図５(ａ)、(ｂ)に示すように、例えばゴム系材料からなるＯ−リング６３、６３が弾性係数ｋを有するバネとして機能し、充填されたオイル６４が減衰係数ｃを有するダッシュポット(減衰部材)として機能する。Ｏ−リング６３、６３およびオイル６４は、リングプレート６２とホルダ４１との間に、全周に渡って介在しているため、主軸４０の全周方向に対してサスペンション効果を有していることになる。そして、それぞれの方向において、図５(ｂ)に示すような系を有することになる。
【００２１】
図６(ａ)に示すように、上記のようにして、主軸４０を支持する軸受け４２、４３、４４のうち、終端部４０ｂ側の軸受け４４のみが、ダンパー部６１を有した構成となっている。これによって、三点支持されている主軸４０は、先端部４０ａ側の二点(軸受け４２、４３の部分)で「剛」に支持され、これに対して終端部４０ｂ側では「柔」に支持された構成となっている。
このような構成において、軸受け４４のダンパー部６１は、弾性係数ｋを有するＯ−リング６３、６３と、減衰係数ｃを有するオイル６４により、主軸４０の振動が大きくなるとそのサスペンション効果を発揮し、特に主軸４０の回転時に生じる共振点での振動を抑制する。
【００２２】
ここで、一般に、共振の鋭さに対応するＱファクタ(Ｑｆ)は、図６(ｂ)に示すように、共振点での振幅をａ、主軸４０の弾性係数をｋとすると、
ａ＝ｋ・Ｑｆ
である。また、
Ｑｆ＝１／２ζ
であり(ζは減衰比である。)、
ζ＝ｃ／［２・(ｍｋ)1/2］
である(ｍはロータ４５の等価質量)。
したがって、減衰係数ｃが大きくなればＱファクタ・Ｑｆは小さくなり、それによって共振点での振幅ａが小さくなるのである。
つまり、上記のダンパー部６１において、オイル６４の減衰係数ｃを適宜設定することで、共振点における振動を有効に抑制できるのである。
【００２３】
さて、上記したような主軸４０の支持構造により、ダンパー部６１によって共振を有効に抑えることができるので、主軸４０の固有振動数に応じて決まる危険速度を超えた領域で、主軸４０を回転させることが可能となる。
そして、主軸４０は、振動が大きくない領域においては、先端部４０ａ側の軸受け４２、４３の二点で支持されたような状態となっており、高回転となって振動が大きくなる領域になると、ダンパー部６１が発揮するサスペンション効果によって軸受け４４での支持力が増し、軸受け４２、４３、４４の三点で支持されるような状態となる。つまり静的には二点支持であり、動的には三点支持となるのである。すなわち、この主軸４０は、特に動剛性が高い、と言える。
このような支持構造において、主軸４０の振動モードは、図６(ｃ)に示すように、先端部４０ａ近傍を節とし、先端部４０ａおよび中間部で振動が小さく、終端部４０ｂ側で大きくなる形態を示す。したがって、工具を装着する先端部４０ａ側では、従来(図１２(ｂ)参照)よりも振動が小さくなり、工具先端に生じる振れによる加工精度の低下を抑えることができる。また、図６(ｃ)のような振動モードを有することで、アンバランスに対する感度も低くなり、主軸４０の先端部４０ａに様々な工具を着脱したり、加工時に作用する切削力が入力されても、振動が増大しにくくなる。
【００２４】
また、前記したように、主軸４０は、共振が生じる危険速度領域を除けば、実質的に先端部４０ａ側の軸受け４２、４３の二点で強固に支持され、終端部４０ｂ側の軸受け４４では、より柔軟に支持された構成となっている。したがって、従来の三点支持の構成に比較すれば、主軸４０および軸受け４２、４３、４４のアライメントをシビアに取る必要が無く、アライメントを容易に行うことが可能となる。しかも、終端部４０ｂ側が軸受け４４によって柔軟に支持されているので、主軸４０の熱延び等の影響も、従来に比べれば遥かに小さい。
【００２５】
さらに、主軸４０の終端部４０ｂ側を、ダンパー部６１を有した軸受け４４で支持することで、図７に示すように、１次だけでなく、２次、３次の高次の振動モードも、図１５に示したものよりも変曲点の少ないモード形態となる。したがって、特に主軸４０を実際にスピンドルブロック３３に組み込んだ状態で動的バランスを取る場合でも、例えば主軸４０の先端部４０ａと終端部４０ｂ等、少ない修正面でもバランスを修正しやすくなる。
【００２６】
上述したように、マシニングセンタ１０の主軸４０を、工具を装着する先端部４０ａ側を軸受け４２、４３によって剛に支持し、終端部４０ｂ側を、ダンパー部６１を有した軸受け４４で支持することによって、特に工具を装着する先端部４０ａ側での振動を有効に抑制することが可能となり、高精度の切削性能を有したものとすることができる。しかも、ダンパー部６１に封入したオイル６４が発揮する減衰効果により、主軸４０の共振時振幅を抑えることができるので、従来は困難であった危険速度を超えた、３００００〜５００００ｒｐｍといった超高速回転領域での使用が可能となる。したがって、マシニングセンタ１０を、従来に無い高い生産性を有するものとすることができるのである。
【００２７】
ところで、上記実施の形態では、ダンパー部６１として、ベアリング部６０とホルダ４１との間に封入したオイル６４を用いる構成としたが、減衰効果を有効に発揮することができるのであれば、他の構造を適宜採用することができる。
以下に、そのような構造の他の例を示す。
[他の例]
図８に示すダンパー部(振動減衰部)７０は、主軸４０の外周部を支持する軸受け４４の、ベアリング部６０のアウターレース６０ｂと、ホルダ４１との間に設けられている。このダンパー部７０は、ベアリング部６０の幅方向両側に設けられ、それぞれ内周リング７１と外周リング７２とから形成されている。これら内周リング７１と外周リング７２は、合わせ面７１ａ、７２ａにて一体に接合され、断面視すると略「く」字状の形態をなしている。
内周リング７１は、基端部７１ｂがアウターレース６０ｂの側面(または外周面)に固定され、断面視するとホルダ４１の内周面に向けて斜めに延びるスリ鉢状あるいはテーパ状の中間部(変位吸収部)７１ｃを有し、中間部７１ｃの先端部に合わせ面７１ａが形成されている。外周リング７２は、基端部７２ｂがホルダ４１の内周面に固定され、断面視するとベアリング部６０側に向けて斜めに延びるスリ鉢状あるいはテーパ状の中間部(変位吸収部)７２ｃを有し、中間部７２ｃの先端部に合わせ面７２ａが形成されている。
このようなダンパー部７０の内周リング７１、外周リング７２は、主軸４０とホルダ４１とがその径方向に相対移動しようとすると、スリ鉢状の中間部７１ｃ、７２ｃが弾性変形することで、反発力を生じ、これによって主軸４０の振動を減衰する。このため、内周リング７１、外周リング７２は、その材質(弾性係数)、中間部７１ｃ、７２ｃの長さや厚さが、主軸４０の固有振動数等に応じて目的の振動減衰効果が得られるよう、予め適宜設定・選択される。
【００２８】
[さらに他の例]
図９(ａ)に示すダンパー部(振動減衰部)８０は、主軸４０の外周部を支持する軸受け４４の、ベアリング部６０のアウターレース６０ｂと、ホルダ４１との間に設けられている。このダンパー部８０は、アウターレース６０ｂの外周面に、カラー８１を介して接する接触面を有した中間部(ダイヤフラム部)８０ａと、その両側にて主軸４０側(内周側)に向けて延出するフランジ部８０ｂとから形成されている。そして、このダンパー部８０は、ホルダ４１からその内周側に突出する一対の支持部８３に、両側のフランジ部８０ｂが固定されており、支持部８３とフランジ部８０ｂとの間には、Ｏ−リング８４が設けられている。
中間部８０ａは、アウターレース６０ｂおよびカラー８１の幅よりも十分に大きな幅を有し、主軸４０とホルダ４１とがその径方向に相対移動しようとすると、この中間部８０ａがダイヤフラムのようにその面と略直交する方向に弾性変形することで反発力を発し、これによって主軸４０の振動を減衰する。このため、このダンパー部８０は、その材質(弾性係数)、中間部８０ａの幅や厚さが、主軸４０の固有振動数等に応じて目的の振動減衰効果が得られるよう、予め適宜設定・選択される。
さらに、中間部８０ａとホルダ４１との間に形成される空間には、ダンパとして機能するオイル８５を充填することもできる。このオイル８５は、図示しない注入口から注入される。この注入時には、中間部８０ａとホルダ４１との間に形成される空間に存在する空気を図示しない排出口から排出し、注入後には注入口と排出口を密封することで、この空間にオイル８５を封入する。
また、このオイル８５は、中間部８０ａとホルダ４１との間に形成される空間だけでなく、主軸４０やベアリング部６０の潤滑のために循環させる構成とすることもできる。
また、図９(ｂ)に示すように、中間部８０ａには、上記の弾性変形をしやすくするため、両側のフランジ部８０ｂ、８０ｂを結ぶ方向に延在し、中間部８０ａを貫通しない溝８２を形成することもできる。
【００２９】
図１０に示すダンパー部８０は、図９(ａ)と同様の構成であり、主軸４０の外周部を支持する軸受け４４の、ベアリング部６０のアウターレース６０ｂと、ホルダ４１との間に設けられている。このダンパー部８０は、アウターレース６０ｂの外周面に、カラー８１を介して接する接触面を有した中間部８０ａと、その両側にて主軸４０側に向けて延出するフランジ部８０ｂとから形成されている。
このダンパー部８０は、ホルダ４１に形成された溝に装着された一対のＯ−リング８６によって支持されている。つまり、主軸４０は、これらＯ−リング８６によって位置決めされているのである。
さらに、中間部８０ａ、ホルダ４１、Ｏ−リング８６によって囲まれた空間には、ダンパとして機能するオイルを充填することもできる。このオイルは、図示しない注入口から注入される。この注入時には、中間部８０ａとホルダ４１との間に形成される空間に存在する空気を図示しない排出口から排出し、注入後には注入口と排出口を密封することで、この空間にオイルを封入する。
また、このオイルは、中間部８０ａとホルダ４１との間に形成される空間だけでなく、主軸４０やベアリング部６０の潤滑のために循環させる構成とすることもできる。
そして、中間部８０ａは、アウターレース６０ｂおよびカラー８１の幅よりも十分に大きな幅を有し、主軸４０とホルダ４１とがその径方向に相対移動しようとすると、この中間部８０ａがダイヤフラムのようにその面と略直交する方向に弾性変形することで反発力を発し、これによって主軸４０の振動を減衰する。このとき、中間部８０ａ、ホルダ４１、Ｏ−リング８６に囲まれた空間に充填されたオイルによっても振動減衰効果を得ることができる。また、Ｏ−リング８６も、その材質を適宜設定することで、振動減衰効果が得られる。
【００３０】
図１１(ａ)に示すダンパー部８０は、主軸４０の外周部を支持する軸受け４４の、ベアリング部６０のアウターレース６０ｂと、ホルダ４１との間に設けられている。このダンパー部８０は、アウターレース６０ｂの外周面に、カラー８１を介して接する接触面を有した中間部８０ａと、その両側にて主軸４０側に向けて延出するフランジ部８０ｂとから形成されている。
図１１(ｂ)に示すように、中間部８０ａには、両側のフランジ部８０ｂ、８０ｂを結ぶ方向に延在し、中間部８０ａを貫通するスリット８７が形成されている。
さらに、中間部８０ａとホルダ４１との間の空間には、ダンパとして機能するオイルを充填することもできる。
カラー８１の外周面と中間部８０ａの内周面との間には、スリット８７の外側に位置するＯ−リング８８が設けられ、オイルの漏れを防止するようになっている。
そして、中間部８０ａは、主軸４０とホルダ４１とがその径方向に相対移動しようとすると、この中間部８０ａがダイヤフラムのようにその面と略直交する方向に弾性変形することで反発力を発し、これによって主軸４０の振動を減衰する。このとき、中間部８０ａおよびホルダ４１に囲まれた空間に充填されたオイルによっても振動減衰効果を得ることができる。
【００３１】
なお、上記実施の形態では、３軸のマシニングセンタを例に用いたが、もちろん、４軸、５軸のマシニングセンタや、あるいはさらに他の工作機械の主軸にも、同様の構造を適用することができる。
また、主軸４０の支持構造が同様であれば、マシニングセンタや各種工作機械の他の部分の構成はいかなるものであっても良い。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、特に工具を装着する先端部側での主軸の振動を有効に抑制することが可能となり、高精度の加工性能を有した工作機械を実現することができる。また、ダンパー部での減衰効果により主軸の共振を抑えることができるので、従来は困難であった危険速度を超えた超高速回転領域での使用が可能となり、工作機械を、より高い生産性を有するものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本実施の形態における工作機械の概略構成を示す斜視図である。
【図２】 主軸の支持構造を示す断面図である。
【図３】 主軸の先端側の軸受けを示す図である。
【図４】 主軸の終端側に備えたダンパー部付きの軸受けを示す図である。
【図５】 ダンパー部を備えた軸受けのモデル図である。
【図６】 ダンパー部を有した軸受けによって支持される主軸の、振動の発生状況を示すための図であり、(ａ)は主軸の支持構造を簡略的に示した図、(ｂ)は回転数と振幅の関係を示す図、(ｃ)は主軸の１次振動モードを示す図である。
【図７】 １次、２次、３次の振動モードを示す図である。
【図８】 主軸の支持構造の他の例を示す図である。
【図９】 主軸の支持構造のさらに他の例を示す図である。
【図１０】 主軸の支持構造のさらに他の例を示す図である。
【図１１】 主軸の支持構造のさらに他の例を示す図である。
【図１２】 (ａ)は従来の主軸の支持構造を示す図、(ｂ)は主軸の１次振動モードを示す図である。
【図１３】 従来の主軸の支持構造における、主軸の回転数と振幅の関係を示す図である。
【図１４】 従来の主軸の支持構造における、複数次の振動を含む回転数と振幅の関係を示す図である。
【図１５】 従来の主軸の支持構造における、１次、２次、３次の振動モードを示す図である。
【符号の説明】
１０…マシニングセンタ、２２…ワーク台(ワーク保持部)、３０…加工ヘッド、３３…スピンドルブロック、４０…主軸、４０ａ…先端部、４０ｂ…終端部、４１…ホルダ、４２、４３、４４…軸受け、４５…ロータ、５０…ベアリング、６０…ベアリング部、６１、７０、８０…ダンパー部(振動減衰部)、６３…Ｏ−リング(シール部材)、６４…オイル(ダンパオイル)、７１…内周リング、７２…外周リング、７１ｃ、７２ｃ…中間部(変位吸収部)、８０ａ…中間部(ダイヤフラム部)
Claims (8)
- 一端に工具が装着される主軸と、
前記主軸を支持する３以上の軸受けと、
前記主軸を前記軸受けを介して回転可能に支持するホルダと、
前記主軸をその軸線回りに回転駆動させるモータと、を備え、
前記３以上の軸受けのうち、前記主軸の他端側に位置する軸受けが、当該主軸の径方向の振動を減衰する振動減衰部を備えるとともに、前記振動減衰部を備えない他の前記軸受けに対して前記主軸をより柔軟に支持し、
前記主軸は、静的には、前記主軸の一端側に位置した２つの前記軸受けによって二点支持され、動的には、前記主軸の一端側に位置した２つの前記軸受けと前記主軸の他端側に位置して前記振動減衰部を備えた前記軸受けとによって支持されていることを特徴とする主軸の支持構造。 - 前記振動減衰部は、前記主軸の固有振動数に応じた特定周波数領域の振動に対し振動減衰能力を有することを特徴とする請求項１に記載の主軸の支持構造。
- 前記振動減衰部は、間隔を隔てて対向する前記軸受けと前記ホルダとの間に介在する一対のシール部材と、
前記一対のシール部材の間に封入されたダンパオイルと、
を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の主軸の支持構造。 - 前記振動減衰部は、間隔を隔てて対向する前記軸受けと前記ホルダの間に斜めに延出し、前記軸受けと前記ホルダが互いに接近・離間する方向の変位を吸収する変位吸収部を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の主軸の支持構造。
- 前記振動減衰部は、前記ホルダに支持され、前記軸受けの外周面に当接する接触面を有し、当該接触面に略直交する方向に変形することで前記軸受けと前記ホルダが互いに接近・離間する方向の変位を吸収するダイヤフラム部を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の主軸の支持構造。
- 加工対象のワークを保持するワーク保持部と、
前記ワークを加工する工具を一端で保持し、当該工具をその軸線回りに回転させる主軸と、
前記ワーク保持部および前記主軸の相対移動を制御するコントローラと、を備え、
前記主軸は、３以上の軸受けによって回転可能に支持され、かつ当該３以上の軸受けのうち前記主軸の他端側に位置する軸受けが、当該主軸の径方向の振動を減衰する振動減衰部を備えるとともに、前記振動減衰部を備えない他の前記軸受けに対して前記主軸をより柔軟に支持し、
前記主軸は、静的には、前記主軸の一端側に位置した２つの前記軸受けによって二点支持され、動的には、前記主軸の一端側に位置した２つの前記軸受けと前記主軸の他端側に位置して前記振動減衰部を備えた前記軸受けとによって支持されていることを特徴とする工作機械。 - 前記主軸が、当該主軸の固有振動数に基づいて決まる危険速度を超えた回転数で使用されることを特徴とする請求項６に記載の工作機械。
- 前記回転数が３００００ｒｐｍ以上であることを特徴とする請求項７に記載の工作機械。
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