JP2013215861A - 工作機械 - Google Patents

Abstract

【課題】主軸の先端面と工具の基端面との距離が長くても、主軸の先端面に付着した切粉を除去することができる工作機械を提供する。
【解決手段】工作機械１は、基台に回転可能に支持された主軸５と、この主軸５の先端部に着脱可能に取り付けられ、ワークに対して切削加工を行うための工具６とを備えている。主軸５には、工具６の基端面（工具面）６ａに向けて洗浄用エアーを噴射させるためのエアー噴射口１７ａを有する複数のエアー通路１７が形成されている。工具面６ａにおける各エアー噴射口１７ａに対向する位置には、エアー噴射口１７ａから噴射される洗浄用エアーを主軸５の先端面（主軸面）５ａ側に返すための複数の凹部１９が形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、ワークに対して切削加工を行う工作機械に関するものである。

従来の工作機械としては、例えば特許文献１に記載されているものが知られている。特許文献１に記載の工作機械は、スピンドルに収容されて回転する主軸と、この主軸の先端部に着脱可能に取り付けられる工具とを備え、主軸の先端面には、エアーを主軸の軸方向に放出するための複数のエアー放出口が形成されている。これらのエアー放出口からエアーが放出されることにより、工具の基端面（主軸の先端面と係合する面）及び主軸の先端面に付着した切粉がエアー圧で吹き飛ばされて除去される。

特開２０１０−１０５０９０号公報

しかしながら、上記従来技術においては、以下の問題点が存在する。即ち、主軸の先端面と工具の基端面との距離が長いときは、主軸のエアー放出口から放出されたエアーが主軸の先端面に付着した切粉を除去するような流速の大きな空気の流れを形成することができない。このため、エアー放出口から放出されるエアーにより主軸の先端面を洗浄するためには、主軸の先端面と工具の基端面との距離を十分短くする必要がある。しかし、この場合には、大きな切粉が主軸の先端面と工具の基端面との間に挟まれて除去できないことがある。

本発明の目的は、主軸の先端面と工具の基端面との距離が長くても、主軸の先端面に付着した切粉を除去することができる工作機械を提供することである。

本発明は、主軸と、主軸の先端部に着脱可能に取り付けられ、切削加工を行うための工具とを備える工作機械において、主軸側には、工具に向けて洗浄用エアーを噴射させるためのエアー噴射部が設けられており、工具におけるエアー噴射部からの洗浄用エアーの噴射方向に対応する領域には、エアー噴射部から噴射される洗浄用エアーを主軸側に返すための凹部が設けられていることを特徴とするものである。

このように本発明の工作機械においては、工具におけるエアー噴射部からの洗浄用エアーの噴射方向に対応する領域に、エアー噴射部から噴射される洗浄用エアーを主軸側に返すための凹部を設けることにより、エアー噴射部から洗浄用エアーが噴射されると、洗浄用エアーが凹部に入り込んで凹部の側面に沿って主軸の先端面に向かって流れるようになる。このため、主軸の先端面に、流速の大きな空気の流れが形成されることになる。これにより、主軸の先端面と工具の基端面との距離が長くても、主軸の先端面に付着した切粉を除去することができる。

好ましくは、エアー噴射部は、主軸に設けられており、凹部は、工具におけるエアー噴射部に対向する位置に設けられている。この場合には、エアー噴射部から噴射される洗浄用エアーが凹部に入り込みやすくなるため、洗浄用エアーを主軸側にスムーズに返すことができる。

また、好ましくは、凹部は、エアー噴射部に対して主軸の周方向にオフセットされている。この場合には、エアー噴射部から噴射された洗浄用エアーが凹部の側面に沿って主軸の先端面に向かって流れるときに、洗浄用エアーが主軸の径方向に対して交差する方向に流れるようになる。従って、洗浄用エアーが主軸の先端面に沿って流れる距離が長くなり、主軸の先端面において洗浄用エアーが流れる面積が増加する。これにより、主軸の先端面に付着した切粉を一層除去することができる。

さらに、好ましくは、凹部の底面が曲面状をなしている。この場合には、凹部に入り込んだ洗浄用エアーが凹部の底面に沿って滑らかに流れるようになり、洗浄用エアーの流れの剥離が発生しにくくなる。従って、主軸の先端面に流速の十分大きな空気の流れを形成することができる。

本発明によれば、主軸の先端面と工具の基端面との距離が長くても、主軸の先端面に付着した切粉を除去することができる。これにより、主軸の先端面と工具の基端面との距離を短くしなくて済むため、大きな切粉が主軸の先端面と工具の基端面との間に挟まれて除去できなくなるという不具合を防止することが可能となる。

本発明に係わる工作機械の一実施形態を示す概略構成図である。 図１に示した主軸と工具の基端部とを示す断面図である。 図２に示した主軸及び工具の要部を示す断面図である。 図３に示した主軸の先端面を示す正面図である。 図３に示した凹部がエアー噴射口に対して主軸の周方向にオフセットされていない場合の主軸の先端面を示す正面図である。 主軸のエアー噴射口から工具に向けて空気を噴射させたときに、主軸の先端面を流れる空気の流速分布のＣＡＥ解析結果を比較して示す図である。 図３に示した凹部の形状及び形成位置の変形例を示す断面図である。

以下、本発明に係わる工作機械の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明に係わる工作機械の一実施形態を示す概略構成図である。同図において、本実施形態の工作機械１は、治具２にセットされたワーク３に対する複数種類の切削加工を１台で行うことができる数値制御工作機械（マシニングセンタ）である。

工作機械１は、基台４と、この基台４に回転可能に支持された主軸５と、この主軸５の先端部に着脱可能に取り付けられ、ワーク３に対して切削加工を行うための工具６と、主軸５に取り付けられる工具６を自動的に交換する自動工具交換装置（ＡＴＣ装置）７とを備えている。ＡＴＣ装置７は、多数の工具６を格納する工具マガジン８と、この工具マガジン８に格納されている何れか１つの工具６と主軸５に取り付けられている工具６とを交換するための工具交換アーム（図示せず）とを有している。工具交換アームは、工具６を主軸５に対して着脱する際に、工具６を主軸５の軸方向（矢印Ｘ方向）に移動させる。

図２は、主軸５と工具６の基端部とを示す断面図である。同図において、主軸５は、円筒状の本体部９と、この本体部９の内側に主軸５の軸方向に移動可能に設けられたロッド部１０とを有している。本体部９には、主軸５の先端面（工具６側の面）５ａに開口する環状溝１１が形成されている。主軸５の内部には、工具６を主軸５に保持するための工具保持用ボール１２が配置されている。本体部９及びロッド部１０には、工具保持用ボール１２と係合する貫通孔１３及び凹み１４がそれぞれ形成されている。

工具６の基端面６ａには、主軸５の環状溝１１と嵌合する筒状部１５が突設されている。筒状部１５には、工具保持用ボール１２と係合する貫通孔１６が形成されている。なお、工具６の基端面６ａは、主軸５の先端面５ａと係合する面である。

図２（ａ）に示すように、工具６が主軸５の先端部に取り付けられていない状態では、工具保持用ボール１２が主軸５の凹み１４及び貫通孔１３にわたって収容されている。一方、図２（ｂ）に示すように、工具交換アーム（図示せず）によって工具１６を主軸１５に向けて移動させることで、工具６の筒状部１５が主軸５の環状溝１１に挿入されると、バネ（図示せず）の付勢力によりロッド部１０が主軸５の基端側に移動し、工具保持用ボール１２が凹み１４から出て工具６の貫通孔１６に嵌まり込む。これにより、工具６の基端面（以下、工具面）６ａが主軸５の先端面（以下、主軸面）５ａに接触した状態で、工具６が主軸５に保持されるようになる。

主軸５の本体部９には、図２及び図３に示すように、工具面６ａに向けて洗浄用エアーを噴射させるためのエアー噴射口（エアー噴射部）１７ａを有する複数のエアー通路１７が形成されている。エアー噴射口１７ａは、主軸面５ａに形成されている。エアー通路１７は、主軸５の軸方向に延びている。また、本体部９には、外部装置（図示せず）からの洗浄用エアーを各エアー通路１７に供給するためのエアー通路１８が形成されている。なお、図３では、主軸５の先端部及び工具６の基端部を簡略化して示している。

エアー噴射口１７ａを含むエアー通路１７は、図４に示すように、主軸５の周方向に等間隔で配置されている。エアー噴射口１７ａは、断面円形状をなしている。エアー噴射口１７ａの外径Ａは、例えば２ｍｍ程度である。

工具面６ａにおける各エアー噴射口１７ａに対向する位置には、エアー噴射口１７ａから噴射される洗浄用エアーを主軸面５ａ側に返すための複数の凹部１９が形成されている。凹部１９の開口は、図４に示すように、断面円形状をなしている。また、凹部１９は、図３に示すように、開口側が円柱状をなし、底側が半球面状をなすように形成されている。つまり、凹部１９の底面は、曲面状となっている。

このとき、エアー噴射口１７ａから噴射される洗浄用エアーを効果的に主軸面５ａ側に返すためには、凹部１９の深さＢをエアー噴射口１７ａの外径Ａの２倍以上にするのが望ましいことが実験的に分かっている。凹部１９の深さＢは、例えば５ｍｍ程度であり、凹部１９の開口径Ｃは、例えば５ｍｍ程度である。

エアー噴射口１７ａは、図４に示すように、凹部１９に対応する領域内に位置している。これにより、エアー噴射口１７ａから噴射される洗浄用エアーが凹部１９に入り込みやすくなる。このとき、凹部１９は、エアー噴射口１７ａに対して主軸５の周方向にオフセットされている。つまり、凹部１９の中心は、エアー噴射口１７ａの中心に対して主軸５の周方向に所定量だけずれている。

以上のように構成した工作機械１において、工具６によりワーク３に対して切削加工を施したときには、工作機械１内に微小な切粉が飛散する。このような切粉は、工具６の脱着時に主軸面５ａや工具面６ａに付着してしまう。このため、工具６の装着前に、主軸面５ａや工具面６ａを洗浄する必要がある。主軸面５ａや工具面６ａの洗浄を行うときは、主軸面５ａと工具面６ａとを離間させた状態で、外部装置（図示せず）より洗浄用エアーを主軸５の各エアー通路１７に供給し、各エアー噴射口１７から工具６に向けて洗浄用エアーを噴射させることにより、主軸面５ａや工具面６ａに付着した切粉を吹き飛ばして除去する。

ここで、工具６に上記凹部１９が形成されていない場合に、主軸面５ａと工具面６ａとの距離を長くした状態で、各エアー噴射口１７ａから工具６に向けて洗浄用エアーを噴射させると、図３の破線Ｐで示すように、洗浄用エアーが工具面６ａに沿って流れるようになるため、工具面６ａで反射して主軸面５ａ側に返ってくる洗浄用エアーが少なく、主軸面５ａには流速の大きな空気の流れが形成されにくい。このため、工具面６ａに付着した切粉は除去されるが、主軸面５ａに付着した切粉を除去することが困難になる。

これに対し本実施形態では、工具面６ａにおける各エアー噴射口１７ａに対向する位置に凹部１９を形成したので、主軸面５ａと工具面６ａとの距離を長くした状態で、各エアー噴射口１７ａから工具６に向けて洗浄用エアーを噴射させたときには、図３の実線Ｑで示すように、洗浄用エアーの一部は、凹部１９の底面に当たってから凹部１９の側面に沿って主軸面５ａに向けて流れるようになる。このとき、凹部１９の底面は曲面状となっているので、凹部１９における洗浄用エアーの流れが滑らかとなり、洗浄用エアーの流れの剥離が生じにくい。そして、その洗浄用エアーは、主軸面５ａに沿って流れる。従って、主軸面５ａには、流速が十分大きな空気の流れが形成されるようになる。これにより、主軸面５ａに付着した切粉を除去することができる。また、洗浄用エアーの他の一部は工具面６ａに沿って流れるので、工具面６ａに付着した切粉も除去することができる。

このように洗浄用エアーを用いて主軸面５ａ及び工具面６ａの洗浄を行う際に、図５に示すように、凹部１９がエアー噴射口１７ａに対して主軸５の周方向にオフセットされていない、つまり凹部１９の中心がエアー噴射口１７ａの中心に対して主軸５の周方向にずれていない場合には、凹部１９により主軸面５ａ側にはね返された洗浄用エアーは、主軸面５ａに沿って主軸５の径方向に流れるようになる。

これに対し本実施形態では、図４に示すように、凹部１９がエアー噴射口１７ａに対して主軸５の周方向にオフセットされているので、各凹部１９により主軸面５ａ側にはね返された洗浄用エアーは、主軸面５ａに沿って主軸５の径方向に交差する方向に流れるようになる。つまり、主軸面５ａの上に洗浄用エアーの旋回流が発生する。このため、凹部１９がエアー噴射口１７ａに対して主軸５の周方向にオフセットされていない場合に比べて、洗浄用エアーが主軸面５ａに沿って流れる距離が長くなり、洗浄用エアーによる主軸面５ａの洗浄面積が大きくなる。従って、主軸面５ａに付着した切粉を一層除去することができる。

以上のように本実施形態によれば、主軸面５ａと工具面６ａとの距離を長くしても、主軸面５ａに付着した切粉を十分に除去することができる。これにより、主軸面５ａと工具面６ａとの距離を必要以上に短くしなくて済むため、大きな切粉が主軸面５ａと工具面６ａとの間に挟まれて除去できなくなるという不具合を防止することができる。また、主軸面５ａに切粉が付着したまま工具６の交換を行うことが無いので、工具取付精度の悪化やワーク加工精度の悪化を防ぐことができる。

図６は、主軸のエアー噴射口から工具に向けて空気を噴射させたときに、主軸面を流れる空気の流速分布のＣＡＥ解析結果を比較して示したものである。図６（ａ）は、工具に凹部が形成されている場合のＣＡＥ解析結果を示し、図６（ｂ）は、工具に凹部が形成されていない場合に、空気を工具面に対して斜めに噴射させたときのＣＡＥ解析結果を示し、図６（ｃ）は、工具に凹部が形成されていない場合に、空気を工具面に対して垂直に噴射させたときのＣＡＥ解析結果を示している。なお、この時の主軸面と工具面との距離は、３ｍｍと長くしている。また、図６中の部分Ｓは、主軸面に形成されたエアー噴射口に相当する。

図６（ｃ）から分かるように、工具に凹部が形成されていない場合に、空気を工具面に対して垂直に噴射させたときは、主軸面において空気の流速が低い領域が多いため、空気による主軸面の洗浄性能は低い。また、図６（ｂ）から分かるように、工具に凹部が形成されていない場合に、空気を工具の基端面に対して斜めに噴射させたときは、主軸面において空気の流速が低い領域が少なくなるが、空気の流速が高い領域も少ないため、空気による主軸面の洗浄性能は高くない。一方、図６（ａ）から分かるように、工具に凹部が形成されている場合には、主軸面において空気の流速が高い領域が多くなるため、空気による主軸面の洗浄性能は高い。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、図４に示すように、凹部１９を工具面６ａに主軸５のエアー噴射口１７ａに対して主軸５の周方向にオフセットするように形成したが、特にそれには限られず、図５に示すように、凹部１９をエアー噴射口１７ａに対して主軸５の周方向にオフセットしないように形成しても良い。

また、上記実施形態では、凹部１９の底面が曲面状をなしているが、凹部１９の形状としては、特にそれには限られず、種々変更可能である。例えば図７（ａ）に示すように、凹部１９の底面が円錐状（断面三角形状）をなすようにしても良い。また、図７（ｂ）に示すように、凹部１９の形状自体を断面台形状としても良い。

さらに、上記実施形態では、エアー噴射口１７ａが凹部１９に対応する領域内に位置しているが、エアー噴射口１７ａが凹部１９に対応する領域の近傍に存在するのであれば、図７（ｃ）に示すように、エアー噴射口１７ａが凹部１９に対応する領域の外側に位置するように凹部１９を工具面６ａに形成しても良い。この場合でも、エアー噴射口１７ａから噴射された洗浄用エアーは凹部１９に入り込むため、洗浄用エアーを主軸面５ａ側に返すことが可能となる。

また、上記実施形態では、エアー噴射口１７ａを含むエアー通路１７が主軸５の本体部９に形成されているが、主軸５側より洗浄用エアーを噴射できるのであれば、特にエアー通路１７を本体部９に形成しなくても良い。例えば、本体部９の外側に、工具面６ａを向いたエアー噴射ノズルをエアー噴射部として配置すると共に、工具面６ａにおけるエアー噴射ノズルからの洗浄用エアーの噴射方向に対応する領域に凹部１９を形成しても良い。この場合にも、噴射された洗浄用エアーの一部が工具面６ａに沿って流れ、また凹部１９ではね返された洗浄用エアーが主軸面５ａに沿って流れるようになる。

１…工作機械、５…主軸、６…工具、５ａ…主軸面（先端面）、６ａ…工具面（基端面）、１７…エアー通路、１７ａ…エアー噴射口（エアー噴射部）、１９…凹部。

Claims (4)

1. 主軸と、前記主軸の先端部に着脱可能に取り付けられ、切削加工を行うための工具とを備える工作機械において、
   前記主軸側には、前記工具に向けて洗浄用エアーを噴射させるためのエアー噴射部が設けられており、
   前記工具における前記エアー噴射部からの前記洗浄用エアーの噴射方向に対応する領域には、前記エアー噴射部から噴射される前記洗浄用エアーを前記主軸側に返すための凹部が設けられていることを特徴とする工作機械。
2. 前記エアー噴射部は、前記主軸に設けられており、
   前記凹部は、前記工具における前記エアー噴射部に対向する位置に設けられていることを特徴とする請求項１記載の工作機械。
3. 前記凹部は、前記エアー噴射部に対して前記主軸の周方向にオフセットされていることを特徴とする請求項１または２記載の工作機械。
4. 前記凹部の底面が曲面状をなしていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の工作機械。
   

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