JP2011148015A - 主軸装置及びそれを備えた工作機械 - Google Patents

Abstract

【課題】回転軸の軸方向長さを短くして、主軸全長の短縮を図るとともに、前側軸受を引き抜く際に良好なメンテナンス性が得られ、高速に回転可能で、且つ高速時の振動低減も図ることができる主軸装置及びそれを備えた工作機械を提供する。
【解決手段】主軸装置Ｍでは、回転軸８０には、前側軸受２６とビルトインモータ５０のロータ５２間に肩部８１ａが形成され、回転軸８０の肩部８１ａと前側軸受２６の内輪２６ｃとの間には内輪間座２９が配置されている。そして、回転軸８０の肩部８１ａは、ビルトインモータ５０のステータ５１のエンドコイル５３ａの工具側端面５３ａ１よりステータ寄りに位置している。また、肩部８１ａと内輪間座２９の対向する端面の周囲には、内輪間座２９の端面が臨む空間部ｓが形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、主軸装置及びそれを備えた工作機械に関し、より詳細には、門形マシニングセンタの主軸ヘッドに取り付けられる主軸装置及びそれを備えた一般工作機械又は複合加工工作機械に関する。

従来、大物ワークと工具との三次元的な相対移動によって、切削、穴あけ等の加工を行なう複合加工工作機械として、例えば、ワークを取り付けたテーブルを直進往復運動させると共に、工具を有する主軸をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に制御する門形マシニングセンタが使用されている。

門形マシニングセンタでは、２つのコラムによって支持されたクロスレールにサドルが取り付けられ、サドルに対して上下方向に移動するラムの端部に主軸ヘッドが取り付けられ、さらに、この主軸ヘッドの２本の支持アームにブラケットを介してモータビルトイン式の主軸装置が旋回可能に取り付けられる。

モータビルトイン式の主軸装置として、図７は、特許文献１に記載の主軸装置１００の構造を示している。

図７に示す主軸装置１００は、ロータ１０１が固定される回転軸１０２と、ステータ１０３が固定されるハウジング１０４と、を備える。そして、ハウジング１０４の周壁の内部に、回転軸１０２に平行な冷却流体の通路１０５を形成することで、冷却ジャケットを有するステータスリーブを不要とし、装置の小型化を図っている。また、この主軸装置１００では、回転軸１０２を支持する前側軸受１０６及び後側軸受１０７は、ステータ１０３のエンドコイル１０３ａの内側に配置されている。

特許第２７８５６９１号公報

ところで、マシニングセンタに取り付けられる主軸装置は、旋回しながら使用されるため、旋回半径を小さくするように主軸全長を短くすることが望まれている。また、主軸装置では、交換部品である前側軸受のメンテナンス性を向上することが望まれる。同時に、主軸装置では、高速回転や高速時の振動低減も望まれる。

しかしながら、特許文献１の主軸装置は、前側軸受１０６及び後側軸受１０７がステータ１０３のエンドコイル１０３ａの内側に配置されることで、軸受間のスパンは短くすることはできるが、主軸全長を短くすることについては記載されておらず、また、具体的な前側軸受１０６及び後側軸受１０７の組み付けや、前側軸受１０６のメンテナンスについても記載されていない。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、回転軸の軸方向長さを短くして、主軸全長の短縮を図るとともに、前側軸受を引き抜く際に良好なメンテナンス性が得られ、高速に回転可能で、且つ高速時の振動低減も図ることができる主軸装置及びそれを備えた工作機械を提供することにある。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１） 回転軸が前側及び後側軸受を介してハウジングに回転自在に支持されるとともに、前記回転軸がビルトインモータによって回転駆動される主軸装置であって、
前記回転軸には、前記前側軸受と前記ビルトインモータのロータ間に肩部が形成され、前記回転軸の肩部と前記前側軸受の内輪との間には内輪間座が配置されており、
前記回転軸の肩部は、前記ビルトインモータのステータのエンドコイルの工具側端面よりステータ寄りに位置し、
前記肩部と前記内輪間座の当接する端面の周囲には、前記内輪間座の端面が臨む空間部が形成されていることを特徴とする主軸装置。
（２）前記内輪間座の外径は、前記肩部の外径より大きいことを特徴とする（１）に記載の主軸装置。
（３） 前記回転軸の肩部には、バランス修正用のタップ穴が斜めに形成されており、前記ハウジングには、該ハウジングの外部から前記タップ穴まで直線状に形成される、バランス修正用工具を挿入可能な工具挿入部が形成されることを特徴とする（１）または（２）に記載の主軸装置。
（４） 前記回転軸は、前記肩部と前記ロータの工具側端面との間に、前記ロータの外径と略等しい外径寸法を有するフランジ部を有し、
前記空間部は、前記フランジ部より小径の前記肩部と、前記内輪間座の工具側端面に形成された小径部の少なくとも一方によって形成されていることを特徴とする（２）又は（３）に記載の主軸装置。
（５） （１）から（４）のいずれかに記載の主軸装置と、該主軸装置を旋回するチルト機構と、を備えることを特徴とする工作機械。

本発明によれば、回転軸には、前側軸受とビルトインモータのロータ間に肩部が形成され、回転軸の肩部と前側軸受の内輪との間には内輪間座が配置されている。そして、回転軸の肩部は、ビルトインモータのステータのエンドコイルの工具側端面よりステータ寄りに位置しているので、回転軸の軸方向長さを短くして、主軸全長の短縮を図ることができる。また、肩部と内輪間座の当接する端面の周囲には、内輪間座の端面が臨む空間部が形成されているので、前側軸受を引き抜く際に内輪間座を介して前側軸受の内輪に軸方向の力を与えることができ、良好なメンテナンス性が得られる。
加えて、回転軸の短寸化によって回転軸の固有値が高くなり、また、空間部が形成されることで、回転軸を含めた回転体の質量が減少して固有値がさらに高くなる。これにより、回転軸は、より高速に回転可能となり、また、高速時の振動が小さくなる効果も期待できる。
例えば、上記空間部は、内輪間座の外径を、肩部の外径より大きくすることで与えられる。

また、回転軸の肩部には、バランス修正用のタップ穴が斜めに形成されており、ハウジングには、該ハウジングの外部からタップ穴まで直線状に形成される、バランス修正用工具を挿入可能な工具挿入部が形成されるので、スピンドル組立後のバランス修正を容易に行うことができる。

さらに、回転軸は、肩部とロータの工具側端面との間に、ロータの外径と略等しい外径寸法を有するフランジ部を有するので、回転軸の曲げ剛性を高くでき、固有値を高めることができる。また、空間部は、フランジ部より小径の肩部と、内輪間座の工具側端面に形成された小径部の少なくとも一方によって形成されているので、前側軸受を引き抜く際に該空間部に内輪間座を軸方向に押すための工具を挿入することができる。

また、本発明の主軸装置は、チルト機構を有する工作機械に搭載されることで、主軸装置の旋回半径が短くなるとともに、旋回構造がコンパクトになり、工作機械全体のコンパクト化、軽量化も図れる。

本発明の主軸装置が適用される門形マシニングセンタの概略図である。 主軸装置の断面図である。 図２の主軸装置の要部拡大断面図である。 外輪のカウンターボア側端面が押圧される場合を示す断面図である。 主軸装置の第１の変形例を示す主軸装置の要部拡大断面図である。 主軸装置の第２の変形例を示す主軸装置の要部拡大断面図である。 従来の主軸装置の例を示す断面図である。

以下、本発明に係る主軸装置及び工作機械としての門形マシニングセンタについて図面に基づいて詳細に説明する。

図１に示すように、門形マシニングセンタ１では、ベッド２の上にテーブル３がＸ軸方向へ移動可能に支持されており、ベッド２の両側には一対のコラム４が立設されている。コラム４の上端にはクロスレール５が架設されており、クロスレール５には、サドル６がＹ軸方向へ移動可能に設けられる。また、サドル６には、Ｚ軸方向に昇降可能なラム７が支持されており、ラム７の下端には、本発明の主軸装置ＭをＹ軸回り及びＺ軸回りに回転割出し駆動可能に保持する主軸ヘッド８が装着されている。主軸ヘッド８の２本の支持アーム８ａ内には、図示しないチルト機構が設けられており、主軸装置Ｍは、このチルト機構によってブラケット９を介してＹ軸回りに回転割出しされる。

図２に示すように、主軸装置Ｍは、モータビルトイン式のものであり、ブラケット９に固定される外筒ハウジング１０と、外筒ハウジング１０の内部に挿入された回転軸８０と、外筒ハウジング１０の前部に設けられた前側軸受ハウジング２０と、外筒ハウジング１０の後部に設けられた後側軸受ハウジング３０と、前側軸受ハウジング２０と回転軸８０の前部との間に配置される前側軸受２５、２６と、後側軸受ハウジング３０と回転軸８０の後部との間に配置さる後側軸受３６，３７と、前側軸受２６と後側軸受３６との間のスペースに配置されたビルトインモータ５０と、を備えている。

回転軸８０は、前側軸受２５，２６及び後側軸受３６，３７を介してハウジングＨに回転自在に支持されると共に、ビルトインモータ５０によって回転駆動される。前側軸受ハウジング２０及び後側軸受ハウジング３０は、それぞれ外筒ハウジング１０に内嵌され、外筒ハウジング１０にねじ締結される。なお、外筒ハウジング１０、前側軸受ハウジング２０及び後側軸受ハウジング３０は、本発明のハウジングＨを構成している。また、図２中、左側を前側又は工具側と称し、右側を後側又は反工具側と称す。

ビルトインモータ５０は、外筒ハウジング１０の内周に冷却用溝１１ａを有する冷却筒１１を介して固定されたステータ５１と、回転軸８０の外周に焼き嵌めされたロータ５２と、を有し、ステータ５１の軸方向両端部には、ステータコイルのエンドコイル５３ａ，５３ｂが略環状の凸部として突出している。

回転軸８０の内部には、軸方向に延びるドローバー９３と、ドローバー９３の先端側に設けられるコレット９０と、ドローバー９３と回転軸８０との間に設けられ、コレット９０を反工具側に引き込む皿バネ９４と、が組み込まれている。従って、コレット９０に装着された工具ホルダ９２は、反工具側に引き込まれることで、回転軸８０の工具側内周面に形成されたテーパ面８０ａと嵌合する。また、後側軸受ハウジング３０の後方には、回転軸８０の内径部に組み込まれた皿バネ９４を圧縮して工具ホルダ９２をアンクランプするアンクランプユニット９１が取り付けられている。

図３に拡大して示すように、前側軸受２５、２６は、それぞれ転動体として複数の玉２５ｂ，２６ｂを有するアンギュラ玉軸受であり、これらアンギュラ玉軸受２５，２６が間座２７，２８を介して背面組み合わせされている。回転軸８０の前側軸受２５，２６に対して反工具側の外周面には、前側軸受２５，２６が外嵌される外周面よりも大径のフランジ部８１がロータ５２の工具側端面近傍まで形成されている。前側軸受２５，２６の外輪２５ａ，２６ａは、外輪間座２７を介して、前側軸受ハウジング２０の反工具側端部に形成された内向き段部２２に突き当てて、前側軸受ハウジング２０に内嵌され、前側軸受ハウジング２０に前蓋４０を締結固定することで軸方向に固定される。また、前側軸受２５，２６の内輪２５ｃ，２６ｃは、内輪間座２４，２８，２９を介して、フランジ部８１の肩部８１ａに突き当てて回転軸８０に外嵌され、回転軸８０の先端寄りに形成されたねじ溝８０ｃに前側軸受固定ナット８６を螺合締結することで、前側軸受２５，２６に予圧を付与しながら、軸方向に固定される。なお、内輪間座２４は、前蓋４０とともに非接触ラビリンスシールを構成する。

また、後側軸受３６，３７も、図２に示すように、転動体として複数の玉３６ｂ，３７ｂを備えたアンギュラ玉軸受であり、間座３８，３９を介して背面組み合わせされている。後側軸受３６，３７の外輪３６ａ，３７ａは、外輪間座３８を介して後側軸受ハウジング３０に形成された内向き段部３０ａに突き当てられて、後側軸受ハウジング３０に内嵌され、外輪固定部材４０を締結固定することで軸方向に固定される。また、内輪３６ｃ，３７ｃは、回転軸８０に形成された外向き段部８０ｄに内輪間座３９，４１，４２を介して突き当てて回転軸８０に外嵌され、回転軸８０に形成されたねじ溝８０ｅに後側軸受固定用ナット３４を締付けることで、後側軸受３６，３７に予圧を付与しながら、軸方向に固定される。

ここで、前側軸受ハウジング２０の反工具側端面は内径側に向かって徐々に後方へ傾斜する傾斜面２０ａを有しており、反工具側端部に形成された内向き段部２２の一部は、ステータ５１のエイドコイル５３ａの内側に配置される。また、フランジ部８１の肩部８１ａも、ビルトインモータ５０のステータ５１のエンドコイル５３ａの工具側端面５３ａ１よりステータ寄りに位置しており、内輪間座２９の一部もステータ５１のエイドコイル５３ａの内側に配置される。

さらに、後側軸受３６が内嵌される後側軸受ハウジング３０は、工具側に筒状部３０ｂが形成されており、筒状部３０ｂは、ステータ５１の反工具側のエンドコイル５３ｂの内周側に入り込んでいる。
このような配置により、回転軸８０は前側軸受２６と後側軸受３６間を短寸化することができ、ドローバー９３も短寸化することができる。

また、肩部８１ａに当接する内輪間座２９の外径Ｄは、肩部８１ａの外径ｄより大きくして、肩部８１ａと内輪間座２９が当接する端面の周囲に、内輪間座２９の反工具側端面２９ａが臨む空間部ｓが形成されている。

前側軸受２５，２６を交換するため、前側軸受２５，２６を工具側から引き抜く際には、外筒ハウジング１０と前側ハウジング２０とを分離した状態で、前側軸受固定ナット８６を外し、空間部ｓに配置した治具によって内輪間座２９を矢印ａから押し、前側軸受２５，２６の内輪２５ｃ，２６ｃに軸方向の力を与える。特に、本実施形態のような背面組合せのアンギュラ玉軸受２５，２６においては、内輪２６ｃに軸方向の力を付与する必要があり、図４に示すように、外輪２６ａに軸方向の力を付与した場合、玉傷ｂが生じる可能性がある。

以上のように、本実施形態の構成の主軸装置Ｍでは、回転軸８０には、前側軸受２６とビルトインモータ５０のロータ５２間に肩部８１ａが形成され、回転軸８０の肩部８１ａと前側軸受２６の内輪２６ｃとの間には内輪間座２９が配置されている。そして、回転軸８０の肩部８１ａは、ビルトインモータ５０のステータ５１のエンドコイル５３ａの工具側端面５３ａ１よりステータ寄りに位置しているので、回転軸８０の軸方向長さを短くして、主軸全長の短縮を図ることができる。また、肩部８１ａと内輪間座２９の対向する端面の周囲には、内輪間座２９の端面が臨む空間部ｓが形成されているので、前側軸受２５，２６を引き抜く際に内輪間座２９を介して前側軸受２６の内輪２６ｃに軸方向の力を与えることができ、良好なメンテナンス性が得られる。
加えて、回転軸８０の短寸化によって回転軸８０の固有値が高くなり、また、空間部ｓが形成されることで、回転軸８０を含めた回転体の質量が減少して固有値がさらに高くなる。これにより、回転軸８０は、より高速に回転可能となり、また、高速時の振動が小さくなるという相乗効果も期待できる。
また、本実施形態では、上記空間部ｓは、内輪間座２９の外径を、肩部８１ａの外径より大きくすることで与えられる。

また、本発明の主軸装置Ｍは、チルト機構を有する工作機械に搭載されることで、主軸装置Ｍの旋回半径が短くなるとともに、旋回構造がコンパクトになり、工作機械全体のコンパクト化、軽量化も図れる。

図５は、本発明の第１変形例を示す主軸装置の要部拡大断面図である。図５に示すように、回転軸８０のフランジ部８１には、回転軸８０のバランス修正を行うため図示しないバランス修正用錘（止めねじ）が螺合可能な複数のバランス修正用のタップ穴８２が回転軸線Ｌに対して斜めに形成されている。これらのタップ穴８２は、内輪間座２９と対向する軸方向端面と外周面との間に形成されたテーパ面８１ｂに開口している。また、前側軸受ハウジング２０には、ステータ５１のエンドコイル５３ａと干渉しないように、該ハウジング２０の外部からタップ穴８２までタップ穴８２の軸線に沿って直線状に傾斜した工具挿入孔２１（工具挿入部）が形成される。これにより、工具挿入孔２１から先端にバランス修正用ねじを取り付けた図示しないバランス修正用工具を挿入して、バランス修正用錘をタップ穴８２に取り付けることができる。従って、スピンドル組立後のバランス修正を容易に行うことができる。

図６（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第２変形例を示す主軸装置の要部拡大断面図である。第２変形例では、回転軸８０のフランジ部８１は、肩部８１ａとロータ５２の工具側端面との間で、ロータ５２の外径ｄ１と略等しい外径寸法ｄ２を有する。これにより、回転軸８０の軸径が太い部分が増加し、回転軸の曲げ剛性を高くでき、固有値を高めることができる。

また、図６（ａ）では、空間部ｓは、フランジ部８１の外径ｄ２より小さい外径ｄの肩部８１ａによって形成され、図６（ｂ）では、空間部ｓは、内輪間座２９の反工具側端部に形成された小径部２９ｂによって形成される。これにより、前側軸受２５，２６を引き抜く際に該空間部ｓに内輪間座２９を軸方向に押すための工具を挿入することができる。

また、空間部ｓは、フランジ部より小径の肩部８１ａと、内輪間座２９の工具側端部に形成された小径部２９ｂの両方によって形成されてもよい。

尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が可能である。
上述した実施形態は、前側軸受、後側軸受に２列のアンギュラ玉軸受を使用したが、軸受の種類や数はこれに限定されず、使用状態に応じて適宜設計することができる。

Ｈ ハウジング
Ｍ 主軸装置
１０ 外筒ハウジング
２０ 前側軸受ハウジング
２５，２６ 前側軸受
２９ 内輪間座
３０ 後側軸受ハウジング
３６，３７ 後側軸受
５０ ビルトインモータ
５１ ステータ
５２ ロータ
５３ａ，５３ｂ エンドコイル
８０ 回転軸
８１ フランジ部
８１ａ 肩部
８６ 前側軸受固定用ナット
ｓ 空間部

Claims (5)

1. 回転軸が前側及び後側軸受を介してハウジングに回転自在に支持されるとともに、前記回転軸がビルトインモータによって回転駆動される主軸装置であって、
   前記回転軸には、前記前側軸受と前記ビルトインモータのロータ間に肩部が形成され、前記回転軸の肩部と前記前側軸受の内輪との間には内輪間座が配置されており、
   前記回転軸の肩部は、前記ビルトインモータのステータのエンドコイルの工具側端面よりステータ寄りに位置し、
   前記肩部と前記内輪間座の当接する端面の周囲には、前記内輪間座の端面が臨む空間部が形成されていることを特徴とする主軸装置。
2. 前記内輪間座の外径は、前記肩部の外径より大きいことを特徴とする請求項１に記載の主軸装置。
3. 前記回転軸の肩部には、バランス修正用のタップ穴が斜めに形成されており、前記ハウジングには、該ハウジングの外部から前記タップ穴まで直線状に形成される、バランス修正用工具を挿入可能な工具挿入部が形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の主軸装置。
4. 前記回転軸は、前記肩部と前記ロータの工具側端面との間に、前記ロータの外径と略等しい外径寸法を有するフランジ部を有し、
   前記空間部は、前記フランジ部より小径の前記肩部と、前記内輪間座の工具側端部に形成された小径部の少なくとも一方によって形成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の主軸装置。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の主軸装置と、該主軸装置を旋回するチルト機構と、を備えることを特徴とする工作機械。

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