JP2005224871A

JP2005224871A - 工作機械の主軸構造

Info

Publication number: JP2005224871A
Application number: JP2004033159A
Authority: JP
Inventors: Kunio Watanabe; 訓夫渡邊; Akihiko Fujimoto; 明彦藤元; Shinko Murota; 真弘室田
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2004-02-10
Filing date: 2004-02-10
Publication date: 2005-08-25
Also published as: US20050175425A1; EP1563935A3; CN1654146A; EP1563935A2

Abstract

【課題】可動部品や厳密な加工精度を必要とせずに、工具ホルダと主軸シャフトをテーパ面及び端面で安定して拘束でき、高い伝達トルクと安定した工具保持状態が得られる工作機械の主軸構造を提供すること。
【解決手段】工具ホルダ１の凸状円錐部３・端面１ａを、主軸シャフト２の凹状円錐部５・端面２ａに接触及び離脱させて、工具ホルダ１を主軸シャフト２に着脱し、凹状円錐部５に円環状円錐部分７を設け、円環状円錐部分７の直径を、凸状円錐部３の円環状円錐部分７に当接する部分の直径よりも小さくしてある。
【選択図】図１

Description

本発明は、工具ホルダを主軸シャフトに保持及び取り外し可能とした工作機械の主軸構造に関する。

切削工具等の工具を装着した工具ホルダと、工作機械の主軸シャフトとを連結するには、工具ホルダの端面に設けた凸状円錐部を、主軸シャフトの先端部に形成した凹状円錐部へ嵌合し、主軸シャフト側に設置されたドローバーにより、工具ホルダの凸状円錐部の頂部に設けたプルスタッドを引き上げて、凸状円錐部と凹状円錐部のテーパ面どうしを接触させていた。
しかし、このようにテーパ面のみで工具ホルダと主軸シャフトとを結合したものは、工具ホルダに外力が加わったときに大きく傾きやすく、また、工具交換を行った場合に工具長のばらつきが大きくなり、さらには、主軸を高速回転させると凹状円錐部が拡がって、工具ホルダが主軸シャフト内へ引き込まれてしまうといった欠点がある。

そこで、近年では、テーパ面のみでなく、工具ホルダの端面と主軸シャフトの端面とを接触させて、テーパ面及び端面の二面で工具ホルダを支持する二面拘束式の主軸構造が一般化してきている。これによれば、上記した欠点を解消して、工具によるいっそう高品位な加工を行うことができる。
二面拘束式の主軸構造としては、主軸シャフトの凹状円錐部へ工具ホルダの凸状円錐部を嵌合し、主軸シャフトの端面と工具ホルダの端面を延出して互いに吻合させたものが知られている（特許文献１参照）。

この構造では、凸状円錐部の外径を凹状円錐部の内径よりも大きくして予め締め代を与え、主軸シャフトへ工具ホルダを引き込む際に、工具クランプ力によって主軸シャフト及び工具ホルダの双方が弾性変形する性質を利用して端面どうしを密着させており、工具ホルダが主軸シャフトへ引き込まれる量は、工具クランプ力が大きくなるほど増大する。
ところが、工具クランプ力は、プルスタッドの強度、アンクランプ機構の負担等の点からいたずらに大きくすることはできない。このため、テーパ面と端面とを同時に密着させるためには、主軸テーパ面と主軸端面の位置関係を非常に狭い誤差範囲内で厳密に仕上げる必要があり、主軸シャフトの製作に多大なコストを要していた。

また、主軸シャフトと工具ホルダのテーパ面間に介在する油膜により、両者間に浮遊状態が発生して、十分な伝達トルクが得られず、この結果、工作能力を十分に発揮することができない。
さらに、主軸が高速で回転したとき、主軸シャフトの凹状円錐部は遠心力によって外周方向へ拡がる。この拡がりが工具ホルダの凸状円錐部の拡がりよりも大きいため、工具保持状態が不安定となる。
図８は、主軸回転数の変化に伴う凸状円錐部及び凹状円錐部の変形（拡がり）を示し、主軸停止時に予め２μｍの締め代（凸状円錐部の外径と凹状円錐部の内径との差）を与えると、この締め代は主軸回転数の増加と共に減少し、およそ１７，０００ｍｉｎ^−１を越えたところで、両者の間に透間が空いてしまうことがわかる。

他の二面拘束式主軸構造としては、工具ホルダと主軸シャフトのテーパ面間にスリーブ状の可動部品を介在することにより、工具引き込み力に対する工具の引き込み量を増大させると共に、高速回転時の変形に追随するものが公知である（特許文献２、特許文献３及び特許文献４参照）。
しかし、これらのものは、主軸シャフトと工具ホルダとの間の伝達トルクが低いため、工具の性能を十分に発揮することができず、また、構造が複雑なのでコストが高くつくという欠点がある。

特許第２５７１３２５号公報特開２０００−１５８２７０号公報特開２００２−１７２５３４号公報実開昭６０−１４３６２８号公報

本発明が解決しようとする課題は、可動部品や厳密な加工精度を必要とせずに、工具ホルダと主軸シャフトとをテーパ面及び端面の二面で互いに安定して拘束することができ、高い伝達トルクが得られ、工具を安定して保持できる工作機械の主軸構造を提供することにある。

本発明の工作機械の主軸構造は、工具ホルダの凸状円錐部と工具ホルダの端面を、主軸シャフトの凹状円錐部と主軸シャフトの端面に接触及び離脱させて、前記工具ホルダを前記主軸シャフトに保持及び取り外し可能とし、前記主軸シャフトの凹状円錐部の主軸軸線方向における一個所以上に円環状円錐部分を一体に設け、該円環状円錐部分の直径を、前記工具ホルダの凸状円錐部の前記円環状円錐部分に当接する部分の直径よりも小さくしてある。

本発明によれば、テーパ面どうしの接触を円環状円錐部分における局部的な接触としてあるので、接触部分が弾性変形しやすくて、工具ホルダと主軸シャフトのテーパ面どうしが接触してからさらに十分引き込むことができ、このため、安定した二面拘束状態が得られると共に、主軸シャフトのテーパ面と端面との位置関係における許容誤差範囲を大きくすることができ、要求される加工精度が低減されて、製造コストを低く抑えることが可能となる。
また、工具ホルダと主軸シャフト間の締め代を大きく設定することができて、テーパ面に発生する面圧が高まると共に、テーパ面どうしの接触面積が狭くなって、両者間に介在する油膜による浮遊状態が発生しないので、主軸シャフトと工具ホルダとの間で高い伝達トルクが得られる。
さらに、予め付与する締め代を大きくできることにより、主軸高速回転時に主軸シャフトの凹状円錐部が拡がっても締め代を失うことが無くなり、安定した工具保持状態を維持することができる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、実施例１である工作機械の主軸構造を示す。この主軸構造では、切削工具等の工具（図示せず）が装着された工具ホルダ１を、工作機械の主軸シャフト２に取り付けることにより、工具を主軸シャフト２に連絡して、主軸シャフト２の運動を工具へ伝達するようになっている。

工具ホルダ１の端面１ａの中央部には、凸状円錐部３が工具ホルダ１と中心軸を共有するように一体に設けられ、凸状円錐部３の頂部にプルスタッド４が軸方向に沿って立設される。
主軸シャフト２の端面２ａの中央部には、凹状円錐部５が主軸シャフト２と中心軸を共有するように形成され、凹状円錐部５の奥部に、工具ホルダ１のプルスタッド４を係脱自在に把持するドローバー６が設置される。また、凹状円錐部５の主軸軸方向の中間部には、円環状円錐部分（凹状円錐部５の面より突出し、該凹状円錐部５の面と平行な凹状円錐面を備えた突出部）７が一体に形成される。

そして、工具ホルダ１の凸状円錐部３を、主軸シャフト２の凹状円錐部５に挿入して、円環状円錐部分７の内周のテーパー面に接触させてから、ドローバー６により工具ホルダ１のプルスタッド４を引き上げると、工具ホルダ１の端面１ａと主軸シャフト２の端面２ａとが密着する。
なお、図２に示すように、円環状円錐部分７の直径（内径）Ａは、凸状円錐部３の円環状円錐部分７に当接する部分の直径（外径）Ｂよりも僅かに小さくして、締め代を与えてあり、工具ホルダ１を主軸シャフト２へ引き込んだときに（ドローバー６でプルスタッド４を引き上げたときに）、凸状円錐部３及び凹状円錐部５が弾性変形して、円環状円錐部分７の内周面に凸状円錐部３が密着する。

このように、工具ホルダ１と主軸シャフト２のテーパ面における接触は、局部的であるため弾性変形しやすく、このため、同じ工具引き込み力を加えた時の工具引き込み量は、凸状円錐部と凹状円錐部のテーパ面どうしを全面的に接触させた従来の構造に比べて大きくでき、予め与えられる締め代（凸状円錐部３の直径Ｂと円環状円錐部分７の直径Ａとの差）を大きく設定することができる。
従って、主軸シャフト２のテーパ面と端面２ａとの軸方向における位置関係の許容誤差範囲、即ち公差幅を広く取ることが可能となり、従来の構造に比べて要求される加工精度を低減できる。

図３に、工具ホルダの端面と主軸シャフトの端面とを接触させないで、工具引き込み力を作用させた場合に、テーパ面どうしが接触してから後の工具ホルダが主軸シャフト内部へ引き込まれる工具引き込み量、予め付与することができる締め代、及び、公差幅について、本発明と従来のものとで比較した結果を示す。
例えば、工具引き込み力を２．０ｋＮとした時、従来の主軸構造では工具引き込み量が８μｍであるに過ぎないが、本発明の主軸構造では２０μｍとなっており、このように大きい引き込み量が得られることにより、交差幅を従来のものが２μｍであるのに対して、本発明では１０μｍと５倍も広く取ることができる。

また、主軸シャフト２のテーパ面（円環状円錐部分７の内周面）は接触面積が小さいため、テーパ面どうしの接触部に介在する油膜による浮遊状態が発生せず、又、凹状円錐部５の他の部分は凸状円錐部３に接触しないので、この部分に介在する油膜は伝達トルクに影響を変えず、このため高い伝達トルクが得られる。
図４に、工具ホルダが主軸シャフトへ装着された状態で、テーパ面と端面に加わる面圧に関し、本発明と従来のものとで比較した結果を示す。
図４の（イ）に示す従来の二面高速方式の主軸構造では、主軸シャフトの凹状円錐部と工具ホルダの凸状円錐部とが全面的に密着するため、接合面全体に低い面圧が作用している。一方、図４の（ロ）に示す本発明の主軸構造では、円環状円錐部分７の内周面に集中して高い面圧が作用している。
なお、テーパ面に生ずる面圧と端面に生ずる面圧とは交換関係にあるが、テーパ面で生ずる面圧が十分に高い場合は、予め付与する締め代を調整することにより、端面に作用する面圧を上昇させて、バランス良く配分することができる。

なお、本発明の構成は実施例１に限定されるものではない。
例えば、図５に示す実施例２では、円環状円錐部分７を凹状円錐部５の軸方向上部寄りに設けてある。
図６は、本発明の実施例３を示し、円環状円錐部分７を凹状円錐部５の軸方向下端に設けてある。
また、図７は実施例４を示し、凹状円錐部５の軸方向上部寄り及び下端に、それぞれ円環状円錐部分７を設けてある。
さらに、円環状円錐部分７を、主軸シャフト２側ではなく、工具ホルダ１の凸状円錐部３の外周面に設けても、同様の効果を得ることができる。

実施例１を示す工作機械の主軸構造の断面図。実施例１に係る工作機械の主軸構造を、弾性変形しない大きさのまま示した断面図。工具引込み力と工具引込み量、締め代及び交差幅との関係を、従来のものと実施例１とで比較した図。工作機械の主軸構造における面圧の分布状態を示し、（イ）は従来の主軸構造、（ロ）は実施例１の圧力分布図。実施例２を示す工作機械の主軸構造の断面図。実施例３を示す工作機械の主軸構造の断面図。実施例４を示す工作機械の主軸構造の断面図。従来の主軸構造における主軸回転数と凸状円錐部及び凹状円錐部の拡がりとの関係を示す図。

符号の説明

１工具ホルダ
１ａ端面
２主軸シャフト
２ａ端面
３凸状円錐部
４プルスタッド
５凹状円錐部
６ドローバー
７円環状円錐部分

Claims

工具ホルダの凸状円錐部と工具ホルダの端面を、主軸シャフトの凹状円錐部と主軸シャフトの端面に接触及び離脱させて、前記工具ホルダを前記主軸シャフトに保持及び取り外し可能とした工作機械の主軸構造において、前記主軸シャフトの凹状円錐部の主軸軸線方向における一個所以上に円環状円錐部分を一体に設け、該円環状円錐部分の直径を、前記工具ホルダの凸状円錐部の前記円環状円錐部分に当接する部分の直径よりも小さくしたことを特徴とする、工作機械の主軸構造。