JP2000343306A - 工作機械の主軸装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 主軸先端に工具を直接装着できるようにした
工作機械の主軸装置を提供する。 【解決手段】 主軸ハウジング１３に回転可能に支持さ
れた主軸１５先端に形成され、工具Ｔを直接装着する工
具装着孔１３ａの周囲を主軸加熱、冷却手段１７、１９
で加熱、冷却して工具装着孔１３ａを拡縮し、工具装着
孔１３ａに工具Ｔを着脱可能に把持させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は工作機械の主軸装
置、特に、工具ホルダ等を介在させることなく、主軸先
端に工具を直接把持させるようにした工作機械の主軸装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】工作機械、特にマシニングセンタやＮＣ
フライス盤等の回転工具を用いた工作機械の主軸装置で
は、一般的に、主軸先端にテーパ穴を形成し、該テーパ
孔に嵌合するテーパ部を有する工具ホルダに回転工具を
装着して、工具ホルダのテーパ部を主軸のテーパ孔に嵌
合させ、ドローバーにて工具ホルダを主軸の軸線方向に
引き込むことにより、工具が主軸に装着されている。

【０００３】然しながら、この構成では、主軸内部にド
ローバー、コレットチャック等の工具ホルダを主軸にク
ランプする装置が必要となり、主軸の回転バランスをと
ることが難しくなったり、主軸が太くなり軸受もまた大
型化することから軸受の発熱量が増加する等の問題を生
じ、主軸回転速度の高速化の障害となっている。こうし
た理由から、一般的に主軸を高速回転させて高精度の加
工を行うことは困難であると考えられていた。

【０００４】この問題を解決するために、ドローバー及
びコレットチャックを用いずに工具ホルダを主軸先端に
直接装着することが提案されている。例えば、特開平４
−１２９６０５公報の主軸装置では、工具ホルダを加熱
して主軸に焼きばめクランプし、工具ホルダを冷却して
主軸からアンクランプするようになっている。また、特
開昭６２−１９９３０６公報には、形状記憶合金の温度
変化による変形力を利用して工具を主軸に直接クラン
プ、アンクランプするようにした加工用工具の保持装置
が開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記２つの公報に開示
されている構成では、工具は工具ホルダを介して主軸に
クランプされており、工具を主軸に直接装着するもので
はない。そのために、主軸、工具ホルダ、工具間に芯ず
れを生じる可能性があり、精密な高速加工を行うために
は、なお改良の余地を残している。本発明は、こうした
従来技術の問題点を解決することを技術課題としてお
り、主軸先端に工具を直接装着できるようにした工作機
械の主軸装置を提供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の本発明
は、主軸頭に回転可能に支持された主軸を有する工作機
械の主軸装置において、前記主軸の先端部に形成され、
工具を装着する工具装着孔と、前記主軸の工具装着孔の
周囲を加熱、冷却して前記工具装着孔を拡縮し、前記工
具装着孔に前記工具を着脱可能に把持させる主軸加熱・
冷却手段と、を具備することを特徴とした工作機械の主
軸装置を要旨とする。

【０００７】請求項２に記載の本発明は、主軸頭に回転
可能に支持された主軸を有する工作機械の主軸装置にお
いて、前記主軸の先端部に形成され、工具を装着する工
具装着孔と、前記工具を加熱、冷却して工具外径を拡縮
し、前記工具装着孔に前記工具を着脱可能に把持させる
工具加熱・冷却手段と、を具備することを特徴とした工
作機械の主軸装置を要旨とする。

【０００８】本発明の１つの特徴によれば、前記主軸と
工具マガジンとの間で前記工具を交換する自動工具交換
手段を設け、前記自動工具交換手段は交換アーム部材を
有し、前記交換アーム部材または工具マガジンの工具把
持部を加熱、冷却して前記工具把持部を拡縮し、前記工
具把持部に前記工具を着脱可能に把持させる加熱・冷却
手段を有し、前記主軸と工具マガジンとの間で前記工具
を交換するようにできる。

【０００９】

【発明の実施の形態】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。先ず、主軸装置先端部
の略示断面図である図１を参照して本発明の第１の実施
形態を説明する。本発明第１の実施形態による主軸装置
１１は、マシニングセンタやＮＣフライス盤等の回転工
具を用いる工作機械に用いることができ、送り装置（図
示せず）によりＸ、Ｙ、Ｚの３軸方向に移動自在に工作
機械に設けられている。主軸装置１１は、フロントベア
リング１３ａ及び図示しないリヤベアリングを介して主
軸ハウジング１３に回転可能に支持された主軸１５を具
備しており、主軸１５の先端部には、工具Ｔを装着する
概ね円筒状の工具装着孔１５ａが主軸１５の中心軸線Ｏ
に対して同心に形成されている。本明細書では、この工
具装着孔１５ａの主軸部分をクランプ部と称する。

【００１０】一方、主軸ハウジング１３において、主軸
１５のクランプ部に対面する部位には、クランプ部を加
熱、冷却して工具装着孔１５ａを拡縮するための主軸加
熱、冷却手段として、電熱コイル１７および冷却流体通
路１９が設けられている。更に、主軸ハウジング１３に
は、主軸１５のクランプ部の温度を測定するための主軸
温度センサＳ_tsが配設されている。

【００１１】電熱コイル１７は、主軸ハウジング１３の
内面に配設され、或いは、主軸ハウジング１３内に埋設
されると共に、図示しない電源装置に接続されている。
冷却流体通路１９は、主軸ハウジング１３の外部に設け
られた冷却流体供給源１９ａに接続された冷却流体入口
ポート１９ｂと、主軸１５のクランプ部に対面する複数
の冷却流体出口ポート１９ｃとを有しており、冷却流体
供給源１９ａから冷却用流体として空気が供給される。

【００１２】また、工具装着孔１５ａに対して工具Ｔを
着脱、交換するために、主軸装置１１に付随して自動工
具交換装置１０１が設けられている。自動工具交換装置
１０１としては、従来周知となっている自動工具交換装
置を用いることができ、図１に示す実施形態において、
自動工具交換装置１０１は、両端部に工具把持部１０３
ａ，１０３ｂを有する工具交換アーム１０３を具備して
いる。工具交換アーム１０３は、矢印Ｒで示すように回
転軸１０５を中心として回転可能に設けられると共に、
回転軸１０５に沿って主軸１５の中心軸線Ｏに平行な方
向に昇降可能に設けられている。

【００１３】以下、１つの加工工程が終了して次の加工
工程に移る際の工具交換動作と共に第１の実施形態の作
用を説明する。所定の加工工程が終了すると、ＮＣ装置
（図示せず）からの工具交換指令が発せられ、主軸装置
１１は自動工具交換装置１０１との間での工具交換動作
を行うための工具交換位置に移動する。この主軸装置１
１が工具交換位置に移動すると、自動工具交換装置１０
１が作動して、主軸１５の工具装着孔１５ａに装着され
ている工具Ｔが、工具交換アーム１０３の一方の工具把
持部１０３ａにより把持される。このとき他方の工具把
持部１０３ｂには、不図示の工具搬送装置により、工具
マガジン（図示せず）から次工程で用いる新たな工具
Ｔ′が把持されている。

【００１４】次いで、前記電源装置から電熱コイル１７
に電力が供給され、主軸１５のクランプ部が加熱され
る。これにより工具装着孔１５ａが拡大して工具Ｔを工
具装着孔１５ａから抜去可能となる。このとき、主軸１
５のクランプ部の温度を主軸温度センサＳ_tsにより監視
し、クランプ部の温度が所定温度になるように、電熱コ
イル１７による加熱が制御される。主軸１５のクランプ
部の温度が前記所定温度になると、自動工具交換装置１
０１は工具交換アーム１０３を回転軸１０５に沿って下
動させて工具Ｔを工具装着孔１５ａから抜去し、工具交
換アーム１０３を回転軸１０５を中心として回転させ
て、旧工具Ｔと新工具Ｔ′とを入れ替える。これによ
り、新工具Ｔ′は、その中心軸線が主軸１５の中心軸線
Ｏと一致するように、工具装着孔１５ａの真下に配置さ
れる。次いで、工具交換アーム１０３が回転軸１０５に
沿って上動して、新工具Ｔ′が工具装着孔１５ａに挿入
される。

【００１５】自動工具交換装置１０１により新工具Ｔ′
が工具装着孔１５ａに挿入されると、冷却流体供給源１
９ａから、冷却流体が冷却流体通路１９を介して、前記
加熱されたクランプ部に適用され、前記加熱されたクラ
ンプ部が冷却され、工具装着孔１５ａが縮小する。これ
により、新工具Ｔ′が工具装着孔１５ａに把持される。
このとき、主軸１５のクランプ部の温度を主軸温度セン
サＳ_tsにより監視し、前記クランプ部が所定温度になる
ように冷却流体による冷却が制御される。

【００１６】次に、本発明第２の実施形態による主軸装
置先端部の略示断面図である図２を参照すると、主軸装
置２１は、フロントベアリング２３ａ及び図示しないリ
ヤベアリングを介して主軸ハウジング２３に回転可能に
支持された主軸２５を具備している。主軸２５の先端部
には、工具Ｔを装着する概ね円筒状の工具装着孔２５ａ
が主軸２５の中心軸線Ｏに対して同心に形成されてい
る。また、工具装着孔２５ａに対して工具Ｔを着脱、交
換するために、第１の実施形態と同様の自動工具交換装
置１０１が配設されている。

【００１７】既述した第１の実施形態では、主軸加熱、
冷却手段は主軸ハウジング１３の内部に配設されていた
が、第２の実施形態では、主軸加熱、冷却手段は主軸ハ
ウジング２３の外部に配設されている。より詳細には、
第２の実施形態では、主軸加熱、冷却手段として、主軸
加熱アーム２７および主軸冷却アーム２９が配設されて
いる。なお、図２において、主軸２５の中心軸線Ｏの左
側半分は、主軸加熱アーム２７が主軸２５の先端部に隣
接した作用位置にある状態を示しており、中心軸線Ｏの
右側半分が主軸冷却アーム２９が主軸２５の先端部に隣
接した作用位置にある状態を示している。

【００１８】主軸加熱アーム２７は、主軸ハウジング２
３の外部において、主軸２５の中心軸線Ｏに平行に設け
られた回転軸２７ｃを中心として、図示する作用位置
と、不図示の待機位置との間で回転可能に片持梁式に支
持された棒状の部材から成り、主軸２５のクランプ部を
受容するために、その先端部には、自動工具交換装置１
０１の工具交換アーム１０３の端部に設けられた把持部
１０３ａ、１０３ｂに類似する概ねＵ字状または円筒状
の主軸受容部２７ｂを有している。主軸加熱アーム２７
の主軸受容部２７ｂの内面または内面近傍には、主軸２
５先端部の工具装着孔２５ａの周囲を加熱するための電
熱コイル２７ａが設けられている。

【００１９】主軸冷却アーム２９は、主軸加熱アーム２
７と同様に、その先端部に主軸２５のクランプ部を受容
する概ねＵ字状または円筒状の主軸受容部２９ｂを有
し、主軸ハウジング２３の外部において、主軸２５の中
心軸線Ｏに平行に設けられた回転軸２９ｃを中心として
図示する作用位置と、不図示の待機位置との間で回転可
能に設けられている。主軸冷却アーム２９の主軸受容部
２９ｂには、第１の実施形態における冷却流体通路１９
と同様に形成された冷却流体通路２９ｄが形成されてお
り、冷却流体通路２９ｄは冷却流体供給源２９ａに接続
されている。

【００２０】また、第２の実施形態では、主軸２５のク
ランプ部の温度を測定するために、第１の主軸温度セン
サＳ_ts1 が主軸加熱アーム２７の主軸受容部２７ｂに配
設され、第２の主軸温度センサＳ_ts2 が主軸冷却アーム
２９の主軸受容部２９ｂに配設されている。第１の主軸
温度センサＳ_ts1 は、電熱コイル２７ａによる主軸２５
の加熱温度を測定し、第２の主軸温度センサＳ_ts2 は、
冷却流体による主軸２５の冷却温度を測定する。

【００２１】以下、第２の実施形態の作用を工具交換動
作と共に説明する。所定の加工工程が終了すると、ＮＣ
装置（図示せず）からの工具交換指令が発せられ、主軸
装置２１は自動工具交換装置１０１との間での工具交換
動作を行うための工具交換位置に移動する。この主軸装
置２１が工具交換位置に移動すると、自動工具交換装置
１０１が作動して、主軸２５の工具装着孔２５ａに装着
されている工具Ｔが、工具交換アーム１０３の工具把持
部１０３ａにより把持される。同時に主軸加熱アーム２
７が回転軸２７ｃを中心として図示する作用位置に回転
し、主軸受容部２７ｂが、主軸２５のクランプ部を少な
くとも部分的に包囲する。

【００２２】次いで、前記電源装置から電熱コイル２７
に電力が供給され、主軸２５のクランプ部が加熱され
る。これにより工具装着孔２５ａが拡大し、工具Ｔを工
具装着孔２５ａから抜去可能となる。このとき、主軸２
５のクランプ部の温度を第１の主軸温度センサＳ_ts1 に
より監視し、前記クランプ部の温度が所定温度になるよ
うに、電熱コイル２７による加熱が制御される。

【００２３】既述したように、旧工具Ｔと新工具（図示
せず）とが交換されると、冷却流体が冷却流体供給源２
９ａから冷却流体通路２９ｄを介して前記加熱されたク
ランプ部に適用され、前記加熱されたクランプ部が冷却
され、工具装着孔２５ａが縮小する。これにより、新工
具が工具装着孔２５ａに把持される。このとき、主軸２
５のクランプ部の温度を第２の主軸温度センサＳ_ts2 に
より監視し、前記クランプ部の温度が所定温度になるよ
うに、冷却流体による冷却が制御される。

【００２４】次に、本発明第３の実施形態による主軸装
置先端部の略示断面図である図３を参照すると、主軸装
置３１は、フロントベアリング３３ａ及び図示しないリ
ヤベアリングを介して主軸ハウジング３３に回転可能に
支持された主軸３５を具備している。主軸３５の先端部
には、工具Ｔを装着する概ね円筒状の工具装着孔３５ａ
が主軸３５の中心軸線Ｏに対して同心に形成されてい
る。また、工具装着孔３５ａに対して工具Ｔを着脱、交
換するために、既述した実施形態と同様の自動工具交換
装置１０１が配設されている。

【００２５】既述した第１と第２の実施形態では、主軸
装着孔１５ａ、２５ａに工具Ｔを装着するために主軸加
熱、冷却手段が配設されていたが、第３の実施形態で
は、主軸加熱、冷却手段に代えて、工具Ｔを加熱、冷却
して工具外径を拡縮し、工具装着孔３５ａに工具Ｔを着
脱可能に把持させるための工具加熱、冷却手段が配設さ
れている。工具加熱、冷却手段は、電熱コイル３７およ
び既述の実施形態における冷却流体通路１９、２９と同
様に形成された冷却流体通路３９を含んでいる。

【００２６】第３の実施形態において、前記工具加熱、
冷却手段は、主軸ハウジング３３の外部の部材３８内に
設けられている。部材３８は、工具Ｔを受容、包囲する
工具受容部３８ａを有する環状またはＵ字状の部材であ
って、電熱コイル３７は工具受容部３８ａの内面または
内面に隣接して設けられ、冷却流体通路３９は部材３８
内に穿設されている。部材３８は、自動工具交換装置１
０１の工具交換アーム１０３と一体に形成したり、第２
の実施形態で説明した主軸加熱アーム２７、主軸冷却ア
ーム２９のように、工具交換アーム１０３とは別体に回
転可能に設けられた腕部材の先端に形成したり、或い
は、主軸装置３１を含む工作機械（図示せず）に固定さ
れた部材とすることができる。

【００２７】また、第３の実施形態では、工具Ｔの温度
を測定するために、工具温度センサＳ_ttが自動工具交換
装置１０１の工具交換アーム１０３の把持部１０３ａに
配設されている。

【００２８】以下、第３の実施形態の作用を工具交換動
作と共に説明する。所定の加工工程が終了すると、ＮＣ
装置（図示せず）からの工具交換指令が発せられ、主軸
装置３１は自動工具交換装置１０１との間での工具交換
動作を行うための工具交換位置に移動する。主軸装置３
１が工具交換位置に移動すると、自動工具交換装置１０
１が作動して、主軸３５の工具装着孔３５ａに装着され
ている工具Ｔが、工具交換アーム１０３の工具把持部１
０３ａにより把持される。

【００２９】このとき、図３に示すように、工具Ｔの少
なくとも一部が工具受容部３８ａにより包囲されるよう
に、主軸装置３１と部材３８を相対的に位置決めする。
すなわち、部材３８が固定された部材である場合には、
図３に示すように工具交換位置に部材３８を配置、固定
し、工具Ｔの少なくとも一部が工具受容部３８ａにより
包囲されるように主軸装置３１が移動する。また、部材
３８が、図２に示した主軸加熱アーム２７または主軸冷
却アーム２９に類似する機構により、図３に示す位置に
移動できる場合には、主軸装置３１が工具交換位置に移
動した後に、好ましくは工具交換アーム１０３の移動と
同時に、工具Ｔの少なくとも一部を工具受容部３８ａに
より包囲するように部材３８を移動する。部材３８が工
具交換アーム１０３に一体的に形成されている場合に
は、工具交換動作が開始されることにより自動的に部材
３８は図３に示す工具交換位置に移動する。

【００３０】上述のように、主軸装置３１、部材３８、
工具交換アーム１０３が図３に示す相対位置関係になる
と、冷却流体供給源３９ａから冷却流体通路３９を介し
て工具Ｔの表面に冷却流体が供給され工具Ｔが冷却され
る。これにより工具Ｔの外径が縮小して、工具Ｔが工具
装着孔３５ａから抜去可能となる。このとき、工具温度
センサＳ_ttが工具Ｔの表面温度を監視しており、工具Ｔ
の表面温度が所定温度に低下すると、工具交換アーム１
０３が回転軸１０５に沿って下動して、工具Ｔが工具装
着孔３５ａから抜去される。

【００３１】次いで、工具交換アーム１０３が回転軸１
０５を中心として回転することにより、旧工具Ｔが新工
具（図示せず）と交換され、工具交換アーム１０３が回
転軸１０５に沿って上動し、新工具が工具装着孔３５ａ
内に挿入される。新工具が工具装着孔３５ａ内に挿入さ
れると、電熱コイル３７に電力が供給され、新工具にお
いて工具受容部３８ａにより包囲された部分が加熱され
る。これにより、新工具の外径が拡大し、新工具が工具
装着孔３５ａに把持される。このとき、加熱される新工
具の表面温度を工具温度センサＳ_ttにより監視し、工具
表面の温度が所定温度になるように、電熱コイル３７に
よる加熱が制御される。

【００３２】次に、本発明第４の実施形態による主軸装
置先端部の略示断面図である図４を参照すると、主軸装
置４１は、既述の実施形態と同様に、フロントベアリン
グ４３ａ及び図示しないリヤベアリングを介して主軸ハ
ウジング４３に回転可能に支持された主軸４５を具備し
ている。主軸４５の先端部には、工具Ｔを装着する概ね
円筒状の工具装着孔４５ａが主軸４５の中心軸線Ｏに対
して同心に形成されている。一方、主軸ハウジング４３
において、主軸４５のクランプ部に対面する部分には、
第１の実施形態と同様に、主軸４５のクランプ部を加
熱、冷却して工具装着孔４５ａを拡縮するための主軸加
熱、冷却手段として、電熱コイル４７および冷却流体通
路４９が設けられている。また、工具装着孔４５ａに対
して工具Ｔを着脱、交換するために、既述した実施形態
と同様の自動工具交換装置１０１が配設されている。

【００３３】第４の実施形態では、第１の実施形態と同
様の構成に加えて、既述した第３の実施形態と同様の工
具Ｔを加熱、冷却して工具Ｔの外径を拡縮し、工具装着
孔４５ａに工具Ｔを着脱可能に装着するための工具加
熱、冷却手段が設けられている。すなわち、主軸ハウジ
ング４３の外部の部材５１に、電熱コイル５７および冷
却流体通路５９が設けられている。部材５１は、工具Ｔ
を受容、包囲する工具受容部５１ａを有する環状または
Ｕ字状の部材であって、電熱コイル５７は工具受容部５
１ａの内面または内面に隣接して設けられ、冷却流体通
路５９は部材５１内に穿設されている。部材５１は、第
３の実施形態と同様に、自動工具交換装置１０１の工具
交換アーム１０３と一体に形成したり、工具交換アーム
１０３とは別体に回転可能に設けられた腕部材の先端に
形成したり、或いは、主軸装置４１を含む工作機械（図
示せず）に固定された部材とすることができる。

【００３４】また、第４の実施形態では、主軸４５のク
ランプ部の温度および工具Ｔの温度を測定するために、
主軸温度センサＳ_tsと、工具温度センサＳ_ttが、主軸ハ
ウジング４３と、自動工具交換装置１０１の工具交換ア
ーム１０３の把持部１０３ａにそれぞれ配設されてい
る。

【００３５】以下、第４の実施形態の作用を工具交換動
作と共に説明する。所定の加工工程が終了すると、ＮＣ
装置（図示せず）からの工具交換指令が発せられ、主軸
装置４１は自動工具交換装置１０１との間での工具交換
動作を行うための工具交換位置に移動する。主軸装置４
１が工具交換位置に移動すると、自動工具交換装置１０
１が作動して、主軸４５の工具装着孔４５ａに装着され
ている工具Ｔが、工具交換アーム１０３の工具把持部１
０３ａにより把持される。

【００３６】このとき、第３の実施形態と同様に、工具
Ｔの少なくとも一部が工具受容部５１ａにより包囲され
るように、主軸装置４１と部材５１を相対的に位置決め
する。主軸装置４１、部材５１、工具交換アーム１０３
が図４に示す相対位置関係になると、前記電源装置から
電熱コイル４７に電力が供給され、主軸４５のクランプ
部が加熱される。主軸４５のクランプ部の加熱と同時
に、冷却流体供給源５９ａから冷却流体通路５９を介し
て工具Ｔの表面に冷却流体が供給され、工具Ｔの表面が
冷却される。

【００３７】これにより工具装着孔４５ａが拡大すると
共に工具Ｔの外径が縮小して、工具Ｔが工具装着孔４５
ａから抜去可能となる。このように、第４の実施形態で
は、工具装着孔４５ａの内径を拡大すると共に工具Ｔの
外径を縮小するために、工具装着孔４５ａの内径と工具
Ｔの外径の寸法差を第１から第３の実施形態に比較して
大きくすることができ、工具Ｔが工具装着孔４５ａから
抜去し易くなる。

【００３８】主軸４５のクランプ部を加熱すると共に、
工具Ｔの表面を冷却するとき、主軸温度センサＳ_tsが主
軸４５のクランプ部の温度を監視すると共に、工具温度
センサＳ_ttが工具Ｔの表面温度を監視しており、主軸４
５のクランプ部の温度が前記所定温度に上昇し、かつ、
工具Ｔの表面温度が所定温度に低下すると、工具交換ア
ーム１０３が回転軸１０５に沿って下動して、工具Ｔが
工具装着孔４５ａから抜去される。

【００３９】次いで、工具交換アーム１０３が回転軸１
０５を中心として回転することにより、旧工具Ｔが新工
具（図示せず）と交換され、工具交換アーム１０３が回
転軸１０５に沿って上動し、新工具が工具装着孔４５ａ
内に挿入される。新工具が工具装着孔４５ａに挿入され
ると、冷却流体が冷却流体供給源４９ａから冷却流体通
路４９を介して前記加熱されたクランプ部に適用され、
前記加熱されたクランプ部が冷却される共に、電熱コイ
ル５７に電力が供給され、工具受容部５１ａにより包囲
された新工具の部分が加熱される。これにより、工具装
着孔４５ａが縮小すると共に、新工具の外径が拡大し、
新工具が工具装着孔４５ａに把持される。

【００４０】このとき、主軸４５のクランプ部の温度を
主軸温度センサＳ_tsにより監視すると共に、加熱される
新工具の表面温度を工具温度センサＳ_ttにより監視し、
前記クランプ部の温度および工具表面の温度が所定温度
になるように、冷却流体による冷却および電熱コイル４
７による加熱が制御される。

【００４１】第４の実施形態では、主軸４５のクランプ
部の加熱、冷却と、工具Ｔの加熱、冷却は位相が反対に
なっており、クランプ部が加熱されるとき工具Ｔが冷却
され、クランプ部が冷却されるとき工具Ｔが加熱される
ようになっているが、クランプ部と工具Ｔの熱膨張率が
大きく異なる場合、特に、工具Ｔのシャンク部が鉄−ニ
ッケル合金やセラミック等の熱膨張率の小さな材料から
形成されている場合には、この熱膨張率の差を利用し
て、主軸４５のクランプ部の加熱、冷却と、工具Ｔの加
熱、冷却を同位相にて実施することができる。また、主
軸４５のクランプ部の加熱、冷却と、工具Ｔの加熱、冷
却を同位相にて実施する場合において、主軸４５のクラ
ンプ部と工具Ｔとの間で温度差ができるように加熱、冷
却を行ってもよい。

【００４２】以上、主として工具を主軸の工具装着孔に
把持させるための主軸加熱、冷却手段および工具加熱、
冷却手段に関して本発明の好ましい実施形態を説明した
が、このように、主軸または工具若しくはその両者の熱
膨張収縮を利用して、工具を主軸の工具装着孔に把持さ
せる構成では、径方向の寸法の変化が小さいために、工
具を工具装着孔に挿入、抜去するために比較的大きな力
が必要となることがある。そのために、工具交換アーム
１０３の工具把持部１０３ａから工具Ｔに単に摩擦力に
よってのみ力が伝達される構成では、工具Ｔを工具装着
孔１５ａ、２５ａ、３５ａ、４５ａから抜去したり、ま
た、工具装着孔へ挿入できない可能性がある。そこで、
図５、６によれば、工具交換アーム１０３の把持部１０
３ａと工具Ｔとの間に工具係止手段が設けられている。

【００４３】すなわち、図５では、工具Ｔの表面には環
状部材Ｔａが挿着されており、工具交換アーム１０３の
把持部１０３ａには、工具Ｔの環状部材Ｔａを受承する
受承部１０７が形成されている。把持部１０３ａが工具
Ｔを把持したときに、工具Ｔの環状部材Ｔａと受承部１
０７とが係合することにより、工具交換アーム１０３が
回転軸１０５に沿って昇降する際に、工具Ｔを抜去、挿
入する力が有効に伝達され、工具Ｔと工具装着孔との間
のクリアランスが小さくとも、工具Ｔを工具装着孔から
抜去、または、工具装着孔へ挿入することが比較的容易
に可能となる。

【００４４】また図６では、工具Ｔの外周にはＶ溝Ｔｂ
が形成されており、工具交換アーム１０３の把持部１０
３ａには、工具ＴのＶ溝Ｔｂに嵌合する突起部１０９が
形成されている。この実施形態においても、把持部１０
３ａが工具Ｔを把持したときに、Ｖ溝Ｔｂと突起部１０
９とが係合することにより、工具交換アーム１０３が回
転軸１０５に沿って昇降する際に、工具Ｔを抜去、挿入
する力が有効に伝達され、工具Ｔと工具装着孔との間の
クリアランスが小さくとも、工具Ｔを工具装着孔から抜
去、または、工具装着孔へ挿入することが比較的容易に
可能となる。ここで、工具Ｔの外周に環状部材ＴａやＶ
溝Ｔｂを設ける代わりに、工具交換アーム１０３の把持
部１０３ａに弾性部材を設け、工具交換アーム１０３に
工具Ｔを弾性的に把持するようにしてもよい。

【００４５】次に、本発明第５の実施形態による主軸装
置の断面図である図７を参照すると、主軸装置２０１
は、フロントベアリング２０３ａおよびリヤベアリング
２０３ｂを介して主軸ハウジング２０３に回転可能に支
持された主軸２０５を具備しており、主軸２０５の先端
部には、工具Ｔを装着する概ね円筒状の工具装着孔２０
５ａが主軸２０５の中心軸線Ｏに対して同心に形成され
ている。一方、主軸ハウジング２０３において、主軸２
０５のクランプ部に対面する部位には、第１および第４
の実施形態と同様に、主軸２０５のクランプ部を加熱、
冷却して工具装着孔２０５ａを拡縮するための主軸加
熱、冷却手段として、電熱コイル２０７および冷却流体
通路２０９が設けられ、電熱コイル２０７は前記電源装
置に接続され、冷却流体通路２０９は冷却流体供給源２
１１に接続されている。また、工具装着孔２０５ａに対
して工具Ｔを着脱、交換するために、既述した実施形態
と同様の自動工具交換装置１０１が配設されている。

【００４６】第５の実施形態は、主軸２０５の工具装着
孔２０５ａへの工具Ｔの装着方法は第１および第４の実
施形態と同様であるので、その説明は省略し、既述の実
施形態との相違点のみを以下に詳細に説明する。つま
り、主軸２０５をその内部から冷却する軸芯冷却および
主軸２０５を主軸ハウジング２０３に対して回転支持す
るフロントベアリング２０３ａおよびリヤベアリング２
０３ｂを主軸２０５の内部から供給される冷却流体で潤
滑、冷却するアンダレース潤滑を行う構成、さらには自
動工具交換装置１０１の工具交換アーム１０３の両把持
部１０３ａ、１０３ｂに工具Ｔを把持する構成が相違す
るのである。

【００４７】主軸２０５の内部にはその軸線方向に有底
状の中空穴２０５ｂが形成され、中空穴２０５ｂは工具
装着孔２０５ａと連通している。また、主軸２０５に
は、中空穴２０５ｂから主軸２０５の半径方向に延びる
流路２０５ｃが形成され、流路２０５ｃとフロントベア
リング２０３ａおよびリヤベアリング２０３ｂの内輪と
の間の主軸２０５の外周部には環状溝２０５ｄ、２０５
ｅがそれぞれ形成されている。さらに、フロントベアリ
ング２０３ａおよびリヤベアリング２０３ｂの内輪に
は、その半径方向に延び、環状溝２０５ｄ、２０５ｅに
開口する流路２０３ｃ、２０３ｄが形成されている。

【００４８】ここで、主軸２０５の軸芯冷却、フロント
ベアリング２０３ａおよびリヤベアリング２０３ｂのア
ンダレース潤滑の作用を説明する。冷却流体は、冷却流
体供給源２１３から主軸２０５の後端部に設けられたロ
ータリジョイント２１５を介して主軸２０５の中空穴２
０５ｂに供給され、主軸２０５をその内部から冷却す
る。そして、中空穴２０５ｂへの供給圧力と主軸２０５
の回転による遠心力とで流路２０５ｃ、環状溝２０５
ｄ、２０５ｅ、流路２０３ｃ、２０３ｄを通って、フロ
ントベアリング２０３ａおよびリヤベアリング２０３ｂ
の内部に達して、その転動体等の潤滑、冷却を行い、適
宜の手段でフロントベアリング２０３ａおよびリヤベア
リング２０３ｂの外部に回収される。

【００４９】次いで、自動工具交換装置１０１の工具交
換アーム１０３の把持部１０３ａ、１０３ｂに工具Ｔを
把持する構成を説明する。図５および６では、工具交換
アーム１０３の把持部１０３ａ、１０３ｂに工具Ｔを受
承または嵌合して把持するのに対して、第５の実施形態
では、工具交換アーム１０３の把持部１０３ａ、１０３
ｂを加熱、冷却して拡縮するための加熱、冷却手段とし
て、電熱コイル２１７および冷却流体通路２１９が設け
られている。つまり、主軸加熱、冷却手段で主軸２０５
の工具装着孔２０５ａを加熱、冷却して工具装置孔２０
５ａを拡縮し、工具装着孔２０５ａに工具Ｔを把持する
のと同様の作用で、工具交換アーム１０３の把持部１０
３ａ、１０３ｂを加熱、冷却して拡縮し、把持部１０３
ａ、１０３ｂに工具Ｔを把持するものである。

【００５０】すなわち、自動工具交換装置１０１で旧工
具Ｔと新工具Ｔ′との交換を行うに際して、まず、前記
電源装置に接続された電熱コイル２１７に電力が供給さ
れ、把持部１０３ａが加熱されて拡大し、旧工具Ｔが挿
入可能な状態となる。その後、工具交換アーム１０３を
回転軸１０５に沿って上動させ把持部１０３ａに旧工具
Ｔを挿入するとともに、冷却流体供給源２２１から冷却
流体通路２１９を介して把持部１０３ａに冷却流体を供
給し、把持部１０３ａを冷却する。これにより把持部１
０３ａが縮小して旧工具Ｔを把持することができる。そ
して、既述の要領で主軸２０５の工具装着孔２０５ａか
ら旧工具Ｔを抜去可能な状態とした後に、工具交換アー
ム１０３を回転軸１０５に沿って下動、回転させ、旧工
具Ｔと新工具Ｔ′との交換を行う。新工具Ｔ′が主軸２
０５の工具装着孔２０５ａに挿入された後に、旧工具Ｔ
を把持したときと同様に、既述の要領で主軸２０５の工
具装着孔２０５ａに新工具Ｔ′を装着するとともに、前
記電源装置に接続された電熱コイル２１７に電力を供給
し、把持部１０３ａを加熱して拡大させ、把持部１０３
ａから新工具Ｔ′を解放する。以上は、工具交換アーム
１０３を有する自動工具交換装置において、工具交換ア
ーム１０３の把持部１０３ａ、１０３ｂの加熱、冷却に
よる工具Ｔの把持方法を説明したが、工具マガジンにお
ける工具Ｔの把持部に、該把持部を加熱、冷却する装置
を設けておけば、工具交換アーム１０３を用いずに工具
交換を行う場合にも応用ができる。

【００５１】第５の実施形態では、主軸２０５を回転駆
動する手段として、主軸ハウジング２０３の内周部に取
り付けられたステータ２２３と主軸２０５の外周部に取
り付けられたロータ２２５とからなる、いわゆるビルト
インモータを示している。これに代わり、主軸ハウジン
グ２０３に設けられた主軸回転用モータと主軸２０５の
後端部とをカップリング等で連結し、主軸２０５を回転
駆動させてももちろん構わない。

【００５２】ここで、第５の実施形態で採用した軸芯冷
却、アンダレース潤滑、および工具交換アーム１０３の
把持部１０３ａ、１０３ｂにおける工具Ｔの把持方法
は、第２の実施形態のように、工具Ｔの表面を加熱、冷
却してクランプ部に工具Ｔを把持させる場合や、第３の
実施形態のように、クランプ部の加熱、冷却と工具Ｔの
表面の加熱、冷却とを反対の位相もしくは同位相で行わ
せて、クランプ部および工具Ｔを拡縮してクランプ部に
工具Ｔを把持させる場合でも採用することができること
は言うまでもない。また、軸芯冷却を行う構成を採用し
ている場合には、主軸冷却手段として冷却流体通路を設
けずに、主軸の中空穴に供給された冷却流体を工具装着
孔にそのまま供給できるので、主軸の工具装着孔から工
具Ｔを抜去可能な状態にするときに、主軸の工具装着孔
を比較的簡単にその内部から冷却することができる。主
軸温度センサＳ_tsおよび工具温度センサＳ_ttは、必要に
応じて適宜位置に設けられればよい。

【００５３】主軸１５、２５、３５、４５、２０５を製
作するに際して、主軸を加熱して、すなわち主軸の工具
装着孔に工具を挿入、把持する状態で、主軸の工具装着
孔を所望形状に加工するようにすれば、主軸の工具装着
孔に工具を実際に把持したときに、工具装着孔に工具が
しっかりと密着する等して、高速回転時の回転精度を向
上させることができる。また、主軸を加熱したとき、主
軸の工具装着孔の先端部と根元部とではその変形量が異
なることがあるので、これを傾向付けして仕上加工すれ
ば、主軸の工具装着孔に対するより高精度な工具の装着
を実現できる。

【００５４】以上、本発明の好ましい実施形態を説明し
たが、本発明はこの実施形態に限定されず、本発明の精
神と範囲とを逸脱することなく種々の変形、改良が可能
であることは当業者の当然とするところである。例え
ば、既述の実施形態では、主軸加熱手段または工具加熱
手段として電熱コイルを説明したが、本発明はこれに限
定されず、誘導コイルや加熱流体を用いることができ
る。

【００５５】また、既述の実施形態では冷却流体として
空気を説明したが、空気以外にも水、クーラント、冷却
油等を用いることができる。さらに、主軸の工具装着孔
を加熱して拡大させ、工具を挿入した後に、冷却流体等
の主軸冷却手段で主軸の工具装着孔を積極的に冷却せず
に、自然放熱により主軸の工具装着孔が冷却するのを待
って、主軸の工具装着孔に工具を把持させる方法もあ
る。一方、工具の表面を冷却して縮小させ、主軸の工具
装着孔に挿入した後に、電熱コイル等の工具加熱手段で
工具の表面を積極的に加熱せずに、自然に工具が加熱
（膨張）するのを待って、主軸の工具装着孔に工具を把
持させる方法もある。

【００５６】主軸温度センサＳ_ts、工具温度センサＳ_tt
の取付位置は、第１から第４の実施形態に示した位置に
限られず、例えば主軸温度センサＳ_ts、工具温度センサ
Ｓ_ttの両方が主軸ハウジングに取り付けられたり、とに
かく工具交換動作や実際の加工等の妨げとならない位置
に設けられていればよい。主軸頭の温度を監視する主軸
頭温度センサを設け、その監視結果に基づいて、主軸頭
の熱変位補正を行うことも可能である。当然のごとく、
主軸温度センサＳ _ts、工具温度センサＳ_ttの監視結果に
基づいて、主軸の熱変位補正や工具長補正を行うことも
できる。

【００５７】回転工具Ｔとしてはボールエンドミルやド
リルを用いることができる。第１から第５の実施形態
は、主軸が垂直軸線の回りに回転可能な場合を説明した
が、主軸が水平軸線の回りに回転可能な場合でも適用で
きることは言うまでもない。

【００５８】

【発明の効果】本発明によれば、主軸に工具を装着する
に際して、主軸の先端に形成された工具装着孔に直接的
に工具を装着、すなわち主軸または工具を加熱手段・冷
却手段により冷却、加熱して、主軸の工具装着孔または
工具を拡縮させ、主軸の工具装着孔に工具を着脱可能に
把持させるようにしたので、主軸への工具の装着に工具
ホルダが不要となり、主軸の外径を小さくでき、高速回
転に有利な主軸装置が得られる。また、工具ホルダが不
要であることから、主軸の内部にドローバーやコレット
チャック等を設ける必要がなく、主軸装置の構造を簡素
化でき、主軸の回転バランスが安定した主軸装置が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明第１の実施形態による主軸装置先端部の
略示断面図である。

【図２】本発明第２の実施形態による主軸装置先端部の
略示断面図である。

【図３】本発明第３の実施形態による主軸装置先端部の
略示断面図である。

【図４】本発明第４の実施形態による主軸装置先端部の
略示断面図である。

【図５】工具交換アームの把持部と工具との間に設けた
工具係止手段の一例を示す断面図である。

【図６】工具交換アームの把持部と工具との間に設けた
工具係止手段の別の一例を示す断面図である。

【図７】本発明第５の実施形態による主軸装置の断面図
である。

【符号の説明】

１１…主軸装置 １３…主軸ハウジング １５…主軸 １５ａ…工具装着孔 １７…電熱コイル １９…冷却流体通路 １０１…自動工具交換装置 １０３…工具交換アーム １０３ａ、１０３ｂ…把持部 Ｓ_ts…主軸温度センサ Ｓ_tt…工具温度センサ Ｔ…工具

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高野 和雅 神奈川県愛甲郡愛川町三増359番地の３ 株式会社牧野フライス製作所内 Ｆターム(参考） 3C002 DD06 JJ04 KK01 LL12 3C032 DD00 3C045 FD20

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 主軸頭に回転可能に支持された主軸を有
   する工作機械の主軸装置において、 前記主軸の先端部に形成され、工具を装着する工具装着
   孔と、 前記主軸の工具装着孔の周囲を加熱、冷却して前記工具
   装着孔を拡縮し、前記工具装着孔に前記工具を着脱可能
   に把持させる主軸加熱・冷却手段と、 を具備することを特徴とした工作機械の主軸装置。
2. 【請求項２】 主軸頭に回転可能に支持された主軸を有
   する工作機械の主軸装置において、 前記主軸の先端部に形成され、工具を装着する工具装着
   孔と、 前記工具を加熱、冷却して工具外径を拡縮し、前記工具
   装着孔に前記工具を着脱可能に把持させる工具加熱・冷
   却手段と、 を具備することを特徴とした工作機械の主軸装置。
3. 【請求項３】 前記主軸の工具装着孔の周囲を加熱、冷
   却して前記工具装着孔を拡縮させる主軸加熱・冷却手段
   を更に具備した請求項２に記載の工作機械の主軸装置。
4. 【請求項４】 前記主軸、工具及び主軸頭のうち少なく
   とも１つの温度を測定する温度測定手段を有した請求項
   １から３のいずれか１項に記載の工作機械の主軸装置。
5. 【請求項５】 前記主軸を加熱して前記主軸の工具装着
   孔に前記工具を把持する状態で前記主軸の工具装着孔を
   所望形状に加工する請求項１から４のいずれか１項に記
   載の工作機械の主軸装置。
6. 【請求項６】 前記主軸と工具マガジンとの間で前記工
   具を交換する自動工具交換手段を具備するとともに、前
   記自動工具交換手段は交換アーム部材を有し、前記交換
   アーム部材または工具マガジンの工具把持部を加熱、冷
   却して前記工具把持部を拡縮し、前記工具把持部に前記
   工具を着脱可能に把持させる加熱・冷却手段を有し、前
   記主軸と工具マガジンとの間で前記工具を交換する請求
   項１から５のいずれか１項に記載の工作機械の主軸装
   置。