JP4179775B2 - 工作機械の主軸の交換方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、立形又は横形のフライス盤やマシニングセンタ等の主軸の交換を容易にした、工作機械の主軸装置及び主軸の交換方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
工作機械の主軸装置は、多種類の工具を交換可能に把持し、高速で回転し、ワークの加工中には大きな切削抵抗を受ける。すると、主軸の工具装着孔が摩耗したり、工具をクランプするコレットや皿ばねが破損することがあったり、軸受が摩耗したり損傷したりする。このように主軸装置の故障、障害は主軸自体、主軸の内部、軸受に発生するケースが多い。
【０００３】
工作機械の使用現場でこのような故障や障害の修理を行う場合、潤滑、冷却、清掃のための油空圧の配管、モータやリミットスイッチへの電気配線を外し、主軸装置全体を分解し、主軸、主軸内の部品、又は軸受を交換し、再組立を行うのが一般的である。この修理作業は大がかりとなり、高度な専門知識と技能が要求され、また多大な時間がかかっていた。
そのため、主軸自体を交換可能にした発明、主軸と軸受とを一体で主軸装置から抜き出したり挿着できたりする発明、主軸装置を含んだ主軸ハウジング全体を１つのカートリッジと考える発明等の従来技術が現われている。
【０００４】
特開平１１−９９４０３号公報の主軸装置（第１の従来技術）は、主軸を前部軸と後部軸の２つに分割し、両者を結合して一体形成したものである。主軸交換時は、まず軸受とリヤベアリングハウジングとを主軸から取り外し、前部軸と後部軸との結合を外し、前部軸又は後部軸を交換し再組み立てするものである。
実開平３−１０３１０２号公報の工作機械の主軸支持構造（第２の従来技術）は、主軸と前側軸受、ビルトインモータのロータ、後側軸受とを一体にしてハウジング内径と軸受外輪外径とをすべらせてハウジングから抜き出すものである。そして外部で主軸又は軸受を交換して組み立て後、ハウジング内に再組み付けする。
【０００５】
特開平４−５７６０８号公報の工作機械の主軸装置（第３の従来技術）は、主軸と軸受とが組み込まれたハウジング全体をカートリッジ式ハウジングと称し、このカートリッジ式ハウジングを主軸台に取り付けるのみで各種の工作機械に適応可能な主軸装置を提供するものである。工作機械の使用現場における主軸の交換については直接的に開示されていないものの、このカートリッジ式ハウジングごと交換することが示唆されている。
特開平３−１４２１０１号公報のモータ内蔵形主軸台（第４の従来技術）は、主軸台をメイン軸受部分とモータ部分とに分割したものである。こうしてメイン軸受部分は共通に用い、モータ部分だけを要求仕様に合った各種サイズのものにフレキシブルに変更可能にしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
第１の従来技術は主軸を２分割しているので、前後どちらか一方の主軸を交換すれば良く経済的である特徴を有している。しかし前後主軸の結合部の焼ばめをはずし、新しい主軸を焼ばめで結合したり、主軸にしまりばめで嵌合している軸受やビルトインモータのロータを着脱したりする作業は、高度な知識と技能、専用の設備を要し、事実上工作機械の使用現場では行えない。
第２の従来技術は、第１の従来技術に比べ主軸の交換性は向上しているが、主軸の回転精度に直接的に影響を与える軸受の外輪をハウジングに対して着脱するので、やはり作業に高度な知識と技能が必要となる。そして主軸交換後には軸受の慣らし運転をし、騒音、振動、発熱が正常か否かの確認作業を行うため、主軸交換に伴う工作機械の停止時間が長くなる。
【０００７】
第３の従来技術は、ハウジング全体を交換するため交換費用が高くなり、不経済である。また交換範囲が広いため、配管、配線類、カバー類などを着脱する手間が増え、交換時間はあまり短縮できない。
第４の従来技術は、工作機械の使用現場で、主軸台のメイン軸受部分をモータ部分から分離し、主軸と前部軸受及び後部軸受をそっくり交換する構成にはなっていない。特に後部軸受は軸受ケースから分解しなければならず、主軸の交換作業はかなり困難である。
本発明は、こうした従来の問題点を解決することを技術課題としており、主軸装置が故障したとき、工作機械の使用現場で、主軸及び軸受を容易に、かつ短時間で交換でき、工作機械の停止時間を極力少なくした工作機械の主軸装置及び主軸の交換方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的に鑑み、本発明は、工具を把持して回転する主軸を有した主軸装置と、ワークを載置するテーブルと、前記主軸装置と前記テーブルとを相対移動させる移動手段と、を具備し、前記主軸装置は、ハウジングが前部ハウジングと後部ハウジングとに分離可能に締結され、前記前部ハウジングに前記主軸の前部軸受部を組み込み、前記後部ハウジングに前記主軸の後部軸受部を組み込んだ軸受ケースを嵌合して支持し、前記前部ハウジングを前記後部ハウジングから分離したとき、前記前部軸受部、前記主軸及び前記後部軸受部を組み込んだ前記軸受ケースが前記前部ハウジングと一体的に前記後部ハウジングから分離するように構成された工作機械の主軸の交換方法において、前記工作機械のテーブル上に主軸交換治具を取り付け、前記主軸交換治具と前記前部ハウジングとを固定するステップと、前記前部ハウジングと後部ハウジングとの締結部材を外し、前記前部ハウジングを前記後部ハウジングから前記主軸の軸線方向に抜き出し、前記前部ハウジングに組み込まれた前部軸受部、主軸及び後部軸受部を組み込んだ軸受ケースを前部ハウジングユニットとして一体的に取り出すステップと、前記主軸交換治具に交換する新しい前記前部ハウジングユニットを固定し、前記新しい前部ハウジングユニットを前記後部ハウジング内に挿入するステップと、前記新しい前部ハウジングと前記後部ハウジングとを締結し、前記主軸交換治具を前記前部ハウジングから取り外すステップと、を含む主軸の交換方法を要旨とする。
【００１２】
主軸装置の故障の大半は主軸自体及び軸受に集中していることに着目し、これらを前部ハウジングと一体的に組み付けた前部ハウジングユニットとして構成したため、この前部ハウジングユニットは後部ハウジングとの締結を外すことによって容易に引き抜くことができる。工作機械の使用現場に互換性のある予め調整された新しい前部ハウジングユニットを用意しさえすれば、その新しい前部ハウジングユニットを後部ハウジングに挿入し、締結部材で結合することにより短時間で交換作業が完了できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。
図１は、本発明の工作機械の主軸装置の断面図、図２は、本発明の主軸装置を備えた工作機械の前部ハウジングユニットを抜き出した状態を示す側面図、図３は、図２のIII −III 断面図、図４は、本発明の主軸の交換方法のステップを示したフローチャートである。
【００１４】
横形マシニングセンタを例にして、本発明の実施形態を説明する。ベッド１に立設固定されたコラム（図示せず）のＹ軸案内レール３に沿って主軸頭５が上下動する。主軸頭５の内部にはビルトインモータで回転駆動される主軸７が前部軸受９及び後部軸受１１によって回転支持されている。主軸７の先端のテーパ孔１３には種々の工具（図示せず）が取り付けられた工具ホルダ１５が交換可能に装着される。一方、ベッド１にはＺ軸案内レール１７が取り付けられ、その上でテーブル１９が前後動する。テーブル１９上にはパレット２１が着脱可能に固定され、パレットチェンジャ（図示せず）によってパレット交換される。パレット２１上には通常ワーク（図示せず）が載置され、主軸７を回転させながらワークと工具とのＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の相対移動を行わせてワークを加工する。９５は、主軸頭５とともにＹ軸方向に追従動作し、Ｙ軸案内レール３等のＹ軸案内部に切屑やクーラントが侵入しないようにするテレスコピックカバーである。
【００１５】
主軸頭５のハウジングは、前部ハウジング２３と後部ハウジング２５とで構成され、両者はボルト２７で一体的に締結されている。前部ハウジング２３内には２個の前部軸受９が設けられ、その前部軸受９は主軸７の前部を回転支持している。左側の前部軸受９の内輪は、主軸７の肩に当たり、内輪用カラーを挟んで右側の前部軸受９の内輪がナット２９で主軸７に固定される。そして、右側の前部軸受９の外輪は前部ハウジング２３の肩に当たり、外輪用カラーを挟んで左側の前部軸受９の外輪が軸受押え３１で固定される。
後部ハウジング２５に形成された穴３５内には、軸受ケース３３が嵌合され、軸受ケース３３内には２個の後部軸受１１が設けられ、その後部軸受１１は主軸７の後部を回転支持している。左側の後部軸受１１の内輪は、主軸７の肩に当たり、内輪用カラーを挟んで右側の後部軸受１１の内輪がナット３７で主軸７に固定される。そして左側の後部軸受１１の外輪は軸受ケース３３の肩に当たり、外輪カラーを挟んで右側の後部軸受１１の外輪は軸受押え３９で固定される。このように後部軸受部は後部ハウジング２５に支持されている。
【００１６】
後部ハウジング２５内には、ビルトインモータのステータ４１が設けられ、半径方向の微小すき間を介して主軸７側にロータ４３が設けられる。ロータ４３は、焼ばめスリーブ４５に焼ばめされ、焼ばめスリーブ４５は主軸７に焼ばめされる。
主軸７の先端のテーパ孔１３には工具ホルダ１５が挿入され、工具ホルダ１５の後部に設けられたプルスタッド４７がコレット４９に把持される。コレット４９はドローバー５１により軸線方向に進退可能になっている。主軸７の内周面にスリーブ５３を介して皿ばね５５が多数設けられ、皿ばね５５の右側はカラーを挟んでドローバー５１の後端にねじ止めされたナット５７で規制されている。皿ばね５５はドローバー５１に後方向きの弾性付勢力を付与し、コレット４９が工具ホルダ１５のテーパシャンクを主軸７のテーパ孔１３に密着させ、クランプする。
【００１７】
後部ハウジング２５の後部には後部蓋５９が固定され、その後部には更にシリンダ６１が形成されている。シリンダ６１内には油圧で作動するピストン６３が設けられ、皿ばね５５の力で後方向きに付勢されているドローバー５１の後端を前方へ押圧し、工具ホルダ１５をアンクランプすることができる。シリンダ６１の右側の圧油供給口６５に圧油を供給するとピストン６３は前方へ移動し、ドローバー５１を介してコレット４９を前方へ移動させる。するとコレット４９の先端部はスリーブ５３の内径の大きい箇所に位置することになり、コレット４９とプルスタッド４７との係合が外れ、工具ホルダ１５はアンクランプされる。
【００１８】
前部軸受９は、オイルエアノズル６９から供給されるオイルエアで潤滑される。オイルエアは後部ハウジング２５に設けられたオイルエア供給口７１から供給され、後部ハウジング２５及び前部ハウジング２３内に穿設されたオイルエア通路を通ってオイルエアノズル６９に運ばれる。後部軸受１１は、供給パイプ７３の下端のノズルから供給されるオイルエアで潤滑される。オイルエアは供給パイプ７３上部からオイルエア通路７５を通って運ばれる。供給パイプ７３は軸受ケース３３及び外輪カラーを貫通しており、取付フランジ７７のボルト７９をゆるめると、上方へ抜き取ることができる。軸受がグリース潤滑の場合は、オイルエアの通路や供給パイプ等は不要である。
【００１９】
主軸頭５の前端面にはクーラントノズル８１が複数個設けられており、加工部へ向ってクーラントを噴出する。クーラントは後部ハウジング２５に設けられたクーラント供給口８３から供給され、後部ハウジング２５、前部ハウジング２３及び軸受押え３１内に穿設されたクーラント通路を通ってクーラントノズル８１に運ばれる。
テーパ孔１３の中程にはエア通路８５が開口しており、工具交換時に圧縮空気が噴出され、テーパ孔１３のクリーニングをしている。圧縮空気は、後部ハウジング２５のエア供給口８７から供給され、後部ハウジング２５、前部ハウジング２３、軸受押え３１及び主軸７内に穿設されたエア通路を通ってテーパ孔１３に噴出される。
【００２０】
前部ハウジング２３にはフランジ８９及びインロー９１が形成されており、後部ハウジング２５と着脱可能にボルト２７によって締結される。ボルト７９をゆるめ供給パイプ７３を上方へ抜き取り、ボルト２７をゆるめ前部ハウジング２３を前方へ引くと、前部ハウジング２３は、前部軸受９を介して主軸７と一体の状態で後部ハウジング２５から分離する。このとき主軸７にはロータ４３、後部軸受１１を内蔵した軸受ケース３３及び工具ホルダ１５、コレット４９、ドローバー５１、皿ばね５５等で成る主軸７の内蔵物が付属している。この前部ハウジング２３と一体的に取り出すことのできる部分を前部ハウジングユニット９３と称する。
【００２１】
本発明では、主軸７、前部軸受９、後部軸受１１を交換する場合、この前部ハウジングユニット９３ごと交換する。以下に前部ハウジングユニット９３の交換方法を説明する。
主軸交換治具９７は、パレット２１上に固定されたベースプレート９９のＺ軸方向に設けられたレール１０１に沿って滑動するスライダＡ１０３と、スライダＡ１０３のＺ軸方向に設けられたレール１０５に沿って滑動するスライダＢ１０７とで成る。スライダＢ１０７の立壁には前部ハウジング２３の外周が貫通できる穴が開いており、前部ハウジング２３のフランジ８９のねじ穴１０９に向けて４本のボルト１１１をねじ込むことによって、前部ハウジングユニット９３を主軸交換治具９７に固定することができる。
【００２２】
フランジ８９をスライダＢ１０７に固定した後、フランジ８９の下方へ固定補助及び交換する新しい前部ハウジングユニットを取り付ける時の位置決めのために左右１対でＶブロック形状をしたサポートブロック１１３をブラケット１１５にねじ込まれた調整ボルト１１７によって中心に向けて押し当てる。そして固定ねじ１１９によってサポートブロック１１３をスライダＢ１０７の立壁に固定できるようになっている。
工作機械の使用現場で前部ハウジングユニット９３を交換する場合、まずパレット２１に主軸交換治具９７を取り付け、パレットチェンジャを用いてそのパレット２１をテーブル１９上に固定する（ステップＳ１）。パレットチェンジャのない工作機械の場合は、主軸交換治具９７をテーブル１９に直接固定する。
【００２３】
工作機械の後方からボルト７９をゆるめ、供給パイプ７３を抜き取る。Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の送り動作により、主軸交換治具９７と主軸７との位置合わせをし、スライダＢ１０７と前部ハウジング２３のフランジ８９とをボルト１１１を用いて固定する（ステップＳ２）。サポートブロック１１３を左右からフランジ８９の下部に押し当て、固定ねじ１１９でサポートブロック１１３をスライダＢ１０７に固定する。ボルト２７をゆるめると前部ハウジング２３と後部ハウジング２５との締結が解除される（ステップＳ３）。そしてスライダＢ１０７を前方へ引くと前部ハウジングユニット９３を後部ハウジング２５から抜き出せる（ステップＳ４）。スライダＡ１０３及びスライダＢ１０７を各々レール１０１及び１０５に固定ねじ（図示せず）でロックし、パレットチェンジャで前部ハウジングユニット９３の載置されたパレット２１をパレットローディングステーション（図示せず）に載置する。そこで主軸交換治具９７から前部ハウジングユニット９３を取り外し、交換する新しい前部ハウジングユニットをサポートブロック１１３を基準にして主軸交換治具９７に固定する（ステップＳ５）。
【００２４】
新しい前部ハウジングユニットの取り付けられたパレット２１をテーブル１９上に固定する。そして、現在位置表示装置の値を頼りに古い前部ハウジングユニット９３を抜き出したＸ、Ｙ、Ｚ軸位置に位置合わせをすることにより、ほぼ心出しができる。必要に応じてマイクロインジケータなどの変位計を新しい前部ハウジングユニットの回転部に取り付けて、後部ハウジング２５の内径部に押し当て、周回させて正確な心出しを行っても良い。このようにして新しい前部ハウジングユニットを後部ハウジング２５内に挿入し（ステップＳ６）、ボルト２７で新しい前部ハウジングユニットの前部ハウジングを後部ハウジング２５に締結する（ステップＳ７）。このとき軸受ケース３３の外周と後部ハウジング２５の穴３５の内周との嵌合及びインロー９１の嵌合により、新しい前部ハウジングユニットは互換性を持って後部ハウジング２５に挿着されたことになる。そして供給パイプ７３を元通り取り付け、主軸交換治具９７を前部ハウジングから取り外し、テーブル１９上から撤去して、主軸の交換作業は完了する。
【００２５】
本実施形態では、スライダＡ１０３、スライダＢ１０７から成る主軸交換治具９７を用いて前部ハウジングユニット９３を手動で後部ハウジング２５から引き抜いたが、スライダＢ１０７のフランジ８９を取り付ける立壁相当部材が直接ベースプレート９９に固着した滑動しない治具を用い、Ｚ軸の送り動作を利用して前部ハウジングユニット９３を後部ハウジング２５から引き抜く構成にしても良い。
また、立形のマシニングセンタの主軸装置にも本発明の構成を用いることができる。すなわちテーブル上に固定した治具に立形主軸装置の前部ハウジングのフランジ相当部材を固定し、上下方向のＺ軸の送り動作を利用して、横形マシニングセンタと同様に前部ハウジングユニットを後部ハウジングから抜き出すことができる。
マシニングセンタやＮＣ工作機械に限らず、手動で送り動作を行う汎用工作機械にも本発明は適用できる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、主軸装置の故障の大半は、回転する主軸とそれを支持する軸受に集中することに着目し、ハウジングを前部ハウジングと後部ハウジングとに分割し、前部ハウジングと前部軸受部、主軸及び後部軸受部とを一体化した前部ハウジングユニットを構成し、この前部ハウジングユニットごと前部軸受部、主軸及び後部軸受部を交換するという思想を導入したことにより、主軸装置が故障したとき、工作機械の使用現場で主軸交換を短時間で行える。よって、工作機械の停止時間が短くなり、稼働率が上がる。
【００２７】
また、主軸の交換作業に高い知識と技能を必要としない。そして、機械のカバーや配線、配管などを外す作業もほとんど必要ない。本実施形態では供給パイプ７３の着脱作業だけであり、あとの配管の接続は、前部ハウジング２３と後部ハウジング２５の締結作業によって自動的に配管の断続ができたり、分解しなくて良い後部ハウジング２５にのみ配線、配管をする構造がとれる。
新しい前部ハウジングユニットは、工作機械メーカで組み立て、慣らし運転、性能検査が完了したものであり、交換によりその新しい前部ハウジングユニットを組み込んだ工作機械は、慣らし運転や主軸装置の所望の機能が働くかの確認作業がほとんど不要となり、主軸交換に伴う作業時間の短縮に寄与している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の工作機械の主軸装置の断面図である。
【図２】本発明の主軸装置を備えた工作機械の前部ハウジングユニットを抜き出した状態を示す側面図である。
【図３】図２のIII −III 断面図である。
【図４】本発明の主軸の交換方法のステップを示したフローチャートである。
【符号の説明】
５…主軸頭
７…主軸
９…前部軸受
１１…後部軸受
１９…テーブル
２１…パレット
２３…前部ハウジング
２５…後部ハウジング
２７…ボルト
３３…軸受ケース
４１…ステータ
４３…ロータ
４９…コレット
５１…ドローバー
６１…シリンダ
６３…ピストン
８９…フランジ
９３…前部ハウジングユニット
９７…主軸交換治具
１０３…スライダＡ
１０７…スライダＢ

Claims (1)

1. 工具を把持して回転する主軸を有した主軸装置と、ワークを載置するテーブルと、前記主軸装置と前記テーブルとを相対移動させる移動手段と、を具備し、前記主軸装置は、ハウジングが前部ハウジングと後部ハウジングとに分離可能に締結され、前記前部ハウジングに前記主軸の前部軸受部を組み込み、前記後部ハウジングに前記主軸の後部軸受部を組み込んだ軸受ケースを嵌合して支持し、前記前部ハウジングを前記後部ハウジングから分離したとき、前記前部軸受部、前記主軸及び前記後部軸受部を組み込んだ前記軸受ケースが前記前部ハウジングと一体的に前記後部ハウジングから分離するように構成された工作機械の主軸の交換方法において、
   前記工作機械のテーブル上に主軸交換治具を取り付け、前記主軸交換治具と前記前部ハウジングとを固定するステップと、
   前記前部ハウジングと後部ハウジングとの締結部材を外し、前記前部ハウジングを前記後部ハウジングから前記主軸の軸線方向に抜き出し、前記前部ハウジングに組み込まれた前部軸受部、主軸及び後部軸受部を組み込んだ軸受ケースを前部ハウジングユニットとして一体的に取り出すステップと、
   前記主軸交換治具に交換する新しい前記前部ハウジングユニットを固定し、前記新しい前部ハウジングユニットを前記後部ハウジング内に挿入するステップと、
   前記新しい前部ハウジングと前記後部ハウジングとを締結し、前記主軸交換治具を前記前部ハウジングから取り外すステップと、
   を含むことを特徴とした主軸の交換方法。

Images