主軸裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及主軸裝置。其具備：主軸（20），其保持旋轉(zhuǎn)工具（21）并被旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)；軸承（41）～（44），其可旋轉(zhuǎn)地支承主軸（20）；和阻尼附加軸承（50），其可旋轉(zhuǎn)地支承主軸（20），并具有比軸承（41）～（44）的阻尼系數(shù)（C2～C5）大的阻尼系數(shù)（C1）。阻尼附加軸承（50）的阻尼系數(shù)（C1）被設(shè)定在10,000～1,000,000N·m/s的范圍。本發(fā)明的主軸裝置能夠更可靠地抑制顫振。
【專(zhuān)利說(shuō)明】主軸裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及在機(jī)床中使用的主軸裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]例如，在日本特開(kāi)平6-8005號(hào)公報(bào)中，公開(kāi)有在配置于主軸的前側(cè)(工具側(cè))的前側(cè)軸承和前側(cè)殼體之間安裝中間殼體，并利用附加了阻尼性的靜壓軸承支承中間殼體來(lái)抑制加工中的主軸的顫振的主軸裝置。另外，在日本特開(kāi)2004-106091號(hào)公報(bào)中公開(kāi)有與配置在主軸的前側(cè)(工具側(cè))的球軸承并列設(shè)置空氣靜壓軸承來(lái)抑制加工中的主軸的顫振的主軸裝置。另外，在US2008/0231129 Al中公開(kāi)有在主軸的前側(cè)(工具側(cè))設(shè)置多個(gè)徑向磁軸承以及多個(gè)徑向位移傳感器，基于由徑向位移傳感器檢測(cè)出的徑向的位移來(lái)控制徑向磁軸承的電磁鐵，抑制主軸的共振的主軸裝置。
[0003]但在現(xiàn)有技術(shù)中，存在阻尼力弱、主軸顫振的抑制效果不足這樣的課題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供能夠更可靠地抑制顫振的主軸裝置。
[0005]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)例子，本單元的主軸裝置具備:主軸，其保持旋轉(zhuǎn)工具并被旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)；可旋轉(zhuǎn)地支承上述主軸的軸承；可旋轉(zhuǎn)地支承上述主軸并具有比上述軸承的阻尼系數(shù)大的阻尼系數(shù)的阻尼附加軸承，上述阻尼附加軸承的阻尼系數(shù)被設(shè)定10，000?I, 000，000N.m/s 的范圍。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)例子，上述阻尼附加軸承的阻尼系數(shù)被設(shè)定為30，000?700，000N.m/s 的范圍。
[0007]進(jìn)一步根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)例子，上述阻尼附加軸承的阻尼系數(shù)被設(shè)定為30，000 ?100，000N.m/s 的范圍。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0008]通過(guò)以下參照附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行的詳細(xì)描述，本發(fā)明前述的和其它的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)得以進(jìn)一步明確。其中，附圖標(biāo)記表示本發(fā)明的要素，其中，
[0009]圖1是本發(fā)明的實(shí)施方式中的主軸裝置的軸向剖視圖。
[0010]圖2是圖1的主軸裝置的解析模型。
[0011]圖3A是構(gòu)成圖1的主軸裝置的旋轉(zhuǎn)工具的支架的BT類(lèi)型的圖。
[0012]圖3B是構(gòu)成圖1的主軸裝置的旋轉(zhuǎn)工具的支架的HSK類(lèi)型的圖。
[0013]圖4是表示使圖2所示的解析模型的阻尼系數(shù)Cl變化的情況下的共振點(diǎn)的彈性柔量的最大值的關(guān)系的圖。
[0014]圖5A表示圖2所示的解析模型頻率特性,縱軸表示彈性柔量，即表示相對(duì)賦予的力的旋轉(zhuǎn)工具的前端的位移量。示出阻尼系數(shù)Cl為7，000、70，000、1，000, 000這3個(gè)種類(lèi)。
[0015]圖5B與圖5A相同，表示解析模型頻率特性，示出阻尼系數(shù)Cl為1,000?70,000之間的6個(gè)種類(lèi)。
[0016]圖5C與圖5A相同，表示解析模型頻率特性，示出阻尼系數(shù)Cl為70,000?1，000，000之間的6個(gè)種類(lèi)。
【具體實(shí)施方式】
[0017]以下，參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明。
[0018]參照?qǐng)D1對(duì)主軸裝置的構(gòu)成進(jìn)行說(shuō)明。如圖1所示，主軸裝置具備殼體10、主軸20、馬達(dá)30、多個(gè)軸承41?44、和阻尼附加軸承50。
[0019]殼體10形成為中空筒狀，在其中插通主軸20。主軸20在前端側(cè)(圖1的左側(cè))保持著具有被支架22保持的狀態(tài)的旋轉(zhuǎn)工具21。馬達(dá)30被配置在殼體10的筒內(nèi)，具備固定在殼體10上的定子31以及固定在主軸20上的轉(zhuǎn)子32。
[0020]軸承41?44以能夠使主軸20相對(duì)于殼體10旋轉(zhuǎn)的方式對(duì)主軸20進(jìn)行支承。軸承41?43例如應(yīng)用球軸承，被配置在相對(duì)于馬達(dá)30的旋轉(zhuǎn)工具21側(cè)(前側(cè))。另一方面，軸承44例如應(yīng)用滾柱軸承，并被配置在相對(duì)于馬達(dá)30的旋轉(zhuǎn)工具21的相反側(cè)(后側(cè))。SP，將軸承41?44配置成在軸向中央夾著馬達(dá)30的方式。
[0021]阻尼附加軸承50例如采用油等的流體靜壓軸承，被配置在與最靠近旋轉(zhuǎn)工具21側(cè)的軸承41相比還要靠近旋轉(zhuǎn)工具21側(cè)的位置。即，阻尼附加軸承50在所有的軸承41?44,50中，被配置在最靠近旋轉(zhuǎn)工具21側(cè)。并且，阻尼附加軸承50具有比軸承41?44的阻尼系數(shù)大的阻尼系數(shù)。該阻尼系數(shù)的詳細(xì)內(nèi)容后述。此外，阻尼附加軸承50能夠根據(jù)附加的阻尼系數(shù)C，適當(dāng)?shù)馗挠糜挽o壓軸承、空氣靜壓軸承、磁軸承等。
[0022]接下來(lái)，參照?qǐng)D2，對(duì)主軸裝置的解析模型進(jìn)行說(shuō)明。如圖2所示，能夠通過(guò)彈簧常數(shù)K的彈簧成分、阻尼系數(shù)C的阻尼成分來(lái)表示軸承。這里，分別將阻尼附加軸承50、軸承41?44的彈簧常數(shù)以及阻尼系數(shù)表示為Kl?K5、Cl?C5。
[0023]而且，在適當(dāng)?shù)刭x予了 Kl?K5、Cl?C5的狀態(tài)下，對(duì)旋轉(zhuǎn)工具21的前端賦予沿主軸20的徑向的力。這樣，主軸20如雙點(diǎn)劃線所示那樣發(fā)生變形。計(jì)算此時(shí)的旋轉(zhuǎn)工具21的前端的位移量。
[0024]這里，將主軸20的前端側(cè)設(shè)為對(duì)相當(dāng)于支架22的部分進(jìn)行了模型化后的形狀。該支架22是如圖3A所示的BT類(lèi)型的支架的情況下將BT-30?BT-50作為對(duì)象，或者，是如圖3B所示的HSK類(lèi)型的支架的情況下將HSK-40?HSK-100作為對(duì)象，來(lái)變更模型。S卩，解析模型是指能夠應(yīng)用上述支架的主軸20軸體。MAS是在日本機(jī)床產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(Japan MachineTool builder’s Association Standard)中規(guī)定的工具的標(biāo)準(zhǔn)，HSK是在ISO中規(guī)定的工具的標(biāo)準(zhǔn)。
[0025]參照?qǐng)D4對(duì)解析結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明。圖4是將BT-40應(yīng)用于支架22的例(case) 1、將BT-40應(yīng)用于支架22的例2、將BT-50應(yīng)用于支架22的例3、將HSKA-40應(yīng)用于支架22的例4這4個(gè)種類(lèi)的解析結(jié)果。這里，在例I和例2中，將工具直徑/工具長(zhǎng)度設(shè)為不同的值。另外，在例3中，相對(duì)于例I將工具直徑設(shè)為不同的值。此時(shí)，僅適當(dāng)?shù)刈兏馕瞿Ｐ偷淖枘岣郊虞S承50的阻尼系數(shù)Cl，將其他的阻尼系數(shù)C2?C5設(shè)為7，000N.s/m。另外，將彈簧常數(shù)Kl?K5設(shè)為相同。
[0026]這里，圖4中的區(qū)域A表示僅利用軸承來(lái)支承主軸20的情況下的阻尼系數(shù)的范圍，大概是2，OOO?7，000N* s/m的范圍。即，將其他的阻尼系數(shù)C2?C5設(shè)為軸承的阻尼系數(shù)的等效值。另外，圖4中的區(qū)域B表示僅利用油靜壓軸承支承主軸20的情況下的阻尼系數(shù)的范圍，大概是1，150，000?7，000，000N.s/m的范圍。
[0027]如圖4所示，除了利用軸承41?44之外，還利用阻尼附加軸承50支承主軸20，從而能夠?qū)⒆枘嵯禂?shù)設(shè)定在僅有軸承的情況(區(qū)域A)和僅有油靜壓軸承的情況(區(qū)域B)之間。特別是，通過(guò)將阻尼附加軸承50的阻尼系數(shù)Cl設(shè)為10，000?1，000, 000N.s/m的范圍，從而能夠?qū)⒐舱顸c(diǎn)的彈性柔量(compliance)的最大值達(dá)到極小值附近。
[0028]這里，共振點(diǎn)的彈性柔量的最大值越大，越成為在該共振點(diǎn)附近容易產(chǎn)生振動(dòng)的狀態(tài)。因此，通過(guò)如上述那樣設(shè)定阻尼系數(shù)Cl來(lái)減小共振點(diǎn)的彈性柔量的最大值，能夠抑制振動(dòng)的產(chǎn)生。特別是，將阻尼附加軸承50的阻尼系數(shù)Cl設(shè)為30，000?700，000N.s/m的范圍內(nèi)，從而在上述所有例子中，都能夠落入極小值附近的范圍。
[0029]接下來(lái)，參照將橫軸設(shè)為頻率、將縱軸設(shè)為彈性柔量的解析結(jié)果的圖5A?圖5C來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。該解析在將BT-40應(yīng)用于支架22的例I中，使阻尼系數(shù)Cl變化為1，000,7, 000、10，000,30, 000,50, 000,70, 000、100，000,300, 000,500, 000,700, 000、1，000，000N.s/m。
[0030]在圖5A中，為了易于觀看，圖示出將阻尼系數(shù)Cl設(shè)為7，000,70, 000、
I,000, 000N.s/m的這3種。根據(jù)圖5A，在將阻尼系數(shù)Cl設(shè)為7，000N.s/m的情況下，即設(shè)為與軸承的阻尼系數(shù)相同的情況下，如下所示。在1，500Hz以下的頻帶中存在I次、2次、3次的共振點(diǎn)(圖5A的區(qū)域C)。將這些共振點(diǎn)稱(chēng)為低階共振點(diǎn)(相當(dāng)于本發(fā)明中的“虛擬低階共振點(diǎn)”)。低階共振點(diǎn)中的彈性柔量是1.0E-06m/N左右。并且，表示在整體上最大的彈性柔量的共振點(diǎn)(圖5A的區(qū)域E)存在于1，500Hz以上的范圍內(nèi)。將該共振點(diǎn)稱(chēng)為高階共振點(diǎn)(相當(dāng)于本發(fā)明中的“虛擬高階共振點(diǎn)”)。應(yīng)予以說(shuō)明，在圖5A中，表示最大的彈性柔量的共振點(diǎn)(區(qū)域E)存在于1，500?2，OOOHz的范圍，但根據(jù)工具條件、式樣，有時(shí)該共振點(diǎn)存在于2，OOOHz以上的范圍。
[0031]這里，為了抑制振動(dòng)的產(chǎn)生，而減小彈性柔量的最大值是有效的。進(jìn)而，通過(guò)減小存在多個(gè)的共振點(diǎn)的彈性柔量，能夠在寬度較寬的頻帶中抑制振動(dòng)的產(chǎn)生。并且，共振點(diǎn)的個(gè)數(shù)越少，抑制振動(dòng)的產(chǎn)生越有效。
[0032]在圖5A中，在將阻尼系數(shù)Cl設(shè)為1,000，000N.s/m的情況下，如以下所示。在1，500Hz以下的頻帶中，低階共振點(diǎn)(圖5A的區(qū)域C)的彈性柔量減小，相對(duì)于此，在1，OOOHz附近引發(fā)新的共振點(diǎn)(區(qū)域D)。另一方面，在l，500Hz以上的頻帶中，與將阻尼系數(shù)Cl設(shè)為7，000N.s/m的情況相比，高階共振點(diǎn)(圖5A的區(qū)域E)的彈性柔量減小。但在2，OOOHz附近引發(fā)新的共振點(diǎn)(區(qū)域F)。從整體來(lái)看，將阻尼系數(shù)Cl設(shè)為1，000，000N.s/m的情況下，相對(duì)于設(shè)為7，000N.s/m情況而言，彈性柔量的最大值減小，另一方面，在l，000Hz附近和2，OOOHz附近引發(fā)新的共振點(diǎn)(區(qū)域D、F)。
[0033]在圖5A中，在將阻尼系數(shù)Cl設(shè)為70，000N.s/m的情況下，如以下所示。在1，500Hz以下的頻帶中，與將阻尼系數(shù)Cl設(shè)為7，000N.s/m的情況相比，低階共振點(diǎn)(圖5A的區(qū)域C)的彈性柔量減小。另外，在1，500Hz以下的頻率帶中，也不會(huì)引發(fā)區(qū)域D那樣的新的共振點(diǎn)。并且，在1，500Hz以上的頻帶中，與將阻尼系數(shù)Cl設(shè)為7，000N*s/m的情況相比，高階共振點(diǎn)(圖5的區(qū)域E)的彈性柔量減小。另外，在1，500Hz以上的頻率帶中，也不會(huì)引發(fā)區(qū)域F那樣的新的共振點(diǎn)。[0034]接下來(lái)，參照?qǐng)D5B，對(duì)將阻尼系數(shù)Cl設(shè)定在1,000?70，000N.s/m的范圍內(nèi)的情況進(jìn)行詳細(xì)研究。若將阻尼系數(shù)Cl設(shè)為1，000N.s/m,則與設(shè)為7，000N.s/m的情況相t匕，低階共振點(diǎn)以及高階共振點(diǎn)的彈性柔量增大。
[0035]另一方面，隨著使阻尼系數(shù)Cl從7，000N.s/m向70，000N.s/m增大，低階共振點(diǎn)以及高階共振點(diǎn)的彈性柔量減小。并且，在將阻尼系數(shù)Cl設(shè)定在7，000?70，000N.s/m的范圍的情況下，均不產(chǎn)生1，500Hz以下的引發(fā)共振點(diǎn)(圖5A的區(qū)域D)以及1，500Hz以上的引發(fā)共振點(diǎn)(圖5A的區(qū)域F)。
[0036]接下來(lái)，參照?qǐng)D5C，對(duì)將阻尼系數(shù)Cl在70，000?1，000, 000N *s/m的范圍的情況進(jìn)行詳細(xì)研究。在將阻尼系數(shù)Cl在7，000?1，000, 000N.s/m的范圍內(nèi)，低階共振點(diǎn)(圖5A的區(qū)域C)以及高階共振點(diǎn)(圖5A的區(qū)域E)的彈性柔量基本不發(fā)生變化。
[0037]在將阻尼系數(shù)Cl在100，000N.s/m的情況下，若與70，000N.s/m的情況相比，彈性柔量在1，OOOHz附近以及2，OOOHz附近增大，但不會(huì)產(chǎn)生共振點(diǎn)。
[0038]另一方面，若使阻尼系數(shù)Cl從100，000N.s/m進(jìn)一步增大，則在1，500Hz以下產(chǎn)生低階共振點(diǎn)以外的新的引發(fā)共振點(diǎn)(圖5A的區(qū)域D)以及產(chǎn)生1，500Hz以上的高階共振點(diǎn)以外的新的引發(fā)共振點(diǎn)(圖5A的區(qū)域F)。而且，隨著使阻尼系數(shù)Cl從100，000N -s/m進(jìn)一步增大，它們的彈性柔量增大。
[0039]根據(jù)圖5A?圖5C，通過(guò)將阻尼系數(shù)Cl設(shè)定在10，000?1，000, 000N.s/m的范
圍，能夠減小彈性柔量的最大值。并且，通過(guò)該范圍，能夠減小低階共振點(diǎn)(圖5A的區(qū)域C)以及高階共振點(diǎn)(圖5A的區(qū)域E)的彈性柔量。
[0040]并且，通過(guò)將阻尼系數(shù)Cl設(shè)定在30，000N.s/m以上，能夠使高階共振點(diǎn)(圖5A的區(qū)域E)的彈性柔量極小。即，通過(guò)上述范圍，能夠使高階共振點(diǎn)的彈性柔量變成與將阻尼系數(shù)Cl設(shè)定在最佳的70，000N.s/m時(shí)幾乎相同的程度。
[0041]并且，通過(guò)將阻尼系數(shù)Cl設(shè)定在100，000N.s/m以下，能夠不產(chǎn)生1，500Hz以下的新的引發(fā)共振點(diǎn)(圖5A的區(qū)域D)以及1，500Hz以上的引發(fā)共振點(diǎn)(圖5A的區(qū)域F)。
[0042]通過(guò)將阻尼附加軸承配置在最靠近旋轉(zhuǎn)工具側(cè)，能夠更有效地發(fā)揮該軸承的阻尼效果，作為結(jié)果能夠更有效地抑制顫振。
[0043]通過(guò)使1，500Hz以下的頻帶中的虛擬低階共振點(diǎn)的實(shí)際的彈性柔量比虛擬彈性柔量小，能夠抑制該頻帶中的顫振的產(chǎn)生。
[0044]另外，能夠通過(guò)使比虛擬低階共振點(diǎn)高且1，500Hz以下的頻帶中不引發(fā)新的共振點(diǎn)，抑制因附加阻尼而引發(fā)的負(fù)面影響，并且整體上抑制顫振的產(chǎn)生。
[0045]能夠通過(guò)使1，500Hz以上的頻帶中不引發(fā)新的共振點(diǎn)，抑制因附加阻尼而引發(fā)的負(fù)面影響，并在整體上抑制顫振的產(chǎn)生。
[0046]在將MASBT-30?BT-50或者HSK-40?HSK-100等工具支架應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)工具時(shí)，能夠可靠地抑制顫振。
[0047]通過(guò)作為阻尼附加軸承而采用流體靜壓軸承，能夠容易并且可靠地附加高的阻尼。
【權(quán)利要求】
1.一種主軸裝置，其特征在于，具備: 主軸，其保持旋轉(zhuǎn)工具并被旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)； 軸承，其可旋轉(zhuǎn)地支承所述主軸； 阻尼附加軸承，可旋轉(zhuǎn)地支承所述主軸，并具有比所述軸承的阻尼系數(shù)大的阻尼系數(shù)， 所述阻尼附加軸承的阻尼系數(shù)被設(shè)定為10，000?1，000，000N.m/s的范圍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的主軸裝置，其特征在于， 所述阻尼附加軸承的阻尼系數(shù)被設(shè)定為30，000?700，000N.m/s的范圍。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的主軸裝置，其特征在于， 所述阻尼附加軸承的阻尼系數(shù)被設(shè)定為30，000?100，000N.m/s的范圍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的主軸裝置，其特征在于， 所述主軸被包含所述軸承以及所述阻尼附加軸承的多個(gè)軸承所支承， 所述阻尼附加軸承在所有的軸承中被配置于最靠近所述旋轉(zhuǎn)工具側(cè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的主軸裝置，其特征在于， 當(dāng)假設(shè)將所述阻尼附加軸承的阻尼系數(shù)設(shè)定為與所述軸承相同的阻尼系數(shù)的情況下，將在1，500Hz以下的頻帶中產(chǎn)生的共振點(diǎn)定義為虛擬低階共振點(diǎn)，并且，將該虛擬低階共振點(diǎn)的彈性柔量定義為虛擬彈性柔量， 所述阻尼附加軸承的阻尼系數(shù)被設(shè)定為使所述虛擬低階共振點(diǎn)的實(shí)際的彈性柔量小于虛擬彈性柔量的范圍。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的主軸裝置，其特征在于， 所述阻尼附加軸承的阻尼系數(shù)被設(shè)定為比所述虛擬低階共振點(diǎn)高且在1，500Hz以下的頻帶中針對(duì)所述虛擬低階共振點(diǎn)而不引發(fā)新的共振點(diǎn)的范圍。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的主軸裝置，其特征在于， 當(dāng)假設(shè)將所述阻尼附加軸承的阻尼系數(shù)設(shè)定為與所述軸承相同的阻尼系數(shù)的情況下，將在1，500Hz以上的頻帶中產(chǎn)生的共振點(diǎn)定義為虛擬高階共振點(diǎn)， 所述阻尼附加軸承的阻尼系數(shù)被設(shè)定為在1，500Hz以上的頻帶中針對(duì)所述虛擬高階共振點(diǎn)而不引發(fā)新的共振點(diǎn)的范圍。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的主軸裝置，其特征在于， 所述阻尼附加軸承的阻尼系數(shù)在當(dāng)對(duì)所述旋轉(zhuǎn)工具應(yīng)用MASBT-30?BT-50或HSK-40?HSK-100工具支架時(shí)，被設(shè)定為所述范圍。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的主軸裝置，其特征在于， 所述阻尼附加軸承是流體靜壓軸承。
【文檔編號(hào)】B23B19/02GK103506637SQ201310238053
【公開(kāi)日】2014年1月15日 申請(qǐng)日期:2013年6月17日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月19日
【發(fā)明者】松永茂, 沖田俊之, 棚瀨良太 申請(qǐng)人:株式會(huì)社捷太格特