CN101501355A - 轴承装置 - Google Patents

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Abstract

轴承装置包括：滚动轴承(16)，具有外圈(16a)、内圈(16b)和设置在这两个圈之间的滚动元件(16c)；温度传感器(TS)，用于测量滚动轴承中的温度；和润滑单元(22)。润滑单元根据温度传感器检测到的温度以一定的速度向滚动轴承供应润滑油。因此，可以提供即使在高速旋转的条件下也能具有足够长寿命的轴承装置。该轴承装置可以适于用于机床的主心轴。

Description

轴承装置
技术领域
本发明涉及一种适于使用在机床的心轴中的轴承装置，该轴承装置结合到高速滑动和旋转的机床的心轴支撑部或类似部分中，典型的机床例如是车床、钻床、镗床、铣床、磨床、珩磨床、超精加工机床、研磨机等。
背景技术
通常，用于支撑心轴的滚动轴承结合到上面示例性的机床的心轴中，并且一般要使用角接触球轴承、圆柱滚子轴承、或其组合。这里，机床的加工精度和生产能力很大程度取决于心轴的旋转速度，为了提高生产能力必须使心轴的旋转提速。然而，如果滚动轴承用在高速旋转的场合，轴承的产热显著增加，滚动元件与内/外圈之间的接触压力因离心力而增加。因此，心轴的使用条件显著变差，从而增加了轴承损坏的可能性，例如磨损、卡住等。此外，因高速旋转导致的产热增加，从而可能发生机床的热变形，这也会影响加工精度。
为了防止这些出现在轴承中的严重的不便，并避免加工精度因整个机床的热变形而降低，必须通过选择在高速旋转条件下合适的润滑系统，最大可能地抑制用于支撑心轴的滚动轴承中的热量产生。相反，用于支撑高速旋转的机床的心轴的滚动轴承的润滑获得伴随着润滑油供应的冷却效果，因此需要采用油气润滑方法、喷嘴润滑方法和座圈下润滑方法(参照日本专利公开No.2003-278773)。
发明内容
然而，如日本专利公开No.2003-278773中举例说明的，虽然存在关注于润滑油的量的传统技术，但是还没有以关注轴承的实际温度的同时适当地供应足量的润滑油为目标的技术。上述的传统技术难于以直接测量轴承在工作中的温度的方式适当地供应足量的润滑油。
本发明的目的是针对上述现有技术中所固有的问题而提供一种通过供应必要量的润滑油来提高可靠性的轴承装置。
根据本发明的轴承装置包括：滚动轴承，具有外圈、内圈和设置在内圈与外圈之间的滚动元件；温度传感器，用于测量滚动轴承的内部温度；和润滑单元，其中，润滑单元向滚动轴承供应对应于由温度传感器检测到的温度的量的润滑油。
根据本发明，润滑单元向滚动轴承供应对应于由温度传感器检测到的温度的量的润滑油，因此通过以高精度直接测量滚动轴承的内部温度而向滚动轴承适当地供应足量的润滑油，由此可以提供能够确保在高速旋转的条件下具有足够长寿命的轴承装置。
优选地，温度传感器这样来构造出，即，利用对应于精细图案的掩膜使涂覆在基板表面上的抗蚀剂曝光并使该精细图案在该基板表面上显影，通过溅射将金属膜沉积在该精细图案上，随后去除残留的抗蚀剂。该类型的温度传感器可以被制造成极薄的传感器，因此不需要较大的安装空间。因此，该温度传感器可以安装在轴承装置内部的随意位置，并可以高精度地测量所想要测量的部分的温度。
优选地，轴承装置用在机床的心轴中。
附图说明
图1是示出沿着根据一实施例的滚动装置的轴线的方向剖开的截面的截面图；
图2是放大地示出温度传感器TS的透视图；
图3是用于机床的心轴装置的截面图，其中图1所示的滚动轴承结合到该心轴装置中；
图4是示出润滑单元22的构造的视图；和
图5是示出滚动轴承在用于机床的心轴装置工作时的温度升高的模拟结果的曲线图。
具体实施方式
接下来，将参照附图描述本发明的实施例。图1是沿着用在本实施例中的滚动轴承的轴线的方向剖开的截面图。滚动轴承(角接触球轴承)16包括外圈16a、内圈16b、设置在两个圈16a、16b之间的用作滚动元件的球16c以及以相等的间隔沿周向保持球16c的保持架16d。外圈16a沿着其内周具有滚道面16e。内圈16b沿着其外周具有滚道面16f。球16c可以由诸如氮化硅、碳化硅等的陶瓷制成。
温度传感器TS通过粘结剂结合到外圈16a的除了滚道面16e以外的内周表面。从温度传感器TS延伸的电线通过端表面从外圈16a的内周表面拉到外部。应当指出，图1放大地示出了温度传感器TS的厚度。
图2是温度传感器TS的放大透视图。参照图2，温度传感器TS包括基板TSa和形成在基板TSa上的精细的电阻图案TSb。电阻图案TSb由一条线宽窄的单一铂线构成，并且，随着其总长度因基板TSa的膨胀或收缩而变化，其电阻值根据温度而改变，由此通过向电阻图案TSb施加电流来测量温度。
将描述温度传感器TS的制造方法。通过旋涂将厚度约为2μm的光致抗蚀剂(由东京Ohka Kogyo有限公司生产的OFRP800LB)涂覆在附着有用作绝缘膜的氧化膜的硅基板(厚度：200μm)的表面上，并进行90℃、8分钟的预烘焙处理。随后，利用对应于电阻图案TSb的掩膜(利用由Union Optical有限公司生产的掩模对准器EMA-400)使电阻图案TSb暴光，并通过使用显影溶液(由东京Ohka Kogyo有限公司生产的MND 3)进行显影。最后将该基板在超纯水中漂洗60秒。
随后，通过溅射方法将厚度约250nm的铂膜沉积在光致抗蚀剂上，并通过采用丙酮的剥离(lift-off)方法去除残留在基板上的光致抗蚀剂。在该处理之后，用切割装置将基板切成预定的芯片尺寸。对芯片上的铂电阻图案TSb进行布线。温度传感器TS的制造方法虽然不限于上述方法，但通过使用半导体微粉化技术，伴随着尺寸小型化，在传感器的大规模生产能力、尺寸小型化和反应方面表现优秀。
图3是用于机床的心轴装置的截面图，其中图1所示的滚动轴承结合到该心轴装置中。心轴装置100是采用使冷却油流到外壳体的外套结构的用于机床的装置。心轴装置100具有这样的结构，其中由不锈钢制成的耐压管10在心轴装置100内环绕延伸，并连接到喷嘴头12，该耐压管10的直径为φ1mm至φ3.2mm(这里，作为一个示例，φ1.6mm为外径，φ1.0mm为内径)，以显示针对挠曲的柔韧性。由不锈钢制成的耐压管10是经受光泽退火处理(lusterannealing treatment)的管，因此是柔韧的，用手容易弯曲。此外，在压力下的管膨胀较小，从而该管适于提供极少量的润滑油。
心轴装置100包括心轴14、可旋转地支撑该心轴的多个滚动轴承16(在示意性示例中设置四个轴承16)、覆盖滚动轴承16的外部的内壳体18、以及覆盖心轴装置100的外部的外壳体20。定义为润滑油供给源的润滑单元22通过沿着轴向形成在外壳体20内的润滑油供给连通孔24并通过形成在内壳体18中的孔隙部86经由耐压管10连接到设置在内壳体18内的喷嘴头12。即，喷嘴头12是用于直接将微量的润滑油间歇地喷射到滚动轴承16的喷嘴元件。然后，耐压管10是用于将润滑单元22所喷射的润滑油引导到喷嘴头12的管。
外壳体20由围绕内壳体18的外周的外圆筒28、29和固定到外圆筒29的端表面的后盖32构成。滚动轴承16有两对，并且在轴向上以预定间隔设置，从而支撑心轴14的前侧和后侧，使得每对滚动轴承部分地负责支撑区域。各滚动轴承16的外圈的外径面密封地固定地安装到内壳体18的内周表面。滚动轴承16的外圈在最前面的部分以不能旋转的状态抵靠外圈压制元件34并从而与该外圈压制元件34接合。滚动轴承16的外圈在最后面的部分经由外圈压制元件36以不能旋转的状态与在轴向上由弹簧38弹性偏置的外圆筒28接合。此外，各滚动轴承16的内圈的内径面固定地安装到心轴14的外周表面，用于在轴向上固定滚动轴承16的间隔件40分别在前侧和后侧设置在各个滚动轴承16之间。
此外，如图所示，冷却凹槽42形成在内壳体18的外径部分中，从冷却单元(未示出)供应的冷却油沿着冷却凹槽42循环，从而对外壳体20进行冷却。即，基于外圆筒冷却系统，心轴装置100构造成具有冷却功能。要指出，在本实施例中，心轴14被水平支撑，然而，如果用于例如加工中心，则心轴14要被设置成垂直或倾斜。
接下来，解释润滑单元22。图4是示出润滑单元22的构造的视图。如图4所示，润滑单元22包括由具有有利性质的超磁致伸缩体制成的杆元件46，其中杆元件46在轴向上的一个端部46a通过预装载的调节机构48固定到壳体50。在施加磁场时，杆元件46凭借磁致伸缩现象(焦耳效应)在轴线方向上伸展。
预装载的调节机构48可以通过使用例如螺旋机构而引入，该螺旋机构通过旋转在杆元件46的轴线方向上伸出，并能使杆元件46的一个端部46a受到挤压。通过朝预装载的调节机构48偏置杆元件46而无间隙(游隙)地沿杆元件46的轴向传递压力的压力传递元件52设置在杆元件46的在轴线方向上的另一端部46b。杆元件46通过压力传递元件52连接到活塞54。活塞54可滑动地设置在气缸56的内部，泵室由气缸56和活塞54构造出。
气缸56具有用于向泵室供应润滑油的吸入流动路径58。由用于防止润滑油从泵室回流的止回阀构造出的吸入侧止回阀60沿着通向吸入流动路径58的吸入口59的流动路径设置在中途。此外，气缸56具有用于排出从泵室排出的润滑油的排出流动路径62。由用于防止润滑油被引入到泵室中的止回阀构造出的排出侧止回阀64沿着通向排出流动路径62的排出口63的流动路径设置在中途。
线圈66围绕杆元件46的外周共轴地设置，并且与杆元件46构成磁路的由磁性材料构成的磁轭68设置在线圈66的外部。此外，驱动电路70电连接到线圈66。驱动电路70接收对应于由温度传感器TS测量到的温度的信号，并输出用于产生与此相应的磁场的电流。该电流被施加到线圈66，由此杆元件46接收线圈66产生的磁场，并伸展，结果通过吸入流动路径58供应并停留在泵室中的润滑油通过排出流动路径62而从排出口63排出。排出的润滑油通过耐压管10从喷嘴头12排出。此时，每次射出的排出量小到0.5至10mm3，并且润滑油在1MPa或更大的排出压力下被间歇地排出。
本发明的发明人在将由上述方法制造出的温度传感器TS安装到外圈16a的滚道面16e的滚动轴承16组装到如图3所示的心轴装置时、并且以基于温度传感器TS的温度测量结果来调节润滑单元22的润滑油的量的方式供应润滑油的情况下(启用反馈控制)，以及在润滑单元22的润滑油与温度无关地间歇供应的情况下(不启用反馈控制)，对滚动轴承16的温度变化进行了模拟。图5示出了在环境温度为25℃、20,000rpm旋转一小时的条件下对温度变化进行模拟的结果。在润滑单元22的润滑油间歇供应的情况下，以固定的时间间隔供应固定量的润滑油，从而产生这样的问题，即，轴承温度难于稳定。相反，在温度传感器TS实时测量温度信息并以基于测量到的温度信息控制润滑油的供应时机和供应量的方式从润滑单元22供应润滑油的情况下，可以理解的是，轴承温度高度稳定。
到目前为止，已经通过实施例讨论了本发明，但本发明不应当被解释为限制于上面描述的实施例，而是当然地可以适当地变型和改进。例如，如虚线所指示的，温度传感器TS可以设置在外圈16a的滚道面16e(部分A)、保持架16d(部分B)和内圈16b(部分C)上。温度传感器的安装部分不限于上面给出的那些，而是温度传感器可以安装到滚动轴承16的任何部分。来自温度传感器TS的信息被无线(IC标签，等)接收并传送到驱动电路70，而无需限制为有限装置，并且该信息被分析，从而可以从润滑单元22供应足量的润滑油。此外，温度传感器TS还可以由包括异种金属薄膜的热电偶类型的传感器构造出。
工业应用性
如上所述，根据本发明的轴承装置由于即使在高速旋转下也能适当地供应足量的润滑油到滚动轴承并能够确保足够长的寿命，因此是有用的，且适于用于机床的心轴。

Claims (5)

1.一种轴承装置，包括：
滚动轴承，具有外圈、内圈和设置在所述内圈与所述外圈之间的滚动元件；
温度传感器，用于测量所述滚动轴承的内部温度；和
润滑单元，
其中，所述润滑单元向所述滚动轴承供应对应于由所述温度传感器检测到的温度的量的润滑油。
2.根据权利要求1的轴承装置，其中，所述温度传感器这样来构造出，即，利用对应于精细图案的掩膜使涂覆在基板表面上的抗蚀剂曝光并使该精细图案在该基板表面上显影，通过溅射将金属膜沉积在该精细图案上，随后去除残留的抗蚀剂。
3.根据权利要求1或2的轴承装置，其中，所述温度传感器设置在滚道面、邻近滚道面的部分、或者用于保持所述滚动元件的保持架上。
4.根据权利要求1-3中任一项的轴承装置，其中，所述润滑单元基于由所述温度传感器检测到的温度基本上实时地控制润滑油的供应时机和供应量。
5.根据权利要求1-4中任一项的轴承装置，其中，所述轴承装置用在机床的心轴中。
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