JPWO2004041465A1 - Tool fixing device for machine tool spindle - Google Patents

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JPWO2004041465A1
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Abstract

付勢手段のガススプリングと解除手段の流体圧シリンダを連結してコンパクトに構成した工作機械主軸の工具固定装置である。工具固定装置（４）は、工具（５）の基端部に連結可能なドローバー（１１）と、このドローバー（１１）を工具固定側に付勢する付勢機構（１２）と、この付勢機構（１２）の付勢力に抗してドローバー（１１）を固定解除側へ駆動可能な解除機構（１３）とを備え、ドローバー（１１）の基端側部分に、主軸（２）の基端の端面外へ延びるドローバー延長部（２４）が形成され、付勢機構（１２）は、主軸（２）の基端に一体回転するように連結されドローバー（１１）をドローバー延長部（２４）において工具固定側へ付勢するガススプリング（３０）を有し、解除機構（１３）は、ドローバー（１１）をドローバー延長部（２４）において固定解除側へ駆動可能な油圧シリンダ（４０）であって、ガススプリング（３０）の基端に連結された油圧シリンダ（４０）を有する。It is a tool fixing device for a machine tool main spindle that is compactly configured by connecting a gas spring as an urging means and a fluid pressure cylinder as a releasing means. The tool fixing device (4) includes a draw bar (11) connectable to a base end portion of the tool (5), an urging mechanism (12) for urging the draw bar (11) toward the tool fixing side, and the urging force. A release mechanism (13) capable of driving the draw bar (11) to the fixed release side against the urging force of the mechanism (12), and the base end of the main shaft (2) at the base end side portion of the draw bar (11) A draw bar extension (24) extending out of the end surface of the main shaft (2) is formed, and the urging mechanism (12) is connected to the base end of the main shaft (2) so as to rotate integrally with the draw bar (11). The release mechanism (13) is a hydraulic cylinder (40) that can drive the draw bar (11) to the fixed release side in the draw bar extension (24). , Connected to the base end of the gas spring (30) By having a hydraulic cylinder (40) it has.

Description

本発明は、工作機械主軸の工具固定装置に関し、特に、ドローバーを工具固定側へ付勢するガススプリングを主軸の基端の端面外に設けたものに関する。  The present invention relates to a tool fixing device for a machine tool spindle, and more particularly to a gas spring that urges a draw bar toward a tool fixing side outside an end face of a base end of the spindle.

ワークに機械加工を施す工作機械の主軸の先端側部分には、工具を保持する工具保持部が設けられており、工具は、工具固定装置により工具保持部に固定解除可能に固定される。一般的な工具固定装置は、工具の基端部に連結可能なドローバーと、このドローバーを工具固定側（主軸の基端側）へ付勢する付勢機構と、付勢機構の付勢力に抗してドローバーを固定解除側（主軸の先端側）へ駆動可能な解除機構等を備えている。
ドローバーを工具固定側へ付勢する付勢機構には、種々の構成のものが提案され、あるいは実用化されているが、例えば、本願出願人は、圧縮ガスを封入したガススプリングの付勢力でドローバーを工具固定側に付勢する付勢機構を備えた工具固定装置を提案している（特開２００１−８７９１０号公報参照）。この工具固定装置においては、ドローバーの基端側部分に主軸の基端の端面外に延びるドローバー延長部が形成され、このドローバー延長部においてガススプリングはドローバーを工具固定側へ付勢する。
また、この工具固定装置には、ガススプリングの付勢力に抗してドローバーを固定解除側へ駆動する油圧シリンダも設けられているが、この油圧シリンダは、ガススプリングを覆うカバー部材を介して主軸ユニットのハウジングに固定されており、ガススプリングと油圧シリンダは別体に構成され互いに連結されていない。
ガススプリングは主軸の基端の端面外に設けられているため、ガススプリングを主軸に内蔵する場合と異なり、ガス作動室を形成するシリンダ本体の外径を主軸の径よりも小さくする必要はないため、シリンダ本体の内径を大きくして、主軸や工具固定装置などで構成される主軸ユニット全体の長さを短くできる。さらに、ガス作動室内で圧縮ガスの付勢力が作用するピストンの受圧面積も大きくなるので、ガス作動室内のガス圧を低めに設定しても工具を確実に固定する為の付勢力を十分に確保できる。
尚、この工具固定装置には、圧縮ガスの漏れによるガス作動室内のガス圧低下を検出可能なガス圧検出手段も設けられている。
次に、本願の発明により解決しようとする課題について説明する。
前記公報の工具固定装置においては、ガススプリングと油圧シリンダは別体に構成されて、ガススプリングと油圧シリンダが互いに連結されていないため、これらガススプリングと油圧シリンダを主軸を含む主軸ユニットに夫々別々に取り付けなくてはならず、組み付け作業に時間を要する。
また、ガススプリングを主軸に内蔵した工具固定装置においては、一般的に、工具を確実に工具保持部に固定するためには、ガス作動室に封入された圧縮ガスを高圧に保つ必要があるが、ガス圧を高圧にするほど圧縮ガスは漏れやすくなる。そして、ガス作動室内のガス圧が所定圧以下に低下した場合には、工具を工具保持部に確実且つ高精度に固定することができなくなる。
この点、前記公報の工具固定装置は、ガススプリングを主軸の基端の端面外に設けることで、前述の問題点を多少は改善することができる。しかし、この工具固定装置のガススプリングには、ガス作動室からの圧縮ガスの漏れを防止する為の合成樹脂製のシール部材が設けられているものの、このシール部材のみで高圧の圧縮ガスを長期間にわたってシールすることはほとんど不可能である。また、このシール部材に加えてピストンの摺動部を潤滑する潤滑油を用いて圧縮ガスの漏れを防止したりする技術も提案されているが、この場合でも、潤滑油がシール部材の周辺に十分に給油されなければ、圧縮ガスの漏れを防止することはできず、ガス圧が短期間で低下してしまう。また、前記公報の工具固定装置においてはガス圧低下を検知して圧縮ガスを補充することができるものの、圧縮ガスを補充する頻度が高くなってしまう。
さらに、機械加工時に生じる熱により主軸はかなりの高温状態になるが、主軸から伝わった熱がガススプリングからほとんど放熱されない状態が続くと、圧縮ガスの熱膨張によりガス圧が過剰に上昇して圧縮ガスの漏れ量が増加したり、潤滑油の温度が上昇してその粘度が低下し、潤滑油の潤滑性能及びシール性能が低下してしまう。
本発明の目的は、ガススプリングと固定解除用の流体圧シリンダとを連結してコンパクトに構成しそれらの主軸ユニットへの組み付けを容易にすること、圧縮ガスの漏れを極力抑えてガススプリングの付勢力低下を長期間にわたって抑制すること、ガススプリングからの放熱を促進すること、等である。その他の本発明の目的は、本発明の効果や実施の形態の記載からも判るであろう。A tool holding portion for holding a tool is provided at a tip side portion of a main spindle of a machine tool that performs machining on the workpiece, and the tool is fixed to the tool holding portion by a tool fixing device so that the tool can be released. A general tool fixing device includes a draw bar that can be connected to the base end portion of a tool, an urging mechanism that urges the draw bar toward the tool fixing side (base end side of the main shaft), and an urging force of the urging mechanism. And a release mechanism that can drive the draw bar to the fixed release side (the tip end side of the main shaft).
Various biasing mechanisms for biasing the draw bar toward the tool fixing side have been proposed or put into practical use. For example, the applicant of the present application uses the biasing force of a gas spring filled with compressed gas. A tool fixing device having an urging mechanism for urging the draw bar toward the tool fixing side has been proposed (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-87910). In this tool fixing device, a draw bar extension that extends outside the end face of the base end of the main shaft is formed on the base end side portion of the draw bar, and the gas spring biases the draw bar toward the tool fixing side in the draw bar extension.
The tool fixing device is also provided with a hydraulic cylinder that drives the draw bar to the unlocking side against the biasing force of the gas spring. This hydraulic cylinder is connected to the main shaft via a cover member that covers the gas spring. It is fixed to the housing of the unit, and the gas spring and the hydraulic cylinder are formed separately and are not connected to each other.
Because the gas spring is provided outside the end face of the base end of the main shaft, unlike the case where the gas spring is built in the main shaft, the outer diameter of the cylinder body forming the gas working chamber need not be smaller than the diameter of the main shaft. For this reason, the inner diameter of the cylinder body can be increased, and the length of the entire spindle unit including the spindle and the tool fixing device can be shortened. In addition, the pressure receiving area of the piston on which the urging force of the compressed gas acts in the gas working chamber increases, so that sufficient urging force is secured to securely fix the tool even if the gas pressure in the gas working chamber is set low. it can.
The tool fixing device is also provided with a gas pressure detecting means capable of detecting a gas pressure drop in the gas working chamber due to a leak of compressed gas.
Next, problems to be solved by the present invention will be described.
In the tool fixing device of the above publication, the gas spring and the hydraulic cylinder are configured separately, and the gas spring and the hydraulic cylinder are not connected to each other. Therefore, the gas spring and the hydraulic cylinder are separately provided in a spindle unit including the spindle. It must be attached to the assembly, and it takes time to assemble.
In addition, in a tool fixing device having a gas spring built in the main shaft, it is generally necessary to maintain the compressed gas sealed in the gas working chamber at a high pressure in order to securely fix the tool to the tool holder. The higher the gas pressure is, the more easily the compressed gas leaks. When the gas pressure in the gas working chamber drops below a predetermined pressure, the tool cannot be reliably and accurately fixed to the tool holder.
In this respect, the tool fixing device of the above publication can slightly improve the above-described problems by providing a gas spring outside the end face of the base end of the main shaft. However, although the gas spring of this tool fixing device is provided with a sealing member made of synthetic resin for preventing leakage of the compressed gas from the gas working chamber, the high pressure compressed gas is prolonged only by this sealing member. It is almost impossible to seal over time. In addition to this seal member, a technique for preventing leakage of compressed gas using a lubricant that lubricates the sliding portion of the piston has also been proposed. However, even in this case, the lubricant is placed around the seal member. If the fuel is not supplied sufficiently, the compressed gas cannot be prevented from leaking, and the gas pressure will drop in a short period of time. Moreover, in the tool fixing device of the above publication, although the gas pressure drop can be detected and the compressed gas can be replenished, the frequency of replenishing the compressed gas is increased.
Furthermore, the main shaft becomes considerably hot due to heat generated during machining, but if the heat transmitted from the main shaft is hardly dissipated from the gas spring, the gas pressure will rise excessively due to the thermal expansion of the compressed gas, causing compression. The amount of gas leakage increases, the temperature of the lubricating oil rises and its viscosity decreases, and the lubricating performance and sealing performance of the lubricating oil decrease.
An object of the present invention is to connect a gas spring and a fluid pressure cylinder for unlocking to a compact structure so that they can be easily assembled to the spindle unit, and to prevent the compressed gas from leaking as much as possible. For example, it is possible to suppress a decrease in power over a long period of time and to promote heat dissipation from the gas spring. Other objects of the present invention will be understood from the description of the effects and embodiments of the present invention.

本発明の工作機械主軸の工具固定装置は、工作機械の主軸の先端側部分に装着される工具を固定解除可能に固定する為の工具固定装置であって、工具の基端部に連結可能なドローバーと、このドローバーを工具固定側に付勢する付勢手段と、この付勢手段の付勢力に抗してドローバーを固定解除側へ駆動可能な解除手段とを備えた工具固定装置において、前記ドローバーの基端側部分に、主軸の基端の端面外へ延びるドローバー延長部が形成され、前記付勢手段は、主軸の基端に一体回転するように連結されドローバーをドローバー延長部において工具固定側へ付勢するガススプリングを有し、前記解除手段は、ドローバーをドローバー延長部において固定解除側へ駆動可能な流体圧シリンダであって、前記ガススプリングの基端に連結された流体圧シリンダを有することを特徴とするものである。
工具が主軸に固定されている状態では、工具の基端部に連結されたドローバーが、主軸の端面外へ延びるドローバー延長部において付勢手段のガススプリングにより工具固定側へ強力に付勢されている。この状態から、解除手段の流体圧シリンダによりガススプリングの付勢力に抗してドローバーを固定解除側へ駆動すると、工具の固定が解除される。解除手段には、流体圧シリンダの他、流体圧シリンダに作動流体を供給する作動流体供給源や、流体圧シリンダと作動流体供給源を接続する接続ホース等も含まれる。
ここで、流体圧シリンダはガススプリングの基端に連結されている。つまり、ガススプリングと流体圧シリンダとを予め組み立てておくことが可能な１つのユニットに構成できるので、付勢手段と駆動手段をコンパクトに構成できるし、ガススプリングと流体圧シリンダを主軸を含む主軸ユニットへ組み付けるのが容易になる。
次に、本発明の構成に関する好ましい形態について説明する。
ａ）前記ガススプリングと流体圧シリンダとを相対回転可能に連結してもよい。この場合には、流体圧シリンダは回転不能に固定され、ガススプリングだけが主軸と一体的に回転するように構成される。
ｂ）ガススプリングは、ドローバー延長部に外嵌され且つ主軸の基端に一体回転するように連結されたシリンダ本体と、シリンダ本体内に形成されたシリンダ孔と、ドローバー延長部の長さ方向途中部に一体的に設けられシリンダ孔に所定ストローク移動可能に装着されたピストン部と、シリンダ孔のうちのピストン部に対して主軸側に形成され圧縮ガスが封入されたガス作動室とを備えている。従って、ガス作動室内の圧縮ガスの付勢力によりピストン部が工具固定側に付勢されて、ドローバーに連結された工具が主軸に固定される。
ｃ）前記シリンダ孔を、主軸側程小径のテーパ状に形成してもよい。この場合、ガス作動室内にピストン部とシリンダ本体と間を潤滑する潤滑油を注入しておけば、機械加工時に主軸及びシリンダ本体が回転したときには、遠心力により潤滑油がシリンダ孔の内周面に付着し、さらに、テーパ状のシリンダ孔に沿って潤滑油が移動して、ピストン部とシリンダ本体との間に装着されたシール部材に潤滑油が給油される。
従って、主軸が回転する毎にシール部材に潤滑油が給油されることになるため、シール部材と潤滑油によりピストン部とシリンダ本体との間を確実にシールできるし、シール部材の摩耗やへたりも抑えられるためシール部材の寿命も長くなり、ガス作動室からの圧縮ガスの漏れを長期間にわたって極力防止でき、圧縮ガスを補充する頻度も少なくなる。
ｄ）前記ガススプリングは、ガス作動室内に装着されピストン部を工具固定側へ付勢する付勢部材を備えている。この場合、ドローバー延長部は、ガス作動室内の圧縮ガスの付勢力と、付勢部材の付勢力により工具固定側へ付勢されることになるため、万が一、圧縮ガスが漏れて圧縮ガスによる付勢力が低下しても、コイルバネの付勢力により工具の固定状態が維持されるので、主軸の回転中に主軸から工具が外れてしまうことがない。また、付勢部材の付勢力の分だけ、ガス作動室内のガス圧を低くすることができるので、圧縮ガスが漏れにくくなる。
ｅ）前記シリンダ本体を、主軸とほぼ同径又は主軸よりも大径に構成してもよい。この場合、シリンダ本体内のガス作動室の径をより大きくすることができるため、ガス作動室の長さを短くしても必要な容積を確保でき、主軸や工具固定装置などで構成される主軸ユニット全体の長さを短くできる。また、ガス作動室の径を大きくすることでピストン部におけるガス圧の受圧面積も大きくなるので、ガス作動室内のガス圧を低くしても工具を強力に固定することが可能になり、ガス作動室から圧縮ガスが漏れにくくなる。
ｆ）前記ガススプリングは、ピストン部とシリンダ本体との間をシールするシール部材と、ピストン部とシリンダ本体との間を潤滑するとともに圧縮ガスをシールする為の潤滑油を有する。この場合、ピストン部とシリンダ本体との間が、シール部材と潤滑油によりシールされることになるため、ガス作動室からの圧縮ガスの漏れを極力抑えることができる。
ｇ）前記シリンダ本体は、ガス作動室に圧縮ガス及び潤滑油を充填する為の充填ポートを有する。従って、この充填ポートからガス作動室に圧縮ガス及び潤滑油を充填できる。
ｈ）前記シリンダ本体の外周部に、放熱用のフィンを設けてもよい。このようにガススプリングからの放熱を促進するように構成することで、機械加工時に生じた熱に起因する圧縮ガスの熱膨張により、ガス圧が過剰に上昇して圧縮ガスの漏れ量が増加するのを防止できる。さらには、潤滑油の温度上昇による潤滑油の粘度低下を抑制して、潤滑油の潤滑性能及びシール性能が低下するのを極力抑えることもできる。
ｉ）前記流体圧シリンダに、ドローバー延長部を固定解除側に駆動する際にガススプリングの付勢力を検出する付勢力検出手段を設けてもよい。工具の固定を解除するために、流体圧シリンダでドローバー延長部を固定解除側へ駆動する毎にガススプリングの付勢力を検出できるため、圧縮ガスが漏れて付勢力が低下していないかどうかを機械加工の開始前に定期的にチェックでき、圧縮ガスによる付勢力が低下している状態で機械加工を行ってしまうのを防止できる。The tool fixing device for a spindle of a machine tool according to the present invention is a tool fixing device for fixing a tool attached to a tip side portion of a spindle of a machine tool so that the tool can be released, and can be connected to a base end portion of the tool. A tool fixing device comprising: a draw bar; an urging means for urging the draw bar toward the tool fixing side; and a releasing means capable of driving the draw bar toward the fixing release side against the urging force of the urging means. A draw bar extension that extends outside the end face of the base end of the main shaft is formed on the base end side portion of the draw bar, and the urging means is connected to the base end of the main shaft so as to rotate integrally, and the draw bar is fixed to the draw bar extension by a tool. The release means is a fluid pressure cylinder capable of driving the draw bar to the fixed release side in the draw bar extension portion, and is connected to the base end of the gas spring. It is characterized in that it has a fluid pressure cylinder.
In the state where the tool is fixed to the main shaft, the draw bar connected to the base end portion of the tool is strongly urged toward the tool fixing side by the gas spring of the urging means at the draw bar extension extending outside the end surface of the main shaft. Yes. From this state, when the draw bar is driven to the fixing release side against the biasing force of the gas spring by the fluid pressure cylinder of the releasing means, the tool is released from being fixed. In addition to the fluid pressure cylinder, the release means includes a working fluid supply source that supplies the working fluid to the fluid pressure cylinder, a connection hose that connects the fluid pressure cylinder and the working fluid supply source, and the like.
Here, the fluid pressure cylinder is connected to the proximal end of the gas spring. In other words, since the gas spring and the fluid pressure cylinder can be configured as a single unit that can be assembled in advance, the biasing means and the drive means can be configured in a compact manner, and the gas spring and the fluid pressure cylinder include the main shaft including the main shaft. Easy to assemble to the unit.
Next, the preferable form regarding the structure of this invention is demonstrated.
a) The gas spring and the fluid pressure cylinder may be coupled so as to be relatively rotatable. In this case, the fluid pressure cylinder is fixed so as not to rotate, and only the gas spring is configured to rotate integrally with the main shaft.
b) The gas spring is fitted to the draw bar extension and connected to the base end of the main shaft so as to rotate integrally, a cylinder hole formed in the cylinder body, and the length of the draw bar extension A piston part that is integrally provided in the part and is mounted on the cylinder hole so as to be movable by a predetermined stroke; and a gas working chamber that is formed on the main shaft side with respect to the piston part of the cylinder hole and in which compressed gas is sealed. Yes. Therefore, the piston portion is urged toward the tool fixing side by the urging force of the compressed gas in the gas working chamber, and the tool connected to the draw bar is fixed to the main shaft.
c) The cylinder hole may be formed in a tapered shape with a smaller diameter toward the main shaft side. In this case, if lubricating oil that lubricates between the piston portion and the cylinder body is injected into the gas working chamber, when the main shaft and the cylinder body rotate during machining, the lubricating oil is caused by centrifugal force to be applied to the inner peripheral surface of the cylinder hole. Furthermore, the lubricating oil moves along the tapered cylinder hole, and the lubricating oil is supplied to the seal member mounted between the piston portion and the cylinder body.
Accordingly, since the lubricating oil is supplied to the sealing member every time the main shaft rotates, the sealing member and the lubricating oil can surely seal between the piston portion and the cylinder main body, and the sealing member can be worn or sluggish. Therefore, the life of the sealing member is extended, the leakage of the compressed gas from the gas working chamber can be prevented as long as possible, and the frequency of replenishing the compressed gas is reduced.
d) The gas spring includes a biasing member that is mounted in the gas working chamber and biases the piston portion toward the tool fixing side. In this case, the drawbar extension is biased to the tool fixing side by the biasing force of the compressed gas in the gas working chamber and the biasing force of the biasing member. Even if the urging force is lowered, the fixed state of the tool is maintained by the urging force of the coil spring, so that the tool is not detached from the main shaft while the main shaft is rotating. Further, since the gas pressure in the gas working chamber can be lowered by the amount of the urging force of the urging member, the compressed gas is less likely to leak.
e) The cylinder body may be configured to have substantially the same diameter as the main shaft or a larger diameter than the main shaft. In this case, since the diameter of the gas working chamber in the cylinder body can be increased, the required volume can be secured even if the length of the gas working chamber is shortened, and the main shaft constituted by the main shaft and the tool fixing device, etc. The length of the entire unit can be shortened. In addition, since the pressure receiving area of the gas pressure in the piston is increased by increasing the diameter of the gas working chamber, the tool can be firmly fixed even if the gas pressure in the gas working chamber is lowered. Compressed gas is less likely to leak from the chamber.
f) The gas spring includes a seal member that seals between the piston portion and the cylinder body, and a lubricating oil that lubricates the space between the piston portion and the cylinder body and seals the compressed gas. In this case, since the space between the piston portion and the cylinder body is sealed with the seal member and the lubricating oil, it is possible to suppress the leakage of the compressed gas from the gas working chamber as much as possible.
g) The cylinder body has a filling port for filling the gas working chamber with compressed gas and lubricating oil. Therefore, compressed gas and lubricating oil can be filled into the gas working chamber from this filling port.
h) A heat dissipation fin may be provided on the outer peripheral portion of the cylinder body. By configuring so as to promote heat dissipation from the gas spring, the gas pressure excessively increases due to the thermal expansion of the compressed gas caused by the heat generated during machining, and the amount of compressed gas leakage increases. Can be prevented. Furthermore, it is possible to suppress a decrease in the lubricating performance and the sealing performance of the lubricating oil as much as possible by suppressing a decrease in the viscosity of the lubricating oil due to the temperature rise of the lubricating oil.
i) The fluid pressure cylinder may be provided with urging force detecting means for detecting the urging force of the gas spring when the draw bar extension is driven to the fixed release side. In order to unlock the tool, it is possible to detect the biasing force of the gas spring every time the drawbar extension is driven to the unlocking side with a fluid pressure cylinder. The machine can be checked periodically before the start of machining, and machining can be prevented in a state where the urging force by the compressed gas is reduced.

図１は本発明の実施の形態に係る工作機械の主軸ユニット（工具固定状態）の縦断面図である。図２は主軸ユニット（工具固定解除状態）の縦断面図である。図３は主軸ユニットの付勢機構及び解除機構（工具固定状態）の拡大断面図である。図４は主軸ユニットの付勢機構及び解除機構（工具固定解除状態）の拡大断面図である。図５は変更形態の図３相当図である。図６は別実施形態に係る主軸ユニットの付勢機構及び解除機構の拡大断面図である。  FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a spindle unit (tool fixed state) of a machine tool according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a longitudinal sectional view of the spindle unit (tool fixed release state). FIG. 3 is an enlarged sectional view of the urging mechanism and the release mechanism (tool fixed state) of the spindle unit. FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of the urging mechanism and the release mechanism (tool fixed release state) of the spindle unit. FIG. 5 is a diagram corresponding to FIG. FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view of the urging mechanism and the release mechanism of the spindle unit according to another embodiment.

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
本実施形態は、立型マシニングセンタの主軸ユニットに本発明を適用した場合の一例である。尚、図１の上下左右を上下左右として以下説明する。
図１、図２に示すように、主軸ユニット１は、主軸２と、この主軸２を回転駆動する駆動モータ１６を含むハウジング３と、主軸２に工具５を固定解除可能に固定する工具固定装置４とを有する。工具固定装置４は、工具５の基端部に係合するコレットチャック１０と、このコレットチャック１０により工具５の基端部に連結可能なドローバー１１と、ドローバー１１を上方（工具固定側）に付勢する付勢機構１２と、この付勢機構１２の付勢力に抗してドローバーを下方（固定解除側）へ駆動可能な解除機構１３とを備えている。
主軸２の先端部分には、先端側程大径化するテーパ状の工具保持部２ａが形成され、この工具保持部２ａには、工具５の基端側部分に形成されたテーパ状のシャンク部５ａが係合可能である。主軸２は、ハウジング３内に鉛直姿勢に配設され、主軸２の両端部がベアリング１４，１５によりハウジング３に回転自在に支持されている。ハウジング３のモータ収容部３ａには、ハウジング３に対して主軸２を回転駆動する駆動モータ１６が組み込まれている。
主軸２の内部には、工具保持部２ａとこの工具保持部２ａの上端に連なる収容孔２ｂとが直列状に形成されている。工具５は、工具保持部２ａに内嵌可能なシャンク部５ａと、このシャンク部５ａの基端部に形成された小径軸部５ｂ及び被係合部５ｃと、シャンク部５ａの先端側に形成され工具５の交換時に図示しない自動工具交換装置により把持される大径の把持部５ｄとを有する。工具５を主軸２に装着した状態では、シャンク部５ａが工具保持部２ａに密着状に係合し、被係合部５ｃが収容孔２ｂの先端部に臨む状態となる。
収容孔２ｂの内部には２つの筒部材２０，２１が内装されており、筒部材２０の先端部の内側にはコレットチャック１０が配設されている。このコレットチャック１０は、複数に分割されたコレット分割体１０ａにより工具５の被係合部５ｃを把持するものである。
筒部材２０，２１の内側には、ドローバー１１が上下方向に摺動可能に配設されている。ドローバー１１は、ドローバー本体２２と、このドローバー本体２２の先端部に固定された連結体２３とを有する。ドローバー本体２２の基端側部分には、主軸２及びハウジング３の端面外へ延びるドローバー延長部２４が形成され、このドローバー延長部２４に付勢機構１２と解除機構１３が連結されている。ドローバー本体２２の下端部は連結体２３に内嵌状に螺合しており、その連結体２３には、コレットチャック１０とスペーサ２５とが係合されている。
図１に示すように、付勢機構１２によりドローバー１１が上方へ付勢されている状態では、コレットチャック１０が工具５の被係合部５ｃを把持した状態で上方へ付勢され、工具５が工具保持部２ａに固定される。一方、図２に示すように、解除機構１３によりドローバー１１が下方へ駆動された状態では、コレットチャック１０も下方へ移動してコレット分割体１０ａが開放状態となり、工具５の固定が解除される。
ドローバー本体２２の内部には、工具５に供給する切削液を通す通路２２ａが形成され、連結体２３の内部にはこの通路２２ａに連通する先端チューブ２６も設けられている。工具５を工具保持部２ａに装着した状態では、先端チューブ２６の先端部が被係合部５ｃに押圧状に接触し、図示外の切削液供給装置から切削液がロータリジョイント２７、通路２２ａ、先端チューブ２６を介して工具５に供給される。
次に、付勢機構１２について説明する。
図１〜図４に示すように、付勢機構１２は、ドローバー１１をドローバー延長部２４において工具固定側へ付勢するガススプリング３０を有する。このガススプリング３０は、ドローバー延長部２４に外嵌され且つ主軸２の基端部に一体回転するように螺合連結されたシリンダ本体３１と、シリンダ本体３１内に形成されたシリンダ孔３１ａと、ドローバー延長部２４の長さ方向途中部に一体的に設けられシリンダ孔３１ａに所定ストローク移動可能に装着されたピストン部３２と、シリンダ孔３１ａのうちのピストン部３２に対して下側（主軸側）に形成され圧縮ガス３４が封入されたガス作動室３３とを備えている。
シリンダ本体３１は、主軸２とほぼ同径に構成されており、このシリンダ本体３１の下端部は、主軸２に螺合連結されている。シリンダ本体３１の下端部の軸心部分には、ドローバー延長部２４が挿通する挿通孔３１ｂが形成されている。シリンダ本体３１の下端部の左右両側部分には、ガス作動室３３に圧縮ガス３４及び後述の潤滑油を充填する為の２つの充填ポート３１ｃが左右対称な位置に形成されている。ガススプリング３０を主軸２から取り外す際には、圧縮ガス３４は充填ポート３１ｃから排出される。
さらに、図３、図４に示すように、シリンダ本体３１の内部には挿通孔３１ｂの上端に連なるシリンダ孔３１ａが下方（主軸側）程小径のテーパ状に形成されている。このシリンダ孔３１ａには、ドローバー延長部２４と一体形成されたピストン部３２が摺動可能に装着されている。シリンダ孔３１ａとピストン部３２の間、及び挿通孔３１ｂとドローバー延長部２４との間には、夫々合成樹脂製のシール部材３５，３６が装着されている。
ガス作動室３３内には、高圧（例えば、３〜７ＭＰａ程度）の圧縮ガス３４（例えば、圧縮窒素ガス）が封入され、この圧縮ガス３４によりピストン部３２が上方へ付勢されている。ここで、シリンダ本体３１は主軸２とほぼ同径に構成されているため、ガススプリング３０が主軸２に内蔵されている場合と比べて、シリンダ本体３４の内部に形成されたガス作動室３３の径を大きくすることができ、シリンダ本体３１の上下方向の長さを短くして主軸ユニット１の全長も短くできる。また、ピストン部３２におけるガス圧の受圧面積も大きくできるので、圧縮ガス３４のガス圧を多少低くしても、工具５を確実に固定する為に必要な付勢力を確保できるし、ガス圧を低くすることでガス作動室３３から圧縮ガス３４が漏れにくくなる。
このガス作動室３３内には、ドローバー延長部２４とシリンダ本体３１との間を潤滑するとともに圧縮ガス３４をシールする為の潤滑油３７が注入されている。この潤滑油３７は、ドローバー延長部２４と挿通孔３１ｂとの間のシール部材３６に重力落下により自然に給油され、シール部材３６とともにドローバー延長部２４と挿通孔３１ｂとの間をシールする。さらに、前述のように、シリンダ孔３１ａが下方程小径のテーパ状に形成されているため、主軸２の高速回転（例えば、２０，０００ｓ ｐｍ以上）時には、その高速回転に起因する遠心力により潤滑油３７がシリンダ孔３１ａの内周面に付着し、さらに、その付着した潤滑油３７がテーパ状のシリンダ孔３１ａに沿って上方へ移動してピストン部３２とシリンダ孔３１ａとの間のシール部材３５に給油され、潤滑油３７は、ピストン部３２とシリンダ本体３１との間を潤滑しつつ、シール部材３５とともにピストン部３２とシリンダ本体３１との間をシールする。
次に、解除機構１３について説明する。
図１〜図４に示すように、解除機構１３は、ガススプリング３０の基端に相対回転可能に連結された油圧シリンダ４０を有し、ガススプリング３０と油圧シリンダ４０は、主軸ユニット１への組み付け前に予め組み立て可能な１つのユニットに構成されている。油圧シリンダ４０は、シリンダ本体４１と、ドローバー延長部２４のピストン部３２よりも上側の部分に摺動自在に外嵌した筒状のピストン部材４２であって、シリンダ本体４１の内部のシリンダ孔４１ａに摺動自在に装着されたピストン部４２ａを有するピストン部材４２と、ピストン部４２ａを下方へ駆動する油室４３などを備えている。
シリンダ本体４１は、周方向に分割された複数の連結分割体４４により、ガススプリング３０のシリンダ本体３１の基端に相対回転自在に連結されている。つまり、ガススプリング３０は主軸２と一体的に回転するが、油圧シリンダ４０は回転しないように構成されている。シリンダ本体の上端部には、油室４３に油圧を供給する為の油圧供給口４１ｂが設けられている。さらに、シリンダ本体４１の上端部には、工具５の固定状態及び固定解除状態でのドローバー１１の位置を検出する為の位置検出スイッチ４５が設けられており、一方、ドローバー延長部２４には位置検出スイッチ４５で検出される被検出体４６が設けられている。
筒状のピストン部材４２は、ドローバー延長部２４に対して上下摺動可能且つ回転摺動可能に外嵌されている。図３に示すように、ガススプリング３０のピストン部３２が上限位置にあり、工具５が工具保持部２ａに固定されている状態では、ピストン部材４２の下端は、ピストン部３２の上端から離れている。ピストン部材４２の下端には、図示外のコントロールユニットと電気的に接続されたロードセル４７（付勢力検出手段）が設けられており、油圧シリンダ４０でドローバー延長部２４を固定解除側に駆動する際にピストン部材４２が下方へ駆動されると、図４に示すように、ロードセル４７にピストン部３２の上端が接触し、ロードセル４７によりガススプリング３０の付勢力が検出される。
ピストン部４２ａの上側には油室４３が形成されており、図示外の油圧供給源から油室４３に油圧が供給されると、ピストン部４２ａが下方へ駆動され、ピストン部材４２の下端がガススプリング３０のピストン部３２の上端に当接して、ピストン部３２も圧縮ガス３４の付勢力に抗して下方へ駆動される。一方、ピストン部４２ａの下側には、エア室４８が形成されており、このエア室４８は、比較的低圧の加圧エアが充填された図示外のエアアキュームレータと接続されている。従って、油室４３に油圧が供給されていない状態（工具固定状態）では、ピストン部４２ａは、エア室４８内の加圧エアにより上方へ付勢されており、ガススプリング３０が主軸２と一体的に回転する際に、ピストン部３２とピストン部材４２とが接触しないように構成されている。
次に、工具固定装置４の作用について説明する。
まず、図１に示すように、ガス作動室３３内の圧縮ガス３４の付勢力によりドローバー１１が上方へ付勢されて工具５が工具保持部２ａに固定された状態で、油圧シリンダ４０の油室４３に油圧を供給すると、油圧シリンダ４０のピストン部材４２が下方へ駆動され、さらに、ピストン部材４２がガススプリング３０のピストン部３２にロードセル４７を介して当接し、圧縮ガス３４の付勢力に抗して、ピストン部材４２及びピストン部３２が一体的に下方へ駆動されて、ドローバー１１が下方へ移動する。すると、コレットチャック１０も下方へ移動してコレット分割体１０ａが開放状態となり、工具保持部２ａにおける工具５の固定が解除される（図２参照）。このとき、ロードセル４７により、ガススプリング３０の付勢力を検出できるので、ガス作動室３３内のガス圧の状態を検知することができる。
次に、自動工具交換装置により別の工具５を工具保持部２ａに装着した後、油室４３の油圧を排出すると、ガススプリング３０のピストン部３２が圧縮ガス３４の付勢力により上方へ移動し、ドローバー１１及びコレットチャック１０も上方へ移動してコレット分割体１０ａにより工具５の被係合部５ｃが把持され、さらにドローバー１１が上方へ移動することにより、工具５が工具保持部２ａに強固に固定される。
この状態で、被加工物に対する機械加工を行うために主軸２が高速回転すると、ガス作動室３３内の潤滑油３７が、遠心力によりシリンダ孔３１ａの内周面に付着し、さらに、下方程テーパ状に形成されたシリンダ孔３１に沿って潤滑油３７が上方へ移動するため、潤滑油３７がピストン部とシリンダ部材との間のシール部材３５に供給されて、シール部材３５と潤滑油３７によりピストン部３２とシリンダ本体３１との間が確実にシールされる。一方、挿通孔３１ｂとドローバー延長部２４との間のシー部部材３６にも潤滑油３７が重力落下により自然に供給されており、挿通孔３１ｂにおいてもドローバー延長部２４とシリンダ本体３１との間が確実にシールされる。尚、潤滑油３７は相当の粘性を有し、さらに、一旦、シリンダ孔３１ａとピストン部３２との間に潤滑油３７が供給されると、この潤滑油３７は、シール部材３５とともにガス作動室３３内の圧縮ガス３４により上方へ付勢されるため、シリンダ孔３１ａとピストン部３２との間の潤滑油３７は下方へ落下しにくくなり、主軸２の停止中でもシール部材３５におけるシール性能はほとんど低下しない。
以上説明した工具固定装置４によれば、次のような効果が得られる。
油圧シリンダ４０をガススプリング３０の基端に相対回転可能に連結し、主軸ユニット１への組み付け前に予め組み立て可能な１つのユニットに構成したので、付勢機構１２及び解除機構１３をコンパクトに構成できるし、これら付勢機構１２及び解除機構１３を主軸ユニット１に組み付けるのが容易になる。
ガス作動室３３内には、ドローバー延長部２４とシリンダ本体３１との間を潤滑するとともに圧縮ガス３４をシールする為の潤滑油３７が注入され、さらに、シリンダ孔３１ａが下方程小径のテーパ状に形成されているため、主軸２の高速回転に起因する遠心力によりシリンダ孔３１ａの内周面に付着した潤滑油３７がテーパ状のシリンダ孔３１ａに沿ってシール部材３５に供給される。従って、主軸２が回転する毎に潤滑油３７がシール部材３５に供給されるため、シール部材３５と潤滑油３７によりピストン部３２とシリンダ本体３１との間を確実にシールできるし、シール部材の摩耗やへたりも抑えられるためシール部材３５の寿命が長くなるので、ガス作動室３３からの圧縮ガス３４の漏れを長期間にわたって防止でき、圧縮ガス３４を補充する頻度も少なくなる。
シリンダ本体３１は主軸２とほぼ同径に構成されているため、シリンダ本体３１の内部に形成されたガス作動室３３の径を大きくすることができ、シリンダ本体３１の上下方向の長さを短くして主軸ユニット１全体の長さも短くできる。また、圧縮ガス３４の付勢力が作用するピストン部３２の受圧面積も大きくできるので、圧縮ガス３４のガス圧を多少低くしても、工具５を確実に固定する為に必要な付勢力を確保できるし、ガス圧を低くすることでガス作動室３３から圧縮ガス３４が漏れにくくなる。
工具５の固定を解除するために、油圧シリンダ４０でドローバー延長部２４を固定解除側へ駆動する毎に、ロードセル４７によりガススプリング３０の付勢力を検出できるため、圧縮ガス３４が漏れて付勢力が低下していないかどうかを定期的にチェックでき、付勢力が低下している状態で機械加工を行ってしまうのを防ぐことができる。
次に、前記実施形態に種々の変更を加えた変更形態について説明する。但し、前記実施形態と同じ構成を有するものについては同じ符号を付して適宜その説明を省略する。
１］図５に示すように、工具固定装置４Ａにおいて、付勢機構１２Ａのガススプリング３０Ａのシリンダ本体３１Ａの外周部に、放熱用のフィン５０を形成してもよい。このようにガススプリング３０Ａからの放熱を促進するように構成することで、機械加工時に生じた熱に起因する圧縮ガス３４の熱膨張により、ガス圧が過剰に上昇して圧縮ガス３４の漏れ量が増加するのを防止できる。さらには、潤滑油３７の温度上昇による潤滑油３７の粘度低下を抑制して、潤滑油３７の潤滑性能及びシール性能が低下するのを極力抑えることもできる。
２］より大きな付勢力をガススプリング３０で発生させる必要がある場合には、シリンダ本体３１を主軸２よりも大径に構成することもできる。つまり、工具５を工具保持部２ａに確実に固定するのに必要な付勢力と封入される圧縮ガス３４のガス圧に応じて、シリンダ本体３１の径を適宜変更できる。
３］油圧シリンダ４０のエア室４８に加圧エアを供給する代わりに、コイルバネ等の付勢部材を設け、この付勢部材の付勢力によりピストン部材４２を上方に付勢して、主軸２の回転中にピストン部材４２がガススプリング３０のピストン部３２に当接しないように構成してもよい。勿論、油圧を供給して油圧によりピストン部材４２を上方へ駆動するようにしてもよい。
４］前記実施形態は、立型マシニングセンタの主軸ユニット１に本発明を適用したものであるが、勿論、横型マシニングセンタの主軸ユニット１にも本発明を適用できる。この場合においても、シリンダ孔３１ａが主軸側程小径のテーパ状に形成されているため、主軸２及びシリンダ本体３１の回転中に、ガス作動室３３内の潤滑油３７がピストン部３２とシリンダ本体３１との間のシール部材３５に給油され、シール部材３５と潤滑油３７によりピストン部３２とシリンダ本体３１との間を確実にシールできる。
次に、本発明の別実施形態について説明する。
図６に示すように、工具固定装置４Ｂは、工具の基端部に連結可能なドローバー１１Ｂと、このドローバー１１Ｂを上方（工具固定側）へ付勢する付勢機構１２Ｂと、この付勢機構１２Ｂの付勢力に抗してドローバー１１Ｂを下方（解除固定側）へ駆動可能な駆動機構１３Ｂとを有する。ドローバー１１Ｂの基端側部分には、主軸２Ｂの基端の端面外へ延びるドローバー延長部６０が形成されている。付勢機構１２Ｂは、ドローバー１１Ｂをドローバー延長部６０において下方へ付勢するガススプリング３０Ｂを有する。駆動機構１３Ｂは、前記実施形態とほぼ同様の構成の油圧シリンダ４０Ｂを有し、油圧シリンダ４０Ｂは、複数の連結分割体４４Ｂにより、ガススプリング３０Ｂの基端に相対回転可能に連結されて、ガススプリング３０Ｂと油圧シリンダ４０Ｂとは１つのユニットに構成されている。
ガススプリング３０Ｂは、ドローバー延長部６０に外嵌され且つ主軸２Ｂの基端に一体回転するように固定的に連結されたシリンダ本体３１Ｂと、シリンダ本体３１Ｂ内に形成されたシリンダ孔６１と、ドローバー延長部６０の長さ方向途中部に一体的に設けられシリンダ孔６１に所定ストローク移動可能に装着されたピストン部３２Ｂと、シリンダ孔６１のうちのピストン部３２Ｂに対して下側（主軸側）に形成され圧縮ガス３４が封入されたガス作動室３３Ｂと、このガス作動室３４Ｂ内に装着されピストン部３２Ｂを下方へ付勢するコイルバネ６２（付勢部材）とを備えている。
前記実施形態と同様に、シリンダ孔６１は、下方程小径のテーパ状に形成されており、シリンダ孔６１とピストン部３２Ｂとの間、及びドローバー延長部６０が挿通される挿通孔６３とドローバー延長部６０との間には、シール部材３５Ｂ，３６Ｂが夫々装着されている。さらに、ガス作動室３３Ｂ内には潤滑油３７も注入されている。コイルバネ６２は、ガス作動室３３Ｂ内においてドローバー延長部６０に外装されており、ピストン部３２Ｂの下端部に形成された環状のバネ受け部６４に当接してピストン部３２Ｂを上方に付勢している。
つまり、ドローバー延長部６０は、ガス作動室３３Ｂ内の圧縮ガス３４の付勢力と、コイルバネ６２の付勢力により上方へ付勢されている。従って、ガス作動室３３Ｂ内のガス圧を比較的低くしても工具を確実に固定する為の付勢力を確保できるので、圧縮ガス３４が漏れにくくなる。また、万が一、圧縮ガス３４が漏れて圧縮ガス３４による付勢力が低下しても、コイルバネ６２の付勢力により工具の固定状態は維持されるので、機械加工中などに工具が主軸２Ｂから外れてしまうことがない。
尚、コイルバネ６２の数は１つに限るものではなく、工具を確実に固定するのに必要な付勢力に応じて適宜コイルバネ６２の数を変更できる。さらに、コイルバネ６２の代わりに皿バネなど他の付勢部材を用いることもできる。
本発明は、以上説明した実施の形態に限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、これらの形態に種々の変更を付加して実施することができるものも本発明は包含するものである。Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described.
This embodiment is an example when the present invention is applied to a spindle unit of a vertical machining center. In the following description, the top, bottom, left, and right in FIG.
As shown in FIGS. 1 and 2, the spindle unit 1 includes a spindle 2, a housing 3 including a drive motor 16 that rotationally drives the spindle 2, and a tool fixing device that fixes the tool 5 to the spindle 2 so that the tool 5 can be released. 4. The tool fixing device 4 includes a collet chuck 10 that engages with a base end portion of the tool 5, a draw bar 11 that can be connected to the base end portion of the tool 5 by the collet chuck 10, and the draw bar 11 upward (tool fixing side). A biasing mechanism 12 for biasing and a release mechanism 13 capable of driving the draw bar downward (fixed release side) against the biasing force of the biasing mechanism 12 are provided.
A tapered tool holding portion 2a whose diameter increases toward the distal end side is formed at the distal end portion of the main shaft 2, and the tapered shank portion formed at the proximal end portion of the tool 5 is formed on the tool holding portion 2a. 5a can be engaged. The main shaft 2 is disposed in a vertical posture in the housing 3, and both end portions of the main shaft 2 are rotatably supported by the housing 3 by bearings 14 and 15. A drive motor 16 that rotates the main shaft 2 with respect to the housing 3 is incorporated in the motor housing 3 a of the housing 3.
Inside the main shaft 2, a tool holding portion 2a and a receiving hole 2b connected to the upper end of the tool holding portion 2a are formed in series. The tool 5 is formed on the front end side of the shank portion 5a, a shank portion 5a that can be fitted into the tool holding portion 2a, a small-diameter shaft portion 5b and an engaged portion 5c formed at the base end portion of the shank portion 5a. And a large-diameter gripper 5d that is gripped by an automatic tool changer (not shown) when the tool 5 is replaced. In the state where the tool 5 is mounted on the main shaft 2, the shank portion 5a is engaged with the tool holding portion 2a in a close contact state, and the engaged portion 5c faces the distal end portion of the accommodation hole 2b.
Two cylindrical members 20 and 21 are housed inside the accommodation hole 2 b, and a collet chuck 10 is disposed inside the distal end portion of the cylindrical member 20. The collet chuck 10 grips the engaged portion 5c of the tool 5 by a collet divided body 10a divided into a plurality of parts.
Inside the cylindrical members 20 and 21, the draw bar 11 is disposed so as to be slidable in the vertical direction. The draw bar 11 includes a draw bar main body 22 and a connecting body 23 fixed to the tip of the draw bar main body 22. A draw bar extension 24 extending outside the end surface of the main shaft 2 and the housing 3 is formed on the base end side portion of the draw bar main body 22, and the urging mechanism 12 and the release mechanism 13 are connected to the draw bar extension 24. The lower end portion of the draw bar main body 22 is screwed into the connecting body 23 so as to be fitted into the connecting body 23, and the collet chuck 10 and the spacer 25 are engaged with the connecting body 23.
As shown in FIG. 1, in a state where the draw bar 11 is urged upward by the urging mechanism 12, the collet chuck 10 is urged upward while holding the engaged portion 5 c of the tool 5. Is fixed to the tool holding portion 2a. On the other hand, as shown in FIG. 2, when the draw bar 11 is driven downward by the release mechanism 13, the collet chuck 10 is also moved downward, the collet divided body 10a is opened, and the fixing of the tool 5 is released. .
A passage 22a for passing the cutting fluid supplied to the tool 5 is formed inside the draw bar main body 22, and a tip tube 26 communicating with the passage 22a is also provided inside the connecting body 23. In the state where the tool 5 is mounted on the tool holding portion 2a, the distal end portion of the distal end tube 26 is pressed against the engaged portion 5c, and the cutting fluid is supplied from a cutting fluid supply device (not shown) to the rotary joint 27, the passage 22a, It is supplied to the tool 5 through the tip tube 26.
Next, the urging mechanism 12 will be described.
As shown in FIGS. 1 to 4, the urging mechanism 12 includes a gas spring 30 that urges the draw bar 11 toward the tool fixing side at the draw bar extension 24. The gas spring 30 includes a cylinder body 31 that is externally fitted to the draw bar extension 24 and screwed and connected to the base end of the main shaft 2, a cylinder hole 31 a formed in the cylinder body 31, A piston portion 32 that is integrally provided in the middle of the draw bar extension 24 in the length direction and is mounted in the cylinder hole 31a so as to be able to move by a predetermined stroke, and a lower side (main shaft side) with respect to the piston portion 32 of the cylinder hole 31a. And a gas working chamber 33 in which a compressed gas 34 is enclosed.
The cylinder body 31 is configured to have substantially the same diameter as the main shaft 2, and the lower end portion of the cylinder main body 31 is screwed to the main shaft 2. An insertion hole 31 b through which the drawbar extension 24 is inserted is formed in the axial center portion of the lower end portion of the cylinder body 31. Two filling ports 31 c for filling the gas working chamber 33 with a compressed gas 34 and a lubricating oil described later are formed at left and right symmetrical positions on the left and right sides of the lower end of the cylinder body 31. When the gas spring 30 is removed from the main shaft 2, the compressed gas 34 is discharged from the filling port 31c.
Further, as shown in FIGS. 3 and 4, a cylinder hole 31 a connected to the upper end of the insertion hole 31 b is formed in the cylinder body 31 in a tapered shape with a smaller diameter downward (to the main shaft side). A piston portion 32 formed integrally with the draw bar extension 24 is slidably mounted in the cylinder hole 31a. Seal members 35 and 36 made of synthetic resin are mounted between the cylinder hole 31a and the piston portion 32 and between the insertion hole 31b and the draw bar extension portion 24, respectively.
A compressed gas 34 (for example, compressed nitrogen gas) having a high pressure (for example, about 3 to 7 MPa) is sealed in the gas working chamber 33, and the piston portion 32 is urged upward by the compressed gas 34. Here, since the cylinder main body 31 is configured to have substantially the same diameter as the main shaft 2, the gas working chamber 33 formed in the cylinder main body 34 is formed in comparison with the case where the gas spring 30 is built in the main shaft 2. The diameter can be increased, and the overall length of the spindle unit 1 can be shortened by shortening the vertical length of the cylinder body 31. In addition, since the pressure receiving area of the gas pressure in the piston portion 32 can be increased, even if the gas pressure of the compressed gas 34 is slightly lowered, the urging force necessary to securely fix the tool 5 can be secured, and the gas pressure can be reduced. By making it low, the compressed gas 34 is less likely to leak from the gas working chamber 33.
Lubricating oil 37 for lubricating the space between the draw bar extension 24 and the cylinder body 31 and sealing the compressed gas 34 is injected into the gas working chamber 33. The lubricating oil 37 is naturally supplied to the seal member 36 between the draw bar extension 24 and the insertion hole 31b by gravity drop, and seals between the draw bar extension 24 and the insertion hole 31b together with the seal member 36. Further, as described above, since the cylinder hole 31a is formed in a tapered shape with a smaller diameter toward the lower side, when the main shaft 2 rotates at a high speed (for example, 20,000 spm or more), lubrication is performed by the centrifugal force resulting from the high speed rotation. The oil 37 adheres to the inner peripheral surface of the cylinder hole 31a, and further, the adhered lubricating oil 37 moves upward along the tapered cylinder hole 31a and seal member between the piston portion 32 and the cylinder hole 31a. The lubricating oil 37 is lubricated between the piston portion 32 and the cylinder body 31 and seals between the piston portion 32 and the cylinder body 31 together with the seal member 35 while lubricating between the piston portion 32 and the cylinder body 31.
Next, the release mechanism 13 will be described.
As shown in FIGS. 1 to 4, the release mechanism 13 has a hydraulic cylinder 40 connected to the base end of the gas spring 30 so as to be relatively rotatable, and the gas spring 30 and the hydraulic cylinder 40 are connected to the spindle unit 1. It is configured as a single unit that can be assembled in advance before assembly. The hydraulic cylinder 40 is a cylindrical piston member 42 slidably fitted to a cylinder body 41 and a portion above the piston portion 32 of the drawbar extension 24, and is a cylinder hole 41 a inside the cylinder body 41. And a piston member 42 having a piston portion 42a slidably mounted on the piston member 42 and an oil chamber 43 for driving the piston portion 42a downward.
The cylinder body 41 is connected to the base end of the cylinder body 31 of the gas spring 30 so as to be relatively rotatable by a plurality of connecting divided bodies 44 divided in the circumferential direction. That is, the gas spring 30 rotates integrally with the main shaft 2, but the hydraulic cylinder 40 does not rotate. A hydraulic pressure supply port 41 b for supplying hydraulic pressure to the oil chamber 43 is provided at the upper end of the cylinder body. Further, a position detection switch 45 for detecting the position of the draw bar 11 when the tool 5 is fixed and released is provided at the upper end of the cylinder body 41, while the draw bar extension 24 is provided with a position. A detected object 46 detected by the detection switch 45 is provided.
The cylindrical piston member 42 is externally fitted to the draw bar extension 24 so as to be vertically slidable and rotatable. As shown in FIG. 3, when the piston portion 32 of the gas spring 30 is at the upper limit position and the tool 5 is fixed to the tool holding portion 2a, the lower end of the piston member 42 is separated from the upper end of the piston portion 32. Yes. A load cell 47 (biasing force detection means) electrically connected to a control unit (not shown) is provided at the lower end of the piston member 42, and when the drawbar extension 24 is driven to the unlocking side by the hydraulic cylinder 40. When the piston member 42 is driven downward, as shown in FIG. 4, the upper end of the piston portion 32 comes into contact with the load cell 47, and the urging force of the gas spring 30 is detected by the load cell 47.
An oil chamber 43 is formed on the upper side of the piston portion 42a. When hydraulic pressure is supplied to the oil chamber 43 from a hydraulic supply source (not shown), the piston portion 42a is driven downward, and the lower end of the piston member 42 is gas. Abutting on the upper end of the piston portion 32 of the spring 30, the piston portion 32 is also driven downward against the urging force of the compressed gas 34. On the other hand, an air chamber 48 is formed below the piston portion 42a, and this air chamber 48 is connected to an air accumulator (not shown) filled with relatively low pressure air. Therefore, in a state where the hydraulic pressure is not supplied to the oil chamber 43 (tool fixed state), the piston portion 42 a is biased upward by the pressurized air in the air chamber 48, and the gas spring 30 is integrated with the main shaft 2. Therefore, the piston portion 32 and the piston member 42 are configured not to come into contact with each other when rotating.
Next, the operation of the tool fixing device 4 will be described.
First, as shown in FIG. 1, in the state where the draw bar 11 is biased upward by the biasing force of the compressed gas 34 in the gas working chamber 33 and the tool 5 is fixed to the tool holding portion 2a, When the hydraulic pressure is supplied to the chamber 43, the piston member 42 of the hydraulic cylinder 40 is driven downward, and the piston member 42 abuts on the piston portion 32 of the gas spring 30 via the load cell 47, and the compressed gas 34 is energized. In contrast, the piston member 42 and the piston portion 32 are integrally driven downward, and the draw bar 11 moves downward. Then, the collet chuck 10 is also moved downward, the collet divided body 10a is opened, and the tool 5 is released from being fixed in the tool holding portion 2a (see FIG. 2). At this time, since the urging force of the gas spring 30 can be detected by the load cell 47, the state of the gas pressure in the gas working chamber 33 can be detected.
Next, after another tool 5 is mounted on the tool holding portion 2a by the automatic tool changer, when the hydraulic pressure in the oil chamber 43 is discharged, the piston portion 32 of the gas spring 30 moves upward due to the urging force of the compressed gas 34. The draw bar 11 and the collet chuck 10 are also moved upward, the engaged portion 5c of the tool 5 is gripped by the collet divided body 10a, and the draw bar 11 is further moved upward so that the tool 5 is firmly attached to the tool holding portion 2a. Fixed to.
In this state, when the main shaft 2 rotates at a high speed in order to perform machining on the workpiece, the lubricating oil 37 in the gas working chamber 33 adheres to the inner peripheral surface of the cylinder hole 31a due to centrifugal force, and further downwards. Since the lubricating oil 37 moves upward along the tapered cylinder hole 31, the lubricating oil 37 is supplied to the sealing member 35 between the piston portion and the cylinder member, and the sealing member 35 and the lubricating oil 37. Thus, the space between the piston portion 32 and the cylinder body 31 is reliably sealed. On the other hand, the lubricating oil 37 is naturally supplied to the sea part member 36 between the insertion hole 31b and the draw bar extension 24 by gravity drop, and the insertion hole 31b is also provided between the draw bar extension 24 and the cylinder body 31. Is securely sealed. The lubricating oil 37 has a considerable viscosity, and once the lubricating oil 37 is supplied between the cylinder hole 31 a and the piston portion 32, the lubricating oil 37 together with the seal member 35 is gas working chamber. Since the compressed gas 34 in the cylinder 33 is biased upward, the lubricating oil 37 between the cylinder hole 31a and the piston portion 32 is unlikely to drop downward, and the sealing performance of the seal member 35 is almost low even when the spindle 2 is stopped. It will not decline.
According to the tool fixing device 4 described above, the following effects can be obtained.
Since the hydraulic cylinder 40 is connected to the base end of the gas spring 30 so as to be relatively rotatable and is configured as one unit that can be assembled in advance before being assembled to the spindle unit 1, the biasing mechanism 12 and the release mechanism 13 are configured in a compact manner. In addition, the urging mechanism 12 and the release mechanism 13 can be easily assembled to the spindle unit 1.
Lubricating oil 37 for lubricating between the draw bar extension 24 and the cylinder body 31 and sealing the compressed gas 34 is injected into the gas working chamber 33, and the cylinder hole 31a has a tapered shape with a smaller diameter toward the lower side. Therefore, the lubricating oil 37 adhering to the inner peripheral surface of the cylinder hole 31a is supplied to the seal member 35 along the tapered cylinder hole 31a by the centrifugal force resulting from the high-speed rotation of the main shaft 2. Therefore, each time the main shaft 2 rotates, the lubricating oil 37 is supplied to the sealing member 35. Therefore, the sealing member 35 and the lubricating oil 37 can reliably seal the piston portion 32 and the cylinder body 31. Since the wear and sag are suppressed, the life of the seal member 35 is extended. Therefore, leakage of the compressed gas 34 from the gas working chamber 33 can be prevented over a long period of time, and the frequency of replenishing the compressed gas 34 is reduced.
Since the cylinder body 31 is configured to have substantially the same diameter as the main shaft 2, the diameter of the gas working chamber 33 formed in the cylinder body 31 can be increased, and the length of the cylinder body 31 in the vertical direction can be shortened. Thus, the overall length of the spindle unit 1 can be shortened. Further, since the pressure receiving area of the piston portion 32 on which the urging force of the compressed gas 34 acts can be increased, even if the gas pressure of the compressed gas 34 is slightly lowered, the urging force necessary to securely fix the tool 5 is secured. In addition, the compressed gas 34 is less likely to leak from the gas working chamber 33 by lowering the gas pressure.
Since the urging force of the gas spring 30 can be detected by the load cell 47 every time the drawbar extension 24 is driven to the unclamping side by the hydraulic cylinder 40 in order to release the fixation of the tool 5, the compressed gas 34 leaks and the urging force is released. It is possible to periodically check whether or not there is a decrease, and it is possible to prevent machining with the urging force decreasing.
Next, modified embodiments in which various modifications are made to the embodiment will be described. However, components having the same configurations as those of the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted as appropriate.
1] As shown in FIG. 5, in the tool fixing device 4A, a heat radiating fin 50 may be formed on the outer peripheral portion of the cylinder body 31A of the gas spring 30A of the urging mechanism 12A. Thus, by comprising so that heat dissipation from gas spring 30A may be accelerated | stimulated, gas pressure will rise excessively by the thermal expansion of the compressed gas 34 resulting from the heat which generate | occur | produced at the time of machining, and the amount of leakage of the compressed gas 34 Can be prevented from increasing. Furthermore, it is possible to suppress the decrease in the lubricating performance and the sealing performance of the lubricating oil 37 as much as possible by suppressing the decrease in the viscosity of the lubricating oil 37 due to the temperature rise of the lubricating oil 37.
2] When a larger urging force needs to be generated by the gas spring 30, the cylinder body 31 can be configured to have a larger diameter than the main shaft 2. That is, the diameter of the cylinder body 31 can be appropriately changed according to the urging force required to securely fix the tool 5 to the tool holding portion 2a and the gas pressure of the compressed gas 34 enclosed.
3] Instead of supplying pressurized air to the air chamber 48 of the hydraulic cylinder 40, an urging member such as a coil spring is provided, and the urging force of the urging member urges the piston member 42 upward so that the main shaft 2 You may comprise so that the piston member 42 may not contact | abut to the piston part 32 of the gas spring 30 during rotation. Of course, hydraulic pressure may be supplied to drive the piston member 42 upward.
4] In the above embodiment, the present invention is applied to the main spindle unit 1 of the vertical machining center, but of course, the present invention can also be applied to the main spindle unit 1 of the horizontal machining center. Also in this case, since the cylinder hole 31a is formed in a tapered shape with a smaller diameter toward the main shaft side, the lubricating oil 37 in the gas working chamber 33 is moved between the piston portion 32 and the cylinder main body while the main shaft 2 and the cylinder main body 31 are rotating. The seal member 35 between the piston portion 32 and the cylinder body 31 can be reliably sealed by the seal member 35 and the lubricating oil 37.
Next, another embodiment of the present invention will be described.
As shown in FIG. 6, the tool fixing device 4B includes a draw bar 11B that can be connected to the base end portion of the tool, an urging mechanism 12B that urges the draw bar 11B upward (tool fixing side), and the urging mechanism. And a drive mechanism 13B capable of driving the draw bar 11B downward (release fixing side) against the urging force of 12B. A draw bar extension 60 extending outside the end face of the base end of the main shaft 2B is formed on the base end side portion of the draw bar 11B. The urging mechanism 12B includes a gas spring 30B that urges the draw bar 11B downward in the draw bar extension 60. The drive mechanism 13B has a hydraulic cylinder 40B having substantially the same configuration as that of the above-described embodiment. The hydraulic cylinder 40B is connected to the base end of the gas spring 30B by a plurality of connecting divided bodies 44B so as to be relatively rotatable, and the gas The spring 30B and the hydraulic cylinder 40B are configured as one unit.
The gas spring 30B includes a cylinder body 31B that is externally fitted to the draw bar extension 60 and fixedly connected to the base end of the main shaft 2B, a cylinder hole 61 formed in the cylinder body 31B, and a draw bar. A piston portion 32B that is integrally provided in the middle of the extension portion 60 in the length direction and is mounted in the cylinder hole 61 so as to be movable for a predetermined stroke, and the lower side (main shaft side) with respect to the piston portion 32B of the cylinder hole 61 A gas working chamber 33B in which the compressed gas 34 is sealed, and a coil spring 62 (biasing member) that is mounted in the gas working chamber 34B and biases the piston portion 32B downward.
Similar to the above-described embodiment, the cylinder hole 61 is formed in a tapered shape with a smaller diameter toward the lower side, and the insertion hole 63 and the draw bar extension through which the draw bar extension part 60 is inserted between the cylinder hole 61 and the piston part 32B. Sealing members 35B and 36B are respectively mounted between the portions 60. Further, lubricating oil 37 is also injected into the gas working chamber 33B. The coil spring 62 is externally mounted on the draw bar extension 60 in the gas working chamber 33B, and abuts against an annular spring receiving portion 64 formed at the lower end of the piston portion 32B to urge the piston portion 32B upward. Yes.
That is, the draw bar extension 60 is urged upward by the urging force of the compressed gas 34 in the gas working chamber 33 </ b> B and the urging force of the coil spring 62. Therefore, even if the gas pressure in the gas working chamber 33B is relatively low, an urging force for securely fixing the tool can be secured, so that the compressed gas 34 is hardly leaked. Even if the compressed gas 34 leaks and the urging force of the compressed gas 34 is reduced, the fixed state of the tool is maintained by the urging force of the coil spring 62, so that the tool is detached from the spindle 2B during machining or the like. There is no end.
The number of coil springs 62 is not limited to one, and the number of coil springs 62 can be changed as appropriate according to the biasing force necessary to securely fix the tool. Further, instead of the coil spring 62, another urging member such as a disc spring can be used.
The present invention is not limited to the embodiments described above, and those skilled in the art can implement various modifications to these embodiments without departing from the spirit of the present invention. The present invention also encompasses the present invention.

Claims (10)

工作機械の主軸の先端側部分に装着される工具を固定解除可能に固定する為の工具固定装置であって、工具の基端部に連結可能なドローバーと、このドローバーを工具固定側に付勢する付勢手段と、この付勢手段の付勢力に抗してドローバーを固定解除側へ駆動可能な解除手段とを備えた工具固定装置において、
前記ドローバーの基端側部分に、主軸の基端の端面外へ延びるドローバー延長部が形成され、
前記付勢手段は、主軸の基端に一体回転するように連結されドローバーをドローバー延長部において工具固定側へ付勢するガススプリングを有し、
前記解除手段は、ドローバーをドローバー延長部において固定解除側へ駆動可能な流体圧シリンダであって、前記ガススプリングの基端に連結された流体圧シリンダを有することを特徴とする工作機械主軸の工具固定装置。A tool fixing device for releasably fixing a tool attached to a tip side portion of a spindle of a machine tool, a draw bar connectable to a base end portion of the tool, and urging the draw bar toward a tool fixing side In a tool fixing device, comprising: an urging means for releasing; and a releasing means capable of driving the draw bar to the fixing release side against the urging force of the urging means.
A draw bar extension extending outside the end face of the base end of the main shaft is formed on the base end side portion of the draw bar,
The biasing means includes a gas spring that is connected to the base end of the main shaft so as to rotate integrally, and biases the drawbar toward the tool fixing side in the drawbar extension.
The tool of the main spindle of the machine tool characterized in that the release means includes a fluid pressure cylinder capable of driving the draw bar toward the fixed release side at the draw bar extension, and having a fluid pressure cylinder connected to a base end of the gas spring. Fixing device. 前記ガススプリングと流体圧シリンダとが相対回転可能に連結されたことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の工作機械主軸の工具固定装置。The tool fixing device for a machine tool spindle according to claim 1, wherein the gas spring and the fluid pressure cylinder are connected to each other so as to be relatively rotatable. 前記ガススプリングは、ドローバー延長部に外嵌され且つ主軸の基端に一体回転するように連結されたシリンダ本体と、シリンダ本体内に形成されたシリンダ孔と、ドローバー延長部の長さ方向途中部に一体的に設けられシリンダ孔に所定ストローク移動可能に装着されたピストン部と、シリンダ孔のうちのピストン部に対して主軸側に形成され圧縮ガスが封入されたガス作動室とを備えたことを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項に記載の工作機械主軸の工具固定装置。The gas spring is externally fitted to the draw bar extension and connected to the base end of the main shaft so as to rotate integrally, a cylinder hole formed in the cylinder body, and a middle portion in the length direction of the draw bar extension Provided with a piston portion that is integrally provided in the cylinder hole so as to be movable in a predetermined stroke, and a gas working chamber that is formed on the main shaft side with respect to the piston portion of the cylinder hole and in which compressed gas is sealed. A tool fixing device for a machine tool spindle according to claim 1 or 2, characterized in that 前記シリンダ孔を、主軸側程小径のテーパ状に形成したことを特徴とする請求の範囲第３項に記載の工作機械主軸の工具固定装置。The tool fixing device for a machine tool spindle according to claim 3, wherein the cylinder hole is formed in a tapered shape having a smaller diameter toward the spindle. 前記ガススプリングは、ガス作動室内に装着されピストン部を工具固定側へ付勢する付勢部材を備えたことを特徴とする請求の範囲第３項に記載の工作機械主軸の工具固定装置。4. The tool fixing device for a machine tool spindle according to claim 3, wherein the gas spring includes a biasing member that is mounted in the gas working chamber and biases the piston portion toward the tool fixing side. 前記シリンダ本体を、主軸とほぼ同径又は主軸よりも大径に構成したことを特徴とする請求の範囲第３項に記載の工作機械主軸の工具固定装置。The tool fixing device for a machine tool spindle according to claim 3, wherein the cylinder body is configured to have substantially the same diameter as the spindle or a larger diameter than the spindle. 前記ガススプリングは、ピストン部とシリンダ本体との間をシールするシール部材と、ピストン部とシリンダ本体との間を潤滑するとともに圧縮ガスをシールする為の潤滑油を有することを特徴とする請求の範囲第３項に記載の工作機械主軸の工具固定装置。The gas spring includes a seal member that seals between the piston portion and the cylinder body, and a lubricating oil that lubricates between the piston portion and the cylinder body and seals the compressed gas. A tool fixing device for a machine tool spindle according to claim 3 in the range. 前記シリンダ本体は、ガス作動室に圧縮ガス及び潤滑油を充填する為の充填ポートを有することを特徴とする請求の範囲第３項に記載の工作機械主軸の工具固定装置。The tool fixing device for a machine tool spindle according to claim 3, wherein the cylinder body has a filling port for filling the gas working chamber with compressed gas and lubricating oil. 前記シリンダ本体の外周部に、放熱用のフィンを設けたことを特徴とする請求の範囲第３項に記載の工作機械主軸の工具固定装置。The tool fixing device for a machine tool spindle according to claim 3, wherein a fin for heat radiation is provided on an outer peripheral portion of the cylinder body. 前記流体圧シリンダに、ドローバー延長部を固定解除側に駆動する際にガススプリングの付勢力を検出する付勢力検出手段を設けたことを特徴とする請求の範囲第３項に記載の工作機械主軸の工具固定装置。4. The machine tool spindle according to claim 3, wherein the fluid pressure cylinder is provided with a biasing force detecting means for detecting a biasing force of a gas spring when the draw bar extension is driven to the unlocking side. Tool fixing device.
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