JPH05337701A - 工作機械の主軸頭 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高回転数の精密な仕上加工と重切削の両方が
可能な工作機械の主軸頭を得る。マシニングセンタに本
発明を応用した場合、共通の主軸頭をより広範囲の加工
条件に対して適合できるから、主軸頭の設置数が削減さ
れ、制御系等を含む装置全体の構成が簡単化され自動化
も容易になる。 【構成】 基本的には原動機の回転数を調整して主軸の
回転数を調整するが、原動機の可能な回転数の範囲が限
られているため、原動機の回転数ｎに対する主軸の回転
数ｍの比ｍ／ｎを大きくしたベルト伝達機構と、該比ｍ
／ｎを小さくした歯車伝達機構とを設ける。ベルト伝達
機構と歯車伝達機構にそれぞれ回転伝達を空転可能な機
構を設ける。主軸に高回転数が必要な場合はベルト伝達
機構、重切削を行う場合には歯車伝達機構を選択する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、工作機械の主軸に原動
機の回転を伝達する工作機械の主軸頭、詳しくは、原動
機によって主軸の回転数を調整可能な工作機械の主軸頭
に採用される変速機構に関し、原動機だけでは不可能な
高回転数を主軸に実用的に実現する技術に関し、例え
ば、マシニングセンタの主軸頭に応用される。

【０００２】

【従来の技術】旋盤、ボ−ル盤、フライス盤等の従来の
工作機械における、原動機の回転を主軸に伝達する主軸
頭は、原動機と主軸との間に他段式の変速機構を備え、
原動機の固定された回転数から、刃物や被加工物の材料
とサイズに応じた好ましい回転数を選択して主軸に設定
できる。このような変速機構の例としては、Ｖベルト機
構、鎖（チェ−ン）機構、タイミングベルト機構、歯車
機構、摩擦車機構等を挙げることができるが、いずれの
方法にせよ、主軸に多種類の回転数を設定可能にしよう
とすると、切換え機構を含む装置の全体構造が複雑化し
て大型化する傾向がある。一方、主軸の回転数を調整す
る別の方法として、回転数を調整可能な原動機を主軸に
直接連結して、原動機の可能な回転数の範囲内で任意の
主軸の回転数を得る方法があり、通常、原動機としてイ
ンバ−タ発振装置と誘導電動機の組合せが採用されてい
る。

【０００３】数値制御方式の浸透により近年多用されて
いるマシニングセンタは、被加工物に対して自在な方向
から回転工具刃物を接近できる工作機械である。マシニ
ングセンタにおいては、工具を剛性高く保持すると同時
に主軸頭の自由度および移動範囲を拡大するために、支
持構造や動力伝達構造を含めて主軸頭全体をなるべく簡
単かつ軽量に構成できることが好ましい。インバ−タ発
振装置と誘導電動機の組合せで主軸の回転数を調整する
方法は、特殊なインバ−タ発振装置を必要とするため、
通常の固定回転数の電動機よりも高価につくが、電気回
路的に連続的に回転数を調整できて回転数の安定性も高
く、従来の複雑で重い機構切換式の変速機構を不要にで
きるため、主軸頭の大幅な小型化を可能にしており、近
年、マシニングセンタの主軸頭に採用される頻度が高
い。

【０００４】しかし、インバ−タ発振装置と誘導電動機
を組合せた回転数を調整可能な原動機にも可能な回転数
の範囲があり、極端な高回転数や低回転数を可能にしよ
うとすると、インバ−タ発振装置と誘導電動機の両方に
特殊な仕様が必要となり、工作機械全体のコストが上昇
する。また、可能な回転数の範囲内でも、回転数の上限
または下限に近づくと電動機の出力効率が低下して電動
機自身が過熱する可能性もあり、寿命も著しく低下する
等して実用に耐えない場合もある。

【０００５】そこで、インバ−タ発振装置と誘導電動機
を組合せた回転数を調整可能な原動機を採用したマシニ
ングセンタの主軸頭において、誘導電動機の可能な範囲
を逸脱する回転数を主軸に設定するために、原動機と主
軸の間に簡単な１段の変速機構を挿入する試みが行われ
た。この変速機構としては、上述の種々の機構を採用で
き、高回転数の場合にはＶベルト式の機構、低回転数の
場合には歯車式の機構が好ましい。

【０００６】Ｖベルト式は、構造が極めて単純で構成部
品の精度もさほど必要でなく、一対のプ−リの直径比の
変更によって、原動機の回転数ｎに対する主軸の回転数
ｍの比ｍ／ｎを広い範囲で自在に定められる。また、回
転に伴う振動や騒音の発生が少なく、高速回転において
も低損失の動力伝達が可能で、過負荷時にはＶベルトの
滑りまたは破断による被害の限定作用が期待できる。し
かし、伝達可能なトルクがＶベルト引張り強度およびＶ
ベルト摩擦力の範囲に限定されるから、負荷の大きい重
切削には向かない。また、伝達トルクによって前記比ｍ
／ｎが大きく変化し、Ｖベルトの滑りも無視できないか
ら、負荷変動の大きい用途やネジ加工等の同期送り用途
には採用できない。

【０００７】一方、歯車式は、極めて大きな回転トルク
を伝達でき、伝達トルクが変動しても歯数比に応じた正
確な前記比ｍ／ｎが得られるから、負荷変動の大きい低
速加工やネジ加工等の同期送り用途に好適である。しか
し、歯面の摩擦に伴う損失が大きく、歯車の加工精度が
低い場合や歯面が摩耗した場合には、歯面の衝突による
振動が発生する。また、直径の割に歯高が大きいと切下
げを生じるから、噛み合う一対の歯車の回転数比を余り
高く設定できず、前記比ｍ／ｎを大きく採ろうとすると
多数の中間歯車を配置する必要があり、前記損失や機構
全体の慣性モ−メントが大きくなる。従って、振動の少
ない高速回転が必要な用途には採用できない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】工具材料の著しい発達
と特殊加工用途の登場と加工能率の向上の要求とに対応
するために、近年、工作機械の主軸に期待される可能な
加工負荷と回転数の範囲は大幅に拡大されている。例え
ば、アルミニウム素材から光学部品、空気軸受け等の超
精密部品を製作する場合、その仕上加工には、ダイヤモ
ンド工具を用いた切削速度が２００m/sec にも達する加
工条件が採用される。このとき、主軸の加工負荷はほと
んど０だが、回転数は１０００００rpm 以上、振動の少
ない滑らかな回転が要求される。そこで、このような加
工が可能なマシニングセンタの主軸頭として、原動機の
回転数ｎに対する主軸の回転数ｍの比ｍ／ｎを２〜３と
大きく設定した１段のＶベルト式の機構を採用したもの
が提案された。

【０００９】一方、例えば、機械部品の粗加工や建設用
構造部材の孔明け加工等で、大口径の工具を用いた重切
削を行う場合、工作機械の主軸の回転数は数１０rpm に
過ぎないが、加工負荷は数トンにも達する。そこで、こ
のような加工が可能なマシニングセンタの主軸頭とし
て、原動機の回転数ｎに対する主軸の回転数ｍの比ｍ／
ｎを０．２〜０．５と小さく設定した１〜２段の歯車式
の機構を採用したものが提案された。

【００１０】しかし、Ｖベルト式の機構を採用して高回
転数に専用化された主軸頭は、重切削に使用できず、歯
車式の機構を採用して低回転数に専用化された主軸頭
は、高回転数の滑らかな出力が得られないという問題が
ある。従って、両方の加工を可能にするには、マシニン
グセンタに高回転数用と低回転数の２種類の主軸頭を備
える必要がある。このようなマシニングセンタによれ
ば、上述のアルミ素材の仕上加工は、被加工物を同一の
マシニングセンタ内で一貫して加工でき、低回転数の重
切削用の主軸頭による粗加工に引続いて、高回転数の高
速切削用の主軸頭を用いて遂行される。

【００１１】しかし、このように主軸頭を切換える場
合、マシニングセンタに搭載される必要な主軸頭の数が
実質的に２倍になり、それぞれ専用の移動スペ−ス、ガ
イド部材、位置決め機構、工具交換機構等を必要とする
から、マシニングセンタが大型化して高価につき、切換
え時には主軸頭の移動による作業の中断があるから、作
業の合理化や自動化が困難で、主軸頭の移動誤差を吸収
できるように仕上加工しろを大きくする必要がある等、
全体の加工能率および最終的な加工精度の観点から大い
に不都合である。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、低回転数の重
切削に続いて高回転数の滑らかな回転出力による仕上加
工を共通の主軸頭で遂行でき、その際、回転数を変更可
能な原動機だけでは不可能なレベルの高回転数を主軸に
実現できる工作機械の主軸頭を提供することを目的とし
ている。

【００１３】請求項１の工作機械の主軸頭は、回転数を
変更可能な原動機を備え、該原動機の回転を主軸に伝達
する工作機械の主軸頭において、回転伝達を空転可能な
第１接続機構を設けたベルト伝達機構と、回転伝達を空
転可能な第２接続機構を設けた歯車伝達機構と、を前記
原動機と主軸との間に配置し、ベルト伝達機構では原動
機の回転数ｎに対する主軸の回転数ｍの比ｍ／ｎを大き
く、歯車伝達機構では該比ｍ／ｎを小さく設定したもの
である。

【００１４】請求項２の工作機械の主軸頭は、請求項１
の工作機械の主軸頭において、第１接続機構は、原動機
の出力軸に対して軸方向には拘束されるが回転は自在な
プ−リと、原動機に対して回転は拘束されるが軸方向に
は移動可能な接続部材と、プ−リおよび接続部材の両方
に形成した回転に関する相互の噛み合わせ手段と、接続
部材に対して軸方向に拘束されて逆方向に回転が可能な
第１把手部材と、第１把手部材を付勢して軸方向に移動
させる第１駆動手段とからなるものである。

【００１５】請求項３の工作機械の主軸頭は、請求項１
〜２いずれかの工作機械の主軸頭において、第２接続機
構は、原動機側に固定した第１歯車と主軸に固定した第
２歯車の両方に噛み合うとともに軸方向に移動可能な中
間歯車と、中間歯車に対して軸方向に拘束されて反対方
向に回転可能な第２把手部材と、第２把手部材を付勢し
て軸方向に移動させる第２駆動手段と、からなり、中間
歯車の移動によって第２歯車との噛み合わせは解除可能
だが第１歯車との噛み合わせは維持されるようにそれぞ
れの歯車の幅と中間歯車の移動幅とを定めたものであ
る。

【００１６】請求項４の工作機械の主軸頭は、請求項１
〜３いずれかの工作機械の主軸頭において、主軸の一方
の端に取付けた工具の着脱および固定を主軸の他方の端
から操作可能とした着脱機構を主軸内に配置したもので
ある。

【００１７】

【作用】請求項１の工作機械の主軸頭においては、回転
数を変更可能な原動機の出力軸の回転を主軸に伝達する
とともに、原動機の出力軸の可能な回転数の範囲を高低
両側に拡大した主軸の回転数を実現する。ベルト伝達機
構は、主軸の回転数を高回転数側に拡大して、歯車伝達
機構では不可能な滑らかで振動の少ない高回転数を出力
する。ベルト伝達機構を選択するとき、第２接続機構
は、歯車伝達機構による回転伝達を空転させる。一方、
歯車伝達機構は、主軸の回転数を低回転数側に拡大し
て、ベルト伝達機構では不可能な高いトルクの出力、ま
たは軸方向の送りに同期した回転角度を出力する。歯車
伝達機構を選択するとき、第１接続機構は、ベルト伝達
機構による回転伝達を空転させる。

【００１８】ベルト伝達機構は、同一の比ｍ／ｎを達成
する歯車伝達機構に比べて慣性モ−メントが小さく、伝
達損失が少なく、振動発生も少ないが、ベルトの引張り
強度を越える負荷を支承できず、すべりを発生する。一
方、歯車伝達機構は、同一の比ｍ／ｎを達成するベルト
伝達機構に比べて大きな負荷を支承でき、すべりのない
確実な回転伝達が可能だが、全体の慣性モ−メントが大
きく、歯面の摩擦による伝達損失が大きく、歯面の衝突
による振動も多少発生する。

【００１９】請求項２の工作機械の主軸頭においてベル
ト伝達機構を選択する場合、第１駆動手段が第１把手部
材を付勢して接続部材を軸方向に移動させ、接続部材の
噛み合わせ手段をプ−リの噛み合わせ手段に噛み合せた
ときに初めてベルト伝達機構が作動状態となる。回転数
を変更可能な原動機の出力軸の回転は、接続部材からプ
−リ、Ｖベルトを経て主軸に伝達される。これに対し
て、歯車伝達機構を選択する場合、第１駆動手段が接続
部材を逆方向に移動させ、接続部材およびプ−リの噛み
合わせ手段を開放したときに初めてベルト伝達機構が空
転状態となる。このとき、プ−リは、主軸からＶベルト
を経て駆動され、ベルト伝達機構の比ｍ／ｎと歯車伝達
機構の比ｍ／ｎとの差により、原動機の出力軸と同一方
向だがより低い回転数で回転する。

【００２０】請求項３の工作機械の主軸頭において歯車
伝達機構を選択する場合、第２駆動手段が第２把手部材
を付勢して中間歯車を軸方向に移動させ、中間歯車と第
２歯車とを噛み合せたときに初めて歯車伝達機構が作動
状態となる。回転数を変更可能な原動機の出力軸の回転
は、中間歯車を経て主軸に直接伝達される。これに対し
て、ベルト伝達機構を選択する場合、第２駆動手段が中
間歯車を逆方向に移動させ、中間歯車と第２歯車の噛み
合いを開放したときに歯車伝達機構が空転状態となる。
このとき、中間歯車は、第１歯車との噛み合いを維持し
ており、ベルト伝達機構の比ｍ／ｎと歯車伝達機構の比
ｍ／ｎとの差により、主軸とは逆方向に第２歯車よりも
低い相対速度で回転している。

【００２１】請求項４の工作機械の主軸頭においては、
元の工具の固定を解除して新しい工具を固定する一連の
操作のすべてを工具を取付ける反対の側から着脱機構を
操作して実施する。工具を取付ける反対の側に着脱機構
を操作する機構がすべて配置され、工具側（被加工物
側）の空間が大きく採れ、自動交換機構の配置および接
近経路の確保が容易になる。

【００２２】

【実施例】本発明の実施例を図面を参照して説明する。

【００２３】図１は、実施例の工作機械の主軸頭の模式
図である。これは、マシニングセンタの主軸頭に搭載さ
れた２段階切換式の変速機構であって、高回転数出力用
のベルト伝達機構と高負荷用の歯車伝達機構とを加工用
途に応じて切換える。

【００２４】図１において、インバ−タ発振装置と誘導
電動機を組合せた回転数を調整可能な原動機Ｍの出力軸
は、軸Ｊを直接回転駆動する。ベアリングＢによって主
軸頭内に支承される軸Ｊには、幅広の歯車Ｇが固定され
るとともに、Ｖベルト駆動用の大プ−リＱがベアリング
Ｂ２を介して取付けられる。大プ−リＱは、軸Ｊに対し
て軸方向の移動は拘束されるが回転は自在である。大プ
−リＱには、内スプラインＱ１が形成される。軸Ｊに
は、また、軸Ｊに対して回転は拘束されるが軸方向の矢
印方向の移動が所定のストロ−クの範囲で可能な接続部
材Ｒが取付けられる。接続部材Ｒには、内スプラインＱ
１に噛み合う外スプラインＲ１が形成されるとともに、
ベアリングＢ３を介して付勢部Ｒ２が取付けられてい
る。付勢部Ｒ２には、駆動用の油圧シリンダＬが接続さ
れる。

【００２５】一方、工具のチャック機構を内蔵する主軸
Ｈは、ベアリングＢによって主軸頭内に支承される。主
軸Ｈには、歯車Ｅおよび小プ−リＰが固定される。軸Ｊ
と主軸Ｈの中間に配置された中間軸Ｉは、ベアリングＢ
によって主軸頭内に支承される。中間軸Ｉには、中間軸
Ｉに対して回転は拘束されるが軸方向の矢印方向の移動
は所定のストロ−クの範囲で可能な中間歯車Ｆが取付け
られる。中間歯車Ｆには、歯車Ｅと歯車Ｇの両方に噛み
合う歯部Ｆ１が形成され、ベアリングＢ１を介して付勢
部Ｆ２が取付けられる。付勢部Ｆ２には駆動用の油圧シ
リンダＫが接続される。中間歯車Ｆが矢印方向に点線で
輪郭を示す位置まで移動すると、歯車Ｅとの噛み合いは
解除されるが、歯車Ｇとの噛み合いは維持される。

【００２６】大プ−リＱと小プ−リＰの間には、Ｖベル
トＶが取付けられてベルト伝達機構を構成し、原動機Ｍ
の回転数ｎに対する主軸Ｈの回転数ｍの比ｍ／ｎは２に
定めてある。一方、歯車Ｅ、Ｆおよび中間歯車Ｆは歯車
伝達機構を構成し、原動機Ｍの回転数ｎに対する主軸Ｈ
の回転数ｍの比ｍ／ｎは０．５に定めてある。油圧シリ
ンダＬおよび油圧シリンダＫは制御装置Ｃにより制御さ
れる。

【００２７】このように構成された主軸頭において、重
切削を行う場合は、制御装置Ｃが油圧シリンダＬおよび
油圧シリンダＫを駆動して、歯車伝達機構を選択してベ
ルト伝達機構を空転させる。一方、高回転数が必要な場
合は、ベルト伝達機構を選択して歯車伝達機構を空転さ
せる。この切換操作は、軸Ｊの回転数を１００ｒｐｍ以
下に下げて、中間歯車Ｆと歯車Ｅの噛み合い、および接
続部材Ｒと大プ−リＱの噛み合いの両方が解除された状
態にした後、必要な一方のみを接続する。

【００２８】次に、主軸Ｈに内蔵されて工具を把持する
チャック機構について説明する。このチャック機構は工
具を取付ける反対側の主軸端から工具の把持、固定、固
定解除、押出し排出を制御できるものである。

【００２９】ベアリングＢを保持する主軸筒Ｓは、内側
の空間に図示しない冷却循環系を内蔵してフレ−ムＡに
固定されている。主軸Ｈに取付けられる図示しない工具
は、刃物と、主軸Ｈのテ−パ孔Ｈ４に適合するテ−パ部
と、主軸Ｈの奥に縮径可能な状態で保持された把持スリ
−ブＨ１に適合する球根状の係止部とを有する。把持ス
リ−ブＨ１は、通常の状態において、主軸Ｈに内蔵され
たばねＨ３が軸方向の奥側に付勢する中継部材Ｈ６によ
って、テ−パ孔Ｈ４の反対方向に絞り部Ｈ５を越えて引
き込まれ、縮径状態に維持され、工具の係止部を奥側に
引き込んで工具のテ−パ部をテ−パ孔Ｈ４に強く押し付
ける。

【００３０】把持スリ−ブＨ１による係止を解除して工
具を取り外す際には、図示しない付勢手段によって、テ
−パ孔Ｈ４の反対側に位置する主軸Ｈの軸端Ｈ２を矢印
方向にばねＨ３に逆らって押し込む。このとき、把持ス
リ−ブＨ１がテ−パ孔Ｈ４の方向に移動し、把持スリ−
ブＨ１の先端部が絞り部Ｈ５に落ちて縮径状態が解除さ
れる。主軸Ｈの中央を貫通する孔Ｈ７は、中継部材Ｈ６
を越えて把持スリ−ブＨ１の位置にまで達している。主
軸Ｈの軸端Ｈ２が矢印方向に押し込まれた状態で細い棒
が孔Ｈ７に挿入されて、把持スリ−ブＨ１による把持を
解除された工具の係止部に突き当てられると、工具のテ
−パ部がテ−パ孔Ｈ４から分離して工具は取外し可能な
状態となる。

【００３１】本実施例の主軸頭では、主軸に設定可能な
回転数の範囲が拡大されて、従来不可能であった高回転
数の仕上加工がベルト伝達機構によって可能になり、従
来不可能であった重切削も歯車機構によって可能にな
り、両者は共通な主軸頭内での簡単な切換操作によって
使い分け可能である。

【００３２】

【発明の効果】請求項１の工作機械の主軸頭において
は、従来不可能であった高回転数の精密な仕上加工がベ
ルト伝達機構によって可能になり、従来不可能であった
重切削も歯車機構によって可能になり、両者は共通な主
軸頭内での簡単な切換操作によって使い分け可能であ
る。従って、例えば、マシニングセンタにおける必要な
主軸頭の数が削減され、回転数の変更が可能な原動機も
特殊なものは必要がなく、装置の全体構成が簡単化、小
型化される。

【００３３】請求項２の工作機械の主軸頭においては、
接続部材を含むベルト伝達機構が最小限の部品点数で構
成されるから主軸頭の全体構成が簡単化、小型化され
る。

【００３４】請求項３の工作機械の主軸頭においては、
中間歯車を含む歯車伝達機構が最小限の部品点数で構成
されるから主軸頭の全体構成が簡単化、小型化される。

【００３５】請求項４の工作機械の主軸頭においては、
工具交換に関与する機構が簡単なものになり自動化も容
易である、また、工具交換に必要な被工作物側のスペ−
スも節約される。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の工作機械の主軸頭の模式図である。

【符号の説明】

Ｂ ベアリング Ｃ 制御装置 Ｅ 歯車 Ｆ 中間歯車 Ｇ 歯車 Ｈ 主軸 Ｉ 中間軸 Ｊ 軸 Ｋ 油圧シリンダ Ｌ 油圧シリンダ Ｍ 電動機 Ｐ 小プ−リ Ｑ 大プ−リ Ｒ 接続部材 Ｓ 主軸筒 Ｂ１ ベアリング Ｂ２ ベアリング Ｂ３ ベアリング Ｆ１ 歯部 Ｆ２ 付勢部 Ｈ１ 把持スリ−ブ Ｈ２ 軸端 Ｈ３ ばね Ｈ４ テ−パ孔 Ｈ５ 絞り部 Ｑ１ 内スプライン歯 Ｒ１ 外スプライン歯 Ｒ２ 付勢部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転数を変更可能な原動機を備え、該原
   動機の回転を主軸に伝達する工作機械の主軸頭におい
   て、回転伝達を空転可能な第１接続機構を設けたベルト
   伝達機構と、回転伝達を空転可能な第２接続機構を設け
   た歯車伝達機構と、を前記原動機と主軸との間に配置
   し、ベルト伝達機構では原動機の回転数ｎに対する主軸
   の回転数ｍの比ｍ／ｎを大きく、歯車伝達機構では該比
   ｍ／ｎを小さく設定したことを特徴とする工作機械の主
   軸頭。
2. 【請求項２】 請求項１の工作機械の主軸頭において、
   第１接続機構は、原動機の出力軸に対して軸方向には拘
   束されるが回転は自在なプ−リと、原動機に対して回転
   は拘束されるが軸方向には移動可能な接続部材と、プ−
   リおよび接続部材の両方に形成した回転に関する相互の
   噛み合わせ手段と、接続部材に対して軸方向に拘束され
   て逆方向に回転が可能な第１把手部材と、第１把手部材
   を付勢して軸方向に移動させる第１駆動手段と、からな
   ることを特徴とする工作機械の主軸頭。
3. 【請求項３】 請求項１〜２いずれかの工作機械の主軸
   頭において、第２接続機構は、原動機側に固定した第１
   歯車と主軸に固定した第２歯車の両方に噛み合うととも
   に軸方向に移動可能な中間歯車と、中間歯車に対して軸
   方向に拘束されて反対方向に回転可能な第２把手部材
   と、第２把手部材を付勢して軸方向に移動させる第２駆
   動手段と、からなり、中間歯車の移動によって第２歯車
   との噛み合わせは解除可能だが第１歯車との噛み合わせ
   は維持されるようにそれぞれの歯車の幅と中間歯車の移
   動幅とを定めたことを特徴とする工作機械の主軸頭。
4. 【請求項４】 請求項１〜３いずれかの工作機械の主軸
   頭において、主軸の一方の端に取付けた工具の着脱およ
   び固定を主軸の他方の端から操作可能とした着脱機構を
   主軸内に配置したことを特徴とする工作機械の主軸頭。