JP4471701B2 - 主軸装置及びその主軸装置を備えた工作機械 - Google Patents

Description

本発明は、工具のフランジ端面と主軸の前端面及び工具のテーパシャンクの外周面と主軸のテーパ穴の内周面とがそれぞれ、密着して工具を主軸に装着する２面拘束工具用の主軸装置及びその主軸装置を備えた工作機械に関する。

マシニングセンタのような工作機械の主軸装置では、様々なサイズの切刃を有した工具を主軸に装着できるようにするために、所定の規格のテーパシャンク部を備えた工具ホルダに様々な種類及びサイズの切刃部を取り付け、この工具ホルダのテーパシャンク部を主軸の前端面に設けられた工具装着用のテーパ状の穴（以下、テーパ穴と記載する）に挿入するようにしている。そして、主軸のドローバでテーパシャンク部を主軸後方側へ引っ張ることによって、心合わせを行いつつ、工具ホルダを介して工具を主軸に装着している。

このような工具ホルダには、主軸に装着したときにテーパシャンク部のテーパ状外周面のみが主軸のテーパ穴のテーパ状内周面と密着する１面拘束タイプと、主軸に装着したときにテーパシャンク部のテーパ状外周面が主軸のテーパ穴のテーパ状内周面と密着すると共にフランジ部の内端面（すなわち主軸側のフランジ端面）が主軸の前端面と密着する２面拘束タイプとがある。

ところで、加工の際に主軸を高速で回転させると、主軸には遠心力が作用し、主軸先端がラッパ状に拡がって主軸前端面の外周側が内周側より後方に移動し、その結果テーパ穴が僅かに拡径することが分かっている。テーパ穴が拡径すると、テーパ穴の内周面とテーパシャンク部の外周面との間に隙間が生じることになるが、１面拘束タイプの工具ホルダを使用している場合には、工具ホルダのフランジ部と主軸の前端面との間が離れているので、ドローバによってテーパシャンク部がさらに主軸後方に引き込まれ、テーパ穴の内周面とテーパシャンク部の外周面とは再び密着する。この場合、実質的な工具長が変化し加工精度に影響を与える問題を生じるので、この問題を解消するために、例えば、主軸の回転速度に応じて工具ホルダが主軸内に引き込まれる量を予測して工具長を補正し、加工精度の向上を図る方法が提案されている（特許文献１を参照）。

一方、２面拘束タイプの工具ホルダでは、図４（ａ）に示されている状態からテーパ穴５５が拡径すると、図４（ｂ）に示されているように主軸５３の前端部の外周側が内周側よりも後方に移動して、主軸５３の前端面５７のテーパ穴５５の縁部が工具ホルダ５９のフランジ端面５９ａと接触した状態となり、テーパシャンク部５９ｃをテーパ穴５５内に引き込むことができない。したがって、テーパ穴５５の内周面とテーパシャンク部５９ｃの外周面との間に隙間が生じる。この結果、テーパ穴５５内でテーパシャンク部５９ｃが移動し得るようになり、加工精度の低下を招く。この問題を解消するために、例えば、テーパシャンク部を中空にすると共にテーパシャンク部の基端部（主軸側端部）に中空部内に傾斜して半径方向に延びるリブを設け、ドローバでこのリブを主軸後方に引くことにより、リブを立ち上げさせてテーパシャンク部を拡径させ、テーパシャンク部の外周面をテーパ穴の内周面に接触させる工具ホルダが提案されている（特許文献２を参照）。

特公平８−７６１４号公報 特開平９−２４８７２８号公報

２面拘束タイプの工具ホルダを使用する場合、主軸の高速回転時にテーパ穴内におけるテーパシャンク部のがたつきを防止するために、特許文献２のように工具ホルダのテーパシャンク部に特別なリブを形成すると、工具ホルダが規格から外れてしまうという問題が生じる。また、既存の工具ホルダを全てリブ付きの特殊な工具ホルダに置換しなければならず、不経済である。

本発明は前述の問題点を解消するためになされたものであり、本発明の目的は、２面拘束工具を使用する際に高速で主軸を回転したときに主軸のテーパ穴の内周面と工具ホルダのテーパシャンク部の外周面との間に生じる隙間をなくし、テーパ穴内におけるテーパシャンク部のがたつきを防止することにある。本発明の他の目的は、主軸の回転速度に適合させた工具長の補正を行い、加工精度の良い工作機械を得ることである。

前述の目的を達成するため、主軸ハウジングに回転可能に支持され、前端面に工具装着用のテーパ穴が開口した主軸と、前記テーパ穴に挿入された工具を後方に引き込んで工具を前記主軸に装着する工具装着手段とを備え、工具のフランジ端面と前記主軸の前端面とを当接させかつ工具のテーパシャンク部の外周面と前記テーパ穴の内周面とを密着させて工具を前記主軸に装着させる主軸装置であって、前記主軸の前端面は、静止した前記主軸に工具を装着したとき工具のフランジ端面に当接する環状平面である第１の面と、前記第１の面と前記テーパ穴との間に環状に形成され、前記主軸が静止しているときは工具のフランジ端面と当接しない逃げ面である第２の面とを含んで形成され、前記主軸の回転速度が増加して遠心力により前記テーパ穴が拡径したとき、工具のテーパシャンク部が前記主軸の後方へ引き込まれ、工具のフランジ端面が前記第２の面と当接し、かつ工具のテーパシャンク部の外周面が前記テーパ穴の内周面と密着するようにした主軸装置が提供される。なお、工具とは、工具ホルダに切刃部を取り付けたもの又は切刃部と工具ホルダとを一体的に形成したものを指す。

主軸前端面のテーパ穴周りに逃げ面が設けられていない場合には、主軸が高速で回転して主軸前端部が遠心力でラッパ状に拡がると、主軸前端面とテーパ穴内周面との境界部が主軸前端面の外周側よりも前に位置して工具のフランジ端面と接触することになる。これに対して、本願発明では、主軸の前端面におけるテーパ穴周りに逃げ面が形成され、主軸の回転速度が増加して主軸前端部がラッパ状に拡がったときに逃げ面が工具のフランジ端面に当接するようになっているので、逃げ面がないと仮定した場合の主軸前端面とテーパ穴内周面との境界から逃げ面までの距離に相当する分だけ、フランジ端面が主軸後方へ移動できるようになる。したがって、テーパシャンク部がテーパ穴内にさらに引き込まれ、テーパシャンク部の外周面とテーパ穴の内周面との間の隙間がなくなる。この逃げ面の逃がし量は、テーパシャンク部がテーパ穴内に引き込まれ、テーパシャンク部の外周面とテーパ穴の内周面との間の隙間を少なくともなくすことができる量である。

また、ＮＣプログラムの指令により工具とワークとを相対移動させてワークの加工を行う工作機械において、上記主軸装置と、主軸の回転速度と前記主軸のテーパ穴が拡径して工具が前記主軸の後方へ引き込まれる量との関係をテーブル又は関数で記憶し、指令された主軸回転速度に対応する工具の前記主軸の後方へ引き込まれる量を前記テーブルから読み取り又は前記関数で演算して求め、前記求めた引き込まれる量を用いて工具とワークとの相対移動を補正する制御装置とを具備する工作機械が提供される。

上記主軸装置では、主軸前端面においてテーパ穴周りに逃げ面が設けられていることにより、工具が主軸後方に引き込まれるので、実質的な工具長を変化させる。そこで、主軸の回転速度と工具の引き込まれる量との関係を記憶したテーブル又は関数により、実際に指令された主軸回転速度に対応した工具の引き込まれる量を求め、その求めた引き込まれる量を用いて工具とワークとの相対移動を補正する。これにより、加工精度をさらに向上させることができる。

以上説明したように本発明によれば、主軸の前端面におけるテーパ穴周りに逃げ面を形成し、主軸前端部がラッパ状に拡がったときに逃げ面が工具のフランジ端面に当接するようにしているので、逃げ面がない場合よりもフランジ端面がさらに主軸後方へ移動できるようになる。したがって、テーパシャンク部がテーパ穴内にさらに引き込まれ、テーパシャンク部の外周面とテーパ穴の内周面との間の隙間がなくなる。このようにして、工具のテーパシャンク部の外周面とテーパ穴の内周面との間の隙間を除去することにより、テーパ穴内における工具のテーパシャンク部のがたつきを抑え、加工精度を向上させる。

また、本発明の主軸装置を備える工作機械によれば、上述した逃げ面の形成によって生じたテーパ穴への工具の引き込まれる量の変化を反映させて工具先端位置を補正することができるので、加工精度をさらに向上させることができる。

以下、図面に基づいて、本発明の実施形態について説明する。図１は２面拘束工具を主軸に装着した本発明の主軸装置の主軸前端面付近の拡大断面図であり、（ａ）は主軸が静止している状態、（ｂ）は主軸が高速で回転している状態を示しており、図２は本発明の主軸装置の要部断面図である。

最初に、図１及び図２を参照して、本発明の主軸装置１１の構造について説明する。主軸装置１１は、主軸ハウジング１３と、軸受等により主軸ハウジング１３に回転可能に支持された主軸１５とを備えており、主軸１５の前端面２３には工具２５を装着するためのテーパ穴１７が形成されている。このテーパ穴１７の底部からは、主軸１５の回転軸線２１に沿って後方へ向けて中心孔１９がさらに延びている。この中心孔１９の内部には、後述するように、主軸１５に工具２５を着脱可能に装着するための機構が設けられている。

図１及び図２に示されている工具２５は、２面拘束タイプのものであり、切刃部２７と、切刃部２７を保持する工具ホルダ２９とからなる。工具ホルダ２９は、主軸１５のテーパ穴１７に装着されたときに主軸１５の前端面２３に当接するフランジ端面２９ａを有したフランジ部２９ｂと、フランジ部２９ｂから切刃部２７と反対側に延びるテーパシャンク部２９ｃとを備える。フランジ部２９ｂはテーパシャンク部２９ｃよりも半径方向に大きく、フランジ部２９ｃとテーパシャンク部２９ｃとの外周面の段差により形成される肩部がフランジ端面２９ａとなる。テーパシャンク部２９ｃは、主軸１５のテーパ穴１７の内周面と相似形のテーパ状外周面を有し、フランジ端面２９ａと主軸１５の前端面２３とが当接するまで主軸１５のテーパ穴１７に挿入されたときに、その外周面がテーパ穴１７の内周面と密着するようになっている。また、テーパシャンク部２９ｃはその内部が中空となっており、テーパシャンク部２９ｃの主軸側縁部には、半径方向内側に突出している隆起部が形成されている。テーパシャンク部２９ｃの外径は、テーパ穴１７の内径より若干大きく形成されており、テーパシャンク部２９を主軸の後方へ引き込む作用によって、テーパシャンク部２９ｃは縮径されてテーパ穴の内周面と密着している。

テーパ穴１７に対する工具ホルダ２９の着脱は主軸１５に設けられた工具装着機構により行う。図２に示されている実施形態では、主軸１５の回転軸線２１方向に進退可能なドローバー３１が主軸１５の中心孔１９内に設けられており、ドローバー３１の先端外側にはコレット３３が装着されている。テーパ穴１７に工具２５のテーパシャンク部２９ｃを挿入するとき、ドローバー３１の先端及びコレット３３を中空のテーパシャンク部２９ｃ内に挿入し、その後、ドローバー３１を主軸１５の回転軸線２１に沿って後方に引っ張ることにより、ドローバー３１のテーパ状頭部でコレット３３を拡げてテーパシャンク部２９ｃ内側の隆起部にコレット３３の外周面に形成された隆起部を係合させる。そして、さらにドローバー３１を主軸１５の後方に向かって引っ張ることにより、テーパシャンク部２９ｃをテーパ穴１７内に引き込み、主軸１５と工具２５の心合わせを行いつつ工具２５を主軸１５に固定する。このような主軸１５の工具装着機構は周知のものであるので、ここではこれ以上詳細には説明しない。図２に示されている実施形態では、ドローバー３１及びコレット３３を用いた工具装着機構が示されているが、他の工具装着機構を用いることも可能であることはもちろんである。

主軸１５の前端面２３は、図１に示されているように、主軸が静止しているときに主軸１５の回転軸線２１に対して略垂直に延びている環状の平面である第１の面２３ａと、第１の面２３ａの内側に位置する環状の第２の面２３ｂとを含んでいる。第１の面２３ａは、静止した主軸１５に工具２５を装着するときに工具２５のフランジ部２９ｂのフランジ端面２９ａ（主軸側端面）が当接する平面である一方、第２の面２３ｂは、テーパ穴周りに形成され且つ第１の面２３ａに対して主軸１５の後方に向かって傾斜した円錐面状の逃げ面である。すなわち、第２の面２３ｂは、その外周が第１の面２３ａと連続的に接続していると共にその内周がテーパ穴１７の内周面と連続的に接続しており、静止した主軸１５に工具２５を装着したときに工具２５のフランジ端面２９ａが第２の面２３ｂには当接しないようになっている。

なお、第１の面２３ａに対する第２の面２３ｂの傾斜角（以下、逃がし角αと記載する）は、実機を用いた試験やコンピュータによる解析に基づいて、主軸１５が予め定められた回転速度で回転して主軸１５に作用する遠心力で主軸１５の前端部がラッパ状に拡がったときに、第２の面２３ｂが工具２５のフランジ端面２９ａと平行になるように定められる（図１（ａ）を参照）。例えば、主軸１５を１５０００回転毎分で回転させて加工するときに第２の面２３ｂが工具２５のフランジ端面２９ａと平行にするためには、逃がし角αは０．５〜２°とすることが好ましい。また、逃がし量Ｌは、主軸１５の前端面２３のうちの第２の面２３ｂ（すなわち逃げ面）と工具２５のフランジ端面２９ａとが当接したときに工具２５のテーパシャンク部２９ｃの外周面がテーパ穴１７の内周面と密着するように定められる（図１（ｂ）を参照）。ここで、逃がし量Ｌとは、前端面２３の第１の面２３ａの延長面とテーパ穴１７の内周面の延長面との交線から前端面２３の第２の面２３ｂとテーパ穴１７の内周面との交線までの距離をいうものとする（図１（ａ）を参照）。

このように逃がし角α及び逃がし量Ｌを定めることにより、主軸１５が高速で回転して遠心力で主軸１５の前端部がラッパ状に拡がったときでも、主軸１５の前端面２３のうちの第２の面２３ｂと工具２５のフランジ端面２９ａとが当接すると共に主軸１５のテーパ穴１７の内周面と工具２５のテーパシャンク部２９ｃの外周面とが密着して２面拘束を確保でき、工具２５のテーパシャンク部２９ｃが主軸１５の回転中にテーパ穴１７内で動くことが防止されるので、高精度の加工を実現することが可能となる。

次に、図１及び図２に示されている主軸装置１１の動作について説明する。
最初に、主軸１５の前端面２３に形成したテーパ穴１７内に工具２５のテーパシャンク部２９ｃを挿入する。このとき、ドローバー３１及びその先端外側に装着されたコレット３３をテーパシャンク部２９ｃの内部に挿入する。次に、ドローバー３１を主軸１５の回転軸線２１方向後方に引っ張る。すると、ドローバー３１のテーパ状頭部によりコレット３３が拡げられてテーパシャンク部２９ｃの内側の隆起部に係合し、テーパシャンク部２９ｃの外周面がテーパ穴の内周面に密着するまでテーパシャンク部２９ｃがテーパ穴１７内に引き込まれ、主軸１５に工具２５が固定される。このとき、工具２５のフランジ端面２９ａは主軸１５の前端面２３の第１の面２３ａと当接する。

主軸１５を回転させて加工を始めると、主軸１５には遠心力が作用する。このため、主軸１５を高速で回転させたときには、主軸１５の前端部が前端面２３よりも後方の位置を中心としてラッパ状に拡がる。なお、主軸１５の前端部は、主軸１５の前端面２３よりも後方の位置を中心として拡がることから、少なくとも後方側に移動し、前方側に移動することはない。このように主軸１５の前端部が拡がると、テーパ穴１７が拡径して、工具２５のテーパシャンク部２９ｃの外周面とテーパ穴１７の内周面との間に隙間が生じることになる。

従来の主軸の場合、図４に示されているように、主軸５３の前端部が拡がると、主軸５３の前端面５７の外側が主軸５３の前端面５７の内側よりも後方に移動し、主軸５３の前端面５７に位置するテーパ穴５５の外縁部が工具ホルダ５９のフランジ端面５９ａに接触する。このため、ドローバーでコレットを介してテーパシャンク部５９ｃを主軸５３後方に引っ張っても、工具ホルダ５９のテーパシャンク部５９ｃをテーパ穴５５内に引き込むことができず、テーパシャンク部５９ｃの外周面とテーパ穴５５の内周面との間の隙間を解消することができなかった。この結果、テーパシャンク部５９ｃが加工中にテーパ穴５５内でがたつき、加工精度を低下させていた。

ところが、図１及び図２に示されている主軸装置１１では、主軸１５の前端面２３に第２の面２３ｂ、すなわち第１の面２３ａに対して後方に傾斜した逃げ面が形成されているので、その逃がし量Ｌの分だけ、テーパシャンク部２９ｃをテーパ穴１７内に引き込み、第２の面２３ｂを主軸１５の前端面２３に当接させると共にテーパシャンク部２９ｃの外周面をテーパ穴１７の内周面に密着させることができる。このとき、テーパシャンク部２９ｃは薄肉で、ドローバー３１の後方への引張り力が大きい（例えば１〜３トン）ので、テーパシャンク部２９ｃは若干縮径してテーパ穴１７の内周面に密着する。したがって、主軸１５が高速で回転して主軸１５の前端部が拡がっても、テーパシャンク部２９ｃがテーパ穴１７内でがたつくことはなく、加工精度の向上を図ることができる。

図３は図１及び図２に示されている主軸装置１１を備えた工作機械３５の全体構成を示すブロック図である。図１及び図２に示されている主軸装置１１では、主軸１５の前端面に逃げ面を形成することにより、工具２５を主軸１５の内部に引き込めるようにしている。しかしながら、これにより実質的な工具長を変化させることになる。図３に示されている工作機械３５は、このような工具長の変化の補正を行い、加工精度をさらに向上させるためのものである。

工作機械３５は、主軸装置１１と、主軸装置１１を移動させるために複数の送り軸を有した送り装置３７と、送り装置３７及び主軸装置１１の動作を制御する制御装置３９とを備える。制御装置３９は、主軸装置１１の動作を制御する主軸制御手段４１と、送り装置３７の動作を制御する送り軸制御手段４３と、主軸装置１１の基準位置と工具先端位置との差を考慮するために使用工具２５に対応した工具オフセット量を定める工具オフセット量設定手段４５とを有する。主軸制御手段４１は、ＮＣプログラム４７から主軸１５の指令回転速度などの情報を取得し、指令回転速度に基づいて、主軸装置１１の主軸１５を回転させる。工具オフセット量設定手段４５は、ＮＣプログラム４７又は工具寸法測定装置（図示せず）などによって工具種類、工具長、工具径などの情報を取得し、主軸１５の基準位置と予測される工具先端位置との差である工具オフセット量を求める。そして、送り軸制御手段４３は、求められた工具オフセット量を用いて、ＮＣプログラム４７によって指定された加工経路や加工形状から実際に主軸１５を移動させる経路を決定し、その経路に沿って主軸装置１１の主軸１５を移動させるように送り装置３７の動作を制御する。

主軸１５の回転速度が小さい場合には、主軸１５に変形が発生しないので、工具長についての補正を要さず、この場合、工具オフセット量設定手段４５は、ＮＣプログラム等から得られた工具長に基づいて工具先端位置を予測して、Ｚ軸方向、すなわち主軸１５の回転軸線２１方向の工具オフセット量を求める。一方、主軸１５の回転速度が予め定められた値に達した場合には、主軸１５の前端面２３の逃げ面がフランジ端面２９ａに当接し、工具２５が主軸１５内にさらに引き込まれる。この場合、工具オフセット量設定手段４５は、記憶手段４９に予め記憶されている主軸１５の回転速度と工具２５が主軸１５内に引き込まれる量の予測値との対応関係に基づいて、工具２５が主軸１５内にさらに引き込まれる量を求め、その量分だけ工具長を補正してＺ軸方向の工具オフセット量を設定する。したがって、主軸１５が高速で回転して主軸１５の前端部２３の逃げ面がフランジ面２９ａに当接することにより工具２５が主軸１５内に引き込まれた量が実質的な工具長の変化として反映され、より正確な加工が可能となる。なお、記憶手段４９に記憶されている対応関係は、実機を用いた試験やコンピュータによる解析によって求められる。この対応関係は、数表でなるテーブルや関数の形で記憶され、主軸回転速度が指令されたとき、対応する引き込まれる量がテーブルから読み取られたり又は関数で演算されて求められる。

以上、図面に基づいて本発明を説明したが、本発明は図示された実施形態に限定されるものではない。
予め定められた主軸の回転速度は、工作機械で設定する頻度が比較的多い高い回転速度で、例えば１５０００回転毎分や２００００回転毎分である。また工具ホルダ２９のフランジ部２９ｂ外径が１００ｍｍの場合、逃がし量Ｌは例えば０．１５ｍｍ、第１の面２３ａと第２の面２３ｂとの境界線は円形になるが、この円形の直径は例えば約９０ｍｍである。このときのテーパ穴１７の口元の直径は約７５ｍｍである。

主軸の回転速度が予め定められた回転速度より小さくても大きくても、工具ホルダ２９のフランジ端面２９ａは主軸が静止しているときよりも第２の面２３ｂに向って接近し、すなわちテーパシャンク部２９ｃがテーパ穴１７に引き込まれる。また、テーパ穴１７がラッパ状に拡径すると、厳密にはテーパシャンク部２９ｃのテーパと異なるテーパになるが、テーパシャンク部２９ｃの外径はテーパ穴１７の内径より若干大きく作られており、引き込み力によりテーパシャンク部２９ｃはテーパ穴１７にならって縮径され、テーパシャンク部２９ｃとテーパ穴１７とは密着する。

２面拘束工具を主軸に装着した本発明の主軸装置の主軸前端面付近の拡大断面図であり、（ａ）は主軸が静止している状態、（ｂ）は主軸が高速で回転している状態を示している。 本発明の主軸装置の要部断面図である。 本発明の主軸装置を備えた工作機械の全体構成を示すブロック図である。 ２面拘束工具を主軸に装着した従来の主軸装置の主軸前端面付近の拡大断面図であり、（ａ）は主軸が静止している状態、（ｂ）は主軸が高速で回転している状態を示している。

符号の説明

１１ 主軸装置
１５ 主軸
１７ テーパ穴
２１ 回転軸線
２３ 前端面
２３ａ 第１の面
２３ｂ 第２の面
２５ 工具
２９ 工具ホルダ
２９ａ フランジ端面
２９ｂ フランジ部
２９ｃ テーパシャンク部
３５ 工作機械
４５ 工具オフセット量設定手段
４９ 記憶手段

Claims (2)

1. 主軸ハウジングに回転可能に支持され、前端面に工具装着用のテーパ穴が開口した主軸と、前記テーパ穴に挿入された工具を後方に引き込んで工具を前記主軸に装着する工具装着手段とを備え、工具のフランジ端面と前記主軸の前端面とを当接させかつ工具のテーパシャンク部の外周面と前記テーパ穴の内周面とを密着させて工具を前記主軸に装着させる主軸装置であって、
   前記主軸の前端面は、静止した前記主軸に工具を装着したとき工具のフランジ端面に当接する環状平面である第１の面と、前記第１の面と前記テーパ穴との間に環状に形成され、前記主軸が静止しているときは工具のフランジ端面と当接しない逃げ面である第２の面とを含んで形成され、
   前記主軸の回転速度が増加して遠心力により前記テーパ穴が拡径したとき、工具のテーパシャンク部が前記主軸の後方へ引き込まれ、工具のフランジ端面が前記第２の面と当接し、かつ工具のテーパシャンク部の外周面が前記テーパ穴の内周面と密着することを特徴とした主軸装置。
2. ＮＣプログラムの指令により工具とワークとを相対移動させてワークの加工を行う工作機械において、
   請求項１に記載の主軸装置と、
   主軸の回転速度と前記主軸のテーパ穴が拡径して工具が前記主軸の後方へ引き込まれる量との関係をテーブル又は関数で記憶し、指令された主軸回転速度に対応する工具の前記主軸の後方へ引き込まれる量を前記テーブルから読み取り又は前記関数で演算して求め、前記求めた引き込まれる量を用いて工具とワークとの相対移動を補正する制御装置と、
   を具備することを特徴とした工作機械。

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