JP2012016756A - 工作機械の主軸台 - Google Patents

Abstract

【課題】短尺ワークの挿入が容易で、しかも短尺ワークをばね力で把持し、高速回転で加工ができる工作機械の主軸台を提供する。
【解決手段】工作機械の主軸台１０であって、主軸台本体１と、主軸台本体１に回転自在に支持され、軸中心に貫通孔２ｂが形成された主軸２と、貫通穴２ｂの前部に形成されたテーパ面２ｔに嵌合して装着されたコレット３と、貫通穴２ｂの回りに設けられ、座ぐり穴２ｄが形成された複数の通し穴２ｃと、座ぐり穴２ｄに装着されたばね部材５と、コレット３に係合して主軸２の軸方向へ移動自在に装着されたクランパ４と、クランパ４を後方へ付勢するようにクランパ４とばね部材５を連結して固定する固定部材６，６ｂと、を備えたことを特徴とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、工作機械の主軸台に係り、特にワークを把持して回転する工作機械の主軸台に関する。

これまで、例えば、短尺のワークの加工の際は、主軸台の前方からワーク供給装置等によってワークが挿入され、主軸台の前部に設けられたコレットチャックによって把持され、主軸台の前部に設けられた刃物台のバイト（工具）によって加工されている。
また、コレットチャックは旋盤用コレットであり、三つのすり割りが形成され、コレットの後端部には連結管（チューブ）が螺入されてコレットと一体になり、この連結管の押し引きにより、短尺ワークのクランプ、アンクランプを可能にしている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−１１０６３９号公報（図４）

しかしながら、短尺材ワークが鍛造品で成形され、かつ、軸端の近傍に鍔のあるワークの場合は、コレットチャックの前方からワークの挿入ができないという問題があった。
また、ワークの長さが連結管の全長よりも短い場合は、連結管の後方から挿入ができないという問題があった。

そこで、本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、これまでにない構成の主軸台により、短尺ワークの挿入が容易で、しかも短尺ワークをばね力で把持し、高速回転で加工ができる工作機械の主軸台を提供することを課題とする。

請求項１に記載の工作機械（１００）の主軸台（１０）の発明は、主軸台本体（１）と、
前記主軸台本体（１）に回転自在に支持され、軸中心に貫通孔（２ｂ）が形成された主軸（２）と、前記貫通穴（２ｂ）の前部に形成されたテーパ面（２ｔ）に嵌合して装着されたコレット（３）と、前記貫通穴（２ｂ）の回りに設けられ、座ぐり穴（２ｄ）が形成された複数の通し穴（２ｃ）と、前記座ぐり穴（２ｄ）に装着されたばね部材（５）と、
前記コレット（３）に係合して前記主軸（２）の軸方向へ移動自在に装着されたクランパ（４）と、前記クランパ（４）を後方へ付勢するように前記クランパ（４）と前記ばね部材（５）を連結して固定する固定部材（６，６ｂ）と、を備え、前記ばね部材（５）により前記クランパ（４）を介して前記コレット（３）を後方へ付勢して前記ワーク（Ｗ）をクランプすることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載された工作機械（１００）の主軸台（１０）であって、前記ばね部材（５）は複数積層されたリング形状の皿ばね（５）であり、前記固定部材（６）は、一端に形成された頭部（６ａ）が前記皿ばね（５）に当接し、他端が前記クランパ（４）の後面に当接し、前記皿ばね（５）および前記通し穴（２ｃ）に挿通された段付ピン（６）と、前記クランパ（４）の前面から前記段付ピン（６）の他端に螺入されたボルト（６ｂ）と、を備えたことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載された工作機械（１００）の主軸台（１０）であって、前記主軸（２）の後部に固定され、前記主軸（２）を回転させるプーリ（８）と、前記プーリ（８）の軸中心に形成された開口部（８ａ）と、前記コレット（３）の後部に形成された窪み（３ｄ）と、を備えたことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載された工作機械（１００）の主軸台（１０）であって、前記コレット（３）は、全長が旋盤用コレットよりも短い回転工具用コレットであることを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、主軸台本体に回転自在に支持され、軸中心に貫通孔が形成された主軸と、貫通穴の前部に形成されたテーパ面に嵌合して装着されたコレットと、貫通穴の回りに設けられ、座ぐり穴が形成された複数の通し穴と、座ぐり穴に装着されたばね部材と、コレットに係合して前記主軸の軸方向へ移動自在に装着されたクランパと、クランパを後方へ付勢するようにクランパとばね部材を連結して固定する固定部材と、を備えたことにより、ばね部材と固定部材によりクランパを介してコレットを後方へ付勢してワークを容易にクランプすることができ、これまでにない構成の主軸台により、短尺のワークをばね力で把持し、高速回転して加工ができる工作機械の主軸台を提供することができる。

請求項２に係る発明によれば、ばね部材は複数積層されたリング形状の皿ばねであり、
固定部材は皿ばねおよび前記通し穴に挿通されて前記皿ばねに当接し、付勢力を受ける段部を設けた段付ピンと、段付ピンの軸端をクランパの前面からボルトによってクランパに固定する構成にしたことにより、短尺のワークを皿ばねの付勢力を段付ピンとクランパの前面からボルトによって把持し、高速回転して加工ができる工作機械の主軸台を提供することができる。

請求項３に係る発明によれば、主軸の後部に固定され、主軸を回転させるプーリと、プーリの軸中心に形成された開口部と、コレットの後部に形成された窪みと、を備えたことにより、プーリの開口部と、主軸の貫通孔と、コレットの窪みとが、主軸の軸中心に沿って連続した窪みが形成できるため、主軸の後方からワークを装着する際、ローダやロボット等のワークを把持するワークホルダとの干渉がないため、スムーズな挿着ができる。

請求項４に係る発明によれば、コレットは、全長が旋盤用コレットよりも短い回転工具用コレットを採用したことにより、容易に短尺のワークを把持することができる。また、スリット数が旋盤用コレットよりも多いため、弾性変形がしやすく、把持性能が高いため、高性能な工作機械の主軸台を提供することができる。

本発明の主軸台が搭載されたＮＣ旋盤の平面図である。 本発明の主軸台が搭載されたＮＣ旋盤の正面図である。 本発明の主軸台を示す平面図である。 本発明の主軸台を示す正面図である。 本発明の主軸台を示し、図６に示すＡ−Ａ線の拡大断面図である。 図５に示す主軸台の一部破断した左側面図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
本発明は、例えば、直径が１０ｍｍ以下で、全長が５０〜６０ｍｍ程度の短尺のワークに特に適している。
図１、図２に示すように、工作機械１００は、ベッド１１上面の左側に主軸台１０が配置され、主軸台１０の右側（前方）には刃物台４２が配置されている。
工作機械１００の刃物台４２側には、ベッド１１の右側（前方）の摺動面であるすべりガイド１１ｂ，１１ｂの上面に左右（Ｚ）方向へ移動可能なサドル２２が載置され、このサドル２２の上面に設けられた摺動面には、前後（Ｘ）方向へ移動可能なクロススライド３２が載置され、そして、このクロススライド３２の上面に刃物台４２が載置されている。
工作機械１００は、２軸（Ｚ，Ｘ）制御のＮＣ旋盤であり、短尺ワーク用仕様のＮＣ旋盤である。
なお、工作機械１００の座標系を示す記号についてはＪＩＳＢ６３１０に規定されている。ＮＣ旋盤に関しては、主軸台１０の主軸２の軸方向をＺ軸とし、このＺ軸に直交する方向をＸ軸とするように規定されている。
機械本体の２（Ｚ，Ｘ）軸の軸移動は、Ｚ軸移動機構、Ｘ軸移動機構、により行われる。
主軸台１０の説明に入る前に、工作機械１００の全体であるＺ軸移動機構から詳細に説明し、同様の機構であるＸ軸移動機構の説明は省略する。

＜Ｚ軸移動機構の構成＞
図２の右側に示すように、Ｚ軸移動機構２４は、サドル２２を左右（Ｚ軸）方向へ移動させるための駆動装置である。Ｚ軸移動機構２４は、ベッド１１に設けられたダブテール形のすべりガイド１１ｂ，１１ｂの間の凹部（図示せず）に配置され、Ｚ軸用ボールねじ２４ａと、このＺ軸用ボールねじ２４ａに螺入したＺ軸用ナット２４ｂと、Ｚ軸用ボールねじ２４ａの軸端がカップリング２４ｃによって連結されたＺ軸用サーボモータ２４ｍとから構成されている。Ｚ軸用サーボモータ２４ｍの回転はＺ軸用ナット２４ｂにより直線運動に変換されてサドル２２に伝達される。
なお、ここでは、Ｚ軸用すべりガイド１１ｂ，１１ｂの形状は、動剛性の高いすべりガイドのダブテールになっているが、直線ころがりガイド方式にしても構わない。

＜主軸台の構成＞
図３，図４に示すように、本発明の主軸台１０は、ベッド１１の取付座１１ｃに第１ベース１０ａが固定され、この第１ベース１０ａの上には主軸台１０を載置し、主軸モータ１０ｍを載置する第２ベース１０ｂが固定されている。
本発明の主軸台１０の全幅Ｌは、従来のＮＣ旋盤の全幅の１／６〜１／５、になっている。

＜主軸台の構成＞
本発明の主軸台１０の構成を詳細に説明する。
図５に示すように、本発明の主軸台１０は、主軸台本体１に回転自在に支持され、軸中心に貫通孔２ｂが形成された主軸２と、貫通穴２ｂの前部に形成されたテーパ面２ｔに嵌合して装着されたコレット３と、貫通穴２ｂの回りに設けられ、座ぐり穴２ｄが形成された複数の通し穴２ｃと、座ぐり穴２ｄに装着されたばね部材５と、コレット３に係合して主軸２の軸方向へ移動自在に装着されたクランパ４と、クランパ４を後方へ付勢するようにクランパ４と前記ばね部材５を連結して固定する固定部材６，６ｂとから構成されている。さらに、主軸２は、主軸台本体１に設けられたベアリング２ａ，２ａに回転自在に支持され、さらに、ワークをアンクランプするためにクランパ４を前方へ付勢するピストン７等から構成されている。

＜主軸台本体の構成＞
主軸台本体１の後方面は、図６に示すように、正方形に近い四角形を形成している。
図５に示すように、主軸台本体１は、正面視では、縦に直立する長方形を形成している本体のブロックである。主軸台本体１は、前面１ａと、後面１ｂと、後面１ｂに穴ぐりされた穴ぐり座面１ｃと、ベアリング２ａの外輪と嵌合する貫通穴１ｄと、貫通穴１ｄから一段縮径された縮径穴１ｅと、前面１ａには前部穴１ｆが設けられ、前部穴１ｆにはピストン７が装着され、エアポケットＢが形成されている。
また、主軸台本体１の左側面（図６参照）には、後記するベルト１４を通すために切り欠かれた開口面１ｇ，１ｇが設けられており、この開口面１ｇ，１ｇによりベルト１４と主軸台本体１とは干渉がないようになっている。

＜ベアリングの構成＞
主軸２用のベアリング２ａ，２ａは、２個のアンギュラ玉軸受であり、背面組合せで構成されている。ベアリング２ａ，２ａの外輪は、主軸台本体１の貫通穴１ｄに嵌入され、ベアリング２ａ，２ａの内輪は、主軸２の外周面に嵌入されて、主軸２の外周つば部２ｅによって位置決めされている。

＜主軸の構成＞
主軸２は、リング状を形成した短尺の回転体であり、ベアリング２ａ，２ａの内輪に主軸２の外周面が嵌入されて、回転自在に支持されている。
主軸２の軸中心は貫通孔２ｂが設けられ、この貫通孔２ｂの前部のとば口には１６°のテーパ面２ｔが形成され、この１６°のテーパ面２ｔには後記するコレット３が嵌合されて装着されている。

＜ばね部材の構成＞
図５に示すように、通し穴２ｃに設けられた座ぐり穴２ｄは、主軸２の肉厚部に６等配（図６参照）で配置され、６個の座ぐり穴２ｄおよび通し穴２ｃが設けられている。この座ぐり穴２ｄのそれぞれにばね部材５である複数の積層された皿ばね５が装着されている。皿ばね５は、それぞれ２８枚から構成され、直列組合せになっている。
＜固定部材の構成＞
固定部材６は皿ばね５および通し穴２ｃに挿通されて皿ばね５に当接し、付勢力を受ける段部６ａを設けた段付ピン６と、段付ピン６の軸端をクランパ４に固定するために設けられたクランパ４の前面から螺入されたボルト６ｂをいう。
＜段付ピンの構成＞
段付ピン６は、頭部６ａを設け、積層した皿ばね５の穴に挿通され、通し穴２ｃに挿通されてクランパ４の前面からのボルト６ｂによってクランパ４の左面（後面）に固定されている。
このように構成した皿ばね５によるクランプ力の付勢手段Ｅは、主軸２内に内設されている。クランプ力の付勢手段Ｅは、ばね部材５である皿ばね５と、段付ピン６と、ボルト６ｂであり、その他にクランパ４とコレット３が含まれる。
なお、座ぐり穴２ｄおよび通し穴２ｃは、ここでは、６個としたが、８個や５個等に増減して変えてもよい。皿ばね５は、例えば、重荷重用が好適であり、６個では４，１７６Ｎ（４２６ｋｇｆ）の付勢力となる。

＜コレットの構成＞
コレット３は、例えば、エンドミル等を把持する回転工具用のコレットである。
旋盤用コレットは従来から市販されているが、旋盤に回転工具用のコレット製品を採用することはこれまでなかった。
図５に示すように、コレット３は、市販されているコレット製品と同様に、外周部の後部に形成された１６°のテーパ面３ａと、外周部の前部に形成された６０°のテーパ面３ｂと、その間に設けられた溝部３ｃと、ここでは短尺のワークＷを把持する貫通孔３ｆが形成されている。
また、コレット３には、前側から６本のスリット３ｇと、後側から位相を３０°変えて６本のスリット３ｇ（図６参照）が交互に形成されている。
これにより、コレット３は、縮径する方向へ容易に弾性変形をするようになっており、且つ把持性能が高く、精密加工には好適である。また、このコレット３は、例えば、サイズを示すＮｏ．３２が好適である。
しかしながら、このコレット３には、市販のＮｏ．３２のコレット３の形状にはない窪み３ｄが形成されている。
また、段差部を有する短尺のワークＷの場合はチャックの前方から挿着ができないため、後方からの挿着になる。コレット３の後部に窪み３ｄを設けたことにより、後方からワークＷを挿着する際、ロボットやローダのワークハンド１５との干渉を回避することができる。

＜クランパの構成＞
クランパ４は、主軸２の前面に設けられ、貫通孔２ｂの回りに設けられた座ぐり穴に内設した皿ばね５の穴を挿通した段付ピン６が、クランパ４の前面から螺入したボルト６ｂによって固定され、皿ばね５の付勢力によって数ｍｍ軸方向へ移動自在になっている。
また、クランパ４は、中央の穴の内周面に突起部４ａが形成され、その内周面の前部にはコレット３の６０°テーパ面３ｂと嵌合する６０°テーパ面４ｂが形成され、さらに、外周面の前部には、つば状の凸部４ｃが形成されている。
クランパ４の突起部４ａはコレット３の溝部３ｃに遊嵌され、クランパ４の６０°テーパ面４ｂは、コレット３の６０°テーパ面３ｂに当接して押圧する。

＜ピストンの構成＞
ピストン７は、コレット３の弾性変形を解除し、短尺ワークＷをアンクランプするために前記クランパ４を前方（図５で右方向）へ付勢する部材である。
ピストン７は、略リング状に形成されており、左右にはエアポケットＢ，Ｃが配置され、左右方向へ移動自在になっている。また、ピストン７の前部は、前記クランパ４の外周面のつば状の凸部４ｃと係合しており、一度、左のエアポケットＢにエアが供給されると、ピストン７は右方向へ移動し、クランパ４を右へ移動させる。その反対に、右のエアポケットＣにエアが供給されると、ピストン７は左方向へ移動し、ピストン７は回転しないため、クランパ４の凸部４ｃの裏のピストン７との間に隙間を作る。

＜プーリの構成＞
プーリ８は、主軸２の後部の後面にボルトによって一体に固定されている。プーリ８の外周にはＶ溝８ｂが形成され、また、外周にはカバー部材８ｃが一体に形成されている。
なお、プーリ８のＶ溝８ｂには、モータ１０ｍ（図３参照）のモータ軸に装着された図示しないプーリとも同様にベルト１４が巻き掛けられている。
プーリ８は、略円盤状に形成されており、中央の内周面には開口部８ａの穴が形成されている。

その他、図５に示すカバー９と、ラビリンス１２と、リテーナ１３について、説明する。
＜カバーの構成＞
カバー９は、主軸台本体１の前面１ａに固定されたリング状の部材である。カバー９は、前記ピストン７の右側に配置されて、ピストン７によりエアポケットＣを形成し、また、ピストン７の抜け止めのストッパとピストン７の保護カバーの役目を果たしている。
＜ラビリンスの構成＞
ラビリンス１２は、主軸２の後面の外周に嵌合されており、ベアリング２ａへの粉塵の侵入防止と水の浸入防止をするカバー部材である。ラビリンス１２は、ベアリング２ａの内輪の位置決めを行い、ベアリング２ａの内輪と前記したプーリ８との間に挟持されている。
＜リテーナの構成＞
リテーナ１３は、リング状の、ベアリング２ａの外輪の位置決め部材であり、ベアリング２ａへの粉塵の侵入防止と水の浸入防止役目を果たすカバー部材である。

ここで、主軸台１０の動作について、詳細に説明する。
主軸台１０は、短尺のワークＷの端面加工を行う、例えば、主軸台１０はＮＣ旋盤に好適である。
＜アンクランプ動作＞
図５に示すように、主軸台１０において、シリンダ７の左側のエアポケットＢに高圧エアが供給されると、シリンダ７が高圧エアにより皿ばね５の付勢力に抗して前方（右側）に移動し、クランパ４の前部の６０°のテーパ面４ｂとコレット３の６０°のテーパ面３ｂとの間に隙間を形成し、コレット３のアンクランプ状態を形成する。

＜ワークの搬送動作＞
例えば、ローダ、または、ロボットのワークハンド１５に把持された短尺ワークＷが上方から下降する。そして、コレット３の後部に形成した窪み３ｄと、主軸２の内径２ｂと、プーリ８の開口部８ａとによって形成された窪み部Ｓのスペースを利用してコレット３の中心部の貫通穴３ｆに短尺ワークＷが挿入される。なお、このような搬送装置以外であっても構わない。

＜クランプ動作＞
シリンダ７の左側のエアポケットＢに充満したエアが図示しない電磁弁によって大気に開放されると、皿ばね５の付勢力により、クランパ４が後退（左方向へ移動）し、前部の６０°テーパ面４ｂとコレット３の６０°テーパ面３ｂとの間に隙間がなくなり、さらにクランパ４がコレット３を押圧して主軸台１０をクランプ状態にする。
なお、シリンダ７の右側のエアポケットＣにエアを供給し、ピストン７は主軸と一緒に回転しないので、ピストン７を元の位置に戻し、クランパ４との接触面を減らす。

＜刃形台の構成＞
図２に示すように、刃物台４２は、主軸台１０の右側（前方）のクロススライド３２の上面に配設されている。そして、刃物台４２の上面には、外径工具用の櫛刃形刃物台４２ａが固定されている。櫛刃形刃物台４２ａには、標準の外径バイト４２ｂ（図５参照）が装着されている。

＜切削加工＞
事前に入力されたＮＣプログラムによって、短尺のワークＷの端面加工を外径バイト４２ｂで行う。なお、この工程では、丈決めの加工が主であるが、その他に外径仕上げ加工を行っても構わない。
主軸台１０のスピンドルモータ１０ｍ（図３，４参照）が回転して主軸２が所定の高速回転すると、図２に示すように、櫛刃形刃物台４２ａに固定された外径バイト４２ｂが、クロススライド３２によるＸ軸（前後）方向と、サドル２２によるＺ軸（左右）方向へ移動しながら、往復移動を繰り返し、所定の外径寸法で加工し、元の位置にもどり、加工が完了する。

なお、本発明はその技術思想の範囲内で種々の改造、変更が可能である。ここでは、２軸制御のＮＣ旋盤の主軸台１０として説明したが、これに限らず、その他の工作機械に取り付けても構わない。

１ 主軸台本体
１ａ 前面
１ｂ 後面
１ｃ 穴ぐり座面
１ｄ 貫通穴
１ｅ 縮径穴
１ｆ 前部穴
１ｇ 開口面
２ 主軸
２ａ ベアリング
２ｂ 貫通孔
２ｃ 通し穴
２ｄ 座ぐり穴
２ｅ 外周つば部
２ｆ 後面
２ｔ １６°テーパ面
３ コレット
３ａ １６°テーパ面
３ｂ ６０°テーパ面
３ｃ 溝部
３ｄ 窪み
３ｆ 貫通孔
３ｇ スリット
４ クランパ
４ａ 突起部
４ｂ ６０°テーパ面
４ｃ 凸部
５ ばね部材（皿ばね）
６ 固定部材（段付ピン）
６ａ 頭部
６ｂ 固定部材（ボルト）
７ ピストン
８ プーリ
８ａ 開口部
８ｂ Ｖ溝
８ｃ カバー部材
９ カバー
１０ 主軸台（短尺ワーク用の主軸台）
１０ａ 第１ベース
１０ｂ 第２ベース
１０ｍ モータ
１５ ワークハンド
１００ 工作機械（ＮＣ旋盤）
Ｂ，Ｃ エアポケット
Ｅ クランプ力付勢手段
Ｓ 窪み部
Ｗ ワーク

Claims (4)

1. 主軸台本体（１）と、
   前記主軸台本体（１）に回転自在に支持され、軸中心に貫通孔（２ｂ）が形成された主軸（２）と、
   前記貫通穴（２ｂ）の前部に形成されたテーパ面（２ｔ）に嵌合して装着されたコレット（３）と、
   前記貫通穴（２ｂ）の回りに設けられ、座ぐり穴（２ｄ）が形成された複数の通し穴（２ｃ）と、
   前記座ぐり穴（２ｄ）に装着されたばね部材（５）と、
   前記コレット（３）に係合して前記主軸（２）の軸方向へ移動自在に装着されたクランパ（４）と、
   前記クランパ（４）を後方へ付勢するように前記クランパ（４）と前記ばね部材（５）を連結して固定する固定部材（６，６ｂ）と、
   を備えことを特徴とする工作機械（１００）の主軸台（１０）。
2. 前記ばね部材（５）は複数積層されたリング形状の皿ばね（５）であり、
   前記固定部材（６）は、
   一端に形成された頭部（６ａ）が前記皿ばね（５）に当接し、他端が前記クランパ（４）の後面に当接し、前記皿ばね（５）および前記通し穴（２ｃ）に挿通された段付ピン（６）と、
   前記クランパ（４）の前面から前記段付ピン（６）の他端に螺入されたボルト（６ｂ）と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の工作機械（１００）の主軸台（１０）。
3. 前記主軸（２）の後部に固定され、前記主軸（２）を回転させるプーリ（８）と、
   前記プーリ（８）の軸中心に形成された開口部（８ａ）と、
   前記コレット（３）の後部に形成された窪み（３ｄ）と、
   を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された工作機械（１００）の主軸台（１０）。
4. 前記コレット（３）は、全長が旋盤用コレットよりも短い回転工具用コレットであることを特徴とする請求項１に記載された工作機械（１００）の主軸台（１０）。

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