JP2007276087A - 主軸装置 - Google Patents

Abstract

【課題】交換時の微調整が不要で、ダウンタイムが極めて短い工作機械の主軸装置を提供する。
【解決手段】工作機械の主軸装置は、回転軸１０と、回転軸１０が挿通されるハウジング１１と、回転軸１０をハウジング１１に対して回転自在に支承する軸受１２と、を有する主軸ユニットＳと、工作機械本体Ｍに固定され、主軸ユニットＳが取り付けられるアダプターフランジ２１と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械の主軸装置に関し、詳しくは工作機械の主軸装置のメンテナンス性に関する。

工作機械の主軸装置には、軸受や工具クランプのための皿ばねなど、有限寿命要素があり、また、加工プログラムミスや操作ミスなどにより、工具をワークや治具などに衝突させると、軸受に過大な荷重がかかって軸受が損傷する可能性が高い。１日の稼動時間が長い機械加工現場においては、このようなメンテナンスによる工作機械のダウンタイムを極力短くし、稼働率を上げる必要がある。

例えば、特許文献１に記載の主軸装置において、図５に示すように、１２１は工作機械の主軸頭であり、主軸頭１２１には主軸１２２が適宜の軸受１２３を介して回転可能に軸支され、主軸頭１２１の後端には交流主軸駆動用モータ１２４が取り付け部材１２６を介して固定されている。前記駆動用モータ１２４には中空軸１２５が設けられ、中空軸１２５の外周にステータに嵌合されたロータ（共に図示省略）が固定されている。

また、特許文献２に記載の主軸装置において、図６に示すように、２０１は主軸装置の本体フレームで、２０２は本体フレーム２０１にボルト固定された筒形支持フレームである。筒形支持フレーム２０２には主軸２０３が軸受２０４ａ、２０４ｂを介して一定位置での回転自在に内挿してある。２１１は皿ばねであり、ドローバー２１０の長さ途中個所でしかも案内筒部材２０９の後端と鍔部２１０ｂとの間となる中心孔２０３ｂ内に段重ね状且つ圧縮状に装設されている。
特開平６−７９５７７号公報 特開平１１−２３５６４１号公報

ところで、特許文献１に記載の主軸装置では、寿命や衝突事故などにより軸受１２３が損傷した場合、工作機械の稼動現場で軸受を交換する必要があり、ダウンタイムが大幅に伸びるという問題がある。

一方、特許文献２に記載の主軸装置では、軸受２０４ａ、２０４ｂや皿ばね２１１などを交換する際、筒形支持フレーム２０２、主軸２０３、軸受２０４ａ、２０４ｂ、皿ばね２１１などを主軸ユニットとして本体フレーム２０１から分解し、予め製作しておいた別の新しい主軸ユニットと交換することで、特許文献１の主軸装置よりはダウンタイムを短くすることができる。

しかしながら、主軸ユニットを本体フレーム２０１に直接固定する形態では、主軸ユニットの交換前後で、工具位置が変わってしまうため、交換後に調整をする必要があり、ダウンタイムを十分に短くできないという問題点があった。また、主軸装置を交換した後、さらにオリエンテーション調整をする必要もあり、ダウンタイムを十分に短くできない。

この発明考案は、上記事情に鑑みて為されたものであり、交換時の微調整が不要で、ダウンタイムが極めて短い主軸装置を提供することを目的としている。

本発明の上記目的は、以下の構成によって達成される。
（１） 回転軸と、該回転軸が挿通されるハウジングと、前記回転軸を前記ハウジングに対して回転自在に支承する軸受と、を有する主軸ユニットと、
工作機械本体に固定され、前記主軸ユニットが取り付けられるアダプターフランジと、
を備えることを特徴とする工作機械の主軸装置。
（２） 前記主軸ユニットと前記アダプターフランジとの間に介装されるスペーサを、さらに備えることを特徴とする（１）に記載の主軸装置。
（３） 前記主軸ユニットが、前記アダプターフランジに対して締まり嵌めで嵌合されていることを特徴とする（１）または（２）に記載の主軸装置。
（４） 前記主軸ユニットは、前記アダプターフランジとの嵌め合い部の長さが前記嵌め合い部の直径の１／１０〜１／３０であり、且つ、前記アダプターフランジとの合わせ面の直角度が前記回転軸の軸心に対し５μｍ以下であることを特徴とする（３）に記載の主軸装置。
（５） 前記回転軸は、その一端に工具ドライブキーを備えると共に、その他端にジョー式軸継手を備え、
前記軸継手のジョーは、前記工具ドライブキーの位相に対して位相決めされていることを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載の主軸装置。

ここで、直角度とは、直角であるべき所定平面と基準線（ここでは、回転軸の軸心）との組み合わせにおいて、基準線に対して幾何学的に直角な幾何学平面からの上記所定平面（ここでは、合わせ面）のずれの大きさをいう。

本発明の工作機械の主軸装置によれば、工作機械本体に固定され、主軸ユニットが取り付けられるアダプターフランジを有するので、アダプターフランジを高精度に加工することができるため、交換精度が向上して、交換後の微調整が不要になり、ダウンタイムを極めて短くすることができる。

また、主軸ユニットとアダプターフランジとの間に介装されるスペーサをさらに備えてもよい。このようにすると、主軸ユニットの長さ方向の寸法相互差を小さくするのが容易になるので、交換後の微調整が不要になり、ダウンタイムを極めて短くすることができる。

さらに、主軸ユニットが、アダプターフランジに対して締まり嵌めで嵌合されてもよい。このようにすると、主軸ユニットの工具位置は必ず同じ位置に来るので、交換後の微調整が不要になり、ダウンタイムを極めて短くすることができる。また、交換は熟練した技術を必要とせずに、精度の良い組み付けが可能となる。

加えて、主軸ユニットは、アダプターフランジとの嵌め合い部の長さが嵌め合い部の直径の１／１０〜１／３０であり、且つ、アダプターフランジとの合わせ面の直角度が回転軸の軸心に対し５μｍ以下であってもよい。このようにすると、熟練した技術を必要とせずに、精度の良い組み付けが簡単にでき、ダウンタイムを極めて短くすることができる。

また、回転軸は、その一端に工具ドライブキーを備えると共に、その他端にジョー式軸継手を備え、軸継手のジョーは、工具ドライブキーの位相に対して位相決めされてもよい。このようにすると、交換後のオリエンテーション調整が不要となり、ダウンタイムを極めて短くすることができる。

以下、本発明に係る工作機械の主軸装置の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１に示すように、本実施形態の主軸装置では、工具Ｔを回転可能に支持する主軸ユニットＳが工作機械本体Ｍにアダプターフランジ２１を介して取り付けられている。

主軸ユニットＳでは、工具Ｔの工具ホルダＴ１が固定される回転軸１０がハウジング１１に挿通されており、複数の軸受１２の各外輪１３がハウジング１１に内嵌固定され、複数の軸受１２の各内輪１４が回転軸１０に外嵌固定されることで、回転軸１０がハウジング１１に対して回転自在に支承されている。

回転軸１０の一端（図１の左側）には、テーパ面１０ａが形成されており、工具ホルダＴ１が、皿ばね１５によって反工具側へ付勢されているドローバー１６と係合されることによって、テーパ面１０ａに固定されている。

工具Ｔを別の工具と交換するときは、ピストン１７を作動させ、ドローバー１６の反工具側に備えたアンクランプバー１８を介してドローバー１６を工具側へ動かし、工具ホルダＴ１との係合を解除して、工具Ｔをアンクランプする。

主軸ユニットＳは、上述した、回転軸１０、ハウジング１１、軸受１２、皿ばね１５、ドローバー１６、ピストン１７、及び、アンクランプバー１８によって主に構成されている。

主軸ユニットＳは、スペーサ１９をはさんで、複数のボルト２０によってアダプターフランジ２１に固定されており、また、アダプターフランジ２１は複数のボルト２２によって、工作機械本体Ｍの主軸頭２３に固定されている。

本実施形態のアダプターフランジ２１は、軸方向一端側（工具側）内周部分と軸方向他端側（反工具側）外周部分が切り欠かれた断面クランク状を有して円筒形状に形成されている。図１及び図３に示すように、アダプターフランジ２１は、工具側内周面２１ａをハウジング１１の嵌め合い部１１ａと絞まり嵌めによって嵌合させ、工具側端面２１ｂをハウジング１１の合わせ面１１ｂにスペーサ１９を介して対向させた状態で、ボルト２０によって主軸ユニットＳに取り付けられる。また、アダプターフランジ２１は、反工具側外周面２１ｃを主軸頭２３と隙間嵌めによって嵌合させ、反工具側端面２１ｄを主軸頭２３の工具側端面に突き合わせた状態で、ボルト２２によって固定される。

ハウジング１１のアダプターフランジ２１との嵌め合い部１１ａの長さＬ１は、絞まり嵌めでも容易に着脱可能なように、嵌め合い部１１ａの直径φＤ１の１／１０〜１／３０に設定されている。また、ハウジング１１の合わせ面１１ｂの直角度は、主軸ユニットＳを交換した際の切削工具Ｔ２の刃先位置Ｔ３を考慮して、回転軸１０の軸心に対し５μｍ以下に設定されている。

なお、アダプターフランジ２１に形成されるボルト２０のねじ孔２１ｅとボルト２２の挿通孔２１ｆはそれぞれ位相の異なる位置に配置されればよいが、それぞれ等間隔で配置されることが好ましい。また、図１，３及び４（ｂ）では、簡略化のため、ボルト２０とボルト２２とを同一断面に配置しているが、実際には、図４（ａ）に示すように、ボルト２０は回転軸１０の軸心に対して径方向対称位置に配置されている。

主軸頭２３は駆動モータ２４を支持するとともに、案内機構２５に沿って図示しないサーボモータによって基台２６に対して水平方向に移動する。

回転軸１０の反工具側端部及び駆動モータ２４の工具側端部間には、ジョー式軸継手２７が固定されている。具体的に、ジョー式軸継手２７は、図２に示すように、回転軸１０の反工具側端部に取り付けられる主軸ユニット側部材２８と、駆動モータ２４のモータ軸２４ａに取り付けられるモータ側部材２９と、主軸ユニット側部材２８のジョー２８ａ及びモータ側部材２９のジョー２９ａと嵌合する嵌合部３０ａを有し、モータ側部材２９にボルト締結される連結部３０とを有する。従って、モータ側部材２９に締結された連結部３０の嵌合部３０ａに主軸ユニット側部材２８のジョー２８ａを嵌合させることで、駆動モータ２４の動力がジョー式軸継手２７を介して回転軸１０に伝達される。これにより、工具ホルダＴ１に固定された切削工具Ｔ２が回転し、図示しない加工物を切削加工する。

また、回転軸１０の工具側端部には、回転軸１０の回転に対して工具ホルダＴ１の回転ずれを阻止する工具ドライブキー３１が設けられており、後述する主軸オリエンテーションのため、回転軸１０の反工具側端部に固定されたジョー式軸継手２７の主軸ユニット側部材２８のジョー２８ａが、工具ドライブキー３１の位相に対して位相決めされている。

次に、図３を参照して主軸装置のメンテナンスの方法について述べる。工作機械の運転中にプログラムミスや操作ミスなどにより、工具Ｔがワークやワーク固定治具などに衝突すると、軸受１２が損傷して修理が必要となる。また、工具交換時の工具クランプ／アンクランプ動作により、皿ばね１５も数百万回の工具交換動作により寿命に達し、クランプ力が維持できなくなるのでメンテナンスが必要となる。

こうした時に、軸受１２や皿ばね１５を、工作機械の稼動をとめて現場で交換していたのでは、時間がかかりダウンタイムが増大する。また交換作業も専門家による熟練した技術が必要となる。

そこで、本実施形態のメンテナンス作業では、アダプターフランジ１２から主軸ユニットＳを取り外し、別の新しい主軸ユニットＳ’を取り付けることで、組付精度の高い交換作業を行うことができる。図３（ａ）に示すように、まず、ボルト２０を取り外して、主軸ユニットＳをスペーサ１９とともにアダプターフランジ１２から取り外す。次に、図３（ｂ）に示す別の新しい主軸ユニットＳ’及びスペーサ１９’をアダプターフランジ１２に取り付けることで、交換作業は終了する。

通常、図６に示すような従来の主軸装置の場合には、主軸ユニットごと交換して作業を行うことができるが、製品の寸法誤差により、工具先端位置が交換前と変わってしまっているので、主軸ユニットの交換後に、送り機構のサーボモータ原点を変更するなどして、微調整する必要がある。

一般に、主軸頭２３は、案内機構２５など主軸ユニットＳ以外のものを取り付けるようになっているので、円筒形状ではなく、複雑な形状をしており、鋳鉄鋳物で製作した方が低コストになり、材料歩留もいい。また、主軸頭２３のような工作機械の構造部材は、切削加工時の振動を吸収するために、減衰性の高い鋳物材料で製作することは周知の事実である。

しかしながら、主軸頭２３のような異形物において、主軸ユニットＳが嵌合する嵌め合い部を高精度に加工することは困難である。しかも、鋳物は表面硬度が低く、繰り返しの着脱により嵌め合い面が塑性変形し、精度を長期に渡って維持することも難しい。

本実施形態によれば、主軸ユニットＳの着脱は主軸頭２３から行なうのではなく、アダプターフランジ２１から着脱するので、主軸頭２３の加工精度は交換精度に影響がない。また、アダプターフランジ２１の反工具側外周面２１ｃと主軸頭２３の内周面との嵌め合いは、異形な鋳物でも加工可能な程度の、十分なクリアランスを確保した隙間嵌めとしている。

一方、アダプターフランジ２１はシンプルな円筒形状なので、円筒研削盤などにより高精度に加工できる。また、アダプターフランジ２１の材料には、例えば肌焼鋼などを用いて、工具側内周面２１ｂの表面硬度を上げておくことにより、繰り返し着脱しても長期間に渡って精度を維持することができるので、主軸ユニットＳの交換精度を高めることができるようになる。

また、ハウジング１１の合わせ面１１ｂから、回転軸１０の軸心方向のテーパゲージ面（テーパ面１０ａを測定するための不図示のテーパゲージのゲージ面）３２までの距離Ｌ２は、組み合せる部品が多く部品公差が積み重なるので、複数の主軸ユニットＳ，Ｓ’間における寸法相互差を抑えることが難しい。つまり、主軸装置Ｓと主軸装置Ｓ’の寸法Ｌ２とＬ２’の寸法相互差は、小さくできない。

そこで、本実施形態では、主軸ユニットＳ’専用にスペーサ１９’を用意し、スペーサ１９’の厚さＬ３’を、Ｌ２＋Ｌ３＝Ｌ２’＋Ｌ３’となるように、現合加工している。このように、主軸ユニットごとにスペーサを用意し、出来上がった主軸ユニットのＬ２寸法を測定し、Ｌ２とスペーサの厚さＬ３の和が一定になるように、Ｌ３を主軸ユニットごとに現合することにより、刃先位置Ｔ３の位置が狂わないようにすることができる。

さらに、本実施形態では、主軸ユニットＳとアダプターフランジ２１の工具側外周面２１ｂとの嵌め合いは締まり嵌めになっているので、主軸ユニットＳの中心と、アダプターフランジ１２の中心との芯出し調整が不要となり、組み付けるだけで刃先位置Ｔ３が再現されるようになっている。

また、本実施形態では、ハウジング１１のアダプターフランジ２１との嵌め合い部１１ａの長さＬ１は、嵌め合い部１１ａの直径φＤ１の１／１０〜１／３０に設定されているので、締まり嵌めでも着脱が容易である。

さらに、ハウジング１１の合わせ面１１ｂの直角度が、回転軸１０の軸心に対し５μｍ以下となっているので、主軸ユニットＳを交換後も、切削工具Ｔ２の刃先位置Ｔ３の変化も最小限に抑えることができ、調整が不要である。

次に、図２及び図４を参照してオリエンテーション位置を再現させる方法を述べる。工作機械の主軸装置は、自動工具交換装置によって工具を交換する機能がある。主軸ユニットの工具位置の周囲には工具交換用アーム３３が配置されており、切削工具Ｔ２が予め取り付けられた工具ホルダＴ１をストックする工具マガジン３４と主軸ユニットとの間で、工具Ｔが自動的に交換される。工具交換時には主軸装置は回転を停止し、工具Ｔを工具交換用アーム３３で把持できるようにするため、回転軸１０に設けられた工具ドライブキー３１が毎回同じ位置に来るように停止させなければならない。このような動作を主軸オリエンテーションという。

従来、メンテナンスのために主軸ユニットを交換すると、工具ドライブキーの位相と、駆動モータと位相との関係が狂い、モータの駆動装置がそれまで記憶していた位置で停止しても、ドライブキーは元の位置に戻らなくなる。したがって、オリエンテーション位置を再調整する必要があり、ダウンタイムが長くなる。

本実施形態では、工具ドライブキー３１の位相に対して、軸継手２７の主軸ユニット側部材２８のジョー２８ａが位相決めされているので、主軸ユニットを交換しても、オリエンテーション位置が狂わず、再調整を必要としないので、ダウンタイムを短くすることができる。

ジョー式軸継手２７の連結部３０は、スプラインのように主軸ユニット側部材２８のジョー２８ａと決まった位相でしか連結されない。そこで、主軸ユニット側部材２８を回転軸１０’に組み付ける時に、工具ドライブキー３１との位相関係を測定して正確に合わせておく。この作業時間は、主軸ユニットＳ’単体を組み立てる時に行っておくことができるので、ダウンタイムには影響しない。あるいは、測定ではなく、回転軸１０’と主軸ユニット側部材２８とをキーで位相決めしておいてもよい。

主軸ユニットＳ’を工作機械本体Ｍへ組み付けるときは、回転軸１０’は軸受１２’で支承されており、自由に回転させることができるので、ハウジング１１’の位相を合わせた状態で、工具ドライブキー３１を工具交換用アーム３３の方向に目視でおおよそ合わせておく。一方、駆動モータ２４は、主軸ユニットＳ’が組み付いていない状態で、オリエンテーション位置決めをしておく。

この状態で主軸ユニットＳ’をアダプターフランジ２１に組み込むだけで、工具ドライブキー３１の位相は、工具交換アーム３３と正確に合い、主軸ユニットの交換後に再調整が不要である。

なお、本発明は上記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において適宜変更可能である。
本発明のアダプターフランジの形状は、主軸ユニットを固定し、且つ主軸頭に固定されるものであればよく、上記実施形態のものに限定されず、主軸ユニットのハウジングの形状や主軸頭の形状にあわせて適宜設計される。

本実施形態の工作機械の主軸装置の側面断面図である。 図１のジョー式軸継手の斜視図である。 （ａ）は主軸ユニットを工作機械本体から取り外した状態を示す側面断面図であり、（ｂ）は新しい主軸ユニットを示す側面断面図である。 （ａ）は新しい主軸ユニットを工作機械本体に取り付ける時の状態を工具取り付け側正面から見た図であり、（ｂ）はその側面断面図である。 従来の工作機械の主軸装置を示す断面図である。 従来の他の工作機械の主軸装置を示す断面図である。

符号の説明

１０ 回転軸
１１ ハウジング
１２ 軸受
１５ 皿ばね
１６ ドローバー
２１ アダプターフランジ
２３ 主軸頭
２４ 駆動モータ
２７ ジョー式軸継手
Ｍ 工作機械本体
Ｓ 主軸ユニット
Ｔ 工具

Claims (5)

1. 回転軸と、該回転軸が挿通されるハウジングと、前記回転軸を前記ハウジングに対して回転自在に支承する軸受と、を有する主軸ユニットと、
   工作機械本体に固定され、前記主軸ユニットが取り付けられるアダプターフランジと、
   を備えることを特徴とする工作機械の主軸装置。
2. 前記主軸ユニットと前記アダプターフランジとの間に介装されるスペーサを、さらに備えることを特徴とする請求項１に記載の主軸装置。
3. 前記主軸ユニットが、前記アダプターフランジに対して締まり嵌めで嵌合されていることを特徴とする請求項１または２に記載の主軸装置。
4. 前記主軸ユニットは、前記アダプターフランジとの嵌め合い部の長さが前記嵌め合い部の直径の１／１０〜１／３０であり、且つ、前記アダプターフランジとの合わせ面の直角度が前記回転軸の軸心に対し５μｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載の主軸装置。
5. 前記回転軸は、その一端に工具ドライブキーを備えると共に、その他端にジョー式軸継手を備え、
   前記軸継手のジョーは、前記工具ドライブキーの位相に対して位相決めされていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の主軸装置。
   

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