JP4230447B2 - 振動を減衰する減衰装置 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械で使用する中ぐり棒材および同様の工具保持棒材のために特に設計されているが、それに限定されない減衰装置に関する。典型的な例は、シャフトおよび同様の要素などの弱い構造の切り屑切削機械加工（旋削、フライス加工など）に使用する中繰り棒材である。装置は、機械の他の部品、および工作物の「締め付け」にも使用することができる。自然発生の振動は通常、小さすぎる構造の動剛性の結果である。

同様の減衰装置が以前から知られ、関連する装置がノルウェイ特許第１２８７２５号で示されている。この特許は減衰器具に関し、これは中ぐり自体が減衰器具の重要な部分を構成するので、中ぐり棒材の中ぐり中に必ず配置しなければならず、減衰効果が、減衰体と中ぐりとの間に設けた弾性要素を通じた減衰体と中ぐり自体との相互作用の結果である。

工具ホルダの長さ／直径（オーバハング）の比率増加を目指して、開発がなされている。その結果、工具ホルダの動剛性が低下し、これも相応して適用すべき減衰器具に新しい要件を課す。既知の技術による減衰器具の問題は、減衰器具をこの新しい状態に適合させるため、減衰体の振動数を低下しなければならないことである。これを達成するため、ばね定数が低下した弾性要素、または質量を増加した減衰体が必要である。

今日までに使用されている減衰体の密度は、既に市販されている中でも最高である。したがって、質量を上げるために減衰体の体積を増加させねばならない。その結果、空間とサイズに関連する問題が生じて、減衰装置を配置すべき構造が弱化する。

したがって、例えばノルウェイ特許第１７２６７７号で記載されたような既知の技術による解決法で、ばね定数を低下できるようにするには、弾性要素の材料を、ばね定数がこれより低く、硬度が低い材料に変更するか、要素のサイズを削減することによって、弾性要素の強度を低下させねばならない。それと同時に、弾性要素は、切り屑切削プロセス中に発生する熱に耐えねばならず、材料のエネルギ吸収の結果、曝露される力に耐えるよう寸法決定しなければならない。これは、矛盾する特性であることが判明している。

したがって結論は、既知の技術による解決法が、特に材料特性の制限のため、減衰すべきシステムの長さ／直径の比率を上げ、固有振動数を低下させる方向での開発がそれほど適切でない、ということである。

高い回転速度を使用することが多く、したがって減衰システムが高速回転に耐えられることも重要である。このことも、既知の技術による装置の問題となることが判明している。

発明が解決しようとする課題と課題を解決するための手段

本発明は、新しい減衰装置を提供することにより、上述した問題を解決する。本発明による減衰装置は、中ぐり棒材、工具保持棒材など、好ましくは回転する機械要素、特に内部を流体で冷却する要素において、自然発生振動を減衰するのに適切であり、減衰装置は、ほぼ円筒形の減衰体を有する。

解決法は、力を棒材から減衰体を通して弾性要素に伝達する技術に基づき、弾性要素は、対応する弾性要素が主に圧力に曝露している既知の技術とは反対に、ほぼ剪断力にさらされる。圧力ではなく剪断力として力を伝達することの利点は、ばね定数を低下することができ、圧縮力を伝達するのではなく剪断方向で力を伝達すると、材料の減衰特性が向上することである。

剪断力に曝露したエラストマの剛性を表すＧモジュールは、圧力に曝露したエラストマの剛性を表すＥｃより非常に低く、張力にさらされるエラストマの剛性を表すＥｓの約１／３である。弾性要素（エラストマ）がほぼ剪断力にさらされる減衰装置では、システムのばね定数が潜在的に低下せず、これにより弾性要素の材料組成を変更せず、要素のサイズまたは強度を低下させずに、減衰装置の固有振動数を大幅に低下させることが可能である。減衰体の質量も増加させる必要がない。別の利点は、減衰機能の帯域が増加し、例えばゴムなどで作成した弾性要素のサイズを増加させ、その結果、同じサイズの既存の解決法に対して固有振動数を増加させることなく、減衰を増加できることである。これにより、減衰装置は、長さと直径との比率をさらに大きく変化させることができる。その１つの利点は、システムにエネルギ吸収材が１つしかないために、ゴムまたは他の弾性材料の量が十分であるので、減衰媒質としての減衰流体を削減可能であることである。

振動数を低下できることの１つの利点は、既存のシステムと同じ固有振動数を達成しながら、減衰体の質量を削減できることである。これにより、高速のフライス加工の用途など、大きい遠心力で減衰システムを高速で回転すべき用途では、本発明がさらに有用になる。

減衰体の質量を削減できることは、切削油剤を切削縁に移相する中心チューブの直径を増加できるという点で有用である。前方へ搬送できる切削油剤の量は、この解決法では、現在の解決法と比較して増加させることができる。切削油剤の量を増加させることの利点は、切削縁から切り屑をより効率的に除去することである。

ノルウェイ特許第１７２６７７号に記載の解決法に伴う別の既知の問題は、固まりと中心チューブとの間の空隙にある減衰油剤が、弾性要素として使用しているエラストマを、動的シールとして使用し、周囲の部品に結合していない場合は、これを超えて漏れる可能性があることである。

本発明で示唆されるような解決法は、この問題を解消する。弾性エラストマを周囲の構造に直接結合するか、あるいは静止シールを使用するからである。

減衰装置の減衰体は、自身を通る軸方向の中ぐりを有する。弾性要素を、減衰要素の各端部に設けて、軸方向に延在する長手方向の中心体またはチューブに中ぐりを通して接続する。

１つの用途では、装置には中ぐり棒材の内側にほぼ軸方向で円筒形の形状の空隙を設けることができる。チューブは、中ぐり棒材内の流体を冷却するため、（弾性要素が外部に設けたワッシャによって所定の位置に保持されるので）内部中ぐりにしっかり接続可能である。

１つの実施形態では、本発明は、切削縁に冷却油剤を供給することができ、冷却油剤は、長手方向の中心体をチューブとして形成した場合、減衰装置の軸方向区域を通して直線状に案内される。この構造により、中ぐり棒材中の同じ空隙が減衰体を含むことができる。減衰体の直径を増加できるよう、減衰体と空隙の壁との間のギャップを大幅に削減することができる。

１つの実施形態では、軸方向に延在する長手方向中心体の外径は、減衰油のような減衰油剤などの減衰媒質を受けるために、小さいギャップを有する中ぐりの直径に適応させる。

１つの実施形態では、減衰媒質のためのギャップは、媒質への遠心力の影響を許容可能なレベルまで削減するよう、減衰体および中ぐり棒材の軸線付近に配置し、これは減衰システムを高速で回転しなければならない場合に、好ましい効果を有する。

次に、実施形態および添付図面に関して減衰装置を説明する。

図１は、本発明による減衰装置の単純な設計の例を示す。ほぼ円筒形の減衰体１に、自身を通る軸方向の中ぐり６を設ける。中ぐりの内側には、軸方向に延在する長手方向中心体またはチューブ３があり、これは概ね外端が中ぐり棒材または減衰すべき対象の内側にしっかり固定するような構成である。チューブ３は、中ぐり棒材内へとさらに延在する路と連絡する自身を通って冷却油剤を案内するような構成であることが好ましい。減衰体１の各外端にて、これは円形の形状で、例えば長方形の断面を有する弾性要素２と接続する。弾性要素２は、これにより自身を通る長手方向中心体３を通す開口、および２つの対面する端面を有する弾性ワッシャまたは短い中空シリンダとして形成することができる。端面は通常、ほぼ平行である。弾性要素２は、例えばゴムまたは別の弾性材料で作成してよい。長手方向中心体３は、端面の一方にしっかり接続され、減衰体１は、他方の端面にしっかり接続され、弾性要素２はさらに、これも例えば加硫処理または接着剤結合によってチューブ３に接続されたワッシャまたは端部片５に接続される。ワッシャ５は、ねじ接続でチューブ３に固定することが好ましいが、そうである必要はない。システムの固有振動数は、弾性要素２の寸法または材料特性を変化させることにより変更する。

図２は、様々な部品の組立を考慮した例を示す。この例では、弾性要素２を各側で中間ワッシャ７に接続する。

接続は、弾性要素２の成形中に実行してよく、中間ワッシャ７の接触面に接着剤を塗布して実行する。中間ワッシャ７は、減衰体１およびワッシャ５への弾性要素の組付けを容易にする。中間ワッシャ７は、例えば接着剤でこれらの部品に固定し、油漏れがないよう密封することができる。あるいは、図２で示すように、接触面の機械的ロックおよび密封リング８で固定し、漏れを防止することができる。ワッシャ５は、ねじ接続でチューブ３に固定し、この方法でチューブまたは長手方向中心体３としっかり接続する。減衰体１は、これらのワッシャ５の間に配置する。２つの弾性要素２を、２つのワッシャと減衰体１との間に配置し、したがって各弾性要素２の端面の一方が、２つのワッシャ５にしっかり接続される。各弾性要素２の他方の端面を、減衰体１としっかり接続する。

図３では、中ぐり棒材９に内蔵した既知の技術による減衰装置が図示されている。中ぐり棒材９は、中心チューブ３と直接連絡する冷却ダクト１１を有し、これを中ぐり棒材の軸線１２と位置合わせする。

例えば平面の物体を外部から減衰するために、本発明による減衰装置を使用することも可能であり、図４は、このような使用法の装着用ブラケットを示す。次に、軸方向に延在する長手方向中心体３を、２つのブラケット１３に固定し、これも減衰すべき体にしっかり固定する。減衰装置の残りの部分は、図２の一方と同じ実施形態のものである。この場合、長手方向中心体は、中空である必要がない。

減衰装置は、通常、以下の方法で働く。

例えば工具ホルダなどの減衰すべき構造が、例えば切削工具などからの外力の影響で始動する場合、この動作の一部は、弾性要素を通して減衰体の主要部に伝達される。幾何学的形状、およびワッシャと減衰体との接続のせいで、弾性要素はこれを剪断力として経験する。工具ホルダからチューブを通し、弾性要素を介して減衰体へと伝達される動作（エネルギ）は、弾性要素の、および場合によっては減衰油剤の熱という形態のエネルギに変換される。この場合、熱は、様々な境界面に加えて、減衰油剤および弾性要素の内部摩擦によって発生する。

連続的動作中、典型的な振動運動が発生し、工具ホルダおよび減衰体は、ほぼ同じ振動数で動作するが、位相および加速度はわずかに異なる。位相の違いが、弾性要素および減衰油剤の必要な変形／摩擦を引き起こし、これは熱発生としてエネルギ損を生じる。したがって、工具ホルダおよび減衰体の加速度も異なり、減衰力はこの違いと直接関係する。

最も単純かつ基本的な実施形態の減衰装置を示す。 組立と設置が考慮されている実施形態の減衰装置を示す。 中ぐり棒材に内蔵した既知の技術による減衰装置を示す。 減衰すべき平面の物体に配置する場合の減衰装置の設置方法を示す。

Claims (8)

1. 物体の振動を減衰するために、物体中または物体上に設けるよう構成された減衰装置で、自身を通る中ぐり（６）を有するほぼ円筒形の減衰体（１）と、中ぐり（６）を通って延在し、減衰されるべき物体に堅く接続可能な長手方向中心体（３）とを含み、減衰体（１）が開口を備える２つの弾性要素（２）を通して長手方向中心体（３）に接続され、２つのワッシャ（５）が長手方向中心体（３）にしっかり接続され、したがって減衰体（１）がこのワッシャ（５）間に配置される減衰装置であって、
   弾性要素（２）が、２つのほぼ対向する端面を有し、
   弾性要素（２）と減衰体（１）の各々の側のワッシャ（５）が長手方向中心体（３）に堅く固定され、各弾性要素（２）の対向する二つの端面の一方が、二つのワッシャ（５）の各々に堅く接続され、二つの端面のもう一方が、減衰体（１）に堅く接続され、弾性要素（２）の外周表面は、減衰体（１）に接触することが防止されていることを特徴とする減衰装置。
2. 弾性要素（２）を弾性材料で作成し、化学的接合によって、または加硫加工プロセス中に二つのワッシャ（５）と減衰体（１）に固定することを特徴とする、請求項１に記載の減衰装置。
3. 弾性要素（２）を弾性の、ワッシャまたは平行な端面を有する短い中空の円筒体として作成することを特徴とする、請求項１に記載の振動を減衰する減衰装置。
4. 弾性要素（２）を、接着剤接合または機械的ロックによってワッシャ（５）に接続した中間ワッシャ（７）を介して、減衰体（１）およびワッシャ（５）に接続することを特徴とする、請求項１に記載の減衰装置。
5. 弾性要素（２）の厚さ、または端面間の距離が、減衰体（１）の固有振動数を決定するような寸法にされ、この厚さを変化させることにより、その固有振動数を調節することを特徴とする、請求項１に記載の減衰装置。
6. 長手方向中心体（３）の外径を、減衰液（４）を受けるための小さいギャップがある状態で、中ぐり（６）の直径に適応させることを特徴とする、請求項１に記載の減衰装置。
7. 減衰体（１）が、ギャップに減衰液を注入するための開口を含むことを特徴とする、請求項６に記載の減衰装置。
8. 減衰体（１）が、中ぐり棒材（９）内にあって、ほぼ軸方向であり、中ぐり棒材（９）内で円筒形に形成され、目的に適した空隙内に設けられるような構成であり、
   長手方向中心体（３）が、軸方向に延在し、冷却油剤を案内することができるチューブで構成され、チューブ（３）が、冷却油剤のための中ぐり棒材（９）の中ぐりに堅く接続可能であることを特徴とする、請求項１に記載の減衰装置。

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