CN100482388C - 主轴装置 - Google Patents

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Abstract

在主轴的旋转轴的周围，形成在与钻头保持侧的对向侧的端部开口的盲孔。使在外周上具备多个轴颈气体轴承的供气孔的中央导杆配合于盲孔而支持于壳体。而且，通过从供气孔喷出压缩空气，从中心在径向上支持主轴。像这样所构成的主轴，由于可以减小质量，所以可以提高固有频率，可以得到即使以高速旋转也不发生不稳定现象的结构。

Description

主轴装置
技术领域
本发明涉及具备在一端具有保持刀具的机构的主轴，和能够旋转自如地支持该主轴的气体轴承机构的主轴装置。
背景技术
图5是表示历来的印刷基板开孔机中的主轴装置的剖视图。在该图中，在收容于壳体10内的主轴1的前端部(图的下端部)上，形成阴锥面1t。也就是说，主轴1有沿着轴向所形成的盲孔7，在该盲孔7的底面的中心部分上形成贯通轴向的贯通孔。而且，该贯通孔的内表面成为在前端侧(图的下侧)扩径的上述锥面1t。此外，在有缝夹套2的外周上，形成具有与锥面1t同一角度的阳锥面2t。在有缝夹套2的中心部分上，沿着轴向延伸地贯通设置使钻头(刀具)3接合的孔4。有缝夹套2具有从锥面2t到孔4地，且在圆周方向上成为等角度间隔地形成的多个切口槽(未画出)。
此外，在主轴1的内周侧，在有缝夹套2的后端侧(图的上侧)，经由导向套6支持着杆5。杆5以配合于导向套6的中心孔的形态固定、支持着。在主轴1的内表面上所形成的盲孔7的底面7a与导向套6之间，压缩设置着把有缝夹套2向图的上方加载的碟形弹簧8。而且，通过锥面2t与锥面1t紧密接触，有缝夹套2向内径方向弹性变形而闭合，靠孔4内表面与钻头3表面之间的摩擦力强固地保持钻头3。
主轴1包括从前端侧(图的下侧)附近向外周方向突出地整体形成的法兰1f，和把连接于轴向中央部处的外周面且梯子状的铜材以把其两端连接的形态以环状形成的转子9。
在壳体10中，形成能够滑动和旋转自如地配合主轴1的孔11。在该孔11的轴向中央部向外径方向鼓出地形成收容部11b，在与该收容部11b中的转子9对向的位置上配置着线圈(定子)12。线圈12连接于未画出的逆变器电源。
在面对壳体10中的孔11的部分上，向径向地，且在轴线O方向上留出规定的间隔地设有小孔节流型轴颈空气轴承中所包含的多个供气孔13(气体喷出孔)。供气孔13喷出气体(这里是压缩空气)的方向是与轴线O垂直的方向，在图示的场合，在线圈12的上下分别各配置两列。以下，把具备配置于线圈12的下侧的供气孔13群的轴颈空气轴承称为空气轴承A，把具备配置于线圈12的上侧的供气孔13群的轴颈空气轴承称为空气轴承B。供气孔13分别连接于第1供给口14。
在孔11的前端侧(图的下侧)，设有旋转自如地收容主轴1的前端侧的轴收容部11c，和能够把法兰1f收容于该轴收容部11c地所形成的环状凹部11d。在与该环状凹部11d中的法兰1f对向的上下两面上，在圆周方向上形成多个供气孔15。这些多个供气孔15供气方向分别向轴线O方向，且以连接于第2供气口16的形态具备推力空气轴承C。
推杆20的一端(图的上端)固定于二联的活塞22。二联的活塞22配置于构成配置于壳体10的上部的气缸部的二联的腔室11a内。在壳体10上所形成的第3和第4供给口23、24分别连通于腔室11a。弹簧25在因某种原因而阻断供给到供给口24的压缩空气的场合，预防活塞22落下而推杆20接触于杆5。
接下来，说明具有上述构成的历来的主轴装置的动作。从供给口23供给压缩空气，使活塞22下降。于是，随着活塞22的下降推杆20向图的下方移动而推动杆5，克服碟形弹簧8的加载力使有缝夹套2向图的下方移动。
借此，有缝夹套2的锥面2t一离开锥面1t，则由于有缝夹套2的向内径方向作用的力消失而有缝夹套2打开，所以在该状态下可以从有缝夹套2取出钻头3。接着，把另一个钻头3插入有缝夹套2后，停止对供给口23的压缩空气的供给并且把压缩空气供给到供给口24，使活塞22上升。随该推杆20一向图的上方移动，碟形弹簧8的加载力就使锥面2t压接锥面1t而有缝夹套2闭合，借该钻头3强力地保持于主轴1。
接着，把压缩空气供给到供给口14、16。于是，主轴1靠空气轴承A、B的功能，使其轴线与孔11的轴线一致地径向支持，并且靠推力空气轴承C的功能在轴线O方向支持。在该状态下，如果向线圈12供给电流，则靠线圈12中发生的磁场在转子9中发生旋转扭矩，主轴1旋转。
接着，靠未画出的机构使壳体10沿轴线O方向移动，靠钻头3加工工件。
近年来，0.1mm以下的极小直径的开孔加工的需要增大了。为了高效地加工极小直径的孔，提高主轴的转速是有效的。而且，在使采用空气轴承的主轴高速旋转的场合，存在着尽可能提高主轴的固有频率，避免主轴上发生过大的振动等空气轴承特有的不稳定现象的必要。
为了提高主轴的固有频率，减轻主轴重量是有效的，在该场合，可以考虑减小外径尺寸的方法，和缩短全长的方法两种方法。
但是，如果减少主轴的外径尺寸，则因为用空气轴承支持主轴之际的轴承刚性(轴承强度)降低，故存在着使主轴高速旋转之际发生不稳定现象的危险。此外，为了缩短主轴的全长，虽然缩短构成空气轴承A、B的供气孔13的列间的距离，或者仅配置空气轴承A、B某一方成为必要，但是无论在哪一种场合，都因为空气轴承引起的上述轴承刚性降低，故存在着使主轴高速旋转之际发生不稳定现象的危险。
发明内容
因此本发明的目的在于提供一种既是可以使主轴高速旋转提高作业能力者，又不降低空气轴承的轴承刚性地构成，从而解决上述的现有技术中的问题的主轴装置。
为了解决上述课题，本发明在具备在一端有刀具保持机构的主轴，和旋转自如地对壳体构件支持该主轴的气体轴承机构的主轴装置中，其特征在于，
在前述主轴上，沿着轴向从前述一端到另一端形成中空部，
在前述壳体构件上，具备至少对前述主轴的径向整体地支持，沿前述主轴的轴向延伸地插过前述中空部的导向杆构件，前述气体轴承机构在前述导向杆构件的外周面上形成并具有向此外周面与前述主轴的内周面之间的空隙喷出气体的气体喷出孔，靠从该气体喷出孔喷出的气体把前述主轴用其内周面支持。
如果用本发明，则可以靠具备气体喷出孔的轴颈空气轴承在径向可靠地支持主轴，简化空气轴承结构使主轴全长比历来要短且使之减轻重量，可以提高主轴的固有频率。因而，没有降低空气轴承的轴承刚性而可以既稳定地支持主轴又使之高速旋转，提高作业能力。此外，随此，可以谋求装置的小型化。
在该场合，如果前述导向杆构件整体固定于前述壳体构件，则更加有效。
此外，如果前述导向杆构件构成为兼作对前述主轴的轴向移动自如地支持于前述壳体构件而能够使前述刀具保持机构动作的推杆，则更加有效。
此外，也可以构成为还具备具有在前述壳体构件的内周面上所形成向该内周面与前述主轴的外周面之间的空隙喷出气体的气体喷出孔，靠从该气体喷出孔喷出的气体把前述主轴用其外周面支持的气体轴承机构。
此外，也可以构成为还具备在前述壳体构件上形成对前述主轴的径向环状地扩大的环状凹部，在前述主轴上形成收容于前述环状凹部地，对该主轴的径向环状地突出的环状突部，有在前述环状凹部的两个侧面上所形成并向与前述环状突部的两个侧面的空隙喷出气体的气体喷出孔，靠从该气体喷出孔喷出的气体在轴向上支持前述主轴的气体轴承机构。
如果用本发明，则由于有配置于对壳体构件中的至少主轴的径向整体地支持的导向杆构件的外周面的气体喷出孔(供气孔)的轴颈气体轴承在径向上可靠地支持主轴，所以没有必要设置历来的主轴装置中具备的那种空气轴承B(参照图5)。结果，由于主轴的全长比历来缩短相当于省掉空气轴承B的长度的量，可以减轻主轴重量，所以主轴的固有频率提高。因而，不会降低靠空气轴承来支持主轴之际的轴承刚性，可以在稳定地支持主轴的状态下使之高速旋转。此外，虽然在上述轴颈气体轴承的轴承刚性足够大的场合，省略历来的主轴装置中具备的那种空气轴承A(参照图5)的构成也成为可能，但是在该场合，与仅省略空气轴承B的构成相比进一步缩短主轴的全长，可以进一步减轻主轴的重量。
附图说明
图1是根据本发明的第1实施方案的主轴装置的剖视图。
图2是根据本发明的第2实施方案的主轴装置的剖视图。
图3是根据本发明的第3实施方案的主轴装置的剖视图。
图4是根据本发明的第4实施方案的主轴装置的剖视图。
图5是历来的主轴装置的剖视图。
具体实施方式
下面，基于图示的实施方案来说明本发明。
(第1实施方案)
图1是根据本发明的第1实施方案的主轴装置的剖视图，对具有与图5同一构成的要素，具有同一功能的要素(构成部分)，和虽然形状稍有不同但是具有同样的功能的要素(构成部分)赋予同一标号而省略其说明。
本实施方案中的主轴装置，在壳体10内具备一端(图1的下侧)上有有缝夹套(刀具保持机构)2的主轴1，和能够对该壳体(壳体构件)10旋转自如地支持该主轴1的气体轴承机构。
壳体10具备沿着轴向(图1的上下方向)的孔11。该孔11具备收容二联的活塞22的二联的腔室11a，收容线圈12的线圈收容部11b，旋转自如地收容主轴1的前端部分的轴收容部11c，以及能够旋转自如地收容主轴1的法兰1f地对主轴1的径向环状地扩大的环状凹部11d。在壳体10的内方处的腔室11a与线圈收容部11b之间，形成在推力方向支撑中央导杆(导向杆构件)30的法兰部30b的台阶部10a。再者，上述轴收容部11c构成主轴1的外周面与壳体10的内周面之间的空隙。
壳体10还具备在线圈收容部11b的外周侧的不同位置上所形成的连通路37a、38a。连通路37a连通于贯通穿设于壳体10外周面的第1供给口14，并且经由连通路37b连通于设在线圈12的下侧的供气孔13。连通路38a连通于贯通穿设于壳体10外周面的第2供给口16，并且经由连通路38b连通于供气孔15。
配置于线圈12的下侧的供气孔13群在作为轴颈气体轴承的空气轴承A中所具备。也就是说，该空气轴承A有在临及壳体10的轴收容部11c的内周面形成并向该内周面与主轴1的外周面之间的空隙(轴收容部11c)喷出气体的供气孔13，构成靠从该供气孔13喷出的气体把主轴1用其外周面支持的气体轴承机构。此外供气孔15群在推力气体轴承C中所具备。本实施方案的主轴装置不具备图5中说明的历来的主轴装置中的，由配置于线圈12的上侧的供气孔13群所构成的空气轴承B。
主轴1具备沿着轴向(轴线O)从前述一端(图1的下侧)到另一端(图1的上侧)地形成的盲孔(中空部)7。主轴装置具备沿着主轴1的轴向插过盲孔的中央导杆30。能够旋转自如地支持主轴1的前述气体轴承机构，具备在该中央导杆30的外周面上所形成并向此外周面与主轴1的内周面之间的空隙喷出气体的供气孔(气体喷出孔)33，靠从该供气孔33喷出的气体把主轴1用其内周面支持。
中央导杆30具备沿着轴向形成后述的中空状的腔室32的轴部30a，和在该轴部30a的后端侧(图的上侧)整体地形成的前述法兰部30b。中央导杆30，其轴线与轴线O一致地把轴部30a的前端(图的下侧)留有间隙地配合于盲孔7，并且以把法兰部30b支撑于台阶部10a的形态整体地固定于壳体10。也就是说，中央导杆30对主轴1的径向和轴向整体地支持于壳体10，确保将用后述的轴颈空气轴承D支持的主轴1的基准位置。在中央导杆30的两端部分别形成沿轴向贯通中心部而使推杆20滑动自如地配合的孔31。此外在轴部30a处的孔31与31之间布置直径大于该孔31的前述腔室32。
在对着有盲孔7的主轴1的内周面的中央导杆30的外周面上，沿轴线O方向配置多列(图示的场合3列)小孔节流型的轴颈空气轴承(气体轴承机构)D中所具备的供气孔33，而且在每列中，多个供气孔33沿圆周方向配置。也就是说，在中央导杆30的轴部30a的外周面上贯通穿设多个上述供气孔33以便连通于腔室32，这些供气孔33在轴部30a的轴向上大致等间隔地每多个成群设置。而且，在该供气孔群的各个中，供气孔33在轴部30a的圆周方向上成为等角度间隔地配置着。上述轴颈空气轴承D的轴承刚性为图5中所示的空气轴承B的轴承刚性的同等以上。
上述推杆20具备小直径部20a，大直径部20b，该大直径部20b的下部上所具备的法兰部20c，该大直径部20b的上部上所具备的突出部20d，以及从总体的中间部分轴向上侧所形成的连通孔34。小直径部20a形成为与孔31大致相同直径且小于腔室32的直径，以便能够在中央导杆30两端的孔31、31和腔室32内滑动。大直径部20b形成为大于小直径部20a的直径，从中央导杆30的法兰部30b向上突出，嵌合于活塞22的中心孔22a。突出部20d形成为稍小于大直径部20b的直径，从活塞22的中心孔22a向上方突出，从壳体10的最上部的中心孔10b突出出来。连通孔34，其一方的端部经由贯通穿设于推杆20的中间部分的孔35连通于腔室32，而且另一方的端部36连接于未画出的压缩空气源。再者，图中的标号39是在活塞22的上面部处套在突出部20d上的环形构件。
具有上述构成的推杆20，在把小直径部20a插过轴部30a的中心，并且把大直径部20b插过活塞22的中心孔22a，且使突出部20d从壳体10的中心孔10b突出的状态下，受到压缩设置在法兰部20c与法兰部30b之间的弹簧25产生的向上的加载力。
接下来，说明本实施方案的动作。也就是说，如果分别把压缩空气供给到供给口14、16和推杆20的连通孔34的端部36，则从端部36所供给的压缩空气经由支撑于台阶部10a的法兰部30b从固定、支持于壳体10的中央导杆30的供气孔33喷出而形成轴颈空气轴承D。借此，位于中央导杆30的外周侧的主轴1从中心侧在径向被支持。此外，空气轴承A与图5中所示的历来的场合同样，从外侧在径向支持主轴1。因此，靠轴颈空气轴承D和空气轴承A，主轴1旋转的轴线与轴线O一致地在径向良好地被支持。此外，推力空气轴承C与历来的场合同样，在轴线O方向上支持主轴1。
在该状态下，向线圈12供给电流，使主轴1旋转。而且，靠未画出的机构使壳体10在轴线O方向(图的上下方向)上移动，靠钻头3加工工件(未画出)。
像以上说明的这样，在根据本发明的实施方案中，由于由配置于中央导杆30的外周面上的供气孔33所构成的轴颈空气轴承D可以在主轴1的内侧在径向上可靠而稳定地支持该主轴1，所以没有必要设置历来的主轴装置中所具备的那种空气轴承B(参照图5)。因而，可以把主轴1的全长比历来缩短相当于省掉空气轴承B的长度的量，通过减轻主轴1的重量(减小质量)可以提高固有频率。因此，不会降低用空气轴承支持主轴1之际的轴承刚性，可以以稳定地支持主轴1的状态使之高速旋转。此外，由于即使与历来结构的主轴相比把最高转速设定得高些也不发生不稳定现象，所以可以提高加工能力。
此外由于在本实施方案中，有在壳体10的内周面上所形成向该内周面与主轴1的外周面之间的空隙喷出气体的供气孔(气体喷出孔)13，具备靠从该供气孔13喷出的气体把主轴1用其外周面支持的空气轴承(气体轴承机构)A，所以除了上述轴颈空气轴承D外，靠空气轴承D可以更加稳定地支持主轴1。
此外在本实施方案中，在壳体10上，设有能够收容法兰(环状突部)1f的环状凹部11d。进而在主轴1上，对该主轴1的径向环状地突出地形成上述法兰1f，以便收容于上述环状凹部11d。而且，有在上述环状凹部11d的两侧面上所形成向与法兰1f的两侧面的空隙喷出气体的供气孔(气体喷出孔)15，设有靠从该供气孔15喷出的气体在轴向上支持主轴1的推力空气轴承(气体轴承机构)C。因此，可以靠推力空气轴承C在轴线O方向上稳定地支持如上所述靠轴颈空气轴承D、空气轴承A在径向上稳定地支持的主轴1。
(第2实施方案)
接下来，按图2就根据本发明的第2实施方案进行说明。该图是根据本实施方案的主轴装置的剖视图。由于本实施方案，与图1中所示的前一实施方案相比，仅中央导杆30与推杆20整体地构成这一点不同，其他部分大致相同，所以，对具有与图1、图5同一构成的要素，具有同一功能的要素(构成部分)，和虽然形状稍有不同但是具有同样的功能的要素(构成部分)赋予同一标号而省略其说明。
也就是说，在壳体10的内方处的腔室11a与线圈收容部11b之间具备以配合圆筒状的导向构件40的状态固定的小直径部10d，和在该小直径部10d的下部侧所形成的台阶部10c。导向构件40具有与本实施方案的中央导杆30的外径大致相同的内径，以靠台阶部10c支撑而固定于小直径部10d内(也就是固定于壳体10内)的形态，将滑动自如地插入的上述中央导杆30沿轴线O方向(图2的上下方向)导向。
在本实施方案中的上述中央导杆30具备与图1中的中央导杆30的轴部30a大致同一外径的轴部30c，在该轴部30c的上部形成的，具有与图1中所示的推杆20的大直径部20b大致同一外径的插过部30d，设在这些轴部30c与插过部30d之间的法兰部30e，以及从活塞22的中心孔22a向上突出并从壳体10的中心孔10b突出的，直径稍小于插过部30d的突出部30f。而且，中央导杆30以夹在法兰部30e与环形构件39间的形态限制与活塞22的相对移动，实质上固定于该活塞22。
这种中央导杆30，具备在中心部沿着轴心方向延伸地形成的腔室32，在轴线O方向上配置多列(图示的场合3列)构成轴颈空气轴承D的供气孔33，以及向下部侧突出而推压杆5和导向套6的推压突起30g。上述供气孔33在轴线O方向上所配置的每列中，在中央导杆30的圆周方向上设置多个以便成为等角度间隔。
像以上所示这样，虽然本实施方案中的中央导杆30兼有上述第1实施方案中的推杆20的功能，但是因为如上所述其他部分的构成，和本实施方案中的动作与上述第1实施方案实质上是相同的，故省略重复的说明。
如果用这种本实施方案，则可以得到与上述第1实施方案大致同样的效果，并且在中央导杆30上具有推杆20的功能，借此与上述第1实施方案相比还可以得到进一步简化装置结构的效果。
(第3实施方案)
图3是根据本发明的第3实施方案的主轴装置的剖视图，对具有与图1、图5同一构成的要素，具有同一功能的要素(构成部分)，和虽然形状稍有不同但是具有同样的功能的要素(构成部分)赋予同一标号而省略其说明。
本实施方案中的主轴装置，与图1中所示的主轴装置不同之处在于不设置空气轴承A这一点，在主轴1前端的有缝夹套(刀具保持部)2的相反侧(图3的上侧)配置法兰1f这一点，以及制成由一个(一联)来构成活塞22的活塞22A这一点。随此，图1中设在下方的供气孔(气体喷出孔)15设置于壳体10的中央部分处的对着法兰1f的部位。
在轴颈气体轴承D的轴承刚性足够大的场合，如图3中所示，由于没有必要设置图1的主轴装置中所具备的空气轴承A，所以与图1的场合相比可以进一步缩短主轴1的全长，减轻重量。
此外，由于通过在主轴1前端的有缝夹套2的相反侧配置法兰1f，可以使主轴1的重心位于轴线O方向的中央附近，所以在使主轴1高速旋转的场合，可以更加有效地防止主轴1的轴线倾斜的现象。进而，由于作为一个活塞22A构成活塞，所以使构成简单，可以更加减轻主轴装置重量。
虽然像以上这样，本实施方案中的主轴装置，与图1中所示的主轴装置有多个不同之处，但是因为如上所述其他部分的构成，和本实施方案中的动作，与上述第1实施方案实质上是相同的，故省略重复的说明。
(第4实施方案)
图4是根据本发明的第4实施方案的主轴装置的剖视图，对具有与图1、图5同一构成的要素，具有同一功能的要素(构成部分)，和虽然形状稍有不同但是具有同样的功能的要素(构成部分)赋予同一标号而省略其说明。
本实施方案中的主轴装置，与图1中所示的主轴装置的不同之处在于，不设置空气轴承A这一点，把法兰1f配置于主轴1前端的有缝夹套(刀具保持部)2的相反侧(图4的上侧)这一点，以及，用利用离心力的卡头(centrifugal chuck)作为刀具保持装置这一点。
在利用离心力的上述卡头(例如参照美国专利第5 997 223号)中，在保持刀具的保持构件的刀具保持力中，利用主轴旋转引起的加在前述保持构件上的离心力，在装卸刀具之际，降低主轴的转速解除保持力。因此，图1中作为装卸刀具用的机构的推杆20和作为推杆20的驱动机构的活塞22成为不需要的。因而，可以减少主轴1的构成零件，可以进一步减轻装置重量。
另外，各实施方案中提及的空气轴承，是轴承的一种，当然利用别的气体代替空气的气体轴承也是可以的。
虽然以上基于实施方案说明了本发明，但是本发明中所述的实施方案是举例表示者，不是限定者。此外，发明的范围由所附技术方案表示，不限于实施方案的描述。因而，属于技术方案的变形或变更，全都是本发明的范围者。

Claims (4)

1.一种主轴装置，其具备在一端具有刀具保持机构的主轴，和能够旋转自如地对壳体构件支持该主轴的气体轴承机构，其特征在于，
在前述主轴上，沿着轴向从前述一端到另一端形成中空部，
在前述壳体构件上，具备至少对前述主轴的径向整体地支持，沿前述主轴的轴向延伸地插过前述中空部的导向杆构件，
前述气体轴承机构在前述导向杆构件的外周面上形成并具有向此外周面与前述主轴的内周面之间的空隙喷出气体的气体喷出孔，靠从该气体喷出孔喷出的气体把前述主轴用其内周面支持，
在前述壳体构件上形成
Figure C03153311C0002125530QIETU
前述主轴的径向环状地扩大的环状凹部，
在前述主轴上形成收容于前述环状凹部地，对该主轴的径向环状地突出的环状突部，
还具备具有在前述环状凹部的两个侧面上所形成并向与前述环状突部的两个侧面的空隙喷出气体的气体喷出孔，靠从该气体喷出孔喷出的气体在轴向上支持前述主轴的气体轴承机构。
2.如权利要求1中所述的主轴装置，其中前述导向杆构件整体固定于前述壳体构件。
3.如权利要求1中所述的主轴装置，其中前述导向杆构件构成为兼作对前述主轴的轴向移动自如地支持于前述壳体构件而能够使前述刀具保持机构动作的推杆。
4.如权利要求1至3中的任何一项中所述的主轴装置，其中还具备具有在前述壳体构件的内周面上所形成向该内周面与前述主轴的外周面之间的空隙喷出气体的气体喷出孔，靠从该气体喷出孔喷出的气体把前述主轴用其外周面支持的气体轴承机构。
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