JP6000453B2 - 工作機械の主軸装置および工作機械 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械の主軸装置および工作機械に関する。

従来からワークに対して工具を相対的に移動させて、切削等の加工を行う工作機械が知られている。工作機械は、工具を装着する主軸と、主軸を回転させるモータ等とを含む主軸装置を備える。主軸装置は、一般的に工具を取り替えることができるように形成されており、工具を取り替えることにより複数種類の加工を行うことができる。

特許文献１においては、主軸の軸受の予圧を変換できて、主軸の回転速度に応じて主軸の軸受セットを切り換える周速度切換え装置が開示されている。この切換え装置は、低速回転の時には、主軸の前側に配置されている大軸受セットに予圧を与えることが開示されている。スイッチピストンが油圧により移動することにより大軸受セットに予圧が付与される。一方で、高速回転の時には、大軸受セットに予圧が付与されない状態となる。また、スイッチピストンの端部には、先細テーパ部が形成され、圧力流体の予圧が大きくなりすぎた場合に予圧を吸収することが開示されている。

特許文献２においては、主軸を支持するリヤベアリングズケースの外周面と主軸ヘッドの内壁とに取り付けられたダイヤフラムを備える主軸装置が開示されている。ダイヤフラムは、リヤベアリングケースを主軸ヘッドのハウジングの内壁に支持している。ダイヤフラムは、アキシャル方向には弾性変形しながら主軸を支持するが、半径方向には高い剛性を持って主軸を支持することが開示されている。

実用新案登録第３０７６３９４号公報 特公平７−３７８１１号公報

一般に工作機械は、主軸を支持する支持剛性を高くすることにより加工精度を向上させることができる。たとえば、ワークを切削する加工の場合に、所望の量にて切削を行うことができる。または、一度に切削する量を多くする重切削加工を行うことができる。主軸装置は、主に重切削加工の要求を満たすように支持剛性が設定されて製造される。たとえば、主軸装置は、大きな工具径の工具を装着した場合に要求される支持剛性を満たすように設計される。

ところで、工具の種類によっては、加工中に工具に振動が生じる場合がある。すなわち、ワークを加工しているときの工具に加わる反力により、工具に振動が生じる場合がある。工具に振動が生じると、ワークの加工面の加工精度が低下し、加工能率も低下する。特に、工具径の小さな工具や工具長の長い工具を用いて切削等の加工を行う場合には振動が生じやすくなる。例えば、小径の工具にて加工面を仕上げる場合がある。小径の工具を主軸装置に装着して加工を行うと、主軸装置の主軸の支持剛性に比べて工具自体の剛性が小さいため、工具に振動が生じる場合がある。たとえば、いわゆるびびり振動が生じる場合がある。この結果、加工面にびびりマークが生じる等、加工精度（加工面品位）や加工能率が低下する場合があった。

このように、一般的に重切削加工において加工精度を向上させるためには、主軸の支持剛性を高める必要がある。しかしながら、主軸の支持剛性を高めると、主軸の振動を減衰させる減衰性能が低下し、工具径が小さくなった場合等には、振動が発生する場合があった。小さな工具径の工具にて加工を行うときに生じる振動を抑制するために、工具自体に振動を減衰させる減衰機能を付与することが考えられる。しかしながら、この場合には、特別な工具を使用しなければならならず、通常の工具を使用することができないという問題が生じる。

本発明の工作機械の主軸装置は、工具を装着する主軸と、主軸を回転可能に支持する軸受と、軸受を保持するベアリングケースと、主軸、軸受およびベアリングケースが内部に配置されているハウジングと、ハウジングに対してベアリングケースを支持し、ベアリングケースを支持する支持剛性を低剛性および低剛性よりも剛性の高い高剛性を含む複数段の剛性にて切替え可能な剛性切替え装置と、ハウジングとベアリングケースとの間に設けられ、剛性切替え装置が低剛性にてベアリングケースを支持している時に作動する振動減衰装置とを具備する。

上記発明においては、振動減衰装置は、ハウジングとベアリングケースとの接触部に設けられた摩擦部材からなることができる。

上記発明においては、剛性切替え装置は、ハウジングの内部において主軸の回転軸線に沿ってベアリングケースを移動させるように形成されており、ベアリングケースは、外面の径が徐々に小さくなるテーパ部を有し、剛性切替え装置は、ベアリングケースを移動させてテーパ部をハウジングに押し当てることにより高剛性にてベアリングケースを支持し、テーパ部に間隙を持たせることにより低剛性にてベアリングケースを支持することができる。

上記発明においては、ハウジングに対してベアリングケースを支持し、厚さ方向が主軸の回転軸線とほぼ平行に配置されている板状部材を備え、ベアリングケースは、工具が配置される側の端部が剛性切替え装置にて支持されており、工具が配置される側と反対側の端部が板状部材により支持されることができる。

上記発明においては、ハウジングに対する主軸の変位を検出する変位センサーを備えることができる。

上記発明においては、剛性切替え装置は、通常は高剛性にてベアリングケースを支持し、予め指定された工具が主軸に装着されるときに低剛性にてベアリングケースを支持するように切り替えられることができる。

上記発明においては、剛性切替え装置は、主軸に装着される工具の径が予め定められた値よりも小さい場合には低剛性にてベアリングケースを支持し、主軸に装着される工具の径が予め定められた値以上の場合には高剛性にてベアリングケースを支持することができる。

本発明の工作機械は、前述の主軸装置を備える工作機械において、剛性切替え装置によってベアリングケースの支持剛性が低剛性に切り替えられたときに、主軸の回転軸線に沿った方向におけるベアリングケースの移動量に相当する値だけＮＣ装置の工具長オフセット値が書き換えられる。

本発明によれば、小径工具等の振動が防止され、ワークの加工精度（加工面品位）や加工能率が向上する工作機械の主軸装置および工作機械を提供することができる。

実施の形態における主軸装置の部分概略断面図である。 実施の形態における主軸装置のベアリングケース部分の拡大概略断面図である。 実施の形態における主軸装置のベアリングケース部分の他の拡大概略断面図である。 比較例の主軸装置の安定限界線図である。 実施の形態における主軸装置の安定限界線図である。 実施の形態における工作機械、ＣＡＤ装置およびＣＡＭ装置を説明する概略図である。 実施の形態における他の主軸装置のベアリングケース部分の拡大概略断面図である。

図１から図７を参照して、本発明の実施の形態における工作機械の主軸装置について説明する。工具を装着した主軸を回転させる主軸装置は、任意の工作機械に配置することができる。例えば、横形や立形のマシニングセンタ、フライス盤、または中ぐり盤等の工作機械等に配置することができる。

図１は、本実施の形態における主軸装置の概略部分断面図である。主軸装置は、工具２を支持する主軸１と、主軸１が内部に配置されているハウジングとを含む。本実施の形態におけるハウジングは、主軸頭ハウジング１０と、フロントハウジング１１と、前端ハウジング１２とを含む。

本実施の形態における主軸装置は、ビルトインタイプの回転機を含む。主軸頭ハウジング１０の内面には、ステータ７が配置されている。主軸１の外面にはロータ６が配置されている。ステータ７およびロータ６により回転機が構成されている。主軸１は、円柱状に形成されており、主軸頭ハウジング１０の内部で回転する。

本実施の形態においては、主軸１の回転軸線１０１が延びる方向のうち、工具２が固定されている側を前側と称し、工具２が固定されている側と反対側を後側と称する。また、主軸１の回転軸線１０１が延びる方向をＺ軸方向と称する。主軸１の前側の端部は、軸受としてのフロントベアリングおよびフロントベアリングを保持するベアリングケース１４，１５を介して、フロントハウジング１１に支持されている。

フロントベアリングは、主軸１を回転軸線１０１の周りに回転可能に支持する。本実施の形態におけるフロントベアリングは、背面合わせの一対のアンギュラ軸受２１と、ころ軸受２２とを含む。本実施の形態におけるころ軸受２２は、円筒状のころを含む。アンギュラ軸受２１は、主軸１に対して回転軸線１０１の延びる方向に力が加わった場合にも、この力に対する抗力を提供する。アンギュラ軸受２１は、主軸１が回転軸線１０１の延びる方向に移動することを抑制する機能を有する。

ベアリングケース１４，１５は、アンギュラ軸受２１およびころ軸受２２を覆うように形成されている。ベアリングケース１４は、フロントベアリングと、フロントハウジング１１との間に配置されている。本実施の形態におけるベアリングケース１４およびベアリングケース１５は、互いに固定されている。ベアリングケース１４およびベアリングケース１５は、別部材にて形成されているが、この形態に限られず、一つの部材から一体的に形成されていても構わない。これらのフロントベアリングおよびベアリングケース１４，１５もハウジングの内部に配置されている。

主軸１の後側の端部は、リヤベアリングおよびリヤベアリングを支持するベアリングケース１７を介して、主軸頭ハウジング１０に支持されている。リヤベアリングは、主軸１を回転軸線１０１の周りに回転可能に支持する。本実施の形態におけるリヤベアリングは、ころ軸受２３を含む。本実施の形態におけるころ軸受２３は、円筒状のころを含む。ころ軸受２３の外輪は、ベアリング押え部材１８により、ベアリングケース１７に向かって押圧されている。ころ軸受２３は、ベアリングケース１７を介して、主軸頭ハウジング１０に支持されている。

主軸１の後側の端部にはナット３０が固定されている。ナット３０が締め付けられることにより、ころ軸受２３の内輪は、スリーブ２５およびカラー２６，２７を介して主軸１に固定されている。また、ナット３０が締め付けられることにより、ころ軸受２３の内輪が主軸１のテーパ部に食い込んでころ軸受２３に予圧が付与されている。

主軸１の内部には、回転軸線１０１に沿って延びるドローバー４２が配置されている。ドローバー４２は、棒状に形成されている。ドローバー４２の周りには、皿ばね４３が配置されている。皿ばね４３の後側の端部には、ナット４４が配置されている。ナット４４は、ドローバー４２に固定されている。

主軸１は、ドローバー４２に係合するコレット４５を含む。ドローバー４２は、皿ばね４３によって矢印１１１に示す後側に付勢され、コレット４５と係合する。この時にコレット４５は、前側の端部が開いた状態になる。コレット４５は、工具ホルダ３に係合して工具ホルダ３を保持する。一方で、コレット４５は、ドローバー４２が前側に向かって押圧された時に、工具ホルダ３との係合が解除されるように形成されている。

主軸装置は、ドローバー４２を前側に押圧する油圧シリンダ５を含む。油圧シリンダ５が駆動してドローバー４２を押圧することにより、工具ホルダ３の固定が解除される。工具２は、工具ホルダ３に固定されている。工具２は、工具ホルダ３と共に取り替えることができる。

ワークを加工する場合には、油圧シリンダ５によるドローバー４２の押圧が解除される。工具ホルダ３が皿ばね４３の付勢力によって主軸１の前側のテーパ穴に固定される。このように、ワークの加工中には、工具２が主軸１に固定された状態になる。工具２は、主軸１と一体的に回転したり移動したりする。

図２に、フロントベアリングおよびベアリングケース部分の拡大概略断面図を示す。図１および図２を参照して、アンギュラ軸受２１およびころ軸受２２は、外輪がベアリングケース１４，１５によって支持されている。アンギュラ軸受２１ところ軸受２２との間には、カラー３６が配置されている。

ベアリングケース１４は、回転軸線１０１に沿って厚さがほぼ一定である筒状部１４ｂを有する。本実施の形態においては、筒状部１４ｂの外側の表面と、フロントハウジング１１の内面との間に、僅かな隙間を有する間隙部３５が形成されている。間隙部３５の高さは、例えば主軸１の径方向において数十μｍ程度が好ましい。すなわち、筒状部１４ｂの外側の表面とフロントハウジング１１の内面とが数十μｍ離れていることが好ましい。

ベアリングケース１４は、前側の端部にピストン部１４ｃを有する。ベアリングケース１４は、ピストン部１４ｃと筒状部１４ｂとの間に形成されているテーパ部１４ａを有する。テーパ部１４ａは、後側に向かって徐々に外径が小さくなっている。フロントハウジング１１は、テーパ部１４ａと対向する部分に形成されているテーパ穴部１１ａを有する。テーパ穴部１１ａは、後側に向かって内径が徐々に小さくなっている。本実施の形態におけるテーパ穴部１１ａは、テーパ部１４ａを押し付けたときにテーパ部１４ａと面接触するように形成されていると同時に、ピストン部１４ｃは、フロントハウジング１１の前端とも面接触する。結局、ベアリングケース１４は、二面拘束されることになる。

ベアリングケース１４，１５の後側の端部は、ダイヤフラム３１により支持されている。ダイヤフラム３１は、金属により板状に形成されている板状部材である。ダイヤフラム３１は、厚さ方向が主軸１の回転軸線１０１の方向とほぼ平行に配置されている。ダイヤフラム３１は、径方向の外側の端部がフロントハウジング１１に固定され、径方向の内側の端部がベアリングケース１５に固定されている。

ころ軸受２２の前側には、カラー３７を介してナット２９が配置されている。アンギュラ軸受２１の後側には、スリーブ２４が配置されている。主軸１に対してナット２９を締め付けることにより、カラー３７を介してころ軸受２２が押圧される。ころ軸受２２の内輪が主軸１のテーパ部に食い込むことにより、ころ軸受２２に予圧が付与される。更に、ナット２９を締め付けることにより、カラー３６を介して前側のアンギュラ軸受２１の内輪が後側に押圧される。この押圧力は、前側のアンギュラ軸受２１の外輪、後側のアンギュラ軸受２１の外輪、および後側のアンギュラ軸受の内輪に、この順に伝達される。このために、アンギュラ軸受２１にも予圧が付与される。

ナット２９の前側にはシール部材１６が配置されている。シール部材１６は、フロントベアリングに供給された潤滑油が流出することを抑制すると共に、切りくずが主軸装置内に侵入することを防止する。シール部材１６は、例えば表面に凹凸が形成されたラビリンスシールを構成している。

本実施の形態の主軸装置は、ハウジングの内部にてベアリングケース１４，１５を主軸１の回転軸線１０１の方向に移動させる移動装置を含む。ベアリングケース１４のピストン部１４ｃの前側には油室６３が形成されている。前端ハウジング１２には、油路６１が形成されている。油路６１は、油室６３に連通している。ピストン部１４ｃの後側のフロントハウジング１１の前端面には、８個等配で油室６４が形成されている。フロントハウジング１１には油路６２が形成されている。油路６２は、油室６４に連通している。

本実施の形態の移動装置は、油室６３，６４に、高圧の制御油を供給する油圧装置８を含む。油圧装置８が油室６３または油室６４の一方に高圧の制御油を供給することにより、ピストン部１４ｃを回転軸線１０１の延びる方向に沿って移動させることができる。すなわち移動装置は、ベアリングケース１４，１５を主軸１の回転軸線１０１の方向に沿って移動させることができる。

本実施の形態における主軸装置は、ベアリングケース１４および主軸１に生じる振動の減衰を促進する振動減衰装置を備える。振動減衰装置は、ハウジングとベアリングケース１４との間に設けられている。本実施の形態の振動減衰装置は、前端ハウジング１２に固定されている摩擦部材６５を含む。摩擦部材６５は、ハウジングとベアリングケース１４との接触部に設けられている。摩擦部材６５は、ベアリングケース１４の前側の端面に対向するように配置されている。本実施の形態の摩擦部材６５は、板状に形成されている。摩擦部材６５は、厚さ方向が回転軸線１０１の方向とほぼ平行に配置されている。

本実施の形態における主軸装置は、ハウジングに対してベアリングケース１４，１５を支持するときの支持剛性を複数段にて切替え可能な剛性切替え装置を備える。本実施の形態の剛性切替え装置は、低剛性および低剛性よりも剛性の高い高剛性にて２段階でベアリングケース１４，１５を支持する。剛性切替え装置は、移動装置を含み、ベアリングケース１４，１５を移動することにより剛性を切り替える。

図２に示す状態では、高剛性にて主軸１を支持している。油圧装置８は、矢印１１２に示すように油室６３に高圧の制御油を供給している。油室６４からは、矢印１１３に示すように、貯留していた制御油が流出する。ベアリングケース１４のピストン部１４ｃは、油室６３に供給された制御油の油圧により押圧される。ベアリングケース１４，１５は、矢印１１４に示すように後側に押圧される。

ベアリングケース１４のテーパ部１４ａは、フロントハウジング１１のテーパ穴部１１ａに密着すると同時に、ベアリングケース１４のピストン部１４ｃの後側がフロントハウジング１１の前端面に密着する。このために、ベアリングケース１４，１５の前側の端部が矢印１１６に示す径方向および矢印１１４に示す軸方向に拘束される。また、ベアリングケース１４，１５の後側の端部は、ダイヤフラム３１によって径方向に拘束されている。主軸１は、ベアリングケース１４，１５の後側の端部に加えて、前側の端部が径方向および軸方向に拘束されるために、ベアリングケース１４，１５をハウジングに対して高剛性で支持することができる。

図３に、本実施の形態における主軸装置のフロントベアリングおよびベアリングケースの部分の他の拡大概略断面図を示す。図３に示す状態では、低剛性にて主軸１を支持している。油圧装置８は、矢印１１２に示すように、油室６４に高圧の制御油を供給する。油室６３に貯留していた制御油は、矢印１１３に示すように流出する。この結果、ベアリングケース１４，１５は、矢印１１５に示す向きに回転軸線１０１に沿って移動する。すなわち、ベアリングケース１４，１５は、前側に移動する。ベアリングケース１４のテーパ部１４ａは、フロントハウジング１１のテーパ穴部１１ａから離れる。このときのベアリングケース１４，１５の移動量は、数百μｍ程度の僅かな移動量が好ましい。ベアリングケース１４のピストン部１４ｃの前端面は、摩擦部材６５に接触する。ベアリングケース１４が前側に移動することにより、テーパ部１４ａとテーパ穴部１１ａとの間およびピストン部１４ｃとフロントハウジング１１の前面との間に僅かな隙間が形成される。テーパ部１４ａとテーパ穴部１１ａとの隙間は、例えば、径方向において数十μｍである。

ベアリングケース１４，１５は、アンギュラ軸受２１およびころ軸受２２を支持し、アンギュラ軸受２１およびころ軸受２２は、主軸１を支持している。このために、ベアリングケース１４，１５が移動することにより、主軸１も矢印１１５に示す向きに移動する。シール部材１６は、前端ハウジング１２の表面よりも飛び出す。この主軸１の移動量ｐｚは、例えば前述のように数百μｍ程度である。

ベアリングケース１４，１５が前側に移動することにより、ダイヤフラム３１が僅かに変形する。ベアリングケース１４，１５の後側の端部は、ダイヤフラム３１によって径方向に拘束される。ところが、ベアリングケース１４の前側の端部は、強い拘束を受けていない状態になる。このように、ベアリングケース１４，１５を、ハウジングに対して低剛性にて支持することができる。すなわち、ハウジングに対して主軸１を低剛性にて支持することができる。

このように、ベアリングケース１４，１５を移動することにより主軸１の支持剛性を変化させることができる。なお、主軸１の後側の端部を支持するリヤベアリングにおいては、図１を参照して、ころ軸受２３のころに対して内輪が滑ることにより、主軸１が移動する。

本実施の形態の主軸装置は、図２に示す高剛性の状態が通常の状態であり、多くの加工において採用される。特に、図２に示す状態は、主軸１が高い支持剛性で支持されているために、大径の工具２を用いる場合や切込み量の大きな重切削加工を行う場合等に好適である。ベアリングケース１４のテーパ部１４ａおよびピストン部１４ｃをフロントハウジング１１に圧接させて、高い支持剛性を達成できるために、高い加工精度にて加工することができる。

一方で、小径の工具２を用いて切削等の加工を行う場合には、工具２と加工面との接触により、工具２に振動が生じる場合がある。このような場合には、主軸装置を図３に示す低剛性の状態にする。この状態では、ベアリングケース１４，１５の後側の端部は、ダイヤフラム３１により径方向に強く拘束される。ところが、ベアリングケース１４，１５の前側の端部は、強い拘束を受けていないために、矢印１１６に示す径方向に僅かな振幅で振動可能になる。

加工中に工具２に生じる微振動は、主軸１に伝達される。主軸１が微振動することにより、ベアリングケース１４のピストン部１４ｃの端面は、摩擦部材６５と摺動する。このため、主軸１の振動を摩擦により減衰することができる。この結果、工具２に生じる振動を抑制し、高い加工精度にて加工を行うことができる。特に、小径の工具２を用いた場合に、びびり振動を抑制しながら加工を行うことができる。この加工は、小径の工具２を用いて仕上げ加工を行うとき等に好適である。このように、本実施の形態における振動減衰装置は、剛性切替え装置が低剛性にてベアリングケース１４を支持している時に作動する。

主軸１の振動を抑制する摩擦部材６５は、微小の振動でもベアリングケース１４と滑らかに摺動する部材を採用することが好ましい。たとえば、摩擦部材６５は、静摩擦係数と動摩擦係数との差が小さい材質にて形成されることが好ましい。または、摩擦部材６５は、低摩擦摺動材であることが好ましい。

本実施の形態の摩擦部材６５は、フッ素樹脂により形成されている。フッ素樹脂は、静摩擦係数が動摩擦係数の１．０倍〜１．１倍程度の材質である。このために、微小な振幅の振動においても、摩擦部材６５とベアリングケース１４とが滑らかに摺動する。効果的に振動エネルギを熱エネルギに変換することができる。また、びびり振動が生じても効果的に摩擦減衰させることができる。さらに、本実施の形態の主軸装置においては、ピストン部１４ｃの前側には油室６３が形成されている。このために、制御油が摩擦部材６５の表面にも移動し、制御油による粘性減衰の効果も得ることができる。

また、本実施の形態の摩擦部材６５は、前端ハウジング１２に固定されているが、この形態に限られず、ハウジングに対してベアリングケースが摺動する部分に配置することができる。たとえば、摩擦部材は、ベアリングケースに配置されていても構わない。

ダイヤフラム３１は、径方向における剛性が十分に大きくなるように形成することが好ましい。また、ダイヤフラム３１の回転軸線１０１の延びる方向における弾性力が、適度に大きいことが好ましい。このような、ダイヤフラム３１は、金属にて形成することができる。

図４に、比較例の主軸装置に小径の工具を取り付けて加工シミュレーションを行ったときの安定限界線図を示す。比較例の主軸装置は、本実施の形態における剛性切替え装置を備えておらずに、常に高い支持剛性で主軸を支持する。図５に、本実施の形態における主軸装置に小径の工具を取り付けて加工シミュレーションを行ったときの安定限界線図を示す。図５は、剛性切替え装置により、低い支持剛性にて主軸を支持したときの状態を示している。横軸は主軸の回転数であり、縦軸は工具の切込み量を示している。また、工具としては小径のエンドミルを使用したときの結果を示している。

図４に示すように、高剛性にて主軸を支持した状態にて小径の工具を用いるとびびり振動が発生し、安定限界線の下限を示す切込み量は非常に低くなることがわかる。これに対して、図５に示すように、低剛性にて主軸を支持し、更に、摩擦部材を用いて振動を摩擦減衰により低減させることにより、安定限界線の下限を示す切込み量が比較例よりも大きくなっていることが分かる。

本実施の形態の主軸装置は、工具の振動が生じやすい状態においても、切込み量を大きくしたり、安定した加工を行ったりすることができる。すなわち、本実施の形態の主軸装置は、加工精度（加工面品位）や加工能率を向上させることができる。これは、主軸の支持剛性を低減することにより、工具の振動と同一の振動モードにて主軸が振動可能になり、更に、その振動を摩擦部材の摺動により減衰することができるためと考えられる。このように、本実施の形態の主軸装置は、工具自体に生じる振動を抑制することができる。特に、小径の工具、工具長の長い工具、または振動しやすい工具等を用いたときに生じる振動を効果的に減衰させることができる。また、支持剛性を高剛性に切り替えることにより大径の工具を用いる場合等でも高い加工精度や加工能率にて加工を行うことができる。

なお、工具としては、回転しながら加工を行う工具を例示することができ、エンドミルを例示することができる。また、びびり振動等の振動が生じる工具径としては、１０ｍｍ以下を例示することができる。例えば、工具径が１０ｍｍ以下のエンドミルを用いる場合には、低い支持剛性にて主軸１を支持することが好ましい。工具径が１０ｍｍよりも大きなエンドミルを用いる場合には、高い支持剛性にて主軸１を支持することが好ましい。

図２および図３を参照して、シール部材１６と前端ハウジング１２との間には隙間が形成されている。この隙間が形成されている領域において、前端ハウジング１２には、変位センサー６６が配置されている。変位センサー６６は、Ｚ軸方向におけるハウジングに対する主軸１の変位を検出する。また、前端ハウジング１２とナット２９との間には、隙間が形成されている。この隙間が形成されている領域において、前端ハウジング１２には、変位センサー６７が配置されている。変位センサー６７は、Ｙ軸方向におけるハウジングに対する主軸１の変位を検出する。

更に、Ｙ軸およびＺ軸に直交するＸ軸方向（紙面に垂直方向）において、ハウジングに対する主軸１の変位を検出する変位センサーが配置されている。Ｘ軸方向の変位センサーは、Ｙ軸方向の変位センサー６７に対して回転軸線１０１の周りに９０°回転した位置に配置されている。このように、本実施の形態の主軸装置は、ハウジングに対して主軸１が移動したときの変位を検出する複数のセンサーを備える。

Ｚ軸方向の変位を検出する変位センサー６６は、油圧装置８によりベアリングケース１４，１５を移動させた場合に、所望の移動量の移動が行われたか否かを検出することができる。また、変位センサー６６の出力に基づいて、ベアリングケース１４，１５の移動量ｐｚを修正することができる。また、ワークの加工の期間中に、変位センサー６６の出力が予め定められた範囲内から逸脱した場合には、主軸１の支持剛性が異常であると判別することができる。この場合には、ワークの加工を停止する制御を行うことができる。更には、例えば、操作パネルに警報を表示する等の制御を行うことができる。

また、Ｙ軸方向の変位を検出する変位センサー６７の出力、およびＸ軸方向の変位を検出する変位センサーの出力により、ワークの加工の期間中における主軸１の変位や振動状態を検出することができる。例えば、ワークの加工の期間中にＸ軸方向またはＹ軸方向に、許容範囲を逸脱する振動の振幅が検出された場合には、加工を停止する制御を行うことができる。また、操作パネルに異常を通知する警報を表示することができる。

このように、ハウジングに対する主軸の変位を検出する変位センサーを備えることにより、移動装置の異常を速やかに検出したり、加工精度が低下した状態で加工を継続することを回避したりすることができる。

本実施の形態のベアリングケース１４は、工具が配置されている側の端部が剛性切替え装置にて支持されている。ベアリングケース１４は、工具が配置されている側と反対側の端部がダイヤフラム３１により支持されている。この構成を採用することにより、低い支持剛性の場合に、主軸１を効果的に振動させることができる。また、ダイヤフラム３１を用いて支持することにより、ベアリングケース１４を径方向に高い支持剛性で支持する一方で、ベアリングケース１４の回転軸線１０１の方向には僅かな移動を許容することができる。

なお、ダイヤフラム３１は、テーパ部１４ａから所定の間隔を空けて配置することが好ましい。所定の間隔を空けることにより、軸方向において離れた２か所の位置にて主軸１を支持することができる。主軸１をより確実に高い支持剛性にて支持することができる。また、主軸が効果的に振動するように、ダイヤフラム３１は摩擦部材６５から離れた位置に配置されていることが好ましい。

ところで、図３を参照して、小径の工具を用いる場合等には主軸１をＺ軸方向に移動量ｐｚ移動させて加工を行う。このために、ワークの加工面においては移動量ｐｚの加工誤差が生じ得る。次に、工作機械にてワークを加工するときに移動量ｐｚの加工誤差を修正する制御について説明する。

図６に、本実施の形態におけるワークの加工システムの概略図を示す。本実施の形態における加工システムは、数値制御式の工作機械８５と、工作機械８５に入力する入力数値データ８４を生成する装置を備える。ＣＡＤ（computer aided design）装置８１にてワークの形状を設計する。ＣＡＤ装置８１は、ワークの形状データ８２をＣＡＭ（computer aided manufacturing）装置８３に供給する。

工作機械８５は、加工やワークの移動等を制御する制御装置を備える。本実施の形態の制御装置は、ＮＣ（数値制御：Numerical Control）装置８６を含んでいる。ＣＡＭ装置８３は、形状データ８２に基づいて、ＮＣ装置８６に入力するための入力数値データ８４を生成する。入力数値データ８４は、例えば、所定の工具２を用いるときの工具先端点の経路を示すデータを含む。入力数値データ８４は、たとえば、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の座標値によって構成されている。

工作機械８５のＮＣ装置８６は、入力数値データ８４に基づいて、各軸サーボモータ８７を駆動する。各軸サーボモータ８７には、Ｘ軸サーボモータ、Ｙ軸サーボモータ、およびＺ軸サーボモータ等が含まれる。これにより、ワークに対して工具２を相対的に移動させることができる。

ＮＣ装置８６に入力される入力数値データ８４には、工具径が含まれている。本実施の形態のＮＣ装置８６は、工具２の工具径が予め定められた値未満であるか否かを判別する。ＮＣ装置８６は、使用する工具２の工具径が予め定められた値未満である場合には、低剛性にてベアリングケース１４，１５を支持する制御を行う。すなわち、剛性切替え装置は、主軸１に固定される工具２の径が予め定められた値未満の場合には、ベアリングケース１４，１５を前側に移動する制御を行う。

一方で、ＮＣ装置８６は、使用する工具が小径でない場合には、高剛性にてベアリングケース１４，１５を支持する制御を行う。すなわち、剛性切替え装置は、主軸１に固定される工具２の径が予め定められた値以上の場合には、ベアリングケース１４，１５を後側に移動する制御を行う。

このように、本実施の形態における工作機械は、装着される工具に応じて主軸を支持する支持剛性を変化させて、加工精度の向上を図ることができる。

工作機械が、工具を自動的に取り替える自動工具交換装置を備える場合には、予め定められた値よりも小さな工具径の工具が装着されたことを検出し、低い支持剛性にて支持するように剛性切替え装置を制御することができる。また、予め定められた値以上の工具径の工具が装着されたことを検出し、高い支持剛性にて支持するように剛性切替え装置を制御することができる。自動で工具を交換する場合には、図１を参照して、制御装置が油圧シリンダ５を駆動することにより、工具２が固定されている工具ホルダ３を主軸１から取り外したり取り付けたりすることができる。

また、ＮＣ装置８６は、低い支持剛性にて主軸１を支持する場合には、工具２のＺ軸方向の工具長をベアリングケース１４の移動量ｐｚに相当する値だけオフセットする制御を行うことができる。このような制御を行うことにより、低い支持剛性にて支持するときに生じるＺ軸方向の加工誤差を修正することができる。ＮＣ装置８６は、修正された工具経路にて各軸サーボモータ８７を駆動することができる。

なお、上述の説明においては、工作機械８５のＮＣ装置８６において、工具をオフセットする例を取リ上げて説明したが、この形態に限られず、たとえばＣＡＭ装置８３において工具経路を生成するときに、工具が小径の場合には、予め工具長を補正したり、工具経路をオフセットしたりしても構わない。

上述の剛性切替え装置は、ベアリングケース１４のテーパ部１４ａをフロントハウジング１１のテーパ穴部１１ａに密着させているが、この形態に限られず、ベアリングケースを移動させてテーパ部をハウジングに押し当てることによりベアリングケースを支持していれば構わない。更に、剛性切替え装置は、ベアリングケースのテーパ部を、フロントハウジングに接触させたり離したりする形態に限られず、任意の構成により支持剛性を切り替えることができる。

図７に、本実施の形態における他の主軸装置のフロントベアリングとベアリングケースとの部分の拡大概略断面図である。図７には、小径の工具を用いて低剛性にて主軸１を支持している状態が示されている。他の主軸装置の剛性切替え装置は、油圧室部材７１を含む。油圧室部材７１は、内部が空洞であり油圧室が形成されている。油圧室部材７１は、フロントハウジング１１の内面のうち、ベアリングケース１４に対向する領域に配置されている。油圧室部材７１は、例えば、回転軸線１０１に沿って油圧室が延びるように形成されている。

ベアリングケース１４の外面と、フロントハウジング１１の内面との間には、僅かな隙間が形成されている。この間隙部３５の高さは、例えば数十μｍである。ベアリングケース１４の前側の端面は、ダイヤフラム３１の弾性力によって摩擦部材６５に接触した状態である。小径の工具を用いて加工を行う場合には、上述の主軸装置と同様に、主軸１が振動する。この時に、ベアリングケース１４は、前側の端面が摩擦部材６５と摺動し、摩擦により振動を減衰させることができる。

油圧室部材７１は、ベアリングケース１４に対向する薄肉部７１ａを有する。薄肉部７１ａは、油圧装置８から高圧の油圧が供給されると、矢印１２３に示すようにベアリングケース１４に向かって弾性変形するように形成されている。薄肉部７１ａは、例えば、ばね鋼などの金属にて形成することができる。

通常の工具を使用する場合や大径の工具を用いる場合には、油圧装置８により、矢印１２１，１２２に示すように、高圧の制御油を油路７３，７４を通して油圧室部材７１の内部に供給する。薄肉部７１ａが膨らむことにより、ベアリングケース１４を半径方向内側に向かって押圧することができる。この結果、ベアリングケース１４を高剛性にて支持することができる。このために、主軸１を高い支持剛性にて支持することができる。

一方で、小径の工具を用いる場合等には、油圧室部材７１の内部の油圧を低下させる。この制御により、薄肉部７１ａがベアリングケース１４から離れて、ベアリングケース１４の拘束を解除することができる。このような剛性切替え装置によっても、前述と同様の作用効果を得ることができる。

また、図７に示す他の主軸装置においては、主軸１が回転軸線１０１の方向に移動しないために、前述のような工具２の工具長を所定の移動量だけオフセットをする制御を行う必要がなく、各軸のサーボモータの制御を簡略化することができる。

本実施の形態の主軸装置は、フロントベアリングが２つのアンギュラ軸受２１および１つのころ軸受２２によって構成されているが、この形態に限られず、フロントベアリングは、任意の種類の軸受を採用することができる。また、任意の個数の軸受を採用することができる。例えば、フロントベアリングは、アンギュラ軸受を用いずにころ軸受にて構成されていても構わない。また、リヤベアリングについても同様に、任意の構成により主軸を支持することができる。

本実施の形態の剛性切替え手段は、２段階で主軸を支持する支持剛性を切り替えるように形成されているが、この形態に限られず、３段階以上で支持剛性を切り替えるように形成されていても構わない。例えば、図７に示す実施の形態において、油圧装置８から油圧室部材７１に供給する油圧を３段階以上に切り替えればよい。

上記の実施の形態では、使用する工具の径が予め定められた値より小さい工具か、予め定められた値以上の工具かを判別して剛性を切り替えていたが、工具の径で判別せず、工作機械のオペレータが予め振動しやすい工具の番号を指定しておき、その番号の工具が工具交換動作で主軸に装着されることをＮＣ装置８６が判断したときに、高剛性から低剛性に切り替えるようにしてもよい。

また、上記の実施の形態の振動減衰装置は、摩擦部材６５とベアリングケース１４の前側の端面とが摺動するように形成されているが、この形態に限られず、主軸１に生じる振動の減衰を促進するように形成されていれば構わない。たとえば、振動減衰装置は、低剛性にてベアリングケース１４，１５を支持する場合に、ハウジングの内部からベアリングケース１４，１５に向かって飛び出す弾性部材を有していても構わない。この弾性部材は、ゴムなどの弾性を有する材質にて形成することができる。弾性部材は、高剛性の場合にはハウジングの内部に収容され、低剛性の場合にハウジングから径方向に飛び出してベアリングケースを押圧することができる。弾性部材がベアリングケースを押圧することにより、ベアリングケースおよび主軸の振動を減衰することができる。

上記の実施の形態は、適宜組み合わせることができる。上述のそれぞれの図において、同一または相等する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、請求の範囲に示される形態の変更が含まれている。

１ 主軸
２ 工具
８ 油圧装置
１０ 主軸頭ハウジング
１１ フロントハウジング
１２ 前端ハウジング
１４，１５ ベアリングケース
１７ ベアリングケース
２１ アンギュラ軸受
２２ ころ軸受
３１ ダイヤフラム
３５ 間隙部
６３，６４ 油室
６５ 摩擦部材
６６，６７ 変位センサー
７１ 油圧室部材
７１ａ 薄肉部
８４ 入力数値データ
８５ 工作機械
８６ ＮＣ装置
８７ 各軸サーボモータ

Claims (8)

1. 工具を装着する主軸と、
   前記主軸を回転可能に支持する軸受と、
   前記軸受を保持するベアリングケースと、
   前記主軸、前記軸受および前記ベアリングケースが内部に配置されているハウジングと、
   前記ハウジングに対して前記ベアリングケースを支持し、前記ベアリングケースを支持する支持剛性を低剛性および低剛性よりも剛性の高い高剛性を含む複数段の剛性にて切替え可能な剛性切替え装置と、
   前記ハウジングと前記ベアリングケースとの間に設けられ、前記剛性切替え装置が低剛性にて前記ベアリングケースを支持している時に作動する振動減衰装置と、
   を具備することを特徴とした工作機械の主軸装置。
2. 前記振動減衰装置は、前記ハウジングと前記ベアリングケースとの接触部に設けられた摩擦部材からなる請求項１に記載の工作機械の主軸装置。
3. 前記剛性切替え装置は、前記ハウジングの内部において前記主軸の回転軸線に沿って前記ベアリングケースを移動させるように形成されており、
   前記ベアリングケースは、外面の径が徐々に小さくなるテーパ部を有し、
   前記剛性切替え装置は、前記ベアリングケースを移動させて前記テーパ部を前記ハウジングに押し当てることにより高剛性にて前記ベアリングケースを支持し、前記テーパ部に間隙を持たせることにより低剛性にて前記ベアリングケースを支持する請求項２に記載の工作機械の主軸装置。
4. 前記ハウジングに対して前記ベアリングケースを支持し、厚さ方向が主軸の回転軸線とほぼ平行に配置されている板状部材を備え、
   前記ベアリングケースは、前記工具が配置される側の端部が前記剛性切替え装置にて支持されており、前記工具が配置される側と反対側の端部が前記板状部材により支持されている請求項１に記載の工作機械の主軸装置。
5. 前記ハウジングに対する前記主軸の変位を検出する変位センサーを備える請求項１に記載の工作機械の主軸装置。
6. 前記剛性切替え装置は、通常は高剛性にて前記ベアリングケースを支持し、予め指定された工具が前記主軸に装着されるときに低剛性にて前記ベアリングケースを支持するように切り替えられる請求項１に記載の工作機械の主軸装置。
7. 前記剛性切替え装置は、前記主軸に装着される工具の径が予め定められた値よりも小さい場合には低剛性にて前記ベアリングケースを支持し、前記主軸に装着される工具の径が予め定められた値以上の場合には高剛性にて前記ベアリングケースを支持する請求項１に記載の工作機械の主軸装置。
8. 請求項３に記載の主軸装置を有した工作機械において、
   前記剛性切替え装置によって前記ベアリングケースの支持剛性が低剛性に切り替えられたときに、前記主軸の回転軸線に沿った方向における前記ベアリングケースの移動量に相当する値だけＮＣ装置の工具長オフセット値が書き換えられる、工作機械。

Images