CN111801194B - 机床的主轴装置 - Google Patents

Abstract

机床的主轴装置(10)具备：后侧轴承(16)和前侧轴承(18、20)，相对于壳体(12)以能旋转的方式支撑主轴(14)；内置马达(22、24)，在前侧轴承与后侧轴承之间配置在主轴的周围；热管(50)，内置于主轴，在主轴的中央部与后端部之间传递热；板状的多个内侧翅片(54b)，被固定在相比后侧轴承向后方突出的主轴的后方部分，在相对于主轴的旋转轴线垂直的方向延伸；以及板状的多个外侧翅片(56b)，固定于壳体，以不与多个内侧翅片接触的方式配置在该内侧翅片之间。

Description

机床的主轴装置

技术领域

本发明涉及利用热管和热交换器从以在末端部安装刀具或者工件的方式形成的主轴高效地排出热的机床的主轴装置。

背景技术

当像铣床或车床那样的机床的主轴旋转时，在轴承中会发热，主轴温度上升，主轴膨胀而导致工作精度降低。为了防止或者减轻该主轴的温度上升，以往开发了各种轴承冷却方法。例如在专利文献1记载了以下主轴的轴承冷却结构：按照跨以能旋转的方式支撑机床的主轴的前轴承和后轴承地延伸的方式，在主轴内埋设热管，在前轴承与后轴承之间的主轴的中央部分的外周面设置翅片，将在前轴承和后轴承产生的热通过热管向主轴的中央部分输送，从所述翅片向主轴的外部散热。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本实公平02－036679号公报

发明内容

发明所要解决的课题

在专利文献1的主轴的轴承冷却结构中，在前轴承和后轴承产生的热被排出到主轴装置的壳体内，接着经过壳体而向外部排出，因而，包含主轴在内的主轴装置整体的温度上升。因此，来自设在主轴的外周面上的翅片的排热也不充分，主轴的温度上升抑制效果存在限制。另外，在应用于在前轴承与后轴承之间组装马达的内置马达方式的主轴的场合，由于马达的转子以及定子覆盖主轴的外周面，故而会妨碍排热。进而，马达的转子以及定子自身也成为发热源，导致主轴的温度上升。

本发明以解决上述现有技术的问题作为技术课题，其目的在于提供能将主轴的热向外部高效地排出的主轴装置。

用于解决课题的方案

为了达成上述的目的，根据本发明，提供一种机床的主轴装置，该主轴装置形成为在主轴的前端部保持刀具或者工件，该主轴相对于壳体以能旋转的方式被支撑，其特征在于，所述主轴装置具备：前侧轴承，该前侧轴承在所述主轴的前侧以能旋转的方式支撑该主轴；后侧轴承，该后侧轴承在相比所述前侧轴承靠后侧的位置以能旋转的方式支撑所述主轴；内置马达，该内置马达在所述前侧轴承与后侧轴承之间的中央部分配置在所述主轴的周围，驱动该主轴旋转；热管，该热管内置于所述主轴，在所述主轴的中央部与后端部之间传递热；板状的多个内侧翅片，该内侧翅片被固定在相比所述后侧轴承向后方突出的所述主轴的后方部分，在所述主轴的旋转轴线方向排列，且在相对于所述主轴的旋转轴线垂直的方向延伸；以及板状的多个外侧翅片，该外侧翅片固定于所述壳体，以不与所述多个内侧翅片接触的方式配置在该内侧翅片之间。

发明的效果

根据本发明，能将从内置马达传递至主轴的热经由热管高效地向主轴的后方部分输送，进而能从该主轴的后方部分自内侧翅片至外侧翅片非接触式地高效地输送。由此，可有效地冷却主轴。

附图说明

图1是根据本发明的优选实施方式的主轴装置的剖视图。

图2是沿着图1的箭头线II-II的主轴装置的局部剖视图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的优选实施方式进行说明。

在以下说明的本发明的优选实施方式中，主轴装置是以下的机床的主轴装置：在主轴的末端安装刀具，使该刀具相对于安装在工作台上的工件，例如在X轴、Y轴、Z轴的正交三轴方向相对移动，通过旋转的刀具对工件进行加工。但是，本发明的主轴装置也可以是以下的机床的主轴装置：在主轴的末端安装工件，向旋转的工件按压静止的切削刀具(车刀)来加工工件。

主轴装置10具备中空的壳体12以及以能旋转的方式被支撑于该壳体12的主轴14。在主轴14的末端部，形成有经由刀架TH而安装立铣刀那样的旋转刀具T的锥形孔14a。主轴14通过后侧轴承16和前侧轴承18、20，以旋转轴线O为中心能旋转的方式被支撑。

在图1的实施方式中，后侧轴承支撑主轴14的后端侧的部分，前侧轴承16、18支撑主轴14的前端侧的部分。在主轴14的前端侧的部分，在加工期间作用大的力，因而，主轴14的前端侧的部分由2个前侧轴承16、18支撑。相对于此，负荷比较小的主轴14的后端侧的部分由1个后侧轴承16支撑。后侧轴承16以及前侧轴承18、20的配置和个数可根据需要来选择。另外，应注意的是，所谓本发明的中央部分并不是指距主轴14的旋转轴线方向的前端和后端的距离处于中央的位置，而是按照处于支撑前端侧的前侧轴承16、18与支撑后端侧的后侧轴承之间的部分这样的意思来使用。

在壳体12内，在与后侧轴承16和前侧轴承18、20之间的主轴14的中央部分相对应的壳体12的部分，组装有驱动主轴14旋转的内置马达。该内置马达具备固定于主轴14的中央部分的外表面的转子22和以面对该转子22的方式固定于壳体12的定子24。该内置马达22、24与机床的控制装置例如NC装置(未图示)连接，通过该NC装置来控制旋转的起动、停止以及旋转速度。

主轴装置10在后方部分(图1中的主轴装置10的上端侧)具备后部热交换器。该后部热交换器具备内侧翅片54和外侧翅片56。内侧翅片54以与主轴14一起旋转的方式，固定在相比主轴14的后侧轴承16向后方突出的后方部分。内侧翅片54具有固定在主轴14的外周面的圆筒形状的基座部件54a和从该基座部件54a朝半径方向外侧突出的多个翅片部件54b。翅片部件54b分别是在相对于旋转轴线O垂直的方向延伸的板部件，优选形成为环状。另外，多个翅片部件54b沿着基座部件54a的外周面在主轴14的旋转轴线O方向以规定的间隔排列。内侧翅片54例如可通过在基座部件54a的外表面钎焊或者熔焊环状的翅片部件54b而形成。或者，也可以通过在圆筒部件的外周面形成多个周槽，将翅片部件54b和基座部件54a形成为一体。优选的是，内侧翅片54配置成其基座部件54a的内周面与主轴14的外周面直接接触。

外侧翅片56以面对内侧翅片54的方式固定于壳体12的后方部分。外侧翅片56不与主轴14一起旋转。外侧翅片56具有圆筒状或者圆弧状的基座部件56a和从该基座部件56a的内周面朝半径方向内侧突出的多个翅片部件56b。翅片部件56b分别是在相对于旋转轴线O垂直的方向延伸的板部件，可形成为环状或者如后述那样形成为圆弧状。优选的是，外侧翅片56配置成其基座部件56a的外周面与圆筒部件26的内周面直接接触。

内侧翅片54和外侧翅片56以各自的翅片部件54b、56b在旋转轴线O的方向交替地配置的方式分别安装在主轴14和壳体12上。优选的是，内侧翅片54和外侧翅片56各自的翅片部件54b、56b间的间隔小，可选择成在主轴14的旋转期间不会因振动等导致两者接触。

在此，参照沿着与旋转轴线O垂直的平面的主轴装置10的部分剖面的图2，后部热交换器的外侧翅片56具备2个半体部分56′。半体部分56′可通过在半圆筒部件或者至少局部圆筒状的部件的内周面钎焊或者熔焊圆弧状的翅片部件56b来形成。或者，半体部分56′也可以通过在半圆筒部件或者至少局部圆筒状的部件的内周面形成多个槽，将翅片部件56b和基座部件56a形成为一体。在2个半体部分56′之间，配设有将半体部分56′向壳体12的内面(在本实施方式中是向形成后部冷却液通路26a的圆筒部件26的内周面)按压的施力部件56c。施力部件56c可由螺旋弹簧或碟簧形成。

在主轴装置10的前方部分(图1中的下端部分)，也设有与后部热交换器同样的前部热交换器。前部热交换器具备：设在主轴14的前方部分更详细来讲是设在2个前侧轴承18、20之间的部分的内侧翅片58；以及以面对内侧翅片58的方式固定于壳体12的内面的外侧翅片60。

内侧翅片58具有：固定于主轴14的外周面的圆筒形状的基座部件58a；以及从该基座部件58a朝半径方向外侧突出的多个翅片部件58b。优选的是，内侧翅片58配置成其基座部件58a的内周面与主轴14的外周面直接接触。

外侧翅片60具有圆筒状或者圆弧状的基座部件60a和从该基座部件60a的内周面朝半径方向内侧突出的多个翅片部件60b。优选的是，外侧翅片60配置成其基座部件60a的外周面与圆筒部件30的内周面直接接触。外侧翅片60与后部热交换器的外侧翅片56同样地由2个半体部分形成。

内侧翅片58和外侧翅片60以各自的翅片部件58b、60b在旋转轴线O的方向交替地配置的方式分别安装在主轴14和壳体12上。优选的是，内侧翅片58和外侧翅片60各自的翅片部件58b、60b间的间隔小，可选择成在主轴14的旋转期间不会因振动等导致两者接触。

在壳体12的后方部分形成有供冷却液流通的后部冷却液通路26a。后部冷却液通路26a例如在圆筒部件26的外周面形成螺旋状的槽，可通过使圆筒部件26与壳体12的内面紧贴地嵌合，从而形成在圆筒部件26的外周面与壳体12的内周面之间。在本实施方式中，后部冷却液通路26a至少局部地配置在外侧翅片56的基座部件56a，优选配置成在旋转轴线O方向与基座部件56a的整体重叠。

在后部冷却液通路26a，通过冷却液供给管路32从冷却液供给装置(未图示)供给冷却液例如水。在后部冷却液通路26a流通后的冷却液通过冷却液返回管路34而返回冷却液供给装置。冷却液供给装置例如可包括贮存冷却液的箱(未图示)、从该箱将冷却液向后部冷却液通路26a送出的泵(未图示)、关联的阀、以及控制所述泵及阀的动作的控制装置或者控制电路(未图示)等。冷却供给装置也可以包括对从后部冷却液通路26a返回来的冷却液进行冷却的冷却装置(未图示)。

在壳体12的中央部分，形成有供冷却液流通的中间冷却液通路28a。中间冷却液通路28a例如可通过在圆筒部件28的外周面形成螺旋状的槽，使圆筒部件28向壳体12的内面紧贴地嵌合，从而形成在圆筒部件28的外周面与壳体12的内周面之间。在本实施方式中，中间冷却液通路28a至少局部地配置在定子24，优选的是在旋转轴线O方向与定子24的整体重叠。另外，优选的是，定子24配置成与形成中间冷却液通路28a的圆筒部件28的内周面直接接触。在中间冷却液通路28a，通过冷却液供给管路36从所述冷却液供给装置供给冷却液。流经中间冷却液通路28a的冷却液通过冷却液返回管路40而返回所述冷却液供给装置。

在壳体12的前方部分，形成有供冷却液流通的前部冷却液通路30a。前部冷却液通路30a例如可通过在圆筒部件30的外周面形成螺旋状的槽，使圆筒部件30向壳体12的内面紧贴地嵌合，从而形成在圆筒部件30的外周面与壳体12的内周面之间。在本实施方式中，前部冷却液通路30a至少局部地配置在外侧翅片60的基座部件60a，优选的是在旋转轴线O方向与基座部件60a的整体重叠，更优选的是，与前侧轴承18、20以及基座部件60a重叠。在前部冷却液通路30a，通过冷却液供给管路42从所述冷却液供给装置供给冷却液。流经前部冷却液通路30a的冷却液通过冷却液返回管路44而返回所述冷却液供给装置。

主轴装置10还具备后部热管50。后部热管50被组装到主轴14的后方部分。多个后部热管50以主轴14的旋转轴线O为中心在周向等间隔地配置。优选的是，多个后部热管50以相对于旋转轴线O以规定的角度θ从主轴14的后端向末端扩开的方式被埋设。也就是，多个后部热管50能够沿着在主轴14内从主轴14的后端朝末端扩开的规定的圆锥面配置。

另外，后部热管50从与后部热交换器54、56的至少一部分重叠的位置延伸设置至与内置马达22、24的至少一部分重叠的位置。更优选的是，后部热管50以与后部热交换器54、56的整体、后侧轴承16以及内置马达22、24的整体重叠的方式延伸设置。在本实施方式中，与内置马达22、24邻接的后部热管50的前端部分变成高温部，与后部热交换器54、56邻接的后部热管50的后端部分变成低温部。

进而，主轴装置10可具备前部热管52。前部热管52被组装在主轴14的前方部分。多个前部热管52以主轴14的旋转轴线O为中心在周向等间隔地配置。优选的是，多个前部热管52相对于旋转轴线O平行地延伸设置，被埋设在主轴14内。另外，前部热管52以在前部热交换器58、60与前部热交换器58、60的至少一部分重叠的方式延伸设置。在本实施方式中，与前侧轴承18、20邻接的前部热管52的两端部分变成高温部，前部热管52的中央部分变成低温部。

进而，主轴装置10也可以向后部热交换器的内侧翅片54与外侧翅片56之间供给冷却空气。在本实施方式中，通过冷却空气供给管路46，冷却空气从冷却空气源(未图示)向内侧翅片54与外侧翅片56之间被供给。被供给到内侧翅片54与外侧翅片56之间的冷却空气在内侧翅片54与外侧翅片56之间流通而从主轴装置10的后端侧向外部排出。

同样，也可以向前部热交换器的内侧翅片58与外侧翅片60之间供给冷却空气。冷却空气从所述冷却空气源通过冷却空气供给管路48向前部热交换器的内侧翅片58与外侧翅片60之间被供给。被供给到内侧翅片58与外侧翅片60之间的冷却空气在内侧翅片58与外侧翅片60之间流通而从主轴装置10的前端侧向外部排出。

冷却空气源例如可包括压缩空气的压缩机(未图示)、贮存被压缩的空气的箱或者贮存器(未图示)、关联的阀(未图示)等。进而，冷却空气源也可以包括对来自箱或者贮存器的空气进行除湿的干燥器(未图示)、或对来自箱或者贮存器的空气进行冷却的冷却装置(未图示)。

以下，对本实施方式的作用进行说明。

若主轴14旋转，则从后侧轴承16、前侧轴承18、20以及内置马达22、24发热。作用于后侧轴承16的负荷比较小，因而来自后侧轴承16的发热量比较小。从内置马达尤其是其定子24产生的热通过在中间冷却液通路28a流通的冷却液而有效地向主轴装置10的外部排出。

另一方面，通过从转子22产生的热，埋设在主轴14内的后部热管50被加热。尤其是在后部热管50中，与转子22重叠的后部热管50的高温部通过从转子22产生的热而被加热。由此，在各后部热管50的高温部内，工作流体例如水气化。通过工作流体气化，工作流体从周围吸取与气化热相当的热量，由此转子22被冷却。气化了的工作流体朝向后部热管50的低温部朝主轴14的后端方向流动。

后侧轴承16与主轴14的后端之间的主轴14的后方部分通过后部热交换器54、56被冷却。由此，后部热管50的低温部也被冷却，在后部热管50的低温部，气体的工作流体冷凝、液化。在低温部液化了的工作流体在后部热管50内的管芯内被吸收，通过毛细管作用向高温部移动。在工作流体向高温部移动期间，工作流体在后部热管50内经过后侧轴承16的附近。来自后侧轴承16的发热虽比较小，但在通过来自后侧轴承16的热使得朝向高温部的工作流体的移动受到阻碍的场合，也可以在后侧轴承16的内圈与后部热管50之间配设绝热部件62。

另外，当工作流体朝高温部移动时，通过将后部热管50配置成相对于旋转轴线O以规定的角度θ从主轴14的后端朝末端扩开，对在管芯内移动的液体的工作流体作用伴随于主轴14的旋转的离心力，可促进朝向高温部的移动。这样，从转子22产生的热通过后部热管50有效地向主轴14的后方部分被输送。

由后部热管50向主轴14的后方部分输送的热以及从后侧轴承16尤其是其内圈通过热传递输送至主轴14的后方部分的热，通过后部热交换器54、56向在后部冷却液通路26a内流通的冷却液被输送。另外，如图1所示那样，通过使内侧翅片54的圆筒形状的基座部件54a的端部(图1中的下端部)与后侧轴承16的内圈接触，从后侧轴承16的内圈将热直接传递给内侧翅片54的基座部件54a。

由于后部热交换器的外侧翅片56的翅片部件56b以不与内侧翅片54的翅片部件54b接触的方式配置在该内侧翅片54的翅片部件54b之间，所以，借助对流热传递以及辐射热传递，从内侧翅片54的翅片部件54b向外侧翅片56的翅片部件56b输送热。由此，内侧翅片54被冷却，主轴14的后方部分被冷却。

另外，通过由冷却空气供给管路46从冷却空气源向后部热交换器54、56供给冷却空气，更有效地冷却内侧翅片54的翅片部件54b。流向后部热交换器54、56的冷却空气经过内侧翅片54的翅片部件54b与外侧翅片56的翅片部件56b之间的间隙，从主轴装置10的后端排出。由此，进而可防止尘埃等异物经过内侧翅片54与外侧翅片56之间而侵入壳体12内。

通过来自前侧轴承18、20的发热，前部热管52的作为高温部的两端部分被加热。由此，在前部热管52的高温部，工作流体气化。在工作流体气化时，与气化热相当的热量从高温部的周边被工作流体吸收。气化的工作流体向前部热管52的作为低温部的中央部分移动，通过前部热交换器58、60被冷却，冷凝、液化。在冷凝时，与冷凝热相当的热量从工作流体被释放，该热经过前部热交换器58、60而被输送给在前部冷却液通路30a内流通的冷却液。液化的工作流体在前部热管52的管芯内向作为高温部的前部热管52的两端部分移动。这样，主轴装置10的前侧轴承18、20尤其是其内圈有效地被冷却。

另外，通过由冷却空气供给管路48从冷却空气源向前部热交换器58、60供给冷却空气，更有效地冷却内侧翅片58的翅片部件58b。流向前部热交换器58、60的冷却空气经过内侧翅片58的翅片部件58b与外侧翅片60的翅片部件60b之间的间隙，从主轴装置10的前端排出。由此，进而可防止在机床加工工件时产生的切屑或被供给到加工区域的加工液那样的尘埃等异物经过内侧翅片58与外侧翅片60之间而侵入壳体12内。

附图标记的说明

10 主轴装置

12 壳体

14 主轴

16 后侧轴承

16 前侧轴承

18 前侧轴承

20 前侧轴承

22 转子

24 定子

26 圆筒部件

26a 后部冷却液通路

28 圆筒部件

28a 中间冷却液通路

30 圆筒部件

30a 前部冷却液通路

32 冷却液供给管路

34 冷却液返回管路

36 冷却液供给管路

40 冷却液返回管路

42 冷却液供给管路

44 冷却液返回管路

46 冷却空气供给管路

48 冷却空气供给管路

50 后部热管

52 前部热管

54 内侧翅片

54a 基座部件

54b 翅片部件

56 外侧翅片

56′ 半体部分

56a 基座部件

56b 翅片部件

56c 施力部件

58 内侧翅片

58a 基座部件

58b 翅片部件

60 外侧翅片

60a 基座部件

60b 翅片部件

62 绝热部件

Claims (3)

1.一种机床的主轴装置，该主轴装置形成为在主轴的前端部保持刀具或者工件，该主轴相对于壳体以能旋转的方式被支撑，其特征在于，所述主轴装置具备：

两个前侧轴承，该两个前侧轴承在所述主轴的前侧以能旋转的方式支撑该主轴，且在该主轴的旋转轴线方向隔开间隔地设置；

后侧轴承，该后侧轴承在相比所述前侧轴承靠后侧的位置以能旋转的方式支撑所述主轴；

内置马达，该内置马达在所述前侧轴承与后侧轴承之间的中央部分配置在所述主轴的周围，驱动该主轴旋转；

后部热交换器，该后部热交换器具有板状的多个内侧翅片和板状的多个外侧翅片，该内侧翅片相比所述后侧轴承向后方突出，与所述后侧轴承的内圈相接，被固定在所述主轴的后方部分，在所述主轴的旋转轴线方向排列，且在相对于所述主轴的旋转轴线垂直的方向延伸，该外侧翅片固定于所述壳体，且以不与所述多个内侧翅片接触的方式配置在该内侧翅片之间；

前部热交换器，该前部热交换器具有板状的多个内侧翅片和板状的多个外侧翅片，所述前部热交换器的多个内侧翅片设在所述两个前侧轴承间，在所述主轴的旋转轴线方向排列，且在相对于所述主轴的旋转轴线垂直的方向延伸，所述前部热交换器的外侧翅片固定于所述壳体，且以不与所述前部热交换器的多个内侧翅片接触的方式配置在该内侧翅片之间；

后部冷却液通路以及前部冷却液通路，该后部冷却液通路以及前部冷却液通路配置成在所述主轴的旋转方向与所述后部热交换器以及前部热交换器各自的外侧翅片至少局部地重合；

后部热管，该后部热管内置于所述主轴，在所述主轴的中央部与所述后部热交换器之间传递热；

绝热材料，该绝热材料配设在所述后侧轴承与所述后部热管之间；以及

前部热管，该前部热管内置于所述主轴，在所述前侧轴承与所述前部热交换器之间传递热。

2.如权利要求1所述的主轴装置，其中，

所述后部热交换器以及前部热交换器各自的外侧翅片具备2个半体部分，该2个半体部分分别具有至少局部为圆筒形状的基座部件和从该基座部件的内周面在半径方向突出的多个翅片部件，在2个半体部分的基座部件之间配设施力部件，该施力部件对该2个半体部分朝相互分离的方向施力，由此，后部热交换器以及前部热交换器各自的外侧翅片被按压在所述壳体的内面上。

3.如权利要求1所述的主轴装置，其中，

所述后部热管配置成相对于所述主轴装置的旋转轴线以规定的角度从主轴的后端向末端扩开。

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