JP2020199594A - 工作機械の主軸装置 - Google Patents

Abstract

【課題】主軸シャフトの軸孔を小径に加工する必要なく、簡単な構造で軸孔内に引き込む方向に付勢できる工作機械の主軸装置を提供すること。【解決手段】軸孔３１を有する主軸シャフト３と、主軸シャフトの軸孔内に進退移動可能に設けられ、工具１００を主軸シャフトの先端に固定するドローバ４であって、軸孔の先端側を密封すると共に工具を把持するクランプ部４１と、軸孔の基端側を密封する基端封止部４２と、クランプ部及び基端封止部よりも小径に形成されてクランプ部と基端封止部とを連結する軸部４３とを有するドローバ４と、主軸シャフトの軸孔内に設けられ、ドローバに対して軸孔内に引き込む方向に付勢する付勢部材５と、主軸シャフトの軸孔内におけるドローバのクランプ部と基端封止部との間に設けられ、付勢部材の一端を支持する支持部材６と、主軸シャフトの外周面から軸孔に貫通して設けられ、支持部材を軸孔内に固定する固定部材７とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械の主軸装置に関する。

自動工具交換機構を有する工作機械の主軸装置には、主軸シャフトの回転軸に沿う軸孔内に、工具を主軸装置の先端に把持して固定（クランプ）するためのドローバが、主軸シャフトの軸方向に沿って進退移動可能に設けられている。ドローバは、付勢部材によって軸孔内に引き込まれる方向に付勢されており、その付勢力によって、先端に把持した工具を主軸装置の先端に固定し、その付勢力に抗して軸孔内から押し出される方向に移動することにより、工具の把持を解除（アンクランプ）して工具の交換を可能としている。

ドローバの付勢構造としては、ドローバが収容される主軸シャフトの軸孔の先端側を小径に形成して段差を設け、その段差の端面を付勢部材の一方の端部（先端部）の受け部とすることにより、付勢部材の付勢力をドローバの後端部に対して軸孔内に引き込む方向に作用させることが知られている（例えば、特許文献１参照）。

再表２００４／１１２９９９号公報

しかし、主軸シャフトの軸孔内に、付勢部材の受け部となる段差を設ける場合、軸孔の内面形状を小径部分と大径部分との少なくとも２つの径を有する複雑な形状に形成しなくてはならず、付勢部材の受け部を形成するために煩雑な孔加工が要求される。
従って、工作機械の主軸装置においては、主軸シャフトの軸孔を部分的に小径に加工して段差を設ける必要がなく、簡単な軸孔の構造で、ドローバを付勢部材によって軸孔内に引き込む方向に付勢できるようにすることが望まれている。

本開示の一態様は、軸孔を有する主軸シャフトと、前記主軸シャフトの前記軸孔内に軸方向に沿って進退移動可能に設けられ、工具を前記主軸シャフトの先端に固定するドローバであって、前記軸孔の先端側を密封すると共に前記工具を把持するクランプ部と、前記軸孔の基端側を密封する基端封止部と、前記クランプ部及び前記基端封止部よりも小径に形成されて前記クランプ部と前記基端封止部とを連結する軸部と、を有するドローバと、前記主軸シャフトの前記軸孔内に設けられ、前記ドローバに対して前記ドローバを前記軸孔内に引き込む方向に付勢する付勢部材と、前記主軸シャフトの前記軸孔内における前記ドローバの前記クランプ部と前記基端封止部との間に設けられ、前記付勢部材の一端を支持する支持部材と、前記主軸シャフトの外周面から前記軸孔に貫通して設けられ、前記支持部材を前記軸孔内に固定する固定部材と、を備える、工作機械の主軸装置である。

工作機械の主軸装置の一態様によれば、主軸シャフトの軸孔を部分的に小径に加工して段差を設ける必要がなく、簡単な軸孔の構造で、ドローバを付勢部材によって軸孔内に引き込む方向に付勢することができる。

工作機械の主軸装置の一実施形態の縦断面図である。 図１中のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 図１に示す工作機械の主軸装置における支持部材の周辺を拡大して示す縦断面図である。 支持部材の一実施形態を示す斜視図である。 支持部材の他の一実施形態を示す斜視図である。 スピンドルモータを連結した状態を示す図１に示す工作機械の主軸装置の縦断面図である。 図１中のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。

以下、本開示の各実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、工作機械の主軸装置の一実施形態の縦断面図である。図２は、図１中のＡ−Ａ線に沿う断面図である。図３は、図１に示す工作機械の主軸装置における支持部材の周辺を拡大して示す縦断面図である。図４は、支持部材の一実施形態を示す斜視図である。図５は、支持部材の他の実施形態を示す斜視図である。なお、図１の縦断面図は、主軸装置を図２中のＢ−Ｂ線に沿って切断した場合の縦断面を示している。
本実施形態における工作機械の主軸装置１は、ハウジング２の内部に、主軸シャフト３と、ドローバ４と、付勢部材５と、支持部材６と、を備える。主軸シャフト３の先端には、工具１００が装着される。主軸装置１は、工作機械（図示せず）に装着されることにより、工具１００を回転駆動させてワーク（図示せず）に対して加工を行う。

なお、図中に矢視する方向において、Ｄ１方向は、主軸装置１における先端の方向を示し、Ｄ２方向は、主軸装置１における基端の方向を示す。Ｄ１方向は、工具１００をクランプするためにドローバ４が主軸シャフト３に引き込まれる方向でもあり、Ｄ２方向は、工具１００をアンクランプするためにドローバ４が主軸シャフト３から押し出される方向でもある。

ハウジング２の内部には、軸受２１，２１、内側軸受間座２２ａ及び外側軸受間座２２ｂを介して、主軸シャフト３が配置されている。内周側に配置される内側軸受間座２２ａは、主軸シャフト３の外周面に密接して配置され、外周側に配置される外側軸受間座２２ｂは、ハウジング２の内周面に密接して配置されている。

主軸シャフト３は、ハウジング２及び外側軸受間座２２ｂに対して、ハウジング２の軸周り（Ｄ１−Ｄ２方向に沿う軸線の周り）に、内側軸受間座２２ａと一体に回転可能であり、且つ、ハウジング２の軸方向（Ｄ１−Ｄ２方向）には移動不能に設けられる。主軸シャフト３は、円筒状であり、その中心に軸孔３１を有する。軸孔３１は、主軸シャフト３の全長に亘って貫通している。

主軸シャフト３の軸孔３１は、工具固定孔部３２とドローバ収容孔部３３とで構成される。
工具固定孔部３２は、軸孔３１の先端側に位置し、後述するドローバ４によって把持される工具１００の基部（基端部）側を収容して固定する部位である。工具固定孔部３２の先端側には、工具１００のテーパ面１００ａの形状に沿う形状のテーパ面３２ａが設けられている。
ドローバ収容孔部３３は、工具固定孔部３２に連続して工具固定孔部３２から軸孔３１の基端側に延びており、軸孔３１の大部分を占める部位である。ドローバ収容孔部３３の内径は、工具固定孔部３２の最小内径以下であり、且つ、ドローバ収容孔部３３の全長に亘って同一径となるように形成されている。即ち、主軸シャフト３の軸孔３１において、ドローバ収容孔部３３が形成されている部位が最小径の部位となっている。

ドローバ４は、工具１００を把持して主軸シャフト３の先端に固定するためのものであり、主軸シャフト３の軸孔３１におけるドローバ収容孔部３３内に、主軸シャフト３の軸方向（Ｄ１−Ｄ２方向）に沿って進退移動可能に収容されている。ドローバ４は、クランプ部４１と、基端封止部４２と、軸部４３と、を有する。

クランプ部４１は、工具１００の基部に設けられたプルスタッド１０１を把持する部位であり、ドローバ４の先端に配置される。クランプ部４１は、略円柱状に形成され、プルスタッド１０１を把持する先端側が工具固定孔部３２内に僅かに突出して位置するように、ドローバ収容孔部３３内に配置されている。本実施形態のクランプ部４１は、先端に設けられたボール４１ａによってプルスタッド１０１を把持する構造を有する。このようなクランプ部４１の構造は、一般によく知られたものであり、ボール４１ａに代えて、例えばコレットによってプルスタッド１０１を把持する構造であってもよい。

クランプ部４１の外径（ボール４１ａを除く）は、軸孔３１のドローバ収容孔部３３の内径以下とされる。クランプ部４１は、その外周面に設けられた環状溝内にシール部材４１ｂを有する。シール部材４１ｂは、ゴム製又は樹脂製の環状の弾性体からなり、ドローバ収容孔部３３の内壁面に密接して、ドローバ収容孔部３３の内壁面とクランプ部４１の外周面との間を摺動可能に密封する。

基端封止部４２は、例えば環状に形成され、軸部４３の基端部に螺着されることにより、ドローバ４の基端に着脱可能に設けられる。基端封止部４２の外径も、軸孔３１のドローバ収容孔部３３の内径以下とされ、具体的には、クランプ部４１の外径と同一径に形成される。基端封止部４２にも、クランプ部４１と同様に、その外周面に設けられた環状溝内にシール部材４２ａを有する。このシール部材４２ａも、ゴム製又は樹脂製の環状の弾性体からなり、ドローバ収容孔部３３の内壁面に密接して、ドローバ収容孔部３３の内壁面と基端封止部４２の外周面との間を摺動可能に密封する。

軸部４３は、クランプ部４１と基端封止部４２とを連結する。軸部４３の外径は、クランプ部４１と基端封止部４２のそれぞれの外径よりも小径に形成されている。これにより、軸孔３１のドローバ収容孔部３３内におけるクランプ部４１と基端封止部４２との間に空間が形成され、その空間によって、グリース、オイル等の潤滑剤が貯留される潤滑剤貯留室３４が構成される。

付勢部材５は、潤滑剤貯留室３４内において、ドローバ４の軸部４３の外周を取り囲むように配置され、ドローバ４の基端封止部４２と、軸孔３１内に配置される後述の支持部材６とにそれぞれ当接している。付勢部材５は、一方の端部（付勢部材５のＤ１方向側の端部）が支持部材６に当接して支持されることにより、ドローバ４に対して軸孔３１内に引き込む方向（Ｄ２方向）の付勢力を付与する。この付勢部材５の付勢力によって、ドローバ４は、クランプ部４１に把持された工具１００を主軸シャフト３の先端に引き付け、工具１００のテーパ面１００ａを主軸シャフト３のテーパ面３２ａに当接させる。これにより、工具１００が、主軸シャフト３の先端に固定（クランプ）される。本実施形態の付勢部材５はコイルばねを例示しているが、皿ばね等の他の付勢部材であってもよい。付勢部材は、弾性的な挙動を示さない部材であってもよい。

支持部材６は、ドローバ収容孔部３３におけるドローバ４のクランプ部４１と基端封止部４２との間の潤滑剤貯留室３４内に配置される。支持部材６は、図４に示すように、中央にドローバ４の軸部４３を挿通させる挿通孔６１を有する環状に形成されている。支持部材６の外径は、ドローバ収容孔部３３の内径にほぼ等しい。挿通孔６１の径は、ドローバ４の軸部４３の外径よりも大きい。このため、図３に示すように、支持部材６の挿通孔６１の内周面と、ドローバ４の軸部４３の外周面との間に、潤滑剤貯留室３４内の潤滑剤（図示せず）を流通可能な隙間が形成される。

支持部材６は、主軸シャフト３の外周面から軸孔３１に向けて貫通する複数の固定部材７によって固定される。具体的には、図４に示すように、支持部材６の外周面には被挿入部としての溝６２が設けられており、主軸シャフト３を貫通する複数の固定部材７の先端が溝６２内にそれぞれ挿入されるようになっている。これにより、支持部材６は、軸孔３１内の所定の位置に、複数の固定部材７によって軸方向に動かないように固定される。本実施形態の溝６２は、支持部材６の全周に亘って設けられているため、固定部材７に対する支持部材６の周方向の位置合わせを不要にすることができる。

支持部材６の外周面には、溝６２に代えて、図５に示すように、固定部材７の先端と螺合する被挿入部としてのねじ穴６３が設けられてもよい。ねじ穴６３は、固定部材７の数及び位置に対応して配置される。これにより、支持部材６は、軸孔３１内の所定に位置に、複数の固定部材７によって軸方向及び周方向のいずれの方向にも動かないように固定される。なお、本実施形態では３本の固定部材７を示しているが、固定部材７の本数は３本に制限されない。

内側軸受間座２２ａには、固定部材７に対応する位置に、固定部材７のアクセスのための第１開口部２３がそれぞれ設けられている。また、ハウジング２及び外側軸受間座２２ｂには、ハウジング２と外側軸受間座２２ｂとに亘って、固定部材７のアクセスのための１つの第２開口部２４が設けられている。これら第１開口部２３及び第２開口部２４は、ドローバ４を主軸シャフト３の軸孔３１内に組み付けた後、ドローバ４等の保守を行う時以外は、埋栓等の閉塞部材（図示せず）によって閉塞される。

なお、付勢部材５及び支持部材６は、基端封止部４２を取り外した状態のドローバ４の軸部４３に、その基端側から支持部材６、付勢部材５の順に装着される。その後、基端封止部４２が軸部４３に取り付けられることにより、付勢部材５及び支持部材６が組み付けられた状態のドローバ４が構成される。ドローバ４は、軸部４３の外周に付勢部材５及び支持部材６が組み付けられた状態で、主軸シャフト３の軸孔３１内に挿入される。なお、基端封止部４２に代えて、ドローバ４のクランプ部４１側が軸部４３の先端部に着脱可能に構成されていてもよい。

主軸装置１の基端側には、図１に示すように、主軸シャフト３の軸孔３１内から突出するように設けられる柱状の押圧部材８が設けられている。押圧部材８の先端は、軸孔３１内においてドローバ４の基端封止部４２に当接している。この押圧部材８が工作機械の押圧手段（図示せず）によって押下げられることにより、主軸装置１のドローバ４が、付勢部材５の付勢力に抗して軸孔３１から押し出される方向（Ｄ１方向）に移動する。このドローバ４の移動により、工具１００がアンクランプされ、主軸装置１から取り外される。また、工具１００が取り外された主軸装置１に別の新たな工具１００が装着された後、押圧手段による押圧力が解除されると、ドローバ４は、付勢部材５の付勢力によって軸孔３１内に引き込まれる方向（Ｄ２方向）に移動し、クランプ部４１がプルスタッド１０１を把持することにより、新たな工具１００が主軸装置１にクランプされる。

このように、本実施形態の主軸装置１は、ドローバ４を軸孔３１内に引き込む方向に付勢する付勢部材５の受け部となる支持部材６を、主軸シャフト３の外周面から軸孔３１に貫通して設けられる固定部材７によって軸孔３１内に固定するようにしている。従って、主軸シャフト３の軸孔３１を部分的に小径に形成することによって付勢部材５の受け部となる段差を孔加工する必要がない。このため、簡単な軸孔３１の構造で、付勢部材５の付勢力によってドローバ４を軸孔３１内に引き込む方向に付勢することができる。

また、工具１００のクランプ、アンクランプの際、ドローバ４は、主軸シャフト３の軸孔３１内で軸方向に進退移動し、これに伴って潤滑剤貯留室３４内の潤滑剤も移動する。しかし、潤滑剤貯留室３４を構成するドローバ収容孔部３３は、全長に亘って同一径であり、支持部材６の中央の挿通孔６１を通って先端側及び基端側への潤滑剤の流通が可能である。従って、ドローバ４の進退移動に伴う潤滑剤貯留室３４の容積変化が生じることはない。このため、シール部材４１ｂ、４２ａによるシール部位に負荷が掛かって潤滑剤漏れを発生させるおそれはない。

更に、主軸シャフト３の軸孔３１において、ドローバ収容孔部３３の内径は、工具固定孔部３２の最小内径以下であり、ドローバ４のクランプ部４１及び基端封止部４２のそれぞれの外径は、ドローバ収容孔部３３の内径以下である。このため、ドローバ４を軸孔３１の先端側及び基端側のいずれの方向からも挿入することができ、主軸装置１の組み立て性も向上する。例えば、図６に示すように、主軸装置１が、継手２０１を介して主軸シャフト３にスピンドルモータ２００を直結したモータ直結式の主軸装置である場合、ドローバ４を主軸シャフト３の先端側から軸孔３１内に挿入することができる。これにより、スピンドルモータ２００の結合を解除する必要がなくなり、ドローバ４の交換、保守等の作業を容易に行うことができる。

ところで、潤滑剤貯留室３４内の潤滑剤として、粘土の高いグリースを使用する場合、主軸シャフト３の回転駆動時に主軸シャフト３の内部で偏心を発生させる要因となる場合がある。また、工具１００のクランプ、アンクランプの際にドローバ４が進退移動することにより、潤滑剤貯留室３４内でグリースの位置が変化するため、主軸シャフト３の回転方向のバランスが安定せず、回転駆動時に偏心を発生する場合がある。このため、本実施形態の主軸装置１には、以下のように、主軸シャフト３のバランスを調整するための構成が更に備えられている。

図７は、図１中のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。主軸シャフト３の外周面には、複数のバランス調整用錘収容孔３５が、周方向に一定の間隔をおいて設けられている。各バランス調整用錘収容孔３５は、潤滑剤貯留室３４に対応する主軸シャフト３の外周面から主軸シャフト３の中心に向かい、軸孔３１の手前にかけて凹設されている。バランス調整用錘収容孔３５には、バランス調整用錘３６がそれぞれ収容される。１つのバランス調整用錘収容孔３５につき複数個のバランス調整用錘３６を収容可能である。また、バランス調整用錘収容孔３５には、長さの異なる複数種のバランス調整用錘３６を組み合わせて収容することもできる。従って、高粘度の潤滑剤が使用される場合であっても、各バランス調整用錘収容孔３５に収容するバランス調整用錘３６の数や長さを適宜調整することにより、主軸シャフト３の回転駆動時の偏心を容易に調整可能となっている。

各バランス調整用錘収容孔３５は、バランス調整用錘収容孔３５よりも小径に形成された潤滑剤注入孔３７をそれぞれ有している。潤滑剤注入孔３７は、バランス調整用錘収容孔３５の底部から潤滑剤貯留室３４にかけて、主軸シャフト３を径方向に貫通している。このため、バランス調整用錘３６が収容される前のバランス調整用錘収容孔３５を利用して、潤滑剤注入孔３７を通して、軸孔３１の潤滑剤貯留室３４内に潤滑剤を径方向に注入することが可能となる。潤滑剤注入孔３７には、埋栓３８がそれぞれ設けられる。埋栓３８は、潤滑剤注入後の全ての潤滑剤注入孔３７を閉塞することにより、潤滑剤貯留室３４からの潤滑剤の漏れを防止する。

内側軸受間座２２ａには、少なくとも１つのバランス調整用錘収容孔３５に対応する位置に、バランス調整用錘収容孔３５にアクセスするための第３開口部２５が設けられている。また、ハウジング２及び外側軸受間座２２ｂには、ハウジング２と外側軸受間座２２ｂとに亘って、ハウジング２の外部から第３開口部２５を通してバランス調整用錘収容孔３５にアクセスするための第４開口部２６が設けられている。これら第３開口部２５及び第４開口部２６は、バランス調整や潤滑剤注入のためにバランス調整用錘収容孔３５にアクセスする時以外は、埋栓等の閉塞部材（図示せず）によって閉塞される。

潤滑剤の注入作業は、ドローバ４が主軸シャフト３の軸孔３１内に組み付けられ、クランプ部４１と基端封止部４２との間で潤滑剤貯留室３４が密封状に形成された後に行うことができる。このため、使用可能な潤滑剤の粘度が制限されず、潤滑剤の選択の自由度が向上する。また、潤滑剤注入孔３７は、バランス調整用錘収容孔３５の底部を利用して、主軸シャフト３の径方向に孔加工するだけで容易に形成可能であり、主軸シャフト３に複雑な形状の孔加工を行う必要がない。

潤滑剤注入孔３７は、複数のバランス調整用錘収容孔３５のうちの少なくとも１つに設けられればよいが、本実施形態のように、複数のバランス調整用錘収容孔３５にそれぞれ潤滑剤注入孔３７及び埋栓３８を設けるようにしてもよい。これによれば、潤滑剤注入孔３７を有するバランス調整用錘収容孔３５と第３開口部２５との位置合わせ作業が楽になる。しかも、潤滑剤注入孔３７及び埋栓３８の有無によって主軸シャフト３のバランスが乱れるおそれがなく、バランス調整用錘３６によるバランス調整も容易となる。

１ 主軸装置
３ 主軸シャフト
３１ 軸孔
３２ 工具固定孔部
３３ ドローバ収容孔部
３４ 潤滑剤貯留室
３５ バランス調整用錘収容孔
３６ バランス調整用錘
３７ 潤滑剤注入孔
３８ 埋栓
４ ドローバ
４１ クランプ部
４２ 基端封止部
４３ 軸部
５ 付勢部材
６ 支持部材
６２ 溝（被挿入部）
６３ ねじ穴（被挿入部）
７ 固定部材
１００ 工具

Claims (4)

1. 軸孔を有する主軸シャフトと、
   前記主軸シャフトの前記軸孔内に軸方向に沿って進退移動可能に設けられ、工具を前記主軸シャフトの先端に固定するドローバであって、前記軸孔の先端側を密封すると共に前記工具を把持するクランプ部と、前記軸孔の基端側を密封する基端封止部と、前記クランプ部及び前記基端封止部よりも小径に形成されて前記クランプ部と前記基端封止部とを連結する軸部と、を有するドローバと、
   前記主軸シャフトの前記軸孔内に設けられ、前記ドローバに対して前記ドローバを前記軸孔内に引き込む方向に付勢する付勢部材と、
   前記主軸シャフトの前記軸孔内における前記ドローバの前記クランプ部と前記基端封止部との間に設けられ、前記付勢部材の一端を支持する支持部材と、
   前記主軸シャフトの外周面から前記軸孔に貫通して設けられ、前記支持部材を前記軸孔内に固定する固定部材と、
   を備える、工作機械の主軸装置。
2. 前記支持部材は、その外周面に、被挿入部を有し、前記固定部材の先端が前記被挿入部にそれぞれ挿入されることにより、前記軸孔内に固定される、請求項１に記載の工作機械の主軸装置。
3. 前記主軸シャフトの前記軸孔は、前記ドローバによって把持される前記工具が固定される工具固定孔部と、前記工具固定孔部から基端側に延び、前記ドローバが収容されるドローバ収容孔部と、を有し、
   前記ドローバ収容孔部の内径は、前記工具固定孔部の最小内径以下であり、
   前記ドローバの前記クランプ部及び前記基端封止部のそれぞれの外径は、前記ドローバ収容孔部の内径以下である、請求項１又は２に記載の工作機械の主軸装置。
4. 前記軸孔内における前記ドローバの前記クランプ部と前記基端封止部との間の空間は潤滑剤貯留室であり、
   前記主軸シャフトの外周面に設けられる複数のバランス調整用錘収容孔と、
   前記複数のバランス調整用錘収容孔にそれぞれ収容される複数のバランス調整用錘と、を更に備え、
   前記複数のバランス調整用錘収容孔のうちの少なくとも１つは、前記潤滑剤貯留室に連通する潤滑剤注入孔と、前記潤滑剤注入孔を閉塞する埋栓と、を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の工作機械の主軸装置。

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