JP5562410B2 - 工作機械の主軸装置 - Google Patents

Description

本発明は、ドローバーを用いて工具ホルダを主軸に装着する工作機械の主軸装置に関する。

エンドミル、ドリル、ボーリングバーなどの工具は、工具ホルダを介して工作機械の主軸装置に装着され、テーブル上に固定されたワークに対して、所定の回転速度で回転しながら相対的に移動することにより、ワークを所望の形状に加工する。主軸装置は、ハウジング内に回転可能に支持された筒状の主軸と、主軸内に設けられ、主軸後方へ移動することにより主軸の先端に工具ホルダを引き込んでクランプするドローバーと、を備えている。主軸装置の従来の一例が、特許文献１及び２で開示されている。
特許文献１に開示の主軸装置は、ドローバーを主軸前方へ移動させることにより、クランプした工具ホルダをアンクランプするアンクランプ装置（ドローバー駆動手段）を備えている。特許文献１の段落番号００１４には、アンクランプ装置が、ドローバー駆動シリンダと、ドローバーを主軸前方に向けて押圧するドローバー駆動ピストンと、を有することが記載されている。
特許文献２には、主軸の伸びを後方を逃がすことができる軸受を有する工作機械の主軸装置が開示されている。特許文献２の段落番号００１５には、主軸の先端側の主要部が一対のアンギュラ玉軸受で回転自在に支承され、主軸の後端側の延長部がラジアル玉軸受で回転自在に支承されていることが記載されている。また、段落番号００１８には、ラジアル玉軸受の外輪の内周面には軌道溝が形成され、内輪の外周面には軌道溝がない平坦面が形成され、内輪が軸方向に移動可能であることが記載されている。

特開２００５−２８８６０９号公報 特許第３０８０２５３号

ドローバーの引込力により、工具ホルダを介して工具を主軸先端に装着する従来の主軸装置では、特許文献１で開示されているように、クランプした工具ホルダをアンクランプするために、ドローバーを主軸前方に向けて押圧するアンクランプ装置が、主軸の後部の外側に配置されている。すなわち、主軸とアンクランプ装置とが直列に配置されている。特許文献２も同様である。
しかしながら、アンクランプ装置が主軸の後部の外側に配置されると、その分だけ主軸装置の全長が長くなるという問題がある。主軸装置の全長が長いと、主軸装置の支持点と主軸先端に装着された工具に作用する切削力の作用点との距離が長くなり、主軸装置の支持部に作用するモーメント荷重が大きくなって、安定した加工を行うことができる加工条件が狭い範囲に制限されるという心配がある。特に、主軸装置がＡ軸、Ｂ軸、Ｃ軸方向に傾斜したり旋回したりする形式の工作機械ではこの問題点が顕著になる。
本発明の目的は、全長が短く、幅広い加工条件でも安定した加工を行うことができる工作機械の主軸装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明によれば、ハウジングに回転可能に支持された筒状の主軸と、主軸の回転軸線に沿って設けられ、主軸の先端部に工具ホルダを引き込んでクランプするドローバーとを有した工作機械の主軸装置であって、前記ハウジングに支持され、前記主軸の内周と前記ドローバーの外周との間の環状空間に設けられたアンクランプ装置を具備し、前記アンクランプ装置は、前記ドローバーを流体圧力によって主軸前方へ移動させるピストンを有し、前記アンクランプ装置の前記ピストンは、第１のラジアル軸受によって前記主軸の内周面に回転支持され、前記第１のラジアル軸受は、前記ピストンが前記主軸の軸線方向に移動できるように、内輪又は外輪が軌道溝を有さずに構成された工作機械の主軸装置が提供される。
このように、本発明によれば、主軸とドローバーとの間の環状空間にアンクランプ装置が設けられているため、アンクランプ装置は主軸に内装されるものとなり、従来の主軸装置のように、アンクランプ装置が主軸の外側に設けられて、主軸とアンクランプ装置とが直列に配置されることはなくなる。このため、主軸装置の全長を短くすることができる。
このように、本発明によれば、アンクランプ装置は、流体圧力によって主軸前方に移動可能に駆動されるピストンを有しているため、アンクランプ装置をコンパクトな構造にすることができ、主軸内にアンクランプ装置を内装することができる。
また、本発明によれば、前記ドローバーの後方部は、第２のラジアル軸受によって前記アンクランプ装置の前記ピストンに回転支持され、前記第２のラジアル軸受は、前記ピストンが前記主軸の軸線方向に移動できるように、内輪又は外輪が軌道溝を有さずに構成された工作機械の主軸装置が提供される。

本発明の上記並びに他の目的、特徴及び利点は、添付図面に関連した以下の好適な実施形態の説明により一層明らかになろう。同添付図面において、
図１は、本発明に係る工作機械の主軸装置の第１の実施形態の断面図であり、中心軸線の上部側は工具ホルダのクランプ状態を表し、下部側はアンクランプ状態を表す。
図２は、図１に示す工作機械の主軸装置が適用された横形のマシニングセンタを示す正面図である。
図３は、第１の実施形態のアンクランプ装置のピストンを移動可能に支承する第１のラジアル軸受および第２のラジアル軸受の構成を説明するための断面図である。
図４は、本発明に係る工作機械の主軸装置の第２の実施形態の断面図であり、第１の実施形態と異なる後部のみを表したものである。

以下に本発明の実施の形態の具体例を図面を用いて詳細に説明する。
本発明の主軸装置は、工具ホルダを介して工具を主軸先端に保持する主軸装置であり、筒状の主軸内に設けられ、主軸の先端に工具ホルダを引き込むためのドローバーと、工具ホルダに引込力を作用させるためにドローバーを主軸後方に付勢する弾性手段と、主軸とドローバーとの間の環状空間に設けられ、弾性手段の弾性力に抗してドローバーを主軸前方に押して引込力を解除することにより、クランプした工具ホルダをアンクランプするアンクランプ装置とを備えている。
本発明の主軸装置が適用される工作機械は、図２で示される横形マシニングセンタに限定されるものではなく、立形マシニングセンタや、回転する主軸を有する他の工作機械も含まれる。
本実施形態の横形マシニングセンタ１は、図２にその基本的構成が示されているように、直交３軸の直線送り軸Ｘ，Ｙ，Ｚと２軸の回転送り軸Ａ，Ｃを有する機械本体と、機械本体を加工プログラムに従って動作させる図示しない数値制御装置とを備えている。図２において、回転送り軸Ｂは示されていないが、Ｃ軸を９０°回転させることによりＡ軸はＢ軸として機能する。
横形マシニングセンタ１の三つの直線送り軸であるＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸と、二つの回転送り軸であるＡ軸及びＣ軸は、通常の横形マシニングセンタと同様に定められ、主軸装置５（主軸２０）の軸線に直交し、紙面に垂直な方向をＸ軸方向とし、主軸装置５の軸線に直交する高さ方向をＹ軸方向とし、主軸装置５の軸線に一致する前後方向をＺ軸方向とする。二つの回転送り軸であるＡ軸及びＣ軸は、Ｘ軸に平行な軸線周りの回転をＡ軸とし、Ｚ軸に平行な軸線周りの回転をＣ軸とする。
マシニングセンタ１は、フロア２上に設置されている第１のベッド３と、第１のベッド３上でＺ軸方向に直動可能に立設されたコラム４と、コラム４の鉛直壁面に設けられた案内レールに沿ってＹ軸方向に直動可能な主軸台１３と、主軸装置５をＡ軸方向に回転支持する旋回台６と、第２のベッド７上で主軸装置５に対向する位置に立設され、紙面に垂直な方向であるＸ軸方向に直動可能なテーブル８を備えている。テーブル８にはイケール９を介してワーク１１が保持されている。第１のベッド３と第２のベッド７との間には切りくず搬送装置１４が配設されている。
図１に示すように、第１の実施形態の主軸装置５は、前後両端に開口端を有するハウジング１２と、ハウジング１２内に内装される筒状の主軸２０とを有し、Ｃ軸方向に回転送り可能に設けられた旋回台６（図２）を介して、主軸台１３（図２）に片持ち支持されている。また、主軸装置５は、Ａ軸方向にサーボモータにより回転送り可能に設けられている。主軸装置５のハウジング１２の内部には、ビルトインモータで回転駆動される主軸２０が、この主軸２０の長手方向の前後に配置された複数の軸受３０，３１，３２によって回転支持されている。ビルトインモータは固定側のステータ４０と可動側のロータ４１とを備え、ステータ４０はハウジング１２の内周面に固定され、半径方向の微小隙間を介してステータ４０に対向するロータ４１は、図示しない焼ばめスリーブを介して主軸２０の外周面に焼きばめされている。
主軸２０の前方部分は、一対の軸受３０，３１により回転支持されている。一対の軸受３０，３１は、内輪用カラー３４を挟んで内輪３０ａ，３１ａが主軸２０に固定され、外輪用カラー３５を挟んで外輪３０ｂ，３１ｂがハウジング１２に固定されている。左側の軸受３０は、外れないように、ハウジング１２の前端開口部に装着された軸受ケース３６で押し付けられている。主軸２０の後部２０ａは、一つの軸受３２により回転支持されている。
主軸２０は、主軸２０の先端に工具ホルダ５１をクランプするためのドローバー２２を有している。ドローバー２２の長手方向の略中間部分の外周面には、複数の皿ばね２３が挿入されている。皿ばね２３の大きさ及び枚数は、工具ホルダ５１に所定の引込力を作用させるように設定され、本実施形態では３０ＫＮ（３０００ｋｇｆ）の引込力が生じるように調整されている。複数の皿ばね２３は、ドローバー２２にねじどめされた右側の皿ばね押さえ２５と、ドローバー回り止め２６との間に設けられている。ドローバー回り止め２６は、ドローバー２２と主軸２０とが一体的に回転し、かつ、ドローバー２２の軸方向の移動を許容するように固定されている。ドローバー２２は、常時、皿ばね２３の弾性力により後方に付勢されており、所定の引込力で工具ホルダ５１がクランプされる。後述するアンクランプ装置６０により、ドローバー２２が前方に押されることにより、ドローバー２２と共に皿ばね押さえ２５が前方に移動して皿ばね２３が圧縮され、工具ホルダ５１が取り外される。
主軸２０は、前方部分において、工具ホルダ５１を着脱可能に装着するために、テーパ穴２７ａが形成された工具装着部２７を有している。テーパ穴２７ａには、複数のコレット２８が半径方向に拡縮可能な締め金具として周方向に等配されている。コレット２８は、その基端が主軸２０の内周面に突設された鍔２９とドローバー回り止め２６の前端面との間にはめ込まれれる。コレット２８の中央貫通孔２８ａには、ドローバー２２が挿通される。ドローバー２２の先端側には先太部２２ａが形成されており、ドローバー２２が皿ばね２３の弾性力により後方に移動することで、コレット２８がその内径を広げ、テーパ穴２７ａに挿入された工具ホルダ５１のテーパ面とフランジ後端面（図示せず）とがテーパ穴２７ａのテーパ面と主軸２０の前端面２０ａとに当接し、いわゆる二面拘束で工具ホルダ５１が工具装着部２７に固定されるようになっている。本実施形態の工具装着部２７は、工具ホルダ５１として、１／１０ショートテーパのＨＳＫシャンクが装着されるように構成されているが、７／２４テーパのＢＴシャンクが装着されるように構成することもできる。ＢＴシャンクの場合、工具装着部２７は、シャンクの後端部に固定されたプルスタッドをコレット２８が挟持するように構成される。工具ホルダ５１には、所定の突出し長で、かつ、所定の直径を有する工具５０が保持される。
主軸２０の後方部分には、主軸２０の貫通孔２１にアンクランプ装置６０が挿入されている。アンクランプ装置６０は、主軸２０とドローバー２２との間の環状空間５５内でドローバー２２の軸線方向に往復移動可能なピストン６３と、主軸２０とドローバー２２との間の環状空間５５内でピストン６３を往復移動可能にガイドする環状係合部７５を先端に有する固定側のシリンダ７０と、ピストン６３とシリンダ７０とが係合することにより形成された第１の圧力室７７と第２の圧力室７８とに所定圧力の流体を供給する図示しない流体供給装置とを備えている。
ピストン６３は、大径部６４と、大径部６４からボス状に突出する小径部６５とを有している。小径部６５の内周部には、ドローバー２２の肩部２２ｂに当接する当接部６５ａが形成され、大径部６４にはシリンダ７０の環状係合部７５が移動自在に嵌入する環状溝６６が形成されている。ピストン６３の小径部６５は、軌道溝を有しない内輪８０ａが小径部６５の外周面に固定され、軌道溝を有する外輪８０ｂが主軸２０の内周面に備わる軸受支持部８４に固定された第１のラジアル軸受８０によって主軸２０に回転支持され、半径方向の移動が規制された状態で、主軸２０の軸線方向への移動が許容されるようになっている。ピストン６３の大径部６４は、軌道溝を有しない内輪８２ａがドローバー２２の外周面に固定され、軌道溝を有する外輪８２ｂが大径部６４の内周面に固定された第２のラジアル軸受８２によってドローバー２２の後部を回転支持し、半径方向の移動が規制された状態で、主軸２０の軸線方向への移動が許容されるようになっている。
図３には、軌道溝を有しない内輪８０ａ，８２ａと軌道溝を有する外輪８０ｂ，８２ｂとから構成される第１のラジアル軸受８０と第２のラジアル軸受８２の構成を説明するための断面図が示されている。本実施形態では、第１のラジアル軸受８０では、内輪８０ａがピストン６３の小径部６５の外周面に固定されているが、内輪８０ａを設けずに、小径部６５を高硬度材料で構成し、小径部６５の外径を内輪８０ａの外径と同程度の寸法に製作してもよい。同様に、第２のラジアル軸受８２では、内輪８２ａがドローバー２２の外周面に固定されているが、内輪８２ａを設けずに、ドローバー２２を高硬度材料で構成し、ドローバー２２の外径を内輪８２ａの外径と同程度の寸法に製作してもよい。
また、第１、第２のラジアル軸受８０，８２を軌道溝のある内輪と軌道溝のない外輪とで構成しても、ピストン６３は主軸２０及びドローバー２２に対して軸線方向に移動することができる。
シリンダ７０は、軸受ケース３７の開口端部に固定される大径のフランジ部７３と、フランジ部７３に続き主軸２２の貫通孔２１に挿入される胴部７４と、胴部７４に続きピストン６３の環状溝６６に係合する環状係合部７５とを有している。環状係合部７５の先端には、ピストン６３の環状溝６６内の空間をピストン６３が往復移動する方向の前後に仕切る隔壁部７５ａが形成されている。
ピストン６３の環状溝６６にシリンダ７０の環状係合部７５が係合した状態で、隔壁部７５ａの前方には第１の圧力室７７が形成され、隔壁部７５ａの後方には第２の圧力室７８が形成されている。図示しない油圧ポートを介して、流体供給装置から第２の圧力室７８に圧油を所定圧力で充填し、第２の圧力室７８を拡大して第１の圧力室７７を縮小することにより、ピストン６３が主軸２０後方に後退し、ドローバー２２が皿ばね２３の弾性力により主軸２０後方に移動する。これにより、工具ホルダ５１が工具装着部２７のテーパ穴２７ａに引き込まれ、クランプされる。逆に、第１の圧力室７７に圧油を所定圧力で充填し、第１の圧力室７７を拡大して第２の圧力室７８を縮小することにより、ピストン６３が主軸２０前方へ前進し、ピストン６３の小径部６５に設けられた当接部６５ａがドローバー２２の肩部２２ｂに当接し、ドローバー２２が皿ばね２３の弾性力に抗して主軸２０前方に移動する。これにより、工具ホルダ５１がアンクランプされる。
アンクランプ装置６０のピストン６３及びシリンダ７０内を挿通するドローバー２２の延長部分２２ｃの後端には、中心孔を有するシールリング８５が固定されている。ドローバー２２のシールリング８５は、ロータリジョイント９０の中心孔を有するシールリング９１に当接し、これにより、切削液は、ロータリジョイント９０を介してドローバー２２の油穴４５に供給され、スピンドルスルー方式で工具５０の先端まで導出されるようになっている。
ロータリージョイント９０は、シリンダ７０の胴部７４の内部空間に配設されたジョイントシリンダ９３と、ジョイントシリンダ９３内において主軸２０の軸線方向に往復移動可能に設けられたジョイントピストン９４とを備えている。ジョイントピストン９４は、内部に油孔９５ａを有するピストン本体９５と、ピストン本体９５の軸線方向と直交する方向に突設された鍔部９６とを有している。鍔部９６は、ジョイントシリンダ９３の内部空間を、空圧室９８と、ばね室９９とに仕切っている。ばね室９９内にはジョイントピストン９４を後方に付勢するコイルばね１０１が配設されている。空圧室９８には、圧縮空気が供給される空圧ポート９８ａが接続している。空圧ポート９８ａには、外部空圧源（図示せず）が接続し、空圧源から圧縮空気を空圧室９８内に供給したり、また空圧室９８の空気を排出したりできるようになっている。切削液を供給する際は、空圧室９８に空気を供給し、コイルばね１０１の付勢力に抗してジョイントピストン９４を左へ移動させ、ロータリジョイント９０のシールリング９１をドローバー２２のシールリング８５に当接させる。こうすることで、ロータリジョイント９０の油孔９５ａとドローバー２２の油孔４５とが連通して、切削液が工具５０の切れ刃とワーク１１との間の加工領域に供給される。一方、空圧室９８から空気を排出することにより、コイルばね１０１の付勢力でジョイントピストン９４が右へ移動し、ロータリジョイント９０のシールリング９１とドローバー２２のシールリング８５とが分離して、切削液の供給が行われなくなる。
以上のように、本実施形態の主軸装置によれば、アンクランプ装置６０が主軸２０の後方部分の貫通孔２１に内装されているから、主軸装置５の全長を短くすることができる。これにより、主軸装置５の支持点であるＡ軸の回転中心又はコラム４の主軸台１３の案内面と工具５０の切削力の作用点との距離が短くなり、主軸装置の支持部に作用するモーメント荷重が比較的小さくなって、安定した加工を行うことができる。また、全長の短い主軸装置５は、切削力が作用したときの主軸装置自体のたわみが小さくなり、ワークの加工精度が向上する。更に、全長の短い主軸装置５は、主軸装置側にＡ軸又はＢ軸の傾斜送り軸やＣ軸の旋回送り軸を有する形式の工作機械に好適し、主軸２０の可動範囲を広げることもできる。
次に、本発明の工作機の主軸装置５の第２の実施形態を図４によって説明する。図４は、第２の実施形態に係る主軸装置５の後部のみを示す断面図であり、図示していない部分は、第１の実施形態と同じであるので省略している。中心軸線から上部側は工具ホルダ５１のクランプ状態を表し、下部側はアンクランプ状態を表している。また、第１の実施形態と同様の部材は、図１と同一の符号を付している。
主軸後部２０ａとドローバー２２との環状空間５５には、フランジ部７３からアンクランプ装置６０のシリンダ１１０が突出しており、シリンダ１１０の内側にはピストン１１１が嵌合している。ピストン１１１は圧力室１１２に圧油を供給することにより主軸後方へ移動し、フランジ部７３に設けられた圧力室１１３に圧油を供給することにより主軸前方へ移動する。ピストン１１１の内側には一対の軸受１１４を介してサポート軸１１５が取り付けられ、サポート軸１１５の前部はドローバー２２後部の内側に嵌合している。このサポート軸１１５とドローバー２２との嵌合部１１６はスプライン結合又はポリゴン結合しており、相互に回転できないが軸線方向には移動可能になっている。サポート軸１１５の後端にはシールリング８５が固着され、中心軸に沿って油孔１１５ａが形成されている。サポート軸１１５は、ドローバー２２とともに回転し、軸受１１４を介してピストン１１１を支持している。
一方、ロータリジョイント９０は、ピストン１１１の内部に構成されている。ピストン１１１の内部後方部にはジョイントピストン９４がピストン１１１とは相対的に回転せず、軸線方向には移動可能に嵌合され、空圧室９８を形成している。また、ピストン１１１の内周に設けられたばねケース１１７には、ジョイントピストン９４を後方へ付勢するコイルばね１０１が収納されている。ジョイントピストン９４の前端面にはシールリング９１が固着され、中心軸線に沿って油孔９４ａが形成されている。フランジ部７３の油孔７３ａから切削油を供給しないときは、空圧室９８に圧縮空気を供給せず、コイルばね１０１の付勢力でジョイントピストン９４は後方へ移動してシールリング８５と９１とは離間しているが、切削油を供給するときは、空圧室９８に圧縮空気を供給してシールリング８５と９１とを当接させて油孔７３ａ，９４ａ，１１５ａ，４５を連通させる。
次に、本実施形態のアンクランプ装置６０の動作を説明する。圧力室１１２に圧油を供給してピストン１１１をドローバー２２の後端２２ｄから離間させると、皿ばね２３の付勢力でドローバー２２は主軸後方へ移動し、工具ホルダ５１をクランプする。圧力室１１３に圧油を供給してピストン１１１の突起部１１１ａをドローバー２２の後端２２ｄに当接させ、更にドローバー２２を主軸前方へ押圧すると工具ホルダ５１をアンクランプする。主軸２０、皿ばね押さえ２５、ドローバー２２、サポート軸１１５、シールリング８５は回転し、フランジ部７３、シリンダ１１０、ピストン１１１、ばねケース１１７、コイルばね１０１、ジョイントピストン９４は回転しないので、主軸２０の貫通孔２１の内周とシリンダ１１０の外周との間には隙間がある。シールリング８５と９１とは接触しながら相対的に回転するので、摩擦しにくいセラミックスでできている。

１ 横形マシニングセンタ
５ 主軸装置
２０ 主軸
２２ ドローバー
２７ 工具装着部
５１ 工具ホルダ
６０ アンクランプ装置
６３ ピストン
６６ 環状溝
７０ シリンダ
７５ 環状係合部
７７ 第１の圧力室
７８ 第２の圧力室
８０ 第１のラジアル軸受
８２ 第２のラジアル軸受

Claims (2)

1. ハウジングに回転可能に支持された筒状の主軸と、主軸の回転軸線に沿って設けられ、主軸の先端部に工具ホルダを引き込んでクランプするドローバーとを有した工作機械の主軸装置であって、
   前記ハウジングに支持され、前記主軸の内周と前記ドローバーの外周との間の環状空間に設けられたアンクランプ装置を具備し、
   前記アンクランプ装置は、前記ドローバーを流体圧力によって主軸前方へ移動させるピストンを有し、
   前記アンクランプ装置の前記ピストンは、第１のラジアル軸受によって前記主軸の内周面に回転支持され、前記第１のラジアル軸受は、前記ピストンが前記主軸の軸線方向に移動できるように内輪又は外輪が軌道溝を有さずに構成されることを特徴とした工作機械の主軸装置。
2. 前記ドローバーの後方部は、第２のラジアル軸受によって前記アンクランプ装置の前記ピストンに回転支持され、前記第２のラジアル軸受は、前記ピストンが前記主軸の軸線方向に移動できるように内輪又は外輪が軌道溝を有さずに構成された請求項１に記載の工作機械の主軸装置。

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