JP2014000636A - 主軸装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易で小型な構成でびびり振動の発散の抑制効果を十分に得ることができる主軸装置を提供する。
【解決手段】主軸装置１は、回転工具Ｔを保持して回転駆動される主軸１２と、主軸１２を回転可能に軸承し、主軸１２の軸方向に移動可能な移動軸受２と、主軸１２を移動軸受２よりも高い支持剛性で回転可能に軸承し、所定の軸方向位置に位置決め固定された固定軸受１３１，１３２と、を備える。そして、移動軸受１２を往復移動させることにより主軸１２の回転時に発生する振動の発散を抑制する。
【選択図】図２

Description

本発明は、工作機械に使用される主軸装置に関する。

例えば、特許文献１には、主軸の前側（工具側）に配置された前側転がり軸受と前側ハウジングとの間に中間ハウジングを介装し、減衰性を付加した静圧軸受で中間ハウジングを支承して加工中の主軸のびびり振動を抑制する主軸装置が開示されている。また、特許文献２には、主軸の前側（工具側）に配置された玉軸受に対し空気静圧軸受を併設して加工中の主軸のびびり振動を抑制する主軸装置が開示されている。また、特許文献３には、主軸の前側（工具側）に複数のラジアル磁気軸受および複数のラジアル変位センサを設け、ラジアル変位センサで検出した径方向の変位に基づいてラジアル磁気軸受の電磁石を制御し、主軸の共振を抑制する主軸装置が開示されている。

特開平６−８００５号公報 特開２００４−１０６０９１号公報 特開２００８−２２９８０６号公報

特許文献１および特許文献２に記載の主軸装置では、１つの静圧軸受のみにより主軸のびびり振動に対応する構成となっているため、工具の種類等により周波数が変化する主軸のびびり振動の抑制効果を十分に得ることができない場合がある。そして、主軸のびびり振動を放置しておくと、当該振動が発散して主軸装置が故障するおそれがある。一方、特許文献３に記載の主軸装置では、複数のラジアル磁気軸受および複数のラジアル変位センサを備えているため上述の主軸のびびり振動を抑制することは可能であるが、構成が複雑で大型となる傾向にある。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、簡易で小型な構成で主軸のびびり振動の発散を抑制することができる主軸装置を提供することである。

（請求項１）本発明の主軸装置は、回転工具を保持して回転駆動される主軸と、前記主軸を回転可能に軸承し、前記主軸の軸方向に往復移動可能な移動軸受と、前記主軸を前記移動軸受よりも高い支持剛性で回転可能に軸承し、所定の軸方向位置に位置決め固定された固定軸受と、を備え、前記移動軸受を往復移動させることにより前記主軸の回転時に発生する振動の発散を抑制する。

（請求項２）前記主軸装置は、前記主軸に発生する振動を検出する振動検出装置と、前記振動検出装置で前記主軸の振動を検出したとき前記移動軸受を往復移動させる制御装置と、を備えるようにしてもよい。

（請求項３）前記移動軸受は、流体の圧力により移動可能な複数の流体軸受でなるようにしてもよい。

（請求項４）前記移動軸受は、軸方向の押圧力により移動可能な転がり軸受でなるようにしてもよい。

（請求項５）前記移動軸受は、前記固定軸受の軸方向位置よりも前記回転工具側に配置されているようにしてもよい。

（請求項１）これにより、簡易で小型な構成で主軸の共振周波数を周期的に変化させることができるので、主軸のびびり振動が発散しかけても当該発散を抑制することができ、高精度な加工が可能となる。

（請求項２）これにより、実際の加工時における主軸のびびり振動の発散の抑制に対応することが可能となり、より高精度な加工が可能となる。

（請求項３）これにより、主軸の支持位置を流体を圧力調整することにより直接的に変化させることができるので、主軸のびびり振動の発散を短時間で抑制することが可能となる。

（請求項４）これにより、主軸のびびり振動を抑制する支持位置を高い支持剛性で支持可能となるので、当該びびり振動の発散の抑制効果を高めることができる。

（請求項５）これにより、回転工具付近で発生する主軸のびびり振動の発散を効果的に抑制することができる。

本発明の実施の形態：主軸装置の全体構造を示す縦断面図である。 主軸装置の流体軸受の詳細を示す縦断面図である。 主軸の周波数とコンプライアンスとの関係を示す動剛性波形図である。 主軸回転速度と回転工具の軸方向切込量との関係を示す安定限界線図である。 主軸のびびり振動が発散する状態を示す振動振幅波形図である。 主軸のびびり振動が抑制される状態を示す振動振幅波形図である。 流体軸受の代わりに用いられる転がり軸受の詳細を示す縦断面図である。 流体軸受の代わりに用いられる別の転がり軸受の詳細を示す縦断面図である。

（１．主軸装置の機械構成）
本実施形態による主軸装置の一例として、マシニングセンタ等の工作機械に備えられた主軸装置を例に挙げ、図１を参照して説明する。つまり、主軸装置１は、内周部に収容空間１１０を有する略円筒状の主軸ハウジング１１と、収容空間１１０内に配設された主軸１２と、この主軸１２の前側部を軸承する二対の第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２（本発明の「固定軸受」に相当する）及び主軸１２の後側部を軸承する後側転がり軸受１３３と、主軸１２における第１前側転がり軸受１３１よりも前側部を軸承する流体軸受２（本発明の「移動軸受」に相当する）とを備えている。さらに、流体軸受２に油圧を付与する油圧付与装置３と、油圧付与装置３により流体軸受２に付与される油圧（油量）を制御する制御装置４とを備えている。

主軸１２の回転軸中心には、軸線方向に延びるロッド孔１２１が形成されている。ロッド孔１２１は、主軸１２を軸線方向に貫通しており、前端には工具取付用テーパ部１２１ａが形成されている。工具取付用テーパ部１２１ａの後方には、コレット収容部１２１ｂが形成され、コレット収容部１２１ｂの後方には、コレット収容部１２１ｂよりも大径のばね収容孔１２１ｃが形成されている。ばね収容孔１２１ｃの前端部には、スリーブ１２２が固定されている。ロッド孔１２１内には、ロッド１５が軸線方向に移動可能に収容されている。ロッド１５を構成する長尺状の軸部材１５１の後端部には、軸部材１５１よりも大径のストッパ１５２が固着されている。さらに、ロッド１５の前端には、コレット１５３が装着されている。コレット１５３は、半径方向に拡縮可能に設けられており、回転工具Ｔを把持可能に形成されている。

ロッド孔１２１内にロッド１５が収容された状態で、軸部材１５１の前端部はスリーブ１２２の内周面と摺動可能であり、ストッパ１５２はばね収容孔１２１ｃと摺動可能である。また、ばね収容孔１２１ｃ内におけるスリーブ１２２の後端部とストッパ１５２の前端面との間には、複数の皿ばね１６が介装されており、ロッド１５は主軸１２に対して後方に常時付勢されている。主軸１２の後方には、主軸ハウジング１１と一体化されたシリンダハウジング１７１と、シリンダハウジング１７１内に軸方向に移動可能に設けられたピストン１７２とを有する油圧シリンダ１７が設けられている。ピストン１７２が後方に移動してピストン１７２とロッド１５との係合が解除されると、回転工具Ｔをコレット１５３で把持したロッド１５は皿ばね１６の付勢力により主軸１２に対し後退する。そして、回転工具Ｔは主軸１２の工具取付用テーパ部１２１ａに嵌着されて主軸１２に固定される。ピストン１７２が前方に移動してピストン１７２とロッド１５とが係合されると、回転工具Ｔを把持したロッド１５は皿ばね１６の付勢力に抗して主軸１２に対し前進する。そして、コレット１５３は拡径して回転工具Ｔの把持を解除する。

第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２は、アンギュラーコンタクト軸受であり、前側主軸ハウジング１１ａ（１１）の収容空間１１０内の前方側にて軸線方向に並設され、主軸１２の回転工具Ｔ側である前側部の所定の軸方向位置に位置決め固定されている。第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２は、回転工具Ｔによるラジアル方向およびアキシャル方向の加工負荷を受けるため、並びに最高回転時の主軸１２の負荷を受けるため、流体軸受２よりも高い支持剛性で主軸１２の前側部を軸承する。後側転がり軸受１３３は、円筒ころ軸受であり、収容空間１１０内の後方側に配設され、回転工具Ｔに対して主軸１２の前側部より後側の後側部の所定の軸方向位置に位置決め固定されて主軸１２の後側部を軸承する。

一対の第１前側転がり軸受１３１の内輪間、一対の第２前側転がり軸受１３２の内輪間、及び第１前側転がり軸受１３１と第２前側転がり軸受１３２の内輪間には、円筒状のスペーサ１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃが配設されている。第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２並びにスペーサ１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃの内周部には、主軸１２の外周面が嵌合されている。そして、最前方に位置する第１前側転がり軸受１３１の内輪は、主軸１２の前方端に形成されたフランジ部１２ａに当接され、最後方に位置する第２前側転がり軸受１３２の内輪には、主軸１２の外周面に螺合される円筒状の内輪押え１１３が当接されている。これにより、第１及び第２前側転がり軸受１３１，１３２並びにスペーサ１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃは主軸１２の外周面に固定される。

流体軸受２は、静圧軸受であり、前側主軸ハウジング１１ａ（１１）より更に前側（工具Ｔ側）に配置されている軸受押え２０の内周に嵌合されている。つまり、流体軸受２は、第１前側転がり軸受１３１の軸方向位置よりも回転工具Ｔ側に配置され、主軸１２の前側部を軸承する。これにより、詳細は後述するが、回転工具Ｔ付近で発生する主軸１２のびびり振動を効果的に抑制することができる。流体軸受２の内周面には、周方向に延びる矩形状の第１静圧溝２１が周方向に所定間隔で複数凹設されているとともに、第１静圧溝２１に対し軸方向に所定距離ｄ（図２参照）離間した位置で第１静圧溝２１と同一形状、同一個数および同一所定間隔で第２静圧溝２２が複数凹設されている。第１、第２静圧溝２１，２２には、軸受押え２０の外周面から穿設された油路３１，３２がそれぞれ連通されている。油路３１，３２には、油圧付与装置３と接続された管路３３が接続されている。

流体軸受２は、第１、第２静圧溝２１，２２に流入する油圧を制御することにより、主軸１２の支持位置を軸方向に往復移動可能に構成されている。例えば、図２に示すように、第２静圧溝２２には油圧を流入せず、第１静圧溝２１のみに油圧を流入することにより、主軸１２の支持位置を第１静圧溝２１の軸方向位置Ｐ１に設定することができる。そして、第２静圧溝２２に油圧を徐徐に流入し、第１静圧溝２１から油圧を徐徐に流出させることにより、主軸１２の支持位置を第１静圧溝２１の軸方向位置Ｐ１から第２静圧溝２２の軸方向位置Ｐ２に徐徐に移動させることができる。そして、第１静圧溝２１には油圧を流入せず、第２静圧溝２２のみに油圧を流入することにより、主軸１２の支持位置を第２静圧溝２２の軸方向位置Ｐ２に設定することができる。このように、流体軸受２は、主軸１２の支持位置を第１静圧溝２１の軸方向位置Ｐ１と第２静圧溝２２の軸方向位置Ｐ２との間で往復移動させることができる。この流体軸受２の作用効果については後述する。

油圧付与装置３は、油圧ポンプ３４と、減圧弁３５と、リリーフ弁３６とから構成されており、制御装置４による制御により、主軸１２の回転速度に応じた油圧を流体軸受２の第１、第２静圧溝２１，２２に供給するようになっている。即ち、油圧ポンプ３４からの最高油圧がリリーフ弁３６により制御され、最高油圧までの範囲内において任意の油圧が減圧弁３５により制御され、管路３３及び油路３１，３２を通して第１、第２静圧溝２１，２２にそれぞれ供給される。

後側主軸ハウジング１１ｂ（１１）の内周面には、電動モータ１４のステータ１４１が取り付けられている。ステータ１４１の半径方向内方には、主軸１２の外周面に形成されたロータ１４２が対向している。ステータ１４１とロータ１４２とにより形成された電動モータ１４に電力が供給されることによって、主軸１２はロータ１４２とともに回転する。主軸装置１は、先端に回転工具Ｔを取り付けた状態で主軸１２を回転させ、図示しない被削材に加工を施す。主軸１２の回転速度は、主軸１２の後方に配設されている非接触型の速度センサ１２３により検出される。

（２．主軸装置における流体軸受の作用効果）
上述したように、流体軸受２は、主軸１２の支持位置を第１静圧溝２１の軸方向位置Ｐ１と第２静圧溝２２の軸方向位置Ｐ２との間で往復移動させることができる。例えば、図２に示す軸方向位置Ｐ１にて主軸１２を支持したとき、主軸１２の動剛性波形は図３の二点鎖線で示すＦ１のように変化したとする。そして、流体軸受２を制御して図２に示す軸方向位置Ｐ２にて主軸１２を支持したとき、主軸１２の動剛性波形は図３の実線で示すＦ２のように、Ｆ１よりも図示左方へシフトする。すなわち、共振点（コンプライアンスの極大値）の周波数にずれが生じる。

一般的に、主軸１２の回転速度と工作物に対する回転工具Ｔの軸方向の切込量との関係を示す安定限界線図の切込量の極大値は、動剛性波形のコンプライアンスの極大値と対応している。よって、図２に示す軸方向位置Ｐ１にて主軸１２を支持したとき、安定限界線図は図４の二点鎖線で示すＧ１のように変化したとする。そして、流体軸受２を制御して図２に示す軸方向位置Ｐ２にて主軸１２を支持したとき、安定限界線図は図４の実線で示すＧ２のように、Ｇ１よりも図示左方へシフトする。

例えば、図４において主軸１２の回転速度をＶ、工作物に対する回転工具Ｔの軸方向の切込量をＣに設定したときの点Ｑは、ＧａおよびＧｂよりも上方に位置している。すなわち、図５に示すように、点Ｑの条件では主軸１２のびびり振動が発生して発散し、不安定な加工となる。しかし、流体軸受２に供給する油圧を制御して主軸１２の支持位置を図２に示す軸方向位置Ｐ１と軸方向位置Ｐ２との間で往復移動させると、点ＱはＧａおよびＧｂよりも下方に位置するときがあり、図６に示すように、点Ｑの条件で主軸１２のびびり振動の発散を抑制することができ、安定した加工が可能となる。このように、簡易で小型な構成で主軸１２の支持位置を油圧調整することにより直接的に変化させ、主軸１２の共振周波数をずらすことが可能となる。よって、回転工具の種類等により周波数が変化する主軸のびびり振動の発散を短時間で抑制することが可能となり、高精度な加工が可能となる。また、ハンマリングテストによる動剛性解析を行う必要がないため、手間が掛からなくなる。なお、点Ｑの条件では、Ｇａの安定加工領域とＧａおよびＧｂの不安定加工領域とＧｂの安定加工領域との間を往復移動させる場合であり、振動の発散の抑制効果を最も得ることができるが、ＧａおよびＧｂの不安定加工領域で往復移動させる場合も振動の発散の抑制効果を得ることができる。

流体軸受２の第１、第２静圧溝２１，２２に油圧を供給して主軸１２の支持位置を軸方向に移動させる制御は、制御装置４において行われる。その制御方法としては、回転工具Ｔの種類毎、および工作物の形状や材質等毎に、主軸１２のびびり振動の抑制が可能な第１、第２静圧溝２１，２２に供給する油圧を予め測定してテーブルデータ化しておく。そして、実際の加工時にテーブルデータを参照して第１、第２静圧溝２１，２２に供給する油圧を制御することにより、安定した加工を行うようにする。

また、例えば、軸受押え２０の外周面に振動検出センサ２３（本発明の「振動検出センサ」に相当する）を取り付けておく（図１参照）。そして、実際の加工時に振動検出センサ２３から振動検出信号を入力して第１、第２静圧溝２１，２２に供給する油圧を制御することにより、安定した加工を行うようにする。これにより、実際の加工時における主軸１２のびびり振動の発散の抑制に対応することが可能となり、より高精度な加工が可能となる。なお、第１、第２静圧溝２１，２２と同様の静圧溝を複数設けた構成としてもよい。また、流体軸受２として、静圧軸受以外に、動圧軸受や空気軸受等も適用可能である。

（３．主軸装置における流体軸受の変形態様）
上述の実施形態では、主軸１２の支持位置を移動させる軸受として流体軸受２を使用したが、流体軸受２の代わりに一対の転がり軸受も使用可能である。図７に示すように、第１及び第２転がり軸受５１，５２（本発明の「転がり軸受」に相当する）は、アンギュラーコンタクト軸受であり、主軸１２の軸線方向に所定間隔をあけて配置されている。第１転がり軸受５１と第２転がり軸受５２の内輪間には、円筒状のスペーサ５３が配設されている。第１及び第２転がり軸受５１，５２並びにスペーサ５３の内周部には、主軸１２の外周面が嵌合されている。そして、第１転がり軸受５１の内輪の前側は、主軸１２の前方端に嵌合されたリング５４に当接され、第２転がり軸受５２の内輪の後側は、主軸１２の外周面に形成された段差１２ｂに当接されている。これにより、第１及び第２転がり軸受５１，５２並びにスペーサ５３は、主軸１２の外周面に固定される。

第１転がり軸受５１と第２転がり軸受５２の外輪間には、円筒状のピストン５５が配設されている。ピストン５５は、軸受押え２０の内周面において主軸１２の軸方向に移動可能に配設されている。そして、ピストン５５の軸方向の両側面には、油路３１，３２がそれぞれ連通されている。第１転がり軸受５１の外輪の前側は、軸受押え２０の前方端に嵌合されたリング５６に当接され、第２転がり軸受５２の外輪の後側は、軸受押え２０の内周面に形成された段差２０ａに当接されている。これにより、ピストン５５が前方側に押圧されると第１転がり軸受５１の外輪を押圧するので、第１転がり軸受５１に対し予圧の付与が可能となり、ピストン５５が後方側に押圧されると第２転がり軸受５２の外輪を押圧するので、第２転がり軸受５２に対し予圧の付与が可能となる。この予圧付与を制御することにより、主軸１２の支持位置を軸方向に移動させることができる。これにより、主軸１２のびびり振動の発散を抑制する支持位置を高い支持剛性で支持可能となるので、当該びびり振動の発散の抑制効果を高めることができる。

また、図８に示すように、第１転がり軸受５１の専用のピストン５５ａおよび第２転がり軸受５２の専用のピストン５５ｂを設けた構成としてもよい。これにより、第１転がり軸受５１および第２転がり軸受５２に対しそれぞれ予圧の付与が可能となるので、主軸１２の支持位置の軸方向の移動を高精度に行うことができる。

１…主軸装置、２…流体軸受、３…油圧付与装置、４…制御装置、１２…主軸、２１…第１静圧溝、２２…第２静圧溝、５１，５２…転がり軸受、１３１…第１前側転がり軸受、１３２…第２前側転がり軸受。

Claims (5)

1. 回転工具を保持して回転駆動される主軸と、
   前記主軸を回転可能に軸承し、前記主軸の軸方向に往復移動可能な移動軸受と、
   前記主軸を前記移動軸受よりも高い支持剛性で回転可能に軸承し、所定の軸方向位置に位置決め固定された固定軸受と、を備え、
   前記移動軸受を往復移動させることにより前記主軸の回転時に発生する振動の発散を抑制する主軸装置。
2. 前記主軸装置は、前記主軸に発生する振動を検出する振動検出装置と、前記振動検出装置で前記主軸の振動を検出したとき前記移動軸受を往復移動させる制御装置と、を備える請求項１の主軸装置。
3. 前記移動軸受は、流体の圧力により移動可能な複数の流体軸受でなる請求項１又は２の主軸装置。
4. 前記移動軸受は、軸方向の押圧力により移動可能な転がり軸受でなる請求項１又は２の主軸装置。
5. 前記移動軸受は、前記固定軸受の軸方向位置よりも前記回転工具側に配置されている請求項１〜４の何れか一項の主軸装置。

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