JP4480444B2 - 工作機械の主軸装置 - Google Patents

Description

本発明は、立形又は横形のフライス盤やマシニングセンタ等の主軸の交換を容易にした工作機械の主軸装置に関し、特に主軸内部に加工液を通すスルースピンドルクーラント装置を備えた工作機械の主軸装置に関する。

工作機械の主軸装置は、切削加工中に高速で回転して大きな切削抵抗を受け、軸受が摩耗、損傷したり、主軸内に配設されている工具クランプ用のコレットや皿ばねが破損したりすることがある。このように、主軸装置の故障は、主軸それ自体に発生するのみならず、主軸の内部構造や軸受に発生する。工作機械の使用現場で主軸装置を修理する場合、潤滑、冷却、清掃のための油空圧の配管、モータやリミットスイッチへの電気配線を外し、主軸装置全体を分解し、主軸、主軸内の部品、又は軸受を交換し再組立を行うのが一般的である。この修理作業は大がかりとなり、高度な専門知識と技能が要求され、また多大な時間がかかっていた。そのため、一般的にカートリッジ式主軸と称される主軸と軸受とを一体で取り外せるようにした主軸装置が開発されており例えば、特許文献１等に開示されている。

他方、近時の工作機械では加工時間を短縮するために重切削が求められている。そのために、工具切刃とワークとの間の加工領域は非常に高温となるので、これを効率的に冷却するために、工作機械の主軸内部にクーラントや加圧空気を流通して、主軸先端に装着した工具から加工領域へクーラントや加圧空気を供給するスルースピンドルクーラント装置がある。特許文献２には、こうしたスルースピンドルクーラント装置、及び、スルースピンドルクーラント装置の回転する管路へ固定管路から流体を移送するためのロータリジョイントが開示されている。
特開２００３−１５９６２２号公報 特開平６−２４１３６４号公報

然しながら、特許文献２に開示のロータリージョイントはカートリッジ式の主軸装置に適用することを前提としていないために、カートリッジ式の主軸装置で用いようとすると、主軸がうまく抜き取れなくなる問題がある。つまり、特許文献２のロータリージョイントをカートリッジ式の主軸装置に単純に適用すると、ドローバーのアンクランプ装置の後側にロータリージョイントが設けられることになり、ドローバーが長くなったり、途中で軸受を支持する必要が生じたり、主軸の抜き取りに伴いドローバーを途中で分離できる構造にしなければならなくなる問題がある。

本発明は、こうした従来技術の問題を解決することを技術課題としており、スルースピンドルクーラント装置用のロータリージョイントを備えながら、簡単に分離可能な構造のカートリッジ式の主軸装置を提供することを目的としている。

上述の目的を達成するために、本発明によれば、ハウジングに前部軸受及び後部軸受により回転支持された主軸を有する工作機械の主軸装置であって、前記ハウジングは前部ハウジングと後部ハウジングとに分離可能に締結され、前記前部ハウジングに前記主軸の前部軸受部を組み込み、前記後部ハウジングに前記主軸の後部軸受部を支持し、前記前部ハウジングを前記後部ハウジングから分離したとき、前記前部軸受部、前記主軸及び前記後部軸受部が前記前部ハウジングと一体的に前記後部ハウジングから分離できるようにした工作機械の主軸装置において、
前記主軸の中心軸線に沿って前記主軸内に延設され、前記主軸の先端に装着した工具をクランプするためのドローバーと、
前記中心軸線に沿って前記ドローバーを貫通して形成されたクーラント通路と、
前記ドローバーを前記中心軸線に沿って主軸先端方向に押圧するドローバー駆動ピストンを有し、前記主軸先端に装着した工具をアンクランプするアンクランプ装置と、
前記アンクランプ装置のピストンに形成した凹所内に位置し、前記ドローバーの後端に取付けられた第１シールリングに離接するよう先端に第２シールリングを取付けられ前記主軸の中心軸線に沿って移動可能に設けられたクーラント供給管を有するロータリージョイントと、
を具備し、前記ドローバーが、前記第１シールリングを伴って前記主軸及び前部ハウジングと共に、前記後部ハウジングおよび前記ロータリージョイントから分離されるようにした工作機械の主軸装置が提供される。

本発明によれば、主軸の後端の直後にアンクランプ手段を配設し、該アンクランプ手段のドローバー駆動ピストン内にロータリージョイントを位置させたので、ドローバーの後方への突き出し量または延長量（オーバーハング）を短くすることが可能となり、また、軸受を設けることなくロータリージョイントの回転側のシールリングを構成可能となる。また、ドローバーの後方へ突き出しを短くすることができるので、ドローバーを含めた主軸を短くすることができ、後部ハウジングから容易に分離することが可能となり、主軸の交換作業が簡単、迅速に行える。

以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を説明する。なお、横形マシニングセンタを一例にして本発明の実施形態を説明するが、本発明はこれに限定されず、立形マシニングセンタにも適用可能である。

図１において、横形マシニングセンタの主軸頭１１は、基台をなすベッド（図示せず）に立設、固定されたコラム（図示せず）のＹ軸案内レール１３に沿って上下動する。主軸頭１１の内部にはビルトインモータで回転駆動される主軸１５が前部軸受１７ａ、１７ｂ及び後部軸受１９ａ、１９ｂによって回転支持されている。主軸１５の先端のテーパ孔１５ａには、種々の工具（図示せず）が取り付けられた工具ホルダ２１が交換可能に装着される。

主軸頭１１のハウジングは、前部ハウジング２３と後部ハウジング２５とで構成され、両者は複数のボルト２７で一体的に締結されている。前部ハウジング２３内には、主軸１５の前方部分を回転支持する２個の前部軸受１７ａ、１７ｂが設けられている。左側の前部軸受１７ａの内輪は主軸１５の肩に当接し、内輪用カラーを挟んで右側の前部軸受１７ｂの内輪がナット２９により主軸１５に固定される。そして、右側の前部軸受１７ｂの外輪は前部ハウジング２３の肩に当接し、外輪用カラーを挟んで左側の前部軸受１７ａの外輪が軸受押え３１により固定される。

後部ハウジング２５に形成された穴３５内には、軸受ケース３３が嵌合され、軸受ケース３３内には、主軸１５の後方部分を回転支持する２個の後部軸受１９ａ、１９ｂが設けられている。左側の後部軸受１９ａの内輪は主軸１５の肩に当接し、内輪用カラーを挟んで右側の後部軸受１９ｂの内輪がナット３７により主軸１５に固定される。そして左側の後部軸受１９ａの外輪は軸受ケース３３の肩に当接し、外輪カラーを挟んで右側の後部軸受１９ｂの外輪は軸受押え３９により固定される。

後部ハウジング２５内には、ビルトインモータのステータ４１が設けられ、半径方向の微小すき間を介して主軸１５側にロータ４３が設けられる。ロータ４３は、焼ばめスリーブ４５に焼ばめされ、焼ばめスリーブ４５は主軸１５に焼ばめされる。

主軸１５の先端のテーパ孔１５ａには工具ホルダ２１が挿入され、工具ホルダ２１の後部に設けられたプルスタッド４７がコレット４９に把持される。コレット４９はドローバー５１により軸線方向に進退可能になっている。主軸１５の内周面にスリーブ５３を介して皿ばね５５が多数設けられ、皿ばね５５の右側はカラーを挟んでドローバー５１の後端にねじ止めされたナット５７で規制されている。皿ばね５５はドローバー５１に後方向きの弾性付勢力を付与し、コレット４９が工具ホルダ２１のテーパシャンクを主軸１５のテーパ孔１５ａに密着、クランプする。

後部ハウジング２５の後部には、ドローバー５１を主軸１５の先端方向へ押圧、駆動するためのドローバー駆動手段が設けられており、該ドローバー駆動手段は、後部ハウジング２５の後端に取付けられたドローバー駆動シリンダ６１と、該ドローバー駆動シリンダ６１内で油圧により中心軸線Ｏに沿って往復動作するドローバー駆動ピストン６３とを具備している。ここで、主軸１５の後端部分の拡大断面図である図２を参照すると、ドローバー駆動ピストン６３は、主軸１５の後端に対面する先端面（図２において右端側）にボス状に突出した当接部６３ａと、ドローバー駆動ピストン６３において後方に開口するよう形成された凹所６３ｂと、当接部６３ａから凹所６３ｂまで延設されている通孔６３ｃとが形成されている。ドローバー駆動シリンダ６１には第１と第２の油圧ポート６５、６７が形成されている。

一方、ドローバー５１は、その後端部から中心軸線Ｏに沿って後方へドローバー駆動ピストン６３の通孔６３ｃ内に摺動自在に嵌合するよう延設された延長部分５１ｂと、延長部分５１ｂの基端部において当接部６３ａに当接、離反可能に形成された当接肩部５１ａとを有している。ドローバー５１は、前述したように、主軸１５のテーパ穴１５ａに装着されている工具ホルダ２１をクランプするために皿ばね５５の力で後方に付勢されている。ドローバー駆動シリンダ６１の第１の油圧ポート６５に圧油を供給すると、ドローバー駆動ピストン６３は前方へ移動して、その当接部６３ａがドローバー５１の当接肩部５１ａに当接してドローバー５１を前方へ押圧する。これにより、ドローバー５１を介してコレット４９が前方へ移動する。するとコレット４９の先端部はスリーブ５３の内径の大きい箇所に位置することになり、コレット４９とプルスタッド４７との係合が外れ、工具ホルダ２１はアンクランプされる。

更に、図２を参照すると、ドローバー５１は、その後端にシールリング６９が取付けられると共に、その中心軸線Ｏに沿ってクーラント通路５１ｃが形成されている。クーラント通路５１ｃには、後述するように、ドローバー駆動ピストン６３に組み込まれているロータリージョイント１００からクーラントが供給される。このクーラントは、クーラント通路５１ｃから、工具ホルダ２１及び工具Ｔに形成されている通路２１ａ、Ｔａを介して、クーラントを工具Ｔの切刃（図示せず）とワーク（図示せず）との間の加工領域へ噴出される。

ロータリージョイント１００は、ドローバー駆動ピストン６３の凹所６３ｂ内に配設されたシリンダ１０１と、該シリンダ１０１内において中心軸線Ｏに沿って往復移動可能に設けられたピストン１０３とを具備している。ピストン１０３は、クーラント供給管１０５に一体的に鍔状に形成されており、該ピストン１０３により、シリンダ１０１の内部空間は、空圧室１０７と、ばね室１０９とに分割される。ばね室１０９内にはピストン１０３及びクーラント供給管１０５を後方に付勢するコイルばね１１５が配設されている。また、シリンダ１０１には空圧室１０７に圧縮空気を供給する空圧ポート１０１ａが形成されており、該空圧ポート１０１ａは外部空圧源（図示せず）に接続されており、前記空圧源から圧縮空気を空圧室１０７内に供給し、また空圧室１０７内の空気を排出することが可能となっている。

クーラント供給管１０５は、その先端にドローバー５１のシールリング６９に対面するように取付けられたシールリング１１３と、中心軸線Ｏに沿って形成されたクーラント通路１０５ａと、クーラント供給管１０５の後端に隣接する部分でクーラント通路１０５ａに開口するように半径方向に形成された複数の、図２に実施形態では４つの半径通路１０５ｂ、クーラント供給管１０５の後端に形成された締切弁１０５ｃとを有している。また、シリンダ１０１の後端面には、クーラント供給管１０５を外部のクーラント供給装置（図示せず）に接続するためのホース（図示せず）を繋ぐための継手部材１１１が連結されている。継手部材１１１は、クーラント供給管１０５の半径通路１０５ｂを含む後端部分を収容する内部空間１１１ａと、継手部材１１１の後端から該内部空間１１１ａへ延び前記ホースの一端が結合される入口ポート１１１ｂとを有して概ね円筒状に形成されている。入口ポート１１１ｂの内径は、内部空間１１１ａの内径よりも小さくなっており、入口ポート１１１ｂと内部空間１１１ａとの間に、クーラント供給管１０５の締切弁１０５ｃが着座する弁座１１１ｃが形成される。

以下、本実施形態の作用を説明する。
第１の油圧ポート６５に外部の油圧源（図示せず）から作動油を供給すると共に、第２の油圧ポート６７から作動油を前記油圧源に回収することにより、ドローバー駆動ピストン６３が図１、２において左方へ前進する。これにより、ドローバー駆動ピストン６３の当接部６３ａが、ドローバー５１の当接肩部５１ａに当接し、ドローバー５１は、皿ばね５５の付勢力に抗して図１、２において左方へ前進して、主軸１５の先端のテーパ穴１５ａに装着されている工具ホルダ２１と共に工具Ｔがアンクランプされる。反対に第２の油圧ポート６７へ作動油を供給すると共に、第１の油圧ポート６５から作動油を回収することにより、ドローバー駆動ピストン６３は後退し、ドローバー５１は皿ばね５５の付勢力によって後方（図１、２において右方）へ移動する。これにより、ドローバー５１の先端のコレット４９が工具ホルダ２１のプルスタッド４７を把持しながら、工具ホルダ２１をテーパ穴１５ａ内に引き込み、工具ホルダ２１および工具Ｔが主軸１５の先端にクランプされる。

次いで、工具Ｔによる加工開始に先立って、ロータリージョイント１００のシリンダ１０１の空圧ポート１０１ａに圧縮空気が供給され、ピストン１０３およびクーラント供給管１０５が、コイルばね１１５の付勢力に抗して図２において左方へ付勢され、クーラント供給管１０５は、その先端に取付けられているシールリング１１３において、ドローバー５１の後端に取付けられているシールリング６９に当接し、ロータリージョイント１００のクーラント供給管１０５のクーラント通路１０５ａがドローバー５１のクーラント通路５１ｃに連通する。これと同時に、クーラント供給管１０５の後端の締切弁１０５ｃが弁座１１１ｃから離反し、継手部材１１１の入口ポート１１１ｂに接続されているホース（図示せず）および半径通路１０５ｂを介してクーラント供給管１０５のクーラント通路１０５ａが外部のクーラント供給源と連通する。従って、クーラント供給源から供給されるクーラントが、前記ホース、入口ポート１１１ｂ、半径通路１０５ｂ、クーラント通路１０５ａ、クーラント通路５１ｃ、工具ホルダ２１及び工具Ｔに形成されている通路２１ａ、Ｔａを介して、クーラントを工具Ｔの切刃とワークとの間の加工領域へ噴出される。２つのシールリング１１３、６９の間から漏洩するクーラントは、ドローバー５１の延長部分５１ｂとドローバー駆動ピストン６３の通孔６３ｃとの間の隙間から、後部ハウジング２５内に若干流入するが、これは後部ハウジング２５にドレン２５ａを適宜形成することにより回収することができる。

一方、前部ハウジング２３は、ボルト２７を緩め前部ハウジング２３を前方へ引くと、前部ハウジング２３は、前部軸受１７ａ、１７ｂを介して主軸１５と一体の状態で後部ハウジング２５から分離される。このとき主軸１５にはロータ４３、後部軸受１９を内蔵した軸受ケース３３及び工具ホルダ２１、コレット４９、ドローバー５１、皿ばね５５等で成る主軸１５の内蔵物が付属している。この前部ハウジング２３と一体的に取り出すことのできる部分を前部ハウジングユニットと称する。更に、このとき、ドローバー５１はシールリング６９を伴って主軸１５と共に引き抜かれ、この部分でドローバー５１はクーラント供給管１０５から分離される。すなわち、上述したクーラント供給源から加工領域へ至る、前記ホース、入口ポート１１１ｂ、半径通路１０５ｂ、クーラント通路１０５ａ、クーラント通路５１ｃ、工具ホルダ２１の通路２１ａ及び工具Ｔの通路Ｔａから成るクーラント供給経路は、ドローバー５１のシールリングと、クーラント供給管１０５のシールリング１１３との間で分離される。

本実施形態では、ロータリージョイント１００がピストン６３の凹所６３ｂに固定されている場合を示したが、ロータリージョイント１００がシリンダ６１からブラケットで支持されており、ピストン６３の凹所６３ｂ内にピストン６３とは独立して位置している構造であってもよい。

また、本実施形態では、横形マシニングセンタの前部ハウジングユニットを手動で後部ハウジング２５から引き抜く構造を一例として説明したが、本発明は、これに限定されず、立形のマシニングセンタの主軸装置にも適用可能である。すなわち、テーブル上に治具を介して立形主軸装置の前部ハウジングのフランジ相当部材を固定し、上下方向のＺ軸の送り動作を利用して、横形マシニングセンタと同様に前部ハウジングユニットを後部ハウジングから抜き出すことができる。マシニングセンタやＮＣ工作機械に限らず、手動で送り動作を行う汎用工作機械にも本発明は適用できる。

本発明の工作機械の主軸装置の断面図である。 主軸の後端部分の拡大断面図であり、本発明の好ましい実施形態によるロータリージョイントを示す図である。

符号の説明

１１ 主軸頭
１５ 主軸
１７ａ 前部軸受
１７ｂ 前部軸受
１９ａ 後部軸受
１９ｂ 後部軸受
２１ 工具ホルダ
２３ 前部ハウジング
２５ 後部ハウジング
４７ プルスタッド
４９ コレット
５１ ドローバー
５５ 皿ばね
６１ ドローバー駆動シリンダ
６３ ドローバー駆動ピストン
６９ シールリング
１００ ロータリージョイント
１０１ シリンダ
１０３ ピストン
１０５ クーラント供給管
１１３ シールリング

Claims (1)

1. ハウジングに前部軸受及び後部軸受により回転支持された主軸を有する工作機械の主軸装置であって、前記ハウジングは前部ハウジングと後部ハウジングとに分離可能に締結され、前記前部ハウジングに前記主軸の前部軸受部を組み込み、前記後部ハウジングに前記主軸の後部軸受部を支持し、前記前部ハウジングを前記後部ハウジングから分離したとき、前記前部軸受部、前記主軸及び前記後部軸受部が前記前部ハウジングと一体的に前記後部ハウジングから分離できるようにした工作機械の主軸装置において、
   前記主軸の中心軸線に沿って前記主軸内に延設され、前記主軸の先端に装着した工具をクランプするためのドローバーと、
   前記中心軸線に沿って前記ドローバーを貫通して形成されたクーラント通路と、
   前記ドローバーを前記中心軸線に沿って主軸先端方向に押圧するドローバー駆動ピストンを有し、前記主軸先端に装着した工具をアンクランプするアンクランプ装置と、
   前記アンクランプ装置のピストンに形成した凹所内に位置し、前記ドローバーの後端に取付けられた第１シールリングに離接するよう先端に第２シールリングを取付けられ、前記主軸の中心軸線に沿って移動可能に設けられたクーラント供給管を有するロータリージョイントと、
   を具備し、前記ドローバーが、前記第１シールリングを伴って前記主軸及び前部ハウジングと共に、前記後部ハウジングおよび前記ロータリージョイントから分離されることを特徴とした工作機械の主軸装置。

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