JP2021079523A - 工作機械の主軸装置 - Google Patents

Abstract

【課題】工作機械の主軸装置の主軸全体の温度を早期に均一化すること。【解決手段】軸線方向に延びる主軸をハウジングに軸受により回転支持し、該主軸に工具またはワークを装着して回転駆動する工作機械の主軸装置において、主軸本体よりも高い熱伝導率を有した複数の棒状部材を、主軸本体において軸受が取り付けられる領域内に配置した。【選択図】図１

Description

本発明は、工具またはワークを装着して回転駆動する工作機械の主軸装置に関する。

工作機械の主軸装置では、主軸は複数の軸受によって主軸ハウジングに回転可能に支持されている。また、主軸ハウジング内には主軸を回転駆動する駆動モータが収納されていることもある。主軸が回転すると軸受や駆動モータは発熱し、主軸が加熱され、主軸が軸方向に変位（熱伸び）し、主軸に装着された工具の刃先や、主軸に取り付けたワークの軸方向の位置が変化してしまい、加工精度に大きな影響を与えることになる。

また、主軸の温度は、主軸の回転開始からの時間の経過に伴い上昇するが、一定の時間が経過した後は一定の温度に収束し、主軸も軸方向に変位しなくなり安定化する。そこで、従来、加工開始に先立って、主軸を加工回転数で一定時間回転させ、主軸の熱変位が安定したのちに加工するようにしている。

また、こうした問題を解決するために、特許文献１には、冷却液循環による主軸装置の冷却装置を設けるとともに、主軸の各回転速度に対して主軸の熱変形がほぼ安定したときの各状態における主軸変位量を予め求めて記憶しておき、主軸の熱変形がほぼ安定したときの主軸変位量に速やかに到達する主軸変位量に対する冷却装置の冷却液供給開始タイミング、主軸起動タイミング、および加工開始タイミングの各データを予め求めて、これに基づき冷却液供給の開始、主軸の起動、加工の開始を制御するようにした工作機械が記載されている。

特開平１１−１１００２１号公報

主軸の熱伝導率は比較的低いので、特許文献１に記載の工作機械のように、冷却液供給の開始、主軸の起動、加工の開始を制御するようにしても、主軸の熱変位が安定するまでには時間を要し、一層これを短縮する必要がある。

本発明は、こうした従来技術の問題を解決することを技術課題としており、主軸全体の温度が早期に均一になるようにした工作機械の主軸装置を提供することを目的としている。

上述の目的を達成するために、本発明によれば、軸線方向に延びる主軸をハウジングに軸受により回転支持し、該主軸に工具またはワークを装着して回転駆動する工作機械の主軸装置において、前記主軸は、主軸本体に少なくとも前記軸受が取り付けられる領域を含んでおり、該主軸本体よりも高い熱伝導率を有した複数の棒状部材が該領域を含む位置に配置されている工作機械の主軸装置が提供される。

本発明によれば、主軸が回転する間、軸受から生じる熱は、棒状部材を伝って主軸全体に迅速に拡散し、主軸の軸方向の温度分布（温度差）が短時間のうちに均一化し（小さくなり）安定化する。これにより、主軸の軸方向の熱変位が短時間で安定することとなる。

本発明の第１の実施形態による主軸装置の半断面図である。 図１の主軸装置の主軸先端部分の拡大半断面図である。 図２において、矢視Ａの方向に見た主軸先端面を示す図である。 図１において、矢視Ｂの方向に見た主軸後端面を示す図である。 主軸外筒の一部を破断して示す主軸後端部分の略示斜視図である。 本発明の第２の実施形態による主軸装置の半断面図である。 図６の主軸装置の主軸先端部分の拡大半断面図である。 図６において、矢視Ｃの方向に見た主軸後端面を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を説明する。
図１〜図５を参照すると、第１の実施形態による主軸装置１００は、主軸ハウジング１０２と、中心軸線Ｏに沿って延びる主軸１１０を有している。主軸ハウジング１０２は、第１の主軸ハウジング１０２ａと、該第１の主軸ハウジング１０２ａの後端部に結合される第２の主軸ハウジング１０２ｂとを有している。

主軸１１０は、軸受によって、中心軸線Ｏ周りに回転可能に主軸ハウジング１０２に支持されている。本実施形態では、軸受は、主軸１１０の先端側を回転支持する２つのボールベアリング１０６ａ、１０６ｂと、後端側を回転支持する１つのボールベアリング１０８とを備えている。ボールベアリング１０６ａ、１０６ｂ、１０８はアンギュラボールベアリングとすることができる。

主軸１１０は、中心軸線Ｏに沿って延びる中空部材であり、主軸内筒１１２と、主軸外筒１１４とを有している。主軸内筒１１２と主軸外筒１１４は、焼嵌めのような従来の嵌合方法によって互いに一体的に固定される。主軸内筒１１２と主軸外筒１１４との間に軸方向に延びる棒状部材１１６が配置されている。

本実施形態では、棒状部材１１６は、主軸内筒１１２の外周面に沿って軸方向に延設された収納溝１１２ａ内に配置、接着される。収納溝１１２ａは、主軸１１０において、少なくとも先端側の２つのボールベアリング１０６ａ、１０６ｂと、後端側のボールベアリング１０８と嵌合する領域を含む或いは該領域に重なり合うように主軸内筒１１２の外周面に沿って軸線方向に延設されている。棒状部材１１６は、また、主軸内筒１１２において収納溝１１２ａを形成する表面および主軸外筒１１４の内周面に密着するように、収納溝１１２ａ内に配置される。

棒状部材１１６は、主軸本体を形成する主軸内筒１１２および主軸外筒１１４の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有した高熱伝導材料から形成されている。棒状部材１１６は、例えばグラフェンを化学気相堆積法(Chemical Vaper Deposition)により積層化した人造グラファイトである高熱伝導グラファイトから形成することができる。主軸本体（主軸内筒１１２および主軸外筒１１４）を形成する材料、例えばクロームモリブデン鋼の熱伝導率が概ね30W/mKであるのに対して、高熱伝導グラファイトは、一般的に300W/mKを超える高い熱伝導率を有している。特に、アメリカ合衆国ニューヨーク州所在のミネラルズテクノロジー社(Minerals Technologies Inc.)から市販されているPYROID（登録商標）は、ダイヤモンドに匹敵する1700W/mKもの非常に高い熱伝導率を有しており、棒状部材１１６として好ましい材料である。

また、グラフェンを積層した高熱伝導グラファイトは、３軸方向のうち２軸方向のみに高い熱伝導率を示し、残りの１軸方向には極端に熱伝導率が低くなる熱伝導特性を有していることが知られている。本実施形態では、収納溝１１２ａ内において、棒状部材１１６は、中心軸線Ｏに関して軸方向および半径方向に高い伝熱特性を有するように配向される。

本実施形態では、主軸１１０の先端部は、少なくとも主軸内筒１１２と軸方向に重なり合うように、半径方向に内側に膨出した突出部１１４ｂを有している。主軸内筒１１２は、その先端が突出部１１４ｂに当接することによって、軸方向に位置決めされる。主軸内筒１１２は、主軸外筒１１４の先端から軸方向に挿入される複数の固定ボルト１５２によって、主軸外筒１１４に対して軸方向に固定される。

先端側の２つのボールベアリング１０６ａ、１０６ｂの間には、カラー１４２ａ、１４２ｂが配設されており、２つのボールベアリング１０６ａ、１０６ｂが所定の間隔をおいて軸線方向に互いに離間するようになっている。２つのボールベアリング１０６ａ、１０６ｂのうち先端側に配置されているボールベアリング１０６ａは、カラー１４０ａ、１４０ｂを介して、ベアリング押さえ１３８および主軸先端部材１４４によって中心軸線Ｏに沿って後方へ押圧される。

ベアリング押さえ１３８は、軸方向に挿入される複数のボルト１５０によって、第１の主軸ハウジング１０２ａの先端面に固定される。主軸先端部材１４４は、軸方向に挿入される複数のボルト１５４によって、主軸１１０と共に回転するように、主軸１１０の先端面に結合される。複数のボルト１５４は、図３に示すように、中心軸線Ｏを中心とした円周上に等間隔に配置されている。

好ましくは、ベアリング押さえ１３８と主軸先端部材１４４の間にラビリンスシールのようなエアシール１４８を設けることができる。エアシール１４８によって、加工中における主軸ハウジング１０２内への切り屑やオイルミストのような異物侵入が防止される。

主軸先端部材１４４は、また工具装着穴１４４ａを有している。工具装着穴１４４ａの内周面は、工具ホルダ（図示せず）のテーパ部が嵌合、密着するよう、中心軸線Ｏに沿って後方に内径が縮小するテーパ状に形成されテーパ面となっている。

主軸先端部材１４４には、更に、棒状部材１１６と同様の高熱伝導材料から形成される複数の棒状部材１４６が埋設されている。棒状部材１４６は、図３に示すように、中心軸線Ｏを中心とした円周上に等間隔に配置される。また、棒状部材１４６は、中心軸線Ｏに略平行に配置することができるが、図１に示すように、中心軸線Ｏに関して傾斜していてもよい。一例として図１では、棒状部材１４６は、主軸先端部材１４４内で、工具装着穴１４４ａのテーパ面に略平行となるように配置されている。棒状部材１４６は、棒状部材１１６と同様に、中心軸線Ｏに関して軸方向および半径方向に高い伝熱特性を有するように配向される。

主軸ハウジング１０２内には、また、主軸１１０を回転駆動する駆動モータを収納することができる。該駆動モータは、第１の主軸ハウジング１０２ａの内面に固定されたステータ１２０と、ステータ１２０に半径方向に対面するように、主軸１１０に固定されたロータ１２２を含む。ロータ１２２は、主軸外筒１１４の外周面に形成された雄ねじ部１１５（図５）に螺合するナット１２６によりカラー１２４を介して主軸外筒１１４の肩部１１４ａに軸方向に押圧、固定される。ロータ１２２と肩部１１４ａとの間、および、ロータ１２２とカラー１２４との間に絶縁材料から形成された絶縁カラー１２８ａ、１２８ｂを配設してもよい。

第２の主軸ハウジング１０２ｂは、軸方向に挿入される複数のボルト１０４により、第１の主軸ハウジング１０２ａの後端部に結合されている。後端側のボールベアリング１０８は、ベアリングケース１３０を介して第２の主軸ハウジング１０２ｂに取り付けられ、ベアリング押さえ１３２によってベアリングケース１３０と共に中心軸線Ｏに沿って前方へ第２の主軸ハウジング１０２ｂに押圧される。ベアリング押さえ１３２は、軸方向に挿入される複数のボルト１３２ａによって、第２の主軸ハウジング１０２ｂに固定される。また、ボールベアリング１０８の内輪は、エンドカバー１３６によって、中心軸線Ｏに沿って前方へ主軸外筒１１４の後端部１１３へ向けて押圧される。エンドカバー１３６は、軸方向に挿入される複数のボルト１３６ａにより、主軸内筒１１２の後端部に結合される。

ボルト１３６ａは、主軸内筒１１２の後端部のネジ穴１１２ｂにねじ込まれる。ボールベアリング１０８と主軸内筒１１２との間には薄肉のスリーブ１３９を挿入して、棒状部材１１６を保護するようにしてもよい。また、主軸外筒１１４から主軸内筒１１２に対して半径方向に六角穴付き止めねじくぼみ先１１８を少なくとも１箇所ねじ込み、主軸外筒１１４と主軸内筒１１２との一体性を向上させるようにできる。

本実施形態によれば、主軸１１０が回転する間、ボールベアリング１０６ａ、１０６ｂ、１０８およびロータ１２２から生じる熱が、棒状部材１１６を伝って主軸１１０全体に拡散し、主軸１１０の軸方向の温度分布（温度差）が短時間のうちに均一化し（小さくなり）安定化する。これにより、主軸１１０の軸方向の熱変位が短時間で安定することとなる。

更に、加工中に発生し工具および工具ホルダを介して主軸先端部材１４４に伝わる熱も、棒状部材１４６によって、主軸先端部材１４４の全体に迅速に拡散し、主軸先端部材１４４の軸方向の温度分布（温度差）が短時間のうちに均一化し（小さくなり）安定化する。これにより、主軸先端部材１４４の軸方向の熱変位が短時間で安定することとなる。

第１の実施形態では、棒状部材１１６は、主軸内筒１１２に形成した収納溝１１２ａ内に配設されていたが、本発明はこれに限定されず、棒状部材を主軸外筒側に配設してもよい。

次に、図６〜図８を参照して、本発明の第２の実施形態を説明する。なお、図６〜図８において、第１の実施形態と同様の構成要素には同じ参照符号が付されており、以下では、重複する説明は省略する。

第２の実施形態による主軸装置２００は、ボールベアリング１０６ａ、１０６ｂ、１０８によって主軸ハウジング１０２に回転支持される主軸２１０を有している。主軸２１０は、中心軸線Ｏに沿って延びる中空部材であり、主軸内筒２１２と、主軸外筒２１４とを有している。主軸内筒２１２と主軸外筒２１４は、焼嵌めのような従来の嵌合方法によって互いに一体的に固定される。主軸内筒２１２と主軸外筒２１４との間に棒状部材１１６が配置される。

本実施形態では、棒状部材１１６は、主軸外筒２１４の内周面に沿って軸方向に延設された収納溝２１４ａ内に配置、固定される。収納溝２１４ａは、主軸２１０において、少なくとも先端側の２つのボールベアリング１０６ａ、１０６ｂと、後端側のボールベアリング１０８と嵌合する領域を含む或いは該領域に重なり合うように主軸外筒２１４の内周面に沿って軸方向に延設されている。棒状部材１１６は、また、主軸外筒２１４において収納溝２１４ａを形成する表面および主軸内筒２１２の外周面に密着するように、収納溝２１４ａ内に配置、接着される。

先端側の２つのボールベアリング１０６ａ、１０６ｂは、カラー１４０ａ、１４０ｂを介して、ベアリング押さえ１３８および主軸先端部材２２０によって中心軸線Ｏに沿って後方へ押圧される。ベアリング押さえ１３８は、軸方向に挿入される複数のボルト１５０によって、第１の主軸ハウジング１０２ａの先端面に固定される。

主軸先端部材２２０は、軸方向に挿入される複数のボルト２２４によって、主軸２１０と共に回転するように、主軸２１０の先端面に結合される。複数のボルト２２４は、図３のボルト１５４と同様に、中心軸線Ｏを中心とした円周上に等間隔に配置されている。好ましくは、ベアリング押さえ１３８と主軸先端部材２２０の間にラビリンスシールのようなエアシール１４８を設けることができる。

主軸先端部材２２０は、また工具装着穴２２２を有している。工具装着穴２２２の内周面は、工具ホルダ（図示せず）のテーパ部が嵌合、密着するよう、中心軸線Ｏに沿って後方に内径が縮小するテーパ状に形成されテーパ面となっている。主軸先端部材２２０には、高熱伝導材料から形成される複数の棒状部材１４６が埋設されている。

主軸先端部材２２０は、第１の実施形態の主軸外筒１１４の突出部１１４ｂに対応した突出部２２６を有している。第２の実施形態では、主軸外筒２１４は、第１の実施形態の主軸外筒１１４の突出部１１４ｂに対応した部分を有していない。これにより、主軸外筒２１４の内周面に収納溝２１４ａを形成し易くなる。

第２の実施形態のボールベアリング１０８は、第１の実施形態のような薄肉のスリーブ１３８はなく、主軸外筒２１４に直接嵌合して、ベアリング押さえ１３８およびエンドカバー１３６によって固定されている。

本実施形態においても、主軸２１０が回転する間、ボールベアリング１０６ａ、１０６ｂ、１０８およびロータ１２２から生じる熱が棒状部材１１６を伝って主軸２１０全体に拡散し、主軸２１０の軸方向の温度分布が短時間のうちに均一化、安定化する。これにより、主軸２１０の軸方向の熱変位が短時間で安定することとなる。

更に、加工中に発生し工具および工具ホルダを介して主軸先端部材２２０に伝わる熱も、棒状部材１４６によって、主軸先端部材２２０の全体に迅速に拡散し、主軸先端部材２２０の軸方向の温度分布（温度差）が短時間のうちに均一化し（小さくなり）安定化する。これにより、主軸先端部材２２０の軸方向の熱変位が短時間で安定することとなる。

既述の実施形態による、主軸装置１００、２００は、主軸１１０、２１０の先端部に形成した工具装着穴１４４ａ、２２０ａに回転工具を装着し、該回転工具に対面するようにテーブル（図示せず）に固定されたワークに対して主軸装置１００、２００をＸ、Ｙ、Ｚの直交３軸方向に相対移動させて、該ワークを加工する立形または横形マシニングセンタに用いることができる。或いは、主軸装置１００、２００は、主軸１１０、２１０の先端部にワークを把持するチャック装置（図示せず）を取り付け、回転するワークに対してバイト工具（図示せず）をＸ、Ｙ、Ｚの直交３軸方向に移動させて加工する旋盤に用いてもよい。

１００ 主軸装置
１０２ 主軸ハウジング
１１０ 主軸
１１２ 主軸内筒
１１２ａ 収納溝
１１４ 主軸外筒
１１６ 棒状部材
１２０ ステータ
１２２ ロータ
１４４ 主軸先端部材
１４４ａ 工具装着穴
１４６ 棒状部材

上述の目的を達成するために、本発明によれば、軸線方向に延びる主軸をハウジングに軸受により回転支持し、該主軸に工具またはワークを装着して回転駆動する工作機械の主軸装置において、前記主軸は、主軸本体に少なくとも前記軸受が取り付けられる領域を含んでおり、グラフェンを積層した高熱伝導グラファイトでなる複数の棒状部材が該領域を含む位置に配置されている工作機械の主軸装置が提供される。

Claims (6)

1. 軸線方向に延びる主軸をハウジングに軸受により回転支持し、該主軸に工具またはワークを装着して回転駆動する工作機械の主軸装置において、
   前記主軸は、主軸本体に少なくとも前記軸受が取り付けられる領域を含んでおり、該主軸本体よりも高い熱伝導率を有した複数の棒状部材が該領域を含む位置に配置されていることを特徴とした工作機械の主軸装置。
2. 前記主軸は、前記軸受を取り付け可能な外周形状を有した外筒と、該外筒の内周に嵌合する内筒とを有しており、前記棒状部材が前記外筒と内筒との間に配置されている請求項１に記載の工作機械の主軸装置。
3. 前記内筒の外周面に軸線方向に延びる収納溝が周方向に複数本形成されており、該収納溝内に前記棒状部材が配置されている請求項２に記載の工作機械の主軸装置。
4. 前記外筒の内周面に軸線方向に延びる収納溝が周方向に複数本形成されており、該収納溝内に前記棒状部材が配置されている請求項２に記載の工作機械の主軸装置。
5. 前記棒状部材は、軸線方向および半径方向の熱伝導率が、周方向の熱伝導率よりも高くなるように、熱伝導特性が異方性を有している請求項１に記載の工作機械の主軸装置。
6. 前記棒状部材は高熱伝導グラファイトを含む請求項１に記載の工作機械の主軸装置。

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