JP2007090451A - アタッチメント - Google Patents

Abstract

【課題】高速回転による発熱対策及び撹拌損失対策を施して高速切削化に対応可能な工作機械用のアタッチメントを提供すること。
【解決手段】工作機械の主軸ヘッドに取り付けられて駆動手段を備えた主軸と連結され、駆動力伝達機構を介して回転工具に回転力を伝達する工作機械用のアタッチメントにおいて、駆動力伝達機構に設けられた傘歯車８の歯８０の表面に高熱伝導材の薄膜層８３を形成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、マシニングセンタ等の主軸ヘッドに取り付けられて回転工具をるアタッチメントの改良に関する。

従来より、工作機械の主軸に対し各種切削加工等を行う回転工具を取り付けるため、たとえばアンギュラアタッチメント等のアタッチメント類が使用されている。
アンギュラアタッチメントは、主軸ヘッドの移動方向と平行な領域だけでなく、移動方向と平行でない領域についても加工を可能とするものであり、駆動手段の回転を回転工具に伝達するため傘歯車等の摺動部を備えている。（たとえば、特許文献１参照）
実開昭６２−１８１３４１号公報（第１図参照）

近年の工作機械においては、切削性能が高く非切削時間の短い、より生産性の高い機械が求められている。このような背景から高速切削化が進み、工作機械の主軸先端に装着して各種切削工具を取り付けるためのアタッチメントも高速回転することとなる。このようなアタッチメントの高速回転化により、たとえば傘歯車等が噛合する摺動部で摩擦熱等の発熱量が増大したり、ミスト状の潤滑油を傘歯車等で撹拌する際の抵抗による撹拌損失が増大するという問題を生じてくる。

このため、今後のさらなる高速切削化に対応するためには、噛合部など摺動面の発熱に対する対策を施して信頼性や耐久性を向上させるとともに、ミスト潤滑に起因する撹拌損失を低減して損失の少ない工作機械用のアタッチメントを開発することが望まれる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高速回転による発熱対策及び撹拌損失対策を施して高速切削化に対応可能な工作機械用のアタッチメントを提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係るアタッチメントは、工作機械の主軸ヘッドに取り付けられて駆動手段を備えた主軸と連結され、駆動力伝達機構を介して回転工具に回転力を伝達する工作機械用のアタッチメントにおいて、前記駆動力伝達機構に設けられた歯車の歯表面に高熱伝導材の薄膜層を形成したことを特徴とするものである。

このようなアタッチメントによれば、駆動力伝達機構に設けられた歯車の歯表面に高熱伝導材の薄膜層を形成する高熱伝導処理を施したので、歯車の歯面に施された薄膜層の高熱伝導機能により、放熱性能が向上して熱がこもらなくなる。

上記のアタッチメントにおいて、前記薄膜層は、歯の頂面を噛合面より厚くしたメッキ層であることが好ましく、これにより、噛合する歯面がなじみ易くなり、かつ、歯車の熱伝導は良好となる。
この場合の高熱伝導処理は、銅、銀またはアルミニウム等の高熱伝導材をメッキした薄膜層を表面に形成したものが好ましく、特に、歯の噛み合い面には噛合のなじみをよくするために薄いメッキ（数μｍ程度）を施し、歯の頂面には放熱性を増すために厚いメッキ（数ｍｍ程度）を施すとよい。

上記のアタッチメントにおいて、前記歯車の歯部と軸部との間に高熱伝導材よりなるスリーブを介在させることが好ましく、これにより、熱拡散が向上して放熱性を増し、高速回転化による発熱量がこもらなくなる。この場合の高熱伝導部材としては、銅合金またはアルミニウム合金が好適である。
上記のアタッチメントにおいて、前記歯車の周囲を囲う真空空間を形成することが好ましく、これにより、撹拌損失の低減により歯車損失を減少させることができる。

上記のアタッチメントにおいて、前記歯車が、回転方向に応じて潤滑液の吹出方向を選択切換可能な強制冷却手段を備えていることが好ましく、これにより、歯車の噛合等により発生した熱を効率よく冷却することができる。
また、上記のアタッチメントにおいては、前記歯車が、軸部を貫通して設けた給油管のノズルから歯面に向けて潤滑液を吹き出す強制冷却手段を備えていることが好ましく、これによっても歯車の噛合等により発生した熱を効率よく冷却することができる。
を特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のアタッチメント。

上記のアタッチメントにおいて、前記歯車の歯面に向けて吹き出す潤滑液は、潤滑性を有する基油と、気化冷却用液体とを含むものが好ましく、これにより、気化冷却用液体が気化熱を奪うことにより潤滑をしながら効率よく冷却をすることができる。
上記のアタッチメントにおいて、前記駆動力伝達機構のケーシングを高熱伝導部材により形成することが好ましく、これにより、外部への放熱性が向上して熱のこもりを低減することができる。この場合に好適な高熱伝導材としては、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、銅粉、鉄粉及び銀粉等がある。

上述した本発明のアタッチメントによれば、駆動力伝達機構に設けられた歯車の歯表面に高熱伝導材の薄膜層を形成する高熱伝導処理を施したので、歯車の歯面に施された薄膜層の高熱伝導機能により、放熱性能が向上して熱がこもらなくなる。この結果、工作機械の高切削化を推進して高速回転化による発熱量が増加しても、駆動力伝達機構の歯車を含むアタッチメント全体の放熱（冷却）性能を向上させるとともに、駆動力伝達機構の歯車においては良好な歯当たりを得ることができる。
また、高熱伝導材よりなるスリーブやケーシングの採用によっても放熱性能を増すことができるので、これを併用すれば高速回転により発生した発熱量を効率よく放熱して冷却性能をより一層向上させることができる。

また、強制冷却手段を設けたり、気化冷却用液体を含む潤滑液を使用することにより、歯車の冷却能力を増すことができる。
また、歯車の周囲を囲う真空空間を形成することにより、撹拌損失の低減により歯車損失を減少させることができる。
従って、工作機械を高速回転化しても、発熱対策や撹拌損失対策を施して信頼性や耐久性の高いアタッチメントを提供することができるという顕著な効果が得られる。

以下、本発明に係る工作機械用のアタッチメントについて、その一実施形態を図面に基づいて説明する。
図２は、アタッチメントの一例として、アンギュラアタッチメントと呼ばれるものの構成例を示す断面図である。図中の符号１は工作機械用の主軸ヘッドであり、主軸ヘッド１の内部には中空状の主軸２が軸受３にて回転自在に支承されて設けられており、該主軸２は図示しないモータ等の駆動手段に連結されている。アンギュラアタッチメント４は、ケーシングを形成する本体５に軸受６を介して回転自在に支承された軸７の一端部を、図示の如く主軸２にテーパ嵌合せしめることによって、主軸ヘッド１に取り付けられる。
軸７の本体５内へ臨む他端部には傘歯車８が一体に形成されており、該傘歯車８は、本体５に軸受９を介して軸７と軸直角をなして垂直かつ回転自在に支承されたもう一方の軸１０の上端に一体に形成された傘歯車１１と噛合している。なお、軸１０の下端部には、切削加工等を行う回転工具１２が取り付けられているので、各々が軸７、１０と一体の傘歯車８，１１は、主軸２の駆動手段から回転工具１２に回転力を伝達するための駆動力伝達機構となる。

主軸１にはリング状の面板１３がこれに対して回転自在に設けられており、該面板１３の外周にはリング状のウォームホイール１４が固設されている。そして、このウォームホイール１４にはウォーム１５が噛合しており、該ウォーム１５にはこれを回転駆動する図示省略の割出しモータが連結されている。また、面板１３の端面には複数の筒状をなすブロック１７が固設されており、アンギュラアタッチメント４を主軸ヘッド１に取り付けた状態では、これらブロック１７にアンギュラアタッチメント４の本体５から突出する複数の回り止めピン１８が嵌合して、アンギュラアタッチメント４と面板１３とが一体に回動するよう構成されている。
また、主軸ヘッド１の外周複数箇所（たとえば３箇所）には、面板１３をアンギュラアタッチメント４とともに所定角度位置に固定するためのクランプ装置１９が固設されている。

＜第１の実施形態＞
上述した構成のアンギュラアタッチメント４においては、工作機械の高速切削化に伴って回転工具１２が従来より高速回転して加工する。このため、傘歯車８，１１の回転数が増加し、傘歯車８，１１間の噛合面で摩擦等に起因して発生する発熱量も増加する。そこで、傘歯車８，１１の歯表面には、高熱伝導材よりなる薄膜層を形成して高熱伝導処理を施してある。この場合の高熱伝導材は、銅、銀またはアルミニウム等のように熱伝導率の高い材料が好適であり、このような高熱伝導材をメッキ処理するなどして歯表面に薄膜層を形成するとよい。

図１（ａ）に示す実施形態の傘歯車８には、回転方向に並ぶ多数の歯８０が設けられている。この歯８０は、図１（ｂ）に示すように、相手側となる傘歯車１１の歯と互いに噛合する噛合面８１と、相手方の歯と噛合しない頂面８２とを備えている。そして、歯８０の表面には高熱伝導材をメッキした薄膜層８３が形成され、たとえば図１（ｃ）に示すように、歯８０の噛合面８１には、噛合のなじみをよくするため数μｍ程度と膜厚の薄いメッキを施して薄膜層８３ａを形成し、歯８０の頂面８２には、放熱性を増すために数ｍｍ程度と比較的膜厚の厚いメッキを施して薄膜層８３ｂを形成した構成とされる。
また、上述した傘歯車８，１１を収納設置する本体５についても、内部で発生した発熱量を効率よく本体５の外側へ放熱するため、たとえばアルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、銅粉、鉄粉及び銀粉等の高熱伝導材により製作することが好ましい。

このように構成されたアンギュラアタッチメント４は、回転工具１２を高速回転させて高速切削を行う場合、傘歯車８，１１が高速回転して噛合面における発熱量を増しても、高熱伝導処理が施された良好な熱伝導特性により歯車外部へ効率よく放熱される。すなわち、高熱伝導部材よりなる薄膜層８３から傘歯車８，１１の外部へ効率よく放熱されるため、傘歯車８，１１に熱がこもりにくくなって温度上昇は抑制され、さらに、傘歯車８，１１を放熱性のよい本体５の内部に配設することにより、本体５の内部に熱がこもることもない。
この結果、駆動力伝達機構を構成する傘歯車８，１１及び本体５の放熱性能が向上して内部に熱がこもらなくなるため、工作機械の高切削化を推進して高速回転化による発熱量が増加しても、アンギュラアタッチメント４の放熱性能が向上する。

ところで、上述した本体５の内部は、接合部をシールするなど必要な密閉処置を施し、図示しない真空ポンプ等により真空引きして密閉空間とすることが好ましい。このようにして、周囲を本体５の壁面で囲って形成した真空空間内に歯車装置を設置すれば、傘歯車８，１１の周囲に存在するミスト状の潤滑液に起因する撹拌損失を低減し、歯車損失を減少させることができる。すなわち、傘歯車８，１１等の歯車装置が設置されるケーシングである本体５の内部を真空または真空に近い状態にすれば、高速回転する歯車装置の歯８０が受けるミスト潤滑の撹拌抵抗は、空気抵抗分が低減されて減少する。

＜第２の実施形態＞
続いて、本発明の第２の実施形態を図３に基づいて説明する。
この実施形態では、傘歯車８Ａが歯部８５と軸部７０とに分割され、歯部８５と軸部７０とを連結した構成とされる。歯部８５と軸部７０との間には、高熱伝導材よりなるスリーブ２０を介在させてある。この場合の高熱伝導部材としては、鉄系合金の歯部８５とは異なり、銅合金またはアルミニウム合金が好適である。
このような構成とすれば、傘歯車８Ａが高速回転した場合であっても、歯部８５の歯８０が噛合して発生した発熱は良好な熱伝導性を有するスリーブ２０を介して外部へ放熱される。すなわち、高熱伝導材のスリーブ２０を設けたことにより、傘歯車８Ａの熱拡散が向上して放熱性を増すので、高速回転化による発熱量がこもらなくなる。

また、上述したスリーブ２０の先端面２１には、複数の放射溝２２が半径方向へ放射状に形成されている。この放射溝２２は、本体５内に存在するミスト状の潤滑液を遠心力により吹き飛ばす遠心羽根車の機能を有するものであり、ミスト状の潤滑液により生じていた歯車損失の低減に有効である。
また、上述した軸部７０の途中には、動圧を得られる溝パターンの歯車溝７１を備えた動圧溝形成部７２が取り付けられている。この動圧形成部７２は、軸部７０の外周面に凹凸を形成する多数の歯車溝７１を備えているので、軸部７０の回転により動圧が発生して傘歯車８Ａの負荷特性を変化させるので、発熱量の低減が可能となる。

さらに、上述した放射溝２２及び歯車溝７１は、傘歯車８Ａの表面積を増すとともに、潤滑液の流路面積を増すことにもなるので、潤滑液による冷却効率を向上させることも可能である。
また、上述した放射溝２２及び動圧形成部７２は、両方を併用することに限定されることはなく、いずれか一方のみを単独で採用してもよい。
また、上述した放射溝２２及び動圧形成部７２は、スリーブ２０を備えた第２の実施形態に限定されることはなく、たとえば上述した第１の実施形態の傘歯車８，１１と組み合わせた構成としてもよい。

＜第３の実施形態＞
続いて、本発明の第３の実施形態を図４に基づいて説明する。
この実施形態では、傘歯車８の回転方向に応じて、強制冷却を行う潤滑液の吹出方向を選択可能に構成された強制冷却手段のノズル３０Ａ，３０Ｂを備えている。すなわち、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、傘歯車８の回転方向へ向けて潤滑液を吹き出すように、吹出方向の異なるノズル３０Ａ，３０Ｂを設けておき、回転方向に応じて最適ないずれか一方の系統を選択して使用する。図示の例では、傘歯車８が矢印Ａで示す回転方向に回転する場合に使用するノズル３０Ａを設けた系統と、傘歯車８が矢印Ｂで示す回転方向に回転する場合に使用するノズル３０Ｂを設けた系統とが設けられている。各々の系統には、円周方向に略等ピッチで３本ずつ、合計６本取り付けたノズル３０Ａ，３０Ｂが設けられている。なお、ノズル３０Ａ，３０Ｂに潤滑液を供給する流路の選択切換は、たとえば回転方向に連動する電磁弁等の開閉弁を設けて実施すればよい。

このようなノズル３０Ａ，３０Ｂを配設しておき、流路の切換によりいずれか一系統のノズルを選択使用すれば、高速回転する傘歯車８の歯８０を追いかけるようにして潤滑液を吹き出すことができるので、回転してくる歯８０に向けて潤滑液を吹き出す場合と比較して、潤滑液は歯８０に吹き飛ばされにくくなる。このため、潤滑液が歯８０及び傘歯車８となじみ、効率のよい強制冷却が可能となる。
なお、上述した説明では１系統に３本のノズルを配設したが、歯車形状等の条件に応じて１または複数本を適宜配設すればよい。

図５に示す強制冷却の変形例は、傘歯車８の軸７を貫通して先端面８ａに突き出る給油管４０を設け、この給油管４０の先端に、歯８０に向けて潤滑液を吹き出すノズル４１を取り付けたものである。図示の例では、ノズル４１が３箇所の吹出口４１ａ，４１ｂ，４１ｃを備え、各吹出口４１ａ，４１ｂ，４１ｃは、歯８０に対し円周方向において略等ピッチに分割された異なる３方向に潤滑液を吹き出すように配置されている。
このような構成としても、高速で回転する傘歯車８の歯８０に対して確実に潤滑液を吹き出し、効率のよい強制冷却を行うことができる。
なお、ノズル４０に設ける吹出口については、冷却対象の歯車形状等に応じて適宜変更すればよい。

ところで、上述した潤滑液には、潤滑性を有する基油と、噛合面等で気化して摩擦熱等の発熱を奪って冷却する気化冷却用液体とを含むものが好ましい。この場合の気化冷却用液体は、気化により熱を奪うことが可能な液体であればよく、潤滑性能を有する基油との関係は、相溶性の液体であってもよいし、あるいは、不溶性の液体であってもよい。従って、上述した潤滑液は、ソリューションの形態及びエマルジョンの形態のいずれであってもよい。なお、ソリューションの例としては、気化冷却用液体にフロンやヘキサン等を用いた場合であり、エマルジョンの形態としては、気化冷却用液体に水などを用いた場合があげられ、蒸気潜熱の観点からは、フロンやヘキサンよりも水が優れている。

このように、気化冷却用液体を含む潤滑液を使用すると、潤滑と同時に気化熱を奪って冷却できるので、上述した強制冷却の効率が向上する。なお、ここで説明した潤滑液は、図４及び図５に示した強制冷却に限定されることはなく、たとえば図１ないし図３に示した実施形態においても、噛合部等の潤滑や冷却に使用可能である。

上述したように、本発明では、アンギュラアタッチメント４の駆動力伝達機構に設けられた傘歯車８，１１の歯表面に高熱伝導材の薄膜層８３を形成する高熱伝導処理を施すことにより、傘歯車８，１１は、歯面に施された薄膜層８３の放熱性能が向上して熱がこもらなくなる。この結果、工作機械の高切削化を推進して高速回転化による発熱量が増加しても、駆動力伝達機構の傘歯車８，１１を含むアタッチメント全体の放熱性能を向上させるとともに、傘歯車８，１１においては噛合面８１の膜厚を薄くして良好な歯当たりを得ている。
また、高熱伝導材よりなるスリーブ２０やケーシング（本体５）の採用によっても放熱性能を増すことができるので、これらを併用すれば高速回転により発生した発熱量を効率よく放熱して冷却性能をより一層向上させることができる。

また、強制冷却手段を設けたり、気化冷却用液体を含む潤滑液を使用することにより、傘歯車８，１１の冷却能力を増すことができる。さらに、傘歯車８，１１の周囲を囲う真空空間を形成すれば、撹拌損失の低減により歯車損失を減少させることができる。
従って、工作機械を高速回転化しても、発熱対策や撹拌損失対策を施して信頼性や耐久性の高いアンギュラアタッチメント４を提供することができる。そして、上述した本発明は、実施形態で説明したアンギュラアタッチメント以外にも、駆動力伝達機構に傘歯車等の歯車を含むアタッチメントに適用可能である。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

本発明に係るアタッチメントの第１の実施形態を示す図で、（ａ）はアタッチメントの駆動力伝達機構を構成する傘歯車の正面図、（ｂ）は傘歯車の歯形状を示す拡大斜視図、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ断面図である。 本発明に係るアタッチメントの一例として、アンギュラアタッチメントの構成例を示す断面図である。 本発明に係るアタッチメントの第２の実施形態を示す図で、アタッチメントの駆動力伝達機構を構成する傘歯車の断面図である。 本発明に係るアタッチメントの第３の実施形態を示す図で、（ａ）は傘歯車の強制冷却手段を示す正面図、（ｂ）は（ａ）の左側面図である。 図４に示した第３の実施形態の変形例を示す図で、（ａ）は傘歯車の強制冷却手段を示す正面図、（ｂ）は（ａ）の左側面図である。

符号の説明

１ 主軸ヘッド
２ 主軸
４ アンギュラアタッチメント
５ 本体（ケーシング）
７，１０ 軸
８，８Ａ，１１ 傘歯車
１２ 回転工具
２０ スリーブ
２１ 先端面
２２ 放射溝
３０Ａ，３０Ｂ，４１ ノズル
４０ 給油管
７０ 軸部
７１ 歯車溝
７２ 動圧形成部
８０ 歯
８１ 噛合面
８２ 頂面
８３ 薄膜層
８５ 歯部

Claims (8)

1. 工作機械の主軸ヘッドに取り付けられて駆動手段を備えた主軸と連結され、駆動力伝達機構を介して回転工具に回転力を伝達する工作機械用のアタッチメントにおいて、
   前記駆動力伝達機構に設けられた歯車の歯表面に高熱伝導材の薄膜層を形成したことを特徴とするアタッチメント。
2. 前記薄膜層は、歯の頂面を噛合面より厚くしたメッキ層であることを特徴とする請求項１に記載のアタッチメント。
3. 前記歯車の歯部と軸部との間に高熱伝導材よりなるスリーブを介在させたことを特徴とする請求項１または２に記載のアタッチメント。
4. 前記歯車の周囲を囲う真空空間を形成したことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のアタッチメント。
5. 前記歯車が、回転方向に応じて潤滑液の吹出方向を選択切換可能な強制冷却手段を備えていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のアタッチメント。
6. 前記歯車が、軸部を貫通して設けた給油管のノズルから歯面に向けて潤滑液を吹き出す強制冷却手段を備えていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のアタッチメント。
7. 前記歯車の歯面に向けて吹き出す潤滑液が、潤滑性を有する基油と、気化冷却用液体とを含むことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のアタッチメント。
8. 前記駆動力伝達機構のケーシングを高熱伝導部材により形成したことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のアタッチメント。

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