(57)【要約】【課題】主軸の振動を効果的に減衰できる主軸装置と工作機械を提供する。【解決手段】工作機械は主軸装置５を備える。主軸装置５は主軸２０、複数の軸受３１〜３４、間座３５を備える。主軸２０は工具を着脱可能に装着する。複数の軸受３１〜３４は主軸２０の軸方向に並び、主軸２０の外周面２０Ａを回転可能に支持する。間座３５は複数の軸受３１〜３４の内、主軸２０の軸方向に隣り合う一対の軸受３２、３３の間に設ける。間座３５は制振部材である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作機械の主軸装置において、
工具を着脱可能に装着する軸である主軸と、
前記主軸の軸方向に並んで設け、前記主軸の外周面を回転可能に支持する複数の軸受と、
前記複数の軸受の内、前記軸方向に隣り合う一対の軸受の間に設けた制振部材と
を備えたことを特徴とする主軸装置。
【請求項２】
前記一対の軸受の前記軸方向の間に設けた環状の部材であって、前記一対の軸受の前記軸方向の間の距離を規定する間座を備え、
前記間座の一部又は全部は、前記制振部材であることを特徴とする請求項１に記載の主軸装置。
【請求項３】
前記一対の軸受は、夫々、背面組み合わせのアンギュラ玉軸受であり、
前記間座は、環状の内輪と、前記内輪よりも前記主軸の径方向外側に設ける環状の外輪とを備えたことを特徴とする請求項２に記載の主軸装置。
【請求項４】
前記間座は、前記内輪及び前記外輪の内、少なくとも前記外輪が前記制振部材であることを特徴とする請求項３に記載の主軸装置。
【請求項５】
請求項１から４の何れかに記載の主軸装置を備えたことを特徴とする工作機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主軸装置と工作機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械は工具を装着した主軸を回転することでワークの切削加工等を行う。ワーク加工時に発生する主軸の振動を減衰する工作機械がある。特許文献１の工作機械は複数の軸受で主軸を回転可能に支持する。主軸の先端側には段差部がある。主軸は軸受と段差部の間に調整スペーサを備える。調整スペーサは振動吸収部材であり、主軸の振動を減衰する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−１０７９７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ワーク加工時には工具に切削力が作用する。例えば隣り合う一対の軸受の間の距離が大きい場合、主軸は切削力により一対の軸受の間で撓むことがある。切削力の変動と共に主軸が回転すると、主軸の振動が発生する。主軸の振動が大きい場合、ワークの加工不良となることがある。該場合、主軸の振動を抑制する為、ワークに対する工具の切り込み深さを小さくする等、加工条件を変更する必要が生じる。
【０００５】
本発明の目的は、主軸の振動を効果的に減衰できる主軸装置と工作機械を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第一態様に係る主軸装置は、工作機械の主軸装置において、工具を着脱可能に装着する軸である主軸と、前記主軸の軸方向に並んで設け、前記主軸の外周面を回転可能に支持する複数の軸受と、前記複数の軸受の内、前記軸方向に隣り合う一対の軸受の間に設けた制振部材とを備える。
【０００７】
ワーク加工時、主軸は工具に作用する切削力により一対の軸受の間で撓む場合がある。切削力の変動と共に主軸が回転すると、主軸の振動が発生する。該場合、制振部材が一対の軸受の間にあるので、主軸の振動は制振部材によって減衰し易い。故に主軸装置は主軸の振動を効果的に減衰できる。
【０００８】
本発明の第一態様に係る主軸装置は、前記一対の軸受の前記軸方向の間に設けた環状の部材であって、前記一対の軸受の前記軸方向の間の距離を規定する間座を備え、前記間座の一部又は全部は、前記制振部材であってもよい。間座は一対の軸受の互いの間の距離を規定し且つ制振部材として主軸の振動を減衰できる。故に主軸装置は間座とは別に制振部材を設けた場合に比べて、制振部材を設けることによる装置の大型化を抑制できる。
【０００９】
本発明の第一態様に係る主軸装置において、前記一対の軸受は、夫々、背面組み合わせのアンギュラ玉軸受であり、前記間座は、環状の内輪と、前記内輪よりも前記主軸の径方向外側に設ける環状の外輪とを備えてもよい。ワーク加工時には工具に切削力が作用し、工具から主軸に軸方向の応力が伝わる。主軸の軸方向の応力は工具からの距離が近い側の軸受、間座、工具からの距離が遠い側の軸受の順に伝わる。一対の軸受が背面組み合わせのアンギュラ玉軸受なので、間座に伝わる応力は内輪よりも外輪を伝わり易い。故に応力が内輪から主軸に伝わり難いので、主軸装置は主軸の振動の発生を抑制できる。
【００１０】
本発明の第一態様に係る主軸装置において、前記間座は、前記内輪及び前記外輪の内、少なくとも前記外輪が前記制振部材であってもよい。間座に伝わる応力は内輪よりも外輪を伝わり易いので、内輪のみを制振部材とする場合に比べ、主軸装置は主軸の振動を効果的に減衰できる。
【００１１】
本発明の第二態様に係る工作機械は、本発明の第一態様に係る主軸装置を備える。工作機械は第一態様と同じ効果を奏せる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】工作機械１の上側半分を右側から見た縦断面図。
【図２】主軸装置５の正面図。
【図３】図２のＩ−Ｉ線矢視方向断面図。
【図４】主軸２０の機械コンプライアンス測定結果を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施形態を説明する。以下説明は図中に矢印で示す左右、前後、上下を使用する。工作機械１の左右方向、前後方向、上下方向は、夫々、工作機械１のＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向である。
【００１４】
図１を参照し、工作機械１の構造を説明する。工作機械１は立柱（図示略）、主軸ヘッド３、主軸装置５、工具交換装置（図示略）等を備える。立柱は基台（図示略）上部後方に立設する。立柱は前面にＺ軸移動機構（図示略）を備える。Ｚ軸移動機構は主軸ヘッド３をＺ軸方向に昇降可能である。主軸ヘッド３は内部に主軸装置５を上下方向に立てた姿勢で設ける。主軸ヘッド３は下側略半分に支持部３Ａを備える。支持部３Ａは略円筒状であり、主軸装置５を支持する。主軸装置５は主軸２０を回転可能に支持する。主軸２０は上下方向（Ｚ軸方向）に延び、下端部２１に工具７（工具ホルダ７０）を着脱可能に装着し、主軸モータ１８の駆動で回転する。主軸モータ１８は主軸ヘッド３上部に設ける。工具ホルダ７０はテーパ装着部７２とプルスタッド７３を備え、工具７を取り付けて保持する。テーパ装着部７２は上方に向かうに従って縮径する。プルスタッド７３はテーパ装着部７２上端から上方に突出する。工具交換装置は主軸ヘッド３のＺ軸方向の昇降動作に合わせて、主軸２０に装着した工具ホルダ７０を、次工具を保持する工具ホルダ７０と交換する。
【００１５】
図２、図３を参照し、主軸装置５の構造を説明する。図２、図３に示す如く、主軸装置５は主軸２０、複数の軸受３１〜３４、間座３５、ドローバ４０（図３参照）等を備える。主軸２０は中空状であり、上端部が主軸モータ１８の出力軸１８Ａ（図１参照）に連結する。主軸２０の軸線Ｐは上下方向に延びる。主軸２０の外周面２０Ａは主軸２０の軸方向（上下方向）から見て円形状である。
【００１６】
図３に示す如く、主軸２０は下端部２１が拡径する。下端部２１上面は段部２１Ｂを形成する。主軸２０は下端部２１内側にテーパ穴２１Ａを備える。テーパ穴２１Ａは下方に向かうに従って拡径しながら開口し、テーパ装着部７２（図１参照）を装着する。
【００１７】
複数の軸受３１〜３４は夫々環状であり、内側に主軸２０を挿通する。これらは主軸２０下側略半分において主軸２０の軸方向に沿って下側から上側に向かって軸受３１、３２、３３、３４の順に並ぶ。間座３５は環状であり、複数の軸受３１〜３４の内、主軸２０の軸方向に隣り合う一対の軸受３２、３３の間に設ける。軸受３１〜３４は夫々一般的なアンギュラ玉軸受であり、内輪３０Ａと外輪３０Ｂの間に複数の球３０Ｃを、接触角を有して転動可能に保持する。間座３５下側では複数の軸受３１、３２は並列組み合わせで配列する。一対の軸受３２、３３は間座３５を間にして背面組み合わせで配列する。間座３５上側では複数の軸受３３、３４は並列組み合わせで配列する。軸受３１〜３４夫々の外径は支持部３Ａ外径と略等しい。軸受３１〜３４夫々の内径は外周面２０Ａ外径と略等しい。外輪３０Ｂは支持部３Ａ（図１参照）にて回転不能に支持する。内輪３０Ａは外周面２０Ａを回転可能に支持する。
【００１８】
間座３５は内輪３５Ａと外輪３５Ｂを備える。内輪３５Ａは環状であり、外周面２０Ａを回転可能に支持する。外輪３５Ｂは環状であり、内輪３５Ａよりも主軸２０径方向外側に設ける。内輪３５Ａは一対の軸受３２、３３が夫々の内輪３０Ａの間で支持する。外輪３５Ｂは一対の軸受３２、３３が夫々の外輪３０Ｂの間で支持する。故に間座３５は一対の軸受３２、３３の軸方向間の距離を規定する。間座３５は内輪３５Ａと外輪３５Ｂの何れも制振部材である。制振部材は振動を吸収可能な部材をいい、詳細には外部から制振部材内部に作用する振動エネルギーを熱エネルギーに変換する能力が一般的な部材よりも大きい部材をいう。表１は制振部材の代表例を示す。制振部材は例えば制振合金、制振鋼板等の制振金属で構成し、一般に金属組成に応じて複合型、強磁性型、転移型、双晶型に分類する。間座３５は表１に示す制振部材の何れかで構成してもよいし、他の制振部材で構成してもよい。内輪３５Ａと外輪３５Ｂは互いに異なる制振部材で構成してもよい。制振部材は制振金属に限らず、制振ゴム、制振樹脂等で構成してもよいし、これらを組み合わせてもよい。
【表１】
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【００１９】
主軸２０の振動は高速回転による主軸２０の曲がりによる振動（以下曲げ振動という。）と、ワーク加工時に発生する主軸２０の軸方向の振動がある。内輪３５Ａは制振部材として主軸２０の曲げ振動の抑制に寄与する。外輪３５Ｂは制振部材として主軸２０の軸方向の振動の抑制に寄与する。
【００２０】
軸受３１は段部２１Ｂ上面に当接する。軸受３４には上側からナット３６が当接する。ナット３６は外周面２０Ａ螺子部（図示略）に締結し、軸受３１〜３４と間座３５を段部２１Ｂに押圧固定する。
【００２１】
図２に示す如く、主軸２０はナット３６上側に一対の長孔２９を備える。一対の長孔２９は外周面２０Ａを左右方向に貫通し、上下方向を長手方向として軸線Ｐを挟んで互いに対向する。一対の長孔２９にはピン６０が挿通する。ピン６０両端部は一対の長孔２９の夫々から外周面２０Ａ径方向外側に突出する。
【００２２】
図３に示す如く、主軸２０は内側に軸線Ｐに沿って中空孔２２を備える。中空孔２２は下端側から上端側に向かって順に第一収容孔２３と第二収容孔２４を備える。第一収容孔２３はクランプ機構２７を内側に収容する。クランプ機構２７は後述するドローバ４０の上下動に応じてプルスタッド７３を着脱自在に把持する（図１参照）。第二収容孔２４は第一収容孔２３よりも径方向外側に拡径する。第二収容孔２４は第一収容孔２３との間に段部２５を形成する。
【００２３】
ドローバ４０は第二収容孔２４に同心状に配置し、上下動できる。ドローバ４０はドローバ本体４１とドローバ延長部４２を備える。ドローバ本体４１は上下方向に延びる円柱状であり、下端部はクランプ機構２７に接続する。ドローバ延長部４２はドローバ本体４１上端部から上方に延びる略円柱状であり、ドローバ本体４１の径よりも大きい径を有する。ドローバ延長部４２は軸固定孔４５、ピン固定孔４７、螺子孔４８を備える。軸固定孔４５はドローバ延長部４２下端部から上方に延び、ドローバ本体４１上端部を下方から挿入固定する。
【００２４】
ピン固定孔４７は軸固定孔４５上側でドローバ延長部４２を左右方向に貫通する。ピン固定孔４７にはピン６０が挿通する。螺子孔４８はドローバ延長部４２上端部から下方に延び、ピン固定孔４７と連通する。螺子孔４８には固定螺子４９が上方から締結する。固定螺子４９はピン６０を下方に押し付けてドローバ延長部４２に固定する。ピン６０はドローバ延長部４２と一体化する。
【００２５】
ドローバ本体４１は下端側に鍔部４１Ａと受け部５２を備える。鍔部４１Ａは鍔状であり、ドローバ本体４１径方向外側に突出する。鍔部４１Ａ下面と段部２５上面の間には隙間が形成する。受け部５２は有底略円筒状であり、底部に孔部５３を備える。受け部５２は底部側を上方、開口側を下方に向けた状態で、孔部５３にドローバ本体４１を挿通する。受け部５２底部下面は鍔部４１Ａ上面と当接できる。受け部５２下端部は段部２５上面と当接する。受け部５２はコイルばね５０を受ける。
【００２６】
コイルばね５０は第二収容孔２４に収容する。コイルばね５０はドローバ本体４１を内側に挿入する。コイルばね５０下端部は受け部５２上面に当接する。コイルばね５０上端部はドローバ延長部４２下端部に当接する。コイルばね５０はドローバ４０を上方に常時付勢する。ピン６０両端部は一対の長孔２９上端部に当接する。
【００２７】
上記主軸装置５にて、テーパ装着部７２とプルスタッド７３はテーパ穴２１Ａに挿入する。テーパ穴２１Ａにテーパ装着部７２が装着すると、クランプ機構２７の鋼球はプルスタッド７３に係合する。ドローバ４０はコイルばね５０の付勢力で上方に移動する。クランプ機構２７の鋼球はプルスタッド７３に係合した状態で、テーパ穴２１Ａ上側の径小孔部（図示略）に移動する。クランプ機構２７はプルスタッド７３を把持する。工具ホルダ７０はドローバ４０が上方に付勢してクランプ状態になる。ドローバ４０がクランプ機構２７を下方に押圧すると、鋼球は径小孔部からテーパ穴２１Ａ側に移動する。クランプ機構２７はプルスタッド７３の把持を解除する。工具ホルダ７０はアンクランプ状態になる。
【００２８】
図１を参照し、レバー８０を説明する。レバー８０は工具ホルダ７０のクランプ状態とアンクランプ状態を切替可能である。レバー８０は主軸ヘッド３後方上部内側に設ける。レバー８０は略Ｌ字型に折れ曲がり、支軸８１を中心に揺動できる。支軸８１は左右方向に延び、主軸ヘッド３内部に固定する。レバー８０は前端部に押圧部８２を備える。押圧部８２は平面視二股状（図示略）であり、主軸２０を挟み込むように配置する。押圧部８２下面はピン６０両端部に上方から当接できる。レバー８０は引張コイルばね（図示略）が右側面視時計回り方向に常時付勢し、押圧部８２によるピン６０の下方への押圧を常時解除する。
【００２９】
以上説明の如く、主軸装置５は主軸２０、複数の軸受３１〜３４、間座３５を備える。複数の軸受３１〜３４は主軸２０の軸方向に並び、外周面２０Ａ回転可能に支持する。間座３５は一対の軸受３２、３３の間に設ける。間座３５は制振部材として機能する。ワーク加工時、主軸２０は工具７に作用する切削力により一対の軸受３２、３３の間で撓む場合がある。切削力の変動と共に主軸２０が回転すると、主軸２０の振動が発生する。該場合、制振部材として機能する間座３５が一対の軸受３２、３３の間にあるので、主軸２０の振動は間座３５によって減衰し易い。故に主軸装置５は主軸２０の振動を効果的に減衰できる。工作機械１は主軸装置５を備えるので、同様に主軸２０の振動を効果的に減衰できる。
【００３０】
間座３５は一対の軸受３２、３３の互いの間の距離を規定し且つ制振部材として主軸２０の振動を減衰できる。故に主軸装置５は間座３５とは別に制振部材を設けた場合に比べて、制振部材を設けることによる装置の大型化を抑制できる。
【００３１】
ワーク加工時には工具７に切削力が作用し、工具７から主軸２０に軸方向への応力が伝わる。主軸２０の軸方向の応力は工具７からの距離が近い側（下端部２１側）の軸受３１、３２、間座３５、工具７からの距離が遠い側（出力軸１８Ａ側）の軸受３３、３４の順に伝わる。一対の軸受３２、３３が背面組み合わせのアンギュラ玉軸受なので、間座３５に伝わる応力は内輪３５Ａよりも外輪３５Ｂを伝わり易い。故に主軸２０の軸方向の応力が内輪３５Ａから主軸２０に伝わり難いので、主軸装置５は主軸２０の振動（特に軸方向の振動）の発生を抑制できる。
【００３２】
外輪３５Ｂは制振部材で構成する。間座３５に伝わる主軸２０の軸方向の振動は内輪３５Ａよりも外輪３５Ｂを伝わり易いので、内輪３５Ａのみを制振部材で構成する場合に比べ、主軸装置５は主軸２０の軸方向の振動を効果的に減衰できる。間座３５に伝わる主軸２０の曲げ振動は外輪３５Ｂよりも主軸２０との距離が近い内輪３５Ａを伝わり易いので、内輪３５Ａを制振部材で構成すると、主軸装置５は更に主軸２０の曲げ振動を減衰できる。
【００３３】
図４を参照し、主軸２０の機械コンプライアンス（μｍ／Ｎ）測定結果を説明する。図４は間座３５が制振部材でない時（即ち比較対象）の主軸２０の機械コンプライアンスを実線で示し、間座３５が制振部材である時（即ち本実施形態）の主軸２０の機械コンプライアンスを測定した結果を破線で示す。主軸２０の機械コンプライアンスは所謂インパルス応答法により測定した。サンプリング周波数は１６００Ｈｚである。サンプリング点数は４０９６である。主軸２０への加振はＹ軸方向からハンマーで行った。実線で示す結果と破線で示す結果は何れも周波数８５０〜９００Ｈｚ付近に機械コンプライアンスのピークがある。機械コンプライアンスのピーク高さは実線で示す結果では約２．８μｍ／Ｎ、破線で示す結果では約２．０μｍ／Ｎとなった。故に主軸装置５は制振部材である間座３５を備えることで、制振部材でない間座３５を備えた場合に比べて主軸２０の機械コンプライアンスのピーク高さを約３０％低減できた。
【００３４】
本発明は上記実施形態から種々変形できる。例えば上記実施形態では工作機械１は主軸２０が上下方向に延びる所謂縦型であるが、主軸２０が水平方向に延びる所謂横型でもよい。複数の軸受３１〜３４は二つ、三つ又は五つ以上でもよい。間座３５は主軸２０の軸方向に隣り合う一対の軸受３１、３２の間、一対の軸受３２、３３の間、一対の軸受３３、３４の間の何れに設けてもよいし、何れか複数に設けてもよい。一対の軸受３２、３３は並列組み合わせ又は正面組み合わせでもよい。一対の軸受３１、３２、一対の軸受３３、３４は夫々背面組み合わせ又は正面組み合わせでもよい。複数の軸受３１〜３４はアンギュラ玉軸受の代わりにころ軸受等を採用してもよい。
【００３５】
間座３５は制振部材でなくてもよい。主軸装置５は間座３５を制振部材とする代わりに例えば制振部材で間座３５周囲を覆ってもよい。主軸装置５は内輪３５Ａと外輪３５Ｂの間にゲル状の制振材料を塗布してもよい。間座３５は内輪３５Ａと外輪３５Ｂの内、少なくとも外輪３５Ｂが制振部材であることが好ましい。間座３５に伝わるワーク加工による主軸２０の軸方向の振動が内輪３５Ａよりも外輪３５Ｂを伝わり易いので、主軸装置５は内輪３５Ａを制振部材とせず、外輪３５Ｂを制振部材とすることで、内輪３５Ａの製造コストを抑制しつつ、外輪３５Ｂにより主軸２０の振動を効果的に減衰できる。
【符号の説明】
【００３６】
１  工作機械
５  主軸装置
２０  主軸
３１〜３４  軸受
３５  間座
３５Ａ  内輪
３５Ｂ  外輪
【図１】
2019058977.tif 000004
【図２】
2019058977.tif 000005
【図３】
2019058977.tif 000006
【図４】
2019058977.tif 000007