JP2016052691A - 工具ヘッド、工作機械システム、および、工具ヘッドの駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】重切削加工時の剛性を確保しつつ、精度よく且つ迅速に軽切削加工を行うことができる工具ヘッド、および、工具ヘッドの駆動方法を提供する。
【解決手段】工具ヘッド１は、基部２と、基部２に対して転がり軸受４を介して回転可能に支持される躯体部３と、躯体部３を基部２に対して回転不能に固定する一方で、基部２に対する躯体部３の固定を解除可能な固定部５と、切削工具Ｔを着脱可能とされ、躯体部３に対して回転可能に支持される回転軸部６と、転がり軸受４に対して転がり軸受４のがたつきを抑制する荷重を付与する予圧部と、を備える。
【選択図】図２

Description

この発明は、工具ヘッド、工作機械システム、および、工具ヘッドの駆動方法に関する。

ワークに対して切削加工を行う工作機械にあっては、例えば、鉄などの硬い物質を切削する重切削加工と、アルミなどの軟らかい素材を切削する軽切削加工とを行うものがある。
一般に、重切削加工を行う工作機械は、加工反力が大きいことから工具が取り付けられるスピンドルを大きな発生トルクで低速回転させる。一方で、軽切削加工を行う工作機械は、加工反力が小さいため、工具が取り付けられるスピンドルを小さな発生トルクで高速回転させて作業効率を向上する場合が多い。
しかし、上記工作機械においては、例えば、一つのワークに対して重切削加工と軽切削加工を行う場合がある。この場合、重切削加工用の工作機械と軽切削加工用の工作機械との間でワークを移し替えたり、ヘッドを交換可能な工作機械においては重切削用のヘッドと軽切削用のヘッドとを取り換えたりする必要がある。そのため、作業時間が長くなってしまっていた。
ワークを移し替えずに一つの工作機械で重切削加工と軽切削加工との両方の加工を行おうとした場合、軽切削用の工作機械では支持剛性が十分ではなく、重切削加工を行うことができない。そのため、重切削加工用の工作機械で一つのワークに対する加工を行うこととなる。この場合、重切削加工用の工作機械のスピンドルの回転速度が相対的に低いため加工時間が長くなり生産効率が低下してしまう。さらに、スピンドルの回転速度が相対的に低いことで、仕上げ面が粗くなったり、切削抵抗が増加したりしてしまう。

特許文献１には、一つのヘッドに重切削用の第一のスピンドルと軽切削用の第二のスピンドルとを備える工作機械が記載されている。この特許文献１に記載された工作機械によれば、一つのワークにかかる作業時間が短縮されて生産効率を向上可能となっている。

一方で、特許文献２には、重切削加工を可能とするために工具の支持剛性を高くすることが記載されている。
さらに、特許文献３には、旋回ヘッド付き工作機械において、ラジアル方向の力に対する剛性不足を解消するために、油圧によって旋回ヘッドのクランプまたはブレーキを行うことが記載されている。
同様に、特許文献４にも、ユニバーサルヘッドをクランプ、アンクランプする構成が記載されている。

つまり、特許文献２から４のように、重切削加工用の工作機械のヘッドには大きな加工反力がかかることから、特に旋回ヘッドを用いる場合に軸受による剛性確保が困難となる。そのため、切削加工時にのみ一時的に機械本体とヘッドとをクランプにより固定することで剛性確保が行われている。

特開２００２−０３６０５３号公報 特許第４３５８５６０号公報 特許第５１２９９３０号公報 特開平５−２１２６４６号公報

ところで、上述したクランプにより旋回するヘッドを固定して重切削加工を行う場合、必ずヘッドを固定した状態で切削加工を行う。そのため、軽切削加工用のヘッドのように、ヘッドを旋回させながら切削加工を行うことができない。また、重切削加工用の工作機械の場合、クランプ時にヘッドが機械本体に押し付けられるように、ヘッドを支持する軸受に所定のガタが予め設定されている。そのため、重切削用の工作機械のヘッドのクランプを解除した状態では、精度よく切削加工を行うことが困難となっている。
この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、重切削加工時の剛性を確保しつつ、精度よく且つ迅速に軽切削加工を行うことができる工具ヘッド、および、工具ヘッドの駆動方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために以下の構成を採用する。
この発明の第一態様によれば、工具ヘッドは、本体部と、前記本体部に対して転がり軸受を介して回転可能に支持される躯体部と、前記躯体部を前記本体部に対して回転不能に固定する一方で、前記本体部に対する前記躯体部の固定を解除可能な固定部と、切削工具を着脱可能とされ、前記躯体部に対して回転可能に支持される回転軸部と、前記転がり軸受に対して前記転がり軸受のがたつきを抑制する荷重を付与する予圧部と、を備える。
このように構成することで、本体部と躯体部とを固定部によって固定できるため、転がり軸受の剛性を増加させずに、回転可能な躯体部の支持剛性を向上させることができる。さらに、予圧部によって転がり軸受のがたつきを抑制できるため、例えば、本体部に対して躯体部が固定解除された状態であっても、躯体部に本体部を精度よく位置決めすることができる。その結果、重切削加工時の支持剛性を確保しつつ、精度よく且つ迅速に軽切削加工を行うことができる。

この発明の第二態様によれば、工作機械システムは、第一態様の工具ヘッドを備え、前記工具ヘッドの回転軸部に取り付けられた切削工具によりワークを切削加工する。
このように構成することで、一つのワークに対して重切削加工と軽切削加工との両方を行う場合の生産効率を向上することができる。

この発明の第三態様によれば、工具ヘッドの駆動方法は、第一態様の工具ヘッドの駆動方法であって、重切削加工を行う際には、前記固定部により前記本体部を前記躯体部に対して固定し、軽切削加工を行う際には、前記固定部により前記躯体部と前記本体部とを固定解除状態にする。
このようにすることで、重切削加工を行う場合には本体部に躯体部を固定して躯体部の支持剛性を向上できる。一方で、軽切削加工を行う場合には、本体部に躯体部を固定せずに、例えば躯体部を旋回させながら切削加工を行うことができる。その結果、一つのワークに対して重切削加工と軽切削加工との両方を行う場合などには、重切削、軽切削の両方で精度よく加工できるとともに、加工時間を短縮して生産効率を向上することができる。

上記工具ヘッド、工作機械システム、および、工具ヘッドの駆動方法によれば、重切削加工時の剛性を確保しつつ、精度よく且つ迅速に軽切削加工を行うことができる。

この発明の第一実施形態における工作機械システムの概略構成を示す斜視図である。 この発明の第一実施形態における工具ヘッドを示す断面図である。 図２における工具ヘッドのクランプ部および転がり軸受周辺の拡大図であって、クランプ部による非クランプ状態を示している。 図２における工具ヘッドのクランプ部および転がり軸受周辺の拡大図であって、クランプ部によるクランプ状態を示している。 この発明の第一実施形態の変形例における図３に相当する断面図である。 この発明の第一実施形態の変形例における図４に相当する断面図である。 この発明の第二実施形態における図３に相当する断面図である。 この発明の第二実施形態における図４に相当する断面図である。 この発明の第三実施形態における図７に相当する断面図である。 この発明の第三実施形態における図８に相当する断面図である。

以下、この発明の実施形態に係る工具ヘッド、工作機械システム、および、工具ヘッドの駆動方法について説明する。
図１は、この発明の第一実施形態における工作機械システムの概略構成を示す斜視図である。
図１に示すように、この第一実施形態における工作機械システム１００は、工作機械１０１と、工具ヘッド１と、工具Ｔとを備えている。ここで、この第一実施形態においては、いわゆる門形の工作機械１０１を例示しているが、工作機械１０１は、門形に限られるものではない。

工作機械１０１は、一対のコラム１０３と、ベッド１０４と、テーブル１０５と、クロスレール１０８と、サドル１１２と、を備えている。

一対のコラム１０３は、平坦な基面１０２上に配され上方に向かって延びている。これらコラム１０３は、水平方向（図１中、Ｘ方向）に所定の間隔をあけて配置されている。この第一実施形態におけるコラム１０３は、例えば中空な四角柱状に形成されている。一対のコラム１０３各々の前面１０６には、ガイド部材１０７が設けられている。このガイド部材１０７は、上下方向（図１中、Ｚ方向）に延びており、クロスレール１０８を上下にスライド可能に支持している。

ベッド１０４は、基面１０２上で一対のコラム１０３に挟まれるように配置されている。この第一実施形態におけるベッド１０４は、一対のコラム１０３同士の間隔よりも僅かに小さい幅寸法を有している。ベッド１０４は、コラム１０３が並ぶ方向と直交する前後方向（図１中、Ｙ方向）に延びる平板状に形成されている。

テーブル１０５は、ベッド１０４の上面に取り付けられている。このテーブル１０５は、ベッド１０４よりも小さい平板状に形成されている。テーブル１０５は、ベッド１０４に対して前後方向に摺動可能に取り付けられている。このテーブル１０５には、被加工物（ワーク）Ｋが載置される。

クロスレール１０８は、テーブル１０５の上方で、一対のコラム１０３間にわたって取り付けられている。このクロスレール１０８は、その両端部１１４の後面１１７に被ガイド部（図示せず）を備えている。クロスレール１０８は、その被ガイド部がコラム１０３のガイド部材１０７に沿って案内される。また、クロスレール１０８は、サーボモータ等の駆動源（図示せず）によって上下方向に昇降可能となっている。このクロスレール１０８の前面１１０には、ガイド部材１１１が取り付けられている。ガイド部材１１１は、クロスレール１０８の前面１１０の延びる方向と同一方向に延びている。このクロスレール１０８には、サドル１１２が支持される。

サドル１１２は、クロスレール１０８の被ガイド部と同様に、ガイド部材１１１に案内される被ガイド部（図示せず）を備えている。サドル１１２は、クロスレール１０８に対して、被ガイド部を介してガイド部材１１１に沿ってスライド可能に支持されている。このサドル１１２は、サーボモータなどの駆動力によってスライド移動する。このサドル１１２には、工具Ｔを把持する工具ヘッド１が固定されている。

図２は、この発明の第一実施形態における工具ヘッドを示す断面図である。
図２に示すように、この第一実施形態における工具ヘッド１は、基部（本体部）２と、躯体部３と、転がり軸受４と、クランプ部５と、回転軸部６と、予圧部７（図３参照）と、を備えている。工具ヘッド１は、工作機械システム１００のサドル１１２に着脱可能とされるか、又は、サドル１１２と着脱不能に取り付けられている。この工具ヘッド１は、基部２に対して躯体部３が回転可能に支持されるとともに、躯体部３に対して回転軸部６が回転可能に支持されている。

ここで、この第一実施形態における工具ヘッド１は、工具ヘッド１を取り付けるための工作機械システム１００に対して、縦方向、横方向、および、奥行き方向にそれぞれ回動可能に支持されている。つまり、工具ヘッド１は、工作機械システム１００のサドル１１２に対して異なる３軸周りに回動可能となっている。また、躯体部３および回転軸部６は、それぞれ異なる２つの軸周りに回動可能となっている。そのため、工具ヘッド１を備える工作機械システム１００は、いわゆる５軸加工機と称される。

基部２は、軸線Ｏ１回りに回転駆動される駆動軸（図示せず）を有するサドル１１２に固定される。この基部２には、その下方を向く底部８に凹部９が形成されている。この凹部９は、軸線Ｏ１を中心とした円柱状の空間１０を形成している。この空間１０は、凹部９を形成する円形の底面１１と、底面１１の周縁から下方に向かって延びる内周面１２とをそれぞれ備えている。

躯体部３は、基部２に対して転がり軸受４を介して回転可能に支持されている。躯体部３は、外側躯体１４と、内側躯体１５とを備えている。
外側躯体１４は、凸部１６と、対向部１７と、収容部１８と、を備えている。

凸部１６は、上述した基部２の内周面１２よりも僅かに小さい半径を有する円柱状に形成されている。この凸部１６は、凹部９の空間１０内に配される。この凸部１６の外周面１９が、凹部９の内周面１２と対向配置されている。これら外周面１９と内周面１２との間に転がり軸受４が配されている。上述した躯体部３は、この転がり軸受４を介して基部２に対して軸線Ｏ１回りに回転可能に支持されている。

対向部１７は、凸部１６の径方向外側に形成されている。この対向部１７は、凸部１６の基端から径方向外側に向かって延びる環状の面２０を備えている。この面２０は、基部２の底部８の凹部９よりも外側の環状に形成された面２１と対向する。これら面２０と面２１との間にわたるようにして、クランプ部５が設けられている。

収容部１８は、内側躯体１５を収容する。この収容部１８は、内側躯体１５を収容した状態で、軸線Ｏ２回りに内側躯体１５を回転可能に支持している。収容部１８は、内側凹部２３と、支持部２４と、を備えている。つまり、内側躯体１５をこの発明の「躯体部」とした場合、外側躯体１４は、「本体部」に相当する。

内側凹部２３は、外側躯体１４の内周面２５からその径方向外側に向かって凹んでいる。この内側凹部２３は、軸線Ｏ２を中心とする円環状に形成されている。
支持部２４は、内側凹部２３の上下に設けられている。支持部２４は、内周面２５から有段形成されて軸線Ｏ２を中心とし上下に延びる環状の面２６を備えている。
ここで、図２においては、図示都合上、軸線Ｏ２が軸線Ｏ１と同一方向に延びているが、軸線Ｏ２は、必ずしも軸線Ｏ１と同一方向に延びている必要はない。

内側躯体１５は、内側凸部２７と、内側対向部２８と、内側躯体本体部２９と、を備えている。
内側凸部２７は、内側凹部２３の内部に配される。内側凸部２７は、軸線Ｏ２を中心とした径方向に延びる面３０を上下に備えている。これら面３０は、それぞれ内側凹部２３の上面３１、および、下面３２とそれぞれ対向して配置される。これら面３０と上面３１との間、および、面３０と下面３２との間には、それぞれ転がり軸受３３が配されている。これら転がり軸受３３を介して内側躯体１５が外側躯体１４に対して軸線Ｏ２回りに回転可能に支持されている。

内側対向部２８は、内側凸部２７の上下に配されている。これら内側対向部２８はそれぞれ内側凹部２３の支持部２４の面２６に対向する面３４を備えている。これら面３４は、それぞれ内側凸部２７の基端から上下方向に向かって延びている。これら面２６と面３４との間にわたるようにして、内側クランプ部３５が設けられている。

内側躯体本体部２９は、回転軸部６を備えている。この回転軸部６は、内側躯体本体部２９に回転可能に支持されている。この回転軸部６には、切削工具である工具Ｔが着脱可能に固定されている。この第一実施形態における内側躯体本体部２９の回転軸部６には、下側から工具Ｔが挿入されて固定可能となっている。この工具Ｔは、内側躯体１５と共に回動する。ここで、上述した工具Ｔを回転させる動力、外側躯体１４を回転させる動力、および、回転軸部６を回転させる動力は、それぞれサドル１１２に設けられるモータ（図示せず）から伝達されるようにしてもよい。この場合、モータの動力は、図２に示すように、かさ歯車３６ａや平歯車３６ｂなどの歯車により連係された複数のドライブシャフト３７を介して伝達することができる。また、基部２に対する躯体部３の回動、および、外側躯体１４に対する内側躯体１５の回動を行う動力も同様に伝達することができる。

図３は、図２における工具ヘッドのクランプ部および転がり軸受周辺の拡大図であって、クランプ部による非クランプ状態を示している。図４は、図２における工具ヘッドのクランプ部および転がり軸受周辺の拡大図であって、クランプ部によるクランプ状態を示している。

図３に示すように、この第一実施形態における転がり軸受４は、２つのアンギュラ玉軸受４０と、予圧部７と、を備えている。
アンギュラ玉軸受４０は、ラジアル荷重と一方向のアキシアル荷重を負荷することが可能となっている。アンギュラ玉軸受４０は、玉４２と、内輪４４と、外輪４３とを備えている。図３中、ラジアル方向を矢印Ｒａで示し、アキシアル方向を矢印Ａｘで示している。

玉４２は、外側躯体１４の周方向に複数設けられている。これら玉４２は、内輪４４と外輪４３とに相互に作用する荷重を伝達する。

内輪４４は、アキシアル方向（言い換えれば、軸線Ｏ１方向）に隣り合うアンギュラ玉軸受４０の玉４２同士が近づく方向への変位を規制する支持面４５を有している。これら支持面４５は、２つのアンギュラ玉軸受４０の配列方向における内側に漸次高さ（言い換えれば、内輪４４の径方向厚さ）が増加する凹曲面を有している。

外輪４３は、アキシアル方向に隣り合うアンギュラ玉軸受４０の玉４２同士が離間する方向への変位を規制する支持面４６を有している。これら支持面４６は、２つのアンギュラ玉軸受４０の配列方向における外側に向かうほど漸次高さ（言い換えれば、内輪４４のラジアル方向の厚さ）が増加する凹曲面を有している。すなわち、この第一実施形態におけるアンギュラ玉軸受４０の玉４２と内輪４４との接触点、および、玉４２と外輪４３との接触点を結ぶ接触線４７は、ラジアル方向から傾斜した「接触角を有する状態」となっている。この第一実施形態における接触線４７は、ラジアル方向に対して外輪４３側がアキシアル方向外側に配される（言い換えれば、内輪４４側がアキシアル方向の内側に配される）ように傾斜している。つまり、２つのアンギュラ玉軸受４０は、いわゆる背面組合せの配置となっている。

予圧部７は、アンギュラ玉軸受４０の２つの外輪４３に対して、アキシアル方向で互いに離間する方向へ所定の荷重を加える。この予圧部７によって、外輪４３の位置が使用中に変化しても一定の予圧量を確保することができる。この第一実施形態における予圧部７は、コイルばね４８を備えている。コイルばね４８は、２つの外輪４３の間に、圧縮された状態で挟み込まれている。この予圧部７により２つの外輪４３がそれぞれアキシアル方向において互いに離間される方向に付勢されている。２つのアンギュラ玉軸受４０は、予圧部７に付与された予圧によって、玉４２と内輪４４および外輪４３との間の隙間やがたつきが低減されている。これにより、アンギュラ玉軸受４０の剛性が向上されている。

図３、図４に示すように、クランプ部５は、シリンダ室４９と、ピストンヘッド５０と、ロッド５１と、係合部５２と、係合収容溝５３と、を備えている。
シリンダ室４９は、基部２に形成されている。シリンダ室４９は、その内部にピストンヘッド５０をスライド可能に収容している。シリンダ室４９の内部空間は、ピストンヘッド５０によって区画されている。シリンダ室４９には、油などの作動流体が供給されて、ピストンヘッド５０によって区画された各空間の圧力差によってピストンヘッド５０がスライドする。

ピストンヘッド５０は、ロッド５１の第一端部５１ａに形成されている。
ロッド５１は、ピストンヘッド５０からスライド方向に延びている。このロッド５１は、底部８を、シール（図示せず）等を介して摺動可能に貫通している。このロッド５１の第二端部５１ｂには、係合部５２が形成されている。

係合部５２は、ロッド５１の径方向においてロッド５１の直径よりも大きい幅寸法を有している。
係合収容溝５３は、ロッド溝５５と、係合溝５６とを備えている。これらロッド溝５５と係合溝５６とは、それぞれ軸線Ｏ１の周方向に円環状に形成されている。
ロッド溝５５は、ロッド５１の直径よりも僅かに大きく、且つ、係合部５２よりも小さい幅寸法を有している。このロッド溝５５は、ロッド５１を軸線Ｏ１の周方向（言い換えれば、ロッド溝５５の延びる方向）に変位可能に収容している。
係合溝５６は、係合部５２を収容する。この係合溝５６は、係合部５２よりも僅かに大きい幅寸法を有しており、係合部５２を軸線Ｏ１の周方向に変位可能に収容している。

すなわち、クランプ部５は、図４に示すように、作動流体によりピストンヘッド５０を基部２の内側（図４中、矢印方向）に向かって変位させると、係合部５２がロッド溝５５に引っ掛かる。クランプ部５は、更にピストンヘッド５０を基部２の内側に変位させると、基部２に対して外側躯体１４が相対的に近接する方向に変位する。その後、基部２の面２１と外側躯体１４の面２０とが密着して、作動流体の圧力に応じたクランプ力で基部２と外側躯体１４とが固定された状態（以下、単にクランプ状態と称する）となる。

一方で、クランプ状態から、ピストンヘッド５０に作用する作動流体の圧力を低下させると、外側躯体１４がその自重により基部２から軸線Ｏ１方向（図３中、矢印方向）に離間するように変位する。これにより、基部２の面２１と外側躯体１４の面２０との密着すなわち、基部２と外側躯体１４との固定が解除された状態（以下、単に非クランプ状態と称する）となる。

ところで、上述した転がり軸受４の外輪４３は、基部２の内周面１２の底部８側に形成された外輪収容部５７に収容されている。
外輪収容部５７は、２つの外輪４３のアキシアル方向の外側に、ラジアル方向に延びる支持面５８をそれぞれ備えている。この外輪収容部５７の内部において、外輪４３は、アキシアル方向にスライド変位可能に収容されている。

この第一実施形態における工具ヘッド１は、上述した構成を備えている。次に、この工具ヘッド１の作用について説明する。
まず、非クランプ状態においては、基部２の面２１と外側躯体１４の面２０とが僅かに離間した状態となる。つまり、基部２に対して外側躯体１４が軸線Ｏ１回りに回転可能な状態となっている。この状態では、躯体部３の自重は、２つのアンギュラ玉軸受４０のうち、アキシアル方向において底部８とは反対側に配置されるアンギュラ玉軸受４０の玉４２を介して基部２に伝達される。一方で、アキシアル方向において底部８側に配置される外輪４３は、予圧部７のコイルばね４８によって、底部８側に押圧される。つまり、このコイルばね４８の弾性力が底部８側のアンギュラ玉軸受４０のアキシアル方向に作用する。そのため、底部８側のアンギュラ玉軸受４０における隙間やがたつきが解消される。つまり、２つのアンギュラ玉軸受４０による支持剛性が高められる。この非クランプ状態において、被加工物Ｋの軽切削加工が行なわれる。

また、クランプ状態においては、基部２の面２１に外側躯体１４の面２０が押し付けられた状態となる。つまり、基部２に対して外側躯体１４が軸線Ｏ１回りに回転不能な状態になっている。この状態では、クランプ部５による圧縮力が、２つのアンギュラ玉軸受４０のうち、主に、アキシアル方向において底部８側に配置されるアンギュラ玉軸受４０の玉４２に作用する。一方で、アキシアル方向において底部８とは反対側に配置されるアンギュラ玉軸受４０の玉４２には、主に予圧部７による弾性力が作用する。このクランプ状態において、被加工物Ｋの重切削加工がおこなわれる。

上記説明においては、基部２と躯体部３との間のクランプ部５、転がり軸受４、および、予圧部７を一例として説明した。しかし、外側躯体１４と内側躯体１５との間に設けられた内側クランプ部３５、転がり軸受３３、および、転がり軸受３３の予圧部（図示せず）についても、内側躯体１５の自重が作用する方向が異なるだけで、同様の構成である。言い換えれば、内側躯体１５は、クランプ状態から非クランプ状態にする際にも、内側クランプ部３５の液圧により変位される点で異なる。よって繰り返しとなるため、ここでの内側クランプ部３５、転がり軸受３３、および、転がり軸受３３の予圧部についての説明は省略する（以下、変形例および第二、第三実施形態も同様）。

次に、非クランプ時に軽切削加工を可能にするための予圧部７による予圧量の決定方法について説明する。
まず、基部２側から見た工具Ｔの先端（又は主軸の先端）の許容変位量を決定する（ステップＳ０１）。
次に、モータトルクが工具Ｔに作用した際の発生荷重を評価する（ステップＳ０２）。
さらに、上記許容変位量と、上記発生荷重とにより、転がり軸受４、３３の必要剛性を求める（ステップＳ０３）。
発生荷重をＦ［Ｎ］、許容変位量をδ［ｍｍ］とすると、必要剛性Ｋ［Ｎ／ｍｍ］は、Ｋ＝Ｆ／δと表すことができる。

ここで、上記必要剛性は、必要モーメント剛性として以下の式を用いて評価する場合もある。
Ｋ_Ｍ［Ｎ／ｒａｄ］＝Ｍ［Ｎ・ｍ］／θ［ｒａｄ］
ここで、「Ｋ_Ｍ」は必要モーメント剛性、「Ｍ」は発生モーメント荷重、「θ」は許容変位角である。

その後、必要剛性、又は、必要モーメント剛性を満足するための予圧量を、転がり軸受の仕様に応じたマップ、テーブル、数式等を用いて求める。上述した予圧量は、予圧部７において、例えば、コイルばね４８の弾性力を変化させることで調整できる。

したがって、上述した第一実施形態の工具ヘッド１によれば、基部２と躯体部３とをクランプ部５によって固定できるため、転がり軸受４の剛性を増加させずに、回転可能な躯体部３の支持剛性を向上させることができる。さらに、予圧部７によって転がり軸受４のがたつきを抑制できるため、例えば、基部２に対して躯体部３が固定解除された状態であっても、躯体部３に基部２を精度よく位置決めすることができる。その結果、重切削加工時の支持剛性を確保しつつ、精度よく且つ迅速に軽切削加工を行うことができる。

さらに、一つの被加工物Ｋに対して重切削加工と軽切削加工との両方を行う場合などにおける生産効率を向上することができる。
また、転がり軸受４の構造が複雑化したり、部品点数が増加したりすることを抑制できる。そのため、組み立て作業者の負担増加を抑制できる。

次に、この発明の第一実施形態の変形例を図面に基づき説明する。この第一実施形態の変形例は、上述した第一実施形態と、予圧部７の配置が異なるだけであるため、同一部分に同一符号を付して説明するとともに、重複説明を省略する。
図５は、この発明の第一実施形態の変形例における図３に相当する断面図である。図６は、この発明の第一実施形態の変形例における図４に相当する断面図である。

図５に示すように、この第一実施形態の変形例における予圧部７は、２つのアンギュラ玉軸受４０の間ではなく、外輪収容部５７の支持面５８と外輪４３との間に圧縮状態で取り付けられている。より具体的には、この変形例における予圧部７は、アキシアル方向において底部８とは反対側に配置される支持面５８と外輪４３との間に取り付けられている。この予圧部７によって、２つのアンギュラ玉軸受４０がアキシアル方向において底部８側に付勢されている。

したがって、第一実施形態の変形例によれば、転がり軸受４，３３に対して上述した第一実施形態の転がり軸受４，３３と同様に、非クランプ時に予圧を付与して、転がり軸受４，３３に生じる隙間、がたつきを抑制することができる。

次に、この発明の第二実施形態の工具ヘッドを図面に基づき説明する。
この第二実施形態の工具ヘッドは、上述した第一実施形態の工具ヘッドと、転がり軸受４，３３における予圧の付与方法が異なるだけである。そのため、第一実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに、重複説明を省略する。

図７は、この発明の第二実施形態における図３に相当する断面図である。図８は、この発明の第二実施形態における図４に相当する断面図である。
図７、図８に示すように、この第二実施形態における工具ヘッド１は、基部２と、躯体部３と、転がり軸受４と、クランプ部５と、回転軸部６と、予圧部７と、を備えている。

この第二実施形態における予圧部７は、ナット６０を備えている。このナット６０は、基部２の凸部１６、および、内側躯体１５の内側凸部２７にそれぞれネジ作用によって取り付けられている。ナット６０は、転がり軸受４のアキシアル方向に並んで配置される２つの内輪４４を、軸線Ｏ１方向で押圧可能となっている。このナット６０により内輪４４を押圧する力（＝予圧）は、ナット６０の締め込み量によって調整可能となっている。

このナット６０により付与される予圧量は、非クランプ時にアンギュラ玉軸受４０に生じる隙間、および、がたつきを解消する程度の最低限の予圧量とされる。この予圧量は、上述した第一実施形態の予圧量の決定方法を用いることができる。ここで、この第二実施形態においては、クランプ時の外輪４３のアキシアル方向（軸線Ｏ１方向）における変位は、底部８側に配置される玉４２の弾性変形によって許容される。この第二実施形態における転がり軸受４，３３の予圧は、定位置予圧と称されるものである。

したがって、上述した第二実施形態によれば、上述した定位置予圧を用いることで、第一実施形態のようにコイルばね４８等を用いずに非クランプ時の転がり軸受４，３３による支持剛性を確保することができる。その結果、第一実施形態と同様に、重切削加工時の支持剛性を確保しつつ、精度よく且つ迅速に軽切削加工を行うことができる。

次に、この発明の第三実施形態の工具ヘッドを図面に基づき説明する。
この第三実施形態の工具ヘッドは、上述した第二実施形態の工具ヘッドと、転がり軸受４，３３の種類が異なる。そのため、第二実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに、重複説明を省略する。

図９は、この発明の第三実施形態における図７に相当する断面図である。図１０は、この発明の第三実施形態における図８に相当する断面図である。
図９、図１０に示すように、この第三実施形態における工具ヘッド１は、転がり軸受４，３３（図９、図１０中、転がり軸受４のみを図示している）として、二つのアンギュラ玉軸受４０に代えて、一つの４点接触玉軸受１４０を用いている。
４点接触玉軸受１４０は、外輪１４３と、内輪１４４と、玉４２と、を備えている。
外輪１４３と、内輪１４４とは、それぞれラジアル方向でＶ字状に凹む溝部７０を備えている。玉４２は、Ｖ字状に凹む溝部７０によりラジアル方向両側から挟まれることで、外輪１４３に対して２点で接触するとともに、内輪１４４に対して２点で接触している。つまり、玉４２は、合計４点で外輪１４３および内輪１４４に接触することが可能となっている。

この第三実施形態における転がり軸受４，３３は、第二実施形態と同様に、ナット６０によって予圧が付与されている。
すなわち、図９に示すように、第三実施形態における転がり軸受４，３３は、非クランプ時には、ナット６０により予圧が付与されることで、内輪１４４の溝部７０のナット６０側の第一内面７１によって玉４２がアキシアル方向に押圧される。また、玉４２が押圧されることで、外輪１４３の底部８側の第二内面７４が、玉４２によってアキシアル方向に押圧されることとなる。つまり、上述した第一、第二実施形態と同様に、ナット６０による定位置予圧によって、非クランプ時における転がり軸受４，３３の隙間やがたつきが解消可能となる。

一方で、図１０に示すように、クランプ時には、基部２と躯体部３とが軸線Ｏ１方向（アキシアル方向）に近接するように変位する。この際、外輪１４３が、アキシアル方向においてナット６０とは反対側に変位する。そのため、アキシアル方向において第一内面７１とは反対側に配される第二内面７２により玉４２が押圧される。また、玉４２が押圧されることで、アキシアル方向において第二内面７４とは反対側の外輪１４３の第一内面７３が、玉４２によって押圧される。言い換えれば、玉４２は、外輪１４３の第一内面７３と、内輪１４４の第二内面７２との間に挟まれた状態となる。この圧縮力により玉４２が弾性変形して、第一、第二実施形態と同様に、基部２に対して躯体部３が密着固定された状態となる。

したがって、上述した第三実施形態の工具ヘッドによれば、２つのアンギュラ玉軸受４０を用いる場合と比較して、玉４２および、外輪１４３、内輪１４４の数量を削減できる。そのため、装置の小型化や軽量化を図ることができる。

この発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な形状や構成等は一例にすぎず、適宜変更が可能である。

例えば、上述した各実施形態、および、変形例においては、転がり軸受４，３３が玉４２を有する場合を一例にして説明した。しかし、玉４２に限られない。例えば、玉４２に代えて円柱状のコロを用いても良い。この場合、第一、第二実施形態の転がり軸受４，３３は、円錐ころ軸受となる。さらに、第三実施形態の転がり軸受４，３３は、クロスローラー軸受となる。

さらに、上述した第三実施形態においては、内輪１４４が一体に形成されている場合について説明した。しかし、第一内面７１と第二内面７２との間で分割形成されていても良い。

また、上述した第一から第三実施形態および、変形例においては、クランプ部５が、作動流体によりシリンダ室４９内に差圧を発生させる場合について説明した。しかし、クランプ部５は上述した構成に限られず、例えば、空気圧を用いてシリンダ室４９内に差圧を発生させるようにしても良い。

さらに、上述した第一実施形態においては、工具Ｔを回転させる動力をサドル１１２から伝達する場合について説明した。しかし、内側躯体１５にモータを設けて、その動力により工具Ｔを回転させるようにしても良い。同様に、基部２に対する外側躯体１４の回転、および、外側躯体１４に対する内側躯体１５の回転は、それぞれ個別のモータから伝達される動力を用いるようにしても良い。

また、上述した第一実施形態においては、２つの転がり軸受４，３３の両方に予圧部７を設ける場合について説明した。しかし、転がり軸受４，３３のうち何れか一方による非クランプ時の支持剛性が十分得られる場合には、転がり軸受４，３３のうち何れか他方にのみ予圧部７を設けるようにしても良い。

１ 工具ヘッド
２ 基部（本体部）
３ 躯体部
４ 転がり軸受
５ クランプ部（固定部）
６ 回転軸部
７ 予圧部
８ 底部
９ 凹部
１０ 空間
１１ 底面
１２ 内周面
１４ 外側躯体（本体部）
１５ 内側躯体（躯体部）
１６ 凸部
１７ 対向部
１８ 収容部
１９ 外周面
２０ 面
２１ 面
２３ 内側凹部
２４ 支持部
２５ 内周面
２６ 面
２７ 内側凸部
２８ 内側対向部
２９ 内側躯体本体部
３０ 面
３１ 上面
３２ 下面
３３ 転がり軸受
３４ 面
３５ 内側クランプ部
３６ａ かさ歯車
３６ｂ 平歯車
３７ ドライブシャフト
４０ アンギュラ玉軸受
４２ 玉
４３ 外輪
４４ 内輪
４５ 支持面
４６ 支持面
４７ 接触線
４８ コイルばね
４９ シリンダ室
５０ ピストンヘッド
５１ ロッド
５２ 係合部
５３ 係合収容溝
５５ ロッド溝
５６ 係合溝
５７ 外輪収容部
５８ 支持面
６０ ナット
７０ 溝部
７１ 第一内面
７２ 第二内面
７３ 第一内面
７４ 第二内面
１４０ ４点接触玉軸受
１４３ 外輪
１４４ 内輪
Ｋ 被加工物（ワーク）
Ｔ 工具（切削工具）

Claims (3)

1. 本体部と、
   前記本体部に対して転がり軸受を介して回転可能に支持される躯体部と、
   前記躯体部を前記本体部に対して回転不能に固定する一方で、前記本体部に対する前記躯体部の固定を解除可能な固定部と、
   切削工具を着脱可能とされ、前記躯体部に対して回転可能に支持される回転軸部と、
   前記転がり軸受に対して前記転がり軸受のがたつきを抑制する荷重を付与する予圧部と、
   を備える工具ヘッド。
2. 請求項１に記載の工具ヘッドを備え、前記工具ヘッドの回転軸に取り付けられた切削工具によりワークを切削加工する工作機械システム。
3. 請求項１に記載の工具ヘッドの駆動方法であって、
   重切削加工を行う際には、前記固定部により前記躯体部を前記本体部に対して固定し、
   軽切削加工を行う際には、前記固定部により前記躯体部と前記本体部とを固定解除状態にする工具ヘッドの駆動方法。

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