专利名称：机床的主轴结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及可以将刀具架保持以及摘取于主轴上的机床的主轴结构。
背景技术：
要连结安装了切削刀具等刀具的刀具架与机床的主轴，首先将设置在刀具架的端面上的凸形圆锥部嵌合到形成于主轴顶端部上的凹形圆锥部中。然后，通过设置在主轴一侧的牵引杆把设置在刀具架的凸形圆锥部的顶部上的牵引螺栓往上牵引，使刀具架的凸形圆锥部(圆锥面)与主轴的凹形圆锥部(圆锥面)相接触。
但是，这样一来，刀具架与主轴通过圆锥面间的接触而形成的这种结合有如下的不足。当在刀具架上施加外力时，容易发生大的倾斜；并且，当进行刀具交换时，会造成刀具长度参差不齐；再有，当主轴高速旋转时凹形圆锥部会扩大，刀具架将被过度地牵引到主轴的内部。
对此，近年来，除了使刀具架的圆锥面与主轴的圆锥面相接触，还实行了使刀具架的端面与主轴的端面相接触，刀具架和主轴连结的二面约束方式的主轴结构被广泛地采用。采用这种方式弥补了上述的不足，能够利用刀具进行更高质量的加工。
作为两面约束方式的主轴结构公知的有，使刀具架的凸形圆锥部嵌合到主轴的凹形圆锥部中，而且使主轴的端面以及刀具架的端面都延伸出来相互接合(参照日本特开平5-285715号公报)。
在这种结构中，使凸形圆锥部的外径比凹形圆锥部的内径更大，并预置了过盈量，当刀具架被牵引到主轴中时，利用刀具夹紧力产生的弹性变形性质，使得主轴及刀具架双方的端面紧密接触。本刀具架被牵引到主轴中的量随着刀具夹紧力的增加而增加。
然而，由于牵引螺栓的强度、非夹紧装置的负担等问题，不能随意地增大刀具夹紧力。因此，为使圆锥面及端面同时紧密接触，必须在很小的误差范围内精密地确定主轴圆锥面与主轴端面的位置关系，这就增大了主轴制作的成本。
并且，介于主轴与刀具架的圆锥面之间的油膜使得两者间产生浮游状态，不能完全地获得传递转矩，其结果不能使工作能力得到充分发挥。
再有，主轴在高速旋转时，其凹形圆锥部在离心力作用下向外扩展。由于此扩展比刀具架的凸形圆锥部的扩展要大，造成刀具夹持状态的不稳定。
图8表示的是伴随主轴旋转数的变化的凸形圆锥部及凹形圆锥部的变形(扩展)。主轴静止时，预置了2μm的过盈量(凸形圆锥部的外径与凹形圆锥部的内径之差)，此过盈量随着主轴旋转数的增加而减少，大约超过17,000min-1时可发现两者间出现了空隙。
作为其他的两面约束式主轴结构公知的有，通过在刀具架的圆锥面与主轴的圆锥面之间装入套筒状的可动部件，使得刀具的牵引量随着刀具的牵引力的增加而增加，同时在高速旋转时也发生同等程度的变形(参照日本特开2000-158270号公报、日本特开2002-172534号公报、日本实开昭60-143628号公报)。
但是，上述的结构都有以下缺点由于主轴和刀具架之间的传递转矩小，所以不能充分发挥刀具的性能，并且结构复杂、生产成本高。
发明内容
本发明的机床的主轴结构，通过使刀具架的凸形圆锥部和刀具架的端面与主轴的凹形圆锥部和端面相接触以及分离，使得所述刀具架可以被保持在所述主轴上以及从所述主轴取下，在所述主轴凹形圆锥部的主轴中心轴方向上的一处或多处一体设置圆环状圆锥部分，使该圆环状圆锥部分的直径比所述刀具架的凸形圆锥部与所述圆环状圆锥部分相接触的那部分的直径更小。
采用本发明，既不需要可动零件也无需精密的加工精度，以圆锥面以及端面这两面就能够使刀具架和主轴稳定并互相约束，从而能够获得较高的传递转矩，使刀具稳定并夹持。
采用本发明的机床的主轴结构，由于是圆锥面彼此的接触为圆环状圆锥部分处的局部接触，所以接触部分容易发生弹性变形，刀具架和主轴的圆锥面彼此接触后能够进一步被充分地牵引。因此，在获得稳定的两面约束状态的同时，能够使主轴的圆锥面和端面的位置关系的容许误差范围变大，从而可以降低所要求的加工精度，降低制造成本。
还有，能够加大刀具架和主轴间的过盈量的设定，圆锥面上产生的表面压力升高的同时，由于圆锥面彼此的接触面积缩小，不会因介于两者间的油膜而产生浮游状态，所以主轴和刀具架之间可获得较高的传递转矩。
再有，由于能够加大预置的过盈量，主轴高速旋转时即使主轴的凹形圆锥部发生了扩展，过盈量也不会完全消失，能够维持稳定的刀具夹持状态。
本发明的上述以及其它目的和特征，可参照附图由以下的实施例来阐明。
图1是本发明的机床的主轴结构的第1实施方式剖面图。
图2为图1的机床的主轴结构中关于过盈量的说明剖面图。具体来说，使主轴的凹形圆锥部上形成的圆环状圆锥部分的直径略小于刀具架的凸形圆锥部上和所述圆环状圆锥部分相接的部位的直径，由此给出了过盈量。
图3是对与刀具牵引力相对应的刀具牵引量、过盈量和公差幅度通过以往的主轴结构与图1的主轴结构来对比的表。
图4A是表示以往的主轴结构中表面压力分布状态的图；图4B为图1的主轴结构中表面压力分布状态的图。
图5为本发明的机床的主轴结构的第2实施方式的剖面图。
图6为本发明的机床的主轴结构的第3实施方式的剖面图。
图7为本发明的机床的主轴结构的第4实施方式的剖面图。
图8为以往的主轴结构中随着主轴旋转数的改变而发生的凸形圆锥部及凹形圆锥部的变形的曲线图。
具体实施例方式
参照图1对本发明的机床的主轴结构的第1实施方式加以说明。
图1所示的主轴结构中，安装了切削刀具等刀具(无图示)的刀具架1被安装在机床的主轴2上，将刀具连结到主轴2上，便可将主轴2的运动传递到刀具上。
在刀具架1的端面1a的中央部位，一体设有凸形圆锥部3，其中心轴与刀具架1的中心轴一致。在该凸形圆锥部3的顶部，沿着凸形圆锥部3的中心轴方向竖立设置了牵引螺栓4。
在主轴2的端面2a的中央部位，形成了凹形圆锥部5，其中心轴与主轴2的中心轴一致。在凹形圆锥部5的底部，配置有拆装自如地把持刀具架1的牵引螺栓4的牵引杆6。并且，在主轴中心轴方向的中间位置，一体形成有圆环状圆锥部分7。该圆环状圆锥部分7具有从凹形圆锥部5的表面向内突起的突出部样式，该突出部的内周面形成与凹形圆锥部5的表面平行的圆锥形的面(圆锥面)。
然后，将刀具架1的凸形圆锥部3插入主轴2的凹形圆锥部5，使其接触到圆环状圆锥部分7的圆锥面后，由牵引杆6把刀具架1的牵引螺栓4牵引上来，刀具架1的端面1a就和主轴2的端面2a吻合在一起。
再者，如图2所示，使形成于凹形圆锥部5上的圆环状圆锥部分7的直径(内径)A略小于凸形圆锥部3上和所述圆环状圆锥部分7相接的部位的直径(外径)B，由此给出了过盈量。并且，当把刀具架1牵引到主轴2中时(即由牵引杆6把牵引螺栓4牵引上来时)，凸形圆锥部3以及凹形圆锥部5发生弹性变形，凸形圆锥部3(圆锥面)与圆环状圆锥部分7的内周面(圆锥面)吻合在一起。
这样，刀具架1的圆锥面(凸形圆锥部3)与主轴2的圆锥面(圆环状圆锥部分7的内周面)的接触为局部的，容易产生弹性变形。因此，加以等同的刀具牵引力时的刀具牵引量，比起使凸形圆锥部的圆锥面全面和凹形圆锥部的圆锥面全面相接触的以往结构能够更大，从而能够预置更大的过盈量(凸形圆锥部3的直径B与圆环状圆锥部分7的直径A的差)。
因此，主轴2的凸形圆锥部3(圆锥面)和端面2a在轴方向上的位置关系的容许误差范围，即公差幅度可以加大，与以往的结构相比可以降低所要求的加工精度。
不让刀具架的端面和主轴的端面接触而使刀具牵引力发生作用的情况下，对于该刀具牵引力与圆锥面间接触后刀具架被牵引到主轴内部的刀具牵引量、能够预置的过盈量、以及公差幅度之间的关系，以本发明的主轴结构与以往的主轴结构做比较，其结果示于图3。
例如，刀具牵引力为2.0kN时，以往的主轴结构中的刀具牵引量不超过8μm，而在本发明的主轴结构中则为20μm。这样，通过得到大的牵引量，相对于以往的主轴结构中2μm的公差幅度，而本发明的主轴结构中的公差幅度为10μm的话，能够扩大5倍。
并且，由于主轴2的圆锥面(圆环状圆锥部分7的内周面)其接触面积小，不会因介于圆锥面彼此的接触部之间的油膜而出现浮游状态，而且，因为凹形圆锥部5的其他部分与凸形圆锥部3不接触，介于这部分之间的油膜不影响传递转矩，由此，可以获得较高的传递转矩。
刀具架处于被安装在主轴上的状态时，有关施加在圆锥面和端面上的表面压力，以本发明的主轴结构与以往的主轴结构所做的比较结果表示在图4A和图4B中。
在图4A所示的以往的两面约束方式的主轴结构中，因为主轴的凹形圆锥部和刀具架的凸形圆锥部全面紧密接触，所以，较低的表面压力作用于接合面全体上。另一方面，在图4B所示的本发明的主轴结构中，较高的表面压力集中作用于圆环状圆锥部分7的内周面上。
产生于圆锥面上的表面压力和产生于端面上的表面压力有交换关系，当产生于圆锥面上的表面压力非常高时，可以通过调整预置的过盈量，使作用于端面上的表面压力升高，就能够达到良好的平衡。
图1所示的主轴结构可以有多种变型。
例如，在图5所示的例子(本发明的机床的主轴结构的第2实施方式)中，在凹状圆锥部5的主轴中心轴方向的上方位置形成圆环状圆锥部分7。
在图6所示的例子(本发明的机床的主轴结构的第3实施方式)中，在凹形圆锥部5的主轴中心轴方向的下端位置形成圆环状圆锥部分7。
还有，在图7表示的例子(本发明的机床的主轴结构的第4实施方式)中，使圆环状圆锥部分7形成于凹形圆锥部5在主轴中心轴方向的上方位置以及下端位置这两方。
而且，不是在主轴2一侧、而是在刀具架1的凸形圆锥部3的外周面上设置圆环状圆锥部分7，也能够获得同样的效果。即，在刀具架1的凸形圆锥部的中心轴方向上，在一处或多处一体设置圆环状圆锥部分，而且，使该圆环状圆锥部分的直径比主轴2的凹形圆锥部5与圆环状圆锥部分接触的部位的直径更大。
权利要求
1.一种机床的主轴结构，使刀具架的凸形圆锥部和刀具架的端面与主轴的凹形圆锥部和主轴的端面相接触以及分离，将所述刀具架可以保持在所述主轴上以及从所述主轴上拆卸下，其特征在于在所述主轴凹形圆锥部的主轴中心轴方向上的一处或多处一体设置圆环状圆锥部分，使所述圆环状圆锥部分的直径比所述刀具架的凸形圆锥部与所述圆环状圆锥部分接触的部分的直径更小。
2.一种机床的主轴结构，使刀具架的凸形圆锥部和刀具架的端面与主轴的凹形圆锥部和主轴的端面相接触以及分离，将所述刀具架可以保持在所述主轴上以及从所述主轴上拆卸下，其特征在于在所述主轴凸形圆锥部的主轴中心轴方向上的一处或多处一体设置圆环状圆锥部分，使所述圆环状圆锥部分的直径比所述主轴凹形圆锥部与所述圆环状圆锥部分接触的部分的直径更大。
全文摘要
本发明涉及可以将刀具架保持以及摘取于主轴上的机床的主轴结构。通过使刀具架的凸形圆锥部及端面分别与主轴的凹形圆锥部及端面相接触，将刀具架安装在主轴上。使圆环状圆锥部分在主轴的凹形圆锥部的内侧面上向里面突起。使圆环状圆锥部分的直径比刀具架的凸形圆锥部与该圆环状圆锥部分接触的部位的直径更小。
文档编号B23B31/00GK1654146SQ200510001668
公开日2005年8月17日 申请日期2005年2月3日 优先权日2004年2月10日
发明者渡边训夫, 藤元明彦, 室田真弘 申请人:发那科株式会社