JP5581885B2

JP5581885B2 - 主軸装置及びそれを備えた工作機械

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Publication number: JP5581885B2
Application number: JP2010178738A
Authority: JP
Inventors: 好史稲垣
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2010-08-09
Filing date: 2010-08-09
Publication date: 2014-09-03
Anticipated expiration: 2030-08-09
Also published as: JP2012035376A

Description

本発明は、主軸装置及びそれを備えた工作機械に関し、より詳細には、門形マシニングセンタの主軸ヘッドに取り付けられる主軸装置及びそれを備えた一般工作機械又は複合加工工作機械に関する。

従来、大物ワークと工具との三次元的な相対移動によって、切削、穴あけ等の加工を行なう複合加工工作機械として、例えば、ワークを取り付けたテーブルを直進往復運動させると共に、工具を有する主軸をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に制御する門形マシニングセンタが使用されている。

門形マシニングセンタでは、２つのコラムによって支持されたクロスレールにサドルが取り付けられ、サドルに対して上下方向に移動するラムの端部に主軸ヘッドが取り付けられ、さらに、この主軸ヘッドの２本の支持アームにブラケットを介してモータビルトイン式の主軸装置が旋回可能に取り付けられる。

モータビルトイン式の主軸装置として、図７は、特許文献１に記載の主軸装置２００の構造を示している。

図７において、主軸装置２００は、モータハウジング２０１と、モータハウジング２０１の前部及び後部にそれぞれ設けられた前側及び後側軸受ハウジング２１０，２２０と、これらハウジング２０１，２１０，２２０内に回転自在に挿入される回転軸２０２と、を備える。前側軸受ハウジング２１０の内周には、回転軸２０２の前部を回転自在に支持する前側軸受２１５，２１６が配置され、後側軸受ハウジング２２０の内周には、回転軸２０２の後部を回転自在に支持する後側軸受２２５が配置されている。そして、前側軸受２１５，２１６と後側軸受２２５との間のスペースに、ビルトインモータ２５０の要素であるステータ２５１とロータ２５２が、それぞれモータハウジング２０１と回転軸２０２に固定された状態で配置されている。

前側軸受２１５の内輪は、回転軸２０２の軸受２１５に対して工具側に形成された段部２０３に複数の間座を介して反工具側に設けられたスリーブ２０４を焼き嵌めすることで固定されている。また、他の前側軸受２１６も、回転軸２０２の他の軸受２１６に対して工具側に形成された段部２０５に複数の間座を介して反工具側に設けられたスリーブ２０６を焼き嵌めすることで固定されている。また、後側軸受２２５の内輪は、回転軸２０２に焼き嵌めされたモータスリーブ２４０に複数の間座を介して軸受２２５に対して反工具側に設けられたスリーブ２０７を焼き嵌めすることで固定されている。

また、図８に示すように、特許文献２に係るモータビルトイン式の主軸装置１００において、１０１は外筒ハウジングで、その内部に回転軸１０２が挿入されている。外筒ハウジング１０１の前部には前側軸受ハウジング１２０、外筒ハウジング１０１の後部には後側軸受ハウジング１１０がそれぞれ設けられており、前側軸受ハウジング１２０の内周には、回転軸１０２の前部を回転自在に支持する前側軸受１２５が配置され、後側軸受ハウジング１２０の内周には、回転軸１０２の後部を回転自在に支持する後側軸受１１５が配置されている。

そして、前側軸受１２５と後側軸受１１５との間のスペースに、ビルトインモータ１５０の要素であるステータ１５１とロータ１５２が、それぞれ外筒ハウジング１０１と回転軸１０２に固定された状態で配置されている。

前側軸受１２５の内輪は、回転軸１０２に形成された段部１０５に複数の間座を介して軸受１２５に対して反工具側に設けられたナット１０６を締結することで、回転軸１０２に固定されている。また、後側軸受１１５の内輪は、回転軸１０２に形成された段部１０３に複数の間座を介して前側軸受１２５に対して反工具側に設けられたナット１０４を締結することで、回転軸１０２に固定されている。

特開平２−１５９０２号公報特開平９−１５５６９２号公報

ところで、前記門形マシニングセンタに取り付けられる主軸装置は、旋回しながら使用されるため、旋回半径を小さくするように主軸全長を短くすることが望まれている。

しかしながら、特許文献１、２の主軸装置１００、２００では、旋回しながら使用されるものではなく、主軸全長の短縮化について何ら考慮したものでなかった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、回転軸の軸方向長さを短くして、主軸全長の短縮することができる主軸装置及びそれを備えた工作機械を提供することにある。

（１）回転軸が前側及び後側軸受を介してハウジングに回転自在に支持されるとともに、前記回転軸がビルトインモータによって回転駆動される主軸装置であって、
前記回転軸の前記前側軸受に対して工具側には段部が形成されるとともに、前記前側軸受と前記ビルトインモータのロータ間には間座及び軸受固定用ナットが配置され、
前記軸受固定用ナットを前記回転軸に螺合締結することで、前記前側軸受の内輪は、前記段部と前記軸受固定用ナットとの間に前記間座を介して固定され、
前記軸受固定用ナットと前記間座の少なくとも一部は、前記ビルトインモータのステータの前側エンドコイルの内周側に入り込んでおり、
前記軸受固定用ナットは、外周の一部に形成されたテーパ面にバランス修正用のタップ穴が開口されており、
前記ハウジングは、前記タップ穴の軸線に沿った直線状の工具挿入部が形成され、
前記工具挿入部は、前記ハウジングの外部から前記タップ穴まで前記前側エンドコイルと干渉しないように、主軸装置回転軸に対して傾斜していることを特徴とする主軸装置。
（２）（１）に記載の主軸装置と、該主軸装置を旋回するチルト機構と、を備えることを特徴とする工作機械。

本発明によれば、回転軸の前側軸受に対して工具側には段部が形成されるとともに、前側軸受とビルトインモータのロータ間には間座及び軸受固定用ナットが配置され、軸受固定用ナットを回転軸に螺合締結することで、前側軸受の内輪は、段部と軸受固定用ナットとの間に間座を介して固定され、軸受固定用ナットと間座の少なくとも一部が、ビルトインモータのステータの前側エンドコイルの内周側に入り込んでいる。これにより、工具側先端部と前側軸受との間に軸受固定用ナットを配置する必要がなくなり、回転軸の軸方向長さを短縮することができるとともに、前側軸受がロータに近づけられることで前後軸受間のスパンが短くなり、回転軸の軸方向長さを短縮することができる。前後軸受間のスパン、及び回転軸の軸方向長さの短縮は、回転軸の固有値を高めることができ、軸の固有振動数を高くすることができて、最高回転数をより高速にすることも可能となり、動剛性が高くなることで、振動を小さく抑えることも可能となる。また、回転軸の前後軸受間スパンの減少により、また、回転部のイナーシャ減により、急加速性の向上と電力減による省エネ効果も期待できる。

また、回転軸の工具側先端部には、段部を設けて前側軸受の内径より大きくしているので、回転軸の工具側先端部において高い剛性を確保することができる。さらに、前側軸受の内輪と軸受固定用ナットの間に介在する間座によって、軸受固定用ナットを螺合締結する際の偏締めによって内輪が変形したり、或いは内輪が回転軸に対して傾いて取り付けられることが防止され、主軸装置の回転精度を向上することができる。

また、軸受固定用ナットには、バランス修正用のタップ穴が形成されており、ハウジングには、該ハウジングの外部からタップ穴まで直線状に形成される、バランス修正用工具を挿入可能な工具挿入部が形成されるので、スピンドル組立後のバランス修正を容易に行うことができる。

また、本発明の主軸装置は、チルト機構を有する工作機械に搭載されることで、主軸装置の旋回半径が短くなるとともに、旋回構造がコンパクトになり、工作機械全体のコンパクト化、軽量化も図れる。

本発明の主軸装置が適用される門形マシニングセンタの概略図である。主軸装置の断面図である。図２の主軸装置の要部拡大断面図である。主軸装置の第１の変形例を示す主軸装置の要部拡大断面図である。主軸装置の第２の変形例を示す主軸装置の要部拡大断面図である。主軸装置の第３の変形例を示す主軸装置の後側軸受周辺の要部拡大断面図である。従来の主軸装置の例を示す断面図である。他の従来の主軸装置の例を示す断面図である。

以下、本発明に係る主軸装置及び工作機械としての門形マシニングセンタについて図面に基づいて詳細に説明する。なお、本明細書の図５、図６は、前提となる参考例を示すものである。

図１に示すように、門形マシニングセンタ１では、ベッド２の上にテーブル３がＸ軸方向へ移動可能に支持されており、ベッド２の両側には一対のコラム４が立設されている。コラム４の上端にはクロスレール５が架設されており、クロスレール５には、サドル６がＹ軸方向へ移動可能に設けられる。また、サドル６には、Ｚ軸方向に昇降可能なラム７が支持されており、ラム７の下端には、本発明の主軸装置ＭをＹ軸回り及びＺ軸回りに回転割出し駆動可能に保持する主軸ヘッド８が装着されている。主軸ヘッド８の２本の支持アーム８ａ内には、図示しないチルト機構が設けられており、主軸装置Ｍは、このチルト機構によってブラケット９を介してＹ軸回りに回転割出しされる。

図２に示すように、主軸装置Ｍは、モータビルトイン式のものであり、ブラケット９に固定される外筒ハウジング１０と、外筒ハウジング１０の内部に挿入された回転軸８０と、外筒ハウジング１０の前部に設けられた前側軸受ハウジング２０と、外筒ハウジング１０の後部に設けられた後側軸受ハウジング３０と、前側軸受ハウジング２０と回転軸８０の前部との間に配置される前側軸受２５、２６と、後側軸受ハウジング３０と回転軸８０の後部との間に配置さる後側軸受３６と、前側軸受２６と後側軸受３６との間のスペースに配置されたビルトインモータ５０と、を備えている。

回転軸８０は、前側軸受２５，２６及び後側軸受３６を介してハウジングＨに回転自在に支持されると共に、ビルトインモータ５０によって回転駆動される。前側軸受ハウジング２０及び後側軸受ハウジング３０は、それぞれ外筒ハウジング１０に内嵌され、外筒ハウジング１０にねじ締結される。なお、外筒ハウジング１０、前側軸受ハウジング２０及び後側軸受ハウジング３０は、本発明のハウジングＨを構成している。また、図２中、左側を前側又は工具側と称し、右側を後側又は反工具側と称す。

ビルトインモータ５０は、外筒ハウジング１０の内周に冷却用溝１１ａを有する冷却筒１１を介して固定されたステータ５１と、回転軸８０の外周に設けられたスリーブ８１に焼き嵌めされたロータ５２と、を有し、ステータ５１の軸方向両端部には、ステータコイルの前側エンドコイル５３ａ，および後側エンドコイル５３ｂが略環状の凸部として突出している。スリーブ８１は、回転軸８０の外周上に焼き嵌めによって締結されている。なお、ロータ５２を回転軸８０から取り外す際には、スリーブ８１に形成された溝８１ａ内に油圧を供給することで、ロータ５２が回転軸８０の反工具側に引き抜かれる。

回転軸８０の内部には、軸方向に延びるドローバー９３と、ドローバー９３の先端側に設けられるコレット９０と、ドローバー９３と回転軸８０との間に設けられ、コレット９０を反工具側に引き込む皿バネ９４と、が組み込まれている。従って、コレット９０に装着された工具ホルダ９２は、反工具側に引き込まれることで、回転軸８０の工具側内周面に形成されたテーパ面８０ａと嵌合する。また、後側軸受ハウジング３０の後方には、回転軸８０の内径部に組み込まれた皿バネ９４を圧縮して工具ホルダ９２をアンクランプするアンクランプユニット９１が取り付けられている。

図３に拡大して示すように、前側軸受２５、２６は、それぞれ転動体として複数の玉２５ｂ，２６ｂを有するアンギュラ玉軸受であり、これらアンギュラ玉軸受２５，２６が外輪間座２７，内輪間座２８を介して背面組み合わせされている。回転軸８０の前側軸受２５，２６に対して工具側の外周面には、前側軸受２５，２６が外嵌される外周面よりも大径の外向き段部８０ｂが形成されている。前側軸受２５，２６の外輪２５ａ，２６ａは、前側軸受ハウジング２０の反工具側端部に形成された内向き段部２２に突き当てて、前側軸受ハウジング２０に内嵌され、前側軸受ハウジング２０に前蓋４０を締結固定することで軸方向に固定される。また、前側軸受２５，２６の内輪２５ｃ，２６ｃは、回転軸８０の外向き段部８０ｂに突き当てて回転軸８０に外嵌され、内輪間座２８，２９を介して、回転軸８０に形成されたねじ溝８０ｃに前側軸受固定用ナット８６を螺合締結することで、前側軸受２５，２６に予圧を付与しながら、軸方向に固定される。

軸受固定用ナット８６を螺合締結する際、回転軸８０のねじ溝８０ｃとナット８６の雌ネジ部との間に存在するがたによって、偏締め（ナット８６が回転軸８０に対して傾く）となる場合がある。前側軸受２６の内輪２６ｃと軸受固定用ナット８６の間に介在する内輪間座２９は、回転軸８０との間の嵌合すきまが数μｍ〜数十μｍに抑えられており、該ナット８６を螺合締結する際の偏締めによって内輪２６ｃがいびつに変形したり、或いは内輪２６ｃが回転軸８０に対して傾いて取り付けられることが防止することができ、主軸装置Ｍの回転精度に寄与する。

また、後側軸受３６は、図２に示すように、転動体として複数の円筒ころ３６ｂを備えた円筒ころ軸受である。後側軸受３６の外輪３６ａは、後側軸受ハウジング３０に形成された内向き段部３０ａに突き当てられて、後側軸受ハウジング３０に内嵌され、外輪固定部材３７を締結固定することで軸方向に固定される。また、内輪３６ｃは、回転軸８０に形成された外向き段部８０ｄに間座３８を介して突き当てて回転軸８０に外嵌され、間座３９を介して、回転軸８０に形成されたねじ溝８０ｅに後側軸受固定用ナット３４を締付けることで、軸方向に固定される。

前側軸受ハウジング２０の反工具側端部には、ステータ５１の前側エイドコイル５３ａの端部が入り込むように凹部２０ａが形成されている。また、前側軸受２６とロータ５２間に配置された内輪間座２９の一部と前側軸受固定用ナット８６は、ステータ５１の前側エンドコイル５３ａの内周側に入り込んでいる。また、回転軸８０の工具側先端部には、前蓋４０とともに非接触ラビリンスシールを構成するための断面Ｌ字形の環状突部８０ｆが形成されている。

さらに、後側軸受３６が内嵌される後側軸受ハウジング３０は、工具側に筒状部３０ｂが形成されており、筒状部３０ｂは、ステータ５１の後側エンドコイル５３ｂの内周側に入り込んでいる。

このような配置により、回転軸８０はモータ５０に対して工具側及び反工具側で短寸化することができ、ドローバー９３も短寸化することができる。

さらに、図３に示すように、前側軸受固定用ナット８６には、回転軸８０のバランス修正を行うため図示しないバランス修正用錘（止めねじ）が螺合可能な複数のバランス修正用のタップ穴８７が形成されている。これらのタップ穴８７は、内輪間座２９と対向する軸方向端面と外周面との間に形成されたテーパ面８６ａに開口している。また、前側軸受ハウジング２０には、ステータ５１のエンドコイル５３ａと干渉しないように、該ハウジング２０の外部からタップ穴８７までタップ穴８７の軸線に沿って直線状に傾斜した工具挿入孔２１（工具挿入部）が形成される。これにより、工具挿入孔２１から先端にバランス修正用ねじを取り付けた図示しないバランス修正用工具を挿入して、バランス修正用錘をタップ穴８７に取り付けることができる。

以上のように、本実施形態の構成の主軸装置Ｍでは、回転軸８０の前側軸受２５，２６に対して工具側には外向き段部８０ｂが形成されるとともに、前側軸受２５，２６とビルトインモータ５０のロータ５２間には、内輪間座２９及び軸受固定用ナット８６が配置され、前側軸受固定用ナット８６を回転軸８０に螺合締結することで、前側軸受２５，２６の内輪２５ｃ，２６ｃは、外向き段部８０ｂと前側軸受固定用ナット８６との間に内輪間座２９を介して固定され、前側軸受固定用ナット８６と内輪間座２９の少なくとも一部が、ビルトインモータ５０のステータ５１の前側エンドコイル５３ａの内周側に入り込んでいる。これにより、回転軸８０の軸方向長さを短縮することができるとともに、前側軸受２５，２６がロータ５２に近づけられることで前後軸受２５，２６，３６間のスパンを短くして、回転軸８０の軸方向長さを短縮することができる。前後軸受２５，２６，３６間のスパン、及び回転軸８０の軸方向長さの短縮は、回転軸８０の固有値を高めることができ、軸８０の固有振動数を高くすることができて、最高回転数をより高速にすることも可能となり、動剛性が高くなることで、振動を小さく抑えることも可能となる。また、回転軸８０の前後軸受２５，２６，３６間スパンの減少により、また、回転部のイナーシャ減により、急加速性の向上と電力減による省エネ効果も期待できる。

また、回転軸８０の工具側先端部には、外向き段部８０ｂを設けて前側軸受２５，２６の内径より大きくしているので、回転軸８０の工具側先端部において高い剛性を確保することができる。さらに、前側軸受２６の内輪２６ｃと軸受固定用ナット８６の間に介在する内輪間座２９によって、軸受固定用ナット８６を螺合締結する際の偏締めによって内輪２６ｃが変形したり、或いは内輪２６ｃが回転軸８０に対して傾いて取り付けられることが防止され、主軸装置Ｍの回転精度を向上することができる。

また、前側軸受固定用ナット８６には、バランス修正用のタップ穴８７が形成されており、前側軸受ハウジング２０には、該ハウジング２０の外部からタップ穴８７まで直線状に形成される、バランス修正用工具を挿入可能な工具挿入部２１が形成されるので、スピンドル組立後のバランス修正を容易に行うことができる。

また、本発明の主軸装置Ｍは、チルト機構を有する工作機械に搭載されることで、主軸装置Ｍの旋回半径が短くなるとともに、旋回構造がコンパクトになり、工作機械全体のコンパクト化、軽量化も図れる。

図４は、本発明の第１変形例を示す主軸装置の要部拡大断面図である。この変形例では、前側軸受ハウジング２０の反工具側端面と内周面との境界部分を、工具挿入部２１が長くなるように、軸受固定用ナット８６のタップ穴８７に向けて膨出させる。このように、工具挿入部２１のタップ穴側開口とタップ穴８７との隙間がバランス修正用錘の長さよりも小さくなるように設計することで、バランス修正時にバランス修正用錘を主軸装置の内部に落としてしまうことが防止される。

図５は、本発明の第２変形例を示す主軸装置の要部拡大断面図である。この変形例では、軸受固定用ナット８６に形成されるバランス修正用のタップ穴８７は、ナット８６の外周面から径方向に沿って形成される。外筒ハウジング１０に形成された径方向穴１０ａと、前側軸受ハウジング２０に形成された、径方向に延びる切欠き部２１ａとによって、バランス修正用工具を挿入可能な工具挿入部が、ハウジング１０の外部からタップ穴８７まで直線状に形成される。

これにより、前側軸受ハウジング２０の外径側に前側軸受２５，２６を冷却するための冷却液経路９０が形成されているため、工具挿入孔２１を斜めに形成することができない場合にもスピンドル組立後のバランス修正を容易に行うことができる。

また、この変形例のように、軸受固定用ナット８６の少なくとも一部が、ビルトインモータ５０のステータ５１の前側エンドコイル５３ａの内周側に入り込んでいる場合にも、本発明の短寸化の効果を奏する事ができる。

図６は、本発明の第３変形例を示す主軸装置の後側軸受周辺の要部拡大断面図である。この変形例では、後側軸受３６の全体が、ビルトインモータ５０のステータ５１の後側エンドコイル５３ｂの内周側に入り込んでいる。これにより、後側軸受３６がロータ５２に近づけられることで、回転軸８０の軸方向長さをさらに短縮化することができる。

尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が可能である。
上述した実施形態は、前側軸受を２列のアンギュラ玉軸受、後側軸受を単列の円筒ころ軸受を使用したが、軸受の種類や数はこれに限定されず、使用状態に応じて適宜設計することができる。

Ｈハウジング
Ｍ主軸装置
１０外筒ハウジング
１０ａ径方向穴（工具挿入部）
２０前側軸受ハウジング
２１工具挿入孔（工具挿入部）
２１ａ切欠き部（工具挿入部）
２５，２６前側軸受
２９内輪間座（間座）
３０後側軸受ハウジング
３６後側軸受
５０ビルトインモータ
５１ステータ
５２ロータ
５３ａ前側エンドコイル
５３ｂ後側エンドコイル
８０回転軸
８０ｂ外向き段部
８６前側軸受固定用ナット
８７タップ穴

Claims

回転軸が前側及び後側軸受を介してハウジングに回転自在に支持されるとともに、前記回転軸がビルトインモータによって回転駆動される主軸装置であって、
前記回転軸の前記前側軸受に対して工具側には段部が形成されるとともに、前記前側軸受と前記ビルトインモータのロータ間には間座及び軸受固定用ナットが配置され、
前記軸受固定用ナットを前記回転軸に螺合締結することで、前記前側軸受の内輪は、前記段部と前記軸受固定用ナットとの間に前記間座を介して固定され、
前記軸受固定用ナットと前記間座の少なくとも一部は、前記ビルトインモータのステータの前側エンドコイルの内周側に入り込んでおり、
前記軸受固定用ナットは、外周の一部に形成されたテーパ面にバランス修正用のタップ穴が開口されており、
前記ハウジングは、前記タップ穴の軸線に沿った直線状の工具挿入部が形成され、
前記工具挿入部は、前記ハウジングの外部から前記タップ穴まで前記前側エンドコイルと干渉しないように、主軸装置回転軸に対して傾斜していることを特徴とする主軸装置。
請求項１に記載の主軸装置と、該主軸装置を旋回するチルト機構と、を備えることを特徴とする工作機械。