(57)【要約】  【課題】  主軸の軸受として非接触の軸受では、油静圧軸受による高速回転での発熱の問題、空気静圧軸受による低速回転での低い軸受剛性の問題を解消でき、耐久性が高く、加工精度が維持され、しかも、精密な加工に柔軟に対応できる工作機械の主軸装置を提供する。  【解決手段】  主軸ヘッドに対し、主軸７を回転自在に支持する軸受に、主軸をその径方向、または、軸方向に支承する静圧軸受１７を用い、たとえば、主軸７の低速回転のときは油静圧軸受に切り換えるための油供給用電磁弁１を設け、高速回転のときは空気静圧軸受に切り換えるための空気供給用電磁弁２を設けるとともに、加工に応じて油供給用電磁弁１と空気供給用電磁弁２とが切り換えられ、同じ管路９の中で油と空気とが使い分けられることを特徴とする工作機械の主軸装置６である。【選択図】      図３
2006062043.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主軸ヘッドと、この主軸ヘッドに複数の軸受を介して回転自在に支持され、先端に工具装着部を有する主軸と、この主軸を回転駆動する駆動手段とを備えた工作機械の主軸装置において、
前記軸受は、主軸をその径方向または軸方向に支承する静圧軸受として形成され、この静圧軸受を油静圧軸受として作動させるために、その静圧軸受に作動油を供給する作動油供給手段と、
前記静圧軸受を空気静圧軸受として作動させるために、その静圧軸受に空気を供給する空気供給手段と、
を備えたことを特徴とする工作機械の主軸装置。
【請求項２】
前記静圧軸受へ作動油または空気を供給する管路が共通であることを特徴とする請求項１に記載の工作機械の主軸装置。
【請求項３】
前記作動油と前記空気とを混合するミキシングバルブが設けられたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の工作機械の主軸装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械の主軸装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、工作機械の主軸装置において、主軸の軸受は、ころがり軸受が一般的である。このころがり軸受では、スチール製のボールベアリングが使用されてきた。主軸回転の高速化により、スチール製のボールの遠心力による発熱が問題になり、このスチール製のボールに代わって、軽量で熱膨張率の低いセラミック製のボールベアリングが使用されている。しかし、このようなボールベアリングでは、このボール自身が接触して、軸受の幾何誤差の影響が直接現れやすいため、精密加工には、不向きであることから、非接触の静圧軸受が使用されている。
非接触の油静圧軸受、または、空気静圧軸受は流体を介在させるため、この幾何誤差が平均化され、影響が小さくなる。
【０００３】
図４は従来の静圧軸受を用いた主軸装置の断面図である。図４に示すように、主軸装置１０は、ビルトインモータ４０で回転駆動される主軸３０と、主軸３０をその径方向または軸方向に支承する空気軸受５０，６０と、空気軸受５０，６０を収容するハウジング２０とから構成されている。軸受ブッシュ２５，２６，２７に複数の空気軸受５０，６０を形成し、各空気軸受５０，６０を空気ノズル５１，６１を用いる空気静圧軸受とし、各空気ノズル５１，６１の間に排気溝５２，６２を形成してその区間の排気を行うことにより、主軸３０の軸芯変位時の復元力を確保し、軸受剛性を高めることができる。（たとえば、特許文献１参照）
【特許文献１】特開平９−２６７０３８号（段落番号００３９〜００６０、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、軸受剛性を高めることができるとは言っても、空気静圧軸受では、粘性が低いため、圧縮性が大きく供給圧力を高くできない（０．５ＭＰａ以下）事情から、高い軸受剛性が得にくいという問題があった。
また、主軸の軸受として非接触の軸受である油静圧軸受では、高剛性が得やすいものの、粘性が高いため、高速回転になると、回転の上昇に伴い発熱が大きくなり、その熱を吸収するオイルクーラーのような冷却装置が新たに必要になるという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、これらの問題点を解決するために創案されたものであり、主軸の軸受として非接触の軸受では、油静圧軸受による高速回転での発熱の問題、空気静圧軸受による低速回転での低い軸受剛性の問題を解消でき、耐久性が高く、加工精度が維持され、しかも、精密な加工に柔軟に対応できる工作機械の主軸装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
主軸ヘッドと、この主軸ヘッドに複数の軸受を介して回転自在に支持され、先端に工具装着部を有する主軸と、この主軸を回転駆動する駆動手段とを備えた工作機械の主軸装置において、前記軸受は、主軸をその径方向または軸方向に支承する静圧軸受として形成され、この静圧軸受を油静圧軸受として作動させるために、その静圧軸受に作動油を供給する作動油供給手段と、前記静圧軸受を空気静圧軸受として作動させるために、その静圧軸受に空気を供給する空気供給手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の工作機械の主軸装置であって、前記静圧軸受へ作動油または空気を供給する管路が共通であることを特徴とする。
【０００８】
請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の工作機械の主軸装置であって、前記作動油と前記空気とを混合するミキシングバルブが設けられたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１に係る発明によれば、作動油供給手段により作動油が供給されて油静圧軸受に切り換わり、空気供給手段により空気が供給されて空気静圧軸受に切り換わることにより、油静圧軸受による高速回転での発熱の問題は、発熱の少ない空気静圧軸受に切り換えることにより、問題の解消ができる。また、低速回転での軸受剛性の低い空気静圧軸受の問題は、高い軸受剛性を有する油静圧軸受に切り換えることにより、問題の解消ができる。また、耐久性が高く、加工精度が維持され、しかも、精密な加工に柔軟に対応できる。
【００１０】
請求項２に係る発明によれば、前記静圧軸受へ作動油または空気を供給する管路が共通であるため、管路の本数を半減させるとともに、同じ管路の中で作動油と空気とを切り換えて使い分けることができるため、管路の簡素化ができる。
【００１１】
請求項３に係る発明によれば、作動油と空気とを混合するミキシングバルブが設けられたことにより、両者の混合比を変えることができる他、少量の作動油を供給した状態で、空気静圧軸受として作用させることにより、少量の作動油が焼き付きを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は本発明の工作機械の主軸装置の一実施形態を示し、たとえば、立型マシニングセンタの主軸装置の縦断面図である。図１に示すように、主軸装置６には、先端に工具装着部７ａを有する主軸７が複数の静圧軸受１７を介して回転自在に支持されている。主軸ヘッド６ａに嵌入されたスリーブ６ｂの外周面には螺旋状の溝が形成され、主軸冷却用のジャケット６ｃが形成されており、内周面には主軸７を回転駆動する駆動手段であるビルトインモータ１６のステータ１６ａが嵌着されている。また、主軸７の外周面には、ビルトインモータ１６のロータ１６ｂが嵌着されている。
【００１３】
図２は、図１に示す主軸装置の下部を拡大した拡大断面図である。図２に示すように、主軸ヘッド６ａ内において、主軸７の下部と上部（図１参照）には、前記静圧軸受１７が形成されている。主軸７の下部では、主軸７に鍔７ｂが形成されており、この鍔７ｂを挟むように静圧軸受１７が配置されている。静圧軸受１７は、その径（ラジアル）方向に作動油または空気を噴射するノズル１７ａと、軸（スラスト）方向に作動油または空気を噴射するノズル１７ｂとから構成されている。
静圧軸受１７から漏れ出た作動油は、主軸ヘッド６aの下部に配置したタンク１０に戻り、吸引管１０ａによって機外のタンクへ回収される。主軸７の工具装着部７ａには、図示しないＡＴＣ装置により工具ホルダ１９が挿入され、主軸７の内部のクランプシリンダ８ａ、ドローバー８ｂ、クランパ８ｃ等で構成される工具クランプ機構８により工具ホルダ１９がクランプ（固定）される。また、クランプシリンダ８ａ内には、補助的なコイルばね８ｄが収容されている。
工具クランプ機構８は、クランプシリンダ８ａによって工具クランプ力を得ているため、主軸の高速回転においても皿ばねからくる振動の発生がなく、バランスよく回転でき、精密加工に適するものである。
【００１４】
図３（ａ）、（ｂ）は、静圧軸受の作動油圧、空圧回路図である。図３（ａ）に示すように、各静圧軸受には、作動油供給手段である作動油供給用電磁弁１とポンプを含む油圧装置、空気供給手段である空気供給用電磁弁２とポンプを含む空圧装置が接続されている。たとえば、低速回転時で、しかも、剛性が必要な加工をするときは、油静圧軸受に切り換えるために空気供給用電磁弁２を閉にして、作動油供給用電磁弁１を開にして空気静圧軸受から油静圧軸受に切り換え、同じ管路９の中で油と空気とが使い分けられる。作動油圧力２〜３ＭＰａの高い圧力で供給することによって、軸受剛性を高くすることができる。油静圧軸受による高速回転は、作動油の粘性で発熱により温度上昇するため、大きなクーラーを付けて、熱を除去する対策が必要になるが、高速回転時は空気静圧軸受に切り換えることができるため、ここでは、従来の熱対策は不要であり、発熱を防止する。つまり、空気静圧軸受は粘性抵抗が低いため、発熱も極めて小さく、温度上昇の問題が起きにくい。
また、高速回転時、空気静圧軸受に切り換える場合は、作動油供給用電磁弁１を閉にして、空気供給用電磁弁２を開にする。
【００１５】
本発明の特徴の１つ目は、高速回転、低速回転という視点での切り替えである。
２つ目の特徴は、加工目的に応じて、油静圧軸受または空気静圧軸受が使い分けてもよい。たとえば、低速回転において精密な加工をするときに、油静圧軸受ではなくて、空気静圧軸受とするとよい。このように、加工の目的に応じて空気と作動油を同じ経路の中で切り換えて使うことである。したがって、耐久性が高く、加工精度を維持できるとともに、精密な加工に柔軟に対応できるものである。
３つ目の特徴は、油圧装置の油圧源と、空圧装置の空圧源とが接続され、主軸ヘッド６ａ内においては同じ導通穴（経路）で供給するため、導通穴の個数は最小限でよく、そのスペースの確保が容易である。
【００１６】
さらに、図３（ｂ）に示すように、作動油供給用電磁弁１と空気供給用電磁弁２の他に、作動油と空気の両者を混合するミキシングバルブ３を設けている。このミキシングバルブ３を設けたことによって、所定の混合比で作動油と空気を混合し、静圧軸受１７に供給する。
この静圧軸受１７は、作動油とエアを同じ圧力にして、ミスト状にして噴射するとよい。少量の作動油を供給した状態で、空気静圧軸受として作用させることにより、少量の作動油が焼き付きを防止する。また、作動油の量を変えてもよい。
【００１７】
また、図１に示すように、主軸装置６にはエアタービン１８が内蔵されている。主軸７に一体に固定された回転体１８ａの外周面に複数の溝部１８ｂが形成されている。この溝部１８ｂに対して、主軸ヘッド６ａ側の内周面に前記回転体１８ａの外径の接線方向にノズル１７ｃが配設され、高圧エアが噴射されて主軸７を回すことができる。
【００１８】
なお、本発明はその技術思想の範囲内で種々の改造、変更が可能である。本発明の工作機械の主軸装置としては、たとえば、立形マシニングセンタ、横形マシニングセンタに好適であるが、その他のマシニングセンタや専用機等に用いることもできる。エアタービンはなくてもよく、さらに、工具クランプ機構もプルスタッド方式等のほかの形態をとることもでき、クランプ源も他の方式を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の工作機械の主軸装置の一実施形態を示し、立型マシニングセンタの主軸装置の縦断面図である。
【図２】図１に示す主軸装置の下部を拡大した拡大断面図である。
【図３】（ａ）は静圧軸受の作動油圧、空圧回路図である。  （ｂ）はさらにミキシングバルブを追加した静圧軸受の作動油圧、空圧回路図である。
【図４】従来の静圧軸受を用いた主軸装置の断面図である。
【符号の説明】
【００２０】
１      作動油供給用電磁弁（作動油供給手段）
２      空気供給用電磁弁（空気供給手段）
３      ミキシングバルブ
６      主軸装置
６ａ    主軸ヘッド
６ｂ    スリーブ
７      主軸
７ａ    工具装着部
７ｂ    鍔
８      工具クランプ機構
９      管路
１０    タンク
１０ａ  吸引管
１６    ビルトインモータ（駆動手段）
１６ａ  ステータ
１６ｂ  ロータ
１７    静圧軸受（油静圧軸受、空気静圧軸受）
１７ａ，１７ｂ，１７ｃ  ノズル
１８    エアタービン
１８ａ  回転体
１８ｂ  溝部
１９    工具ホルダ
【図１】
2006062043.tif 000003
【図２】
2006062043.tif 000004
【図３】
2006062043.tif 000005
【図４】
2006062043.tif 000006