JPH0746404Y2 - 軸結合装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本考案は、工作機械の主軸に工具駆動軸を着脱可能に結
合する場合（例えば工具クランプ装置）のように、駆動
軸等の結合軸部材と、被動軸等の被結合軸部材とを同軸
上に着脱可能に結合する場合の軸結合装置に関する。

（従来の技術） 例えば工作機械の主軸に、切削工具を取付けた工具駆動
軸を着脱可能に結合する場合に、工具駆動軸に設けたテ
ーパシャンク部を主軸端面に穿設した取付けテーパ孔に
嵌合し、シャンク部に設けたプルスタッドを工作機械側
のクランプ爪で内側に引き込むなどのクランプ装置で両
者を結合するようになっている。

また一般的には所謂公知の軸継手を用いて上記両軸部材
を着脱可能に結合するようになっている。

（問題点） 上記従来の結合構造では主軸の取付け孔に対する工具駆
動軸のシャンク部の嵌合繰り返しによる交換精度を高精
度に維持することが困難であり、サブミクロン単位の高
精度の加工を繰り返し継続して行うことができなかっ
た。また工作機械側のクランプ装置（クランプ用のドロ
ーボルトや皿バネなどの複雑な構成部材よりなってい
る）は主軸内に設けられているため、高速回転すると主
軸の回転にアンバランスが発生し、この面からも加工精
度の向上を期することができなかった。

更に公知の軸継手で両軸部材を結合するものにあって厳
密に同軸上に結合することは不可能であった。

本考案は上記従来の問題点に鑑み、これらの問題点を解
消して、高精度、高剛性の着脱可能な軸結合装置を提供
することを目的とする。

（問題点を解決するための手段） 本考案は、上記問題点を解決するために、熱膨脹率の低
い結合軸部材と、これより熱膨脹率の高い被結合軸部材
とを有し、結合軸部材の端面中央の凸状体を形成すると
共に、被結合軸部材の端面に前記凸状体に焼ばめ状態に
密着嵌合する凹状体を形成し、両軸部材の軸中心部に両
軸部材に亘って貫通する冷却液導通路を開設すると共
に、前記凸状部の先端面とこれに対応する凹状体底面と
を耐熱性シール材によって液密結合できるようにし、一
方前記凹状体の形成される軸部材を加熱および冷却する
手段を設けてなる構成を採用するものである。

（作用） 熱膨脹率の低い結合軸部材の凸状体に、これより熱膨脹
率の高い被結合軸部材の凹状体を嵌合する前に、被結合
軸部材を加熱雰囲気下において熱膨脹せしめ、これによ
って凹状体の内径が拡大するから、この拡径した凹状体
を結合軸部材の凸状体に嵌合し、嵌合が完了すると加熱
雰囲気下から冷却雰囲気下に切換えて被結合軸部材を冷
却することによって凹状体の内径が収縮し、両軸部材は
焼ばめ状態に結合する。

上記冷却の際に、被結合軸部材の外周側から冷却水や冷
却エアを被結合軸部材に向かって噴射すると同時に、被
結合軸部材の内部側からも冷却することが好ましい。こ
のためには、両軸部材の軸中心部には両軸部材に亘る冷
却液通路が形成され、上記両軸部材の結合時の冷却を該
通路への冷却液の導通によっても行うことが実用的であ
る。

ところで、上記凸状体と凹状体のような凹凸嵌合におい
ては、一般的に嵌合余裕を持たせるために嵌合状態の凸
部端面と凹部底面との間に袋状の余剰空間を設けるが、
この空間が上記の冷却液導通路に連通することから、上
述した両軸部材の結合において嵌合後の冷却時に該導通
路に冷却液を導入した場合に、余剰空間に入り込む冷却
液によって被結合軸部材は凹状体の内奥側ほど熱交換効
率が高くなって早く冷却し、この冷却に伴う収縮によっ
て凸状体の先端側と凹状体の内奥側とが先に圧接固定す
ることになる。一方、被結合軸部材の収縮は当然に径方
向と共に軸方向にも生じるため、凹状体の周壁も軸方向
に収縮しようとするが、上述のように内奥側が先に凸状
体の先端側に圧接固定されることから、該軸方向の収縮
が両軸部材の対向端面の解離方向のみに進行して該端面
間に隙間を生じるとこになる。

しかるに、本考案では凸状体の先端面と凹状体底面とが
シール材によって液密結合されるため、上記余剰空間の
周縁側に冷却液が侵入せず、もって凹状体と凸状体の嵌
合部における内奥側の収縮先行が防止されると共に、特
に冷却液を結合軸部材側から被結合軸部材側へと流すこ
とにより、前記とは逆に凹状体の入口側の冷却を早め、
該入口側での収縮による圧接固定を先行させて両軸部材
の対向端面の密接状態を維持させることが可能となる。
従って、本考案によると、両軸部材は、嵌合部分の遊動
間隙ならびに対向端面間に間隙を有さず、剛体的に強固
に一体化して、しかも径方向の偏位誤差のない高精度の
結合状態となる。

両軸部材の互いの結合状態を解放するためには、被結合
軸部材を再び加熱雰囲気下におけばよい。これによって
被結合軸部材は再び熱膨脹するが、凹状体側が凸状体側
に比べて熱膨脹率が高いため凹状体の内径が凸状体の外
径に比べて大きく拡大し、これにより凹状体の凸状体に
対する掴持状態を開放することになり、両軸部材を互い
に離反させることができる。

第１図は本考案の軸結合部材を工作機械の主軸と、工具
駆動軸との結合に採用した実施例を示すもので、１は工
作機械本体７に回転自在に支持された結合軸部材たる主
軸で、その端面５の中央に丸軸状の凸状部３が同軸上に
一体形成されると共に、軸中心に該凸状体３の先端面2a
に開口する冷却液導通路12が穿設され、更に第４図
（Ａ），（Ｂ）にも示すように凸状体３の先端面3aの取
付溝3bにＯリングからなる耐熱性シール材14が上記導通
路12の開口部を取り囲むようにして嵌着される。

２は上記主軸１に着脱自在に装着される被結合軸部材た
る工具駆動軸であり、研削砥石、ドリル等各種作業工具
あるいは作業工具を保持するツールホルダー８の支持軸
となっている。そしてその端面６に円形の凹状部４が同
軸上に穿設されると共に、軸中心に作業工具８の冷却液
放出孔8aに連通する冷却液導通路13が穿設されている。

９は電熱ヒータ等を組み込んだ高速加熱装置、10は冷却
エアー又は冷却水を噴射する高速冷却装置で、両装置9,
10は、工作機械本体７の側に固着して突設したリング状
のブラケット11に取り付けられる。

そして本考案の特徴とする一つは、凸状体３の形成され
る軸部材、即ち第１図に示す実施例にあって主軸１が、
凹状部４の形成される軸部材、即ち工具駆動軸２に比べ
て熱膨脹率の低い材料で形成されていることである。

また主軸１の先端の凸状部３の外径は室温下（25℃）で
工具駆動軸２の凹状部４の内径よりも僅かに大きくなる
ように適宜設定される。

しかして、例えば工具駆動軸２が鉄鋼（線膨脹係数10.5
〜11.6×10^-6）製である場合、主軸１に用いる好適な低
熱膨脹率の材料としては、アンバー（Inver…Ni36,C0.3
〜0.5,残Fe、線膨脹係数1.2×10^-6）、超アンバー（Sup
er Inver…Ni30〜32.5,Co4〜6,残Fe、線熱膨脹係数0.1
×10^-6）等のFe-Ni系合金あるいはセラミックスが挙げ
られる。また、例えば主軸１の材料としてアンバー、工
具駆動軸２の材料として硬鋼（線熱膨脹係数11×10^-6）
を使用し、且つ両軸1,2の外径を20〜30mmとしたとき、
駆動軸２の100℃の加熱状態において凸状部３と凹状部
４との間隙ｔ（第４図Ａ）が0.02mm前後となるように設
定するのがよい。

次に両軸の結合手順を説明すると、周知の搬送アームに
よって工具駆動軸２を主軸１の先端近傍の変換位置まで
移動し、この位置で高速加熱装置９により工具駆動軸２
の凹状部４外周を加熱すると、熱膨脹によって凹状部４
の内径が拡大し、主軸１の凸状部３に嵌合可能となるの
で、凹状部４を凸状部３に嵌合させる。

嵌合が完了すると、高速加熱装置９による加熱を停止
し、高速冷却装置10で外周側から凹状部４附近を冷却す
ると共に、主軸１と工具駆動軸２の中心部を貫通する導
通路12,13に冷却水を供給することにより内部側から凹
状部４を冷却する。

この冷却に伴う収縮によって両軸1,2は焼ばめ状態に密
着嵌合して高精度に結合されることになる。しかしてこ
の状態で研削等の加工作業を行うことになる。

次に加工作業が終わって工具駆動軸２を主軸１から取外
すには、再び高速加熱装置９によって工具駆動軸２の凹
状部４附近を加熱する。この加熱によって工具駆動軸２
の熱膨脹率が主軸１のそれよりも高いから、凹状部４の
内径が凸状部３の外径より大となって迅速容易に脱抜す
ることができる。

前記実施例は主軸及び工具駆動軸をそれぞれ熱膨脹率の
低い材料及びそれよりも熱膨脹率の高い材料で製作する
ようになっているが、第２図に示すように主軸１及び工
具駆動軸２に、またはそのいずれか一方側に熱膨脹率の
低い材料および・または熱膨脹率の高い凸状部材3A及び
凹状部材4Aを固着し、これに前述のシール材14を取付け
るようにしてもよい。

なおまた凸状体は先細テーパ状に形成され、凹状体は先
細テーパ状の凸状体が適嵌合するテーパ状に形成されて
もよい。このように凸状体及び凹状体をテーパ嵌合構造
にすることによって嵌合作業が容易であり、またテーパ
嵌合によって両者の嵌合部は互いに密着するから嵌合後
の収縮代が全て締め付け代となり、より強固な焼ばめ結
果が得られることになる。因みに、ストレート嵌合では
両者の嵌合部には遊動間隙があるから、焼ばめによって
両者を結合するためには、前記遊動間隙を吸収し、なお
且つ両者を結合するための締め付け代を必要とするか
ら、それだけ収縮代を多く必要とする。

また前記高速加熱装置９として第３図に示す高周波誘導
加熱装置９′を採用することが好ましい。この高周波誘
導加熱によれば被加熱体への局部加熱が容易であり、し
たがって軸部材の凹状部附近のみの加熱が可能であり、
加熱効率が高いという長所がある。なお第３図に示すよ
うに加熱コイル9aは銅管等によって形成され、内部に冷
却水が強制的に通水するようにして高速加熱後の冷却時
間を可及的に短くすることが好ましい。

本考案の特徴とする他の一つは、前述のように前記凸状
体３の先端面3aと凹状体４の底面4aとの間にシール材14
を冷却液導通路12,13の開口端を囲むようにして介装し
たことである。

即ち第４図（Ａ）のように主軸１の凸状体３に、拡大し
た凹状体３をそれぞれの端面5,6を密接するように嵌合
することにより、凸状体３の先端面3aと凹状体４の底面
4aとの間がシール材14によって液密に接合され、この状
態で両軸1,2に亘って連通する冷却液導通路12,13に冷却
液を導通させて冷却する。

この冷却に伴う収縮により、第４図（Ｂ）の如く、凹状
体４が縮径して凸状体３に全周で圧接するが、凹状体４
の内奥側ではシール材14によって余剰空間15の周縁部へ
の冷却水の浸入がなく冷却収縮は早まらず、逆に入口側
では上流側で液温の低い冷却液との熱交換によって冷却
収縮が早くなるため、上記圧接は入口側から進行するこ
とになる。従って、凹状体４の周壁は軸方向にも収縮す
るが、冷却初期に凹状体４の入口側と凸状体３の基部側
が圧接固定されているため、該軸方向の収縮にて工具駆
動軸２が主軸１に引き付けられ、両軸1,2の端面５と６
との密接状態を維持したままシール材14における圧接が
強化され、両軸1,2は剛体的に強固に一体化して結合さ
れることになる。

しかるに、第５図（Ａ），（Ｂ）の従来例のように、主
軸１′の凸状体３′の先端面３′ａにシール材を取付け
ない構成では、上記実施例同様に駆動軸２′の熱膨脹下
での嵌合時に両端面５′,6′を同図（Ａ）の如く密接さ
せても、次の冷却段階で冷却液液通路に冷却液を通す
と、同図（Ｂ）の如く凸状体３′の先端面３′ａと凹状
体４′の底面４′ａとの間の余剰空間15に冷却液が流通
するため、凹状体４の内奥側の冷却が早くなり、該内奥
側が先に縮径して凸状体３に圧接固着し、凹状体４の周
壁が軸方向に収縮するのに伴って両端面５′,6′間に間
隙Ｓを生じることになり、主軸１′と駆動軸２′とが剛
体的な結合状態にならず、結合強度および結合精度が不
充分となり、高負荷加工に支障を生じると共に芯振れ等
にて加工精度も悪くなる。

なお、本考案は、例示した工作機械の回転主軸と工具駆
動軸との結合に限らず、様々な結合軸部材と被結合軸部
材との同軸上の着脱可能な結合に適用可能である。

（考案特有の効果） 本考案の軸結合装置によれば、同軸上に連結させる結合
軸部材と被結合軸部材の熱膨脹率の差を利用することに
より、格別な固定機構や把持機構を全く必要とせず、加
熱および冷却操作のみで両軸部材の連結および離反を容
易且つ確実に行うことができてシンプルな構造とするこ
とができ、しかも両軸部材は相互の嵌合部および端面間
に隙間がなく剛体的に強固で且つ偏位誤差のない高精度
な結合状態が得られる。

また結合軸部材とこれに結合される被結合軸部材との間
の結合力の低下が少ないので、両軸部材の高速回転及び
両軸部材に対する高負荷が可能である。

また主軸と工具駆動軸との結合装置として用いられる場
合には、主軸の定位置停止（オリエンテーション）を必
要としないので主軸側の制御が容易である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の一実施例を示す縦断正面図、第２図は
同他の実施例を示す要部縦断正面図、第３図は同他の実
施例の要部を示す斜視図、第４図（Ａ），（Ｂ）は本考
案の作用を説明するための説明図、第５図（Ａ），
（Ｂ）は従来技術の作用を説明する説明図である。 １……結合軸部材（主軸）、２……被結合軸部材（工具
駆動軸）、3,3′……凸状部（体）、4,4′……凹状部
（体）、５……結合軸部材側端面、６……被結合軸部材
側端面、9,9′……高速加熱装置、10……高速冷却装
置、12,13……冷却液導通路、14……シール材。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 山口 義則 奈良県大和郡山市北郡山町106番地 株式 会社森精機製作所内 (72)考案者 志野 憲太郎 奈良県大和郡山市北郡山町106番地 株式 会社森精機製作所内 (72)考案者 稲田 清司 奈良県大和郡山市北郡山町106番地 株式 会社森精機製作所内 (56)参考文献 特開 平３−208506（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】熱膨脹率の低い結合軸部材と、これより熱
   膨脹率の高い被結合軸部材とを有し、結合軸部材の端面
   中央に凸状体を形成すると共に、被結合軸部材の端面に
   前記凸状体に焼ばめ状態に密着嵌合する凹状体を形成
   し、両軸部材の軸中心部に両軸部材に亘って貫通する冷
   却液導通路を開設すると共に、前記凸状部の先端面とこ
   れに対応する凹状体底面とを耐熱性シール材によって液
   密結合できるようにし、一方前記凹状体の形成される軸
   部材を加熱および冷却する手段を設けてなる軸結合装
   置。