DE102016100995A1

DE102016100995A1 - Hydrostatische Lagervorrichtung und Werkzeugmaschinenhauptspindelvorrichtung mit hydrostatischer Lagervorrichtung

Info

Publication number: DE102016100995A1
Application number: DE102016100995.4A
Authority: DE
Inventors: Hiroki Yamato
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2015-01-23
Filing date: 2016-01-21
Publication date: 2016-07-28
Also published as: JP2016136047A; JP6455177B2; CN105817650A

Abstract

In einer hydrostatischen Lagervorrichtung hat ein hydrostatischer Abschnitt (18) ein Lagerspiel (20), einen Lageroberflächenabschnitt (22), eine Vielzahl von Taschen (24) und Stegabschnitte (30). Ein Nutabschnitt (40) hat Seitennutabschnitte, einen stromaufwärtigen Nutabschnitt (44) und einen stromabwärtigen Nutabschnitt (46). Der stromaufwärtige Nutabschnitt (44) hat einen Kanal (Versorgungsweg) (16). Das Lagerspiel (20) hat ein erstes Lagerspiel (C) und ein zweites Lagerspiel (H), das größer als das erste Lagerspiel (C) ist. Wenn eine Dichte einer Schmierlösung (R) mit ρ bezeichnet wird, ein Viskositätskoeffizient der Schmierlösung (R) mit μ bezeichnet wird, eine Umfangsgeschwindigkeit einer rotierenden (131) Welle mit U bezeichnet wird und das zweite Lagerspiel mit H bezeichnet wird, wird eine Reynolds-Zahl für das zweite Lagerspiel durch Re = ρUH/μ ausgedrückt, und für eine Strömung der Schmierlösung (R), die durch das zweite Lagerspiel (H) hindurch stattfindet, wenn die rotierende Welle (131) drehbar getragen wird, gilt Re < 2000.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf eine hydrostatische Lagervorrichtung und eine Werkzeugmaschinen-Hauptspindelvorrichtung mit einer hydrostatischen Lagervorrichtung.
2. Stand der Technik
Es sind hydrostatische Lagervorrichtungen bekannt, bei denen eine rotierende Welle, etwa eine Hauptspindel einer Werkzeugmaschine, die mit hoher Geschwindigkeit rotiert, durch den hydrostatischen Druck eines mit Druck beaufschlagten Fluids, etwa einer Schmierlösung, getragen wird. Zum Beispiel offenbart die JP 2001-304260 A eine Technik für eine hydrostatische Lagervorrichtung, die ein Lagermetall mit einem hydrostatischen Abschnitt enthält, der die rotierende Welle derart trägt, dass die rotierende Welle drehbar ist. Gemäß dieser Technik hat der hydrostatische Abschnitt einen Lageroberflächenabschnitt mit einem Lagerspiel zwischen dem Lageroberflächenabschnitt und einer Oberfläche der rotierenden Welle und eine Vielzahl von Taschen, die in einer Umfangsrichtung des Lageroberflächenabschnitts nebeneinander liegend im Lageroberflächenabschnitt vertieft sind. Ein Fluid wie eine Schmierlösung wird in die Taschen eingespeist, um die rotierende Welle durch Fluiddruck (statischen Druck) zu tragen.
Wie in 9 und 10 dargestellt ist, unterliegt die Schmierlösung, die für die hydrostatische Lagervorrichtung verwendet wird, aufgrund einer Drehung der rotierenden Welle allerdings einer Strömung, die daraus resultiert, was Mitführung in den Taschen genannt wird. Die Schmierlösung bildet eine Strömung in einer Rotationsrichtung der rotierenden Welle und eine Strömung in einer Richtung entgegengesetzt zur Rotationsrichtung der rotierenden Welle, die an einem Bodenabschnitt jeder Tasche auftritt, aus. Dementsprechend kann in der hydrostatischen Lagervorrichtung nahe der Oberfläche der rotierenden Welle ein großer Geschwindigkeitsgradient ausgebildet werden, und aus einem hohen Fluidscherwiderstand kann ein Energieverlust resultieren. Innerhalb der Tasche tritt eine stark turbulente Strömung mit einer Reynolds-Zahl von 20.000 bis 30.000 auf, und somit kann nahe der Oberfläche der rotierenden Welle ein großer Geschwindigkeitsgradient ausgebildet werden, und aus einem hohen Fluidscherwiderstand kann ein Energieverlust resultieren. Diese Tendenz wird deutlicher, wenn die rotierende Welle mit hoher Geschwindigkeit rotiert.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine mögliche Zunahme eines Geschwindigkeitsgradienten eines Fluids in Taschen in einer hydrostatischen Lagervorrichtung zu unterdrücken, um einen Energieverlust zu verringern.
Eine hydrostatische Lagervorrichtung bei einer Ausgestaltung der Erfindung weist eine rotierende Welle und ein Lagermetall mit einem hydrostatischen Abschnitt auf, der der rotierenden Welle erlaubt, drehbar getragen zu werden. Der hydrostatische Abschnitt hat ein Lagerspiel, das zwischen einer Oberfläche der rotierenden Welle und dem Lagermetall liegt und mit einer Schmierlösung gefüllt ist, einen Lageroberflächenabschnitt, der der Oberfläche der rotierenden Welle zugewandt ist, eine Vielzahl von Taschen, die in einer Umfangsrichtung des Lageroberflächenabschnitts nebeneinander liegend im Lageroberflächenabschnitt vertieft sind, und Stegabschnitte, die jeweils von einem Bodenabschnitt einer entsprechenden Tasche zur Oberfläche der rotierenden Welle vorstehen und die eine Stirnfläche, die der Oberfläche der rotierenden Welle zugewandt ist, und einen Nutabschnitt haben, der zwischen dem Stegabschnitt und einer Kante der Tasche liegt. Der Nutabschnitt hat Seitennutabschnitte, die so auf beiden Seiten jedes Stegabschnitts liegen, dass sie in der Umfangsrichtung verlaufen, einen stromaufwärtigen Nutabschnitt, der in einer Rotationsrichtung der rotierenden Welle stromaufwärts positioniert ist, und einen stromabwärtigen Nutabschnitt, der in der Rotationsrichtung stromabwärts positioniert ist. Der Nutabschnitt hat einen Versorgungsweg, der mit dem stromaufwärtigen Nutabschnitt kommuniziert, um den hydrostatischen Abschnitt mit der Schmierlösung zu versorgen. Das Lagerspiel hat ein erstes Lagerspiel zwischen der Oberfläche der rotierenden Welle und dem Lageroberflächenabschnitt und ein zweites Lagerspiel zwischen der Oberfläche der rotierenden Welle und der Stirnfläche. Die Größe des zweiten Lagerspiels ist so gestaltet, dass sie größer als die Größe des ersten Lagerspiels ist. Wenn eine Dichte der Schmierlösung mit ρ bezeichnet wird, ein Viskositätskoeffizient der Schmierlösung mit μ bezeichnet wird, eine Umfangsgeschwindigkeit der rotierenden Welle mit U bezeichnet wird und die Größe des zweiten Lagerspiels mit H bezeichnet wird, wird eine Reynolds-Zahl für das zweite Lagerspiel durch Re = ρUH/μ ausgedrückt, und für eine Strömung der Schmierlösung, die durch das zweite Lagerspiel hindurch stattfindet, wenn die rotierende Welle drehbar getragen wird, gilt Re < 2000.
In der hydrostatischen Lagervorrichtung bei dieser Ausgestaltung hat der hydrostatische Abschnitt die Stegabschnitte, die jeweils vom Bodenabschnitt der entsprechenden Tasche zur Oberfläche der rotierenden Welle hin vorstehen und die die Stirnfläche, die der Oberfläche der rotierenden Welle zugewandt ist, und den Nutabschnitt haben, der zwischen dem Stegabschnitt und der Kante der Tasche liegt. Der Nutabschnitt hat die Seitennutabschnitte, die in der Umfangsrichtung auf beiden Seiten jedes Stegabschnitts liegen, den stromaufwärtigen Nutabschnitt, der in der Rotationsrichtung der rotierenden Welle stromaufwärts positioniert ist, und den stromabwärtigen Nutabschnitt, der in der Rotationsrichtung stromabwärts positioniert ist. Der Nutabschnitt hat den Versorgungsweg, der mit dem stromaufwärtigen Nutabschnitt kommuniziert, um den hydrostatischen Abschnitt mit der Schmierlösung zu versorgen. Folglich strömt die Schmierlösung in der Rotationsrichtung der rotierenden Welle über die Stirnfläche und in den Seitennutabschnitten in einer Richtung entgegengesetzt zur Rotationsrichtung der rotierenden Welle. Dies macht es weniger wahrscheinlich, dass sich die Strömung über die Stirnfläche und die Strömung in den Seitennutabschnitten gegenseitig beeinträchtigen. Somit wird eine mögliche Erhöhung des Geschwindigkeitsgradienten des Fluids in den Taschen der hydrostatischen Lagervorrichtung unterdrückt, was eine Verringerung des Energieverlusts ermöglicht. Wenn die Dichte der Schmierlösung mit ρ bezeichnet wird, der Viskositätskoeffizient der Schmierlösung mit μ bezeichnet wird, die Umfangsgeschwindigkeit der rotierenden Welle mit U bezeichnet wird und die Größe des zweiten Lagerspiels mit H bezeichnet wird, wird die Reynolds-Zahl für das zweite Lagerspiel durch Re = ρUH/μ ausgedrückt, und für die Strömung der Schmierlösung, die durch das zweite Lagerspiel hindurch stattfindet, wenn die rotierende Welle drehbar getragen wird, gilt Re < 2000. Das heißt, dass es in Verbindung mit der Strömung der Schmierlösung durch das zweite Lagerspiel hindurch weniger wahrscheinlich ist, dass ein hoher Fluidscherwiderstand auftritt, was eine Unterdrückung des Energieverlusts erlaubt.
In der hydrostatischen Lagervorrichtung bei der oben beschriebenen Ausgestaltung kann die Schmierlösung Wasser oder eine Wasserlösung, in der 90% oder mehr ihrer Zusammensetzung Wasser ist, oder ein niedrigviskoses Mineralöl sein.
In der hydrostatischen Lagervorrichtung bei der oben beschriebenen Ausgestaltung kann die Schmierlösung, die durch das zweite Lagerspiel strömt, wenn die rotierende Welle drehbar getragen wird, eine laminare Strömung entlang der Rotationsrichtung der rotierenden Welle ausbilden, und ein Teil der laminaren Strömung der Schmierlösung kann sich über die Seitennutabschnitte zum stromaufwärtigen Nutabschnitt mit dem Versorgungsweg bewegen.
In der hydrostatischen Lagervorrichtung bei der oben beschriebenen Ausgestaltung bildet die Schmierlösung, die durch das zweite Lagerspiel strömt, eine laminare Strömung entlang der Rotationsrichtung der rotierenden Welle aus, und ein Teil der laminaren Strömung der Schmierlösung bewegt sich über die Seitennutabschnitte zum stromaufwärtigen Nutabschnitt mit dem Versorgungsweg. Folglich trennen die Stegabschnitte die laminare Strömung durch das zweite Lagerspiel hindurch von der Strömung in den Seitennutabschnitten in der zur Rotationsrichtung entgegengesetzten Richtung. Dies macht es weniger wahrscheinlich, dass die laminare Strömung und die Strömung in der entgegengesetzten Rotationsrichtung einander beeinträchtigen. Daher wird in eine mögliche Zunahme des Geschwindigkeitsgradienten des Fluids in der Tasche unterdrückt, was eine weitere Verringerung des Energieverlusts ermöglicht.
Die hydrostatische Lagervorrichtung bei der oben beschriebenen Ausgestaltung kann dazu verwendet werden, eine Werkzeugmaschinen-Hauptspindelvorrichtung zu gestalten, die in einer Werkzeugmaschine eine Werkzeugmaschinen-Hauptspindel derart trägt, dass die Werkzeugmaschinen-Hauptspindel drehbar ist. Auf diese Weise wird die oben beschriebene hydrostatische Lagervorrichtung geeignet für die Werkzeugmaschinen-Hauptspindelvorrichtung genutzt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und weiteren Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen gleiche Zahlen verwendet werden, um gleiche Elemente darzustellen, anhand der folgenden Beschreibung exemplarischer Ausführungsbeispiele. Es zeigen:
1 eine Draufsicht, die eine allgemeine Gestaltung einer Schleifmaschine darstellt, die als ein Beispiel einer Werkzeugmaschinen-Hauptspindelvorrichtung genommen wird, die eine hydrostatische Lagervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel enthält;
2 eine rechte Seitenansicht der in 1 dargestellten Schleifmaschine;
3 eine vergrößerte Schnittansicht eines Abschnitts III in 1;
4 eine Schnittansicht entlang der Linie IV-IV in 3;
5 eine Perspektivansicht, die das Lagermetall teilweise abgetragen darstellt, um seine interne Form freizulegen;
6 eine vergrößerte Schnittansicht entlang der Linie IV-IV in 3, die eine Strömung einer Schmierlösung in einer Tasche darstellt;
7 ein Geschwindigkeitsverteilungsschaubild für die Strömung der Schmierlösung in der Tasche;
8 ein Schaubild, das den Energieverbrauch der hydrostatischen Lagervorrichtung darstellt;
9 ein Geschwindigkeitsverteilungsschaubild für eine Strömung einer Schmierlösung in einer herkömmlichen Tasche; und
10 ein Schaubild, das die Strömung einer Schmierlösung in der herkömmlichen Tasche darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Unter Verwendung der Zeichnungen werden unten als ein Ausführungsbeispiel, in dem die Erfindung realisiert wird, eine hydrostatische Lagervorrichtung und eine Werkzeugmaschinen-Hauptspindelvorrichtung mit einer hydrostatischen Lagervorrichtung beschrieben.
1 ist eine Draufsicht, die eine allgemeine Gestaltung einer Schleifmaschine 10 als ein Beispiel einer Werkzeugmaschinen-Hauptspindelvorrichtung mit einer hydrostatischen Lagervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel darstellt. 2 ist eine rechte Seitenansicht der Schleifmaschine 10. In 2 ist die Darstellung einer Werkstückhaltevorrichtung 150 mit einem Haltetisch 151 weggelassen. In allen Zeichnungen, die eine X-Achse, eine Y-Achse und eine Z-Achse darstellen, verlaufen die X-Achse, die Y-Achse und die Z-Achse senkrecht zueinander, wobei die Y-Achse eine vertikal nach oben gehende Richtung darstellt und die Z-Achse und die X-Achse eine horizontale Richtung darstellen. Die Z-Achsenrichtung stellt eine Richtung parallel zu einer Schleifradrotationsachse L1 (mit anderen Worten eine Werkstückrotationsachsenrichtung) dar. Die X-Achsenrichtung stellt eine Richtung dar, die senkrecht zur Schleifradrotationsachse L1 verläuft und in der ein Schleifrad 132 ein Werkstück W schneidet. Die Schleifradrotationsachse L1, eine Werkstückrotationsachse L2 und eine Abrichtrotationsachse L3 verlaufen alle parallel zur Z-Achsenrichtung.
Die in 1 und 2 dargestellte Schleifmaschine 10 ist so gestaltet, dass sie das Werkstück W schleift, indem das Schleifrad 132 bezogen auf das Werkstück W gesteuert in der X-Achsenrichtung und in der Z-Achsenrichtung bewegt wird. In im Wesentlichen einem zentralen Abschnitt auf einem Ständer 110, der flach rechtwinklig ausgebildet ist, befindet sich ein Z-Achsenrichtung-Schiebetisch 112, der gleitend entlang einem Paar Z-Achsenrichtung-Führungsschienen 111 geführt wird, die in der Z-Achsenrichtung verlaufen. Der Z-Achsenrichtung-Schiebetisch 112 wird durch eine Rotation einer Z-Achsenrichtung-Vorschubspindel 113, die unter Verwendung eines Z-Achsen-Antriebsmotors 114 als einer Antriebsquelle, der operativ durch eine Steuerungsvorrichtung 180 (NC-Steuerungsvorrichtung oder dergleichen) gesteuert wird, in der Z-Achsenrichtung verschoben. Der Z-Achsen-Antriebsmotor 114 ist mit einer Z-Achsenrichtung-Positionserfassungsvorrichtung 115 wie einem Encoder versehen, die einen Rotationswinkel einer Antriebswelle des Z-Achsen-Antriebsmotors 114 erfasst und ein entsprechendes Erfassungssignal an die Steuerungsvorrichtung 180 sendet, um die Position des Z-Achsenrichtung-Schiebetischs 112 in der Z-Achsenrichtung zu bestimmen. Die Steuerungsvorrichtung 180 kann das Schleifrad 132 unter Verwendung des Z-Achsen-Antriebsmotors 114 bezogen auf den Abrichter 177 oder das Werkstück W in der Z-Achsenrichtung bewegen, um beruhend auf dem Erfassungssignal von der Z-Achsenrichtung-Positionserfassungsvorrichtung 115 eine Bewegungsstrecke des Schleifrads 132 in der Z-Achsenrichtung bezogen auf den Abrichter 177 oder das Werkstück W zu erfassen.
Auf dem Z-Achsenrichtung-Schiebetisch 112 befindet sich ein X-Achsenrichtung-Schiebetisch 122, der gleitend entlang eines Paars X-Achsenrichtung-Führungsschienen 121 geführt wird, die in der X-Achsenrichtung verlaufen. Der X-Achsenrichtung-Schiebetisch 122 wird durch eine Rotation einer X-Achsenrichtung-Vorschubspindel 123, die unter Verwendung eines X-Achsen-Antriebsmotors 124 als einer Antriebsquelle betätigt wird, der operativ durch die Steuerungsvorrichtung 180 gesteuert wird, in der X-Achsenrichtung verschoben. Der X-Achsen-Antriebsmotor 124 ist mit einer X-Achsenrichtung-Positionserfassungsvorrichtung 125 wie einem Encoder versehen, die einen Rotationswinkel einer Antriebswelle des X-Achsen-Antriebsmotors 124 erfasst und ein entsprechendes Erfassungssignal an die Steuerungsvorrichtung 180 sendet, um die Position des X-Achsenrichtung-Schiebetischs 122 in der X-Achsenrichtung zu bestimmen. Die Steuerungsvorrichtung 180 kann das Schleifrad 132 unter Verwendung des X-Achsen-Antriebsmotors 124 in der X-Achsenrichtung bezogen auf den Abrichter 177 und das Werkstück W bewegen, um beruhend auf dem Erfassungssignal von der X-Achsenrichtung-Positionserfassungsvorrichtung 125 die Bewegungsstrecke des Schleifrads 132 in der X-Achsenrichtung bezogen auf den Abrichter 177 oder das Werkstück W zu erfassen.
Auf dem X-Achsenrichtung-Schiebetisch 122 befinden sich jeweils ein Schleifradantriebsmotor 126 und ein Schleifradwellenhalter 130. Über einer Antriebswelle des Schleifradantriebsmotors 126 ist eine Riemenscheibe 127 vorgesehen. Über einem Ende einer Schleifradwelle 131 (einer Schleifradwelle, die um die zur Z-Achsenrichtung parallele Schleifradrotationsachse L1 rotiert) in ihrer Achsenrichtung ist eine Riemenscheibe 128 vorgesehen. Die Schleifradwelle 131 ist an dem anderen Ende in ihrer Achsenrichtung mit dem allgemein zylinderförmigen Schleifrad 132 versehen. Ein Riemen 129 bildet eine Schleife zwischen der Riemenscheibe 127 und der Riemenscheibe 128, um über den Riemen 129 ein Drehmoment der Antriebswelle des Schleifradantriebsmotors 126 auf die Schleifradwelle 131 zu übertragen.
Auf dem Ständer 110 befinden sich auf der zur Z-Achsenrichtung parallelen Werkstückrotationsachse L2 eine Werkstückhaltevorrichtung 140 und eine Werkstückhaltevorrichtung 150. Die Werkstückhaltevorrichtungen 140 und 150 halten das wellenartige Werkstück W an einer eingestellten Position, während sie das Werkstück W um die Werkstückrotationsachse L2 herum rotieren, die in der Z-Achsenrichtung verläuft. Die Werkstückhaltevorrichtung 140 weist einen am Ständer 110 befestigten Haltetisch 141, ein Haltewellengehäuse 142, das sich auf der Werkstückrotationsachse L2 bezogen auf den Haltetisch 141 hin und her bewegen kann, und ein Haltewellenbauteil 143 auf, das so in dem Haltewellengehäuse 142 getragen wird, dass es um die Werkstückrotationsachse L2 herum drehbar ist. An der Spitze des Haltewellenbauteils 143 ist ein Zentralbauteil 144 vorgesehen, das einen zentralen Abschnitt einer Endfläche des Werkstücks W trägt. Das Haltewellenbauteil 143 wird unter Verwendung eines Haltewellenmotors als einer Antriebsquelle (nicht in den Zeichnungen dargestellt), der operativ durch die Steuerungsvorrichtung 180 gesteuert wird, mit einer beliebigen Winkelgeschwindigkeit gesteuert zu einem beliebigen Winkel gedreht. Wie die Werkstückhaltevorrichtung 140 weist die Werkstückhaltevorrichtung 150 einen Haltetisch 151, ein Haltewellengehäuse 152, ein Haltewellenbauteil 153 und ein Zentralbauteil 154 auf. Das Haltewellengehäuse 142 ist mit einer Abrichtvorrichtung 160 versehen, die einen Abrichter 177 aufweist, der so getragen wird, dass er um eine Abrichterrotationsachse L3 herum drehbar ist. Wie in 2 dargestellt ist, befinden sich die Schleifradrotationsachse L1, die Werkstückrotationsachse L2 und die Abrichterrotationsachse L3 alle auf einer gedachten Ebene VM, die eine zur X-Achsenrichtung und Z-Achsenrichtung parallele Ebene ist.
Wie oben beschrieben wurde, bewegt die Schleifmaschine 10 das Schleifrad 132 bezogen auf das Werkstück W oder den Abrichter 177 in der Z-Achsenrichtung und X-Achsenrichtung, um das Werkstück W zu schleifen oder das Schleifrad 132 unter Verwendung des Abrichters 177 passend extern umzuformen.
3 ist eine vergrößerte Schnittansicht (ein Abschnitt III in 1) des Schleifradwellenhalters 130. 4 ist eine Schnittansicht entlang der Linie IV-IV in 3. 5 ist eine Perspektivansicht, die das Lagermetall darstellt, das teilweise herausgeschnitten ist, um seine interne Form freizulegen. 6 ist eine vergrößerte Schnittansicht entlang der Linie IV-IV in 3 und stellt eine Strömung einer Schmierlösung in einer Tasche dar. Wie in 3 dargestellt ist, hat der Schleifradwellenhalter 130 ein Schleifradwellengehäuse 12 und ein Lagermetall 14, das in dem Schleifradwellengehäuse 12 befestigt ist. Die Schleifradwelle 131 (rotierende Welle) wird drehbar von dem Lagermetall 14 getragen. Wie in 4 dargestellt ist, hat das Lagermetall 14 einen hydrostatischen Abschnitt 18, der der Schleifradwelle 131 erlaubt, mit Fluiddruck (statischem Druck) eines Fluids, etwa einer Schmierlösung R, das von einer Pumpe P (siehe 4) oder dergleichen über einen Kanal 16 in das Lagermetall 14 eingespeist wird, drehbar getragen zu werden. Das Lagermetall 14 ist, wie in 5 dargestellt ist, als ein Stahlrohr gestaltet. Der hydrostatische Abschnitt 18 weist ein Lagerspiel 20, einen Lageroberflächenabschnitt 22, eine Vielzahl von Taschen 24 und Stegabschnitte 30 auf, die, wie in 6 dargestellt ist, alle auf einer Innenumfangsflächenseite des Lagermetalls 14 ausgebildet sind. Die Schmierlösung R ist wünschenswerter Weise Wasser oder eine Wasserlösung, in der 90% oder mehr ihrer Zusammensetzung Wasser ist, oder niedrigviskoses Mineralöl.
Der Lageroberflächenabschnitt 22 ist eine Oberfläche, die, wie in 5 und 6 dargestellt ist, einer Oberfläche der Schleifradwelle 131 zugewandt ist. Die Taschen 24 sind Bereiche, in denen die Schmierlösung R, die von der Pumpe P oder dergleichen über den Kanal 16 eingespeist wird, gespeichert wird. Die Vielzahl an separaten Taschen 24 ist in einer Umfangsrichtung nebeneinander liegend im Lageroberflächenabschnitt 22 des Lagermetalls 14 vertieft. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Schmierlösung R über den Kanal 16 in jede von vier Taschen 24 eingespeist. Die Anzahl der Taschen 24 ist nicht auf vier beschränkt. Das Fluid, das aus den Taschen 24 und axialen Taschen (nicht in den Zeichnungen dargestellt) herausströmt, nachdem es zum hydrostatischen Tragen der Schleifradwelle 131 in den Taschen verwendet wurde, wird über einen Abfluss (nicht in den Zeichnungen dargestellt) gesammelt, durch einen Ölkühler oder dergleichen gekühlt und dann in einen Behälter T zurückgeführt (siehe 4).
Jeder Stegabschnitt 30 steht von einem Bodenabschnitt 26 der Tasche 24 zu einer Oberfläche der Schleifradwelle 131 vor und hat eine Stirnfläche 32, die der Oberfläche der Schleifradwelle 131 zugewandt ist, und einen Nutabschnitt 40, der zwischen dem Stegabschnitt 30 und einer Kante 28 in der Tasche 24 liegt. Der Nutabschnitt 40 hat Seitennutabschnitte 42, die so auf beiden Seiten des Stegabschnitts 30 liegen, dass sie in der Umfangsrichtung verlaufen, einen stromaufwärtigen Nutabschnitt 44, der in einer Rotationsrichtung der rotierenden Welle stromaufwärts positioniert ist, und einen stromabwärtigen Nutabschnitt 46, der in der Rotationsrichtung stromabwärts positioniert ist. Der Nutabschnitt 40 hat außerdem einen Kanal 16 (Versorgungsweg), der mit dem stromaufwärtigen Nutabschnitt 44 kommuniziert, um den hydrostatischen Abschnitt 18 mit der Schmierlösung R zu versorgen.
Das Lagerspiel 20 ist ein Raum, der zwischen der Oberfläche der Schleifradwelle 131 und dem Lagermetall 14 liegt und mit der Schmierlösung R gefüllt ist. Das Lagerspiel 20 hat ein erstes Lagerspiel C zwischen der Oberfläche der Schleifradwelle 131 und dem Lageroberflächenabschnitt 22 und ein zweites Lagerspiel H zwischen der Oberfläche der Schleifradwelle 131 und der Stirnfläche 32. Die Größe des zweiten Lagerspiels H ist größer als die Größe des ersten Lagerspiels C eingestellt. Die Innenumfangsfläche des Lagermetalls 14 ist so maschinell bearbeitet, dass sie die Vielzahl an Taschen 24 und die Stegabschnitte 30 in den Taschen 24 ausbildet. Somit hat der hydrostatische Abschnitt 18 in dem Lagermetall 14 das Lagerspiel 20, das zwischen der Oberfläche der Schleifradwelle 131 und dem Lagermetall 14 liegt und mit der Schmierlösung R gefüllt ist, den Lageroberflächenabschnitt 22, der der Oberfläche der Schleifradwelle 131 zugewandt ist, die Vielzahl von Taschen 24, die in der Umfangsrichtung des Lageroberflächenabschnitts 22 nebeneinander liegend im Lageroberflächenabschnitt 22 vertieft sind, und die Stegabschnitte 30, die jeweils vom Bodenabschnitt 26 der entsprechenden Tasche 24 zur Oberfläche der Schleifradwelle 131 vorstehen und die die Stirnfläche 32, die der Oberfläche der Schleifradwelle 131 zugewandt ist, und den Nutabschnitt 40 haben, der zwischen dem Stegabschnitt 30 und der Kante 28 der Tasche 24 liegt.
Die Schleifradwelle 131 wird mit Fluiddruck (statischem Druck) eines Fluids, etwa der Schmierlösung R, die in die Taschen 24 eingespeist wird, getragen. Wenn in dieser Hinsicht die Dichte der Schmierlösung R mit ρ bezeichnet wird, der Viskositätskoeffizient der Schmierlösung R mit μ bezeichnet wird, die Umfangsgeschwindigkeit der Schleifradwelle 131 mit U bezeichnet wird und die Größe des zweiten Lagerspiels mit H bezeichnet wird, wird eine Reynolds-Zahl Re für das zweite Lagerspiel H durch Re = ρUH/μ ausgedrückt. Die Umfangsgeschwindigkeit U der Schleifradwelle 131 wird zum Beispiel beruhend auf einer Gestaltungsstandardspezifikationsgeschwindigkeit für die Schleifradwelle 131, einer geschätzten häufig verwendeten Rotationsgeschwindigkeit und Durchschnittsgeschwindigkeit, einer auf maschinellen Bearbeitungsbedingungen basierenden Spezifikationsgeschwindigkeit und dergleichen eingestellt. Die Größe des zweiten Lagerspiels H wird derart eingestellt, dass für eine Strömung der Schmierlösung R, die stattfindet, wenn die Schleifradwelle 131 drehbar getragen wird, Re < 2000 gilt. Die Schmierlösung R, die durch das zweite Lagerspiel H strömt, wenn die Schleifradwelle 131 drehbar getragen wird, bildet eine laminare Strömung entlang der Rotationsrichtung der Schleifradwelle 131 aus. Ein Teil der laminaren Strömung der Schmierlösung R wird von der Kante 28 der Tasche 24 blockiert und bewegt sich über den stromabwärtigen Nutabschnitt 46 und die Seitennutabschnitte 42 zum stromaufwärtigen Nutabschnitt 44 mit dem Kanal 16. Somit strömt die durch die Seitennutabschnitte 42 strömende Schmierlösung R in einer Richtung entgegengesetzt zur Rotationsrichtung der Schleifradwelle 131.
Wie in den 9 und 10 dargestellt ist, unterliegt in dieser Hinsicht die Schmierlösung R in einer herkömmlichen Tasche 224, die nicht den Stegabschnitt 30 hat, aufgrund der Rotation einer Schleifradwelle 231 einer Strömung, die daraus resultiert, was Mitführung in der Tasche 224 genannt wird. Die Schmierlösung R bildet in der Rotationsrichtung der Schleifradwelle 231 eine Strömung und in einer Richtung entgegengesetzt zur Rotationsrichtung der Schleifradwelle 231 eine Strömung, die nahe am Bodenabschnitt 226 der Tasche 224 auftritt, aus. Dementsprechend kann in der hydrostatischen Lagervorrichtung nahe der Oberfläche der Schleifradwelle 231 ein großer Geschwindigkeitsgradient ausgebildet werden, und aus einem hohen Fluidscherwiderstand kann ein Energieverlust resultieren. In einer Situation, in der die Schmierlösung R in dem Lager eine stark turbulente Strömung mit einer Reynolds-Zahl von 20.000 bis 30.000 ausbildet, wird der Geschwindigkeitsgradient der Strömung der Schmierlösung R durch ∂S/∂K ausgedrückt, wenn die Tiefe der Tasche mit K bezeichnet wird und die Umfangsgeschwindigkeit der Schleifradwelle 231 mit S bezeichnet wird. In dieser Hinsicht wird für den Viskositätskoeffizienten μ der Schmierlösung R eine Scherkraft τ1, die auf die Schleifradwelle 231 ausgeübt wird, durch τ1 = μ × (∂S/∂K) ausgedrückt. Wenn die Öffnungsfläche der Tasche 224 mit A bezeichnet wird, wird ein Energieverlust P1, der der Schleifradwelle 231 durch die Schmierlösung R in der Tasche 224 auferlegt wird, durch P1 = S × τ1 × A ausgedrückt. Da die Umfangsgeschwindigkeit S der Schleifradwelle 231 und die Öffnungsfläche A der Tasche 224 feste Werte haben, trägt die Scherkraft τ1 zum Energieverlust P1 bei. Wenn Änderungen der Temperatur der Schmierlösung R konstant sind, ist der Viskositätskoeffizient μ konstant. Folglich ist der Geschwindigkeitsgradient ∂S/∂K bei τ1 ein Faktor, der zum Energieverlust P1 beiträgt.
In einer Situation, in der die Schmierlösung R im Lager, wie in 6 dargestellt ist, eine laminare Strömung ausbildet, kann der Geschwindigkeitsgradient dagegen durch U/H angenähert werden. Eine Scherkraft τ2, die auf die Schleifradwelle 131 ausgeübt wird, wird durch τ2 = μ × (U/H) ausgedrückt. Wenn die Öffnungsfläche der Tasche 24 mit A bezeichnet wird, wird ein Energieverlust P2, der der Schleifradwelle 131 durch die Schmierlösung R in der Tasche 24 auferlegt wird, durch P2 = U × τ2 × A ausgedrückt. Da die Umfangsgeschwindigkeit U der Schleifradwelle 131 und die Öffnungsfläche A der Tasche 24 feste Werte haben, trägt die Scherkraft τ2 zum Energieverlust P2 bei. Wenn Änderungen der Temperatur der Schmierlösung R konstant sind, ist der Viskositätskoeffizient μ konstant. Folglich ist τ2 ein Faktor, der dazu führt, dass das H des Geschwindigkeitsgradienten U/H zum Energieverlust P2 beiträgt.
Somit werden für den hydrostatischen Abschnitt 18 in diesem Ausführungsbeispiel die Stegabschnitte 30 eingesetzt, um eine laminare Strömung nahe der Oberfläche der Schleifradwelle 131 hervorzurufen, während, wie in den 6 und 7 dargestellt ist, die laminare Strömung in die Strömung in der Rotationsrichtung der Schleifradwelle 131 und die Strömung durch die Seitennutabschnitte 42 in der Tasche 24 in der Richtung entgegengesetzt zur Rotationsrichtung der Schleifradwelle 131 getrennt wird, damit verhindert wird, dass die Strömungen einander beeinträchtigen. Die Größe des zweiten Lagerspiels H zwischen der Stirnfläche 32 jedes Stegabschnitts 30 und der Oberfläche der Schleifradwelle 131 wird in dem Ausmaß, dass die laminare Strömung aufrecht erhalten werden kann, auf einen Maximalwert eingestellt. Aufgrund dieser Gestaltung des Stegabschnitts 30 hat das Lagerspiel 20 in dem hydrostatischen Abschnitt 18 das erste Lagerspiel C zwischen der Oberfläche der Schleifradwelle 131 und dem Lageroberflächenabschnitt 22 und das zweite Lagerspiel H zwischen der Oberfläche der Schleifradwelle 131 und dem Stegabschnitt 30. Die Größe des zweiten Lagerspiels H wird so eingestellt, dass sie größer als die Größe des ersten Lagerspiels C ist. Deswegen bildet die Schmierlösung R, die bei drehbar getragener Schleifradwelle 131 durch das zweite Lagerspiel H strömt, eine laminare Strömung entlang der Rotationsrichtung der Schleifradwelle 131. Die Schmierlösung R in den Seitennutabschnitten 42 in der Tasche 24 strömt in der Richtung entgegengesetzt zur Rotationsrichtung der Schleifradwelle 131, während nachteilige Wirkungen auf die laminare Strömung durch das zweite Lagerspiel H unterdrückt werden, um dann zum Kanal 16 zurückzukehren. Wie in 8 dargestellt ist, war daher der Energieverbrauch ungeachtet dessen, ob Wasser, eine Wasserlösung oder niedrigviskoses Mineralöl als die Schmierlösung R verwendet wurde, geringer.
In der hydrostatischen Lagervorrichtung in dem Ausführungsbeispiel hat der hydrostatische Abschnitt 18 die Stegabschnitte 30, die jeweils wie oben beschrieben vom Bodenabschnitt der entsprechenden Tasche 24 zur Oberfläche der Schleifradwelle 181 hin vorstehen und die die Stirnfläche 32, die der Oberfläche der Schleifradwelle 131 zugewandt ist, und den Nutabschnitt 40, der zwischen dem Stegabschnitt 30 und der Kante 28 der Tasche 24 liegt, haben. Der Nutabschnitt 40 hat die Seitennutabschnitte 42, die so auf beiden Seiten des Stegabschnitts 30 liegen, dass sie in der Umfangsrichtung verlaufen, den stromaufwärtigen Nutabschnitt 44, der in der Rotationsrichtung der Schleifradwelle 131 stromaufwärts positioniert ist, und den stromabwärtigen Nutabschnitt 46, der in der Rotationsrichtung stromabwärts positioniert ist. Der Nutabschnitt 40 hat außerdem den Kanal 16 (Versorgungweg), der mit dem stromaufwärtigen Nutabschnitt 44 kommuniziert, um den hydrostatischen Abschnitt 18 mit der Schmierlösung R zu versorgen. Folglich strömt die Schmierlösung R in der Rotationsrichtung der Schleifradwelle 131 über die Stirnfläche 32 und in den Seitennutabschnitten 42 in der Richtung entgegengesetzt zur Rotationsrichtung der Schleifradwelle 131. Dies macht es weniger wahrscheinlich, dass die Strömung über die Stirnfläche 32 und die Strömung in den Seitennutabschnitten 42 einander beeinträchtigen. Somit wird eine mögliche Erhöhung des Geschwindigkeitsgradienten des Fluids in den Taschen 24 in der hydrostatischen Lagervorrichtung unterdrückt, was eine Verringerung des Energieverlusts ermöglicht. Wenn die Dichte der Schmierlösung R mit ρ bezeichnet wird, der Viskositätskoeffizient der Schmierlösung R mit μ bezeichnet wird, die Umfangsgeschwindigkeit der Schleifradwelle 131 mit U bezeichnet wird und die Größe des zweiten Lagerspiels mit H bezeichnet wird, wird die Reynolds-Zahl für das zweite Lagerspiel H durch Re = ρUH/μ ausgedrückt, und für die Strömung der Schmierlösung R, die durch das zweite Lagerspiel H hindurch stattfindet, wenn die Schleifradwelle 131 drehbar getragen wird, gilt Re < 2000. Das heißt, dass in Verbindung mit der Strömung der Schmierlösung R durch das zweite Lagerspiel H weniger wahrscheinlich ein hoher Fluidscherwiderstand auftritt, was erlaubt, den Energieverlust zu unterdrücken.
Die Schmierlösung R ist geeigneter Weise Wasser oder eine Wasserlösung, in der 90% oder mehr ihrer Zusammensetzung Wasser ist, oder niedrigviskoses Mineralöl.
Die Schierlösung R, die durch das zweite Lagerspiel H strömt, wenn die Schleifradwelle 131 drehbar betragen wird, bildet entlang der Rotationsrichtung der Schleifradwelle 131 eine laminare Strömung aus, und ein Teil der laminaren Strömung der Schmierlösung R bewegt sich über den stromaufwärtigen Nutabschnitt 44 und die Seitennutabschnitte 42 zum stromaufwärtigen Nutabschnitt 44 mit dem Versorgungsweg. Folglich trennt der Stegabschnitt 30 die laminare Strömung durch das zweite Lagerspiel H von der Strömung in den Seitennutabschnitten 42 in der Richtung entgegengesetzt zur Rotationsrichtung. Dies macht es weniger wahrscheinlich, dass die laminare Strömung und die Strömung in der Richtung entgegengesetzt zur Rotationsrichtung einander beeinträchtigen. Daher wird eine mögliche Erhöhung des Geschwindigkeitsgradienten des Fluids in der Tasche 24 unterdrückt, was eine weitere Verringerung des Energieverlusts ermöglicht.
Die wie oben beschrieben gestaltete hydrostatische Lagervorrichtung wird geeigneter Weise für eine Werkzeugmaschinen-Hauptspindelvorrichtung verwendet, die in einer Werkzeugmaschine eine Werkzeugmaschinen-Hauptspindel derart trägt, dass die Werkzeugmaschinen-Hauptspindel drehbar ist.
Es ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben worden. Allerdings sind die hydrostatische Lagervorrichtung und die Werkzeugmaschinen-Hauptspindelvorrichtung mit der hydrostatischen Lagervorrichtung nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt und können in verschiedenen Formen realisiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2001-304260 A [0002]

Claims

Hydrostatische Lagervorrichtung mit: einer rotierenden Welle; und einem Lagermetall mit einem hydrostatischen Abschnitt, der der rotierenden Welle erlaubt, drehbar getragen zu werden, wobei der hydrostatische Abschnitt ein Lagerspiel, das zwischen einer Oberfläche der rotierenden Welle und dem Lagermetall liegt und mit einer Schmierlösung gefüllt ist, einen Lageroberflächenabschnitt, der der Oberfläche der rotierenden Welle zugewandt ist, eine Vielzahl von Taschen, die in einer Umfangsrichtung des Lageroberflächenabschnitts nebeneinander liegend im Lageroberflächenabschnitt vertieft sind, und Stegabschnitte hat, die jeweils von einem Bodenabschnitt einer entsprechenden Tasche zur Oberfläche der Lagerwelle hin vorstehen und die eine Stirnfläche, die der Oberfläche der rotierenden Welle zugewandt ist, und einen Nutabschnitt haben, der zwischen dem Stegabschnitt und einer Kante der Tasche liegt, der Nutabschnitt Seitennutabschnitte, die so auf beiden Seiten jedes Stegabschnitts liegen, dass sie in der Umfangsrichtung verlaufen, einen stromaufwärtigen Nutabschnitt, der in einer Rotationsrichtung der rotierenden Welle stromaufwärts positioniert ist, und einen stromabwärtigen Nutabschnitt hat, der in der Rotationsrichtung stromabwärts positioniert ist, der Nutabschnitt einen Versorgungsweg hat, der mit dem stromaufwärtigen Nutabschnitt kommuniziert, um den hydrostatischen Abschnitt mit der Schmierlösung zu versorgen, das Lagerspiel ein erstes Lagerspiel zwischen der Oberfläche der rotierenden Welle und dem Lageroberflächenabschnitt und ein zweites Lagerspiel zwischen der Oberfläche der rotierenden Welle und der Stirnfläche hat, die Größe des zweiten Lagerspiels so gestaltet ist, dass sie größer als die Größe des ersten Lagerspiels ist, wenn eine Dichte der Schmierlösung mit ρ bezeichnet wird, ein Viskositätskoeffizient der Schmierlösung mit μ bezeichnet wird, eine Umfangsgeschwindigkeit der rotierenden Welle mit U bezeichnet wird und die Größe des zweiten Lagerspiels mit H bezeichnet wird, eine Reynolds-Zahl für das zweite Lagerspiel durch Re = ρUH/μ ausgedrückt wird und für eine Strömung der Schmierlösung, die durch das zweite Lagerspiel hindurch stattfindet, wenn die rotierende Welle drehbar getragen wird, Re < 2000 gilt.
Hydrostatische Lagervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Schmierlösung Wasser oder eine Wasserlösung, in der 90% oder mehr ihrer Zusammensetzung Wasser ist, oder niedrigviskoses Mineralöl ist.
Hydrostatische Lagervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Schmierlösung, die durch das zweite Lagerspiel strömt, wenn die rotierende Welle drehbar getragen wird, eine laminare Strömung entlang der Rotationsrichtung der rotierenden Welle ausbildet und sich ein Teil der laminaren Strömung der Schmierlösung über die Seitennutabschnitte zum stromaufwärtigen Nutabschnitt mit dem Versorgungsweg bewegt.
Hydrostatische Lagervorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Schmierlösung, die durch das zweite Lagerspiel strömt, wenn die rotierende Welle drehbar getragen wird, eine laminare Strömung entlang der Rotationsrichtung der rotierenden Welle ausbildet und sich ein Teil der laminaren Strömung der Schmierlösung über die Seitennutabschnitte zum stromaufwärtigen Nutabschnitt mit dem Versorgungsweg bewegt.
Maschinenwerkzeug-Hauptspindelvorrichtung mit der hydrostatischen Lagervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, die in einer Werkzeugmaschine eine Werkzeugmaschinen-Hauptspindel derart trägt, dass die Werkzeugmaschinen-Hauptspindel drehbar ist.