CN105983710B - 主轴装置 - Google Patents

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CN105983710B CN201610144136.9A CN201610144136A CN105983710B CN 105983710 B CN105983710 B CN 105983710B CN 201610144136 A CN201610144136 A CN 201610144136A CN 105983710 B CN105983710 B CN 105983710B
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Abstract

本发明提供主轴装置。主轴装置具备:壳体(10);主轴(20),其具备保持旋转工具(21)的筒状的主体部(61)、以及从主体部(61)的旋转工具(21)侧的外周面向径向外侧伸出的法兰部(63);轴承(81~85),它们相对于壳体(10)将主体部(61)的外周面支承为能够旋转;以及静压轴承(70),其相对于壳体(10)将法兰部(63)支承为能够旋转,并且配置于轴承(81~85)的径向位置或者径向位置的外侧,并且具有比轴承(81~84)具有的阻尼系数大的阻尼系数。

Description

主轴装置
技术领域
本发明涉及主轴装置。
背景技术
例如,在日本专利5505067号公报中公开了如下主轴装置:通过配置于主轴的工具侧的滚动轴承以及附加有衰减性的静压轴承,支承主轴的径向从而抑制加工中的主轴的高频振动。
由于上述静压轴承配置于主轴的附近,所以存在来自静压轴承的流体的剪切热传递至主轴从而在主轴产生较大的热位移的情况。另外,存在静压轴承的流体的回收空间等变小从而无法确保主轴的旋转的可靠性的可能性。
发明内容
本发明的目的之一在于提供能够抑制主轴的热位移并且能够确保主轴的旋转的可靠性的主轴装置。
本发明的一个方式的主轴装置具备:壳体;主轴,其具备保持旋转工具的筒状的主体部、以及从上述主体部的上述旋转工具侧的外周面向径向外侧伸出的法兰部;轴承,其相对于上述壳体将上述主体部的外周面支承为能够旋转;以及静压轴承,其相对于上述壳体将上述法兰部支承为能够旋转,并且配置于上述轴承的径向位置或者上述轴承的径向位置的外侧,并且具有比上述轴承具有的阻尼系数大的阻尼系数。
这样,由于静压轴承设置于从主轴的主体部的旋转工具侧的外周面向径向外侧伸出的法兰部,所以静压轴承的相对于主轴的流体的剪切热的导热路径变长。由此,主轴难以受到流体的剪切热的影响,能够抑制主轴的热位移,能够抑制因伴随着主轴的热位移的加工精度的恶化、旋转平衡的变动而产生的主轴的高频振动。另外,由于在与法兰部对置的壳体的内周面,能够确保回收静压轴承的流体的空间,所以能够确保主轴的旋转的可靠性,从而能够维持高精度的加工。
附图说明
通过以下参照附图对本发明的优选实施方式进行的详细描述,本发明的上述以及其它特征及优点会变得更加清楚,其中,相同的附图标记表示相同的要素,其中,
图1是本发明的第一实施方式中的主轴装置的轴向剖视图。
图2是表示图1的静压轴承的配置的放大图。
图3是表示静压轴承的配置的第一其他例子的放大图。
图4是表示静压轴承的配置的第二其他例子的放大图。
图5是表示不具备图1的盖子时的静压轴承的配置的放大图。
图6是本发明的第二实施方式中的主轴装置的轴向剖视图。
图7是表示图6的静压轴承的配置的放大图。
图8A是表示图6的法兰部的陶瓷涂层的第一例的剖视图。
图8B是表示图6的法兰部的陶瓷涂层的第二例的剖视图。
图8C是表示图6的法兰部的陶瓷涂层的第三例的剖视图。
图9A是表示图6的壳体、设置于盖子的第一例的冷却部的放大图。
图9B是表示图6的壳体、设置于盖子的第二例的冷却部的放大图。
具体实施方式
以下,参照附图对将本发明的主轴装置具体化的第一实施方式进行说明。针对主轴装置的结构,参照图1进行说明。如图1所示,主轴装置1具备壳体10、主轴20、马达30、支承装置40与盖子50(相当于遮挡部件)。此外,在主轴装置1的说明中,将保持旋转工具21的图1的左侧称为前侧,将图1的右侧称为后侧。
壳体10形成为能够插通主轴20的中空筒状。马达30配置于壳体10的筒内,并且具备固定于壳体10的定子31以及固定于主轴20的转子32。支承装置40相对于壳体10将主轴20支承为能够旋转。支承装置40具备静压轴承70(相当于粘弹性轴承)、滚动轴承81~85以及外圈支承体90。
主轴20具备主体部61与法兰部63。主体部61形成为筒状,在前侧(图1的左侧)保持被支架22保持的状态的旋转工具21。而且,在主体部61的外周面卡合有滚动轴承81~85的内圈。法兰部63形成为从主体部61的旋转工具21侧的外周面向径向外侧伸出。而且,在法兰部63的外周面配置有静压轴承70。
此外,在附图上,主体部61在比滚动轴承81靠前侧被分割为两部分,并且通过省略图示的螺栓结合,法兰部63与主体部61的前侧部分,即与比图2所示的双点划线L2靠内径侧的部分(以下,称为轮毂部62),通过一个部件形成(法兰部63与轮毂部62是一个部件)。由于这种形状根据制造以及维护的观点来决定,所以如图2所示,虽然主体部61(后侧)以及法兰部63由两个部件形成,但也可以由一个部件形成。
法兰部63具备:圆板部64,其从轮毂部62(主体部61)的自前侧端面向轴线后方离开规定距离的外周面向径向外侧延伸;以及凸缘部65,其从圆板部64的外周边沿轴线方向延伸。凸缘部65是比图2所示的点划线L1靠前侧的部分,圆板部64是除凸缘部65之外的比图2所示的双点划线L2靠壳体10侧的部分。由于凸缘部65以向轴线方向前侧延伸的方式形成,所以能够增长从凸缘部65至旋转工具21(支架22)的热传导的路径(部件),从而难以使来自凸缘部65的发热向旋转工具21传递。另外,虽然凸缘部65相对于圆板部64是另外的部件,但与其结合为一体。
静压轴承70位于壳体10与主轴20的径向间,并且配置于滚动轴承81~84的径向位置或者径向的外侧(包含径向位置且比其靠外侧)。换言之,静压轴承70的有效直径具有滚动轴承81~84以上的有效直径。而且,静压轴承70相对于壳体10支承凸缘部65的外周侧的圆板部64侧的部位。静压轴承70起到如下的作用:例如通过将油等流体以规定的流量供给至后述各油压凹部71,从而以规定的阻尼系数C以及规定的弹簧常量k相对于壳体10将主轴20在主轴20的径向进行支承。
通过静压轴承70而设定的规定的阻尼系数C设定为,比滚动轴承81~84分别具有的阻尼系数大。另外,通过静压轴承70设定的规定的弹簧常量k设定为,比滚动轴承81~84分别具有的弹簧常量小。静压轴承70通过利用规定的阻尼系数C以及规定的弹簧常量k的附加而产生的衰减效果以及弹性效果,抑制主轴20(旋转工具21)的振动。
滚动轴承81~84的外圈支承于圆筒状的外圈支承体90,内圈与主轴20的主体部61的外周面卡合。即,滚动轴承81~84相对于壳体10以及外圈支承体90将主轴20支承为能够旋转。滚动轴承81~84例如应用球轴承,并且配置于比马达30靠旋转工具21侧(前侧)。球轴承为哪种均可,例如也可以是沿主轴20的轴线方向施加预压的角接触球轴承。
另一方面,滚动轴承85相对于壳体10将主轴20支承为能够旋转。滚动轴承85例如应用滚子轴承,并且配置于比马达30靠旋转工具21侧的相反侧(后侧)。即,滚动轴承81~轴承84以及轴承85以将马达30夹持于主轴20的轴线方向中央的方式配置。
盖子50是筒状部件,并且盖子50的内周面与轮毂部62(主体部61)的外周面以及法兰部63的圆板部64的外周面狭窄,以便能够在加工时防止来自主轴装置1的外部的冷却液的浸入,并且即便因加工负荷而使主轴20弯曲也不会与轮毂部62(主体部61)的外周面以及法兰部63的圆板部64的外周面接触地与它们空开规定的缝隙地形成,并且通过销51、螺栓等固定于壳体10。盖子50的内周面与轮毂部62(主体部61)的外周面之间通过空气密封而被密封。此外,盖子50的内周面与轮毂部62(主体部61)的外周面之间也可以不是空气密封,也可以使用油封或者O型环进行密封。
参照图2对构成支承装置40的静压轴承70的结构详细地进行说明。如图2所示,静压轴承70具有油压凹部71、第一排出通路72、第二排出通路73、对置面74、对置面75、流体供给路径76与节流部77。
油压凹部71以规定的缝隙形成在与主轴20的法兰部63的外周面对置的壳体10的内周面10a,上述规定的缝隙基于用于对油的粘度、主轴20的高频振动进行衰减的阻尼系数C等被设定,上述油压凹部71形成在三个位置以上,是能够对应加工时的力的规定的数量。第一排出通路72、第二排出通路73形成于油压凹部71的轴向两侧(主轴20的轴线方向)。
流体供给路径76经由流路76a连接油压凹部71与省略图示的油压泵。油压泵通过作动从省略图示的储液部吸入油,并且将省略图示的控制装置指示的流量的油供给至油压凹部71。在流体供给路径76设置有节流部77。从油压泵供给的油通过节流部77供给至油压凹部71,该油通过法兰部63的外周面与壁78、79的内周面(陆地部)的缝隙,向第一排出通路72与第二排出通路73排出而被回收。
如图1所示,第一排出通路72以及第二排出通路73分别具有的连接通路72a、73a与排出回收通路70a连接。在本实施方式中,连接通路72a、73a以及排出回收通路70a位于主轴20的重力方向的正下方。排出回收通路70a与省略图示的储液部连接。在静压轴承70的前侧以及后侧,通过省略图示的空气密封密封主轴20的外周面与壳体10的内周面10a之间。
如图2所示,静压轴承70相对于壳体10支承凸缘部65的外周侧的凸缘部65侧的部位。由此,由于静压轴承70作用于主轴20的凸缘部65,所以能够可靠地获得静压轴承70的衰减效果。
法兰部63形成为从主轴20的主体部61的旋转工具21侧的外周面向径向外侧伸出。由此,主轴20由于静压轴承70的流体的剪切热的导热路径变长,所以难以受到剪切热的影响,从而能够抑制由伴随着主轴20的热位移的加工精度的恶化、旋转平衡的变动而产生的主轴20的高频振动。
法兰部63的凸缘部65形成为从圆板部64的外周边沿轴线方向(前方或者后方)延伸。由此,凸缘部65的热容量变大,从而能够充分吸收静压轴承70的流体的剪切热。另外,由于在与法兰部63对置的壳体10的内周面10a,能够确保回收静压轴承70的流体的空间,所以能够确保主轴20的旋转的可靠性,从而能够维持高精度的加工。
由于主轴20的法兰部63基本上被盖子50覆盖,所以能够抑制来自主轴20的法兰部63与盖子50的缝隙的冷却液的浸入。即,由于冷却液的浸入路径形成于主轴20的轮毂部62(主体部61)的外周面的、法兰部63的前侧端面以及外周面与盖子50的内周面以及后侧端面之间,所以路径长变长且能够设置密封,并且能够发挥迷宫效果,从而冷却液的浸入被抑制。因此,由于滚动轴承81配置于更靠前侧,并且能够支承主轴20,所以旋转工具21的工具刚性根据需要而被充分确保。
针对静压轴承的配置的第一其他例子,参照对应于图2表示的图3进行说明。此外,在图3中,对于与图2相同的构成部件,标注相同的编号并省略详细的说明。如图3所示,静压轴承170支承主轴20的圆板部64的外周部位。由此,由于静压轴承170直接作用于主轴20的圆板部64,所以能够进一步可靠地获得静压轴承70的衰减效果。
即便是该静压轴承170的配置,通过支承法兰部63,也能够与图2所示的静压轴承70的配置相同地,获得抑制主轴20的高频振动、确保主轴20的旋转的可靠性等效果。此外,在该例中,由于静压轴承170支承主轴20的圆板部64的外周部位,所以作为不具备法兰部63的主轴20,也可以实现主轴20的部件成本的减少。
针对静压轴承的配置的第二其他例子,参照对应于图2表示的图4进行说明。此外,在图4中,对于与图2相同的构成部件,标注相同的编号并省略详细的说明。如图4所示,静压轴承270支承主轴20的法兰部63的内周侧的圆板部64侧的部位。由此,由于能够使静压轴承270的配置向主轴20的旋转中心方向接近,所以能够减小由主轴20的旋转引起的油的剪切热的影响。另外,通过使壳体10等的壁厚变薄,小型化也能够实现。
以下,参照附图对将本发明的主轴装置具体化的第二实施方式进行说明。针对主轴装置的结构,参照对应于图1以及图2表示的图6以及图7进行说明。此外,对于与图1以及图2所示的主轴装置1的构成部件相同的构成部件,标注相同的编号并省略详细的说明。如图6以及图7所示,主轴装置2具备壳体110、主轴120、马达30、支承装置140与盖子50。此外,在主轴装置2的说明中,将保持旋转工具21的图6以及图7的左侧称为前侧,将图6以及图7的右侧称为后侧。
虽然壳体110与第一实施方式的壳体10相同地,形成为能够插通主轴120的中空筒状,但分割形成为对静压轴承70进行支承的静压轴承支承部111、以及配置于比静压轴承支承部111靠后侧的壳体主体部112。支承装置140具备静压轴承70、滚动轴承81~85与外圈支承体190。外圈支承体190与第一实施方式的外圈支承体90不同,在外周的轴线方向中央部形成有向外侧突出的凸缘部191。在该凸缘部191的前侧配置有静压轴承支承部111,在凸缘部191的后侧配置有壳体主体部112。
主轴120具备主体部161与法兰部163。主体部161未如第一实施方式的主体部61以及轮毂部62那样由两个部件形成,由一个部件形成。法兰部163被插入到主体部161的从前侧端面起向轴线后方离开规定距离的外周面,并且法兰部163具备向径向外侧延伸的圆板部164以及从圆板部164的外周边向轴线方向两侧延伸的凸出部165。即,法兰部163形成为剖面形状成为T字状。在法兰部163的凸出部165的外周面165a配置有静压轴承70。由于凸出部165形成为向轴线方向两侧延伸,所以能够加长从凸出部165至旋转工具21(支架22)的热传导的路径(部件),从而从凸出部165向旋转工具21热难以传递。
法兰部163由具有比构成主轴120的主体部161的材料的热传导率低的热传导率的材料构成。一般而言,由于主轴120的主体部161由铁系材料构成,所以法兰部163由具有比铁系材料的热传导率低的热传导率的氧化锆、氧化铝等陶瓷材料、碳纤维增强塑料(CFRP)等材料构成。
法兰部163也可以由在表面涂层有氧化锆、氧化铝等陶瓷材料的铁系材料构成。如图8A所示,对于陶瓷材料而言,至少配置静压轴承70的凸出部165的外周面165a通过陶瓷材料C进行涂层。另外,如图8B所示,也可以将外周面165a与两侧端面165c、165d通过陶瓷材料C进行涂层,另外,如图8C所示,也可以将外周面165a、两侧端面165c、165d与内周面165b通过陶瓷材料C进行涂层。
由于法兰部163由具有低热传导率的材料构成,所以热难以从凸出部165向旋转工具21(支架22)进一步传递。而且,根据该主轴装置2,与第一实施方式的主轴装置1相同,能够获得抑制主轴120的高频振动、确保主轴120的旋转的可靠性等效果。此外,由于需要确保强度、耐久性,并且如果用具有低热传导率的材料构成主轴120则成本会变高,因此用铁系材料构成主轴120。
壳体110以及盖子50的至少一方也可以由具有比构成法兰部163的材料的热传导率高的热传导率的材料构成。作为具有该高热传导率的材料,例如有铜、黄铜、铝、铝合金等。由此,由于热容易从凸出部165向壳体110以及盖子50的至少一方传递,所以该热难以进一步从凸出部165向旋转工具21(支架22)传递。此外,由于壳体主体部112以及外圈支承体190需要确保强度、耐久性,所以未由具有上述高热传导率的材料构成,由铁系材料构成。
也可以在外圈支承体190以及盖子50的至少一方设置冷却部100。作为该冷却部100,如图9A所示,将供冷却液通过的管状的孔101设置于外圈支承体190以及盖子50的至少一方的内部,或如图9B所示,将供冷却液通过的管状的槽102设置于与法兰部163的接触面。由此,由于来自凸出部165的发热通过外圈支承体190以及盖子50的至少一方而被冷却,所以该热难以进一步向旋转工具21(支架22)传递。
本实施方式的主轴装置具备:壳体10;主轴20,其具备保持旋转工具21的筒状的主体部61以及从主体部61的旋转工具21侧的外周面向径向外侧伸出的法兰部63;轴承81~85,它们相对于壳体10将主体部61的外周面支承为能够旋转;以及静压轴承70、170、270(粘弹性轴承),它们相对于壳体10将法兰部63支承为能够旋转,并且配置于轴承81~85的径向位置或者径向位置的外侧(包含径向位置并且比其靠外侧),并且具有比轴承81~84具有的阻尼系数大的阻尼系数。
这样,由于静压轴承70、170、270设置于从主轴20的主体部61的旋转工具21侧的外周面向径向外侧伸出的法兰部63,所以相对于主轴20的静压轴承70的流体的剪切热的导热路径变长。因此,主轴20难以受到流体的剪切热的影响,能够抑制主轴20的热位移,能够抑制因伴随着主轴20的热位移的加工精度的恶化、旋转平衡的变动而产生的主轴20的高频振动。另外,由于在与法兰部63对置的壳体10的内周面10a,能够确保回收静压轴承70、170、270的流体的空间,所以能够确保主轴20的旋转的可靠性,从而能够维持高精度的加工。
法兰部63具备:圆板部64,其从主体部61的外周面向径向外侧延伸;以及凸缘部65,其从圆板部64的外周边沿轴线方向延伸。由此,法兰部63的热容量变大,能够充分吸收静压轴承70、170、270的流体的剪切热。
由于静压轴承70、170、270相对于壳体10支承凸缘部65,所以静压轴承70、170、270的流体的剪切热的导热路径变长,主轴20难以受到剪切热的影响。
由于静压轴承70、170、270相对于壳体10支承凸缘部65的圆板部64侧的部位,所以通过作用于圆板部64,能够可靠地获得静压轴承70、170、270的衰减效果。
由于静压轴承70相对于壳体10支承凸缘部65的外周侧的部位,所以能够容易形成静压轴承70的流体的供给路径。
由于静压轴承270相对于壳体10支承凸缘部65的内周侧的部位,所以能够使静压轴承的配置向主轴20的旋转中心方向接近(越接近旋转中心,流体的剪切距离越短),因此能够减小由主轴20的旋转引起的油的剪切热的影响。另外,能够使壳体10的壁厚变薄,从而能够实现主轴装置的径向大小的小型化。
由于静压轴承170相对于壳体10支承从主体部61沿径向延伸的圆板部64的外周侧的部位,所以通过直接作用于圆板部64,能够进一步可靠地获得静压轴承170的衰减效果。
法兰部63具备从主体部61的外周面向径向外侧延伸的圆板部64,静压轴承70、170相对于壳体10支承圆板部64的外周侧的部位。由此,静压轴承70、170的流体的剪切热的导热路径变长,主轴20难以受到剪切热的影响。
由于法兰部163由具有比构成主体部161的材料的热传导率低的热传导率的材料构成,所以来自凸出部165的发热难以进一步向旋转工具21(支架22)传递。
由于在主轴20的旋转工具21侧的端部设置有对旋转工具21加工的工作物与静压轴承70、170、270之间进行遮挡的盖子50(遮挡部件),所以能够抑制来自主轴20与盖子50的缝隙的冷却液的浸入。另外,能够防止工作物的切粉等进入静压轴承70、170、270。
由于盖子50以及壳体110的至少一方由具有比构成法兰部163的材料的热传导率高的热传导率的材料构成,所以来自凸出部165的发热容易传递至壳体110以及盖子50的至少一方,该发热难以进一步向旋转工具21(支架22)传递。
由于在盖子50以及外圈支承体190的至少一方设置有对在法兰部163产生的热进行冷却的冷却部100,所以来自凸出部165的发热被壳体110以及盖子50的至少一方冷却,并且该发热难以进一步向旋转工具21(支架22)传递。
在上述各实施方式中,虽然使用滚动轴承81~84作为轴承,但也可以使用流体轴承。另外,虽然构成为在主轴20的旋转工具21侧的端部设置对旋转工具21加工的工作物与静压轴承70之间进行遮挡的盖子50,但如图5所示,也可以构成为,不设置盖子50,增长主轴20的法兰部63的轴线方向的长度,将法兰部63的外周面通过壳体10覆盖。在该情况下,防止冷却液浸入的空气密封设置于与法兰部63的外周面对置的壳体10的内周面10a。此外,虽然省略图示,但第二实施方式的主轴装置2也能够相同地应用未设置盖子50的结构。
此外,虽然是公知事项,在上述那样通过静压轴承抑制主轴20、120(旋转工具21)的高频振动的情况下,具有能够与旋转工具21以及主轴20、120等对应地最高效地抑制振动的阻尼系数C以及弹簧常量k的范围。因此,优选向静压轴承供给适于能够获得它们的振动抑制效果高的阻尼系数C以及弹簧常量k的范围的流量的油。但是,也可以以仅获得振动抑制效果高的阻尼系数C的范围的方式向静压轴承供给规定流量的油。据次,使由静压轴承产生的振动抑制效果更加提高。

Claims (14)

1.一种主轴装置,包含:
壳体;
主轴,其具备保持旋转工具的筒状的主体部、以及从所述主体部的所述旋转工具侧的外周面向径向外侧伸出的法兰部;
轴承,其相对于所述壳体将所述主体部的外周面支承为能够旋转;以及
静压轴承,其相对于所述壳体将所述法兰部支承为能够旋转,并且配置于所述轴承的径向位置或者所述轴承的径向位置的外侧,并且具有比所述轴承具有的阻尼系数大的阻尼系数。
2.根据权利要求1所述的主轴装置,其特征在于,
所述法兰部具备从所述主体部的外周面向径向外侧延伸的圆板部、以及从所述圆板部的外周边沿轴线方向延伸的凸缘部。
3.根据权利要求2所述的主轴装置,其特征在于,
所述静压轴承相对于所述壳体支承所述凸缘部。
4.根据权利要求3所述的主轴装置,其特征在于,
所述静压轴承相对于所述壳体支承所述凸缘部的所述圆板部侧的部位。
5.根据权利要求3或4所述的主轴装置,其特征在于,
所述静压轴承相对于所述壳体支承所述凸缘部的外周侧的部位。
6.根据权利要求3或4所述的主轴装置,其特征在于,
所述静压轴承相对于所述壳体支承所述凸缘部的内周侧的部位。
7.根据权利要求2~4中的任一项所述的主轴装置,其特征在于,
所述凸缘部形成为从所述圆板部的外周边向所述旋转工具侧延伸。
8.根据权利要求2所述的主轴装置,其特征在于,
所述静压轴承相对于所述壳体支承所述圆板部的外周侧的部位。
9.根据权利要求1所述的主轴装置,其特征在于,
所述法兰部具备从所述主体部的外周面向径向外侧延伸的圆板部,
所述静压轴承相对于所述壳体支承所述圆板部的外周侧的部位。
10.根据权利要求1~4中的任一项所述的主轴装置,其特征在于,
所述法兰部由具有比构成所述主体部的材料的热传导率低的热传导率的材料构成。
11.根据权利要求1~4中的任一项所述的主轴装置,其特征在于,
在所述主轴的所述旋转工具侧的端部设置有对所述旋转工具加工的工作物与所述静压轴承之间进行遮挡的遮挡部件。
12.根据权利要求11所述的主轴装置,其特征在于,
所述遮挡部件由具有比构成所述法兰部的材料的热传导率高的热传导率的材料构成。
13.根据权利要求10所述的主轴装置,其特征在于,
所述壳体由具有比构成所述法兰部的材料的热传导率高的热传导率的材料构成。
14.根据权利要求12所述的主轴装置,其特征在于,
在所述遮挡部件以及所述壳体的至少一方设置有对在所述法兰部产生的热进行冷却的冷却部。
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