JP4832257B6

JP4832257B6 - 高速エアスピンドル

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Publication number: JP4832257B6
Application number: JP2006306246A
Authority: JP
Inventors: 幸志伊東; 弘克篠原; 智亨村田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-11-13
Filing date: 2006-11-13
Publication date: 2021-10-20
Anticipated expiration: 2026-11-13
Also published as: JP2008119788A; JP4832257B2; TW200940844A

Description

本発明は、スピンドルを２００,０００ｒｐｍを越える高速で回転させることができる高速エアスピンドルに関するものである。

高速スピンドルを備えた工作機械は、例えば携帯電話やカメラの金型作製の際、高精度の切削加工に使用されている。高速スピンドルには、圧縮空気を駆動源とするエアスピンドルと電気モーターを駆動源とする電気モータースピンドルがある。この中、エアスピンドルは、（ａ）電気モーターを作動させないため、熱発生源がなく、熱歪のない安定した８０,０００ｒｐｍ程度の高速加工ができる、（ｂ）構成部品が少なく、高速回転でのバランス不良による工具振れを小さくできる、（ｃ）スピンドルを高速回転にできるため、熱歪による切り込み深さの変化がなく、小径加工が容易となる、（ｄ）回転音が小さい、など有利な点が多く、特に高精度の切削加工が要求される小径加工において威力を発揮している。

従来のエアスピンドルは、例えば図１４に示すように、先端に切削や研削を行なう加工工具１０３を固定し、スピンドルのほぼ中央に衝動タービン１０２を固定したスピンドル１０１を不図示の軸受けで支持したものである。エアスピンドル１００において、スピンドル１０１への加工工具１０３の取り付けは、例えば図１５に示すように、応力変形可能なコレット１０４に入れ、ナット１０５を締め付けることにより行なわれる。

近年、小径加工においては、更に高精度の加工及び加工時間の短縮が要求されており、特に芯振れがなく、更に２０万ｒｐｍを越える高速回転が可能な高速スピンドルの開発が望まれている。このような超高速回転が可能な高速スピンドルを備えた工作機械であれば、極めて小さな部分の加工を精度よく行なうことができ、加工時間を短縮でき、工具寿命を延長できるなど大きなメリットを享受できる。
特開平１１−１３７５３号公報（請求項１）

しかしながら、従来の高速スピンドルは、せいぜい８万ｒｐｍの高速加工ができる程度であり、上記の要求を到底満足するものではない。一方、特開平１１−１３７５３号公報には、内部にスピンドル回転駆動装置を内蔵するスピンドルにおいて、スピンドルを軸方向２ヶ所でハウジング内の案内面を遊星運動する一対の転動体により支持し、該転動体を保持する保持器の２ヶ所の転動体保持器の間に、該保持器を回転させるエアタービンを固着し、該保持器を支持する軸受けをスピンドルの外周面あるいはハウジング内面に設けた高速スピンドルが開示されているものの、かかる高速スピンドルの増速装置を以ってしても、上記２０万ｒｐｍを超える回転数のものは安定して得られていない。

従って、本発明の目的は、芯振れが極めて少なく、スピンドルを２０万ｒｐｍを越える高速で安定して回転させることができる高速エアスピンドルを提供することにある。

すなわち、本発明は、上記従来の課題を解決するものであって、軸方向の先端側の第１軸受けと、後端側の第２軸受けで支持されるスピンドルと、当該第１軸受けと当該第２軸受けの間のスピンドル部分に固設される駆動エアタービンと、当該第１軸受けより先のスピンドル部分に固設される増速エアタービンと、当該駆動エアタービンに供給された圧縮空気の排気が、当該第１軸受け及び当該増速エアタービンの順に流れるエア流路と、を設けた高速エアスピンドルを提供するものである。

本発明によれば、芯振れが極めて少なく、スピンドルを２０万ｒｐｍを越える高速で安定して回転させることができる。このため、小径加工においては高精度の加工ができ、また、加工時間が短縮できる。更に、工具寿命を延長でき、コストダウンとＦＡ（ファクトリーオートメーション）化を促進することができる。

次ぎに本発明の実施の形態における高速エアスピンドルを図１〜図９を参照して説明する。図１は高速エアスピンドルの構造を示す図、図２は図１の高速エアスピンドルで使用されている駆動エアタービンの斜視図、図３は図２の駆動エアタービンの側面図、図４は図１のＸ−Ｘ線に沿って見た図、図５は図１の高速エアスピンドルで使用されている軸流タービンの一部を切り欠いた斜視図、図６は図５の増速タービンの一部を切り欠いた平面図、図７は図５の増速タービンの一部を切り欠いた正面図、図８は図５の増速タービンの一部を切り欠いた側面図、図９は増速タービンの増速効果を説明する図をそれぞれ示す。図１中、圧縮空気の供給ラインは省略してある。本明細書において、先端側は被加工材側を言い、後方は機械本体側を言う。

高速エアスピンドル１０は、軸方向の先端側の第１軸受け３と後端側の第２軸受け２で支持されるスピンドル１と、第１軸受け３と第２軸受け２の間のスピンドル部分に固設される駆動エアタービン４と、第１軸受け３より先のスピンドル部分に固設される増速エアタービン５と、駆動エアタービン４に供給された圧縮空気の排気Ａ１が、第１軸受け３及び増速エアタービン５の順に流れるエア流路９と、を設けたものである。

駆動エアタービン４は、原理的に衝動タービンの作用をするものであればよく、別名半径流タービンとも言い、不図示の圧縮空気供給手段から供給される圧縮空気Ａを羽根４１に受けて、スピンドル１を回転させるものである。駆動エアタービン４は、従来のエアスピンドルで使用されているものと同様のものが使用できる。駆動エアタービン４の一例を図２及び図３に示すように、スピンドル１に嵌合するスピンドル１の外径と略同じ内径を有する円筒部材４２と円筒部材４２に固設される２４枚の羽根４１とからなる。羽根４１は軸方向に平行に延びる所定の幅を有し、且つ圧縮空気供給側に傾斜したものである。従来の高速エアスピンドルは、このような駆動エアタービン４を有するものの、増速エアタービン５を備えないものであり、得られるスピンドル１の回転数はせいぜい１３万ｒｐｍ程度である。

増速エアタービン５は、軸流タービンであり、駆動エアタービン４の排気を羽根５１に受けて、スピンドル１を更に高速に回転させるものである。増速エアタービン５の設置位置は、図１の位置に限定されず、例えば、図１中、スピンドル１の先端を更に先端側に延ばし、コレット７のフランジ７１の近傍に設置してもよく、また、コレット７のフランジ７１に直接設置してもよい。この場合、空気吐出口８は図１の位置のままでもよいが、増速エアタービン５の羽根５１に近くなるようにすることが、排気エアを効率的に利用することができる点で好ましい。

増速エアタービン５は、リング状の内側リテーナ５２と、リング状の外側リテーナ５３と、内側リテーナ５２と外側リテーナ５３とで形成される空間に付設される６枚の羽根５１とからなり、隣接する羽根５１間には開口５４を有する。開口５４は羽根５１に吹き付けられた排気が逃げる排気口となる。羽根５１の形状は、回転方向側から反回転方向側にかけて下り傾斜で且つ羽根表面全体が僅かに凹面形状となるものであり、周方向の両端の形状、すなわち径方向に延びる形状が渦巻き形状の一部の形状を呈するものである。羽根の回転方向側から反回転方向側にかけての下り傾斜角、すなわち、羽根の回転方向における前端と後端を結ぶ線とスピンドル軸に直行する方向とでなす角度（図９における符号α）としては、１５．０〜２０．０度の範囲であり、特に１７．０〜１８．４度である。本発明の増速エアタービン５は、本例のものに限定されず、例えば、羽根の数は４つでも、８つでもよい。

第１軸受け３を冷却した空気Ａ２を、増速エアタービン５の羽根５１に吹き当てる空気吐出口８は、図４に示すように固定側のハウジング１１に周方向に所定のピッチで複数個、本例では４つ設けたものであり、静止状態にある軸芯の先端側から見て、少なくとも１つ、好ましくは２つ、更に好ましくは３つ、特に好ましくは全部が羽根５１に隠れて見えない位置にある。例えば図６の位置においては、４つの空気吐出口８（８ａ〜８ｄ）は全て、羽根５１に隠れて見えない位置にある。なお、図６中、８ｃの空気吐出口は省略したところに該当するため記載されていないが、推定線から羽根５１に隠れて見えない位置にあることは明白である。空気吐出口８と羽根５１をこのような関係位置にすることで、高速回転中、空気吐出口８から噴き出す空気は必ず、いずれかの羽根５１に当たることになり、駆動エアタービン４からでる排気を有効利用できる。

空気吐出口８の数は４つに限定されず、適宜に決定することができる。空気吐出口８の開口部の総断面積は、３．０〜４．０ｍｍ^２である。空気吐出口８の開口部の総断面積が少なすぎると、増速エアタービン５に対して、十分な増速を得るための排気流速を与えることができなくなると共に、軸受け温度が上昇し軸受け破損を起こす。逆に多すぎると、複数の供給口１３から供給される圧縮空気の流量にバラツキが生じて、効率的に回転せず好ましくない。

当該空気吐出口から吐出する排気の流速は、１５０ｍ/ｓ以上が好適であり、特に好ましくは１９０ｍ/ｓ以上である。当該排気の流速が１５０ｍ/ｓ未満であると、増速エアタービン５を付加的に更に回転させることができず、スピンドルの回転を２０万ｒｐｍ以上とすることが困難となる。なお、排気の流速は高い程好ましいが、多くの工作機械で使用する空気圧縮機の上限圧力は０．８５ＭＰａ程度であり、スピンドルに供給される空気圧は概ね０．４５ＭＰａであり、この場合の排気流速は概ね２５０ｍ/ｓ程度である。

スピンドル１を支持する第１軸受け３及び第２軸受け２としては、それぞれアンギュラ玉軸受けを使用することができる。アンギュラ玉軸受けは、アキシャル荷重とラジアル荷重との合成荷重を受けることができる点で好適である。アンギュラ玉軸受けは、接触角をもっているため、ラジアル荷重が作用するとアキシャル分力が生じる。このため、第１軸受け３のように、２つの単列アンギュラ玉軸受けを背面組合せ使用することが好ましい。

本発明の高速エアタービン１０は、駆動エアタービン４に供給された圧縮空気Ａの排気Ａ１が、第１軸受け３及び増速エアタービン５の順に流れる第１のエア流路９と、駆動エアタービン４に供給された圧縮空気Ａの排気Ａ１が、第２軸受け２の順に流れる第２のエア流路９ａを有している。圧縮空気Ａは、通常、駆動エアタービン４の周方向所定のピッチで形成され、駆動エアタービン４の羽根４１に略直角に噴射する複数の供給口１３から供給される。第１のエア流路９及び第２のエア流路９ａは、駆動エアタービン４の羽根４１と円筒部材４２の周面と、ハウジングの内周面との間の環状隙間を有し、第１軸受け３及び第２軸受け２の軸受け方向両側の近傍では該軸受けのボール支持部を含む径にまで環状形状が拡大されたものである。第１のエア流路９において、第１軸受け３を冷却した排気Ａ２は、空気吐出口８を通って増速エアタービン５の羽根に吹き付けられる。また、第２のエア流路９ａにおいて、第２軸受け２を冷却した排気は、排気管路１２を通って外部へ排気される。

本発明の高速エアタービン１０において、スピンドル１に加工工具６を取り付ける方法としては、特に制限されず、図１１に示すようなコレット１０４とナット１０５を使用した方法、工具自体に圧入用のテーパーを付けスピンドルに直接圧入する方法（直接圧入方法）あるいは、コレットに工具を焼填めによりセットし、該焼填めコレットをスピンドルに圧入する方法（焼填めコレット圧入方法）が挙げられる。このうち、直接圧入方法又は焼填めコレット圧入方法が好適であり、特に焼填めコレット圧入方法が更に好適である。直接圧入方法又は焼填めコレット圧入方法であれば、ナットを使用する方法に比べて、ネジ部がなく回転バランスが安定し、また先端が重くならないため芯振れが発生し難く、取り付け誤差が小さく、部品点数を減らすことができる。焼填めコレットとは、コレットを加熱して熱膨張により嵌合孔を大きくしておき、この嵌合孔に工具を挿入し冷却して作製されたものを言う。焼きばめコレットをスピンドル１に取り付けるには、先端に先広がりとなるような僅かなテーパー状の内穴が形成されたスピンドル１に、焼きばめコレットを圧入すればよい。焼きばめコレット組み付け後の形態は、図１に示すものである。

本発明の高速エアタービン１０で使用される加工工具としては、切削工具又は研削工具が挙げられる。この中、切削工具を用いた小径加工の場合、工具の直径は最小０．０３ｍｍのものが安定して使用できる。従来のエアタービンの場合、工具の直径０．１ｍｍのものを使用しても、スピンドルの芯振れ剛性不足により、工具が破損することがある。また、高精度切削加工が困難である。剛性不足のスピンドルを使用して高硬度の材料を加工すると、Ｚ方向の変位量や回転方向の変位量が大きくなる。小径加工は、例えば、隅角部、形状幅が０．１ｍｍ以下の小径部を有する携帯電話やカメラの金型を切削加工する際に必要となる。

次ぎに、図１にように組み付けられた高速エアスピンドル１０が高速回転する機構を説明する。先ず、圧縮空気Ａが駆動エアタービン４に供給される。これによりスピンドル１は回転する。駆動エアタービン４からの排気Ａ１は、第１のエア流路９を通り、第１軸受け３の軸受け部を冷却する。第１軸受け３の軸受け部を冷却した排気Ａ２は空気吐出口８から増速エアタービン５に導入され、増速エアタービン５を更に回転させる。増速エアタービン５の羽根５１面に沿って噴出す空気は増速エアタービン５の開口５４から排出される。

高速エアスピンドル１０のスピンドル１が２０万ｒｐｍもの高速回転が得られる理由を図９を参照して説明する。スピンドル１は駆動エアタービン４により、９万〜１３万ｒｐｍで回転する。この状態で増速エアタービン５には、第１軸受け３の軸受け部からの排気Ａ２（Ｆ_２）が軸方向から供給される。また、増速エアタービン５には、駆動エアタービン４の起動による回転の影響で横方向の風力Ｆ_３が発生している。このため、増速エアタービン５には、排気力Ｆ_２と横方向の風力Ｆ_３の合成力Ｆ_１が発生することになり、増速エアタービンの回転に効率的に利用される。すなわち、スピンドル１の回転数は、合成力Ｆ_１により生じる付加回転数と駆動エアタービン４の駆動による回転数の合計の回転数となる。このように、駆動エアタービン４と増速エアタービン５の組合せにより、これまでに安定して達成し難かった２０万ｒｐｍを越える高速回転が得られることになる。なお、増速エアタービン５を第１軸受け３と駆動エアタービン４の間に設置しても、上記のような高速回転は得られない。なお、歯科用スピンドルにおいては３０万ｒｐｍを越える高速回転のものは得られているものの、芯振れが大きく、また小さな軸受であるため、物理的に切削工具の取り付けができず、精密加工には適用できない。

本発明の高速エアスピンドルを備えた工作機械を使用して、例えば精密金型を作製すれば、従来不可能とされていた、１μｍ以下の平面精度の加工が高精度でしかも短時間で行える。また、工具寿命が延長できる。

次ぎに実施例を挙げて、本発明を更に具体的に説明するが、これは単に例示であって、本発明を制限するものではない。

図１に示す構造であって、下記仕様の高速エアスピンドルを備えた工作機械を下記の運転条件で稼動し、スピンドルの回転数を測定した。その結果、スピンドルの回転数は２０万ｒｐｍであった。

＜圧縮空気＞
・空気圧縮機から供給される圧縮空気圧；０．４５ＭＰａ
・駆動エアタービンに吹き付けるノズル数；６
・駆動エアタービンに吹き付けるノズルから吹き出す圧縮空気の吐出量；１８．７５ｌ/ｍｉｎ/本

＜高速エアスピンドル＞
・第１軸受け及び第２軸受け；アンギュラー玉軸受け「８ＢＧＲ１０Ｘ」（日本精工社製）
・駆動エアタービン；図２に示す衝動タービン（羽根数；２４枚）
・増速エアタービン；図５〜図８に示す軸流タービン（羽根数；６枚）
・羽根の傾斜角（羽根の回転方向における前端と後端を結んだ線とスピンドル軸に直交する線とで形成される角度）；１７．７度
・空気吐出口；図４に示す空気吐出口（吐出口の数；４つ）
・空気吐出口の口径；１．０ｍｍ
・空気吐出口の総断面積；３．１４ｍｍ^２
・空気吐出口から吹き出す排気の流速；１９４．３８ｍ/ｓ
・空気吐出口から吹き出す排気の量；６２．７９ｌ/ｍｉｎ
なお、空気吐出口から吹き出す排気の流速は、増速エアタービンを取り外した状態において測定した値である。また、排気の流速及び流量は、ＴＡ１０サーマル式風速センサー「ＴＡ１０−２８５ＧＥ−２００Ｍ/Ｓ」（ヘルツ社製）とセンサ分離型Ｕ１０ａ変換器ＴＡ１０（ヘルツ社製）を用いて測定した。

＜回転数の測定方法＞
「光電式回転計ＬＢＴ１５ＴＡ（測定範囲；０〜３００,０００ｒｐｍ）」（菅原研究所社製）を使用し、スピンドルの回転数を測定する。

実施例２及び３
圧縮空気圧０．４５ＭＰａに代えて、圧縮空気圧０．５０ＭＰａ（実施例２）、０．５５ＭＰａ（実施例３）とした以外は、実施例１と同様の方法で行った。その結果、スピンドルの回転数はそれぞれ２１万ｒｐｍ、２６万ｒｐｍであった。

＜増速エアタービン設置効果の確認実験＞
（実験１；圧縮空気（仮想排気）の供給角度（タービンの迎え角）が増速エアタービンの回転数に及ぼす影響）
図１０〜図１１に示す下記仕様の角度検出器付き測定器を用いて、圧縮空気のタービン迎え角（図１２では「ノズル角度」と言う）が増速エアタービンの回転数に及ぼす影響を測定した。その結果を図１２に示す。なお、図１１（Ａ）は図１０の測定器のノズルとタービンの迎え角９０度における位置関係を示す模式図であり、（Ｂ）は測定器におけるノズルと増速エアタービンの位置関係を示す簡略図である。すなわち、角度検出器付き測定器６０は、軸受け６２で軸支された増速エアタービン６１を先端部に内蔵するものであり、増速エアタービン６１に対して、０〜１８０度の範囲で回動自在のノズル６３を付設したものである（図１０参照）。
（測定器の仕様）
・増速エアタービン；実施例１で使用した軸流タービン
・軸受；ＮＳＫ−ＭＲ６３（ミニチュアボールベアリング；４個使用）（日本精工社製）
・供給空気圧；０．４５ＭＰａ

図１２から明かなように、ノズル角度３５度から増速エアタービンの使い勝手の正方向の回転が始まり、１４０度までは回転数が上昇して最高２３万ｒｐｍとなり、１４０度を越えたあたりから減速した。このことから、増速エアタービンを効果的に回転させるためには、タービンの迎え角は１２０度〜１６０度が好適な範囲であることが判る。なお、ノズル角度３５度までの回転は使い勝手の逆方向の回転である。

（実施例１の検証）
実験１の高速エアスピンドルにおいて、増速エアタービンを取り外し、供給空気圧０．４５ＭＰａでの回転数は１２００００〜１２６０００ｒｐｍであった。増速エアタービンを取り付け供給空気圧０．４５ＭＰａで起動したとした場合、起動エアタービンで得られる回転数は１２０,０００ｒｐｍであるから、図１３（Ａ）に示すように、増速エアタービンのＸ点において、回転方向より最大１０５．６ｍ/ｓ（（１６．８ｍｍ×円周率×１２０,０００）/６０）の風圧を受けることになる。この時、空気吐出口から吹き出す排気の流速は１９４．３８ｍ/ｓ（測定値）であるから、増速エアタービンのＸ点においては２方向の風圧を受けることになる。そして、２方向の風圧の合成流速は２２１．２ｍ/ｓで、合成流速の増速エアタービンへの流入角度（迎え角）は６１．５度となる（図１３）。図１２のグラフからノズル角６１．５度での増速エアタービンの付加回転数は、１７０,０００ｒｐｍである。従って、１２０,０００ｒｐｍと１７０,０００ｒｐｍの合計回転数は２９０,０００ｒｐｍである。なお、この検証結果２９０,０００ｒｐｍと実際の測定値２００,０００ｒｐｍとが異なる理由としては、図１２のグラフは実施例１とは異なる実験条件を含む模擬試験であること、増速エアタービンの羽根面には実際には乱流状態にあること、更に実施例１の軸受は上記増速エアタービン設置効果の確認実験で使用した軸受より大きいため軸受の抵抗があることなどである。

実施例４
＜金型の製作＞
２００,０００ｒｐｍのような高速回転においては、ジャイロ効果の影響あるいは振動により、芯振れをミクロンオーダーで測定することは困難である。そこで、実施例１の高速エアスピンドルに直径０．１ｍｍの切削工具を取り付け、２００,０００ｒｐｍで、０．１ｍｍの微小小径部を有する携帯電話の金型を、実際に切削することにより評価した。なお、切削工具はコレットにセットし、該コレットをスピンドルに焼填めする方法で取り付けた。その結果、切削工具は破損することなく、高精度で所望の形状の金型を作製することができた。

比較例１
高速エアスピンドルを増速エアタービンを備えない従来のスピンドルを用いたこと、スピンドルの回転数２００,０００ｒｐｍに代えて、１００,０００ｒｐｍとしたこと、工具の取り付け方法を焼填め方法に代えて、ナット締め方法とした以外は、実施例４と同様の方法で切削加工を行った。その結果、切削工具は微小小径部を切削する際、破損してしまった。この原因は、エアスピンドルの芯振れ、回転不足によるものであった。

高速エアスピンドルの構造を示す図。図１の高速エアスピンドルで使用されている駆動エアタービンの斜視図。図２の駆動エアタービンの側面図。図１のＸ−Ｘ線に沿って見た図。図１の高速エアスピンドルで使用されている軸流タービンの一部を切り欠いた斜視図。図５の増速タービンの平面図。図５の増速タービンの正面図。図５の増速タービンの側面図。増速タービンの増速効果を説明する図。角度検出器付き測定器の斜視図。（Ａ）は図１０の測定器のノズルとタービンの迎え角９０度における位置関係を示す模式図であり、（Ｂ）は測定器におけるノズルと増速エアタービンの位置関係を示す簡略図。ノズル角度（タービンの迎え角）が増速エアタービンの回転数に及ぼす影響を示す図。実施例１の検証の説明に用いる図。従来のエアスピンドルの一部を示す簡略図。従来のスピンドルへの加工工具の取り付け方法を説明する図。

符号の説明

１スピンドル
２第２軸受け
３第１軸受け
４駆動エアタービン
５増速エアタービン
６加工工具
７コレット
８空気吐出口
９エア流路
９ａ第２のエア流路
１０高速エアスピンドル
４１羽根
４２円筒部材
Ａ圧縮空気

Claims

軸方向の先端側の第１軸受けと、後端側の第２軸受けで支持されるスピンドルと、
当該第１軸受けと当該第２軸受けの間のスピンドル部分に固設される駆動エアタービンと、
当該第１軸受けより先のスピンドル部分に固設される増速エアタービンと、
当該駆動エアタービンに供給された圧縮空気の排気が、当該第１軸受け及び当該増速エアタービンの順に流れるエア流路と、
を設けたことを特徴とする高速エアスピンドル。
当該駆動エアタービンが衝動タービンであり、当該増速エアタービンが軸流タービンであることを特徴とする請求項１記載の高速エアスピンドル。
当該第１軸受けを冷却した空気を、当該増速エアタービンの羽根に吹き当てる空気吐出口を、固定側のハウジングに周方向に所定のピッチで複数個設け、当該空気吐出口は、静止状態にある軸芯の先端側から見て、少なくとも１つは当該羽根に隠れて見えない位置にあることを特徴とする請求項２記載の高速エアスピンドル。
当該空気吐出口から吐出する排気の流速が、１５０ｍ/ｓ以上であることを特徴とする請求項３記載の高速エアスピンドル。
当該第１軸受け及び当該第２軸受けが、アンギュラ玉軸受けである請求項１〜４のいずれか１項に記載の高速エアスピンドル。
当該スピンドルの先端には、加工工具が取り付けられることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の高速エアスピンドル。