JP5092121B2 - スピンドルユニット - Google Patents

Description

本発明は、工作機械に用いられるスピンドルユニットに関する。

従来、この種のスピンドルユニット１００は、図８に示すように、各種の工具Ｔが取り付けられるスピンドル１０２を、直動自在に構成したスライド体１０３に組み付けてユニット化したものがある。スライド体１０３にはリニアガイド１３３と共に直動駆動装置（図示せず）が設けられており、このスライド体１０３を移動させることでスピンドル１０２を、例えば上下動させるようにしている。そして、スピンドル１０２は、スライド体１０３のホルダー１３１の孔１３４に内嵌させると共にスピンドル１０２のフランジ１２２をホルダー１３１にボルト止めして固定することで組み付けられている。このスピンドル１０２の内部にはモータ１０４によって回転される回転軸１２４が軸支されており、この回転軸１２４の先端にはスピンドル１０２の先端部から露出されるチャック１２３が接続されている。そして、このチャック１２３に工具Ｔが装着されて工具Ｔを回転させてワークに対する各種の加工（穴あけ、切削、研磨等）が行われる。なお、ホルダー１３１としては、スピンドル１０２を内嵌させる孔１３４が設けられて、この孔１３４内にスピンドル１０２を直接挿入させて組み付けるものや、ホルダー１３１が半割りとなってスピンドル１０２をクランプさせて孔１３４内に組み付けるものがある。
特開２００２−９６２９８号公報（図５）

ところで、上記従来のスピンドルユニット１００は、スピンドル１０２の外径やホルダー１３１の孔１３４の孔径には製作寸法としての公差がある。従って、スピンドル１０２とホルダー１３１は、その公差分の微小なすき間Ｓを部分的に有した状態で接して嵌合されている。そのため、加工時にスピンドル１０２に負荷が加わったり回転軸１２４の回転に伴って、上記すき間Ｓ分のガタツキが生じ、スピンドル１０２が振れて軸芯が微妙に振れてしまうおそれがある。また、回転軸１２４の回転等によりスピンドル１０２で発生した熱がホルダー１３１に伝わり、上記すき間Ｓ分、ホルダー１３１が熱変形してスピンドル１０２の軸芯位置を変化させるおそれもある。このことから、上記従来のスピンドルユニット１００は、加工精度を低下させるおそれがあり、高精度な加工を安定して行う場合には必ずしも適していなかった。

また、半割のホルダー１３１によりスピンドル１０２をクランプするものでは、スピンドル１０２の軸芯を精度よくだす等のためにホルダー１３１のクランプ力を調整するのが難しかった。クランプ力を強くすればスピンドル１０２の軸芯を比較的容易に中心に設定できる。しかし、ホルダー１３１はスピンドル１０２の外周面を全面接触してクランプするので、クランプ力が強くなり過ぎるとスピンドル１０２が微小変形し回転軸１２４の回転を阻害するおそれがあった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、スピンドルとホルダーとの間に生じるガタツキを簡単に且つ確実に無くすことができるスピンドルユニットを提供することを課題とする。

本発明に係るスピンドルユニットは、
装着した工具を回転させる回転軸がハウジング内に軸支されたスピンドルを、ホルダーに着脱自在に保持して組み付けたスピンドルユニットであって、
上記スピンドルの外周部と上記ホルダーの内周部との間の間隙に上記スピンドルの外周に沿って複数の転動体を予圧状態に介在させて上記スピンドルと上記ホルダーとを両者間で移動しないように固定したものである。
上記構成によれば、スピンドルの外径やホルダーの内径に製作寸法の公差があっても、上記転動体によってこの公差によるすき間を吸収することができる。これにより、スピンドルとホルダーは、その公差によるガタツキを簡単に且つ確実に無くすことができる。従って、加工時にスピンドルに加わる負荷や回転軸の回転によってもスピンドルの回転軸が振れることもない。
しかも、スピンドルとホルダーとは上記転動体を介在させることで直接接触しなくなるので、スピンドルで発生した熱がホルダーに伝わり難くすることができる。従って、ホルダーの熱変形が抑制されてスピンドルの回転軸の軸芯位置を変化させることも抑制することができる。
さらには、上記複数の転動体を上記スピンドルの外周に沿って配置することによって上記ホルダーに対して上記スピンドルの調芯作用が生じ、これにより、ホルダーにスピンドルを組み付けたときスピンドルの軸芯が確実に位置決めされる。

上記転動体は、リテーナによって保持されて上記スピンドルの外周部と上記ホルダーの内周部とに転がり接触可能に介在させるようにしてもよい。
これにより、スピンドルをホルダーの内周部に直接挿入して内嵌させる場合には、転動体の転動によってスピンドルをホルダー内にスムーズに挿入することができる。また、スピンドルが熱膨張しているときでも転動体の転動によってスピンドルをホルダーから簡単に抜き出すことができる。従って、スピンドルのホルダーへの着脱を容易に行うことができる。

上記リテーナの一方側の端部には、上記ホルダーにおける上記スピンドル挿入側へリテーナを付勢する付勢手段を設けるようにしてもよい。
これにより、ホルダーからスピンドルを抜くと、付勢手段によって転動体を保持するリテーナがホルダーのスピンドル挿入側へ付勢移動される。従って、次にスピンドルをホルダーに直接挿入する際には、初期から転動体がスピンドルとホルダーとの間に転がり接触されるので、楽にスピンドルをホルダーに挿入することができる。

上記転動体は、非導電性の材質で構成してもよい。
これにより、スピンドルとホルダーとの間の絶縁状態が確保される。従って、例えば、電気回路を含むプリント基板をスピンドルによって加工する場合、ホルダーからスピンドルへの漏電が遮断されるので、上記プリント基板における電気回路の電気的破壊を防止することができる。

また、本願発明に係るスピンドルユニットは、
装着した工具を回転させるスピンドルを、ホルダーに着脱自在に保持して組み付けたスピンドルユニットであって、
上記スピンドルの外周部と上記ホルダーの内周部との間の間隙に、上記スピンドルの外周に沿って複数の転動体を介在させて上記スピンドルと上記ホルダーとを固定し、
上記スピンドルは、先端側を小径にし基端側を大径に形成し、
上記転動体は、上記スピンドルの小径部には大径のものを、上記スピンドルの大径部には小径のものをそれぞれ対応させて介在するようにしてもよい。
これにより、スピンドルをホルダーに直接挿入して内嵌させる際に、転動体の移動量を少なくすることができる。従って、転動体は、スピンドルとホルダーとの間で軸線方向での片寄りが少なく長い領域に介在させることができる。

以上のように、本発明によれば、加工時に、スピンドルの回転軸が振れることがなく、また、ホルダーの熱変形も抑制されるから、超高精度な加工を行う場合にも適したスピンドルユニットが得られる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施の形態によるスピンドルユニット１の一部を切り欠いた斜視図を示し、図２は、このスピンドルユニット１の断面図を示し、図３は、リング状のフタ部材８を取り外してスピンドルユニット１の先端側から見た状態の側面図を示す。これら図１から図３を参照して、実施の形態によるスピンドルユニット１は、各種の工具Ｔが交換可能に装着されるスピンドル２をスライド体３に固定した構成を有する。

スライド体３は、スピンドル２を取り付けたホルダー３１にブロック状のスタンド部３２が設けられている。ホルダー３１とスタンド部３２とは一体形成されたものでもよいし、別体に形成されて組み付けられたものでもよい。ホルダー３１には孔３４が設けられ、この孔３４内にスピンドル２が取り付けられる。スタンド部３２には、一対の平行なリニアガイド３３が設けられると共に、ボールネジ又はシリンダ装置等の直動駆動装置（図示せず）が取り付けられている。従って、直動駆動装置を駆動すると、スライド体３が移動してホルダー３１に固定したスピンドル２が直線往復移動（例えば、上下動）される。なお、リニアガイド３３は、それ自体がリニアガイド３３の直交方向に延びるクロスレールに設けられてこのスピンドルユニット１をクロスレールの長手方向に往復移動自在に構成されてもよい。

スピンドル２は、外装のハウジング２１によって全体が円柱状に形成されており、このハウジング２１の基端部に円盤状のフランジ２２が設けられている。また、スピンドル２の先端には、各種の工具Ｔ（例えば、ドリル、エンドミル、砥石等）が交換可能に取り付けられるチャック２３が設けられている。このチャック２３は、ハウジング２１内に軸支されてモータ４により回転駆動される回転軸２４に接続されている。従って、チャック２３に取り付けられた工具Ｔは、モータ４の駆動によって回転され、図示しないテーブルに固定されたワークに対して各種の加工（穴あけ、切削、研磨等）が行えるようになっている。

そして、このスピンドルユニット１は、スピンドル２をスライド体３のホルダー３１に設けた孔３４に挿通させてスピンドル２のフランジ２２をスライド体３のホルダー３１にボルト止めして内嵌固定されているが、このスピンドル２の外径面とホルダー３１の孔３４の内径面との間の間隙に複数のボール（転動体）５を予圧状態に介在させている。

各ボール５は、スピンドル２の軸線方向に直線上に並び且つスピンドル２の周方向の３箇所に等間隔に配列されるように、円筒状のリテーナ６によって回転可能に保持されている。従って、スピンドル２がホルダー３１に固定されていない状態では、ボール５は、このリテーナ６に保持された状態でスピンドル２の外径面とホルダー３１の孔３４の孔径面とに転がり接触するようになっている。

また、ボール５を予圧状態に介在させるには、スピンドル２の外径とホルダー３１の孔３４の孔径との間隙量よりも僅かに大きな直径のボール５を使用することで実現される。例えば、ボール５は、スピンドル２の直径とホルダー３１の孔３４の直径との差の１／２の大きさ（間隙量）に対して、５〜１５μｍ程度大きな直径を有するものが使用される。具体的には、例えば、スピンドル２の外径φ５０．０００ｍｍ（公差が−０．００５ｍｍ）で、スライド体３の孔３４の孔径φ６０．０００ｍｍ（公差が＋０．００５ｍｍ）として、ボール５は、φ５．０１０〜５．０１５ｍｍの外径を有するものが使用される。なお、ボール５は、スピンドル２とホルダー３１の出来上がりの製作公差により、所定のボール径のものを適宜選択して使用することができる。ボール５の材質として、例えば、セラミック、ステンレス、鋼鉄等の各種材質が使用されるが、中でも、断熱性や絶縁性（非導電性）に優れるセラミックが好ましく使用される。

また、リテーナ６には、その周壁に内外に出張った凸部６１が軸線方向に畝状に形成されている。この凸部６１は、周方向に配列するボール５の列間に位置してリテーナ６の周壁の３箇所に形成されている。そして、各凸部６１は、ボール５の直径よりも大きくならない範囲で、スピンドル２の外径面とホルダー３１の孔３４の孔径面とに接触可能な大きさに形成されてもよい。これにより、スピンドル２の着脱時にリテーナ６がスピンドル２の外径面又はホルダー３１の孔径面に接触して摺動抵抗となることが防止される

また、各凸部６１におけるスピンドル２の先端側に位置する端部には、ポケット穴６２が設けられており、このポケット穴６２内にコイルバネ（付勢手段）７が外部にその一部が露出されるように取り付けられている。そして、このコイルバネ７は、ホルダー３１の先端側端部にボルト止めされるリング状のフタ部材８に押し当てられて、リテーナ６がホルダー３１のスピンドル２挿入側（基端側）へ付勢されるようになっている。

以上の構成の実施形態によるスピンドルユニット１によれば、スピンドル２の外径やホルダー３１の孔３４には製作寸法の公差があっても、上記ボール５によって上記スピンドル２と上記ホルダー３１との間に生じる微小なすき間を吸収して無くすことができる。これにより、スピンドル２とホルダー３１とは、その公差によるガタツキを簡単に且つ確実に無くすことができる。従って、加工時にスピンドル２に加わる負荷や回転軸２４の回転によってもスピンドル２の回転軸２４が振れることもない。

また、スピンドル２の外径やホルダー３１の孔３４の孔径の公差を厳密に管理しなくてもよいので、その分の加工の手間が軽減され、且つ加工コストを低減することができる。

また、ボール５を介在させることでスピンドル２とホルダー３１が直接接触しないから、スピンドル２で発生した熱をホルダー３１に伝わり難くすることができる。しかも、ボール５を断熱性の優れた材質で構成すればスピンドル２の熱がホルダー３１に一層伝わり難くなる。従って、ホルダー３１の熱変形を抑制してスピンドル２の回転軸２４の軸芯位置を変化させることを抑制することができる。

なお、スピンドル２とホルダー３１との間に間隙が形成されているから、この間隙に例えばエアー（冷却媒体）を送ることができる。これにより、スピンドル２やホルダー３１を冷却することができ、熱の影響で回転軸２４の軸芯位置がズレる等の問題を確実に防止することができる。

さらには、各ボール５がスピンドル２の外周に沿って配置されることによってホルダー３１に対するスピンドル２の調芯作用が生じ、これにより、ホルダー３１にスピンドル２を組み付けたときスピンドル２の軸芯が確実に位置決めされる。
そのため、頻繁にスピンドル２を交換する場合でも、ホルダー３１に対してスピンドル２の軸芯位置を簡易に位置決めすることができ、スピンドル２の交換時の調芯の手間が大幅に軽減される。

また、各ボール５は、リテーナ６によって保持されてスピンドル２の外径面とホルダー３１の孔３４の孔径面とに転がり接触されるので、スピンドル２をホルダー３１の孔３４に挿入して組み付ける際には、ボール５の転動によってスピンドル２をホルダー３１の孔３４内にスムーズに挿入することができる。また、スピンドル２が熱膨張しているときでもボール５が転動することでスピンドル２をホルダー３１から簡単に抜き出すことができる。従って、スピンドル２のホルダー３１への着脱を容易に行うことができる。

また、リテーナ６には、ホルダー３１におけるスピンドル２挿入側へリテーナ６を付勢するコイルバネ７を取り付けることにより、ホルダー３１からスピンドル２を抜くと、コイルバネ７によってボール５を保持するリテーナ６がスライド体３のスピンドル２挿入側へ付勢移動される。従って、次にスピンドル２をホルダー３１に挿入する際には、初期からボール５がスピンドル２とホルダー３１との間に介在されるので、楽にスピンドル２をホルダー３１に挿入することができる。

また、ボール５を非導電性の材質で構成すれば、スピンドル２とホルダー３１との間の絶縁状態が確保される。従って、例えば、電気回路を含むプリント基板をスピンドル２によって加工する場合、ホルダー３１からスピンドル２への漏電が遮断されるので、上記プリント基板における電気回路の電気的破壊を防止することができる。

以上のように、本実施の形態のスピンドルユニット１によれば、加工時に、スピンドル２の回転軸２４が振れることがなく、また、スライド体３の熱変形も抑制されるから、超高精度な加工を行う場合にも適したスピンドルユニット１が得られる。

（他の実施形態）
図４に示すように、他の実施形態によるスピンドルユニット１Ａは、スピンドル２Ａのハウジング２１Ａを、先端側を小径２１１にし基端側を大径２１２に形成し、且つこのスピンドル２Ａの外径面とホルダー３１の孔３４の孔径面との間隙に介在させるボールとしては、スピンドル２Ａの小径部２１１には大径のボール５Ｌを、スピンドル２Ａの大径部２１２には小径のボール５Ｓをそれぞれ対応させるようにする。

この場合、スピンドル２Ａをホルダー３１に挿入して組み付ける際に、スピンドル２Ａがホルダー３１の孔３４内にある程度挿入されて、スピンドル２Ａの小径部２１１が大径のボール５Ｌに達するか、スピンドル２Ａの大径部２１２が小径のボール５Ｓに達することにより、各ボール５Ｌ，５Ｓがスピンドル２Ａの外周面とホルダー３１の孔３４の孔径面との間に転がり接触される。これにより、スピンドル２Ａのホルダー３１への組み付け時に各ボール５Ｌ，５Ｓの移動量を少なくすることができる。従って、各ボール５Ｌ，５Ｓは、スピンドル２Ａとホルダー３１との間で軸線方向での片寄りが少なく長い領域に介在させることができる。その他の内容は、図１〜図３に示したスピンドルユニット１と同様である。

なお、本発明は、上記実施の形態のみに限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の設計変更を施すことが可能である。
例えば、図５、図６に示すスピンドルユニット１Ｂ，１Ｃのように、スピンドル２Ｂの外径、スライド体３Ｂのホルダー３１Ｂの孔３４Ｂの孔径及び上記リテーナ６Ｂをそれぞれ多角形断面とし（図示したものは六角形であるが、四角形、五角形、七角形、八角形等の他の多角形でもよい。）、上記スピンドル２Ｂの外径面と上記ホルダー３１Ｂの孔３４Ｂの孔径面との対向する平面間にボール５（図５）又はローラ５Ａ（図６）を介在させるようにしてもよい。なお、ローラ５Ａは、中空ローラとしてもよい。

また、図７に示すスピンドルユニット１Ｄのように、スライド体３Ｄのホルダー３１Ｄを半割りにしてスピンドル２をクランプしてホルダー３１Ｄの孔３４Ｄ内に組み付けるようにしてもよい。

また、スピンドル２外径面とホルダー３１の孔３４の孔径面との間隙に介在させるボール５は、周方向の少なくとも３列に配列すればよく、４列、５列、６列等の複数列に配列してもよい。
また、スピンドル２の外径面とホルダー３１の孔３４の孔径面のいずれか、または両方にスプライン溝が設けられ、このスプライン溝内に転動体としてのボール５を介在させるようにしてもよい。すなわち、スピンドル２の外径面とホルダー３１の孔３４の孔径面との形状、形式等にかかわらず、スピンドル２の外周部とホルダー３１の内周部との間の間隙にボール５等の転動体が予圧状態に介在されるように構成されればよい。

また、各列のボール５は、軸線に対して所定角度に傾けて配置するようにしてもよい。
また、ボール５等の転動体は、基本的には鋼性で形成することができるが、リテーナ６に組み込まれた転動体すべてを鋼製とするのではなく、そのうち何個（何列）かをゴムやウレタン樹脂などの振動を吸収する材料で形成してもよい。例えば、６列配置のボール５として、３列は鋼球で形成し、他の３列はウレタンボールで形成することでもよい。

また、スピンドルユニット１の直動機構として、スピンドル２を固定させたホルダー３１をスリーブの挿通孔内に滑り接触あるいは転がり接触等させるように収容して、このホルダー３１を直動駆動装置によって直線往復移動させるようにしてもよい。

また、スピンドルユニット１は、直動機構を設けることなく基台等に不動状態に固定させて、ワークを装着固定するテーブルをＸＹＺ方向等に移動させるようにして、このスピンドルユニット１によってワークに対する各種の加工を行うようにしてもよい。

実施の形態によるスピンドルユニットの構成を示すためその一部を切り欠いた斜視図である。 実施の形態によるスピンドルユニットの構成を示す断面図である。 実施の形態によるスピンドルユニットをリング状のフタ部材を取り外して先端側から見た状態の側面図である。 他の実施の形態としてのスピンドルユニットの構成を示す断面図である。 変形例としてのスピンドルユニット（スピンドル等を多角形断面とする）を、リング状のフタ部材を取り外した先端側から見た側面図である。 他の変形例としてのスピンドルユニット（転動体をローラとする等）を、リング状のフタ部材を取り外して先端側から見た状態の側面図である。 更なる他の変形例としてのスピンドルユニット（スライド体を半割りとする）を示す一部分解斜視図である。 従来のスピンドルユニットの構成を示す断面図である。

符号の説明

１ スピンドルユニット
２ スピンドル
３ スライド体
５ ボール（転動体）
６ リテーナ
７ コイルバネ
８ フタ部材
３１ ホルダー
３４ 孔
６１ 凸部
Ｔ 工具

Claims (5)

1. 装着した工具を回転させる回転軸がハウジング内に軸支されたスピンドルを、ホルダーに着脱自在に保持して組み付けたスピンドルユニットであって、
   上記スピンドルの外周部と上記ホルダーの内周部との間の間隙に上記スピンドルの外周に沿って複数の転動体を予圧状態に介在させて上記スピンドルと上記ホルダーとを両者間で移動しないように固定したスピンドルユニット。
2. 請求項１に記載のスピンドルユニットにおいて、
   上記転動体は、リテーナによって保持されて上記スピンドルの外周部と上記ホルダーの内周部とに転がり接触可能に介在させたスピンドルユニット。
3. 請求項２に記載のスピンドルユニットにおいて、
   上記リテーナの一方側の端部には、上記ホルダーにおける上記スピンドル挿入側へリテーナを付勢する付勢手段を設けたスピンドルユニット。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載のスピンドルユニットにおいて、
   上記転動体は、非導電性の材質で構成したスピンドルユニット。
5. 装着した工具を回転させるスピンドルを、ホルダーに着脱自在に保持して組み付けたスピンドルユニットであって、
   上記スピンドルの外周部と上記ホルダーの内周部との間の間隙に上記スピンドルの外周に沿って複数の転動体を介在させて上記スピンドルと上記ホルダーとを固定し、
   上記スピンドルは、先端側を小径にし基端側を大径に形成し、
   上記転動体は、上記スピンドルの小径部には大径のものを、上記スピンドルの大径部には小径のものをそれぞれ対応させて介在するようにしたスピンドルユニット。

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