JP6095435B2 - 割出しテーブル - Google Patents

Description

本発明は、マシニングセンタ等に搭載され、被加工物の割出しを行う割出しテーブルに関する。

割出しテーブルの減速機構は、減速比が大きく、回転位置の精度が高い等の理由で、ウォームホイールが採用されている（例えば、特許文献１等）。

ウォームホイールは、モータの回転軸に連結されたウォームシャフトと係合しているが、ウォームシャフトが高速回転するため、摩擦熱によってウォームホイールがウォームシャフトに焼き付けされるのを防止する必要がある。そのため、ウォームホイールには、耐焼き付け性に優れた銅合金（例えば、高力黄銅など）等が採用されている。

一方、テーブルを固定するスピンドルは、ウォームホイールと結合して回転するが、ベアリング（軸受）を支持する必要があるため、剛性（弾性率）の高い鉄合金（例えば、炭素鋼など）等が採用されている。

このように、耐焼き付け性に優れたウォームホイールと、剛性の高いスピンドルとを組み合わせることによって、高精度、かつ耐久性の高い割出しテーブルを実現している。なお、従来、ウォームホイールとスピンドルとの結合は、ボルトを用いて締結されていた。

特開２００１−２７７０７４号公報

割出しテーブルをマシニングセンタに搭載した際、被加工物の加工エリアを拡大するには、割出しテーブルの軸方向の長さを短くする必要がある。しかしながら、割出しテーブルの軸方向には、テーブルやテーブルを固定するスピンドルの他に、スピンドルを回転可能に支持するベアリングや、スピンドルに固定されたウォームホイール等の部品が配置されている。そのため、割出しテーブルの径方向の大きさを拡大せずに、あるいは、割出しテーブルの貫通穴の大きさを縮小せずに、割出しテーブルの軸方向の長さを短くすることは難しい。

本発明は、径方向の大きさを拡大することなく、あるいは、貫通穴の大きさを縮小することなく、軸方向の長さを短くした割出しテーブルを提供することを目的とする。

本発明は、本体にベアリングを介して回転可能に支持されたテーブル回転体を備えた割出しテーブルにおいて、ウォームホイールとスピンドルとを摩擦圧接により接合した構成を採用する。

すなわち、本発明の一側面における割出しテーブルは、本体にベアリングを介して回転可能に支持されたスピンドルと、スピンドルの軸方向端部において、スピンドルに固定されたテーブルと、スピンドルの径方向外方において、スピンドルに固定されたウォームホイールと、ウォームホイールに係合し、該ウォームホイールを回転駆動するウォームとを備え、スピンドルは、外周面において径方向外方に突出した環状の突出部を有し、スピンドルの外周面と、ウォームホイールの内周面との間に、一定の隙間が設けられており、ウォームホイールの軸方向端面と、突出部の軸方向端面とは、摩擦圧接により接合されており、上記一定の隙間において、突出部と反対側に封止材が設けられており、ウォームホイールは銅合金からなり、スピンドルは鉄合金からなる。

本発明によれば、径方向の大きさを拡大することなく、あるいは、貫通穴の大きさを縮小することなく、軸方向の長さを短くした割出しテーブルを提供することができる。

従来の一般的な割出しテーブルの構成を示した断面図である。 従来の割出しテーブルの構成を示した断面図である。 本発明の第１の実施形態における割出しテーブルの構成を示した断面図である。 本発明の第２の実施形態における割出しテーブルの構成を示した断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、本実施形態の変形例における割出しテーブルの構成を示した部分断面図である。

本発明を説明する前に、本発明を想到するに至った経緯を説明する。

図１は、従来の一般的な割出しテーブル２００の構成を示した断面図である。

図１に示すように、従来の割出しテーブル２００は、本体１１０にベアリング１１１を介して、回転軸Ｊを中心に回転可能に支持されたスピンドル１１２と、スピンドル１１２の軸方向端部において、スピンドル１１２に固定されたテーブル１１３と、スピンドル１１２の径方向外方において、スピンドル１１２に固定されたウォームホイール１１４と、ウォームホイール１１４に係合し、ウォームホイール１１４を回転駆動するウォームシャフト１１５とを備えている。

ここで、ウォームホイール１１４とスピンドル１１２とは、ボルト１１６を用いて締結されている。

割出しテーブル２００の軸方向の長さＬを短くするには、ウォームホイール１１４をベアリング１１１の方向に近づけて、ウォームホイール１１４とベアリング１１１との距離を短くすればよい。

しかしながら、ウォームホイール１１４をスピンドル１１２にボルト１１６で締結するには、スピンドル１１２側に、ボルト１１６をねじ込むためのタップ（ネジ穴）を設ける必要となる。そのため、ウォームホイール１１４をベアリング１１１の方向に近づけると、タップにねじ込まれたボルト１１６とベアリング１１１とが干渉するため、一定以上に近づけることができない。

そこで、図２に示すように、ボルト１１６とベアリング１１１との干渉を避けるために、スピンドル１１２側に設けるタップの位置を、ベアリング１１１の径方向内側にずらすことによって、割出しテーブル２００の軸方向の長さＬをさらに短くすることができる。

しかしながら、この場合、ベアリング１１１の径方向内側に位置するスピンドル１１２に、タップを設けるためのスペースが必要となる。スピンドル１１２にタップを設けるスペースを確保するためには、割出しテーブル２００の外径を拡大するか、あるいは、割出しテーブル２００の貫通穴の直径Ｗを縮小する必要がある。

従って、従来の方法では、割出しテーブル２００の径方向の大きさを拡大せずに、あるいは、割出しテーブル２００の貫通穴の直径Ｗを縮小せずに、割出しテーブル２００の軸方向の長さＬを短くするには限界があった。

ところで、上述したように、ウォームホイール１１４は、ウォームシャフトとの摩擦熱によって、ウォームホイール１１４がウォームシャフト１１５に焼き付くのを防止するために、耐焼き付け性に優れた銅合金等が採用されている。しかしながら、このような材料からなるウォームホイール１１４は、スピンドル１１２に採用される鉄合金等に比べて剛性が低い。そのため、ウォームホイール１１４を、ベアリング１１１に接するまで近づけると、ベアリング１１１からの軸方向の荷重を、剛性の低いウォームホイール１１４が直接受けることになる。その結果、ベアリング１１１からの荷重を受けて、ウォームホイール１１４が変形すると、スピンドル１１２が傾き、割出し精度の低下を招く。

そのため、割出し精度の低下を抑制するために、図２に示すように、ベアリング１１１とウォームホイール１１４との間に、一定の厚みｔを有するスピンドル１１２の部位（以下、突出部という）１１２ａを確保する必要がある。

そこで、本願発明者等は、ベアリング１１１の軸方向下方に設けられるスピンドル１１２の突出部１１２ａに注目した。すなわち、図２に示すように、ウォームホイール１１４と突出部１１２ａとは、一定の面積で互いに面接触している。従って、面接触した領域を互いに結合できれば、割出しテーブル２００の径方向の大きさを拡大せずに、あるいは、割出しテーブル２００の貫通穴の直径Ｗを縮小せずに、割出しテーブル２００の軸方向の長さＬを短くすることができると考え、本発明を想到するに至った。

上述したように、ウォームホイール１１４とスピンドル１１２とは異種金属で構成されているため、一般の溶接（アーク溶接やＴＩＧ溶接等）では、互いに接合することは困難である。

また、一般的なレーザ接合は、異種金属同士の接合が可能であるが、外周部のみしか接合できないため、十分な接合強度が得られない。また、ロウ付けも、異種金属同士の接合が可能であるが、接着部の強度が母材強度に比べて弱いため、十分な接合強度を得られない。また、拡散接合も異種金属同士の接合が可能であるが接合面を磨く必要があり、接合時間も長いため、製造コストが高くなり、現実的ではない。

そこで、本願発明者等は、異種金属同士の面接合が可能な摩擦圧接に着目し、ウォームホイールとスピンドルとの接合に適合できるかどうか、検討を行った。

摩擦圧接は、接合する部材を高速で擦り合わせ、 そのとき生じる摩擦熱によって部材を軟化させると同時に圧力を加えて接合する方法である。従って、耐焼き付け性に優れた材料（例えば、高力黄銅など）は、熱伝導性が良いため、接合温度まで上昇し難く、ウォームホイールとスピンドルとの接合には不向きと考えられていた。実際、予備的な実験として、１／２スケールの高力黄銅からなるサンプルと、炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）からなるサンプルとを用意して、これらを摩擦圧接したところ、母材に対して、５％以下の接合強度しか得られなかった。

しかしながら、接合部の剛性を高め、入熱量を変更することで、実スケールのウォームホイールとスピンドルに対して、摩擦圧接を行ったところ、母材に対して、４０％以上の接合強度が得られることが分かった。この強度は、一般的な割出しテーブルにおいて必要とされる強度の１０倍以上の大きさであり、実用に十分耐える大きさである。

このような接合強度に差が生じた理由は、以下のように考えられる。すなわち、後述する図３に示すように、スピンドル１２の突出部１２ａは、一定の幅を有する環状になっている。もし、突出部１２ａの径方向の幅が小さく、突出部１２ａとウォームホイール１４との接触面積の大きさが不十分だと、接合部が変形し、入熱部での接合が困難であると同時に、接合部にせん断応力が残留することとなる。その結果、変形によって接合部がずれることによって、接合面全面に亘って溶着させることができなかったため、十分な接合強度が得られなかったものと考えられる。一方、突出部１２ａの径方向の幅を一定の大きさにすれば、突出部１２ａとウォームホイール１４との接触面積を一定の大きさに確保できるため、接合部の変形及び残留せん断応力を抑制することができる。その結果、接合面全面に亘って溶着されることができたために、高い接合強度が得られたものと考えられる。

以上の検討から、ボルト締結に代わって、摩擦圧接を、ウォームホイールとスピンドルとの結合に適用することが可能であることが分かった。また、後述するように、中間材を介して摩擦圧接を行えば、より強固な接合強度を得ることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本実施形態における説明では、回転軸に平行な方向を「軸方向」とし、回転軸を中心とする半径方向を「径方向」としている。また、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。

（第１の実施形態）
図３は、本発明の第１の実施形態における割出しテーブル１００の構成を示した断面図である。

図３に示すように、本実施形態における割出しテーブル１００は、本体１０にベアリング１１を介して、回転軸Ｊを中心に回転可能に支持されたスピンドル１２と、スピンドル１２の軸方向端部において、スピンドル１２に固定されたテーブル１３と、スピンドル１２の径方向外方において、スピンドル１２に固定されたウォームホイール１４と、ウォームホイール１４に係合し、ウォームホイール１４を回転駆動するウォームシャフト１５とを備えている。

スピンドル１２は、外周面において径方向外方に突出した環状の突出部１２ａを有し、ウォームホイール１４の軸方向端面（上端面）と、突出部１２ａの軸方向端面（下端面）とは、摩擦圧接により接合されている。ここで、便宜上、軸方向のテーブル１３側を「上方」、テーブル１３と反対側を「下方」と定義し、例えば、軸方向端面のうち、テーブル１３側の端面を上端面、テーブル１３と反対側の端面を下端面という。

また、突出部１２ａのウォームホイール１４と接合した端面と反対側の端面（上端面）は、ベアリング１１の軸方向端面（下端面）と接している。

このように、ウォームホイール１４の上端面とスピンドル１２の突出部１２ａの下端面とを摩擦圧接により接合することによって、ウォームホイール１４を、ベアリング１１からの荷重に対して剛性が確保できるギリギリの距離まで、ベアリング１１に近づけることができる。このとき、図２に示したボルト締結のときのように、ベアリング１１１の径方向内側に位置するスピンドル１１２に、タップを設けるためのスペースは不要となる。そのため、割出しテーブル１００の径方向の大きさを拡大することなく、あるいは、割出しテーブル１００の貫通穴の直径Ｗを縮小することなく、割出しテーブル１００の軸方向の長さＬを短くすることができる。すなわち、図３に示した割出しテーブル１００において、軸方向の長さＬを、図１に示した割出しテーブル２００に対して短くすることができ、また、貫通穴の直径Ｗを、図２に示した割出しテーブル２００に対して拡大することができる。

本実施形態において、スピンドル１２の突出部１２ａの軸方向の厚みｔは、ベアリング１１からの荷重に対して剛性が確保できる厚みであればよく、スピンドル１２の材料、ベアリング１１から受ける荷重の大きさ、割出しテーブル１００に要求される割出し精度等によって、適宜決めればよい。例えば、スピンドル１２を炭素鋼で構成した場合、典型的には、スピンドル１２の突出部１２ａの厚みｔを、５〜２０ｍｍ程度に設定すればよい。

また、本実施形態において、ウォームホイール１４及びスピンドル１２の材料は特に限定されないが、ウォームホイール１４は、耐焼き付け性の高い材料を用い、スピンドル１２は、剛性の高い材料を用いることが好ましい。ウォームホイール１４としては、例えば、銅合金（高力黄銅、アルミニウム青銅、白銅、真鍮、砲金、青銅など）等を用いることができ、特に、高力黄銅が好ましい。また、スピンドル１２としては、例えば、鉄合金（炭素鋼、一般構造用鋼、クロムモリブデン鋼、炭素工具鋼、合金工具鋼鋼材など）等を用いることができる。

ウォームホイール１４とスピンドル１２との摩擦圧接の条件は、使用する材料や大きさ等によって、適宜決めればよい。典型的な条件を例示すれば、回転数は８００〜１２００ｒｐｍ、摩擦圧力は、５〜４０ＭＰａ、摩擦時のストロークは、１〜６ｍｍ、アプセット圧力は、５０〜１２０ＭＰａ、アプセット時間は、５〜２０秒である。

なお、摩擦圧接では、ウォームホイール１４またはスピンドル１２が相対的に回転するため、両者の側面同士が互いに接触しないよう、図３に示すように、スピンドル１２の外周面と、ウォームホイール１４の内周面との間に、一定の隙間２０を設けておくことが好ましい。

また、ウォームホイール１４は、環状になっているため、摩擦圧接の際、ウォームホイール１４とスピンドル１２との接合面において、径方向外側及び径方向内側に押し出されたバリが生じる。このとき、径方向外側に生じたバリ（外バリ）は、機械的に除去できるが、径方向内側に生じたバリ（内バリ）は、機械的に除去することが難しい。しかしながら、本実施形態では、スピンドル１２の外周面と、ウォームホイール１４の内周面との間に隙間２０が設けられているため、この隙間２０に内バリを閉じ込めておくことができる。なお、隙間２０に閉じ込められた内バリが、隙間２０から漏れ出ないようにするために、図３に示すように、隙間２０の一部に、Ｏリング等の封止材を設けておくことが好ましい。なお、隙間２０がない場合や、あっても狭い場合には、スピンドル１２またはウォームホイール１４の接合面の近傍に、内バリを収容する空間部を設けておくことが好ましい。

（第２の実施形態）
第１の実施形態では、ベアリング１１の軸方向下方に設けられたスピンドル１２の突出部１２ａに、ウォームホイール１４を摩擦圧接させたが、突出部１２ａを、ウォームホイール１４に対してベアリング１１と反対側に設けてもよい。

図４は、本発明の第２の実施形態における割出しテーブル１００の構成を示した断面図である。なお、図３に示した第１の実施形態の構成を同じ構成については、説明を省略する。

図４に示すように、略円筒状のスピンドル１２は、外周面において、ベアリング１１の軸方向端面（下端面）の一部と接する肉厚部１２ｂを有し、スピンドル１２の突出部１２ａは、肉厚部１２ｂに対して、ベアリング１１と反対側に設けられている。そして、ウォームホイール１４の軸方向端面（下端面）は、突出部１２ａの軸方向端面（上端面）と摩擦圧接により結合されている。また、ウォームホイール１４の突出部１２ａと接合した端面と反対側の端面（上端面）は、ベアリング１１の軸方向端面（下端面）の近傍に位置している。ここで、「近傍」とは、ウォームホイール１４の上端面が、ベアリング１１の下端面と接しない程度に、接近している距離をいう。

このように、スピンドル１２の突出部１２ａを、ウォームホイール１４に対してベアリング１１と反対側に設けることによって、ウォームホイール１４を、ベアリング１１により近づけることができる。これにより、スピンドル１２の軸ぶれに伴う割出し精度の低下をより抑制することができる。

また、本実施形態では、ベアリング１１の下端面には、スピンドル１２の肉厚部１２ｂの上端面が接しており、ウォームホイール１４の上端面とベアリング１１の下端面とが隣接した位置関係となっている。このうち、ベアリング１１の下端面と接するスピンドル１２の肉厚部１２ｂが、ベアリング１１からの荷重を受け止める役目をなしている。そのため、ベアリング１１の下端面に接する肉厚部１２ｂは、ベアリング１１からの荷重に耐えうる一定の面積を有していることが好ましい。また、肉厚部１２ｂの軸方向の長さは、図４に示すように、ベアリング１１の下端面に接する部分から、突出部１２ａの上端面に接する部分まで延びていてもよく、あるいは、ベアリング１１の下端面に接する部分にのみ設けていてもよい。ただし、後者の場合、肉厚部１２ｂの軸方向の長さは、ベアリング１１からの荷重に耐えうる一定の長さを有していることが好ましい。

また、本実施形態においても、スピンドル１２の外周面と、ウォームホイール１４の内周面との間に隙間２０を設けておくことが好ましい。これにより、摩擦圧接のときに生じる内バリを、隙間２０に閉じ込めておくことができる。また、隙間２０に閉じ込めた内バリが、隙間２０から外に漏れ出ないように、隙間２０の一部に、Ｏリング等の封止材を設けておくことが好ましい。なお、隙間２０がない場合や、あっても狭い場合には、スピンドル１２またはウォームホイール１４の接合面の近傍に、内バリを収容する空間部を設けておくことが好ましい。

このように、ウォームホイール１４の下端面と、スピンドル１２の突出部１２ａの上端面とを摩擦圧接により接合することによって、ウォームホイール１４を、ベアリング１１に接しないギリギリの距離まで、ベアリング１１に近づけることができる。そのため、図４に示した割出しテーブル１００において、軸方向の長さＬを、図１に示した割出しテーブル２００に対して短くすることができ、また、貫通穴の直径Ｗを、図２に示した割出しテーブル２００に対して拡大することができる。

（実施形態の変形例）
上記の実施形態で説明したように、本発明における割出しテーブル１００は、スピンドル１２の外周面に、径方向外方に突出した環状の突出部１２ａを設け、ウォームホイール１４と突出部とを摩擦圧接により接合することによって、割出しテーブル１００の軸方向の長さＬを短くしたものである。

上述したように、本願発明者等は、ウォームホイール１４とスピンドル１２とを摩擦圧接で結合しても、十分な接合強度を得ることを確認している。とりわけ、ウォームホイール１４の材料として、耐焼き付け性の高い高力黄銅を用いた場合でも、母材に対して、４０％以上（一般的な割出しテーブルにおいて必要とされる強度の１０倍以上）の接合強度を得ることができる。

本変形例では、より強い接合強度を得るための摩擦圧接の方法について説明する。

図５（ａ）、（ｂ）は、本実施形態の変形例を示した部分断面図である。ここで、図５（ａ）は、第１の実施形態の変形例で、図５（ｂ）は、第２の実施形態の変形例である。

図５（ａ）、（ｂ）に示すように、本変形例では、ウォームホイール１４の軸方向端面と、突出部１２ａの軸方向端面とが、中間材３０を介して摩擦圧接により接合されている。中間材３０としては、ウォームホイール１４及びスピンドル１２の両方の材料に対して、接合強度の高い材料を選ぶことが好ましい。例えば、ウォームホイール１４の材料として高力黄銅を用い、スピンドル１２の材料として炭素鋼を用いた場合、中間材３０の材料としては、純銅（Ｃ１０２０、Ｃ１１００）または、銅と亜鉛以外の不純物が少ない黄銅（Ｃ２７００、Ｃ２８０１、Ｃ４６２１、Ｃ１４５００、Ｃ３６０４、Ｃ１２２０、快削黄銅）、銅と錫以外の不純物が少ない黄銅（Ｃ５１９１、青銅）等を用いることができる。

これにより、ウォームホイール１４とスピンドル１２とを直接に摩擦圧接する場合に比べて、より接合強度の高い結合を得ることができる。

なお、摩擦圧接は、中間材３０を、ウォームホイール１４またはスピンドル１２に、それぞれ順番に摩擦圧接してもよいし、中間材３０をウォームホイール１４とスピンドル１２との間に挟んで、一度に摩擦圧接してもよい。後者の場合、中間材３０を回転させて、両側のウォームホイール１４とスピンドル１とから圧力を加えればよい。

また、中間材３０の形状を、熱が逃げ難い形状、例えば、軸方向において、横断面積が他の部位よりも小さい部位を有するような形状（例えば、縦断面が、Ｔ字またはＩ字の形状）にすることによって、より接合強度の高い結合を得ることができる。

以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、もちろん、種々の改変が可能である。

１０ 本体
１１ ベアリング
１２ スピンドル
１２ａ 突出部
１２ｂ 肉厚部
１３ テーブル
１４ ウォームホイール
１５ ウォームシャフト
２０ 隙間
３０ 中間材
１００ 割出しテーブル
１１０ 本体
１１１ ベアリング
１１２ スピンドル
１１２ａ 突出部
１１３ テーブル
１１４ ウォームホイール
１１５ ウォームシャフト
１１６ ボルト
２００ 割出しテーブル

Claims (5)

1. 本体にベアリングを介して回転可能に支持されたスピンドルと、
   前記スピンドルの軸方向端部において、該スピンドルに固定されたテーブルと、
   前記スピンドルの径方向外方において、該スピンドルに固定されたウォームホイールと、
   前記ウォームホイールに係合し、該ウォームホイールを回転駆動するウォームシャフトと、
   を備え、
   前記スピンドルは、外周面において径方向外方に突出した環状の突出部を有し、
   前記スピンドルの外周面と、前記ウォームホイールの内周面との間に、一定の隙間が設けられており、
   前記ウォームホイールの軸方向端面と、前記突出部の軸方向端面とは、摩擦圧接により接合されており、
   前記一定の隙間において、前記突出部と反対側に封止材が設けられており、
   前記ウォームホイールは銅合金からなり、前記スピンドルは鉄合金からなる、割出しテーブル。
2. 前記突出部の前記ウォームホイールと接合した端面と反対側の端面は、前記ベアリングの軸方向端面と接している、請求項１に記載の割出しテーブル。
3. 前記スピンドルは、外周面において、前記ベアリングの軸方向端面の一部と接し、軸方向へ延びる肉厚部を有し、
   前記ベアリングは、前記ウォームホイールに対して、前記テーブル側に配置されており、
   前記突出部は、前記ウォームホイールに対して、前記テーブルと反対側に設けられており、
   前記ウォームホイールの前記突出部と接合した端面と反対側の端面は、前記ベアリングの軸方向端面の近傍に位置している、請求項１に記載の割出しテーブル。
4. 前記ウォームホイールの軸方向端面と、前記突出部の軸方向端面とは、中間材を介して摩擦圧接により接合されている、請求項１に記載の割出しテーブル。
5. 前記ウォームホイールは、高力黄銅からなり、前記スピンドルは炭素鋼からなる、請求項１に記載の割出しテーブル。
   

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