JPH07178607A - スピンドル装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】工具ホルダの端面とスピンドル軸の端面との間
のすき間を管理する必要がなくて工具ホルダの互換性が
良好であり、しかも高い工具保持剛性が得られるスピン
ドル装置を提供する。 【構成】軸端にテーパ穴２を有するスピンドル軸１の外
面に小径部３０と大径部３１を形成して、その外面に外
部に貫通する流体通路３４を設けたスリーブ３３を締め
代をもって嵌合する。一方、工具ホルダ３のテーパシャ
ンク４の根元にはテーパシャンク４より大径とされたフ
ランジ部３ｆを設ける。スリーブ３３の流体通路３４に
流体圧を加えることによりスリーブ３３をスピンドル軸
１に嵌合した工具ホルダ３のフランジ部３ｆに当接さ
せ、しかる後、流体圧を除いてスリーブ３３をスピンド
ル軸１に固定して工具ホルダ３を高剛性に支持する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、工作機械のスピンド
ル装置に係り、特に工具取付け部における工具取付け性
の改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば工具自動交換装置（ＡＴＣ）を備
えたマシニングセンタ（ＭＣ）などの工作機械では、図
６に示すように、スピンドル軸１の先端に工具取付け用
のテーパ穴２を有し、このテーパ穴２に工具ホルダ３の
テーパシャンク部４を嵌合させて所定の工具を装着する
ようにしている。この種のテーパシャンク部４の種類に
は、ＪＩＳ規格により定められているロングテーパを有
するＢＴタイプと、ＤＩＮ規格により定められているシ
ョートテーパタイプのものがある。図６はＢＴタイプの
例である。このものは工具ホルダ３がテーパシャンク部
４部分でのみスピンドル軸１に保持されており、剛性は
あまり高いとは言えず、テーパ穴２とテーパシャンク部
４との当たり具合も全面が正しい当たりとなるものでも
ないこともあって重切削が困難であり、また仕上げ切削
の場合にも良好な切削面が得られ難いという現象があっ
た。

【０００３】しかして、最近、このような問題を解決す
るべく図７に示すような新しいタイプのスピンドル装置
が提案されるに至った。これは、工具ホルダ３の保持を
テーパシャンク部４とテーパ穴２との当たりのみではな
く、工具ホルダ３の端面３ａとスピンドル軸１の端面１
ａとの間にも当たりをとってテーパ，端面両当たり方式
としたものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなテーパ，端面両当たり方式としたスピンドル軸の場
合は、テーパ面とこれに交叉する軸端面とを同時に接触
させることは実際問題として非常に困難である。その場
合、効果的な工具保持力を確保するために、テーパ穴２
とテーパシャンク部４とが当たった状態で、更に工具ホ
ルダ３の端面３ａとスピンドル軸１の端面１ａとの間の
すき間δの大きさを負にして予圧を与えなければなら
ず、しかもその大きさは２μｍ程度と極めて厳しい範囲
内でテーパ同士の当たりを管理する必要がある。ところ
が工具ホルダ３は工具の種類が異なる毎に交換されるた
め、多数の工具ホルダ３を使用することが必要で、それ
らの全ての工具ホルダ３についてスピンドル軸１とのす
き間を厳しく管理することはかなり難しいことから、工
具ホルダ３の互換性が良くないという未解決の問題点が
ある。

【０００５】そこでこの発明は、このような従来の問題
点に着目してなされたものであり、工具ホルダの端面と
スピンドル軸の端面との間のすき間を管理する必要がな
く、したがって工具ホルダの互換性に何らの問題はな
く、しかも高い保持剛性が得られるスピンドル装置を提
供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するこ
の発明は、軸端に工具取付け用のテーパ穴を有しかつ当
該軸端部外面を小径として外面に小径部と大径部を形成
したスピンドル軸と、該スピンドル軸のテーパ穴に嵌合
するテーパシャンク部を有しかつ該テーパシャンク部よ
り大径とされたフランジ部を有する工具ホルダと、前記
スピンドル軸の小径部と大径部にそれぞれ締め代をもっ
て嵌合すると共に小径部と大径部の接続部には外部に貫
通する流体通路を設けた固定用スリーブとを備え、該ス
リーブの流体通路に流体圧を加えることにより前記スリ
ーブを前記スピンドル軸に嵌合された工具ホルダのフラ
ンジ部に当接させ流体圧を除いて前記スリーブを前記ス
ピンドル軸に固定することにより前記工具ホルダを支持
するように構成したことを特徴とする。

【０００７】

【作用】スピンドル軸のテーパ穴に工具ホルダのテーパ
シャンク部を嵌合して当てた状態で、スピンドル軸の軸
端面と工具ホルダの端面との間にはすき間が介在してい
る。しかし、工具ホルダのテーパシャンク部より大径の
フランジ部はスピンドル軸に締め代を有して緊迫され固
定されたスリーブの端面に常に所定の押圧力により当接
されるので工具ホルダの支持剛性が大にでき、しかもそ
の支持が安定している。そのような安定した工具ホルダ
の支持は、スピンドル軸に嵌合させた段付きのスリーブ
の流体通路に流体圧を加えると、そのスリーブ内周面に
内圧が作用してスリーブの内外径が拡張され、軸端部の
締め代が開放される。と同時に、スリーブ内径面の段差
にも内圧が作用してスリーブは押し出され、その端面が
工具ホルダのフランジ面に所定の押圧力で押しつけられ
当接する。次に流体圧を除くと内圧が除去されて拡張し
たスリーブ内外径面はもとに戻りスピンドル軸端部に締
めつけられ固定される。

【０００８】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面を参照して説
明する。なお、従来と同一または相当部分には同一の符
号を付してある。先ず、構成を説明すると、図１は、こ
の発明の一実施例の縦断面図で、スピンドル装置のスピ
ンドル軸１は、複数個（図では４個）の玉軸受６と一個
のころ軸受７とを介してハウジング８内に回転自在に水
平に支承されている。ハウジング８は、軸受６，７の外
周を取巻く円筒体であって外側面に取付け用フランジ９
を有する外筒１０と、この外筒１０の前端面にボルトＢ
１で固着された前蓋１１および後端面にボルトＢ２で固
着された後蓋１２とで構成されている。

【０００９】Ｅはボアにスピンドル装置を取り付けた場
合、ボアの内面との間に螺旋状の通路を形成するもの
で、この螺旋状の通路は冷却流体を流通させスピンドル
装置を冷却するためのものである。前蓋１１は、複数個
の玉軸受６の外輪６ａを外間座１３を介してハウジング
８の内面に固定している。同玉軸受６の内輪６ｂは、内
間座１４を介して押さえリング１５によりスピンドル軸
１の外周面に固定されている。一方、後蓋１２はころ軸
受７の外輪７ａをハウジング８の内面に固定している。
同ころ軸受け７の内輪７ｂは、リング状の内輪押さえ蓋
１６を介してこの内輪押さえ蓋１６に当接させたプーリ
１７によりスピンドル軸１の外周面に固定されている。
プーリ１７はスピンドル軸１の外周面に締まりばめとさ
れて取り付けられている。Ｆはプーリ１７を着脱する場
合に嵌合面に圧力を加える流体圧供給口である。

【００１０】このようにして回転自在に支承されている
スピンドル軸１の軸端の中心には、工具取付け用のテー
パ穴２が形成されると共に、このテーパ穴２の奥からス
ピンドル軸後端に抜ける貫通孔１８がスピンドル軸１の
軸心部を通して形成されていて、この貫通孔１８に次に
述べる工具着脱機構が内設されている。テーパ穴２には
工具２１を保持する工具ホルダ３のテーパシャンク部４
が嵌合される。工具ホルダ３は、そのテーパシャンク部
４の根元にテーパシャンク部分より大径とされたフラン
ジ部３ｆが設けられている。また、テーパシャンク部４
の頂部には、小径の頸部２２ａと大径の頭部２２ｂから
なるプルスタッド２２が設けられており、スピンドル軸
心の貫通孔１８内に嵌入するようになっている。

【００１１】前記工具着脱機構は、貫通孔１８内に嵌入
された工具ホルダ３のプルスタッド２２を把持するため
の複数個のボール２３を円周等分に配してラジアル方向
に退避可能に保持したスリーブ２４を有し、このスリー
ブ２４を前後進駆動させる駆動用のドローバー２５が貫
通孔１８内を取って後端はスピンドル軸１から突き出し
ている。そのドローバー２５の後端は、図外のピストン
により押圧駆動されるようになっている。そして、前記
ピストンによりドローバー２５の押圧を解除すると、ド
ローバー２５は皿ばね２６によって後退するのでスリー
ブ２４も後退する。このときボール２３は貫通孔１８の
比較的大径のスペース１８ａからより小径のスペース１
８ｂに移動しつつ孔内周面に押されてスリーブ２４の内
径側に突出し、工具ホルダ３のプルスタッド２２の頭部
２２ｂに係止する。また、ピストンを駆動しスリーブ２
４を前進させるとボール２３は貫通孔１８の大径のスペ
ース１８ａ内に移動し、内径の拡大により退避可能とな
ってスリーブ２４の内径面から引っ込むようにされ、こ
れにより工具ホルダ３の抜き出しが可能となる。貫通孔
１８内部のドローバー２５の外周には多数の皿ばね２６
が装着されて、ドローバー２５を常時後端方向に強く付
勢している。なお、２７は皿ばね２６の押さえリング、
２８はその押さえリング２７をスピンドル軸１に固定す
る止めナット、２９は工具ホルダ３とスピンドル軸１の
回転方向の位置決めをするドライブキーであり、ボルト
Ｂ３でスピンドル軸端面１ａに固定して取り付けられて
いる。

【００１２】図２に拡大して示すように、スピンドル軸
１の軸端（テーパ穴２を有する側）部外面は小径とし
て、その小径部３０とこれに続く大径部３１との接続部
分に高さｈの段差３２が形成されている。そして、その
スピンドル軸１の外面には、スピンドル軸の小径部３０
と大径部３１とに対してそれぞれ締め代をもつスリーブ
３３（以下固定用スリーブという）が嵌合されている。
固定用スリーブ３３の当該締め代は、スピンドル軸１の
端部に嵌合された固定用スリーブ３３をしっかりと締め
付けて保持するためのものである。この締め代は、工具
ホルダ３を支持する力が加工時に加わる力に充分に対抗
できる大きさとすることが必要であり、実験的に定めら
れる。

【００１３】固定用スリーブ３３の内周面には、前記ス
ピンドル軸外面の段差３２の位置に環状凹部からなる流
体通路３４が形成され、この流体通路３４は流体圧供給
配管の接続部３５により外部に連通している。また、固
定用スリーブ３３の先端面３３ａはスピンドル軸１の軸
端面１ａより長さδ（例えば0.5 〜1 ｍｍ程度であって
良い）だけ突出させてある。一方、固定用スリーブ３３
の後端面３３ｂは凹凸の階段形状とされ、異物の侵入を
防ぐラビリンス構造のすき間３６を介してハウジング８
の前蓋１１に非接触で対向している。

【００１４】ここで、前記スピンドル軸端部の外面の段
差３２の高さｈは、固定用スリーブ３３の内径の段差で
もあり、その段差を利用して流体圧で固定用スリーブ３
３を前進せしめてスピンドル軸１に嵌合された工具ホル
ダ３の端面に当接させるべく機能させるものである。そ
のスリーブ前進力は、段差３２の前後における固定用ス
リーブ３３の内径断面積の差の大きさと流体圧との積で
定まることから、前記段差の高さｈは所要流体圧の設定
値との関連して定められる。

【００１５】なお、上記流体圧供給配管の接続部３５
は、例えば図３に示すようなシール４０を取り付けた接
続継手４１ができるだけ少ない動作で、しかも流体圧で
抜けないように装着できる構造とする必要がある。具体
的には図１，２に示すようなストレートネジ構造が最も
一般的であるが、ＡＴＣで工具交換を行うものではその
交換スピードに対応して殆どワンタッチで自動着脱可能
な継手構造とするのが望ましい。その場合、例えば図３
のように半回転以内で締まる粗い台形ねじとか角ねじ等
の雄ねじ４２と雌ねじ４３とで構成することが考えられ
るが、その他ねじ方式以外の公知の着脱手段を用いても
良い。

【００１６】以上のように構成されたスピンドル装置
は、そのハウジング８のフランジ９を介して工作機械の
スピンドル取付け機台に取付けられる。スピンドル軸１
の後端のプーリ１７は図外の駆動モータの出力軸のプー
リとベルトにより連結される。次に作用を説明する。工
具ホルダ３をスピンドル軸１の軸端に装着する際は、工
具着脱機構のドローバー２５を図外のピストンの駆動で
皿ばね２６の弾性に抗して前進させておく。その状態
で、ＡＴＣで運ばれてくる工具ホルダ３のテーパシャン
ク部４をスピンドル軸１のテーパ穴２に挿入する。工具
ホルダ３のフランジ部が固定用スリーブ３３に近接した
位置となったとき、固定用スリーブ３３の配管接続部３
５に図外の油圧供給装置からの配管の接続継手４１を接
続して、流体通路３４に油圧Ｐを供給する。その油圧力
により、固定用スリーブ３３の内径面にラジアル方向の
力が作用して固定用スリーブ３３の内径が拡張され、固
定用スリーブ３３のスピンドル軸１に対する締め代が開
放される。それと同時に、スピンドル軸の外面の段差３
２に対応した固定用スリーブ３３内面の段差面には内径
断面積の差に応じたスラスト方向の力が作用して固定用
スリーブ３３が前進する結果、固定用スリーブ３３の先
端面３３ａが工具ホルダ３のフランジ部３ｆの端面に当
てられて密着する。この状態でさらに工具ホルダ３を押
し込む。そして、工具ホルダ３のテーパシャンク部４を
テーパ穴２に嵌合させ、テーパシャンク部４の頂部のプ
ルスタッド２２を工具着脱機構の先端のスリーブ２４内
に嵌入する。そのとき図外のピストンの駆動を開放する
と、ドローバー２５が後退し、スリーブ２４が貫通孔１
８の大径スペース１８ａから小径のスペース１８ｂに移
動すると共にスリーブのボール２３が小径のスペース１
８ｂの内周面に押されてスリーブ２４の内側に突き出
し、工具ホルダのプルスタッド２２の頭部２２ｂの根元
を引っ張り込むことにより、工具ホルダ３を保持する。
ドローバー２５は多数の皿ばね２６の強い弾性力で後方
に向けて弾圧付勢されているから、これに引っ張られて
工具ホルダ３のテーパシャンク部４の傾斜面がテーパ穴
２の内面に密着される。

【００１７】その後、流体圧を抜き固定用スリーブ３３
の内面に加えた流体圧を除去することにより、固定用ス
リーブ３３の内径が縮小されてスピンドル軸１の外面を
締め付ける。このとき流体圧を抜くはやさを変えると固
定用スリーブ３３が工具ホルダ３のフランジ部３ｆを押
圧する力を変化させることができるので、流体圧を抜く
早さは 実験により定めた適当な早さを選ぶ。

【００１８】このとき、固定用スリーブ３３の先端面は
工具ホルダ３のフランジ部３ｆの端面に密着したままで
あるが、フランジ部３ｆの端面とスピンドル軸１の軸端
面１ａとの間にはすき間δが介在している。装着されて
いる工具ホルダ３をスピンドル軸１から脱着する場合
は、油圧を負荷する必要はなくて、従来通り単に工具着
脱機構のドローバー２５を前進駆動させることにより、
テーパ穴２とテーパシャンク部４との嵌合及びボール２
３によるプルスタッド２２の把持を解除してやればよ
い。

【００１９】かくして、この実施例によれば、スピンド
ル軸１の軸端に工具ホルダ３を自動装着可能であり、工
具ホルダ３はテーパ面と固定用スリーブ面との両当たり
を以て極めて高い剛性で安定した保持をすることができ
ると共に、切削等の加工剛性も従来のＢＴタイプ工具ホ
ルダに比べて高くなってより高負荷の重加工や精密な仕
上げ加工が簡単な構造ででき、しかも工具ホルダ３のフ
ランジの取付け端面とスピンドル軸１の軸端面との間に
は0.5 〜1 ｍｍ程度のすき間δがあっても固定用スリー
ブ３３が工具ホルダ３のフランジの位置に合うように固
定されるために、多種にわたる工具ホルダ３の取付け部
の寸法差をも十分に吸収することができて従来問題であ
った工具の互換性の点も解決することができる。

【００２０】図５は上記実施例の変形例で、固定用スリ
ーブ３３の流体通路３４に油圧を供給した場合に、その
油圧力により作用するスラスト方向の力で固定用スリー
ブ３３がスピンドル軸１から抜けてしまわないように、
固定用スリーブ３３の根元部分の外径面の段部３３ｄと
係止させる係合突起３３ｔを内周面に形成したリング状
の抜け落ち防止ストッパＳＴを、前蓋１１の前面にボル
ト止めしたものである。

【００２１】なお、上記実施例では、ＢＴタイプ工具ホ
ルダの場合について説明したが、これに限らず、ＤＩＮ
式のショートテーパタイプの工具ホルダ３Ａについても
同様に適用可能である（図４参照）。また、スピンドル
軸１の先端の工具ホルダ取付け構造以外の部分の構造に
ついても、実施例に限定するものではなく、他の公知の
類似構造を任意に適用して良い。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、軸端に工具取付け用のテーパ穴を有しかつ軸端部外
面に順に小径部と大径部を形成したスピンドル軸と、そ
のスピンドル軸のテーパ穴に嵌合するテーパシャンク部
を有してテーパシャンク部より大径とされたフランジ部
を有する工具ホルダと、スピンドル軸の小径部と大径部
にそれぞれ締め代をもって嵌合すると共に小径部と大径
部の接続部には外部に貫通する流体通路を設けたスリー
ブとを備え、そのスリーブの流体通路に流体圧を加えて
スリーブをスピンドル軸に嵌合された工具ホルダのフラ
ンジ部に当接させ、流体圧を除いてスリーブをスピンド
ル軸に固定することにより工具ホルダを支持する構成と
したため、スピンドル軸の軸端に装着される工具ホルダ
のフランジ部とスピンドル軸の軸端とのすき間の寸法差
を吸収して多種の工具ホルダのフランジ部が固定用スリ
ーブにより安定した支持ができるから工具の互換性も極
めて良好になり、そして両当たり構造の高い剛性で工具
ホルダを保持して安定した重切削等の高負荷加工も可能
となり、また安定した高精度の仕上げ加工も可能となる
という効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のスピンドル装置の一実施例の縦断面図
である。

【図２】図１における工具取付け部分の拡大図である。

【図３】流体圧供給配管接続構造の一例を説明する断面
図である。

【図４】本発明をＤＩＮ式のショートテーパタイプの工
具ホルダに適用した例を示す拡大断面図である。

【図５】図１に示したものの工具取付け部分の変形例の
拡大図である。

【図６】従来のスピンドル装置における工具取付け部分
の一例の拡大図である。

【図７】従来のスピンドル装置における工具取付け部分
の他の例の拡大図である。

【符号の説明】

１ スピンドル軸 ２ テーパ穴 ３ 工具ホルダ ３ｆ フランジ部 ４ テーパシャンク部 ３０ 小径部 ３１ 大径部 ３３ 固定用スリーブ ３４ 流体通路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松岡 雅樹 群馬県前橋市大利根町１−34−１ (72)発明者 西井 幸司 奈良県吉野郡大淀町173

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 軸端に工具取付け用のテーパ穴を有しか
   つ当該軸端部外面を小径として外面に小径部と大径部を
   形成したスピンドル軸と、該スピンドル軸のテーパ穴に
   嵌合するテーパシャンク部を有しかつ該テーパシャンク
   部より大径とされたフランジ部を有する工具ホルダと、
   前記スピンドル軸の小径部と大径部にそれぞれ締め代を
   もって嵌合すると共に小径部と大径部の接続部には外部
   に貫通する流体通路を設けた固定用スリーブとを備え、
   該スリーブの流体通路に流体圧を加えることにより前記
   スリーブを前記スピンドル軸に嵌合された工具ホルダの
   フランジ部に当接させ流体圧を除いて前記スリーブを前
   記スピンドル軸に固定することにより前記工具ホルダを
   支持するように構成したことを特徴とするスピンドル装
   置。