CN106062394A - 主轴装置 - Google Patents

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Abstract

在供自由侧轴承内嵌的轴承套筒的外周面与后壳体的内周面之间形成冷却介质能流动的冷却路径。冷却路径形成于轴承套筒的外周面，是在套筒的从轴向一端侧到另一端侧之间，形成于套筒的外周面的一条或者多条螺旋槽。壳体包括：与螺旋槽的一端部连通并被供给冷却介质的供给口；以及与螺旋槽的另一端部连通并排出在冷却路径中流动的冷却介质的排出口。

Description

主轴装置
技术领域
本发明涉及主轴装置，更详细而言，涉及机床主轴、高速马达、离心分离机、或者涡轮冷冻机等高速旋转的旋转机械的主轴装置。
背景技术
机床主轴的高速化得到显著发展，作为用于使主轴能够高速化的润滑方法，采用油气润滑、油雾润滑。另外，作为其他润滑方法，从环境保护的观点而言，对润滑油不排出到外部的润滑脂润滑也再次有了新认识，采用的滚动轴承使用了高速旋转下耐烧伤性优良的轻量的陶瓷滚动体(例如氮化硅等)。
另外，作为高速旋转主轴的驱动方法，与齿轮驱动、带驱动、或者基于联轴器的直接连结驱动相比，在主轴内内置了马达的所谓内置马达主轴要更多。
在这样的构成的高速主轴中，除了来自支承主轴的滚动轴承的发热以外，来自内置的马达(定子和转子)的发热也比较大。在机床主轴的情况下，主轴的温度上升较高时，会产生热变形且加工精度下降。因此，为了抑制主轴的温度上升，使用从外部向主轴外筒即壳体流过冷却油的方法。热膨胀所导致的主轴的变形是以成为固定侧的前侧轴承为原点而在轴向产生的，因此，大多情况下对固定侧的前侧轴承和马达的定子的外周部进行冷却。
例如，作为抑制来自前侧轴承的发热的以往的冷却装置100，如图18所示，在供对主轴101的前侧进行支承的一对前侧轴承102、103进行内嵌的前壳体104的外周面设置有圆周方向槽105。而且，在前壳体104的外周面与其他壳体106的内周面之间循环冷却介质来将前侧轴承102、103冷却。
另外，在专利文献1中公开了如下的机床的主轴冷却装置：在配置在前侧轴承与后侧轴承之间的内圈隔圈上设置有冷却介质通路，利用从泵等压送的冷却介质来冷却内圈隔圈。
另一方面，成为自由侧轴承的后侧轴承大多情况下使用与前侧轴承相比尺寸略小的轴承(例如轴承内径尺寸比固定侧轴承的尺寸小φ10～φ30mm左右)。因此，轴承的dmn值较小，相应地，温度上升变少。另外，由于后侧轴承是自由侧；以及主轴后部的热变形给加工精度带来的影响度与前侧轴承相比要小(例如假设即使旋转轴相对于非旋转元件在轴向相对膨胀，主轴后侧也会向后方滑动移动，在安装有刀的主轴前侧的变位中难以出现)等原因，在后侧轴承上大多情况下不附加构造复杂的冷却构造。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本实开平4-133555号公报
发明内容
本发明欲解决的问题
顺便提及，最近的高速主轴所使用的轴承的dmn值超过100万以上、或者150万、甚至200万以上的类型在增加，相应地，后侧轴承的dmn值也会增加，发热会增大。后侧轴承的发热较大时，由于轴承的内部温度上升，润滑油粘度会下降，在滚动接触部等有可能产生油膜形成不良所导致的烧伤。
因此，在图19所示的冷却装置110中，考虑在将周边构造简化的同时，将后侧轴承冷却。在该情况下，将供支承主轴101后侧的一对自由侧轴承112、113进行内嵌的套筒114内嵌于后壳体115，在该后壳体115的外周面设置圆周方向槽116。而且，使冷却介质在后壳体115的外周面与其他壳体117的内周面之间循环，将自由侧轴承112、113冷却。
然而，在图19所示的构造中，由于冷却部配置从发热部(轴承112、113)在径向分离的位置，另外，在以间隙配合嵌合的套筒114与后壳体115之间的热传递效率较大低，因此具有的问题是：冷却效率较低。所以，后壳体虽然会被冷却，但无法高效地冷却套筒，后壳体与套筒之间的间隙有可能变小而产生滑动不良。因此，在前侧轴承(固定侧轴承)和后侧轴承(自由侧轴承)间会产生热膨胀所导致的支撑载荷，在轴承上会负荷过大载荷而轴承有可能损伤。或者，成为产生预压消失而产生异常噪声、异常振动的主要原因。
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种主轴装置，能够高效抑制来自后侧轴承的发热所导致的温度上升，延长后侧轴承的寿命，即延长主轴装置的寿命，并且提高加工精度。
用于解决问题的方案
本发明的上述目的由下述的构成实现。
(1)一种主轴装置，具有：
壳体；
旋转轴，其相对于该壳体相对旋转自如；
固定侧轴承，其内圈外嵌于所述旋转轴的一端侧，外圈固定于所述壳体；
套筒，其在所述旋转轴的另一端侧配置在所述壳体内，能在所述旋转轴的轴向移动；以及
自由侧轴承，其内圈外嵌于所述旋转轴的另一端侧，外圈内嵌于所述套筒，
所述主轴装置的特征在于，
在互相对置的所述套筒的外周面与所述壳体的内周面之间形成有冷却介质能流动的冷却路径，
所述冷却路径是一条螺旋状的螺旋槽，在所述套筒的从轴向一端侧到另一端侧之间，形成于该套筒的外周面，
所述壳体包括：供给口，其与所述螺旋槽的一端部连通并供给所述冷却介质；以及排出口，其与所述螺旋槽的另一端部连通并排出在所述冷却路径中流动的所述冷却介质。
(2)一种主轴装置，具有：
壳体；
旋转轴，其相对于该壳体相对旋转自如；
固定侧轴承，其内圈外嵌于所述旋转轴的一端侧，外圈固定于所述壳体；
套筒，其在所述旋转轴的另一端侧配置在所述壳体内，能在所述旋转轴的轴向移动；以及
自由侧轴承，其内圈外嵌于所述旋转轴的另一端侧，外圈内嵌于所述套筒，
所述主轴装置的特征在于，
在互相对置的所述套筒的外周面与所述壳体的内周面之间形成有冷却介质能流动的冷却路径，
所述冷却路径是多条螺旋槽，在所述套筒的从轴向一端侧到另一端侧之间，形成于该套筒的外周面，
所述壳体包括：多个供给口，其与所述多条螺旋槽的各一端部连通并供给所述冷却介质；以及多个排出口，其与所述多条螺旋槽的各另一端部连通并排出在螺旋槽中流动的所述冷却介质。
(3)如(2)所述的主轴装置，其特征在于，
所述一端部的所述多条螺旋槽在所述套筒的外周面的周向上以互为45°以内的相位差配置，所述另一端部的所述多条螺旋槽在所述套筒的外周面的周向上也以互为45度以内的相位差配置。
(4)如(1)至(3)的任一项所述的主轴装置，其特征在于，
在所述冷却路径的所述轴向两侧配设有环状的弹性部件，所述弹性部件将所述套筒的外周面与所述壳体的内周面之间液密地封闭。
(5)如(1)至(4)的任一项所述的主轴装置，其特征在于，
在所述套筒的与所述壳体的内周面对面的外周面的两端缘部、或者所述壳体的内周面的两端缘部形成有倒角部。
(6)如(1)～(5)的任一项所述的主轴装置，其特征在于，
所述螺旋槽的侧壁面相对于与所述轴向正交的方向倾斜地形成。
(7)如(1)至(6)的任一项所述的主轴装置，其特征在于，
所述螺旋槽的所述一端部与所述另一端部在所述套筒的外周面的周向使相位相差180°地配置。
发明效果
根据本发明的主轴装置，在互相对置的套筒的外周面与壳体的内周面之间形成冷却介质能流动的冷却路径。冷却路径具有形成于套筒的外周面的一条螺旋状的螺旋槽，在套筒的从轴向一端侧到另一端侧之间形成于套筒的外周面。壳体包括：与螺旋槽的一端部连通并被供给冷却介质的供给口；以及与螺旋槽的另一端部连通并排出在冷却路径中流动的冷却介质的排出口。由此，能直接冷却内嵌有轴承的套筒，能够以高效率冷却自由侧轴承。另外，由于轴承的内部温度下降，从而难以产生旋转中的滚动接触部、保持架引导面等处的粘度下降所导致的润滑油膜断裂，防止润滑不良所导致的寿命下降、轴承的烧伤。另外，由于同时冷却壳体与套筒这两个部件，因此，两个部件的径向收缩量均匀，滑动部的间隙(壳体与套筒的间隙)不会堵塞，能够防止间隙不足所导致的滑动不良的产生。并且，冷却介质在螺旋槽内的流动变得顺畅，通过将整个套筒均匀冷却，从而不会产生冷却所导致的变形应变。其结果是，不产生会内嵌的轴承的应变，以高精度维持主轴的旋转精度，主轴的加工精度良好。
另外，根据本发明的主轴装置，冷却路径具有形成于套筒的外周面的多条螺旋槽，在套筒的从轴向一端侧到另一端侧之间形成于套筒的外周面。壳体包括：与多条螺旋槽的各一端部连通并被供给冷却介质的多个供给口；以及与多条螺旋槽的各另一端部连通并排出在螺旋槽中流动的冷却介质的多个排出口。因此，能直接冷却内嵌有轴承的套筒，能够以高效率冷却自由侧轴承。另外，通过对于多条螺旋槽分别独立供给排出冷却介质，套筒或者自由侧轴承的冷却控制精度提高。由此，轴承的内部温度下降，难以产生旋转中的滚动接触部、保持架引导面等处的粘度下降所导致的润滑油膜断裂，防止润滑不良所导致的寿命下降、轴承的烧伤。
附图说明
图1是示出本发明的第1构成例的主轴装置的整体构成的剖视图。
图2是图1所示的自由侧轴承附近的放大剖视图。
图3是示出用于说明螺旋槽的、轴承套筒的外周面的与图2对应的局部剖视图。
图4是示出从图2的A方向观察的轴承套筒的外周面的局部剖视图。
图5是螺旋槽的剖视图。
图6A是作为变形例的螺旋槽的剖视图。
图6B是作为变形例的螺旋槽的剖视图。
图6C是作为变形例的螺旋槽的剖视图。
图7是在外周面两端缘部形成有倒角部的轴承套筒的局部剖视图。
图8是在螺旋槽的肩部形成有倒角部的轴承套筒的局部剖视图。
图9是示出本发明的第2构成例的主轴装置的整体构成的剖视图。
图10是图9所示的自由侧轴承附近的放大剖视图。
图11是示出用于说明螺旋槽的、轴承套筒的外周面的与图10对应的局部剖视图。
图12是图9的B方向向视图。
图13是示出从图10的C方向观察的轴承套筒的外周面的局部剖视图。
图14是在外周面两端缘部形成有倒角部的轴承套筒的局部剖视图。
图15是在螺旋槽的肩部形成有倒角部的轴承套筒的局部剖视图。
图16是比较并示出第1构成例的自由侧轴承的冷却构造的差异所导致的温度上升的图表。
图17是比较并示出第2构成例的自由侧轴承的冷却构造的差异所导致的温度上升的图表。
图18是示出以往的固定侧轴承的构造的剖视图。
图19是示出以往的自由侧轴承的构造的剖视图。
附图标记的说明
10、10A：主轴装置
11：壳体
12：旋转轴
13：固定侧轴承
14：自由侧轴承
16：轴承套筒(套筒)
16b：套筒的外周面
18、23：外圈
19、24：内圈
28、30、40：冷却路径
31：壳体主体
32：前壳体
33：后壳体(壳体)
33a：壳体的内周面
41：螺旋槽
41A：第1螺旋槽
41B：第2螺旋槽
41P：螺旋槽的一端部
41Q：螺旋槽的另一端部
41Aa：第1螺旋槽的一端部
41Ab：第1螺旋槽的另一端部
41Ba：第2螺旋槽的一端部
41Bb：第2螺旋槽的另一端部
43：倒角部
45：O形环(弹性部件)
51：供给口
52：排出口
具体实施方式
下面，基于附图来详细说明本发明的主轴装置的实施方式。
＜第1构成例＞
首先，参照图1，说明本发明的主轴装置的第1构成例的整体构成。
主轴装置10包括：壳体11；在一端(图中左侧)安装有未图示的工具，相对于壳体11相对旋转自如的旋转轴12；配设在旋转轴12的前端侧(图中左侧)的一对固定侧轴承(本实施方式中为角接触球轴承)13、13；配设在旋转轴12的后端侧(图中右侧)的一对自由侧轴承(本实施方式中为角接触球轴承)14、14；以及内插在壳体11中并能在轴向滑动移动的套筒15。
壳体11具有：近似圆筒形的壳体主体31；嵌合固定在壳体主体31的前端侧的前壳体32；以及嵌合固定在壳体主体31的后端侧的后壳体33。在前壳体32的前端接合固定有前盖34，在后壳体33的后端接合固定有后盖36。
在内嵌在壳体主体31的内周面31a的套筒29上固定有内置马达37的定子38。另外，在旋转轴12的轴向中间部与定子38对置地固定有转子39，利用定子38所产生的旋转磁场带来旋转力，对旋转轴12进行旋转驱动。在套筒29的外周面形成有圆环状的多个槽29a，通过内嵌于壳体主体31从而在与内周面31a之间形成冷却路径28。
固定侧轴承13、13的外圈18、18内嵌于前壳体32，内圈19、19外嵌于旋转轴12，旋转自如地支承旋转轴12的前端侧。固定侧轴承13、13的外圈18、18隔着外圈隔圈20被前壳体32的阶部32a与前盖34夹持，相对于前壳体32在轴向被定位。内圈19、19隔着内圈隔圈21被旋转轴12的前侧阶部12a、与拧合于旋转轴12的螺母22夹持，相对于旋转轴12在轴向被定位。在前壳体32的外周面形成有圆环状的多个槽32b，通过内嵌在壳体主体31上从而在与壳体主体31的内周面31b之间形成冷却路径30。
能在轴向移动的近似圆筒形的轴承套筒16嵌合在后壳体33的内周面33a。另外，从轴承套筒16的外周面向径向外侧延伸的外圈按压件17借助未图示的螺钉安装在轴承套筒16的工具安装侧的相反侧的端面。此外，轴承套筒16和外圈按压件17构成套筒15。
在后壳体33上形成有在其工具侧安装侧的相反侧的端面(图中右侧面)开口的多个弹簧室55，与从轴承套筒16向径向外侧延伸的外圈按压件17的凸缘部分的工具侧安装侧端面对置。螺旋弹簧56被容纳在弹簧室55中并被夹状在外圈按压件17的凸缘部分与弹簧室55之间。螺旋弹簧56对套筒15付与轴向(图中右方)的弹力，由此，对固定侧轴承13、13和自由侧轴承14、14付与定压预压。
自由侧轴承14、14的外圈23、23内嵌于轴承套筒16，内圈24、24外嵌于旋转轴12，旋转自如地支承旋转轴12的后端侧。自由侧轴承14、14的外圈23、23隔着外圈隔圈25被轴承套筒16的阶部16a和外圈按压件17的圆环状凸部17a夹持，相对于轴承套筒16在轴向被定位。内圈24、24隔着内圈隔圈26被旋转轴12的后侧阶部12b、和拧合在旋转轴12上的螺母27夹持，相对于旋转轴12在轴向被定位。
如图2和图3所示，在轴承套筒16的外周面16b，在轴承套筒16的从轴向一端侧到另一端侧之间设置有一条螺旋状的螺旋槽41。螺旋槽41通过将轴承套筒16嵌合在后壳体33的内周面33a，从而在互相对置的轴承套筒16的外周面与后壳体33的内周面33a之间形成冷却路径40。冷却油等冷却介质在该冷却路径40中流动。
图4示出从图2的A方向观察的轴承套筒的外周面的局部剖视图。如图4所示，螺旋槽41的槽始端即一端部41P、与螺旋槽41的槽终端即另一端部41Q以在轴承套筒16的圆周方向相差180°的相位配置。即，在对轴承套筒16上的螺旋槽41的一端部41P进行主视的情况下，螺旋槽41的另一端部41Q与轴承套筒16的轴线Ax重叠地配置。
另外，如图3所示，在后壳体33上形成有：与螺旋槽41的一端部41P连通并被供给冷却介质的供给口51；以及与螺旋槽41的另一端部41Q连通并排出在冷却路径流动的冷却介质的排出口52。
所以，向冷却路径40内供给冷却介质的供给路径57的供给口51被形成为向位于最接近内置马达37侧的螺旋槽41的一端部41P开口，排出冷却介质的排出路径58的排出口52向距内置马达37最远的螺旋槽41的另一端部41Q开口，以与供给口51相差180°的相位形成。
关于上述的轴承套筒16的螺旋槽41的加工，首先，从套筒轴向的任意一端部附近将立铣刀工具在套筒径向切出切口来挖槽。之后，维持切口的同时以螺旋状进给立铣刀工具，加工螺旋槽。然后，到达套筒轴向的任意另一个端部附近时，停止进给，提起立铣刀工具，从而使槽完成。
一般而言，对圆筒形部件的螺旋槽的加工具有的不利是：至今都是非常困难的，难以提高加工精度，加工成本也高。但是，近些年来，多轴加工机、复合加工机得到广泛使用，能够容易且以高精度而且以低成本加工本构成的螺旋槽41。由此，例如能够减小供给口51与排出口52的圆周方向的相位误差，能够进行均匀的冷却。
而且，从未图示的泵压送的冷却介质被从供给口51供给并在冷却路径40内流动并在冷却了冷却路径40的周围后，从排出口52排出。通过从接近内置马达37的螺旋槽41的一端部41P供给冷却介质，从而能够用更低温的冷却介质来冷却产生热量较大的、即温度容易升高的部分，能够进行高效的冷却。另外，通过使供给口51与排出口52在圆周方向相差180°相位来配置，从而冷却路径40成为对称配置，能够更均匀地冷却自由侧轴承部。此外，供给口51与排出口52的相位差能够根据周边元件的配置而任意变更，例如也可以是同相位。
另外，如图2所示，在轴承套筒16的外周面16b，在冷却路径40的轴向外侧形成有一对环状凹槽44。在环状凹槽44中安装有弹性部件即O形环45，将后壳体33的内周面33a与轴承套筒16的嵌合部封闭。O形环45的挤压量优选的是在0.1mm～2.0mm的范围，为了更容易消除轴承套筒16的滑动不良，优选的是在0.2mm～0.5mm的范围。另外，轴承套筒16与后壳体33的配合间隙优选的是使直径尺寸的差、即以后壳体33的内径-轴承套筒16的外径表示的尺寸处于5μm～100μm的范围，为了容易消除由于间隙不足、轴承套筒16的倾斜而导致的滑动不良，优选的是处于15μm～50μm的范围。
作为O形环45的材料，除了一般的丁腈橡胶、丙烯酸酯橡胶等，根据需要选择具有与内置马达主轴的发热对应的耐热性的硅橡胶、各种弹性体、或者具有与冷却介质对应的耐膨润性、耐油性的氟橡胶等。此外，由于本构成的轴承套筒16与后壳体33的滑动量是使加工负荷所导致的变形、主轴的轴向的热膨胀释放程度的变位，因此，为±0.5mm以下，最多也就是±1mm以下。所以，优选的是选择如下材料：看起来有安装在可动缸部的活塞环那么大，且快的冲程所导致的滑动磨损所导致的密封性下降的问题较小，随着时间变化(热、初始的过盈嵌合)所导致的耐蠕变特性优良的材料。
如图1所示，在主轴装置10包括冷却固定侧轴承13、13的冷却路径30、冷却内置马达37的定子38的冷却路径28、和冷却自由侧轴承14、14的冷却路径40这多个冷却路径的情况下，作为自由侧轴承14、14的最佳冷却，优选的是冷却装置(未图示)也与其他冷却路径28、30以不同系统设置，与冷却路径40用独立地配设。由此，能够不被其他冷却路径28、30的状况影响地调整冷却介质的温度。
但是，在实用上困难的情况下，也可以不使冷却装置独立，而仅使冷却路径40独立即可。在该情况下，在通向冷却路径40的供给侧配管的某处设置有节流阀，通过控制冷却介质的供给量，从而能够调整最佳的冷却条件。
此外，在采用1个路径冷却构成的情况下，如果路径构成为首先使冷却介质通过对具有发热量大的倾向的定子38进行冷却的冷却路径28后，循环到对自由侧轴承14、14进行冷却的冷却路径40，那么能够更有效降低整个主轴装置10的温度。另外，在希望更有效冷却自由侧轴承14、14的温度的情况下，作为与上述相反的路径构成，使更低温的冷却介质首先循环到冷却路径40即可，能够根据需要来选择。
如以上说明，根据本构成例的主轴装置10，在轴承套筒16的外周面16b与后壳体33的内周面33a之间形成有冷却介质能流动的冷却路径40。冷却路径40包括一条螺旋状的螺旋槽41，其形成于轴承套筒16的外周面16b，在轴承套筒16的从轴向一端侧到另一端侧之间形成于轴承套筒16的外周面。因此，能够直接冷却供自由侧轴承14、14内嵌的轴承套筒16，能够有效冷却自由侧轴承14、14。
另外，通过对冷却路径40使用螺旋槽41，从而冷却介质沿着螺旋槽在朝向排出侧的一个方向顺畅流动，热冷却效率提高。轴承套筒16的构造为：从与螺旋槽41的一端部41P连通的供给口51供给冷却介质，从与螺旋槽41的另一端部41Q连通的排出口52排出在冷却路径40流动的冷却介质。即，由于冷却介质的供给和排出的路径与螺旋槽41内直接连通，因此，冷却介质在从螺旋槽41的一端部到另一端部的整个槽中不停滞地流动。其结果是，能够高效地进行热交换。例如，与在螺旋槽41的两端侧形成有成为冷却介质的供给路径、排出路径的圆周环状槽的情况相比，实现了轴承套筒16的轴向的节省空间化。
另外，由于能够在所述圆周环状槽的空间进一步形成螺旋槽，因此，能够增大冷却路径、冷却热传递面积，即延长槽长，能够提高冷却效率。此外，关于组装上的后壳体33与轴承套筒16之间的圆周相位偏离，能够利用在旋转中防止后壳体33与轴承套筒16的旋转的已有的键部件来消除，不需要新追加止转部件。
利用上述构成，自由侧轴承14、14的内部温度下降，难以产生在旋转中的滚动接触部、保持架引导面等处的粘度下降所导致的润滑油膜断裂，防止润滑不良所导致的寿命下降、自由侧轴承14、14的烧伤。
另外，由于同时冷却后壳体33与轴承套筒16这两个部件，因此，两个部件的径向收缩量均匀，滑动部的间隙(后壳体33与轴承套筒16的间隙)不会堵塞，能够防止间隙不足所导致的滑动不良的产生。并且，冷却介质在螺旋槽41的槽内的流动变得顺畅，通过将整个轴承套筒16均匀冷却，从而不会产生因冷却而导致的变形应变。其结果是，也不会产生内嵌的自由侧轴承14、14的应变，以高精度维持旋转轴12的旋转精度，主轴装置10的加工精度高。
另外，由于滑动部始终循环有冷却油，因此还具有的效果是：摩擦系数小，进一步提高滑动性。还有在滑动部配置有滚珠引导件(滚珠衬套)等，利用滚动作用来提高滑动性的方法，但由于刚性下降，会具有产生振动、主轴的固有频率下降等不良。另一方面，为了提高刚性，将预压间隙(即壳体内径、滚珠、套筒外径间的径间隙)增大时，反而会产生的问题是：与基于滑行的滑动相比，滑动性变差。
另外，即使在由于重切削加工中等有时会产生的颤振振动等，而在后壳体33和轴承套筒16间产生初始的微动磨损粉的情况下，由于冷却介质将微磨损粉运送到外部，因此能够抑制磨损粉成为辅助剂而使微动进一步发展。
并且，由于在冷却路径40的轴向两侧配设有将轴承套筒16的外周面16b与后壳体33的内周面33a之间液密地封闭的O形环45，因此，防止冷却介质的泄漏，并且，利用O形环45的弹性来提高主轴装置10的衰减特性，特别是有助于提高给难切削材料的加工特性带来影响的动态刚性。另外，还加上在滑动部流动的冷却介质的减震效果所带来的衰减作用。
此外，在上述构成例中，螺旋槽41如图5所示，由底面41a和侧壁面41b形成为矩形的截面形状。该矩形截面形状的螺旋槽41的槽宽度B和深度T的大小能够适当选择。
B＞T时，由于螺旋槽41的径向深度较浅，因此，确保轴承套筒16的径向厚度，能够增大套筒刚性。这样的形状适用于重视套筒的加工精度提高的情况、提高主轴刚性的情况等。另外，B＜T时，由于螺旋槽41的径向深度较深，因此，螺旋槽41形成得接近轴承，能够以更高效率来冷却轴承附近。其结果是，能够提高主轴的冷却效率。这样的形状适用于重视主轴的冷却特性提高的情况。B＝T时，能够平衡良好地兼顾上述效果。
另外，螺旋槽41的截面形状除了矩形以外，也可以是图6A～图6C所示的各种形状。例如，如图6A和图6B所示，螺旋槽41的侧壁面41b可以相对于与轴向正交的方向、即径向倾斜地形成。
具体而言，图6A所示的轴承套筒16的螺旋槽41为梯形槽，槽宽度B从螺旋槽41的底面41a朝向轴承套筒16的外周面16b而逐渐增大。即，在梯形的螺旋槽41中，由于螺旋槽41的截面形状中底面41a与侧壁面41b所成的角度是钝角(θ1)，因此不会与后壳体33(参照图1)的内周面33a干涉，滑动性提高。另外，图6B所示的轴承套筒16的螺旋槽41为所谓的燕尾槽，槽宽度B从螺旋槽41的底面41a朝向轴承套筒16的外周面16b而逐渐减小。即，在燕尾槽的螺旋槽41中，由于螺旋槽41的截面形状中底面41a与侧壁面41b所成的角度是锐角(θ2)，因此接近发热源、即自由侧轴承14、14(参照图1)的部分的表面积较大，能够将自由侧轴承14、14的热量有效传递到冷却介质，冷却性能提高。
另外，由于图6C所示的轴承套筒16的螺旋槽41为曲率半径R的截面半圆形，因此，能够用圆形的车刀来加工，加工时车刀的磨损较少，能够提高加工性。
另外，也可以在轴承套筒16的与后壳体33的内周面33a对面的外周面16b的两端缘部，如图7所示形成有倒角部43。倒角部43相对于外周面16b的角度θ3为3°～45°，更优选为3°～30°。由此，即使轴承套筒16在后壳体33内倾斜，也能防止与后壳体33的内周面33a干涉，确保滑动性。
另外，如图8所示，如果除了轴承套筒16的两端缘部的倒角部43外，还在螺旋槽41的侧壁的顶部(肩部)形成倒角部46，则能进一步防止与后壳体33的内周面33a干涉，维持滑动性。螺旋槽41的肩部的倒角角度θ4为3°～45°，更优选为3°～30°。
＜第2构成例＞
接下来，参照图9～图15，说明本发明的主轴装置的第2构成例的整体构成。此外，通过对与上述构成例对应的部位、部件付与相同的附图标记，简略、简化其说明。
如图9～图11所示，在轴承套筒16的外周面16b，在轴承套筒16的从轴向一端侧到另一端侧之间设置有多条(图示例中为2条)螺旋槽41。本构成的螺旋槽41并设有第1螺旋槽41A、和第2螺旋槽41B。通过将轴承套筒16嵌合在后壳体33的内周面33a，从而在互相对置的轴承套筒16的外周面与后壳体33的内周面33a之间形成冷却路径40。冷却油等冷却介质在该冷却路径40中流动。冷却介质分别被未图示的冷却装置独立地通过壳体冷却路径，相对于第1螺旋槽41A和第2螺旋槽41B供给、排出。
在图9所示的后壳体33上形成有：与第1螺旋槽41A的作为槽始端的一端部连通，向螺旋槽41A内供给冷却介质(图10、图11中以箭头IN(A)示出)的供给路径57A的供给口51A；以及与第1螺旋槽41A的作为槽终端的另一端部连通，排出在螺旋槽41A中流动的冷却介质(图10、图11中以箭头OUT(A)示出)的排出口52A。
另外，在后壳体33上形成有：与第2螺旋槽41B的作为槽始端的一端部连通，供给冷却介质(图10、图11中以箭头IN(B)示出)的供给口51B；以及与第2螺旋槽41B的作为槽终端的另一端部连通，排出在螺旋槽41B中流动的冷却介质(图10、图11中以箭头OUT(B)示出)的排出口52B。
供给口51A被形成为向位于最接近内置马达37侧的螺旋槽41A的一端部41Aa开口。排出口52A被形成为向距内置马达37最远的螺旋槽41A的另一端部41Ab开口，以与供给口51A在圆周方向相差180°的相位形成。
如上所述，第1螺旋槽41A与第2螺旋槽41B的一端部41Aa(供给口51A的对应位置)、41Ba(供给口51B的对应位置)的圆周方向的相位为0°和0°(以下记为(0°-0°))，此外也可以为(0°-180°)，第1螺旋槽41A的另一端部41Ab(排出口52A的对应位置)、41Bb(排出口52B的对应位置)的圆周方向的相位可以为(180°-180°)，此外也可以为(0°-180°)。
接下来，说明第1螺旋槽41A与第2螺旋槽41B的一端部41Aa、41Ba的圆周方向的相位为(0°-45°)，另一端部41Ab、41Bb的圆周方向的相位为(0°-45°)的情况。
图12示出图9的B方向向视图。在本构成的情况下，形成于后壳体33和后盖36的供给路径57A与排出路径58A在圆周方向以相差180°的相位配置。向螺旋槽41B内供给冷却介质的供给路径57B相对于供给路径57A，以轴承套筒16的轴线Ax为中心以在圆周方向相差角度α(图示例中α＝45°)的相位配置。另外，排出路径58B相对于供给路径57B以在圆周方向相差180°的相位配置。
与螺旋槽41A同样，向螺旋槽41B供给冷却介质的供给路径57B的供给口51B(未图示)被形成为向位于最接近内置马达37侧的螺旋槽41B的一端部41Ba开口。排出冷却介质的排出路径58B的排出口52B(未图示)向距内置马达37最远的螺旋槽41B的另一端部41Bb开口，以与供给口51B相差180°的相位形成。
图13示出从图10的C方向观察的轴承套筒的外周面的局部剖视图。如上所述，螺旋槽41A的槽始端即一端部41Aa、与螺旋槽41A的槽终端即另一端部41Ab在轴承套筒16的圆周方向以相差180°的相位配置。即，在从轴垂直方向对轴承套筒16上的螺旋槽41A的一端部41Aa进行主视的情况下，螺旋槽41的另一端部41Bb配置在与轴承套筒16的轴线Ax重叠的位置。
而且，螺旋槽41B的槽始端即一端部41Ba与螺旋槽41A的一端部41Aa以在轴承套筒16的圆周方向相差角度α(例如α＝45°)的相位配置。另外，螺旋槽41B的一端部41Ba、与螺旋槽41B的另一端部41Bb以在轴承套筒16的圆周方向相差180°的相位配置。所以，螺旋槽41B的另一端部41Bb与螺旋槽41A的另一端部41Ab以在轴承套筒16的圆周方向相差角度α的相位配置。
由于在这些螺旋槽41A、41B分别从独立的壳体冷却路径供给排出冷却介质，从而能够对每个螺旋槽41A、41B单独控制冷却介质的流量、温度，因此，能够准确且稳定控制轴承套筒16的温度、自由侧轴承温度。
并且，通过使各螺旋槽41A、41B的供给口51A、51B(未图示)的相位彼此、以及排出口52A、52B(未图示)的相位彼此分别在圆周方向为等间隔，即，使供给口51A与供给口51B的相位差、以及排出口52A与排出口52B的相位差相等，从而沿着轴承套筒16的圆周的冷却效果被平均化，轴承套筒16周边的冷却所导致的热变形变得均匀。由此，能够维持主轴的旋转精度，抑制振动产生，加工精度良好。
另外，螺旋槽41A、41B的一端部41Aa、41Ba彼此、以及另一端部41Ab、41Bb彼此可以分别在轴承套筒16的圆周方向在45°以内使相位不同地配置。由此，能够使供给口与排出口不干涉地配置。
关于上述的轴承套筒16的螺旋槽41的加工，首先，从套筒轴向的任意一端部附近将立铣刀工具在套筒径向切出切口而挖槽。之后，在维持切口的同时以螺旋状进给立铣刀工具，加工螺旋槽。然后，到达套筒轴向的任意另一个端部附近时，停止进给，提起立铣刀工具，从而使槽完成。
一般而言，对圆筒形部件的螺旋槽的加工具有的不利是：至今都是非常困难的，难以提高加工精度，加工成本也高。但是，近些年来，多轴加工机、复合加工机得到广泛使用，能够容易且以高精度而且以低成本加工本构成的螺旋槽41。由此，例如能够减小供给口51A、51B与排出口52A、52B的圆周方向的相位误差，能够进行均匀的冷却。
而且，从未图示的泵压送的冷却介质被从供给口51A、51B供给并在冷却路径40内流动并冷却了冷却路径40的周围后，从排出口52A、52B排出。通过从接近内置马达37的螺旋槽41A、41B的一端部41Aa、41Ba分别供给冷却介质，从而能够用更低温的冷却介质来冷却产生热量大的、即温度容易升高的部分，能够进行高效的冷却。另外，通过使供给口51A、51B与排出口52A、52B分别在圆周方向相差180°相位地配置，从而第1、第2螺旋槽41A、41B的各冷却路径40分别为对称配置，能够更均匀冷却自由侧轴承部。
此外，供给口51A、51B与排出口52A、52B的相位差在本构成中为(0°-45°)，但能够根据周边元件的配置来任意变更。例如，相位差也可以为(0°-180°)。
另外，各螺旋槽41A、41B的轴向槽宽度可以是相同或者不同的宽度。也可以任意设定螺旋状的轴向间距。此外，在本构成中，将马达侧作为冷却介质的供给侧，将主轴端部侧作为冷却介质的排出侧，但不限于此。
如图10所示，在轴承套筒16的外周面16b，在冷却路径40的轴向外侧形成有一对环状凹槽44。在环状凹槽44中安装有弹性部件即O形环45，将后壳体33的内周面33a与轴承套筒16的嵌合部封闭。关于环状凹槽44和O形环45，与上述第1构成例同样。
如以上说明的那样，根据本构成的主轴装置10A，在轴承套筒16的外周面16b与后壳体33的内周面33a之间形成有冷却介质能流动的冷却路径40。冷却路径40形成于轴承套筒16的外周面16b，具有形成于轴承套筒16的外周面的多条螺旋槽。后壳体33包括：与多条螺旋槽的各一端部41Aa、41Ba连通并被供给冷却介质的多个供给口51A、51B；以及与多条螺旋槽41A、41B的各另一端部41Ab、41Bb连通并排出在螺旋槽中流动的冷却介质的多个排出口52A、52B。因此，能够直接冷却供自由侧轴承14、14内嵌的轴承套筒16，能够高效冷却自由侧轴承14、14。
另外，通过对冷却路径40使用多条螺旋槽41A、41B，从而冷却介质沿着螺旋槽在朝向排出侧的一个方向顺畅流动，热冷却效率提高。轴承套筒16的构造为：从分别与螺旋槽41A、41B的一端部连通的供给口51A、51B供给冷却介质，从分别与螺旋槽41A、41B的另一端部连通的排出口52A、52B排出在螺旋槽中流动的冷却介质。
此外，在本构成例中，也能得到与上述第1构成例同样的作用效果。
例如，本构成例的螺旋槽41如图5所示，由底面41a和侧壁面41b形成为矩形的截面形状。该矩形截面形状的螺旋槽41的槽宽度B和深度T的大小能够与上述同样适当选择，在B＞T、B＜T、B＝T的情况下，分别能得到与上述同样的作用效果。
螺旋槽41的截面形状与上述同样，除了矩形以外还可以是图6(a)～(c)所示的各种形状，分别能得到与上述同样的作用效果。
另外，也可以在轴承套筒16的与后壳体33的内周面33a对面的外周面16b的两端缘部，如图14所示形成有倒角部43。倒角部43相对于外周面16b的角度θ3为3°～45°，更优选为3°～30°。由此，即使轴承套筒16在后壳体33内倾斜，也能防止与后壳体33的内周面33a干涉，确保滑动性。
另外，如图15所示，如果除了轴承套筒16的两端缘部的倒角部43外，还在螺旋槽41的侧壁的顶部(肩部)形成倒角部46，则能进一步防止与后壳体33的内周面33a干涉，维持滑动性。螺旋槽41的肩部的倒角角度θ4为3°～45°，更优选为3°～30°。
此外，本发明不限于上述的各构成例，能够进行适当变形、改良等。
例如，螺旋槽的轴向槽宽度可以是相同或者不同的宽度。也能够任意设定螺旋状的轴向间距。此外，在本构成中，将马达侧作为冷却介质的供给侧，将主轴端部侧作为冷却介质的排出侧，但不限于此。
另外，在上述构成例中，说明了利用定压预压在固定侧轴承与自由侧轴承间付与预压的主轴装置，但不限于此，也能够适用于在固定侧轴承和自由侧轴承上分别有定位置预压的主轴装置，能得到同样的效果。因此，作为自由侧轴承，不限于角接触球轴承，也可以适用圆柱滚子轴承等其他滚动轴承。
实施例1
此处，使用在轴承套筒16的外周面设置有冷却路径的上述第1构成例的冷却构造、和在后壳体的外周面设置有冷却路径的图19所示的冷却构造、和在轴承套筒和后壳体上都未设置有冷却路径的无冷却的构造，比较了从轴承套筒内径到壳体外径的温度上升值。图16是比较冷却构造的差异所导致的从轴承套筒内径到壳体外径的温度上升值的图表。
从图16可知，对于各冷却构造所导致的温度上升而言，在轴承套筒16的外周面设置有冷却路径40的本发明的冷却构造的温度上升值最小，能以高效率冷却主轴装置10。另外，壳体内径(套筒内嵌部)与轴承套筒的温度上升值之差与图19所示的外筒冷却构造相比极小，能够减小热膨胀差所导致的滑动部的配合间隙的减少，能够维持良好的滑动特性。
详细而言，对于轴承套筒和壳体内径的温差而言，与图19所示的外筒冷却构造的情况的8.5℃相比，在本发明的构成中为1.5℃，有约7℃的显著差异。假设滑动部(＝套筒外径尺寸)为φ150mm的情况下，轴承套筒和壳体(碳钢)的线膨胀系数为11.5×10-6时，两者的热膨胀量之差为：
11.5×10-6(/℃)×150(mm)×7(℃)＝0.012(mm)
即，在本发明的构成的情况下，即便使滑动部的设定间隙比以往构造(外筒冷却)的适当设定间隙减小12μm，也能够维持良好的滑动特性。其结果是，在轴承温度上升比较低而滑动部的温差较小的低速旋转下的重切削加工时，以往构造会产生滑动部的间隙过剩所导致的刚性不足、振动的产生和微动不良，但在本发明的构成中，得到能防止这些问题的效果。
另外，由于轴承套筒的温度也低约12℃，因此轴承温度也变低，能够维持润滑剂的基油粘度，滚动接触部的油膜形成也良好。在润滑脂润滑的情况下，基油难以从增稠剂分离(离油)，润滑脂向轴承外部的流出也变少，实现延长润滑脂寿命。
实施例2
接下来，使用在轴承套筒16的外周面设置有冷却路径的上述第2构成例的冷却构造、和在后壳体的外周面设置有冷却路径的图19所示的冷却构造、和在轴承套筒和后壳体上都未设置有冷却路径的无冷却的构造，比较从轴承套筒内径到壳体外径的温度上升值。图17是比较冷却构造的差异所导致的从轴承套筒内径到壳体外径的温度上升值的图表。
从图17可知，对于各冷却构造所导致的温度上升而言，在轴承套筒16的外周面设置有冷却路径40的本发明的冷却构造的温度上升值最小，能以高效率冷却主轴装置10A。另外，壳体内径(套筒内嵌部)与轴承套筒的温度上升值之差与图19所示的外筒冷却构造相比极小，能够减小热膨胀差所导致的滑动部的配合间隙的减少，能够维持良好的滑动特性。
详细而言，对于轴承套筒和壳体内径的温差而言，与图19所示的外筒冷却构造的情况的8.5℃相比，在本发明的构成中为1.5℃，有约7℃的显著差异。假设滑动部(＝套筒外径尺寸)为φ150mm的情况下，轴承套筒和壳体(碳钢)的线膨胀系数为11.5×10-6时，两者的热膨胀量之差为：
11.5×10-6(/℃)×150(mm)×7(℃)＝0.012(mm)
即，在本发明的构成的情况下，即便使滑动部的设定间隙比以往构造(外筒冷却)的适当设定间隙减小12μm，也能够维持良好的滑动特性。其结果是，在轴承温度上升比较低，滑动部的温差小的低速旋转下的重切削加工时，以往构造会产生滑动部的间隙过剩导致的刚性不足、振动的产生和微动不良，但在本发明的构成中，得到能防止这些问题的效果。
另外，由于轴承套筒的温度也低约12℃，因此轴承温度也变低，能够维持润滑剂的基油粘度，滚动接触部的油膜形成也良好。在润滑脂润滑的情况下，基油难以从增稠剂分离(离油)，润滑脂向轴承外部的流出变少，实现延长润滑脂寿命。
本申请基于2014年2月28日申请的日本专利申请(日本特愿2014-39263)、2014年2月28日申请的日本专利申请(日本特愿2014-39264)、2014年8月27日申请的日本专利申请(日本特愿2014-173223)和2014年8月27日申请的日本专利申请(日本特愿2014-173224)，其内容作为参照并入本文。

Claims (7)

1.一种主轴装置，具有：
壳体；
旋转轴，其相对于该壳体相对旋转自如；
固定侧轴承，其内圈外嵌于所述旋转轴的一端侧，外圈固定于所述壳体；
套筒，其在所述旋转轴的另一端侧配置在所述壳体内，能在所述旋转轴的轴向移动；以及
自由侧轴承，其内圈外嵌于所述旋转轴的另一端侧，外圈内嵌于所述套筒，
所述主轴装置的特征在于，
在互相对置的所述套筒的外周面与所述壳体的内周面之间形成有冷却介质能流动的冷却路径，
所述冷却路径是一条螺旋状的螺旋槽，在所述套筒的从轴向一端侧到另一端侧之间，形成于该套筒的外周面，
所述壳体包括：供给口，其与所述螺旋槽的一端部连通并供给所述冷却介质；以及排出口，其与所述螺旋槽的另一端部连通并排出在所述冷却路径中流动的所述冷却介质。
2.一种主轴装置，具有：
壳体；
旋转轴，其相对于该壳体相对旋转自如；
固定侧轴承，其内圈外嵌于所述旋转轴的一端侧，外圈固定于所述壳体；
套筒，其在所述旋转轴的另一端侧配置在所述壳体内，能在所述旋转轴的轴向移动；以及
自由侧轴承，其内圈外嵌于所述旋转轴的另一端侧，外圈内嵌于所述套筒，
所述主轴装置的特征在于，
在互相对置的所述套筒的外周面与所述壳体的内周面之间形成有冷却介质能流动的冷却路径，
所述冷却路径是多条螺旋槽，在所述套筒的从轴向一端侧到另一端侧之间，形成于该套筒的外周面，
所述壳体包括：多个供给口，其与所述多条螺旋槽的各一端部连通并供给所述冷却介质；以及多个排出口，其与所述多条螺旋槽的各另一端部连通并排出在螺旋槽中流动的所述冷却介质。
3.如权利要求2所述的主轴装置，其特征在于，
所述一端部的所述多条螺旋槽在所述套筒的外周面的周向上以互为45°以内的相位差配置，所述另一端部的所述多条螺旋槽在所述套筒的外周面的周向上也以互为45度以内的相位差配置。
4.如权利要求1至3的任一项所述的主轴装置，其特征在于，
在所述冷却路径的所述轴向两侧配设有环状的弹性部件，所述弹性部件将所述套筒的外周面与所述壳体的内周面之间液密地封闭。
5.如权利要求1至4的任一项所述的主轴装置，其特征在于，
在所述套筒的与所述壳体的内周面对面的外周面的两端缘部、或者所述壳体的内周面的两端缘部形成有倒角部。
6.如权利要求1至5的任一项所述的主轴装置，其特征在于，
所述螺旋槽的侧壁面相对于与所述轴向正交的方向倾斜地形成。
7.如权利要求1至6的任一项所述的主轴装置，其特征在于，
所述螺旋槽的所述一端部与所述另一端部在所述套筒的外周面的周向使相位相差180°地配置。
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