JP3687802B2 - 工作機械のロータリージョイント装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、工作機械の主軸に嵌挿されたドローバーに形成された流路にクーラント等を供給するためのロータリージョイント装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
自動工具交換装置(以下、ATCと記載)を備えたマシニングセンタ(以下、MCと記載)等工作機械では、主軸の前端に取付けられる工具をクランプ,アンクランプするために、工具後端に設けられたプルスタッドを掴むための係合部材が先端に設けられたドローバーが主軸の内部の貫通孔に嵌挿され、このドローバーが軸線方向に往復移動することにより工具の着脱ができるようになっている。
一方、高速切削している工具及び被加工物の被加工部にクーラントを確実に供給するため、主軸内部を経由して工具先端よりクーラントを噴出させる主軸スルークーラント方式を採用したMCが増加する傾向にある。
【0003】
このようなMCのドローバーの内部には、クーラントなど流体を供給するための流路が軸線方向に形成されている。固定側と回転運動側はロータリージョイント装置により接続されており、このロータリージョイント装置内の流路を流れるクーラントが、前記ドローバー内流路から、高速回転する工具による被加工部に連続的に供給されることにより、加工時に発生する切削熱を除去している。
工具のクランプ,アンクランプを行うためのドローバーは、細長い形状を有し且つ皿ばね等付勢部材により強いばね力で後方向に常に付勢されているので、曲がりが生じやすくなっている。このドローバーは、組立て調整時に、各部品の加工精度等により種々の方向に変形してしまう。
【0004】
特開平4−191587号公報には、ドローバー用ロータリージョイントに関する技術が開示されており、このロータリージョイントの固定側部材は主軸頭側に固定され、回転側部材はドローバーの後端部に取付けられている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
かかる構成の従来技術の場合には、後端部に取付けられたロータリージョイントの回転側部材が固定側部材に摺接するシール面において、ドローバーの変形によりシール端面部に振れが生じシール面の密着性が悪くなり、このシール面からクーラントが漏れ出るおそれがある。
ロータリージョイントが、クーラント自体の流体圧で回転側部材と固定側部材とを互いに圧接させる構造を有している場合には、前記シール面からの漏れが一旦始まるとクーラントの流体圧が下がってしまい、前記シール面の密封性を維持することが困難になる。
【0006】
これとは別に、回転側ジョイント部材がドローバーに取付けられ、固定側ジョイント部材がシリンダ装置のピストンに取付けられた構成のロータリージョイントの場合には、主軸に対する工具のクランプ,アンクランプ動作時におけるドローバーの軸線方向ストロークよりアンクランプ手段のピストンのストロークの方が大きくなっている。
そのため、両ストロークの差を吸収して、固定側ジョイント部材を回転側ジョイント部材に追従させるための複雑な機構が必要になり、ロータリージョイント装置全体の構造が複雑になっていた。また、取付け部の剛性が不足しがちで、脈動等により振動したりすることもあった。
【0007】
また、ドローバーに曲げ等変形が生じると、ロータリージョイントのシール面が密着しにくくなる。その結果、クーラントの漏れが生じやすくなるとともにシール面の摩耗が進行し、損傷又は破損することがあり、ロータリージョイントの耐用年数が短くなっていた。
【0008】
本発明は、斯かる課題を解決するためになされたもので、ロータリージョイントの摺接部の密封性が良好で長寿命化でき、構造が簡単な工作機械のロータリージョイント装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するため、本発明にかかる工作機械のロータリージョイント装置は、主軸頭内で回転する主軸の貫通孔内に軸線方向に進退移動自在に嵌挿されたドローバーの内部の第1の流路に流体を供給する工作機械のロータリージョイント装置において、摺接部を介して回転側ジョイント部材及び固定側ジョイント部材が対向配置されるとともに内部に第2の流路が形成されたロータリージョイントと、前記回転側ジョイント部材を支持するとともに前記ドローバーが前記軸線方向に摺動自在に嵌合し、このドローバーの前記第1の流路と前記ロータリージョイントの前記第2の流路とを連通させる回転側支持部材と、前記ドローバーに設けられた後方突出部を前方向に押圧するように前記主軸頭に取付けられた押圧手段の中心部に配設されるとともに前記主軸頭に取付けられて前記固定側ジョイント部材を支持し、前記第2の流路に連通する第3の流路を有する固定側支持部材とを備え、前記ロータリージョイントの前記回転側ジョイント部材は、この回転側ジョイント部材を支持する前記回転側支持部材を介して前記主軸に取付けられている。
【0010】
好ましくは、前記回転側支持部材には、断面円形の第1の嵌合孔が中心位置に、この第1の嵌合孔と同心の複数の孔が前記中心位置より離れた位置に、それぞれ形成されている。
そして、前記ドローバーの後端部が前記第1の嵌合孔に嵌合し、前記ドローバーの後部に取付けられたドローバー用移動部材に形成された複数の前記後方突出部が前記複数の孔を貫通し、前記ドローバー及び前記ドローバー用移動部材が前記軸線方向に移動自在になっている。
【0011】
前記押圧手段はシリンダ本体が前記主軸頭に取付けられたツールアンロックシリンダ装置であり、前方向に摺動して前記後方突出部を押圧するピストンが前記シリンダ本体内に嵌合し、前記固定側支持部材が前記ピストンの中心位置に形成された中空内周面に嵌合することが好ましい。
【0012】
【作用】
ドローバーの曲がり等変形を避けるのは極めて困難であるので、本発明においては、主軸に取付けられた回転側支持部材に、ロータリージョイントの回転側ジョイント部材を支持している。
回転運動をする主軸は軸線方向には移動しないので、回転側支持部材を介して主軸に取付けられた回転側ジョイント部材も、回転運動はするが軸線方向には移動しない。一方、ロータリージョイントの固定側ジョイント部材は、主軸頭側に取付けられた固定側支持部材に支持されている。したがって、ロータリージョイントは軸線方向には移動しないことになる。
ドローバーは回転側支持部材に軸線方向に摺動自在に嵌合しているので、工具をクランプ,アンクランプする際には、ドローバーは押圧手段により押圧されて回転側支持部材に嵌合しながら軸線方向に往復移動する。
【0013】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を図1乃至図3を参照して説明する。
図1は本実施例に係るロータリージョイント装置を含む断面図、図2は図1の拡大断面図、図3は図2のIII−III線拡大断面図である。
【0014】
図1及び図2に示すように、多数の工具を順次使用するMC等工作機械には主軸頭1が設けられており、主軸頭1には主軸2が軸受3及び他の軸受(図示せず)によって回転自在に軸支されている。
ロータとステータが主軸2と主軸頭1との間に配設されたビルトインモータ4により主軸2が回転駆動される。なお、ビルトインモータ4の代わりに、ベルト,プーリ又は歯車等伝達機構を介してモータの駆動力を主軸2に伝達する場合であってもよい。
主軸2の前端には、工具を着脱自在に装着するための工具装着部(図示せず)が設けられており、ATCにより工具貯蔵マガジンと主軸2との間で工具交換動作が行われて、工具が工具装着部に装着される。
【0015】
主軸2の軸線C方向に形成された貫通孔5内には、ドローバー6が軸線C方向に進退移動自在に嵌挿されている。ドローバー6は、このドローバー6に嵌め込まれて貫通孔5内に配設された複数の皿ばね又はコイルばねなど付勢部材7によって、常時後方(図1の右方)に付勢されている。
ドローバー6の前方端には、図示しないが、工具に固定されたプルスタッドの被係合部を掴んで引っ張る係合部材が設けられている。この係合部材が工具の被係合部を掴んだ状態でドローバー6が後方に移動すると、工具が主軸2にクランプされる。
ドローバー6の内部には、クーラントや圧縮空気など流体を工具及び被加工部に流すための第1の流路10が軸線C方向に貫通形成されている。クーラントが主軸2の内部を流れて被加工部に供給されるこのような方式は、「主軸スルークーラント方式」と呼ばれている。
【0016】
主軸2の後部には、ドローバー6の流路10にクーラントを供給するためのロータリージョイント装置11が配設されている。ロータリージョイント装置11は、ロータリージョイント12と、ロータリージョイント12の回転側を支持するように前方側に設けられた回転側支持部材13と、ロータリージョイント12の固定側を支持するように後方側に設けられた固定側支持部材14とを備えている。
ロータリージョイント12には、摺接部15を介して回転側ジョイント部材16及び固定側ジョイント部材17が対向配置されるとともに、内部に第2の流路18が形成されている。流路18は、両ジョイント部材16,17が対向する摺接部15で接続離隔可能になっている。
【0017】
このロータリージョイント12にはシール自動開閉機構が採用されている。この機構は、クーラントが流路18を流れていない時には摺接部15が非接触となり、クーラントが流れているとクーラント自身の流体圧により摺接部15が自動的に接触して外部へのクーラントの漏れを防止するとともに発熱を防止するようになっている。
なお、ロータリージョイント12は、ボールベアリング等軸受を内蔵する構成であってもよいが、軸受は高速回転時の耐用年数が比較的短いことから、軸受の代わりに端面部がすべり軸受を兼ねるメカニカルシールを使用すれば、高速回転と長寿命化が実現できて好ましい。
【0018】
回転側支持部材13は、主軸2の後端部にねじ込まれて止めねじ等締結部材20により回り止めがなされている。ドローバー6は、回転側支持部材13に軸線C方向に摺動自在に嵌合している。回転側支持部材13は、回転側ジョイント部材16を支持し、ドローバー6の流路10とロータリージョイント12の流路18とを連通させている。
すなわち、図2及び図3に示すように、回転側支持部材13には、断面円形の第1の嵌合孔21が中心位置に、この第1の嵌合孔21と同心、且つ、対称形状の複数(本実施例では一対)の孔としての長孔22が中心位置より離れた位置に円周方向に均等に、それぞれ形成されている。ドローバー6の後端部23が、第1の嵌合孔21に嵌合して軸線C方向に自在に摺動する。
第1の嵌合孔21と後端部23との間には、Oリング,リップパッキン,オイルシール等シール部材23aが設けられており、このシール部材23aによりクーラントの漏れを防止している。
【0019】
ドローバー6の後部外周面6aには、略円筒形のドローバー用移動部材(以下、移動部材と記載)24が螺合し且つ止めねじ24aにより回り止めがなされて取付けられている。移動部材24は、貫通孔5の内周面5aを軸線C方向に摺接するとともに、付勢部材7の付勢力を受けてドローバー6を常に後方に引張っている。
ドローバー6と移動部材24との間,及び移動部材24と主軸2との間には、Oリング,リップパッキン,オイルシール等シール部材6b,24bがそれぞれ設けられており、これらシール部材によりクーラントの漏れを防止している。
【0020】
移動部材24には、長孔22と略同じか又はわずかに小さい断面形状を有する複数(例えば一対)の後方突出部25が、後方に向けて一体的に突出形成されるとともに長孔22内を軸線C方向に移動自在になっている。後方突出部25は、回転側支持部材13の後面26より後方に常に突出している。
なお、本実施例の後方突出部25は対称位置に配置されて一対設けられているが、これら突出部25を主軸2の回転バランスをくずさないように3個以上設け、長孔22をこれと同数設けてもよい。
【0021】
図1及び図2に示すように、移動部材24には軸線Cに直交するストッパ面27が形成されており、このストッパ面27が、回転側支持部材13の前方底面28に当接して位置決めされるようになっている。この当接動作により、ドローバー6の後方への移動動作が規制されている。
回転側支持部材13には、軸線Cと同心の円筒状突出部30が後面26から後方に向けて一体的に突出形成されている。突出部30の内方中心部には、第1の嵌合孔21に連通する係合孔31が貫通形成されており、この係合孔31には雌ねじ32が形成されている。
回転側ジョイント部材16が雌ねじ32にねじ込み固定されている。また、突出部30と回転側ジョイント部材16との間にも、Oリング,リップパッキン,オイルシール等シール部材30aが設けられており、このシール部材30aによりクーラントの漏れを防止している。
これにより、係合孔31及び第1の嵌合孔21を介して、ロータリージョイント12の流路18とドローバー6の流路10とが連通されている。
【0022】
主軸頭1の後部には、ドローバー6の後方突出部25を前方向に押圧するための押圧手段40が取付けられている。固定側支持部材14は、押圧手段40の中心部に配設されるとともに主軸頭1側に取付けられている。
固定側支持部材14は固定側ジョイント部材17を支持しており、ロータリージョイント12の流路18に連通する第3の流路41が、固定側支持部材14内に軸線C方向に形成されている。固定側支持部材14には流路41に連通する配管41aが接続されている。
【0023】
本実施例では、押圧手段としてツールアンロックシリンダ装置(以下、シリンダ装置と記載)40が使用されており、シリンダ本体42が取付け部材71等を介して主軸頭1に固定されている。
シリンダ本体42の内部にはピストン43が軸線C方向に往復移動自在に嵌合しており、ピストン43が前方向(矢印D)に摺動することにより、その前端面50がドローバー6の後方突出部25を前方向に押圧するようになっている。
主軸2の回転中は、前端面50と後方突出部25とを離隔させる必要があるので、ピストン43のストロークの方がドローバー6のストロークよりも大きく設定されている。
【0024】
シリンダ本体42には、後方のシリンダ室47に連通してここに圧油を供給するための一方の油路46と、前方のシリンダ室48に連通してここに圧油を供給するための他方の油路49が、それぞれ取付けられている。油路46,49は、図示しない油圧回路により切替え制御され圧油が供給されている。
シリンダ本体42に軸線Cと平行に取付けられたガイドピン43aが、ピストン43に形成されたガイド孔43bに摺動自在に係合することにより、ピストン43の回転方向への回り止めがなされている。符号42aはシリンダカバーであり、シリンダ本体42とともに、後方のシリンダ室47を構成している。
ピストン43の移動の確認は後端部43cの移動を図示しない検知手段にて検知することにより行い、クランプ,アンクランプ動作の確認をしている。
【0025】
固定側支持部材14は、取付け部材70を介してシリンダ本体42に固定されることにより主軸頭1側に取付けられている。ピストン43の中心部には軸線Cと同心の断面円形の中空内周面44が形成されており、この中空内周面44に固定側支持部材14が嵌合している。
中空内周面44と固定側支持部材14との間には、Oリング,リップパッキン,オイルシール等シール部材44aが設けられており、このシール部材44aによりクーラントの漏れを防止している。
【0026】
主軸2と一緒に回転する回転部と、主軸頭1側の非回転部(固定部)との間には、ラビリンス45a,45b,45cが設けられている。万一、摺接部15からクーラントが漏れ出ても、三重のラビリンス45a,45b,45cがビルトインモータ4及びその後方の軸受3とロータリージョイント12との間に配設されているので、クーラントは軸受3やビルトインモータ4内には浸入しない。
【0027】
次に、工具着脱動作について説明する。
主軸2の工具装着部に装着されている旧工具と工具貯蔵マガジンに貯蔵されている新工具とを工具交換する例で説明を行う。
初めに、主軸2に旧工具が装着されて、ドローバー6が図1及び図2に示すように後退位置にあると仮定する。まず、ATCの交換アームを主軸2の工具装着部側に移動させ、工具装着部に装着されている旧工具の被把持部を交換アームの一方の把持部に把持させる。この交換アームは例えばツインアーム形式のものであり、他方の把持部には新工具が把持されている。
【0028】
次に、シリンダ装置40を作動させてピストン43を前進位置に移動させる。すなわち、油圧回路から供給された圧油を一方の油路46から後方のシリンダ室47に供給するとともに、前方のシリンダ室48及びこれに連通する他方の油路49を大気圧に開放する。
すると、ピストン43が、シリンダ本体42及び固定側支持部材14に摺接しながら主軸2の方向に前進移動するので、ピストン43の前端面50がドローバー6の後方突出部25を前方に押圧する。
この押圧力により、後方突出部25が長孔22内を前方に摺動するとともに、移動部材24が貫通孔内周面5a内を付勢部材7の付勢力に抗して前方に摺動してドローバー6を前進させる。このとき、ドローバー6の後端部23は第1の嵌合孔21内を前方に摺動する。このドローバー6の前方向への移動動作により、旧工具が工具装着部から離脱可能になる。
【0029】
次いで、交換アームを移動させて、旧工具を工具装着部より離脱させる。交換アームを180度旋回させ、旧工具と新工具との位置を入れ替えて、新工具が工具装着部と対向するように位置決めする。交換アームを主軸2の工具装着部側に移動させる。
【0030】
次いで、シリンダ装置40を作動させてピストン43を後退位置にする。すなわち、後方のシリンダ室47及び一方の油路46を大気圧に開放するとともに、圧油を他方の油路49から前方のシリンダ室48に供給する。
すると、ピストン43はシリンダ本体42及び固定側支持部材14に摺接しながら後方に移動する。このピストン43の移動動作により、移動部材24は付勢部材7のばね力で押されて貫通孔内周面5a内を後方に移動するとともに、後方突出部25も長孔22内を後方に摺動する。
こうして、ドローバー6は移動部材24と一緒に後方に移動するので、後端部23は第1の嵌合孔21内を後方に摺動する。ピストン43のストロークのほうがドローバー6のストロークよりも大きいので、やがてピストン43の前端面50は後方突出部25から離れて、図示する状態に戻る。
【0031】
ドローバー6が付勢部材7の付勢力により後退することにより、新工具は工具装着部に密着し、新工具のプルスタッドの被係合部が付勢部材7の強いばね力により後方向に引っ張られてクランプされる。
最後に、交換アームが新工具の把持を解除したのち工具装着部より離れ、これにより一連の工具着脱動作が完了する。
【0032】
この着脱動作完了後、新工具により切削加工を行う場合には、高速回転中の工具にクーラントを連続的に供給して被加工部を冷却する。すなわち、配管41aから供給されたクーラントは、固定側支持部材14の流路41,ロータリージョイント12の流路18,回転側支持部材13の係合孔31,及びドローバー6の流路10を介して工具に供給される。
クーラントが流路18を流れると、クーラント自体の流体圧によりシール自動開閉機構が作動して回転側ジョイント部材16と固定側ジョイント部材17とが摺接部15で良好に密着するので、クーラントは摺接部15から外方に漏れ出ることはなく、シール面の密封性を維持できる。
【0033】
本発明では、上述のようなロータリージョイント12の保持構造にして、ロータリージョイント12の回転側ジョイント部材16を、ドローバー6の代わりに主軸2側にしっかりと取付けた。
したがって、工具のクランプ,アンクランプ時にドローバー6が前後方向に移動しても、ロータリージョイント12を支持する回転側支持部材13及び固定側支持部材14のいずれも前後方向には移動せずドローバー6の進退移動動作とは分離されている。そのため、ドローバー6の移動動作や曲げ等の変形によって、ロータリージョイント12が影響を受けることはない。
【0034】
本発明によれば、摺接部15の振れが極めて少なくなるので、シール面の摩耗の進行,損傷,破損等がなくなり、密封性が良好になる。よって、主軸2の高速回転時においてもシール性能を充分に発揮してロータリージョイント12の長寿命化を実現できる。
ドローバー6の組立時にドローバー6が多少曲がっても、主軸2は変形しないので、回転側支持部材13は、ドローバー6の変形の影響を受けず、摺接部15の密封性を良好な状態に維持できる。
また、ロータリージョイント12を組み込む時や新しいものに交換する場合、調整を行わなくても振れが所定精度内におさまるので調整作業を行う必要はなくなる。
【0035】
ロータリージョイント12は前後方向に移動動作をしないので、ドローバー6とピストン43とのストロークの差を吸収するための機構を設ける必要がない。したがって、ロータリージョイント装置11の構造が従来よりも簡略化され、また、ロータリージョイント12も所定位置にソリッドに固定されるので、クーラントの脈動などに強く、クーラントが摺接部15から漏れ出ることはない。
【0036】
従来は、曲がりやすいドローバー6にロータリージョイントの一方の部材を取付けていたので精度のよい取付けが困難であった。これに対して本発明では、直径が大きく剛性も大きな主軸2側にロータリージョイント12を取付けたので、精度のよい取付けができることになり、摺接部15の密封性がよくなりクーラントの漏れがなくなる。
なお、各図中同一符号は同一又は相当部分を示す。
【0037】
【発明の効果】
本発明は上述のように、ロータリージョイントの回転側ジョイント部材を、ドローバーの代わりに主軸側にしっかりと取付けた保持構造にしたので、工具のクランプ,アンクランプ時にドローバーが前後方向に移動しても、ロータリージョイントを支持する回転側支持部材及び固定側支持部材のいずれも前後方向には移動せずドローバーの進退移動動作とは分離されている。そのため、ドローバーの移動動作や曲げ等の変形によって、ロータリージョイントが影響を受けることはない。
また、本発明では、摺接部の振れが極めて少なくなるので、シール面の摩耗の進行,損傷,破損等がなくなり、密封性が良好になり、主軸の高速回転時においてもシール性能を充分に発揮してロータリージョイントの長寿命化を実現できる。
ドローバーの組立時にドローバーが多少曲がっても、主軸は変形しないので、回転側支持部材は、ドローバーの変形の影響を受けず、摺接部の密封性を良好な状態に維持できる。
ロータリージョイントは前後方向に移動動作をしないので、ロータリージョイント装置の構造が従来よりも簡略化される。
直径が大きく剛性も大きな主軸側にロータリージョイントを取付けたので、精度のよい取付けができることになり、摺接部の密封性がよくなりクーラントの漏れがなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1乃至図3は本発明の一実施例を示す図で、図1はロータリージョイント装置を含む断面図である。
【図2】図1の拡大断面図である。
【図3】図2のIII−III線断面図である。
【符号の説明】
1 主軸頭
2 主軸
5 貫通孔
6 ドローバー
10 ドローバーの第1の流路
11 ロータリージョイント装置
12 ロータリージョイント
13 回転側支持部材
14 固定側支持部材
15 摺接部
16 回転側ジョイント部材
17 固定側ジョイント部材
18 ロータリージョイントの第2の流路
21 第1の嵌合孔
22 複数の長孔(複数の孔)
23 ドローバーの後端部
24 ドローバー用移動部材
25 後方突出部
40 ツールアンロックシリンダ装置(押圧手段)
41 固定側支持部材の第3の流路
42 シリンダ本体
43 ピストン
44 中空内周面
C 軸線

Claims (3)

  1. 主軸頭内で回転する主軸の貫通孔内に軸線方向に進退移動自在に嵌挿されたドローバーの内部の第1の流路に流体を供給する工作機械のロータリージョイント装置において、
    摺接部を介して回転側ジョイント部材及び固定側ジョイント部材が対向配置されるとともに内部に第2の流路が形成されたロータリージョイントと
    記回転側ジョイント部材を支持するとともに前記ドローバーが前記軸線方向に摺動自在に嵌合し、このドローバーの前記第1の流路と前記ロータリージョイントの前記第2の流路とを連通させる回転側支持部材と、
    前記ドローバーに設けられた後方突出部を前方向に押圧するように前記主軸頭に取付けられた押圧手段の中心部に配設されるとともに前記主軸頭に取付けられて前記固定側ジョイント部材を支持し、前記第2の流路に連通する第3の流路を有する固定側支持部材とを備え
    前記ロータリージョイントの前記回転側ジョイント部材は、この回転側ジョイント部材を支持する前記回転側支持部材を介して前記主軸に取付けられていることを特徴とする工作機械のロータリージョイント装置。
  2. 前記回転側支持部材には、断面円形の第1の嵌合孔が中心位置に、この第1の嵌合孔と同心の複数の孔が前記中心位置より離れた位置に、それぞれ形成され、
    前記ドローバーの後端部が前記第1の嵌合孔に嵌合し、前記ドローバーの後部に取付けられたドローバー用移動部材に形成された複数の前記後方突出部が前記複数の孔を貫通し、前記ドローバー及び前記ドローバー用移動部材が前記軸線方向に移動自在になっていることを特徴とする請求項1に記載の工作機械のロータリージョイント装置。
  3. 前記押圧手段はシリンダ本体が前記主軸頭に取付けられたツールアンロックシリンダ装置であり、
    前方向に摺動して前記後方突出部を押圧するピストンが前記シリンダ本体内に嵌合し、前記固定側支持部材が前記ピストンの中心位置に形成された中空内周面に嵌合することを特徴とする請求項1又は2に記載の工作機械のロータリージョイント装置。
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