JP2021122862A - 主軸装置 - Google Patents

Abstract

【課題】振動の発生をより抑制できる主軸装置を提供する。【解決手段】主軸装置は、主軸と、ドローバー６と、ばね部材８と、カラー部材としての中間カラー７１とを備えている。主軸は、先端である前側に工具を取り付け可能であり、軸方向に中空孔が形成されている。ドローバー６は、主軸の中空孔内に、軸方向に移動可能に配置されている。ばね部材８は、ドローバー６の径方向外側に配置されており、ドローバー６を軸方向後側に付勢する。中間カラー７１は、ドローバー６の径方向外側に配置され、ばね部材８の軸方向の端面に接触しており、円筒状を呈している。そして、ばね部材８に接触する中間カラー７１の軸方向の端面は、一の平面である端部平面９上に存在している。また、端部平面９は、ドローバー６の中心軸９３に垂直な平面９４に対して傾斜している。【選択図】図３

Description

本発明は、主軸装置に関する。

ハウジングに回転可能に支持された主軸内に、ドローバーを軸心方向へ進退動可能でかつばね部材により常時後退する側に付勢された状態で挿入した主軸装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

このような主軸装置では、駆動手段によってドローバーをばね部材の付勢力に抗して前進させることで、主軸先端に組み付けられたコレットチャックが解放動作して工具がアンクランプされる。一方、工具が主軸先端に挿入された状態で、駆動手段によるドローバーへの前進押圧力を解除すると、ばね部材によるドローバーの後退動よってコレットチャックが係合動作して工具がクランプされる。

特開２００２−８６３０４号公報

主軸装置においては、ドローバーと、該ドローバーの径方向外側に配置されたばね部材との間には、小さな隙間が設けられている。これは、ばね部材の内径の寸法精度を製造上あまり高くできないこと、およびばね部材のスムーズな伸縮動作を確保すること等の理由からである。このため、主軸の回転による遠心力や、工具交換時に繰り返されるばね部材の伸縮動作によって、ばね部材が主軸の半径方向にずれるおそれがあった。

これに対して、特許文献１に記載の主軸装置では、ドローバー上に巻装されたばね部材と該ばね部材に対して軸方向に接触する担持部材（カラー部材）との接触面が、円錐面状のテーパ形状に加工されている。これにより、カラー部材のテーパ面とばね部材のテーパ面部との接触による所謂くさび作用によって、ばね部材の端部が主軸の半径方向にずれることを防止している。

しかしながら、特許文献１に記載の主軸装置では、テーパ形状の接触面によって、ばね部材の軸方向の端部が保持されるものの、ばね部材の軸方向の中央部は保持されておらずフリーな状態である。したがって、例えば主軸の回転による遠心力やばね部材の伸縮動作によって、ばね部材が軸方向に真直な状態を保てずに、中央部で曲がってしまう場合がある。これにより、ばね部材が部分的に主軸の半径方向にずれてしまう。このため、主軸の回転バランスが変化してしまって、主軸の振動を招くおそれがある。

本発明は、前記した事情に鑑みてなされたものであり、振動の発生をより抑制できる主軸装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明に係る主軸装置は、主軸と、ドローバーと、ばね部材と、カラー部材とを備えている。前記主軸は、先端である前側に工具を取り付け可能であり、軸方向に中空孔が形成されている。ドローバーは、前記主軸の前記中空孔内に、軸方向に移動可能に配置されている。前記ばね部材は、前記ドローバーの径方向外側に配置されており、前記ドローバーを軸方向後側に付勢する。前記カラー部材は、前記ドローバーの径方向外側に配置され、前記ばね部材の軸方向の端面に接触しており、円筒状を呈している。そして、前記ばね部材に接触する前記カラー部材の軸方向の端面は、一の平面である端部平面上に存在している。また、前記端部平面は、前記ドローバーの中心軸に垂直な平面に対して傾斜している。

本発明によれば、振動の発生をより抑制できる主軸装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る主軸装置が搭載された工作機械の概略構成を示す側面図である。 主軸装置の構成を示す断面図である。 カラー部材およびばね部材周辺の模式的な拡大断面図である。 本発明の第２実施形態に係るカラー部材およびばね部材周辺の模式的な拡大断面図である。

本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、各図において、共通する構成要素や同種の構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を適宜省略する。また、部材のサイズおよび形状は、説明の便宜のため、変形または誇張して模式的に表す場合がある。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る主軸装置１が搭載された工作機械１００の概略構成を示す側面図である。以下、説明の都合上、工具Ｔが取り付けられる側を「先端」側または「前」側、その反対側を「基端」側または「後」側と呼ぶ場合がある。

図１に示すように、本実施形態では、工作機械１００は、主軸装置１の主軸２（図２参照）が水平方向に沿うように配置される横形の工作機械である。工作機械１００は、ベース１０１と、コラム１０２と、主軸装置１と、ワーク支持装置１０３と、制御盤１０４とを備えている。

ベース１０１上には、コラム１０２がベース１０１に対してＸ軸方向（図１の紙面に直交する方向）に移動可能に設けられている。このコラム１０２は、ベース１０１に取り付けられたモータ（図示せず）によるねじ軸（図示せず）の正逆回転によってねじ送りされることで、Ｘ軸方向に沿って移動させられる。主軸装置１は、コラム１０２に対してＹ軸方向（上下方向）に移動可能に設けられている。この主軸装置１は、コラム１０２に取り付けられたモータ（図示せず）によるねじ軸（図示せず）の正逆回転によってねじ送りされることで、Ｙ軸方向に沿って移動させられる。

ワーク支持装置１０３は、加工対象のワークＷを支持する。ワーク支持装置１０３は、ベース１０１に対してＺ軸方向（前後方向）に移動可能に設けられている。このワーク支持装置１０３は、ベース１０１に取り付けられたモータ（図示せず）によるねじ軸（図示せず）の正逆回転によってねじ送りされることで、Ｚ軸方向に沿って移動させられる。また、ワーク支持装置１０３は、Ｚ軸方向に移動可能なキャリッジ（図示せず）と、キャリッジに取り付けられてワークＷを保持するＸ軸に平行な軸のまわりで回転可能な保持部（図示せず）とを備えている。

工作機械１００は、主軸装置１の回転する主軸２の先端に取り付けた工具Ｔによって、ワークＷに対して加工を行う。制御盤１０４は、工作機械１００の各部の動作を統括的に制御する。

図２は、主軸装置１の構成を示す断面図である。
図２に示すように、主軸装置１は、先端に工具ホルダ１１を介して工具Ｔを取り付け可能な主軸２を備えている。主軸２の先端部には工具Ｔを固定した工具ホルダ１１が取り外し可能に装着されている。

また、主軸装置１は、主軸２の径方向外側に配置された円筒状を呈するハウジング３と、主軸２を回転させるモータ５とを備えている。モータ５は、主軸２の外周面に外嵌されたロータ５１と、該ロータ５１の周囲に配置されハウジング３の内周面に固定されたステータ５２とを有している。

また、主軸装置１は、主軸２の前側および後側にそれぞれ配置された軸受４１，４２を備えている。ここで、前側とは、主軸２の工具Ｔが取り付けられる側である。軸受４１，４２は、主軸２をハウジング３に対して回転自在に支持する。軸受４１は、確実な静剛性を得るために複数個（ここでは４個）設置されるのが好ましい。軸受４１，４２としては、ここでは、玉軸受やころ軸受等のころがり軸受が使用されている。

主軸２の内部には、該主軸２の軸方向（以下、単に「軸方向」ともいう）に貫通した中空孔２１が形成されている。この中空孔２１の先端部（図２において左側）に、工具ホルダ１１のテーパ形状のシャンク部１２と相補形状を呈するテーパ孔２２が形成されている。

主軸２は、主軸２の中空孔２１内に、軸方向に移動可能に配置されたドローバー６を有している。ドローバー６の先端部は、工具ホルダ１１の基端部に設けられたプルスタッド１３に対して、鋼球６１を介して係止可能に構成されている。ドローバー６の基端部には金具６２が固定されている。この金具６２と、主軸２の中空孔２１の内周面に形成された段部２３との間には、カラー部材７およびナット部材６３を介して、ばね部材８が装着されている。

ばね部材８の弾性力によりドローバー６が図２の右方に移動されると、鋼球６１によってプルスタッド１３が引き込まれ、工具ホルダ１１のシャンク部１２が主軸２のテーパ孔２２に圧接されて把持される。一方、金具６２がばね部材８の弾性力に抗して前方に押動されると、ドローバー６の先端部および鋼球６１による工具ホルダ１１のプルスタッド１３の保持が解除される。そして、図示しない自動工具交換装置によって、工具Ｔおよび工具ホルダ１１の交換動作が行われるようになっている。

図３は、カラー部材７およびばね部材８周辺の模式的な拡大断面図である。
図３に示すように、ばね部材８は、主軸２（図２参照、以下同様）の軸方向に前側から順に並んで配置された前ばね８１および後ばね８２を有している。カラー部材７は、前ばね８１と後ばね８２との間に配置された中間カラー７１と、前ばね８１の前側に配置された前カラー７２とを有している。主軸２、ドローバー６、およびカラー部材７は、共通の中心軸９３を有している。

すなわち、ドローバー６には、前側から、前カラー７２、前ばね８１、中間カラー７１、後ばね８２、ナット部材６３がこの順に互いに接触して軸方向に挿入されている。前カラー７２と中間カラー７１とは、ドローバー６の外周面に軸方向に摺動可能に嵌合されている。前ばね８１と後ばね８２とは、ドローバー６の外周面に小さな隙間をもって軸方向に摺動可能に設置されている。ナット部材６３は、ドローバー６の後端部に螺合されている。ナット部材６３がドローバー６にねじ締結されて固定されることよって、ばね部材８（前ばね８１および後ばね８２）が圧縮させられる。

ばね部材８としては、いわゆる螺旋皿ばねが使用されている。螺旋皿ばねは、皿ばね状の２つの独立したコイルスプリングが二重螺旋状に配置されて構成されている。ここでは、前ばね８１が右巻きの螺旋皿ばねであり、後ばね８２が左巻きの螺旋皿ばねであるが、逆であってもよい。つまり、前ばね８１と後ばね８２とに、巻き方向が反対の対称形の一対の螺旋皿ばねが用いられている。これは、螺旋皿ばねを圧縮すると螺旋を解放する方向に捩じれが生じる性質があるので、この捩じれを相殺して打ち消すためである。この場合、前ばね８１と後ばね８２との間に配置された中間カラー７１がドローバー６上で回動して捩じれを吸収する。

前ばね８１に接触する中間カラー７１の前側の端面７３は、一の平面である第１の端部平面９１上に存在している。また、後ばね８２に接触する中間カラー７１の後側の端面７４は、一の平面である第２の端部平面９２上に存在している。

第１の端部平面９１と第２の端部平面９２とは端部平面９と総称する。端部平面９（第１の端部平面９１および第２の端部平面９２）は、ドローバー６の中心軸９３に垂直な平面９４に対して傾斜している。そして、第１の端部平面９１と第２の端部平面９２とは、平行に設定されている。平面９４に対する端部平面９（第１の端部平面９１および第２の端部平面９２）の傾斜角度θは、適宜な値（例えば１〜２０度）に設定される。

前カラー７２における前側の端面７５および後側の端面７６はいずれも、ドローバー６の中心軸９３に対して垂直に設定されている。

次に、主軸装置１が搭載された工作機械１００の動作について説明する。
工具交換を行う場合、図２に示す金具６２がばね部材８の弾性力に抗して前方に押動される。これにより、ドローバー６の先端部および鋼球６１による工具ホルダ１１のプルスタッド１３の保持が解除される。この状態で、図示しない自動工具交換装置によって、工具Ｔおよび工具ホルダ１１の交換が行われる。新しい工具Ｔおよび工具ホルダ１１が主軸２の先端にセットされた後、金具６２に対する前方への押動が解除されると、ばね部材８の弾性力によりドローバー６が図２の右方に移動される。これにより、鋼球６１によってプルスタッド１３が引き込まれ、工具ホルダ１１のシャンク部１２が主軸２のテーパ孔２２に圧接されて把持される。このようにして、主軸２の先端に工具ホルダ１１を介して工具Ｔが取り付けられる。続いて、操作部（図示せず）を通して運転開始が指示されると、モータ５が駆動させられて、主軸２が回転する。そして、図１に示すように、ワークＷと工具Ｔとが相対移動することによって、ワークＷに対する加工が行われる。

前記した本実施形態に係る主軸装置１は、図２に示すように、主軸２と、ドローバー６と、ばね部材８と、カラー部材７（中間カラー７１）とを備えている。主軸２は、先端である前側に工具Ｔを取り付け可能であり、軸方向に中空孔２１が形成されている。ドローバー６は、主軸２の中空孔２１内に、軸方向に移動可能に配置されている。ばね部材８は、ドローバー６の径方向外側に配置されており、ドローバー６を軸方向後側に付勢する。中間カラー７１は、ドローバー６の径方向外側に配置され、ばね部材８の軸方向の端面に接触しており、円筒状を呈している。そして、図３に示すように、ばね部材８に接触する中間カラー７１の軸方向の端面は、一の平面である端部平面９上に存在している。また、端部平面９は、ドローバー６の中心軸９３に垂直な平面９４に対して傾斜している。

このような本実施形態では、ばね部材８に接触する中間カラー７１の軸方向の端面は、ドローバー６の中心軸９３に垂直な平面９４に対して傾斜した一の平面である端部平面９上に存在している。つまり、ばね部材８に接触する中間カラー７１の軸方向の端面は、ドローバー６の中心軸９３に垂直な平面９４に対して傾斜した平面を構成している。

ばね部材８の端面が中間カラー７１の傾斜した端面に接触して押圧力を受けると、ばね部材８の端面を中間カラー７１の傾斜した端面に全体的に密着させて沿わせる方向にばね部材８を変形させる曲げ力が発生する。また、ばね部材８に作用する中間カラー７１からの反力には、中間カラー７１の端面の傾斜角度θに応じた半径方向の分力が成分として含まれているため、主軸２の半径方向にばね部材８を移動させる押付け力が発生する。このように、ばね部材８は、一定の方向に曲げられること、および／または一定の半径方向に押し付けられることで、正規の位置から敢えてずらした一定のセット状態に保たれることになる。このため、主軸２の回転による遠心力や工具交換時のばね部材８の伸縮動作等によって、ばね部材８が一旦セットされた状態から主軸２の半径方向にさらにずれてしまうことが抑制される。これにより、主軸２の回転バランスが変化して主軸２の振動を招くことが抑制される。なお、一般に、ばね部材８がセットされた後に、主軸２に例えばウエイトを取り付ける等して、主軸２のバランス調整が行われる。
したがって、本実施形態によれば、振動の発生をより抑制できる主軸装置１を提供することができる。

また、本実施形態では、ばね部材８は、主軸２の軸方向に前側から順に配置された前ばね８１および後ばね８２を有している。カラー部材７は、前ばね８１と後ばね８２との間に配置された中間カラー７１を有している。前ばね８１に接触する中間カラー７１の前側の端面７３は、一の平面である第１の端部平面９１上に存在している。後ばね８２に接触する中間カラー７１の後側の端面７４は、一の平面である第２の端部平面９２上に存在している。そして、第１の端部平面９１と第２の端部平面９２とは、平行に設定されている。

この構成では、前ばね８１の曲がり方向、および前ばね８１を半径方向に移動させる押付け力の方向と、後ばね８２の曲がり方向、および後ばね８２を半径方向に移動させる押付け力の方向とが、それぞれ逆になる。したがって、敢えてずらした一定のセット状態において、前ばね８１のずれと後ばね８２のずれとが、回転バランスを相殺する方向に生じる。これにより、主軸２に例えばウエイトを取り付ける等して行う主軸２のバランス調整は、少しの調整量で済むため容易に行うことができる。

（第２実施形態）
次に、図４を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。
図４は、本発明の第２実施形態に係るカラー部材７ａおよびばね部材８周辺の模式的な拡大断面図である。
以下、本発明の第２実施形態について、前記した第１実施形態と相違する点を主に説明し、共通する構成要素や同種の構成要素については、同一の符号を付して説明を適宜省略する。

第２実施形態では、前ばね８１に接触する中間カラー７１ａの前側の端面７３ａは、一の平面である第１の端部平面９１ａ上に存在している。後ばね８２に接触する中間カラー７１ａの後側の端面７４ａは、一の平面である第２の端部平面９２ａ上に存在している。第１の端部平面９１ａと第２の端部平面９２ａとは、ドローバー６の中心軸９３に垂直な平面９４に対して傾斜角度θだけ、互いに逆方向に傾斜している。つまり、第１の端部平面９１ａと第２の端部平面９２ａとは、中間カラー７１ａの軸方向中心７７を通り、かつドローバー６の中心軸９３に垂直な平面９４に対して面対称に設定されている。

この構成では、前ばね８１の曲がり方向、および前ばね８１を半径方向に移動させる押付け力の方向と、後ばね８２の曲がり方向、および後ばね８２を半径方向に移動させる押付け力の方向とが、それぞれ同じになる。この場合においても、ばね部材８が一旦セットされた状態から主軸２の半径方向にさらにずれてしまうことが抑制される。

以上、本発明について、実施形態に基づいて説明したが、本発明は、前記実施形態に記載した構成に限定されるものではない。本発明は、前記実施形態に記載した構成を適宜組み合わせ乃至選択することを含め、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜その構成を変更することができるものである。また、前記実施形態の構成の一部について、追加、削除、置換をすることができる。

例えば、前記した実施形態では、ばね部材８は、前ばね８１および後ばね８２を有しているが、一つのばねで構成されて、中間カラー７１，７１ａが省略されてもよい。
この場合、ばね部材８の前側の端面に接触する前カラー７２の後側の端面が一の平面である端部平面上に存在し、該端部平面が、ドローバー６の中心軸９３に垂直な平面に対して傾斜するように構成されるとよい。
あるいは、ばね部材８の後側に後カラーを配置し、該後カラーの前側の端面が一の平面である端部平面上に存在し、該端部平面が、ドローバー６の中心軸９３に垂直な平面に対して傾斜するように構成されてもよい。あるいは、後カラーを配置することに代えて、ナット部材６３の前側の端面が一の平面である端部平面上に存在し、該端部平面が、ドローバー６の中心軸９３に垂直な平面９４に対して傾斜するように構成されてもよい。この場合、ナット部材６３は、本発明のカラー部材としても機能することになる。

また、前ばね８１の前側に配置された前カラー７２は省略されてもよい。この場合、前ばね８１の前側の端面は、主軸２の中空孔２１の内周面に形成された段部２３に直接接触することになる。

また、前記した実施形態では、主軸装置１が横形の工作機械１００に搭載される場合について説明したが、これに限定されるものではない。主軸装置１は、縦形の工作機械等の各種の工作機械に搭載可能である。つまり、使用状態においては、主軸装置１の設置方向が、図１に示す方向と異なっていてもよい。

１ 主軸装置
２ 主軸
２１ 中空孔
６ ドローバー
７，７ａ カラー部材
７１，７１ａ 中間カラー
７２ 前カラー
７３，７３ａ 前側の端面
７４，７４ａ 後側の端面
７７ 軸方向中心
８ ばね部材
８１ 前ばね
８２ 後ばね
９ 端部平面
９１，９１ａ 第１の端部平面
９２，９２ａ 第２の端部平面
９３ 中心軸
９４ 平面
Ｔ 工具

Claims (3)

1. 先端である前側に工具を取り付け可能であり、軸方向に中空孔が形成された主軸と、
   前記主軸の前記中空孔内に、軸方向に移動可能に配置されたドローバーと、
   前記ドローバーの径方向外側に配置され、前記ドローバーを軸方向後側に付勢するばね部材と、
   前記ドローバーの径方向外側に配置され、前記ばね部材の軸方向の端面に接触する円筒状のカラー部材と、を備え、
   前記ばね部材に接触する前記カラー部材の軸方向の端面は、一の平面である端部平面上に存在しており、
   前記端部平面は、前記ドローバーの中心軸に垂直な平面に対して傾斜している
   ことを特徴とする主軸装置。
2. 前記ばね部材は、前記主軸の軸方向に前側から順に配置された前ばねおよび後ばねを有し、
   前記カラー部材は、前記前ばねと前記後ばねとの間に配置された中間カラーを有し、
   前記前ばねに接触する前記中間カラーの前側の端面は、一の平面である第１の端部平面上に存在しており、
   前記後ばねに接触する前記中間カラーの後側の端面は、一の平面である第２の端部平面上に存在しており、
   前記第１の端部平面と前記第２の端部平面とは、平行に設定されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の主軸装置。
3. 前記ばね部材は、前記主軸の軸方向に前側から順に配置された前ばねおよび後ばねを有し、
   前記カラー部材は、前記前ばねと前記後ばねとの間に配置された中間カラーを有し、
   前記前ばねに接触する前記中間カラーの前側の端面は、一の平面である第１の端部平面上に存在しており、
   前記後ばねに接触する前記中間カラーの後側の端面は、一の平面である第２の端部平面上に存在しており、
   前記第１の端部平面と前記第２の端部平面とは、前記中間カラーの軸方向中心を通り前記ドローバーの中心軸に垂直な平面に対して面対称に設定されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の主軸装置。

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