JP6324233B2 - 回転体の防振構造 - Google Patents

Description

本発明は、回転加工時の振動を防止する回転体の防振構造に関する。

従来、金属等のワークを切削加工する装置として、切削用の刃部を先端側に固定した工具ホルダの端部側を保持し、当該工具ホルダを回転させる構造のものがある。このような装置にあっては、先端側の刃部がワークに当接する際に工具ホルダが曲り変形し、工具ホルダに振動が生じて加工精度が低下するという問題がある。このような振動は、工具ホルダの長さや外形寸法、あるいは、工具ホルダを構成する材料特性等に応じて発生の様子が異なる。

そのため、例えば特許文献１には、幅広い振動周波数に対して大きな減衰比を持たせるべく、中ぐり作業に用いる中ぐり棒を、相互に同心状をなす複数層の円筒材を用いて構成した例が示されている。当該中ぐり棒でワークを切削すると、切削力は、相互に嵌合した円筒材を次々に伝達して主軸に達する。この際、隣接した円筒材相互には僅かの変位が生じ、多層構造の部材どうしに摩擦が生じて急速にエネルギが消散するとの機序が示されている。

また、特許文献２には、中ぐりバーを構成するのに、中ぐりバーの先端部と基端部とをクランプボルトで接続した中ぐりバーヘッドと、これら先端部と基端部との間の位置に、前記クランクボルトに外挿する状態で重層配置した複数個の薄肉中空バーを備えた例が示されている。これら薄肉中空バーの外周には外筒を設け、この外筒に取り付けたねじ等によって前記薄肉中空バーの中央部を締め付けるように構成してある。この締め付けにより、多層に配置した複数個の薄肉中空バーが互いに接触し、摩擦を生じさせて振動を吸収するというものである。

実開昭６２−３２７０２号公報 実開平３−３６７０１号公報

上記特許文献１に記載の工具にあっては、多層構造の円筒材は何れも軸の長手方向に沿った長さが同じであり、また、内外方向に配置される円筒材どうしは複数個所において互いに接合されている。よって、円筒材どうしの相対移動は大幅に規制を受けることとなる。このため、切削加工に際して中ぐり棒に振動が生じた際には、中ぐり棒に生じる曲り変形が多層構造によって一体化された各円筒材によって軽減され、その際に、円筒材どうしに生じる僅かな摩擦によって振動が吸収されるに過ぎない。

また、特許文献２では、ねじ等によって複数個の薄肉中空バーを締め付ける強さを変えることで振動吸収機能が変化すると想定されるところ、強く締めた場合には、夫々の薄肉中空バーどうしがより一体化して各部材間の摩擦が生じ難くなる。よって、振動吸収特性が低下する。一方、締め付け力が弱い場合には、薄肉中空バーどうしの摩擦は生じ易くなるが、その一方で夫々の薄肉中空バーが曲り変形し易くなり、結果として切削部の振動が吸収できないこととなる。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、切削加工時に生じる回転体の回転振動をより有効に軽減できる防振構造を提供することを目的とする。

本発明に係る回転体の防振構造の特徴構成は、回転体の本体の内部に、前記回転体の回転軸芯の長手方向に複数配置した軸部材と、前記軸部材に外挿し、前記回転軸芯と同軸に前記回転軸芯の長手方向に複数配置する少なくとも一層の筒部材と、を備え、前記本体と前記軸部材と前記筒部材とは互いに嵌合され、前記長手方向に隣接する前記軸部材どうしの境界位置と、前記長手方向に隣接する前記筒部材どうしの境界位置とが、前記長手方向に沿って異なる位置となるように構成した点にある。

本構成の如く、軸部材どうしの境界位置と筒部材どうしの境界位置とを異ならせることで、回転振動によって軸部材どうし或いは筒部材どうしが互いに径方向に相対移動しようとするのを、軸部材どうしの境界位置に対向する筒部材、あるいは、筒部材どうしの境界位置に対向する軸部材によって抑制することができる。
例えば、長手方向に隣接する軸部材どうしの間で相対移動が生じようとする場合に、まず何れか一方の軸部材がその外側に位置する筒部材を押圧する。ただし、この押圧された筒部材は、もう一方の軸部材によって移動を阻止される。よって、隣接する軸部材どうしの相対移動は結果的に抑えられることとなる。この際、軸部材と筒部材との相対位置が僅かに変化し、両部材間には摩擦が生じる。この摩擦により、回転体の振動が有効に吸収される。

本発明の他の特徴構成は、前記筒部材の総数が前記軸部材の総数よりも少なく設定されている点にある。

本構成のように、筒部材の総数を軸部材の総数よりも少なくすることで、筒部材のうち少なくとも一つの長さを、軸部材のうち何れか一つの長さよりも長く設定し易くなる。物体には回転系の慣性モーメントが存在するが、その大きさは、物体の質量と回転半径の２乗に比例して大きくなる。よって、本構成の如く、回転半径の大きな外側に位置する筒部材の長さをより長くすることで、筒部材の質量を増大させ、慣性モーメントを大きくして回転の安定性を向上させることができる。これに対して内側に設ける軸部材の回転半径は小さく、長手方向の長さも短い。よって、慣性モーメントは小さく抑えられる。このように、軸部材の慣性モーメントと筒部材の慣性モーメントとに差を設けることで、回転体に振動が発生した場合に、軸部材と筒部材との間の相対移動を積極的に生じさせ、両部材間に生じる摩擦を高めて回転体の振動をより有効に吸収することができる。

防振構造を備えた工具ホルダの縦断面図である。 図１のII−II線断面図である。 図１のIII−III線断面図である。 第２実施形態の防振構造を示す縦断面図である。 第３実施形態の防振構造を示す縦断面図である。 第４実施形態の防振構造を示す縦断面図である。 第５実施形態の防振構造を示す縦断面図である。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
〔第１実施形態〕
図１〜図３に、本発明による防振構造を備えた工具ホルダ１（回転体の一例）を示す。
この工具ホルダ１は中ぐり加工用のものであり、工具を装着する円筒形長尺状の本体２と、工作機械の主軸（図示せず）に把持されるテーパ状のシャンク部３とを有する。

本体２の内部には円筒状の中空部７を有する。この中空部７は、本体２の先端側に大きく開口する軸孔８により形成してある。軸孔８には、中心側より、クーラントパイプ１１、軸部材２０、筒部材２２が同軸芯状に配置される。

クーラントパイプ１１の外周側には、円筒状の軸部材２０を回転軸芯Ｘの長手方向に沿って複数配置してある。図１には三つの軸部材２０を配置した例を示している。軸部材２０のさらに外側には、回転軸芯Ｘと同軸芯状に複数の筒部材２２を外挿してある。図１では二つの筒部材２２を示している。

クーラントパイプ１１及び軸部材２０、筒部材２２を軸孔８に挿入したのち、これらは栓部材９で固定する。栓部材９の外周面には雄ネジ部を形成してあり、この栓部材９を軸孔８の内周面に形成した雌ネジ部に螺合させる。軸孔８の底部と栓部材９とにより、クーラントパイプ１１及び軸部材２０、筒部材２２が回転軸芯Ｘに沿って圧着固定される。

軸部材２０は、図１に示すように、長手方向に沿って均等な長さの三つの部材２０Ａ〜２０Ｃを配置してある。一方、筒部材２２は均等長さの二つの部材２２Ａ，２２Ｂを配置してある。軸孔８における軸部材２０の設置領域及び筒部材２２の設置領域は同じ長さであるから、筒部材２２の長さは軸部材２０の長さよりも長くなる。夫々の総数は、必然的に筒部材２２の方が少なくなる。

本構成により、互いに隣接する軸部材２０どうしの境界位置２１と、筒部材２２どうしの境界位置２３とは、長手方向に沿って異なる位置となる。軸部材２０及び筒部材２２は、例えば金属材料など、適宜の減衰特性を有する材料で構成する。軸部材２０及び筒部材２２は同種の材料でも良いし、異種材料であってもよい。

図１に示す如く、軸部材２０および筒部材２２が隣接する軸部材２０や筒部材２２に当接する箇所において、或いは、軸部材２０や筒部材２２が栓部材９や本体２、クーラントパイプ１１に当接する箇所に弾性シール材２４，２５を配置してある。
これら弾性シール材２４，２５は、軸部材２０や筒部材２２の間にあって所定の弾性圧縮が加えられており、工具ホルダ１が静止している状態や、振動なくワークを切削加工している状態では、各軸部材２０や筒部材２２が互いに相対移動せず、所定の位置関係が保持される。よって、この通常状態では、軸孔８に配置して部材どうしは接触することはない。

しかしながら、ワークの切削加工時に工具ホルダ１に振動が生じた場合には、弾性シール材２４，２５が更に変形して、軸部材２０や筒部材２２どうしが当接することとなる。その際、例えば、軸部材２０の変位が弾性シール材２４，２５を介して筒部材２２に伝達され、筒部材２２の回転慣性によって軸部材２０の移動が規制されることで振動が軽減される。また、軸部材２０が筒部材２２に当接した場合には両者間に摩擦が発生し、軸部材２０の動きが熱や音に変換されて振動が低減される。
尚、図１においては、軸部材２０や筒部材２２の外面側及び内面側に二つの弾性シール材２４，２５を配置した例を示しているが、この他に、軸部材２０や筒部材２２の厚みよりもやや厚い一つの弾性シール材を用いてもよい。

尚、クーラントパイプ１１と栓部材９との境界部には弾性シール材１２を備え、栓部材９と軸部材２０との境界部、および、栓部材９と筒部材２２との境界部には弾性シール材１３を備えている。これらの弾性シール材１２，１３は、部材間の相対位置を保持する機能に加え、クーラントが軸部材２０や筒部材２２の配置領域に進入するのを防止する機能を有する。このようなクーラントの進入を防止することで、軸部材２０及び筒部材２２の変位が阻害されず、良好な防振効果を維持することができる。

図１に示す如く、軸部材２０どうしの境界位置２１と筒部材２２どうしの境界位置２３とは長手方向に沿って異なる位置に設定してある。本構成であれは、例えば、長手方向に隣接する軸部材２０Ａ，２０Ｂのうち軸部材２０Ａが径方向に変位しようとする場合、軸部材２０Ａの外側に位置する筒部材２２Ａを押圧する。この筒部材２２Ａは、同方向に変位しようとするが、軸部材２０Ａに隣接する軸部材２０Ｂが筒部材２２Ａの動作を阻止する。このようにして、仮に特定の軸部材２０又は筒部材２２に径方向への動きが生じた場合でも、隣接する他の軸部材２０および筒部材２２によって動きが阻止され、結果として工具ホルダ１の振動が吸収される。

〔第２実施形態〕
本発明に係る第２実施形態を図４に示す。ここでは、筒部材２２の径方向の厚みが軸部材２０の径方向の厚みよりも大きく設定されている。このように構成することで、軸部材２０の質量に対する筒部材２２の質量が相対的に増大する。よって、筒部材２２の慣性モーメントがより大きくなり、筒部材２２の回転状態が安定する結果、工具ホルダ１の振動吸収機能が強化される。

〔第３実施形態〕
本実施形態では、図５に示すように、長手方向において均等長さの四つの軸部材２０を配置すると共に、その外側に均等長さの三つの筒部材２２を配置している。ここでは、筒部材２２のうち中央位置の筒部材２２Ｂの厚みを他の筒部材２２Ａ，２２Ｃの厚みよりも大きく設定している。軸部材２０については、両端の２０Ａ，２０Ｄの厚みは一定であるが、中央側の２０Ｂ，２０Ｃの厚みは長手方向の中央側が小さくなるよう設定している。工具ホルダ１に振動が生じる場合には、長手方向中央部の位置で変位量が大きくなる。よって、当該領域に位置する筒部材２２Ｂの慣性モーメントを高めることで、振動吸収機能を向上させている。

〔第４実施形態〕
本実施形態では、図６に示すように、軸部材２０の外周側に２層の筒部材２２、３２を配置している。内側の筒部材２２及び外側の筒部材３２についても、長手方向に隣接する筒部材２２どうしの境界位置２３と、長手方向に隣接する筒部材３２どうしの境界位置３３とを長手方向に沿って異ならせている。尚、このような境界位置に差異を設けるのは、あくまでも径方向に隣接する部材の境界位置についてであって、図６に示したように、長手方向中央にある軸部材２０どうしの境界位置と、外側の筒部材３２どうしの境界位置とが長手方向に沿って同じ位置にあることは特に問題はない。

本実施形態においても、外側の筒部材ほど長手方向に沿った数を少なくし、外側の筒部材の慣性モーメントを高めている。外側の筒部材３２どうしの間にも上記実施形態と同様の弾性シール材３４を設けてある。また、軸部材２０の外周側に設ける筒部材の層数はさらに三層以上としてもよい。

〔第５実施形態〕
上記実施形態では、回転体として工具ホルダ１を用いる例を示したが、図７に示すように、回転体は工具ホルダ等が接続される工作機械の主軸５０であってもよい。図示しない工具ホルダ等は主軸５０の一方（例えば図７の右側）に接続される。
主軸５０は、ハウジング６０の内側に配置され、主軸本体５１の内部に円筒状の中空部５２を有する。この中空部５２には、中心側より、クーラントパイプ５３、軸部材２０、筒部材２２が同軸芯状に配置される。

クーラントパイプ５３の外周側には、円筒状の軸部材２０を回転軸芯Ｘの長手方向に沿って複数配置してある。図７には三つの軸部材２０Ａ〜２０Ｃを配置した例を示している。軸部材２０のさらに外側には、回転軸芯Ｘと同軸芯状に複数の筒部材２２を外挿してある。図７では二つの筒部材２２Ａ，２２Ｂを配置した例を示している。軸部材２０および筒部材２２が隣接する軸部材２０や筒部材２２に当接する箇所において、或いは、軸部材２０や筒部材２２が主軸本体５１、クーラントパイプ５３等に当接する箇所に弾性シール材２４，２５を配置してある。

主軸本体５１とハウジング６０との間には回転軸芯Ｘの方向に沿ってベアリング６１、６２が設けられており、ベアリング６１とベアリング６２との間には間座６３が配置されている。ベアリング６２の間座６３とは反対の側では、ナット６４がハウジング６０に嵌合するとともに、ナット６５が主軸本体５１に嵌合している。こうしてベアリング６１，６２は、間座６３及びナット６４，６５によってハウジング６０の内周側に位置保持される。主軸５０はベアリング６１，６２によって安定的に回転し、軸部材２０及び筒部材２２によって振動が吸収される。

〔他の実施形態〕
（１）上記実施形態では、長手方向の部材（軸部材２０、筒部材２２，３２）間の内周側端及び外周側端の両方に弾性シール材２４，２５，３４を設ける例を示したが、部材どうしの非接触状態が維持できる場合には、弾性シール材は内周側端及び外周側端の一方のみに設けてもよい。また、弾性シール材に代えて、各部材どうしの隙間に潤滑剤や粘性材料等を介在させて部材どうしが直に接触しないよう構成してもよい。

（２）上記実施形態では、軸部材２０及び筒部材２２（３２）が長手方向において均等長さのものを配置したが、長手方向において不等長さの軸部材２０又は筒部材２２であってもよい。

（３）上記実施形態では、内側部材（軸部材２０、筒部材２２）の総数が当該内側部材に隣接する外側部材（筒部材２２、３２）の総数よりも多い例を示した。しかし、内側部材と外側部材とは総数が同じであってもよい。ただし、この場合は、互いの境界位置が異なるよう、長手方向において内側部材（軸部材２０）の端部位置と、外側部材（筒部材２２）の端部位置とを異ならせたり、長手方向において内側部材及び外側部材の分割寸法を適宜変更したりする必要がある。

（４）本発明による防振構造は、軸部材２０又は筒部材２２（３２）が三つ以上設けられている場合、長手方向に沿う端部側の軸部材２０又は筒部材２２の剛性と比較して、中央側の軸部材２０又は筒部材２２の剛性を高く設定してもよい。これにより、軸部材２０又は筒部材２２は長手方向の中央側が変形し難くなるため、回転体（工具ホルダ１、工作機械の主軸５０）の振動が抑制される。

（５）上記実施形態では、本発明の防振構造として、円筒状のクーラントパイプ１１、５３の周囲に軸部材２０及び筒部材２２（３２）を配置する例を示したが、クーラントの供給が不要な工具ホルダ１や工作機械の主軸５０においては、円筒状部材に代えて円柱状部材（中実材）の周囲に軸部材２０及び筒部材２２を配置してもよい。

１ 工具ホルダ（回転体）
２ 本体
７ 中空部
９ 栓部材
２０ 軸部材
２１，２３，３３ 境界位置
２２、３２ 筒部材
２４，２５，３４ 弾性シール材（シール部材）
５０ 工作機械の主軸（回転体）
５１ 主軸本体（本体）
Ｘ 回転軸芯

Claims (2)

1. 回転体の本体の内部に、
   前記回転体の回転軸芯の長手方向に複数配置した軸部材と、
   前記軸部材に外挿し、前記回転軸芯と同軸に前記回転軸芯の長手方向に複数配置する少なくとも一層の筒部材と、を備え、
   前記本体と前記軸部材と前記筒部材とは互いに嵌合され、
   前記長手方向に隣接する前記軸部材どうしの境界位置と、前記長手方向に隣接する前記筒部材どうしの境界位置とが、前記長手方向に沿って異なる位置となるように構成してある回転体の防振構造。
2. 前記筒部材の総数が、前記軸部材の総数よりも少なく設定されている請求項１に記載の回転体の防振構造。

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