JPH04129605A

JPH04129605A - 工作機械の主軸装置

Info

Publication number: JPH04129605A
Application number: JP25136290A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Yamaguchi; 義則山口; Kentaro Shino; 志野　憲太郎; Seiji Inada; 稲田　清司; Hiroshi Hanaoka; 花岡　浩
Original assignee: Mori Seiki Co Ltd
Current assignee: DMG Mori Co Ltd
Priority date: 1990-09-19
Filing date: 1990-09-19
Publication date: 1992-04-30

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、主軸の先端に回転工具のクランプ手段を備え
ているＮＣ工作機械の主軸装置に関する。

従来の技術従来、工作機械の主軸装置において、主軸の剛性を高め
るには軸受を大型で頑丈なものにすることが望ましいと
考えられてきた。また、主軸を高速回転で使用するには
軸受を小型化し、発熱を少なくすることが望ましいと考
えられてきた。このため、剛性の高い主軸は低速回転で
しか使用できず、−刃高速回転用の主軸は剛性が低いも
のと考えられ、高速化と高剛性を同時に求めることは技
術的に困難であるとされていた。

一方、主軸の先端に回転工具のクランプ手段を備えた主
軸装置は、第７図に例示するように、主軸頭３１に軸受
３３を介して回転自在に支持される主軸３２が中空軸に
より形成され、その中空孔に工具クランプ手段の一部を
構成するクランプ機構３７が組み込まれると共に、前端
開口部に工具装着用のテーバ部３４が設けられている。

そして、図示の例では研削砥石３６を取り付けた工具ホ
ルダ３５のテーバ部３５ａをテーバ部３４に嵌合し、か
つクランプ機構３７により主軸３２の内方に引張ってク
ランプするようになっている。

発明が解決しようとする課題このような従来の主軸装置では、使用する工具ホルダ３
５のテーバ部３５ａのサイズによって主軸３２の外径が
決定されるため、主軸３２は概して大径となり、軸受３
３を小型化して高速回転することが困難であった。この
ため、主軸３２を高速回転させると、軸受の発熱が増大
して加工精度に悪影響を与えたり、焼付きを起こすばか
りでなく、主軸３２の中空孔に組み込まれたクランプ機
構３７によって回転バランスがくずれ、振れ回りか大き
くなって振動や騒音が発生するという問題かあった。

また、主軸３２の製作加工において、内径部やテーバ部
を２工程以上に分けて加工するため、主軸自体の回転バ
ランスがくずれる可能性が多く、しかも、加工精度を出
すには高度な加工技術を必要とするものであった。

上述した理由から、従来の主軸装置では、主軸を高速回
転させて高精度の加工を行なうことは事実上不可能であ
った。

一方、高精度の高速研削や高速切削の要求は、近年とみ
に高まっているのである。

本発明は上記の事情に鑑みなされたもので、その目的と
するところは、主軸の先端に設ける工具クランプ手段を
構造的に単純化することによって、主軸の高速化と高剛
性を同時に達成し、もって主軸を高速回転させて高精度
の研削加工又は切削加工を可能ならしめた工作機械の主
軸装置を提供することにある。

課題を解決するための手段上記目的を達成するために、本発明の主軸装置において
は、超硬合金などの高剛性材料からなる中実の主軸が、
セラミック軸受などの発熱の少ない軸受を介して主軸頭
に回転自在に支持され、前記主軸の先端に、該主軸と同
軸をなす短軸状の凸部又は凹部を有するホルダが焼ばめ
により嵌着固定される一方、前記凸部又は凹部に、回転
工具を支持する工具ホルダが焼ばめ状態に、かつ交換可
能に密着嵌合するように構成されている工具クランプ手
段を備えていることを特徴とする。

前記工具クランプ手段の具体的な構成は、前記主軸の先
端に設けるホルダと、前記工具を支持する工具ホルダの
いずれか一方に前記短軸状の凸部が設けられ、他方に前
記凸部と焼ばめ状態に密着嵌合する凹部が設けられ、か
つ、前記凸部を設けたホルダが前記凹部を設けたホルダ
より膨脹率の低い材料により製作される一方、前記凹部
が設けられたホルダを加熱及び冷却する手段が設けられ
ている。

前記加熱及び冷却手段は、前記主軸の先端近傍において
主軸頭に付設するか、工具の搬送装置に付設する。

また、前記加熱及び冷却手段による加熱時又は冷却時に
、前記ホルダの一方に微振動を与える振動装置を設ける
と、前記凸部と前記凹部との嵌合及び脱抜が良好に行な
え効果的である。

さらに、前記両ホルダの嵌合時に工具側のホルダを主軸
側のホルダに押し付けるホルダ押付は機構を設けること
が望ましい。

作用上述のように構成した本発明の主軸装置は、凹部を設け
た一方のホルダ（凹状ホルダ）を加熱した状態で、凸部
を設けた他方のホルダ（凸状ホルダ）に嵌合させ、しか
るのち、前記凹状ホルダを冷却して両ホルダを焼ばめ状
態に密着嵌合させることにより、工具側ホルダに取り付
けた回転工具が主軸にクランプされる。

また、クランプ状態にある前記凹状ホルダを加熱すると
、該凹状ホルダと前記凸状ホルダとの熱膨脹率の差によ
って両ホルダがアンクランプされるので、このアンクラ
ンプの状態で前記工具の交換を行なう。

なお、前記両ホルダの嵌合及び脱抜時に、前記振動装置
によって一方のホルダに微振動を付与し、かつ、前記ホ
ルダ押付は機構によって工具側のホルダ端面を主軸側の
ホルダに密着させると、高精度、高剛性の焼ばめ嵌合が
行なえる。

一方、主軸は中実で超硬合金などの高剛性材料からなり
、かつ、その先端に設けた前述の工具クランプ手段及び
これにクランプされた回転工具を含む全体の回転バラン
スが良好で、剛性も高い。

実施例以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は、本発明による主軸装置を備えた工作機械本体
の要部を示しており、１は主軸頭、２は主軸で、超硬合
金などの高剛性材料からなる中実軸により形成されてい
る。該主軸２はセラミック軸受などの発熱の少ない軸受
３，４及び５を介して主軸頭１に回転自在に支持され、
主軸頭１に内蔵した電動モータ６のロータ７に直結して
、回転駆動されるようになっている。

８は主軸２の先端に回転工具（図示の例では研削砥石）
１０を保持するためのホルダで、前部に短軸状の凸部９
を有し、後部を主軸２の先端部分に焼ばめにより嵌着固
定して凸部９が主軸２と同軸に配設されている。該ホル
ダ８はインバー（熱膨張係数０．ｌＸｌ０　６）、セラ
ミックスなどの低膨脹材料により製作されている。

１１は研削砥石１０の支持軸、１２は支持軸１１の端部
に設けた工具ホルダで、ホルダ８の凸部９に焼ばめ状態
に密着嵌合する凹部１３を有している。該ホルダ１２は
ニッケルクロム鋼（熱膨張係数１１ＸＩＯ”）により支
持軸１１と一体的に形成されている。

１４は電熱ヒータを組み込んだ高速加熱装置、１５は冷
却エアー又は冷却水を噴射する高速冷却装置で、両装置
１４．１５は、主軸頭１前端の軸受押え１６に固着して
突設したリング状のブラケット１７に取り付けられ、ホ
ルダ８に近接してその周囲に配設されている。なお、高
速冷却装置１５による冷却効果を高めるため、図示のよ
うに、主軸２の中心部に貫通した通路１８に回転継手１
９を介して切削油又は冷却水を供給し、支持軸１１の中
心部に貫通した通路２０を通じて放出させるようにする
と効果的である。

２１は研削砥石１０の搬送アーム（第２図参照）で、そ
の先端部に取り付けたフィンガー２２により、多数の研
削砥石を貯蔵したマガジン（図示せず）から適宜の研削
砥石１０の支持軸１１を把持して取り出し、主軸２先端
近傍の交換位置まで搬送する搬送装置の主要部をなして
いる。フィンガー２２には、把持した支持軸１１を通じ
てホルダ１２に微振動を与える振動装置２３が付設され
ている。

また、フィンガー２２はアーム２１に対して若干可動状
態に取り付けられ、かつ、ばね２４によりホルダ挿入側
へ付勢されていて、両ホルダ８゜１２の嵌合時に、フィ
ンガー２２により把持した工具側のホルダ１２を主軸側
のホルダ８に押し付けるホルダ押付は機構を構成してい
る。

第２図ないし第４図は、上記のように構成したクランプ
装置によって砥石１０をクランプする手順を示している
。

先ず、第２図に示すように、搬送アーム２１のフィンガ
ー２２で支持軸１１を把持して主軸２の先端近傍の交換
位置まで砥石１０を移動し、両ホルダ８．１２の嵌合部
分を洗浄する。続いて、高速加熱装置１４によりホルダ
１２を加熱すると、熱膨張によって凹部１３の内径が拡
大し、ホルダ８の凸部９に嵌合可能となるので、凹部１
３を凸部９に嵌合させる。この嵌合時に、振動装置２３
で支持軸１１を介してホルダ１２に微振動を与えながら
、ばね２４により付勢されているフィンガー２２により
ホルダ１２をホルダ８に押し付けると、凹部１３が凸部
９にスムーズに、かつ確実に密着嵌合する。

嵌合が完了すると、高速加熱装置１４による加熱を停止
し、高速冷却装置１５てホルダ１２を冷却する。この冷
却により両ホルダ８，１２が焼ばめ状態に密着嵌合して
、砥石１０が主軸２先端にクランプされる。この冷却時
にも振動装置２３によってホルダ１２に微振動を与えな
がら、ばね２４によって付勢されているフィンガー２２
によってホルダ１２をホルダ８に押し付けると、両ホル
ダ８，１２の密着嵌合部分が高精度、高剛性にクランプ
される（第３図参照）。しかるのち、搬送アーム２１の
フィンガー２２が支持軸１１の把持を解放して、主軸２
から離れ、研削加工できる状態になる。

次に、主軸２にクランプされた砥石］０を交換するには
、再び高速加熱装置１４によってホルダ１２を加熱する
。すると、ホルダ１２の熱膨脹率がホルダ８のそれより
高いので、凹部］３が拡張して両ホルダ８，１２は脱抜
可能となり、砥石１０が主軸２に対してアンクランプの
状態になる。

この状態で搬送アーム２１のフィンガー２２により支持
軸１１を把持し、かつ、振動装置２３により支持軸１１
を介してホルダ１２に振動を与えながら、軸方向へ引張
ると、ホルダ１２の凹部１３がホルダ８の凸部９からス
ムーズに離脱する。続いて、砥石１０を交換する（第４
図参照）。

上記実施例においては、主軸２側のホルダ８に凸部９を
設け、砥石１０側のホルダ１２に凹部１３を設けたが、
第５図に示すように、主軸２側のホルダ８に凹部１３ａ
を設け、砥石１０側のホルダ１２に凸部９ａを設けた構
造としてもよい。この場合、凸部９ａを設けるホルダ１
２と支持軸１１にはインバー、セラミックスなどの低膨
張材料を用い、凹部１３ａを設けるホルダ８にはニッケ
ルクロム鋼を用いる。また、凹部１３ａを設けたホルダ
８の加熱による主軸２の熱変形を防止するために、ホル
ダ８を長くし、フィンなどを設けて放熱性を高めること
が好ましい。

第６図は、相対する一対の搬送アーム２１，２１に半円
弧状のブラケット２５．２５を連設し、該ブラケット２
５に高速加熱装置１４及び高速冷却装置１５を付設する
と共に、フィンガー２２とばね２４によるホルダ押付は
機構を組み込んだ例を示している。このような構成を採
用すると、工具１０の搬送中に加熱及び冷却できるので
、工具交換が一層能率良く行なえる。

次に、第１図に示した本発明に係る主軸装置と、第７図
に示した従来形の主軸装置との比較試験について説明す
る。

比較試験は、主軸の高速回転時における回転精度（振れ
回り精度）と、主軸の軸方向の伸び及び温度上昇を測定
した。

１、回転精度（振れ回り精度）機械テーブル上に取り付けたＸ軸（横軸）とＹ軸（室軸
）の非接触センサー２個にて高速回転時の工具１０又は
３６の振れ回り量を測定した。

第８図（ａ）は、従来形の主軸装置の高速回転時におけ
る回転精度の測定結果を示しており、主軸が毎分２０，
０００回転の時、振れ回り量はＹ軸方向（室軸）に０．
０３６７龍、Ｘ軸方向（横軸）に０．０３０７＋ＩＩｍ
の変位を伴って振れ回りしており、毎分１５，０００回
転以上の高速回転では回転精度が著しく低下している。

一方、第８図（ｂ）は、本発明の主軸装置の高速回転時
における回転精度の測定結果を示しており、主軸が毎分
３０．０００回転の時、Ｙ軸方向（室軸）に０．００２
９ｍｍ、Ｘ軸方向（横軸）に０゜００２８ｍの変位を伴
って振れ回りしている。従来形の主軸装置に比べて、回
転数で毎分１０，０００回転も高いにもかかわらず、振
れ回り量は約１／１０以下であって、高速回転時におけ
る回転精度が非常にすぐれており、高速回転で高精度の
加工が可能であることを示している。

２、主軸軸方向の伸び及び温度上昇主軸軸方向（Ｚ軸）の伸びは、機械テーブルに取り付け
た非接触センサーを工具１０又は３６の端面に向けて配
置し、高速回転時の伸び量を測定した。また、温度上昇
値は、測定箇所（主軸前カバ、−）に熱電対を取り付け
て測定した。

第９図（ａ）は、従来形の主軸装置の主軸が毎分１２．
０００回転している状態における軸方向（Ｚ軸）の伸び
と、主軸前カバーの温度変化を示しており、軸方向（Ｚ
軸）の伸びは１８．１μ、温度上昇は６．９℃であった
。

第９図（ｂ）は、本発明の主軸装置の主軸が毎分３０．
０００回転している状態における軸方向（Ｚ軸）の伸び
と、主軸前カバーの温度変化を示しており、軸方向（Ｚ
軸）の伸びは１８，３μ、温度上昇は６．９℃であった
。

上記の測定結果から、本発明に係る主軸装置は、従来形
の主軸装置に比べて、回転数で１８．０００回転の差が
あるにもかかわらず、軸方向（Ｚ軸）の伸び量及び温度
上昇はほぼ同程度である。したがって、本発明の主軸装
置は、熱変位量が少なくて機械精度が安定しており、高
速回転で高精度の加工が可能であることを示している。

発明の詳細な説明したように、本発明の主軸装置は、主軸の先端に
設ける工具クランプ手段か非常にシンプルな構造で、主
軸側に設けるホルダと、工具側に設ける工具ホルダを焼
ばめにより密着嵌合させてクランプするから、工具交換
精度が非常に高く、しかも高剛性が得られる。加えて、
従来の工具交換装置のように主軸の定位置停止を必要と
しないので、オリエンテーションが不要である。

一方、主軸は高剛性材料からなる中実軸により形成され
、細くしても十分な剛性が得られると共に、加工も外径
のみで簡単であり、かつ軸受を小型にでき、そして軸受
に発熱の少ないセラミック軸受などを採用したこと、更
には主軸先端に設けた前記工具クランプ手段及びこれに
クランプさせた回転工具を含む全体の回転バランスが良
好で、かつ剛性が高いことなどによって、高速回転時に
おける回転精度が非常にすぐれており、主軸の高速化と
高剛性を同時に達成できる。したがって、主軸を高速回
転させて高精度の研削加工あるいは切削加工が可能とな
り、サブミクロン単位の加工も可能である。

特に、本発明の主軸装置を研削砥石に適用した場合、複
合研削の高精度、高速化が実現できるばかりではなく、
高速重研削も可能である。更に、工具クランプ手段のホ
ルダが単純な形状で安価に製作できるから、砥石のスロ
ーアウェイ化が図れる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示し、第１図は本発明による主
軸装置を備えた工作機械本体要部の横断平面図、第２図
ないし第４図は同クランプ手順を説明する要部横断平面
図、第５図は別の実施例を示す要部横断平面図、第６図
はさらに別の実施例を示す要部横断平面図、第７図は従
来装置を示す横断平面図、第８図（ａ）は従来形の主軸
装置の回転精度を示す線図、第８図（ｂ）は本発明の主
軸装置の回転精度を示す線図、第９図（ａ）は従来形の
主軸装置の主軸軸方向の伸び及び温度上昇を示す線図、
第９図（ｂ）は本発明の主軸装置の主軸軸方向の伸び及
び温度上昇を示す線図である。１・・・主軸頭８・・・主軸側のホルダ１０・・・研削砥石１２・・・砥石側のホルダ１４・・・高速加熱装置２１・・・搬送アーム２３・・・振動装置２・・・主軸９・・・凸部１１・・・支持軸１３・・・凹部１５・・・高速冷却装置２２・・・フィンガー２４・・・ばね

Claims

【特許請求の範囲】

（１）超硬合金などの高剛性材料からなる中実の主軸が
、セラミック軸受などの発熱の少ない軸受を介して主軸
頭に回転自在に支持され、前記主軸の先端に、該主軸と同軸をなす短軸状の凸部又
は凹部を有するホルダが焼ばめにより嵌着固定される一
方、前記凸部又は凹部に、回転工具を支持する工具ホル
ダが焼ばめ状態に、かつ交換可能に密着嵌合するように
構成されている工具クランプ手段を備えていることを特
徴とする工作機械の主軸装置。
（２）前記主軸の先端に設けるホルダと、前記工具を支
持する工具ホルダのいずれか一方に前記短軸状の凸部が
設けられ、他方に前記凸部と焼ばめ状態に密着嵌合する
凹部が設けられ、かつ、前記凸部を設けたホルダが前記
凹部を設けたホルダより膨脹率の低い材料により製作さ
れる一方、前記凹部が設けられたホルダを加熱及び冷却
する手段が設けられている請求項１記載の工作機械の主
軸装置。
（３）前記加熱及び冷却手段が、前記主軸の先端近傍に
おいて前記主軸頭に付設されている請求項２記載の工作
機械の主軸装置。
（４）前記加熱及び冷却手段が、前記工具の搬送装置に
付設されている請求項２記載の工作機械の主軸装置。
（５）前記加熱及び冷却手段による加熱時及び冷却時に
、前記ホルダの一方に微振動を与える振動装置が設けら
れている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の工作
機械の主軸装置。
（６）前記両ホルダの嵌合時に、工具側のホルダを主軸
側のホルダに押し付けるホルダ押付け機構が前記工具の
搬送装置に設けられている請求項１ないし５のいずれか
１項に記載の工作機械の主軸装置。