JP5003500B2 - ダンパ構造 - Google Patents

Description

本発明は、板厚が薄い制振対象（機械加工部品）を加工する際に、加工精度の低下や工具欠損の原因となる制振対象（機械加工部品）の自励振動の抑制に有効なダンパ構造に関するものである。

転削加工や旋削加工により機械加工部品の素材厚さが薄い部分を切削加工する場合において、切り込み量や送り速度などを高い加工能率になるよう設定すると、素材厚さが薄いことから素材の動的な剛性が低くなり、加工部品の自励振動が発生してしまう。

この自励振動により切削加工に使用する工具の欠損や、機械加工部品の加工面精度が低下してしまうため、自励振動が発生しないように、一般的に切り込み量や送り量を下げて加工しなければならず、素材厚さが薄い機械加工部品を加工する際は加工能率が低くなってしまうという課題を有していた。

このような課題を引き起こす自励振動を抑制する手段としては、種々の抑制方法が実施、検討されている。

自励振動を抑制する第１の方法としては、素材厚さが薄い部分に、外部から金属棒などを突き当てて部品の振動を拘束し、静剛性を向上させることが考えられる。

また、自励振動を抑制する第２の方法としては、実開平６−７１９３８号公報（特許文献１）に記載された方法が知られている。即ち、特許文献１には、塗装面等の研磨面へ吸着できるように構成した吸着部材の背面に、第１弾性ゴム材を介して中心慣性マスを接着し、その中心慣性マスの外周に第１弾性ゴム材よりばね定数の低い第２弾性ゴム材を接着すると共に、その第２弾性ゴム材の外周に外周慣性マスを接着し、前記慣性マスの外面をゴムや樹脂の層で被覆した研磨面ダンパが記載されている。

また、自励振動を抑制する第３の方法としては、特表２００３−５２１３８１号公報（特許文献２）に記載された方法が知られている。特許文献２には、動的振動アブソーバを有する調整可能な工具ホルダが記載されている。

実開平６−７１９３８号公報 特表２００３−５２１３８１号公報

しかしながら、上記第１の方法では、機械加工部品を移動させながら転削加工を行う場合に、拘束するための金属棒の一端が外部に接地されているため、部品の自励振動を起こしやすい部位の移動に追従できず、使用できない場合が生じる。また、比較的大きい部品では、金属棒を部品の自励振動がおきやすい部分に固定し拘束するために、段取りに長い時間を要してしまい生産性が低下する。さらに金属棒の接地された一端から拘束した部分までの間は、切削加工する際にツールパスとの干渉が起きるため、加工方法の制約も生じてしまう。このような点から、金属棒による自励振動の拘束は、様々な形状の制振対象に対して適用範囲が狭いという課題を有していた。

また、引用文献１に記載された第２の方法による研磨面ダンパ構造は、図１０に示すように、中心慣性マス２００がダンパ軸方向と平行に運動できるよう拘束されていないため、部品の振動方向に対して必ずしも平行に運動できず、中心慣性マス２００を支える第１弾性ゴム２０２が回転方向に曲がってしまう可能性がある。特に図１１に示すように、重力と垂直方向にダンパを取り付けた場合、慣性マスの質量により、ダンパが重力方向に撓む。このように、ダンパ軸方向と部品の振動方向が異なると、ダンパが部品の振動方向と異なる方向に振動してしまい、ダンパから部品に伝わる減衰力が小さくなり、効果的な自励振動の抑制ができない課題がある。加えて第２弾性ゴム２０３と外周慣性マス２０１から構成される２つ目のダンパは、第１弾性ゴム２０２と中心慣性マス２００からなる１つ目のダンパを介して、制振対象に減衰力を伝える構造となっているため、２つ目のダンパが制振対象に与える減衰力は小さくなってしまうことから、この構造のダンパは効果的な自励振動の抑制が出来ないという課題がある。

また、引用文献２に記載された第３の方法による工具ホルダのダンパ構造は、部品の持つ１つの固有振動数に合わせて最適調整することで振動抑制効果が発生するものであって、機械加工部品のように複数の固有振動数を有する構造体の制振に対しては、原理上対応することができないものである。

本発明の目的は、上記課題を解決すべく、複数の固有振動数を有する制振対象に対して広い周波数帯域で効果的に自励振動が抑制可能な、小型で高性能なダンパ構造を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、ランチェスタダンパ方式を用いた制振対象の自励振動を抑制するためのダンパ構造であって、前記制振対象に取り付けるための固定具と、該固定具に固定され、ダンパ支持板を有するダンパ連結部とを備え、錘と該錘を取り付けた外枠と該外枠を前記ダンパ支持板に支持させる粘弾性体とによって構成される互いに振動特性が異なる複数のダンパを、前記制振対象に対して並列に接続するように前記制振対象の振動方向である前記ダンパ支持板の軸心方向に並設し、前記各ダンパが前記ダンパ支持板の軸心方向に前記制振対象と並進運動可能に構成したことを特徴とする。

また、本発明は、前記ダンパ支持板において、軸心に直角な断面形状が矩形で形成されていることを特徴とする。また、本発明は、前記各ダンパを構成する外枠は、前記ダンパ支持板の上面に対向する上面板と、前記ダンパ支持板の下面に対向する下面板と、前記ダンパ支持板の右側面に対向する右側面板と、前記ダンパ支持板の左側面に対向する左側面板とによって構成することを特徴とする。

また、本発明は、前記ダンパ支持板の上面と前記各外枠の上面板との間、前記ダンパ支持板の下面と前記各外枠の下面板との間、前記ダンパ支持板の右側面と前記各外枠の右側面板との間及び前記ダンパ支持板の左側面と前記各外枠の左側面板との間に前記粘弾性体を挟んで前記各外枠を前記ダンパ支持板に支持させて構成したことを特徴とする。

また、本発明は、前記粘弾性体は、前記ダンパ支持板の軸心方向に長くした直方体若しくは該直方体に近似した形状を有することを特徴とする。また、本発明は、前記錘を少なくとも前記各外枠の右側面板及び左側面板に取り付けたことを特徴とする。また、本発明は、前記粘弾性体が低弾性ゴムから形成されていることを特徴とする。また、本発明は、各外枠を構成する上面板と下面板と両側面板の中央に、錘固定用のねじ穴が設けられており、錘の中央に空けられた貫通穴にボルトを通して、一つのダンパに付加質量が固定できる構造を持つことを特徴とする。また、本発明は、前記固定具は、機械式又は電磁石式で構成することを特徴とする。

本発明によれば、複数の固有振動数を有する制振対象に対して広い周波数帯域で効果的に加工面精度の低下や工具欠損の原因となる制振対象の自励振動を抑制して加工能率の向上を可能とした。

本発明に係る例えば大型ポンプ用インペラベーン等の板厚が薄い機械加工部品を加工する際に、加工精度の低下や工具欠損の原因となる機械加工部品の自励振動の抑制に有効な機械加工部品用ダンパの実施の形態について図面を用いて説明する。

まず、本発明に係るランチェスタダンパ方式を採用した機械加工部品用ダンパの振動モデルについて図１を用いて説明する。図１は、本発明に係るランチェスタダンパ方式を採用した機械加工部品用ダンパを質点系振動モデルで表したものである。このダンパは特性の異なる２つのダンパ１０Ａ、ダンパ１０Ｂが制振対象１に並列に接続するよう構成されており、図１に示す如くダンパ１０Ａ、１０Ｂのバネ定数ｋ_ｄ１、ｋ_ｄ２を制振対象（機械加工部品）１の持つ複数の固有振動数を決めるバネ定数ｋ_１、ｋ_２、・・・に比べて比較的小さくとすることで、質量Ｍ_ｄ１、Ｍ_ｄ２をそれぞれ減衰比ζ_ｄ１、ζ_ｄ２のみで支えている振動モデルとなる。この並列接続のモデルにより、ダンパ１０Ａとダンパ１０Ｂの減衰力が制振対象１に作用することになる。

このダンパ方式において、制振対象１の持つ複数の固有振動数における質量ｍ_１、ｍ_２、・・・とバネ定数ｋ_１、ｋ_２、・・・を打撃試験や有限要素法（ＦＥＭ（Finite Element Method））解析などを用いて求めておき、ダンパ１０Ａ、ダンパ１０Ｂの質量Ｍ_ｄ１、Ｍ_ｄ２、バネ定数ｋ_ｄ１、ｋ_ｄ２、減衰比ζ_ｄ１、ζ_ｄ２をパラメータとして、制振対象1の変位ｘ_１、ｘ_２、・・・の大きさがそれぞれ小さくなるような値を調整しながら設定することで、図９に示すように、広い周波数帯帯域（例えば３０〜３０００Ｈｚ）に亘り、大きな振動抑制効果を得ることができる。なお、ｆは制振対象１を加工する際、制振対象に加わる力を示す。

次に、本発明に係るランチェスタダンパ方式を採用した機械加工部品用ダンパの具体的な構造の実施の形態について図２を用いて説明する。本発明に係る機械加工部品用ダンパは、制振対象（機械加工部品）１に固定するための固定具５０を備え、該固定具５０の上面にダンパ１０Ａ及びダンパ１０Ｂを並列に連結させるダンパ連結部５１を取り付けて構成される。該ダンパ連結部５１は、前記固定具５０の上面に固定された固定金具５２に、縦長の矩形断面を有するダンパ支持板５３をダンパの長手方向（制振対象１の振動方向）に伸びて片持ちで取り付けて構成される。即ち、本発明に係る機械加工部品用ダンパの本体１００は、制振対象１に固定するための固定具５０と、該固定具５０の上面に取り付けられ、ダンパ１０Ａ及びダンパ１０Ｂを並列に連結させるダンパ支持板５３を有するダンパ連結部５１とで構成される。

さらに、並列に連結される各ダンパ１０Ａ，１０Ｂは、縦長の矩形断面を有するダンパ支持板５３の上面、右側面、下面及び左側面を取り囲むように、各上面板５Ａ，５Ｂと、各右側面板６Ａ，６Ｂと、各下面板７Ａ，７Ｂと、各左側面板８Ａ，８Ｂとで構成される各外枠１１０Ａ，１１０Ｂと、該各外枠１１０Ａ，１１０Ｂに取り付けられた各錘（Ｍ_ｄ１，Ｍ_ｄ２）９Ａ，９Ｂとで構成される。そして、前記各錘（Ｍ_ｄ１，Ｍ_ｄ２）９Ａ，９Ｂが取り付けられた前記各外枠１１０Ａ，１１０Ｂを有する前記各ダンパ１０Ａ，１０Ｂは、図３及び図４に示すように、各低弾性ゴム４Ａ，４Ｂのような各粘弾性体（各減衰比ζ_ｄ１，ζ_ｄ２を有する）を介して、前記ダンパ支持板５３に対して該ダンパ支持板５３の側面に沿った長手方向（軸心方向）と平行に取り付けられる。その結果、前記各低弾性ゴム（各減衰比ζ_ｄ１，ζ_ｄ２を有する）４Ａ，４Ｂが前記各ダンパ１０Ａ，１０Ｂを内部（ダンパ支持板５３）からダンパ支持板５３の軸心を中心にして捩れることなく重力方向及び側面方向に支えていることで、前記各ダンパ１０Ａ，１０Ｂは制振対象（機械加工部品）１に固定されたダンパ支持板５３に対して広周波数帯域（例えば３０〜３０００Ｈｚ）に亘り振動方向に対して効果的な自励振動の抑制が出来るように並進運動可能な構造となっている。即ち、図３及び図４に示すように、前記ダンパ支持板５３の上面と前記各外枠１１０Ａ，１１０Ｂの各上面板５Ａ，５Ｂとの間に、前記ダンパ支持板５３の右側面と前記各外枠１１０Ａ，１１０Ｂの各右側面板６Ａ，６Ｂとの間に、前記ダンパ支持板５３の下面と前記各外枠１１０Ａ，１１０Ｂの各下面板７Ａ，７Ｂとの間に、並びに前記ダンパ支持板５３の左側面と前記各外枠１１０Ａ，１１０Ｂの各左側面板８Ａ，８Ｂとの間に、振動方向（ダンパ支持板５３の長手方向（軸心方向））に長くした直方体若しくは該直方体に近似した形状を有する各低弾性ゴム（各減衰比ζ_ｄ１，ζ_ｄ２を有する）４Ａ，４Ｂを挟むように接着して固定することにより、前記各ダンパ１０Ａ，１０Ｂをダンパ支持板５３の軸心を中心にして捩れることなく重力方向及び側面方向に支え、前記各ダンパ１０Ａ，１０Ｂは制振対象（機械加工部品）１に固定されたダンパ支持板５３に対して広周波数帯域（例えば３０〜３０００Ｈｚ）に亘り振動方向に対して効果的な自励振動の抑制が出来るように並進運動可能に構成される。

なお、各低弾性ゴム４Ａ，４Ｂは、ダンパ支持板５３並びに各外枠１１０Ａ，１１０Ｂに対して接着して固定されるため、剥がれる可能性がある。そのため、並進運動時に各低弾性ゴム４Ａ，４Ｂが剥がれることによってダンパ１０Ａ及び１０Ｂが前記ダンパ支持板５３より脱落しないために、図４に示すように、受け板５４がダンパ支持板５３の端部に取り付けられている。固定具５０側については、固定金具５１がダンパ１０Ａ及び１０Ｂを脱落させない役目を果すことになる。

ダンパ１０Ａ及び１０Ｂを制振対象（機械加工部品）１に固定する固定具５０は、図４及び図７に示すように、制振対象（機械加工部品）１をねじ等の締着手段５０Ａを用いて挟み込むような機械的な構造（機械式）でなくても、図５及び図８に示すような例えば電磁石手段５０Ｂを用いて電磁石式で固定するように構成しても良い。要するに固定具５０は、ダンパ１０Ａ及び１０Ｂを制振対象（機械加工部品）１に固定できるように構成されれば良い。

また、図６に示すように側面板６Ａ，８Ａ；６Ｂ，８Ｂと上面板５Ａ，５Ｂには、ねじ穴３０を設けておき、付加質量９０の穴３１にボルトねじを通すことで、ダンパの錘を増やすことができる構造となっている。即ち、付加質量９０を側面板６Ａ，８Ａ；６Ｂ，８Ｂや上面板５Ａ，５Ｂに取り付けることによってダンパの錘を増やしたりすることが可能に構成される。

次に、本発明に係るダンパ構造（機械加工部品用ダンパ）に用いる素材について説明する。本実施の形態の振動方向に各減衰比ζ_ｄ１，ζ_ｄ２を有する動吸振器に用いる低弾性ゴム４Ａ，４Ｂは、硬さがＪＩＳＫ６２５３に準じた試験で３０〜６０（タイプＡ）、伸びが５００〜９００％、静的せん断弾性率が０．３〜０．８ＭＰａ、反発弾性が２〜１３％のものが適しており、さらに好ましい低弾性ゴムとしては、内外ゴム株式会社製「ハネナイト」ＧＰ−３５Ｌ、ＧＰ−６０Ｌ、ＣＰ−４０Ｓ、ＣＰ−５５Ｓ、ＡＰ−３０、ＡＰ−５０、ＧＰ−４０ＨＢ、ＧＰ−５０Ｖが適している。この中で本実施の形態では、ＧＰ−３５Ｌを用いた。

また、錘（Ｍ_ｄ１，Ｍ_ｄ２）９Ａ，９Ｂには、超硬材料、タングステン、銅−タングステン合金などの密度１３０００〜１９０００ｋｇ/ｍ³の高比重合金が適している。この中で本実施の形態では、銅−タングステン合金（密度１４０００ｋｇ/ｍ³）を用いている。なお、錘９Ａの体積としては、図２、図５及び図６に示すように、例えば３０ｍｍ×５０ｍｍ×５０ｍｍ程度が考えられる。この体積で高比重合金を用いた場合、錘９Ａの重量は１〜１．４ｋｇ程度となる。当然、複数の固有振動数を有する制振対象に適するように振動特性の異なる複数のダンパ１０Ａ，１０Ｂ、即ち複数の錘（Ｍ_ｄ１，Ｍ_ｄ２）９Ａ，９Ｂが設定されることになる。

以上の構造、素材を用いた本発明に係るダンパ構造を実際の制振対象（薄肉の機械加工部品）に取り付ける方法の実施例について図７及び図８を用いて説明する。本実施例のダンパは、図７に示すように制振対象１の自励振動を起こしやすい部分近傍に図２に示す締着手段５０Ａにより、制振対象１を挟み込んで取り付ける。また、制振対象１の端部ではなく、面内に取り付けたい場合は、図８に示すように図５に示す電磁石手段５０Ｂを用いて取り付ける。

次に、本発明に係るダンパ構造の自励振動制効果を図９に示す。ダンパを取り付けない場合の制振対象（部品）１の波形３０は、本発明に係るダンパ構造を取り付けることで波形３１に変化し、広い周波数帯域に亘り自励振動を同時に抑制できていることが分かる。

以上説明したように、本発明に係るダンパ構造によれば、制振対象（機械加工部品）１の振動方向に対して、ダンパ１０Ａ及びダンパ１０Ｂが並進運動することで、制振対象（機械加工部品）１の持つ複数の固有振動数における自励振動を、効果的に抑制可能である。また、従来の金属棒による拘束のように端部に接地面を必要とせず、かつ小型であることから切削加工におけるツールパスへの干渉が少なく、加工方法の制約を改善でき、また段取り時間を削減することが可能となる。

本発明に係る機械加工部品用ダンパを用いることで、例えば大型ポンプ用インペラベーンの切削加工で用いられていた金属棒の固定治具類の使用を行う必要がなくなったため、治具段取り時間を７５％、治具費用を３１％削減が可能である。

本発明に係るダンパ構造を質点系振動モデルで表した図である。 本発明に係るランチェスタダンパを複数個搭載したダンパ構造の一実施の形態を示す図である。 図２に示すダンパ１０Ａにおいてダンパ支持板の軸心（長手方向：制振対象の振動方向）に直角な断面形状を示す図である。 図３に示すＡ−Ａ矢視断面図である。 本発明に係るダンパ構造において、固定具が電磁石式の場合を示す図である。 本発明に係るダンパ構造において、付加質量を取り付けたときを示す図である。 本発明に係るダンパ構造を制振対象に機械式固定具を用いて取り付ける方法を示した図である。 本発明に係るダンパ構造を制振対象に電磁石式固定具を用いて取り付ける方法を示した図である。 本発明に係るダンパ構造による自励振動抑制効果を周波数応答で表した図である。 従来の研磨面ダンパにおける重力方向の振動による変形を表した図である。 従来の研磨面ダンパにおける重力と垂直方向の振動による変形を表した図である。

符号の説明

１…制振対象（機械加工部品）、 ４Ａ、４Ｂ…粘弾性体（低弾性ゴム）、 ５Ａ、５Ｂ…上面板、 ６Ａ、６Ｂ…右側面板、 ７Ａ、７Ｂ…下面板、 ８Ａ、８Ｂ…左側面板、 ９Ａ、９Ｂ…錘、 １０Ａ、１０Ｂ…ダンパ、 ５０…固定具、 ５０Ａ…機械式固定具、 ５０Ｂ…電磁石式固定具、 ５１…ダンパ連結部、 ５２…固定金具、 ５３…ダンパ支持板、 ５４…受け板、 １００…本体、 １１０Ａ、１１０Ｂ…外枠。

Claims (7)

1. ランチェスタダンパ方式を用いた制振対象の自励振動を抑制するためのダンパ構造であって、
   前記制振対象に取り付けるための固定具と、
   該固定具に固定され、ダンパ支持板を有するダンパ連結部とを備え、
   錘と該錘を取り付けた外枠と該外枠を前記ダンパ支持板に支持させる粘弾性体とによって構成される互いに振動特性が異なる複数のダンパを、前記制振対象に対して並列に接続するように前記制振対象の振動方向である前記ダンパ支持板の軸心方向に並設し、
   前記各ダンパが前記ダンパ支持板の軸心方向に前記制振対象と並進運動可能に構成したことを特徴とするダンパ構造。
2. 前記ダンパ支持板において、軸心に直角な断面形状が矩形で形成されていることを特徴とする請求項１に記載のダンパ構造。
3. 前記各ダンパを構成する外枠は、前記ダンパ支持板の上面に対向する上面板と、前記ダンパ支持板の下面に対向する下面板と、前記ダンパ支持板の右側面に対向する右側面板と、前記ダンパ支持板の左側面に対向する左側面板とによって構成することを特徴とする請求項１又は２に記載のダンパ構造。
4. 前記ダンパ支持板の上面と前記各外枠の上面板との間、前記ダンパ支持板の下面と前記各外枠の下面板との間、前記ダンパ支持板の右側面と前記各外枠の右側面板との間及び前記ダンパ支持板の左側面と前記各外枠の左側面板との間に前記粘弾性体を挟んで前記各外枠を前記ダンパ支持板に支持させて構成したことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一つに記載のダンパ構造。
5. 前記粘弾性体は、前記ダンパ支持板の軸心方向に長くした直方体若しくは該直方体に近似した形状を有することを特徴とする請求項４に記載のダンパ構造。
6. 前記錘を少なくとも前記各外枠の右側面板及び左側面板に取り付けたことを特徴とする請求項３又は４に記載のダンパ構造。
7. 前記粘弾性体が低弾性ゴムから形成されていることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一つに記載のダンパ構造。

Images