(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スピンドル軸を有しかつ少なくとも１個の工具を受けるスピンドル軸ケースと、スピンドル軸の回転運動を行わせるものであって液圧により作動される容積形機械により形成される駆動装置とを備えた、工具で工作物を加工するための工作機械において、
前記容積形機械の回転軸と前記スピンドル軸とが共通の同一軸であること、並びに、
前記工作機械は、容積形機械の作動媒体を、駆動目的と同様に、スピンドル軸ケース（５）の中に配設された可動部品の潤滑と冷却のために使用し、かつ、ツールホルダー（１９）に置かれた工具の潤滑と冷却のために使用するようにした単一の作動媒体が流れる回路又は系を有し、
前記作動媒体は、ケース部分（７）に配設された穴（６７）及び環状溝（６９）、及び該環状溝（６９）と流体的に連通するものであって該スピンドル軸（１５）に配設された空欠部若しくは穴を順次経由して供給されることを特徴とする工作機械。
【請求項２】
駆動装置（３）は、作動媒体として圧油を用いたアキシアルピストン形機械、特に斜板式機械として構成されていることを特徴とする請求項１に記載の工作機械。
【請求項３】
駆動装置（３）とスピンドル軸ケース（５）が駆動ユニット（１）を構成することを特徴とする請求項１又は２に記載の工作機械。
【請求項４】
スピンドル軸（１５）がツールホルダー（１９）を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の工作機械。
【請求項５】
ツールホルダー（１９）とスピンドル軸（１５）が一体に形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の工作機械。
【請求項６】
複数個の駆動ユニットを担持するスピンドル軸ヘッド（７０）に駆動ユニット（１）を挿着することができることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の工作機械。
【発明の詳細な説明】
本発明は工具で工作物を加工するための請求項１の前提部分に基づく工作機械に関する。
ここで述べる種類の工作機械は知られている。この種の工作機械はケースの中に支承されて工具に駆動トルクを伝達するスピンドル軸を有する。スピンドル軸の駆動は電動機によって行われる。電動機の駆動軸は、スピンドル軸に回転不能に固着されたかさ歯車に対して、変速機を介して駆動トルクを伝達する。駆動系統及びこれに隣接する部品の摩耗、温度上昇及び工作機械の騒音発生を小さくするために、スピンドル軸に駆動トルクを伝達するかさ歯車は相互に極めて正確に整列されなければならない。この場合、特に重要なのは、かさ歯車の正確な軸間隔である。なぜなら過大又は過小な軸間隔は高い摩耗と、事情によっては駆動系統の損傷をもたらすからである。これは多大な製造技術的な費用を必要とする。また、かさ歯車の潤滑のために潤滑油供給装置を設けなければならない。それには独自の管路系統が必要である。
本発明の課題は、簡単に構成され、従って安価に製造することができ、さらに保守が容易な冒頭に上げた種類の工作機械を提供することである。
課題の解決のために、請求項１に挙げた特徴を有する工作機械が提案される。この工作機械は駆動装置が液圧式容積形機械を含むことを特徴とする。容積形機械の運転のために必要な作動媒質の循環路又は管路系統は補助潤滑油循環路を必要としない。容積形機械のための好適な作動媒質は良好な潤滑性と冷却性を有する圧油であり、原則としてすべての非圧縮性媒質を使用することができる。スピンドル軸ケースの中に配設された可動部品の潤滑と冷却は、容積形機械にいずれにしても存在する圧油の供給によって容易に実施される。このことは工作機械の製造コストの節減をもたらす。また安定なケースの中に配設された容積形機械は僅かな運転騒音しかなく、それが作業騒音の減少をもたらす。また容積形機械を有する駆動装置は簡単な構造と高い信頼性が特徴であり、摩耗が極めて少ないので事実上保守不要である。このため工作機械の製造費と保守費が極めて少ない。最後に、例えば液圧管路系統の配列に関して比較的大きな許容誤差範囲を実現することができるので、製造費が比較的少額である。
この工作機械の好ましい実施例は、駆動装置がもっぱら容積形機械から形成されることを特徴とする工作機械である。駆動装置として容積形機械を使用する場合は、駆動トルクを伝達し、スピンドル軸の種々の回転数を調整する変速機は必要でない。回転数の調節のために容積形機械に流入する体積流量を、また駆動トルクの変更のために非圧縮性媒質の圧力を変化し又は適宜に適応させるだけでよい。このような回転数及び駆動トルク調整のための設備費は比較的少額であり、それによって工作機械のコストが低減される。
駆動装置がアキシアルピストン形機械、特に斜板式機械として構成された工作機械の実施形態が特に好適である。この機械は規模の割に高い出力を有する。またピストンの行程容積を変化する調整可能な山形ブロックによって、従動軸の回転数を簡単に変更することができる。必要な組立体積の縮小によってコンパクトな小型の工作機械を実現することができる。
また駆動装置とスピンドル軸ケースが１つの駆動ユニットを構成する工作機械の実施例が好適である。駆動装置はスピンドル軸ケースにフランジで取付けるか又はスピンドル軸ケースに統合することができるから、特にコンパクトな構造が得られる。駆動ユニットを構成することにより駆動装置とスピンドル軸ケースの空間間隔が小さいから、スピンドル軸が駆動装置の従動軸にとって代わり、駆動装置により直接駆動されることによって、動力又はトルク伝達装置例えば歯車、リンク等を廃止することができる。摩耗を伴う駆動系統の動力伝達装置がなくなるので、スピンドル軸の事実上スリップのない駆動が実現される。また駆動ユニットはコンパクトなモジュール式構造と比較的小さな運転騒音が特徴であり、特に安定なスピンドル軸ケース及び／又は駆動装置の安定なケースによって運転騒音が低減されるから、工作機械に原因する騒音レベルが低減される。スピンドル軸と駆動装置を統合することによって、製作費と製造技術的費用が比較的簡単であるから、製造コストも減少される。
特に好適なのは駆動ユニットが複数個の駆動ユニットを担持するスピンドル軸ヘッドに挿着可能であることを特徴とする工作機械の実施形態である。このようなスピンドル軸ヘッドにはたいてい種々異なる工具が配設される。スピンドル軸ヘッドはとりわけ自動化された製造分野例えばＣＮＣ制御フライス盤で使用される。スピンドル軸ケースと駆動装置をモジュールとして構成することによって、工具交換を極めて短時間で行うことができるから、工作機械の停止時間が著しく減少される。また夫々の工具の作業条件に適応した種々の従動回転数又は従動出力を有する駆動装置を各工具毎に設けることができる。このことは工作機械の制御費用を大幅に簡素化する。
その他の有利な実施態様は残余の従属請求項に示される。
次に図面に基づいて本発明を詳述する。
図１は駆動装置の断面による側面概略図、
図２は複数個の駆動ユニットを有するスピンドル軸ヘッドの斜視図、
図３は図１による駆動ユニットの立体図、
図４は第２の実施例による駆動装置の断面の側面概略図、
図５は図４による複数個の駆動ユニットを有するスピンドル軸ヘッドの斜視図、
図６は図４による２個の駆動ユニットを有するスピンドル軸ヘッドの断面の側面概略図を示す。
図１は駆動装置３とスピンドル軸ケース５からなる工作機械駆動ユニット１の断面による側面図を示す。スピンドル軸ケース５はカバー状の第１のケース部分７とブロック状の第２のケース部分９を有する。ケース部分７及び９は複数個の止ねじによって、その間に配設された中間板１１と互いに連結されている。図示の便宜上止ねじはここに図示しない。鎖線１３はスピンドル軸ケース５での止ねじの長手方向軸心線又は位置を示す。スピンドル軸ケース５を一体に形成し、それによってスピンドル軸ケースの製造のための製造費を節減することも可能である。
スピンドル軸１５は、この例では、ころがり軸受として構成される一緒に予圧された２個の軸受１７及び１８によって、スピンドル軸ケース５の第２のケース部分９の中に保持される。スピンドル軸１５はツールホルダー１９と一体に形成されている。ツールホルダーについては、中心軸線２１に対して同心に配設された異なる直径の複数個の空洞部２３だけを図示した。任意のあらゆる形状及び輪郭のツールホルダーをスピンドル軸に穿設し又はスピンドル軸の製造の際に成形することができる。ツールホルダーに工具を直接挿入して固定することができる。少なくとも１個の工具を担持するアダプタ装置を挿入し、特に差し込むことができるようにツールホルダーを形成することが好ましい。それによって工具交換を駆動ユニットで極めて迅速に行うことができる。スピンドル軸１５はツールホルダー１９の反対側の端部に断面縮小部２５及び中心軸線２１と整列状態とされるねじ穴２７を有する。
この例において、駆動装置３は斜板式機械として構成され、スリーブ形のモータケース３０を具備する。モータケース３０は一部がスピンドル軸ケース５の第２のケース部分９の中に突出し、そこに固定され保持される。一緒に予圧された２個の軸受３２及び３４によって回転可能に支承されたシリンダブロック３１がモータケース３０の中に突出する。シリンダブロック３１は内孔を有し、そこにスピンドル軸１５の断面縮小部２５が特にプレスばめ又は押込み歯形によって回転不能に固持される。このようにしてスピンドル軸１５はシリンダブロック３１と遊びなく連結されている。シリンダブロック３１の空欠部を貫通する止ねじ５３がねじ穴２７にねじ込まれ、スピンドル軸１５に軸方向に現れる又は作用する力を受けるために使用される。それによってスピンドル軸が固定され、確実に保持される。
中心軸線２１と平行な複数個の穴がシリンダブロック３１に穿設されており、ここに夫々ピストンが好ましくは約１／１００ｍｍの遊びで通されている。図１に示した実施例では９個のピストンがシリンダブロックに配設されている。ピストンの数を変え、例えば７個、９個、１１個、１３個等々とすることが可能であり、その場合ピストンの数が大きければアラインメントが改善され、容積形機械の寸法が縮小される。穴は中心軸線２１と同心の仮想の円軌道上にあって、ある角度範囲で互いに隔たっている。図１に示す断面では、穴３７に通されてピストン３３とピストン３３’だけが認められる。ピストン３３は図示の位置でほぼ上死点の領域に配置されている。即ちピストン３３はほぼ完全に穴３７の中に没入している。ピストン３３’は現在下死点の領域、即ちほぼ完全に伸出した位置にある。すべてのピストンと穴の形状は同じものであり、以下ではピストン３３の構造と運動にだけ言及する。
ピストン３３は、軸受側の端部に、スライダ４１に支承された玉継手３９を有する。継手３９は、支持板４９、角スリーブ４７及び穴あき板４２の空欠部を貫通する。スライダ４１は、この場合、固定された山形ブロック４５の、斜面として形成されたすべり面４３に支えられる。すべり面４３は仮想の垂直線に対してある角をなし、ピストン行程を制限する。
スピンドル軸ケース５から突出するシリンダブロック３１の端面に制御板５５が接する。入口通路５７及び出口通路５９がこの制御板を貫通する。入口通路５７は圧油入口に接続され、高圧の圧油が貫流する。制御板５５のシリンダブロック３１に接する側では、油が制御板５５から出て腎臓形に形成された環状溝の形の空欠部６１を流れ、穴３７に接続する開口部６５を経てシリンダブロックに流入する。図１に没入位置で図示されたピストン３３は続いて押し出され、こうして伸出運動を行い、それによってスライダ４１が山形ブロック４５の斜面（すべり面４３）に沿って運動させられ、その結果シリンダブロック３１及びそれとともにスピンドル軸１５の回転運動が生じる。穴あき板４２と山形ブロック４５のすべり面４３との間に配設されたスライダ４１は斜面上を斜板式機械のこの場合下死点の方向へ摺動し、その際圧油が環状溝の形の空欠部６１を経て穴３７に絶えず流入する。空欠部６１は、シリンダブロック３１の回転方向に見て、下死点に到達する前に終わる。すべり面４３によって案内されるピストン３３は下死点を通過した後、再びシリンダブロック３１に押し込まれ、その際穴３７の中にある圧油は制御板５５の環状溝の形の腎臓形空欠部６３を通って流出することができ、出口通路５９を経て油循環路へ再び送られる。シリンダブロック３１の回転運動に基づきこれに固着されたスピンドル軸１５が回転させられ、その際伝達されるトルクと回転数は工具の加工に対して出される要求に応じて、圧油の体積流量及び圧力並びに駆動装置の寸法により調整することができる。
空欠部６１及び６３は制御板５５又はシリンダブロック３１のいずれか又は両者に配設することができる。空欠部は夫々好ましくは１８０°よりやや小さな角度範囲に伸張し、上死点と下死点で容積形機械の高圧側と低圧側の分離が実現されるように配設されている。
シリンダブロック３１及びそれとともにスピンドル軸１５の回転方向の反転は、固定された制御板の出口通路５９に高圧の圧油を送給することにより、即ち出口通路５９が入口通路として使用され、入口通路５７が出口通路として機能することによって簡単に行うことができる。このようにして容積形機械の構造は極めて簡単な手段によりスピンドル軸の回転方向の変更を可能にするのである。しかし、山形ブロックの代わりに、容積形機械にピボット的に支承された斜板を配設することによって、回転方向の反転を実現することもできる。この斜板は、山形ブロック４５と同様に、仮想の垂直線に対して角をなして配設され、斜面として形成されたすべり面４３を有する。斜面として形成されたすべり面４３の傾斜が反転することにより、斜板の旋回が行われる。即ち、斜面が立ち上がる経過を有するならば、斜板の旋回によってこれが反転されるから、続いて斜板は立ち下がる経過を有する。垂直線に対する傾きがこうして逆転する。入口通路と出口通路を交換する必要がなく、従ってそのままでよいから、すべり面をいわば中に取り込むように旋回するだけでシリンダブロックの回転方向の反転が生じる。
ツールホルダー１９にある工具のための潤滑剤供給部の役割をする穴６７が駆動ユニット１のスピンドル軸ケース５に概略図で示されている。第２のケース部分９、中間板１１及び第１のケース部分７を通る穴６７は、ケース部分７に配設された環状溝６９に接続し、スピンドル軸に配設されて環状溝６９と流体を連絡する（図示しない）空欠部又は穴を経て工具を潤滑し冷却する。
図１には、複数個の部材からなるごく概略だけ示した軸封部と中間板１１の軸受１７との間に位置する別の穴６８が示される。この穴６８は、漏油をスピンドル軸ケースから排出する機能を果たす。漏油はシリンダブロックとピストンの間及びスライダと山形ブロックの間を流れ出て、軸受１７及び１８を通り、穴６８の区域に到達する。漏油が流れる別の区域がシリンダブロック３１と制御板５５の間にある。漏油はすべての可動部品の潤滑と冷却のために使用され、それに基づいて費用のかかる冷却及び潤滑装置を廃止することができる。このようにして作動媒質即ち圧油は多重機能を有する。
図２は、６個の駆動ユニット１が配設されたスピンドル軸ヘッド７０の一例の斜視図を示す。スピンドル軸ヘッド７０は円錐台形の外周面を有し、そこに駆動ユニット１を受ける支持孔（空欠部）が穿設されている。スピンドル軸ヘッド７０は図２で参照符号７２を付した軸線の周りに回転し得るように支承されている。工作物の加工のために各駆動ユニット１を作業位置に置くことができる。この位置で夫々の工具は加工される工作物に対して所定の位置をとる。
図３は駆動ユニット１の斜視図を示す。駆動ユニットの円筒体はほぼ閉じた表面を有する。シリンダブロック３１の端面に接する制御板５５は次のように駆動ユニット１に配設されている。即ちおよそ１８０°の角範囲にわたって伸張する腎臓形空欠部６１及び６３はピストン３３の最大没入及び伸出運動に関連して、容積形機械の高圧領域と低圧領域の分離が生じるように整列されている。制御板５５の環状段部５６に、ここに図示しない、ばね、特にさらばねセットが配設されている。その機能は下記で改めて触れる。
駆動ユニット１は駆動装置３又は制御板５５を先にしてスピンドル軸ヘッド７０の当該の空欠部に挿入される。その際、環状段部５６に配設されたさらばねセットがスピンドル軸ヘッドの空欠部に支えられ、それによってばねセットが圧縮される。さらばねの圧縮によって制御板５５が所定の力でシリンダブロック３１に押し付けられるから、シリンダブロックの２個の軸受３２及び３４が予圧される。制御板５５がスピンドル軸ヘッド７０の空欠部に挿入されると、駆動ユニットを受ける空欠部に接続する高圧接続端（入口）及び低圧接続端（出口）が制御板５５の入口通路５７又は出口通路５９と少なくとも部分的に重なって、流体連絡が生じる。制御板とシリンダブロックの間から流出する漏油は駆動ユニット１を受ける空欠部を経てスピンドル軸ヘッド７０に到達するから、スピンドル軸ヘッド７０が潤滑され、冷却される。
スピンドル軸１５に作用するトルクを容積形機械のモータ部品の大きさによって調整することができる。基本的にはピストン穴の充填容積を決定する山形ブロック４５と、シリンダブロック３１及びピストンの大きさとが駆動トルクの大きさに対して大きな影響を持つ。シリンダブロック１に流入する圧油の圧力によって駆動トルクを調節することもできる。適当な制御、例えば圧油の入口又は出口の絞り弁によって所定の負荷で事実上任意のあらゆる回転数を実現することができる。小さな回転数で特に大きなトルクに対して、又は小さなトルクで特に高い回転数に対して、種々の寸法の駆動装置又は容積形機械を構成することができる。また希望によっては不変の圧力及び体積流量でより高いトルク又はより高い回転数を実現するために、制御ピストンによって山形ブロックの角を変えることが可能である。
駆動ユニットの個々の部品の材料は、工作物の加工時に例えば工作機械のプログラミングエラーにより故障が生じたとき、スピンドル軸の損傷が実際に起こらないように選定されている。そのとき現れる力は軸受１７及び１８を介して頑丈なスピンドル軸ケースへ、そこからスピンドル軸ヘッドへ伝達される。それでもスピンドル軸ヘッドの駆動ユニットの１つに損傷が生じたならば、調整作業及び／又は全スピンドル軸ヘッドの解体をせずに当該の駆動ユニットを短時間の間に迅速に交換することができる。
図４は工作機械の駆動ユニット１の第２の実施例を示す。この駆動ユニット１は図１による駆動ユニットにおおむね相当するから、同じ参照符号で表示した部品の再度の説明はしない。
スピンドル軸ケース５はカバープレートとして形成された第１のケース部分７’と第２の円筒形ケース部分９’を有する。２つのケース部分７’及び９’は、図１による第１の実施例と対照的に、複数個の止ねじで互いに直結されている。図示の便宜上その内の１個の止ねじ１３’だけを示す。
図１による第１の実施例と対照的に第２のケース部分９’は、長さ方向に伸張する縮小された外径の延長部１０９を有する。延長部１０９は駆動装置３を取り囲み、特に２個の軸受３２及び３４を支持する。
スリーブ状のモータケース３０のツールホルダー１９に面した端面に、穴１１１が穿設されている。穴１１１は駆動装置３とスピンドル軸ケース５の軸受１７及び１８との間に流体連絡を行わせる。
中心軸線２１と同心に配列されスピンドル軸１５を貫通する穴１１３がスピンドル軸１５に穿設されている。この穴１１３に管状の接続路１１５が差し込まれている。接続路１１５のツールホルダー１９に配属された端部は、軸受１１７を介して空洞部２３に支承されるが、接続路１１５の他方の端部は制御板５５を貫通する。スピンドル軸１５への接続路１１５の支承は、固定された接続路１１５のもとでスピンドル軸の回転が可能であるように行われる。
さらに、図４は、長手方向軸線２１に対して斜めに走り、軸受１１７の区域と２個の軸受１７及び１８の区域との間に流体連絡を生じる通路１１９が、スピンドル軸１５の中に設けられていることを明らかにしている。もちろん軸受１１７のこの区域はツールホルダー１９に対して密封されている。
この駆動ユニット１の機能は図１による駆動ユニットの機能に相当するから、再度の説明はしない。
図５は、６個の駆動ユニットが配設されたスピンドル軸ヘッド７０の一例の斜視図を示す。このスピンドル軸ヘッドは図２に関連してすでに説明したスピンドル軸ヘッドにおおむね相当する。重要な相違は、駆動ユニット１が夫々のツールホルダーに面した端面に穴１２１を有することである。本実施例では駆動ユニットの縦軸の周りの仮想の円の上に均等な相互間隔で８個の穴１２１が配設されている。
図６に２個の駆動ユニット１を有するスピンドル軸ヘッド７０の断面の側面概略図を示す。２個の駆動ユニット１は図４に示す駆動ユニットに相当する。軸線１２１に対して夫々斜めに走る複数本の通路１２３がスピンドル軸ヘッド７０に設けてあり、それぞれ、入口通路５７、出口通路５９又は接続路１１５と連通する。通路１２３は、スピンドル軸ヘッド７０の中心部を通る図示しない供給路との連絡を行う。
【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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