JP6280149B2 - 工作機械の主軸装置 - Google Patents

Description

本発明は、形彫放電加工装置などの工具を高速回転して加工を行う工作機械に適用可能な主軸装置に関する。

従来、種々の工作機械に搭載される主軸装置において、ベアリングの冷却に用いる冷却油等の液体や工具のチャック機構に用いるエア等の気体をスピンドルに供給することがある。スピンドルに流体を通過させるために、スピンドル外周又はスピンドル内部に流体通路が設けられ、スピンドルを収容するハウジングを介して外部から通路に液体又は気体を供給する主軸装置が知られている。

特許文献１には、スピンドルとスピンドルハウジングの間隙に、スピンドルを軸支する一対のベアリングと、一対のベアリングの間に位置する筒状のシールブロックとを配置し、シールブロックの内周側に周方向に溝状のオイル供給路を設けるとともにシールブロックとスピンドルの外周面との間に微小間隙を設けた主軸装置が開示されている。係る主軸装置によれば、ハウジングを介して供給されたオイルの一部は、オイル供給路と微小間隙とを通過してベアリングに供給され、オイルの他の一部は、オイル供給路を通ってスピンドル内に設けられた供給通路に供給される。

特許第３３９６２９０号公報

ここで、様々な事情で、ハウジングの通路とスピンドル内部の通路との間で流体を通過させる複数の通路を設ける場合があり、これらの複数の通路をできるだけ容易かつ低コストに構成することが望まれている。

しかしながら、特許文献１の主軸装置は、一対のベアリングにオイルを供給させるための通路構造であって、軸方向に独立した複数の流体通路を並べて設けることを意図していないため、特許文献１のオイル通路を軸方向に複数設置しようとすると構造の複雑化や製造コストの増加が懸念される。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、容易かつ低コストにスピンドルとハウジングとの間の複数の通路を設けることができる工作機械の主軸装置を提供することを目的とする。

本発明に係る工作機械の主軸装置は、流体を通過させる複数の連絡通路を有するハウジングと、前記流体を通過させる複数の流体通路を有し、該ハウジングに収容されるスピンドルと、前記ハウジングの内周面と前記スピンドルの外周面との間に位置する複数のスペーサと、前記ハウジングの内周面と前記スピンドルの外周面との間に位置して前記流体の軸方向移動を封止する複数の環状のシールとを備えた主軸装置であって、各々の前記スペーサが、筒状本体を備えてなり、該筒状本体が周方向に前記流体を通過させるための内周面溝と、該内周面溝から前記スペーサを該スペーサの径方向に貫通する貫通孔とを有し、前記貫通孔と前記内周面溝とを介して互いに対応する前記連絡通路と前記流体通路とが連通されており、前記ハウジングの内周面のうち一定の内径を維持する同一内径領域と、前記スピンドルの外周面のうち、前記同一内径領域と対向して位置し、一定の外径を維持する同一外径領域とに挟まれる円筒状間隙に、前記スペーサと、該スペーサを挟んで前記スピンドルの軸方向に対向して位置する一対の前記シールとからなるスペーサシール組立体を複数配置したことを特徴とする。

上記「内周面溝から前記スペーサを該スペーサの径方向に貫通する貫通孔」とは、貫通孔が内周面溝とスペーサの外周面を連通させるようにスペーサを貫通することを意味する。もし、スペーサの外周面に外周面溝などの凹部が設けられている場合には、外周面溝などの凹部を介して、内周面溝とスペーサの外周面を連通させる場合も含む。

本発明に係る工作機械の主軸装置において、前記スペーサが複数の前記貫通孔と、該複数の貫通孔を連通する外周面溝とを備え、前記貫通孔が前記内周面溝から前記外周面溝までを貫通することが好ましい。

本発明によれば、流体を通過させる複数の連絡通路を有するハウジングと、流体を通過させる複数の流体通路を有し、ハウジングに収容されるスピンドルと、ハウジングの内周面とスピンドルの外周面との間に位置する複数のスペーサと、ハウジングの内周面とスピンドルの外周面との間に位置して流体の軸方向移動を封止する複数の環状のシールとを備えた主軸装置であって、各々のスペーサが、筒状本体を備えてなり、筒状本体が周方向に流体を通過させるための内周面溝と、内周面溝からスペーサをスペーサの径方向に貫通する貫通孔とを有し、貫通孔と内周面溝とを介して互いに対応する連絡通路と流体通路とが連通されており、ハウジングの内周面のうち一定の内径を維持する同一内径領域と、スピンドルの外周面のうち、同一内径領域と対向して位置し、一定の外径を維持する同一外径領域とに挟まれる円筒状間隙に、スペーサと、スペーサを挟んでスピンドルの軸方向に対向して位置する一対のシールとからなるスペーサシール組立体を複数配置している。

このことにより、各スペーサシール組立体により、スピンドルに設けられた各流体通路と、それぞれに対応してハウジングに設けられた各連絡通路とを連通させる複数の接続通路を形成することができ、円筒状間隙に独立した複数の接続通路を簡易かつ容易に設けることができる。

本発明の一実施形態に係る主軸装置が搭載された形彫放電加工機の外観図である。 第１の実施形態に係る主軸装置が用いられた主軸装置の斜視図である。 図２のIII−III断面図である。 図２のIV−IV断面図である。 図３のスペーサの斜視図である。 図３のスペーサの断面図である。 第２の実施形態に係る主軸装置におけるスペーサの断面図である。 第３の実施形態に係る主軸装置におけるスペーサの断面図である。 第４の実施形態に係る主軸装置におけるスペーサの断面図である。 第５の実施形態に係る主軸装置の要部拡大図である。

以下、図を用いて本発明の実施形態について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る主軸装置１が搭載された形彫放電加工装置（放電加工装置１０）の外観を示す。図２は本発明の一実施形態に係る主軸装置１の概略を示す縦断面図であり、図３は図２のIII−III断面図であり、図４は図２のIV−IV断面図であり、図５は図３に示すスペーサ３０の斜視図であり、図６は図３に示すスペーサ３０の断面図である。

放電加工装置１０は、主軸装置１と、主軸装置１を保持し、Ｚ軸方向に移動可能な加工ヘッド２と、機械構造物であるコラム３と、加工液を貯めるサービスタンク４と、放電加工のための電力を供給する加工電源装置５と、加工液を保持する加工槽６と、を備える。なお、公知の構成であるため図中不図示であるが、放電加工装置１０はコラム３の前方にＸＹテーブル収容部３Ａを有し、ＸＹテーブル収容部３Ａ内には、不図示の床に設置されたベッドと、ベッド上にＹ軸方向に移動可能な不図示のサドルと、サドル上にＸ軸方向に移動可能な不図示のテーブルとを備える。図１に示される実施の形態の放電加工装置１０は、往復移動するサドルの上に往復移動するテーブルを搭載した構造であるが、機械全体の構造は、実施の形態のようなＸ軸移動体とＹ軸移動体を積層した構造に限定されず、例えば、テーブルを固定し、主軸装置１を保持する加工ヘッド２をＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向に移動可能にする構成のように、主軸装置１の構成に変わりがない限り、本発明の要旨を逸脱しない範囲でＸ軸移動体とＹ軸移動体とＺ軸移動体を任意の位置に配置したあらゆる構造を採用することができる。

加工槽６はテーブル上に支持され、加工槽６の内に不図示の被加工物が載置され、加工液の中に被加工物及び工具電極を位置させた状態で、主軸装置１に取り付けられた工具電極によって被加工物が放電加工される。また、放電加工装置１０は、不図示のオイルクーラーによってサービスタンク４に貯められた加工液を所定温度に冷却してから加工槽６に供給するとともに、冷却した加工液を冷媒として主軸装置１に供給する。供給された冷媒は後述の流体通路２４を通過することにより主軸装置１を冷却する。

また、放電加工装置１０には、放電加工装置１０の制御を行う不図示の制御部への操作を行う操作装置９が接続されている。操作装置９は、液晶ディスプレイなどの表示部、キーボード及びマウスなどの入力部、磁気ディスクドライブなどの記憶装置、ＣＰＵ、メモリ等を含んで構成されるコンピュータである。

図３乃至４に示すように、主軸装置１は、ハウジング１Ａと、ハウジング１Ａの内周に軸方向に離間して設けられた上ベアリング１３及び不図示の下ベアリングと、これらのベアリング１３に高速回転可能に軸支されるスピンドル２０と、スピンドル２０を駆動する不図示のサーボモータと、サーボモータの駆動制御に用いるロータリエンコーダ１１とを有する。スピンドル２０は、ハウジング１Ａに収容され、図中下端部に不図示の工具電極を把持する。スピンドル２０は、同軸に固定された複数の部品から構成され、軸Ｚ１を中心に回転する回転体である。ハウジング１Ａは、スピンドル２０の少なくとも一部を収容しており、ここでは複数の部品から構成されている。

スピンドル２０は、内部に冷媒を通過させる冷媒用の流体通路２４を有する。流体通路２４は、スピンドル２０の軸Ｚ１に沿って延びる往路２４Ａと、往路２４Ａの工具電極側端部で往路２４Ａと連通し、スピンドル２０の軸Ｚ１に沿って延びる２つの復路２４Ｂを有する。なお、ここでは、往路２４Ａに連通する２つの流体通路入口２１、２つの復路２４Ｂ及び復路２４Ｂにそれぞれ連通する２つの流体通路出口２２は、それぞれ軸Ｚ１を挟んで対向して位置する。また、スピンドル２０内部には、不図示の工具電極のチャック機構を開閉させるための不図示の第１エア用の流体通路とチャックの着座確認用の不図示の第２エア用の流体通路が設けられている。

ハウジング１Ａの内部には、流体通路入口２１と対向する位置に開口部を有する連絡通路１８Ａと、流体通路出口２２と対向する位置に開口部を有する連絡通路１９Ａと、不図示の第１エア用の流体通路の出入口と対向する位置に開口部を有する連絡通路１６Ａと、不図示の第２エア用の流体通路の出入口と対向する位置に開口部を有する連絡通路１７Ａが設けられている。また、各連絡通路１６Ａ、１７Ａ、１８Ａ、１９Ａには、上記の各開口部とは逆の端部にコネクタ１６、１７、１８、１９がそれぞれ取り付けられている。

ハウジング１Ａの内周面とスピンドル２０の外周面との間には、筒状本体を備えた複数のスペーサ３０が位置する。各々のスペーサ３０は、筒状本体が周方向に流体を通過させるための内周面溝３２と、内周面溝３２からスペーサ３０をスペーサ３０の径方向に貫通する貫通孔３１とを有する。

スペーサ３０に周方向に内周面溝３２を設けることにより、内周面溝３２とスピンドル２０との間に、周方向に流体が移動可能な周方向通路を形成することができる。ここでは、軸方向において、流体通路入口２１の高さ、流体通路出口２２の高さ、不図示の第１エア用及び第２エア用の流体通路の出入口の高さに、スペーサ３０がそれぞれ位置している。このため、スピンドル２０がどの位置に回転しても、スピンドル２０に設けられた各流体通路の出入口と、各出入口に対応する高さに位置する内周面溝３２とスピンドル２０との間に形成される周方向通路との間の流体の往き来が可能となる。

また、スペーサ３０に、スペーサ３０を径方向に貫通する貫通孔３１を設けることにより、内周面溝３２からスペーサ３０の外周側への径方向通路を構成することができる。従って、スペーサ３０は、内周面溝３２とスピンドル２０との間に形成される周方向通路と貫通孔３１によって形成される径方向通路とを備えた接続通路を介して、各連絡通路の各開口部とスピンドル２０に設けられた各流体通路の出入口とを連通させることができる。

また、図５に示すように、本実施形態におけるスペーサ３０は、周方向に複数の貫通孔３１を連通する外周面溝３３を備え、貫通孔３１が内周面溝３２から外周面溝３３までを貫通している。このため、ハウジング１Ａの内周面と外周面溝３３との間に、周方向に冷媒が移動可能な周方向通路を形成することができ、より好適に周方向に流体を移動させることができる。また、複数の貫通孔３１を設けることで、径方向内側の周方向通路と径方向外側の周方向通路との間で好適に流体を行き来させることができる。

なお、ハウジング１Ａの内周面とスピンドル２０の外周面との間に複数のスペーサ３０を配置した状態で、スペーサ３０の内周面とスピンドル２０の外周面との間には間隙が形成されており、スペーサ３０はスピンドル２０と摺動しないように構成されている。また、スペーサ３０の外径は、ハウジング１Ａの内径よりも、例えば０．０１〜１ｍｍ程度小さく構成されており、スペーサ３０がハウジング１Ａに挿入可能な程度にスペーサ３０の外周面とハウジング１Ａの内周面の間に間隙が形成されている。スペーサ３０の外径と内径は、ハウジング１Ａの内周面とスピンドル２０の外周面との間にスペーサ３０を配置した状態で、スペーサ３０の内周面がスピンドル２０に摺動しない範囲に構成されている。また、スペーサ３０は、スペーサ３０がシール２６を当接支持する場合には、シール２６の流体封止性能を維持可能に、シール２６を支持できる形状に構成される。

また、それぞれのスペーサ３０に対して、一対のシール２６が、スピンドル２０の軸方向にスペーサ３０を挟んで対向して位置している。シール２６は、ハウジング１Ａの内周面とスピンドル２０の外周面との間に位置して流体の軸方向移動を封止する環状のシールである。なお、各シール２６は、ハウジング１Ａの内周面とスピンドル２０の外周面との間に複数のシール２６を配置した状態で、シール２６の内径とスピンドル２０の外径とが実質的に等しく、シール２６の外径とハウジング１Ａの内径とが実質的に等しくなるように構成されている。

また、図３及び４に示すように、ハウジング１Ａの内周面のうち一定の内径を維持する同一内径領域と、スピンドル２０の外周面のうち、係る同一内径領域と対向して位置し、一定の外径を維持する同一外径領域とに挟まれる円筒状間隙Ｓに、スペーサ３０と、スペーサ３０を挟んでスピンドル２０の軸方向に対向して位置する一対のシール２６とからなるスペーサシール組立体Ｇ１〜Ｇ４が複数配置されている。このため、各スペーサシール組立体Ｇ１〜Ｇ４により、スピンドル２０に設けられた各流体通路と、それぞれに対応してハウジング１Ａに設けられた各連絡通路とを連通させる複数の接続通路を形成することができ、独立した複数の接続通路を簡易かつ容易に複数設けることができる。

さらに、図３及び図４の例では、スピンドル２０の軸方向に隣り合うスペーサ３０の間に、スピンドル２０の軸Ｚ１に沿って双方向に流体の通過を封止する双方向封止用の１つのシール２６を配置している。この場合には、スピンドル２０の軸方向に隣り合うスペーサ３０の間に位置する１つのシール２６が、スピンドル２０の軸方向に隣り合う２つのスペーサ３０のシール２６の役割を兼用することで、部品点数を低減し省コスト化と小型化を図ることができる。なお、１つのシール２６が、スピンドル２０の軸方向に隣り合う２つのスペーサ３０のシール２６の役割を兼用することは必須ではなく、各スペーサシール組立体Ｇ１〜Ｇ４が、それぞれ別個に各スペーサ３０を挟んで対向する一対のシール２６を備えてもよい。また、円筒状間隙Ｓにおいて、スピンドル２０の軸方向に隣り合うスペーサシール組立体の間に、スペーサシール組立体以外の別の部品を挿入してもよい。

なお、各スペーサシール組立体Ｇ１〜Ｇ４において、一対のシール２６がスペーサ３０を挟んでスピンドル２０の軸方向に対向して位置するとは、シール２６とスペーサ３０とは直接隣接する場合のみならず、シール２６とスペーサ３０との順番を維持できる範囲で、シール支持体などの別の部品を挟んで位置する場合も含む。また、シール２６とスペーサ３０が直接隣接するように、スペーサ３０と軸方向にスペーサを挟んで対向する一対のシール２６とを位置させた場合には、複数の接続通路を設ける領域を小型化できる。

上記主軸装置１の作用について説明する。

サービスタンク４の冷媒は、不図示のポンプにより、コネクタ１８から供給され、入口側連絡通路１８Ａとスペーサ３０によって形成される接続通路を経由して、スピンドル２０上部の流体通路入口２１からスピンドル２０内に流入する。冷媒は、往路２４Ａ、復路２４Ｂの順に流体通路２４を通過し、スピンドル２０上部の流体通路出口２２からスピンドル２０外に流出する。そして、スペーサ３０によって形成される接続経路と出口側連絡通路１９Ａとを経由してコネクタ１９から主軸装置１の外に排出される。

また、不図示のポンプにより、不図示のチャックの着座確認用のエアは、コネクタ１６と、第１エア用連絡通路１６Ａと、スペーサ３０によって形成される接続通路と、スピンドル２０内の不図示の第１エア通路とを移動する。また、不図示のポンプにより、不図示のチャック開閉用のエアは、コネクタ１７と、第２エア用連絡通路１７Ａと、スペーサ３０によって形成される接続通路と、スピンドル２０内の不図示の第２エア通路とを移動する。

本実施形態によれば、円筒状間隙Ｓに配置された各スペーサシール組立体Ｇ１〜Ｇ４により、スピンドル２０に設けられた各流体通路と、それぞれに対応してハウジング１Ａに設けられた各連絡通路とを連通させる複数の接続通路を形成することができ、独立した複数の接続通路を簡易かつ容易に複数設けることができる。また、円筒状間隙Ｓに、複数のスペーサシール組立体を並べて挿入することで、省スペースに複数の独立した接続通路を設けることができる。また、スペーサ３０と一対のシール２６の個数を調整することで、流体通路の数を増減させることができ、設計自由度を高めることができる。

また、スペーサ３０の貫通孔３１と、内周面溝３２とスピンドル２０の外周面との間に形成される周方向通路によって連絡通路と流体通路とを連通する接続通路を形成することができる。このことにより、スピンドル２０の外周面又はハウジング１Ａの内周面などに流体通路のための溝等を設ける必要が無いため、スピンドル２０又はハウジング１Ａの構造を簡易化し、溝の形成及び磨き処理（ラップ処理）など表面処理工程などの加工工程の増加を抑制でき、スピンドルの製造コストの省コスト化を図ることができる。このため、簡易かつ低コストにスピンドル２０の流体通路とハウジング１Ａの連絡通路との間の接続通路を設けることができる。

特に、本実施形態のように、スピンドル２０の熱変位を防止するためにスピンドル２０の内部に冷媒を通過させる流体通路を設ける場合及び／又はスピンドル２０の内部にエア用の流体通路を設ける場合に、本発明を適用することが大いに有益であり、非常に容易かつ省コストに複数の流体通路と連結通路を接続する接続通路を設けることができる。

貫通孔３１は、スペーサ３０の内周側から外周側までを貫通して流体を通過させることができるものであれば、大きさ、形状、個数、配置を任意に構成してよい。また、貫通孔３１は、周方向に複数設けられることが好ましく、軸方向に複数設けられてもよく、スピンドル２０の軸を中心として回転対称に設けられることが好ましい。

スペーサ３０の、内周面溝３２は、周方向に流体を通過させることができるものであれば、幅、深さ及び断面形状を任意に構成してよい。また、外周面溝３３は、周方向に流体を通過させることができるものであれば、幅、深さ及び断面形状を任意に構成してよく、省略してもよい。

図７乃至図９に、第２乃至第４の実施形態の主軸装置１におけるスペーサ３０の断面図を示す。なお第２乃至第４の実施形態の主軸装置１はスペーサ３０の形状のみを第１の実施形態と異ならせており、スペーサ３０の形状以外については第１の実施形態と同様であるため説明を省略する。図７に示すように、スペーサ３０は、内周面溝３２の隅部をＲ面３２Ｒとすることができ、外周面溝３３を省略してもよい。なお、図６及び図７に示す第１及び第２の実施形態は、スペーサ３０の内周面溝３２の隅部がＲ面とされている点は共通している。また、図８及び図９に示すように、内周面溝３２の隅部は断面直角形状３２Ｓとしてもよく、Ｃ面３２Ｃとしてよい。また、各第２乃至第４実施形態においても、破線で示すように外周面溝３３を備えてもよく省略してもよい。

図１０に、第５の実施形態の主軸装置１の断面図を示す。第５の実施形態は、第１の実施形態のシール２６に代えて、スピンドル２０の軸方向の一方向の流体の通過を封止し、他方向へは流体を通過させる一方封止用のシール２６を用いた点で第１の実施形態と異なり、それ以外については第１の実施形態と同様である。

第５の実施形態のように、一方封止のシール２６を用いた場合には、図１０に示すように、スペーサシール組立体Ｇ２，Ｇ３ごとに、１つのスペーサ３０と、スピンドル２０軸方向にそのスペーサ３０を挟んで対向して一対のシール２６を位置させ、かつ、各シール２６の向きが、１つのスペーサ３０側からの流体を封止するように配置すればよい。そして、図１０に示すように、円筒状間隙Ｓに複数のスペーサシール組立体Ｇ２、Ｇ３を、対応する連絡通路と流体通路を互いに連通可能な接続通路が形成されるようにスピンドル２０の軸方向に複数位置させればよい。

なお、シール２６が変形する材質である場合に、シール２６に隣接させてシール２６の変形による流体漏れを抑制するためにシール支持部２５などを挿入するなど適宜所望の部材を挿入してよい。図１０では、シール支持部２５は、軸方向両側のシール２６の支持部材の役割を兼用している。また、図１０に示すような、断面Ｕ字型のシール２６において、スペーサ３０の内周面溝３２とスピンドル２０との間に形成される周方向通路から、流体が到達可能な位置に位置するシール先端部２６Ａを支持可能な形状に、スペーサ３０が構成されることが好ましい。例えば、図１０の例では、シール先端部２６Ａを支持できる範囲Ｗにスペーサ３０の内周面３４が位置するようにスペーサ３０の内径を設定することで好適にシール２６のシール先端部２６Ａを支持してシール２６の流体封止性能を維持することができる。

ここでは、冷却油とエアを対象としたが、冷却水や他のガスなど様々な流体の通路を備えた主軸装置にも、本発明を適用することができる。

以上、本発明の主軸装置について詳細に説明したが、本発明において、以上の例には限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよい。

１ 主軸装置
１Ａ ハウジング
２ 加工ヘッド
３ コラム
４ サービスタンク
５ 加工電源装置
６ 加工槽
９ 操作装置
１０ 放電加工装置
１１ ロータリエンコーダ
１３ 上ベアリング
１６〜１９ コネクタ
１６Ａ〜１９Ａ 連絡通路
２０ スピンドル
２１ 流体通路入口
２２ 流体通路出口
２４ 流体通路
２４Ａ 往路
２４Ｂ 復路
２６ シール
３０ スペーサ
３１ 貫通孔
３２ 内周面溝
３３ 外周面溝
３４ スペーサの内周面
Ｇ１〜Ｇ４ スペーサシール組立体

Claims (2)

1. 流体を通過させる複数の連絡通路を有するハウジングと、
   前記流体を通過させる複数の流体通路を有し、該ハウジングに収容されるスピンドルと、
   前記ハウジングの内周面と前記スピンドルの外周面との間に位置する複数のスペーサと、
   前記ハウジングの内周面と前記スピンドルの外周面との間に位置して前記流体の軸方向移動を封止する複数の環状のシールとを備えた主軸装置であって、
   各々の前記スペーサが、筒状本体を備えてなり、該筒状本体が周方向に前記流体を通過させるための内周面溝と、該内周面溝から前記スペーサを該スペーサの径方向に貫通する貫通孔とを有し、前記貫通孔と前記内周面溝とを介して互いに対応する前記連絡通路と前記流体通路とが連通されており、
   前記ハウジングの内周面のうち一定の内径を維持する同一内径領域と、前記スピンドルの外周面のうち、前記同一内径領域と対向して位置し、一定の外径を維持する同一外径領域とに挟まれる円筒状間隙に、前記スペーサと、該スペーサを挟んで前記スピンドルの軸方向に対向して位置する一対の前記シールとからなるスペーサシール組立体を複数配置したことを特徴とする工作機械の主軸装置。
2. 前記スペーサが複数の前記貫通孔と、該複数の貫通孔を連通する外周面溝とを備え、前記貫通孔が前記内周面溝から前記外周面溝までを貫通することを特徴とする請求項１記載の工作機械の主軸装置。