JP4041986B2

JP4041986B2 - 工作機械

Info

Publication number: JP4041986B2
Application number: JP2004000261A
Authority: JP
Inventors: 満穂青木; 康司森田; 好史稲垣; 澄雄杉田
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2004-01-05
Filing date: 2004-01-05
Publication date: 2008-02-06
Anticipated expiration: 2024-01-05
Also published as: JP2006007329A

Description

本発明は、例えばフライス盤やマシンニングセンタ等の工作機械に関する。

従来の工作機械の一例としては、主軸頭のハウジングを前部ハウジングと後部ハウジングとに分割し、両者をボルトで締結しているものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

このような工作機械では、カートリッジ全体ではなく、ビルトインモータのステータと、外筒とを主軸頭に残し、軸、前軸受、前軸受ハウジング、ビルトインモータのロータ、後軸受、後軸受ハウジングを主軸サブカートリッジとして取り外すようにしている。
２００３−１５９６２２号公報（第４−５頁、図１）

ところで、故障や寿命の到達により、主軸装置を交換する場合、軸受やステータを個別に主軸頭に組み込む構成のものでは、交換作業に時間がかかり、機械のダウンタイムが増大する。そこで、工作機械をカートリッジとして主軸頭に対して一体的に分割、組付可能な構造とすることにより、交換時間を短縮できることが知られている。

主軸及び軸受の交換に際し、主軸カートリッジ全体が抜ける構造を有するものもあるが、この構造では、ビルトインモータ方式の場合に、油空圧管や電線を引き離す必要があり、作業に時間がかかる。

これに対し、上記特許文献１では、カートリッジ全体ではなく、ビルトインモータのステータと、外筒とを主軸装置に残し、軸、前部軸受、前部軸受ハウジング、ビルトインモータのロータ、後部軸受、後部軸受ハウジング、を主軸サブカートリッジとして、一体的に取り出せるようになっている。しかし、主軸カートリッジの分解のときに、主軸頭内部に入り込んでいる主軸カートリッジの部分を主軸頭からすべて抜き取る必要があるが、主軸カートリッジは重量物のために、人力で抜くことはできない。

そこで、主軸カートリッジを工作機械のワークテーブルに固定して、主軸の軸方向と平行な送り軸であるＺ軸送りを利用して抜くと安全かつ短時間に抜くことができる。ところが、主軸カートリッジを主軸頭から完全に抜くために必要な長さよりも、Ｚ軸移動量の方が短いと、Ｚ軸送りを利用した抜き取りが不可能になる。

また、主軸カートリッジを分解するときに、多くの油空圧管や電線を切り離す作業が必要であり、交換時間が長い。これに対して、主軸サブカートリッジの場合は多くの油空圧管や電線を切り離す作業は必要ないが、主軸サブカートリッジを主軸頭から完全に抜くために必要な長さよりも、Ｚ軸移動量の方が短いと、Ｚ軸送りを利用した抜き取りが不可能になる点は同じである。

一方、主軸カートリッジの側面に平らな取付け面を設け、主軸頭に対し側面から固定する構造であれば、Ｚ軸移動量と関係なく、主軸カートリッジを主軸頭から分解することができる。しかし、この方法は主軸カートリッジの側面のみで荷重を受けるため、締結剛性が低くなり、剛性面で不適当である。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、主軸カートリッジまたは主軸サブカートリッジを短時間で分解・組付可能で、且つ最小限の機械高さに抑え、且つ剛性の高い工作機械を提供することにある。

１）前述した目的を達成するために、本発明は、回転自在な回転軸と、内輪に前記回転軸の前端が内嵌された前側軸受と、前記前側軸受の外輪が内嵌された前側ハウジングと、ビルトインモータのロータと、内輪に前記回転軸の後端が内嵌された後側軸受と、前記後側軸受の外輪が内嵌された後側ハウジングと、を備える主軸サブカートリッジと、
ビルトインモータのステータを有して、主軸頭に内嵌されるとともに、前記前側ハウジングが前方に延びた状態で内嵌される外筒と、
前記後側ハウジングを軸方向に移動自在に内嵌し、前記後側ハウジングよりも後方に延びる後側アウターハウジングと、
を備え、
前記主軸サブカートリッジが前記外筒に挿入されるために必要な長さよりも、前記回転軸の軸方向と平行な送り軸方向への移動量の方が長く設定されていることにより、
前記主軸サブカートリッジが、前記外筒と締結または該締結を解除することで、前記外筒に対して一体的に分解可能且つ組付可能であり、
前記外筒及び前記後側アウターハウジングは、前記主軸頭に前記外筒を締結または該締結を解除することで、前記主軸頭に対して一体的に分解可能且つ組付可能であることを特徴としている。

このようにすると、回転軸の軸方向と平行な送り軸方向であるＺ軸移動量の方が、主軸サブカートリッジが主軸頭に挿入されるために必要な長さよりも長いために、Ｚ軸送りを利用した抜き取りを容易に行うことができる。

本発明によれば、従来のような、点検・修理・交換の作業に時間がかかる、剛性が低い、という問題を解消でき、これらにより、主軸サブカートリッジが短時間で分解・組付可能で、且つ最小限の機械高さに抑え、且つ剛性の高い工作機械を提供することができる。

以下、本発明に係る複数の好適な実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る工作機械の第１実施形態を示す側面図、図２は図１に示す工作機械に用いる主軸カートリッジの断面図である。

また、図３は本発明に係る工作機械の第２実施形態を示す側面図、図４は図３に示す工作機械に用いる主軸サブカートリッジの断面図、図５〜図７は図３に示す工作機械における主軸サブカートリッジの取り外し手順を示す説明図、図８は本発明に係る工作機械の第３実施形態を示す側面図である。

図１に示すように、本発明の第１実施形態である工作機械１０は、回転自在な回転軸１１と、内輪（図２に示す）１３，１３に回転軸１１の前端が内嵌された前側軸受（図２に示す）１２，１２と、前側軸受１２，１２の外輪（図２に示す）１４，１４が内嵌された前側ハウジング（図２に示す）１５と、ビルトインモータ１６のロータ１７と、ビルトインモータ１６のステータ１８と、内輪（図２に示す）２０に回転軸１１の後端が内嵌された後側軸受（図２に示す）１９と、主軸頭２１に内嵌される外筒２２と、から構成された主軸カートリッジ２３を備え、主軸カートリッジ２３が、主軸頭２１に対して一体的に分解可能且つ組付可能である。

そして、主軸頭２１が、主軸カートリッジ把持部２４を軸方向に有し、主軸カートリッジ２３が、当該主軸カートリッジ把持部２４に挿入されている。また、主軸カートリッジ２３が主軸頭２１に挿入されるために必要な長さよりも、回転軸１１の軸方向と平行な送り軸方向への移動量の方が長く設定されている。

工作機械１０は、立形マシンニングセンタであって、ベッド８０にコラム８１が立設固定されており、ベッド８０上に配されたＹ軸案内レール８２に支持されながら、ワークテーブル８３がコラム８１に対して進退する、回転軸１１の軸方向と直交する送り軸方向であるＹ軸方向に移動する。コラム８１の上端部には、Ｘ軸案内レール８４が配されており、このＸ軸案内レール８４に支持されながら、サドル８５がコラム８１に対する横方向（図１中の前後方向）に、回転軸１１の軸方向と直交する送り軸方向であるＸ軸方向に移動する。サドル８５の先端部には、Ｚ軸案内レール８６が配されており、このＺ軸案内レール８６に支持されながら、主軸頭２１が回転軸１１の軸方向と平行な送り軸方向であるＺ軸方向に、ワークテーブル８３に対して進退移動する。

主軸カートリッジ２３は、回転軸１１と、前側軸受１２と、前側ハウジング１５と、ビルトインモータ１６を構成するロータ１７と、同じくビルトインモータ１６を構成するステータ１８と、後側軸受１９と、後側ハウジング２７と、外筒２２と、から構成されている。

回転軸１１は、ステータ１８の内周部に非接触にしてロータ１７を有する。ロータ１７は、ステータ１８が発生した回転磁界により、回転軸１１を回転させる。回転軸１１は、内装されたドローバ（不図示）を介して工具ホルダ（不図示）に連結される。

外筒２２は、円筒形状に形成されており、内周面にステータ１８が固定されている。ステータ１８は、モータ電力ケーブル（不図示）を通じて与えられた電流により、内周側に回転磁界を発生する。

前側ハウジング１５は、円筒形状に形成されており、外筒１１の前端部に固定されている。

後側ハウジング２７は、円筒形状に形成されており、外筒１１の後端部に固定されている。後側ハウジング２７には、ドローバを押圧するために進退移動するロータリージョイント（不図示）を内装したツールアンクランプシリンダ２８が結合されている。

図２に示すように、前側軸受１２，１２は、複列のアンギュラ玉軸受であって、内輪１３，１３に回転軸１１の前端部がそれぞれ内嵌されており、外輪１４，１４が前側ハウジング１５にそれぞれ内嵌されている。

後側軸受１９は、単列のアンギュラ玉軸受であって、内輪２０に回転軸１１の後端部が内嵌されており、外輪２９が後側ハウジング２７に内嵌されている。

第１実施形態の工作機械１０によれば、主軸カートリッジ２３が主軸頭２１に挿入されるために必要な長さよりも、回転軸１１の軸方向と平行な送り軸方向への移動量の方が長く設定されている。これにより、回転軸１１の軸方向と平行な送り軸方向であるＺ軸移動量の方が、主軸カートリッジ２３が主軸頭２１に挿入されるために必要な長さよりも長いために、Ｚ軸送りを利用して抜き取りを容易に行うことができる。

次に、図３〜図７を参照して、本発明に係る工作機械の第２実施形態について説明する。なお、第２実施形態以下の各実施形態において、既に説明した部材等と同様な構成・作用を有する部材等については、図中に同一符号または相当符号を付することにより、説明を簡略化或いは省略する。

図３に示すように、第２実施形態の工作機械３０は、回転自在な回転軸１１と、内輪１３に回転軸１１の前端が内嵌された前側軸受１２と、前側軸受１２の外輪１４が内嵌された前側ハウジング１５と、ビルトインモータ１６のロータ１７と、内輪２０に回転軸１１の後端が内嵌された後側軸受１９と、後側軸受１９の外輪２９が内嵌された後側ハウジング２７と、から構成された主軸サブカートリッジ３１を備え、主軸サブカートリッジ３１が、主軸頭２１に対して一体的に分解可能且つ組付可能である。また、主軸サブカートリッジ３１が主軸頭２１に挿入されるために必要な長さよりも、回転軸１１の軸方向と平行な送り軸方向への移動量の方が長く設定されている。

立形マシンニングセンタの工作機械の場合、Ｚ軸案内レール８６に支持されながらＺ軸方向に移動する主軸頭２１のＺ軸移動量Ｌ３が長くなると、必然的に機械高さＨ１が高くなる。機械高さＨ１は、道路運搬時の高さ、機械搬入・搬出時の工場入口・出口部の高さ、設置場所の天井高さの制限を受ける。このため、機械高さＨ１はできるだけ低い方が望ましい。そこで、工作機械３０では、主軸サブカートリッジ３１を主軸頭２１から完全に引き抜くために必要な長さＬ４は主軸カートリッジ１０を引き抜くために必要な長さＬ１より小さいため、Ｚ軸移動量Ｌ３を短くでき、結果的に、機械高さＨ１を低くできる。

図４に示すように、主軸サブカートリッジ３１は、ステータ１８の内径φＤ１よりも、後側ハウジング２７の外径φＤ２の方が小さい。そして、主軸サブカートリッジ３１は、後側ハウジング２７が、この後側ハウジング２７を内嵌している後側アウターハウジング３２に対して、図４中下方へ軸方向に自由に移動できる。これにより、主軸サブカートリッジ３１は外筒２２と締結しているボルト（不図示）を取外すだけで、前側ハウジング１５を先にして外筒２２から一体的にして引き抜くことができるとともに、後側アウターハウジング３２に配されている、冷却油供給ホース３３，油圧供給ホース３４，モータ動力ケーブル３５の切り離し作業をすることなく、主軸頭２１に対し一体的に分解、組み付けが可能であり、それによって、交換時間を短縮することができる。

次に、図５〜図７を参照して、工作機械３０における主軸サブカートリッジ３１の取り外し手順を説明する。
図５に示すように、まず、Ｚ軸送りを利用して主軸頭２１を最下位置Ａ１まで下降させる。そこで、前側ハウジング１５の外筒２２への固定を解除する。

図６に示すように、Ｚ軸送りを利用して主軸頭２１を最上位置Ａ２まで上昇させる。主軸頭２１は、ステータ１８を有する外筒２２，後側アウターハウジング３２といっしょに上昇するため、主軸サブカートリッジ３１のみが残され、この主軸サブカートリッジ３１を一体的に取外すことができる。

図７に示すように、主軸頭２１の外筒２２に対する締結を解除することにより、残りの、ステータ１８を有する外筒２２，後側アウターハウジング３２等の部品を取外すことができる。このとき、残りの、ステータ１８を有する外筒２２，後側アウターハウジング３２等の部品を一体的に取り出すためには、残りの部品の全長Ｌ５よりも、主軸頭２１の下面からワークテーブル８３の上面までの距離Ｌ６の方が長くなければならないが、主軸サブカートリッジ３１が予め分解済みのために、Ｌ５＜Ｌ６の関係を構成するのが容易である。それにより、Ｚ軸移動量Ｌ３を短くでき、機械高さＨ１を低くすることができる。

第２実施形態の工作機械３０によれば、回転軸１１と、前側軸受１２と、前側ハウジング１５と、ロータ１７と、後側軸受１９と、後側ハウジング２７と、から主軸サブカートリッジ３１が構成され、この主軸サブカートリッジ３１が、主軸頭２１に対して一体的に分解可能且つ組付可能に配される。従って、工作機械３０全体を分解することなく、点検・修理・交換が必要な、主軸サブカートリッジ３１を主軸頭２１から単体で取り外して分解・組み付けを行うことができる。

次に、図８を参照して、本発明に係る工作機械の第３実施形態について説明する。
図８に示すように、第３実施形態の工作機械４０は、主軸カートリッジ２３が、単体で一体的に分解且つ一体的に組付可能である。また、主軸頭４１が、主軸カートリッジ２３を収容する主軸カートリッジ把持部２４を有する。また、主軸頭４１の主軸カートリッジ把持部２４が、少なくとも半分に分割する位置で分割・展開可能である。

工作機械４０は、主軸頭４１が、回転軸中心線４２の部分で分割された第１主軸頭部４３，第２主軸頭部４４を有し、両主軸頭部４３，４４がボルト４５によって締結されている。そして、主軸カートリッジ２３が、フランジ部２５を介して、一体化した第１主軸頭部４３，第２主軸頭部４４の両方にボルト２６によって締結されている。

工作機械４０では、主軸カートリッジ２３を交換するときに、ボルト４５を取り外して第１主軸頭部４３を第２主軸頭部４４から取り外すことにより、Ｚ軸ストロークの長さに関係なく、主軸カートリッジ２３を単体で一体的に取り外すことができ、その作業を容易に行うことができる。ここで、第２主軸頭部４４は人が持つことのできる質量に設定されている。

尚、本発明に係る工作機械は、前述した各実施形態に限定されるものではなく、適宜な変形、改良等が可能である。
例えば、マシンニングセンタに適用される他に、ＮＣ工作機械や、手動で送り動作を行う汎用工作機械等に適用しても良い。

また、前側・後側軸受は、アンギュラ玉軸受に限らず、深溝玉軸受や各種ころ軸受、等の転がり軸受であっても良い。

本発明に係る工作機械の第１実施形態を示す側面図である。図１に示した工作機械に用いる主軸カートリッジの断面図である。本発明に係る工作機械の第２実施形態を示す側面図である。図３に示した工作機械に用いる主軸サブカートリッジの断面図である。図３に示した工作機械における主軸サブカートリッジの取り外し手順を示す説明図である。図３に示した工作機械における主軸サブカートリッジの取り外し手順を示す説明図である。図３に示した工作機械における主軸サブカートリッジの取り外し手順を示す説明図である。本発明に係る工作機械の第３実施形態を示す側面図である。

符号の説明

１０，３０，４０工作機械
１１回転軸
１２前側軸受
１３内輪
１４外輪
１５前側ハウジング
１６ビルトインモータ
１７ロータ
１８ステータ
１９後側軸受
２０内輪
２１，４１主軸頭
２２外筒
２３主軸カートリッジ
２４主軸カートリッジ把持部
２７後側ハウジング
３１主軸サブカートリッジ

Claims

回転自在な回転軸と、内輪に前記回転軸の前端が内嵌された前側軸受と、前記前側軸受の外輪が内嵌された前側ハウジングと、ビルトインモータのロータと、内輪に前記回転軸の後端が内嵌された後側軸受と、前記後側軸受の外輪が内嵌された後側ハウジングと、を備える主軸サブカートリッジと、
ビルトインモータのステータを有して、主軸頭に内嵌されるとともに、前記前側ハウジングが前方に延びた状態で内嵌される外筒と、
前記後側ハウジングを軸方向に移動自在に内嵌し、前記後側ハウジングよりも後方に延びる後側アウターハウジングと、
を備え、
前記主軸サブカートリッジが前記外筒に挿入されるために必要な長さよりも、前記回転軸の軸方向と平行な送り軸方向への移動量の方が長く設定されていることにより、
前記主軸サブカートリッジが、前記外筒と締結または該締結を解除することで、前記外筒に対して一体的に分解可能且つ組付可能であり、
前記外筒及び前記後側アウターハウジングは、前記主軸頭に前記外筒を締結または該締結を解除することで、前記主軸頭に対して一体的に分解可能且つ組付可能であることを特徴とする工作機械。