JP5374127B2 - 主軸装置 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械における主軸装置に関し、特に、エアカーテン機構を備えている主軸装置に関する。

工作機械における主軸装置は、筒状のハウジングと、軸回りに回転自在な状態でハウジング内に挿入された主軸と、を備えており、主軸の先端部に各種の工具を取り付け可能となっている。
このような主軸装置では、ワークの加工面から飛散した切粉やクーラントが、ハウジングの内周面と主軸の外周面との間に形成された環状の隙間に入り込む可能性がある。
そこで、従来の主軸装置としては、エアコンプレッサなどのエア供給装置から、ハウジングと主軸との間に形成された環状の隙間にエアを供給し、この環状の隙間から主軸の先端側に向けてエアを噴出して、環状のエアカーテンを形成することで、切粉やクーラントが環状の隙間に入り込むのを防止するエアカーテン機構を備えているものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−０５４９３５号公報（段落００２５、図３）

従来のエアカーテン機構を備えた主軸装置では、エアコンプレッサなどのエア供給装置を別途設ける必要があるため、エアカーテン機構に係るコストが高くなるという問題がある。
また、エア供給装置から延ばされた配管を通じてエアが供給されており、エアが配管内を通過するときに圧力損失が生じることから、エア供給装置では必要以上のエアを発生させる必要があるため、エネルギ効率が低いという問題がある。

そこで、本発明では、前記した問題を解決し、エアカーテン機構に係るコストを低減し、エアカーテン機構のエネルギ効率を高めることができる主軸装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、筒状のハウジングと、軸回りに回転自在な状態で、前記ハウジング内に挿入された主軸と、前記ハウジングの内周面と前記主軸の外周面との間に形成された環状の隙間から、前記主軸の先端側に向けてエアを噴出し、環状のエアカーテンを形成するエアカーテン機構と、を備え、前記主軸の先端部に工具を取り付け可能な主軸装置であって、前記エアカーテン機構は、前記主軸の外周面に形成された螺旋状の溝部を備えており、前記主軸が正回転したときに、前記溝部の回転によって、前記環状の隙間には前記主軸の先端側に向けてエア流が発生し、前記ハウジングの先端面には、内周縁部に沿って環状の壁部が突出しており、前記壁部の外周面には凹溝が形成されていることを特徴としている。

この構成では、主軸の回転に伴って螺旋状の溝部が回転することで、ハウジングと主軸との間に形成された環状の隙間にエア流が発生し、環状のエアカーテンが形成されるため、エアコンプレッサなどのエア供給装置を用いる必要がなくなり、エアカーテン機構に係るコストを低減することができる。
また、ハウジングと主軸との間に形成された隙間でエア流を発生させており、エアを供給するときに、配管などを通過しないことから、エアの圧力損失が生じないため、エネルギ効率を高めることができる。
また、ハウジングの先端面に付着したクーラントが、先端面の内周縁部近傍に流れたときに、クーラントは壁部の外周面に形成された凹溝を伝って内周縁部の周囲を流れるため、クーラントがハウジングと主軸との間に形成された環状の隙間に入り込むのを確実に防ぐことができる。

前記した主軸装置において、前記溝部は、前記主軸の外周面に形成されたねじ部によって構成することができる。

この構成では、主軸の外周面にねじ加工を施すことで、螺旋状の溝部を簡単に形成することができるため、エアカーテン機構に係るコストを低減することができる。

前記した主軸装置において、前記エアカーテン機構は、前記ハウジングの内周面において、前記主軸の前記溝部よりも先端側となる位置に開口した第一エア流通路と、前記ハウジングの内周面において、前記主軸の前記溝部よりも基端側となる位置に開口した第二エア流通路と、前記第二エア流通路を、前記第一エア流通路又は外部空間に連通させる切り替え手段と、を備え、前記切り替え手段は、前記主軸が正回転したときに、前記第二エア流通路を外部空間に連通させ、前記主軸が逆回転したときに、前記第二エア流通路を前記第一エア流通路に連通させるように構成することができる。

この構成では、主軸が正回転したときには、外部空間から第二エア流通路を通じて、ハウジングと主軸との間に形成された隙間に空気が取り込まれ、正回転した溝部によって、主軸の先端側に向けてエア流が発生する。
また、主軸が逆回転したときには、逆回転した溝部によって、基端側に向けてエア流が発生する。このエア流は、溝部よりも基端側で第二エア流通路に流入し、第一エア流通路を通じて、溝部よりも先端側でハウジングと主軸との間に形成された環状の隙間に流入する。このとき、第一エア流通路から隙間に流入したエア流の一部が先端側に向けて流れるため、主軸を逆回転させたときであっても環状の隙間から、主軸の先端側に向けてエアを噴出させることができる。

本発明の主軸装置では、エアコンプレッサなどのエア供給装置を用いることなく、主軸の回転によって、ハウジングと主軸との間に形成された環状の隙間にエア流を発生させ、環状のエアカーテンを形成することができるため、エアカーテン機構に係るコストを低減するとともに、エネルギ効率を高めることができる。

次に、本発明の実施形態および参考例について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、実施形態および参考例の説明において、同一の構成要素に関しては同一の符号を付し、重複した説明は省略するものとする。

［第一参考例］
図１に示す第一参考例の主軸装置１Ａは、マシニングセンタなどの工作機械に用いられるものであり、円形断面の中空部が形成された筒状のハウジング１０と、軸回りに回転自在な状態でハウジング１０内に挿入された円形断面の主軸２０と、ハウジング１０と主軸２０との間に形成された環状の隙間５０から主軸２０の先端側に向けてエアを噴出し、環状のエアカーテンを形成するエアカーテン機構３０と、を備え、主軸２０の先端部に各種の工具４０を取り付けることができる。
この主軸装置１Ａでは、ハウジング１０の先端面１２が垂直に配置されており、主軸２０の先端部がハウジング１０の先端面１２から水平方向に突出している。
また、ハウジング１０の内周面１１と、主軸２０の外周面２１との間には、環状の隙間５０が形成されている。
なお、以下の説明において、先端側とは工具４０が配置される側とし、その反対側を基端側としている。

このような主軸装置１Ａでは、駆動装置（図示せず）によって主軸２０を軸回りに正回転（矢印Ａ方向）させることで、主軸２０の先端部に取り付けられた工具４０を回転させ、回転する工具４０によってワーク（図示せず）を加工することができる。なお、第一参考例の主軸装置１Ａでは、主軸２０を基端側から見て、右回りに回転させたときを正回転（矢印Ａ方向）とし、左回りに回転させたときを逆回転としている。

エアカーテン機構３０は、主軸２０の外周面２１に形成されたねじ溝３１（溝部）を備えている。ねじ溝３１は、主軸２０の外周面２１にねじ加工を施すことで形成された螺旋状の溝部であり、主軸２０を基端側から見て左回りに螺旋状の溝部となっている。

エアカーテン機構３０では、主軸２０が正回転（矢印Ａ方向）すると、その回転に伴ってねじ溝３１も正回転（矢印Ａ方向）する。このねじ溝３１の回転によって、ハウジング１０と主軸２０との間に形成された隙間５０の内部の空気が先端側に向けて送り出され、環状の隙間５０の内部に先端側に向けてエア流が発生する。そして、環状の隙間５０で発生したエア流は隙間５０から先端側に向けて噴出する。

第一参考例のエアカーテン機構３０を備えた主軸装置１Ａでは、ハウジング１０と主軸２０との間に形成された環状の隙間５０から、主軸２０の先端側に向けてエアが噴出し、環状のエアカーテンが形成されるため、ワーク（図示せず）の加工時に加工面から飛散した切粉やクーラントが環状の隙間５０に入り込むのを防ぐことができる。

また、主軸２０の回転に伴ってねじ溝３１が回転することで、環状の隙間５０にエア流が発生するため、エアコンプレッサなどのエア供給装置を用いる必要がなくなり、エアカーテン機構３０に係るコストを低減することができる。
また、ハウジング１０と主軸２０との間に形成された隙間５０でエア流を発生させており、エアを供給するときに配管などを通過しないことから、エアの圧力損失が生じないため、エネルギ効率を高めることができる。

また、エア流を発生させるための螺旋状のねじ溝３１は、主軸２０の外周面にねじ加工を施すことで簡単に形成することができるため、エアカーテン機構に係るコストを低減することができる。

以上、本発明の第一参考例について説明したが、本発明は前記第一参考例に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜に設計変更が可能である。
例えば、第一参考例では、図１に示すように、主軸２０の外周面に形成されたねじ溝３１によってエア流を発生させているが、主軸２０の回転に伴ってエア流を発生させることができるのであれば、エア流を発生させるための溝部の形状は限定されるものではない。また、第一参考例では、ねじ溝３１の溝形状がＶ字形状となっているが、溝形状が台形や矩形のねじ溝を用いてもよく、その形状は限定されるものではない。

［第二参考例］
図２に示す第二参考例の主軸装置１Ｂは、前記した第一参考例の主軸装置１Ａ（図１参照）と略同様の構成であり、ハウジング１０及び主軸２０に拡径部が形成されていることが、第一参考例の主軸装置１Ａと異なっている。

第二参考例の主軸装置１Ｂでは、ハウジング１０の内周面１１及び主軸２０の外周面２１が、ハウジング１０の先端部において円錐状に拡径されている。具体的には、ハウジング１０の内周面１１は、先端面１２側の開口部において先端側が大径となるように円錐台状に拡径されている。また、主軸２０の外周面２１において、ハウジング１０の拡径部に対応する部位は、ハウジング１０の拡径部と同じ傾斜角度で先端側が大径となるように円錐台状に拡径されている

この構成では、ハウジング１０と主軸２０との間に形成された環状の隙間５０が、ハウジング１０の先端部において拡径されており、環状の隙間５０の拡径部に入り込んだ切粉やクーラントに遠心力が作用して、切粉やクーラントが外径方向に向かうため、切粉やクーラントを主軸２０の先端側に押し出すことができる。

なお、第二参考例の主軸２０では、ハウジング１０の先端面１２の内周縁部に対応する部位に、基端側に向かうに連れて内側に傾斜した円錐台状の傾斜面が形成される。そして、主軸２０の回転が停止しているときに、ハウジング１０の先端面１２に付着したクーラントが、先端面１２の内周縁部に流れると、クーラントが主軸２０に形成された傾斜面を伝って、ハウジング１０と主軸２０の間の隙間５０に入り込む場合がある。

そこで、第二参考例の主軸装置１Ｂでは、ハウジング１０の内周面１１において下側領域には、内周面１１から外周面に亘って貫通した貫通孔１３が形成されており、ハウジング１０と主軸２０との間に形成された隙間５０に入り込んだクーラントは、貫通孔１３を通じてハウジング１０の下方に排出される。

［本実施形態］
図３に示す本実施形態の主軸装置１Ｃは、前記した第一参考例の主軸装置１Ａ（図１参照）と略同様の構成であり、ハウジング１０の先端面１２の形状が、第一参考例の主軸装置１Ａと異なっている。

本実施形態の主軸装置１Ｃでは、ハウジング１０の先端面１２の内周縁部に沿って、環状の壁部１２ａが突出しており、この壁部１２ａの外周面に凹溝１２ｂが形成されている。

この構成では、ハウジング１０の先端面１２に付着したクーラントが、先端面１２の上部から内周縁部近傍に流れた場合に、クーラントは壁部１２ａの外周面に堰き止められ、さらに、壁部１２ａの外周面に形成された凹溝１２ｂを伝って、内周縁部の周囲を下方に向けて流れるため、クーラントがハウジング１０と主軸２０との間に形成された環状の隙間５０に入り込むのを確実に防ぐことができる。

［第四参考例］
図４（ａ）及び（ｂ）に示す第四参考例の主軸装置１Ｄは、前記した第一参考例の主軸装置１Ａ（図１参照）と略同様の構成であり、エアカーテン機構の構成が、第一参考例の主軸装置１Ａと異なっている。

第四参考例の主軸装置１Ｄにおけるエアカーテン機構６０は、主軸２０の外周面に形成された第一ねじ溝６１ａ及び第二ねじ溝６１ｂと、ハウジング１０の内周面１１に開口した第一エア流通路６２ａ、第二エア流通路６２ｂ、第三エア流通路６２ｃと、第二エア流通路６２ｂを第一エア流通路６２ａ又は外部空間に連通させる切り替え手段６４と、を備えている。

第一ねじ溝６１ａ及び第二ねじ溝６１ｂは、主軸２０の外周面にねじ加工を施すことで形成された螺旋状の溝部であり、主軸２０の軸方向に所定間隔を離してそれぞれ形成されており、先端側に第一ねじ溝６１ａが形成され、基端側に第二ねじ溝６１ｂが形成されている。
第一ねじ溝６１ａは、主軸２０を基端側から見て左回りに螺旋状の溝部が形成され、第二ねじ溝６１ｂは、主軸２０を基端側から見て右回りに螺旋状の溝部が形成されている。

図４（ａ）に示すように、主軸２０が基端側から見て右回りに正回転（矢印Ａ方向）したときには、正回転した第一ねじ溝６１ａによって、環状の隙間５０には先端側に向けてエア流が発生するとともに、正回転した第二ねじ溝６１ｂによって、環状の隙間５０には基端側に向けてエア流が発生する。

図４（ｂ）に示すように、主軸２０が基端側から見て左回りに逆回転（矢印Ｂ方向）したときには、逆回転した第一ねじ溝６１ａによって、環状の隙間５０には基端側に向けてエア流が発生するとともに、逆回転した第二ねじ溝６１ｂによって、環状の隙間５０には先端側に向けてエア流が発生する。

第一エア流通路６２ａ、第二エア流通路６２ｂ、第三エア流通路６２ｃは、ハウジング１０の内周面１１から外周面に亘って貫通した孔部である。
第一エア流通路６２ａは、ハウジング１０の内周面１１において、第一ねじ溝６１ａよりも先端側となる位置に開口している。
第二エア流通路６２ｂは、ハウジング１０の内周面１１において、第一ねじ溝６１ａと第二ねじ溝６１ｂとの間となる位置に開口している。
第三エア流通路６２ｃは、ハウジング１０の内周面１１において、第二ねじ溝６１ｂよりも基端側となる位置に開口している。

第二エア流通路６２ｂの外周面側の開口部には、第二連通管６３ｂの一端が接続されている。この第二連通管６３ｂの他端は外部空間に通じており、第二エア流通路６２ｂは、第二連通管６３ｂを通じて、外部空間に連通している。
第一エア流通路６２ａの外周面側の開口部には、第一連通管６３ａの一端が接続されている。この第一連通管６３ａの他端は第二連通管６３ｂに連通している。第一エア流通路６２ａは、第一連通管６３ａを通じて、第二エア流通路６２ｂに連通している。
第三エア流通路６２ｃの外周面側の開口部は、外部空間に連通している。

切り替え手段６４は、第一連通管６３ａに設けられた第一開閉弁６４ａと、第二連通管６３ｂに設けられた第二開閉弁６４ｂと、を備え、図示しない制御装置によって、各開閉弁６４ａ，６４ｂの開閉状態を制御することで、第二エア流通路６２ｂを第一エア流通路６２ａ又は外部空間に連通させるものである。

第一開閉弁６４ａは、第一連通管６３ａに設けられており、第一開閉弁６４ａを開いた状態では、第一エア流通路６２ａと第二連通管６３ｂとが連通し、第一開閉弁６４ａを閉じた状態では、第一エア流通路６２ａと第二連通管６３ｂとの間が遮断される。
第二開閉弁６２ｂは、第二連通管６３ｂにおいて第一連通管６３ａとの接続部（分岐部）よりも外部空間側の位置に設けられている。第二開閉弁６４ｂを開いた状態では、第二エア流通路６２ｂと外部空間とが連通し、第二開閉弁６４ｂを閉じた状態では、第二エア流通路６２ｂと外部空間との間が遮断される。

そして、図示しない制御装置では、図４（ａ）に示すように、主軸２０が正回転（矢印Ａ方向）したときには、第一開閉弁６４ａは閉状態となり、第二開閉弁６４ｂは開状態となる。また、図４（ｂ）に示すように、主軸２０が逆回転（矢印Ｂ方向）したときには、第一開閉弁６４ａは開状態となり、第二開閉弁６４ｂは閉状態となる。

第四参考例の主軸装置１Ｄでは、図４（ａ）に示すように、主軸２０が正回転（矢印Ａ方向）したときには（第一開閉弁６４ａは閉、第二開閉弁６４ｂは開）、第二連通管６３ｂから第二エア流通路６２ｂを通じて、ハウジング１０と主軸２０との間に形成された環状の隙間５０に空気が取り入れられ、正回転した第一ねじ溝６１ａによって先端側に送り出されるとともに、正回転した第二ねじ溝６１ｂによって基端側に送り出される。
したがって、環状の隙間５０の内部には、第二エア流通路６２ｂを境にして、先端側と基端側に向けてエア流が発生し、先端側に向けて発生したエア流は、環状の隙間５０から噴出して環状のエアカーテンを形成し、基端側に向けて発生したエア流は、第三エア流通路６２ｃを通じて外部空間に排出される。

また、第四参考例の主軸装置１Ｄでは、図４（ｂ）に示すように、主軸２０が逆回転（矢印Ｂ方向）したときには（第一開閉弁６４ａは開、第二開閉弁６４ｂは閉）、逆回転した第一ねじ溝６１ａによって基端側に向けてエア流が発生するとともに、逆回転した第二ねじ溝６１ｂによって先端側に向けてエア流が発生する。
したがって、環状の隙間５０の内部では、先端側と基端側とから第二エア流通路６２ｂに向けてエア流が発生する。第二ねじ溝６１ｂによって、主軸２０の先端側に向けて発生したエア流は、第二エア流通路６２ｂから第二連通管６３ｂ、第一連通管６３ａ及び第一エア流通路６２ａを通じて、環状の隙間５０の内部に流入する。このとき、第一エア流通路６２ａから環状の隙間５０に流入したエア流は、環状の隙間５０の内部で先端側及び基端側に流れ、先端側に流れたエア流が環状の隙間５０から噴出して環状のエアカーテンを形成する。

このような第四参考例の主軸装置１Ｄでは、主軸２０を逆回転させたときであっても、ハウジング１０と主軸２０との間に形成された環状の隙間５０から、主軸２０の先端側に向けてエアを噴出させて、環状のエアカーテンを形成することができるため、切粉やクーラントが環状の隙間５０に入り込むのを防ぐことができる。

なお、第四参考例の主軸装置１Ｄの切り替え手段６４では、第一開閉弁６４ａ及び第二開閉弁６４ｂによって、第二エア流通路６２ｂを第一エア流通路６２ａ又は外部空間に連通させているが、第一連通管６３ａと第二連通管６３ｂとの分岐箇所に設けた一体の開閉弁によって、第二エア流通路６２ｂを第一エア流通路６２ａ又は外部空間に連通させることもできる。

第一参考例の主軸装置を示した側断面図である。 第二参考例の主軸装置の側断面を部分拡大した図である。 本実施形態の主軸装置の側断面を部分拡大した図である。 第四参考例の主軸装置を示した図で、（ａ）は主軸が正回転したときの側断面図、（ｂ）は主軸が逆回転したときの側断面図である。

符号の説明

１Ａ 主軸装置（第一参考例）
１Ｂ 主軸装置（第二参考例）
１Ｃ 主軸装置（本実施形態）
１Ｄ 主軸装置（第四参考例）
１０ ハウジング
１１ 内周面
１２ 先端面
１２ａ 壁部
１２ｂ 凹溝
２０ 主軸
２１ 外周面
３０ エアカーテン機構（第一参考例）
３１ ねじ溝
４０ 工具
５０ 環状の隙間
６０ エアカーテン機構（第四参考例）
６１ａ 第一ねじ溝
６１ｂ 第二ねじ溝
６２ａ 第一エア流通路
６２ｂ 第二エア流通路
６２ｃ 第三エア流通路
６３ａ 第一連通管
６３ｂ 第二連通管
６４ 切り替え手段
６４ａ 第一開閉弁
６４ｂ 第二開閉弁

Claims (3)

1. 筒状のハウジングと、
   軸回りに回転自在な状態で、前記ハウジング内に挿入された主軸と、
   前記ハウジングの内周面と前記主軸の外周面との間に形成された環状の隙間から、前記主軸の先端側に向けてエアを噴出し、環状のエアカーテンを形成するエアカーテン機構と、を備え、
   前記主軸の先端部に工具を取り付け可能な主軸装置であって、
   前記エアカーテン機構は、
   前記主軸の外周面に形成された螺旋状の溝部を備えており、
   前記主軸が正回転したときに、前記溝部の回転によって、前記環状の隙間に前記主軸の先端側に向けてエア流が発生し、
   前記ハウジングの先端面には、内周縁部に沿って環状の壁部が突出しており、前記壁部の外周面には凹溝が形成されていることを特徴とする主軸装置。
2. 前記溝部は、前記主軸の外周面に形成されたねじ溝であることを特徴とする請求項１に記載の主軸装置。
3. 前記エアカーテン機構は、
   前記ハウジングの内周面において、前記主軸の前記溝部よりも先端側となる位置に開口した第一エア流通路と、
   前記ハウジングの内周面において、前記主軸の前記溝部よりも基端側となる位置に開口した第二エア流通路と、
   前記第二エア流通路を、前記第一エア流通路又は外部空間に連通させる切り替え手段と、を備え、
   前記切り替え手段は、
   前記主軸が正回転したときに、前記第二エア流通路を外部空間に連通させ、
   前記主軸が逆回転したときに、前記第二エア流通路を前記第一エア流通路に連通させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の主軸装置。

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