JP5897383B2

JP5897383B2 - 結合構造体の静剛性を維持又は向上させつつ動剛性及び減衰能を向上させる方法

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Description

本発明は、工作機械などにおける結合構造体において、静剛性を維持又は向上させつつ動剛性及び減衰能を向上させる方法に関するものである。

食品、薬品、衣料品、建物など、多種多様の産業製品が、いわゆる産業機械と呼ばれる機械によって製造されている。近年、これらの産業製品に求められる加工精度は非常に高くなってきており、そのような要求を満たすためには、産業機械自体が高い加工精度を実現できるように構成されていることは勿論のこと、産業機械を構成する機械部品も高い加工精度で製造されていることが必要となる。

ここで、産業機械等の機械を構成する機械部品を製造する機械は、一般に工作機械と呼ばれる。工作機械は、加工素材を機械部品に加工する機械であり、機械を作る機械であるという意味からマザーマシンとも呼ばれている。上述のように、最終製品の加工精度を向上させるためには、その製品を製造するために用いられる産業機械の加工精度を向上させることは勿論、当該産業機械を構成する機械部品を製造するための工作機械の加工精度を向上させることが求められている。

日本工作機械工業会編：工作機械の設計学（基礎編）、日本工作機械工業会（１９９８）９０−９１

工作機械には、機能上、製作上、運搬上の必要性から、非常に多くの結合部（例えば、ボルトにより締結されたボルト結合部など）が存在している。従来、このような結合部の存在が、結合部によって結合された結合構造体の減衰能を向上させることが知られていた。結合構造体の減衰能を向上させることは、工作機械において発生する振動（例えば、主軸、軸受、歯車などの回転に伴う振動、加工に伴う各種振動、及びテーブルなどの直進運動に伴う振動等）を低下させるために有効であるため、工作機械の加工精度を向上させるのに役立つ。一方、結合部の存在によって一般に結合部の静剛性が低下することも知られており、このことは工作機械の加工精度の低下に繋がる。

このように、結合部の存在は、結合構造体の減衰能を向上させるため、工作機械の加工精度を向上させるのに寄与する一方、結合部の静剛性を低下させるため、工作機械の加工精度を低下させることにも繋がる。そのため、工作機械の加工精度を向上させるためには、結合部において静剛性を低下させないことと減衰能を向上させることとをバランスよく実現すること、言い換えると、結合部の静剛性を維持しつつ、動剛性を高めることが求められている（例えば、非特許文献１参照）。

本発明者らは、鋭意検討の末、結合部の静剛性を維持又は向上させつつ、動剛性及び減衰能を高めるための方法を見出すとともに、これを実験的に確かめることにより本発明に至った。

本発明の目的は、結合部の静剛性を維持又は向上させつつ、動剛性及び減衰能を高めるための方法を提供することである。

本発明に従えば、第１部材の第１当接面に第２部材の第２当接面を当接させてこれら第１部材および第２部材を結合した結合構造体において、第１部材および第２部材が結合部なしで一体に形成される場合と比較して、結合構造体の静剛性を維持又は向上させつつ動剛性及び減衰能を向上させる方法であって、
第１部材、第２部材、第１部材と第２部材との間に配置される弾性部材、及び第１部材と第２部材とを締結する締結部材を用意することと、
第１部材と第２部材との間に弾性部材を配置し、締結部材を締め付けない状態で弾性部材の締め代を調整することと、
弾性部材の締め代を閉じるよう弾性部材を弾性変形させ、第１当接面と第２当接面とが所定の結合面圧で互いに当接するように、締結部材を締め付けることとを備え、
弾性部材の締め代及び第１当接面と第２当接面の所定の結合面圧は、弾性部材を介在させない場合と比べて、結合部の等価剛性が同等以上となるように、且つ、等価粘性減衰係数が増加するように調整されていることを特徴とする方法が提供される。

この場合には、締め代及び結合面圧は、弾性部材を介在させない場合と比べて、結合部の等価剛性が同等以上になるように調整されているので、結合部分の静剛性を維持又は向上させることができる。さらに、締め代及び結合面圧は、弾性部材を介在させない場合と比べて、結合部の等価粘性減衰係数が増加するように調整されているので、結合部分の動剛性及び減衰特性を向上させることができる。ここで、締め代とは、弾性部材を介在させた状態で、第１部材と第２部材と締め付けないで配置したときのギャップに相当する。締結部材を締め付けていくとこの締め代の分だけ、弾性部材が弾性変形することになる。このときの弾性変形力は、結合面圧を下げるように寄与する。そのため、締め代を調整することにより、弾性変形力、すなわち、弾性部材が支持する荷重の大きさを調整でき、結合面圧を調整することができる。

本発明の方法において、前記第１部材の第１当接面には、前記弾性部材を配置する凹部が形成されてもよく、前記締め代の調整は、前記凹部の深さを調整することによってなされてもよい。この場合には、弾性部材を配置する凹部の深さを予め調整しておくことにより、所定のトルクで締結したときに、所望の結合面圧を得ることができるようになる。なお、「凹部の深さを調整する」ことには、凹部の開口部から底部までの長さを調整することだけではなく、凹部の底部に任意の形状の調整部材を挿入することにより、実質的に凹部の深さを調整することも含む。

本発明の方法において、前記弾性部材は、少なくとも１枚の皿ばねであってもよい。また、前記弾性部材は、表裏が同じ向きになるように積み重ねられた複数の皿ばねを有する皿ばね組を複数個含んでもよく、前記複数の皿ばね組は、表裏が逆向きになるように積み重ねられていてもよい。いずれの場合にも、皿ばねを用いることにより比較的容易に締め代を調整することができる。

本発明の方法において、前記締結部材はボルト又はクランプ機構であってもよい。前記弾性部材は、前記ボルト又はクランプ機構に隣接して配置されてもよく、リング状、棒状又は板状の形状を有してもよい。この場合には、締結部材の選択の自由度を上げることができる。さらに、弾性部材の形状の選択の自由度及び配置の自由度を上げることができる。

例えば、締結部材がボルトであって、弾性部材がリング状の形状を有している場合には、ボルトを挿通するための孔を形成する際に、少し大きめの径を有する開口を同時に形成することにより、容易にリング状の形状の弾性部材を挿入する開口部を形成することができる。

本発明に係る結合部の静剛性を維持又は向上させつつ、動剛性及び減衰能を高めるための方法を利用することにより、工作機械の静剛性を維持又は向上させつつ、工作機械に発生する振動を抑えることができるため、工作機械の加工精度を向上させることができる。

図１は、横中ぐりフライス盤１の概略構成図である。図２は、機械構造の結合部のモデルを表す説明図である。図３は、結合面圧と接触剛性との関係、及び、結合面圧と減衰との関係を示す図である。図４はボルト結合構造体２００の概略図である。図５（Ａ）は皿ばね１１４の概略図であり、図５（Ｂ）は皿ばね１１４を組み合わせた皿ばね組の概略図である。図６は締め代の大きさと皿ばね１１４が支持する荷重との関係を調べる実験のためのセットアップを示す図である。図７は、皿ばね１１４の支持する荷重と、皿ばね１１４の弾性変形量との関係を示すグラフである。図８は、本検証実験のためのセットアップを示す図である。図９は、締付力一定の条件での測定によって得られた等価剛性ｋ_ｅｑを各締め代ごとにプロットしたグラフである。図１０は、締付力一定の条件での測定によって得られた等価粘性減衰係数ｃ_ｅｑを各締め代ごとにプロットしたグラフである。図１１は、結合面圧一定の条件での測定によって得られた等価粘性減衰係数を各締め代ごとにプロットしたグラフである。図１２は、皿ばね１１４を挿入しない場合において、ボルト１１５の締付力を変化させた場合における等価粘性減衰係数の値をプロットしたグラフである。図１３は、本発明に係る静剛性を維持しつつ、減衰能（動剛性）を向上させる方法の手順を説明するフローチャートである。図１４は、本発明の別の例にかかる介在要素の配置図である。

本発明に係る、結合構造体の静剛性を維持又は向上させつつ動剛性及び減衰能を向上させる方法について説明する。本発明の方法に係る結合構造体は、例えば、図１に示される横中ぐりフライス盤１のような、工作機械に適用される。ここでは、先ず図１に示される横中ぐりフライス盤１の構造について簡単に説明し、その後、横中ぐりフライス盤１のボルト結合部などに適用される、本発明に係る結合構造体の静剛性を維持又は向上させつつ動剛性及び減衰能を向上させる方法について説明する。図１に示すように、横中ぐりフライス盤１は、加工対象物であるワークＷを載置するテーブル１０と、テーブル１０の下方に配置されてテーブル１０をＹ軸方向に移動可能に支持するサドル１３と、テーブル１０をサドル１３に対してＸ軸方向に移動させるテーブル駆動部１５と、サドル１３をＹ軸方向に移動可能に支持するベッド２０と、サドル１３をＹ軸方向に移動させるサドル駆動部１７と、ベッド２０のＹ方向一端部に配置されて、Ｚ方向に立設するコラム４０と、主軸５１及び主軸５１をその軸心（回転軸）の周りに回転させる主軸モータ５２を有する主軸頭５０と、主軸頭５０をコラム４０に沿ってＺ方向に移動させる主軸頭駆動部１９とを主に備える。主軸５１の先端には、例えばコレットチャック等のチャック部が取り付けられたツールホルダが装着され、ホルダのチャック部には、エンドミルなどの切削工具７０が固定される。

ここで、サドル駆動部１７は、Ｙ軸方向に延在し、サドル１３に挿入された第１の送りねじ１７ａと、第１の送りねじ１７ａの一端に結合されて第１の送りねじ１７ａを回転駆動する第１のモータ１７ｂとを有する。第１のモータ１７ｂを駆動して第１の送りねじ１７ａを回転させることにより、第１の送りねじ１７ａが挿入されたサドル１３をＹ軸方向に移動させることができる。同様に、テーブル駆動部１５は、Ｘ軸方向に延在し、テーブル１０に挿入された第２の送りねじ１５ａと、第２の送りねじ１５ａの一端に結合されて第２の送りねじ１５ａを回転駆動する不図示の第２のモータとを有する。第２のモータを駆動して第２の送りねじ１５ａを回転させることにより、第２の送りねじ１５ａが挿入されたテーブル１０をＸ軸方向に移動させることができる。さらに、主軸頭駆動部１９は、Ｚ軸方向に延在し、主軸頭５０に挿入された第３の送りねじ１９ａと、第３の送りねじ１９ａの一端に結合されて第３の送りねじ１９ａを回転駆動する不図示の第３のモータとを有する。第３のモータを駆動して第３の送りねじ１９ａを回転させることにより、第３の送りねじ１９ａが挿入された主軸頭５０をＺ軸方向に移動させることができる。

横中ぐりフライス盤１には、テーブル駆動部１５、サドル駆動部１７及び主軸頭駆動部１９が設けられており、主軸頭５０の主軸５１の先端に取り付けられた切削工具を回転させつつ、テーブル１０の上面１０ａに固定されたワークＷに対して、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向に独立に移動させることができる。このようにして、横中ぐりフライス盤１は、回転する切削工具をワークＷの所望の位置に当接させて、ワークＷの切削加工を行うことができる。

ワークＷの切削加工を行う際に、横中ぐりフライス盤１に振動が発生すると、これに起因してワークＷの加工精度が低下してしまう。ここで、一般に、横中ぐりフライス盤１等の工作機械においては、加工に起因する力、機械に起因する力、及び機械以外の要因による力によって振動が発生することが考えられる。加工に起因する力としては、例えば、フライス加工における断続切削の際、及び、非対称形状のワークを旋削する際に生じる強制振動外力や、自励振動が挙げられる。また、機械に起因する力としては、主軸などの回転要素に起因するアンバランス、歯車の噛み合い振動、軸受の転がり振動、テーブルなどの反転衝撃力などが挙げられる。そして、機械以外の要因による力としては、工具、ワークの取付精度不良によるアンバランス振動、床からの伝達振動等が挙げられる。

工作機械などの機械構造における結合部は、図２に示すように、減衰係数Ｃを有するダンパ要素と、ばね定数ｋを有するばね要素との組み合わせによってモデル化することができる。ここで、ばね定数ｋは接触剛性を特徴付けるパラメータであり、減衰係数Ｃはダンピング特性を特徴付けるパラメータである。各結合部がダンパ要素により特徴付けられることから、ボルトにより締結されたボルト結合部等の結合部の数が多くなると、ダンピング特性が向上することがわかる。ダンピング特性が向上すると、工作機械において発生した振動を効果的に減衰させることができるため、工作機械の加工精度を向上させることができる。そのため、結合部の数を増やすことは、工作機械の減衰能を向上させて、加工精度を向上させるという観点からは好ましいと言える。しかしながら、結合部が存在すると、結合部なしで一体に形成されている場合に比べて、必然的に静剛性が低下してしまう。このことは逆に、工作機械の加工精度を低下させる要因となる。

なお、横中ぐりフライス盤１等の工作機械において、機能上、製作上、運搬上の理由から、複数の結合部を設けることは必須である。つまり、結合部の数をゼロにすることは事実上不可能であるため、複数の結合部が存在することを前提として、各結合部において、静剛性を維持しつつ減衰能を向上させるための新しい設計手法が望まれてきた。

そこで、本発明者らは鋭意検討を重ね、従来望まれてきた「結合部において、静剛性を維持しつつ減衰能を向上させるための新しい設計手法」からさらに進んで、「結合部において、静剛性を維持又は向上させつつ動剛性及び減衰能を向上させるための新しい設計手法」を見出し、これを実験的に確かめることにより本発明に至った。以下、本発明者らが見出した、結合構造体の静剛性を維持又は向上させつつ動剛性及び減衰能を向上させるための新たな方法について説明する。

図３に、結合面圧と接触剛性との関係、及び、結合面圧と減衰との関係を示す。図３の横軸は接触剛性の大きさを表し、左側縦軸、右側縦軸はそれぞれ接触剛性、減衰の大きさを示す。図３に示されるように、接触剛性はある程度の結合面圧以上の範囲でほぼ一定となる。これに対して、減衰はある結合面圧においてピークとなる。このことは、減衰がピークとなる結合面圧（以下、第１結合面圧と呼ぶ）付近の結合面圧において、結合面に微小滑りが発生しやすくなり、これにより減衰能が向上するからであると理解される。ここで本発明者らは、接触剛性が維持できる範囲において、減衰が大きくなるように結合面圧の大きさを調整することができれば、接触剛性を維持しつつ、減衰能を高めることができるのではないかと考えた。なお、接触剛性を維持することができれば、結合構造体の静剛性の低下を抑えることができるため、結合構造体の静剛性を維持しつつ動剛性及び減衰能を向上させることができるのではないかと考えた。そこで、本発明者らは、これを検証するために以下のような検証実験を行った。

図４に示すように、円柱形状の基部１１０と、基部１１０の中心軸方向両端にそれぞれ配置された、２つの円柱形状の接続部１１１とを有し、基部１１０及び接続部１１１が２本のボルト１１５により締結された、円柱状のボルト結合構造体２００を用意した。基部１１０の中心軸方向両端の、接続部１１１に当接する当接面１１０ａには、それぞれねじ孔１１０ｂが形成されている。また、各接続部１１１には、中心軸方向に貫通する貫通孔１１２が形成され、基部１１０に当接する当接面１１１ａには、各接続部１１１の貫通孔１１２の径を部分的に大きくするように開口された円形の開口部１１３が形成されている。開口部１１３には、１２枚の皿ばね１１４からなる介在要素が挿入されている。２つの接続部１１１と基部１１０とは、接続部１１１の貫通孔１１２及び皿ばね１１４に挿通された２本のボルト１１５により締結される。

なお、皿ばねとは、円盤の中心に穴をあけたリングを円錐状に成形した、皿状のばねである。本検証実験に用いられた皿ばね１１４は、板圧１．５ｍｍ、外径２５ｍｍのリング状の板材である。皿ばね１１４の中央部分には、直径１２．２ｍｍの貫通孔があけられており、その貫通孔にボルト１１５が挿通される。上述のように、皿ばね１１４は平らな板材ではなく、図５（Ａ）に示されるように外周側に比べて内周側が０．５５ｍｍ高くなるように、円錐状に成形されている。そのため、皿ばね１１４を平らな面においたときの高さは２．０５ｍｍとなる。このときの高さを有効高さと呼ぶ。以下の説明においては、便宜的に、皿ばね１１４の内周側が高くなるように置いたときに上を向く面を表面１１４ａとし、下を向く面を裏面１１４ｂとする。

本検証実験では、図５（Ｂ）に示されるように、３枚の皿ばね１１４を一組にして、これらの表面１１４ａと裏面１１４ｂとが重なるように、互いに平行に重ね合わせている。そして、このようにして構成された４組の皿ばねの組を、表面１１４ａ同士、裏面１１４ａ同士が重なるように、互いに逆向きに重ね合わせている。このようにして積み重ねられた１２枚の皿ばね１１４の組の有効高さは、２０．２ｍｍとなる。

開口部１１３の深さは、基部１１０と接続部１１１との間に介在している１２枚の皿ばね１１４の組の有効高さよりも浅くなるように形成されている。つまり、ボルト１１５を締め付けない場合には、図４に示すように、基部１１０と接続部１１１との間に隙間Ｇが形成されるように、開口部１１３の深さが調整されている。ここで、ボルト１１５を締め付けていくと、隙間Ｇがなくなるまで１２枚の皿ばね１１４が弾性変形する。隙間Ｇが存在している間は、基部１１０の当接面１１０ａと接続部１１１の当接面１１１ａとは接触していないので、その間の結合面圧はゼロである。隙間Ｇがなくなって基部１１０の当接面１１０ａと接続部１１１の当接面１１１ａとが当接すると、ボルト１１５によって加えられる締付力により、当接面１１０ａ，１１１ａの間の結合面圧が増加する。なお、以下の説明において、ボルト１１５を締め付けないときの、基部１１０と接続部１１１との間の隙間Ｇを締め代とも呼ぶ。

ここで、所定のトルクでボルト１１５を締め付ける場合を考える。基部１１０と接続部１１１との間に、皿ばね１１４の組が介在していない場合には、ボルト１１５の締付力は、そのまま当接面１１０ａ，１１１ａの間の結合面圧の増加に寄与することになる。しかしながら、基部１１０と接続部１１１との間に、皿ばね１１４の組が介在している場合には、ボルト１１５の締付力の一部は、皿ばね１１４の組を弾性変形させるために費やされ、ボルト１１５の締付力の全てが当接面１１０ａ，１１１ａの間の結合面圧の増加に寄与するわけではない。言い換えると、圧縮されるように弾性変形した皿ばね１１４の組は、基部１１０と接続部１１１とを、互いに遠ざける方向に押圧しているため、ボルト１１５の締付力を弱める方向に働く。つまり、当接面１１０ａ，１１１ａの間の結合面圧は、皿ばね１１４の組が支持している荷重の分だけ、皿ばね１１４の組が介在しない場合と比べて低下することになる。

上述のように、締め代の大きさは、基部１１０と接続部１１１とが当接したときの皿ばね１１４の弾性変形量（以下、単に皿ばね１１４の弾性変形量と呼ぶ）に等しい。そのため、開口部１１３の深さを調整することにより、皿ばね１１４の弾性変形量を調整することができる。つまり、開口部１１３を深くすれば締め代の大きさを小さくすることができ、皿ばね１１４の弾性変形量を小さくすることができる。このときには、弾性変形した皿ばね１１４が、基部１１０と接続部１１１とを、互いに遠ざける方向に押圧する力が小さくなるため、所定のトルクでボルト１１５を締め付けた際の、当接面１１０ａ，１１１ａの間の結合面圧を大きくすることができる。逆に、開口部１１３の深さを浅くすれば、皿ばね１１４の弾性変形量を大きくすることができる。このときには、弾性変形した皿ばね１１４が、基部１１０と接続部１１１とを、互いに遠ざける方向に押圧する力が大きくなるため、所定のトルクでボルト１１５を締め付けた際の、当接面１１０ａ，１１１ａの間の結合面圧を小さくすることができる。このようにして、開口部１１３の深さを調整することにより、所定のトルクでボルト１１５を締め付けた際の、当接面１１０ａ，１１１ａの間の結合面圧の大きさを調整することができる。なお、本明細書において、「開口部１１３の深さを調整する」という記載は、開口部１１３の開口から穴底までの長さを調整することに限られず、開口部１１３に深さ調整用の調整部材（不図示）を挿入することも含むものとする。調整部材の形状は特に限定されず、必要に応じて任意の形状の部材を用いることができる。例えば、中央にボルト１１５を挿通可能な貫通孔が形成されたリング状の板材（ワッシャー等）を開口部１１３の穴底に配置してもよい。このように、調整部材を開口部の穴底に配置することにより、開口部１１３の開口から穴底までの長さを調整することと同様の効果を得ることができる。

ここで、発明者らは、本検証実験に先がけて、締め代の大きさ（すなわち皿ばね１１４の弾性変形量）と皿ばね１１４が支持する荷重との関係を調べるため図６に示すように、接続部１１１とボルト１１５との間に圧電式ロードセル１３０を挿入し、ボルト１１５が圧電式ロードセル１３０に与える荷重の大きさと、締め代の大きさとの関係を測定した。なお、締め代の大きさは、ボルト１１５を締め付けたときの接続部１１１の変位量を、電気マイクロメータ１３１により測定することにより求めた。具体的には、種々の深さの開口部１１３を有する接続部１１１を用意し、各接続部１１１について、所定のトルクでボルト１１５を締め付けた際の、接続部１１１の変位量と、そのときの圧電式ロードセル１３０に加えられる荷重の大きさを測定した。ここで、皿ばね１１４を介在させない場合において圧電式ロードセル１３０に加えられる荷重の大きさとの差が、皿ばね１１４が支持する荷重に相当する。図７に示されるように、皿ばね１１４の支持する荷重と、皿ばね１１４の弾性変形量とは、線形な関係があることがわかった。

次に、本発明者らが行った検証実験について説明する。図８に示すように、基部１１０と接続部１１１とを、皿ばね１１４の組を介在させた状態でボルト１１５で締め付けて、円柱状のボルト結合構造体２００を形成した。ボルト結合構造体２００に、ＦＦＴアナライザ２１０に接続された加速度ピックアップ２１１を取り付けて、ボルト結合構造体２００をインパルスハンマ２１２で叩いて加振した。そのときのインパルス加振力と、加速度応答とをＦＦＴアナライザ２１０に取り込み、伝達関数を求めた。

本検証実験においては、振動振幅が最も大きい１次モードに着目し、以下のようにしてモーダルパラメータを算出した。まず、伝達関数のコ・クアド線図より、固有振動数ｆ_ｎ（＝ω_ｎ／２π）を算出した。そして、減衰波形から、バンドパスフィルタリングによって１次モード成分のみの減衰波形を抽出し、過渡応答法を用いて減衰比ζを算出した。さらに、実験より得られたボード線図よりコンプライアンスを求め、固有振動数ｆ_ｎと減衰比ζを用いて最小二乗法によりピークの誤差を補正し、その逆数をとって動剛性Ｋ_ｄを算出した。

ここで、１自由度モデルにおいては、固有角周波数ω_ｎ、減衰比ζ、動剛性Ｋ_ｄは、物理パラメータである等価質量ｍ_ｅｑ、等価粘性減衰係数ｃ_ｅｑ、等価剛性ｋ_ｅｑを用いて、それぞれ、以下の数式１〜３のように表わすことができる。

これらの関係式を用いることによって、測定によって得られた３つのモーダルパラメータから、物理パラメータである等価質量ｍ_ｅｑ、等価粘性減衰係数ｃ_ｅｑ、等価剛性ｋ_ｅｑを同定した。

先ず、ボルト１１５の締付力が９ｋＮとなるように調整し、締め代がゼロの場合（つまり、皿ばね１１４を介在させない場合）、及び、締め代が６０．９μｍ、２５５．７μｍ、４３５．５μｍである場合について、それぞれ、上述のような測定を行った。図９は、得られた等価剛性ｋ_ｅｑを各締め代ごとにプロットしたグラフであり、図１０は、得られた等価粘性減衰係数ｃ_ｅｑを各締め代ごとにプロットしたグラフである。

図９から、いずれの締め代においても等価剛性にあまり変化がないことがわかる。このことから、皿ばね１１４を組み込んだことは、ボルト結合構造体２００の静剛性に対してあまり影響を与えていないことが分かる。図１０から、皿ばね１１４の締め代を大きくする、すなわち、皿ばね１１４が支持する荷重を大きくすることによって、当接面１１０ａ，１１１ａの間の結合面圧を小さくしていくことで減衰性が増大していることがわかる。このことから，皿ばね１１４を介在させることによって当接面１１０ａ，１１１ａの間の結合面圧が適切に調整され、減衰能が向上していることが分かる。

次に、当接面１１０ａ，１１１ａの間の結合面圧が６．２ＭＰａとなるように調整した状態で、同様の測定を行った。なお、本測定における結合面圧（６．２ＭＰａ）は、皿ばね１１４を介在させていない場合においてボルト１１５の締付力を９ｋＮに設定したときの、当接面１１０ａ，１１１ａの間の結合面圧とほぼ同じである。図１１は、得られた等価粘性減衰係数を各締め代ごとにプロットしたグラフである。図１１より，皿ばね１１４を挿入していない場合よりも，挿入している場合のほうが減衰性が高いことがわかる。本測定においては、結合面圧が一定になるように調整されている。にもかかわらず、皿ばね１１４を挿入した場合と挿入していない場合との間にこのような差が生じるのは、皿ばね１１４を挿入したことに起因して減衰性が高まったからであると考えられる。また、図１１から、締め代が異なるとその減衰性が異なることがわかる。本測定においては、皿ばね１１４の締め代が２５５．７μｍの時に最も減衰性が高くなり、締め代が４３５．５μｍの場合には減衰性が低下していることが分かった。これは皿ばね１１４に加える荷重が大きすぎると皿ばね１１４の減衰性が発揮されにくくなることを示していると考えられる。

表１は、ボルト１１５の締付力が一定となるように当接面１１０ａ，１１１ａの間の結合面圧を調整した場合における減衰の効果と、結合面圧が一定になるように調整した場合における減衰の効果の比較のためのものである。表１における「減衰係数」の値は、皿ばね１１４を挿入している場合に得られた等価粘性減衰係数の値から、皿ばね１１４を挿入していない場合に得られた等価粘性減衰係数の値を差し引いたものである。ここで、前述のように、結合面圧が一定になるように調整した場合には、皿ばね１１４を挿入していない場合からの増加分は、皿ばね１１４を挿入したことによる減衰性の向上によるものであると考えられる。これに対して、ボルト１１５の締付力が一定となるように調整した場合には、皿ばね１１４を挿入していない場合からの増加分は、皿ばね１１４を挿入したことによる効果と、結合面圧が減少したことによる効果の両方が含まれていると考えられる。

ここで、表１の「皿ばねの変形」の列には、各締め代における、皿ばね１１４の弾性変形力が示されている。つまり、皿ばね１１４が弾性変形した分だけ、ボルト１１５の締付力は弱められていることになる。ここで、図１２は、皿ばね１１４を挿入しない場合において、ボルト１１５の締付力を変化させた場合における等価粘性減衰係数の値をプロットしたグラフである。図１２から、締付力を弱めると、すなわち、結合面圧を下げると、それに伴って、等価粘性減衰係数が増加することが分かる。

前述のように、ボルト１１５の締付力が一定となるように調整した場合には、皿ばね１１４を挿入したことによる効果と、結合面圧が減少したことによる効果の両方が含まれていると考えられる。これに対して、結合面圧が一定になるように調整した場合には、皿ばね１１４を挿入したことによる効果のみが含まれていると考えられる。このことから、ボルト１１５の締付力が一定となるように調整した場合における減衰効果のうち、皿ばね１１４に起因する減衰効果が占める割合を算出した（表１の「皿ばねに起因する減衰の割合」参照）。これによれば、締め代が６０．９μｍである場合には、締め代が小さいため皿ばねの減衰効果が顕著に現れず、皿ばねに起因する減衰効果の割合は低い。これに対して、締め代が２５５．７μｍである場合には、皿ばねに起因するの減衰効果が高い上に、この時に結合面に加わる荷重は、７．７５ｋＮであり、図１２によれば、結合面の減衰があまり変化しないことがわかる。そのため、皿ばねに起因する減衰効果の割合が大きくなっている。また、締め代が４３５．５μｍである場合には、結合面に加わる荷重が６．７５ｋＮになり、図１２によれば、結合面の減衰が大きく増大する。そのため、皿ばねに起因する減衰効果が占める割合は、締め代が２５５．７μｍである場合と比べて減少している。

このように結合面の静剛性が維持できる範囲で皿ばねを適用し、皿ばねが支持する荷重を、皿ばねに起因する減衰が最も大きくなるように調整することにより、静剛性を維持しつつ、減衰能及び動剛性を向上させることが可能であることがわかった。さらに、発明者らの知見によれば、皿ばね等の介在要素に減衰性と剛性が高いものを利用することにより、結合部の静剛性を高めることができると考えられる。つまり、本発明の方法によれば、静剛性を維持しつつ、減衰能及び動剛性を向上させることが可能であるであるだけでなく、静剛性を高めつつ、減衰能及び動剛性を向上させることが可能となる。

以上をまとめると、図１３のフローチャートのように、皿ばね等の介在要素が減衰を十分に発揮できるように締め代を調整し（Ｓ１０１）、結合面に皿ばね等の介在要素を配置し（Ｓ１０２）、所定の結合面圧になるようにボルトを締め付ける（Ｓ１０３）ことにより、結合部の静剛性を維持しつつ又は静剛性を高めつつ、減衰能及び動剛性を向上させることができる。具体的には、皿ばねを配置していない場合に比べて、前述の等価剛性が同等以上となるように、且つ、等価粘性減衰係数が増加するように締め代、及び結合面圧を調整することができる。この方法を、横中ぐりフライス盤１等の工作機械に適用することにより、工作機械の静剛性を維持又は向上させつつ、工作機械に発生する振動を抑えることができる。そのため、工作機械の加工精度を向上させることができる。

なお、上述の説明においては、介在要素として、１２枚の皿ばねを組み合わせたものを用いていたが、本発明はこれには限られない。必要に応じて、所望の枚数の皿ばねを組み合わせてもよい。また、皿ばねの枚数を一定にしたまま、開口部の深さを調節することにより、結合面圧の大きさを調整していたが、本発明はこれには限られない。例えば、開口部の深さを調節することに代えて、あるいは、開口部の深さを調節することに加えて、皿ばねの枚数、材質、大きさ、厚さ、形状などを調整することにより結合面圧の大きさを調整してもよい。また、上述の説明において、開口部は、接続部に設けられていたが、これに加えて又はこれに代えて、基部に開口部が設けられていてもよい。なお、締め代を調整する際には、所定のトルクでボルトを締めるだけで、適切な結合面圧が得られるように、開口部の深さ、皿ばねの枚数等が調整されていることが望ましい。

なお、介在要素としては、皿ばねには限られず、例えば、硬質ゴム、金属リングなど、他の弾性変形体を用いることができる。また、介在要素として、液状の物質を用いることもできる。また、上述の検証実験においては、ボルトを取り囲むように皿ばねのような介在要素が挿入されていたが、本発明はこれには限られず、必要に応じて結合面の任意の箇所に介在要素を配置することができる。例えば、図１４に示すように、ボルト３１５の列に平行に棒状の硬質ゴム製の介在要素３１４を配置してもよい。また、介在要素の形状は、リング状、棒状の形状に限られず、任意の形状のものを利用することができる。例えば、図１４に示される棒状の介在要素３１４に代えて、板状の介在要素を用いてもよい。

上述の説明においては、機械構造における結合部の一例として、ボルトにより締結されたボルト結合部を例に挙げて説明してきたが、本発明はこれには限られず、任意の結合機構に適用することができる。例えば、ボルトに代えて、あるいはボルトに加えて、任意のクランプ機構を用いることができる。なお、ボルトに代えてクランプ機構を用いる場合にも、上述の説明のような、皿ばね１１４、介在要素３１４等の介在要素を同様に用いることができる。

上述の説明においては、本発明に係る静剛性を維持又は向上させつつ減衰能及び動剛性を向上させる方法を、横中ぐりフライス盤１のような工作機械に適用することを例に挙げて説明してきたが、本発明はこれには限られず、任意の機械の結合部分に適用することが可能である。

最後に、従来、単に減衰能を向上させることを目的として、ゴムなどの弾性材料を結合面全体を覆うように挟み込むことが行われてきた。この場合には、減衰能を向上させることはできるが、結合面の結合面圧を著しく低下させることになり、静剛性を維持することはできなかった。また、気密性を保つことなどを目的として、結合面にいわゆるＯ−リング等のシール部材を挟み込むことがあった。この場合には、あくまで結合面における気密性の確保が目的であるため、本発明のように減衰能が向上するように結合面に加えられる結合面圧を下げるという意図は全くなく、むしろ、結合面圧をできるだけ上げるように調整されていた。いずれの場合も、結合面に弾性部材を挟むという点は、本発明に係る静剛性を維持又は向上させつつ、減衰能及び動剛性を向上させる方法と一致する。しかしながら、いずれの場合にも、本発明のように、減衰能が向上するように結合面に加えられる結合面圧を下げるという意図が全くないことに注目すべきである。

本発明に係る静剛性を維持又は向上させつつ減衰能及び動剛性を向上させる方法を工作機械に適用することにより、加工精度が向上し、誤差の小さい機械部品を製造することができ、精密機械などの製造に供することができる。

１横中ぐりフライス盤
１１０基部
１１１接続部
１１４皿ばね
１３０圧電式ロードセル
１３１電気マイクロメータ

Claims

第１部材の第１当接面に第２部材の第２当接面を当接させてこれら第１部材および第２部材を結合した結合構造体において、前記第１部材および前記第２部材が結合部なしで一体に形成される場合と比較して、前記結合構造体の静剛性を維持又は向上させつつ動剛性及び減衰能を向上させる方法であって、
前記第１部材、前記第２部材、前記第１部材と前記第２部材との間に配置される弾性部材、及び前記第１部材と前記第２部材とを締結する締結部材を用意することと、
前記第１部材と前記第２部材との間に前記弾性部材を配置し、前記締結部材を締め付けない状態で前記弾性部材の締め代を調整することと、
前記締め代を閉じるよう前記弾性部材を弾性変形させ、前記第１当接面と前記第２当接面とが所定の結合面圧で互いに当接するように、前記締結部材を締め付けることとを備え、
前記締め代及び前記所定の結合面圧は、前記弾性部材を介在させない場合と比べて、結合部の等価剛性が同等以上となるように、且つ、等価粘性減衰係数が増加するように調整されていることを特徴とする方法。
前記第１部材の第１当接面には、前記弾性部材を配置する凹部が形成され、
前記締め代の調整は、前記凹部の深さを調整することによってなされることを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記弾性部材は、少なくとも１枚の皿ばねであることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
前記弾性部材は、表裏が同じ向きになるように積み重ねられた複数の皿ばねを有する皿ばね組を複数個含み、前記複数個の皿ばね組は、表裏が逆向きになるように積み重ねられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
前記締結部材はボルト又はクランプ機構であり、
前記弾性部材は、前記ボルト又はクランプ機構に隣接して配置され、リング状、棒状又は板状の形状を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。