(57)【要約】【課題】スピンドル自体の軽量化および高剛性を図ったスピンドル装置、これを備えた工作機械および工具ホルダを提供。【解決手段】軸受本体７１と、この軸受本体７１に回転可能に支持されたスピンドル６１と、このスピンドル６１に工具ホルダ６６を介して取り付けられた工具としての砥石６７と、前記スピンドル６１を回転させる回転駆動機構１０１とを備えたスピンドル装置６０において、前記スピンドル６１および工具ホルダ６６が、炭素繊維強化プラスチックによって構成されている。【選択図】図３
2014014883.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸受本体と、この軸受本体に回転可能に支持されたスピンドルと、このスピンドルに工具ホルダを介して取り付けられた工具と、前記スピンドルを回転させる回転駆動機構とを備えたスピンドル装置において、
前記スピンドルは、炭素繊維強化プラスチックによって構成されている、ことを特徴とするスピンドル装置。
【請求項２】
請求項１に記載のスピンドル装置において、
前記スピンドルは、内部に中空部を有する筒形状に形成されている、ことを特徴とするスピンドル装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のスピンドル装置において、
前記スピンドルの表面には、めっき層が形成されている、ことを特徴とするスピンドル装置。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれかに記載のスピンドル装置において、
前記工具ホルダも、炭素繊維強化プラスチックによって構成されている、ことを特徴とするスピンドル装置。
【請求項５】
ワークＷを載置するテーブルと、
請求項１〜請求項４のいずれかに記載のスピンドル装置と、
前記テーブルと前記スピンドル装置とを相対移動させる相対移動機構と、を備えることを特徴とする工作機械。
【請求項６】
回転可能なスピンドルに着脱可能に設けられ工具を保持する工具ホルダであって、
前記工具ホルダは、炭素繊維強化プラスチックによって構成されている、ことを特徴とする工具ホルダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピンドル装置、これを備えた工作機械および工具ホルダに関する。詳しくは、軸受本体と、この軸受本体に回転可能に支持されたスピンドルと、このスピンドルに工具ホルダを介して取り付けられた工具と、前記スピンドルを回転させる回転駆動機構とを備えたスピンドル装置、これを備えた工作機械および工具ホルダに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、工作機械において、生産性向上の要求から、高速化の要請が高まっている。
この要請に応えるべく、工作機械のなかには、軽量化および高剛性を目的として、構造部分の一部部品、例えば、クロスレールを炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：Carbon Fiber Reinforced Plastic）で一体成形したものが知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２６３３５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したように、従来のもののなかには、構造部分の一部部品を炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）で形成し、軽量化を図ったものが知られているが、スピンドルに関しては，今まで主にステンレスで形成されているため、軽量化の点では十分でなく、更なる軽量化が要請されている。
【０００５】
本発明の目的は、このような要請に応え、スピンドル自体の剛性を維持しつつ、軽量化を図ったスピンドル装置、これを備えた工作機械および工具ホルダを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のスピンドル装置は、軸受本体と、この軸受本体に回転可能に支持されたスピンドルと、このスピンドルに工具ホルダを介して取り付けられた工具と、前記スピンドルを回転させる回転駆動機構とを備えたスピンドル装置において、前記スピンドルは、炭素繊維強化プラスチックによって構成されている、ことを特徴とする。
ここで、炭素繊維強化プラスチックとしては、ポリアクリロニトリル繊維を焼成したパン系や、石炭・石油化学の残渣として出るピッチを溶融紡糸後に焼成したピッチ系のいずれであってもよい。
この構成によれば、スピンドルが炭素繊維強化プラスチックで形成されているから、固有振動数、剛性を高めつつ、軽量化を図ることができる。そのため、スピンドルを高速回転させることができるため、生産性の向上に寄与できる。
【０００７】
本発明のスピンドル装置において、前記スピンドルは、内部に中空部を有する筒形状に形成されている、ことが好ましい。
この構成によれば、スピンドルが、内部に中空部を有する筒形状に形成されているから、炭素繊維強化プラスチックによる材料の軽量化に加え、構造的にも軽量化することができる。
【０００８】
本発明のスピンドル装置において、前記スピンドルの表面には、めっき層が形成されている、ことが好ましい。
ここで、めっき層としては、硬質めっき層が好ましく、例えば、無電解ニッケルめっきなどを挙げることができる。
この構成によれば、スピンドルの表面にはめっき層が形成されているから、表面粗さ、耐摩耗性にも優れる。従って、これを回転可能に支持する軸受本体との間の摩耗も少なくできるから、長期に渡ってスピンドルの回転性能を維持することができる。
【０００９】
本発明のスピンドル装置において、前記工具ホルダも、炭素繊維強化プラスチックによって構成されている、ことが好ましい。
この構成によれば、回転するスピンドルとともに、このスピンドルに取り付けられる工具ホルダも、炭素繊維強化プラスチックによって構成されているから、回転部分の重量をより軽量化することができる。そのため、スピンドルを高速回転、ひいては、生産性の向上により貢献できる。
【００１０】
本発明の工作機械は、ワークを載置するテーブルと、上述したいずれに記載のスピンドル装置と、前記テーブルと前記スピンドル装置とを相対移動させる相対移動機構と、を備えることを特徴とする。
この構成によれば、上述した効果が期待できる工作機械を実現することができる。
【００１１】
本発明の工具ホルダは、回転可能なスピンドルに着脱可能に設けられ工具を保持する工具ホルダであって、前記工具ホルダは、炭素繊維強化プラスチックによって構成されている、ことを特徴とする。
この構成によれば、スピンドルに取り付けられる工具ホルダが、炭素繊維強化プラスチックによって構成されているから、回転部分の重量をより軽量化することができる。そのため、スピンドルを高速回転、ひいては、生産性の向上により貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係る工作機械を示す斜視図。
【図２】前記実施形態において、主軸装置およびその周辺部分を示す図。
【図３】前記実施形態において、スピンドル装置を示す断面図。
【図４】前記実施形態において、テーブルの構成を示す図。
【図５】前記実施形態において、サドルの構成を示す図。
【図６】前記実施形態において、主軸ヘッド本体の構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
＜実施形態の構成＞
本実施形態の工作機械は、図１に示すように、ベース１と、このベース１にＸ軸ガイド機構１１およびＸ軸リニアモータ機構１２を介してＸ軸方向へ移動可能に設けられ上面にワークＷを載置するテーブル１３と、このテーブル１３を跨いで設けられた門型コラム２０と、この門型コラム２０の水平ビーム２０ＡにＹ軸ガイド機構２１およびＹ軸リニアモータ機構２２を介してＹ軸方向へ移動可能に設けられた主軸装置３０とから構成されている。
【００１４】
Ｘ軸ガイド機構１１は、ベース１の上面にＸ軸方向に沿って互いに平行に配置されたガイドレール１１Ａと、テーブル１３の下面にガイドレール１１Ａに沿ってスライド可能に設けられたスライド部材１１Ｂとを含んで構成されている。
Ｘ軸リニアモータ機構１２は、ベース１の上面においてガイドレール１１Ａの間にこれらと平行に配列されたマグネット１２Ａと、このマグネット１２Ａに隙間を隔ててテーブル１３の下面に取り付けられたコイル１２Ｂとを含むリニアモータによって構成されている。
【００１５】
Ｙ軸ガイド機構２１は、門型コラム２０の水平ビーム２０Ａの上面にＹ軸方向に沿って互いに平行に配置されたガイドレール２１Ａと、主軸装置３０の下面にガイドレール２１Ａに沿ってスライド可能に設けられたスライド部材２１Ｂとを含んで構成されている。
Ｙ軸リニアモータ機構２２は、門型コラム２０の水平ビーム２０Ａの上面においてガイドレール２１Ａの間にこれらと平行に配列されたマグネット２２Ａと、このマグネット２２Ａに隙間を隔てて主軸装置３０の下面に取り付けられたコイル２２Ｂとを含むリニアモータによって構成されている。
【００１６】
（主軸装置の説明：図２参照）
主軸装置３０は、図２に示すように、門型コラム２０の水平ビーム２０ＡにＹ軸ガイド機構２１およびＹ軸リニアモータ機構２２を介してＹ軸方向へ移動可能に設けられた主軸ヘッド支持部材としてのサドル３３と、このサドル３３にＺ軸ガイド機構４１および昇降機構としてのＺ軸リニアモータ機構４２を介して昇降可能に設けられた主軸ヘッド４３と、この主軸ヘッド４３の重量の少なくとも一部を支える付勢力を発生するバランスシリンダ４４とから構成されている。
【００１７】
Ｚ軸ガイド機構４１は、主軸ヘッド４３の裏面にＺ軸方向に沿って互いに平行に配置されたガイドレール４１Ａと、サドル３３の正面に固定されガイドレール４１Ａをスライド可能に案内するスライド部材４１Ｂとを含んで構成されている。
Ｚ軸リニアモータ機構４２は、主軸ヘッド４３の裏面においてガイドレール４１Ａの間にこれらと平行に配列されたマグネット４２Ａと、このマグネット４２Ａに隙間を隔ててサドル３３の正面に取り付けられたコイル４２Ｂとを含むリニアモータによって構成されている。
ここで、コイル４２Ｂの周囲は遮熱部材４２Ｃで覆われている。遮熱部材４２Ｃとしては、アルミニウムまたはプラスチックスなどの材料によって箱状に形成されている。
【００１８】
主軸ヘッド４３は、図１に示すように、主軸ヘッド本体５１と、この主軸ヘッド本体５１に取り付けられたスピンドル装置６０とを含んで構成されている。
【００１９】
バランスシリンダ４４は、主軸ヘッド４３を挟んだ両側にそれぞれ設けられている。各バランスシリンダ４４は、上端がブラケット５２を介してサドル３３に支持されたシリンダ本体４４Ａと、上端にシリンダ本体４４Ａ内に摺動可能に収納されたピストンを有し下端が主軸ヘッド４３の下端に連結されたピストンロッド４４Ｂとから構成されている。ピストンで区画されたシリンダ本体４４Ａの下室には、図示省略の空気供給源からのエアーが圧力レギュレータ等を介して供給されている。その結果、バランスシリンダ４４によって、主軸ヘッド４３の重量とバランスする付勢力が主軸ヘッド４３に上向きに与えられている。
【００２０】
（スピンドル装置の説明：図３参照）
スピンドル装置６０は、図３に示すように、先端に工具ホルダ６６を介して工具としての砥石６７を取り付けたスピンドル６１と、このスピンドル６１を収納する収納孔７２を有する軸受本体７１と、この軸受本体７１の収納孔７２内に固定されスピンドル６１を空気層を介して回転可能に支持する軸受部材８１，８２と、この軸受部材８１，８２にエアーを供給するエアー供給手段９１と、スピンドル６１を回転させる回転駆動機構１０１とを備える。
【００２１】
スピンドル６１は、内部に中空部６２を有する所定長さの筒形状に形成された軸部６３と、この軸部６３の途中に設けられ軸部６３の径よりも径大なフランジ部６４とを有する形状に形成されている。また、スピンドル６１の基端側には、エアータービン羽根１０２が取り付けられている。
【００２２】
工具ホルダ６６は、スピンドル６１の先端に着脱可能に取り付けられるねじ構造のスピンドル装着部６６Ａと、このスピンドル装着部６６Ａよりも径大に形成されたフランジ部６６Ｂと、このフランジ部６６Ｂから先端に向かうに従って次第に縮径したテーパ部６６Ｃとを備える形状に形成されている。テーパ部６６Ｃの先端には、工具としてのカップ形状の砥石６７が締付ボルト６８や接着などによって一体的に保持されている。
【００２３】
本実施形態においては、スピンドル６１および工具ホルダ６６が、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）によって構成されている。炭素繊維強化プラスチックとしては、ポリアクリロニトリル繊維を焼成したパン系や、石炭・石油化学の残渣として出るピッチを溶融紡糸後に焼成したピッチ系のいずれであってもよい。
また、スピンドル６１の表面には、めっき層、例えば、無電解ニッケルめっき層が形成されている。
【００２４】
軸受部材８１，８２は、軸部６３の外周面との間に所定のラジアル隙間８３を有する内径およびラジアル隙間８３にエアーを噴出するエアー噴出孔８４を有するラジアル軸受部材８１Ａ，８２Ａと、これらラジアル軸受部材８１Ａ，８２Ａと一体的に形成されフランジ部６４の端面との間に所定のスラスト隙間８５およびスラスト隙間８５にエアーを噴出するエアー噴出孔８６を有するスラスト軸受部材８１Ｂ，８２Ｂとから構成されている。
【００２５】
軸受本体７１には、中心軸方向にスピンドル６１を収納する収納孔７２が形成されているとともに、外部に２つのエアー供給口７３，７４が形成されている。また、内部には、エアー供給口７３から各軸受部材８１，８２のエアー噴出孔８４，８６に連通するエアー供給路７７およびエアー供給口７４からエアータービン羽根１０２の外周に臨むエアー供給路としてのエアーノズル１０３が形成されている。
【００２６】
エアー供給手段９１は、エアー供給源としてのコンプレッサ９２と、このコンプレッサ９２とエアー供給口７３との間に設けられた圧力レギュレータ９４と、コンプレッサ９２とエアー供給口７４との間に設けられた圧力レギュレータ９５とから構成されている。
【００２７】
回転駆動機構１０１は、スピンドル６１の基端側に固定されたエアータービン羽根１０２と、軸受本体７１に形成されたエアーノズル１０３とによって構成されている。これにより、エアー供給手段９１からのエアーがエアーノズル１０３を通じてエアータービン羽根１０２に供給されると、エアータービン羽根１０２が回転され、これと一緒にスピンドル６１が回転される。
【００２８】
（テーブル１３、サドル３３、主軸ヘッド本体５１の説明：図４〜図６参照）
本実施形態においては、テーブル１３とスピンドル装置６０とを相対移動させる相対移動機構のうち、可動側部材が、予め、炭素繊維強化プラスチック(ＣＦＲＰ)によって構成された異なる基本的形状の複数種の構造材の組み合わせによって構成されている。ここでは、工作機械を構成する構成要素のうち、テーブル１３と、サドル３３と、主軸ヘッド本体５１が、炭素繊維強化プラスチック（以下、ＣＦＲＰという場合もある）によって構成された異なる形状の複数種の構造材の組み合わせによって構成されている。次に、これらの製造方法および構造について説明する。
【００２９】
（テーブル１３の製造方法について）
テーブル１３は、図４に示すように、四角形状のテーブル１３の４辺に配置された断面Ｃ形のＣＦＲＰ製の構造材１３Ａと、この構造材１３Ａで囲まれた前後の構造材１３Ａの間に掛け渡された断面Ｉ形のＣＦＲＰ製の補強構造材１３Ｂと、構造材１３Ａ，１３Ｂの上下面に配置された四角形のＣＦＲＰ製の面材１３Ｃと、下面に接着されたＣＦＲＰ製の補強面材１３Ｄとから構成されている。
【００３０】
（サドル３３の製造方法について）
サドル３３は、図５に示すように、箱形状のサドル３３の四隅に配置された断面Ｌ形状のＣＦＲＰ製の構造材３３Ａと、各構造材３３Ａの間に接着された四角形のＣＦＲＰ製の側面材３３Ｂと、上面に接着された四角形のＣＦＲＰ製の上面材３３Ｃと、底面に接着されたＣＦＲＰ製の下面材３３Ｄとから構成されている。
【００３１】
（主軸ヘッド本体５１の製造方法について）
主軸ヘッド本体５１は、図６に示すように、互いに平行に配置されたＣＦＲＰ製の側面材５１Ａと、この側面材５１Ａの背面に接着されたＣＦＲＰ製の背面材５１Ｂと、側面材５１Ａの上面および底面に接着されたＣＦＲＰ製の上面材５１Ｃおよび下面材５１Ｄと、側面材５１Ａの中間に挿入されたＣＦＲＰ製の補強面材５１Ｅと、側面材５１Ａの下端部および下面材５１Ｄの正面部に接着されたＣＦＲＰ製の補強面材５１Ｆとから構成されている。つまり、正面および上面の前半分が開放された縦長箱形状に形成されている。下面材５１Ｄの中心には、スピンドル装置６０を挿入するための孔５１Ｇが形成されている。
【００３２】
＜実施形態の作用、効果＞
このような構成の工作機械において、ワークＷを加工するには、ワークＷをテーブル１３上にセットしたのち、テーブル１３をＸ軸方向へ、サドル３３をＹ軸方向へ、主軸ヘッド４３をＺ軸方向へ移動させながら、砥石６７によってワークＷを加工する。
本実施形態では、スピンドル装置６０のスピンドル６１および工具ホルダ６６が炭素繊維強化プラスチックによって構成されているから、スピンドル６１および工具ホルダ６６を軽量化することができる。そのため、スピンドル６１を高速回転させることができるから、生産性の向上が期待できる。
【００３３】
しかも、スピンドル６１は内部に中空部６２を有する筒形状であるから、無垢のスピンドルに比べて、より軽量化できる。
また、スピンドル６１の表面にはめっき層が形成されているから、耐摩耗性にも優れる。従って、これを回転可能に支持する軸受本体７１との間の摩耗も少なくできるから、長期に渡ってスピンドル６１の回転性能を維持することができる。
【００３４】
また、本実施形態では、可動側部材、つまり、テーブル１３、サドル３３、主軸ヘッド４３を構成する主軸ヘッド本体５１が、炭素繊維強化プラスチックによって構成されているから、これら部材を軽量化することができる。そのため、これら部材の移動速度を高速化することができるから、生産性の向上が期待できる。
【００３５】
しかも、テーブル１３、サドル３３、主軸ヘッド４３を構成する主軸ヘッド本体５１は、炭素繊維強化プラスチックによって構成された異なる形状の複数種の構造材を組み合わせ製造されているから、安価に製造できる。
【００３６】
また、主軸ヘッド４３を昇降させる昇降機構が、主軸ヘッド４３に主軸ヘッド４３の昇降方向に沿って設けられたマグネット４２Ａと、サドル３３にマグネット４２Ａに対向して配置されたコイル４２Ｂとを含むＺ軸リニアモータ機構４２を含んで構成されているから、主軸ヘッド４３を高速で、円滑かつ高精度に昇降動作させることができる。
しかも、Ｚ軸リニアモータ機構４２を構成するコイル４２Ｂの周囲は遮熱部材４２Ｃで覆われているから、コイルからの発熱によって、主軸ヘッド本体５１などが熱変形を起こすのを防ぐことができる。従って、高精度を維持できる。
【００３７】
＜変形例＞
なお、本発明は、前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
前記実施形態では、スピンドル６１を、内部に中空部６２を有する所定長さの軸部６３と、この軸部６３の途中に設けられ軸部６３の径よりも径大なフランジ部６４とを有する形状としたが、これに限られない。例えば、無垢の円柱状であってもよい。なお、スピンドル６１は、エアーベアリングによって回転可能に支持される構造であったが、ボールベアリング等によって回転可能に支持される構造であってもよい。
【００３８】
前記実施形態では、工具ホルダ６６を、スピンドル６１の先端に着脱可能に取り付けられるねじ構造のスピンドル装着部６６Ａと、このスピンドル装着部６６Ａよりも径大に形成されたフランジ部６６Ｂと、このフランジ部６６Ｂから先端に向かうに従って次第に縮径したテーパ部６６Ｃとを備える形状に形成されていたが、これに限られない。例えば、スピンドル装着部６６Ａについては、ねじ構造に限らず、テーパシャンクに形成し、このテーパシャンクがスピンドルの先端テーパ孔に係合する構造であってもよい。
また、テーパ部６６Ｃの先端に砥石６７が締付ボルト６８や接着などによって一体的に保持されている構造としたが、チャックなどによって、テーパ部６６Ｃの先端に対して砥石６７が着脱可能な構造であってもよい。
なお、工具としては、砥石６７に限らず、ドリルやエンドミルなど、回転しながら切削加工や研削加工を行う工具であればいずれでもよい。
【００３９】
前記実施形態では、テーブル１３、サドル３３、主軸ヘッド本体５１の構造材として、断面Ｃ形、Ｉ形、Ｌ形の形材と、面材とを用いたが、これに限られない。例えば、断面Ｃ形、Ｉ形、Ｌ形の形材と、面材のほかに、断面Ｈ形、Ｔ形、三角形、丸形、四角形などの構造材を用意しておき、これらの中から必要な構造材を選択して、機械の部品を構成するようにしてもよい。
なお、予め、これらの構造材を製造するには、構造材の断面形状に適した成形法で行う。例えば、三角形、丸形、四角形などの構造材の場合、連続した炭素繊維に樹脂を染み込ませたものを芯金に巻き付けて筒状に成形するのが好ましい。
【００４０】
前記実施形態では、テーブル１３と砥石６７とを相対移動させる相対移動機構のうち、可動側部材について、予め、炭素繊維強化プラスチックによって構成された異なる形状の複数種の構造材の組み合わせによって構成したが、これに限られない。
例えば、門型コラム２０の水平ビーム２０Ａを炭素繊維強化プラスチックによって構成された異なる形状の複数種の構造材を組み合わせて構成してもよく、あるいは、ベース１も含めて、工作機械の主要構造材の全てを炭素繊維強化プラスチックによって構成された異なる形状の複数種の構造材を組み合わせて構成してもよい。
【００４１】
前記実施形態では、工作機械として、テーブル１３がＸ軸方向へ、主軸ヘッド４３がＹ軸方向およびＺ軸方向へ移動可能であったが、これに限られない。要は、テーブル１３と主軸ヘッド４３が二次元（２軸方向）あるいは三次元（３軸方向）へ相対移動可能な構造であれば、いずれが移動する構造であってもよい。
【００４２】
また、前記実施形態では、各軸移動機構をリニアモータ機構、つまり、Ｘ軸リニアモータ機構１２、Ｙ軸リニアモータ機構２２、Ｚ軸リニアモータ機構４２によって構成したが、必ずしも、リニアモータ機構でなくてもよい。ボールねじを用いた送り機構であってもよい。
また、前記実施形態では、スピンドル６１の回転駆動機構１０１として、エアータービン機構を用いたが、これに限らず、例えば、モータなどであってもよい。
【００４３】
また、前記実施形態では、バランスシリンダ４４によって主軸ヘッド４３の重量とバランスする付勢力を発生させるようにしたが、必ずしも、主軸ヘッド４３の重量とバランスする付勢力でなくてもよく、主軸ヘッド４３の重量の少なくとも一部を支える付勢力を発生する構成であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、一般的な工作機械に限らず、超精密非球面加工機などの超精密工作機械にも応用できる。
【符号の説明】
【００４５】
１１…Ｘ軸ガイド機構（相対移動機構）、
１２…Ｘ軸リニアモータ機構（相対移動機構）、
１３…テーブル、
２１…Ｙ軸ガイド機構（相対移動機構）、
２２…Ｙ軸リニアモータ機構（相対移動機構）、
４１…Ｚ軸ガイド機構（相対移動機構）、
４２…Ｚ軸リニアモータ機構（相対移動機構）、
６０…スピンドル装置、
６１…スピンドル、
６６…工具ホルダ、
６７…砥石（工具）、
７１…軸受本体、
１０１…回転駆動機構、
Ｗ…ワーク。  
【図１】
2014014883.tif 000003
【図２】
2014014883.tif 000004
【図３】
2014014883.tif 000005
【図４】
2014014883.tif 000006
【図５】
2014014883.tif 000007
【図６】
2014014883.tif 000008