JP2013176823A

JP2013176823A - 工作機械用主軸装置

Info

Publication number: JP2013176823A
Application number: JP2012042815A
Authority: JP
Inventors: Takanori Sawano; 貴紀澤野
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2013-09-09

Abstract

【課題】従来の鉄系材料のみを用いた工作機械用主軸に対して、同等以上の耐久性を備え、大幅に軽量化され、振動減衰特性を向上させた信頼性の高い工作機械用主軸を提供する。
【解決手段】工作機械用主軸の回転軸を、鋼製の外殻と炭素繊維強化樹脂の内径部により構成する。炭素繊維強化樹脂の内径部は、炭素繊維強化樹脂製のパイプを鋼製外殻の内径に圧入、接着するか、中空ゴムの外径にプリプレグを巻きつけた積層体を鋼製外殻の内径に挿入し、圧着、硬化させて接着することにより形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械用主軸装置に関し、特に金属材料、樹脂材料、等を切削加工又は研削加工する工作機械の高速回転主軸装置に関するものである。

工作機械に使用される主軸装置の回転軸は、高速回転を行いながら、スラスト方向、ラジアル方向に加工荷重を受けるため、加工精度を維持する為には剛性を高める必要がある。また、高速回転時の遠心力に対する変形抑制特性等を維持することが必要である。回転軸の材質としては、主に焼入れ処理を施した鋼が使用される。

しかしながら、回転軸の形状により重量や、固有振動数が決定される為、回転軸の特性を変化させることが出来ない。

これに対して、特許文献１には、回転軸の材料に炭素繊維強化樹脂を使用することで軽量化及び線膨張係数の低減を行う発明が開示されている。また、特許文献２には、回転軸の軽量化の為に回転軸の外径部を炭素繊維強化樹脂とする発明が開示されている。

しかしながら、特許文献１、特許文献２の発明では、回転軸の外径面が炭素繊維強化プラスチックである為、回転軸を支持する軸受等を従来の鋼製回転軸と同様に使用することが出来ないという課題がある。

特開平２−１６７６０２号公報特開平７-０５１９０３号公報

近年、工作機械は更なる加工時間の短縮や加工精度の向上が求められている。しかしながら鉄系材料を使用している限り、従来以上の強度を維持しながら回転か減速時間の短縮や振動吸収特性の向上を図ることは困難である。また、炭素繊維強化プラスチック製の主軸回転軸は、従来の鋼製回転軸へそのまま置き換えることは困難である。
本発明はこの様な状況を鑑みて成されたものであり、工作機械用主軸を従来の鉄系材料並みの強度・剛性を維持しながら大幅な軽量化と振動吸収特性を向上させた工作機械用主軸を提供することを目的とする。

上記問題を解決するために、請求項１に記載の発明は、工作機械用主軸について、回転軸が鋼に代表される金属製の外殻の内径に炭素繊維強化樹脂を嵌入後、硬化、接着させて形成されることを特徴としている。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の工作機械用主軸について、前記主軸の回転軸の内径に嵌入される炭素繊維強化樹脂は、一方向或いは織物プリプレグ、又は炭素繊維織物及び含浸樹脂の少なくとも一つから成る積層体からなる炭素繊維強化プラスチックであることを特徴としている。
また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の工作機械用主軸について、前記回転軸を構成する金属製外殻は、ＨＲＣ２０以上の硬度を有することを特徴としている。
また、請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の工作機械用主軸について、前記回転軸を構成する炭素繊維強化樹脂に用いられる炭素繊維は、引張り強度３〜８．５ＧＰａ、引張り弾性率２２０〜７００ＧＰａ、伸度１．０〜２．２％であることを特徴としている。
また、請求項５に記載の発明は、請求項２に記載の工作機械用主軸について、前記回転軸を鋼製する炭素繊維強化樹脂に用いられる樹脂は、エポキシ樹脂やフェノール樹脂、熱硬化性ポリイミド樹脂に代表される熱硬化性樹脂、或いは、ポリアミド樹脂やポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン、熱可塑性ポリイミドに代表される熱可塑性樹脂のうち少なくとも１つであることを特徴としている。

本発明は以上のような構成を有しており、回転軸の軽量化により、慣性モーメントが減少し、回転軸の加減速時間の短縮と、加減速に要するエネルギーの削減が可能である。また、回転軸の外周は従来と同様の材質であり、回転軸と接触する部品は従来と同様のものが使用可能である。

本発明による実施例を示す図である。本発明第一の実施例による工作機械用主軸の振動減衰特性を示す図である。本発明第二の実施例による工作機械用主軸の振動減衰特性を示す図である。従来の工作機械用主軸の振動減衰特性を示す図である。

図１に、本発明による実施例を示す。工作機械用主軸１０はハウジング１と、回転軸２と、回転軸２をハウジング１に対して回転自在に支持するための軸受３と、ハウジング１に対して回転軸２を回転駆動させるモータ４と、回転軸２と図示しない工具とを接続する工具ホルダ５からなる。
回転軸２は、予め所定の形状に加工した鋼製の外殻２ａの内径に筒状の炭素繊維強化樹脂の積層体２ｂを形成して得た。回転軸２の内径側に、工具ホルダ４を作動させる為のコレット、ドローバー、ばね等からなる内部部品６が組み込まれる。

上記実施例について、回転軸外殻２ａの内径側炭素繊維強化樹脂２ｂの形成方法は、外殻２ａの内径に予め硬化させた炭素繊維強化樹脂製のパイプを嵌入し、接着する方法（実施例１）又は中空ゴム製の芯材にプリプレグを巻きつけた積層体を外殻２ａの内径に挿入した後、この状態で、１３０℃で２時間保ち、積層体を硬化させて外殻の内径に接着固定する方法（実施例２）の何れかを用いるのが好ましい。

上記２つの実施例と、従来の全鋼製回転軸を有する工作機械用主軸について、重量と耐久性の比較を行った結果を以下に示す。
表１に、比較例の重量、耐久性を１００とした時の、実施例１、実施例２の重量、耐久性を比較結果を示す。
表１に示すように、回転軸の内径を炭素繊維強化樹脂で形成した工作機械用主軸は、従来製の主軸に対して軽量化が可能であり、且つ、従来製主軸と同等の耐久性を有する。
また、図２〜図４に示すように、本発明による工作機械用主軸は従来の工作機械用主軸に対して優れた振動減衰特性を有する。

（表１）第一の実施例、第二の実施例、による工作機械用主軸と従来の工作機械主軸との比較結果を示す表である。
（表１）

工作機械用主軸として利用できる。

１ハウジング
２回転軸
２ａ
外殻
２ｂ
炭素繊維強化樹脂の積層体
３軸受
４モータ
５工具ホルダ
６内部部品
１０工作機械用主軸

Claims

工作機械用主軸について、回転軸が鋼に代表される金属製の外殻の内径に炭素繊維強化樹脂を嵌入後、硬化、接着させて形成されることを特徴とする工作機械用主軸。
請求項１に記載の工作機械用主軸について、前記主軸の回転軸の内径に嵌入される炭素繊維強化樹脂は、一方向或いは織物プリプレグ、又は炭素繊維織物及び含浸樹脂の少なくとも一つから成る積層体からなる炭素繊維強化プラスチックであることを特徴とする工作機械用主軸。
請求項２に記載の工作機械用主軸について、前記回転軸を構成する金属製外殻は、ＨＲＣ２０以上の硬度を有することを特徴とする工作機械用主軸。
請求項２に記載の工作機械用主軸について、前記回転軸を構成する炭素繊維強化樹脂に用いられる炭素繊維は、引張り強度３〜８．５ＧＰａ、引張り弾性率２２０〜７００ＧＰａ、伸度１．０〜２．２％であることを特徴とする工作機械用主軸。
請求項２に記載の工作機械用主軸について、前記回転軸を鋼製する炭素繊維強化樹脂に用いられる樹脂は、エポキシ樹脂やフェノール樹脂、熱硬化性ポリイミドに代表される熱硬化性樹脂、或いは、ポリアミド樹脂やポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン、熱可塑性ポリイミドに代表される熱可塑性樹脂のうち少なくとも１つであることを特徴とする工作機械用主軸。