JP5424093B2 - 工作機械の主軸装置 - Google Patents

Description

この発明は、工具ホルダへ主軸を通してクーラントを供給可能な、工作機械の主軸装置に関する。

近年、工作機械、特にマシニングセンタの主軸装置は、工具ホルダへ主軸を通してクーラントを供給可能な、いわゆるスピンドルスルークーラント（軸芯給油）方式が一般化し、より高い工具刃先の冷却効果と切粉排出効果を得るためにクーラント吐出圧力の高圧化が進んでいる。また、機械剛性の向上と主軸回転速度の高速化および高速切削用工具の開発により、高い切削速度、切削送りでの加工が可能となった。
こうした高能率加工を行う為には、主軸装置における工具ホルダの高い支持剛性が必要である。工具ホルダの支持剛性が低いと高速で切削した時に刃具のびびりが発生し、加工面の面粗度の悪化や工具寿命の低下を招くからである。
スピンドルスルークーラント方式の主軸装置は、前端部に工具ホルダが取付けられる中空状の主軸内に、工具ホルダをクランプする保持手段と、保持手段の後方に連結され軸芯に通孔が穿設されたドローバーと、ドローバーを工具ホルダのクランプ方向に付勢する付勢手段とを内蔵して構成され、工具ホルダへのクーラント供給は、ドローバー後方の通孔に挿通されたクーラント導入部材より行なわれ、工具ホルダとクーラント導入部材間にクーラント流路が形成される。そして、クーラント流路からクーラントが漏出しないようにシール部材が適宜配設され、これらシール部材は、できるだけ長期に亘って確実に機能することが求められている。
スピンドルスルークーラント方式の主軸装置は、クーラントの液圧がドローバーの軸芯に穿設されたクーラント流路の前方側壁面などにかかると、クーラントの液圧により、ドローバーに工具ホルダのアンクランプ方向力が生じ、その結果、付勢手段によって生じさせているドローバーのクランプ方向力が減ぜられ、工具ホルダの支持剛性が低下する。

従来、スピンドルスルークーラント方式の主軸装置において、工具ホルダの支持剛性の向上を図った工作機械の主軸装置として、特許文献１記載のものが知られている。
一方、シール部材としては、特許文献２記載のパッキンや、非特許文献１記載のリップパッキンが知られている。

特開２００２−２８８０６号公報 実開平５−１４７３７号公報

「エコノモス シール製品案内」、エコノモス・ジャパン株式会社、Ｐ６〜７，Ｐ１０，Ｐ１６

特許文献１に記載の主軸装置は、ドローバーと主軸との間に形成したシリンダ室にクーラントの一部を供給して、アンクランプ方向力をクーラントの液圧により打消す方向の力を生じさせる打消力発生機構によって工具ホルダのクランプ力低下を抑制し、工具ホルダの支持剛性を高めるという、本願と同一出願人により出願された発明である。
この打消力発生機構のシリンダ室やドローバーなどの摺動箇所には、シール部材として弾性部材のＯリングが使用されており、作動流体のクーラントがクーラント流路から漏れないようになっている。一般に、シリンダ室のような内圧を受ける摺動部にＯリングを使用する場合は、Ｏリング線径の３倍以上のストロークが望ましいとされる。ところが、通常、主軸装置におけるドローバーのストロークは５ｍｍ程度と短く、クーラントの主成分が水のため、これらによりＯリングと摺動部の潤滑性を悪下させている。また、クーラントは使用により劣化・腐敗するので、より潤滑性が低下する問題があり、さらにクーラント吐出圧の高圧化（７ＭＰa以上）により、Ｏリングにかかる負荷が増加し、これらによりＯリングの寿命が早まり、交換（メンテナンス）回数が増加するといった問題があった。

さらにクーラント中には、クーラントタンク内の濾過装置で除去しきれない微小な切粉やスラッジが含まれており、特許文献１記載の主軸装置では、これらによりＯリングが傷つく問題があった。このようなコンタミ対策としては、一般的にＯリングとバックアップリングの併用が考えられるが、上記のようにＯリングと摺動部の潤滑性が悪いので、Ｏリングが捩れてバックアップリングで傷つけられるおそれがあった。これらの問題によりＯリングの耐久性が低下し、主軸内からクーラント漏れを起こすおそれがあった。

一方、特許文献２記載のパッキンは、断面略Ｔ字状なので、上記Ｏリングの捩れは防止できるが、弾性部材（シール本体）が一般的なニトリルゴム（ＮＢＲ）や樹脂であり、上記条件での使用には耐久性の面で問題があった。

本発明の課題は、従来技術における上記問題点を解決するもので、高能率加工が可能で、メンテナンス間隔が長い工作機の主軸装置を提供することにある。

本発明は上記課題を解決するために、前端部に工具ホルダのテーパ部が嵌合するテーパ孔を設けた中空状の主軸内に、軸方向後方へ摺動して工具ホルダを引込んでクランプする工具ホルダ引込機構を備え、その工具ホルダ引込機構は、クーラント供給路となる通孔を設けたドローバーの前端部に、クーラント供給路となる通孔を設けたコレットを連結し、そのコレットを工具ホルダのクランプ方向に付勢するドローバー付勢手段を備え、ドローバー後端部の通孔に挿通したクーラント導入部材を介して主軸駆動用モータの中空軸を連結し、その中空軸後端にクーラント供給手段を連結し、クーラント供給路を通して工具ホルダにクーラントを供給可能に構成すると共に、ドローバーの通孔を直交方向貫通するピン部材を嵌め込み、そのピン部材を介してドローバーをアンクランプ方向に押出すことで、ドローバー付勢手段に抗して工具ホルダのクランプを解除するクランプ解除機構を備える一方、前記ドローバー付勢手段と前記ピン部材との間にシリンダ室を形成し、そのシリンダ室にドローバーの通孔から工具ホルダに供給されるクーラントの一部を供給するように構成し、ドローバー付勢手段によって工具ホルダのクランプ方向に引き込まれている状態のドローバーに対して、クーラント供給路及び前記クランプ解除機構のピン部材にかかるクーラントの液圧により生じる工具ホルダのクランプ解除方向の力を、クーラントの液圧により打消す方向の力を生じさせる打消力発生機構を備えた工作機械の主軸装置において、前記工具ホルダ引込機構のコレットと、前記打消力発生機構のシリンダ室前後および前記ドローバー後端部の通孔に、リング状の基部の外周面に半円形の突部を突設させて成る弾性部材と２つのバックアップリングとから構成され、前記突部には常にバックアップリングを当接させているシール部材を配置し、ドローバーの移動によって突部に生じる捩れがバックアップリングにより防止され、主軸内からのクーラントの漏出を防ぐようにした。
これにより、主軸装置による工具ホルダの支持剛性が向上し、主軸内からクーラントの漏出を確実に防ぐことができるという作用効果を発揮する。

以上のように本発明によれば、主軸装置による工具ホルダの支持剛性が向上し、クーラント流路からクーラントの漏出を確実に防ぐことができるので、高能率加工が可能になる。

本発明の工作機の主軸装置を示した断面図である。（実施例１） 図１のＡ部拡大図である。 本発明の工作機の主軸装置に使用するシール部材の断面図である。 図３のＢ部およびＣ部拡大図である。 本発明の工作機の主軸装置に使用するシール部材（弾性部材）の断面図である。 工具ホルダ引込機構の断面図である。

以下、本発明に係る実施の形態について、図面を参照して説明する。以下長手方向（主軸軸線方向）を前後方向とし、図１における左側を前方、右側を後方として説明する。尚、当該形態は、下記の例に限定されない。

図１に示す主軸装置Ｓ１は、前端部に工具ホルダ４のテーパ部が嵌合するテーパ孔８を設けた中空状の主軸５内に、軸方向後方へ摺動して工具ホルダ４を引込んでクランプする工具ホルダ引込機構１を備えている。
まず主軸５について説明する。主軸５は、主軸ヘッド６内に設けた複数の軸受７ａ，７ｂによって回動自在に支持され、主軸ヘッド６前方は主軸ヘッドカバー６ａで塞がれている。主軸５は、テーパ孔８に連続するように前方に小径孔９ａを備えた貫通孔９が穿設されており、貫通孔９の後方には、貫通孔９よりやや大きな中径孔９ｂと主軸５後方に開口した大径孔１０，１０ａが連設されている。
テーパ孔８には工具ホルダ４が取付けられる。工具ホルダ４には、工具ホルダ４が保持する例えばドリルのような切削用工具にクーラントを供給可能なようにクーラント流路４ａが穿設されている。

主軸５の前端部には、上記テーパ孔８に装着された工具ホルダ４のクーラント流路４ａにクーラントを供給するための通孔１１が穿設してある。その通孔１１の主軸５後端側は、軸芯の貫通孔９の小径孔９ａ内側に向けて開口した主軸軸線ＣＬと直交する方向の通孔１２に連通しており、通孔１１の主軸５前端側には、付勢部材として例示するバネ部材１３により主軸５前端方向に付勢される連通部材１４が主軸軸線ＣＬ方向に移動可能に嵌め込まれ、主軸５前端面に固定された固定部材１４aによって先端方向へ抜け出さないようになっている。
そして、バネ部材１３のバネ力で連通部材１４の前端面を工具ホルダ４のフランジ部後面４ｂに圧着させて、工具ホルダ４のクーラント流路４ａと主軸５の通孔１１とを連通部材１４を介して連通している。
主軸５内の貫通孔９には、主軸前端部の工具ホルダ４にクーラントを供給すると共に、主軸軸線ＣＬ方向後方に摺動して工具ホルダ４を引込んでクランプする工具ホルダ引込機構１が挿通されている。

次に工具ホルダ引込機構１の構成について説明する。
工具ホルダ引込機構１は、図６に示すように、クーラント供給路となる通孔１６を設けたドローバー１５の前端部に、クーラント供給路となる通孔２０を設けたコレット１８が連結されている。そして、そのコレット１８を工具ホルダ４のクランプ方向（主軸軸線ＣＬ方向後方）に付勢するドローバー付勢手段として例示する多数の皿バネ２２が備えられている。
主軸軸線ＣＬ方向前後に摺動自在なドローバー１５の軸芯に穿設されている通孔１６は、直径の異なる孔１６ａ，１６ｂ，１６ｃを連設して形成されている。通孔１６ｂと通孔１６ｃの間にはドローバー１５を半径方向に貫通する通孔１７が穿設され、通孔１７の後方でドローバー１５の後方に開口した通孔１６ｃは、後方に向かって階段状に大径化しており、前後に雌ネジが設けられている。通孔１６ｃには、後述するクーラント導入部材１９が挿通されている。

ドローバー１５の前部に形成された雄ネジ部１５ａには、主軸５内径に挿通されてドローバー１５の移動により、工具ホルダ４の後端部に備えられたプルスタッド４ｃと係合するコレット１８が連結されている。コレット１８には半径方向に向けて開口したＴ字形状の通孔２０が設けられており、通孔２０の軸方向孔部２０ｂがドローバー１５の通孔１６と連通している。

一方、ドローバー１５の後部には、後述する付勢手段の皿バネ２２が当接する当接部１５ｂと、その当接部１５ｂに連続して当接部１５ｂより大径の大径部１５ｃとが形成されている。そして、当接部１５ｂの前端面とコレット１８の後端面との間に、多数の皿バネ２２が挿通されいる。この皿バネ２２のバネ力により、主軸５に取付けられた工具ホルダ４が引き込まれてクランプされた状態となる。この時、通孔２０の半径方向孔部２０ｃが主軸５に穿設した通孔１２と連通する前後位置にコレット１８を配設することで、主軸５に穿設した通孔１１とドローバー１５に穿設した通孔１６が連通し、主軸５前端部と工具ホルダ引込機構１との間にクーラント供給路Ｒが形成される。

また主軸装置Ｓ１は、ドローバー１５後端部の通孔１６ｃに挿通したクーラント導入部材１９を介して主軸駆動用モータ２の中空軸２ａが連結され、その中空軸２ａ後端にクーラント供給手段３が連結されている。そして、クーラント供給路Ｒを通して工具ホルダ４にクーラントを供給可能に構成されている。
そして、クーラント導入部材１９の前方に、ドローバー１５の通孔１６を直交方向貫通するピン部材２４が嵌め込まれている。そして、そのピン部材２４を介してドローバー１５をアンクランプ方向（主軸軸線ＣＬ方向前方）に押出すことで、皿バネ２２に抗して工具ホルダ１４のクランプを解除するクランプ解除機構２３が備えられている。

クランプ解除機構２３について説明する。
クランプ解除機構２３は、ドローバー１５に穿設された通孔１７にピン部材２４を挿通し、両端が主軸５の外周面から外方に突出したピン部材２４を、主軸５外周面に沿って主軸軸線ＣＬ方向前後に摺動自在に取付けられた移動部材２５に係合させ、その移動部材２５を図示しない駆動装置により前方に揺動される揺動アーム２６によって主軸軸線ＣＬ方向前方に移動させることで、ピン部材２４を介してドローバー１５を主軸軸線ＣＬ方向前方に押出すように構成されたもので、工具ホルダ４の交換を行う際に、ドローバー１５を前方に押出す、すなわち工具ホルダ引込機構１を押出すことで、工具ホルダ４の後端部に備えられたプルスタッド４ｃとコレット１８の係合を解除し、主軸５前端部に取付けられた工具ホルダ４のクランプ状態を解除するためのものである。

ドローバー１５を貫通するピン部材２４は、長手方向中央部に半径方向に貫通した通孔２４ａを備え、外径に開口する一方には通孔２４ａと同心の座ぐり孔２４ｂが設けてある。ピン部材２４は、ドローバー１５の通孔１６ｃの前部に螺合された、軸芯にピン部材２４の通孔２４ａと同径寸法の通孔２７ａを備えた抜止部材２７が、座ぐり孔２４ｂに嵌着されることにより、ドローバー１５から抜け止めされると共に、通孔２４ａをドローバー１５の通孔１６ｂと同位相に位置決めして、ドローバー１５と抜止部材２７との間にクーラント供給路Ｒが形成される。

クーラント供給手段３から供給されたクーラントは、モータ軸２ａを通り、クーラント導入部材１９に送られる。クーラント導入部材１９は、工具ホルダ引込解除機構２３によりドローバー１５が主軸軸線ＣＬ方向前方に移動しても、クーラント導入部材１９の先端側がドローバー１５の通孔１６ｃ内から外れないようになっており、クーラント導入部材１９の軸芯に穿設された通孔１９ａを介して、モータ軸２ａと抜止部材２７との間にクーラント供給路Ｒが形成され、結果クーラント供給手段３と主軸５前端部との間において、工具ホルダ４へのクーラント供給路Ｒが形成される。

主軸装置Ｓ１は図２に示すように、皿バネ２２とピン部材２４との間にシリンダ室３５が形成されている。そして、そのシリンダ室３５に、ドローバー１５の通孔１６からクーラント供給路Ｒを通して工具ホルダ４に供給されるクーラントの一部を供給するように構成されている。これにより、皿バネ２２によって工具ホルダ４のクランプ方向に引き込まれている状態のドローバー１５に対して、クーラント供給路及びクランプ解除機構２３のピン部材２４にかかるクーラントの液圧により生じる工具ホルダ４のクランプ解除方向の力を、クーラントの液圧により打消す方向の力を生じさせる打消力発生機構３４が備えられている。

打消力発生機構３４について説明する。
このクランプ力増力機構３４は、主軸５後方に開口した大径孔１０の内側を摺動するように、ドローバー１５に設けた大径部１５ｃをピストンとし、ドローバー１５の当接部１５ｂの外径と大径部１５ｃ前端面と主軸５の大径孔１０の前端面との間に空間３５を形成し、その空間３５の前後に、当該形態ではドローバー4にシール部材３２，３３を設けることでシリンダ室３５が形成され、そのシリンダ室３５にクーラント供給路Ｒから工具ホルダ４に供給されるクーラントの一部を供給するように、ドローバー１５に設けた連通路１６ｄを連通させて構成されたものである。

従って、クーラント供給手段３から工具ホルダ４に供給されるクーラントの一部をシリンダ室３５に供給すると、主軸ヘッド６に回動自在に支持された主軸５に対してドローバー１５の大径部１５ｃ前端面が、クランプ方向（主軸軸線ＣＬ方向後方）に付勢されるようになっている。ピストンである大径部１５ｃ前端面の受圧面積は、クーラント供給路Ｒ内を通過するクーラントの液圧によって、クーラント供給路Ｒ内の各所（ここでは、流れが急速に変化する前方側壁面２０ａや工具ホルダ４を前方へ押出す作用をしている連通部材１４、あるいは流れの邪魔になるクーラント導入部材１９や抜止部材２７の段差部、更には通孔１６ｂから通孔１６ａに狭まる時の段差部）で発生するドローバー１５に対する工具ホルダ４のアンクランプ方向（主軸軸線ＣＬ方向前方）への推力と拮抗して、それを打消す方向に、それより大きいクランプ方向への推力を生じるように設定されている。

次にシール部材３０〜３３について説明する。主軸装置Ｓ１はクーラント供給路Ｒ内のクーラントが漏出しないよう各部に断面非円形のシール部材３０〜３３が配設されている。
シール部材３０〜３３は、工具ホルダ引込機構１のコレット１８と、クランプ力増力機構３４のシリンダ室３５の前後、および前記クーラント導入部材１９がドローバー１５後端部の通孔１６ｃ内に夫々配設されている。
ドローバー１５の当接部１５ｂの前端面と、コレット１８の後端面と、主軸５の貫通孔９で形成される空間は、皿バネ２２の収納部２１になっており、コレット１８には、通孔２０の半径方向孔部２０ｃの前後に、シール部材３１が配設され、前方のテーパ孔８へのクーラントの漏出と、皿バネ２２の収納部２１へのクーラントの浸入を防止している。そして、クーラント導入部材１９との摺動部のドローバー１５の後方に開口した孔１６ｃには、クーラント導入部材１９に摺接するシール部材３０が内装され、ドローバー１５に螺合された蓋部材２９により後方から塞がれている。また、シリンダ室３５を形成するドローバー１５の当接部１５ｂの外径と大径部１５ｃにもシール部材３２，３３が設けられ、シリンダ室３５からクーラントの漏出を防止している。

シール部材３１〜３３は、図３，４に示すように、断面矩形の基部３６ａとその基部３６ａから突設される突部３６ｂを備え、突部３６ｂが断面半円形で全体がリング状に形成され、材質が水素化ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）から成る弾性部材３６と、突部３６ｂの側部に設けたフッ素樹脂（ＰＴＦＥ）から成る断面矩形のバックアップリング３７で構成され、軸の外径に装着して使用する軸用である。
図３，４の（ａ）に示すものは、弾性部材３６と２本のバックアップリング３７で構成されている。また、図３，４の（ｂ）に示すものは、断面略Ｌ字状の弾性部材３６と、径方向の厚みが異なるバックアップリング３７とバックアップリング３８で構成され、挿着を容易にしている。
一方、シール部材３０は、内径に装着して使用する穴用で、突部３６ｂが内側に突出している以外、構成はシール部材３１〜３３と同一であり、どちらを使用するかは、設置スペース等を考慮して適宜判断されるでき事項である。

シール部材３０〜３３は、上記のものの他に、図５に示すように、断面略Ｃ字状の弾性部材３６で全体がリング状に形成され、材質がポリウレタンゴム（自己潤滑ポリウレタン）であるものでもよい。このシール部材は、上記のものより耐久性が高く、メンテナンス間隔をより長くできて好適である。また、旋削加工で製作可能なので、少量生産の時に好適である。尚、図５の（ａ）に示すものは穴用で、（ｂ）に示すものは軸用である。

上記の構成により主軸装置Ｓ１は、ドローバー１５の主軸軸線ＣＬ方向の前後移動により、主軸５前端部に取付けられた工具ホルダ４のクランプ・アンクランプを行なうと共に、工具ホルダ４が主軸５にクランプされた状態において、クーラント供給手段３から供給されたーラントが、主軸駆動用モータ２のモータ軸２ａからドローバー１５、コレット１８、主軸５に至るクーラント供給路Ｒを通った後、工具ホルダ４に供給されるように構成されている。そして、工具ホルダ４にクーラントが供給されると、クーラントの液圧がクーラント供給路Ｒの前記各所に作用することで、ドローバー１５に対して発生するアンクランプ方向（主軸軸線ＣＬ方向前方）に押出す力（工具ホルダ４のアンクランプ方向への推力）が、クーラントの一部をクランプ力増力機構３４のシリンダ室３５に供給することで生じるドローバー１５のクランプ方向（主軸軸線ＣＬ方向後方）への推力で打消されるようになっている。
したがって主軸装置Ｓ１は、クーラント供給手段３から工具ホルダ４にクーラントが供給されても、工具ホルダ引込機構１のコレット１８は皿バネ２２のバネ力で工具ホルダ４を確実にクランプした状態を維持し、工具ホルダ４のクランプ力低下を抑制し、工具ホルダ４の支持剛性を高めることが可能である。

また、主軸装置の摺動部のシール部材に、従来のＯリングに替えて断面非円形の弾性部材を使用することで、従来のＯリングのように、水溶性のクーラントにおける潤滑性の悪状況下であっても摺動時の捩れが生じないため、バックアップリングによって傷つけられて起こる弾性部材の破損が防止できる。さらに弾性部材とバックアップリングを上記の材質のものにすることによって、クーラント吐出圧の高圧化や切粉・スラッジによってシール部材の耐久性が低下することを抑制することができるので、主軸内からのクーラントの漏出や、クーラントの侵入による皿バネの劣化を長期に亘って防ぐことができる。この結果、主軸装置の耐久性が向上し、メンテナンス間隔を拡大することができる。

Ｓ１ 主軸装置（実施例１）
１ 工具ホルダ引込機構
２ 主軸駆動用モータ
３ クーラント供給手段
４ 工具ホルダ
５ 主軸
８ テーパ孔
１５ ドローバー
１６ 通孔
１６ｃ 通孔
１８ コレット
１９ クーラント導入部材
２０ 通孔
２２ 皿バネ（ドローバー付勢手段）
２３ クランプ解除機構
２４ ピン部材
３０ シール部材
３１ シール部材
３２ シール部材
３３ シール部材
３４ 打消力発生機構
３５ シリンダ室
３６ 弾性部材（シール部材）
３６ａ 基部
３６ｂ 突部
３７ バックアップリング
３８ バックアップリング
Ｒ クーラント供給路

Claims (1)

1. 前端部に工具ホルダのテーパ部が嵌合するテーパ孔を設けた中空状の主軸内に、軸方向後方へ摺動して工具ホルダを引込んでクランプする工具ホルダ引込機構を備え、その工具ホルダ引込機構は、クーラント供給路となる通孔を設けたドローバーの前端部に、クーラント供給路となる通孔を設けたコレットを連結し、そのコレットを工具ホルダのクランプ方向に付勢するドローバー付勢手段を備え、ドローバー後端部の通孔に挿通したクーラント導入部材を介して主軸駆動用モータの中空軸を連結し、その中空軸後端にクーラント供給手段を連結し、クーラント供給路を通して工具ホルダにクーラントを供給可能に構成すると共に、ドローバーの通孔を直交方向貫通するピン部材を嵌め込み、そのピン部材を介してドローバーをアンクランプ方向に押出すことで、ドローバー付勢手段に抗して工具ホルダのクランプを解除するクランプ解除機構を備える一方、
   前記ドローバー付勢手段と前記ピン部材との間にシリンダ室を形成し、そのシリンダ室にドローバーの通孔から工具ホルダに供給されるクーラントの一部を供給するように構成し、ドローバー付勢手段によって工具ホルダのクランプ方向に引き込まれている状態のドローバーに対して、クーラント供給路及び前記クランプ解除機構のピン部材にかかるクーラントの液圧により生じる工具ホルダのクランプ解除方向の力を、クーラントの液圧により打消す方向の力を生じさせる打消力発生機構を備えた工作機械の主軸装置において、
   前記工具ホルダ引込機構のコレットと、前記打消力発生機構のシリンダ室前後および前記ドローバー後端部の通孔に、リング状の基部の外周面に半円形の突部を突設させて成る弾性部材と２つのバックアップリングとから構成され、前記突部には常にバックアップリングを当接させているシール部材を配置し、ドローバーの移動によって突部に生じる捩れがバックアップリングにより防止され、主軸内からのクーラントの漏出を防ぐようにしたことを特徴とする工作機械の主軸装置。

Images