JP2003127009A - 工作機械の主軸装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 主軸の高速回転時における振動の発生を効果
的に防止しうる工作機械の主軸装置を提供する。 【解決手段】 中空状主軸１と、主軸１内に、後端が主
軸１内に位置するように同軸上に配され、かつ軸方向の
移動により主軸１前端への工具の固定、解放を行うドロ
ーバー10とを備えている。ドローバー10を、油圧シリン
ダ19によりドローバー操作ロッド16を介して主軸１に対
して軸方向に移動させる。主軸１内においてドローバー
10の周囲にクランプスリーブ25を締まりばめする。主軸
１の内部に、クランプスリーブの前方への移動を阻止す
る段部28を設ける。クランプスリーブ25の周壁内周面に
環状溝を全周にわたって形成し、環状溝内に圧力流体を
供給することにより、クランプスリーブ25のドローバー
10に対する締め代をなくしてドローバー10をクランプス
リーブ25に対して移動させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、たとえば高速で
回転する主軸を備えたマシニングセンタの主軸装置に関
する。

【０００２】この明細書において、主軸の工具が取り付
けられる側、すなわち図１の左側を前、これと反対側を
後というものとする。

【０００３】

【従来の技術と発明が解決しようとする課題】従来、マ
シニングセンタの主軸装置として、前端に工具が取り付
けられる中空状主軸と、主軸内に主軸に対して回転しな
いが軸方向に移動しうるように同軸上に配され、かつ軸
方向の移動により主軸前端への工具の固定、解放を行う
ドローバーと、ドローバーの周囲に配されかつドローバ
ーを主軸に対して工具を固定する方向に付勢する複数の
皿ばねとを備えたものが知られている。ドローバーの後
端部は主軸後端よりも後方に突出している。

【０００４】この主軸装置では、皿ばねによりドローバ
ーが後方に付勢されて後退することにより工具が主軸に
固定され、主軸の後方に配された油圧シリンダなどによ
りドローバーが皿ばねの付勢力に抗して前進することに
より工具が主軸から解放されるようになっている。

【０００５】上述した従来の主軸装置においては、主軸
前端への工具の固定、解放を行うには、ドローバーの進
退動作の距離が５〜１０mm程度必要であるが、１枚の皿
ばねの外力による歪み量が小さいので、必要な進退動作
距離を生じさせるために多数枚の皿ばねが重ね合わせて
用いられている。その結果、必然的にドローバーの長さ
が長くなっている。

【０００６】ところで、近年、主軸の高速回転化が進ん
でいるが、多数の皿ばねを用いた従来の主軸装置では主
軸軸線回りの重量アンバランスが生じ易く、しかも皿ば
ねが弾性変形する必要があるため皿ばねの内周縁とドロ
ーバーの外周面との間、および皿ばねの外周縁と主軸の
内周面との間にはそれぞれ若干の隙間が存在することが
必要であるので、主軸が高速回転する際には、ドローバ
ーが長いことと相俟って主軸に振動が発生し、その結果
加工精度が低下するという問題があった。

【０００７】そこで、多数の皿ばねを用いることに起因
する上記問題を解決するために、皿ばねを使用しない主
軸装置が提案されている（特開平７−２２７７０５号公
報参照）。

【０００８】特開平７−２２７７０５号公報に記載され
た主軸装置は、固定ハウジング内に、後端部が固定ハウ
ジング外に突出するように配されるとともに前端に工具
が取り付けられるようになされた中空状主軸と、主軸内
に、後端部が主軸外に突出するとともに、主軸に対して
回転しないが軸方向に移動しうるように同軸上に配され
たドローバーと、ドローバーを前方に移動させる油圧シ
リンダと、主軸における固定ハウジング外に突出した部
分の周囲に締まりばめされた固定スリーブと、固定スリ
ーブの主軸に対する締め代をなくして固定スリーブを主
軸に対して前後方向に移動自在とするアンクランプ手段
と、固定スリーブを後方に押圧する押圧手段と、ドロー
バーにおける主軸外に突出した部分に固定され、かつ主
軸に対する締め代がなくなった固定スリーブが後方に移
動したさいに、固定スリーブにより押されてドローバー
を後方に移動させるフランジ部とを備えたものである。

【０００９】この主軸装置では、主軸への工具の着脱
は、次のようにして行われる。まず、アンクランプ手段
により固定スリーブの主軸に対する締め代をなくしてお
いた状態で、油圧シリンダによりドローバーを前進させ
て工具の解放を行う。ついで、主軸前端に工具を装着し
た後、押圧手段により固定スリーブを押圧することによ
り主軸に対して固定スリーブを後方に移動させるととも
に、固定スリーブによりフランジ部を押圧してドローバ
ーを後方に移動させ、これにより工具の固定を行う。そ
の後、アンクランプ手段の固定スリーブに対する働きか
けを停止させて固定スリーブの主軸に対する締め代を生
じさせる。こうして、工具が主軸に固定される。

【００１０】しかしながら、特開平７−２２７７０５号
公報記載の主軸装置においては、ドローバーの後端部を
主軸後端よりも後方に突出させる必要があるので、皿ば
ねは用いていないもののドローバーが長くなってしま
い、主軸の高速回転時の振動の発生を十分に防止するこ
とができない。

【００１１】この発明の目的は、上記問題を解決し、主
軸の高速回転時における振動の発生を効果的に防止しう
る工作機械の主軸装置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段と発明の効果】請求項１の
発明による工作機械の主軸装置は、前端に工具が取り付
けられる中空状主軸と、主軸内に、後端が主軸内に位置
するとともに主軸に対して軸方向に移動しうるように同
軸上に配され、かつ軸方向の移動により主軸前端への工
具の固定、解放を行うドローバーと、ドローバーを主軸
に対して軸方向に移動させる移動手段と、主軸内におい
てドローバーの周囲に締まりばめされかつ主軸に対して
回転しないようになされたクランプスリーブと、主軸の
内部に設けられかつクランプスリーブの前方への移動を
阻止する阻止部と、クランプスリーブのドローバーに対
する締め代をなくしてドローバーをクランプスリーブに
対して移動しうるようにするアンクランプ手段とを備え
ているものである。

【００１３】請求項１の発明による主軸装置における工
具の脱着は次のようにして行われる。すなわち、まず、
アンクランプ手段によりクランプスリーブのドローバー
に対する締め代をなくしておき、この状態で移動手段に
よりドローバーを前進させて工具の解放を行う。つい
で、たとえば自動工具交換装置によりこの工具を主軸前
端から取り外すとともに、新たな工具を主軸前端に装着
した後、移動手段によりドローバーを後退させて工具を
固定する。ついで、アンクランプ手段によるクランプス
リーブに対する働きかけを停止させてクランプスリーブ
のドローバーに対する締め代を生じさせる。このとき、
阻止部によりクランプスリーブの前方への移動が阻止さ
れるので、主軸の回転時にもドローバーの前進が防止さ
れて工具は固定状態に維持される。

【００１４】そして、ドローバーの周囲に、ドローバー
を後方に付勢するための多数の皿ばねを配する必要がな
くなるので、ドローバーの長さを比較的短くすることが
できる。したがって、主軸の高速回転時の振動の発生を
効果的に防止することができ、その結果加工精度が向上
する。

【００１５】請求項２の発明による工作機械の主軸装置
は、請求項１の発明において、移動手段が、主軸に対し
て回転および軸方向移動をするように主軸内に配された
前後方向に伸びるドローバー操作ロッドと、主軸外に配
されかつドローバー操作ロッドを軸方向に移動させる駆
動手段とよりなり、ドローバー操作ロッドが、ドローバ
ーを前方に移動させる位置と、ドローバーを後方に移動
させる位置と、ドローバーに干渉しない位置との間で、
軸方向に移動するようになされているものである。この
場合、加工時には、ドローバー操作ロッドをドローバー
と干渉しない位置に移動させておく。すると、主軸回転
時のドローバー操作ロッドの回転が防止される。

【００１６】請求項３の発明による工作機械の主軸装置
は、請求項１または２の発明において、クランプスリー
ブの周壁内周面に環状溝が全周にわたって形成されると
ともに、環状溝の底面と周壁の外周面との間に流体供給
穴が貫通状に形成され、主軸停止時に、アンクランプ手
段により流体供給穴を通してクランプスリーブの環状溝
内に圧力流体を供給するようになされているものであ
る。

【００１７】請求項４の発明による工作機械の主軸装置
は、請求項１、２または３の発明において、ドローバー
の長手方向の中間部に、前方を向いた段部を介して大径
部が設けられ、クランプスリーブが、大径部とこれより
も前方の小径部とにまたがるように締まりばめされてお
り、阻止部が、主軸の内部におけるクランプスリーブよ
りも前側の部分に、クランプスリーブに当接するように
設けられているものである。

【００１８】

【発明の実施形態】以下、この発明の実施形態を、図面
を参照して説明する。

【００１９】図１はこの発明による主軸装置の全体構成
を示し、図２はその要部の構成を示し、図３および図４
は主軸装置の動作を示す。

【００２０】図１において、中空状主軸(1)は、マシニ
ングセンタの主軸頭（図示略）などに固定される円筒状
の固定ハウジング(2)内に配されており、主軸(1)の前部
は、ここでは４つの転がり軸受(3)により、同じく後部
は、ここでは１つの転がり軸受(4)により、それぞれ固
定ハウジング(2)に対して回転自在に支持されている。
主軸(1)の前部を支持する転がり軸受(3)としては、たと
えばアンギュラ玉軸受のようなラジアル荷重と少なくと
も一方のスラスト荷重を受けるものが用いられる。主軸
(1)の後部を支持する転がり軸受(4)としては、たとえば
ラジアル荷重を受ける円筒ころ軸受が用いられる。主軸
(1)の前端には、工具（図示略）を保持した工具ホルダ
(5)のテーパシャンク(5a)をはめ入れるテーパ穴(6)が形
成されている。固定ハウジング(2)内の前側の軸受(3)と
後側の軸受(4)との間の部分に、主軸(1)を回転させるた
めのビルトイン型の電動機(7)が設けられている。電動
機(7)は、主軸(1)の外周に設けられたロータ(8)と、そ
の周囲のハウジング(2)の内周に設けられたステータ(9)
とから構成されている。

【００２１】主軸(1)内に、前後方向に伸びるドローバ
ー(10)が、主軸(1)に対して回転しないが、軸方向に移
動しうるように同軸上に配置されている。すなわち、ド
ローバー(10)の前部が、主軸(1)におけるテーパ穴(6)に
連なった小径穴部(11A)内に、回転はしないが前後方向
に摺動自在に挿入されている。ドローバー(10)の後端
は、主軸(1)の長手方向の中央部よりも若干前方に位置
している。ドローバー(10)の長手方向の中間部における
小径穴部(11A)よりも後方に突出した部分に、前方を向
いた段部(12)を介して大径部(10a)が形成されている。
また、大径部(10a)の後端に、後方に突出した小径連結
部(13)を介して軸線が前後方向を向いた円柱状の操作ヘ
ッド(14)が一体に形成されている。

【００２２】ドローバー(10)の前端部に、テーパ穴(6)
内にはめ入れられた工具ホルダ(5)のテーパシャンク(5
a)のプルスタッド(5b)を掴む工具把持装置(15)が設けら
れている。工具把持装置(15)は、ドローバー(10)が後方
に移動することにより工具ホルダ(5)のプルスタッド(5
b)を掴み、ドローバー(10)が前方に移動することにより
工具ホルダ(5)のプルスタッド(5b)を解放する。

【００２３】主軸(1)内におけるドローバー(10)よりも
後方の部分に、前後方向に伸びるドローバー操作ロッド
(16)が、後部が主軸(1)後端よりも後方に突出するよう
に配されている。図２に示すように、ドローバー操作ロ
ッド(16)の前端面には前方に突出した１対のアーム(17)
が対向状に一体に形成されており、各アーム(17)の先端
に主軸(1)の軸線側に突出した係合部(18)が一体に形成
されている。両アーム(17)間の間隔は、ドローバー(10)
の操作ヘッド(14)の外径よりも大きくなっている。両係
合部(18)間の間隔は、ドローバー(10)の操作ヘッド(14)
の外径よりも小さくかつ小径連結部(13)の外径よりも大
きくなっている。そして、小径連結部(13)が両係合部(1
8)間に通された状態で、操作ヘッド(14)が両アーム(17)
間に配されている。両係合部(18)が操作ヘッド(14)の前
端面に係合した状態において、操作ヘッド(14)の後端面
とドローバー操作ロッド(16)の前端面との間隔が、係合
部(18)の前端と、ドローバー(10)の大径部(10a)の後端
面との間隔よりも小さくなるようになされている。

【００２４】ドローバー操作ロッド(16)は、油圧シリン
ダ(19)（駆動手段）によって前後方向に移動させられる
ようになっている。油圧シリンダ(19)は、ドローバー操
作ロッド(16)の後端部の周囲に摺動自在にはめ被せられ
かつ内周面に環状溝(20a)が全周にわたって形成された
シリンダチューブ(20)と、ドローバー操作ロッド(16)の
外周面に固定状に設けられかつシリンダチューブ(20)の
環状溝(20a)内に入れられているピストン部(21)とより
なり、環状溝(20a)内におけるピストン部(21)の前後両
側部分がそれぞれ圧力油室(22)となされている。各圧力
油室(22)内には復帰ばね(23)が配されている。また、シ
リンダチューブ(20)の環状溝(20a)よりも前方の部分の
内径はドローバー操作ロッド(16)の外径よりも大きくな
されており、ここにドローバー操作ロッド(16)を案内す
るためのボールブッシュ(24)が配されている。なお、シ
リンダチューブ(20)は、図示しない主軸頭に固定されて
いる。

【００２５】ドローバー(10)における主軸(1)の小径穴
部(11A)よりも後方に突出した部分の周囲に、大径部(10
a)とこれよりも前方の小径部(10b)とにまたがるよう
に、クランプスリーブ(25)が締まりばめされている。図
２に示すように、クランプスリーブ(25)の周壁(25a)内
周面における長手方向の中間部に環状溝(26)が全周にわ
たって形成されている。環状溝(26)の前側面(26a)の面
積は、後側面(26b)の面積よりも大きくなっている。ま
た、クランプスリーブ(25)の周壁(25a)に、周壁(25a)外
周面と環状溝(26)の底面とを通じさせる流体供給穴(27)
が貫通状に形成されている。通常は、クランプスリーブ
(25)の前端が、主軸(1)の小径穴部(11A)とこれよりも後
方の大径穴部(11B)との間の段部(28)（阻止部）に当接
するようになっている。

【００２６】固定ハウジング(2)における主軸(1)の段部
(28)よりも若干後方の部分に、主軸(1)の径方向に伸び
る貫通穴(30)が形成され、貫通穴(30)内に、流体供給穴
(27)を通してクランプスリーブ(25)の環状溝(26)内に圧
力油を供給しうる流体供給管(31)が、摺動自在に挿入さ
れている。ドローバー(10)に締まりばめされたクランプ
スリーブ(25)の前端が主軸(1)の段部(28)に当接した状
態においては、貫通穴(30)の前後方向に関する位置は、
クランプスリーブ(25)の流体供給穴(27)と合致してい
る。流体供給管(31)は油圧シリンダ(32)により移動させ
られるようになっている。また、主軸(1)の大径穴部(11
B)の周壁における前後方向に関して貫通穴(30)と合致し
た位置に、主軸(1)の径方向に伸びる貫通穴(33)が形成
されている。

【００２７】このような構成の主軸装置において、工具
の脱着は次のようにして行われる。すなわち、予め油圧
シリンダ(32)により流体供給管(31)を主軸(1)の径方向
外方へ移動させておき、その先端部が主軸(1)と干渉し
ないようにしておく。このとき、ドローバー(10)に締ま
りばめされたクランプスリーブ(25)の前端は主軸(1)の
段部(28)に当接している。そして、電動機(7)により主
軸(1)を回転させて、固定ハウジング(2)の貫通穴(30)
と、主軸(1)の貫通穴(33)およびクランプスリーブ(25)
の流体供給穴(27)とを周方向に関して合致させた後、電
動機(7)を停止させる。ついで、油圧シリンダ(32)によ
り流体供給管(31)を主軸(1)の径方向内方に移動させて
その先端部を主軸(1)の貫通穴(33)に差し込み、その先
端面をクランプスリーブ(25)の周壁(25a)外周面におけ
る流体供給穴(27)の周囲に部分に当接させる。ついで、
流体供給管(31)から流体供給穴(27)を通してクランプス
リーブ(25)の環状溝(26)内に圧力油を供給し、これによ
りクランプスリーブ(25)の周壁(25a)を径方向に若干広
げてドローバー(10)に対する締め代をなくす。このと
き、クランプスリーブ(25)の環状溝(26)における前側面
(26a)の面積が、後側面(26b)の面積よりも大きくなって
いることにより、圧力油によってクランプスリーブ(25)
は前方に押圧され、主軸(1)の段部(28)に押し付けられ
た状態のままで保持される。

【００２８】ついで、油圧シリンダ(19)によりドローバ
ー操作ロッド(16)を前進させ、ドローバー操作ロッド(1
6)の前端面でドローバー(10)の大径部(10a)後端面を押
圧してドローバー(10)を前進させる。ドローバー(10)が
前進すると、工具把持装置(15)が解放状態となる（図３
参照）。この状態で、主軸(1)のテーパ穴(6)内に工具ホ
ルダ(5)のテーパシャンク(5a)を挿入する。ついで、油
圧シリンダ(19)によりドローバー操作ロッド(16)を後退
させると、係合部(18)がドローバー(10)の操作ヘッド(1
4)前端に係合することによりドローバー(10)が後退させ
られ、工具把持装置(15)により工具ホルダ(5)のプルス
タッド(5b)が把持される。

【００２９】ついで、クランプスリーブ(25)の環状溝(2
6)内への圧力油の供給を停止すると、クランプスリーブ
(25)のドローバー(10)に対する締め代を生じ、ドローバ
ー(10)がクランプスリーブ(25)によりクランプされる。
その結果、クランプスリーブ(25)が主軸(1)の段部(28)
に当接していることにより、ドローバー(10)は後退位置
で維持され、工具ホルダ(5)が固定状態に保たれる。そ
の後、油圧シリンダによりドローバー操作ロッド(16)を
若干前進させ、ドローバー(10)とドローバー操作ロッド
(16)とが接触しないようにするとともに、油圧シリンダ
により流体供給管(31)を主軸(1)の径方向外方に移動さ
せてその先端部が主軸(1)と干渉しないようにする（図
４参照）。こうして、加工可能な状態となる。

【００３０】主軸(1)に取り付けられた工具による加工
が終了した後工具を交換する際は、電動機(7)により主
軸(1)を回転させて、固定ハウジング(2)の貫通穴(30)
と、主軸(1)の貫通穴(33)およびクランプスリーブ(25)
の流体供給穴(27)とを周方向に関して合致させた後、電
動機(7)を停止させる。ついで、油圧シリンダ(32)によ
り流体供給管(31)を主軸(1)の径方向内方に移動させて
その先端部を主軸(1)の貫通穴(33)に差し込み、その先
端面をクランプスリーブ(25)の周壁(25a)外周面におけ
る流体供給穴(27)の周囲に部分に当接させる。ついで、
流体供給管(31)から流体供給穴(27)を通してクランプス
リーブ(25)の環状溝(26)内に圧力油を供給してクランプ
スリーブ(25)の周壁(25a)を径方向に若干広げ、これに
よりクランプスリーブ(25)のドローバー(10)に対する締
め代をなくす。ついで、油圧シリンダ(19)によりドロー
バー操作ロッド(16)を前進させ、ドローバー操作ロッド
(16)の前端面でドローバー(10)の大径部(10a)後端面を
押圧してドローバー(10)を前進させる。ドローバー(10)
が前進すると、工具把持装置(15)が解放状態となって工
具ホルダ(5)の固定が解除される。その後、たとえば自
動工具交換装置により工具を交換し、次工具を上記と同
様にして固定する。

【００３１】なお、本発明は、上記実施形態に限定され
るものではない。すなわち、上記実施形態においては、
主軸(1)に対してドローバー(10)が回転しないように設
けられることにより、間接的に、クランプスリーブ(25)
を主軸(1)に対して回転しないようにしているが、これ
に代えて、たとえば段部(28)とクランプスリーブ(25)と
の間で、互いに嵌り合うキーおよびキー溝を設けること
により、クランプスリーブ(25)を主軸(1)に対して回転
しないようにしてもよい。

【００３２】また、上記実施形態においては、流体を供
給してクランプスリーブ(25)の締め代をなくしたときの
クランプスリーブ(25)の段部(28)への押し付けを、ドロ
ーバー(10)に段部(12)を形成することにより行っている
が、これに代えて、たとえばクランプスリーブ(25)を段
部(28)に押圧する手段を、クランプスリーブ(25)よりも
後方において主軸(1)に設けておいてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による主軸装置を示す縦断面図であ
る。

【図２】ドローバーの後端部、クランプスリーブおよび
ドローバー操作ロッドの前端部を示す一部切り欠き分解
斜視図である。

【図３】工具の固定を解除する状態を示す図１の部分拡
大図である。

【図４】工具を固定する状態を示す図１の部分拡大図で
ある。

【符号の説明】

(1)：主軸 (10)：ドローバー (16)：ドローバー操作ロッド (19)：油圧シリンダ (25)：クランプスリーブ (25a)：周壁 (26)：環状溝 (27)：流体供給穴 (28)：段部 (31)：流体供給穴

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 前端に工具が取り付けられる中空状主軸
   と、主軸内に、後端が主軸内に位置するとともに主軸に
   対して軸方向に移動しうるように同軸上に配され、かつ
   軸方向の移動により主軸前端への工具の固定、解放を行
   うドローバーと、ドローバーを主軸に対して軸方向に移
   動させる移動手段と、主軸内においてドローバーの周囲
   に締まりばめされかつ主軸に対して回転しないようにな
   されたクランプスリーブと、主軸の内部に設けられかつ
   クランプスリーブの前方への移動を阻止する阻止部と、
   クランプスリーブのドローバーに対する締め代をなくし
   てドローバーをクランプスリーブに対して移動しうるよ
   うにするアンクランプ手段とを備えている工作機械の主
   軸装置。
2. 【請求項２】 移動手段が、主軸に対して回転および軸
   方向移動をするように主軸内に配された前後方向に伸び
   るドローバー操作ロッドと、主軸外に配されかつドロー
   バー操作ロッドを軸方向に移動させる駆動手段とよりな
   り、ドローバー操作ロッドが、ドローバーを前方に移動
   させる位置と、ドローバーを後方に移動させる位置と、
   ドローバーに干渉しない位置との間で、軸方向に移動す
   るようになされている請求項１の工作機械の主軸装置。
3. 【請求項３】 クランプスリーブの周壁内周面に環状溝
   が全周にわたって形成されるとともに、環状溝の底面と
   周壁の外周面との間に流体供給穴が貫通状に形成され、
   主軸停止時に、アンクランプ手段により流体供給穴を通
   してクランプスリーブの環状溝内に圧力流体を供給する
   ようになされている請求項１または２の工作機械の主軸
   装置。
4. 【請求項４】 ドローバーの長手方向の中間部に、前方
   を向いた段部を介して大径部が設けられ、クランプスリ
   ーブが、大径部とこれよりも前方の小径部とにまたがる
   ように締まりばめされており、阻止部が、主軸の内部に
   おけるクランプスリーブよりも前側の部分に、クランプ
   スリーブに当接するように設けられている請求項１、２
   または３の工作機械の主軸装置。