JP4088221B2 - 増減速部付ドリルユニット - Google Patents

Description

本発明は、金属および合成樹脂、木材等の非金属の被加工物に対して、電気モータで回転される工具（ドリルやタップ、リーマなど）により加工を行う増減速部付ドリルユニットに関する。

従来、穴あけ加工機械として使用されるドリルユニットは、図６に示すような構成のユニットが知られている。図６は、従来のドリルユニット２０の断面図である。
図６に示すように、このドリルユニット２０は、主軸２２の先端部にドリル、タップ、リーマ等の回転工具を把持する３つ爪チャック２４を装着した主軸部Ｓと、主軸２２の基端にスピンドルギア２９が設けられ、ドリブンギア３２から回転駆動力を受け、主軸２２の先端の回転工具に回転を伝える増減速部Ｇと、主軸２２に回転駆動力を伝達するために増減速部Ｇに接続されたモータ３７を有するモータ部Ｍと、主軸部Ｓを先端側にして回転自在に収納し、増減速部Ｇとモータ部Ｍとを固定して収納した筒状の主軸ケース２１、スピンドルケース３３、ジョイント３４、モータケース３５及びターミナルホルダ４２を連ねたハウジングとで構成されている。

図７は、ドリルユニット２０の先端部の拡大断面図である。図７に示すように、主軸ケース２１の中にベアリング２３（図６参照）が嵌入され、ベアリング２３とベアリング２３との間には間座が挟持され、ベアリング２３とベアリング２３（図６参照）とのスパンを広げることで、切削力に対する踏ん張りを強めながら、主軸２２はベアリング２３、２３で回転自在に軸支されている。また、ベアリング２３の内輪２３ａは、ナット２４により主軸２２に固定され、ベアリング２３の外輪２３ｂは、ナット２５により軸方向が固定されている。さらに、ドリルユニット２０へのクーラント液の浸入対策として、Ｖリング２６を装着されてクーラント液の浸入を防止し、切り屑の直撃を防止するためにカバーに代わるスリンガ２７が主軸２２に嵌め込まれている。
しかしながら、Ｖリング２６は、接触形であるため、接触部での摩擦熱により、主軸２２が暖まり、膨張して先端部が伸び、ドリル加工では全く問題にはならないが、エンドミル加工では主軸２２の伸びによりエンドミル加工に支障を起すという問題があった。

また、図８は、従来のドリルユニット２０の冷却乾燥空気の流通経路について説明した拡大断面図である。
図８に示すように、ジョイント３４の長手方向の中央部には、冷却乾燥空気を供給する供給口３４ａが設けられており、ターミナルホルダ４２の端面には排出口３４ｈが設けられている。供給口３４ａには空圧ホース接続用のジョイント（図示せず）が螺着され、空圧ホースはジョイントの接続部に嵌入されている。冷却乾燥空気供給源（図示せず）から冷却乾燥空気を供給し、空圧ホースを介して供給される。
冷却乾燥空気の経路について、太線の矢印を参照して説明する。供給口３４ａから供給された冷却乾燥空気は、ジョイント３４の側面に穿設された横穴３４ｂを通り、ステータ（固定子）３７の巻き線の間３４ｃを通り、モータ３７のステータ３７ｂとロータ３７ａとの隙間３４ｄを通り、モータ３７から発生した熱を回収して、３４ｅ、３４ｆ、３４ｇを経由してターミナルホルダ４２の端面に設けた排出口３４ｈより暖気として排出される。このように、乾燥した冷却空気（ドライエア）を通すことにより、ステータ３７ｂの熱を外に排除することができることから、モータ部の温度上昇を回避できるため、長時間運転が可能である。
特開２００１−０９３１２０号（［０００２］［００１４］〜［００２４］、図１、図２、図４、図５）

しかしながら、図８に示すように、従来のドリルユニット２０では、冷却乾燥空気がモータ部以外の、増減速部Ｇのギアやベアリングなどに流れた場合、冷却乾燥空気は、細線の矢印の経路ａのように回遊して潤滑用グリースを吹き飛ばしてしまい、ギア（歯車）やベアリングを潤滑レス状態にして早期に破損させるという問題があった。そのために、定期的に分解してグリースを給油しなければならないという問題があった。
また、従来のドリルユニット２０では、従来、金属、木材および合成樹脂等の大型から中型の被加工物に穴あけやネジ立て等の加工作業をする場合、比較的簡単にかつ安価に製作できる穴あけ加工機械として、穴あけ加工ユニット２０が使用されている。
また、図６に示すように、従来のドリルユニット２０は前進・後退自在に摺動させる機能がないため、図示しない穴あけ加工機械のような、例えば被加工物に対向して受け台に垂直に設けられた取り付け板に配置された複数の穴あけ加工ユニットの他に、受け台を前後方向（Ｚ軸）に前進・後退自在に摺動させるガイドレールと、一端が受け台の下部に設けたナットに螺合され、他端がモータ軸に連結されたボールネジと、ボールネジを回転させるための回転駆動力を供給するサーボモータから構成される駆動装置が必要であった。

そこで、本発明は、前記問題点を解決するために創案されたもので、Ｖリングのような接触型のシールがなく、モータ部の冷却を行うとともに、歯車による増減速部やベアリングの潤滑も行い、主軸先端部においては、水や切粉の浸入を防止する増減速部付ドリルユニットを提供するとともに、前進・後退自在に摺動させる駆動装置を不要とする増減速部付ドリルユニットを提供することを課題とする。

請求項１記載の発明は、前記課題を解決するために創案された増減速部付ドリルユニットであって、主軸の先端にドリル、エンドミル等の回転工具を装着する主軸部と、前記主軸部に連結された歯車による増速、減速を行う増減速部と、前記増減速部を介して、前記主軸部に回転駆動力を伝達するモータ部と、前記主軸部、前記増減速部および前記モータ部を収容した筒状のクイルと、前記クイルの後部に連結され、前記クイルを進退自在に前進、後退させるピストンとシリンダとが配設されたピストン部と、前記クイルをガイドするハウジングと、からなる増減速部付ドリルユニットであって、
前記クイルの外周に筒状のハウジングおよびカバーを設け、前記ハウジングと、このハウジングの外側に設けた前記カバーとを２重構造に配設し、前記カバーの後端部より供給されたオイルミストエアを前記モータの外周に設けられた逃がし部に通し、さらに、オイルミストエアを各ベアリングのボールと内外輪との隙間と、前記増減速部の歯車同士の歯面隙間を通すと共に、前記主軸先端の隙間からオイルミストエアを噴射させることを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、オイルミストエアをモータ部に通し、モータ部の冷却を行うとともに、増減速部の歯面やベアリングのボールの潤滑も行い、さらに、主軸先端部においては、オイルミストエアが噴射して水や切粉の浸入を防止することができる。また、オイルミストエアの噴射により水や切粉の浸入を防止することができることから、Ｖリングのような接触型のシールが不要になり、摩擦熱による温度上昇もない増減速部付ドリルユニットを提供することができる。さらに、クイルの後部に連結されたピストンによって、クイルを進退自在に移動できることから、前進・後退自在に摺動させる駆動装置を不要とすることができ、複数のドリルユニットの組み合わせであっても、それぞれの工具に合わせてタイミングを図ることができる。

また、ハウジングを２重構造にしたことにより、オイルミストエアをモータ部の回りにオイルミストエアを通してモータ部の冷却を行うとともに、増減速部の歯車の歯面やベアリングのボールと転動溝との潤滑を行い、さらに、主軸先端部においては、オイルミストエアが噴射して水や切粉の浸入を防止することができる増減速部付ドリルユニットを提供することができる。

請求項１に記載の発明によれば、オイルミストエアをモータ部に通し、モータ部の冷却を行うとともに、増減速部の歯面やベアリングのボールの潤滑も行い、さらに、主軸先端部においては、オイルミストエアが噴射して水や切粉の浸入を防止することができる。また、オイルミストエアの噴射により水や切粉の浸入を防止することができることから、Ｖリングのような接触型のシールが不要になり、摩擦熱による温度上昇もない増減速部付ドリルユニットを提供することができ、さらに、クイルの後部に連結されたピストンによって、クイルを進退自在に移動できることから、前進・後退自在に摺動させる駆動装置を不要とすることができる。

また、ハウジングを２重構造にしたことにより、オイルミストエアをモータ部の回りにオイルミストエアを通してモータ部の冷却を行うとともに、増減速部の歯車の歯面やベアリングのボールと転動溝との潤滑を行い、さらに、主軸先端部においては、オイルミストエアが噴射して水や切粉の浸入を防止することができる増減速部付ドリルユニットを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、全体を示し、図１（ａ）は、後退位置を示す本発明の増減速部付ドリルユニット１０の断面図であり、図１（ｂ）は、前進位置を示す本発明の増減速部付ドリルユニット１０ａの断面図である。図２（ａ）、（ｂ）は、後退位置を示す図１（ａ）を拡大した拡大断面図である。
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、増減速部付ドリルユニット１０は、主軸１の先端にドリル、エンドミル等の回転工具を３つ爪チャック２４によって把持して装着する主軸部Ｓと、主軸部Ｓを先端側にして回転自在に収容した筒状のクイル２と、クイル２内の先端側に収容され、主軸部Ｓの主軸１の後端に連結された太陽歯車８ａと、遊星歯車９ａ、９ａ、内歯歯車９ｂ等による遊星歯車装置、つまり、増速、減速を行う増減速部Ｇと、クイル２内の後端（図の右）側に収納され、主軸１に回転駆動力を伝達するモータ１５を有するモータ部Ｍと、クイル２の後部に連結され、クイル２を進退自在に前進、後退させるシリンダ４と、ピストン５とが配設されたピストン部Ｐと、クイル２をガイドするハウジング６と、から構成されている。

図２（ａ）、（ｂ）に示すように、ハウジング６の外周に筒状のカバー７を設け、ハウジング６を２重構造とし、カバー７の後端に配設したエンドカバー１８より供給されたオイルミストエアをシリンダ４の外周に設けられた逃がし部７ｄを通し、モータ１５の外周に設けられたクイル２の溝２ｅに通してモータ１５を冷却する。さらに、オイルミストエアによってベアリング３Ａ、３Ｂ、３Ｃのボールと転動溝（図示せず）との隙間を通すことにより、ボールと転動溝の潤滑をする。また、増減速部Ｇの太陽歯車（ピニオンギア）８ａ、遊星歯車９ａ、９ａ、内歯歯車９ｂの歯面の隙間を通すことにより、歯面の潤滑をすると共に、主軸のカバー１３と外ナット１２ｂとラビリンス構造を有し、かつ外ナット１２ｂの端面に溝１２ｃを設けて隙間を配設した先端部隙間Ｅから切粉の侵入防止とクーラント水の浸入防止のために内圧をかけて大気中に噴射させる。その結果、Ｖリングのような接触するシールが不要になり、モータ部の冷却を行うとともに、増減速部Ｇやベアリングの潤滑も行い、主軸先端部においては、水や切粉の浸入を防止する増減速部付ドリルユニット１０を提供することができる。

以下、本発明に係る増減速部付ドリルユニット１０、１０ａを詳細に説明する。
図２（ａ）に示すように、主軸部Ｓは、主軸１と３つ爪チャック２４（図１参照）から構成されている。主軸１は、前部と後部にベアリング３Ａ、３Ａ、３Ｂによって回転自在に軸支されている。主軸１の後部には、２つの溝が設けられている。
図５は、図２に示すＤ−Ｄ線の拡大断面図である。図５に示すように、溝の中央には２つのピン１ａ、１ａがそれぞれ遊星歯車９ａ、９ａの穴に挿通されて嵌入され、両端支持された状態になっており、遊星歯車９ａ、９ａは、それぞれこの溝幅に対して遊嵌されて回転自在に配設されている。また、遊星歯車９ａ、９ａは、シャフト８の先端に刻設された太陽歯車８ａと噛み合い、さらに、クイル２の先端の内周には、内歯歯車９ｂが配設され、クイル２とは半月キー２ｋによって一体となっている。内歯歯車９ｂは、主軸１の前部と後部に配置されたベアリング３Ａ、３Ｂの外輪３ｂ（図２（ａ）参照）によって挟持され、先端面には複数の溝が設けられた外ナット１２ｂによって螺着されており、ベアリング３の内輪３ａは、内ナット１２ａによって螺着されている。そして、先端部を覆うカバー１３が主軸１に螺入されている。外ナット１２ｂの先端面にはラビリンス構造を有し、さらに複数の溝が設けられ、この溝を通って、先端部隙間Ｅから大気中にオイルミストエアが噴射される。

増減速部Ｇは、主軸部Ｓとモータ部Ｍとの間に配設されている（図１参照）。増減速部Ｇは、主軸１の後部に設けられた遊星歯車９ａ、９ａとクイル２の内周に嵌着された内歯歯車９ｂと、モータ１５に連結されたシャフト８の太陽歯車８ａとから構成されている。
シャフト８はベアリング３Ｃ、３Ｃによって回転自在に軸支されている。シャフト８の先端には太陽歯車８ａが刻設され、２つの遊星歯車９ａ、９ａと噛み合う。シャフト８の後端部８ｂには窪みが形成され、樹脂材によるジョイント１６が嵌入されてピン１７によって固定されている。さらにジョイント１６の端面に設けられた係合溝には、モータ軸１５ａの先端が２面削ぎに形成され嵌合されている。このように、モータ軸１５ａとシャフト８はジョイント１６によって連結され、シャフト８の太陽（ピニオン）歯車８ａと遊星歯車９ａ、９ａが噛み合い、さらに遊星歯車９ａ、９ａが内歯歯車９ｂに噛み合うことによって、歯車による増速、減速がなされ、主軸１に所望の回転が伝達される。

モータ部Ｍは、モータ１５とプラグ１５ｂとから構成され、モータ１５はクイル２内に配置されたビルトインモータである。モータ１５は、回転しないクイル２の内周面に嵌着されたステータ（図示せず）と、モータ軸１５ａの外周に嵌着されたロータによって構成される。モータ軸１５ａを回転させるための磁界を発生させるステータ（固定子）は、クイル２内に焼き嵌め等により嵌着されており、磁界により回転するロータ（回転子）は、モータ軸１５ａに嵌着され、図示しないベアリングによって回転自在に軸支され、プラグ１５ｂによってリード線１５ｃがモータ１５の後端に接続されている。

ピストン部Ｐは、シリンダ４とピストン５との組み合わせにより、クイル２を進退自在に前進、後退させる。図２（ａ）は、ピストン５を後退させ、クイル２を引っ込めた切削に入る前の待機状態を示している。したがって、主軸１の回転は停止状態であり、これから回転が開始されるか、後退してこの待機状態となりこれから回転が停止となる場合もある。シリンダ４は、ハウジング６の後端部に設けられ、カバー７に覆われ、シリンダ４の後端は、エンドカバー１８に支持され固定されている。ピストン５は、クイル２の後端に螺設された雌ネジに螺入され、中央の穴にはプラグ１５ｂのリード線１５ｃが挿通されており、シリンダ４の内周面を摺動自在に往復動する。

ここで、本発明のオイルミストエアの経路を説明する。
図２（ｂ）に示すように、ハウジング６を支持するブロック１４には、テーパネジ１４ｂを有する供給口１４ａが設けられ、図示しない管継手およびオイルミストエア供給装置から配管されたパイプが接続されている。オイルミストエアの経路は、ブロック１４の穿孔１４ｃを通り、エンドカバー１８とスリーブ１８ａの穿孔１８ｂ、１８ｃを通り、シリンダ４の外周とカバー７との間に設けられた溝７ｃを通り、シリンダ４の外周に設けられたカバー７の逃がし部７ｄに通り、ハウジング６の穿孔６ｃと、シリンダ４とクイル２とによって形成した逃がし部６ｄを通り、クイル２の穿孔２ｃを通り、クイル２の内周面に設けられた逃がし部２ｄを通ってモータ部Ｍのモータ１５を冷却する。
そして、図２（ａ）に矢印にて示すように、クイル２の溝２ｅを通って穿孔８ｃを通り、増減速部Ｇを構成するベアリング３Ｃ、３Ｂの転動溝とボールを潤滑しながら隙間３ｃ、３ｃを通り、太陽歯車８ａと遊星歯車９ａ、９ａとが噛み合う歯面の隙間（図示せず）、または遊星歯車９ａ、９ａと内歯歯車９ｂとが噛み合う歯面の隙間（図示せず）を通り、さらにベアリング３Ａ、３Ａの隙間３ｅを通ってベアリング３Ａ、３Ａの転動溝とボールの潤滑を行い、外ナット１２ｂの溝１２ｃを通り、先端部隙間Ｅより大気中に排出される。

本発明の特徴は、モータ部Ｍの冷却と、ベアリング、増減速部Ｇの歯車の潤滑と、ベアリングへの水の浸入を防ぐことを同時に行う方法である。このオイルミストエアは、オイルエアとは異なり、圧縮空気によりオイルを霧状にしたもので、圧力は０．５ＭＰａである。これにより、潤滑オイルが霧状になって、常にベアリングおよび歯車に送られるため、油の劣化寿命の心配がなく、メンテナンスフリーとなる、また、空気を事前にクーラーを通して冷却し、冷却したオイルミストエアとすることにより、モータの熱を吸収し、低温のエアがちょうど常温となって、ベアリングおよび歯車に送られるため、主軸１の熱膨張による伸びも抑えることができる。

つぎに、図３（ａ）、（ｂ）、図４は、クイル２を前進させた状態を示す図１（ｂ）を拡大した拡大断面図である。図４に示すように、エンドカバー１８の端面にテーパネジ１８ｆが形成されたオイルミストエアの供給口１８ｅが設けられ、図示しない管継手およびパイプが配管されている。ピストンロッド５ａはピストン５と一体になっており、その貫通穴にモータ１５用の動力線であるリード線１５ｃが通っている。
図３（ｂ）に示すように、ピストン部Ｐのピストン５は、図示しないオイルミストエア供給装置から０．５ＭＰａで霧状のオイルミストが混入されたエアとして供給されている。そして、モータが回転し、供給されたオイルミストエアによって、ピストン５の端面に圧力が加えられると、ピストン５が図示しないスピードコントローラによって早走り速度で前進し、さらに切削速度に減速してクイル２を前進させ、クイル２の先端部に配設した主軸部に装着した工具によって切削する。かつクイル２内のモータ部Ｍを冷却する。

一方、図４に示すように、ピストン部Ｐの後部のエンドカバー１８を保持するブロック１４には、テーパネジ１４ｂが形成された供給口１４ａが設けられ、図示しない管継手およびオイルミストエア供給装置から配管されたパイプが接続されている。オイルミストエアの経路は、前記した通り、クイル２が前進した場合であっても同様である。
つまり、図４に示すように、ブロック１４の穿孔１４ｃを通り、エンドカバー１８とスリーブ１８ａの穿孔１８ｂ、１８ｃを通り、シリンダ４の外周とカバー７との間に設けられた溝７ｃを通り、カバー７の逃がし部７ｄに通り、ハウジング６の穿孔６ｃと、ハウジング６の内周面に形成した逃がし部６ｄを通り、クイル２の穿孔２ｃを通り、クイル２の内周面に設けられた逃がし部２ｄを通ってモータ部Ｍのモータ１５を冷却する。
そして、図３（ａ）に矢印にて示すように、クイル２の溝２ｅを通って穿孔８ｃを通り、増減速部Ｇを構成するベアリング３Ｃ、３Ｂの転動溝とボールを潤滑しながら隙間３ｃ、３ｃを通り、太陽歯車８ａと遊星歯車９ａ、９ａとが噛み合う歯面の隙間（図示せず）、または遊星歯車９ａ、９ａと内歯歯車９ｂとが噛み合う歯面の隙間（図示せず）を通り、さらにベアリング３Ａ、３Ａの隙間３ｅを通ってベアリング３Ａ、３Ａの転動溝とボールの潤滑を行い、外ナット１２ｂの溝１２ｃを通り、先端部隙間Ｅより大気中に排出される。

なお、本発明はその技術思想の範囲内で種々の改造、変更が可能である。例えば、増減速部Ｇの増減速機構は、遊星歯車機構としたが、それ以外の増減速機構であってもよいし、クイルの移動は、ピストン以外の駆動機構であっても構わない。
また、オイルミストエアのオイルは、環境にやさしい潤滑油が望ましい。

全体を示し、（ａ）は後退位置を示し、本発明の増減速部付ドリルユニットの断面図であり、（ｂ）は前進位置を示し、本発明の増減速部付ドリルユニットの断面図である。 図１（ａ）を拡大した拡大断面図である。 図１（ｂ）を拡大した拡大断面図である。 図１（ｂ）の後端部を拡大した拡大断面図である。 図２に示すＤ−Ｄ線の拡大断面図である。 従来の穴あけ加工ユニットの断面図である。 従来の穴あけ加工ユニットの先端部の拡大断面図である。 従来の穴あけ加工ユニットの冷却乾燥空気の流通経路について説明した拡大断面図である。

符号の説明

１ 主軸
２ クイル
２ｃ、６ｃ、８ｃ、１４ｃ、１８ｂ、１８ｃ 穿孔
２ｄ、６ｄ、７ｄ 逃がし部
２ｅ、７ｃ 溝
３Ａ、３Ｂ、３Ｃ ベアリング
３ｃ、３ｄ、３ｅ 隙間
４ シリンダ
５ ピストン
５ａ ピストンロッド
６ ハウジング
７ カバー
８ シャフト
８ａ 太陽歯車
８ｂ 後端部
９ａ 遊星歯車
９ｂ 内歯歯車
１０、１０ａ 増減速部付ドリルユニット
１２ａ 内ナット
１２ｂ 外ナット
１２ｃ 溝
１３ カバー
１４ ブロック
１４ａ、１８ｅ 供給口
１４ｂ、１８ｆ テーパネジ
１５ モータ
１５ａ モータ軸
１５ｂ プラグ
１５ｃ リード線
１６ ジョイント
１７ カバー
１８ エンドカバー
１８ａ スリーブ
Ｓ 主軸部
Ｇ 増減速部
Ｍ モータ部
Ｐ ピストン部
Ｅ 先端部隙間

Claims (1)

1. 主軸の先端にドリル、エンドミル等の回転工具を装着する主軸部と、前記主軸部に連結された歯車による増速、減速を行う増減速部と、前記増減速部を介して、前記主軸部に回転駆動力を伝達するモータ部と、前記主軸部、前記増減速部および前記モータ部を収容した筒状のクイルと、前記クイルの後部に連結され、前記クイルを進退自在に前進、後退させるピストンとシリンダとが配設されたピストン部と、前記クイルをガイドするハウジングと、からなる増減速部付ドリルユニットであって、
   前記クイルの外周に筒状のハウジングおよびカバーを設け、前記ハウジングと、このハウジングの外側に設けた前記カバーとを２重構造に配設し、前記カバーの後端部より供給されたオイルミストエアを前記モータの外周に設けられた逃がし部に通し、さらに、オイルミストエアを各ベアリングのボールと内外輪との隙間と、前記増減速部の歯車同士の歯面隙間を通すと共に、前記主軸先端の隙間からオイルミストエアを噴射させることを特徴とする増減速部付ドリルユニット。

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