(57)【要約】【課題】繊維強化プラスチックを用いながらも、鋼のみで構成したものと同等の剛性を発現可能な主軸を提供する。【解決手段】中空且つ円筒状をした工作機械の主軸１であって、半径方向に積層されたそれぞれ少なくとも一層の円筒状をした第１の金属層Ｆｓ１，Ｒｓ１及び第１の繊維強化プラスチック層Ｆｒ，Ｒｒを含んで形成された部位を有する。第１の金属層Ｆｓ１，Ｒｓ１は、少なくともその一層が、半径方向において第１の繊維強化プラスチック層Ｆｒ，Ｒｒよりも外側に形成される。第１の金属層Ｆｓ１，Ｒｓ１は、中心軸と直交する断面において、該第１の金属層Ｆｓ１，Ｒｓ１と第１の繊維強化プラスチック層Ｆｒ，Ｒｒとを合計した断面積に対して、４０％以上９０％以下の断面積を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空且つ円筒状をした工作機械の主軸であって、
半径方向に積層されたそれぞれ少なくとも一層の円筒状をした第１の金属層及び第１の繊維強化プラスチック層を含んで形成された部位を有し、
前記第１の金属層は、少なくともその一層が、半径方向において前記第１の繊維強化プラスチック層よりも外側に形成されており、
更に、前記第１の金属層は、中心軸と直交する断面において、該第１の金属層と前記第１の繊維強化プラスチック層とを合計した断面積に対して、４０％以上９０％以下の断面積を有していることを特徴とする工作機械の主軸。
【請求項２】
前記第１の繊維強化プラスチック層は、含まれる繊維の長手方向が一方向に配向されており、その中心軸を基準として、該中心軸を挟んだ±４５°の範囲内で設定された角度に配向されていることを特徴とする請求項１記載の工作機械の主軸。
【請求項３】
複数層の前記第１の繊維強化プラスチック層を備え、該第１の繊維強化プラスチック層はその中心側に配置される層ほど、その繊維の前記中心軸に対する配向角度が鋭角になっていることを特徴とする請求項２記載の工作機械の主軸。
【請求項４】
前記第１の繊維強化プラスチック層の最内層の繊維はその中心軸と平行に配向され、最外層の繊維はその中心軸に対して４５°又は−４５°の角度となるように配向されていることを特徴とする請求項３記載の工作機械の主軸。
【請求項５】
工具が装着されるテーパ穴を有し、該テーパ穴を有する部位において、
前記テーパ穴を形成する最内層として第２の金属層が形成され、該第２の金属層の外側に少なくともその一部と接するように第２の繊維強化プラスチック層が形成されるとともに、該第２の繊維強化プラスチック層の外側に前記第１の金属層及び第１の繊維強化プラスチック層が形成され、更に該第１の繊維強化プラスチック層の外側に少なくとの一層の前記第１の金属層が形成されてなり、
前記第２の繊維強化プラスチック層は、含まれる繊維の長手方向が、その中心軸に対して４５°又は−４５°の角度となるように配向されていることを特徴とする請求項１乃至４記載のいずれかの工作機械の主軸。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械の主軸に関し、更に詳しくは、繊維強化プラスチック層を含んだ主軸に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車，鉄道の車両や航空機の内外装、或いはユニットバスなどの住宅設備機器といった各分野において、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：Ｆｉｂｅｒ−Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ）が用いられている。この繊維強化プラスチックは、プラスチック中にガラス繊維や炭素繊維などの繊維を含ませることによって、その強度を向上させた複合材料であり、鉄などの金属材料と同等の強度を有しながら、軽量であるという特性を備えている。そこで、上述した各分野において、金属材料から繊維強化プラスチックへの置き換えが進められている。
【０００３】
また、このような繊維強化プラスチックを用いた製品として、従来、下記特許文献１に開示されるような円筒状成形物、例えば、産業用ローラが提案されている。この円筒状成形物は、シート状のプリプレグを幾層か積層した後、この積層物を芯金に巻回し、ついで加圧した状態で加熱成形した後、芯金を取り外すことによって製造される。そして、円筒状成形物の長手方向に対する繊維の巻角度が０°及び９０°であるものが従前一般的であったところ、下記特許文献１に開示される円筒状成形物では、当該繊維の巻角度を０°、９０°、４０〜５０°及び−４０°〜−５０°の４通りの角度としており、このようにすることによって、円筒状成形物を高剛性で撓みの少ないものとすることができる、とのことである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−３２９１９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、円筒状成形物の範疇に含まれる物としては、上述した産業用ローラの他に、工作機械の主軸が挙げられる。この工作機械の分野では、加工精度を向上させるために、絶え間のない研究、改良が進められており、近年では、主軸の熱変位によって加工精度が悪化するのを防止すべく、適宜冷却液を用いて主軸を冷却するといった対応が取られている。特に、加工効率を向上させる観点から、主軸回転の高速化が進められており、このような高速化によって、主軸を含む主軸装置における発熱量が増大する傾向にあり、その対策が求められている。
【０００６】
そこで、本発明者等は、線膨張係数の低い前記繊維強化プラスチックを主軸に適用することで、当該主軸の軸方向における熱変位を低減することができるのではないかとの発想に至った。
【０００７】
ところが、繊維強化プラスチックは、繊維方向以外の方向における剛性の面で鋼に対して大きく劣るという問題があり、鋼に代わる素材として繊維強化プラスチックのみを用いて主軸を構成したのでは、高い加工精度を得るために主軸が備えるべき基本的な特性であるところの剛性が著しく低下するという問題があった。
【０００８】
本発明は以上の実情に鑑みなされたものであって、線膨張係数が低く、このため熱変位し難いという特長を有する一方で、鋼に比べて剛性が低いという不利な性質を有する繊維強化プラスチックを用いながら、鋼のみで構成したものと同等の剛性を発現可能な主軸の提供を、その目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するための本発明は、
中空且つ円筒状をした工作機械の主軸であって、
半径方向に積層されたそれぞれ少なくとも一層の円筒状をした第１の金属層及び第１の繊維強化プラスチック層を含んで形成された部位を有し、
前記第１の金属層は、少なくともその一層が、半径方向において前記第１の繊維強化プラスチック層よりも外側に形成されており、
更に、前記第１の金属層は、中心軸と直交する断面において、該第１の金属層と前記第１の繊維強化プラスチック層とを合計した断面積に対して、４０％以上９０％以下の断面積を有していることを特徴とする工作機械の主軸に係る。
【００１０】
この主軸では、少なくとも一部の部位に、少なくとも一層の円筒状をした第１の金属層及び第１の繊維強化プラスチック層をそれぞれ備えている。このように、第１の金属層及び第１の繊維強化プラスチック層から主軸を構成することで、第１の金属層によって発現される高剛性、及び第１の繊維強化プラスチック層によって発現される低膨張性を備えた主軸とすることができる。
【００１１】
そして、半径方向において、第１の金属層を第１の繊維強化プラスチック層よりも外側に配置することにより、主軸の軸方向の剛性、曲げ剛性及びねじり剛性について、これらを総合的に最適なものとすることができる。
【００１２】
また、本発明に係る主軸では、前記第１の金属層は、中心軸と直交する断面において、該第１の金属層と第１の繊維強化プラスチック層とを合計した断面積に対して、４０％以上９０％以下の断面積を有していることが肝要である。第１の金属層の断面積を４０％以上とすることで、当該主軸に、軸方向の剛性、曲げ剛性及びねじり剛性の各剛性について、求められる必要な剛性、即ち、鋼のみで構成した場合とほぼ同等の剛性を持たせることができる。一方、第１の金属層の断面積を９０％以下とすることで、鋼のみから構成した場合に比べて、その熱膨張を１０％以上低減させることができる。
【００１３】
このように、本発明に係る主軸によれば、鋼のみで構成した主軸とほぼ同等の剛性を有する一方、熱膨張については、鋼のみから構成した主軸に比べて、これを１０％以上低減させることができる。したがって、本発明に係る主軸によれば、鋼のみから構成した主軸に比べて、より高精度な加工を実現することができる。また、熱膨張し難い、即ち、熱変位し難いという特長に着目すれば、本発明に係る主軸においては、その熱変位を抑制するための冷却を低出力にする、或いは冷却そのものを省略することができ、冷却についての省力化を図ることができる。
【００１４】
また、本発明に係る主軸において、前記第１の繊維強化プラスチック層は、含まれる繊維の長手方向が一方向に配向されており、その中心軸を基準として、該中心軸を挟んだ±４５°の範囲内で設定された角度に配向されているのが好ましい。尚、繊維の配向角度は、主軸を平面から視たときの前記中心軸に対する繊維の長手方向の角度をいうものとする。
【００１５】
繊維の配向角度を、主軸の中心軸を挟んだ±４５°の範囲内に設定することで、第１の繊維強化プラスチック層は、中心軸に沿った方向の熱膨張が抑制され、また、曲げ剛性、ねじり剛性、及び中心軸に沿った方向の剛性について、求められる剛性を備えたものになる。
【００１６】
また、本発明に係る主軸では、複数層の前記第１の繊維強化プラスチック層を備え、該第１の繊維強化プラスチック層はその中心側に配置される層ほど、その繊維の前記中心軸に対する配向角度が鋭角になっていても良い。言い換えると、前記第１の繊維強化プラスチック層は、外側に配置されるものほど、繊維の前記中心軸に対する配向角度が大きい角度となっているのが好ましい。このようにすることで、半径方向における主軸の熱膨張をより効果的に抑制することができ、曲げ剛性、ねじり剛性、及びその中心軸に沿った方向の剛性について、求められる最適な剛性を備えたものとすることができるとともに、前記中心軸に沿った方向の熱膨張もより効果的に抑制することができる。斯くして、本発明に係る主軸において、より好ましくは、前記第１の繊維強化プラスチック層の最内層の繊維はその中心軸と平行に配向され、最外層の繊維はその中心軸に対して４５°又は−４５°の角度となるように配向される。
【００１７】
また、本発明に係る主軸において、工具が装着されるテーパ穴が備えられている場合には、このテーパ穴を有する部位については、前記テーパ穴を形成する最内層として第２の金属層が形成され、該第２の金属層の外側に少なくともその一部と接するように第２の繊維強化プラスチック層が形成されるとともに、該第２の繊維強化プラスチック層の外側に前記第１の金属層及び第１の繊維強化プラスチック層が形成され、更に該第１の繊維強化プラスチック層の外側に少なくとの一層の前記第１の金属層が形成されてなり、前記第２の繊維強化プラスチック層は、含まれる繊維の長手方向が、その中心軸に対して４５°又は−４５°の角度となるように配向されていても良い。
【００１８】
テーパ穴に装着される工具は、前記中心軸に沿ってテーパ穴側に引き込む力によって当該テーパ穴に保持される。このため、テーパ穴はこの引き込み力により工具が圧接することによって、拡径する方向の作用力を当該工具から受けることになる。したがって、テーパ穴が形成される部位について、上記構成とすることで、テーパ穴が拡径するのを防止することができ、これにより、工具の軸方向における位置が変位したり、工具をテーパ穴に保持する保持力が弱まるのを防止することができる。
【００１９】
尚、本発明において、前記第１の繊維強化プラスチック層及び第２の繊維強化プラスチック層に含まれる繊維は、その引張弾性率が４００ＧＰａ以上であるものが好ましく、例えば、ピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維、ボロン繊維、アルミナ繊維、炭化ケイ素繊維、ベリリウム繊維及びタングステン繊維等を例示することができる。
【００２０】
また、前記第１の繊維強化プラスチック層及び第２の繊維強化プラスチック層を構成するマトリクスとしての樹脂は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、及びポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂、特にエポキシ樹脂を好ましく用いることができるが、必要とされる強度を有するものであればこれらに限定されるものではなく、熱可塑性樹脂であっても良い。
【００２１】
また、本発明に係る主軸は、含有繊維が一方向に配向されたプリプレグシートを用いて製造することができるが、この製造方法に限られるものではない。
【発明の効果】
【００２２】
以上のように、本発明に係る主軸は、第１の金属層によって発現される高剛性、及び第１の繊維強化プラスチック層によって発現される低膨張性の双方を備えるとともに、軸方向の剛性、曲げ剛性及びねじり剛性について、これらを総合的に最適なものとすることができる。また、本発明に係る主軸は、軸方向の剛性、曲げ剛性及びねじり剛性の各剛性について、鋼のみから構成した主軸とほぼ同等の剛性を有する一方、その熱膨張は、鋼のみから構成した主軸に比べて、１０％以上低減されている。
【００２３】
したがって、本発明に係る主軸によれば、鋼のみから構成した主軸に比べて、より高精度な加工を実現することができる。また、熱膨張し難い、即ち、熱変位し難いという特長に着目すれば、本発明に係る主軸においては、その熱変位を抑制するための冷却を低出力にする、或いは冷却を省略することができ、当該冷却についての省力化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施形態に係る工作機械の主軸を示した断面図である。
【図２】鋼及び繊維強化プラスチックから構成される主軸の特性を示したグラフである。
【図３】繊維強化プラスチックに含まれる繊維の配向について説明するための説明図である。
【図４】実施例１に係る主軸の構造を示した断面図である。
【図５】実施例２に係る主軸の構造を示した断面図である。
【図６】実施例１に係る主軸を構成する積層物の諸元を示した説明図である。
【図７】実施例１に係る主軸を構成する積層物の諸元を示した説明図である。
【図８】実施例２に係る主軸を構成する積層物の諸元を示した説明図である。
【図９】実施例２に係る主軸を構成する積層物の諸元を示した説明図である。
【図１０】実施例に係る主軸と比較例に係る主軸との性能を比較した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の具体的な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。尚、本例の主軸は、工作機械であるマシニングセンタに設けられる主軸とする。図１に示すように、この主軸１は中空且つ円筒状をした部材であり、ベアリング１０によって回転自在に支持される後部Ｒと、テーパ状の工具保持穴２を有する前部Ｆとから構成され、この後部Ｒに更に他の部材が連結される場合がある。
【００２６】
前記後部Ｒは、鋼材から構成される外側の鋼管（外側鋼管）Ｒｓ１及び内側の鋼管（内側鋼管）Ｒｓ２と、これら外側鋼管Ｒｓ１と内側鋼管Ｒｓ２との間に形成された繊維強化プラスチック層Ｒｒとから構成される。外側鋼管Ｒｓ１は、その前端部Ｒｓ１ｂがフランジ状に形成されるとともに、後端部Ｒｓ１ｃの内径が縮径された構造を有しており、内側鋼管Ｒｓ２は外側鋼管Ｒｓ１の前端部Ｒｓ１ｂ及び中間部Ｒｓ１ａと対向するように同軸に内挿され、前端部Ｒｓ１ｂ及び中間部Ｒｓ１ａと内側鋼管Ｒｓ２との間に前記繊維強化プラスチック層Ｒｒが形成されている。
【００２７】
一方、前部Ｆは、同じく鋼材から構成されるテーパ鋼管Ｆｓ２及び外側鋼管Ｆｓ１と、これらテーパ鋼管Ｆｓ２と外側鋼管Ｆｓ１との間に形成された繊維強化プラスチック層Ｆｒとから構成される。テーパ鋼管Ｆｓ２は、その前端部Ｆｓ２ｂがフランジ状に形成されており、中心部にテーパ穴２を備えている。また、前記外側鋼管Ｒｓ１及び内側鋼管Ｒｓ２と、テーパ鋼管Ｆｓ２及び外側鋼管Ｆｓ１とは互いに同軸に配設され、テーパ鋼管Ｆｓ２の前端部Ｆｓ２ｂと前記外側鋼管Ｒｓ１の前端部Ｒｓ１ｂとの間に前記外側鋼管Ｆｓ１が配置される。そして、テーパ鋼管Ｆｓ２のテーパ部Ｆｓ２ａと外側鋼管Ｆｓ１との間に、前記繊維強化プラスチック層Ｆｒが形成される。また、前記繊維強化プラスチック層Ｒｒの前端部と繊維強化プラスチック層Ｆｒの後端部とは、相互に連結された状態になっている。
【００２８】
尚、前記外側鋼管Ｒｓ１，Ｆｓ１及び内側鋼管Ｒｓ２が第１の金属層を構成し、テーパ鋼管Ｆｓ２のテーパ部Ｆｓ２ａが第２の金属層を構成する。また、前記繊維強化プラスチック層Ｒｒは第１の繊維強化プラスチック層を構成し、前記テーパ部Ｆｓ２ａの外側に、少なくともその一部と接するように設けられた前記繊維強化プラスチック層Ｆｒが第２の繊維強化プラスチック層を構成し、これより外側の繊維強化プラスチック層Ｆｒが第１の繊維強化プラスチック層を構成する。
【００２９】
主軸１をこのような構成とすることで、外側鋼管Ｒｓ１，Ｆｓ１及び内側鋼管Ｒｓ２、並びにテーパ鋼管Ｆｓ２によって高い剛性が発現されるとともに、繊維強化プラスチック層Ｆｒ，Ｒｒによって低膨張性が発現され、これによって、主軸１は高剛性と低膨張性との双方の特長を併せ持ったものとなる。そして、半径方向において、外側鋼管Ｒｓ１，Ｆｓ１を繊維強化プラスチック層Ｒｒ，Ｆｒよりも外側に配置することにより、主軸１の軸方向の剛性、曲げ剛性及びねじり剛性について、これらを総合的に最適なものとすることができる。
【００３０】
そして、本例の主軸１では、中心軸と直交する断面の断面積が小さい領域部分において、即ち、後部Ｒにおいて、これを構成する外側鋼管Ｒｓ１及び内側鋼管Ｒｓ２（第１の金属層）の断面積が、全体の断面積、即ち、外側鋼管Ｒｓ１及び内側鋼管Ｒｓ２（第１の金属層）と繊維強化プラスチック層Ｒｒ（第１の繊維強化プラスチック層）を合わせた断面積の４０％以上９０％以下の断面積となるように、外側鋼管Ｒｓ１，内側鋼管Ｒｓ２及び繊維強化プラスチック層Ｒｒの厚さを設定する。
【００３１】
本発明者等が得た知見によると、繊維強化プラスチックは、これに含まれる繊維の配向を適宜設定することによって、軸方向の剛性及び曲げ剛性については、鋼材とほぼ同等の性能を有するものとすることができるが、ねじり剛性については、鋼材に比べて劣ったものとなる。図２に、鋼及び繊維強化プラスチックから構成された円筒状の複合材における鋼の体積比率と、当該複合材の軸方向の剛性及び曲げ剛性に関係する引張弾性率、ねじり剛性に関係する剪断弾性率、及び熱膨張に関係する線膨張係数との関係を示している。○は繊維強化プラスチックにおける、繊維を軸方向に沿って配向した層と、繊維を軸と直交する方向に配向した層との体積比率が５：５の場合であり、●は、同じく繊維を軸方向に沿って配向した層と、繊維を軸と直交する方向に配向した層との体積比率が６：４の場合である。尚、この円筒状複合材は、これを構成する鋼と繊維強化プラスチックとがそれぞれ軸方向に沿って均一な断面を有する所定長の材料であり、したがって、鋼と繊維強化プラスチックとの前記体積比率は、それぞれの断面積の比率と等価である。
【００３２】
この図２から分かるように、繊維強化プラスチックの割合が多いほど線膨張係数が低く、即ち、熱膨張率が低く、また、軸方向の剛性及び曲げ剛性については、繊維強化プラスチックの割合に関係なく、鋼材のみの場合とほぼ同等である。一方、ねじり剛性については、繊維強化プラスチックの割合が多くなるほど低くなり、鋼の割合が４０％を下回ると、鋼材のみの場合に比べて、２０％程度ねじり剛性が低下する。
【００３３】
そこで、上記のように、全体の断面積が前部Ｆよりも小さく、当該前部Ｆに比して強度上のネックとなる後部Ｒにおいて、これを構成する外側鋼管Ｒｓ１及び内側鋼管Ｒｓ２（第１の金属層）の断面積を、外側鋼管Ｒｓ１及び内側鋼管Ｒｓ２（第１の金属層）と繊維強化プラスチック層Ｒｒ（第１の繊維強化プラスチック層）を合わせた断面積の４０％以上に設定することで、鋼材のみから構成した場合に比べて、その軸方向の剛性及び曲げ剛性をほぼ同等なものにすることができるとともに、ねじり剛性についても８０％程度ねじり剛性を得ることができ、当該ねじり剛性についても、鋼材のみから構成した場合に比べて、ほぼ同等の性能とすることができる。一方、外側鋼管Ｒｓ１及び内側鋼管Ｒｓ２（第１の金属層）の断面積を、全体の断面積の９０％以下とすることで、主軸１の線膨張係数、即ち、熱膨張を鋼材のみから構成した場合に比べて、１０％以上低減させることができ、主軸１の熱変位を効果的に抑制することができる。
【００３４】
このように、本例の主軸１によれば、鋼のみで構成した主軸とほぼ同等の剛性を有する一方、熱膨張については、鋼のみから構成した主軸に比べて、これを１０％以上低減させることができる。したがって、本例の主軸１によれば、鋼のみから構成した主軸に比べて、より高精度な加工を実現することができる。また、熱膨張し難い、即ち、熱変位し難いという特長に着目すれば、本例の主軸１においては、その熱変位を抑制するための冷却を低出力にする、或いは冷却そのものを省略することができ、冷却についての省力化を図ることができる。
【００３５】
尚、本例において、前記繊維強化プラスチック層Ｆｒ，Ｒｒに含まれる繊維は、その引張弾性率が４００ＧＰａ以上であるものが好ましく、例えば、ピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維、ボロン繊維、アルミナ繊維、炭化ケイ素繊維、ベリリウム繊維及びタングステン繊維等を例示することができる。
【００３６】
また、繊維強化プラスチック層Ｆｒ，Ｒｒを構成するマトリクスとしての樹脂は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、及びポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂、特にエポキシ樹脂を好ましく用いることができるが、必要とされる強度を有するものであればこれらに限定されるものではなく、熱可塑性樹脂であっても良い。
【００３７】
また、本例の主軸１は、含有繊維が一方向に配向されたプリプレグシートを用いて製造することができる。尚、本例において、繊維の配向角度を言うときは、主軸１を平面から視て、その中心軸に対する繊維の長手方向の角度を言うものとする。図３（ａ）に、配向角度についての説明図を示しており、中心軸ｃに対して、時計回りの角度が鋭角になる角度を正の角度（θ）とし、反時計回りの角度が鋭角になる角度を負の角度（−θ）とする。また、図３（ｂ）には、繊維が中心軸ｃと平行な角度（θ＝０°）で配向されたプリプレグの概略図を示し、図３（ｃ）には、繊維が中心軸ｃと直交する角度（θ＝９０°）で配向されたプリプレグの概略図を示し、図３（ｄ）には、繊維が中心軸ｃとθ＝４５°で交差するように配向されたプリプレグの概略図を示している。
【００３８】
尚、本例の主軸１において、前部Ｆは、後部Ｒに比べて、十分な厚さがあるため、繊維強化プラスチックＦｒの割合を多くしても、必要なねじり剛性を確保することができる可能性があるため、必要なねじり剛性を確保できる場合には、必ずしも上記の構成に倣う必要は無いが、外側鋼管Ｆｓ１及びテーパ鋼管ＦＳ２ａの断面積を、全体の断面積の４０％以上に設定することは、何ら妨げられない。
【００３９】
また、本例の主軸１では、前記繊維強化プラスチック層Ｆｒ，Ｒｒは、含まれる繊維が前記中心軸ｃを挟んだ±４５°の範囲内で配向された層を有するのが好ましい。繊維の配向角度θを、主軸１の中心軸ｃを挟んだ±４５°の範囲内に設定することで、主軸１は、その中心軸ｃに沿った方向の熱膨張が抑制されるとともに、当該中心軸ｃに沿った方向の剛性、曲げ剛性及びねじり剛性についても、必要とされる剛性を備えたものになる。
【００４０】
また、本例の主軸１では、繊維強化プラスチック層Ｒｒはその中心側に配置される層ほど、その繊維の前記中心軸ｃに対する配向角度θが鋭角になっているのが好ましい。言い換えると、繊維強化プラスチック層Ｒｒは、外側に配置されるものほど、繊維の前記中心軸ｃに対する配向角度θが大きい角度となっているのが好ましい。このようにすることで、半径方向における主軸の熱膨張をより効果的に抑制することができ、その中心軸に沿った方向の剛性、曲げ剛性及びねじり剛性について、求められる最適な剛性を備えたものとすることができるとともに、前記中心軸ｃに沿った方向の熱膨張もより効果的に抑制することができる。斯くして、本例の主軸１において、より好ましくは、繊維強化プラスチック層Ｒｒの最内層の繊維はその中心軸と平行に配向され、最外層の繊維はその中心軸に対して４５°又は−４５°の角度となるように配向される。
【００４１】
また、本例の主軸１では、テーパ穴２を備える前部Ｆにおいて、テーパ鋼管Ｆｓ２のテーパ部Ｆｓ２ａの外側に、少なくともその一部と接するように設けられた繊維強化プラスチック層Ｆｒの最も内側の層は、含まれる繊維が前記中心軸ｃに対して４５°又は−４５°の角度となるように配向されているのが好ましい。
【００４２】
テーパ穴２に装着される工具は、中心軸ｃに沿ってテーパ穴２側に引き込む力によって当該テーパ穴２に保持される。このため、テーパ穴２はこの引き込み力により工具が圧接することによって、拡径する方向の作用力を当該工具から受けることになる。したがって、テーパ穴２が形成される部位について、繊維強化プラスチック層Ｆｒの最内層の繊維を前記中心軸ｃに対して４５°又は−４５°の角度となるように配向することで、テーパ穴２が拡径するのを防止することができ、これにより、工具の軸方向における位置が変位したり、工具の保持力が弱まるのを防止することができる。
【実施例】
【００４３】
以下、より具体的な実施例として、実施例１に係る主軸１Ａ、及び実施例２に係る主軸１Ｂについて説明する。
［実施例１］
実施例１に係る主軸１Ａの構造を図４に示し、その諸元を図６及び図７に示す。この主軸１Ａは基本的な構造は図１に示した主軸１と同様であり、したがって、図４において、同じ構成物については同じ符号を付している。また、この主軸１Ａの主だった寸法は図４に示した通りである。
【００４４】
実施例１に係る主軸１Ａの外側鋼管Ｒｓ１，Ｆｓ１、内側鋼管Ｒｓ２及びテーパ鋼管Ｆｓ２はＳＣＭ４１５から構成され、外側鋼管Ｒｓ１の中間部Ｒｓ１ａの厚さを２ｍｍ、内側鋼管Ｒｓ２の厚さを４ｍｍ、外側鋼管Ｆｓ１の厚さを２ｍｍ、テーパ鋼管Ｆｓ２のテーパ部Ｆｓ２ａの厚さを２ｍｍとした。
【００４５】
また、前部Ｆにおける繊維強化プラスチック層ＦｒＡは、外側から順に、Ｆｒ１Ａ，Ｆｒ２Ａ，Ｆｒ３Ａ，Ｆｒ４Ａ及びＦｒ５Ａの５つの層からなり、それぞれプリプレグを用い加熱硬化させて形成した。マトリクスとなる樹脂には、１８０℃硬化型の熱硬化性エポキシ樹脂を用いた。また、層Ｆｒ１Ａは、その繊維をθ＝９０°で配向した層であり、その厚さを３ｍｍとした。層Ｆｒ２Ａは、その繊維の配向を内側から順にθ＝９０°、θ＝０°とした混合層であり、その厚さを１ｍｍとした。層Ｆｒ３Ａは、その繊維の配向を内側から順にθ＝０°、θ＝４５°、θ＝０°、θ＝−４５°とした混合層であり、その厚さを１２．５ｍｍとした。層Ｆｒ４Ａは、その繊維の配向を内側から順にθ＝９０°、θ＝０°とした混合層であり、その厚さを７ｍｍとした。層Ｆｒ５Ａは、その繊維の配向を内側から順にθ＝０°、θ＝４５°、θ＝０°、θ＝−４５°とした混合層であり、その厚さを３ｍｍとした。
【００４６】
また、後部Ｒにおける繊維強化プラスチック層ＲｒＡは、外側から順に、Ｒｒ１Ａ及びＲｒ２Ａの２つの層からなり、それぞれプリプレグを用い加熱硬化させて形成した。マトリクスとなる樹脂には、１８０℃硬化型の熱硬化性エポキシ樹脂を用いた。また、層Ｒｒ１Ａは、その繊維の配向を内側から順にθ＝９０°、θ＝０°とした混合層であって、その厚さは７ｍｍであり、前部Ｆの層Ｆｒ４Ａに連続した層である。層Ｆｒ２Ａは、その繊維の配向を内側から順にθ＝０°、θ＝４５°、θ＝０°、θ＝−４５°とした混合層であり、その厚さを３ｍｍとした。
【００４７】
そして、この主軸１Ａの前部Ｆでは、その全断面積に対し、テーパ鋼管Ｆｓ２のテーパ部Ｆｓ２ａ及び外側鋼管Ｆｓ１の断面積は１３％、繊維強化プラスチック層ＦｒＡの内、繊維の配向角度が０°の層の断面積は３９％、４５°の層の断面積は２５％、９０°の層は２２％であった。また、後部Ｒでは、その全断面積に対し、外側鋼管Ｒｓ１の中間部Ｒｓ１ａ及び内側鋼管Ｒｓ２の断面積は４２％、繊維強化プラスチック層ＲｒＡの内、繊維の配向角度が０°の層の断面積は２９％、４５°の層の断面積は６％、９０°の層は２３％であった。
【００４８】
尚、θ＝９０°の層には、ＰＡＮ系の炭素繊維を用いたプリプレグ（製品名：ＨｙＥＪ１７ＨＸ１、繊維弾性率２３０ＧＰａ、メーカ名：三菱ケミカル株式会社）を用い、θ＝０°，±４５°に配向した繊維には、ピッチ系の炭素繊維を用いたプリプレグ（製品名：ＨｙＥＪ２８Ｍ８０ＱＤＨＸ１、繊維弾性率７６０ＧＰａ、メーカ名：三菱ケミカル株式会社）を用いた。
【００４９】
［実施例２］
実施例２に係る主軸１Ｂの構造を図５に示し、その諸元を図８及び図９に示している。この主軸１Ｂは基本的な構造は図１に示した主軸１と同様であり、したがって、図５において、同じ構成物については同じ符号を付している。また、この主軸１Ｂの主だった寸法は図５に示した通りである。
【００５０】
実施例２に係る主軸１Ｂの外側鋼管Ｒｓ１，Ｆｓ１、内側鋼管Ｒｓ２及びテーパ鋼管Ｆｓ２は、実施例１と同様に、ＳＣＭ４１５から構成され、外側鋼管Ｒｓ１の中間部Ｒｓ１ａの厚さを２ｍｍ、内側鋼管Ｒｓ２の厚さを４ｍｍ、外側鋼管Ｆｓ１の厚さを２ｍｍ、テーパ鋼管Ｆｓ２のテーパ部Ｆｓ２ａの厚さを２ｍｍとした。
【００５１】
また、前部Ｆにおける繊維強化プラスチック層ＦｒＢは、外側から順に、Ｆｒ１Ｂ，Ｆｒ２Ｂ，Ｆｒ３Ｂ及びＦｒ４Ｂの４つの層からなり、それぞれプリプレグを用い加熱硬化させて形成した。マトリクスとなる樹脂には、１８０℃硬化型の熱硬化性エポキシ樹脂を用いた。また、層Ｆｒ１Ｂは、その繊維の配向を内側から順にθ＝０°、θ＝４５°、θ＝０°、θ＝−４５°とした混合層であり、その厚さを４ｍｍとした。層Ｆｒ２Ｂは、その繊維の配向を内側から順にθ＝０°、θ＝３０°、θ＝０°、θ＝−３０°とした混合層であり、その厚さを１２．５ｍｍとした。層Ｆｒ３Ｂは、その繊維の配向を内側から順にθ＝０°、θ＝４５°、θ＝０°、θ＝−４５°とした混合層であり、その厚さを７ｍｍとした。層Ｆｒ４Ｂは、その繊維の配向を内側から順にθ＝０°、θ＝３０°、θ＝０°、θ＝−３０°とした混合層であり、その厚さを３ｍｍとした。
【００５２】
また、後部Ｒにおける繊維強化プラスチック層ＲｒＢは、外側から順に、Ｒｒ１Ｂ及びＲｒ２Ｂの２つの層からなり、それぞれプリプレグを用い加熱硬化させて形成した。マトリクスとなる樹脂には、１８０℃硬化型の熱硬化性エポキシ樹脂を用いた。また、層Ｒｒ１Ｂは、その繊維の配向を内側から順にθ＝０°、θ＝４５°、θ＝０°、θ＝−４５°とした混合層であって、その厚さは７ｍｍであり、前部Ｆの層Ｆｒ３Ｂに連続した層である。層Ｆｒ２Ｂは、その繊維の配向を内側から順にθ＝０°、θ＝３０°、θ＝０°、θ＝−３０°とした混合層であり、その厚さを３ｍｍとした。
【００５３】
そして、この主軸１Ｂの前部Ｆでは、その全断面積に対し、テーパ鋼管Ｆｓ２のテーパ部Ｆｓ２ａ及び外側鋼管Ｆｓ１の断面積は１０％、繊維強化プラスチック層ＦｒＢの内、繊維の配向角度が３０°の層の断面積は１９％、０°の層の断面積は４５％、４５°の層は２６％であった。また、後部Ｒでは、その全断面積に対し、外側鋼管Ｒｓ１の中間部Ｒｓ１ａ及び内側鋼管Ｒｓ２の断面積は４０％、繊維強化プラスチック層ＲｒＢの内、繊維の配向角度が０°の層の断面積は３０％、３０°の層の断面積は８％、４５°の層は２２％であった。
【００５４】
尚、各層には、ピッチ系の炭素繊維を用いたプリプレグ（製品名：ＨｙＥＪ２８Ｍ８０ＱＤＨＸ１、繊維弾性率７６０ＧＰａ、メーカ名：三菱ケミカル株式会社）を用いた。
【００５５】
［比較例］
図４及び図５に示した主軸１Ａ及び１Ｂと同じ寸法の主軸であって、全てをＳＣＭ４１５から構成した。
【００５６】
上記構成の実施例１の主軸１Ａ、実施例２の主軸１Ｂ及び比較例の主軸において、曲げ方向、軸方向及びねじり方向の静剛性、１次固有振動数、減衰比、並びに１５℃温度が上昇した時の前部Ｆの軸方向の熱変位に関する各特性について、一部ＦＥＭ解析した結果、及び一部実測した結果を図１０に示す。この図から分かるように、実施例１の主軸１Ａ及び実施例２の主軸１Ｂとも、比較例に比べて、軸方向の熱変位において優れている。また、実施例２の主軸１Ｂは、比較例１に対して静剛性は若干劣るもののほぼ同等であり、固有振動数及び減衰比については、比較例よりも優れている。一方、実施例１の主軸１Ａは、比較例１に対して静剛性は劣るものの、固有振動数及び減衰比について、比較例とほぼ同等である。
【００５７】
以上のことから、上述したように、前記繊維強化プラスチック層Ｆｒ，Ｒｒにおける繊維の配向角度θは、前記中心軸ｃを挟んだ±４５°の範囲内とするのが好ましいと言える。また、繊維強化プラスチック層Ｒｒはその中心側に配置される層ほど、その繊維の前記中心軸ｃに対する配向角度θが鋭角、例えば、０°になっているのが好ましく、外側に配置されるものほど、配向角度θが大きい角度、例えば、４５°又は−４５°になっているのが好ましいと言える。
【００５８】
以上、本発明の具体的な実施形態について説明したが、上述した実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。当業者にとって変形および変更が適宜可能である。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲内と均等の範囲内での実施形態からの変更が含まれる。
【符号の説明】
【００５９】
１，１Ａ，１Ｂ  主軸
１０  ベアリング
Ｆ  前部
Ｆｓ１  外側鋼管
Ｆｓ２  テーパ鋼管
Ｆｓ２ａ  テーパ部
Ｆｓ２ｂ  前端部
Ｆｒ，ＦｒＡ，ＦｒＢ  繊維強化プラスチック層
Ｒ  後部
Ｒｓ１  外側鋼管
Ｒｓ１ａ  中間部
Ｒｓ１ｂ  前端部
Ｒｓ１ｃ  後端部
Ｒｓ２  内側鋼管
Ｒｒ，ＲｒＡ，ＲｒＢ  繊維強化プラスチック層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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