JPH11333601A - 主軸装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 主軸の起動停止時間を短くして、加工能率を
向上させる。 【解決手段】 主軸装置は、ハウジング１０と、軸受１
９ａ，１９ｂを介してハウジングに支持された主軸１５
と、ハウジング内に設けられて主軸を直接回転駆動する
同期電動機２０により構成されている。主軸はチタン−
アルミニウム金属間化合物よりなり、同期電動機は、ハ
ウジングの内周面に固着されたステータコイル２３より
なるステータ２１と、主軸の外周面に固着された永久磁
石２７よりなるロータ２５により構成されている。主軸
の先端には工具ホルダ３５を装着するテーパ孔１５ｂが
形成され、このテーパ孔の工具ホルダと接触する面には
硬質被覆層１５ｃが形成されている。あるいはこのテー
パ孔は、主軸よりも硬質でその先端に一体的に固着した
環状部材１５ｄに形成してもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、工作機械の主軸装
置、特に自動工具交換装置を備えたマシニングセンタ等
の高速で回転する主軸を軸支するのに適した主軸装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】この種のマシニングセンタでは、高速化
の要求から８０m/min を越えるような速度、１Ｇを越え
るような加速度で主軸を移動させることが可能な工作機
械が実現されている。このような従来の主軸は、材料と
して熱処理した鋼を使用し、ハウジング内に設けられて
高速回転可能なビルトイン式の誘導電動機により直接回
転駆動するのが普通である。一方、加工能率の向上のた
めには、送り速度の向上による加工時間及び早送り時間
の短縮のみならず、工具の自動交換時間を短縮する必要
があり、高速で工具交換可能な自動工具交換装置が開発
されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このような自動工具交
換装置の改良により、tool to tool時間（純粋な工具交
換時間）は短縮されるものの、chip to chip時間（先の
加工終了時から工具を交換して次の加工開始までの時
間）を短縮して加工能率を向上させるには主軸の起動停
止時間も短縮しなければならず、それには主軸及び誘導
電動機のロータなどの回転部分の慣性モーメントを小さ
くする必要がある。しかし主軸は、強度が大で、熱膨張
係数が小で、高精度の加工を必要とするなどの条件か
ら、きわめて特殊な用途を除き材料として鋼を使用して
いるので軽量化には限界があり、一方誘導電動機のロー
タは必要な出力を得るためにはその径を小さくするのに
限界がある。このため回転部分の慣性モーメントを小さ
くすることができず、従って主軸の起動停止時間を短縮
することができない。（例えば直径７０mmの主軸では回
転速度が２０，０００／min に達するまでの時間は３〜
４秒を要する。）本発明はこのような問題を解決するこ
とを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明による主軸装置
は、ハウジングと、軸受を介してハウジングに支持され
た主軸と、ハウジング内に設けられて主軸を直接回転駆
動する電動機よりなる主軸装置において、主軸がチタン
−アルミニウム金属間化合物よりなることを特徴とする
ものである。チタン−アルミニウム金属間化合物よりな
る主軸は、従来の鉄製の主軸に比して軽量になるので、
慣性モーメントは小さくなる。

【０００５】また本発明による主軸装置は、ハウジング
と、軸受を介してハウジングに支持された主軸と、ハウ
ジング内に設けられて主軸を直接回転駆動する電動機よ
りなる主軸装置において、電動機が、ハウジングの内周
面に固着されたステータコイルよりなるステータと、主
軸の外周面に固着された永久磁石よりなるロータにより
構成される同期電動機であることを特徴とするものであ
る。永久磁石よりなる同期電動機のロータは、従来の誘
導電動機に比して径が小さくなるので慣性モーメントが
小さくなり、しかも出力トルクは大きくなる。

【０００６】また本発明による主軸装置は、ハウジング
と、軸受を介してハウジングに支持された主軸と、ハウ
ジング内に設けられて主軸を直接回転駆動する電動機よ
りなる主軸装置において、主軸がチタン−アルミニウム
金属間化合物よりなり、電動機が、ハウジングの内周面
に固着されたステータコイルよりなるステータと、主軸
の外周面に固着された永久磁石よりなるロータにより構
成される同期電動機であることを特徴とするものであ
る。チタン−アルミニウム金属間化合物よりなる主軸
は、従来の鉄製の主軸に比して軽量になるので慣性モー
メントは小さくなり、また永久磁石よりなる同期電動機
のロータは、従来の誘導電動機に比して径が小さくなる
ので慣性モーメントが小さくなり、しかも出力トルクは
大きくなる。

【０００７】主軸をチタン−アルミニウム金属間化合物
よりなるものとした発明は、主軸の先端に工具ホルダを
装着するテーパ孔を形成し、このテーパ孔の少なくとも
工具ホルダと接触する面には硬質被覆層を形成してもよ
い。あるいはまた、このテーパ孔の少なくとも工具ホル
ダと接触する面は、主軸よりも硬質で同主軸の先端に一
体的に固着した環状部材に形成してもよい。このように
すれば、工具ホルダが装着されるテーパ孔の摩耗が従来
より多くなることはない。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下に、図１〜図４に示す実施の
形態により、本発明の説明をする。先ず全体的構造の説
明をする。主として図１に示すように、主軸１５を軸承
するハウジング１０は複数の部分を一体的に固着したも
のであり、その前部には前部支持筒１０ａが固定され、
後部には後部支持筒１１が前部支持筒１０ａと同軸的に
軸線方向移動可能に支持されている。主軸１５は、前部
が玉軸受１９ａ及び前部支持筒１０ａを介してハウジン
グ１０により回転のみ自在に支持され、後部が玉軸受１
９ｂ及び後部支持筒１１を介して回転及び軸線方向移動
可能に支持されている。

【０００９】主軸１５は、Ｔｉ−４７．１ａｔ％Ａｌ−
１．７ａｔ％Ｍｎのチタン−アルミニウム金属間化合物
であり、重量比でＴｉが６４．５〜６８．５％、Ａｌが
３０〜３４％、Ｍｎが１．５％の比率で配合した各成分
の粉末を混合し、アルミニウム合金の粉末押出しまたは
鍛造と同様の塑性加工によりほゞ所定の形状に成形し、
ニアシェイプに機械加工した後に、ＨＩＰ（Hot Isosta
tic Pressing、熱間静水圧圧縮成形）を用いた反応焼結
によりチタン−アルミニウム金属間化合物に合成し、最
終形状に仕上げ加工したものである。チタン−アルミニ
ウム金属間化合物の特性は、ヤング率が約１７０ＧＰ
ａ、密度が約３．９ｇ／cm³ 、線膨張係数が約１１×１
０^-6／℃、引張強度が４００〜７００ＭＰａ、表面硬度
が２２〜３５ＨＲｃ（ビッカース２５０〜３００）であ
る。なお、ＨＩＰ処理前の成形品の切削性は良好であ
り、ＨＩＰ処理後も超硬工具による切削及び研削は可能
である。

【００１０】図１に示すように、ハウジング１０と主軸
１５の間の中央部に設けられて主軸１５を直接回転駆動
するビルトイン式の同期電動機２０は、ハウジング１０
側に固着されたステータ２１と、主軸１５側に固着され
たロータ２５により構成されている。ステータ２１はハ
ウジング１０の内周面に圧入固着されたステータスリー
ブ２２と、その内面に固定されたステータコイル２３よ
りなり、ハウジング１０とステータスリーブ２２の接合
面にはステータコイル２３の発熱を吸収する冷却液を通
す冷却通路２２ａが設けられている。ロータ２５は、図
１〜図３に示すように、筒状のロータスリーブ２６と、
その外周面に非磁性体のスペーサ２９を間において円周
方向に沿って配置された６個の永久磁石２７と、その外
周に嵌合した多数の環状の積層鋼板２８よりなるもの
で、符号Ｍで示すような磁力線（一箇所のみを示す）を
形成するものである。このロータ２５は、ロータスリー
ブ２６を主軸１５の外周面に圧入することにより主軸１
５の外周面に固着され、ロータスリーブ２６にはロータ
２５を取り外す際に高圧の油を導入する孔２６ａが設け
られている。

【００１１】図１及び図４に示すように、工具Ｔを保持
して主軸１５の先端部に着脱可能に装着される工具ホル
ダ３５の後部には筒状のテーパ部３５ａが一体的に形成
され、このテーパ部３５ａには複数（例えば２個）の係
止穴３５ｂが半径方向に形成されている。一方、主軸１
５には同軸的に通し孔１５ａが形成され、その先端部は
工具ホルダ３５のテーパ部３５ａと嵌合可能なテーパ孔
１５ｂとなっている。このテーパ孔１５ｂと主軸１５の
先端面には、硬質クロムメッキなどによる硬質被覆層１
５ｃが形成されている。主軸１５の先端部内には装着さ
れる工具ホルダ３５を着脱可能に係止する係止装置３０
が設けられ、この係止装置３０を作動させるドローバー
１６は通し孔１５ａを通って主軸１５より後方に突出し
ている。

【００１２】係止装置３０は主軸１５の通し孔１５ａの
先端部に固着された係止スリーブ３１と、ドローバー１
６の先端に一体的に固着された作動子３２と、複数（例
えば２個）のボール３３により構成され、図４に示すよ
うに工具ホルダ３５のテーパ部３５ａをテーパ孔１５ｂ
に嵌合した状態では、係止スリーブ３１の先端部は筒状
のテーパ部３５ａ内に挿入される。各ボール３３は、こ
の係止スリーブ３１の先端部に半径方向に形成した各保
持穴３１ａによりそれぞれ保持され、作動子３２が前進
した状態（図示省略）ではボール３３は作動子３２の凹
部３２ａ内に入って係止スリーブ３１から外側に突出し
ないので、工具ホルダ３５のテーパ部３５ａは主軸１５
のテーパ孔１５ｂに嵌合離脱自在である。テーパ部３５
ａがテーパ孔１５ｂ内に嵌合された状態で、作動子３２
を後退させれば、図４に示すようにボール３３は作動子
３２により押し出され、係止穴３５ｂ内に係合して装着
された工具ホルダ３５は離脱不能となる。

【００１３】作動子３２を作動させるドローバー１６
は、カラー１７ａを介して主軸１５との間に介装した皿
ばね１７により通常は後向きに付勢されている。ハウジ
ング１０の後端部に軸線方向移動可能に支持された支持
筒１１ａには、ドローバー１６を皿ばね１７に抗して移
動させるクランプ用シリンダ装置１２が設けられてい
る。このクランプ用シリンダ装置１２の作動ポート１２
ｃに作動油圧が加わっている状態では、ピストン１２ａ
は図１に示すように後退してドローバー１６は皿ばね１
７により後向きに付勢され、係止装置３０の作動子３２
は図４に示すように後退され、工具ホルダ３５は離脱不
能に係止される。しかし作動ポート１２ｂに作動油圧が
加われば、先ず支持筒１１ａの内向きフランジ部が主軸
１５の後端に固定したフランジ部材１８ａに当接し、次
いでピストン１２ａの内向きフランジ部がドローバー１
６の後部に固定したフランジ部材１８ｂに当接して、皿
ばね１７に抗してドローバー１６を前進させ、これによ
り係止装置３０の作動子３２は前進して、工具ホルダ３
５は着脱自在となる。ドローバー１６の後端にはドロー
バー１６内に設けた通路を通して工具Ｔにクーラントを
供給するためのディストリビュータ１３が設けられてい
る。

【００１４】以上に述べた実施の形態によれば、主軸１
５を従来の鋼に比して比重が約半分のチタン−アルミニ
ウム金属間化合物よりなるものとしたので主軸１５の質
量が約半分となる。また主軸１５の外周面に固着したロ
ータスリーブ２６と永久磁石２７と積層鋼板２８よりな
るロータ２５を備えた同期電動機２０により主軸１５を
回転駆動するようにしたので、従来の誘導電動機に比し
てロータの径が小さくなり、しかも出力は大きくなる。
これによりロータを含む主軸の回転部分の慣性モーメン
トが非常に小さくなり出力トルクは増大するので主軸の
起動停止時間が大幅に短縮される。例えば直径７０mmの
主軸では回転速度が２０，０００／minに達するまでの
時間は１秒程度にまで短縮される。これによりchip to
chip時間が短縮されるので、加工能率は大幅に向上す
る。

【００１５】チタン−アルミニウム金属間化合物は鋼に
比して表面の硬さが小さいので、工具ホルダ３５のテー
パ部３５ａが繰り返し嵌合離脱される主軸１５先端のテ
ーパ孔１５ｂは、そのままでは摩耗しやすく耐久性が低
下するおそれがある。しかし上記実施の形態では、主軸
１５先端のテーパ孔１５ｂ及び先端面に硬質クロムメッ
キなどの硬質被覆層１５ｃを形成したので、テーパ孔１
５ｂが摩耗して耐久性が低下することはない。

【００１６】上記実施の形態では、回転部分の慣性モー
メントを小さくするのに、主軸１５を比重が小さいチタ
ン−アルミニウム金属間化合物とし、かつ主軸１５を回
転駆動する同期電動機２０のロータ２５をロータスリー
ブ２６と永久磁石２７と積層鋼板２８よりなるとした
が、本発明はこの何れか一方のみを採用して実施しても
よい。

【００１７】また上記実施の形態では、主軸１５先端の
テーパ孔１５ｂ及び先端面は硬質クロムメッキなどの硬
質被覆層１５ｃを形成して工具ホルダ３５と当接する部
分が摩耗することを防いでいるが、図５に示す変形例で
は主軸１５の先端部にチタン−アルミニウム金属間化合
物よりも硬質の素材（例えば浸炭焼入れした鋼材）より
なる環状部材１５ｄをねじ止め固着し、この環状部材１
５ｄに工具ホルダ３５を装着するテーパ孔１５ｂを形成
している。このようにしても、テーパ孔１５ｂが摩耗し
て耐久性が低下することはなくなる。

【００１８】

【発明の効果】主軸をチタン−アルミニウム金属間化合
物よりなるものとした第１の発明によれば、高剛性、低
熱膨張、良好な加工性といった主軸に必要な条件を満た
しつつ、主軸は従来の鉄製のものに比して慣性モーメン
トが小さくなるので主軸の起動停止時間が短縮され、加
工能率を向上させることができる。

【００１９】主軸を直接回転駆動する電動機を、ハウジ
ングの内周面に固着されたステータコイルよりなるステ
ータと、主軸の外周面に固着された永久磁石よりなるロ
ータにより構成した同期電動機とした第２の発明によれ
ば、従来の誘導電動機に比してロータの慣性モーメント
が小さくなり、しかも出力トルクは増大するので、主軸
の起動停止時間が短縮され、加工能率を向上させること
ができる。

【００２０】主軸をチタン−アルミニウム金属間化合物
よりなるものとし、また主軸を直接回転駆動する電動機
を、ハウジングの内周面に固着されたステータコイルよ
りなるステータと、主軸の外周面に固着された永久磁石
よりなるロータにより構成した同期電動機とした第３の
発明によれば、従来に比して主軸及びロータなどの回転
部分のの慣性モーメントが小さくなり、しかも同期電動
機の出力トルクは増大するので、主軸の起動停止時間が
一層短縮され、加工能率を一層向上させることができ
る。

【００２１】また主軸をチタン−アルミニウム金属間化
合物よりなるものとした発明で、主軸の先端に工具ホル
ダを装着するテーパ孔を形成し、このテーパ孔の少なく
とも工具ホルダと接触する面に硬質被覆層を形成し、あ
るいはこの面を主軸よりも硬質でその先端に一体的に固
着した環状部材により形成したものによれば、軽量のチ
タン−アルミニウム金属間化合物により主軸を構成して
も工具ホルダが装着されるテーパ孔の摩耗が従来より多
くなることはないので、耐久性が低下することはない。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による主軸装置の一実施形態の全体構
造を示す縦断面図である。

【図２】 図１に示す実施形態の同期電動機付近の拡大
断面図である。

【図３】 図２の３−３断面図である。

【図４】 図１に示す実施形態の主軸先端部付近の拡大
断面図である。

【図５】 主軸先端部の変形例を示す図４に相当する拡
大断面図である。

【符号の説明】

１０…ハウジング、１５…主軸、１５ｂ…テーパ孔、１
５ｃ…硬質被覆層、１５ｄ…環状部材、１９ａ，１９ｂ
…軸受（玉軸受）、２０…同期電動機、２１…ステー
タ、２３…ステータコイル、２５…ロータ、２７…永久
磁石、３５…工具ホルダ。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ハウジングと、軸受を介して前記ハウジ
   ングに支持された主軸と、前記ハウジング内に設けられ
   て前記主軸を直接回転駆動する電動機よりなる主軸装置
   において、前記主軸はチタン−アルミニウム金属間化合
   物よりなることを特徴とする主軸装置。
2. 【請求項２】 ハウジングと、軸受を介して前記ハウジ
   ングに支持された主軸と、前記ハウジング内に設けられ
   て前記主軸を直接回転駆動する電動機よりなる主軸装置
   において、前記電動機は、前記ハウジングの内周面に固
   着されたステータコイルよりなるステータと、前記主軸
   の外周面に固着された永久磁石よりなるロータにより構
   成される同期電動機であることを特徴とする主軸装置。
3. 【請求項３】 ハウジングと、軸受を介して前記ハウジ
   ングに支持された主軸と、前記ハウジング内に設けられ
   て前記主軸を直接回転駆動する電動機よりなる主軸装置
   において、前記主軸はチタン−アルミニウム金属間化合
   物よりなり、前記電動機は、前記ハウジングの内周面に
   固着されたステータコイルよりなるステータと、前記主
   軸の外周面に固着された永久磁石よりなるロータにより
   構成される同期電動機であることを特徴とする主軸装
   置。
4. 【請求項４】 前記主軸の先端には工具ホルダを装着す
   るテーパ孔が形成され、このテーパ孔の少なくとも前記
   工具ホルダと接触する面には硬質被覆層が形成されてい
   ることを特徴とする請求項１または請求項３に記載の主
   軸装置。
5. 【請求項５】 前記主軸の先端には工具ホルダを装着す
   るテーパ孔が形成され、このテーパ孔の少なくとも前記
   工具ホルダと接触する面は前記主軸よりも硬質で同主軸
   の先端に一体的に固着した環状部材に形成したことを特
   徴とする請求項１または請求項３に記載の主軸装置。