JP6758477B2 - 工作機械の主軸装置 - Google Patents

Description

本発明は、先端に工具を装着する主軸を効果的に冷却可能とした工作機械の主軸装置に関する。

主軸先端部に装着したエンドミルのような回転工具と、テーブル上に固定されたワークとを相対移動することにより、ワークを所望の形状に加工する工作機械は従来から公知となっている。こうした工作機械では、回転工具は工具ホルダに装着され、該工具ホルダをドローバーによって引込、クランプすることによって、工具が主軸先端部に装着される。そうした主軸装置の一例が特許文献１に記載されている。

また、主軸が回転中、軸受や軸受を潤滑する潤滑剤のためのシール部から必然的に発熱するので、主軸は冷却しなければならない。特許文献２には、そうした主軸の冷却装置が記載されている。

国際公開第２０１１−１２１７９３号公報 特開平０６−２０６１４１号公報

特許文献２に記載の主軸の冷却装置は、中空の主軸内に固定軸を挿入し、この固定軸内に冷却液を流通させて固定軸を冷却することによって、主軸を冷却するようになっている。然しながら、特許文献２に開示の主軸の冷却装置では、特許文献１に記載されているような内部にドローバーを設けた主軸を冷却することができない。

本発明は、こうした従来技術の問題を解決することを技術課題としており、内部にドローバーのような工具クランプ装置を備えていても効果的に冷却可能とした工作機械の主軸装置を提供することを目的としている。

上述の目的を達成するために、本発明によれば、ハウジングに回転可能に支持された中空の主軸を有した工作機械の主軸装置において、前記ハウジングに固定され、前記主軸内部で入り込むように形成され、前記主軸の軸線方向に形成された開口部を有した環状のボス部材と、前記主軸の内周面に対面するように、前記ボス部材の外周面に形成された冷却通路と、前記主軸の先端部に工具ホルダを引き込んでクランプするドローバーと、前記ドローバーの後端に結合され前記ドローバーとともに回転するサポート軸と、前記主軸の内周と前記サポート軸の外周との間の環状空間に設けられ、かつ、前記ハウジングに支持されたアンクランプ装置とを具備する工作機械の主軸装置が提供される。

本発明によれば、主軸に直接冷却液を流通させることなく、主軸の冷却が可能となる。そのため、冷却液を流通させる冷却液通路からの冷却液の漏洩を容易に防止可能となる。そのため、本発明によれば、効果的に主軸を冷却するのみならず、冷却液が漏洩しない信頼性の高い主軸装置が提供される。

本発明の好ましい実施形態による主軸装置の断面図である。 図１の主軸装置の要部を拡大して示す部分拡大断面図である。 本発明の主軸装置を備えた工作機械の一例を示す略図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を説明する。
先ず、図３を参照すると、本発明を適用する工作機械の一例が示されている。図３において、工作機械１０は、立形マシニングセンタを構成しており、工場の床面に固定された基台としてのベッド１２、ベッド１２の前方部分（図３では左側）の上面で前後方向またはＹ軸方向（図３では左右方向）に移動可能に設けられワークＷが固定されるテーブル１８、ベッド１２の後端側（図３では右側）で同ベッド１２の上面に立設、固定されたコラム１４、該コラム１４の前面で左右方向またはＸ軸方向（図３では紙面に垂直な方向）に移動可能に設けられたＸ軸スライダ１６、Ｘ軸スライダ１６の前面で上下方向またはＺ軸方向に移動可能に取り付けられた主軸装置１００を具備している。本例では、主軸装置１００は、Ｚ軸に平行な鉛直方向に延びる中心軸線Ｏ周りに回転可能に主軸１０４を支持している。主軸１０４のテーブル１８に対面する先端部に回転工具Ｔが工具ホルダＴＨを介して装着される。

主軸装置１００には、切削液供給管路２４を介して切削液供給装置２０から切削液が供給される。回転する主軸１０４内を通して切削液を工具ＴとワークＷとの間の加工領域に供給するために、主軸装置１００の後端部には、ジョイントピストン１３２を備えたロータリージョイント１３４が配設されている。切削液供給管路２４は、例えば、切削液を貯留する切削液タンク（図示せず）と、該切削液タンクから切削液を切削液供給管路２４へ送り出す切削液供給ポンプ（図示せず）とを具備することができる。

主軸装置１００には、また、冷却液供給管路２６を介して冷却液供給装置２２から冷却液が供給される。冷却液は、詳細に後述するように、冷却液入口ポート１４０ａから、主軸装置１００に供給され、冷却通路１４０、１４２、１３６ｂ、１４４、１５２を流通し、冷却液出口ポート１５２ａから冷却液戻り管路２８を介して冷却液供給装置２２に戻される。冷却液供給装置２２は、例えば、冷却液を貯留する冷却液タンク（図示せず）と、該冷却液タンク内の冷却液の温度を所定温度に冷却する冷却装置（図示せず）と、冷却液タンクから冷却液を冷却液供給管路２６へ送り出す冷却液供給ポンプ（図示せず）とを具備することができる。

次に、図１、２を参照すると、主軸装置１００は、両端が開口した中空のハウジング１０２と、ハウジング１０２内に回転可能に支持される主軸１０４とを具備している。ハウジング１０２の前端と後端の開口部は、それぞれ環状の前エンドプレート１２０と後エンドプレート１２４とによって閉じられる。主軸１０４は、長手の軸線Ｏに沿って後端から前端へ延びる空間１０４ａを有した中空円筒状の部材である。また、主軸１０４の前端部には、工具ホルダＴＨを装着するテーパ穴１０４ｂが形成されている。

主軸１０４は、複数の軸受１０６、１０８、１１０によって回転支持されている。主軸１０４の後端側に配設された第１の軸受としての軸受１１０は、軸受ケーシング１３６を介してハウジング１０２に固定されている。軸受ケーシング１３６は環状部材よりなり、内周面に軸受１１０の外輪を受容する内周溝１３６ａと、外周面に形成された外周溝とを有している。軸受ケーシング１３６をハウジング１０２の所定位置に固定すると、ハウジング１０２の内周面と、前記外周溝との間に環状冷却液通路１３６ｂが画成される。環状冷却液通路１３６ｂからの冷却液の漏洩を防止するために、軸受ケーシング１３６とハウジング１０２との間にＯリングのような適当なシール部材を配設することができる。

主軸装置１００のハウジング１０２の内には、主軸１０４を回転駆動するビルトインモータが配設されている。該ビルトインモータは固定側のステータ１３８ａと可動側のロータ１３８ｂとを備えている。ステータ１３８ａはハウジング１０２の内周面に固定される。ロータ１３８ｂは、半径方向の微小隙間を介してステータ１３８ａに対向し、主軸１０４の外周面に固定されている。

主軸１０４には、工具ホルダＴＨをテーパ穴１０４ｂ内にクランプするために、主軸１０４の空間１０４ａ内で軸線Ｏに沿って延設されたドローバー１１４と、テーパ穴１０４ｂ内でドローバー１１４を中心として周方向に等角度間隔に配置された複数のコレット１１２と、主軸１０４の空間１０４ａ内でドローバー１１４を中心として配置された複数の皿ばね１１８とを備えたクランプ装置が配設されている。ドローバー１１４は、図１、２において軸線Ｏの左側に示すクランプ位置と、図１、２において軸線Ｏの右側に示すアンクランプ位置との間で軸線Ｏに沿って移動可能となっている。

ドローバー１１４は、軸線Ｏに沿って長手方向に延びる中心孔または切削液通路１１４ａを有した中空状の棒部材より成り、先端部に大径状の係合部１１４ｂが形成されている。ドローバー１１４は、皿ばね１１８の弾性力により軸線Ｏに沿ってクランプ位置に向けて付勢される。皿ばね１１８の大きさおよび数は、工具ホルダＴＨをテーパ穴１０４ｂ内に適切にクランプできるように、ドローバー１１４を軸線Ｏに沿って所定の引込力で後端方向に付勢できるように適宜選択することができる。

軸線Ｏに沿って長手方向に延びる中心孔または切削液通路１１６ａを有したサポート軸１１６が、ドローバー１１４の後端部に結合されている。サポート軸１１６は、軸線Ｏに沿ってドローバー１１４に対して同軸に配置され、かつ、ドローバー１１４の後端部分に結合されている。サポート軸１１６とドローバー１１４は、スプライン結合やポリゴン結合等の周知の手段によって、相互に回転できないが軸線方向には移動可能に結合されている。サポート軸１１６は、ドローバー１１４とともに回転し、後述するように、第２の軸受としての軸受１３０を介してピストン１２６に回転可能に支持されている。軸受１３０のための潤滑剤を保持するために、シール部材１５４、１５６が、サポート軸１１６の外周面と、ピストン１２６の軸部１２６ｂの内周面とに緊密に接触するように、サポート軸１１６と軸部１２６ｂとの間に配設されている。

ドローバー１１４が、クランプ位置にあるとき、ロータリージョイント１３４のジョイントピストン１３２を主軸１０４の先端方向に付勢して、ジョイントピストン１３２をサポート軸１１６の後端に当接させることによって、ドローバー１１４の切削液通路１１４ａとサポート軸１１６の切削液通路１１６ａが連通し、主軸１０４を貫通する一本の切削液通路が形成される。

主軸１０４のテーパ穴１０４ｂには、ドローバー１１４の係合部１１４ｂと係合可能に、主軸１０４のテーパ穴１０４ｂ内に配設されている。ドローバー１１４が、主軸１０４の軸線Ｏに沿って後端方向に移動することによって、コレット１１２は、ドローバー１１４の係合部１１４ｂに係合して径方向外方に付勢される。これによって、コレット１１２の先端が工具ホルダーＴＨのテーパ部と係合し、工具ホルダーＴＨが軸線Ｏに沿って主軸１０４の後端方向に引き込まれ、工具ホルダーＴＨがテーパ穴１０４ｂ内にクランプされる。ドローバー１１４が、後述するアンクランプ装置により軸線Ｏに沿って前方に移動することによって、コレット１１２と係合部１１４ｂの係合が解除される。

ドローバー１１４が皿ばね１１８の弾性力により後方に移動することで、コレット１１２が径方向に拡開し、その内径を広げ、テーパ穴１０４ｂに挿入された工具ホルダＴＨのテーパ面とフランジ後端面（図示せず）とがテーパ穴１０４ｂの内面（テーパ面）と主軸１０４の前端面１０４ｃとに当接し、いわゆる二面拘束で工具ホルダＴＨがテーパ穴１０４ｂにクランプされる。本実施形態では、工具ホルダＴＨは、１／１０ショートテーパのＨＳＫシャンクであるが、工具ホルダーＴＨは、７／２４テーパのＢＴシャンクであってもよい。工具ホルダーＴＨがＢＴシャンクの場合、工具ホルダーＴＨのシャンク部の後端部に固定されたプルスタッドをコレット１１２が挟持するように構成される。

主軸１０４の後方部分には、主軸１０４の空間１０４ａにアンクランプ装置が配設される。アンクランプ装置は、後エンドプレート１２４の中心開口部１２４ａを通して主軸１０４の空間１０４ａ内に挿入されるボス部としてのシリンダ１２８と、主軸１０４とドローバー１１４との間の環状空間内でドローバー１１４の軸線方向に往復移動可能なピストン１２６とを備えている。ボス部はシリンダ１２８とは異なる中空円筒状の部材から形成してもよい。

シリンダ１２８は、後エンドプレート１２４に固定される大径のフランジ部１２８ａと、フランジ部１２８ａに結合される中空の円筒形状の胴部１２８ｂとを具備している。シリンダ１２８を後エンドプレート１２４に取り付けたとき、胴部１２８ｂは主軸１０４の軸線Ｏに沿って主軸１０４の空間１０４ａ内に挿入される。

また、シリンダ１２８の胴部１２８ｂの外周面には、軸線Ｏを中心とした螺旋溝が形成されている。本実施形態では、中空円筒形状のカバー部材１４８が、シリンダ１２８の胴部１２８ｂの外周面に密着するように配設され、螺旋溝とカバー部材１４８とによって、軸線Ｏを中心とした螺旋冷却液通路１４２が画成される。螺旋冷却液通路１４２は、好ましくは、主軸１０４の先端側の端部を入口とし、主軸１０４の後端側の端部を出口とする。シリンダ１２８の胴部１２８ｂとカバー部材１４８との間にＯリングのような適当なシール部材を配設してもよい。

ピストン１２６は、大径の当接部１２６ａと、当接部１２６ａから軸線Ｏに沿って後端方向に延び、胴部１２８ｂの内周面に沿って摺動可能に胴部１２８ｂ内に配置される小径の軸部１２６ｂとを有している。上述のサポート軸１１６を回転可能に支持する一対の軸受１３０は、軸部１２６ｂの内周面と、サポート軸１１６の外周面との間に配設される。こうした、ピストン１２６は、サポート軸１１６と共に回転することなく、シリンダ１２８に対して軸方向に摺動可能にシリンダ１２８の胴部１２８ｂ内に配置される。

ピストン１２６とシリンダ１２８とが係合することにより、第１の圧力室１５０ａと第２の圧力室１５０ｂとが形成される。より詳細には、ピストン１２６の当接部１２６ａには、シリンダ１２８の胴部１２８ｂの先端部分を受容する環状溝１２６ｃが形成されており、ピストン１２６の環状溝１２６ｃとシリンダ１２８の胴部１２８ｂの先端部分とが係合することにより、図２に示すように、第１の圧力室１５０ａと第２の圧力室１５０ｂとが形成される。

第１と第２の圧力室１５０ａ、１５０ｂには、流体供給装置（図示せず）から所定圧力の流体が供給される。図示しない油圧ポートを介して、第１の圧力室１５０ａに所定の圧力に加圧された圧力流体を供給することにより、ピストン１２６が軸線Ｏに沿って主軸１０４の先端方向へ前進し、ピストン１２６の当接部１２６ａがドローバー１１４の後端に当接する。第１の圧力室１５０ａに更に圧力流体を供給し続けることによって、ピストン１２６は、皿ばね１１８の弾性力に抗して、ドローバー１１４をアンクランプ位置（図１、２において軸線Ｏの右側に示す状態）へ向けて更に先端方向に押し出す。こうして、工具ホルダＴＨがアンクランプされる。この間、第２の圧力室１５０ｂから圧力流体が排出される。

図示しない工具交換装置によって、アンクランプされた工具Ｔが、主軸１０４のテーパ穴１０４ｂから工具ホルダＴＨと共に抜去され、新工具Ｔがテーパ穴１０４ｂに挿入された後、第１の圧力室１５０ａから圧力流体を排出することによって、ピストン１２６およびドローバー１１４が、皿ばね１１８の弾性力により、軸線Ｏに沿って主軸１０４の後端方向に後退する。この間、第２の圧力室１５０ｂには、所定圧力の圧力流体が供給される。ドローバー１１４が皿ばね１１８の弾性力により後退する間、コレット１１２がドローバー１１４の係合部１１４ｂに係合することによって、コレット１１２はテーパ穴１０４ｂ内で半径方向に付勢され、テーパ穴１０４ｂ内の工具ホルダＴＨと係合して、工具ホルダＴＨをテーパ穴１０４ｂ内に引き込む。ドローバー１１４がクランプ位置に到達すると、工具ホルダＴＨは主軸１０４のテーパ穴１０４ｂ内に完全に引き込まれ、ドローバー１１４は停止する。ドローバー１１４がクランプ位置に到達した後、第２の圧力室１５０ｂに更に圧力流体を供給し続けると、ピストン１２６はドローバー１１４の後端から離反する（図１、２において軸線Ｏの左側に示す状態）。

本実施形態では、冷却液通路は、シリンダ１２８に形成された冷却液入口ポート１４０ａと螺旋冷却液通路１４２の入口との間に延びる入口側冷却液通路１４０、螺旋冷却液通路１４２、螺旋冷却液通路１４２の出口と環状冷却液通路１３６ｂとの間に延びる中間冷却液通路１４４、環状冷却液通路１３６ｂおよび環状冷却液通路１３６ｂと冷却液出口ポート１５２ａとの間に延びる出口側冷却液通路１５２を含む。本実施形態では、入口側冷却液通路１４０はシリンダ１２８内に形成され、中間冷却液通路１４４はシリンダ１２８、後エンドプレート１２４および軸受ケーシング１３６内に形成され、出口側冷却液通路１５２は軸受ケーシング１３６およびハウジング１０２内に形成される。

中間冷却液通路１４４において、シリンダ１２８と後エンドプレート１２４との間、後エンドプレート１２４と軸受ケーシング１３６との間にＯリングのような適当なシール部材を配設することができる。同様に、出口側冷却液通路１５２において、軸受ケーシング１３６とハウジング１０２との間にもＯリングのような適当なシール部材を配設することができる。また、冷却液入口ポート１４０ａおよび冷却液出口ポート１５２ａはニップルのような適当な継手部材によって形成することができる。

本実施形態によれば、冷却液通路、特にシリンダ１２８の螺旋冷却液通路１４２を流通する冷却液によって、ボス部としてのシリンダ１２８が冷却され、特にシリンダ１２８の胴部１２８ｂの螺旋溝を覆うカバー部材１４８の外周面が周囲よりも低温になる。これによって、シリンダ１２８の周囲、特にカバー部材１４８の外周面に接する空気が冷却され、該冷却された空気によって、主軸１０４の後端部が冷却される。

螺旋冷却液通路１４２が軸線Ｏに関して横断方向に軸受１１０と隣り合うように螺旋冷却液通路１４２を配置する、つまり、螺旋冷却液通路１４２と軸受１１０とが少なくとも部分的に軸線Ｏに垂直な平面内に配置されていることによって、軸受１１０を効果的に冷却することができる。シリンダ１２８と主軸１０４との間、特にカバー部材１４８の外周面と主軸１０４の内周面との間の間隔を調節することで、螺旋冷却液通路１４２による冷却効果を調節することができる。軸受１１０は、軸線Ｏに関して横断方向に隣り合う環状冷却液通路１３６ｂによっても効果的に冷却される。

更に、冷却されたシリンダ１２８に密着するピストン１２６の軸部１２６ｂが冷却され、該軸部１２６ｂに密着する軸受１３０およびシール部材１５４、１５６が冷却される。特に、図１、２において軸線Ｏの左側に示すように、ドローバー１１４がクランプ位置にあるとき、螺旋冷却液通路１４２が軸線Ｏに関して横断方向に軸受１３０およびシール部材１５４、１５６と隣り合うように螺旋冷却液通路１４２を配置する、つまり、螺旋冷却液通路１４２と軸受１３０とが少なくとも部分的に軸線Ｏに垂直な平面内に配置されていることによって、主軸１０４の回転中に軸受１３０およびシール部材１５４、１５６から発生する熱を効果的に除去することが可能となる。

このように、本実施形態では、冷却通路１４０、１４２、１３６ｂ、１４４、１５２は、主軸装置１００の静止した部材を通過するので、冷却液の漏洩を容易かつ確実に防止しながら主軸装置１００の後端部分を効果的に冷却することができる。

１０ 工作機械
２２ 冷却液供給装置
２６ 冷却液供給管路
２８ 冷却液戻り管路
１００ 主軸装置
１０２ ハウジング
１０４ 主軸
１０４ａ 空間
１１０ 軸受
１１４ ドローバー
１１６ サポート軸
１２４ 後エンドプレート
１２６ ピストン
１２８ シリンダ
１３０ 軸受
１３６ 軸受ケーシング
１３６ｂ 環状冷却液通路
１４０ 入口側冷却液通路
１４０ａ 冷却液入口ポート
１４２ 螺旋冷却液通路

Claims (4)

1. ハウジングに回転可能に支持された中空の主軸を有した工作機械の主軸装置において、
   前記ハウジングに固定され、前記主軸内部へと入り込むように形成され、前記主軸の軸線方向に形成された開口部を有した環状のボス部材と、
   前記主軸の内周面に対面するように、前記ボス部材の外周面に形成された冷却通路と、
   前記主軸の先端部に工具ホルダを引き込んでクランプするドローバーと、
   前記ドローバーの後端に結合され前記ドローバーとともに回転するサポート軸と、
   前記主軸の内周と前記サポート軸の外周との間の環状空間に設けられ、かつ、前記ハウジングに支持されたアンクランプ装置と、
   を具備することを特徴とした工作機械の主軸装置。
2. 前記冷却通路は、前記主軸の軸線を中心として螺旋状に延設されている請求項１に記載の工作機械の主軸装置。
3. 前記主軸の後端部と前記ハウジングとの間に前記主軸を回転可能に支持する第１の軸受が配設されており、
   前記冷却通路は、少なくとも部分的に前記第１の軸受と同一の前記主軸の軸線に垂直な平面内に配置されている請求項２に記載の工作機械の主軸装置。
4. 前記アンクランプ装置は、クランプ位置とアンクランプ位置との間で前記主軸の軸線に沿って往復可能に設けられ、かつ、第２の軸受によって前記主軸の内部で前記サポート軸を回転支持するピストンを具備し、該ピストンは、流体圧力によってクランプ位置からアンクランプ位置へ前記主軸の軸線に沿って主軸前方へ移動することによって、前記ドローバーを主軸前方へ押し出すように形成され、
   前記冷却通路は、前記ピストンが前記クランプ位置にあるとき、少なくとも部分的に前記第２の軸受と同一の前記主軸の軸線に垂直な平面内に配置されている請求項３に記載の工作機械の主軸装置。

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