JP2008018510A - 自励振動抑制用動吸振器 - Google Patents

Abstract

【課題】板厚が薄いインペラを工具を回転させながら羽根面形状を加工するフライス加工方式およびインペラ羽根外周旋削加工方式において、ワークに取付けても工具ツールパスへの干渉が小さく、さらに作業現場にて容易に特性を調整できる小型で高性能な動吸振器を提供する。
【解決手段】インペラ２の羽根先端部に錘、ばね棒、制振ゴムから構成される動吸振器を取付けることで、インペラ羽根面直角方向の振動に対して動吸振器の錘がインペラ振動方向と同方向かつ逆位相に振動することで、インペラの振動を相殺し動的な剛性を増加し加工能率を向上させる。
【選択図】図３

Description

本発明はフライス加工および旋削加工によりインペラ羽根面および羽根外周を加工する
際に、加工精度や工具欠損の原因となるワーク自励振動を抑制するために、ワーク側に動
吸振器を取付けて自励振動を抑制しながら加工するインペラ製造方式とワーク用動吸振器
構造に関するものである。

図１（ａ）に示すような板厚が薄いインペラ羽根面加工において、工具を回転させなが
ら羽根面形状を加工するフライス加工では、ワーク剛性が低いことから、ワークの自励振
動が生じ易い。図1（ｂ）は図１（ａ）のインペラの羽根をモデル化したものであり、イ
ンペラは質量ｍ１、ばね定数ｋ１および減衰比ζ１から構成される１自由度系の振動モデ
ルとして考えることができる。このモデルにおいてワーク剛性が低いことはｋ１が小さい
ことと等価である。特に羽根先端部では板厚が極度に薄く、かつ羽根突き出し長さが大き
くなるためｋ１が更に小さくなり、加工中に自励振動が更に生じやすい。このワーク自励
振動が生じると、ワーク寸法精度、面粗さが悪化するため切削加工の加工条件を小さくせ
ざるをえないため、加工能率が低くなる。

ワーク自励振動を抑制する手段として、一般的に図1（ｂ）のワーク剛性ｋ１を大きく
する手段が考えられる。例えばワーク形状が比較的小さく、工作機械ベース上へのワーク
固定が容易であれば、ワークを工作機械ベース上に治具を介して固定することで、ワーク
剛性ｋ１を増加させ、ワーク自励振動を抑制することも可能である。

図２（ａ）のグラフは、図１（ｂ）のモデルを用いて算出したインペラの周波数応答と
、上述の方法でｋ１を２倍にした場合の周波数応答のグラフである。このグラフは横軸周
波数、縦軸は１Ｎあたりの外力に対する振幅であり、この振幅が小さいほど動的な剛性が
大きいことを意味している。図２（ａ）のグラフからｋ１を２倍に大きくすることで、最
大振幅がインペラ単体と比較して１／２程度に低減している。すなわちｋ１を大きくする
ことで振幅が低減し、この結果自励振動を抑制できる。

この一例として木製治具を羽根と羽根の間に挟みこみ羽根を固定する方法が作業現場に
て一般的に使用されている。この手法を用いることでｋ１を増加することができる。しか
しこの方法では、木製治具の剛性は金属のそれに比べ著しく低いため、数倍ものばね定数
ｋ１の増加を見込むことができない。この木製治具を金属製治具に変更することでｋ１を
大幅に増加することができるが、金属製なので羽根間に挟み込む場合は、羽根の翼面形状
に合わせた治具が専用で必要となるため、治具製作に時間とコストを要する上に、脱着に
も時間を要することになる。

これを回避するためにインペラ羽根先端を金属棒を介して工作機械ベースへ取付ける方
法もあるが、これら治具を取付ける方法はいずれも、治具が工具ツールパスへ干渉してし
まうため工具ツールパスへの干渉が大きくなる。このため加工方法の制約が生じることか
ら加工能率が低下してしまう問題がある。

また別の手法として特開２００５−１０４１号公報には、ワークのドリル穴加工におい
てワーク固定治具に錘、ばね、オイルダンパからなる動吸振器を取付けることでワークの
振幅を低減しワーク自励振動を抑制する方法も提案されている。前述の木製および、金属
製治具が図１（ｂ）のばね定数ｋ１を大きくすることで自励振動を抑制する手法であるの
に対して、この方法は減衰比ζ１を積極的に大きくすることでワークの動的な剛性を増加
させ自励振動を抑制するものである。

図２（ｂ）にワーク固定治具に動吸振器を取付けた場合の効果の一例を示す。このグラ
フに示すように、動吸振器は制振対象に合わせて動吸振器の特性を調整する必要があり、
動吸振器の最適化が良好であれば、振幅を大幅に低減することができる。

しかし、動吸振器ワークのロットごとのばらつきや、切削加工によりワーク特性の変化
が発生する場合があり、この特性変化に合わせて動吸振器の特性を再調整する必要がある
。ところが、特開２００５−１０４１号公報記載の動吸振器は構造的に調整できる機構が
なく、動吸振器の特性が初期設定に依存するため、ワーク特性が初期設定値から変わって
しまった場合、動吸振器の最適化不良により、図２（ｂ）に示すように動吸振器の効果を
十分に引き出せず、この結果、ワーク自励振動抑制に対して大きな効果を期待できない問
題がある。

特開２００５−１０４１号公報

本発明では、ワークに取付ける治具として、ワークに取付けても工具ツールパスへの干
渉が小さく、さらに作業現場にて容易に特性を調整できる小型で高性能な動吸振器を提供
することで、インペラのような薄板ワークの切削加工能率を向上することを課題としてい
る。

本発明では、上記の課題を解決する手段として、インペラ羽根面直角方向に移動可能な
錘とネジ状のばね棒と、錘内部に埋め込まれる制振ゴムから構成される動吸振器をインペ
ラ羽根先端部に直接取付けることで、インペラが羽根面直角方向に自励振動した場合、振
動がばね棒から錘へと伝達し、錘がインペラと同様の振動方向で、かつ逆位相に振動する
ことにより、インペラの振動が相殺されワークの減衰比を増加させることで動的な剛性を
増加し、インペラ加工能率を向上できることを特徴としている。

動吸振器の構造としては、ばね棒がねじ状になっており、錘がナットと同様な構造を有
しているため、錘を回転することで位置変更が可能となり、ワーク特性に合わせて動吸振
器の特性を調整可能な構造を特徴としている。

また、上記動吸振器に用いる錘が重心付近でバネ棒に接続されており、バネ棒に対して
錘が並進運動することを特徴とする。さらに上記動吸振器の錘が一体では錘を質点と考え
ることができず設計値通りの高い制振性能が得られないため、錘重心付近で固定する必要
があることを本発明者は見出した。そこで錘は一体ではなく重心付近で二分割されており
、この分割された錘を互いに移動することで、錘をばね棒上に重心付近にて固定する機構
を有することによって、高い制振性能を得ることができる構造を特徴としている。

本発明の治具をインペラ羽根側面もしくは羽根面上に取付けることで、インペラの自励
振動を効果的に抑制可能であり、さらに小型な動吸振器であるためツールパスへの干渉も
抑制できるためインペラ加工能率を３倍以上向上することができる。

以下、本発明の実施形態の一例を図面を用いて説明する。

図３は（ａ）実施形態のインペラ２に本発明の薄板切削用動吸振器１を取付け、工具３
をツールパスＴｐに沿って回転させながら移動することによりインペラ羽根面加工を実施
しているときの概略図、（ｂ）図３（ａ）のインペラと動吸振器をモデル化したモデル図
をそれぞれ表している。図３（ｂ）において、インペラのモデルは質量ｍ１、ばね定数ｋ
１、減衰比ζ１で表され、動吸振器は質量ｍ２、ばね定数ｋ２、減衰比ζ２で表されてお
り、動吸振器の設計ではｍ１、ｋ１、ζ１を初期条件としてｍ２、ｋ２、ζ２を設計する
ことで動吸振器の最適設計を行うことができる。

この動吸振器のインペラ羽根先端部に対する取付け位置を決定するにあたり、インペラ
有限要素解析モデルを作成し振動解析を行い、インペラ羽根面上において周波数応答を解
析的に求め、振幅が比較的大きくなる部位を限定し、動吸振器の取付け位置とする。

図４は図３の動吸振器の(a)拡大斜視図(b)拡大斜視断面図をそれぞれ示している。この
動吸振器は、図４(ｂ)に示すように、二分割された錘１１、１２と、ネジ状のばね棒１３
と錘１２に内蔵される制振ゴム１４により成る。ばね棒１３の材料としては例えばＳＣＭ
４４０は疲労強度が高いため繰り返し応力に十分耐えることができるが、制振性能を高め
る目的では例えばＭ２０５２などの制振合金を用いることも有効である。

この動吸振器により自励振動抑制効果を得るためには、上記振動解析により決定した取
付け位置に、動吸振器１を構成するばね棒１３の一端を取付け、羽根先端部の振動が動吸
振器の錘へ伝達されるようにする。これは図３（ｂ）のモデルにおいて、インペラの振動
である質量ｍ１の振動が、動吸振器のばねｋ２と減衰器ζ２により質量ｍ２に伝達され、
かつ質量ｍ２がｍ１の振動に対して逆位相に振動するようにｋ２を調整することで、ｍ１
の振動を打ち消し、自励振動を抑制することができる。

この際、図５に示す動吸振器１を構成するばね棒１３のばね棒長さLsを調整することで
ｋ２を調整することができる構造となっているため、Ｌｓの最適値を求める必要がある。

以下、動吸振器特性のばね定数ｋ２とばね棒長さＬｓの設計方法について図６の設計フ
ローチャートを用いながら一例を取って説明する。

まず初期条件としてインペラの質量ｍ１、ばね定数ｋ１が必要となるため、これらの値
は前述の有限要素解析を用いて、解析モデルに材料特性であるヤング率Ｅと減衰比ζ０．
０１を入力し解析的に求めた結果は次の通りである。

ｍ１＝ ０．６６ｋｇ
ｋ１＝ ５．４×１０^６Ｎ／ｍ …（１）
ただし、インペラ材料はステンレス鋼
Ｅ＝１．９９×１０^１１ＭＰａ
ζ１＝０．０１
次に錘１１、１２の合計質量を算出した。錘の質量ｍ２を算出するにあたりツールパス
への干渉を考慮して小型かつ高性能にするために、錘１１、１２は直径５０ｍｍ、長さ５
０ｍｍの円筒形状にした結果、動吸振器の錘の合計質量ｍ２
ｍ２ ＝ ｍ１ ＝ ０．６６ｋｇ …（２）
ただしμ ＝ ｍ２／ｍ１＝ １
次に動吸振器の最適化理論に基づき、動吸振器に必要な最適なばね乗数ｋ２を求めた結
果、次の通りである。

ｋ２＝μ*（１/（１＋μ））^２ * ｋ１＝ １．３５×１０^６Ｎ／ｍ …（３）
この結果から最適な動吸振器のばね定数ｋ２を得るために必要なばね棒長さを求める。
図５において、ばね棒材料を制振合金Ｍ２０５２とし、ヤング率をＥ、断面二次モーメン
トをＩ、直径ｄ、ばね棒長さをＬｓとするとばね棒が羽根先端に対して片持ち梁であるた
めばね定数ｋ２は次式で表される。

ｋ２＝ ３ＥＩ／Ｌｓ^３ …（４）
∴Ｌｓ＝３ＥＩ／ｋ２＝ ２８ｍｍ…（５）
ただし Ｅ＝５．０×１０^１０Ｎ／ｍ
ｄ＝６．４ｍｍ
Ｉ＝πｄ^４／６４＝２．０１０６×１０^−１０ｍ^４
図７は式（４）からＬｓをパラメータとしてばね定数ｋ２を変化させたときの、ばね棒
長さＬｓと羽根先端部の最大振幅をグラフにしたものである。この図から、振幅が最小と
なる最適な棒長さＬｓは２８ｍｍ近傍であることが確認できた。

図８は上記方法により動吸振器１を最適化し羽根先端部に取付けたときの周波数応答を
示している。このグラフは横軸周波数（Ｈｚ）、縦軸振幅（Ｎ／ｍ）を表している。グラ
フ中の灰色の線が動吸振器を取付けていない場合であり、黒細線は制振ゴム１４が錘１２
に埋め込まれていない場合であり、黒太線は制振ゴム１４を錘１２に埋め込んだ場合の周
波数応答をそれぞれ表している。このグラフから、従来の方式に比べ、本発明の方法を用
いることで固有振動数における振幅を１／１０に低減することができ、本発明の方式がワ
ーク自励振動抑制に対して、小型かつ高性能であることが確認できた。

図９は上記方法により最適化した動吸振器１をインペラに取付けて実際に加工を行った
場合の結果の一例を示している。このグラフの横軸は工具回転数（ｒｐｍ）、縦軸は工具
軸方向の切り込み量（ｍｍ）をそれぞれ表している。加工条件は、工具径方向切り込みは
１．５ｍｍ、送り速度０．１ｍｍ／ｔｏｏｔｈに設定し、工具は４枚刃のスローアウェイ
工具を用いてフライス加工を行った。この結果、従来方式では最大軸方向切り込みを１．
０ｍｍから３．０と３倍以上向上できることが可能となった。

なお動吸振器は上記羽根面加工のみに実施形態が限定されるものではなく、インペラ外
周旋削加工においても有効である。図１０は、羽根先端部羽根面上に動吸振器１が動吸振
器取付け用治具５を介して取付けられており、動吸振器１とインペラ２が回転半径Ｒ、回
転数Ｓで反時計周りに回転することにより、位置が固定されている旋削用工具６に羽根側
面２ａが当り、羽根側面２ａが旋削加工される外周旋削加工の一例を示している。この加
工でも、本発明の動吸振器を図中のように取付けることで、羽根外周旋削加工への工具と
の干渉を抑制しながら、加工条件を向上することで加工能率を向上することができる。

実施形態のインペラ羽根面フライス加工概略斜視図。 従来の方式の効果を表す周波数応答図。 実施形態の薄板切削用動吸振器の概観斜視図。 薄板切削用動吸振器の(a)拡大斜視図(b)分解斜視図。 薄板切削用動吸振器の断面図。 薄板切削用動吸振器の設計フロー。 ばね棒長さＬｓがインペラ最大振幅に与える影響を説明する図。 従来方式と比較した本発明の効果を表す周波数応答図。 本発明による切削能率に対する効果を説明する図。 本発明を適用した実施形態のインペラ外周旋削加工概略図。

符号の説明

１…動吸振器、２…インペラ、３…フライス加工用切削工具、４…動吸振器用固定治具
、５…旋削用工具、１１…錘前部、１２…錘後部、１３…ばね棒、１４…制振ゴム。

Claims (4)

1. 三次元形状の羽根面を持つインペラの加工において、羽根面をフライス加工する際に発
   生する自励振動を抑制するためにインペラ羽根先端部に動吸振器を取付けて、高能率で羽
   根面形状を加工する方法およびインペラ製造方式。
2. インペラの羽根外周を旋削加工する方式において、羽根先端部に動吸振器を取付けて羽
   根の振動を減衰させ、自励振動を抑制することにより高能率で羽根外周を加工する方法お
   よびインペラ製造方式。
3. 請求項1または２に記載の加工方法に用いられる動吸振器において、羽根先端部から片
   持状に突き出たネジ状のバネ棒と、このネジ状のバネ棒に取付ける錘と、錘内部に埋め込
   まれた制振ゴムから構成されるバネ棒のたわみと制振ゴムによる減衰作用により羽根振動
   を減衰する動吸振器。
4. 上記動吸振器において、動吸振器の性能を向上するために、錘が重心付近で二分割され
   ており、重心位置で錘を固定する構造から成ることを特徴とする動吸振器。
   
   

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