JP5204130B2 - 泡の形成を促進する減衰体を用いて振動を減衰させるダンパ - Google Patents

Description

本発明は、減衰流体中に減衰体を用いて振動を減衰させるダンパに関し、減衰体又はこの減衰体が配置されるキャビティが、泡の形成を促進するものである。

このダンパは特に、工作機械に使用されるフライス工具及び類似の工具のホルダ用のものであるが、それに限定されない。典型的な例は、（旋削、フライス削りなどの）チップ切削加工（ｃｈｉｐ ｃｕｔｔｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ）時に使用されるエンド・ミルである。この装置は、「クランピング（ｃｌａｍｐｉｎｇ）」、及び機械の他の部分、加えてワーク・ピースに使用することもできる。一般に、構造の動的剛性が低くなる結果として、自然発生振動が生じる。

様々なタイプの減衰装置がよく知られており、関連のある装置は、ノルウェー特許Ｎｒ１２８ ７２５に示されている。この特許は、中ぐり棒中の内腔内に必ず配置されなければならない減衰体に関する。というのは、この内腔が減衰装置の不可欠な部分を構成する、すなわち、減衰効果が減衰体と内腔自体の間の、これら要素間に設けられた弾性要素を介した相互作用の結果として得られるからである。

ノルウェー特許Ｎｒ１２０ ６０９では、振動を減衰するための装置が示されている。この装置は、内腔内に配置される減衰体を含む。スプリング・ワッシャが減衰体の両側に配置される。円錐形のクランピング・ワッシャが、スプリング・ワッシャのばね定数を調節するために設けられる。スプリング・ワッシャは、この装置を用いての減衰時に圧縮される。

開発は、工具のホルダの長さ／直径（オーバーハング）の間の関係を引き続き増大させることに向かう方向で進展している。そこで、工具のホルダの動的剛性は減少することになり、このことは、この状況に適合させなければならない減衰装置に諸要件をさらに課す。従来の既知の技術に伴う課題は、減衰装置をこの新しい条件に適合させることができるように、そのシステムの振動数を低減させなければならないことである。これは、低いばね定数を有する弾性要素、又は減衰体においてより大きい質量を必要とすることになる。

言及すべき他の特許には、米国特許第４，０６１，４３８号及び米国特許第２，６９９，６９６号があり、両特許は、減衰特性を有する液体によって囲まれたキャビティ内のある種の質量体を記載している。

どの特許も、小さい力でも良好な減衰機能を実現すると共に、減衰体が隣り合ったキャビティにおける吸引によりくっつくことを避けるための発泡（空気を油に混合すること）の重要性に言及していない。発泡を促進するように含まれるそれら設計も記載されていない。本発明は、この点において大幅な改善である。

本発明は、２つの端面及びこれら端面の間にほぼ縦方向の面を有する少なくとも１つのほぼ縦方向の減衰体を用いて振動を減衰させるダンパに関する。この文脈における縦方向（Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ）は、特定の細長比に必ずしも関連せず、縦方向又はジオメトリを説明するように定められる。それにより、もちろん減衰体は、これが特許請求の範囲の保護範囲に何らかの影響を与えることなく、「短い」ものであってよい。同じことは、減衰体に適合されることだけを必要とする、減衰体を配置するためのキャビティにも関連する。減衰体は、縦方向及び横方向を有し、減衰流体と共にほぼ縦方向のキャビティ内に配置される。このキャビティは、少なくとも１つのキャビティ表面を画定し、減衰体は、少なくとも１つのダンパ体表面を画定する。減衰流体は、液体の部分と気体の部分とを含み、キャビティ表面又は減衰体表面の少なくとも１つが、使用時にダンパ流体中に泡の形成を行うように断ち切られている。これら表面が断ち切られていることは、この表面が断続的であり得、穴、凹所、スプライン、特定の粗さ（ｅｘｐｒｅｓｓｅｄ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ）、又は任意の他のやり方で滑らかで穴のない表面から外れたもの（ｄｅｐａｒｔ）を含んでよいことを説明するよう意図されるものである。しかし、重要な特色は、減衰体が中に配置されるキャビティを併用する減衰体の設計が、気体と液体の混合を促進し、液体中にバブル又は泡が形成されるように形作られることである。

減衰体は、任意の適切な材料製であってよく、しばしば高比重を有する材料で作製される。

減衰体の端面は、少なくとも１つの軸方向の穴によって断ち切られてよい。１つ又は複数の穴の大きさは、減衰流体、必要な減衰体の質量、ダンパが使用される帯域幅、必要な減衰体の釣り合いなどに対応するために必要に応じて変更できる。

減衰体のほぼ縦方向の表面は、少なくとも１つの横方向の穴によって断ち切られてよい。

減衰体のほぼ縦方向の表面は、少なくとも１つの半径方向の穴によって断ち切られてよく、減衰体の端面は、少なくとも１つの軸方向の穴によって断ち切られてよい。

穴の少なくとも１つは、全体にわたって完全に延在してよい。

減衰体の外表面及び／又はキャビティの表面は、少なくとも１つの軸方向の溝によって断ち切られてよい。

減衰体の外表面及び／又はキャビティの表面は、少なくとも１つの横方向の溝によって断ち切られてよい。

減衰体の外表面及び／又はキャビティの表面は、少なくとも１つの横方向の溝及び少なくとも１つの軸方向の溝によって断ち切られてよい。

減衰体の外表面及び／又はキャビティの表面は、少なくとも１つの斜めの溝によって断ち切られてよい。

減衰体の外表面及び／又はキャビティの表面は、交差する斜めの溝によって断ち切られてよい。

減衰体の外表面及び／又はキャビティの表面は、少なくとも１つの凹所によって断ち切られてよい。

減衰体の外表面及び／又はキャビティの表面は、ねじ山の付いた表面によって断ち切られてよい。

減衰体の外表面及び／又はキャビティの表面は、粗い断続的な表面構造によって断ち切られてよい。

減衰体は、ほぼ円柱形であってよく、ほぼ縦方向のキャビティは、円柱形であってよい。

減衰体は、上述の各ジオメトリの任意の組合せを有してよい。

減衰流体は、キャビティ内に３０％〜９０％の液体、好ましくは約７５％の液体、及びその残りの気体を含んでよい。

減衰流体は、空気及び油を含んでよいが、他の媒体が使用されてもよい。この液体は、泡を促進する物質を含んでよく、前もって決められた所望の粘性を有してよい。空気以外の他の気体が使用されてもよい。

他の類似のシステム／発明に対しての本発明に関する特定の特色は、減衰液体と気体の間の関係に着目し、また構成要素（具体的には減衰体）の設計によってどのように、液体及び気体によって形成される減衰流体中に気体／空気ポケット（バブル）の伝播を引き起こし得るかに着目していることである。そのような空気ポケットの伝播は、減衰体と隣り合ったキャビティとの間減衰体と隣り合ったキャビティとの間に配置される減衰流体の膜に弾性を与えることになる。この弾性は、減衰流体膜中に生成されるものであり、気体が圧縮性であるため、減衰液体中の気体／空気ポケットを切離して、気体／減衰液体の混合によって形成される減衰流体に圧縮性を与え又は課すと初めて、減衰流体膜の圧縮性が、ほとんど圧縮できないものから変わることによるものである。

気体と減衰流体の混合物を有するシステム中の減衰体を通り抜ける軸方向の穴は、減衰液体が隣り合ったキャビティの表面（カートリッジの壁）の方へ引き寄せられると気体がこの穴に引き込まれることになる結果として、（遠心力による）回転を与えることになる。機械加工プロセスに基づく力が、減衰体が所定位置から引き出される（と共に減衰効果を与える）傾向を有するように工具に影響を及ぼすと、そこで空気／気体は、減衰体の両端（縦方向のボディの両端）から引き離され得、それによって減衰液体中での空気ポケットの形成を容易にし、その弾性、これにより「減衰膜」がもたらされることになる。

適正な効果で作動している間、減衰体全体にわたって減衰体と隣り合ったキャビティとの間の領域内に気体ポケットがある状態で、減衰液体が良好に拡散することになる。減衰体は、工具によってかけられる力によって影響を及ぼされるこのキャビティ内で脈動することになり、さらなる振動が引き起こされるのを防ぐように絶えず作動する。

減衰体の質量はできる限り大きくすべきであることに加えて、高い粘性及び良好な減衰効果を有する油を有することが目標である。これを組み合わせることは簡単でなく、本発明の利点は、減衰体の成形及び油及び空気の量の調整によって性能の改善が実現されるようにこれら要件を組み合わせることが可能であることである。

油の粘性を増大させると、減衰効果が改善するが、加えて減衰体が隣り合ったキャビティに吸引され、またくっつく可能性があり、その結果として、減衰体は、引き離され遊離して工具の減衰に貢献することにならない、又は減衰体を引き離して遊離させるために、また工具の減衰を引き起こすために不均衡な強い力が必要とされることになり得る。本発明は、油／減衰流体中で気体バブルの混合を促進することによってこの状況を改善する。このようにして、工具に対する小さい力でも良好な機能が維持され、減衰体が隣り合ったキャビティにくっつくことによる問題が防止される。

本発明は、気体を減衰流体に混合することの重要性に着目しており、このことは、他の発明における他の類似のシステムの目的ではなかった。油の量及び高い粘性は、このシステムにおいて最良の可能な減衰を実現するのに重要である。加えて、空気との混合が肝要である。本発明では、減衰体の中央にある穴が、システムが回転にかけられる前（すなわち、工具が使用される前）には、油のリザーバとして働くことができる。このリザーバは、作動下で（工具が使用されるとき）自動的に空になり、流体は、油を外に向かって引っ張る／放り飛ばす遠心力により、減衰体と隣り合ったキャビティとの間のキャビティ内で分配されることになる。これが起きると、減衰体の中央にあるキャビティは、油の代わりに気体（空気）で満たされることになり、このようにして、この気体は、減衰体の両端から容易にアクセス可能となり、減衰流体中で気体ポケットの伸張をより速くもたらすことができることになり、このことは、この機能にとって重要である。リザーバは、表面の最大限の部分を覆うと共に作動時に最良の可能な減衰機能を与えるために、十分な量の減衰流体が利用できることを、また同時に、バブルの形成を確実にするのに重要である気体の量を犠牲にしないことを確実にする。同時に、減衰体中の軸方向の穴としてのこのリザーバの設計は、気体を縦方向の減衰体の両側から引き離すことができるので、減衰流体中で気体を引き離すことを容易にする。

減衰体の縦方向及び横方向が示されている、本発明による減衰体を示す図である。 １つ又はいくつかの縦方向の穴を有する減衰体を示す図である。 １つ又はいくつかの貫通した及び横方向の穴を有する減衰体を示す図である。 １つ又はいくつかの貫通した横方向の穴及び１つ又はいくつかの貫通した縦方向の穴の組合せを有する減衰体を示す図である。 １つ又はいくつかの貫通した縦方向の穴及び１つ又はいくつかの横方向の穴の組合せを有する減衰体を示す図である。 １つ又はいくつかの貫通した横方向の穴及び１つ又はいくつかの縦方向の穴の組合せを有する減衰体を示す図である。 １つ又はいくつかの縦方向の溝を有する本発明による減衰体を示す図である。 １つ又はいくつかの横方向の溝を有する本発明による減衰体を示す図である。 １つ又はいくつかの縦方向の溝及び１つ又はいくつかの横方向の溝の組合せを有する本発明による減衰体を示す図である。 １つ又はいくつかの斜めの溝を有する本発明による減衰体の実施例を示す図である。 １つ又はいくつかの交差する斜めの溝の組合せを有する本発明による減衰体を示す図である。 表面に１つ又はいくつかの凹所を有する本発明による減衰体を示す図である。 ねじ切りした表面を有する本発明による減衰体を示す図である。 粗い表面構造を有する本発明による減衰体を示す図である。 減衰体を備える中ぐり棒を示す図である。

図１は、減衰体の軸方向すなわち縦方向、及び減衰体の横方向すなわち半径方向が示されている減衰体を示す。図１は、発明による減衰体のさらなる説明を容易にするように含まれている。

減衰体は、典型的には液体、例えば油を４分の３、及び気体、例えば空気を４分の１含むある割合の減衰流体で満たされている、キャビティ内に減衰体を含む減衰システム内で使用されることが意図されている。減衰液体は気体より重いので、重力は、減衰液体と気体を分けることになる。使用中、こうしたシステムはしばしば、典型的には１０００ｒｐｍ〜１００００ｒｐｍで工具が回転し、場合によっては、この工具はこれら制限をはるかに超えて回転するというように回転／動きにさらされることになる。これにより、減衰体、液体及び気体に力がかかる。減衰体は、一方の側に向かって動くことになり、減衰液体は、隣り合ったキャビティの壁の方へ引っ張られることになり、壁に沿って分配されることになる。気体は、液体より軽く、液体の外側に配置されることになる。減衰体が中央の軸方向の内腔を含む図２の場合は、液体は、工具が回転すると内腔又は穴から引き出されることになり、結果的に穴は、気体によって満たされることになる。次いで、機械加工時に工具が力にさらされると、これら力は、これら力が弱められない限り振動の増加をもたらし得る。減衰又は弱めることは、減衰体が、この力により所定位置から引き出され、その後キャビティ内を巡って脈動することで行われる。減衰液体は、質量に伴って、この連続的な位置の変化（パルシング）において慣性を与えることになり、これにより工具に加えられる衝撃力が減衰されることになる。

図２に示す実施例では、減衰体１の中央にある穴２は、システムが回転にかけられる前（工具が使用される前）は、液体用のリザーバとして働くことになる。このリザーバは作動時、液体を外に向かって引っ張る／放り出す遠心力により、工具が回転すると自動的に空になり、減衰体１と隣接したキャビティとの間のキャビティ内で分けられることになる。このことが生じるとき、減衰体１の中央にあるキャビティは、液体（油）の代わりに気体で満たされることになり、そこでこの気体は、減衰体の両端から利用可能であり、減衰液体中の気体ポケットの拡散をより速くもたらすことができる。これは、作動にとって重要である。リザーバ又は貫通した中ぐりの穴（ｔｈｒｏｕｇｈ−ｇｏｉｎｇ ｂｏｒｉｎｇ）２は、バブルの十分な形成を実現するのに必要である量の気体を犠牲にすることなしに、作動下で良好な減衰機能を与えるために可能な限り多くの表面を覆うのに十分な量の減衰流体が利用できることを確実にする。同時に、減衰体１内の軸方向の穴２としてのこのリザーバの設計は、気体が縦方向の減衰体１の両側から引き離され得るので、減衰流体中の気体の切離しを容易にする。

減衰体１中の貫通穴２の個数は、システムに所望の量の液体及び気体を与えるために、並びに減衰体の体積及び重さを調整するために変更できる。

２つ以上の軸方向の穴は、リザーバとして機能することもでき、これら穴の配置は、減衰体の不活発さ又は慣性、及び釣り合いに影響を及ぼし得る。さらに、穴の個数は、バブルのちぎれ及び所望のバブル形成に影響を及ぼすことになる。

図３によれば、貫通した半径方向の穴３を有する減衰体１が示されており、貫通した半径方向の穴３は、追加の油の体積を作り出すこともでき、減衰流体を共同で形成する気体及び流体中のバブル又は泡の形成に影響を及ぼすことになる。

図４は、貫通した半径方向の穴３及び軸方向の穴２の組合せを示す。穴２及び穴３の位置決めは通常、減衰体１が釣り合っているようなものになる。

しかし、減衰体は、図５に示すように、１つ又はいくつかの貫通した軸方向の穴２と１つ又はいくつかの半径方向の穴４の組合せを用いて設計することもできる。典型的には、半径方向の穴４は、穴が内部接続されるように軸方向の穴２と交わってよい。

図６は、貫通した半径方向の穴３と軸方向の穴５の組合せを示す。また、本実施例でも、これら穴が交わり、減衰体１の内部にチャネルを形成するように穴が示されている。

図７は、軸方向の溝６を有する減衰体のさらなる実施例を示す。ただし、軸方向の溝６の個数は、必要に応じて変更できる。幅、深さ及び設計は、ユニットが所望の特性を与えられるようになされてよい。

図９は、半径方向の溝７と軸方向の溝６の組合せを有する減衰体１を示す。

図１０は、斜めの溝８を有する減衰体を示す。

図１１は、１つ又はいくつかの交差する斜めの溝８の組合せを有する減衰体１を示す。

図１２は、表面に１つ又はいくつかの凹所９を有する減衰体１を示す。典型的には、表面における凹所９は、球形又は円柱形であり得ると共に、一定のパターンで配置され得る小さい窪みであってよい。窪み又は凹所９の大きさは、所望の体積に従って変更できると共に、減衰流体の特性に適合することができる。この窪みは、減衰体がキャビティの壁へ「吸引され、くっつく」のを防ぐのに有利なものであってもよい。

図１３は、ねじ切りした表面を有する減衰体１を示す。ねじ山の大きさ及び深さは、減衰体１の大きさ、減衰流体の粘性、減衰体が使用されることになる要求帯域幅、又は他の考慮されるべき事項に従って変更できる。

図１４は、要求される泡又はバブルの形成にやはり影響を及ぼすことができる粗い表面構造を有する減衰体１を示す。

図１５は、表面１４を有するキャビティ１５中に配置される軸方向に貫通した中ぐりの穴２を有する本発明による減衰体１を備える中ぐり棒１２を示す。中ぐり棒用の典型的な刃１３を備える中ぐり棒１２が、例示されている。

示した実施例は、前述のように、必要な泡若しくはバブルの形成を生じさせるのに使用され得る、又は減衰体がキャビティ上にくっつくのを防ぐために使用され得る穴及び表面の様々な変形例を示すために設けられている。ジオメトリは、述べたように、流体の体積、流体の分布、及びバブルの引き離し（ｔｅａｒ ｉｎ）にやはり影響を及ぼし得る。

もちろん、例えば表面に窪み９を有する図１２に示すような減衰体１などの様々な変形例が、組み合わされてもよく、様々な変形例は、図２に示すような１つ又はいくつかの軸方向の貫通穴２と組み合わされてよい。

さらに、図１５に示すような中ぐり棒１２内の内側表面１４は、例えば、図７〜図１４に示すような溝又は表面を考慮して設計されてよい。

同様により多くの減衰体が、これが適切であると考えられる場合は、工具の棒１２内の同じキャビティ１５内に配置されてよい。

望むなら、減衰体は、管状であってもよく、中ぐり棒に固定された減衰体は、減衰流体が作用する表面を増大するために、減衰体中の穴に通されてよい。

もちろん、そのような貫通した減衰体は、体積を増大させるために穴を備えてもよく、それによって中ぐりの穴の流体（ｂｏｒｉｎｇ ｆｌｕｉｄ）の許容される体積を増大させる。

減衰体１は典型的には、ほぼ円柱形であり、中ぐり棒１２内のキャビティ１５も典型的には、円柱形である。

しかし、泡の形成を促進する他の形状を有する減衰体が用いられてもよい。

例えば、減衰体は、楕円形断面を含んでよい。

Claims (14)

1. 端部表面（２１、２２）及びこれら端部表面の間にほぼ縦方向の表面（２０）を有する少なくとも１つのほぼ縦方向の減衰体（１）を備える振動を減衰させるダンパであって、前記減衰体（１）が、縦方向（ａ）及び横方向（ｔ）を含み、減衰流体と共に工具の棒の中のほぼ縦方向のキャビティ（１５）内に配置され、前記キャビティ（１５）が少なくとも１つのキャビティ表面（１４）を画定し、前記減衰体（１）が少なくとも１つの減衰体表面を画定するダンパにおいて、
   前記減衰体は、前記ダンパの作動時に所定位置から引き出されることができるように、そして、前記工具によってかけられる力によって影響を及ぼされる前記キャビティ内で脈動することができるように構成されており、
   前記減衰流体が、液体の部分と気体の部分とを含み、前記キャビティ表面（１４）又は前記減衰体表面の少なくとも１つが、作動中のときに前記減衰流体中に泡の形成を促すように欠失されていることを特徴とするダンパ。
2. 前記減衰体（１）の前記端部表面（２１、２２）が、少なくとも１つの軸方向の穴（２、５）によって欠失されている、請求項１に記載のダンパ。
3. 前記減衰体（１）の前記ほぼ縦方向の表面（２０）が、少なくとも１つの横方向の穴（３、４）によって欠失されている、請求項１または２に記載のダンパ。
4. 前記減衰体の前記ほぼ縦方向の表面（２０）が、少なくとも１つの横方向の穴（３）によって欠失され、前記減衰体の前記端部表面（２１）が、少なくとも１つの軸方向の穴（２、５）によって欠失されている、請求項１から３までのいずれか一項に記載のダンパ。
5. 前記穴の少なくとも１つが貫通している、請求項２から４までのいずれか一項に記載のダンパ。
6. 前記減衰体（１）の外側表面（２０、２１、２２）及び／又は前記キャビティの前記表面（１４）が、少なくとも１つの縦方向の溝（６）によって欠失されている、請求項１から５までのいずれか一項に記載のダンパ。
7. 前記減衰体（１）の外側表面（２０、２１、２２）及び／又は前記キャビティの前記表面（１４）が、少なくとも１つの横方向の溝（７）によって欠失されている、請求項１から６までのいずれか一項に記載のダンパ。
8. 前記減衰体（１）の外表面（２０、２１、２２）及び／又は前記キャビティの前記表面（１４）が、少なくとも１つの横方向の溝（７）及び少なくとも１つの縦方向の溝（６）によって欠失されている、請求項１から７までのいずれか一項に記載のダンパ。
9. 前記減衰体（１）の外側表面（２０、２１、２２）及び／又は前記キャビティの前記表面（１４）が、少なくとも１つの斜めの溝（８）よって欠失されている、請求項１から８までのいずれか一項に記載のダンパ。
10. 前記減衰体の外側表面（２０、２１、２２）及び／又は前記キャビティの前記表面（１４）が、ねじ山の付いた表面（１０）によって欠失されている、請求項１から９までのいずれか一項に記載のダンパ。
11. 前記減衰体（１）がほぼ円柱形であり、前記ほぼ縦方向のキャビティ（１５）が円柱形である、請求項１から１０までのいずれか一項に記載のダンパ。
12. 前記減衰流体が、前記キャビティ内に３０％〜９０％の液体、及びその残りの気体を含む、請求項１から１１までのいずれか一項に記載のダンパ。
13. 前記減衰流体が、前記キャビティ内に約７５％の液体、及びその残りの気体を含む、請求項１から１２までのいずれか一項に記載のダンパ。
14. 前記減衰流体が、空気及び油を含む、請求項１から１３までのいずれか一項に記載のダンパ。
    

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