JP2010207972A - スピンドル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転バランスがよく、高速化、高精度化しやすい、超音波スピンドル装置を提供する。
【解決手段】回転主軸２および回転主軸に取付けられた工具６が超音波振動しながら回転して切削加工するスピンドル装置Ａであって、回転主軸は、圧電セラミックスと電極板を有し回転主軸を超音波振動させる加振部２２、加振部を駆動させるための電力を受電する電力受電部２３、回転主軸を回転させる回転駆動部２４、回転主軸を支持するスラストおよびラジアル方向の空気静圧軸受２５、２６および工具チャック３を取り付けるための主軸端を有しており、工具チャックには、焼きばめチャック３０を用い、回転主軸のハウジング１には、回転主軸側の電力受電部と対をなし電力を供給する電力給電部１０、回転駆動部に動力を与える回転駆動機構１１、回転主軸側の空気静圧軸受と対をなすスラストおよびラジアル方向の軸受１２、１３を有する。
【選択図】図１

Description

この発明は、工具を有する回転主軸が超音波振動しながら回転して切削加工するスピンドル装置に関する。

金型加工などの分野において、高速ミリング加工法が用いられており、例えば１本の工具を用いて粗加工から仕上げ加工まで行なうことができる。

この高速ミリング加工を行う装置として、例えば、特許文献１として、回転主軸を静圧空気軸受により非接触で支持すると共に、回転主軸に超音波振動子を設けて非接触で加振し、また回転主軸の回転は、回転主軸にモータロータを設け、またはタービンポケットを設けることで、モータあるいはタービン式の無接触の回転駆動装置で与える装置が提案されている。

また、特許文献２として、超音波振動子を内蔵した回転主軸筒、モータおよび流体静圧軸受により構成された流体静圧軸受超音波振動主軸が提案されている。超音波振動子は、電歪素子とフランジ、これらをボルトにより締結した軸からなっており、超音波振動子で発生する振動を、振動ホーン、チャックを介して工具に伝える超音波振動系を構成している。超音波振動系は、振動の節の位置となるフランジ部で回転主軸筒に固定され、回転主軸筒は、流体静圧軸受により保持され、回転可能である。モータおよび電歪素子には、外部より高周波電力を非接触供給される。

また、特許文献３として、空気軸受により、回転主軸のラジアル方向とスラスト方向を非接触により支持し、回転主軸を外部のモータ駆動ユニットを利用した回転主軸により回転駆動するとともに、回転主軸に超音波振動子により軸方向に振動を加え、回転主軸の軸端に装着する研削工具を軸方向に振動させながら回転する装置が提案されている。

特開平１１−１０４２０号公報 特開２００６−２４７８０８号公報 特開２００２−３６１０６号公報

この特許文献１乃至３では、いずれも回転主軸をハウジングに非接触で支持することにより、振動しながら回転することが開示されているが、特許文献１では、回転主軸の中央部に超音波振動子と回転駆動装置とが設けられており、回転主軸の構造が複雑であり、かつ回転主軸に超音波振動子と回転駆動装置を共に組み付ける作業に手数を要する。

また、特許文献２では、超音波振動子を内蔵した主軸筒であり、この回転主軸筒の頭部にモータを組み付けて回転駆動しており、回転主軸が筒状であるために加工や超音波振動子の組み付けの作業に手数を要すると共に、回転主軸筒の回転がぶれないように超音波振動子やモータの組み付け位置を簡単に調整することが困難である。

また、特許文献３では、回転主軸の中央部に超音波振動子が組み付けられ、この回転主軸の頭部に外部のモータ駆動ユニットの回転軸を連結しており、回転主軸の構造が複雑であり、回転主軸の中央部に超音波振動子を組み付け、また頭部に回転主軸を連結する作業に手数を要すると共に、回転主軸の回転がぶれないように超音波振動子や回転軸の組み付け位置を簡単に調整することが困難である。

この発明は、かかる点に鑑みてなされたもので、超音波振動しながら回転する回転主軸の製作工程を削減し、低コストで、簡単にかつ高精度に組み付けることが可能で、回転バランスがよく、高速化、高精度化を得ることができる超音波スピンドル装置を提供することを目的としている。

前記課題を解決し、かつ目的を達成するために、この発明は、以下のように構成した。

請求項１に記載の発明は、回転主軸および回転主軸に取付けられた工具が超音波振動しながら回転して切削加工するスピンドル装置であって、
前記回転主軸は、圧電セラミックスと電極板を有し前記回転主軸を超音波振動させる加振部、前記加振部を駆動させるための電力を受電する電力受電部、前記回転主軸を回転させる回転駆動部、前記回転主軸を支持するスラストおよびラジアル方向の空気静圧軸受、および工具チャックを取り付けるための主軸端を有しており、
前記工具チャックには、焼きばめチャックを用い、
前記回転主軸のハウジングには、回転主軸側の前記電力受電部と対をなし電力を供給する電力給電部、前記回転駆動部に動力を与える回転駆動機構、回転主軸側の前記空気静圧軸受と対をなすスラストおよびラジアル方向の軸受を有することを特徴とするスピンドル装置である。

請求項２に記載の発明は、前記回転駆動部は、エアタービンであり、
前記回転駆動機構は、前記エアタービンに圧縮空気を供給するエアノズルであり、
前記エアノズルから供給される圧縮空気によって前記エアタービンが回転することを特徴とする請求項１に記載のスピンドル装置である。

請求項３に記載の発明は、前記回転駆動部は、電磁モータの永久磁石を装着した回転子であり、
前記回転駆動機構は、電磁モータの電磁固定子であり、
前記電磁固定子に供給される交流位相電流によって前記回転子が回転することを特徴とする請求項１に記載のスピンドル装置である。

請求項４に記載の発明は、前記電力給電部は、小型ブラシであることを特徴とする請求項１に記載のスピンドル装置である。

前記構成により、この発明は、以下のような効果を有する。

請求項１に記載の発明では、超音波振動する回転主軸は、加振部、電力受電部、回転駆動部、スラストおよびラジアル方向の空気静圧軸受、および工具チャックを取り付けるための主軸端を有し、ハウジングは、電力給電部、回転駆動機構、スラストおよびラジアル方向の軸受を有し、回転主軸をハウジングに簡単な構造で、かつ高精度に組み付けることができ、また回転主軸を超音波振動しながらバランスがよく回転することができる。

請求項２に記載の発明では、エアノズルから供給される圧縮空気によってエアタービンが回転し、超音波振動する回転主軸を回転することができる。

請求項３に記載の発明では、電磁モータの電磁固定子に供給される交流位相電流によって回転子が回転し、超音波振動する回転主軸を回転することができる。

請求項４に記載の発明では、電力給電部は、小型ブラシであり、より大きな駆動電力を供給できる。

スピンドル装置の断面図である。 焼きばめチャックの固定を説明する図である。 他の実施の形態のスピンドル装置の断面図である。

以下、この発明のスピンドル装置の実施の形態について説明する。この発明の実施の形態は、発明の最も好ましい形態を示すものであり、この発明はこれに限定されない。
［第１の実施の形態］
スピンドル装置Ａは、図１及び図２に示すように、ハウジング１と、超音波振動する回転主軸２とを備え、回転主軸２および回転主軸２に取付けられた工具６が超音波振動しながら回転して切削加工する。ハウジング１は、例えば金属などで成形され、加工装置などに取り付けられる。

回転主軸２は、回転主軸２を超音波振動させる加振部２２、加振部２２を駆動させるための電力を受電する電力受電部２３、回転主軸２を回転させる回転駆動部２４、回転主軸２を支持するスラストおよびラジアル方向の空気静圧軸受２５，２６、および工具チャック３を取り付けるための主軸端２７を有する。工具チャック３には、焼きばめチャック３０を用いる。

ハウジング１は、回転主軸側の電力受電部２３と対をなし電力を供給する電力給電部１０、回転駆動部２４に動力を与える回転駆動機構１１、回転主軸側の空気静圧軸受２５，２６と対をなすスラストおよびラジアル方向の軸受１２，１３を有する。
回転主軸２は、単一の部材で成形され、材質が例えば軸受鋼、ステンレス鋼やチタン合金である。この回転主軸２は、円柱状であり、外周は研磨加工され、スラスト方向の空気静圧軸受２５が小径に、これよりラジアル方向の空気静圧軸受２６が空気静圧軸受２５より大径に形成され、空気静圧軸受２５が先端部側に位置し、空気静圧軸受２６が頭部側に位置している。回転主軸２の主軸端２７に焼きばめチャック３０を固定するための固定穴２ａが形成されている。

ハウジング１のスラスト方向の軸受１２は、スラスト方向の空気静圧軸受２５と平行し、かつ空気静圧軸受２５に沿ってハウジング１に設けられたスリーブ１２ａの内径面を軸受面とするものであり、ハウジング１に形成した圧縮空気の給気路１２ｂに連通した複数の微細な絞り孔１２ｃを軸受面に開口させてある。

また、ハウジング１のラジアル方向の軸受１３は、ラジアル方向の空気静圧軸受２６と直交し、かつ空気静圧軸受２６に沿ってハウジング１に設けられたスリーブ１３ａの内径面を軸受面とするものであり、ハウジング１に形成した圧縮空気の給気路１３ｂに連通した複数の微細な絞り孔１３ｃを軸受面に開口させてある。

給気路１２ｂ，１３ｂには、ハウジング１の軸受吸気口部１ａから主給気路１ｂを介して圧縮空気が供給され、スリーブ１２ａの絞り孔１２ｃと、スリーブ１３ａの絞り孔１３ｃとから供給される。このスラストおよびラジアル方向の空気静圧軸受２５，２６と、空気静圧軸受２５，２６と対をなすスラストおよびラジアル方向の軸受１２，１３とによって、回転主軸２はハウジング１に対して回転主軸２の半径方向および軸方向にそれぞれ高速回転して軸方向に振動可能に支持される。

工具６及び焼きばめチャック３０の取付は、図２に示すように、焼きばめチャック３０を回転主軸２の先端部２７の固定穴２ａに圧入により固定するが、ねじ込み、焼きばめなど固定方法は特に限定されない。工具６は、焼きばめチャック３０の固定穴３０ａに焼きばめにより固定する。このように、工具６を焼きばめチャック３０に焼きばめにより固定して取付したから、工具支持剛性が高く、高精度に固定することができバランス性もよいので、超音波振動を効率よく加工物１００に伝えることができるとともに高速ミリング加工時の高速回転及び振動や負荷に耐えることができる。

工具６はエンドミルなどが用いられるが、材質としては、超硬、コーティング超硬、焼結および単結晶ダイヤモンド、ｃＢＮ（立方晶窒化ホウ素）、研削砥石などが好適である。

回転主軸２の頭部側には、加振部２２、回転駆動部２４、電力受電部２３が順に配置されている。加振部２２は、回転主軸２を超音波振動させ、この加振部２２は、ラジアル方向の空気静圧軸受２６の位置より頭部側に配置されている。加振部２２は、一対の圧電セラミックス２２ａと電極板２２ｂを有し、圧電セラミックス２２ａと電極板２２ｂとを交互にサンドイッチ構造とした複数枚ものからなり、電極板２２ｂに給電を行うことで圧電セラミックス２２ａが駆動して回転主軸２を超音波振動させる。

この実施の形態の回転駆動部２４には、エアタービン２４ａが用いられ、このエアタービン２４ａは、回転主軸２の頭部に加振部２２と共に一体回転可能にボルトなどの締付手段により固定され、またエアタービン２４ａに電力受電部２３がボルトなどの締付手段により一体回転可能に固定されている。

ハウジング１の電力給電部１０は、回転主軸側の電力受電部２３と対をなし電力を供給する。電力受電部２３は、エアタービン２４ａに配線された給電線２３ａを介して加振部２２に電力が供給される。この実施の形態の電力給電部１０は、小型ブラシ１０ａであり、より大きな駆動電力を供給できる。電力給電部１０には、超音波を発振するための超音波発振器５３の給電線５４が接続されている。電力給電部１０と電力受電部２３は、電磁誘導などの手段で、外部の超音波発振器５３より高周波電力を非接触で供給できるようになっている。

ハウジング１の回転駆動機構１１は、エアタービン２４ａに圧縮空気を供給するエアノズル１１ａであり、エアノズル１１ａは、タービン吸気口部１１ｂに連通しており、タービン吸気口部１１ｂから圧縮空気がエアノズル１１ａに供給される。エアノズル１１ａから供給される圧縮空気によってエアタービン２４ａが回転し、このエアタービン２４ａの回転によって回転主軸２を高速回転させ、圧縮空気はハウジング１に形成された排出通路１１ｃから排出される。

このスピンドル装置Ａは、被削材としての工作物１００の加工を行い、この工作物１００の材質は任意であり、炭素鋼、プレハードン鋼、ステンレス鋼、金型用焼入れ鋼などのほか、アルミニウムなどの非鉄金属、さらにガラスやセラミックス、宝石類の非金属、ゴム、プラスチック、木材なども含まれる。

ハウジング１の回転駆動機構１１は、回転駆動部２４のエアタービン２４ａに動力を与え、このエアタービン２４ａの回転によって回転主軸２を高速で回転する。併行して超音波発振装置５３から電力給電部２３を介して回転主軸側の電力受電部２３に電力を供給する。この電力受電部２３から加振部２２に電力を供給し、これによって電極板２２ｂを介して圧電セラミックス２２ａが軸方向、ねじれ方向もしくは曲げ方向に振動させられ、工具６により工作物１００がミーリング加工される。この超音波振動により工具６の材質がダイヤモンド、工作物の材質が鉄系材料である場合にも化学反応による化学的摩耗が回避される。

回転主軸２は、スラストおよびラジアル方向の空気静圧軸受２５，２６と、この空気静圧軸受２５，２６と対をなすハウジング１のスラストおよびラジアル方向の軸受１２，１３により、回転が許容されつつ軸方向および半径方向には動かされないようにしっかりと支持されているため、高速回転と振動とが作用しても、回転主軸２は高速回転と横方向の負荷に耐えることができ、円滑に安定して長距離の高速ミーリング加工を行なうことができる。

また、回転主軸２は、単一の部材で成形し、スラストおよびラジアル方向の空気静圧軸受２５，２６によりハウジング１のハウジング１のスラストおよびラジアル方向の軸受１２，１３に支持し、回転主軸２の頭部側に、加振部２２とエアタービン２４ａとを順に配置し、さらに電力受電部２３をエアタービン２４ａに設けている。このように、回転主軸２の頭部側に、加振部２２、エアタービン２４ａ、電力受電部２３を集中して主軸軸線上に配置する簡単な構造であり、回転主軸２の頭部側から加振部２２、エアタービン２４ａ、電力受電部２３を、回転主軸２に簡単にかつ高精度に組み付けることができる。また、回転主軸２を複数の軸部材を組み付けて軸加工する必要がなく、製作工程を削減し、低コストで、簡単にかつ高精度に加振部２２、エアタービン２４ａ、電力受電部２３を集中して主軸軸線上に組み付けることが可能で、回転バランスがよく、高速化、高精度化を得ることができる。

また、スラスト方向の空気静圧軸受２５を、回転主軸２の先端部側に配置し、ラジアル方向の空気静圧軸受２６を、回転主軸２の頭部側に配置して回転主軸２をハウジング１のスラスト軸受１２と、ラジアル軸受１３に対して支持するから、回転主軸２を小型化でき、高速回転が可能になる。また、ハウジング１に設けた電力給電部１０から非接触で電力受電部２３を介して加振部２２に給電を行い、加振部２２を駆動させるから、回転主軸２２の高速回転が可能であり、かつ回転バランスがよく、高精度の回転を得ることができ、しかも回転主軸２に給電系の経路や導線などを設ける必要がなく、給電系の簡素化が可能である。

［第２の実施の形態］
この第２の実施の形態のスピンドル装置Ａを、図３に示し、図１及び図２の第１の実施の形態と同じ構成は、同じ符号を付して説明を省略する。この第２の実施の形態では、回転駆動部２４は、電磁モータ２４ｂの永久磁石２４ｂ１を装着した回転子２４ｂ２であり、回転駆動機構１１は、電磁モータ２４ｂの電磁固定子２４ｂ３である。この電磁固定子２４ｂ３には電源装置１１ｂが接続され、この電源装置１１ｄから電磁固定子２４ｂ３に交流位相電流が供給され、この交流位相電流によって電磁固定子２４ｂ３が永久磁石２４ｂ１を装着した回転子２４ｂ２を回転する。この電磁モータ２４ｂの回転子２４ｂ２が回転することによって、回転主軸２２の高速回転が可能であり、かつ回転バランスがよく、高精度の回転を得ることができ、しかも回転主軸２に給電系の経路や導線などを設ける必要がなく、給電系の簡素化が可能である。

この発明は、工具を有する回転主軸が超音波振動しながら回転するスピンドル装置に適用可能であり、超音波振動しながら回転する回転主軸の製作工程を削減し、低コストで、簡単にかつ高精度に組み付けることが可能で、回転バランスがよく、高速化、高精度化を得ることができる。

Ａ スピンドル装置
１ ハウジング
２ 回転主軸
３ 工具チャック
６ 工具
１０電力給電部
１１回転駆動機構
１２，１３スラストおよびラジアル方向の軸受
２２ 加振部
２３ 電力受電部
２４ 回転駆動部
２４ａ エアタービン
２４ｂ 電磁モータ
２５，２６ スラストおよびラジアル方向の空気静圧軸受
２７ 主軸端
３０ 焼きばめチャック

Claims (4)

1. 回転主軸および回転主軸に取付けられた工具が超音波振動しながら回転して切削加工するスピンドル装置であって、
   前記回転主軸は、圧電セラミックスと電極板を有し前記回転主軸を超音波振動させる加振部、前記加振部を駆動させるための電力を受電する電力受電部、前記回転主軸を回転させる回転駆動部、前記回転主軸を支持するスラストおよびラジアル方向の空気静圧軸受、および工具チャックを取り付けるための主軸端を有しており、
   前記工具チャックには、焼きばめチャックを用い、
   前記回転主軸のハウジングには、回転主軸側の前記電力受電部と対をなし電力を供給する電力給電部、前記回転駆動部に動力を与える回転駆動機構、回転主軸側の前記空気静圧軸受と対をなすスラストおよびラジアル方向の軸受を有することを特徴とするスピンドル装置。
2. 前記回転駆動部は、エアタービンであり、
   前記回転駆動機構は、前記エアタービンに圧縮空気を供給するエアノズルであり、
   前記エアノズルから供給される圧縮空気によって前記エアタービンが回転することを特徴とする請求項１に記載のスピンドル装置。
3. 前記回転駆動部は、電磁モータの永久磁石を装着した回転子であり、
   前記回転駆動機構は、電磁モータの電磁固定子であり、
   前記電磁固定子に供給される交流位相電流によって前記回転子が回転することを特徴とする請求項１に記載のスピンドル装置。
4. 前記電力給電部は、小型ブラシであることを特徴とする請求項１に記載のスピンドル装置。