JP4957433B2 - 主軸装置 - Google Patents

Description

本発明は、主軸装置に関し、より詳細には、工作機械等に用いられる高速回転可能な主軸装置に関する。

従来、高速回転する工作機械等の主軸装置では、振動低減のためにバランス修正を行っている。特に、モータビルトインタイプの主軸装置では、ロータやばね等により回転軸の軸方向中央部分に初期残留アンバランスが存在し、高速回転速度領域では、回転軸の曲げ変形により振動が増大するため、種々の対策が図られている（例えば、特許文献１及び２参照。）。

図７に示すように、特許文献１に記載の主軸装置１００では、工具側の軸受部１０１より軸端側、この工具側軸受部１０１とロータ１０２との間、ロータ１０２と反工具側の軸受部１０３との間、及び、反工具側軸受部１０３より軸端側の少なくとも４箇所Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４で、バランス修正が行われている。また、図８に示すように、特許文献２に記載の主軸装置２００では、バランス修正用錘２０１が、ロータ２０２と反工具側の軸受部２０３との間、且つ、ステータ２０４の半径方向内側で回転軸２０５に設けられたリング２０６に取り付けられ、錘２０１の位置をネジの締め込みを調整してバランス修正が行われている。
特開２００４−１１４２５４号公報 特開平１０−２８１２２９号公報

ところで、特許文献１の主軸装置１００では、バランスの多面修正が可能であり、良好なバランス修正を行うことができるが、初期アンバランスが存在する回転軸の軸方向中央部分、即ち、ロータ１０２近傍でのより効果的なバランス修正が望まれる。

また、特許文献２の主軸装置２００では、バランス修正用錘２０１がリング２０６に取り付けられ、リング２０６内で位置調整するために、反工具側軸受部２０３の後方から工具Ｔが挿入される。このため、反工具側の軸受部２０３の外径を小さくせざるを得ず、主軸装置２００の剛性が低下する虞があった。また、比較的直径の大きなリング２０６が配置されるので、リング２０６自身がバランス悪化の要因となることが懸念される。

本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、他の構成部品の寸法に影響を与えることなく、アンバランスが発生し易い回転軸の軸方向中央に近接した位置で効果的なバランス調整することができる主軸装置及びそのバランス調整方法を提供することにある。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１） ステータを有するハウジングと、
前記ステータと対向配置されるロータを有し、一端で工具をクランプ可能な回転軸と、
前記ロータに対して工具側で前記回転軸を支持する第１軸受部と、
前記ロータに対して反工具側で前記回転軸を支持する第２軸受部と、
を備えた主軸装置であって、
前記回転軸には、前記ステータの軸方向端部より軸方向内側で傾斜して配置された、少なくとも一つのバランス調整機構が設けられることを特徴とする主軸装置。
（２） 前記バランス調整機構は、テーパ状に形成された前記回転軸の外周面に設けられることを特徴とする（１）に記載の主軸装置。
（３） 前記バランス調整機構は、前記回転軸に取り付けられた間座に設けられることを特徴とする（１）又は（２）のいずれかに記載の主軸装置。
（４） ステータを有するハウジングと、前記ステータと対向配置されるロータを有し、一端で工具をクランプ可能な回転軸と、前記ロータに対して工具側で前記回転軸を支持する第１軸受部と、前記ロータに対して反工具側で前記回転軸を支持する第２軸受部と、を備えた主軸装置のバランス調整方法であって、
前記回転軸を回転させて、アンバランス量及びアンバランス方向を測定する工程と、
測定されたアンバランス量に相当するバランス修正用錘を、前記ハウジングに形成された作業孔から斜めに挿入して、前記ステータの軸方向端部より内側で前記回転軸に取り付ける工程と、
を備えることを特徴とする主軸装置のバランス調整方法。

本発明によれば、モータビルトインタイプの主軸装置において、回転軸には、ステータの軸方向端部より軸方向内側で傾斜して配置された、少なくとも一つのバランス調整機構が設けられる。このため、他の構成部品の寸法に影響を与えることなく、アンバランスが発生し易い回転軸の軸方向中央に近接した位置で効果的にバランス調整することができる。また、これによって回転軸の振動を効果的に抑制して安定した高速回転が可能となる。

以下、本発明に係る主軸装置の各実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１に示すように、本実施形態の主軸装置１は、モータビルトインタイプのものであり、ロータ３が固定され、一端で図示しない工具をクランプ可能な回転軸２と、ロータ３より工具側（以下、前側とも言う）で回転軸２を支持する第１軸受部４と、ロータ３より反工具側（以下、後側とも言う）で回転軸２を支持する第２軸受部５と、ハウジング６と、を備える。

ハウジング６は、第１軸受部４が内部に配設されるフロントハウジング７と、第２軸受部５が内部に配設されるリヤハウジング８と、フロントハウジング７及びリヤハウジング８の間に配置された中間ハウジング９と、を備え、それぞれボルト１４等によって着脱自在に締結されている。また、フロントハウジング７の前端部には、フロントカバー１０が配置され、リヤハウジング８の後端部には、リヤカバー１１が配置される。中間ハウジング９にはスリーブ１２を介してステータ１３が配置されており、回転軸２に固定されるロータ３はこのステータ１３に対向配置されている。

図２に示すように、第１軸受部４は、外輪６０がフロントハウジング７に内嵌されると共に内輪６１が回転軸２に外嵌される２つのアンギュラ玉軸受である前側転がり軸受１５Ａ，１５Ｂと、前側転がり軸受１５Ａ，１５Ｂより反工具側で、外輪６２が軸受スリーブ１６に内嵌されると共に内輪６３が回転軸２に外嵌される２つのアンギュラ玉軸受である中間転がり軸受１７Ａ，１７Ｂと、を有する。２つの前側転がり軸受１５Ａと１５Ｂとは並列組合せされ、２つの中間転がり軸受１７Ａと１７Ｂとは並列組合せされる。また、前側転がり軸受１５Ａ，１５Ｂと中間転がり軸受１７Ａ，１７Ｂは、背面組み合わせされている。

前側転がり軸受１５Ａ，１５Ｂ及び中間転がり軸受１７Ａ，１７Ｂの各内輪６１，６３は、複数の間座６４，５０を介して回転軸２の段差部２ａと回転軸２に締結されるナット６５によって回転軸２に対して位置決めされている。また、前側転がり軸受１５Ａ，１５Ｂの各外輪６０は、複数の間座６６を介してフロントハウジング７の段差部７ａとフロントハウジング７に固定されたフロントカバー１０によって、フロントハウジング７に対して位置決めされている。さらに、中間転がり軸受１７Ａ，１７Ｂの各外輪６２は、複数の間座６７を介して軸受スリーブ１６の段差部１６ａと軸受スリーブ１６に固定される外輪押え２０によって、軸受スリーブ１６に対して位置決めされる。

軸受スリーブ１６は、フロントハウジング７に対して軸方向に摺動自在に嵌合する。また、フロントハウジング７と軸受スリーブ１６との軸方向対向面間には、フロントハウジング７と軸受スリーブ１６を互いに離間する方向に付勢する予圧ばね１８が設けられている。従って、前側転がり軸受１５Ａ，１５Ｂと中間転がり軸受１７Ａ，１７Ｂには、互いの相対的な位置が変化しても予圧ばね１８によって一定の予圧荷重が保たれる定圧予圧が付与されている。

また、図２に示すように、軸受スリーブ１６の側面にボルトにて締結固定される外輪押え２０は、フロントハウジング７の反工具側端面と対向するフランジ部２０ａを有する。そして、この外輪押え２０のフランジ部２０ａには、フロントハウジング７に対する軸受スリーブ１６の軸方向移動量を規制する調整リング１９が固定されている。

図３に示すように、第２軸受部５は、リヤハウジング８に摺動自在に内嵌される他の軸受スリーブ２１に外輪７０が内嵌されると共に、内輪７１が回転軸２のロータ３より反工具側で外嵌され、背面組み合わせされた２つのアンギュラ玉軸受（一対の転がり軸受）２２Ａ、２２Ｂを備える。各内輪７１は、複数の間座７２を介して回転軸２の段差部２ｂと回転軸２に固定されたナット７３によって、速度センサ７４を構成する被検出部７５と共に回転軸２に位置決めされている。また、各外輪７０は、複数の間座７６を介して他の軸受スリーブ２１の段差部２１ａと他の軸受スリーブ２１に固定された他の外輪押え２３によって、他の軸受スリーブ２１に固定されている。これにより、２つのアンギュラ玉軸受２２Ａ、２２Ｂには定位置予圧が付与されている。

また、図１に示すように、回転軸２は、第１軸受部４によって支持される部分２ｃの外径ｄ１が、第２軸受部５によって支持される部分２ｄの外径ｄ２より大きくなるように形成されている。これにより、第１軸受部４には軸受内径の大きな軸受１５Ａ，１５Ｂ，１７Ａ，１７Ｂが使用されるので、工具側のスピンドル剛性を高くすることができ、第２軸受部５には軸受内径の小さな軸受２２Ａ，２２Ｂが使用されるので、定位置予圧が付与される軸受においても高速回転を許容することができる。

回転軸２の内部には、回転軸２に対して軸方向に相対移動可能に装着されるドローバー３０と、ドローバー３０に外装されて、回転軸２とドローバー３０の大径部３０ａとの間に圧縮可能に配置された複数のバネ３２と、が配置される。ドローバー３０は、バネ３２の作用によって工具ホルダ３７を軸方向内方（図１において右方向）に引き込む。尚、バネ３２としては、皿バネを使用しているが、コイルバネや螺旋皿バネ等を使用してもよい。

ドローバー３０の先端には、工具ホルダ３７をクランプするコレット部３８が設けられている。また、ドローバー３０の後端には、油圧クランプ機構４０が設けられている。油圧クランプ機構４０は、第１圧力油供給口４１Ａと第２圧力油供給口４１Ｂを備えるシリンダ４２と、該シリンダ４２内で移動するピストン４３とを備える。図示しない油圧ポンプから供給される圧力油を第１圧力油供給口４１Ａからシリンダ４２に供給すると、ピストン４３が図中左方向に移動してドローバー３０を工具ホルダ３７側に押し出して、アンクランプ状態となる。また、第２圧力油供給口４１Ｂに圧力油を供給すると、ピストン４３が右方向に移動して、ドローバー３０が工具ホルダ３７をクランプする。なお、図１中、上側半分は工具アンクランプ状態を示し、下側半分は工具クランプ状態を示す。

また、本実施形態では、ステータ１３の内径は、ステータ１３より反工具側で回転軸２に取り付けられる構成部品、即ち、ロータ３の外径、他の軸受スリーブ２１の外径、速度センサ７４を構成する被検出部７５の外径より大きく設定されている。従って、中間ハウジング９からフロントハウジング７を取り外すことによって、第１軸受部４を備えるフロントハウジング７、回転軸２、ロータ３、第２軸受部５、及び他の軸受スリーブ２１等からなる半組立体Ｕを、中間ハウジング９から工具側に一体に抜き取ることが可能であり、メンテナンス性が大幅に向上する。

図１に示すように、回転軸２には、その中心部分、即ち、ステータ１３の軸方向両端部より軸方向内側（ロータ側）に、傾斜して配置される一対のバランス調整機構５１，５２が設けられる。

具体的に、ロータ３に対して工具側に設けられたバランス調整機構５１は、図２に示すように、回転軸２に取り付けられた間座５０の円周方向複数箇所（４等配〜１６等配程度）に形成されるねじ孔５０ａと、このねじ孔５０ａに挿入されるバランス修正用錘であるねじ５３（図４参照。）とから構成される。間座５０は、その工具側の外周面を斜めに面取りしたテーパ面５０ｂを有し、ねじ孔５０ａは、このテーパ面５０ｂと略垂直に、回転軸２の工具端部側からロータ３側に向けて略４５°で傾斜して形成され、半径方向において第１軸受部４よりも内側まで延びる。また、この間座５０は、ねじ孔５０ａがステータ１３の軸方向端部（工具側端部）より軸方向内側の位置となるように、回転軸２に取り付けられている。さらに、フロントハウジング７及び外輪押さえ２０には、ねじ孔５０ａと一直線上に作業孔３６が形成される。

また、ロータ３に対して反工具側に設けられたバランス調整機構５２は、図３に示すように、ステータ１３の軸方向端部（反工具側端部）より軸方向内側の位置で回転軸２の円周方向複数箇所（４等配〜１６等配程度）に直接形成されるねじ孔２ｅと、このねじ孔２ｅに挿入されるバランス修正用錘であるねじ５３（図４参照。）とで、構成される。ロータ３が取り付けられる回転軸２には、回転軸２の大径部２ｆの後方から漸次縮径することでテーパ面２ｇが形成されており、ねじ孔２ｅは、このテーパ面２ｇと略垂直に、回転軸２の反工具端部側からロータ３側に向けて略４５°で傾斜して形成され、半径方向において第２軸受部５よりも内側まで延びる。また、リヤハウジング８には、ねじ孔２ｅと一直線上に作業孔３５が形成される。

そして、長さ（重さ）の異なるねじ５３を用意して、このねじ５３をねじ孔５０ａ，２ｅに挿脱することで、バランス調整が行われる。このバランス調整は、まず、主軸装置１をアンバランス測定装置（図示せず）に装着して回転軸２を回転させ、アンバランス量及びアンバランス方向を測定する。次に、測定されたアンバランス量に相当するねじ５３を、アンバランス方向と逆位相に設けられたねじ孔５０ａ，２ｅに螺合固定してバランス修正を行う。

例えば、図４に示すように、ねじ孔２ｅにねじ５３を螺合固定する場合には、まず、ねじ５３を工具Ｔの先端に保持させ、作業孔３５から工具Ｔを挿入する。同時に、アンバランス方向と逆位相に設けられた所望のねじ孔２ｅが作業孔３５と一直線上に並ぶように、回転軸２を回転させる。そして、工具Ｔを用いて、ねじ５３を所望のねじ孔２ｅに螺合固定する。なお、ねじ孔５０ａにねじ５３を装着する場合にも、作業孔３６から工具Ｔを挿入して、作業が行われる。

上記したように、本実施形態の主軸装置１によれば、回転軸２には、ステータ１３の軸方向両端部より軸方向内側で傾斜して配置された、一対のバランス調整機構５１，５２が設けられる。このため、他の構成部品の寸法に影響を与えることなく、アンバランスが発生し易い回転軸２の軸方向中央に近接した位置で効果的にバランス調整することができる。また、これによって回転軸２の振動を効果的に抑制して安定した高速回転が可能となる。さらに、第１軸受部４とロータ３との間、又は、ロータ３と第２軸受部５との間で、ステータ１３の軸方向外側にバランス修正のための孔を設ける必要がなく、主軸装置の長さを短くすることができ、コンパクトな設計となる。

また、バランス調整機構５２を構成するねじ孔２ｅは、テーパ状に形成された回転軸２の外周面２ｇに設けられるので、工具Ｔをステータ１３の軸方向端部より軸方向内側に斜めに挿入しやすくなると共に、傾斜して配置されるねじ５３が突出するねじ長さが全周に亘り均一になり、より確実にねじ５３を固定することができる。

さらに、バランス調整機構を構成するねじ孔５０ａは、回転軸２に取り付けられた間座５０に設けられるので、ねじ孔５０ａは、回転軸２に直接形成し難い位置にも設けることができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る主軸装置１ａについて、図５を参照して説明する。なお、第１実施形態と同一又は同等部分については、同一符号を付して説明を省略或いは簡略化する。

本実施形態の主軸装置１ａは、第１軸受部４の予圧付与方式を定位置予圧方式とした点において、第１実施形態のものと異なる。２つの前側転がり軸受１５Ａ，１５Ｂと、２つの中間転がり軸受１７Ａ，１７Ｂは、背面組み合わせされている。前側転がり軸受１５Ａ，１５Ｂ及び中間転がり軸受１７Ａ，１７Ｂの各内輪６１，６３は、複数の間座６４，５０を介して回転軸２の段差部２ａと回転軸２に締結されるナット６５によって回転軸２に対して位置決めされている。また、前側転がり軸受１５Ａ，１５Ｂ及び中間転がり軸受１７Ａ，１７Ｂの各外輪６０，６２は、複数の間座６６を介してフロントハウジング７の段差部７ｂとフロントハウジング７に固定されたフロントカバー１０によって、フロントハウジング７に対して位置決めされている。これにより、前側転がり軸受１５Ａ，１５Ｂ及び中間転がり軸受１７Ａ，１７Ｂには定位置予圧が付与されている。

なお、本実施形態においても、回転軸２には、ステータ１３の軸方向両端部より軸方向内側に傾斜して配置された一対のバランス調整機構５１，５２が設けられており、アンバランスが発生し易い回転軸２の軸方向中央に近接した位置で効果的にバランス調整することができる。
その他の構成及び作用については、第１実施形態のものと同様である。

尚、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。
上記実施形態では、ステータ１３の軸方向両端部より軸方向内側の回転軸２の位置に、一対のバランス調整機構５１，５２が設けられているが、少なくとも一方のバランス調整機構が、ステータ１３の軸方向端部より軸方向内側の回転軸２の位置に設けられればよい。即ち、図６に示す主軸装置１ｂのように、ロータ３の反工具側のねじ孔２ｅがステータ１３の軸方向端部より軸方向内側の回転軸２の位置に設けられればよく、ロータ３の工具側のねじ孔５０ａ´が、ステータ１３の軸方向端部より軸方向外側の間座５０´の位置に、径方向に延びて形成されてもよい。
また、本実施形態では、ロータ３の工具側のねじ孔が間座５０に設けられているが、工具側のねじ孔も回転軸２に直接形成されてもよい。
さらに、バランス調整機構のバランス修正用錘はねじに限定されるものでなく、回転軸に形成された孔に取り付けられるものであればよい。

本発明の第１実施形態である主軸装置を示す縦断面図である。 図１のIIで囲まれた部分の拡大図である。 図１のIIIで囲まれた部分の拡大図である。 バランス調整を説明するため、図１のIV−IV線に沿った部分断面図である。 本発明の第２実施形態である主軸装置を示す縦断面図である。 本発明の変形例である主軸装置を示す縦断面図である。 従来の主軸装置の縦断面図である。 従来の他の主軸装置の縦断面図である。

符号の説明

１ 主軸装置
２ 回転軸
２ｅ，５０ａ ねじ孔
３ ロータ
４ 第１軸受部
５ 第２軸受部
６ ハウジング
７ フロントハウジング
９ 中間ハウジング
１３ ステータ
１５Ａ、１５Ｂ アンギュラ玉軸受(前側転がり軸受、第１軸受部の軸受)
１６ 軸受スリーブ
１７Ａ、１７Ｂ アンギュラ玉軸受（中間転がり軸受、第１軸受部の軸受）
１８ 予圧ばね
１９ 調節リング
２１ 他の軸受スリーブ
２２Ａ、２２Ｂ アンギュラ玉軸受（第２軸受部の軸受）
５０ 間座
５１，５２ バランス調整機構
５３ ねじ

Claims (4)

1. ステータを有するハウジングと、
   前記ステータと対向配置されるロータを有し、一端で工具をクランプ可能な回転軸と、
   前記ロータに対して工具側で前記回転軸を支持する第１軸受部と、
   前記ロータに対して反工具側で前記回転軸を支持する第２軸受部と、
   を備えた主軸装置であって、
   前記回転軸には、前記ステータの軸方向端部より軸方向内側で傾斜して配置された、少なくとも一つのバランス調整機構が設けられることを特徴とする主軸装置。
2. 前記バランス調整機構は、テーパ状に形成された前記回転軸の外周面に設けられることを特徴とする請求項１に記載の主軸装置。
3. 前記バランス調整機構は、前記回転軸に取り付けられた間座に設けられることを特徴とする請求項１又は２に記載の主軸装置。
4. ステータを有するハウジングと、前記ステータと対向配置されるロータを有し、一端で工具をクランプ可能な回転軸と、前記ロータに対して工具側で前記回転軸を支持する第１軸受部と、前記ロータに対して反工具側で前記回転軸を支持する第２軸受部と、を備えた主軸装置のバランス調整方法であって、
   前記回転軸を回転させて、アンバランス量及びアンバランス方向を測定する工程と、
   測定されたアンバランス量に相当するバランス修正用錘を、前記ハウジングに形成された作業孔から斜めに挿入して、前記ステータの軸方向端部より内側で前記回転軸に取り付ける工程と、
   を備えることを特徴とする主軸装置のバランス調整方法。

Images