JPH1177459A - 主軸頭移動型工作機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】主軸の中心位置の熱変位の減少と主軸支持部の
剛性の向上。 【構成】主軸頭８の本体部８Ａは、断面略円柱形状をし
ている。この主軸頭８を支持するための被支持部材１
６，１６は、Ｘ−Ｚ平面に対して対称で、ほぼ同一の寸
法ｌｙ，ｌｙとなるようになっているので、主軸頭８ａ
はＸ−Ｚ平面に対してほぼ対称になっている。Ｘ−Ｚ平
面に対して、ナット取付け部１４を除く形状が対称形状
となっている。Ｙ−Ｚ平面方向に対しても対称形状とな
っている。本体部８Ａと被支持部材１６，１６は一体的
に構成されている。主軸頭８および主軸２２は、Ｚ軸軸
線方向と直交する断面において、Ｘ−Ｚ平面およびＹ−
Ｚ平面に対してほぼ対称形状となっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主軸頭移動型工作
機械に関する。更に詳しくは、主軸頭を主軸の軸線方向
に移動させる主軸頭移動型工作機械において、主軸の中
心位置の熱変位の減少と機械剛性の向上を図った主軸頭
移動型工作機械に関する。

【０００２】

【従来の技術】立形マシニングセンタには、工具主軸を
内蔵して案内面に沿って移動する主軸頭を備えているタ
イプのものがある。主軸頭は、内部に発熱源例えば主軸
を回転駆動するビルトイン型の主軸モータ（以下、ビル
トインモータと称する）、主軸を回転自在に支持する軸
受を備えているものが多くなってきている。そのビルト
インモータや軸受が高速回転時等に発する熱が、主軸頭
を熱変形させて、主軸中心位置を熱変位させる。マシニ
ングセンタではないが、工作物を回転させる主軸を備え
た主軸台の主軸中心の熱変位を減少させる方法の一つと
して零芯構造が知られている。例えば、特公昭５９−２
３９２２号、実開昭６２−３９９３４号、実公平３−９
９６５号等にその技術が開示されている。

【０００３】しかしながら、提案されたこれらの主軸台
の構造は、主軸台固定型の構造であり案内面に沿って移
動する主軸頭移動型ではないこと、主軸を回転駆動する
駆動モータがビルトイン型のものでないので発熱量、熱
の伝導経路等が異なることなどの点より、前記主軸移動
型の立形マシニングセンタ等の構造にはそのまま適用で
きないものである。更に、提案されたものは断熱材が必
要であり、断熱材自体の剛性が低いこと、断熱材を含む
部材を積重ねて主軸台の支持部を構成することによって
も剛性が低下すること等の問題がある。

【０００４】そのうえ、主軸台の取付け部を含む形状
（主軸軸線と直交する断面）がＸ−Ｚ軸平面またはＹ−
Ｚ軸平面に対して左右または上下に非対称であるため、
ビルトインモータ、軸受より発熱があった場合に主軸台
自体の変形がかならずしも均一にならないため、主軸の
中心位置の変位に影響を与えること等の問題もある。

【０００５】また、主軸頭移動型の立形マシニングセン
タは、主軸頭をＺ軸方向（主軸の軸線と平行な方向）に
案内するための案内面がコラム前面に設けられているこ
とが多い。そのため主軸中心とＺ軸方向の案内手段の案
内面とが離れているため、切削力がＺ軸案内手段に回転
モーメント荷重として作用し剛性を低下させるので切削
能力が制約される。また、軸受や主軸モータより発生し
た熱が主軸頭に伝導すると、主軸中心位置に大きな熱変
位を発生する等の問題もある。

【０００６】以上の問題を整理すると、従来の主軸移動
型工作機械の主軸頭は、主軸軸線と直交する平面の断面
が主軸軸線に対して軸対称でない構造のために、ビルト
インモータや軸受より熱が発生した場合に主軸頭自体を
単純に膨らんだような変形として、主軸中心位置の熱変
位を抑止とすることができなかった。また、主軸頭、断
熱部材、主軸頭、支持台、Ｚ軸方向案内手段、コラムの
ように複数の部材を積重ねて構成すると、高価格となる
とともに、積重ねていることにより静剛性等が低下して
しまう。更に、立形工作機械の場合には、主軸中心と主
軸頭の移動を案内するＺ軸方向案内手段の案内面とが離
れているため、切削力がＺ軸案内手段に回転モーメント
荷重として作用し、剛性を低下させるとともに、主軸頭
に熱が伝導すると主軸中心の熱変位に大きく影響を与
え、加工精度の低下が生じる等の問題がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上述のような
技術背景のもとになされたものであり、下記目的を達成
する。

【０００８】本発明の目的は、主軸の中心位置の熱変位
の減少を図った主軸頭移動型工作機械を提供することに
ある。

【０００９】本発明の他の目的は、主軸頭、主軸頭を移
動自在に支持する主軸頭支持部の剛性の向上を図った主
軸頭移動型工作機械を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記目的を達
成するため、次の手段を採る。

【００１１】本発明による主軸頭移動型工作機械は、機
体と、工具を取り付けて回転させる主軸を備えた主軸頭
と、この主軸頭を前記機体に対して前記主軸の軸線方向
に移動案内する案内手段とを有する主軸頭移動型工作機
械であって、前記主軸頭の外周の略半分を囲むような凹
状部が形成され、かつ前記主軸の軸線方向に延びる主軸
頭支持部を備え、前記主軸頭は前記主軸の軸線に対して
略軸対称形であり、前記案内手段は、前記主軸頭と前記
主軸頭支持部との間に設けられている。

【００１２】前記案内手段は、前記主軸頭の外周位置
に、かつ略１８０度離れた角度位置に張り出すように配
置された被支持部材と、この被支持部材と、前記主軸頭
支持部の前記凹状部を挾む両側に、かつ、前記被支持部
材と対向する位置に形成された両端支持部の取付け面と
の間に配置されている直動ころがり案内手段であり、こ
の直動ころがり案内手段が前記主軸頭の移動方向と平行
で前記主軸の軸線を含む平面の近傍に設けられている。

【００１３】更に、前記主軸頭移動型工作機械は、前記
主軸の軸線方向が垂直方向を向いている立形の工作機械
であり、前記案内手段は、主軸頭を垂直方向に移動案内
する垂直移動案内手段である。

【００１４】更に前記機台と前記主軸頭支持部との間に
配置され前記主軸頭支持部を前記主軸の軸線方向と直交
する水平方向に移動案内するための水平案内手段とを備
えてなる。

【００１５】更に、前記案内手段は、前記主軸頭の移動
方向と平行で前記主軸の前記軸線を含む垂直平面と前記
水平案内手段との間に配置されている。

【００１６】更に、前記水平案内面は、一部が前記立形
の主軸移動型工作機械の加工領域の上方に突き出るよう
に設けられている。

【００１７】更に、前記主軸頭移動型工作機械は、前記
主軸頭にビルトイン型の主軸モータを内蔵した工作機械
である。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１は、本発明による主軸頭移動
型工作機械として、主軸軸線を垂直方向に有する立形の
主軸頭移動型工作機械（以下、立形工作機械と称す
る。）の実施の形態を示している。ベッド（図示せず）
上には、コラム１が固定されている。コラム１上に、サ
ドル２がＸ軸方向に移動自在に支持されている。コラム
１とサドル２との間には、Ｘ軸方向案内手段３が水平方
向案内手段として設けられている。Ｘ軸方向案内手段３
は、直動ころがり案内手段であり、コラム１側に固定さ
れた２本のガイドレール３Ａとサドル２に固定されると
ともにガイドレール３Ａに転動自在に設けられた複数個
の直動ブロック本体３Ｂとから形成されている。ガイド
レール３Ａと直動ブロック本体３Ｂとの間には、円筒こ
ろ、鋼球などの転動体（図示せず）が介在されている。
結局、ガイドレール３Ａ、直動ブロック本体３Ｂ、及び
転動体は、公知の構造である直動ころがり案内手段を構
成する。Ｘ軸方向案内手段３の２本のガイドレール３Ａ
の間にはボールねじ２Ａが設けられ、ボールねじ２Ａの
ナット２Ｂがサドル２に固定されている。また、ボール
ねじ２ＡにはＸ軸サーボモータ（図示せず）が連結され
ている。従って、サドル２はＸ軸サーボモータの駆動に
よって移動する。なお、Ｘ軸方向案内手段３は公知のす
べり案内で構成してもよい。

【００１９】図２に示されるように、主軸頭支持部（以
下、支持部と称する）４がサドル２に一体に設けられて
いる。支持部４とサドル２は別体に形成してボルト等で
固定されていてもよい。支持部４は、中央部分５と両端
支持部分６とから形成されている。両端支持部分６は中
央部分５のそれぞれの側からそれぞれにＹ軸線方向に突
き出ていて、両端支持部分６と中央部分５は凹状面７が
形成された凹状構造体を形成している。即ち、支持部４
のこの凹状構造体は、後述する主軸頭８の外周の略半分
を囲むように形成されている。支持部４の両端支持部分
６、中央部分５は、後述する主軸２２の軸線方向（Ｚ軸
軸線方向）に長く延びている。

【００２０】図１，２に示されるＸ，Ｙ軸は、本実施形
態としては、水平面を形成する。主軸頭８が、支持部４
に対してＺ軸線方向に昇降可能に支持されている。主軸
頭８は、Ｚ軸方向の昇降駆動手段を介して支持部４に支
持されている。その昇降駆動手段３は、Ｚ軸方向送りね
じ９とナット１１とを備えている。Ｚ軸方向送りねじ９
とナット１１は、ボールねじを構成している。Ｚ軸方向
送りねじ９は、支持部４と同体または一体に組み立てら
れた構造体に回転自在に軸受で支持されている。ナット
１１は、Ｚ軸方向送りねじ９にねじ込まれている。サド
ル２に固定された上部構造体にＺ軸サーボモータ１２、
歯付プーリ１３等（図１参照）が設けられている。

【００２１】Ｚ軸サーボモータ１２の駆動力を受けて、
その出力軸から歯付プーリ、歯付ベルト、及び歯付プー
リ１３を介してＺ軸線方向送りねじ９が回転駆動され、
主軸頭８のナット取付け部１４に固定されたナット１１
が後述するＺ軸方向案内手段１５に案内されて昇降す
る。ナット１１は、図２に示されるように、ナット取付
け部１４にボルト（図示せず）で固定されている。ナッ
ト取付け部１４は、主軸頭８の本体部８Ａと一体に形成
されている。結局、Ｚ軸サーボモータ１２の駆動力を受
けて、主軸頭８はＺ軸方向に移動する。

【００２２】両端支持部分６と主軸頭８との間に１組の
Ｚ軸方向案内手段１５が介設されている。Ｚ軸方向案内
手段１５は、被支持部材１６と可動側案内体（ガイドレ
ール）１７と固定側案内体（直動ブロック本体）１８と
を備えている。被支持部材１６は、主軸頭８の本体部８
Ａにそれぞれに一体に形成または固定されている。可動
側案内体１７は、被支持部材１６にそれぞれに固定され
ている。

【００２３】可動側案内体１７と固定側案内体１８との
間には、円筒ころ、鋼球などの転動体１９が介在されて
いる。結局、可動側案内体（ガイドレール）１７、固定
側案内体（直動ブロック本体）１８、及び転動体１９
は、公知の構造である直動ころがり案内手段を構成す
る。固定側案内体１８は、両端支持部分６にそれぞれボ
ルト１８ａ，１８ａで固定されている。両側に形成され
た被支持部材１６は、Ｙ−Ｚ平面およびＸ−Ｚ平面に対
して対称な位置に配置され、かつ、Ｙ−Ｚ平面およびＸ
−Ｚ平面に対しても対称形状に形成されている。

【００２４】両端の直動ころがり案内手段であるＺ軸方
向案内手段１５は、Ｙ−Ｚ平面に対して対称となる位置
に配置されている。言い換えると、Ｚ軸方向案内手段１
５は、主軸頭８の移動方向と平行で主軸の軸線を含む垂
直平面と水平案内手段３との間に配置されている（図１
参照）。

【００２５】主軸頭８内には、内部に図示しないビルト
イン型の主軸モータ（以下、ビルトインモータと称す
る。）が組み込まれている。ビルインモータとは、主軸
２２にロータ、主軸頭８にステータが組み込まれた主軸
モータをいう。従って、ビルトインモータは主軸２２の
中心に対して軸対称に熱が発生して、その熱は軸対称に
放射方向に伝達される。同様に、主軸２２を回転自在に
支持している軸受の熱も、主軸２２の中心に対して軸対
称に伝達される。主軸頭８も、全体にＸ−Ｚ平面および
Ｙ−Ｚ平面に対して対称形状であり、被支持部材１６を
除くと、主軸２２の軸線に対してほぼ軸対称構造に形成
されている。

【００２６】主軸頭８と支持部４との間には、主軸頭８
から放射された熱の伝達を防ぐためのカバー５０が設け
られている。カバー５０は両側の被支持部材１６，１６
に固定ボルトで固定されている。主軸２２の工具装着部
には、加工工具例えばドリル２３が固定されたツールシ
ャンクが装着されている。

【００２７】Ｚ軸方向案内手段１５は、Ｘ−Ｚ軸平面に
対して平行であるとともに、その主軸２２の軸線を含む
Ｘ−Ｚ平面の近傍に設けられている。主軸２２の軸中心
線Ｚと、Ｚ軸方向案内手段１５の案内中心線との間の距
離を「Ｌ」で表すと、切削加工をした場合、主軸頭８、
被支持部材１６およびＺ軸方向案内手段１５には次のよ
うな負荷がかかる。例えば、図１のようなドリル加工を
行うと、切削力による負荷は、加工点Ｋに垂直方向の荷
重（Ｚ軸方向のスラスト荷重）Ｆｚとして作用する。

【００２８】また、エンドミルやフェイスミル等で加工
を行うと、垂直方向分力Ｆｚと水平方向分力Ｆｙが作用
する。被支持部材１６およびＺ軸方向案内手段１５には
「Ｆｙ＊Ｌ」の回転モーメント荷重等が作用する。すな
わち、従来の主軸移動型工作機械とこの実施形態の立形
工作機械とを比較すると、次のようになる。従来の主軸
移動型工作機械は、コラム１の前面Ｐの近傍にＺ軸方向
案内面を形成していたので、Ｚ軸方向案内面には「Ｆｚ
＊Ｑ（主軸２２の軸中心線Ｚとコラム前面Ｐとの間の距
離）」の回転モーメント荷重が作用するが、この実施形
態の立形工作機械ではＺ軸方向案内手段１５に作用する
回転モーメント荷重が「Ｆｚ＊Ｌ」と小さくなるように
構成されている。すなわち、この実施形態の立形工作機
械は、Ｚ軸方向案内手段１５自体の剛性が同じとする
と、Ｑ／Ｌ分大きな切削負荷を受けることができる。言
い換えると、この実施形態の立形工作機械は剛性が向上
していることになる。

【００２９】また、コラム１に対してサドル２を案内す
る水平案内手段３を、加工領域より上方に位置させてい
る。更に、Ｚ軸方向案内手段１５を主軸２２の軸線方向
近傍まで前方に位置させている。このことにより、コラ
ム１のＹ軸方向前端面２４は上方をＹ軸方向前方に向か
う方向に傾斜させることができる。立形工作機械の加工
領域を移動するためのＹ軸方向の移動ストロークＳを従
来の主軸移動型工作機械と同じとすれば、Ｘ軸方向案内
手段３の一方のガイドレール３Ａの位置を移動ストロー
クＳより小さくすることができる。すなわち、「Ｒ´」
分前方に位置させることができる。

【００３０】図１のようなドリル加工において、加工点
ＫにＺ軸方向の荷重（スラスト荷重）Ｆｚが作用した場
合、主軸２２の軸中心線Ｚと水平案内手段３の一方の側
の案内中心線Ｃとの間の距離を「Ｒ」で表すと、水平案
内手段３には次のような負荷がかかる。水平案内手段３
の一方の側には、「Ｆｚ＊Ｒ」の回転モーメント荷重が
作用する。すなわち、同じ切削をした場合に、従来の主
軸移動型工作機械より「Ｒ´＋α（ただし、αは従来の
水平案内手段の位置）」分小さい回転モーメント荷重が
かかるように構成されている。すなわち、この実施形態
の立形工作機械は、水平案内手段３自体の剛性が同じと
すると、大きな切削負荷を受けることができるように構
成されている。言い換えると、この実施形態の立形工作
機械は剛性が向上していることになる。

【００３１】なお、この立形工作機械は、コラム１に対
してサドル２を移動させるように説明を行っているが、
ベッドに対してコラムを移動させるようにしてもよい。
さらに、ベッドに対してコラムを固定して、テーブルが
移動するようにしてもよい。しかしながら、このように
構成すると、水平案内手段の剛性を向上させる効果は生
じなくなる。

【００３２】主軸頭８の本体部８Ａは、断面略円柱形状
をしている。この主軸頭８を支持するための被支持部材
１６，１６は、Ｘ−Ｚ平面に対して対称で、ほぼ同一の
寸法ｌｙ，ｌｙとなるようになっているので、主軸頭８
ａはＸ−Ｚ平面に対してほぼ対称になっている。即ち、
Ｘ−Ｚ平面に対して、ナット取付け部１４を除く形状が
対称形状となっている。また、Ｙ−Ｚ平面方向に対して
も対称形状となっている。更に、本体部８Ａと被支持部
材１６，１６は一体的に構成されている。

【００３３】即ち、主軸頭８および主軸２２は、Ｚ軸軸
線方向と直交する断面において、Ｘ−Ｚ平面およびＹ−
Ｚ平面に対してほぼ対称形状となっている。この主軸頭
８において、主軸２２回転時の熱の発生源は、ビルトイ
ンモータと軸受であり、この熱は、主軸２２の軸中心に
対して放射状に伝導していく。また、主軸頭８の熱の放
射面積は被支持部材１６，１６の一方の側しか他の部材
と接していないので、ほとんど全表面積より放射してい
るので、どこかに熱がこもるようなことが生じにくい。

【００３４】また、主軸頭８は、支持部４に対して、直
動ころがり案内手段１５，１５を介して支持されている
ので、主軸頭８の熱は支持部４側に伝導しにくい。主軸
頭８の本体部８Ａよりの放射熱を直接支持部４が受けな
いように、カバー５０が設けられている。即ち、直動こ
ろがり案内手段１５は、転動体１９でしか接していない
ので伝導する面積が小さく、一種の断熱作用を生じるの
である。従って、支持部４側には、主軸頭８の熱が伝導
しにくいので、支持部４はＹ軸方向に熱変形が少ない。
更に、支持部４はＹ−Ｚ平面に対して対称形になってい
るのでＸ軸方向には対称形に膨脹するのみである。

【００３５】従って、主軸２２の回転によって、主軸頭
８が温度上昇しても主軸頭８の本体部８Ａは、単純に膨
らむような熱変形をするのみで主軸２２の中心位置に熱
変位は生じない。また、被支持部材１６，１６に熱は伝
導して、この部分に熱変形を生じさせるが、Ｙ−Ｚ平面
に対して対称形状となっているためＸ軸方向には主軸２
２の中心位置を移動させるような熱変形は生じない。ま
た、Ｙ軸方向には、「被支持部材１６，１６の厚みの１
／２の寸法（ｌｙ）＊温度上昇値＊線膨脹係数」の熱変
位しか生じさせない。

【００３６】一方、被支持部材１６に所定の厚み［例え
ば、主軸頭８の外径寸法の２５〜４０％の寸法（２ｌ
ｙ）］を持たせることにより、主軸頭８の被支持部材１
６の剛性を確保することができる。即ち、被支持部材１
６の厚みを所定の寸法とすることにより、主軸頭８の取
付け剛性と、主軸２２の熱変位の防止の両方の向上を図
ることができる。

【００３７】以上、説明したように、主軸移動型工作機
械において、主軸頭のＺ軸方向案内手段を主軸頭の移動
方向と平行で、前記主軸の軸線を含む平面の近傍に構成
することにより、主軸頭および主軸頭案内支持部の構造
を零芯構造とし、主軸の中心位置の熱変位を減少させる
ことができる。また、主軸頭の主軸軸線方向の案内手段
を主軸軸線近傍に構成することにより、主軸頭および主
軸頭案内支持部の静剛性を向上させることができる。す
なわち、零芯構造とした主軸頭移動型工作機械におい
て、静剛性を低下させることがなく、むしろ向上を図る
ことができる。なお、この実施形態では、主軸移動型工
作機械を、主軸軸線を垂直方向に有する立形工作機械で
説明を行っているが、主軸軸線を水平方向に有する横形
の工作機械であってもよい。

【００３８】

【発明の効果】本発明による主軸頭移動型工作機械は、
主軸の中心位置の熱変位を抑止するとともに、主軸頭、
Ｚ軸方向案内手段およびその主軸頭支持部の静剛性を向
上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明による主軸頭移動型工作機械の
実施の形態を示す側面図である。

【図２】図２は、図１の主軸頭の底面図である。

【符号の説明】

１…コラム ２…サドル ３…Ｘ軸方向案内手段 ４…主軸頭支持部 ５…中央部分 ６…両端支持部分 ７…凹状面 ８…主軸頭 １５…Ｚ軸方向案内手段（案内手段） １６…被支持部材 １９…転動体 ２３…ドリル

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】機体と、 工具を取り付けて回転させる主軸を備えた主軸頭と、 この主軸頭を前記機体に対して前記主軸の軸線方向に移
   動案内する案内手段とを有する主軸頭移動型工作機械で
   あって、 前記主軸頭の外周の略半分を囲むような凹状部が形成さ
   れ、かつ前記主軸の軸線方向に延びる主軸頭支持部を備
   え、 前記主軸頭は前記主軸の軸線に対して略軸対称形であ
   り、 前記案内手段は、前記主軸頭と前記主軸頭支持部との間
   に設けられていることを特徴とする主軸頭移動型工作機
   械。
2. 【請求項２】請求項１において、 前記案内手段は、 前記主軸頭の外周位置に、かつ略１８０度離れた角度位
   置に張り出すように配置された被支持部材と、 この被支持部材と、前記主軸頭支持部の前記凹状部を挾
   む両側に、かつ、前記被支持部材と対向する位置に形成
   された両端支持部の取付け面との間に配置されている直
   動ころがり案内手段であり、この直動ころがり案内手段
   が前記主軸頭の移動方向と平行で前記主軸の軸線を含む
   平面の近傍に設けられていることを特徴とする主軸頭移
   動型工作機械。
3. 【請求項３】請求項１又は２において、 前記主軸頭移動型工作機械は、 前記主軸の軸線方向が垂直方向を向いている立形の主軸
   頭移動型工作機械であり、前記案内手段は、主軸頭を垂
   直方向に移動案内する垂直移動案内手段であることを特
   徴とする主軸頭移動型工作機械。
4. 【請求項４】請求項３において、 前記機台と前記主軸頭支持部との間に配置され前記主軸
   頭支持部を前記主軸の軸線方向と直交する水平方向に移
   動案内するための水平案内手段とを備えてなることを特
   徴とする主軸頭移動型工作機械。
5. 【請求項５】請求項４において、 前記案内手段は、前記主軸頭の移動方向と平行で前記主
   軸の前記軸線を含む垂直平面と前記水平案内手段との間
   に配置されていることを特徴とする主軸頭移動型工作機
   械。
6. 【請求項６】請求項４又は５において、 前記水平案内面は、一部が前記立形の主軸移動型工作機
   械の加工領域の上方に突き出るように設けられているこ
   とを特徴とする主軸頭移動型工作機械。
7. 【請求項７】請求項１から６のいずれか１項において、 前記主軸頭移動型工作機械は、 前記主軸頭にビルトイン型の主軸モータを内蔵した工作
   機械であることを特徴とする主軸頭移動型工作機械。