JP2008055586A - 工作機械 - Google Patents

Abstract

【課題】 切削加工に際して主軸モータによる主軸の高速回転時にシャンク装着穴が拡大するのを防止して、装着した切削工具の心振れを抑制し、切削工具の取付け位置精度や加工精度を高め得るようにすることである。
【解決手段】 主軸３の下端側部分に形成された大径軸部３Ｌに工具ホルダ３５のシャンク部３５ａを装着するためのシャンク装着穴３ａを有し、大径軸部３Ｌの下端側に形成した小径軸部３ｂに環状分割体２２を密着状の外嵌させてある。そのため、ワークの切削加工時に主軸３が高速回転し、大径軸部３Ｌに遠心力が作用する場合でも、遠心力は環状分割体２２に作用するが小径軸部３ｂには作用しないので、シャンク装着穴３ａの外方への拡大作用を抑制することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、部材の切削加工に際して切削工具をシャンク装着穴に装着した主軸を主軸モータにより高速で回転駆動したときに、シャンク装着穴の半径方向への拡大を防止して、工具の取付け位置精度や加工精度を高めるようにした工作機械に関する。

従来、マシニングセンタ等の工作機械においては、自動工具交換装置が設けられ、この自動工具交換装置により、ドリルや中ぐりバイト等の各種の切削工具を取付けた工具ホルダを工作機械の主軸に着脱可能に装着するようになっている。工具ホルダのシャンク部が主軸の端部に形成されたテーパ状のシャンク装着穴に装着されると、主軸に内装された引っ張り手段により軸方向内側に引っ張られ、シャンク装着穴のテーパ孔とシャンク部のテーパ面との当接が強化される。この状態で主軸モータにより切削工具が主軸と共に高速回転し、切削工具によりワークに切削加工が施されるようになっている。

例えば、特許文献１に記載の工作機械の主軸は、下端部にテーパ状のホルダ穴が形成された主軸をカップリングを介して主軸モータに連結してある。そこで、ワークの切削加工に際して、切削工具が工具ホルダに取付けられ、この工具ホルダのシャンク部がコレットによりホルダ穴に装着され、主軸モータの回転により切削工具が主軸と共に高速回転してワークに各種の切削加工が施されるようになっている。
特開平８−８５００４号公報（第２〜３頁、図１）

特許文献１に記載の工作機械の主軸においては、主軸の下端部にテーパ状のホルダ穴を形成する関係上、主軸の下端側部分はそれ以外の主軸部分よりも大径の大径軸部に形成されているので、切削加工時に主軸が、例えば毎分20,000〜30,000回転もの高速で回転する場合には、主軸は中空状なので、質量が大きい主軸の下端部分は遠心力により微小寸法（例えば、３μ）ではあるが外方に膨れ、ホルダ穴が拡大するようになる。

その結果、工具ホルダは引っ張り手段により軸方向内側に引っ張られているため、工具ホルダ及び切削工具がこれらテーパ面とテーパ孔とを介して微小距離ではあるが軸方向内側に移動し、切削工具の先端位置高さが変化したり、工具ホルダの安定性が悪化して高速回転に耐えられず、ビビリや振動が発生するという問題がある。特に、重切削を行う場合には、切削工具の倒れや心振れ等が発生し、加工精度が悪くなるという問題がある。

更に、一般に、主軸の下端部には、工具ホルダに有する１対のキー溝に係合する１対の位置決めキーが突出状に形成されているため、主軸が高速回転する場合には、ホルダ穴はこの１対の位置決めキーによりほぼ楕円状に拡大し、工具ホルダの安定性が更に悪化し、加工精度が悪くなるだけでなく、切削工具は加熱して折損する虞もある。

また、このように、加工終了時に工具ホルダが主軸の軸方向内側に移動している、つまり工具ホルダのシャンク部がホルダ穴に食い込んだ状態であり、シャンク部のテーパ面とホルダ穴のテーパ孔との摩擦力が大きくなっているため、引っ張り手段の引っ張り力を開放して工具ホルダをホルダ穴から引き抜く際に、工具ホルダが取外しにくいという問題がある。

本発明の目的は、主軸の主軸モータによる高速回転時にシャンク装着穴が拡大するのを防止して、装着した切削工具の心振れを抑制し、切削工具の取付け位置精度や加工精度を高め得るようにすることである。

請求項１の工作機械は、工具ホルダのシャンク部を装着する為のシャンク装着穴を先端側部分に有する主軸と、この主軸を回転駆動する主軸モータとを備えた工作機械において、主軸の先端側部分を、主軸モータが配置された後端側よりも大径の大径軸部と、この大径軸部の先端側に大径軸部の径よりも小さい小径軸部とで形成し、小径軸部に嵌合した環状の分割体を備えたものである。

主軸の先端側部分に形成された小径軸部に環状分割体が嵌合されているので、切削加工に際して、主軸が主軸モータにより高速回転されたときは、高速回転に伴う遠心力の殆どが、質量の大きい環状分割体に作用するようになり、シャンク装着穴が形成されている小径軸部には遠心力が殆ど作用しなくなる。それ故、シャンク装着穴の外方への拡大作用が抑制され、工具ホルダのビビリや振動が抑制され、しかも工具ホルダの安定性や加工精度が高まる。

更に、加工時に主軸が高速回転しても工具ホルダがシャンク装着穴に食い込むようにならないため、加工終了時に、引っ張り手段の引っ張り力を開放して工具ホルダをホルダ穴から引き抜く際に、工具ホルダは簡単に外れる。

請求項２の工作機械は、請求項１において、前記環状分割体と前記小径軸部とに亙って主軸の径方向向きの複数のピンが装着されたものである。

請求項３の工作機械は、請求項１又は２において、前記環状分割体に、主軸の回転バランスを調整するための螺子が装着されたものである。

請求項４の工作機械は、請求項１又は２において、前記環状分割体の先端に、工具ホルダの１対のキー溝に係合する１対の位置決めキーが一体形成されたものである。

請求項５の工作機械は、工具ホルダのシャンク部を装着する為のシャンク装着穴を先端側部分に有する主軸と、この主軸を回転駆動する主軸モータとを備えた工作機械において、主軸の先端側部分は主軸モータが配置された後端側よりも大径の大径軸部に形成され、大径軸部のシャンク装着穴側に円筒状の分割スリットが形成されたものである。

切削加工に際して、主軸が主軸モータにより高速回転されたときは、高速回転に伴う遠心力の殆どが、分割スリットの外側にある質量の大きい外側環状部分に作用し、分割スリットよりも内径側の小径内周壁部には遠心力が殆ど作用しなくなる。それ故、請求項１と同様に作用する。

請求項１の発明によれば、工具ホルダのシャンク部を装着する為のシャンク装着穴を先端側部分に有する主軸と、この主軸を回転駆動する主軸モータとを備えた工作機械において、主軸の先端側部分を、主軸モータが配置された後端がよりも大径の大系軸部と、この大系軸部の先端側に大系軸部の径よりも小さい小径軸部とで形成し、小径軸部に嵌合した環状の分割体を備えたので、切削加工に際して、主軸が主軸モータにより高速回転されたときでも、シャンク装着穴の外方への拡大作用を抑制することができ、工具ホルダのビビリや振動が抑制されるため、装着した切削工具の心振れを抑制し、工具ホルダの安定性や加工精度を格段に高めることができる。

更に、加工時に主軸が高速回転しても工具ホルダがシャンク装着穴に食い込むようにならないため、加工終了時に、引っ張り手段の引っ張り力を開放して工具ホルダをホルダ穴から引き抜く際に、工具ホルダを簡単に取り外すことができ、工具交換作業の作業性を改善することができる。

請求項２の発明によれば、前記環状分割体と小径軸部とに亙って主軸の径方向向きの複数のピンが装着されたので、環状分割体の質量を大きくして、分遠心力の殆どが環状分割体に作用し、環状分割体は複数のピンを介して自由に外方に拡大できるため、シャンク装着穴の外方への拡大を確実に抑制することができる。その他請求項１と同様の効果を奏する。

請求項３の発明によれば、前記環状分割体に、主軸の回転バランスを調整するための螺子が装着されたので、螺子により主軸の回転バランスを取ることができ、しかも螺子に作用する遠心力が主軸の小径軸分に作用しないようにでき、シャンク装着穴の外方への拡大を確実に抑制することができる。その他請求項１又は２と同様の効果を奏する。

請求項４の発明によれば、前記環状分割体の先端に、工具ホルダの１対のキー溝に係合する１対の位置決めキーが一体形成されたので、工具ホルダの装着時に、この１対のキー溝を１対の位置決めキーに係合させることで、工具ホルダの主軸に対する位置決めを可能にすることができる。しかも、これら位置決めキーに遠心力が作用しても、シャンク装着穴の外方への拡大を確実に抑制することができる。その他請求項１又は２と同様の効果を奏する。

請求項５の発明によれば、工具ホルダのシャンク部を装着する為のシャンク装着穴を先端側部分に有する主軸と、この主軸を回転駆動する主軸モータとを備えた工作機械において、主軸の先端側部分は主軸モータが配置された後端がよりも大径の大径軸部に形成され、大径軸部のシャンク装着穴側に円筒状の分割スリットが形成されたので、切削加工に際して、主軸が主軸モータにより高速回転されたときでも、分割スリットよりも内径側の小径内周壁部には遠心力が殆ど作用しなくなり、シャンク装着穴の外方への拡大作用を抑制することができ、請求項１と同様の効果が得られる。

本実施例の工作機械は、主軸の下端側部分である大径軸部における主軸先端側の少なくとも一部を主軸とは別体の環状分割体で構成し、この環状分割体を主軸先端側の内周側壁部に外嵌させ、この環状分割体に作用する遠心力が内周側壁部に作用しないように構成してある。

本発明の実施例について図面を参照して説明する。
図１に示すように、自動工具交換装置（図示略）を有する工作機械１は、一般的な縦型の工作機械１であるので簡単に説明する。工作機械１は、主軸ヘッド２と、この主軸ヘッド２に回転可能に支持された主軸３と、主軸３を回転駆動する主軸モータ４と、工具ホルダ３５を主軸３に装着（クランプ）したり開放（アンクランプ）するクランプレバー５等を有している。

主軸ヘッド２は、図示外の上下移動機構に固着され、主軸３を回転可能に支持するとともに、主軸モータ４とクランプレバー５等を装備している。主軸ヘッド２の開口部に円筒状の固定ハウジング８が縦向きに支持されている。この固定ハウジング８内に主軸３が縦型向きに配設され、上下１対のベアリング９で高速回転可能に支持されている。固定ハウジング８の上端部は上側蓋部材１０で覆われ、複数の固定ボルト１１で固定されている。固定ハウジング８の下端部は下側蓋部材１２で覆われ、複数の固定ボルトで固定されている。

次に、主軸３について説明する。主軸３は中空の円筒体からなり、この上端部において、主軸ヘッド２に固着された主軸モータ４の駆動軸にカップリング１５を介して連結されている。この主軸３の下端側部分（先端側部分）はそれよりも上側の主軸３部分よりも大径の大径軸部３Ｌに形成され、この大径軸部３Ｌの内部に、工具ホルダ３５のシャンク部３５ａを装着する為のテーパ状のシャンク装着穴３ａが下向きに形成されている。

主軸３内に上下方向に延びるドローバー１６が上下方向に移動可能且つ回転不能に配設されている。このドローバー１６の下端部は、主軸３内に嵌入された工具把持部材１７の上端部に連結されている。ドローバー１６が上昇移動すると工具把持部材１７はこの下端部の把持部１７ａで工具ホルダ３５のプルスタッド３５ｂを掴む。逆に、ドローバー１６が下降移動すると把持部１７ａが外方に開いて工具ホルダ３５のプルスタッド３５ｂが開放される。この場合、ドローバー１６はクランプ用バネ１８のバネ力で常に上方に弾性付勢され、工具ホルダ３５は把持状態に保持される。

主軸ヘッド２には、ドローバー１６の上端部に対応する位置に水平軸に揺動可能に支持されたクランプレバー５が配設されている。このクランプレバー５の先端部（図１において左端部）は主軸３を外側から対向状に挟むように二股状になっている。ドローバー１６の上端部に水平向きのピン部材１９が固着され主軸３を貫通して外側に延出している。そこで、クランプレバー５は、図示外の揺動駆動機構により、先端係合部がこのピン部材１９に係合可能な下降した係合位置と、係合しない上昇した退避位置とに揺動可能になっている。

そこで、工具ホルダ３５を装着したり或いは取り外すに際して、揺動駆動機構によりクランプレバー５の先端部が係合位置に切換えられ、ドローバー１６が下方に移動することにより、工具把持部材１７が工具開放位置まで下降し、工具ホルダ３５のプルスタッド３５ｂを開放する。それ故、自動工具交換装置による工具ホルダ３５の交換作業が可能になる。

次に、主軸３の大径軸部３Ｌに設けられた環状分割体２２について説明する。
図２，図３に示すように、大径軸部３Ｌの下端側（先端側）に、大径軸部３Ｌの径よりも小さい小径軸部３ｂが形成されている。この小径軸部３ｂに環状分割体２２が外嵌されている。

更に、この環状分割体２２には、工具ホルダ３５のフランジ部３５ｃに有する１対のキー溝３５ｄに係合する１対の位置決めキー２２ａが一体的に形成されている。そこで、環状分割体２２は焼きばめにより内周側壁部３ｂに密着状に外嵌してある。この場合、環状分割体２２を約１００〜２００°の高温で加熱し、小径軸部３ｂの位置決め鍔部３ｄに当接させた状態で冷却することで、小径軸部３ｂに外嵌させてある。

それ故、環状分割体２２は小径軸部３ｂと別体に構成されてはいるものの、小径軸部３ｂに密着状に一体化されている。そのため、大径軸部３Ｌは装着した工具ホルダ３５を強固に装着保持できるようになっている。ここで、主軸３の高速回転時における環状分割体２２のバランスをとる為に、環状分割体２２の複数箇所に設けられたバランス用螺子穴２２ｂのうち、偏心位置及び偏心度合いに応じて、長さの異なるバランス用螺子２３が適宜バランス用螺子穴２２ｂに螺合されている。

次に、このように構成された工作機械１の作用及び効果について説明する。
前述したように、自動工具交換装置により切削工具３６（例えば、ドリル）を取付けた工具ホルダ３５が主軸３のシャンク装着穴３ａに装着された状態で、主軸モータ４の高速回転により主軸３が高速で回転する。このとき、主軸３の先端側部分が環状分割体２２と一体的に設けられているため、切削工具３６を取付けた工具ホルダ３５をシャンク装着穴３ａに装着する際には、装着強度が維持されている。

主軸３が高速で回転するので、切削工具３６によりワークに切削加工が施される。このとき、大径軸部３Ｌには大きな遠心力が作用する。しかし、大径軸部３Ｌの下端がの小径軸部３ｂに環状分割体２２が外嵌されているため、この大きな遠心力の殆どは外嵌された質量の大きい環状分割体２２に作用するようになる。その結果、工具ホルダ３５が装置されている小径軸部３ｂの質量が小さくなっているので、この小径軸部３ｂには遠心力が殆ど作用しなくる。

そのため、シャンク装着穴３ａの外方への拡大作用が抑制され、工具ホルダ３５のビビリや振動が抑制され、しかも工具ホルダ３５の安定性や加工精度が高まる。しかも、加工時に主軸３が高速回転しても、シャンク装着穴３ａが外方へ拡大しないため、工具ホルダ３５がシャンク装着穴３ａに食い込でいないので、加工終了時に、クランプレバー５によりクランプ用バネ１８のバネ力が開放され、工具ホルダ３５をホルダ穴から引き抜く際に、工具ホルダ３５は簡単に外れる。

このように、主軸３の大径軸部３Ｌよりも下端側に、大径軸部３Ｌの径よりも小さい小径軸部３ｂに形成し、この小径軸部３ｂに環状分割体２２を外嵌させたので、主軸３が高速回転した場合でも、シャンク装着穴３ａが形成されている小径軸部３ｂには遠心力が殆ど作用しなくなる。従って、切削加工に際して、主軸３が主軸モータ４により高速回転されたときでも、シャンク装着穴３ａの外方への拡大作用を抑制することができ、工具ホルダ３５のビビリや振動が抑制されるため、装着した切削工具３６の心振れを抑制し、工具ホルダ３５の安定性や加工精度を格段に高めることができる。

加工時に主軸３が高速回転しても工具ホルダ３５がシャンク装着穴３ａに食い込んでいないため、加工終了時に、クランプ用バネ１８のバネ力を開放して工具ホルダ３５をホルダ穴から引き抜く際に、工具ホルダ３５を簡単に取り外すことができ、作業性に優れた工作機械１を実現することができる。

環状分割体２２の先端に、工具ホルダ３５の１対のキー溝３５ｄに係合する１対の位置決めキー２２ａが一体形成されたので、工具ホルダ３５の装着時に、この１対のキー溝３５ｄを１対の位置決めキー２２ａに係合させることで、工具ホルダ３５の主軸３に対する位置決めを可能にすることができる。しかも、これら位置決めキー２２ａに遠心力が作用しても、位置決めキー２２ａを設けた環状分割体２２だけが外方に膨らむようになるので、シャンク装着穴３ａの外方への拡大を確実に抑制することができる。

次に、前記実施例を部分的に変更した変更形態について説明する。
・ 第１変更形態（図４参照）
環状分割体２２Ａを、複数のスプリングピン２５で主軸３Ａの下端側部分の大径軸部３Ｌの先端側に形成された小径軸部３ｂに外嵌させるように構成してもよい。図４に示すように、前記実施例と略同様の環状分割体２２Ａが小径軸部３ｂに嵌め込まれている。環状分割体２２Ａから小径軸部３ｂの外周部に及んで、径方向向きの複数（例えば、８つ）のピン穴２２ｃ，３ｅが夫々放射状に形成されている。

そこで、ピン穴２２ｃ，３ｅの内径よりも若干大きい外径を有する所定長さのスプリングピン２５が各ピン穴２２ｃ，３ｅに押し込んで嵌め込まれている。この場合、環状分割体２２Ａが遠心力により外方に膨らむ方向とスプリングピン２５の長さ方向とが一致している。この場合にも、環状分割体２２Ａの複数箇所に設けられたバランス用螺子穴２２ｂにバランス用螺子２３が螺着されている。

加工時に主軸３Ａが高速回転することにより、大径軸部３Ｌには大きな遠心力が作用する。しかし、小径軸部３ｂには、複数のスプリングピン２５で保持された環状分割体２２Ａが外嵌されているため、この大きな遠心力の殆どは外嵌された質量の大きい環状分割体２２Ａに作用するようになる。

このとき、大きな遠心力が作用する環状分割体２２Ａだけが複数のスプリングピン２５を介して外方に膨らむ一方、工具ホルダ３５が装置されている小径軸部３ｂの質量は小さくなっているので、この小径軸部３ｂには遠心力が殆ど作用しなくる。そのため、シャンク装着穴３ａの外方への拡大を確実に抑制することができ、前述した実施例と同様の効果が得られる。

・ 第２変更形態（図５参照）
大径側壁部３ｃのうちの主軸３の下端側の約１／４部分に小径軸部３ｂが形成されている。小型環状分割体２２Ｂはこの小径軸部３ｂに嵌め込まれ、複数の固定ボルト２７で大径軸部３Ｌに固定するように構成してもよい。この場合、小型環状分割体２２Ｂは、図５に示すように、前述した実施例に用いた環状分割体２２よりも上下方向長さが短く小型であり、小径軸部に嵌め込まれている。

小型環状分割体２２Ｂから大径軸部３Ｌに及んで、複数（例えば、６つ）のボルト穴２２ｄが所定間隔おきに夫々上向きに形成されている。そこで、小型環状分割体２２Ｂと大径軸部３Ｌとはボルト穴２２ｄを介して固定ボルト２７により固着されている。

それ故、小型環状分割体２２は遠心力により外方に膨らむことが可能になっている。この場合にも、大径軸部３Ｌの複数箇所に設けられたバランス用螺子穴２２ｂにバランス用螺子２３が螺着されている。

切削加工時に主軸３Ｂが高速回転することにより、大径軸部３Ｌには大きな遠心力が作用する。しかし、大径軸部３Ｌの下端側の小径軸部３ｂには、複数の固定ボルト２７で保持された小型環状分割体２２Ｂが外嵌され、隣接する小径軸部３ｂは、幅狭となっているため、遠心力の殆どは外嵌された質量の大きい小型環状分割体２２Ｂに作用するようになる。このとき、大きな遠心力が作用する小型環状分割体２２Ｂだけが外方に膨らむ一方、工具ホルダ３５が装置されている小径軸部３ｂの下端は、質量が小さくなっているので、この小径軸部３ｂには遠心力が殆ど作用しなくる。

その結果、前記実施例と同様の効果が得られる。但し、小型環状分割体２２Ｂは前記実施例と同様に、焼きばめにより内周側壁部３ｂに密着状に外嵌するようにしてもよい。

３）第３変更形態（図６参照）
主軸３Ｃの大径軸部３Ｌのシャンク装着穴３ａ側に円筒状の分割スリット３１を形成するように構成してもよい。図６に示すように、大径軸部３Ｌには、主軸３下端側の約１／３部分に円筒状の分割スリット３１が形成されている。即ち、分割スリット３１の外側にある質量の大きい外側環状部分３ｆと、分割スリットよりも内径側の小径内周壁部３ｃとは、分割スリット３１により分割されている。

この場合にも、外側環状部分３ｆの複数箇所に設けられたバランス用螺子穴３ｇにバランス用螺子２３が螺着されている。切削加工に際して、主軸３Ｃが主軸モータ４により高速回転されたときでも、外側環状部分３ｆに遠心力が作用するが、分割スリット３１により分割された小径内周壁部３ｃには遠心力が殆ど作用しなくなる。その結果、前述した実施例と同様の効果が得られる。

本発明の実施例に係る工作機械の要部縦断側面図である。 図１の要部拡大側面図である。 工作機械の要部底面図である。 第１変更形態に係る図２相当図である。 第２変更形態に係る図２相当図である。 第３変更形態に係る図２相当図である。

符号の説明

１ 工作機械
３ 主軸
３Ａ〜３Ｃ 主軸
３ａ シャンク装着穴
３ｂ 小径軸部
３ｃ 小径内周壁部
３ｆ 外側環状部分
３Ｌ 大径軸部
４ 主軸モータ
２２ 環状分割体
２２ａ 位置決めキー
２２Ａ 環状分割体
２２Ｂ 小型環状分割体
２５ スプリングピン
３１ 分割スリット
３５ 工具ホルダ
３５ａ シャンク部

Claims (5)

1. 工具ホルダのシャンク部を装着する為のシャンク装着穴を先端側部分に有する主軸と、この主軸を回転駆動する主軸モータとを備えた工作機械において、
   前記主軸の先端側部分を、前記主軸モータが配置された後端側よりも大径の大径軸部と、前記大径軸部の先端側に大径軸部の径よりも小さい小径軸部とで形成し、
   前記小径軸部に嵌合した環状の分割体を備えた、
   ことを特徴とする工作機械。
2. 前記環状分割体と前記小径軸部とに亙って主軸の径方向向きの複数のピンが装着されたこことを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
3. 前記環状分割体に、主軸の回転バランスを調整するための螺子が装着されたこことを特徴とする請求項１または２に記載の工作機械。
4. 前記環状分割体の先端に、工具ホルダの１対のキー溝に係合する１対の位置決めキーが一体形成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の工作機械。
5. 工具ホルダのシャンク部を装着する為のシャンク装着穴を先端側部分に有する主軸と、この主軸を回転駆動する主軸モータとを備えた工作機械において、
   前記主軸の先端側部分を、前記主軸モータが配置された後端側よりも大径の大径軸部に形成され、
   前記大径軸部のシャンク装着穴側に円筒状の分割スリットが形成された、
   ことを特徴とする工作機械。
   

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