JP7279337B2 - アタッチメント式スピンドル装置、及び工作機械用主軸ユニット - Google Patents

Description

本発明は、アタッチメント式スピンドル装置、及び工作機械用主軸ユニットに関し、特に、工作機械用主軸ユニットの回転主軸に対して着脱自在なアタッチメント式スピンドル装置、及び工作機械用主軸ユニットに関する。

従来、工作機械の回転主軸に、アタッチメント式スピンドル装置を取り付け、このアタッチメント式スピンドル装置に研削用砥石やエンドミル等のエア駆動による回転工具を装着して、研削や切削等の加工を行うことが知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。

特許文献１に記載のアタッチメント主軸装置では、静圧気体軸受のための軸受給気通路に気体を供給するため、ハウジングの外部に軸受供給口を設けることが開示されている。また、特許文献２に記載の加工装置では、工具ホルダが、スピンドル軸のテーパ穴と工具ホルダのテーパシャンク部、及びスピンドル軸の端面と工具ホルダの端面の両面当たりとした二面拘束方式によってスピンドル軸に保持される。そして、回転軸を駆動及び停止させるための駆動用エア通路及び停止用エア通路が、スピンドル軸側の各エア供給路の開口端と、上記両端面にて接離される。

特開２００３－１１０３６号公報 特開２００２－１２６９６３号公報

ところで、特許文献１に記載のアタッチメント主軸装置では、ハウジングの外部にエア配管などの追加部品が必要となるため、構造が複雑となり、コストが嵩むと共に、工具交換の際、別途エア配管を手動で交換する必要がある。また、特許文献２に記載の加工装置では、二面拘束方式を採用し、スピンドル軸と工具ホルダの両端面でエア通路を接離するため、より高精度な加工が要求される。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単な構成で、気体を供給する給気通路を工作機械用主軸ユニットの回転主軸の回転主軸側給気通路と連通することができるアタッチメント式スピンドル装置、及び工作機械用主軸ユニットを提供することにある。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１） 工作機械用主軸ユニットの回転主軸に形成されたテーパ状の装着穴に嵌合可能なテーパシャンク部を有するハウジングと、
該ハウジングに対して、静圧気体軸受を介して相対回転自在で、先端に工具を取り付け可能な回転軸と、
を備え、前記ハウジングには、前記静圧気体軸受に気体を供給する軸受用給気経路と、前記回転軸を気体の噴射によって回転駆動するための駆動用給気経路と、が少なくとも形成されるアタッチメント式スピンドル装置であって、
前記軸受用給気経路、及び前記駆動用給気経路の少なくとも一つの給気経路は、前記テーパシャンク部のテーパ面に開口する、アタッチメント式スピンドル装置。
（２）（１）に記載のアタッチメント式スピンドル装置のテーパシャンク部が嵌合可能なテーパ状の装着穴を有する回転主軸を備え、
該回転主軸の前記装着穴には、前記少なくとも一つの給気経路とそれぞれ連通する少なくとも一つの回転主軸側給気経路が開口する、工作機械用主軸ユニット。

本発明のアタッチメント式スピンドル装置、及び工作機械用主軸ユニットによれば、簡単な構成で、気体を供給する給気通路を工作機械用主軸ユニットの回転主軸の回転主軸側給気通路と連通することができる。これにより、工具交換の際、別途エア配管を手動で交換する必要がなくなり、通常の工具と同様に自動交換が可能となる。

本発明の一実施形態に係るアタッチメント式スピンドル装置が取り付けられた工作機械用主軸ユニットの先端側部分を示す断面図である。 図１のＩＩ－ＩＩ線断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係るアタッチメント式スピンドル装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の説明においては、工作機械用主軸ユニットの軸方向において、アタッチメント式スピンドル装置が取り付けられる先端側を前側、該先端側と反対側を後側とも言う。

図１は、本実施形態のアタッチメント式スピンドル装置が取り付けられる工作機械用主軸ユニットの先端側部分を示す断面図である。図１に示すように、工作機械用主軸ユニット１は、図示しない工作機械の主軸ヘッドに支持筒２が固定され、該支持筒２に対して、中空筒状の回転主軸３が複数の軸受４を介して回転可能に支持される。回転主軸３は、図示しないモータを駆動することで、回転駆動される。

回転主軸３の先端部には、テーパ状の装着穴５が形成されており、アタッチメント式スピンドル装置２０（以下、単に「アタッチメント装置２０」とも言う。）のテーパシャンク部２１が嵌合する。また、テーパ状の装着穴５から後方に連続する、回転主軸３の内周面内には、プルスタッド式のクランプ機構６を構成するクランプ軸７が軸方向に移動可能に配置されている。クランプ機構６は、クランプ軸７の先端部に形成された支持孔８に配置されたクランプボール９を備える。そして、クランプ軸７は、図示しない皿ばねの付勢力により後方に引かれることで、クランプボール９がアタッチメント装置２０のテーパシャンク部２１に螺合固定されたプルスタッド２２と係合して、アタッチメント装置２０が回転主軸３に装着される。なお、皿ばねの付勢力に抗して、クランプ軸７を前方に移動することで、プルスタッド２２の係合が解除され、アタッチメント装置２０が回転主軸３から脱着される。

また、回転主軸３の軸方向前端面には、軸方向に突出する一対のドライブキー１０が１８０°位相離れて設けられており、テーパシャンク部２１には、テーパ面２３の前方の外周面に、一対のドライブキー１０に嵌合する一対のキー溝２４が形成されている。したがって、アタッチメント装置２０が回転主軸３に円周方向に位相合わせされて装着される。なお、ドライブキー１０及びキー溝２４は、それぞれ１箇所でもよい。

アタッチメント装置２０は、テーパシャンク部２１、及び該テーパシャンク部２１に固定されるハウジング本体３０を備えるハウジングＨと、該ハウジングＨに対して、静圧気体軸受４０、４１、４２を介して相対回転自在で、先端に図示しない工具を取り付け可能な回転軸５０と、を主に備える。

ハウジング本体３０は、テーパシャンク部２１の先端面に設けられた嵌合筒部２５の外周面に外嵌され、後端部外周面に設けられた外向きフランジ部３１をテーパシャンク部２１の先端面とボルト締結することで、テーパシャンク部２１に固定されている。

回転軸５０は、中空筒状に形成されており、軸方向後端部に外径側に延出する外径フランジ部５１を有する。また、回転軸５０の軸方向中間部の外周面には、それぞれ複数のタービン翼が全周に亘って形成されるタービン羽根車５２が、軸方向に２列で形成されている。なお、タービン羽根車５２の列数は、任意に設定される。

静圧気体軸受４０、４１、４２は、エアなどの気体が通過可能な多孔質部材から形成される。静圧気体軸受４０、４１は、回転軸５０のタービン羽根車５２が形成される軸方向中間部の前側及び後側に配置され、回転軸５０のラジアル荷重を支持する。また、静圧気体軸受４２は、軸方向において、静圧気体軸受４１との間に、回転軸５０の外径側フランジ部５１を挟むように配置されており、静圧気体軸受４１と共に、回転軸５０のスラスト荷重を支持する。なお、本実施形態では、静圧気体軸受４０、４１は、ハウジング本体３０の内周面に嵌まり込み、静圧気体軸受４２は、テーパシャンク部２１の内周面内に嵌まり込んでいる。
また、静圧気体軸受４０、４１、４２としては、他の形式の静圧気体軸受も適用可能であり、例えば、絞り形式を採用したものとして、自成絞り、オリフィス絞り、表面絞り、スロット絞り、給気溝付き自成絞り、制御絞りなどが挙げられる。

図２に示すように、回転軸５０のタービン羽根車５２の外側で、ハウジング本体３０の内部には、３つの駆動用ノズル３２とブレーキ用ノズル３３とが取り付けられている。ブレーキ用ノズル３３は、タービン羽根車５２に対する向きが、駆動用ノズル３２と逆向きになるように形成されており、タービン羽根車５２に気体を噴射することで、回転軸５０にブレーキをかけることができる。

また、テーパシャンク部２１及びハウジング本体３０には、静圧気体軸受４０、４１、４２に気体を供給する軸受用給気経路３５と、回転軸５０を気体の噴射によって回転駆動するための駆動用給気経路３６と、回転軸５０を気体の噴射によって停止させるためのブレーキ用給気経路３７と、が形成されている。即ち、駆動用給気経路３６から供給された気体は、駆動用ノズル３２を介してタービン羽根車５２に向けて噴射される。また、ブレーキ用給気経路３７から供給された気体は、ブレーキ用ノズル３３を介してタービン羽根車５２に向けて噴射される。

なお、回転軸５０の周囲で、ハウジング本体３０の先端面には、軸受用給気経路３５の開口を塞ぐように前蓋３４が取り付けられている。静圧気体軸受４０、４１、４２から排出された気体は、回転軸５０の外周面と前蓋３４の内周面との間の隙間から外部に排気できる。また、図示していないが、各部材の結合部分に、Ｏ－リングなどの部材を設けることで、気体の漏れを防止してもよい。また、ハウジング本体３０のタービン羽根車５２の近傍には、駆動用ノズル３２とブレーキ用ノズル３３から排出された気体を外部に排気する排気経路３８が径方向に貫通する貫通孔として形成されている。

軸受用給気経路３５、駆動用給気経路３６、及びブレーキ用給気経路３７は、回転主軸３に形成された回転主軸側軸受用給気経路１１、回転主軸側駆動用給気経路１２、及び回転主軸側ブレーキ用給気経路１３とそれぞれ連通するが、本実施形態では、これらの連通部分が、回転主軸３の装着穴５とテーパシャンク部２１のテーパ面２３との嵌合面に設けられている。

即ち、軸受用給気経路３５、駆動用給気経路３６、及びブレーキ用給気経路３７は、テーパシャンク部２１のテーパ面２３に開口しており、回転主軸側軸受用給気経路１１、回転主軸側駆動用給気経路１２、及び回転主軸側ブレーキ用給気経路１３は、回転主軸３の装着穴５に開口している。

また、回転主軸側軸受用給気経路１１、回転主軸側駆動用給気経路１２、及び回転主軸側ブレーキ用給気経路１３は、図示しない回転主軸３の後端部に設置されたロータリジョイントと接続されて、ロータリジョイントを介して気体が供給される。

また、軸受用給気経路３５、駆動用給気経路３６、及びブレーキ用給気経路３７の円周方向位相は、キー溝２４の位相と関連付けられてそれぞれ設定されている。このため、所定のドライブキー１０とキー溝２４が嵌合しない場合には、軸受用給気経路３５、駆動用給気経路３６、及びブレーキ用給気経路３７と、回転主軸側軸受用給気経路１１、回転主軸側駆動用給気経路１２、及び回転主軸側ブレーキ用給気経路１３とが連通しないように設定される。

加えて、テーパシャンク部２１のテーパ面２２には、４本のＯリング６０、６１、６２、６３が装着されるＯリング溝６０ａ、６１ａ、６２ａ、６３ａが軸方向に間隔を空けて設けられている。軸受用給気経路３５、駆動用給気経路３６、及びブレーキ用給気経路３７は、隣り合うＯリング６０、６１、６２、６３間にそれぞれ１つずつ配置されている。これにより、テーパシャンク部２１と回転主軸３の装着穴５との嵌合面での気体の漏れ、及び他の給気経路への気体の漏れを防止することができる。

また、軸受用給気経路３５、駆動用給気経路３６、及びブレーキ用給気経路３７上には、テーパシャンク部２１のテーパ面２２から径方向内側に略円筒状に開口するフィルタ取付溝７０ａ、７１ａ、７２ａが設けられており、各フィルタ取付溝７０ａ、７１ａ、７２ａには、気体を清浄化するフィルタ７０、７１、７２が配置される。したがって、フィルタ７０、７１、７２は、アタッチメント装置２０が回転主軸３から脱着された際に容易に交換可能であり、また、軸受用給気経路３５、駆動用給気経路３６、及びブレーキ用給気経路３７の上流部に設けられているため、軸受用給気経路３５、駆動用給気経路３６、及びブレーキ用給気経路３７内に異物が侵入するのを防止することができる。

したがって、本実施形態のアタッチメント装置２０は、回転主軸３のドライブキー１０とテーパシャンク部２１のキー溝２４とを嵌合させて、クランプ機構６によって、プルスタッド２２がクランプボール９と係脱することで、アタッチメント装置２０が回転主軸３に着脱可能となる。そして、上記構造によれば、アタッチメント装置２０を回転主軸３に装着するだけで、エア配管を別途接続することなく、簡単な構成で、各給気経路３５、３６、３７と、回転主軸３に形成された各回転主軸側給気経路１１、１２、１３とを、テーパシャンク部２１のテーパ面２２及び回転主軸３の装着穴５を介してそれぞれ連通することができる。

なお、本実施形態のアタッチメント装置２０は、研削や切削等の比較的細密な加工を行う場合に使用され、通常の機械加工を行う場合には、回転主軸３の装着穴に大型工具のテーパシャンク部が直接取り付けられる。

本発明は、前述した実施形態に限定されるものでなく、適宜、変形、改良等が可能である。
例えば、本発明のハウジングは、軸受用給気経路と、駆動用給気経路とが少なくとも形成されればよく、本実施形態のブレーキ用給気経路が設けられない構成であってもよい。
また、本実施形態では、軸受用給気経路、駆動用給気経路、及びブレーキ用給気経路の全てが、テーパシャンク部と回転主軸の装着穴との嵌合面で、回転主軸側軸受用給気経路、回転主軸側駆動用給気経路、及び回転主軸側ブレーキ用給気経路とそれぞれ連通する構成としている。しかしながら、本発明は、これに限らず、軸受用給気経路、駆動用給気経路、及びブレーキ用給気経路の少なくとも一つ（好ましくは、２つ）の給気経路が、該嵌合面で、対応する回転主軸側の給気回路と連通すればよい。即ち、例えば、アタッチメント式スピンドル装置側の残りの給気経路が、テーパシャンク部の内部に形成され、プルスタッドを介して、クランプ軸の内部と連通するようにしてもよい。
また、本発明のハウジングは、テーパシャンク部とハウジング本体が単一の部材で形成されてもよい。
さらに、本実施形態では、フィルタは、テーパシャンク部に設けられているが、本発明はこれに限定されず、前記テーパシャンク部から前記静圧気体軸受、または前記気体を噴射するノズルまでの間に設けられればよい。

以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１） 工作機械用主軸ユニットの回転主軸のテーパ状の装着穴に嵌合可能なテーパシャンク部を有するハウジングと、
該ハウジングに対して、静圧気体軸受を介して相対回転自在で、先端に工具を取り付け可能な回転軸と、
を備え、前記ハウジングには、前記静圧気体軸受に気体を供給する軸受用給気経路と、前記回転軸を気体の噴射によって回転駆動するための駆動用給気経路と、が少なくとも形成されるアタッチメント式スピンドル装置であって、
前記軸受用給気経路、及び前記駆動用給気経路の少なくとも一つの給気経路は、前記テーパシャンク部のテーパ面に開口する、アタッチメント式スピンドル装置。
この構成によれば、簡単な構成で、気体を供給する給気通路を工作機械用主軸ユニットの回転主軸の回転主軸側給気通路と連通することができる。

（２） 前記テーパシャンク部のテーパ面に開口する前記少なくとも一つの給気経路には、前記テーパシャンク部から前記静圧気体軸受、または前記気体を噴射するノズルまでの間に、前記気体を清浄化するフィルタが設けられる、（１）に記載のアタッチメント式スピンドル装置。
この構成によれば、フィルタによって、給気経路を通過する気体を清浄化することができる。

（３） 前記テーパシャンク部のテーパ面には、前記テーパ面に開口する前記少なくとも一つの給気経路の軸方向両側に、Ｏリングが配置される、（１）又は（２）に記載のアタッチメント式スピンドル装置。
この構成によれば、テーパシャンク部と回転主軸の装着穴との嵌合面での気体の漏れを防止することができる。

（４） （１）～（３）のいずれかに記載のアタッチメント式スピンドル装置のテーパシャンク部が嵌合可能なテーパ状の装着穴を有する回転主軸を備え、
該回転主軸の前記装着穴には、前記少なくとも一つの給気経路とそれぞれ連通する少なくとも一つの回転主軸側給気経路が開口する、工作機械用主軸ユニット。
この構成によれば、上記アタッチメント式スピンドル装置を適用可能な工作機械用主軸ユニットを提供することができる。

１ 工作機械用主軸ユニット
３ 回転主軸
５ 装着穴
２０ アタッチメント式スピンドル装置
２１ テーパシャンク部
２２ テーパ面
３０ ハウジング本体
３５ 軸受用給気経路
３６ 駆動用給気経路
３７ ブレーキ用給気経路
４０、４１、４２ 静圧気体軸受
５０ 回転軸
６０、６１、６２、６３ Ｏリング
７０、７１、７２ フィルタ
Ｈ ハウジング

Claims (2)

1. 工作機械用主軸ユニットの回転主軸に形成されたテーパ状の装着穴に嵌合可能なテーパシャンク部を有するハウジングと、
   該ハウジングに対して、静圧気体軸受を介して相対回転自在で、先端に工具を取り付け可能な回転軸と、
   を備え、前記ハウジングには、前記静圧気体軸受に気体を供給する軸受用給気経路と、前記回転軸を気体の噴射によって回転駆動するための駆動用給気経路と、が少なくとも形成されるアタッチメント式スピンドル装置であって、
   前記軸受用給気経路及び前記駆動用給気経路は、前記テーパシャンク部のテーパ面に開口し、
   前記軸受用給気経路及び前記駆動用給気経路には、前記テーパシャンク部のテーパ面から径方向内側に円筒状に開口するフィルタ取付溝に配置された、前記気体を清浄化するフィルタがそれぞれ設けられ、
   前記テーパシャンク部のテーパ面には、前記テーパ面に開口する前記軸受用給気経路及び前記駆動用給気経路の軸方向両側に、Ｏリングが配置される、
   アタッチメント式スピンドル装置。
2. 請求項１に記載のアタッチメント式スピンドル装置のテーパシャンク部が嵌合可能なテーパ状の装着穴を有する回転主軸を備え、
   該回転主軸の前記装着穴には、前記軸受用給気経路及び前記駆動用給気経路とそれぞれ連通する回転主軸側軸受用給気経路及び回転主軸側駆動用給気経路が開口する、工作機械用主軸ユニット。

Images