JP5353157B2 - 工作機械用主軸装置 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械用主軸装置に関し、特にワークの加工時に主軸と主軸ヘッドの主軸ハウジングとの隙間から主軸の軸受け部にクーラント液が浸入するのを防止するものに関する。

一般に、工作機械において切削加工を行う際、金属製のワークの切削箇所にクーラント液を供給しながら主軸の先端部に装着した工具により切削を行い、切削時に摩擦熱で加熱される工具を冷却することで、ワークの加工精度や工具寿命を向上させている。

ワークの加工時に、ワークの切削部位に供給されたクーラント液の飛沫が主軸と主軸ハウジングとの隙間に浸入する場合がある。クーラント液が主軸の軸受け部まで浸入すると、軸受け部の摺動面に充填されたグリースが流出し、主軸の回転により軸受け部が破損する虞がある。そのため、主軸と主軸ハウジングとの隙間部分をラビリンス形状に形成したり、主軸と主軸ハウジングとの隙間から主軸の先端側に向かって圧縮エアを噴出させてシール効果を高めることが一般的である。

例えば、特許文献１に記載の工作機械用主軸装置におけるシール装置においては、主軸の先端部と一体的に回転する遮蔽板（端面カバー）を、主軸ハウジングの先端面に対して隙間を隔てて対向するように配置している。この遮蔽板において主軸ハウジングの先端面との間に、上向きに突出する複数個の環状突起からなるラビリンス部を設けている。主軸ハウジングの下端に固定した蓋体（主軸キャップ）のエアシールポケット部に圧縮空気源から圧縮空気を供給し、ラビリンス部を介してラビリンス部の外周側の開口端から外部へ噴出させている。
特開２００２−２６３９８２号公報

しかし、特許文献１に記載のラビリンス部の構造では、単に環状突起を設けて縦断面視で方形波状にしただけなので、クーラント液がラビリンス部の内周側に流動しやすい。
そのため、主軸の軸受け部までクーラント液が浸入しないようにする為に大量の圧縮エアを供給する必要があり、ランニングコストが上昇するという問題がある。

本発明の目的は、主軸の軸受け部へのクーラント液の浸入を防止し、且つ圧縮エアの供給量を削減することができる工作機械用主軸装置を提供することである。

請求項１の工作機械用主軸装置は、主軸ヘッドの主軸ハウジングに回転自在に支持した鉛直姿勢の主軸を備え、この主軸の先端部に工具を装着するように構成した工作機械用主軸装置において、前記主軸ハウジングの下端に固定した環状の主軸キャップと、前記主軸の先端の外周部に固定した環状の端面カバーと、前記主軸キャップと前記端面カバーとで形成するラビリンスシールと、前記主軸キャップの下端に固定した環状のノズル形成部材と、前記主軸キャップの内周側部分に下方へ突出するように形成した内周側環状壁部と、前記ノズル形成部材の内周側下端部と前記内周側環状壁部の外周側下端部とで構成した環状のＶ形溝とを備え、前記ラビリンスシールは、前記端面カバーの上下方向中段部の外周側部分に外周側へ移行する程下方に移行するように形成した第１の環状傾斜部と、この第１の環状傾斜部と対向する前記主軸キャップの内周側環状壁部の下端部に外周側へ移行する程上方に移行するように形成した第２の環状傾斜部と、第１の環状傾斜部と第２の環状傾斜部の外周側に形成された環状鉛直部とを有するラビリンス室を備え、前記Ｖ形溝は、圧縮エアを外部へ噴出するための環状連通部を介して前記ラビリンス室に連通されると共に前記主軸キャップの内周側環状壁部に前記環状連通部の開口部分から外周側へ移行する程上方に移行するように形成した第４の環状傾斜部とを有し、前記Ｖ形溝の内周側部分と環状連通部とを下側から覆うように前記端面カバーの外周側下端部に形成した庇部を備えたことを特徴としている。

この工作機械用主軸装置では、ワークの加工時にワークの切削部位に供給されたクーラント液の飛沫が主軸キャップの下端近傍に飛散したとき、主軸キャップと端面カバーとの隙間からラビリンスシールのラビリンス室にクーラント液が浸入する場合がある。この場合にも、ラビリンス室の容積を大きく設定することで、ラビリンス室内のクーラント液の圧力が低下するため、クーラント液の流動が減衰する。

そして、前記主軸キャップの下端に固定した環状のノズル形成部材と、前記主軸キャップの内周側部分に下方へ突出するように形成した内周側環状壁部と、前記ノズル形成部材の内周側下端部と前記内周側環状壁部の外周側下端部とで構成した環状のＶ形溝とを更に備え、前記Ｖ形溝は、圧縮エアを外部へ噴出するための環状連通部を介して前記ラビリンス室に連通しているため、ワークの切削部位に供給されたクーラント液の飛沫をＶ形溝に衝突させてクーラント液を落下させることができる。これにより、クーラント液がラビリンス室に浸入するのを抑制できる。

請求項２の工作機械用主軸装置は、請求項１の発明において、前記Ｖ形溝は、前記ノズル形成部材の内周側下端部に内周側へ移行する程上方に移行するように形成した第３の環状傾斜部を有することを特徴としている。

請求項３の工作機械用主軸装置は、請求項１又は２の発明において、前記庇部のうちの前記Ｖ形溝と対向する面を外周側へ移行する程下方に移行する第５の環状傾斜部に形成したことを特徴としている。

請求項４の工作機械用主軸装置は、請求項１〜３の何れかの発明において、前記ノズル形成部材の外周側下端にカバー部材を固定し、このカバー部材の下端に設けた開口と前記ラビリンス室と連通する通路を設けたことを特徴としている。

請求項１の発明によれば、主軸キャップと端面カバーとで形成するラビリンスシールを備え、このラビリンスシールはラビリンス室を備えたので、ラビリンス室の容積を大きく設定することで、主軸キャップと端面カバーとの隙間からラビリンス室にクーラント液が浸入した場合、ラビリンス室内のクーラント液の圧力が低下しクーラント液の流動を減衰させることができる。そのため、主軸と主軸ヘッドの主軸ハウジングとの隙間から主軸の先端側に向かって大量の圧縮エアを供給することなく、主軸の軸受け部にクーラント液が浸入するのを防止することができるので、ランニングコストの低減を図ることができる。

ラビリンス室は、端面カバーの上下方向中段部の外周側部分に外周側へ移行する程下方に移行するように形成した第１の環状傾斜部と、この第１の環状傾斜部と対向する主軸キャップの内周側環状壁部の下端部に外周側へ移行する程上方に移行するように形成した第２の環状傾斜部と、第１の環状傾斜部と第２の環状傾斜部の外周側に形成された環状鉛直部とを有するので、ラビリンス室にクーラント液が浸入し第２の環状傾斜部に付着した場合、第２の環状傾斜部の傾斜面を利用してクーラント液の第１の環状傾斜部への落下を促進することができる。さらに、落下させたクーラント液を、第１の環状傾斜部の傾斜面を利用して外部へ効果的に排出させることができる。

そして、主軸キャップの下端に固定した環状のノズル形成部材と、主軸キャップの内周側部分に下方へ突出するように形成した内周側環状壁部と、ノズル形成部材の内周側下端部と内周側環状壁部の外周側下端部とで構成し且つラビリンス室と連通する環状のＶ形溝とを備えたので、ワークの切削部位に供給されたクーラント液の飛沫をＶ形溝に衝突させてクーラント液を落下させることができる。これにより、クーラント液が環状連通部を介してラビリンス室に浸入するのを抑制できる。
また、Ｖ形溝は、主軸キャップの内周側環状壁部の外周側下端部に外周側へ移行する程上方に移行するように形成した第４の環状傾斜部を有するので、第４の環状傾斜部の傾斜面を利用して第４の環状傾斜部に付着したクーラント液の落下を促進することができる。これにより、クーラント液がラビリンス室に浸入するのを抑制できる。
しかも、Ｖ形溝の内周側部分と環状連通部とを下側から覆うように端面カバーの外周側下端部に形成した庇部を備えたので、庇部がＶ形溝の内周側部分と環状連通部とを下側から覆うことで、ワークの切削部位に供給されたクーラント液の飛沫がＶ形溝を介してラビリンス室に浸入するのを抑制できる。

請求項２の発明によれば、Ｖ形溝は、ノズル形成部材の内周側下端部に内周側へ移行する程上方に移行するように形成した第３の環状傾斜部を有するので、第３の環状傾斜部の傾斜面を利用して第３の環状傾斜部に付着したクーラント液の落下を促進することができる。これにより、クーラント液がラビリンス室に浸入するのを抑制できる。

請求項３の発明によれば、庇部のうちのＶ形溝と対向する面を外周側へ移行する程下方に移行する第５の環状傾斜部に形成したので、主軸と主軸ヘッドの主軸ハウジングとの隙間から主軸の先端側に向かって供給した圧縮エアと第５の環状傾斜部の傾斜面とが協働して、クーラント液をＶ形溝の外周側へ吹き飛ばすことができる。これにより、クーラント液がラビリンス室に浸入するのを抑制できる。

請求項４の発明によれば、前記ノズル形成部材の外周側下端にカバー部材を固定し、このカバー部材の下端に設けた開口と前記ラビリンス室と連通する通路を設けたので、ラビリンス室内の圧力がほぼ大気圧となり、ラビリンス室に浸入したクーラント液の圧力を十分に低下させることができる。これにより、圧縮エアを供給することなしに、主軸の軸受け部へのクーラント液の浸入を防止することができるので、ランニングコストを格段に低減することができる。

以下、本発明を実施する為の最良の形態について説明する。

以下、本発明の実施例について図面に基づいて説明する。
図１に示すように、工作機械の主軸ヘッド１は、コラム（図示略）から前方に延びるフレーム２及び主軸ハウジング２ａと、主軸ヘッド１を支持する支持フレーム２ｂと、略Ｌ字形のアンクランプアーム５と、工作機械用主軸装置１０等を有する。支持フレーム２ｂには適宜の位置にナット４を固定し、ガイドレール（図示略）に沿って平行に支持した回転自在なボールねじ（図示略）に、ナット４を螺合挿通させている。ボールねじをコラムの上方に配置したＺ軸モータ（図示略）により正逆両方向に回転駆動することによって、主軸ヘッド１を、ナット４及びボールねじによりガイドレールに沿ってＺ軸方向に昇降駆動する。

主軸ハウジング２ａの内部には、下端部（先端部）に工具（図示略）を取付けた工具ホルダ（図示略）を装着可能に構成した主軸１１を回転自在に支持しており、この主軸１１を主軸モータ（図示略）により回転駆動させるようになっている。フレーム２の内部には、主軸１１の工具ホルダに対するクランプを解除する為のアンクランプアーム５を支軸６により揺動自在に枢支している。

次に、工作機械用主軸装置１０について説明する。
図２、図３に示すように、工作機械用主軸装置１０は、主軸１１と、環状の主軸キャップ８と、環状のノズル形成部材１２と、環状の端面カバー１３と、主軸キャップ８の内周側環状壁部８ａと、環状のＶ形溝１４と、端面カバー１３の庇部１３ａと、主軸キャップ８と端面カバー１３とで形成したラビリンスシール２１とを有する。主軸１１の下端部分には、工具ホルダをテーパ係合させる為のテーパ係合穴１１ａを形成してある。

主軸ハウジング２ａの下端には、複数のボルトで主軸キャップ８を固定してある。主軸キャップ８の下端には、環状のノズル形成部材１２を複数のボルトで固定してあり、このノズル形成部材１２には、主軸１１の軸心の方に向けてクーラント液又はエアの噴射流を傾斜状に噴射するノズル１２ｂを形成してある。主軸キャップ８の内周側部分には下方へ突出するように内周側環状壁部８ａを形成してあり、ノズル形成部材１２の内周側下端部と内周側環状壁部８ａの外周側下端部とで下向きに開放する環状のＶ形溝１４を構成している。

図３に示すように、Ｖ形溝１４は、ノズル形成部材１２の内周側下端部に内周側へ移行する程上方に移行するように形成した環状傾斜部１２ａ（第３の環状傾斜部に相当）と、主軸キャップ８の内周側環状壁部８ａの外周側下端部において外周側へ移行する程上方に移行するように形成した環状傾斜部８ｂ（第４の環状傾斜部に相当）とを有する。主軸１１の下端（先端）の外周部には環状の端面カバー１３をボルトで固定してあり、この端面カバー１３の外周側下端部には、Ｖ形溝１４の内周側部分を覆うように庇部１３ａを形成してある。この庇部１３ａのうちのＶ形溝１４と対向する上面には、外周側へ移行する程下方に移行する環状傾斜部１３ｂ（第５の環状傾斜部に相当）を形成してある。

図３に示すように、主軸キャップ８の内周側環状壁部８ａと端面カバー１３の外周側部分との間には、Ｖ形溝１４と連通するラビリンス室１５を形成してある。ラビリンス室１５は、端面カバー１３の上下方向中段部の外周側部分に外周側へ移行する程下方に移行するように形成した環状傾斜部１３ｄ（第１の環状傾斜部に相当）と、この環状傾斜部１３ｄと対向する内周側環状壁部８ａの下端部に外周側へ移行する程上方に移行するように形成した環状傾斜部８ｃ（第２の環状傾斜部に相当）と、環状傾斜部１３ｄと環状傾斜部８ｃの外周側に形成された環状鉛直部８ｄとを有する。

内周側環状壁部８ａにおいて環状傾斜部８ｃと連なる環状鉛直部８ｄと、端面カバー１３の環状鉛直部１３ｃとの間に環状連通部１６を形成してある。この環状連通部１６を介してＶ形溝１４とラビリンス室１５とが連通している。ラビリンス室１５は、内周側環状壁部８ａの内周側部分と端面カバー１３の外周側上端部分との間の隙間１７に連通している。ラビリンス室１５は、水平方向（主軸の軸心に対して垂直方向）の幅が、環状連通部１６の水平方向の幅に比べ、広くなっている。ラビリンス室１５は、鉛直方向の長さが環状連通部１６の鉛直方向の長さに比べ長くなっている。それ故、ラビリンス室１５の容積は、環状連通部１６の容積よりも大きい。

主軸キャップ８の内周面と主軸１１の外周面との間には、シールエアポケット部１９を形成してある。このシールエアポケット部１９は、主軸キャップ８の内周面と主軸１１の外周面との隙間１８に連通している。圧縮エア供給源（図示略）に接続したシールエア管路（図示略）の一端が、主軸キャップ８の下端部に形成した圧縮エア供給通路２０を介してシールエアポケット部１９に接続している。したがって、圧縮エア供給源から圧縮エア供給通路２０を介してシールエアポケット部１９に供給した圧縮エアは、隙間１８，１７とラビリンス室１５を経由して環状連通部１６から外部へ噴出するようになっている。

次に、以上説明した工作機械用主軸装置１０の作用、効果について説明する。
この工作機械用主軸装置１０では、ワークの加工時に圧縮エア供給源から圧縮エア供給通路２０を介してシールエアポケット部１９に圧縮エアを供給する。隙間１８，１７とラビリンス室１５を経由して環状連通部１６から噴出した圧縮エアは、端面カバー１３の環状鉛直部１３ｃと環状傾斜部１３ｂに沿って流れる。

ワークの切削部位に供給されたクーラント液の飛沫が主軸キャップ８の下端近傍に飛散したとき、庇部１３ａが環状連通部１６を覆っており、直接的に環状連通部１６にクーラント液が飛散しない。それ故、環状連通部１６に浸入するクーラント液の圧力は、直接クーラント液が浸入する場合に比べ低下する。また、Ｖ形溝１４にクーラント液が飛散した場合、環状傾斜部８ｂの傾斜によりクーラント液は落下し、環状連通部１６に浸入するクーラント液の圧力は減衰する。

また、環状連通部１６には圧縮エア供給通路２０から供給される加圧エアによりクーラント液の飛沫をＶ形溝１４の外周側に吹き飛ばすため環状連通部１６に浸入するクーラント圧が減衰する。その結果クーラント液の飛沫が主軸キャップ８の下端近傍に飛散したときクーラント液がＶ形溝１４を介してラビリンス室１５に浸入しにくくなる。環状連通部１６を介して浸入したクーラント液は環状傾斜部８ｃと環状傾斜部１３ｄの傾斜により環状連通部１６に導かれる。

ラビリンス室１５の容積は、環状連通部１６の容積よりも大きい。それ故、ラビリンス室１５に浸入したクーラント液は、水平方向に広がり、環状連通部１６から浸入したクーラント液は圧力が低減する。圧力が低減したクーラント液は、環状傾斜部１３ｄの傾斜により環状連通部１６に導かれる。その結果、環状連通部１６より浸入したクーラント液は、ラビリンス室１５を介す事によって圧力が低減し、隙間１７、１８に浸入しにくくなる。

このように、庇部１３ａがＶ形溝１４の内周側部分を覆うことで、ワークの切削部位に供給されたクーラント液の飛沫がＶ形溝１４を介してラビリンス室１５に浸入するのを抑制できる。このラビリンス室１５の容積が環状連通部１６の容積よりも大きいので、Ｖ形溝１４を介してラビリンス室１５にクーラント液が浸入した場合にも、ラビリンス室１５内のクーラント液の圧力が低減しクーラント液の流動を減衰させることができる。そのため、シールエアポケット部１９から主軸１１の先端側に向かって大量の圧縮エアを供給することなく、主軸１１の軸受け部にクーラント液が浸入するのを防止することができるので、ランニングコストの低減を図ることができる。

ノズル形成部材１２の内周側下端部と内周側環状壁部８ａの外周側下端部とで構成し且つラビリンス室１５と連通する環状のＶ形溝１４を形成したので、ワークの切削部位に供給されたクーラント液の飛沫をＶ形溝１４に衝突させて、クーラント液を落下させることができる。Ｖ形溝１４は、環状傾斜部１２ａと環状傾斜部８ｂとを有するので、環状傾斜部１２ａ，７ｂの傾斜面を利用して環状傾斜部１２ａ，８ｂに付着したクーラント液の落下を促進することができる。これにより、クーラント液がラビリンス室１５に浸入するのを抑制できる。

ラビリンス室１５は、環状傾斜部１３ｄと環状傾斜部８ｃと環状鉛直部８ｄとを有するので、ラビリンス室１５にクーラント液が浸入し環状傾斜部８ｃに付着した場合、環状傾斜部８ｃの傾斜面を利用してクーラント液の環状傾斜部１３ｄへの落下を促進することができる。さらに、落下させたクーラント液を、環状傾斜部１３ｄの傾斜面を利用して環状連通部１６から外部へ効果的に排出させることができる。

庇部１３ａのうちのＶ形溝１４と対向する上面を環状傾斜部１３ｂに形成したので、環状連通部１６から噴出した圧縮エアと環状傾斜部１３ｂの傾斜面とが協働して、クーラント液をＶ形溝の外周側に吹き飛ばすことができる。これにより、クーラント液がラビリンス室１５に浸入するのを抑制できる。

次に、前記実施例を部分的に変更した変更例について説明する。
１］ラビリンス室１５内に外気を導入する為の外気導入通路３１をノズル形成部材１２に設けてもよい。図４に示すように、ノズル形成部材１２の外周側下端にカバー部材３０を固定し、ノズル形成部材１２とカバー部材３０にラビリンス室１５と連通する外気導入通路３１を設けてある。カバー部材３０の下端には外気導入口３１ａ（これが開口に相当する）を設け、この外気導入口３１ａから外気導入通路３１を介してラビリンス室１５に外気を導入可能に構成してある。

ラビリンス室１５内に外気を導入する為の外気導入通路３１をノズル形成部材１２とカバー部材３０に設けたので、ラビリンス室１５内の圧力がほぼ大気圧となり、ラビリンス室１５に浸入したクーラント液の圧力を十分に低下させることができる。これにより、圧縮エアを供給することなく、主軸１１の軸受け部へのクーラント液の浸入を防止することができるので、ランニングコストを格段に低減することができる。
２］ラビリンス室１５の上側にラビリンス室１５と連通する別のラビリンス室を設けた２段構成にしてもよい。この場合、主軸１１の軸受け部へのクーラント液の浸入防止効果が一層高まる。

本発明の実施例に係る主軸ヘッドの側面図である。 工作機械用主軸装置の縦断面図である。 工作機械用主軸装置の先端部の拡大断面図である。 変更例における工作機械用主軸装置の先端部の拡大断面図である。

１ 主軸ヘッド
２ａ 主軸ハウジング
８ 主軸キャップ
８ａ 内周側環状壁部
８ｂ，８ｃ，１２ａ，１３ｂ，１３ｄ 環状傾斜部
１０ 工作機械用主軸装置
１１ 主軸
１２ ノズル形成部材
１３ 端面カバー
１３ａ 庇部
１４ Ｖ形溝
１５ ラビリンス室
２１ ラビリンスシール
３１ 外気導入通路

Claims (4)

1. 主軸ヘッドの主軸ハウジングに回転自在に支持した鉛直姿勢の主軸を備え、この主軸の先端部に工具を装着するように構成した工作機械用主軸装置において、
   前記主軸ハウジングの下端に固定した環状の主軸キャップと、
   前記主軸の先端の外周部に固定した環状の端面カバーと、
   前記主軸キャップと前記端面カバーとで形成するラビリンスシールと、
   前記主軸キャップの下端に固定した環状のノズル形成部材と、
   前記主軸キャップの内周側部分に下方へ突出するように形成した内周側環状壁部と、
   前記ノズル形成部材の内周側下端部と前記内周側環状壁部の外周側下端部とで構成した環状のＶ形溝とを備え、
   前記ラビリンスシールは、前記端面カバーの上下方向中段部の外周側部分に外周側へ移行する程下方に移行するように形成した第１の環状傾斜部と、この第１の環状傾斜部と対向する前記主軸キャップの内周側環状壁部の下端部に外周側へ移行する程上方に移行するように形成した第２の環状傾斜部と、第１の環状傾斜部と第２の環状傾斜部の外周側に形成された環状鉛直部とを有するラビリンス室を備え、
   前記Ｖ形溝は、圧縮エアを外部へ噴出するための環状連通部を介して前記ラビリンス室に連通されると共に前記主軸キャップの内周側環状壁部に前記環状連通部の開口部分から外周側へ移行する程上方に移行するように形成した第４の環状傾斜部とを有し、
   前記Ｖ形溝の内周側部分と環状連通部とを下側から覆うように前記端面カバーの外周側下端部に形成した庇部を備えたことを特徴とする工作機械用主軸装置。
2. 前記Ｖ形溝は、前記ノズル形成部材の内周側下端部に内周側へ移行する程上方に移行するように形成した第３の環状傾斜部を有することを特徴とする請求項１に記載の工作機械用主軸装置。
3. 前記庇部のうちの前記Ｖ形溝と対向する面を外周側へ移行する程下方に移行する第５の環状傾斜部に形成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の工作機械用主軸装置。
4. 前記ノズル形成部材の外周側下端にカバー部材を固定し、このカバー部材の下端に設けた開口と前記ラビリンス室と連通する通路を設けたことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の工作機械用主軸装置。