JP5648370B2 - 予圧可変式スピンドル - Google Patents

Description

本発明は、予圧可変式スピンドルに関し、より詳細には、軸受に付与する予圧量の大きさを、無段階で調整可能な予圧可変式スピンドルに関する。

従来のスピンドルとして、軸受の予圧量を変更可能な予圧可変機構を備える予圧可変式スピンドルユニットが開示されている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１に記載の予圧可変式スピンドルユニット１００は、図４に示すように、外筒１０２と、外筒１０２内を挿通する主軸１０３と、主軸１０３を前後両端で回転自在に支承するアンギュラ玉軸受である前側軸受１０４及び後側軸受１０５と、を備える。

後側軸受１０５は、外筒１０２に対して軸方向に移動可能に嵌合する軸受保持部品１０６に内嵌される。軸受保持部品１０６の鍔部１０６ａと蓋部品１０７との間に設けられた圧力室１０８には、外部に配置された油圧装置１１０から供給される高圧油により移動する押圧部材１０９が嵌合している。また、鍔部１０６ａの押圧部材１０９と反対側の面と外筒１０２との間には、軸受保持部品１０６の鍔部 １０６ａを蓋部品１０７の方向に押圧する弾性部材１１１が配設されている。

弾性部材１１１は、弾性力によって軸受保持部品１０６を介して前側軸受１０４、及び後側軸受１０５に予圧を付与している。そして、主軸１０３の回転に伴う遠心力や主軸１０３の熱膨張のため、前側軸受１０４、及び後側軸受１０５の予圧が上昇したとき、油圧装置１１０から圧力室１０８に高圧油を導入し、押圧部材１０９を図中左方向に移動させて弾性部材１１１を弾性変形させることにより、予圧量を低減させて適正値に調整する。

実開平５−２８０２号公報

工作機械の分野では、加工効率や加工精度向上のため、５軸加工技術が発展しており、加工部位に応じてスピンドルを旋回させる能力が要求されている。一方、軸の回転に伴う熱膨張の影響によって変化する軸受の予圧量の大きさを一定に維持するようにした定圧予圧スピンドルが知られている。

しかし、水平姿勢のスピンドルに合わせて予圧量が決定された定圧予圧スピンドルにおいては、スピンドルの姿勢が、水平姿勢から垂直姿勢に変化すると、軸重量の影響により、工具側軸受に付与される予圧量が初期予圧量から減少し、剛性が低くなって軸の振動が大きくなり、結果として加工精度に重大な影響を及ぼす虞がある。

特許文献１の予圧可変式スピンドルユニット１００は、主軸１０３の回転数変化に伴って遠心力や熱膨張の影響により、後側軸受１０５の予圧量が増大したとき、圧力室１０８に高圧油を導入して押圧部材１０９で弾性部材１１１を押圧し、後側軸受１０５の予圧量を低減するようにしたものである。このため、上記したようなスピンドルの姿勢変化に伴う前側軸受の予圧量低減には対応することができず、改善の余地があった。

本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、スピンドルの姿勢が変化しても、軸重量に影響されることなく、常に適正な予圧量が軸受に付与されて、加工精度を向上させることができる予圧可変式スピンドル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） ハウジングと、
一端で工具を支持する回転軸と、
前記回転軸の工具側に配設されて前記回転軸を回転自在に支承する前側軸受と、
前記ハウジングに内嵌されると共に、前記ハウジングに対して前記回転軸の軸方向に摺動可能なスリーブと、
前記回転軸の反工具側に配設されると共に前記スリーブに内嵌され、前記回転軸を回転自在に支承する後側軸受と、
前記ハウジングと前記スリーブとの間に介装され、前記スリーブを介して前記前側軸受及び前記後側軸受に定圧予圧を付与する予圧付与手段と、
を備えた予圧可変式スピンドルであって、
前記スリーブは、前記ハウジングに内嵌されると共に、前記後側軸受の外輪が内嵌される軸受スリーブと、前記軸受スリーブに取り付けられ、前記後側軸受の外輪を軸方向に位置決めする外輪押えと、を有し、
前記予圧付与手段は、
前記ハウジングの反工具側端面に開口するように前記ハウジングに形成された油圧室に供給された作動油によって、該油圧室内を移動するように前記油圧室に収容される油圧ピストンと、
前記スリーブの前記ハウジングの反工具側端面と対向する部分と前記油圧ピストンとの間に介装されるばね部材と、
を有し、
前記ばね部材は、前記軸受スリーブから径方向外方に延出する前記外輪押えのフランジ部分に当接し、
前記油圧ピストンは、前記ばね部材が当接可能な底部と前記ばね部材を収容可能な筒部とを備えて有底円筒状に形成され、
前記予圧付与手段は、前記ばね部材によって定圧予圧を付与可能であると共に、前記油圧室に供給された前記作動油によって予圧量を可変可能であり、
前記作動油によって前記ばね部材が前記筒部内に収容されて、前記油圧ピストンが前記外輪押えのフランジ部分と当接することによって定圧予圧を付与可能であることを特徴とする予圧可変式スピンドル。
（２） （１）に記載の前記予圧可変式スピンドルと、前記予圧可変式スピンドルを旋回するチルト機構と、を有することを特徴とする工作機械。

本発明の予圧可変式スピンドルによれば、予圧付与手段は、ハウジングの反工具側端面に開口するようにハウジングに形成された油圧室に供給された作動油によって、油圧室内を移動するように油圧室に収容される油圧ピストンと、スリーブのハウジングの反工具側端面と対向する部分と油圧ピストンとの間に介装されるばね部材と、を有する。これにより、油圧室に供給する作動油の圧力を制御してばね部材を伸縮させ、スリーブに作用するばね力を変化させることで、予圧量を制御することができる。また、ばね部材は、軸受スリーブから径方向外方に延出する外輪押えのフランジ部分に当接し、油圧ピストンは、ばね部材が当接可能な底部とばね部材を収容可能な筒部とを備えて有底円筒状に形成され、予圧付与手段は、ばね部材によって定圧予圧を付与可能であると共に、油圧室に供給された作動油によって予圧量を可変可能であり、作動油によってばね部材が筒部内に収容されて、油圧ピストンが外輪押えのフランジ部分と当接することによって定圧予圧を付与可能であるので、予圧可変式スピンドルの剛性を高めることができる。よって、予圧可変式スピンドルの姿勢変化に伴う軸重量による予圧量への影響を排除して、前側軸受の予圧量を適正に維持することができ、加工精度に影響を及ぼすことなく、予圧可変式スピンドルを旋回機構を有する工作機械に適用することができる。

本発明に係る予圧可変式スピンドルが適用される門型マシニングセンタを示す斜視図である。 本発明に係る予圧可変式スピンドルの断面図である。 図２のＡ部の拡大図である。 従来の予圧可変式スピンドルユニットの断面図である。

以下、本発明に係る予圧可変式スピンドルの一実施形態を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、本発明の予圧可変式スピンドル１０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、予圧可変式スピンドル１０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及び図３に示すように、本発明の予圧可変式スピンドル１０は、ハウジング１１と、一端（図中左側）に不図示の工具が取り付けられて回転自在な回転軸１２と、回転軸１２の前端側（図中左側）に配設された一対の前側軸受（本実施形態では、アンギュラ玉軸受）１３，１３と、回転軸１２の後端側（図中右側）に配設された一対の後側軸受（本実施形態では、アンギュラ玉軸受）１４，１４と、ハウジング１１に内挿されて軸方向にスライド移動可能なスリーブ１５と、を備える。

ハウジング１１は、略円筒形状のハウジング本体３１と、ハウジング本体３１の前端側に嵌合固定されるフロントハウジング３２と、ハウジング本体３１の後端側に嵌合固定されるリアハウジング３３とを有している。フロントハウジング３２の前端には、前蓋３４が締結固定され、リアハウジング３３の後端には、後蓋３６が締結固定されている。

ハウジング本体３１の内周部には、ビルトインモータ３７のステータ３８が固定されている。また、回転軸１２の軸線方向中間部には、ステータ３８と対向してロータ３９が固定されており、ステータ３８が発生する回転磁界によって回転力が与えられて回転軸１２を回転駆動する。

リアハウジング３３の内周面３３ａには、軸方向に移動可能な略円筒形状の軸受スリーブ１６が嵌合されている。また、軸受スリーブ１６の反工具側端面には、軸受スリーブ１６の外周面から径方向外方に延出する外輪押え１７が不図示のネジによって取り付けられている。リアハウジング３３の内周面３３ａと軸受スリーブ１６との嵌合部には、Ｏリング２８が装着されている。なお、軸受スリーブ１６と外輪押え１７は、本発明のスリーブ１５を構成している。

前側軸受１３，１３は、外輪１８，１８がフロントハウジング３２に内嵌され、内輪１９，１９が回転軸１２に外嵌して、回転軸１２の前端側を回転自在に支承する。前側軸受１３，１３の外輪１８，１８は、外輪間座２０を介してフロントハウジング３２の段部３２ａと前蓋３４とによって狭持されてフロントハウジング３２に対して軸方向に位置決めされる。内輪１９，１９は、内輪間座２１を介して回転軸１２の前側段部１２ａと、回転軸１２に螺合するナット２２とによって狭持されて回転軸１２に対して軸方向に位置決めされる。

後側軸受１４，１４は、外輪２３，２３が軸受スリーブ１６に内嵌され、内輪２４，２４が回転軸１２に外嵌して、回転軸１２の後端側を回転自在に支承する。後側軸受１４，１４の外輪２３，２３は、外輪間座２５を介して軸受スリーブ１６の段部１６ａと外輪押え１７の円環状凸部１７ａとによって狭持されて軸受スリーブ１６に対して軸方向に位置決めされる。内輪２４，２４は、内輪間座２６を介して回転軸１２の後側段部１２ｂと、回転軸１２に螺合するナット２７とによって狭持されて回転軸１２に対して軸方向に位置決めされる。

回転軸１２の後端側には、磁気エンコーダ５１、及び磁気エンコーダ５１の磁気を検出するセンサ５２からなる回転センサ５０と、回転軸１２に切削用クーラント等の液体を供給するロータリジョイント５３が配設されている。

リアハウジング３３には、その反工具側端面に開口するように円環溝状の油圧室４１が形成されており、スリーブ１５のリアハウジング３３の反工具側端面と対向する部分、即ち、軸受スリーブ１６から径方向外方に延出する外輪押え１７のフランジ部分に臨む。油圧室４１には、油圧ピストン４３が摺動自在に嵌合するとともに、作動油供給路４２が連通する。油圧ピストン４３が摺動する油圧室４１の内周面には、Ｏリング４４ａが装着されると共に、油圧ピストン４３の外周面にもＯリング４４ｂが装着される。

油圧ピストン４３は、ばね部材であるコイルスプリング４５が当接可能な底部４３ａとコイルスプリング４５を収容可能な筒部４３ｂとにより、ばね室４６を構成するように有底円筒状に形成される。そして、コイルスプリング４５は、外輪押え１７のフランジ部分と油圧ピストン４３のばね室４６との間に介装される。コイルスプリング４５は、スリーブ１５に軸方向（図中右方向）の付勢力を付与し、これにより前側軸受１３，１３及び後側軸受１４，１４に定圧予圧を付与している。

作動油供給路４２には、作動油の圧力を制御可能な圧力制御回路６０が接続されている。圧力制御回路６０は、接続パイプ６１、油圧ポンプ６２、流量調整弁６３、及びリリーフ弁６４から構成され、リリーフ弁６４に設定された圧力の作動油が、作動油供給路４２を介して油圧室４１に供給される。

本実施形態の作用を説明する。本実施形態の予圧可変式スピンドル１０は、図２及び図３において、油圧ピストン４３と外輪押え１７との間に装着されているコイルスプリング４５のばね圧により、軸受スリーブ１６が図中右方向に付勢されることで、フロントハウジング３２の段部３２ａによって軸方向位置が規制される前側軸受１３，１３、及び軸受スリーブ１６の段部１６ａによって軸方向位置が規制される後側軸受１４，１４に定圧予圧が付与される。

前側軸受１３，１３及び後側軸受１４，１４に定圧予圧を付与するコイルスプリング４５のばね圧は、予圧可変式スピンドル１０が水平姿勢の状態、且つ油圧室４１に作動油が供給されていない状態において、適正な予圧量となるように調整されている。これにより、回転軸１２の回転に伴って発生する熱膨張の影響をなくし、前側軸受１３，１３及び後側軸受１４，１４の予圧量が一定に維持される。

予圧可変式スピンドル１０の姿勢が、例えば、水平姿勢から垂直姿勢（工具が下向き姿勢）に変更されると、回転軸１２の重量が前側軸受１３，１３に作用して、前側軸受１３，１３の予圧量が初期予圧より小さくなって回転軸１２の剛性が低下する。

この場合、圧力制御回路６０から油圧室４１に作動油を供給し、油圧ピストン４３を図中右方向に移動させてコイルスプリング４５を圧縮することにより、より大きなばね力で外輪押え１７を押圧して初期予圧からの予圧量の低下を防止する。即ち、油圧室４１に供給する作動油の圧力を、予圧可変式スピンドル１０の旋回による姿勢変化に対応して無段階に調整することにより、予圧可変式スピンドル１０の姿勢が変更されても、常に一定の予圧量を前側軸受１３，１３に付与することができる。

換言すれば、予圧可変式スピンドル１０の旋回角度に応じて、前側軸受１３，１３に作用する回転軸１２の重量変化をキャンセルするように作動油の圧力を制御し、前側軸受１３，１３の予圧量を無段階で変化させることにより、適正な予圧量を付与することができる。これにより、回転軸１２の剛性低下を防止して加工精度を一定に維持することができる。油圧ピストン４３のストロークを長くすることにより、予圧量を例えば、１０００Ｎ〜２０００Ｎ程度の範囲で変更することが可能である。

また、油圧室４１に供給する作動油の圧力を、コイルスプリング４５のばね力以上の圧力にして、油圧ピストン４３がコイルスプリング４５を筒部４３ｂ内に収容して外輪押え１７に当接した状態にすれば、コイルスプリング４５のばね力による定圧予圧から、油圧による定圧予圧に切り換えることができ、更に予圧可変式スピンドル１０の剛性を高めることができる。

以上説明したように、本実施形態の予圧可変式スピンドル１０によれば、予圧付与手段は、リアハウジング３３の反工具側端面に開口するようにリアハウジング３３に形成された油圧室４１に供給された作動油によって、油圧室４１内を移動するように油圧室４１に収容される油圧ピストン４３と、外輪押え１７と油圧ピストン４３との間に介装されるばね部材４５と、を有することにより、ばね部材４５を伸縮させて、ばね力による定圧予圧量を制御することができる。これにより、予圧可変式スピンドル１０の姿勢変化に伴う軸重量による予圧量への影響を排除して、前側軸受１３，１３の予圧量を適正に維持することができる。

尚、本発明は、前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。例えば、上記の実施形態において、転がり軸受は、アンギュラ玉軸受として説明したが、これに限定されず、他の形式の転がり軸受にも同様に適用することができる。

１０ 予圧可変式スピンドル
１１ ハウジング
１２ 回転軸
１３ 前側軸受
１４ 後側軸受
１５ スリーブ
１６ 軸受スリーブ
１７ 外輪押え
３１ ハウジング本体
３２ フロントハウジング
３３ リアハウジング
４１ 油圧室
４３ 油圧ピストン
４５ コイルスプリング(ばね部材)

Claims (2)

1. ハウジングと、
   一端で工具を支持する回転軸と、
   前記回転軸の工具側に配設されて前記回転軸を回転自在に支承する前側軸受と、
   前記ハウジングに内嵌されると共に、前記ハウジングに対して前記回転軸の軸方向に摺動可能なスリーブと、
   前記回転軸の反工具側に配設されると共に前記スリーブに内嵌され、前記回転軸を回転自在に支承する後側軸受と、
   前記ハウジングと前記スリーブとの間に介装され、前記スリーブを介して前記前側軸受及び前記後側軸受に定圧予圧を付与する予圧付与手段と、
   を備えた予圧可変式スピンドルであって、
   前記スリーブは、前記ハウジングに内嵌されると共に、前記後側軸受の外輪が内嵌される軸受スリーブと、前記軸受スリーブに取り付けられ、前記後側軸受の外輪を軸方向に位置決めする外輪押えと、を有し、
   前記予圧付与手段は、
   前記ハウジングの反工具側端面に開口するように前記ハウジングに形成された油圧室に供給された作動油によって、該油圧室内を移動するように前記油圧室に収容される油圧ピストンと、
   前記スリーブの前記ハウジングの反工具側端面と対向する部分と前記油圧ピストンとの間に介装されるばね部材と、
   を有し、
   前記ばね部材は、前記軸受スリーブから径方向外方に延出する前記外輪押えのフランジ部分に当接し、
   前記油圧ピストンは、前記ばね部材が当接可能な底部と前記ばね部材を収容可能な筒部とを備えて有底円筒状に形成され、
   前記予圧付与手段は、前記ばね部材によって定圧予圧を付与可能であると共に、前記油圧室に供給された前記作動油によって予圧量を可変可能であり、
   前記作動油によって前記ばね部材が前記筒部内に収容されて、前記油圧ピストンが前記外輪押えのフランジ部分と当接することによって定圧予圧を付与可能であることを特徴とする予圧可変式スピンドル。
2. 請求項１に記載の前記予圧可変式スピンドルと、前記予圧可変式スピンドルを旋回するチルト機構と、を有することを特徴とする工作機械。

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