JPH09257037A

JPH09257037A - 工作機械用スピンドルヘッド

Info

Publication number: JPH09257037A
Application number: JP7021996A
Authority: JP
Inventors: Katsutoshi Tanaka; 克敏田中; Takao Kawahara; 孝郎川原
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 1996-03-26
Filing date: 1996-03-26
Publication date: 1997-09-30

Abstract

(57)【要約】【課題】工作機械の主軸を高精度、高荷重で高速回転
させることができる工作機械用スピンドルヘッドを提供
すること。【解決手段】ビルトインモータ40で回転駆動される主
軸30と、主軸30をその径方向または軸方向に支承する空
気軸受50、60と、空気軸受50、60を収容するハウジング20
とを有する工作機械用スピンドルヘッド10であって、空
気軸受50、60を自成絞り方式の空気静圧軸受とし、その
絞り直径を400〜800ミクロンとし、主軸30が軸受中心に
ある際の軸受クリアランスCr、Caを片側で15〜30ミクロ
ンとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は工作機械用スピンド
ルヘッドに関し、高精度エンドミル加工等の高速送り切
削加工を行うためのＮＣ工作機械などに利用できる。

【０００２】

【背景技術】従来より、金属部品等の高精度加工にはＮ
Ｃ（数値制御）式の工作機械が利用されている。このよ
うな工作機械では、スピンドルヘッドに支承された主軸
の先端に刃物工具を装着し、主軸ないし工具を回転させ
つつスピンドルヘッドを被加工物に対して相対的に送り
移動させ、被加工物の切削加工を行っている。

【０００３】（主軸の軸受について）このような回転主
軸を有する工作機械においては、相当な荷重の元で、高
精度を維持しつつ、主軸を高速回転させることが要求さ
れる。例えば、エンドミル加工を行う際に、高精度を維
持しつつ主軸を毎分数万回転程度で高速回転させると、
毎分数メートルに及ぶ切削送り速度での高効率加工が可
能であることが確認されている。このため、工作機械の
スピンドルヘッドにおいては主軸の支承が重要であり、
この軸受部分には高荷重、高精度、高速回転という条件
を満足することが要求される。

【０００４】（ころがり軸受と油軸受について）従来よ
り、主軸を支承する軸受構造としては、ボールベアリン
グ等の転がり軸受、油膜で主軸を支承する油軸受、空気
圧で主軸を支持する空気軸受などが利用されている。し
かし、ころがり軸受あるいは油軸受では、それぞれ高精
度、高速回転という条件を十分に満足することができな
かった。

【０００５】転がり軸受は、軸受の構造上、ボール等の
転動体が回転する軌道の直径と回転数との積が一定の限
界値に制限される等、高速回転を行うことが難しい。さ
らに、機械的な接触が避けられないため、高速回転を行
うと振動および騒音が大きく、かつ磨耗等による寿命の
短さが問題となり、毎分１万回転以上の高速回転には不
適切である。

【０００６】油軸受は、機械的には非接触であるため、
回転精度は良い。しかし、油が粘性流体であるため、回
転が高速になるに従って回転軸と軸受ブッシュとの間の
油膜に粘性摩擦抵抗が増大し、消費動力が増加するとと
もに、発熱が増加して熱変形誤差を生じる原因となり、
やはり毎分１万回転以上の動作には不適切である。

【０００７】また、油軸受では、軸受クリアランス部か
ら漏れ出す作動油を、回転精度に影響を与えない非接触
機構で軸シールすることが極めて困難である。工作機械
の主軸の支承に油軸受を用いた場合は、一般的に漏れ出
した作動油は垂流しとしている。これを切削屑や切削液
とともに切削剤タンクへ流し込み、油水分離装置等で油
を分離回収し、更に高度な濾過をして不純物を除去して
油軸受用作動油として再利用している。これは大がかり
な方法であり、経済的にも負担が多きいため、作動油は
回収せず、使い捨てにしているケースが殆どである。さ
らに、油軸受利用の工作機械では作動油が垂流しとなる
ため、被加工物に無用な油が付着し、その取扱いが不快
であり、作業環境も悪くなりがちである。

【０００８】このように、ころがり軸受や油軸受では高
回転かつ高精度を確保することが難しかった。

【０００９】（空気軸受について）これに対し、空気軸
受は、軸受ブッシュと回転軸との間の軸受クリアランス
に空気圧を与え、回転軸を軸受ブッシュから浮かせるも
のであり、高精度、高速回転に適している。また、空気
軸受では、排出されるのはクリーンな空気であり、被加
工物や作業環境を汚染することはなく、また、これを回
収する必要もない。人や地球に優しい軸受といえる。

【００１０】但し、空気軸受では負荷を大きくすること
が難しく、工作機械において、ミクロンオーダの高精
度、数万回転程度の高回転、一般的な金属を切削深さ数
ミリメートルで毎分数メートル程度の加工に対応した高
負荷という条件を全て満足して高効率の加工を実現でき
るようにすることは難しい。

【００１１】ところで、空気軸受は、回転軸を浮かせる
原理から動圧型と静圧型に分類される。動圧型の空気軸
受は、軸受クリアランスにくさび状すきまを形成し、回
転軸の回転に伴って回転軸表面近傍の空気がその粘性で
軸受クリアランスに引込まれるようにし、回転軸を浮上
させる圧力を発生する。従って、回転軸の停止時には浮
上力がなく、起動と停止を繰返すことのない装置等に使
用されるが、工作機械の主軸支承には適さない。

【００１２】静圧型の空気軸受は、外部から軸受クリア
ランスに至る給気経路に絞りを形成し、この絞りを通し
て加圧した空気を軸受クリアランス内に導入し、その静
圧によって主軸を浮上させるものであり、回転速度に拘
りなく一定の浮上力が得られる。このため、工作機械の
主軸支承には静圧型が適している

【００１３】静圧空気軸受は、給気の形式から多孔質絞
り式、スロット絞り式、表面絞り式、多数給気孔方式に
分類される。多孔質絞り式は、軸受クリアランスに面し
て多孔質材料を設け、この多孔質材料に外部からの空気
を通して軸受クリアランス内に吹込むものであり、多孔
質材料が適正な絞り密度であれば軸受剛性が大きく、高
速安定性もある。しかし、適正な多孔質材を得ることが
難しく、加工も難しい。

【００１４】スロット絞り式は、軸受クリアランスに通
じる給気経路の開口部を狭いスロット状に形成するもの
であるが、スロットの幅や長さを精度良く加工すること
が難しい。表面絞り式は、軸受クリアランスに面した軸
受面に給気経路と連通した極めて薄い溝部を設けるもの
であり、この溝部を通る際の抵抗が絞り効果を生じる
が、軸受クリアランスが極めて小さく、工作機械の主軸
支承には適していない。

【００１５】多数給気孔方式は、更にオリフィス絞り
式、毛細管絞り、自成絞りに分類される。オリフィス絞
りは、給気経路の軸受クリアランス近傍にオリフィスを
形成するものであるが、ポケット（オリフィスの軸受ク
リアランス側に生じる空間）の容量、絞り径、使用圧力
の関係が適正でないとニューマティックハンマ（自励振
動）を生じやすく、不安定である。

【００１６】毛細管絞りは、軸受クリアランスに至る給
気経路を極細にして絞り効果を得る物であるが、その製
造が困難であり、実用的ではない。自成絞り式は、給気
経路の軸受クリアランス近傍部分を細くし、この細い給
気経路と軸受クリアランスとで形成される仮想的な円筒
面で絞り効果を得る物であり、工作機械の主軸支承には
最も適している。

【００１７】（軸受クリアランスの設定）回転軸受にお
いて、回転軸と軸受ブッシュとの間隔（軸受クリアラン
ス、つまり回転軸の浮上量）を大きくするためには、膨
大な空気供給エネルギが必要である。このため、従来の
空気軸受の軸受クリアランスは片側5〜10ミクロン程度
（回転軸が軸受中心にあるとき）の小さな値に設定され
る。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、空気軸受にお
いては、軸受クリアランスが小さいと、次のような問題
が生じる。（許容変位量の問題）軸受クリアランスが小さいと、回
転軸の許容変位量（許容しうる中心軸位置の変位量）が
小さくなる。

【００１９】回転軸の許容変位量が小さくなると、小さ
な外力でも回転軸が軸受ブッシュに接触することにな
り、高速回転時に接触した際には摩擦熱により瞬時に焼
付き（溶着）を生じ、動作を停止せざるを得ないばかり
か、その修復に多大な労力および出費が必要となる。

【００２０】このような許容変位量の制約により、従来
の工作機械への空気軸受の利用は、精密かつ静粛だが負
荷の軽い切削への利用（例えばアルミニウム合金等を数
ミクロンの深さで毎分数10ミリメートルの送りでという
程度）に限られており、主軸を変位させる荷重が大きく
なる重切削への適用が望まれていた。

【００２１】（異物による障害の問題）空気軸受におい
て、軸受クリアランスに流入する空気中に異物が混入し
ている場合、軸受クリアランスが小さいと、微少な異物
であっても軸受クリアランス内で引っかかりを生じ、前
述した焼付き等の動作障害を引き起す可能性がある。

【００２２】（空気剪断による発熱の問題）軸受クリア
ランスが小さいと、このクリアランス内の空気は回転軸
側と軸受ブッシュ側との間で剪断力を受け、発熱を生じ
易くなる。そして、この発熱により熱変形を生じ、精度
を低下させる可能性がある。

【００２３】以上のような問題は、従来の空気軸受の工
作機械への適用が静粛な軽切削のみであったため、特に
支障が生じなかった事項である。しかし、エンドミル加
工のような断続的な高荷重切削への適用を検討する際に
は、軸受クリアランスを大きくすることが重要な事項で
ある。本発明の目的は、工作機械の主軸を高精度、高荷
重で高速回転させることができる工作機械用スピンドル
ヘッドを提供することにある。

【００２４】

【課題を解決するための手段】本発明は、工作機械用ス
ピンドルヘッドにおける主軸の支承に基本的に高精度、
高回転に適した空気軸受を用いるとともに、この空気軸
受の設定を適切な状態にすることで空気軸受の耐荷重性
を高め、これにより前述した高精度、高荷重、高速回転
の各条件を全て満足できるようにするものである。具体
的に、本発明は、駆動源で回転駆動される主軸と、前記
主軸をその径方向または軸方向に支承する少なくとも１
個の空気軸受と、前記空気軸受を収容するハウジングと
を有する工作機械用スピンドルヘッドであって、前記空
気軸受を自成絞り方式の空気静圧軸受とし、その絞り直
径を400〜800ミクロンとし、主軸が軸受中心にある際の
軸受クリアランスは片側で15〜30ミクロンであることを
特徴とする。

【００２５】このような本発明においては、主軸はハウ
ジング内の空気軸受により支承されて高精度、高速回転
が可能である。ここで、軸受クリアランスは片側で15〜
30ミクロンと従来の倍以上あるため、許容変位量を拡大
でき、異物の影響、空気発熱の問題等を解消できる。そ
して、空気軸受として自成絞り方式の空気静圧軸受を採
用するとともに、絞り直径および軸受クリアランスを前
述の値に設定することで十分な軸受剛性が確保される。
これらにより、高負荷への対応が可能となり、高速回
転、高精度と併せて前記目的を達成できることになる。

【００２６】前記空気軸受は焼結カーボン材料で形成さ
れた軸受ブッシュを有することが望ましい。このように
すれば、焼結カーボン材の自己潤滑性を利用して接触状
態の摩擦抵抗を低減することができる。すなわち、何ら
かの不具合で過大な負荷が作用した時や、供給空気圧が
降下した場合などに、主軸と軸受ブッシュが接触状態と
なっても、焼付き発生を防止することができる。

【００２７】前記空気軸受は、前記主軸を径方向に支承
する円筒型空気軸受と、前記主軸を軸方向に支承する円
盤形空気軸受とであり、前記円筒型空気軸受の軸受ブッ
シュと前記円盤型空気軸受の軸受ブッシュは一体成形さ
れていることが望ましい。このようにすれば、円筒側空
気軸受のハウジングへの圧入長さを大きくとることがで
き、軸受の変形防止、精度向上、取付の確実化を図るこ
とができる。

【００２８】すなわち、円盤型の空気軸受ブッシュの背
面部には給気溝が形成されるが、ここに供給空気圧が作
用するとハウジングに圧入されている軸受ブッシュは軸
方向つまり抜ける方向の力を受ける。殊に摩擦係数の小
さい焼結カーボン材で形成されている場合は十分な圧入
長さをとり、圧入摩擦力を持たせないと圧入の抜け出し
により円盤型空気軸受のクリアランスが変化することに
なる。しかし、前述のように円盤形と円筒型とを一体化
することで、圧入長さを長くとることができ、この問題
を解消することができる。

【００２９】前記主軸は前記空気軸受で支承される部分
に不錆性高硬度材料による表面処理が施されていること
が望ましい。不錆性高硬度材料による表面処理として
は、クロムメッキ、ニッケル・リン無電解メッキ、ニッ
ケル・リン粒子分散無電解メッキ等が利用できる。

【００３０】このようにすれば、従来多用されている主
軸（ステンレス製で表面に焼入れ処理をしたもの等）に
比べて表面の錆発生を低減することができ、錆が異物と
して軸受クリアランスにおいて障害を引き起すことを防
止できる。また、各種材料に対して錆発生効果を確実に
得ることができ、熱変形を低減するために低膨張率の他
の材料を用いることも可能となる。

【００３１】前記ハウジングには前記空気軸受の軸受ブ
ッシュが圧入保持され、前記ハウジングには前記空気軸
受に空気を供給する給気経路が形成され、前記ハウジン
グはステンレス鋼で形成されていることが望ましい。こ
のようにすれば、ステンレス製ハウジングと軸受ブッシ
ュ圧入とにより給気経路に面しての錆発生を防止でき、
給気経路から錆が軸受クリアランス内に侵入して障害を
生じることを防止できる。

【００３２】前記駆動源は前記ハウジング内に形成され
たビルトインモータであり、前記ハウジングには前記空
気軸受からの空気を前記ビルトインモータを経由して排
出する排気経路が形成されていることが望ましい。この
ようにすれば、ビルトインモータによりスピンドルヘッ
ドの小型化、構造簡素化が図れるとともに、このビルト
インモータの冷却を空気軸受からの排気によって冷却す
ることができる。特に、本発明では軸受クリアランスを
大きくとるため、通気量が増大し、冷却効果を大きなも
のにできる。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図面
に基づいて説明する。図１において、工作機械用スピン
ドルヘッド10は、ハウジング20、主軸30、ビルトインモ
ータ40、空気軸受50、60を備えている。

【００３４】（各部の概要）ハウジング20は、図示しな
い工作機械のコラム等に支持され、テーブル上のワーク
に対して相対移動されるものである。主軸30は、中間部
分に円盤状のフランジ31を有し、中間部分をハウジング
20内に形成された径方向の空気軸受50、軸方向の空気軸
受60により回転自在に支承されている。

【００３５】径方向の空気軸受50は、主軸30のフランジ
31よりも先端側に1列、基端側に4列の計5列とされてい
る。軸方向の空気軸受60は、フランジ31を挟むように一
対2列が設けられている。主軸30の先端部分には、図示
しないチャック機構等が形成され、このチャック機構を
介して刃物等の工具を取付けた状態としたうえ、ビルト
インモータ40で回転駆動されることで、ワークに対する
切削加工等を行えるようになっている。

【００３６】ビルトインモータ40は、ロータ41、ステー
タ42を備えている。ロータ41は、主軸30の端部に連結さ
れて支持されている。ステータ42は、ロータ41を取囲む
ように配置され、図示しない外部の制御装置からの通電
を受けてロータ41を回転させ、これにより主軸30が回転
されるようになっている。

【００３７】このようなビルトインモータ40はカバー29
で囲われている。カバー29は、内側面でステータ42を支
持するとともに、フランジ291をハウジング20の端部に
接続されることでロータ41とステータ42を被覆するよう
になっている。カバー29の外周部は、ビルトインモータ
部冷却用のウォータージャケット43で包囲されている。
このカバー29はハウジング20の一部を構成するものであ
る。

【００３８】（空気軸受の詳細）ハウジング20は、円筒
状の第一部材21と、その外周に嵌合された第二部材22と
を有し、第一筒体21の主軸30の先端側の端部には大径部
211が形成されている。そして、この大径部211には、第
三部材23を介して第四部材24が取付けられている。

【００３９】第一部材21の内側には、主軸30の基端側に
段差部が形成され、この段差部には第一軸受ブッシュ25
が嵌合されている。また、大径部211側にも段差部が形
成され、この段差部には第二軸受ブッシュ26が嵌合され
ている。第二部材22は、その内部に軸受部冷却用のウォ
ータージャケットが形成されている。第四部材24の内側
には、大径部211に接続される側から第三軸受ブッシュ2
7が嵌合されている。

【００４０】（軸受ブッシュの詳細）第一軸受ブッシュ
25は、2列の径方向空気軸受50を形成するものであり、
この第一軸受ブッシュ25には空気ノズル51が周方向に所
定間隔で2列に配列されている。この空気ノズル51は第
一軸受ブッシュ25の外周および内周を主軸30の径方向に
貫通している。第一軸受ブッシュ25の内側には、空気ノ
ズル51の各列の中間に周方向に連続する排気溝52が形成
され、この排気溝52内には外周へと貫通する排気孔53が
形成されている。

【００４１】第二軸受ブッシュ26は、2列の径方向空気
軸受50と一対のうち一方の軸方向空気軸受60を形成する
ものであり、第一部材21の大径部211側の端面に嵌まり
込むフランジ261を備えている。第二軸受ブッシュ26に
は空気ノズル51が周方向に所定間隔で2列に配列され、
第三軸受ブッシュ27側の端部に形成されたフランジ261
には空気ノズル61が周方向に所定間隔で配列されてい
る。この空気ノズル51は第二軸受ブッシュ26の外周およ
び内周を主軸30の径方向に貫通し、空気ノズル61はフラ
ンジ261の表裏を主軸30の軸方向に貫通している。

【００４２】第二軸受ブッシュ26の内側には、空気ノズ
ル51の各列の中間に周方向に連続する排気溝52が形成さ
れ、この排気溝52内には外周へと貫通する排気孔53が形
成されている。第二軸受ブッシュ26のフランジ261側端
の内周縁には全周に連続した切欠き状の排気溝62が形成
されている。

【００４３】第三軸受ブッシュ27は、1列の径方向空気
軸受50と一対のうち他方の軸方向空気軸受60を形成する
ものであり、第四部材24の第三部材23側の端面に嵌まり
込むフランジ271を備えている。第三軸受ブッシュ27に
は空気ノズル51が周方向に所定間隔で1列に配列され、
第二軸受ブッシュ26側の端部に形成されたフランジ271
には空気ノズル61が周方向に所定間隔で配列されてい
る。

【００４４】この空気ノズル51は第三軸受ブッシュ27の
外周および内周を主軸30の径方向に貫通し、空気ノズル
61はフランジ271の表裏を主軸30の軸方向に貫通してい
る。第三軸受ブッシュ27のフランジ271側端の内周縁に
は全周に連続した切欠き状の排気溝62が形成されてい
る。

【００４５】（給気経路）第一部材21の第一軸受ブッシ
ュ25が嵌合された部分の内周には周方向に連続した2本
の給気溝212が形成され、各給気溝212は各空気ノズル51
の外側開口に連通するような位置に配置されている。第
一部材21の第二軸受ブッシュ26が嵌合された部分の内周
にも周方向に連続した2本の給気溝212、213が形成され、
この給気溝212、213は第二軸受ブッシュ26の各空気ノズ
ル51の外側開口に連通するような位置に配置されてい
る。給気溝213はフランジ261側の端面まで延長され、フ
ランジ261に形成された各空気ノズル61にも連通するよ
うになっている。

【００４６】第一部材21には、基端側から1本の連通孔2
14が形成され、この連通孔214は4本の給気溝212、213の
全てに連通するようになっている。給気溝213には大径
部211の外周から径方向に給気孔215が貫通されている。
この連通孔214の基端側端開口は封止部材2141で塞がれ
ている。従って、第一部材21においては、給気孔215か
ら加圧空気を供給することで、この空気は給気溝213か
ら空気ノズル61に供給され、さらに連通孔214から各給
気溝212を経て空気ノズル51へと供給されるようになっ
ている。

【００４７】第四部材24の第三軸受ブッシュ27が嵌合さ
れた部分の内周にも周方向に連続した給気溝243が形成
され、この給気溝243は第二軸受ブッシュ26の各空気ノ
ズル51の外側開口に連通し、かつフランジ271に形成さ
れた各空気ノズル61に連通するようになっている。第四
部材24には、給気溝243と第三部材23側端面を結ぶ連通
孔244が形成され、第三部材23にはこの連通孔244に連通
する連通孔234が形成され、第一部材21の大径部211には
連通孔234と給気孔215とを連通する連通孔216が形成さ
れている。従って、第四部材24においては、第一部材21
の給気孔215から加圧空気を供給することで、この空気
は各連通孔216、234、244を通して給気溝243へと供給さ
れ、空気ノズル51、61へと供給されるようになってい
る。

【００４８】（排気経路）第一部材21には、第一軸受ブ
ッシュ25および第二軸受ブッシュ26の各排気孔53に連通
する2つの排気孔217が形成され、これらのブッシュ25、2
6の間の区間において内周側に連通する排気孔218が形成
されている。これらの各排気孔217、218を連通するよう
に連通孔219が形成されている。連通孔219の一端は第三
部材23側端面に開口されるとともに、他端はビルトイン
モータ40側端に開口されている。

【００４９】第三部材23には内周側に連通する排気孔23
1が形成され、この排気孔231は第一部材21の連通孔219
にも連通されている。ビルトインモータ40を覆うカバー
29の内周縁には全周に連続した切欠き状の排気溝292が
形成され、この排気溝292は第一部材21の連通孔219に連
通されている。また、カバー29の端面の中心には外部に
連通する排気孔293が形成されている。

【００５０】従って、前述した各空気ノズル51、61へ供
給された空気は、各軸受ブッシュ25、26、27の内面と主軸
30の周面あるいはフランジ31の表面との隙間を経て、排
気溝52、62、軸受ブッシュ25、26の間、第三部材23の内側
の何れかに流れ出し、排気孔217、218、231の何れかから
連通孔219へと集められる。そして、排気溝292からカバ
ー29の内側（ビルトインモータ40の隙間）を通って排気
孔293により外部に排出されるようになっている。

【００５１】（空気軸受の設定）第一ないし第三の軸受
ブッシュ25、26、27と主軸30の周面との間には、それぞれ
各ブッシュの端部と排気溝52、62の間の円筒状の区間に
空気ノズル51による自成絞り式静圧型の径方向空気軸受
50が構成され、この空気軸受50により主軸30は径方向に
支承されている。第二および第三の軸受ブッシュ26、27
と主軸30のフランジ31表面との間には、それぞれフラン
ジ31外周縁と排気溝62の間の円盤状の区間に空気ノズル
61による自成絞り式静圧型の軸方向空気軸受60が構成さ
れ、この空気軸受60により主軸30は軸方向に支承されて
いる。

【００５２】ここで、各軸受50、60において、各空気ノ
ズル51、61の絞り直径は400〜800ミクロンとされてい
る。また、主軸30が空気軸受50の中心にある際の径方向
軸受クリアランスCr、およびフランジ31が空気軸受60の
中心にある際の軸方向軸受クリアランスCaは、それぞれ
片側で15〜30ミクロンとされている。

【００５３】なお、各軸受ブッシュ25、26、27は、それぞ
れ焼結カーボン材料で形成され、それぞれ第一部材21、
第四部材24に圧入により固定されている。そして、ハウ
ジング20を形成する各部材のうち、連通孔214、219等の
給気経路、排気経路が形成される第一部材21、第四部材
24は、それぞれステンレス鋼製である。

【００５４】また、主軸30の周面の空気軸受50で支承さ
れる部分、およびフランジ31の表面の空気軸受60で支承
される部分には、それぞれクロムメッキ、ニッケル・リ
ン無電解メッキ、ニッケル・リン粒子分散無電解メッキ
等の不錆性高硬度材料による表面処理が施されている。
さらに、主軸30は、鉄やアンバー（鉄とニッケルの合
金）等で構成されるが、本実施形態では主軸30を鉄など
に比べて熱膨張率が小さなアンバーで構成している。こ
れにより、主軸30自身の熱変形量を小さくすることがで
きるようになっている。

【００５５】（本実施形態の効果）このような本実施形
態においては、主軸30はハウジング20内の空気軸受50、6
0により径方向および軸方向に支承されて高精度、高速
回転が可能である。ここで、各空気軸受50、60の軸受ク
リアランスCr、Caは、それぞれ片側で15〜30ミクロンと
従来の倍以上あるため、許容変位量を拡大でき、異物の
影響、空気発熱の問題等を解消できる。

【００５６】そして、空気軸受50、60として自成絞り方
式の空気静圧軸受を採用するとともに、絞り直径および
軸受クリアランスCr、Caを前述の値に設定することで十
分な軸受剛性を確保することができる。従って、工作機
械用スピンドルヘッド10として十分な高負荷への対応が
可能となり、空気軸受の特性である高速回転、高精度と
併せて、軽切削に限らず精密重切削をも行うことができ
る。

【００５７】一例として、空気軸受50について、60mm
径、空気ノズル51の数12個/列、空気ノズル51の孔径500
ミクロンで製作し、供給空気圧6kgf/平方cmで実測を行
った。その結果を図２に示す。図２において、実測値の
軸受剛性曲線99は、軸受クリアランスが16〜29ミクロン
の範囲内で軸受剛性が3kgf/ミクロンを超え、中でも軸
受クリアランスが18〜26ミクロンという広い領域で軸受
剛性4kgf/ミクロンを超えている。このことから、本発
明による設定の空気軸受としての有効性、軸受剛性の高
さが容易に得られること理解できる。

【００５８】本実施形態において、各軸受ブッシュ25、2
6、27を焼結カーボン材料で形成したため、各空気軸受5
0、60においては焼結カーボン材の自己潤滑性を利用して
接触状態の摩擦抵抗を低減することができる。すなわ
ち、何らかの不具合で過大な負荷が作用した時や、供給
空気圧が降下した場合などに、主軸30と軸受ブッシュ25
〜27が接触状態となっても、焼付き発生を防止すること
ができる。

【００５９】また、主軸30を径方向に支承する円筒型の
空気軸受50と、主軸30（フランジ31）を軸方向に支承す
る円盤形の空気軸受60との両方を設けたため、径方向お
よび軸方向に前述した優れた支承性能を発揮できる。さ
らに、第二および第三の軸受ブッシュ26、27では、径方
向の空気軸受50の軸受ブッシュと軸方向の空気軸受60の
軸受ブッシュとを一体成形するようにしたため、空気軸
受50部分のハウジング20（第一部材21）への圧入長さを
大きくとることができ、軸受の変形防止、精度向上、取
付の確実化を図ることができる。

【００６０】すなわち、円盤型の空気軸受ブッシュ26,2
7の背面部には給気溝213、243が形成されるが、ここに供
給空気圧が作用するとハウジング20に圧入されている軸
受ブッシュ26、27は抜ける方向の力を受ける。殊に摩擦
係数の小さい焼結カーボン材で形成されている場合は十
分な圧入長さをとり、圧入摩擦力を持たせないとクリア
ランスCaが変化することになる。しかし、前述のように
円盤形と円筒型とを一体化することで、圧入長さを長く
とることができ、この問題を解消することができる。

【００６１】また、主軸30の空気軸受50、60で支承され
る部分に不錆性高硬度材料による表面処理を施したた
め、表面の錆発生を低減することができ、錆が異物とし
て軸受クリアランスCr、Caにおいて障害を引き起すこと
を防止できる。また、各種材料に対して錆発生効果を確
実に得ることができ、熱変形を低減するために低膨張率
の他の材料を用いることも可能となる。

【００６２】さらに、ハウジング20の第一部材21および
第四部材24には軸受ブッシュ25、26、27が圧入保持され、
これらの第一部材21および第四部材24には空気軸受50、6
0に空気を供給する給気経路（連通孔214、給気溝212
等）が形成されるようにし、かつこれらの第一部材21お
よび第四部材24をステンレス鋼で形成したため、給気経
路に面しての錆発生を防止でき、給気経路から錆が軸受
クリアランスCr、Ca内に侵入して障害を生じることを防
止できる。

【００６３】本実施形態において、主軸30の駆動源とし
てハウジング20内に形成されたビルトインモータ40を用
いたため、ビルトインモータ40によりスピンドルヘッド
の小型化、構造簡素化が図れるとともに、主軸30を非接
触で支承することが可能となる。また、ハウジング20の
第一部材21、第三部材23、カバー29には各空気軸受50、6
0からの空気をビルトインモータ40を経由して排出する
排気経路（連通孔219等）を形成したため、このビルト
インモータ40の冷却を空気軸受50、60からの排気によっ
て冷却することができる。特に、本実施形態では軸受ク
リアランスCr、Caを従来より大きくとるため、通気量が
増大し、冷却効果を大きなものにできる。

【００６４】なお、本発明は前述した実施形態に限定さ
れるものではなく、以下に示すような変形等も本発明に
含まれるものである。前記実施形態では、径方向の空気
軸受50を一つの軸受ブッシュ25、26、27、に2列または1列
形成したが、それぞれ3列以上、あるいは1列だけ等、列
数は適宜変更しうるものである。各列の空気ノズル51の
数は実施にあたって適宜設定しうるものである。

【００６５】また、軸方向の空気軸受60は、フランジ31
を挟んで1列づつ一対を配置したが、同心円状に2列以上
形成してもよい。また、フランジ31を主軸30の2ヶ所以
上に配置し、各々径方向の空気軸受60で支承してもよ
い。さらに、互いに同じ軸受ブッシュにおいて隣接する
各列の空気軸受50、60の間には排気溝52、62を設けたが、
これらは適宜省略してもよい。但し、排気溝52、62で各
空気軸受が区切られていることで、各軸受からの排気が
円滑に行われ、互いに同じ軸受ブッシュで隣接する空気
軸受の間の領域での主軸30の中心変位に対応した空気圧
力変動を確保することができ、軸受剛性の向上に寄与す
ることができ、排気溝52、62を設けることが望ましい。

【００６６】また、第二および第三の軸受ブッシュ26、2
7では、径方向の空気軸受50と軸方向の空気軸受60とを
一体的に形成したが、これらは個別の軸受ブッシュを用
いるようにしてもよい。さらに、主軸30を支承するべく
形成される軸受ブッシュの数は前記実施形態のように第
一ないし第三の3つに限らず、2つ以下あるいは3以上と
してもよい。これらの各軸受ブッシュ25、26、27は、ハウ
ジング20の第一部材21、第四部材24に対して圧入ではな
く、ねじ止等他の固定手段によって固定してもよい。

【００６７】ハウジング20の構成は、前記実施形態のよ
うな第一ないし第四の部材21〜24およびカバー29による
構成に限らず、より少ない部材あるいはより多い部材の
組合せ等、あるいは他の分割形態による構成であっても
よく、ビルトインモータ40を覆うカバー29も適宜省略し
てもよい。前記実施形態では、各空気軸受50、60からの
排気をビルトインモータ40に経由させ、冷却に利用した
が、ビルトインモータ40を経由せず、連通孔219等から
直接外部に排出するようにしてもよい。

【００６８】各軸受ブッシュ25、26、27は、焼結カーボン
材料ではなくステンレス鋼等の他の材料であってもよ
い。但し、所期の強度を有し、かつ錆を生じない材質、
あるいは自己潤滑性を有する材質であることが望まし
い。主軸30の空気軸受50、60で支承される部分には不錆
性高硬度材料による表面処理を施したが、これは主軸30
全面に対して行っても良い。また、主軸30をステンレス
鋼等の不錆性材料で形成する際には適宜省略してもよ
い。ハウジング40の材質は、ステンレス鋼に限らずプラ
スチック等でも良い。但し、給気経路が形成される部分
は錆を生じないこと、所期の強度を有することが望まし
い。

【００６９】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明によれば、
主軸をハウジング内の空気軸受により支承することで高
精度、高速回転が実現できる。ここで、軸受クリアラン
スは片側で15〜30ミクロンと従来の倍以上あるため、許
容変位量を拡大でき、異物の影響、空気発熱の問題等を
解消できる。そして、空気軸受として自成絞り方式の空
気静圧軸受を採用するとともに、絞り直径および軸受ク
リアランスを前述の値に設定することで十分な軸受剛性
が確保される。これらにより、工作機械用スピンドルヘ
ッドにおいて高負荷、高速回転、高精度を実現すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す断面図。

【図２】前記実施形態における空気軸受の実測値を示す
グラフ。

【符号の説明】

10 工作機械用スピンドルヘッド 20 ハウジング 25、26、27 軸受ブッシュ 30 主軸 40 ビルトインモータ 50 径方向の空気軸受 60 軸方向の空気軸受 51、61 絞り部分である空気ノズル Cr 径方向の軸受クリアランス Ca 軸方向の軸受クリアランス

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】駆動源で回転駆動される主軸と、前記主
軸をその径方向または軸方向に支承する少なくとも１個
の空気軸受と、前記空気軸受を収容するハウジングとを
有する工作機械用スピンドルヘッドであって、前記空気
軸受を自成絞り方式の空気静圧軸受とし、その絞り直径
を400〜800ミクロンとし、主軸が軸受中心にある際の軸
受クリアランスは片側で15〜30ミクロンであることを特
徴とする工作機械用スピンドルヘッド。
【請求項２】請求項１に記載した工作機械用スピンド
ルヘッドにおいて、前記空気軸受は焼結カーボン材料で
形成された軸受ブッシュを有することを特徴とする工作
機械用スピンドルヘッド。
【請求項３】請求項２に記載した工作機械用スピンド
ルヘッドにおいて、前記空気軸受は、前記主軸を径方向
に支承する円筒型空気軸受と、前記主軸を軸方向に支承
する円盤形空気軸受とであり、前記円筒型空気軸受の軸
受ブッシュと前記円盤型空気軸受の軸受ブッシュとは一
体成形されていることを特徴とする工作機械用スピンド
ルヘッド。
【請求項４】請求項１から請求項３までの何れかに記
載した工作機械用スピンドルヘッドにおいて、前記主軸
は前記空気軸受で支承される部分に不錆性高硬度材料に
よる表面処理が施されていることを特徴とする工作機械
用スピンドルヘッド。
【請求項５】請求項１から請求項４までの何れかに記
載した工作機械用スピンドルヘッドにおいて、前記ハウ
ジングには前記空気軸受の軸受ブッシュが圧入保持さ
れ、前記ハウジングには前記空気軸受に空気を供給する
給気経路が形成され、前記ハウジングはステンレス鋼で
形成されていることを特徴とする工作機械用スピンドル
ヘッド。
【請求項６】請求項１から請求項５までの何れかに記
載した工作機械用スピンドルヘッドにおいて、前記駆動
源は前記ハウジング内に形成されたビルトインモータで
あり、前記ハウジングには前記空気軸受からの空気を前
記ビルトインモータを経由して排出する排気経路が形成
されていることを特徴とする工作機械用スピンドルヘッ
ド。