(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主軸が非接触軸受を介してハウジングに回転可能に支承された主軸装置において、
前記ハウジングから突出した主軸の周りには、その主軸が傾いたときに最初に当接する当接部材が、主軸に対して隙間をもってかつ前記ハウジングに着脱可能に設けられ、
この当接部材の少なくとも主軸が当接する当接面が前記主軸より軟質な材料により構成されていることを特徴とする主軸装置。
【請求項２】
請求項１に記載の主軸装置において、
前記当接部材は、内部に前記主軸を貫挿する挿通孔を有し、その挿通孔の内周面と前記主軸の外周面との隙間が、前記主軸とハウジングとのラジアル方向の隙間以下またはラジアル方向の隙間より僅かに大きく形成されていることを特徴とする主軸装置。
【請求項３】
請求項２に記載の主軸装置において、
前記当接部材の挿通孔の内面には、潤滑層が形成されていることを特徴とする主軸装置。
【請求項４】
請求項２に記載の主軸装置において、
前記当接部材の挿通孔は、テーパ孔に形成されていることを特徴とする主軸装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の主軸装置において、
前記当接部材と対向する主軸の外周面には、筒状部材が着脱可能に装着されていることを特徴とする主軸装置。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の主軸装置において、
前記非接触軸受は、空気軸受によって構成されていることを特徴とする主軸装置。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の主軸装置を備えた加工機械であって、
ワークを載置したテーブルと前記主軸装置とが相対移動可能に設けられていることを特徴とする加工機械。
【請求項８】
請求項７に記載の加工機械において、前記テーブルと前記主軸装置とは、三次元方向へ相対移動可能に設けられていることを特徴とする加工機械。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主軸装置およびその主軸装置を備えた加工機械に関する。より詳しくは、主軸が空気軸受を介してハウジングに回転可能に支持された主軸装置およびその主軸装置を備えた加工機械に関する。
【０００２】
【背景技術】
金属材料の切削加工では、回転自在に支承された主軸にエンドミルやフライスなどの切削工具を取り付け、この切削工具を主軸の回転により回転させながら切削加工を行う工作機械が利用されている。
このような工作機械として、主軸が空気軸受を介してハウジングに回転可能に支承された空気軸受式主軸装置を備えた加工機械が知られている。
【０００３】
空気軸受式主軸装置を備えた加工機械は、主軸が軸受となるハウジングとの間に設けられた圧縮空気層によって支承されているので、主軸およびハウジング間の摩擦が少なく、主軸を高速で回転（たとえば、３０，０００〜５０，０００ｒｐｍで回転）させることができる。そのため、大きな切削送り速度で加工を行えるため、金属材料の切削加工時間を大幅に短縮することができる利点がある。
【０００４】
ところで、この種の加工機械では、金属材料の切削加工に伴い、主軸の回転軸に直交する方向に大きな負荷がかかると、主軸は弾性を有する圧縮空気層に支承されているので、この負荷により、主軸が本来の回転軸線からずれる場合がある。そして、そのずれ量、つまり、軸変位量が大きくなると、主軸とハウジングとが接触し、かじり、さらには焼き付けなどの損傷を引き起こす。
【０００５】
そのため、従来では、主軸とハウジングとの隙間、具体的には、主軸とハウジングとの相対変位をセンサ（たとえば、渦電流式センサ、静電容量式センサ、レーザビーム式センサなど）で検出し、その相対変位量によって接触の危険が生じると予想された場合に危険信号を発信し、接触を回避（具体的には、機械を停止）するような異常監視装置を装備させていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来の異常監視装置では、センサが１軸方向の変位のみしか検出できないので、主軸が三次元方向へ動く場合、多数のセンサを設けて主軸の動きを監視する必要があるため、装置自体が複雑化するうえ、経済的負担も大きい。
【０００７】
しかも、センサによって検出した主軸とハウジングとの相対変位量から、接触の危険が生じると予想された場合に危険信号を発信し、それによって機械を停止する方式だと、主軸の回転軸に直交する方向に瞬間的に大きな負荷がかかった場合、危険信号が発信されてから機械が停止するまでに主軸とハウジングとが接触し、かじりなどの損傷を引き起こす場合がある。
【０００８】
ちなみに、かじりなどの損傷が生じた場合には、機械を分解し、損傷が生じた主軸やハウジングを新しい主軸やハウジングに交換し、機械を組み立てなければならないので、補修に相当な手間と労力がかかる。
【０００９】
本発明の目的は、このような課題を解決すべくなされたもので、主軸にかかる負荷によって主軸が変位した場合でも、主軸やハウジングの損傷を防止できる主軸装置およびその主軸装置を備えた加工機械を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の主軸装置は、主軸が空気軸受を介してハウジングに回転可能に支承された主軸装置において、前記ハウジングから突出した主軸の周りには、その主軸が傾いたときに最初に当接する当接部材が、主軸に対して隙間をもってかつ前記ハウジングに着脱可能に設けられ、この当接部材の少なくとも主軸が当接する当接面が前記主軸より軟質な材料により構成されていることを特徴とする。
【００１１】
ここで、当接部材の少なくとも主軸が当接する当接面が主軸より軟質な材料とは、当接部材の全体が主軸より軟質な材料で構成されていてもよく、あるいは、主軸が当接する当接面の部分のみが主軸より軟質な材料で構成されていてもよい。
通常、主軸は、鋼などで構成されているため、当接部材の材料としては、プラスチックス、アルミニウムなどを用いることができる。主軸が当接する当接面の部分を主軸より軟質な材料で構成する場合には、カーボンの溶射や、カーボンのコーティングなどによって軟質層を形成するとよい。
【００１２】
このような構成によれば、主軸に作用する負荷によって主軸が本来の回転軸線に対して傾くと、最初に当接部材に当接する。このとき、当接部材の少なくとも主軸が当接する当接面が主軸より軟質な材料によって構成されているから、主軸が損傷されることがない。よって、主軸にかかる負荷によって主軸が変位した場合でも、主軸やハウジングの損傷を防止できる。
一方、当接部材については、ハウジングに対して着脱可能であるから、損傷した当接部材を新たな当接部材に交換すれば、再び、主軸の傾斜に対して最初に当接部材が当接する状態にできる。この際、当接部材は、ハウジングから突出した主軸の周りにおいて、ハウジングに着脱可能であるから、交換も容易に行うことができる。
【００１３】
以上において、前記当接部材は、内部に前記主軸を貫挿する挿通孔を有し、その挿通孔の内周面と前記主軸の外周面との隙間が、前記主軸とハウジングとのラジアル方向の隙間以下またはラジアル方向の隙間より僅か大きく形成されていることが望ましい。
主軸に作用する負荷によって主軸が傾く場合、挿通孔の内周面と主軸の外周面との隙間が、主軸とハウジングとのラジアル方向の隙間に対して小さければ、当然、最初に主軸が当接部材に当接する。しかし、主軸が傾いたときの支点位置によっては、必ずしも、挿通孔の内周面と主軸の外周面との隙間が、主軸とハウジングとのラジアル方向の隙間に対して小さい場合のみならず、同じ場合や僅かに大きい場合にも、最初に主軸が当接部材に当接する。
従って、挿通孔の内周面と主軸の外周面との隙間は、主軸とハウジングとのラジアル方向の隙間に対して、僅か大きい場合、同じ場合、小さい場合であればいずれでもよい。
【００１４】
この際、当接部材の挿通孔の内面には、潤滑層が形成されていることが望ましい。
当接部材の挿通孔の内面に潤滑層が形成されていれば、主軸が当接したときに、主軸の外周面と挿通孔内面との摩擦抵抗が小さいから、主軸の焼き付きを防止できる。
また、当接部材の挿通孔は、テーパ孔に形成されていてもよい。
このようにすれば、主軸が傾いたとき、主軸は挿通孔のテーパ孔と線接触することになるから、主軸の損傷を軽減できる。
【００１５】
一方、当接部材と対向する主軸の外周面には、筒状部材が着脱可能に装着されていることが望ましい。
このようにすれば、主軸が傾いて当接部材に当接したとき、仮に、主軸が損傷する場合があっても、その部分を交換できるから、直ちに修理できる。その場合、筒状部材としてベアリングを用いれば、主軸の焼き付きを防止できる。
【００１６】
また、非接触軸受としては、磁気軸受や空気軸受などを用いることができるが、空気軸受の場合には、３０，０００〜５０，０００ｒｐｍで高速回転させることができるから、能率的な加工を行うことができる。
【００１７】
本発明の加工機械は、上記構成の主軸装置、つまり、主軸が空気軸受を介してハウジングに回転可能に支承された主軸装置において、前記ハウジングから突出した主軸の周りには、その主軸が傾いたときに最初に当接する当接部材が、主軸に対して隙間をもってかつ前記ハウジングに着脱可能に設けられ、この当接部材の少なくとも主軸が当接する当接面が前記主軸より軟質な材料により構成された主軸装置を備えた加工機械であって、ワークを載置したテーブルと前記主軸装置とが相対移動可能に設けられていることを特徴とする。
【００１８】
このような構成によれば、ワークを載置したテーブルと主軸装置とを相対移動させながら加工を行うことができる。
この際、テーブルと主軸装置とが、三次元方向へ相対移動可能に設けられていれば、ワークを任意の形状に加工することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の主軸装置を備えた加工機械を示す斜視図である。同図に示すように、本実施形態に係る加工機械は、ＮＣ装置により制御される工作機械であって、ベース１と、このベース１上に設置された機械本体１１と、この機械本体１１の駆動を制御する制御手段としてのＮＣ装置４１とを備える。
【００２０】
前記機械本体１１は、前記ベース１の上面にレベラなどを介して据え付けられたベッド１２と、このベッド１２の上面に前後方向（Ｙ軸方向）へ移動可能に設けられたテーブル１３と、前記ベッド１２の両側に立設された一対のコラム１４，１５と、この両コラム１４，１５の上部間に掛け渡されたクロスレール１６と、このクロスレール１６に沿って左右方向（Ｘ軸方向）へ移動可能に設けられたスライダ１７と、このスライダ１７に上下方向（Ｚ軸方向）へ昇降可能に設けられた主軸装置としてのスピンドルヘッド１８と、前記コラム１４，１５間の前面部を覆うように設けられ内部が透視可能でかつ上端を支点として上下方向へ開閉可能なスプラッシュガード１９とから構成されている。
【００２１】
前記ベッド１２には、前記テーブル１３を案内するガイド（図示省略）とともに、テーブル１３をＹ軸方向へ移動させるＹ軸駆動機構２１が設けられている。Ｙ軸駆動機構２１としては、モータと、そのモータによって回転する送りねじ軸とからなる送りねじ機構が用いられている。
前記各コラム１４，１５は、側面形状が、上部に対して下部が広くなった略三角形状に形成されている。これにより、下部が安定した構造であるから、スピンドルヘッド１８が高速回転するものであっても、振動の発生を低減できる。
【００２２】
前記クロスレール１６には、前記スライダ１７を移動可能に案内する２本のガイドレール２３が設けられているとともに、スライダ１７をＸ軸方向へ移動させるＸ軸駆動機構２４が設けられている。
前記スライダ１７には、前記スピンドルヘッド１８をＺ軸方向へ案内するガイド（図示省略）とともに、スピンドルヘッド１８をＺ軸方向へ昇降させるＺ軸駆動機構２５が設けられている。これらの駆動機構２４，２５についても、前記Ｙ軸駆動機構２１と同様に、モータと、そのモータによって回転する送りねじ軸とからなる送りねじ機構が用いられている。
【００２３】
前記スピンドルヘッド１８は、図２に示すように、空気軸受スピンドルヘッドによって構成されている。つまり、前記クロスレール１６に昇降自在に設けられ前記Ｚ軸駆動機構２５によって昇降されるハウジング３１と、このハウジング３１に空気軸受３２，３３，３４を介して回転可能かつＺ軸方向と平行に支承され途中にフランジ３５Ａを有する主軸３５と、この主軸３５を回転駆動させるモータ３６とを備えた空気軸受スピンドルヘッドによって構成されている。これにより、主軸３５は、３０，０００〜５０，０００ｒｐｍで高速回転できるようになっている。
【００２４】
前記各空気軸受３２，３３，３４の内周面には、主軸３５に向かって軸直交方向から空気を吹き出す吹出口３７が複数形成されている。これらの各吹出口３７から噴出される空気によって主軸３５をラジアル方向に支持するラジアル軸受が形成されている。また、前記空気軸受３３，３４の互いに対向する軸方向端面には、主軸３５のフランジ３５Ａに向かって空気を噴出する吹出口３８が複数形成されている。これらの各吹出口３８から噴出される空気によって主軸３５をスラスト方向に支持するスラスト軸受が形成されている。なお、図２において、３９は各吹出口３７，３８に高圧空気を供給する給気通路、４０は排気通路、Ｔはエンドミルなどの回転工具である。
【００２５】
前記ハウジング３１から下方へ突出した主軸３５の周りには、その主軸３５が傾いたときに最初に当接する当接部材５１が、主軸３５に対して隙間をもってかつ前記ハウジング３１の底面に着脱可能に設けられているとともに、これに対向する主軸３５の外周面には、筒状部材としてのベアリング６１が着脱可能に嵌合されている。
【００２６】
ここで、前記当接部材５１は、少なくとも主軸３５が当接する当接面である内周面が主軸３５より軟質な材料により構成されている。本実施形態では、全体がプラスチックスにより円盤状に形成され、かつ、外周に前記ハウジング３１に対して着脱可能なフランジ５２を、内部に主軸３５を貫挿する挿通孔５３をそれぞれ有する。
挿通孔５３の内周面と主軸３５の外周面との隙間は、図３に示すように、主軸３５とハウジング３１とのラジアル方向の隙間より小さく形成されている。つまり、挿通孔５３の内周面と主軸３５の外周面との隙間Ａは、主軸３５とハウジング３１とのラジアル方向の隙間Ｂより小さく（Ａ＜Ｂ）形成されている。
なお、隙間Ａは、隙間Ｂに対して、僅かに大きくても（Ａ＞Ｂ）、あるいは、同じ（Ａ＝Ｂ）でもよい。
【００２７】
以上の構成において、ワークの加工にあたっては、ＮＣ装置４１からの指令によって、テーブル１３とスピンドルヘッド１８とをＸ，Ｙ，Ｚ軸方向へ相対移動させながら、主軸３５に装着された回転工具Ｔによってワークを加工する。つまり、テーブル１３をＹ軸駆動機構２１を介してＹ方向へ、スピンドルヘッド１８をＸ軸駆動機構２４およびＺ軸駆動機構２５を介してＸおよびＺ軸方向へそれぞれ移動させながら、主軸３５に装着された回転工具Ｔによってワークを加工する。
【００２８】
従って、本実施形態によれば、ハウジング３１から突出した主軸３５の周りに、その主軸３５が傾いたときに最初に当接する当接部材５１を、主軸３５に対して隙間をもってかつハウジング３１に着脱可能に設けたので、主軸３５に作用する負荷によって主軸３５が傾くと、最初に当接部材５１に当接する。このとき、当接部材５１が主軸３５より軟質な材料によって構成されているから、主軸３５が損傷することがない。もとより、ハウジング３１にも接触しないので、ハウジング３１の損傷も防止できる。
【００２９】
また、当接部材５１は、ハウジング３１に対して着脱可能であるから、損傷した当接部材５１を新たな当接部材５１に交換すれば、再び、主軸３５の傾きに対して最初に当接部材５１が当接する状態にできる。この際、当接部材５１は、ハウジング３１から突出した主軸３５の周りにおいて、ハウジング３１の底面に着脱可能であるから、交換も容易に行うことができる。
【００３０】
また、当接部材５１と対向する主軸３５の外周面には、ベアリング６１を着脱可能に装着したので、主軸３５が傾いて当接部材５１に当接したとき、仮に、主軸３５が損傷する場合があっても、その部分（ベアリング６１）を交換できるから、直ちに修理できる。しかも、ベアリング６１が当接部材５１に当接した状態では、主軸３５の回転に伴ってベアリング６１の内輪だけが回転し、当接部材５１と当接したベアリング６１の外輪は回転しないので、ベアリング６１と当接部材５１との間の焼き付けを防止できる。
【００３１】
また、このようなスピンドルヘッド１８を備えた加工機械では、ワークを載置したテーブル１３とスピンドルヘッド１８とを三次元方向へ相対移動させながら加工を行うことができるから、ワークを任意の形状に加工することができる。
【００３２】
また、スピンドルヘッド１８を、主軸３５を空気軸受３２，３３，３４で回転可能に支承した空気軸受スピンドルヘッドとしたので、つまり、空気軸受スピンドルヘッドでは、高精度な高速回転が得られることから、大きな切削送り速度で加工を効率的に行うことができる。
【００３３】
なお、前記実施形態では、当接部材５１をプラスチックスによって構成したが、これに限らず、主軸３５より軟質な材料であれば、他の材料でもよい。たとえば、アルミニウムなどによって構成してもよい。
また、当接部材５１の主軸３５が当接する当接面（内周面）の部分のみを主軸３５より軟質な材料で構成してもよい。たとえば、挿通孔５３の内周面に、カーボンの溶射や、カーボンのコーティングなどによって軟質層を形成してもよい。
【００３４】
また、当接部材５１の挿通孔５３の内周面には、図４に示すように、潤滑層５４を形成してもよい。たとえば、挿通孔５３の内周面に、カーボンコーティングによって潤滑層５４を形成してもよい。
このようにすれば、主軸３５が当接したときに、主軸３５の外周面と挿通孔５３の内周面との摩擦抵抗が小さいから、主軸３５の焼き付きを防止できる。
【００３５】
また、図５に示すように、当接部材５１の主軸３５と当接する端部側から、複数枚の当接片５５Ａ，５５Ｂ，５５Ｃを積層し、かつ、保持手段５６（たとえば、ボルト・ナットなど）によって１枚ずつ取り外し可能に保持すれば、主軸３５が当接部材５１に当接する毎に当接片５５Ａ，５５Ｂ，５５Ｃを１枚ずつ取り外していくことにより、複数回の使用が可能である。
【００３６】
また、当接部材５１の挿通孔５３を、図６に示すように、テーパ孔に形成してもよい。このようにすれば、主軸３５が傾いたとき、挿通孔５３のテーパ孔と線接触することになるから、主軸３５の損傷を軽減できる。
さらに、図７に示すように、挿通孔５３を、階段状のテーパ孔にしてもよい。
また、前記実施形態では、当接部材５１と対向する主軸３５の外周にベアリング６１を着脱可能に装着したが、ベアリング６１に限らず、潤滑性を有する円筒状の部材でもよい。
また、前記実施形態では、主軸３５を空気軸受３２，３３，３４によって回転可能に支承したが、磁気軸受などでもよい。つまり、非接触軸受であればいずれでもよい。
【００３７】
また、前記実施形態では、スピンドルヘッド１８をＸおよびＺ軸方向へ、また、テーブル１３をＹ軸方向へ移動自在に構成したが、これに限らず、回転工具Ｔとワークとが相対移動可能であれば、どのような構成でもよい。
【００３８】
【発明の効果】
本発明の主軸装置およびこの主軸装置を用いた加工機械によれば、主軸にかかる負荷によって主軸が変位した場合でも、主軸やハウジングの損傷を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る加工機械の一実施形態を示す斜視図である。
【図２】同上実施形態におけるスピンドルヘッドの断面図である。
【図３】同上実施形態におけるスピンドルヘッドの概略図である。
【図４】当接部材の他の例（内周面に潤滑層を形成した例）を示す図である。
【図５】当接部材の他の例（接触片を積層した例）を示す図である。
【図６】当接部材の他の例（挿通孔がテーパ孔）を示す図である。
【図７】当接部材の他の例（挿通孔が階段状テーパ孔）を示す図である。
【符号の説明】
１３  テーブル
１８  スピンドルヘッド（主軸装置）
３１  ハウジング
３２  空気軸受（非接触軸受）
３３  空気軸受（非接触軸受）
３４  空気軸受（非接触軸受）
３５  主軸
５１  当接部材
５３  挿通孔
５４  潤滑層
６１  ベアリング（筒状部材）
【図１】
0003618050.tif 000002
【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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