JPH08257804A

JPH08257804A - 工作機械の主軸

Info

Publication number: JPH08257804A
Application number: JP6427295A
Authority: JP
Inventors: Mikiyoshi Miyauchi; 内幹由宮; Yasushi Fukase; 瀬泰志深
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 1995-03-23
Filing date: 1995-03-23
Publication date: 1996-10-08

Abstract

(57)【要約】【目的】インバー合金の欠点である耐磨耗性を補うこ
とができ、しかも低コストで耐磨耗性を改良する。【構成】インバー合金を材質とする主軸本体部２と、
工具装着部３ａを含み、表面に耐磨耗処理層が形成され
た鋼を材質とする主軸先端部３とからなり、主軸本体部
２と、主軸先端部３とが一体に冶金的に接合される。

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係り、
特に、インバー合金を材質とする主軸において、耐摩耗
性の向上を図った工作機械の主軸に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属材料その他セラミックス等の硬脆材
料の加工に際し、苛酷な条件下で使用される主軸には、
その材料としては、高剛性の材料である構造用鋼や合金
鋼が使用されている。この構造用鋼、合金鋼は、ヤング
率の大きなことに加えて加工が容易であり、また、表面
処理により表面の硬度や耐摩耗性を高めることが可能で
あり、さらに経済性の面で適当であるからである。

【０００３】一方、工作機械の主軸では、運転中に主軸
軸受で生じる発熱によって、軸方向に熱変位し、これが
主軸位置精度の不安定化、ひいては加工精度の低下の要
因となることが指摘されている。例えば、主軸の長さが
２メートルであるとすれば、１０℃の温度変化がある
と、２．２〜３．２×１０^-1ｍｍの寸法変化が生じるこ
とがある。この変形は、加工精度の向上を達成する上で
重大な障害となり、このため、主軸を冷却したり熱変位
を補正する方法を採ったりするほか、主軸材料に低熱膨
張材料を用いることが試みられている。この種の従来技
術としては、例えば、特開平２−２４００１号公報に示
されているように、主軸材料として、インバー合金等の
低熱膨張材料を適用した主軸が知られている。この特開
平２−２４００１号公報に開示されている主軸は、主軸
本体はインバー合金などで構成し、モータのロータ軸を
ロータの熱膨張係数に近い値の熱膨張係数の材料で形成
したものである。

【０００４】主軸材料に適用される低熱膨張材料として
代表的なインバー合金は、熱膨張係数が１〜４×１０^-6
／℃と熱膨張係数が１１〜１６×１０^-6／℃である鋼材
に比較して非常に小さい特徴があるため、熱変位対策と
しては有効である反面、インバー合金は、硬さという点
では最高でもＨＲＣ３５程度であるため、ツールホルダ
のシャンクを挿着する主軸装着部のテーパ面部では、短
時間に摩耗が発生し、耐久性に問題がある。

【０００５】そこで、インバー合金材料の場合、浸炭処
理や窒化処理を施したり、あるいは複合材料で表面を被
覆する等、種々の表面改質が検討されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、浸炭処
理あるいは窒化処理により耐摩耗性を改良する場合、イ
ンバー合金では、その組織がオーステナイト組織である
ため、浸炭層、窒化層が１０〜１５μｍ程度の非常に浅
い層になってしまうという性質がある。従って、表面処
理の後で、仕上げ加工を施した段階では、表面硬化層は
さらに浅くなる。このため、事実上、耐摩耗性機能が極
端に低下してしまうという不具合がある。

【０００７】また、硬質粒子とマトリックス合金として
の金属とを用いた複合材料でインバー合金製の主軸を被
覆する場合、その被覆処理をする工程では、約１０００
℃以上の高温、かつ真空雰囲気が必要となる。しかし、
一般には、主軸は形状が大きいため、複合材料の被覆処
理に必要となる装置がすべて大型化し、製造コストが高
騰するので、実用的でないという問題がある。

【０００８】そこで、本発明は、前記従来技術が有する
問題点を解消し、インバー合金の特徴である低熱膨張性
を低下させることなく、インバー合金の欠点である耐摩
耗性を補うことができ、しかも安価に耐摩耗性を改良で
きる工作機械の主軸を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
本発明は、インバー合金を材質とする主軸本体部と、工
具装着部を含み、すくなくとも工具装着部の表面に耐摩
耗処理層が形成された鋼を材質とする主軸先端部とが一
体に冶金的に接合されていることを特徴とするものであ
る。

【００１０】本発明は、また、工具装着部表面の耐摩耗
処理層は、浸炭層または窒化層、あるいは炭化物硬質粒
子とマトリックス合金としてＮｉ基合金、Ｃｏ基合金、
Ｆｅ基合金のうちの少なくとも１種類とを含有する複合
合金被覆層であることを特徴とする。

【００１１】さらに、本発明では、主軸本体部と主軸先
端部とは、高周波溶接、電子ビーム溶接、摩擦圧接など
により、接合部近傍のみ加熱し、他の部位は冷却して接
合されている。

【００１２】この場合、主軸本体部と、主軸先端部との
接合面の間では両母材よりも低融点の金属を溶融し接合
されていることが好ましい。

【００１３】

【作用】本発明においては、主軸が、インバー合金を材
質とする主軸本体部と、工具装着部を含む鋼製の主軸先
端部とから構成され、主軸先端部は鋼を材質とするの
で、工具装着部の表面に充分な耐摩耗性処理が可能とな
る。従って、インバー合金の欠点である低摩耗性を補っ
て、本来のインバー合金の特徴である低熱膨張性を生か
すことができる。

【００１４】工具装着部には、一般に、鋼材（ＳＣＭ４
１５、浸炭焼入れ）製の工具保持具が装着される。工具
を装着した状態での主軸端での熱変位は、主軸本体部が
インバー合金材で熱変位が小さいことから、工具の熱変
位の影響の方が大きくなる。このため、主軸先端部に鋼
材を用いても、熱変位については全体をインバー合金と
した主軸とほとんど変らず、精度上問題となることも少
ない。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の一実施例について、添付の図
面を参照して説明す。図１は、発明の一実施例に係る横
中ぐり盤の主軸を示すもので、この主軸１は、主軸本体
部２と、ツールホルダなどの工具保持具の挿着される工
具装着部を含む主軸先端部３とから構成されているもの
である。

【００１６】前記主軸本体部２は、熱膨張係数の低いイ
ンバー合金（商品名Ｋ−ＥＬ５２東北特殊鋼製）を材質
とするもので、これに対して、前記主軸先端部３は、鋼
材、好ましくは、構造用合金鋼ＳＡＣＭ６４５を材質と
しているものである。この主軸先端部３の外周面および
ツールホルダのシャンクが挿入されるテーパ穴３ａの内
周面には、耐摩耗処理層５、６が形成されている。

【００１７】耐摩耗処理層５、６は、表面に浸炭処理ま
たは窒化処理を施すことによつて形成されるものであ
る。主軸先端部３の材質である構造用合金鋼では、これ
らの処理が容易であるため、耐摩耗処理層５、６によ
り、直接、ツールホルダと接触する部分に充分な耐摩耗
性を安価に付与することができるようになっている。

【００１８】このような主軸本体部２と主軸先端部３と
は、例えばＮｉ−Ｐ合金のメッキ層を高周波誘導加熱に
より溶融し、冶金的に接合されるようになっている。

【００１９】次に、前記主軸１を製造する工程について
説明する。主軸先端部３については、まず、構造用合金
鋼ＳＡＣＭ６４５の材料を、仕上加工分を残して、図１
に示す、テーパ穴３ａを有する形状に切削加工する。そ
の後、外周面およびテーパ穴３ａの内周面に耐摩耗処理
層５、６を形成するため、ガス窒化処理を施す。

【００２０】主軸本体部２については、高強度インバー
合金の材料を時効処理して、その硬度をＨＲＣ３５とし
たものを、仕上加工分を残して図１に示す形状に切削加
工する。

【００２１】次いで、主軸先端部３の接合側端面に、主
軸本体部２、主軸先端部３の母材の融点よりも低い８０
０℃で溶融可能なＮｉ−Ｐ合金を無電解メッキする。形
成するメッキ層の厚さは、長さ２０００ｍｍの主軸の場
合、２０μｍ程度である。

【００２２】次いで、主軸先端部３と主軸本体部２とを
接触させた状態でクランプするようにして、高周波誘導
加熱炉に入れてメッキ層のＮｉ−Ｐ合金が溶融する温度
まで昇温させる。高周波誘導加熱炉では、加熱する間、
接合部４以外の部分をＡｒガスを流して冷却する。この
とき、接合部４もＡｒガス雰囲気となり、酸化を防ぐこ
とができるとともに、接合部４以外は冷却状態となり、
加熱による寸法変化を抑えることができる。加熱時間は
３分間程度である。メッキ層のＮｉ−Ｐ合金が溶融する
と、その成分であるＰが主軸先端部３のＳＡＣＭ６４５
母材および主軸本体部２の高強度インバー母材の金属組
織中にそれぞれ拡散していき、主軸本体部部２、主軸先
端部３は強固に接合される。

【００２３】このようなＮｉ−Ｐ合金層の加熱溶融によ
る接合では、主軸本体部２、主軸先端部３の両母材とも
溶融しないように、両母材の融点よりも低い融点のイン
サート材が選択されているため、脆弱な析出層は発生し
ない。このＮｉ−Ｐ合金のようなインサート材は、良好
な接合強度が得られる。なお、接合部４近傍の窒化層５
は、加熱温度が低く加熱時間も短いので、ほとんど影響
を受けない。

【００２４】こうして接合した後は、仕上加工して主軸
１を完成することができる。

【００２５】この主軸１を横中ぐり盤に組付け、重切削
を行なったところ、主軸先端部３のテーパ穴３ａのテー
パ面にはツールホルダとの接触による摩耗に対して十分
な耐久性が確認できた。また主軸１の熱変位は、回転数
１５００ｒｐｍで５μｍと非常に小さく良好であった。

【００２６】なお、以上の説明においては、耐摩耗処理
層５、６を、窒化処理により得る場合について説明した
が、浸炭処理により得るようにしてもよく、また炭化物
硬質粒子とマトリックス合金としてＮｉ基合金、Ｃｏ基
合金、Ｆｅ基合金のうちの少なくとも１種類とを含有す
る複合合金で被覆することにより得るようにしてもよ
い。

【００２７】また、接合部４の接合方法も、高周波誘導
加熱に限らず、電子ビーム溶接や摩耗圧接などの方法も
同様に適用可能であり、同様の効果を期待することがで
きる。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、主
軸の熱変位を減少させる目的で用いられるインバー合金
製の主軸の耐摩耗性を安価に改善することができるとと
もに、従来のものに比較して工具を着脱する部分の大幅
な耐久性の向上が可能となり、しかも、本来のインバー
合金材料の特徴を生かして熱変位を少なくして主軸精度
を確保することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る主軸を示す断面図。

【符号の説明】

１主軸２主軸本体部３主軸先端部３ａテーパ穴（工具装着部）４接合部５、６耐摩耗処理層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】インバー合金を材質とする主軸本体部と、
工具装着部を含み、すくなくとも工具装着部の表面に耐
摩耗処理層が形成された鋼を材質とする主軸先端部とか
らなり、前記主軸本体部と、主軸先端部とが一体に冶金
的に接合されていることを特徴とする工作機械の主軸。
【請求項２】前記工具装着部表面の耐摩耗処理層は、浸
炭層または窒化層、あるいは炭化物硬質粒子とマトリッ
クス合金としてＮｉ基合金、Ｃｏ基合金、Ｆｅ基合金の
うちの少なくとも１種類とを含有する複合合金被覆層で
あることを特徴とする請求項１記載の工作機械の主軸。
【請求項３】前記主軸本体部と主軸先端部とは、高周波
溶接、電子ビーム溶接、摩擦圧接により、接合部近傍の
み加熱し、他の部位は冷却して接合されていることを特
徴とする請求項１または２記載の工作機械の主軸。
【請求項４】前記主軸本体部と、主軸先端部との接合面
の間では両母材よりも低融点の金属を溶融して接合され
ていることを特徴とする請求項３に記載の工作機械の主
軸。