JPH10202403A

JPH10202403A - 高速流体スピンドル

Info

Publication number: JPH10202403A
Application number: JP9304322A
Authority: JP
Inventors: Kugalur S Chandrasekar; エスチャンドラセカークガラー
Original assignee: Ingersoll Milling Machine Co
Current assignee: Ingersoll Milling Machine Co
Priority date: 1997-01-02
Filing date: 1997-11-06
Publication date: 1998-08-04
Also published as: US6036413A; EP0852170A2; EP0852170A3

Abstract

(57)【要約】【課題】大形でなく、高回転の作業速度で駆動されか
つ工具の安定性を損なわない工具保持装置を提供するこ
とにある。【解決手段】スピンドルユニットが比較的小さくかつ
スピンドル軸に流体ベアリングを使用して30,000〜40,0
00 rpmの間の回転速度で運転されるように設計された工
作機械組立体、より詳しくはスピンドルユニットが提供
される。流体ベアリングは、同サイズの慣用的な金属対
金属接触ベアリングに比べ、大きな荷重を有効に支持
し、本発明のスピンドルユニットが意図する高速機械加
工を行なう高速回転作動により発生される高荷重でも非
常に剛性のある機械加工装置が提供される。ベアリング
は、切削流体との相容性のある水性流体を使用するよう
に設計することもできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高回転速度による
切削ができると同時に、高速且つ高精度の切削が行なえ
る工作機械組立体に関する。より詳しくは、本発明は、
30,000〜40,000rpm の範囲内のスピンドル回転速度で高
精度の機械加工作業を可能にする流体ベアリング（hydr
odynamic bearings)を備えたスピンドルユニットを有す
る工作機械組立体に関する。

【０００２】

【従来の技術】工作機械での高速回転切削は、工作機械
組立体、特に工作機械組立体に使用されるスピンドルお
よびベアリングの設計に幾つかの異なる問題をもたら
す。本願明細書では、高速機械加工作業とは、30,000 r
pm以上、40,000 rpm以下の範囲内の高速機械の工具回転
速度をいう。スピンドルに使用されている慣用的な金属
対金属転がり接触ベアリングまたはボールベアリング
は、これらのＤＮ値（ベアリングの内径（Ｄ、mm）と工
具の回転速度（Ｎ、rpm)との積である）により、スピン
ドルを駆動できる回転速度が制限される。一般に、高速
作業により生じる大きな荷重を取り扱うのに大きなスピ
ンドルが使用される。これらのスピンドルは大きなマス
（質量）を有し且つスピンドルのベアリングに大きな単
位負荷を発生させる。また、ベアリングも、大きなスピ
ンドルを収容するため大形化され且つ大きな荷重支持能
力が要求される。工作機械に使用される慣用的な接触ベ
アリングは、1,000,000 のＤＮ値に通常の上限を有し、
このため、大形のスピンドルベアリング直径では、ベア
リングは、高速運転されるとき、これらのベアリングＤ
Ｎ値に関して上限に近づけられる。これらの高速では、
大きな摩擦および熱の作用を最小にするため、ベアリン
グ材料、潤滑および取付け方法に関して特別な注意を払
わなくてはならず、このため、ベアリングに関するコス
トの増大を招く。また、高速作動中、スピンドルの磨耗
またはスピンドルに作用する急激な荷重等の慣用的なベ
アリングの接触面のあらゆる欠陥が拡大され且つベアリ
ングの故障を引き起こす。この点に関し、本件出願人に
譲渡されているHoltey等の米国特許第5,322,494 号に開
示されているように、スピンドルのサイズを小さくし、
且つこれに対応してベアリングの直径を小さくして、ス
ピンドルの回転速度を一層容易に増大させる努力がなさ
れている。しかしながら、上記米国特許のスピンドル小
形化設計では、慣用的なボールベアリングは、30,000〜
40,000 rpmの速度でこの設計に使用される場合には、ボ
ールに作用する大きな摩擦、熱および遠心力を含む高速
作動中の過酷な条件により磨耗し、最後には故障するで
あろう。ベアリングが摩耗すると、高レベルの振動が発
生し、機械精度を低下させるであろう。また、振動によ
って接触金属に衝撃音が発生し、このため、ボールベア
リングの急速な摩耗を引き起こす。最終的な故障および
装置の破壊をもたらすベアリングの摩耗は、生産休止時
間の増大並びにベアリングの再生に要する費用の増大に
より、作業コストを上昇させる。

【０００３】かくして、30,000 rpmを超える上記高速機
械において、接触ベアリングが最終的に故障してしまう
ような高速で安定した正確な作業ができる大きな動的剛
性をもつ高い荷重能力を有する工作機械のスピンドルが
要望されている。スピンドルに使用するための流体流体
ベアリングであって、流体がベアリングを通って流れ、
ベアリングに自己発生圧力膜を形成させる構成の非接触
ベアリング装置をスピンドルに設けることは知られてい
る。これらの圧力は、かなりの大きさの荷重を充分に支
持し且つベアリングの摩擦面間を分離状態に維持するこ
とができる。流体ベアリングでは、工作機械の作動中に
金属対金属接触が存在しないため、ボールベアリングが
受けるような漸進的な摩耗問題は大幅に減少する。ま
た、異常に大きな荷重が長時間作用して流体膜を最小厚
さまで薄くするか、流体の供給が停止するといった極端
な事態が生じない限り、悲劇的なベアリングの故障すな
わち「破壊」は生じない。これは、潤滑の不調、過大な
荷重または或る種の材料不調または破壊によって悲劇的
な故障が生じる機械的接触ボールベアリングに付随する
状況とは異なる。また、接触ボールベアリングでは瞬間
的な過大荷重によっても破壊されるのに対し、流体ベア
リングでは、瞬間的な過大荷重を受ける間、ベアリング
間隙が小さくなるので、ベアリングの荷重支持能力は増
大する。これは、これらの瞬間的な過大荷重に対する
「スクイーズ膜荷重効果（squeeze-film load effect)
」による。過大荷重の持続時間が例えば数分の一秒程
度の非常に短いものであるならば、ベアリング内に捕捉
された流体はほぼ所定位置に留まる。なぜならば、この
ような短時間では流体膜をベアリングから絞り出すのに
充分でないからであり、従って充分な流体膜が存在する
限り金属対金属接触が生じることはなく、流体ベアリン
グの故障は生じない。このように、流体ベアリングで
は、接触式ローラベアリングを使用する場合とは異な
り、瞬間的な過大荷重により故障を生じることがない。

【０００４】円筒状ベアリングにローブ輪郭を設けた流
体ベアリングを形成することも知られており、この流体
ベアリングでは、流体膜がスピンドルのジャーナル軸の
全周に亘って均一の膜厚を有し、スピンドルが受ける荷
重が単一方向のみでない限り、不均一になることはな
い。30,000 rpmを超える高速切削作業では、ローブ輪郭
の設計は特に厳格であり、ベアリング直径、荷重、スピ
ンドル軸速度およびベアリング流体の粘度を含む適用パ
ラメータにより大きな影響を受ける。流体ベアリングの
荷重支持能力は、使用される流体の粘度に正比例する。
これらの条件を考慮に入れ、ローブ輪郭は、ベアリング
の荷重支持能力が不足しないようにするため、スピンド
ルから収束するベアリングの部分が大き過ぎないように
し、且つ高速作動時にベアリングが過度に発熱しないよ
うにするため、前記ベアリング部分が小さ過ぎないよう
に適当に設計しなければならない。荷重支持能力の欠如
は、機械加工時の不安定性および不正確さをもたらし、
ベアリングの寿命を短くすか、ベアリングの早期破壊を
引き起こす。高温はスピンドルおよびベアリングの膨張
を引き起こし、このため、工作機械の部品の熱変形によ
る機械加工誤差が生じる。

【０００５】前述のように、本願で意図する高い作動速
度でも正確な機械加工ができるためには、工作機械装置
が優れた荷重支持能力および高い剛性をもつことが重要
である。前述のように、30,000 rpmを超えるスピンドル
軸の回転速度では、機械加工精度およびベアリング摩耗
に関し、振動が大きな問題となり、特に、振動が軸の曲
り振動数と同調する振動数となる場合は問題である。こ
の点に関し、スピンドル軸に高度の剛性を付与するよう
に流体ベアリングパッドを設計し、スピンドル軸の高速
共振の発生を防止することが望まれる。流体ベアリング
についての他の問題は、異なるベアリングおよび切削流
体を使用した場合に、異なる流体間に適正なシーリング
が存在しなければならないことである。従って、油性ベ
アリング流体を使用する場合は、切削流体（該切削流体
は、一般に水性流体である）からのいかなるシーリング
損失も回避すべきである。しかしながら、30,000 rpmを
超える高回転速度では、慣用的な接触シールは、これら
のシーリング機能が喪失されるところまで急速に摩耗す
る。このため、水性切削流体から油性ベアリング流体を
シールおよび隔絶し、切削流体がベアリング流体で汚染
されることを防止する目的としては、実際には接触シー
ルを高作動速度で使用することはできない。従って、切
削流体からベアリング流体を隔絶するのに使用されるシ
ールが高作動速度でも故障せず、切削流体中へのベアリ
ング流体の何らかの漏洩が生じた場合でも別の流体と混
合することにより潤滑および冷却機能が損なわれないで
高速機械加工作業が行なわれることが望まれる。

【０００６】一般的な工具ホルダは、本願の高速スピン
ドル設計に使用するには、そのマスおよびサイズが大き
過ぎる。これらの従来の工具取付け構造では、工具ホル
ダおよびスピンドルに形成される互いに協働するテーパ
がかなり大きく、このため、ベアリングを大きくしてス
ピンドル駆動速度を低下させるか、スピンドル上で前方
ベアリングから前方へより大きく突出させて片持ち支持
する構造となり、ベアリング荷重が増大し且つ工作機械
の安定性が低下する。また、サイズおよびマスの大きな
工具ホルダでは、所望の切削速度まで工具ホルダを加速
するのに要する時間および工具交換のために切削作業の
完了時に工具ホルダを減速させるのに要する時間が長く
なる。種々の切削工具を必要とする種々の連続的な機械
加工作業を行なう場合、所望速度への加速または所望速
度からの減速を行なう時間の増大による損失時間は、機
械加工効率を低下させる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の高速
工作機械組立体に使用でき、大形でないため高回転の作
業速度で駆動され且つ工具の安定性を損なわない工具保
持装置が要望される。工具ホルダ（工具保持装置）は、
剛性のある態様で、スピンドルと共に安定した高速回転
が行なえるようにスピンドルに連結できることが必要が
ある。また、工具ホルダは、スピンドル上で迅速な工具
交換を行うことができなければならない。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の工作機械組立体
は、30,000〜40,000 rpmの間の回転速度で高速切削作業
が行なえる流体ベアリングにより支持されたスピンドル
ユニットを有し、このような高速でも高精度の機械加工
が行なえる剛性があり且つ安定した装置が提供される。
本発明によれば、ベアリングが徐々に摩耗することはな
く且つベアリングの悲劇的な故障は大幅に低減される。
流体ベアリングは、スピンドル軸の前端部および後端部
の回りに配置される流体ベアリングパッドの形態が好ま
しい。ベアリングパッドには、濾過され且つベアリング
パッドを通って循環される水性流体が供給され、ベアリ
ングパッドを連続的にフラッシュおよび洗浄し且つスピ
ンドルを冷却する。本発明の流体ベアリング装置は、速
度およびＤＮ値が制限され且つこのような高速作動中に
故障および破壊してしまうであろう慣用的なベアリング
とは異なり、本発明の工作機械組立体に意図した高速お
よびＤＮ値に非常に寛容である。また、使用されるベア
リングの直径については、流体ベアリングは、慣用的な
ボールベアリングの負荷の３〜５倍の負荷に耐えること
ができる。

【０００９】工具と流体ベアリングとの間で、スピンド
ル軸には非接触流体バリヤシールが設けられ、このた
め、切削流体中へのベアリング流体の漏洩が最小にな
る。熱伝達能力に優れていることに加え、環境にも優し
いため、油性流体よりも水性ベアリング流体の方が好ま
しい。工具／ワーク界面からチップを除去し且つ工具／
ワーク界面での潤滑および工具の冷却に使用される切削
流体も、ベアリング流体との相容性がある水性流体が好
ましい。従って、切削流体がベアリングから漏洩するよ
うなことがあっても、切削流体に害を及ぼすことはな
い。また、ベアリング流体は、切削流体よりも微細なメ
ッシュのフィルタで濾過されるため、切削流体中に漏洩
しても切削流体中に汚染物質を持ち込むことはない。こ
のようにして、本発明は、本発明におけるスピンドルの
高回転速度では急速な摩耗を受ける接触形シールを使用
しない。かくして、本発明の工作機械組立体は、スピン
ドル軸の直径は、例えば約５０mmすなわち1.968 インチ
のように比較的小さくでき、且つ工作機械組立体の回転
駆動装置は、30,000〜40,000 rpmの速度でスピンドルを
回転し、本発明の工作機械組立体に1,500,000 〜2,000,
000 の間のＤＮ値を与える。これは、ベアリングの機能
性および作動性を損なうことなく且つ切削流体を汚染す
ることなく、慣用的なベアリングのＤＮ値を大幅に超え
るものである。

【００１０】本発明の好ましい形態では、ベアリング部
材の傾斜内面とスピンドルの外側拡がり部分とが協働し
て間隔を隔てたローブ形ベアリングパッドを形成するよ
うに、ベアリング部材が前方および後方の傾斜内面を有
し、この傾斜内面はスピンドルの対応する前方および後
方の外側拡がり部分の回りに延びている。ベアリング部
材の環状面のセクションは、対応して対面する拡がり部
分より僅かに大きい曲率半径を有し、これが、パッドに
ローブ輪郭を付与する。好ましくは1.968 インチ（約５
0 mm）のサイズの直径をもつスピンドル軸を40,000 rpm
までの速度で駆動するとき、ベアリング部材の環状面の
セクションの好ましい曲率半径は、スピンドルの拡がり
部分のセクションの中心から約 0.004インチ（約0.10m
m）だけオフセットした点から回転軸線に沿って測定さ
れ、パッドに傾斜ローブ輪郭を付与する。曲率半径の0.
004 インチ（約0.10mm）の好ましい差は、スピンドルの
高速作動中に、エネルギ損失を受けることなく且つベア
リングに多量の熱を発生させることなく、ベアリングパ
ッドに適正な荷重支持能力を与える。このような高速機
械加工において発生される熱は、液体ベアリングを通し
て液体を循環させることにより許容限度内に維持され、
スピンドルおよびベアリングから熱を除去する。本願に
開示する例では、流入する液体の熱は約７０⁰F （大気
温度）（約２１℃）であり、工具から放出されるときは
約１２０⁰F （約48.9℃）である。

【００１１】一つの形態では、スピンドル軸の前方およ
び後方の拡がり部分でスピンドル軸の回りに少なくとも
４つのベアリングパッドが形成されており、高回転速度
の機械加工作業中にスピンドルの振動を最小にし且つス
ピンドルを安定化させる。好ましくは、等間隔を隔てた
５つのベアリングパッドがスピンドル軸の回りに形成さ
れており、スピンドル軸に高レベルの動的剛性を付与し
且つ高速機械加工作業中の同調振動の立上がりを防止す
る。スピンドル軸の前部には工具受入れマウントを設け
ることができ、該工具受入れマウントは、工具の切削面
がワークと係合できるように工具受入れマウントから前
方に突出させて、マウント中に切削工具のシャンクを受
け入れ且つ捕捉する。工具受入れマウントは、スピンド
ルの工具マウントを膨張させるか、工具のシャンクを収
縮させることにより、工具シャンクが工具マウントの軸
線方向取付けボア内に挿入されるようにして、工具シャ
ンクを捕捉する。これにより、工具受入れマウントが膨
張されている場合には後で収縮（収縮されている場合に
は後で膨張）させることにより、マウントのクランプ力
をシャンクに付与できる。工具受入れマウントは、スピ
ンドル軸とは別体のアダプタユニットとして設けること
ができる。好ましくは、アダプタユニットは、４００〜
５００⁰F （約204.4 〜260 ℃）の間の温度で加熱する
ことにより膨張され、その後に工具の取付けシャンク上
にきつく締まり嵌めされる材料で形成される。このよう
にして、アダプタユニットは、切削工具と一体化された
ユニットとなる。工具を迅速に交換できるようにするた
め、種々の工具をこれら自体のアダプタユニットに予め
取り付けておき、アダプタユニットを、スピンドルに取
り付けるための工具マガジンまたはカルーセル内に配置
して切削工具の交換を行なうように構成できる。

【００１２】アダプタをスピンドル軸に取り付けるた
め、スピンドル軸の前端部には、取付けボアまたはソケ
ットと、高圧流体を取付けボアに導入するための流体導
管装置とが設けられる。高圧流体を流体導管装置に導入
すると取付けボアが膨張され、これにより、アダプタユ
ニットが、アンカー工具を用いて、スピンドル取付けボ
ア内に引き入れられ且つ座合される。流体圧力がボアか
ら除去されると、ボア表面がアダプタユニットの回りで
収縮され、アダプタユニットがスピンドル軸にきつく連
結される。流体は9,000 〜12,000 psiの範囲内の圧力で
導管装置に供給され、アダプタユニットをボア内に挿入
できるようにボアが膨張される。アダプタユニットをス
ピンドルボアから取り外すことにより工具を交換する場
合には、アンカー工具を使用して流体圧力によりアダプ
タユニットを緩め、次に、導管装置に流体を供給してボ
アを再び膨張させ、アダプタユニットをスピンドルから
取り外すことができるようにする。本願に教示する高圧
流体を使用すれば、工具の交換を約１分以内に行なうこ
とができる。

【００１３】

【実施例】本発明は、ワークに高速機械加工作業すなわ
ち切削作業を行なうため、図１に示すようなスピンドル
ユニット１２を回転駆動するための回転駆動装置１０を
備えた工作機械組立体に関する。スピンドルユニット１
２は30,000〜40,000 rpmの範囲の高速機械加工作業を行
なうことができ、特に、スピンドルおよびその回転切削
工具が、例えばリニアモータにより、機械加工すべきワ
ークに対して種々の方向（例えば、横方向Ｘ、垂直方向
Ｙおよび前後方向Ｚ）に迅速前進できるように、被駆動
要素により支持されている構成の高速工作機械組立体に
使用するのに適している。スピンドルユニット１２はス
ピンドル軸１４（図２）を有し、スピンドル軸１４は、
前端部１４ａおよび後端部１４ｂを備え且つその回転軸
線１５に沿って延びている。スピンドル軸１４は、前端
部１４ａに切削工具が取り付けられ且つ後端部１４ｂが
回転駆動装置１０に連結されて、高速回転切削作業を行
なうべく回転軸線１５を中心に駆動される。本発明のス
ピンドルユニット１２を、本発明の目的とする高速回転
で駆動できるようにするため、ベアリング部材１６は、
比較的小さな直径Ｄ（図５）および1,500,000 〜2,000,
000 の間のＤＮ値をもつように設計された流体ベアリン
グである。スピンドル軸１４の回転速度がこのように高
いと、ベアリング部材１６とスピンドル軸１４との間に
形成される流体流体ベアリングパッド１８の設計が特に
重要である。本発明では、ベアリングパッド１８は、図
６に最も良く示すように、傾斜したローブ輪郭（canted
lobe profile)をもつように設計されており、この点に
関してはより詳細に後述する。

【００１４】ベアリングパッド１８には、スピンドル軸
１４の前端部１４ａおよび後端部１４ｂで、好ましくは
単一の流体源すなわちサンプ２０（図２）（サンプ２０
内には、大気温度（例えば７０⁰F ）（約２１℃）のベ
アリング流体が保留されている）からベアリング流体が
供給される。ベアリングパッド１８は、これらの荷重支
持能力がベアリングパッド１８内の自己発生圧力膜によ
り定まる純粋な流体ベアリングであり且つ５ミクロンの
好ましい最小作動間隙を有するので、ベアリング流体
（後述の理由から水が好ましい）が、フィルタ２２のフ
ィルタエレメント２１により、２ミクロンまできれいに
濾過される。きれいに濾過された水は、次に、ポンプ２
４により、ベアリングハウジング部材２８に形成された
ベアリング水入口導管２６内に圧送される。ベアリング
水導管２６は、ベアリング流体を、ベアリング部材１６
とハウジング２８との間に形成された水チャンネル３０
へと導き、ベアリング流体を、より詳しく後述するよう
にベアリングパッド１８に供給する。ベアリング流体は
スピンドルユニット１２から排出され、スピンドルの高
速作動中に発生した多量の熱をスピンドルから除去して
スピンドル軸１４を冷却する。ベアリング水の出口温度
は約１２０⁰F （約48.9℃）である。熱いベアリング水
はサンプ２０に戻され、ここで大気温度まで低下され且
つ再濾過されて、工作機械組立体による切削作業中に約
３〜４ガロン／分の流量でベアリングパッド１８へと再
度圧送される。かくして、ポンプ２４は、濾過および再
循環された冷たいベアリング流体をベアリングパッド１
８に供給して、ベアリングパッドを連続的に洗い流し且
つ浄化し、スピンドルを冷却する。このようにして、ベ
アリングパッド１８はクリーンな状態に保たれ、ベアリ
ングパッド１８の機能および荷重支持能力に悪影響を及
ぼすあらゆる汚染物質が除去される。本発明の流体ベア
リングは、これと同径の慣用的な接触ボールベアリング
の３〜４倍の荷重支持能力を有する。この熱の除去によ
り、高速作動時の金属膨張作用を最小にすることができ
る。

【００１５】従って、スピンドル軸１４および流体ベア
リング１６の直径を小さくできると同時に、大径スピン
ドルおよびベアリングと同等の荷重支持能力が得られ、
このため、スピンドル軸１４を高回転速度で駆動できる
と同時に、従来技術の大径スピンドルに比べ、より高速
且つ高精度の切削作業を行なうことができる。本発明の
小形スピンドルユニット１２は、また、ベアリングに作
用するユニット荷重を低減でき、このため、流体ベアリ
ング１８は、高い回転速度で運転される場合でも実際上
全く摩耗しない。これは、流体ベアリング１８（この流
体ベアリング１８は、高速作動により引き起こされる大
きな負荷を受けたとき、間隙およびベアリング水の膜厚
を減少させる）が、実際に、優れたすなわち大きな荷重
支持能力を有することによる。実際に、本発明のスピン
ドルユニット１２を運転させるときの剛性および荷重支
持能力の点での最適速度は、35,000〜40,000 rpmの間で
ある。一般に、30,000 rpm以下の回転速度は、本発明の
流体ベアリング１８に自己発生圧力水膜を発生させる上
で不充分である。

【００１６】30,000 rpmを超える回転速度、特に40,000
rpmの最高速度では、流体ベアリングパッド１８のシー
リングが重要な問題となる。前述のように、接触シール
は、本発明のスピンドル軸１４が駆動されるような高回
転速度では、磨耗し且つ劣化する。この問題を解決する
ため、本発明は、ベアリング流体パッドと切削流体との
間で、スピンドル軸１４上に流体バリヤを形成する流体
バリヤシール３２を使用する。流体バリヤシール３２
は、後で詳述するように、幾分かの制御された量のベア
リング流体が、ベアリングパッド１８から切削流体へと
漏洩できるようにする。工作機械組立体には、図２に参
照番号３４で概略的に示す切削流体供給装置を設けるこ
とができる。一般に、切削流体供給装置３４は、少量の
水溶性オイル添加物が混合された水性流体であって、フ
ィルタおよびポンプ装置３６により工具／ワーク界面に
供給される水性流体を使用している。好ましくは、切削
流体は、９５％の水と５％の水溶性オイルとからなり、
約１０ミクロンのフィルタエレメントに濾過される。

【００１７】前述のように、幾分かの制御された量のベ
アリング流体の漏洩を許容する非接触流体バリヤシール
３２をスピンドル軸１４の回りに設けるため、ベアリン
グ部材１６は、そのベアリングパッド１８内に水性流体
を取り入れるように設計されている。このようにして、
微細濾過された水性ベアリング流体は、流体バリヤシー
ル３２を通って、ベアリングパッド１８から工具／ワー
ク界面での切削流体に漏洩しても、切削流体装置を害す
ることはない。切削流体は、ベアリング流体源２０から
分離されたサンプ３８から得ることができる。ベアリン
グ流体および切削流体の両者が水性であるため、これら
の両流体を同一のストック流体から供給して本発明のス
ピンドルユニット１２に使用することもできる。本発明
の他の特徴は、工具アダプタ４０を設けたこと、および
スピンドル軸１４の端部のソケット６２内に切削工具４
２が取り付けられるようにしたことである。相手のテー
パ状スピンドルソケット内に嵌合される急勾配のテーパ
面を備えた従来の工具アダプタは、大径ベアリングを必
要とする比較的大形の工具アダプタであり、スピンドル
を運転できる速度が低下してしまう。また、この大きな
サイズは、スピンドルを所望の作動速度まで加速し且つ
減速するのに、従来のスピンドルの加速速度および減速
速度を低いものとしている。本発明の工具受入れアダプ
タ４０は、慣用的な工具アダプタよりも小形であり、工
具を特別仕様で製造する必要はない。アダプタ４０に
は、図７に示すような、後方の円筒状ねじ付き取付けシ
ャンク４４および前方の切削面４６を備えた標準形の在
庫切削工具４２が使用できる。切削工具４２を工具受入
れアダプタ４０に取り付けるには、アダプタ４０を膨張
させるか、工具のシャンク４４を収縮させて、シャンク
４４を、アダプタ４０に円筒壁４９を形成する軸線方向
貫通ボア４８内に挿入することができる。加熱により工
具受入れアダプタ４０を膨張させる方が、例えば液体窒
素中に浸漬することにより工具シャンク４４を収縮させ
るよりも早いため、工具受入れアダプタ４０を加熱する
ことが好ましい。アダプタ４０の円筒壁４９を４００〜
５００⁰F （約204.4 〜260 ℃）の間の温度に加熱する
と、軸線方向ボア４８が充分に膨張し、工具シャンク４
４を、図８に示すようにボア４８内に挿入できる。アダ
プタ４０から高温熱が除去されると、円筒壁４９が収縮
して取付けシャンク４４をクランプし、工具シャンク４
４がアダプタ４０内に確実に把持される。ひとたびシャ
ンク４４が、締まり嵌めにより工具受入れアダプタ４０
のボア４８内に捕捉されると、アダプタ４０および切削
工具４２が互いに一体化される。このため、両者を分離
させるには、工具受入れアダプタ４０を再び加熱する必
要がある。切削工具４２は、該工具の円形端壁４５がア
ダプタ４０の外端部４７に当接すると、アダプタ上に正
確に位置決めされる。

【００１８】40,000 rpm以上の高速で作動すると、円筒
壁４９は膨張する傾向を有し、シャンク４４をねじ付き
ボア内に螺合する場合には、このねじ止めが緩んでしま
うであろう。従って、工具の保持のためにはねじを使用
しないのが好ましい。好ましくは、切削工具４２および
アダプタ４０は、スピンドル軸上でソケット５２に連結
されるアダプタユニット５０を構成すべく結合される。
別のアダプタユニット５０は、本発明のスピンドルユニ
ット１２に使用する特殊工具の形式である。かくして、
商業的に入手できる幾つかの異なる形式の標準形切削工
具の各々を関連アダプタ４０に予め取り付けて自動工具
チェンジャにより取り扱われるアダプタユニット５０を
形成し、本発明のスピンドルユニット１２を用いて或る
切削工具から次の切削工具への切換えを容易に行なうこ
とができる。この場合にも、アダプタユニット５０を用
いることにより、スピンドルユニット１２に取り付ける
ための特殊工具を購入または製造する必要がなく、在庫
の工具４２をアダプタ４０に使用して、工具４２をスピ
ンドル軸１４に連結するためのアダプタユニット５０を
形成することができる。

【００１９】スピンドル軸１４の前端部１４ａには、図
２および図８に最も良く示すように、取付けソケットす
なわち取付けボア５２が設けられており、取付けソケッ
ト５２は僅かにテーパ状の円錐面を有し、この円錐面
は、段差をなして、より小径のアンカー工具受入れ貫通
ボア５４に連続している。アダプタユニット５０は、後
方の環状表面部５６と、より小径の前方の表面部５８と
を有しており、前方の表面部５８は、アダプタユニット
５０がソケット５２内に取り付けられたときに、前方に
突出する。アダプタユニット５０は、後方の環状表面部
５６を、ソケット５２内に嵌装でき且つ本発明の５０mm
の流体ベアリング部材１６およびスピンドル軸１４に使
用できるように同一形状に維持する一方、前方の表面部
５８は、１インチ（約2.54cm）、３／４インチ（約 1.9
05cm）および３／８インチ（約 0.953cm）を呈するよう
に前方の表面部５８の外径を変化させることにより種々
のサイズにすることができる。アダプタ４０の後方の環
状表面部５６には、前方から後方に向かう僅かなテーパ
を付すことができる。このテーパは、アダプタユニット
５０をスピンドル軸のソケットボア５２内で心出しさせ
るため、ボアの後方の円錐面５３のテーパと実質的に一
致している。スピンドル軸のソケットボア５２およびア
ダプタユニット５０の互いに協働する僅かなテーパは、
スピンドルの前部を比較的小さく維持し、このため、本
発明のスピンドルユニット１２では、スピンドルの回転
速度を30,000〜40,000 rpmの範囲内の所望の回転速度に
増大させることができる。かくして、アダプタユニット
５０は、Holteyの米国特許第5,322,494 号に開示されて
いるように、隣接のベアリングに近接させて、且つスピ
ンドルハウジング内で工具を軸線方向にプリセットした
状態で位置決めすることができる。

【００２０】スピンドル軸１４は、9,000 〜12,000 psi
の範囲の高圧流体をスピンドルソケット５２に供給する
流体導管装置６０を有している。図７に最も良く示すよ
うに、導管装置６０は、ソケット５２から半径方向に間
隔を隔てて軸の前端部１４ａに形成された入口６１を有
しており、この入口６１は軸線方向に延びた導管６０ａ
に通じている。入口６０および軸線方向導管６０ａ内に
導入された流体は、半径方向通路６０ｂを介してソケッ
ト５２に供給される。アダプタユニット５０をソケット
５２内に嵌合させるため、導管装置６０を介して高圧流
体を供給し、ソケット５４の直径を拡大させる。雄ねじ
端６４を備えたアンカー工具６２はアンカー工具受入れ
ボア５４を通って延び、ねじ端６４がソケット５２内に
突出して、アダプタユニットの貫通ボア４８の雌ねじ付
き後方部６６内に螺合する。高圧流体によるソケット５
２の拡大により、アンカー工具６２は、アダプタユニッ
ト５０をソケット５２内に引き入れ、アダプタユニット
５０の後壁５０ａを、ソケット５２の底部に形成された
環状ソケット壁６８に座合させて、アダプタユニット５
０をソケット５２内で位置決めする。これにより、アダ
プタユニット５０と在庫の切削工具４２とにより形成さ
れる特殊工具がソケット５２内に取り付けられたときの
軸線方向位置が設定される。すなわち、工具アダプタ４
０がソケット内に完全に挿入されてソケット底壁６８に
当接すると、工具挿入深さが一定に維持される。その
後、導管装置６０から流体が除去され、これにより、ア
ダプタ５０が、僅かにテーパしたソケット面５２とアダ
プタ５０の対応してテーパした環状後面部５６との間の
摩擦力によりきつく把持され、アダプタ５０はスピンド
ル軸１４と一緒に回転できるようにソケット５２内に固
定される。

【００２１】本発明のスピンドルユニット１２およびこ
れに使用される流体ベアリング１８により、高速切削作
業を遂行できる。ベアリング１８は、スピンドル軸１４
自体の高速回転により発生される荷重およびスピンドル
ユニット１２の高速回転作動中に切削から生じる応答力
による荷重を有効に除去する。これは、前述のように、
本発明の流体ベアリングパッド１８が高いＤＮ値および
優れた荷重支持能力を有し、同サイズの慣用的な金属対
金属接触ベアリングの３〜４倍の荷重を支持でき、高回
転の切削速度でも非常に剛性のある機械加工装置を構成
することにより可能となる。また、ベアリングパッド１
８は水性ベアリング流体を使用するように設計されてい
るため、パッド１８から切削流体（これも水性流体であ
る）への僅かな漏洩があったとしても、切削流体に害を
及ぼすことはない。このため、スピンドル軸１４の高回
転速度を受けて劣化する接触シールではなく、流体バリ
ヤシール３２を使用している。また、アダプタユニット
５０およびスピンドル軸１４への切削工具１４の取付け
により、ベアリングの直径を比較的小さく維持し、回転
速度を増大することができる。かくして、本発明の流体
ベアリングの高いＤＮ値および優れた荷重支持能力によ
り、スピンドルユニット１２の回転速度を30,000〜40,0
00 rpmの範囲内で作動するように増大させ、高速且つ高
精度の切削作業を行なうことができる。

【００２２】本発明の回転駆動装置１０およびスピンド
ルユニット１２の好ましい例示の実施形態について、以
下に、詳しく説明する。図１を参照すると、回転駆動装
置１０は電気モータ７０であり、該電気モータ７０は、
ステータアーマチュア７２と、モータ７０の駆動軸７６
を備えたロータ７４とを備えている。駆動軸７６は、ス
プライン連結によりスピンドル軸１４に連結されてい
る。スピンドル軸１４の後端部１４ｂには内歯スプライ
ン７８が設けられ、駆動軸７６の前端部７６ａには、ス
ピンドル軸１４の内歯スプライン７８と噛み合う外歯ス
プライン８０が設けられていて、スピンドル軸１４と駆
動軸７６との間に剛性な相互連結継手を形成している。
駆動軸７６の前端部７６ａおよび後端部７６ｂには、そ
れぞれ、慣用的な金属対金属接触ボールベアリング８
２、８４が設けられている。ボールベアリング８２、８
４は駆動軸７６およびロータ７４の荷重を支持するに過
ぎないため、ボールベアリングのサイズは、慣用的な一
体形モータ駆動スピンドルユニットのボールベアリング
より小さい。すなわち、慣用的に、スピンドルユニット
は、スピンドル軸がモータのロータ部分を支持するよう
に、モータに関連して設けられている。かくして、通
常、一体形スピンドル／モータユニットでは、モータの
作動により発生される力およびスピンドルの荷重は、モ
ータ用ベアリングにより支持される。それどころか、モ
ータ駆動軸７６がスピンドル軸１４の後端部へのスプラ
イン形カップリングを備えた本発明の構成では、モータ
は、軸の高速回転により生じる大きな遠心力、機械加工
作業中の切削からの反力および破壊時に生じる過大荷重
等のスピンドルが受けるこれらの負荷から実質的に隔絶
される。それどころか、これらの負荷は、流体ベアリン
グパッド１８により支持されるに過ぎない。かくして、
ベアリング８２、８４は、駆動軸７６およびロータ７４
を支持するに過ぎず、約１２ポンド以上のロータ荷重は
支持しないため、小形化できる。従って、メインテナン
スおよび潤滑が適正に行なわれるならば、ベアリング寿
命は増大され、約40,000時間のベアリング寿命が期待さ
れよう。これによりモータ７０のハウジングカートリッ
ジ８６のサイズを小形化でき、このことは、一般にモー
タ駆動形スピンドルの最大直径要素がモータハウジング
であるため、重要である。このように、本発明のスピン
ドルユニット１２により空間が一層節約される。

【００２３】回転駆動装置１０にスピンドルユニット１
２を連結するため、支持／カップリングセクション８８
が設けられており、この支持／カップリングセクション
８８は、この前面８８ａに形成された中央のテーパ状ス
ピンドル受入れ凹部９０を備えている。スピンドルユニ
ットのハウジング部材２８は後方のハウジング部分９２
を有し、該ハウジング部分９２は、テーパ状凹部９０内
にぴったり嵌合されるように設計された後方の円錐面９
４を備えている。かくして、スピンドルユニット１２
は、その後方の円錐状部分９２をテーパ状凹部９０内に
挿入し、スピンドル軸１４の内歯スプライン７８をモー
タ駆動軸７６の外歯スプライン８０と整合および係合さ
せることにより、その作動位置に取り付けられる。スピ
ンドルユニット１２は、図１１に最も良く示すように、
クランピング機構９６を介してセクション８８に連結さ
れた作動位置に維持される。クランピング機構９６は、
後方の円錐状部分９４の前方で、スピンドルハウジング
部材９２に形成された環状取付けフランジ９８と協働す
る。クランピング機構９６は、取付けフランジ９８の後
部を、支持／カップリングセクション８８の前面８８ａ
に対してクランプする。より詳しくは、環状フランジ９
８には、等間隔を隔てた３つの孔１００が設けられてい
る。カップリングセクションの面８８ａには、スピンド
ル受入れ凹部９０の回りで面８８ａに等間隔を隔てて形
成された３つの座ぐり凹部１０２を設けることができ
る。これらの座ぐり凹部１０２は３つのクランピング機
構９６を受け入れて、フランジを面８８ａにクランプす
る。クランピング機構９６は、円筒状の本体部分１０６
および半径方向に延びる部分１０８を備えたクランプマ
ウント１０４を備えている。本体部分１０６は、ねじ緊
締具１１０により半径方向部分１０８を支持セクション
の面８８ａに当接係合させることにより、凹部１０２内
にきつく嵌合される。ねじ緊締具１１０は、凹部１０２
から半径方向外方で面８８ａに形成された雌ねじ付き軸
線方向ボア１１２内に受け入れられる。クランプマウン
ト部分１０６は貫通ボア１０６ａを有し、該ボア内にク
ランピング装置１１４が回転可能に嵌合される。

【００２４】クランピング装置１１４は、半径方向に延
びる上部のフィンガ部分１１６を有し、該フィンガ部分
は、取付けフランジ９８の前部と係合し且つ取付けフラ
ンジをカップリングセクション８８の前面８８ａに対し
てクランプする。ボルト１１８が、クランピング装置１
１４に形成された軸線方向貫通ボア１２０に挿通され、
突出ねじ端部１１８ａを、凹部１０２の底部の中央に形
成され且つ貫通ボア１２０と整合するねじ付きボア１２
２内に突出させる。スピンドルユニット１２を取り外す
には、ボルト１１８を緩めてボルト端部１１８ａをボア
１２２内で軸線方向外方に移動させ、クランピング装置
１１４がクランプマウント１０４の円筒状本体部分１０
６内で回転できるようにし、半径方向に延びるフィンガ
１１６を回転させてフランジ９８の前面から離脱させ
る。

【００２５】別の構成では、図１２に示すように、自動
ばねクランピング機構１２４を設けることができる。こ
の自動ばねクランピング機構１２４では、クランプマウ
ント１２６が、ボア１２８から半径方向外方に間隔を隔
ててねじ付きボア１３２に螺合されるねじ緊締具１３０
を介して、カップリングセクション８８のボア１２８内
に取り付けられる。ばねクランピング装置１３４は、軸
１３６の後端部に取り付けられた後部ジャーナル部材１
３８によりボア１２８内に軸支されるばね付勢された軸
１３６を有している。スピンドル取付けフランジ９８の
前部と係合し、該フランジ９８の後部を前面８８ａに対
して押し付けてクランプするためのクランピングフィン
ガ１４０が、軸１３６の前端部に取り付けられている。
後部ジャーナル部材１３８のばね受け座部分１４２が設
けられており、このばね受け座部分１４２は、ばねハウ
ジング１４６（該ばねハウジングのコイルは軸１３６を
包囲している）に取り付けられたばね１４４の後部と係
合する。ばねハウジング１４６は、カップリングセクシ
ョンボア１２８の拡径部分１４８内にきつく嵌合する。
ばね１４４の前端部は、ハウジング１４６の内部の前部
でスペーサ部材に当接する。後部ジャーナル部材１３８
の拡径フランジ１５２は、ばね受け座部分１４２の後方
に位置しており且つボアセクション１４８内で回転でき
るようにベアリング１５４により軸支されている。クラ
ンピングフィンガ１４０がフランジ９８とクランピング
係合すると、図１０に示すように、フランジ１５２の前
部がばねハウジング１４６の後部から僅かに間隔を隔て
られる。クランピングフィンガ１４０をフランジ９８か
ら離脱させるには、フランジ１５２と、緊締具１５８お
よび協働ボア１６０によりカップリングセクション８８
に取り付けられた後部キャップ部材１５６との間に加え
られるエア圧等の軸線方向力を、フランジ１５２の後面
に加えることができる。キャップ１５６には中央開口１
６２が設けられており、この中央開口１６２内には、軸
の後端部がベアリング１６４により回転可能に軸支され
ている。キャップ１５６とフランジ１５２との間に圧力
を加えることにより、フランジ１５２を、ばね１４４の
押圧力に抗して軸線方向前方に移動させ、クランピング
フィンガ１４０がスピンドルフランジ９８とのクランピ
ング係合から外れるように、回転できるようにする。フ
ランジ９８の回りで、周方向に等間隔を隔てて幾つかの
クランピングフィンガ１４０が設けられており、スピン
ドルユニット１２がモータ駆動ユニットに連結された状
態に保持する。図１２に最も良く示すように、内歯１６
１を備えた円形ギア１５９が、軸線方向１３６の外周に
沿って長手方向に延びたラック歯１６３と協働する。か
くして、ギア１５９がエアモータ等（図示せず）により
回転されると、全てのクランプフィンガ１４０が、クラ
ンピング位置または非クランピング位置に向かって同時
に回転される。ラック歯１６３は軸１３６が軸線方向に
移動できるようにし、同時に、円形ギア１５９のそれぞ
れの係合ギア歯に沿って摺動する。

【００２６】図３〜図６を参照して、ベアリング部材１
６およびこれにより形成されるベアリングパッド１８の
構造および配置についてより詳細に説明する。ベアリン
グ部材１６は、図３および図４に最も良く示すように、
実質的に円筒状の本体１６４および前方の環状フランジ
１６６を有している。本体１６４は、環状フランジ１６
６と一体の円筒壁１６８を有している。環状フランジ１
６６に隣接する円筒壁１６８の前端部１６８ａおよび後
端部１６８ｂの両方において、円筒壁１６８の内面１７
０には、図５に最も良く示すように、傾斜面１７２が形
成されている。前方の傾斜面１７２ａは、ベアリング部
材１６の内面から、軸線１５から離れるように外方に拡
がっている。同様に、後方の傾斜面１７２ｂも、ベアリ
ング部材１６の内面から、軸線１５から離れるように外
方に拡がっている。

【００２７】円筒状ベアリング部材１６は、図２に示す
ように、スピンドル軸１４およびその回転軸線１５の回
りで同心状に取り付けられている。スピンドル軸１４は
前後の拡がり部分１７４、１７６を有し、これらの部分
は、それぞれ、ベアリング部材１６の傾斜面１７２ａ、
１７２ｂと協働してこれらの間に流体ベアリングパッド
１８を形成する。スピンドル軸１４の前方の拡がり部分
１７４はスピンドル軸１４と一体であるのが好ましく、
一方、後方の拡がり部分１７８は、スピンドル軸１４の
後端部１４ｂでスピンドル軸に取り付けられた後方ジャ
ーナル部材１７８の形態をなしており、スピンドル軸と
一緒に回転する。ベアリング部材１６の前方の拡がり部
分１７４および後方の拡がり部分１７６は、両方共、軸
線１５の回りに円形の断面形状を有する。ベアリング部
材の傾斜面１７２ａ、１７２ｂおよびそれぞれのスピン
ドル拡がり部分１７４、１７６は、長手方向軸線に対し
て約３０°の角度に形成されている。ベアリングパッド
１８が傾斜しているため、ベアリングは、スピンドル軸
１４の半径方向荷重および軸線方向荷重の両方を有効に
支持できる。これに対し、スピンドルの拡がり部分１７
４、１７６は軸線１５の回りで円形であり、傾斜面１７
２ａ、１７２ｂ（より詳しくは、拡がり部分１７４、１
７６の対応セクションに対面する傾斜面１７２ａ、１７
２ｂのセクション）には、これらの中心を軸線１５から
オフセットさせることによりベアリングパッドのローブ
１７８を形成すべく、僅かに大きな曲率半径が設けられ
ている。より詳しくは、ベアリングパッドのローブ１７
８を傾斜させるため、傾斜面１７２のセクションは、基
準円１８２（該基準円は、軸線１５上に中心を有し且つ
0.004 インチ（約0.10mm）の半径を有する）上に位置す
る点１８０（図４）に中心をもつ弧の形態をなしてい
る。傾斜ローブをいかにして作るかを示すため、円１８
０は、0.004 インチ（約0.10mm）の半径から大幅に拡大
して示されている。かくして、傾斜面１７２の部分弧の
曲率半径は、スピンドルの拡がり部分１７４、１７６の
対応セクションの曲率半径より0.004 インチ（約0.10m
m）だけ大きい。また、振動分析試験に基づいておよび
ベアリング流体として水の使用を考慮に入れて、スピン
ドル軸１４の前端部１４ａおよび後端部１４ｂの回りに
は、５つの流体ベアリングパッド１８を設けるのが好ま
しい。４つのベアリングではなく５つのベアリングを使
用するのが好ましい理由は、５つのベアリングでは、同
調振動レベルが４つのベアリングの場合の１／２に減少
されるため、従ってびびりが最小に減少され且つ高速作
動時の工作機械の剛性を維持して正確な切削作業が行な
えることが判明しているからである。

【００２８】特に、図４を参照すると、５つの各ベアリ
ングパッドの傾斜面の弧セクションは、円１８２の回り
で等間隔を隔てた５つの点から始まる半径を有する。か
くして、図４から分かるように、点１８０は互いに７２
°の間隔を隔てており、このため、円１８２上の対応す
る原点１８０から傾斜面セクションに引かれた線は、中
心軸線１５から0.004 インチ（約0.10mm）だけオフセッ
トしたより小さな円１８２の半径を有する。このため、
これらの中心１８０は、拡がり部分のセクションの中心
１５とは一致せず、従って、傾斜面セクションに、対応
する拡がり部分のセクションより0.004 インチ（約0.10
mm）だけ大きい曲率半径を与え且つベアリングに傾斜ロ
ーブ輪郭を与える。スピンドル軸１４が回転して、下流
側パッドの直ぐ上流側のパッドのローブの大きな部分
が、下流側パッドのローブの最小部分に隣接すると（こ
のとき、傾斜面と拡がり部分との対向面は最小作動間隙
状態にある）、１つのパッド１８が、常に、他の隣接す
る下流側パッドにプリロードを与えるであろう。本発明
のベアリングパッドの傾斜ローブ輪郭によれば、スピン
ドル軸１４は、剛性のある安定した態様で極めて高い回
転速度で運転できる。また、前述のように、好ましい最
小作動間隙は５ミクロンであり、このため、スピンドル
ユニット１２に瞬間的に過大荷重が作用しても、ベアリ
ングパッド１８の水膜の圧力は充分に荷重を支持でき、
且つ「スクイーズ膜荷重効果」により水が長時間を要せ
ずしてベアリングパッド１８から出るすなわち搾り出さ
れるため、金属対金属接触が防止される。従って、慣用
的な接触ベアリングに損傷を及ぼすこととは異なり、瞬
間的荷重が本発明の流体ベアリング１８に影響を及ぼす
ことはない。

【００２９】前述のように、ベアリングパッド１８に流
体を供給するため、水が、サンプ２０から、ベアリング
水入口導管２６（該導管２６は、ベアリングハウジング
部材２８の後部で該ハウジング部材２８に形成されてお
り且つハウジング部材２８の内面１９０（図２）とベア
リングの円筒壁１６８との間に形成された水チャンネル
３０に向かって半径方向内方且つ軸線方向前方に向かっ
て傾斜して延びている）内に圧送される。軸線方向チャ
ンネル３０は、ベアリング部材１６８の前端部１６８ａ
と後端部１６８ｂとの中間に形成された周方向溝１９２
（図２および図４）に水を供給する。溝１９２には複数
の半径方向通路１９４が形成されており、該通路１９４
はベアリング壁１６８の内面１７０まで延びている。ス
ピンドル軸１４は、該軸１４とベアリング内面１７０と
の間に幾分かの半径方向間隙を形成するサイズの直径を
有し、水が、通路１９４の出口からスピンドル軸１４に
沿って軸線方向に流れ、ベアリング部材の傾斜面１７２
ａ、１７２ｂに形成された供給溝１９６に流入する。こ
のようにして、スピンドル軸１４の周囲を包囲するよう
にして冷水が供給され、スピンドルを適当に冷却させ
る。傾斜面１７２ａ、１７２ｂの周囲には５つの供給溝
１９６を設け、両傾斜面間には５つのベアリングパッド
１８を形成するのが好ましい。かくして、供給溝１９６
は、スピンドル軸１４とベアリング部材の内面１７０と
の間から水を得て、この水を、ベアリングパッド１８の
いずれか一方の側で、隣接するベアリングパッド１８に
供給する。ベアリング部材の端部で、供給溝１９６には
Ｖ形ノッチ１９８を設けることができ、これにより、後
でより詳細に説明するように、水がＶ形ノッチ１９８を
通り、スピンドルユニット１２から流出してサンプ２０
に戻り得るようにする。

【００３０】スピンドルユニット１２のシーリング、特
にベアリングパッド１８からの水のシーリングのため、
スピンドル軸１４の前端部１４ａにはキャップ／シール
構造２００（図２）が設けられ、スピンドル軸１４の後
端部１４ｂには後方シール部材２０２が設けられてい
る。キャップ／シール構造２００は、図２、図７および
図８に示すように、緊締具２０６を介してハウジング２
８の前部に取り付けられたキャップ部材２０４を有す
る。キャップ部材２０４は中央開口２０６を有し、該中
央開口２０６内には、ロウ付けまたは溶接等により、エ
アバリヤラビリンスシール２０８が取り付けられてい
る。エアバリヤシール２０８は、前方拡がり部分１７４
の前方で、スピンドル軸の前端部１４ａの環状ノーズ部
分２１０（該ノーズ部分内には、アダプタユニット５０
用のソケット５２が形成されている）の回りにぴったり
嵌合されている。高速回転作動中にエアバリヤシール２
０８にエア圧が加えられると、このエア圧により、シー
ル２０８と前方の軸ノーズ部分２１０との間（より詳し
くは、ウェブ２１８および軸ノーズ２１０により連結さ
れた、シール２０８の軸線方向に間隔を隔て且つ半径方
向に突出した部分２１４と２１６との間）にエアクッシ
ョン２１２が形成される。同様に、後部シール部材２０
２は軸線方向に間隔を隔て且つ半径方向に突出した一連
の部分２２０（図２）を有し、これらの部分は、軸の後
端部１４ｂに対して厳格な公差で嵌合されている。エア
圧が加えられると、突出部２２０と軸の後端部１４ｂと
の間に、エアクッション２１２と同様なエアクッション
が形成される。かくして、本発明のエアバリヤシールに
よれば、シールと高速回転する軸１４との間に接触が存
在せず、このため、慣用的な接触シール部材が受ける磨
耗の問題は解決される。また、スピンドルユニット１２
から漏洩するあらゆるベアリング流体は、シール２０
２、２０８の種々の半径方向突出部を通り且つシールと
軸１４との間に形成されるエアバリヤクッションを通ら
なければならない。

【００３１】図２を参照すると、シール２０２、２０８
用の加圧エアは、ハウジング２８の後部で円錐面９４に
形成されたエア入口ポート２２２を介してスピンドルユ
ニット１２に入る。加圧エアは開端形円筒状プラグ２２
４に入り、エアは、該プラグ２２４から、エアバリヤシ
ール２０８に向かって軸線方向前方へおよびシール部材
２０２に向かって後方へと流れる。より詳しくは、ハウ
ジング部材２８は、これに形成され且つ円筒状プラグ２
２４の前方開端部と整合している軸線方向導管２２６を
有している。導管２２６の前部で、ハウジング部材２８
には、軸線方向導管２２６と連通する半径方向通路２２
８が形成されている。半径方向通路２２８は、前方キャ
ップ部材２０４の後部に形成された入口ポート２３０と
整合される。ここから、エアは、キャップ部材２０４に
形成された軸線方向および半径方向のエアチャンネル２
３２により、キャップ部材２０４内で、キャップ部材の
前部に向かって、軸線方向前方且つ半径方向内方に指向
される。図７を参照すると、チャンネル２３２からのエ
アは、ウェブ２１８の前方で、前方の半径方向突出部２
１６の後ろに形成された環状キャビティ２３５と整合す
る出口ポート２３４によりエアバリヤシール２０８に供
給される。前方キャビティ２３６からのエアは、ウェブ
２１８の後ろを通り、後方の環状突出部２１４の後ろに
形成された環状の後部キャビティ２３６へと、ウェブ２
１８の後方に流れる。エアは、後部キャビティ２３６か
ら、軸ノーズ部分２１０とウェブ２１８との間の環状領
域２３７（この領域で、軸ノーズ部分２１０には周方向
溝２３８が形成されている）へと流れる。環状領域２３
７では、エアは、軸ノーズ部分２１０の回り、およびそ
の環状面と半径方向突出部２１４、２１６と、ウェブと
の間を通って流れ、これらの間にエアクッション２１２
を形成する。エアは、キャップ部材２０４に形成された
小さな半径方向通路２４０への入口と整合した出口ポー
ト２３９からシール２０８を出る。エアは、小さな半径
方向通路２４０と連通するエア出口２４１から、キャッ
プ部材２０４を出る。

【００３２】後部シール２０２については、エアは円筒
状プラグ２２４の後方開端部を出て、シール部材２０２
に形成された軸線方向に延びる多岐管２４４へと半径方
向内方に延びる半径方向導管２４２内に流入する。エア
は、多岐管２４４から、シール部材２０２の半径方向突
出部２２０の間およびスピンドル軸１４の後端部１４ｂ
の回りに形成された側方円形通路２４６に供給される。
導管２４４からのエアはまた、後部シール部材２０２の
回りの円形導管２４８を介して、該導管と軸線方向に整
合し且つ中央円形通路２５２（この通路２５２は、半径
方向突出部２２０と側方円形通路２４６との中間で、ス
ピンドル軸の後端部１４ｂの回りに延びている）へと延
びている半径方向通路２５０に供給される。中央円形通
路２５２は、側方円形通路２４６より僅かに大きい。か
くして、円形通路２４６、２５２に供給される加圧エア
は、半径方向突出部２２０と軸の後端部１４ｂの表面と
の間にエアクッションを発生させる。導管２４８から円
錐状外面９４へと延びているハウジングの円錐状後部９
２の後面には、エア出口２５３が形成されている。

【００３３】図２に示すように、ハウジングの円錐状後
部９２は、後方のベアリングパッドと後方のシール部材
２０２との間に形成された凹部２５４を有する。ベアリ
ング水リターン通路２５６が凹部２５４と連通しており
且つハウジング部材２８の前部まで軸線方向に延びてい
る。通路２５６の前方開口２５６ａは、ベアリング部材
１６の前方フランジ１６６に形成された切欠き部２５８
と整合している（図３および図４）。かくして、ベアリ
ング水は、後部ベアリングパッド１８ｂ間の溝１９６か
ら流れ且つこれらの出口ノッチ１９８から流出して、ハ
ウジング部材２８の後方円錐状部分９２に形成された凹
部２５４内に流入する。同様に、ベアリング流体は、前
部ベアリングパッド１８ａ間の溝１９６から流れ且つこ
れらの出口ノッチ１９８から流出して、キャップ部材２
０４の後面とベアリングフランジ２６６との間の空間２
６０に、およびフランジの切欠き部２５８でのリターン
通路２５６の前方開口２５６ａ内に流入する。ここか
ら、ベアリング水は凹部２５４に戻って流れ、ここで、
ベアリング水出口２６２によりハウジング２８から除去
されて、ベアリング流体サンプ２０に戻される。このよ
うにして、ベアリング水はベアリングパッド１８を通っ
て連続的に循環される。

【００３４】かくして、ベアリング水が切削流体に漏洩
した場合には、水はベアリング水流路から逃散しなけれ
ばならず、凹部２５４に戻ることはない。それどころ
か、水は、空間２６０から、半径方向突出部２１４と軸
ノーズ部分２１０との間のエアクッション２１２を通っ
て流れなくてはならない。この場合、半径方向突出部２
１４を通って漏洩する如何に少量の流体も、切削流体に
アクセスする前に、半径方向突出部２１６、および該突
出部２１６と軸ノーズ部分２１０との間に形成されるエ
アクッション２１２をも通らなくてはならない。このよ
うにして、エアバリヤラビリンスシール２０８が流体に
曲がりくねった通路を提供し、流体は、スピンドルユニ
ット１２の前方の切削流体に到達する前にこのラビリン
スシール２０８を通らなくてはならない。これにより、
スピンドルユニット１２からパッド１４を通って漏洩す
るベアリング流体の量が制限され且つ制御される。ベア
リング流体および切削流体の両者が水性流体であるの
で、スピンドルユニット１２から漏洩する制御された少
量のベアリング流体が、切削流体の種々の機能（例え
ば、冷却、潤滑および工具／ワーク界面からのチップの
除去等）に問題を引き起こすことはない。

【００３５】以上、本発明の特定の実施形態を例示し且
つ説明したが、当業者ならば種々の変更が明らかであろ
うし、これらの全ての変更は特許請求の範囲の記載の精
神および範囲内に包含されるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の工作機械組立体の一部を破断した側面
図であり、回転駆動装置に連結されたスピンドルユニッ
トを示す。

【図２】図１のスピンドルユニットの拡大断面図であ
り、スピンドル軸の回りで同心状に取り付けられたベア
リング部材と、切削工具およびベアリング部材用流体源
を支持するための工具マウントと、切削流体装置とを示
す。

【図３】ベアリング部材の斜視図であり、ベアリングパ
ッドにベアリング流体を供給するための、ベアリング部
材に形成された水チャンネルを示す。

【図４】図３のベアリング部材の正面図。

【図５】図４の５−５線に沿うベアリング部材の側断面
図。

【図６】スピンドル軸の一部およびベアリング部材の対
応部分の拡大部分側面図であり、ベアリングパッドのロ
ーブ輪郭を拡大して示す。

【図７】図２の工具マウントおよび切削工具の拡大断面
図であり、アダプタユニットの形態をなす工具マウント
が、切削工具を支持すべくスピンドル軸の前部に取り付
けられる状態を示す。

【図８】図７のアダプタユニットの拡大図であり、切削
工具のシャンクをアダプタユニットの軸線方向ボア内に
挿入できるようにするため、アダプタユニットが拡大さ
れた状態を示す。

【図９】図８と同様な拡大図であり、工具シャンク上に
アダプタボアが収縮した状態を示す。

【図１０】図２の１０−１０線方向から見たスピンドル
ユニットの正面図。

【図１１】スピンドルを回転駆動装置に連結するため、
スピンドルユニットを支持／カップリングセクションに
クランプした状態を示す拡大断面図。

【図１２】スピンドルユニットをカップリングセクショ
ンに連結するための自動ばねクランプ機構を用いた別の
クランプ構造を示す断面図。

【符号の説明】

１０回転駆動装置１２スピンドルユニット１４スピンドル軸１６ベアリング部材（流体ベアリング）１８ベアリングパッド３２、２０８流体バリヤシール４０工具アダプタ５０アダプタユニット２１２エアクッション２２０半径方向突出部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】駆動軸を備えたモータ駆動ユニットに着
脱するための着脱可能なスピンドルユニットにおいて、工具受入れ端部および駆動装置取付け端部を備えた外側
の静止ハウジングと、駆動軸の軸線と同心状の一つの軸線を中心に回転できる
ように静止ハウジングに取り付けられた回転可能なスピ
ンドル軸と、駆動軸の一端に自動的に連結され、モータ駆動ユニット
へのスピンドル駆動ユニットの取付けに応答してスピン
ドル軸と駆動装置との間の駆動トルクカップリングを形
成する、スピンドル軸のカップリング端部と、スピンドル軸線を中心に回転できるようにスピンドル軸
を支持して、工具の半径方向荷重および工具の軸線方向
荷重を支持する、静止ハウジングの流体ベアリングと、加圧ベアリング流体を静止ハウジングにおよび静止ハウ
ジングから搬送するための前記静止ハウジング内の流体
導管とを有することを特徴とする着脱可能なスピンドル
ユニット。
【請求項２】前記流体ベアリングは少なくとも１つの
ベアリングを有し、該ベアリングはベアリングの傾斜し
た静止部分を備え、該傾斜した静止部分はスピンドル軸
線に対して傾斜し且つスピンドル軸の傾斜部分に対面し
ており、半径方向荷重および軸線方向荷重の両荷重を支
持することを特徴とする請求項１に記載の着脱可能なス
ピンドルユニット。
【請求項３】前記流体ベアリングは実質的に円錐状の
流体ベアリングであることを特徴とする請求項２に記載
の着脱可能なスピンドルユニット。
【請求項４】前記工具は、静止ハウジング内に挿入さ
れ且つ流体ベアリングに隣接して配置されることを特徴
とする請求項３に記載の着脱可能なスピンドルユニッ
ト。
【請求項５】工具の挿入端を前方の流体ベアリングに
隣接して取り付けて剛性を増大させるため、前記静止ハ
ウジング内には、工具受入れボアがスピンドルの前方の
流体ベアリングに近接して延びていることを特徴とする
請求項１に記載の着脱可能なスピンドルユニット。
【請求項６】前記スピンドル軸とボア内に挿入された
工具端との間には、締まり嵌め連結が形成されることを
特徴とする請求項５に記載の着脱可能なスピンドルユニ
ット。
【請求項７】工具交換のため、前記締まり嵌め連結に
打ち勝って前記ボアを膨張させる高圧流体を受け入れる
ための流体導管が、前記スピンドル軸内に設けられてい
ることを特徴とする請求項６に記載の着脱可能なスピン
ドルユニット。
【請求項８】 20,000 rpm以上の速度でワークを機械加
工する工作機械において、静止ハウジングと、 20,000 rpm以上の速度でワークを機械加工すべく工具を
回転させるための、前記静止ハウジングに取り付けられ
たスピンドル軸と、スピンドル軸を通る一つの軸線を中心に回転できるよう
にスピンドル軸を取付けて、スピンドル軸からの軸線方
向荷重および半径方向荷重を支持する、静止ハウジング
の流体ベアリングと、流体ベアリングにベアリング流体を供給し且つ排出する
ためのハウジングの導管と、回転スピンドルと協働して流体ベアリングからの液体の
漏洩を停止させるための、流体ベアリングと隣接するシ
ールとを有し、少なくとも１つの流体ベアリングが、回転するスピンド
ル軸のベアリングパッドと、静止ハウジングの静止傾斜
ベアリングパッドとを備え、ベアリングパッドは、工具
からの半径方向および軸線方向の合成した荷重を支持す
べくスピンドルの回転軸線に対して傾斜していることを
特徴とする工作機械。
【請求項９】一対の流体ベアリングがスピンドル軸の
傾斜ベアリングパッドを備え、ハウジングの静止傾斜パ
ッドが、半径方向および軸線方向の合成切削工具荷重を
支持することを特徴とする請求項８に記載の工作機械。
【請求項１０】前記流体ベアリングが流体ベアリング
であることを特徴とする請求項８に記載の工作機械。
【請求項１１】ワークの切削中に少なくとも30,000 r
pmの速度で切削工具を回転させるための回転駆動装置を
備えた工作機械組立体において、静止ハウジングと、静止ハウジングに取り付けられ且つ回転駆動装置により
駆動されるスピンドル軸とを有し、回転駆動装置は、ス
ピンドル軸をその長手方向軸線の回りで回転させ且つス
ピンドル軸に連結された工具を回転させ、スピンドル軸がその長手方向軸線を中心に回転できるよ
うに支持する流体ベアリングと、該流体ベアリングに加圧ベアリング流体を供給するため
の、ハウジングの流体チャンネルと、ベアリング流体が流体ベアリングから外方に流れること
を防止するための、スピンドル軸を包囲する浮動リング
シールとを有し、該浮動リングシールが、スピンドル軸から間隔を隔てた
内周面を備え、加圧エアをフローリングシールに供給し且つ後でフロー
リングシールから排出させるための、ハウジングのエア
流導管と、リングシールがスピンドル軸と接触しないように維持し
且つリングシールをスピンドル軸の回りに同心状に維持
すべく、スピンドル軸と浮動リングシールの内周面との
間の間隙空間にエアを供給するための、浮動リングシー
ルのエア流通路とを更に有することを特徴とする工作機
械組立体。
【請求項１２】工作機械組立体が傾動でき、スピンド
ル軸がその姿勢を変化でき、間隙空間内の加圧エアが、
リングシールをスピンドル軸に接触しないように維持す
ることを特徴とする請求項１１に記載の工作機械組立
体。
【請求項１３】前記ベアリングパッドから工具／ワー
ク界面への水の漏洩を制御し且つ最小にするエアラビリ
ンスシールを更に有することを特徴とする請求項１１に
記載のスピンドルユニット。
【請求項１４】切削作業中にスピンドルから熱を除去
して冷却するため、約７０⁰F （約21℃）の大気温度で
パッドに供給される濾過水を、３〜４ガロン／分の流量
で流体ベアリングを通して供給し且つ約１２０⁰F （約
48.9℃）の温度で排出させるためのベアリング流体供給
手段を有することを特徴とする請求項１１に記載のスピ
ンドルユニット。
【請求項１５】前記スピンドル軸は充分に小さなサイ
ズの直径を有し、ベアリングパッドでのスピンドルの直
径とスピンドルの回転速度との積であるＤＮ値が1,500,
000 〜2,000,000 の範囲内にあることを特徴とする請求
項１２に記載のスピンドルユニット。
【請求項１６】前記スピンドル軸の直径が約５０mmで
あり、前記回転駆動装置が、40,000 rpmまでの回転速度
でスピンドルを回転できることを特徴とする請求項１５
に記載のスピンドルユニット。
【請求項１７】前記スピンドル軸が前方の拡がり部分
および後方の拡がり部分を有し、流体ベアリングパッド
が前方および後方の拡がり部分の回りで周方向に間隔を
隔てており、切削作業中にスピンドルのラジアル荷重お
よびスラスト荷重の両荷重を支持することを特徴とする
請求項１１に記載のスピンドルユニット。
【請求項１８】前記ベアリング部材が前方および後方
の傾斜した実質的な環状面を有し、該環状面はスピンド
ルの対応する前方および後方の拡がり部分の回りに延び
ており、傾斜環状面および拡がり部分の対面セクション
は、協働して周方向に間隔を隔てたベアリングパッドを
形成し、環状面のセクションは、対応する対面拡がり部
分よりも僅かに大きな曲率半径を有し、傾斜ローブ輪郭
をもつパッドを形成していることを特徴とする請求項１
７に記載のスピンドルユニット。
【請求項１９】前記ベアリングパッドでのスピンドル
軸の直径が約５０mmであり、各パッドの環状表面セクションの曲率半径は、パッドに
傾斜ローブ輪郭を付与すべく、スピンドルの拡がり部分
のセクションの中心から約0.004 インチ（約0.10mm）だ
けオフセットした点から回転軸線に沿って測定され、環
状面セクションおよび対応する拡がり部分セクションは
これらの間の最小作動間隙を有し、環状面セクションが
これらの対応する拡がり部分セクションから拡がってい
ることを特徴とする請求項１８に記載のスピンドルユニ
ット。
【請求項２０】前記スピンドル軸の前方および後方の
拡がり部分において、スピンドル軸の回りに少なくとも
４つのベアリングパッドが形成されており、高回転速度
での振動を最小にし且つスピンドルを安定化させること
を特徴とする請求項１８に記載のスピンドルユニット。
【請求項２１】前記スピンドル軸の回りには、等間隔
を隔てた５つのベアリングパッドが形成されていること
を特徴とする請求項２０に記載のスピンドルユニット。
【請求項２２】取付けシャンクおよびワークを切削す
るための切削面をもつ切削工具を回転させる駆動軸を備
えた回転駆動装置と、該回転駆動装置の回転運動を工具
に伝達するための、駆動軸と工具との間のスピンドルユ
ニットとを有する工作機械組立体において、スピンドル軸を有し、該スピンドル軸の前端部は切削工
具を支持する軸線を中心に回転でき且つ後端部は駆動軸
に連結されていて該駆動軸と一緒に高速回転でき、スピンドル軸の軸線に対して同心状にスピンドル軸に固
定された流体ベアリングと、スピンドルの回転および該スピンドルにより支持された
工具を用いた切削作業により発生する半径方向荷重およ
び軸線方向荷重を支持するための、ベアリング部材とス
ピンドル軸との間の流体ベアリングと、工具を冷却し且つワークへの切削作業中に発生するチッ
プを除去すべく、工具／ワーク界面に切削流体を供給す
るための、工作機械の切削流体供給手段と、スピンドルの工具ボア内に工具アダプタを受け入れて、
該工具アダプタを捕捉するための、スピンドル軸の前方
の工具受入れボアとを更に有し、スピンドルの工具ボア
を膨張させて工具アダプタを挿入できるようにし且つ次
に収縮させて工具アダプタをきつく把持することを特徴
とする工作機械組立体。
【請求項２３】前記アダプタが膨張可能なボアを有
し、該ボアが、４００〜５００⁰F （約204.4 〜約260
℃）の間の温度に加熱することにより膨張され、次に、
工具の取付けシャンク上にきつく締まり嵌めされて、取
付けシャンク上にクランプされることを特徴とする請求
項２２に記載の工作機械組立体。
【請求項２４】前記スピンドル軸の前端部がアダプタ
ユニット用の取付けボアおよび流体導管装置を有し、該
流体導管装置が取付けボアに高圧流体を導入してアダプ
タユニットをボア内に取り付け、ボアは、導管装置内へ
の高圧流体付与により膨張され、アダプタユニットが前
端部の取付けボア内にきつく引き入れられて、アダプタ
ユニットおよび該アダプタユニット内に取り付けられた
切削工具をスピンドル軸により回転できることを特徴と
する請求項２２に記載の工作機械組立体。
【請求項２５】 9,000 〜12,000 psiの範囲内の圧力の
流体を流体導管装置に供給するための流体加圧手段を有
することを特徴とする請求項２４に記載の工作機械組立
体。
【請求項２６】ベアリング流体および切削流体を同じ
性質の流体で構成し、濾過された流体ベアリング流体
を、ベアリングパッドおよび濾過された切削流体を通し
て工具／ワーク界面での工具切削面に供給する流体供給
手段を有することを特徴とする請求項２２に記載の工作
機械組立体。
【請求項２７】前記ベアリング流体が水であり、流体
供給手段が、ベアリング流体から約２ミクロンより大き
いサイズの粒子を除去する第１フィルタエレメントを有
し、前記切削流体が水と混合された水溶性オイル添加剤
を含有する水であり、流体供給手段が、切削流体から約
１０ミクロンより大きいサイズの粒子を除去する第２フ
ィルタエレメントを有し、工具切削面へのベアリング流
体の漏洩が、工具切削面での切削流体を汚染しないこと
を特徴とする請求項２６に記載の工作機械組立体。
【請求項２８】スピンドルの前端部に工具を支持し且
つスピンドルの後端部を回転駆動装置の駆動軸に連結し
て駆動軸と一緒に高速回転させ、スピンドルを流体ベア
リングにより支持してスピンドルが高速回転する間、ス
ピンドル荷重を支持することにより、スピンドルおよび
該スピンドルにより支持された工具を高速回転させてワ
ークを機械加工する方法において、スピンドルおよび工具を30,000 rpmを超える速度で回転
させ、流体ベアリングを通して流体を供給し、スピンドルの高
速回転中にスピンドルを支持および冷却し、フィルタを通してベアリング流体を循環させ、ベアリン
グを連続的にフラッシュおよび洗浄し、スピンドルの前端部でシールを通してエアを流し、工具
／ワーク界面に供給される切削流体への、ベアリング流
体のシールを通る漏洩を制限することを特徴とする機械
加工方法。
【請求項２９】前記ベアリング流体が大気温度でベア
リングに供給され且つ実質的にこれより高い温度でスピ
ンドルを出て、機械加工作業中にスピンドルから熱を除
去し且つ冷却することを特徴とする請求項２８に記載の
方法。
【請求項３０】前記ベアリング流体が、約３〜４ガロ
ン／分の流量および約７０⁰F （約21℃）の温度で供給
され且つ約１２０⁰F （約48.9℃）の温度で出ることを
特徴とする請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】工具のシャンクが捕捉されるスピンド
ルの前端部に工具受入れアダプタを設け、工具受入れアダプタを膨張させて、該アダプタから工具
を取り外し、新しい工具のシャンクを工具受入れアダプタ内に挿入
し、新しい工具のシャンク上にアダプタを収縮させて、工具
受入れアダプタ内にシャンクをきつく把持および固定す
る工程を更に有することを特徴とする請求項２８に記載
の方法。
【請求項３２】前記工具受入れアダプタは、該アダプ
タを、約４００〜５００⁰F （約204.4 〜約260 ℃）の
範囲内の温度に加熱することにより膨張されることを特
徴とする請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】前記スピンドルには、その前端部のア
ダプタ受入れボアおよび流体導管装置が設けられ、アダ
プタは、該アダプタとアンカー工具とを係合させ、アダ
プタをアンカー工具と一緒に少なくとも部分的にボア内
に引き入れ、導管装置に高圧流体を供給してボアを膨張
させ、膨張したボア内にアダプタの残余の部分を引き入
れ、高圧流体を排出させてスピンドルの前端部が、アダ
プタボア内に完全に挿入されたアダプタ上をきつく把持
できるようにすることによりボア内に挿入されることを
特徴とする請求項３１に記載の方法。
【請求項３４】前記高圧流体は、約9,000 〜12,000 p
siの範囲内の圧力で供給されることを特徴とする請求項
３３に記載の方法。