JP5233517B2 - 主軸装置及びそれを備えた工作機械 - Google Patents

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５は、特許文献１に記載の主軸装置の構造を示している。

図において、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１１０、外筒ハウジング１０１の後部には後側軸受ハウジング１２０がそれぞれ設けられており、前側軸受ハウジング１１０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１１５、１１６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１２５、１２６が配置されている。

そして、前側軸受１１６と後側軸受１２５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。
特公平８−２２４８１号公報

ところで、ステータ１５１の軸方向両端部には、エンドコイル１５３と呼ばれるステータコイルの凸部が突出している。図５の主軸装置では、そのエンドコイル１５３を避ける形で、前側軸受ハウジング１１０を形成しており、前後軸受１１６、１２５間のスパンが大きくなり、そのため、回転軸１０２の全長が長くなって、全体寸法が大きくなるという問題があった。

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、回転軸の前後軸受間スパンを短くすることができ、それにより回転軸の全長を短くして、全体の軸方向寸法の短縮を図るようにした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。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（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、
前記ハウジングは、前記ビルトインモータのステータが取付けられる外筒ハウジングと、該外筒ハウジングの前部に設けられ、前記前側軸受の外輪が内嵌される前側軸受ハウジングと、前記外筒ハウジングの後部に設けられ、前記後側軸受の外輪が内嵌される後側軸受ハウジングと、を有し、
前記前側軸受ハウジング及び後側軸受ハウジングのうち少なくとも一方は、径方向に厚肉の筒状部と、該筒状部の内径寄りステータ側端部から軸方向に突出する薄肉の円筒突出部と、を有し、
前記円筒突出部は、前記ステータのエンドコイルの内周側に入り込んでおり、且つ、前記円筒突出部の内周面には、前記前側または後側軸受の外輪が部分的に内嵌され、
前記前側または後側軸受は、前記転動体としての玉を有するアンギュラ玉軸受であり、
前記玉の中心が、径方向から見て、前記円筒突出部と重なり、又は、
該アンギュラ玉軸受の接触角の延長線は、前記筒状部のステータ側端面及び前記円筒突出部の外周面と交差せずに、前記厚肉の筒状部を通過することを特徴とする主軸装置。
（２） （１）に記載の主軸装置を備えたことを特徴とする工作機械。
（３） 前記主軸装置がチルト機構に搭載されていることを特徴とする（２）に記載の工作機械。

本発明によれば、前側軸受ハウジング及び後側軸受ハウジングのうち少なくとも一方は、径方向に厚肉の筒状部と、筒状部の内径寄りステータ側端部から軸方向に突出する薄肉の円筒突出部と、を有し、円筒突出部は、ステータのエンドコイルの内周側に入り込んでおり、且つ、円筒突出部の内周面には、前側または後側軸受の外輪が部分的に内嵌される。従って、前後軸受間のスパンを短くすることができ、回転軸の全長の短縮に貢献することができ、それにより、主軸装置の軸方向寸法のコンパクト化と軽量化を図ることができる。また、回転軸の前後軸受間スパンの減少により、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、チルト機構に搭載する場合は、主軸装置のコンパクト化と軽量化により、チルト機構の構造のコンパクト化も図れる。

さらに、前側または後側軸受は、転動体としての玉を有するアンギュラ玉軸受であり、玉の中心が、径方向から見て、円筒突出部と重なり、且つ、アンギュラ玉軸受の接触角の延長線は、筒状部のステータ側端面及び円筒突出部の外周面と交差せずに、厚肉の筒状部を通過することによって、回転軸を支える剛性の低下を最小限に抑えることができる。

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。

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。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。これにより、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。

図２及び図３に示すように、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が間座２７，２８を介して背面組み合わせされている。前側軸受２５，２６の外輪２５ａ，２６ａは、前側軸受ハウジング２０に内嵌され、内輪２５ｃ，２６ｃは、回転軸８０に外嵌され、回転軸８０に形成されたねじ溝８０ａに軸受固定ナット８６を締付けることで、前側軸受２５，２６には、予圧が付与され、内輪２５ｃ、２６ｃが軸方向に固定される。また、後側軸受３６は、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り、この外輪３６ａは、後側軸受ハウジング３０に内嵌され、内輪３６ｃは、回転軸８０に外嵌されている。

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、ステータコイルのエンドコイル５３が略環状の凸部として突出している。なお、スリーブ８１は、回転軸８０の外周上に焼バメ締結されている。

回転軸８０の内径部には、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。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。

ここで、図２に示すように、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に内嵌されており、外筒ハウジング１０にねじ締結されている。前側軸受ハウジング２０及び後側軸受ハウジング３０は、径方向に厚肉の筒状部２１，３１と、厚肉の筒状部２１，３１の内径寄りステータ側端部からステータ５１側へ軸方向に突出する、筒状部２１より薄肉の円筒突出部２２，３２と、を有する。これら円筒突出部２２，３２は、ステータ５１の軸方向端部に凸部として突出したエンドコイル５３の内周側に入り込んでおり、エンドコイル５３と円筒突出部２２，３２は、軸方向にオーバーラップしている。さらに、ステータ寄りの各軸受２６，３６の外輪２６ａ，３６ａは、円筒突出部２２，３２の内周面に部分的に内嵌、即ち、厚肉の筒状部２１，３２の内周面と円筒突出部２２，３２の内周面に跨るように内嵌される。また、外輪２６ａ，３６ａのステータ側端面は、円筒突出部２２，３２に内向きに形成される内向き段部２２ａ，３２ａに突き当てられ、軸方向に位置決めされている。

即ち、図３に示すように、前側軸受ハウジング２０の円筒突出部２２は、エンドコイル５３と軸方向に寸法Ａだけオーバーラップしている。また、前側軸受２６の軸方向位置は、玉２６ｂの中心が、径方向から見て、厚肉の筒状部２１と重なるように、つまり、厚肉の筒状部２１のステータ側端面２１ａより寸法Ｂだけ反ステータ５１側に位置するように設定されている。このような配置関係は、後側軸受ハウジング３０、エンドコイル５３、後側軸受３６においても同様である。

以上のように、本実施形態の構成の主軸装置Ｍでは、前側軸受ハウジング２０と後側軸受ハウジング３０の各円筒突出部２２、３２は、ステータ５１のエンドコイル５３の内周側に入り込んでおり、且つ、円筒突出部２２、３２の内周面には、前側または後側軸受２６，３６の外輪２６ａ，３６ａが部分的に内嵌されているので、前後軸受２５、２６、３６をよりステータ５１寄りの位置に配置することができる。従って、前後軸受２５、２６、３６間のスパンを短くすることができ、回転軸８０の全長の短縮に貢献することができ、それにより、主軸装置Ｍの軸方向寸法のコンパクト化と軽量化を図ることができる。

また、回転軸８０の前後軸受２５、２６、３６間スパンの減少により、回転軸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、チルト機構に搭載する場合は、主軸装置Ｍのコンパクト化と軽量化により、チルト機構の構造のコンパクト化も図れる。

また、前側軸受２６の軸方向位置を、玉２６ｂの中心が、径方向から見て、厚肉の筒状部２１と重なるように配置されることによって、回転軸８０を支える剛性の低下を最小限に抑えることができる。

なお、本実施形態のような前側軸受２６がアンギュラ玉軸受の場合には、図４に示す変形例のように、前側軸受２６の軸方向位置を、玉２６ｂの中心が、径方向から見て、円筒突出部２２と重なり、又は、アンギュラ玉軸受の接触角の延長線Ｌは、厚肉の筒状部２１のステータ側端面２１ａ及び円筒突出部２２の外周面２２ｂと交差せずに、厚肉の筒状部２１を通過する（なお、本実施形態では、両方の条件が成立している）。即ち、厚肉の筒状部２１のステータ側端面２１ａ及び円筒突出部２２の外周面２２ｂとの境界位置と、この境界位置より反ステータ側の延長線Ｌとの間に、距離Ｃが確保されている。これにより、回転軸８０を支える剛性の低下を最小限に抑えて、前側軸受２５、２６をよりステータ５１寄りの位置に配置することができる。

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。
また、上述した実施形態では、本発明の配置関係は、前側軸受ハウジング２０、前側軸受２６、エンドコイル５３の配置関係と、後側軸受ハウジング３０、後側軸受３６、エンドコイル５３の配置関係との両方に適用されているが、いずれか一方に適用されてもよい。

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。 主軸装置の要部を示す拡大断面図である。 主軸装置の変形例の要部を示す拡大断面図である。 従来の主軸装置の例を示す断面図である。

符号の説明

Ｍ 主軸装置
１０ 外筒ハウジング
２０ 前側軸受ハウジング
２１ 筒状部
２２ 円筒突出部
２５，２６ 前側軸受
３０ 後側軸受ハウジング
３１ 筒状部
３２ 円筒突出部
３６ 後側軸受
５０ ビルトインモータ
５１ ステータ
５２ ロータ
５３ エンドコイル
８０ 回転軸

Claims (3)

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、
   前記ハウジングは、前記ビルトインモータのステータが取付けられる外筒ハウジングと、該外筒ハウジングの前部に設けられ、前記前側軸受の外輪が内嵌される前側軸受ハウジングと、前記外筒ハウジングの後部に設けられ、前記後側軸受の外輪が内嵌される後側軸受ハウジングと、を有し、
   前記前側軸受ハウジング及び後側軸受ハウジングのうち少なくとも一方は、径方向に厚肉の筒状部と、該筒状部の内径寄りステータ側端部から軸方向に突出する薄肉の円筒突出部と、を有し、
   前記円筒突出部は、前記ステータのエンドコイルの内周側に入り込んでおり、且つ、前記円筒突出部の内周面には、前記前側または後側軸受の外輪が部分的に内嵌され、
   前記前側または後側軸受は、前記転動体としての玉を有するアンギュラ玉軸受であり、
   前記玉の中心が、径方向から見て、前記円筒突出部と重なり、又は、
   該アンギュラ玉軸受の接触角の延長線は、前記筒状部のステータ側端面及び前記円筒突出部の外周面と交差せずに、前記厚肉の筒状部を通過することを特徴とする主軸装置。
2. 請求項１に記載の主軸装置を備えたことを特徴とする工作機械。
3. 前記主軸装置がチルト機構に搭載されていることを特徴とする請求項２に記載の工作機械。

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