JP2017221995A - 主軸装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 実用的な主軸装置を提供する。【解決手段】 ワークＷを一端部において保持するスピンドル３０と、そのスピンドルをそれの軸線Ｌまわりに回転可能に保持するホルダ３２と、駆動源３４を有してスピンドルを軸線Ｌまわりに回転させる回転駆動機構とを備えて、ワークＷに対して切削加工を行う際に用いられる主軸装置１２において、スピンドルを、軸線に沿って延びる貫通穴４０を有する中空構造とし、スピンドルの他端部に、スピンドルとともに回転し、貫通穴内の流体（例えば、クーラント）に、一端部から他端部に向かう方向の流れを生じさせるためのインペラ７０を取り付ける。貫通穴内を、クーラント等の流体が効率よく流れ、例えば、切削屑等をその流体によって効率よく排出することが可能となる。【選択図】 図２

Description

本発明は、切削加工を行う際に用いられる主軸装置に関する。

旋盤、ボーリング加工機、歯車加工機等、ワークをスピンドル（「主軸」の意味である）によって保持してそのスピンドルを回転させつつ切削加工を行う加工機が存在する。例えば、下記特許文献に示す歯車加工装置は、その一種である。切削加工は、切削屑（いわゆる「切り粉」,「切り屑」）の発生を伴うものであり、例えば、その切削屑の処理が問題となる。例えば、切削屑が加工面に付着して残存すると、加工の妨げになったり、加工面を傷付けるといった問題にも繋がる。

特開２０１５−１２７０７７号公報

上記問題を解決するため、例えば、スピンドルに貫通穴を設けて、発生する切削屑をその貫通穴から排出することも検討されている。上記特許文献に記載の歯車加工装置においてもスピンドルに貫通穴が設けられているように思われるが、その真意は定かではない。たとえ貫通穴から切削屑を排出するように構成したとしても、その排出が適切に行われなければ、充分な技術とはなり得ない。本発明は、そのような実情に鑑みてなされたものであり、実用的な主軸装置を提供することを課題とする。

本発明の主軸装置は、
ワークに対して切削加工を行う際に用いられる主軸装置であって、
前記ワークを一端部において保持するスピンドルと、そのスピンドルをそれの軸線まわりに回転可能に保持するホルダと、駆動源を有して前記スピンドルを前記軸線まわりに回転させる回転駆動機構とを備え、
前記スピンドルが、前記軸線に沿って延びる貫通穴を有する中空構造とされ、
前記スピンドルの他端部に取り付けられて前記スピンドルとともに回転し、前記貫通穴内の流体に前記一端部から前記他端部に向かう方向の流れを生じさせるためのインペラを備えたことを特徴とする。

本発明の主軸装置によれば、切削屑がスピンドルの貫通穴を通って排出される際に、インペラによって生じる流体の流れ、つまり、例えば、クーラントの流れ、空気の流れ等によって、切削屑が効率的に排出されることになる。そのような機能を有することで、本発明の主軸装置は、実用的な主軸装置となる。

本発明の実施例である主軸装置が配備されたスカイビング加工機を示す斜視図である。 実施例の主軸装置を示す断面図である。 実施例の主軸装置が備えたインペラを示す底面図および断面図である。

本発明の主軸装置は、上述した機能に鑑みれば、スピンドルの一端部から切削屑が貫通穴に受け入れられる状態で使用されることが望ましい。なお、スピンドルは、ワークを直接保持するものであってもよく、チャック，治具等が一端部に取り付けられる場合において、それらチャック，治具等を介してワークを間接的に保持するものであってもよい。

インペラによって流れが生じることとなる流体は、湿式で加工が行われる場合においては、ワークに掛けられるクーラント，切削油等の液体であってもよく、乾式で加工が行われる場合においては、貫通穴に存在する若しくは受け入れられる空気等の気体であってもよい。例えば、特に、大量のクーラントがワークに掛けられる場合には、そのクーラントが貫通穴を通って効率よく排出させることが望まれる。詳しく言えば、例えば、クーラントが勢いよく流れない場合には、クーラントの一部が貫通穴に入りきらずに溢れ出し、その溢れ出したクーラントによって、切削屑がワークに付着してしまうことも予想される。そのようなことに鑑みれば、本発明の主軸装置は、加工の際にワークに掛けられるクーラントが貫通穴にスピンドルの一端部から受け入れられる状態で使用される主軸装置に好適である。

スピンドルの貫通穴を通って切削屑を排出させることは、ワークに設けられた穴の内周面、詳しく言えば、その穴の軸線がスピンドルの軸線と一致させられた状態においてその穴の内周面を切削するような際に、好適である。そのことに鑑みれば、本発明の主軸装置は、そのようなワークのそのような内周面を加工する際に用いる場合に、充分なメリットが発揮されることになる。

また、貫通穴を通って切削屑を排出させる場合、流体がクーラント等の液体である場合、重力をも利用できることを考慮すれば、本発明の主軸装置は、スピンドルが、それの軸線が上下方向に若しくは上下方向に対して傾斜した方向に延び、かつ、ワークを保持する一端部が上方に、インペラが設けられた他端部が下方に位置する姿勢となるようにして用いられることが望ましい。いわゆる縦型の加工機に用いられることが望ましいのである。なお、その場合、見方を変えれば、インペラは、重力による液体の流れを、助長し、若しくは、推進するという作用を発揮することになる。

本発明の主軸装置は、用いられる加工機の種類が限定されるものではない。旋盤を始め、ボーリング盤，歯切り盤等、種々の加工機に用いることができるが、特に、スカイビング加工機に用いる場合に、好適である。スカイビング加工機による切削加工、つまり、歯を形成するための加工においては、その切削屑は、比較的小さな片状のものとなることから、例えば、先に述べたように、クーラントが貫通穴から適切に排出されない場合に、そのような切削屑は、溢れ出したクーラントによってワークに付着してしまうことが予想される。そのような事象が発生する可能性を考慮した場合、本発明の主軸装置は、スカイビング加工機、特に、リングギヤの加工等、内周面に内歯を形成するようなスカイビング加工機に配備される場合に、極めて有効である。

なお、スカイビング加工機等のようにギヤ歯を形成するような加工機では、主軸をカッターに対して傾けることが行われる。種々のワークに対してそのような加工を行うことを考えた場合には、本発明の主軸装置は、スピンドルの軸線の傾きを変更するための軸線傾斜変更機構を備えることが望ましいのである。

インペラの構造，形状に関しては特に限定されるものではない。例えば、インペラを、i）基板と、ii）その基板と間隔を隔ててその基板と対向し、前記スピンドルの貫通穴に繋がる穴が中央に設けられた対向板と、iii）基板と対向板との間において、それら基板と対向板とに渡され、放射状に延びる複数の羽根板とを含んで構成されたようなインペラを採用することが可能である。そのようなインペラは、羽が３次元的に曲がるようなインペラと異なり、簡単な板金加工によって形成することが可能であり、インペラの製造コストの低減に繋がるものとなる。

以下に、本発明の一実施例となる主軸装置を、図面を参照しつつ、その主軸装置が配備されたスカイビング加工機を簡単に説明した上で、説明する。なお、本発明の主軸装置は、下記実施例の他、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した種々の形態で実施することができる。

［Ａ］スカイビング加工機の全体構成
実施例の主軸装置が配備されているスカイビング加工機は、図１に示すように、(a) 本体１０と、(b) 本体１０の前面に配設された実施例の主軸装置１２と、(c) 概して円筒状のワークＷに内歯を形成するためのカッタ１４を回転可能に保持するとともに、そのカッタ１４を回転させるカッタ回転機構を有する加工ヘッド１６と、(d) 本体１０に支持されて、加工ヘッド１６を上下，左右に移動させるヘッド移動機構１８とを含んで構成される。

本スカイビング加工機は、ワークＷに歯を成形することが可能であり、そのために、主軸装置１２は、自身の軸線、つまり、後に説明するスピンドルの軸線を前後方向に延びる軸線まわりに任意の角度だけ傾斜させ、かつ、その角度を変更するための軸線傾斜変更機構２０を備えている。ワークＷは、後に詳しく説明するように、主軸装置１２の上端部、詳しく言えば、スピンドルの上端部に保持される。図示を省略するが、主軸装置１２に保持されたワークＷに対して加工時にクーラントを上方から掛けるためのノズルが、設けられている。

［Ｂ］主軸装置の構成
主軸装置１２は、図２に示すように、大まかには、スピンドル３０と、スピンドル３０をそれの軸線Ｌまわりに回転可能に保持するホルダ３２と、スピンドル３０を回転させるためにスピンドル３０とホルダ３２との間に設けられた主軸モータ３４と、スピンドル３０の上端部に取り付けられてワークＷを保持するチャック３６とを含んで構成されている。なお、それらスピンドル３０，ホルダ３２，主軸モータ３４，チャック３６は、複数の部材が締結されて構成されているが、それら部材どうしの締結構造については、図では、省略されている。

スピンドル３０は、軸線Ｌに沿って延びる貫通穴４０が設けられた中空構造、つまり、筒状のものとされており、上端部にフランジが設けられている。ホルダ３２は、スピンドル３０を回転可能に支持する筐体として機能し、ころ軸受け４４および玉軸受け４６を介して、スピンドル３０を、軸線Ｌの延びる方向（以下、「軸線方向」と言う場合がある）に移動不能に、かつ、回転可能に支持している。ちなみに、上述の軸線傾斜変更機構２０は、ホルダ３２を回転させることによって、スピンドル３０の軸線Ｌを任意の角度だけ回転させるように構成されている。したがって、一端部である上端部においてチャック３６を介してワークＷを保持するスピンドル３０は、軸線Ｌが上下方向に若しくは上下方向に対して傾斜した方向に延び、かつ、一端部が上方に、他端部である下端部が下方に位置する姿勢とされるのである。

主軸モータ３４は、スピンドル３０を軸線Ｌまわりに回転させる回転駆動機構の駆動源として機能するものであり、ホルダ３２に保持されたコイル５０と、スピンドル３０の外周に付設された磁石５２とを含んで構成されている。主軸モータ３４は、図示を省略するエンコーダからの信号に基づいて、当該主軸モータ３４の回転速度，回転位置、すなわち、スピンドル３０の回転速度，回転位置が制御されるようになっている。

チャック３６は、大まかには、ハウジング５６と、ピストン５８と、把持筒６０とを含んで構成されている。ハウジング５６は、上下２つの部材が締結されてなる概ね有底円筒形状をなしている。ピストン５８は、ハウジング５６の内部に配設されている。詳しく言えば、ピストン５８は、フランジを有する円筒形状をなしており、そのフランジがハウジング５６に形成された円環状の溝に収容されるようにして、配設されている。ピストン５８のフランジの上下には、それぞれ、作動液が収容される液室６２，６４が形成されており、それら液室６２，６４に対して作動液が導入・排出されることにより、ピストン５８が上下に動くようになっている。ピストン５８には、ハウジング５６を貫通してフランジから上方に延び出す複数の掛合ロッド６６が付設されている。把持筒６０は、ハウジング５６の上端側に内装されており、掛合ロッド６６は、把持筒６０に掛合している。ピストン５８が下方に移動すると、ハウジング５６に形成された傾斜面の作用により、把持筒６０は、縮径してワークＷを把持する。逆に、ピストン５８が上方に移動すると、把持筒６０は自身の弾性力で拡径して、ワークＷの把持が解除される。そのような構造のチャック３６を介して、スピンドル３０は、自身の一端部である上端部においてワークＷを保持するのである。なお、液室６２，６４に対する作動液の導入・排出のための液通路は、図では省略されている。

チャック３６のハウジング５６の底部には、中央に穴が形成されており、その穴によって、本主軸装置１２では、スピンドル３０の貫通穴４０とチャック３６の内部とが繋がっている。つまり、チャック３６とスピンドル３０とを貫くようにして、上下に延びる流体の流路が形成されている。

ここで、本主軸装置１２が保持するワークＷ、つまり、スカイビング加工に供されるワークＷは、図に２点鎖線で示すように、概して円筒形状のものであり、内周面に歯を形成するための加工が行われる。つまり、ワークＷは、穴を有し、その穴の軸線を上記軸線Ｌと一致させた状態で保持され、その穴の内周面に切削加工が施されるのである。

本主軸装置１２では、スピンドル３０の他端部である下端部に、インペラ７０が取り付けられている。インペラ７０は、図３に示すように、(A) 基板７２と、(B) その基板７２と間隔を隔ててその基板７２と対向し、スピンドル３０の貫通穴４０に繋がる穴７４が中央に設けられた対向板７６と、(C) 基板７２と対向板７６との間において、それら基板７２と対向板７６とに渡され、放射状に延びる複数の羽根板７８ａ，７８ｂ，７８ｃとを含んで構成されている。ちなみに、図３（ａ）は、図３（ｂ）におけるIIIa−IIIa断面である。

羽根板７８ａ，７８ｂ，７８ｃは、それぞれに長さが異なるものの、外周端が、基板７２，対向板７６の外周端と一致している。そのため、羽根板７８ａ，７８ｂ，７８ｃの内周端の位置は、それぞれに異なっている。詳しく言えば、最も長い４枚の羽根板７８ａが、等角度ピッチで配設されており、中間の長さの４枚の羽根板７８ｂが、羽根板７８ａのちょうど中間に、最も短い羽根板７８ｃが、羽根板７８ａと羽板板７８ｂとのちょうど中間に、それぞれ配設されている。

羽根板７８ａ，７８ｂ，７８ｃは、いずれも、内周端側の部分が環状部８０として形成されている。各羽根板７８ａ，７８ｂ，７８ｃは、基板７２と対向板７６との両者に接合されて、基板７２と対向板７６とを互いに固定するものとなっているが、基板７２と対向板７６は、短い羽根板７８ｃの環状部８０を利用して、ボルト８２およびナット８４によって締結されている。また、インペラ７０は、長い羽根板７８ａの環状部８０を利用して、ボルト８６によって、スピンドル３０の下端に取り付けられている。

上述のような構造のインペラ７０であることで、本主軸装置１２では、スピンドル３０の貫通穴４０と、インペラ７０の外周とが、羽根板７８ａ，７８ｂ，７８ｃの間の空間を介して繋がり、流体の流路が形成されている。インペラ７０は、スピンドル３０の回転により、スピンドル３０と一体的に回転する。

［Ｃ］インペラによる作用
本スカイビング加工機では、ワークＷの内周面に歯切り加工を行う際、多くの量のクーラントがワークＷに向かって放出され、図２から解るように、その放出されたクーラントの大部分は、スピンドル３０の貫通穴４０を通って、下方に排出される。加工によって生じる切削屑は、小片のものであり、その切削屑は、クーラントとともに貫通穴４０を通って下方に排出されるべきである。しかしながら、クーラントの量が相当に多くなる場合には、貫通穴４０を通るクーラントの流れが充分ではないことが予想される。極端に言えば、クーラントがワークＷの上方に溢れ出ることも考えられるのである。そのような場合には、切削屑は、特にそれが小片状である場合には、ワークＷの内部に漂ったり、ワークＷの内周面、つまり、加工面に付着する虞がある。その場合、その切削屑が原因して、切削された歯の表面等に傷が付くこともあり得るのである。

上述のような事態を回避するために、インペラ７０は効果的である。具体的に言えば、図２において太矢印で示すように、スピンドル３０が回転してインペラ７０が回転すると、インペラ７０内部のクーラントが遠心力によってインペラ７０の外周から勢い良く放出され、それによって、貫通穴４０の内部のクーラントが下方に吸い寄せられる。その結果、貫通穴４０の内部のクーラントの流れ、詳しく言えば、流速が推進されることになる。そのことによって、クーラントは勢い良く下方に流れ、そのクーラントの流れによって、切削屑も、適切に、換言すれば、効率的に排出されることになるのである。

上述のように、スピンドル３０の他端部（下端部）に取り付けられたインペラ７０は、貫通穴４０内の流体、具体的には、クーラントに、一端部（上端部）から他端部に向かう方向の流れを生じさせるために有効な手段となる。換言すれば、その流れを助長するために有効な手段となるのである。したがって、本主軸装置１２、つまり、上述のような作用を発揮するインペラ７０がスピンドル３０に取り付けられた主軸装置１２を採用することで、本スカイビング加工機によって加工されたワークは、加工による傷が抑制されたものとなるのである。

１２：主軸装置 ２０：軸線傾斜変更機構 ３０：スピンドル ３２：ホルダ ３４：主軸モータ〔回転駆動機構〕〔駆動源〕 ３６：チャック ４０：貫通穴 ７０：インペラ ７２：基板 ７４：穴 ７６：対向板 ７８ａ，７８ｂ，７８ｃ：羽根板 Ｗ：ワーク Ｌ：スピンドルの軸線

Claims (8)

1. ワークに対して切削加工を行う際に用いられる主軸装置であって、
   前記ワークを一端部において保持するスピンドルと、そのスピンドルをそれの軸線まわりに回転可能に保持するホルダと、駆動源を有して前記スピンドルを前記軸線まわりに回転させる回転駆動機構とを備え、
   前記スピンドルが、前記軸線に沿って延びる貫通穴を有する中空構造とされ、
   前記スピンドルの他端部に取り付けられて前記スピンドルとともに回転し、前記貫通穴内の流体に前記一端部から前記他端部に向かう方向の流れを生じさせるためのインペラを備えたことを特徴とする主軸装置。
2. 前記インペラが、
   基板と、
   その基板と間隔を隔ててその基板と対向し、前記スピンドルの貫通穴に繋がる穴が中央に設けられた対向板と、
   前記基板と前記対向板との間において、それら基板と対向板とに渡され、放射状に延びる複数の羽根板と
   を含んで構成された請求項１に記載の主軸装置。
3. 前記ワークの切削加工の際の切削屑を、前記スピンドルの貫通穴にそれの一端部から受け入れる状態で使用される請求項１または請求項２に記載の主軸装置。
4. 切削加工の際に前記ワークに掛けられるクーラントを、前記スピンドルの貫通穴に一端部から受け入れる状態で使用される請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の主軸装置。
5. 前記ワークが穴を有し、その穴の軸線を前記軸線と一致させた状態でその穴の内周面を切削加工する際に用いられる請求項１ないし請求項４のいずれか１つに記載の主軸装置。
6. 前記スピンドルが、前記軸線が上下方向に若しくは上下方向に対して傾斜した方向に延び、かつ、前記一端部が上方に、前記他端部が下方に位置する姿勢となるようにして用いられる請求項１ないし請求項５のいずれか１つに記載の主軸装置。
7. 前記スピンドルの前記軸線の傾きを変更する軸線傾斜変更機構を備えた請求項１ないし請求項６のいずれか１つに記載の主軸装置。
8. スカイビング加工機に配備される請求項１ないし請求項７のいずれか１つに記載の主軸装置。

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