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1、(10)申请公布号 CN 103506637 A (43)申请公布日 2014.01.15 CN 103506637 A (21)申请号 201310238053.2 (22)申请日 2013.06.17 2012-137526 2012.06.19 JP B23B 19/02(2006.01) (71)申请人 株式会社捷太格特 地址 日本大阪府 (72)发明人 松永茂 冲田俊之 棚濑良太 (74)专利代理机构 北京集佳知识产权代理有限 公司 11227 代理人 李洋 苏琳琳 (54) 发明名称 主轴装置 (57) 摘要 本发明涉及主轴装置。其具备 ： 主轴 （20） ， 其 保持旋转工具 （。
2、21）并被旋转驱动 ； 轴承 （41） （44） ， 其可旋转地支承主轴 （20） ； 和阻尼附加轴承 （50） ， 其可旋转地支承主轴 （20） ， 并具有比轴承 （41） （44） 的阻尼系数 （C2 C5） 大的阻尼系 数 （C1） 。阻尼附加轴承 （50） 的阻尼系数 （C1） 被 设定在 10,000 1,000,000N m/s 的范围。本发 明的主轴装置能够更可靠地抑制颤振。 (30)优先权数据 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图4页 (10)申请公。
3、布号 CN 103506637 A CN 103506637 A 1/1 页 2 1. 一种主轴装置， 其特征在于， 具备 ： 主轴， 其保持旋转工具并被旋转驱动 ； 轴承， 其可旋转地支承所述主轴 ； 阻尼附加轴承， 可旋转地支承所述主轴， 并具有比所述轴承的阻尼系数大的阻尼系数， 所述阻尼附加轴承的阻尼系数被设定为 10,000 1,000,000Nm/s 的范围。 2. 根据权利要求 1 所述的主轴装置， 其特征在于， 所述阻尼附加轴承的阻尼系数被设定为 30,000 700,000Nm/s 的范围。 3. 根据权利要求 2 所述的主轴装置， 其特征在于， 所述阻尼附加轴承的阻尼系数被设。
4、定为 30,000 100,000Nm/s 的范围。 4. 根据权利要求 1 所述的主轴装置， 其特征在于， 所述主轴被包含所述轴承以及所述阻尼附加轴承的多个轴承所支承， 所述阻尼附加轴承在所有的轴承中被配置于最靠近所述旋转工具侧。 5. 根据权利要求 1 所述的主轴装置， 其特征在于， 当假设将所述阻尼附加轴承的阻尼系数设定为与所述轴承相同的阻尼系数的情况下， 将在 1,500Hz 以下的频带中产生的共振点定义为虚拟低阶共振点， 并且， 将该虚拟低阶共 振点的弹性柔量定义为虚拟弹性柔量， 所述阻尼附加轴承的阻尼系数被设定为使所述虚拟低阶共振点的实际的弹性柔量小 于虚拟弹性柔量的范围。 6. 。
5、根据权利要求 5 所述的主轴装置， 其特征在于， 所述阻尼附加轴承的阻尼系数被设定为比所述虚拟低阶共振点高且在 1,500Hz 以下 的频带中针对所述虚拟低阶共振点而不引发新的共振点的范围。 7. 根据权利要求 1 所述的主轴装置， 其特征在于， 当假设将所述阻尼附加轴承的阻尼系数设定为与所述轴承相同的阻尼系数的情况下， 将在 1,500Hz 以上的频带中产生的共振点定义为虚拟高阶共振点， 所述阻尼附加轴承的阻尼系数被设定为在 1,500Hz 以上的频带中针对所述虚拟高阶 共振点而不引发新的共振点的范围。 8. 根据权利要求 1 所述的主轴装置， 其特征在于， 所述阻尼附加轴承的阻尼系数在当对。
6、所述旋转工具应用 MASBT-30 BT-50 或 HSK-40 HSK-100 工具支架时， 被设定为所述范围。 9. 根据权利要求 1 所述的主轴装置， 其特征在于， 所述阻尼附加轴承是流体静压轴承。 权 利 要 求 书 CN 103506637 A 2 1/4 页 3 主轴装置 技术领域 0001 本发明涉及在机床中使用的主轴装置。 背景技术 0002 例如， 在日本特开平 6-8005 号公报中， 公开有在配置于主轴的前侧 （工具侧） 的前 侧轴承和前侧壳体之间安装中间壳体， 并利用附加了阻尼性的静压轴承支承中间壳体来抑 制加工中的主轴的颤振的主轴装置。另外， 在日本特开 2004-1。
7、06091 号公报中公开有与配 置在主轴的前侧 （工具侧） 的球轴承并列设置空气静压轴承来抑制加工中的主轴的颤振的 主轴装置。另外， 在 US2008/0231129 A1 中公开有在主轴的前侧 （工具侧） 设置多个径向磁 轴承以及多个径向位移传感器， 基于由径向位移传感器检测出的径向的位移来控制径向磁 轴承的电磁铁， 抑制主轴的共振的主轴装置。 0003 但在现有技术中， 存在阻尼力弱、 主轴颤振的抑制效果不足这样的课题。 发明内容 0004 本发明提供能够更可靠地抑制颤振的主轴装置。 0005 根据本发明的一个例子， 本单元的主轴装置具备 ： 主轴， 其保持旋转工具并被旋 转驱动 ； 可旋。
8、转地支承上述主轴的轴承 ； 可旋转地支承上述主轴并具有比上述轴承的阻 尼系数大的阻尼系数的阻尼附加轴承， 上述阻尼附加轴承的阻尼系数被设定 10,000 1,000,000Nm/s 的范围。 0006 根据本发明的另一个例子， 上述阻尼附加轴承的阻尼系数被设定为 30,000 700,000Nm/s 的范围。 0007 进一步根据本发明的另一个例子 , 上述阻尼附加轴承的阻尼系数被设定为 30,000 100,000Nm/s 的范围。 附图说明 0008 通过以下参照附图对本发明的优选实施方式进行的详细描述， 本发明前述的和其 它的特点和优点得以进一步明确。其中， 附图标记表示本发明的要素， 。
9、其中， 0009 图 1 是本发明的实施方式中的主轴装置的轴向剖视图。 0010 图 2 是图 1 的主轴装置的解析模型。 0011 图 3A 是构成图 1 的主轴装置的旋转工具的支架的 BT 类型的图。 0012 图 3B 是构成图 1 的主轴装置的旋转工具的支架的 HSK 类型的图。 0013 图 4 是表示使图 2 所示的解析模型的阻尼系数 C1 变化的情况下的共振点的弹性 柔量的最大值的关系的图。 0014 图 5A 表示图 2 所示的解析模型频率特性， 纵轴表示弹性柔量， 即表示相对赋予的 力的旋转工具的前端的位移量。 示出阻尼系数C1为7,000、 70,000、 1,000,00。
10、0这3个种类。 0015 图 5B 与图 5A 相同， 表示解析模型频率特性， 示出阻尼系数 C1 为 1,000 70,000 说 明 书 CN 103506637 A 3 2/4 页 4 之间的 6 个种类。 0016 图 5C 与图 5A 相同， 表示解析模型频率特性， 示出阻尼系数 C1 为 70,000 1,000,000 之间的 6 个种类。 具体实施方式 0017 以下， 参照附图对本发明的实施例进行说明。 0018 参照图 1 对主轴装置的构成进行说明。如图 1 所示， 主轴装置具备壳体 10、 主轴 20、 马达 30、 多个轴承 41 44、 和阻尼附加轴承 50。 001。
11、9 壳体 10 形成为中空筒状， 在其中插通主轴 20。主轴 20 在前端侧 （图 1 的左侧） 保 持着具有被支架 22 保持的状态的旋转工具 21。马达 30 被配置在壳体 10 的筒内， 具备固定 在壳体 10 上的定子 31 以及固定在主轴 20 上的转子 32。 0020 轴承 41 44 以能够使主轴 20 相对于壳体 10 旋转的方式对主轴 20 进行支承。 轴承 41 43 例如应用球轴承， 被配置在相对于马达 30 的旋转工具 21 侧 （前侧） 。另一方 面， 轴承 44 例如应用滚柱轴承， 并被配置在相对于马达 30 的旋转工具 21 的相反侧 （后侧） 。 即， 将轴承。
12、 41 44 配置成在轴向中央夹着马达 30 的方式。 0021 阻尼附加轴承 50 例如采用油等的流体静压轴承， 被配置在与最靠近旋转工具 21 侧的轴承41相比还要靠近旋转工具21侧的位置。 即， 阻尼附加轴承50在所有的轴承41 44、 50 中， 被配置在最靠近旋转工具 21 侧。并且， 阻尼附加轴承 50 具有比轴承 41 44 的 阻尼系数大的阻尼系数。该阻尼系数的详细内容后述。此外， 阻尼附加轴承 50 能够根据附 加的阻尼系数 C， 适当地改用油静压轴承、 空气静压轴承、 磁轴承等。 0022 接下来， 参照图2， 对主轴装置的解析模型进行说明。 如图2所示， 能够通过弹簧常 。
13、数 K 的弹簧成分、 阻尼系数 C 的阻尼成分来表示轴承。这里， 分别将阻尼附加轴承 50、 轴承 41 44 的弹簧常数以及阻尼系数表示为 K1 K5、 C1 C5。 0023 而且， 在适当地赋予了 K1 K5、 C1 C5 的状态下， 对旋转工具 21 的前端赋予沿 主轴 20 的径向的力。这样， 主轴 20 如双点划线所示那样发生变形。计算此时的旋转工具 21 的前端的位移量。 0024 这里， 将主轴20的前端侧设为对相当于支架22的部分进行了模型化后的形状。 该 支架 22 是如图 3A 所示的 BT 类型的支架的情况下将 BT-30 BT-50 作为对象， 或者， 是如 图 3B。
14、 所示的 HSK 类型的支架的情况下将 HSK-40 HSK-100 作为对象， 来变更模型。即， 解 析模型是指能够应用上述支架的主轴20轴体。 MAS是在日本机床产业标准 （Japan Machine Tool builders Association Standard） 中规定的工具的标准， HSK 是在 ISO 中规定的工 具的标准。 0025 参照图 4 对解析结果进行说明。图 4 是将 BT-40 应用于支架 22 的例 （case） 1、 将 BT-40 应用于支架 22 的例 2、 将 BT-50 应用于支架 22 的例 3、 将 HSKA-40 应用于支架 22 的 例4这4。
15、个种类的解析结果。 这里， 在例1和例2中， 将工具直径/工具长度设为不同的值。 另外， 在例 3 中， 相对于例 1 将工具直径设为不同的值。此时， 仅适当地变更解析模型的阻 尼附加轴承 50 的阻尼系数 C1， 将其他的阻尼系数 C2 C5 设为 7,000Ns/m。另外， 将弹 簧常数 K1 K5 设为相同。 0026 这里， 图 4 中的区域 A 表示仅利用轴承来支承主轴 20 的情况下的阻尼系数的范 说 明 书 CN 103506637 A 4 3/4 页 5 围， 大概是 2,000 7,000N s/m 的范围。即， 将其他的阻尼系数 C2 C5 设为轴承的阻尼 系数的等效值。另。
16、外， 图 4 中的区域 B 表示仅利用油静压轴承支承主轴 20 的情况下的阻尼 系数的范围， 大概是 1,150,000 7,000,000Ns/m 的范围。 0027 如图 4 所示， 除了利用轴承 41 44 之外， 还利用阻尼附加轴承 50 支承主轴 20， 从而能够将阻尼系数设定在仅有轴承的情况 （区域 A） 和仅有油静压轴承的情况 （区域 B） 之 间。特别是， 通过将阻尼附加轴承 50 的阻尼系数 C1 设为 10,000 1,000,000N s/m 的范 围， 从而能够将共振点的弹性柔量 （compliance） 的最大值达到极小值附近。 0028 这里， 共振点的弹性柔量的最。
17、大值越大， 越成为在该共振点附近容易产生振动的 状态。因此， 通过如上述那样设定阻尼系数 C1 来减小共振点的弹性柔量的最大值， 能够抑 制振动的产生。特别是， 将阻尼附加轴承 50 的阻尼系数 C1 设为 30,000 700,000Ns/m 的范围内， 从而在上述所有例子中， 都能够落入极小值附近的范围。 0029 接下来， 参照将横轴设为频率、 将纵轴设为弹性柔量的解析结果的图5A图5C来 进行说明。 该解析在将BT-40应用于支架22的例1中， 使阻尼系数C1变化为1,000、 7,000、 10,000、 30,000、 50,000、 70,000、 100,000、 300,00。
18、0、 500,000、 700,000、 1,000,000Ns/m。 0030 在 图 5A 中， 为 了 易 于 观 看， 图 示 出 将 阻 尼 系 数 C1 设 为 7,000、 70,000、 1,000,000Ns/m 的这 3 种。根据图 5A， 在将阻尼系数 C1 设为 7,000Ns/m 的情况下， 即 设为与轴承的阻尼系数相同的情况下， 如下所示。 在1,500Hz以下的频带中存在1次、 2次、 3 次的共振点 （图 5A 的区域 C） 。将这些共振点称为低阶共振点 （相当于本发明中的 “虚拟低 阶共振点” ） 。低阶共振点中的弹性柔量是 1.0E-06m/N 左右。并且，。
19、 表示在整体上最大的弹 性柔量的共振点 （图 5A 的区域 E） 存在于 1,500Hz 以上的范围内。将该共振点称为高阶共 振点 （相当于本发明中的 “虚拟高阶共振点” ） 。应予以说明， 在图 5A 中， 表示最大的弹性柔 量的共振点 （区域 E） 存在于 1,500 2,000Hz 的范围， 但根据工具条件、 式样， 有时该共振 点存在于 2,000Hz 以上的范围。 0031 这里， 为了抑制振动的产生， 而减小弹性柔量的最大值是有效的。进而， 通过减小 存在多个的共振点的弹性柔量， 能够在宽度较宽的频带中抑制振动的产生。 并且， 共振点的 个数越少， 抑制振动的产生越有效。 0032。
20、 在图 5A 中， 在将阻尼系数 C1 设为 1,000,000Ns/m 的情况下， 如以下所示。在 1,500Hz以下的频带中， 低阶共振点 （图5A的区域C） 的弹性柔量减小， 相对于此， 在1,000Hz 附近引发新的共振点 （区域 D） 。另一方面， 在 1,500Hz 以上的频带中， 与将阻尼系数 C1 设 为 7,000Ns/m 的情况相比， 高阶共振点 （图 5A 的区域 E） 的弹性柔量减小。但在 2,000Hz 附近引发新的共振点 （区域 F） 。从整体来看， 将阻尼系数 C1 设为 1,000,000Ns/m 的情况 下， 相对于设为 7,000N s/m 情况而言， 弹性。
21、柔量的最大值减小， 另一方面， 在 1,000Hz 附近 和 2,000Hz 附近引发新的共振点 （区域 D、 F） 。 0033 在图5A中， 在将阻尼系数C1设为70,000N s/m的情况下， 如以下所示。 在1,500Hz 以下的频带中， 与将阻尼系数 C1 设为 7,000Ns/m 的情况相比， 低阶共振点 （图 5A 的区域 C） 的弹性柔量减小。另外， 在 1,500Hz 以下的频率带中， 也不会引发区域 D 那样的新的共振 点。并且， 在 1,500Hz 以上的频带中， 与将阻尼系数 C1 设为 7,000N s/m 的情况相比， 高阶 共振点 （图 5 的区域 E） 的弹性柔。
22、量减小。另外， 在 1,500Hz 以上的频率带中， 也不会引发区 域 F 那样的新的共振点。 说 明 书 CN 103506637 A 5 4/4 页 6 0034 接下来， 参照图 5B， 对将阻尼系数 C1 设定在 1,000 70,000Ns/m 的范围内的 情况进行详细研究。若将阻尼系数 C1 设为 1,000Ns/m， 则与设为 7,000Ns/m 的情况相 比， 低阶共振点以及高阶共振点的弹性柔量增大。 0035 另一方面， 随着使阻尼系数 C1 从 7,000Ns/m 向 70,000Ns/m 增大， 低阶共振点 以及高阶共振点的弹性柔量减小。并且， 在将阻尼系数 C1 设定在。
23、 7,000 70,000Ns/m 的范围的情况下， 均不产生 1,500Hz 以下的引发共振点 （图 5A 的区域 D） 以及 1,500Hz 以上 的引发共振点 （图 5A 的区域 F） 。 0036 接下来， 参照图 5C， 对将阻尼系数 C1 在 70,000 1,000,000N s/m 的范围的情况 进行详细研究。在将阻尼系数 C1 在 7,000 1,000,000Ns/m 的范围内， 低阶共振点 （图 5A 的区域 C） 以及高阶共振点 （图 5A 的区域 E） 的弹性柔量基本不发生变化。 0037 在将阻尼系数 C1 在 100,000Ns/m 的情况下， 若与 70,000。
24、Ns/m 的情况相比， 弹 性柔量在 1,000Hz 附近以及 2,000Hz 附近增大， 但不会产生共振点。 0038 另一方面， 若使阻尼系数 C1 从 100,000Ns/m 进一步增大， 则在 1,500Hz 以下产 生低阶共振点以外的新的引发共振点 （图 5A 的区域 D） 以及产生 1,500Hz 以上的高阶共振 点以外的新的引发共振点 （图 5A 的区域 F） 。而且， 随着使阻尼系数 C1 从 100,000N s/m 进 一步增大， 它们的弹性柔量增大。 0039 根据图 5A 图 5C， 通过将阻尼系数 C1 设定在 10,000 1,000,000Ns/m 的范 围， 能。
25、够减小弹性柔量的最大值。并且， 通过该范围， 能够减小低阶共振点 （图 5A 的区域 C） 以及高阶共振点 （图 5A 的区域 E） 的弹性柔量。 0040 并且， 通过将阻尼系数 C1 设定在 30,000N s/m 以上， 能够使高阶共振点 （图 5A 的 区域 E） 的弹性柔量极小。即， 通过上述范围， 能够使高阶共振点的弹性柔量变成与将阻尼 系数 C1 设定在最佳的 70,000Ns/m 时几乎相同的程度。 0041 并且， 通过将阻尼系数 C1 设定在 100,000Ns/m 以下， 能够不产生 1,500Hz 以下 的新的引发共振点 （图 5A 的区域 D） 以及 1,500Hz 。
26、以上的引发共振点 （图 5A 的区域 F） 。 0042 通过将阻尼附加轴承配置在最靠近旋转工具侧， 能够更有效地发挥该轴承的阻尼 效果， 作为结果能够更有效地抑制颤振。 0043 通过使 1,500Hz 以下的频带中的虚拟低阶共振点的实际的弹性柔量比虚拟弹性 柔量小， 能够抑制该频带中的颤振的产生。 0044 另外， 能够通过使比虚拟低阶共振点高且 1,500Hz 以下的频带中不引发新的共振 点， 抑制因附加阻尼而引发的负面影响， 并且整体上抑制颤振的产生。 0045 能够通过使 1,500Hz 以上的频带中不引发新的共振点， 抑制因附加阻尼而引发的 负面影响， 并在整体上抑制颤振的产生。 。
27、0046 在将 MASBT-30 BT-50 或者 HSK-40 HSK-100 等工具支架应用于旋转工具时， 能够可靠地抑制颤振。 0047 通过作为阻尼附加轴承而采用流体静压轴承， 能够容易并且可靠地附加高的阻 尼。 说 明 书 CN 103506637 A 6 1/4 页 7 图 1 图 2 图 3A图 3B 说 明 书 附 图 CN 103506637 A 7 2/4 页 8 图 4 图 5A 说 明 书 附 图 CN 103506637 A 8 3/4 页 9 图 5B 说 明 书 附 图 CN 103506637 A 9 4/4 页 10 图 5C 说 明 书 附 图 CN 103506637 A 10 。