JP7347781B2

JP7347781B2 - 工作機械の制振装置

Info

Publication number: JP7347781B2
Application number: JP2019082743A
Authority: JP
Inventors: 幸平塚村; 譲佐々木; 一也藤本
Original assignee: 安田工業株式会社
Priority date: 2018-07-10
Filing date: 2019-04-24
Publication date: 2023-09-20
Anticipated expiration: 2039-04-24
Also published as: JP7378765B2; JP2020011372A; JP2020011371A

Description

本発明は、主軸ヘッドの振動を抑制して加工面品位を向上することができる工作機械の制振装置に関する。

近年、切削加工品の手仕上げ作業削減のために、加工面品位を向上させた様々な工作機械が提案されている。

例えば、特許文献１には、工具を装着した工具ホルダを主軸に自動着脱する着脱機構を備えた工作機械において、主軸の回転軸に対する工具の振れを自動的に修正して工具の高精度な取り付けを可能にする工作機械及び工具の振れ修正方法が開示されている。特許文献１に記載の工作機械は、主軸の回転時に、主軸の回転軸に対する主軸、工具ホルダ及び工具で構成される回転系の振れを測定する振れセンサと、工具ホルダを主軸に対して異なる位相で装着する位相制御機構と、を有し、位相制御機構が、二以上の異なる位相において測定した回転系の振れを比較し、該振れが最小となる位相で工具ホルダを主軸に装着する振れ修正機構を備えている。

特開２０１７－７０３０号公報

しかし、工作機械の加工精度が向上すると、機体に生じる僅かな振動も加工面品位に影響を及ぼすという課題が残った。この加工面品位を低下させる振動問題として、発明者らは、主軸を取付けている主軸ヘッドの固有振動に着目した。

本工作機械は、主軸ヘッドの構造として、Ｚ軸のストロークを長く取りながらガイド長を短くするために、Ｚ軸ガイドの支持部より主軸ヘッド及び主軸が突き出した構造にしている。この主軸ヘッドの構造により、部品の小型化と移動体の軽量化に繋がり、工作機械の制御性を向上させることができる。

しかし、本工作機械は、Ｚ軸ガイドの支持部より主軸ヘッド及び主軸が突き出した構造が原因で、主軸ヘッドには特定の周波数で共振する振動モードが存在する。この主軸ヘッドの固有振動は、主軸の回転周波数と一致した場合に共振する他、固有振動と一致する外乱が入ったときも振動する。また、主軸ヘッドの固有振動は、主軸ベアリング保持器の回転周波数と一致した場合も共振する。この主軸ヘッドの固有振動は、加工面品位を低下させる要因の一つになっている。

そこで、本発明は、Ｚ軸ガイドの支持部より主軸ヘッド及び主軸が突き出した構造を維持しつつ、主軸ヘッドの固有振動を抑制して加工面品位を更に向上することができる工作機械の制振装置を提供するものである。

本発明は、上記課題を解決するために、主軸の一部又は全部を覆う主軸カバーを備えた工作機械において、前記主軸カバーを前記主軸に取り付ける一又は二以上の締結具を備え、該締結具のうち一部又は全部の締結具の締結面と前記主軸カバーとの間に間隙を有する工作機械の制振装置を提供するものである。

また、本発明の工作機械の制振装置は、前記締結具が、前記締結面を有する平座金と、該平座金に挿通されるボルトと、該ボルトの頭部と前記平座金の間に挿入されるスプリングワッシャと、前記平座金と前記主軸の間に挿入されると共に前記ボルトを挿通する円筒状のスペーサと、を含み、前記スペーサの筒長が前記主軸カバーの厚さより所定の間隙分大きく形成されたものである。

また、本発明の工作機械の制振装置は、前記主軸カバーにゴム製又は合成樹脂製のシート状制振部材を装着したものである。

また、本発明の工作機械の制振装置は、前記主軸カバーが、前記主軸の下側を覆う下側カバーと、前記主軸の周りを覆う側面カバーとで構成され、該下側カバーを前記主軸に取り付ける前記締結具の締結面と該下側カバーとの間に間隙を有するものである。

また、本発明の工作機械の制振装置は、前記主軸の周囲に環着され、前記下側カバーに当接する環状の油シールリングを備えると共に、前記下側カバーに油排出口を設けたものである。

また、本発明の工作機械の制振装置は、前記油シールリングがＶリングである。

本発明の工作機械の制振装置は、主軸の一部又は全部を覆う主軸カバーを備えた工作機械において、前記主軸カバーを前記主軸に取り付ける一又は二以上の締結具を備え、該締結具のうち一部又は全部の締結具の締結面と前記主軸カバーとの間に間隙を有することにより、振動による主軸と主軸カバーの相対運動を摩擦で減衰させ、主軸ヘッドの固有振動を抑制することができる効果がある。

また、本発明の工作機械の制振装置は、前記締結具が、前記締結面を有する平座金と、該平座金に挿通されるボルトと、該ボルトの頭部と前記平座金の間に挿入されるスプリングワッシャと、前記平座金と前記主軸の間に挿入されると共に前記ボルトを挿通する円筒状のスペーサと、を含み、前記スペーサの筒長が前記主軸カバーの厚さより所定の間隙分大きく形成されたことにより、ボルトが緩まないように確実に締結すると共に、平座金の締結面と主軸カバーとの間に所定の間隙を設けることができる効果がある。

また、本発明の工作機械の制振装置は、前記主軸カバーにゴム製又は合成樹脂製のシート状制振部材を装着したことにより、主軸カバー自体を減衰要素化することができ、主軸ヘッドの固有振動を抑制する効果がある。

また、本発明の工作機械の制振装置は、前記主軸カバーが、前記主軸の下側を覆う下側カバーと、前記主軸の周りを覆う側面カバーとで構成され、該下側カバーを前記主軸に取り付ける前記締結具の締結面と該下側カバーとの間に間隙を有することにより、振動による主軸と下側カバーの相対運動を摩擦で減衰させ、主軸ヘッドの振動を抑制することができる効果がある。

また、本発明の工作機械の制振装置は、前記主軸の周囲に環着され、前記下側カバーに当接する環状の油シールリングを備えると共に、前記下側カバーに油排出口を設けたことにより、主軸オイルエアの排気によって主軸カバー内に溜まる排気油が下側カバーを主軸に取り付ける締結具の隙間から漏れ出すのを防止すると共に、外側から主軸カバー内に切削液が浸入するのを防ぐことができる効果がある。

また、本発明の工作機械の制振装置は、前記油シールリングがＶリングであることにより、主軸カバー内に溜まる排気油が下側カバーを主軸に取り付ける締結具の隙間から漏れ出すのを確実に防止することができる効果がある。

本発明に係る工作機械の制振装置の一実施例を示す拡大断面図。その一実施例の他の部分を示す拡大断面図。本発明に係る工作機械の制振装置の一実施例を示す断面図。対策前後の主軸の動剛性の比較を示す図。対策前後のテーブル主軸間の振動変位の比較を示す図。本発明に係る工作機械の主軸の一例を示す構成図。

本発明の実施の形態を図示する実施例に基づいて説明する。
本発明の制振装置は、主軸カバー１２で覆われた主軸１１を含む主軸ユニットを備えた工作機械において、一又は二以上の締結具３で主軸カバー１２を主軸１１に固定したときに、締結具３の締結面３２ａと主軸カバー１２との間に間隙ｇを有する。また、本発明の制振装置は、主軸カバー１２に制振部材４を装着している。

締結具３は、例えばボルト３１と、締結面３２ａを有する平座金３２と、スペーサ３３とから構成される。スペーサ３３は、締結具３で主軸カバー１２を主軸１１に固定したときに、締結面３２ａと主軸カバー１２との間に所定の間隙ｇを有するように形成されている。なお、主軸カバー１２は、主軸１１の表面と締結面３２の間を自由に動くことが可能に取り付けられているから、本発明における所定の間隙ｇ（単に、「間隙」と言う場合を含む）とは、主軸カバー１２が主軸１１に接した状態における締結面３２ａと主軸カバー１２との間の間隙を意味する。

図１は、本発明に係る工作機械の制振装置の一実施例を示す拡大断面図である。図２は、その一実施例の他の部分を示す拡大断面図である。図３は、本発明に係る工作機械の制振装置の一実施例を示す断面図である。

本発明の制振装置は、主軸１１の一部又は全部を覆う主軸カバー１２を備えた工作機械において、主軸カバー１２を主軸１１に取り付ける一又は二以上の締結具３を備え、該締結具３のうち一部又は全部の締結具３の締結面３２ａと主軸カバー１２との間に間隙ｇを有する。

実施例において、工作機械は、例えば、主軸ユニットを支えるコラムを有する３軸又は５軸駆動の立形マシニングセンタである。主軸ユニットは、駆動装置によってＸ軸方向に駆動されると共に、主軸１１をＺ軸方向に駆動し、主軸１１は工具を装着して回転させる。主軸ユニットは、図示しないＺ軸ガイドの支持部より主軸ヘッド１１ａ及び主軸１１が突き出した構造となっている。主軸カバー１２が取り付けられる主軸には、主軸１１そのものの他、主軸１１に付属する主軸ヘッド１１ａなどの付属物も含まれる。図示の実施例において、主軸カバー１２は、主軸１１及び主軸ヘッド１１ａに締結具３で取り付けられている。

実施例の制振装置は、複数の締結具３で主軸カバー１２を主軸１１及び主軸ヘッド１１ａに取り付けたときに、締結具３の締結面３２ａと主軸カバー１２との間に間隙ｇを有するように構成している。

本実施例において、主軸カバー１２は、主軸１１の下側を覆う下側カバー１２ａと、主軸の周りを覆う側面カバー１２ｂとで構成され、下側カバー１２ａは４本のボルト３１で主軸１１に取り付けられている。側面カバー１２ｂは、底面を４組のボルト１５とナット１６で下側カバー１２ａに一体的に取り付けられ、正面側２本のボルト３１で主軸ヘッド１１ａに取り付けられている。本実施例では、この６本のボルト３１を不完全締結にしている。この構成は、振動による主軸１１と主軸カバー１２の相対運動を摩擦で減衰させ、制振することを目的としている。

図１及び図２に示すように、締結具３は、締結面３２ａを有する平座金３２と、該平座金３２に挿通されるボルト３１と、該ボルト３１の頭部と平座金３２の間に挿入されるスプリングワッシャ３４と、平座金３２と主軸１１又は主軸ヘッド１１ａの間に挿入されると共にボルト３１を挿通する円筒状のスペーサ３３と、を有する。スペーサ３３の筒長は、主軸カバー１２の締結具３で締結する部分の厚さより所定の間隙ｇの分だけ大きく形成されている。実施例の制振装置は、この締結具３で主軸カバー１２を主軸１１及び主軸ヘッド１１ａに取り付けることにより、ボルト３１が緩まないように確実に締結されると共に、平座金３２の締結面３２ａと主軸カバー１２との間に所定の間隙ｇを形成することができる。

この所定の間隙ｇは、下側カバー１２ａと締結面３２ａ間の間隙を側面カバー１２ｂと締結面３２ａ間の間隙より大きく設けていることが好ましい。本発明の制振装置は、下側カバー１２ａと締結面３２ａ間の間隙を大きく設けることにより、振動による主軸１１と主軸カバー１２の相対運動を摩擦で効果的に減衰させることができる。また、図１及び図２に示すように、側面カバー１２ｂにボルト３１を挿通する孔３５を下側カバー１２ａにボルト３１を挿通する孔３５より大きく形成していることが好ましい。

例えば、所定の間隙ｇは、下側カバー１２ａと締結面３２ａ間の間隙を下側カバー１２ａの厚さの５０～１００％にし、側面カバー１２ｂと締結面３２ａ間の間隙を側面カバー１２ｂの厚さの５～３０％に設定する。このとき、側面カバー１２ｂの孔３５とスペーサ３３間の間隙は、下側カバー１２ａと締結面３２ａ間の間隙と略同じか大きく形成することが好ましい。

本発明の制振装置は、実施例のように、６本全てのボルト３１を不完全締結にしていることが好ましいが、側面カバー１２ｂを主軸ヘッド１１ａに取り付ける正面側２本のボルト３１を完全締結にする、又は間隙を極めて小さくしてもよい。一方、下側カバー１２ａを主軸１１に取り付ける４組の締結具３は、下側カバー１２ａと締結面３２ａ間の間隙が大きい方が好ましい。

また、本実施例において、主軸カバー１２には制振部材４を装着している。制振部材４は、ゴム製又は合成樹脂製のシート状の制振シートであり、図３に示すように主軸の周りを覆う側面カバー１２ｂの内側４側面に貼り付けられている。この制振部材４は、主軸カバー１２自体を減衰要素化することで、制振に寄与させている。制振部材４には、アスファルトを主原料としたシート状の粘弾性樹脂シートを用いることが好ましい。この粘弾性樹脂シートは、一般的な制振シートより重量が大きく、鋼板のビビリを防止するから、主軸ヘッドの振動を抑制する効果が大きい。

本実施例の制振装置は、主軸１１の周囲に環着され、下側カバー１２ａに当接する環状の油シールリングとしてゴム製断面Ｖ字状のＶリング５を備えると共に、下側カバー１２ａの後方に油排出口１４を設けている。

Ｖリング５は、断面が台形状のリング本体５ａの一端に、小径のヒンジ部５ｂを介して円錐台状のリップ５ｃが形成されている。Ｖリング５は、リング本体５ａを主軸１１に環着し、リップ５ｃが下側カバー１２ａに所定の圧力で当接する位置に装着されている。主軸１１は、Ｖリング５のリング本体５ａを環着する部分を他の部分より小径に形成し、段差を有する肩部でリング本体５ａを固定していることが好ましい。

本発明の制振装置は、下側のカバー１２ａを主軸１１に取り付ける締結具３を不完全締結とし、締結具３の締結面３２と板側カバー１２ａとの間に間隙を有するから、この間隙から油が漏れ出さないように、下側カバー１２ａと主軸１１の接地面にＶリング５を設けている。油排出口１４は、主軸オイルエアの排気によって主軸カバー１２内に溜まる排気油を下側カバー１２ａの後方から排出させる。

本実施例の制振装置は、主軸カバー１２を主軸１１及び主軸ヘッド１１ａに不完全締結する締結具３と、主軸カバー１２の内側に装着した制振部材４によって、制振対策前との比較で主軸１１の機械的コンプライアンスが大幅に低減した。図４は、対策前後の主軸の動剛性の比較を示す図であり、主軸１１の工具端で加振試験を実施した結果を表している。図４の横軸は周波数を、縦軸は機械的コンプライアンスを表している。実線で表されている制振対策後の機械的コンプライアンスは、制振対策前の機械的コンプライアンス（破線）に対して１／３程度に低減している。

また、図５は、対策前後のテーブル主軸間の振動変位の比較を示す図であり、非接触変位計を使用し、制振対策前後のテーブル主軸間の振動を測定している。図５は、測定データの時間波形を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）し、横軸は周波数、縦軸はパワースペクトル（変位）で表したものである。図５は、主軸を主軸ヘッドと共振する回転数で回転させたときの共振点における振動変位が１／３程度に低減していることを示している。また、本実施例の制振装置を備えた工作機械は、主軸ベアリング保持器の回転により共振する回転数を含め、実用領域の回転数全域にわたって、主軸ヘッドの振動を抑制することができた。

また、本工作機械は、サーボモータに対するＮＣの位置指令と、リニアスケールで実測される実際に動いた位置と、を比較し、サーボの位置偏差を求める機能を備えていてもよい。本工作機械は、本発明の制振装置と共に、サーボ系の制振フィルタを適用することにより、更に加工面品位を向上させることができる。

また、本工作機械は、図６に示すように、主軸ヘッドが前後左右に対称な筒型形状（シンメトリカル円筒形状）を成し、主軸１１の発熱に対してもＸＹ方向の熱変位に影響を与えないようにしていることが好ましい。

３締結具
４制振部材
５Ｖリング
１１主軸
１２主軸カバー
１４油排出口
３１ボルト
３２平座金
３３スペーサ
３４スプリングワッシャ

Claims

主軸の一部又は全部を覆う主軸カバーを備えた工作機械において、
前記主軸カバーを前記主軸に取り付ける一又は二以上の締結具を備え、
該締結具のうち一部又は全部の締結具の締結面と前記主軸カバーとの間に間隙を有し、
前記主軸カバーは、前記主軸の表面と前記締結面の間を自由に動くことが可能に前記主軸に取り付けられた工作機械の制振装置。
前記締結具は、前記締結面を有する平座金と、該平座金に挿通されるボルトと、該ボルトの頭部と前記平座金の間に挿入されるスプリングワッシャと、前記平座金と前記主軸の間に挿入されると共に前記ボルトを挿通する円筒状のスペーサと、を含み、前記スペーサの筒長が前記主軸カバーの厚さより所定の間隙分大きく形成された請求項１に記載の工作機械の制振装置。
前記主軸カバーにゴム製又は合成樹脂製のシート状制振部材を装着した請求項１又は２に記載の工作機械の制振装置。
前記主軸カバーが、前記主軸の下側を覆う下側カバーと、前記主軸の周りを覆う側面カバーとで構成され、該下側カバーを前記主軸に取り付ける前記締結具の締結面と該下側カバーとの間に間隙を有する請求項１乃至３の何れか一項に記載の工作機械の制振装置。
前記主軸の周囲に環着され、前記下側カバーに当接する環状の油シールリングを備えると共に、前記下側カバーに油排出口を設けた請求項４に記載の工作機械の制振装置。
前記油シールリングがＶリングである請求項５に記載の工作機械の制振装置。