JP3381821B2 - 主軸装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、ハウジングに対し
回転可能に軸支した主軸の内部に挿着されたドローバー
の操作により主軸の先端部に工具を装着する主軸装置に
関し、特にドローバーを後方に付勢する弾性部材に円筒
形状圧縮ばねを用いた主軸装置に関する。 【０００２】 【従来の技術】一般的な工作機械の主軸装置では、図４
に要部断面を示すように、ハウジング７に対して回転可
能に軸支された主軸１の内部を軸線方向に移動可能にド
ローバー３が挿着され、前記ドローバー３の後端部の外
周には複数枚の皿ばね５が直列に圧縮、挿着されてお
り、前記ドローバー３を主軸１に対して後方（図４にお
ける上方）へ付勢するように構成している。主軸１の先
端部への工具（図示省略）のクランプ時には、アンクラ
ンプシリンダ25にエアを導入してアンクランプピストン
27を作動させ、ばね押え17を介しドローバー３をあらか
じめ皿ばね５の付勢力に抗して前進させ、その工具把持
部に工具を係止させた後、アンクランプシリンダ25のエ
アを抜いて皿ばね５の付勢力を解放しドローバー３を主
軸１の内部に引き込み、工具を主軸１にクランプするよ
うになっている。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】ここで、ドローバー３
の外周に挿着した皿ばね５は、その皿ばね５を撓ませる
ときに若干その内径が縮むことを考慮して、皿ばね５の
内径とドローバー３の外周との間には僅かな隙間を設け
る必要があり、このため、ドローバー３の外周に対する
前記皿ばね５の取付位置が厳密に定まらない。また、複
数枚の皿ばね５をドローバー３に対して直列に圧縮、挿
着すると各皿ばね５をセンター合わせして組付けること
が困難である。この状態で主軸１を高速回転させると、
遠心力の作用で複数枚の皿ばね５が不均一に半径方向に
移動してアンバランスとなり振動が発生してしまう。ま
た、主軸１に対して工具のクランプ・アンクランプを繰
り返すことにより、皿ばね５同士の座りが段々悪くなっ
て皿ばね５とドローバー３との間でこじりが生じ、皿ば
ね５の弾性力による安定した工具クランプ力を発生する
ことができなくなることがある。 【０００４】さらに、ドローバー３は主軸１の内部を軸
線方向に移動するために主軸１の内径との間に微小な隙
間があり、軸線方向の長さに較べて外径が細いドローバ
ー３の外周に皿ばね５を挿着すると、皿ばね５が偏心質
量となり主軸１の高速回転時にドローバー３が振れ回っ
て振動が発生しやすい。主軸１を比較的低速で回転させ
るときには問題はないが、近年は主軸１を高速回転させ
る傾向があるために、この振動の発生がクローズアップ
されている。そこで本発明は、高速回転させてもバラン
スが良く、工具のクランプを確実、安定して行うことが
できる主軸装置を提供することを目的とする。 【０００５】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明は、主軸またはドローバーに挿着され、ドローバ
ーを後方に付勢する弾性部材を、所要のばね諸元により
規定される円筒形状のばね素材に螺旋溝を削設して製造
した円筒形状圧縮ばねとした。すなわち、ハウジングに
対して回転可能に支持した主軸の先端部に工具を装着す
る主軸装置において、前記主軸の内部に挿入され、前記
工具を着脱可能に把持する工具把持部を有したドローバ
ーと、外径、内径、長さ、線径、巻数等のばね諸元によ
り規定される円筒形状のばね素材に螺旋溝を削設して製
造した円筒形状圧縮ばねで成り、その円筒形状の内周面
が前記円筒形状の全長にわたって前記主軸又はドローバ
ーの外周部に対して軸線方向に滑動し、かつ座り良く嵌
合され、前記主軸への前記工具のクランプ時に前記ドロ
ーバーを後方に付勢する弾性付勢手段と、前記弾性付勢
手段の付勢力に抗して、前記ドローバーを前方へ移動さ
せるアンクランプ手段と、を具備することを特徴とした
主軸装置に係るものである。 【０００６】 【作用】主軸の内部に軸線方向に移動可能に挿着された
ドローバーの後端部の外周に円筒形状圧縮ばねを嵌挿
し、前記圧縮ばねを主軸の後端部との間で圧縮して組付
けた場合は、主軸の先端部への工具のクランプ時、一
旦、前記圧縮ばねの付勢力に抗してドローバーを前方へ
押し出して工具把持部に工具を係合させた後、前記圧縮
ばねの付勢力を作用させてドローバーを主軸の内部に引
き込み、ドローバーの工具把持部に係合した工具を主軸
にクランプする。また、ドローバーを軸線方向に対し移
動可能に内部に挿着した主軸の後端部の外周に円筒形状
圧縮ばねを嵌挿し、前記圧縮ばねを主軸の後端部段付面
との間で圧縮して組付けた場合は、主軸の先端部への工
具のクランプ時に、前記圧縮ばねの付勢力を作用させド
ローバーを主軸の内部に引き込み、ドローバーの工具把
持部に係合した工具を主軸にクランプするようにしてい
る。 【０００７】 前記円筒形状圧縮ばねは、外径、内径、
長さ、線径、総巻数、ばね定数等、ばね諸元が与えられ
長さ方向の端面を平面状に形成された形状に加工するに
当って、前記ばねを主軸またはドローバーに取り付けた
ときにそれらの外周面とばね内径面との嵌合が適切で座
りが良いように予め成形することが容易である。すなわ
ち、円筒形状圧縮ばねと主軸またはドローバーとのセン
ター合わせが容易で、主軸を高速回転させてもバランス
が良く、安定した工具クランプ力を発生することができ
る。また、圧縮コイルばねの内径面と主軸またはドロー
バーの外周面との相互の滑動が円滑で、工具のクランプ
が安定、かつ確実である。 【０００８】 【発明の実施の形態】以下に、本発明の一実施形態につ
いて説明するが、本発明の構成要件のうちには、本発明
の出願当時の当業界の技術水準の範囲内で、適宜に変更
可能な部材を含むから、本実施形態のみに基づいて、発
明の要旨を減縮して解することは許されない。 【０００９】図１は、本発明の主軸装置の一実施形態の
側断面図を示し、主軸頭（ハウジング）７には、その先
端部と中間部にそれぞれベアリング押えを用いて固着し
たフロントベアリング９及びリヤベアリング11により回
転可能に軸支された中空主軸１が設けられている。前記
主軸１は前記両持ちに支承された軸受９、11の間に固定
したギヤ13を介してモータ（図示省略）により回転駆動
され、その下端には工具のテーパシャンクが当接するテ
ーパ穴が形成されている。なお、前記フロントベアリン
グ９及びリヤベアリング11は、それぞれカラーを間に挾
んだ一対のボールベアリングより構成され、その外輪は
ベアリング押えにより主軸頭７側に、内輪はロックナッ
トを用いて主軸１側に固定されている。したがって、主
軸１は主軸頭７に対し回転自在に軸支されるが、軸線方
向には拘束される構造となっている。 【００１０】前記主軸１は、その内部にドローバー３が
軸線方向に滑動可能に嵌挿され、前記ドローバー３の下
端部には主軸１のテーパ穴の底部に近接して工具把持部
15が設けられている。上端部には、ばね押え17を組付け
て、前記ばね押え17と主軸１の段付肩部19との間で前記
主軸１の外周に円筒形状圧縮ばね21を嵌挿し、主軸１に
対してドローバー３を常時、上方に付勢している。な
お、前記ばね押え17には緩み止めが付設されている。前
記主軸頭７の上部に固着したシリンダ取付台23に、前記
ばね押え17に対向してアンクランプシリンダ25及びアン
クランプピストン27を設け、かつアンクランプシリンダ
25に対して圧縮空気を供給、排気するためのエア導入口
29を連通して構成する。 【００１１】前記エア導入口29を通してエアを前記アン
クランプシリンダ25内に供給することによりシリンダ25
からアンクランプピストン27を下方に押出し、前記ピス
トン27がばね押え17を介してドローバー３を圧縮ばね21
の付勢力に抗して軸線方向下方に変位させる。この間に
前記ドローバー３の工具把持部15に工具を交換、または
係合させ、その後、アンクランプシリンダ25からエア抜
きをして圧縮ばね21の付勢力を開放すると、ドローバー
３は工具把持部15に工具を係合したまま、ばね押え17を
介して軸線方向上方に変位し、主軸１の先端部のテーパ
穴に工具のテーパシャンクを当接、装着する。 【００１２】工具交換が生じた場合は、さきに述べたと
おり、前記エア導入口29を通してエアをアンクランプシ
リンダ25内に供給することによりシリンダ25からアンク
ランプピストン27を下方に押出し、圧縮ばね21の付勢力
に抗してドローバー３を軸線方向下方に変位させ、それ
により主軸１のテーパ穴と工具のテーパシャンクとの間
を離反し、ドローバー３の工具把持部15から工具を取外
すことが可能となる。 【００１３】本実施形態によれば、円筒形状圧縮ばね21
の組付け時の内径と主軸の段付肩部19より上方の前記圧
縮ばね21が嵌挿されている主軸１の軸径とが略、一致し
ているので、主軸１の先端部のテーパ穴に工具のテーパ
シャンクを当接、嵌着したまま主軸１を高速回転させて
も、ドローバー３、ばね押え17及び圧縮ばね21の重心が
偏る要素が無いか、有ったとしても極々小さいので、高
速回転に伴う振動の発生を回避することができる。図４
に示したような従来装置においては、さきにも述べたと
おり、円筒形状圧縮ばね21の代わりに複数枚の皿ばね５
を直列に、かつ圧縮力を受けたまま挿着しているので、
主軸１の高速回転に際しは重心の偏りが生じ振動が発生
しがちであるが、本実施形態によれば、圧縮ばね21は主
軸１の外周に精度良く嵌挿しているので、重心の変位は
生ぜず、振動の発生を避けることができる。のみなら
ず、主軸１の外周面と圧縮コイルばね21の内径面との間
でこじりが生ぜず、伸縮が円滑にできるから、安定した
工具のクランプ力を発生することができる。 【００１４】図２は、本発明主軸装置の別の実施形態の
要部側断面図を示すもので、添付符号のうち、図１に表
記した符号と同一のものは、図１の場合の説明と同一の
部材を示す。本実施形態における円筒形状圧縮ばね21の
内径は、殆ど、ドローバー３の外径と同径であり、両者
は緩み無く、かつ相互に軸線方向に滑動可能に嵌挿され
ている。前記圧縮ばね21の一方の端面は主軸１の段付肩
部に接触しており、その圧縮ばね21はドローバー３のバ
ネ押え17との間で圧縮、装着されている。その他の構成
については、前記第一実施形態と同一である。主軸１に
対する工具の着脱、交換の操作についても第一実施形態
において説明したとおりである。また、作用、効果にお
いても第一の実施形態と同一である。 【００１５】図３（ａ），（ｂ）は、本発明実施形態の
主軸装置に用いられた円筒形状圧縮ばね21の自由状態の
拡大平面図及び側面図を示し、前記圧縮ばね21の形状
は、内、外径寸法、特に内径ｂの寸法、形状（円）精度
が良く、さきに述べた実施形態における主軸１またはド
ローバー３の外径に略、隙間なく装挿することができ、
両者間で同心嵌合が可能なように構成されている。ただ
し、前記圧縮ばね21は、特定の圧縮状態で組付けられて
いるために、正しくは、その圧縮状態における圧縮ばね
21の内径ｂの寸法、形状（円）が、それぞれ主軸１また
はドローバー３の外周に隙間なく嵌挿するようにしなけ
ればならない。 【００１６】この円筒形状圧縮ばね21は、たとえば、ば
ね鋼を旋削して外径ａ、内径ｂ、少なくとも軸線方向長
さｃを備えた円筒形状素材に成形した後、負荷、線径、
巻数など、与えられたばね諸元に従って、前記円筒形状
素材に螺旋溝31を削設、形成する。図においては、前記
螺旋溝31の端が圧縮ばね21の端面33の直前で終了し、両
端のばね座35は継目なしの環状体を形成しているが、螺
旋溝31の端が端面33に開放している場合もあり得る。何
れにしても、圧縮ばね21の端面33は軸線に対し直角平面
であることが要求される。円筒形状素材に所定の螺旋溝
31を削設した後、軸線方向長さｃに切り落とし、必要に
応じ熱処理して形成する。 【００１７】もっとも、上記成形方法は一例を述べたに
過ぎず、上述のプロセスに限られるものではない。要す
るに、製品として図３に示されたような形状の角形断面
の圧縮コイルばねが得られればよい。以上のような次第
であるので、ばね鋼線を冷間塑性変形してコイルばねを
構成したものに較べ、成形加工後、線材の弾性戻りが無
く、均一形状、特性のばねを成形し易く、装着対象に密
に嵌挿してガタが無いばかりでなく、伸縮動作も円滑で
機能にムラがなく構成することができるから、高速回転
が要求されている本発明主軸装置の工具着脱機構に採用
するのに好適である。 【００１８】 【発明の効果】本発明によれば、主軸の内部を軸線方向
に移動可能に挿着されたドローバーの外周に複数枚の皿
ばねを直列に挿入する代わりに、外径、内径、長さ、線
径、巻数等のばね諸元により規定される円筒形状のばね
素材に螺旋溝を削設して製造した円筒形状ばねを装挿
し、その圧縮ばねの内径を主軸またはドローバーの外周
に嵌合する構成として、前記圧縮ばねの付勢力によりド
ローバーを主軸の内部に引き込ませることにより主軸の
先端部に工具をクランプするようにしたから、前記圧縮
ばねの主軸またはドローバーの外周に対する取付位置が
正確に決まり、主軸を高速回転させても、バランスが崩
れず、主軸に振動が発生することは少ない。また、圧縮
ばねの内径とドローバーの外周面との相互の滑動が円滑
に行われ、工具のクランプを安定、かつ確実に行うこと
ができる。 【００１９】さらに、複数枚の皿ばねを直列に重ねて、
工具クランプ手段の付勢力の発生に用いた従来の主軸装
置のように、皿ばね同士の座りの悪さの問題がなく、皿
ばねとドローバーまたは主軸の外周面との間でこじりが
発生することがないから、安定した工具クランプ力を発
生することができる。等々、従来装置には期待すること
ができない、格別の作用、効果を奏することができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明主軸装置の一実施形態の側断面図であ
る。 【図２】本発明主軸装置の別の実施形態の要部側断面図
である。 【図３】本発明実施形態の主軸装置に用いられる円筒形
状圧縮ばねの拡大平面図および側面図である。 【図４】皿ばねを弾性付勢手段として用いた従来の主軸
装置の要部側断面図である。 【符号の説明】 １ 主軸 ３ ドローバー ７ 主軸頭 ９ フロントベアリング 11 リアベアリング 15 工具把持部 21 円筒形状圧縮ばね 25 アンクランプシリンダ 27 アンクランプピストン 29 エア導入口 31 螺旋溝

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 実開 昭53−90284（ＪＰ，Ｕ) 実公 平１−31373（ＪＰ，Ｙ２) 実公 昭50−762（ＪＰ，Ｙ１) 特表 平９−505004（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23B 31/00 - 31/20

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 ハウジングに対して回転可能に支持した
   主軸の先端部に工具を装着する主軸装置において、 前記主軸の内部に挿入され、前記工具を着脱可能に把持
   する工具把持部を有したドローバーと、 外径、内径、長さ、線径、巻数等のばね諸元により規定
   される円筒形状のばね素材に螺旋溝を削設して製造した
   円筒形状圧縮ばねで成り、その円筒形状の内周面が前記
   円筒形状の全長にわたって前記主軸又はドローバーの外
   周部に対して軸線方向に滑動し、かつ座り良く嵌合さ
   れ、前記主軸への前記工具のクランプ時に前記ドローバ
   ーを後方に付勢する弾性付勢手段と、 前記弾性付勢手段の付勢力に抗して、前記ドローバーを
   前方へ移動させるアンクランプ手段と、 を具備することを特徴とした主軸装置。