JP2012143819A - 工作機械の主軸およびこの主軸を用いた工作機械 - Google Patents

Abstract

【課題】 主軸が伸長した場合でも、工具先端の垂れ下がりやビビリ等の起きにくくなる工作機械の主軸およびこの主軸を用いた工作機械を提供することにある。
【解決手段】 工作機械の主軸頭に設けられた回転軸、その外周面に嵌合するラムおよびこのラム先端に取り付けられたアタッチメントを有する主軸において、回転軸、ラムおよびアタッチメントは、それらのうちのいずれか一つ、いずれか二つ、またはそれぞれに外周面の軸方向に本体材料と共振点の異なる補強材を添設したことを特徴とする工作機械の主軸とした。また、このように補強した主軸を用いた工作機械とした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、工作機械に係り、より一層詳細には、高剛性化した工作機械の主軸およびこの主軸を用いた工作機械に関する。

工作機械の主軸、特に大型の横中ぐり盤、門型のマシニングセンタ等には、主軸の伸長方向に、あるいは主軸の伸長方向から加工方向を変えるように、アングルヘッド、またはスナウト等の、各種のアタッチメントを取り付けることがおこなわれており、それら各種のアタッチメントを介して種々のカッター、ドリル、エンドミル等の工具を取り付ける。そしてこれらの工具には、切刃またはチップもしくはインサート等を取り付けることが行われ、切削、研削又は研磨等に使用される。このような工具は、加工するワークによっては、上述のアタッチメントを介して、主軸先端に取り付けられることもある。このようなとき、主軸の機構は、伸長する。そして、しばしばこのような伸長した工具などの取り付けのため、主軸の機構は、機械本体から片持ち状態で伸びることとなる。そのため、ワークの加工点におけるモーメントが大きくなり、工具先端の垂れ下がり、加工中の歪、またはビビリ等の現象が発生し、その結果、加工するための加工プログラムと齟齬を生じ、従って加工対象である加工製品（ワーク）の加工精度を保つことが難しかった。

このような加工中に発生する歪やビビリ現象の防止のため、本出願人が既に開示した図６に示すような工具が知られている。この開示された発明においては、工具本体１は、工作機械（例えば図６では門型の工作機械）において、図６に一点鎖線で示した主軸２に装着され、シャンク３の下にアーバ４を設け、このアーバ４の先端に切刃チップ５の付いたボーリングヘッド６を取り付けてある。そしてこのような伸長された工具では、シャンク３の首下が長くビビリ現象が起きることが懸念されるため、特許文献１により開示されているように、アーバ４の外周に沿って軸方向に２本または３本の凹溝７を設け、この溝７の中に超硬金属８を収納し筋金として補強し、工具自体の剛性の向上を図っている。

特開平９‐１５５６０５号公報

しかしながら、前述の技術は、工具に関する対応のみであり、主軸さらには主軸の全体的な機構、すなわち主軸機構がアタッチメントを取り付けてより長くなった場合には、加工中の歪やビビリ現象の発生することが同様にやはり懸念され、このような不都合を防止することは、困難であった。

本発明の目的は、前述のように主軸がアタッチメントを取り付けられて伸びた場合でも、前述のビビリ等が起きにくくなる工作機械の主軸およびこれを用いた工作機械を提供することにある。

この目的のためには、発明者は、主軸を構成する回転軸と、およびこの回転軸を外側から支える門方工作機械の縦主軸ではラムとを、（また横中ぐり盤等に使用される水平の横主軸ではクイルとを）、超鋼の筋金や硬度の高い物質等の補強材により強化すれば良いとの結論に達した。さらに、このラムまたはクイル等に、さらに付加的に取り付けられたアタッチメント等を含む主軸の構造を、前述の筋金等の補強材により全体的に強化すれば良い、という結論に達し、本発明に至った。

前述の目的を達成するため本発明は、工作機械の主軸頭に設けられた回転軸、この回転軸に嵌合するラム、およびこのラムに取り付けられたアタッチメントを有する主軸において、前記回転軸、前記ラム、および前記アタッチメントは、それらのいづれか一つ、それらのいずれか二つ、またはそれらのそれぞれに、外周面に本体材料と共振点の異なる補強材を添設したことを特徴とする工作機械の主軸とした。

また本発明は、工作機械の主軸頭に設けられた回転軸、この回転軸に嵌合するラム、およびこのラムに取り付けられたアタッチメントを有する主軸において、
前記回転軸、前記ラム、および前記アタッチメントは、それらのいづれか一つ、それらのいずれか二つ、またはそれらのそれぞれに、内部に共振点の異なる補強材の心棒を使用して構成したことを特徴とする工作機械の主軸とした。

さらに、本発明は、工作機械の主軸頭に設けられた回転軸、この回転軸に嵌合するラム、およびこのラムに取り付けられたアタッチメントを有する主軸において、
前記回転軸、前記ラム、および前記アタッチメントは、それらのいづれか一つ、それらのいずれか二つ、またはそれらのそれぞれの外周面に共振点の異なる補強材のスリーブを嵌合させて構成したことを特徴とする工作機械の主軸とした。

またさらに、本発明は、工作機械の主軸頭に設けられた回転軸、この回転軸に嵌合するラム、およびこのラムに取り付けられたアタッチメントを有する主軸において、前記回転軸、前記ラム、および前記アタッチメントは、それらのいづれか一つ、それらのいずれか二つ、またはそれらのそれぞれの外周面に共振点の異なる補強材によるコーティングをし構成したことを特徴とする工作機械の主軸とした。

この補強材は、高分子ポリマー、絶縁体、半導体、金属のうち、それらのいずれか一つまたは、それらの組み合わせとすると好適である。

また、この補強材は、超硬材料あるいはＨＩＳ材であればより効果的である。

またさらにこの発明は、上述の補強材を使用した主軸と、この主軸に装着する工具として、外周面の軸方向に本体材料と共振点の異なる金属補強材により補強した工具と、を具備して構成したことを特徴とする工作機械とした。

次にこの発明は、ラムに替えて、クイルとして水平主軸を構成し、前述の補強材を使用した主軸とした。

さらに次に、この発明は、前述のクイルを有する主軸と、この主軸に装着する工具として、外周面の軸方向に本体材料と共振点の異なる金属補強材により補強した工具と、を具備して構成したことを特徴とする工作機械とした。

この発明によれば、主軸を構成する回転軸、ラムおよびアタッチメントが本体材料と共振点の異なる金属補強材で補強されているため加工中の歪、ビビリ現象は少なくなりワークの加工精度が向上する。

この発明が適用される一例である門型工作機械の概略図である。 この発明が適用される門型工作機械の主軸の概略説明図で、図２（イ）は拡大した正面図を示し、また図２（ロ）は、図２（イ）の断面Ａ−Ａ図をしめす。さらに、図２（ハ）は、図２（イ）の断面Ｂ−Ｂ図である。 この発明が適用される他の工作機械の主軸概略図で、回転軸、ラムおよびアタッチメント内部に超硬材料等の心棒を圧入した例を示し、図３（イ）は、ラムを示し、図３（ロ）は、スナウトの横断面を示す。 この発明が適用される更に他の工作機械主軸の概略図で、回転軸部、ラムおよびアタッチメントに超硬材料等のスリーブを嵌合させた例を示す説明図で、図４（イ）は、主軸の縦断面図、図４（ロ）は、図４（イ）の断面Ｃ−Ｃ図、図４（ハ）は、図４（イ）の断面Ｄ−Ｄ図である。 この発明が適用される他のアタッチメントの概略図で、（イ）はプルスタッド型アタッチメント、（ロ）および（ハ）はストレート型アタッチメント、（ニ）および（ホ）は、アングル型アタッチメントの説明図である。 従来の超硬材料等の筋金で補強した工具を示す説明図である。

次に本発明の実施形態の例を図１ないし図３により説明する。この説明では、工作機械として、門型の工作機械を例を採り、説明する。
図１において符号１０は、門型の工作機械であって、工場などの工作機械の設置場所の床面に設置される。この門型工作機械１０には、П（パイ）型の、つまり門型形状をしたフレーム１００の左右に立設されたコラム１１の間を、ワーク１２を搭載して左右のコラム１１の直角方向に、Ｘ軸として移動するテーブル１２の載置されたベッド１３が設けられている。フレーム１００の一部である左右のコラム１１には、クロスレール１４が渡され、このクロスレール１４は、コラム１１の側面を左右の案内１５に沿って、所定距離だけ、Ｗ軸として上下に、図示していないサーボモータにより、移動可能となっており、ワークの高さを考慮して工具位置を調節するよう、適切な加工が可能となっている。さらに、このクロスレール１４には、主軸頭１９が設置され、この主軸頭１９には、アタッチメントであるスナウト１６を介して工具１７を取り付けた主軸１８を有する構成となっている。この主軸１８は、図示していないサーボモータにより、Ｚ軸として上下に移動する。また、主軸頭１９は、その全体がクロスレール１４に沿って、図の左右に、つまり門幅方向にＹ軸として移動可能に位置決めされる構成となっている。

続いて、図２により、主軸頭１９に構成されている主軸１８について詳しく説明する。主軸１８は、ラム２０と回転軸２１を有し、機械本体から離れた部分でのワークを加工するときは、ラム２０に主軸アタッチメントとしてのスナウト１６を取り付け、その先端に工具１７を取り付けるようにしている。ラム２０およびスナウト１６には、それぞれ周方向に、３個の等間隔で軸方向に溝２１、２２が設けられる。そして、この溝２１、２２内部には、本体材料と共振点の異なる超合金等の金属の補強材２３、２４が溝全長に亘って収納されている。このとき溝２１、２２内に収納された金属補強材２３、２４はロー付けまたは溶射等の固着方法により固定し、主軸１８の回転あるいは移動に支障のないよう本体外周面と一致するように研磨しておくと良い。
そしてそれぞれ周方向に添設された３個の等間隔の金属補強材２３、２４は、勿論これに限ることでなく、主軸やアタッチメントの長さ、径に合った個数等、適宜、その都度選択することが出来る。

次に図３により本発明の他の実施形態例を説明する。この実施形態例では、ラム２５と主軸アタッチメントとしてのスナウト２６の内部に金属補強材２７、２８を心棒として圧入した実施形態のもので、前述の金属補強材を回転軸やラムの外側面に設けた場合と比べて金属補強材が外側面から突出する心配がないということが期待できる。これも前述のように主軸屋アタッチメントの長さや、径に合った個数等を都度適宜選択することが出来ることは勿論のことである。

更に図４により本発明のさらに別の実施形態例を説明する。この実施形態例では、ラム２９やアタッチメントとしてのスナウト３０の外側面にそれぞれ金属補強材のスリーブ３１、３２を焼き嵌め等により嵌合させたものである。スリーブタイプは、かなり集めの５−１０ｍｍ程度の肉厚のものにしても良い。
その他このようなスリーブに替えて回転軸やラムの外側面に金属補強材をコーティングすることも可能である。
また、コーティングには、既に知られているプラズマなどを使用した溶射の方法などのほか、ＰＶＤ法や小型のものならばＣＶＤ法などによる形成などでも良く、耐摩耗性なども剛性と共に期待できる。

またアングルタイプのアタッチメントは、各種あるが、図５により代表的ないくつかを説明すると、同図の（イ）は、プルスタッド５１，５２により主軸に敷設されるタイプのプルスタッド型アタッチメントでの実施形態を例示したものである。 また、同図の（ロ）および（ハ）は、ストレート型アタッチメントの実施形態例を例示したものである。さらに、図５（ニ）および（ホ）は、アングル型アタッチメントでの形態を例示した図である。（イ）ないし（ホ）のいずれのアタッチメント内には、溝３３乃至３７を有しており、これらの溝内には、金属補強材３８乃至金属補強材４３が、ストレートあるいはアングルなどの形状で、はめ込まれている。 無論溝補強剤の形状は、これらの形状に限らず、ジクザク、波などを含め、様々な形状でかまわない。

上述の説明では、門型工作機械を例として説明したが、他のタイプの工作機械、すなわち横中ぐり盤のように構成された水平方向の主軸構造をした水平主軸の工作機械でも同様に構成できる。このような水平主軸の場合、ラムに替えて、クイルを上述のように補強構成しても良い。さらにこのように構成された水平主軸に、上述のように剛性強化された各種のアタッチメントを付加するよう構成する工作機械としても良いことは勿論のことであり、そのようにアタッチを付加して構成した水平軸を有する工作機械とすることもできる。

また、上述の実施形態例に限らず、主軸を構成する回転軸、ラムもしくはクイル、およびアタッチメントのうちいずれか一つ、あるいはこれらのうちの二つ、またはそれぞれを補強するよう構成した工作機械の主軸としても良い。
また、前述の既に開示された補強された工具を用いて、さらにこの主軸にその工具を装着した工作機械として構成することもかのうである。このように構成された工作機械は、工具、回転軸、ラム（または水平軸にあってはクイル）、アタッチメントをふくめ全体としてそれぞれを補強したので、あるいは、前述のようにそれらのいずれか、またはそれらの組み合わせにより、補強することにより、剛性の高い、強い工作機械の実現を期待できる。

さらにまた、この実施形態では、補強財としては、金属の補強材を用いて説明したが、エンジニアリングプラスチックのような高分子ポリマーでもよく、また熱可塑性や熱硬化性の高分子ポリマーによる補強材でも良い。
さらにシリコンやＳｉＣのような剛性を持つ半導体あるいはサファイヤのような絶縁体の特性をもつコーティングによる補強材であってもよい。これらは、望ましくは、自然界の物から構成してもよいが、人工合成できる材料を使用して構成すると、望みの形状を得る場合等、取扱い易いように考えられる。

このように本願発明は、上述した構成となっているので、この発明によれば、当初に揚げた課題の実現や欠点の解消が期待できる。

１０ 門型工作機械
１１ コラム
１２ ワーク
１３ ベッド
１４ クロスレール
１５ 案内
１６、２６、３０ スナウト
１７ 工具
１８ 主軸
１９ 主軸頭
２０、２５、２９ ラム
２１、２２、３３〜３７ 溝
２３、２４、３８〜４２ 金属補強材
２７、２８ 金属補強材心棒
３１、３２ スリーブ
１００ フレーム

Claims (9)

1. 工作機械の主軸頭に設けられた回転軸、この回転軸に嵌合するラム、およびこのラムに取り付けられたアタッチメントを有する主軸において、
   前記回転軸、前記ラム、および前記アタッチメントは、それらのいづれか一つ、それらのいずれか二つ、またはそれらのそれぞれに、外周面に本体材料と共振点の異なる補強材を添設したことを特徴とする工作機械の主軸。
2. 工作機械の主軸頭に設けられた回転軸、この回転軸に嵌合するラム、およびこのラムに取り付けられたアタッチメントを有する主軸において、
   前記回転軸、前記ラム、および前記アタッチメントは、それらのいづれか一つ、それらのいずれか二つ、またはそれらのそれぞれに、内部に共振点の異なる補強材の心棒を使用して構成したことを特徴とする工作機械の主軸。
3. 工作機械の主軸頭に設けられた回転軸、この回転軸に嵌合するラム、およびこのラムに取り付けられたアタッチメントを有する主軸において、
   前記回転軸、前記ラム、および前記アタッチメントは、それらのいづれか一つ、それらのいずれか二つ、またはそれらのそれぞれの外周面に共振点の異なる補強材のスリーブを嵌合させて構成したことを特徴とする工作機械の主軸。
4. 工作機械の主軸頭に設けられた回転軸、この回転軸に嵌合するラム、およびこのラムに取り付けられたアタッチメントを有する主軸において、
   前記回転軸、前記ラム、および前記アタッチメントは、それらのいづれか一つ、それらのいずれか二つ、またはそれらのそれぞれの外周面に共振点の異なる補強材によるコーティングをし構成したことを特徴とする工作機械の主軸。
5. 前記補強材は、高分子ポリマー、絶縁体、半導体、金属のうち、それらのいずれか一つまたは、それらの組み合わせ、であることを特徴とする請求項１ないし請求項４記載の工作機械の主軸。
6. 前記補強材は、超硬材料またはＨＩＳ材を使用したことを特徴とする請求項１ないし請求項４に記載の工作機械の主軸。
7. 請求項１ないし請求項６の内の何れか１項記載の主軸と、
   この主軸に装着する工具として、外周面の軸方向に本体材料と共振点の異なる金属補強材により補強した工具と、
   を具備して構成したことを特徴とする工作機械。
8. 前記ラムに替えて、クイルとして水平主軸としたことを特徴とする請求項１乃至請求項６のうち、何れか一項に記載の主軸。
9. 請求項８の主軸と、
   この主軸に装着する工具として、外周面の軸方向に本体材料と共振点の異なる金属補強材により補強した工具と、
   を具備して構成したことを特徴とする工作機械。

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