JP2001159421A

JP2001159421A - 転がり軸受装置

Info

Publication number: JP2001159421A
Application number: JP34196099A
Authority: JP
Inventors: Chuichi Sato; 忠一佐藤
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1999-12-01
Filing date: 1999-12-01
Publication date: 2001-06-12

Abstract

(57)【要約】【課題】熱変形に伴う主軸の先端位置の軸方向への熱
変位量を限りなく零に近い量にすることができるととも
に、ラジアル方向の熱変形に起因する軸受焼き付けの発
生の恐れがない転がり軸受装置を提供する。【解決手段】スリーブ２０は、内部にアンギュラ玉軸
受４ａ，４ｂを収容する本体２１と、第１ハウジング部
１ａに一体的に固定されるフランジ２２とを有する。ス
リーブ２０は、回転軸２の熱膨張係数より大きな熱膨張
係数を有する材質から構成されるとともに、本体２１と
第１ハウジング部１ａとが所定の温度範囲内で熱膨張し
た際に本体２１と第１ハウジング部１ａとの間に所定量
以上の隙間が残存するように、本体２１と第１ハウジン
グ部１ａとの間に予め隙間を設けて第１ハウジング部１
ａに組み込まれている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ハウジングに組み
込まれ、主軸が挿通されたスリーブと、スリーブに収容
され、主軸を回転可能に支持する転がり軸受とを備える
転がり軸受装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、工作機械に用いられるスピンドル
として、回転軸を回転駆動するためのモータを内蔵する
いわゆるビルトインスピンドルがある。このビルトイン
スピンドルにおいては、特に、モータの発熱、回転軸の
回転に伴う発熱などが生じるので、転がり軸受に対する
熱対策が施されている。

【０００３】この熱対策が施されているビルトインスピ
ンドルについて図４を参照しながら説明する。図４は従
来のビルトインスピンドルの構成を示す縦断面図であ
る。

【０００４】ビルトインスピンドル４０は、図４に示す
ように、互いに結合されている第１ハウジング部４１
ａ、第２ハウジング部４１ｂおよび第３ハウジング部４
１ｃを含むハウジング部４１と、第２ハウジング部４１
ｂ内に組み込まれ、回転軸４２を駆動する高周波モータ
４３とを備え、高周波モータ４３は、第２ハウジング部
４１ｂに固定されたステータ４３ａと、回転軸４２に固
着されたロータ４３ｂとを有する。

【０００５】第１ハウジング部４１ａの外面は、ジャケ
ット４７で覆われ、第１ハウジング部４１ａとジャケッ
ト４７との間に形成された冷却水循環経路４７ａには、
軸受用冷却水が流される。この冷却水循環経路４７ａに
流された冷却水は、外部に導かれて再び冷却された後に
冷却水循環経路４７ａに戻される。第２ハウジング部４
１ｂはマシン本体のフレーム４６に固定されている。第
２ハウジング部４１ｂには、その内部空間に冷却用エア
ーを供給するためのエアー供給口４８ａと、その内部空
間に供給されたエアーを外部に排気するための排気口４
８ｂとが設けられている。また、ステータ４３ａの外筒
４３ｃとそれに対向する第２ハウジング部４１ｂ内面と
の間には、冷却水循環経路４９が形成されている。

【０００６】回転軸４２の前端部（工具装着側端部）
は、２つのアンギュラ玉軸受４４により、回転軸４２の
後端部は、２つのアンギュラ玉軸受４５によりそれぞれ
支持されている。回転軸４２の前端部を支持する各アン
ギュラ玉軸受４４間には外輪間座４４ａおよび内輪間座
４４ｂが挿入され、各アンギュラ玉軸受４４の外輪は、
第１ハウジング部４１ａに取り付けられた外輪押え５０
により、第１ハウジング部４１ａに固定されている。ま
た各アンギュラ玉軸受４４の内輪は、回転軸４２に嵌合
されているとともに、回転軸４２のねじ部４２ａに螺合
されている内輪固定ナット５１により回転軸４２に固定
されている。

【０００７】第３ハウジング部４１ｃには、スリーブ５
２が回転軸４２の軸方向に滑り移動可能に挿入され、ス
リーブ５２内には回転軸４２の後端部を支持する各アン
ギュラ玉軸受４５が収容されている。各アンギュラ玉軸
受４５間には外輪間座４５ａおよび内輪間座４５ｂが挿
入され、各アンギュラ玉軸受４５の外輪がスリーブ５２
に固定されている。各アンギュラ玉軸受４５の内輪は回
転軸４２に嵌合されているとともに、回転軸４２のねじ
部４２ｂに螺合されている内輪固定ナット５６により回
転軸２に固定されている。スリーブ５２には押当部材５
３が挿入され、この押当部材５３の前端は、一方のアン
ギュラ玉軸受４５の外輪に突き当てられている。押当部
材５３の後端にはフランジ部５３ａが設けられ、フラン
ジ部５３ａはねじ部材（図示せず）によりスリーブ５２
に一体的に結合されている。

【０００８】第３ハウジング部４１ｃと押当部材５３の
フランジ部５３ａとの間には、予圧用コイルバネ５５が
挿入されている。このコイルバネ５５がフランジ部５３
ａを付勢することによって、スリーブ５２が第３ハウジ
ング４１ｃの内面に案内されながら滑り移動し、このス
リーブ５２の移動量に応じた予圧力が各アンギュラ玉軸
受４５に付与される。

【０００９】このように上記ビルトインスピンドル４０
では、第１ハウジング部４１ａのジャケット４７との間
に形成された冷却水循環経路４７ａを用いて軸受用冷却
水を循環させ、ステータ４３ａの外筒４３ｃとそれに対
向する第２ハウジング部４１ｂの内面との間に形成され
た冷却水循環路４９を用いて冷却水を循環させ、また第
２ハウジング部４１ｂ内に冷却用エアーを供給すること
により、モータ４３の発熱、回転軸４２の回転に伴う発
熱による装置全体の温度上昇が抑制される。

【００１０】ここで、基台４６におけるビルトインスピ
ンドル４０の取付基準面をＸとし、この取付基準面Ｘに
取り付けたビルトインスピンドル４０における熱変形を
考えると、取付基準面Ｘに対する回転軸４２の先端（工
具取付面）の熱変形による変位δは、加工精度に直接影
響する重要な因子である。この変位δは、特に、回転軸
４２における取付基準面Ｘからアンギュラ玉軸受４４ま
での部分（長さｌ2）の伸び、および回転軸４２におけ
るアンギュラ玉軸受４４から先端位置までの部分（長さ
ｌ1部分）の伸びにより支配される。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上記ビルトインスピン
ドルにおいては、冷却水循環経路４７ａを循環する軸受
用冷却水による冷却作用により、発熱によるアンギュラ
玉軸受４４の外輪、第１ハウジング部４１ａの温度上昇
を小さく抑制するので、アンギュラ玉軸受４４に対する
熱対策を行うことはできるが、回転軸４２の熱変形に対
する対策は不完全である。具体的には、回転軸４２の長
さｌ2部分の伸びは抑えられるが、長さｌ1部分の伸びを
抑えることができない。その結果、回転軸４２の先端
（工具取付面）が熱変形により変位し、この変位が加工
精度に大きな影響を与えることになる。

【００１２】このような回転軸４２の先端（工具取付
面）の熱変形による変位に対応するために、熱変形によ
る回転軸４２の伸びを補正して加工精度の低下を抑制す
る方法が提案されている。この方法について図５を参照
しながら説明する。図５は図４のビイルトインスピンド
ルに組み込まれたアンギュラ玉軸受の熱変形時における
外輪と内輪との相対位置関係を示す図である。

【００１３】この方法では、図５に示すように、アンギ
ュラ玉軸受４４の外輪６１を基準として内輪６２の位置
変位を考える。アンギュラ玉軸受４４の内輪６２の熱膨
張により軸受隙間が減少した際の内輪６２の位置変位量
をδ1とし、内輪６２および回転軸４２の伸びによる回
転軸４２における長さｌ部分の変位量をδ2とし、回転
軸４２の先端位置の変位量をδとすると、この変位量δ
は次の（１）式により表される。

【００１４】 δ＝δ1＋δ2 …（１）ここで、内輪６２の位置変位量δ1は、アンギュラ玉軸
受４４の内輪６２の熱膨張により軸受隙間が減少した際
に接触角αがα'に変化することにより発生する変位量
であり、このときの外輪６１の熱変形はないもとしてい
る。

【００１５】そして、コンピュータ解析により、上記内
輪６２の位置変化量δ1および回転軸４２における長さ
ｌ部分の変化量δ2を求め、上記（１）に従い求めた各
変化量δ1，δ2から回転軸４２の先端位置の変化量δを
算出し、この変化量δを工具先端位置決め駆動制御によ
り補正する。これにより、回転軸４２の先端の位置決め
を高精度で行うことが可能であることが報告されてい
る。なお、実際には、上記各変位量δ1，δ2の算出は、
温度分布、遠心力による接触角αの変化（回転数の違
い）などの種々の条件を考慮して解析されるが、本説明
では、簡単化している。

【００１６】しかしながら、熱による変形は履歴現象で
あり、且つ時間遅れを伴うものであるので、回転軸４２
の回転数を頻繁に変化させ、且つ回転、停止の繰返し伴
う回転軸４２の立ち上がり動作、立ち下がり動作を短時
間で行う運転を要求される場合には、変位量δ1，δ2の
解析において熱変形の履歴現象を正しく組み入れて回転
軸４２の変位量δを算出することは難しい。即ち、回転
軸４２の先端位置の変位量δの補正を時間遅れなしに行
うことは非常に難しい。その結果、変位量δに対する補
正が、加工精度の低下を抑制することにならない場合が
ある。

【００１７】次に、ラジアル方向の熱変形を考えると、
上記冷却構造では、冷却水循環経路４７ａを循環する軸
受用冷却水による冷却作用により第１ハウジング部４１
ａの熱膨張が非常に小さく抑制され、また、第１ハウジ
ング部４１ａとアンギュラ玉軸受４４の外輪と間の隙間
量が小さいことにより、アンギュラ玉軸受４４の外輪の
熱膨張は第１ハウジング部４１ａにより規制される。し
かしながら、冷却水循環経路４７ａを循環する軸受用冷
却水による冷却作用がアンギュラ玉軸受４４の内輪に十
分に与えられず、その結果、アンギュラ玉軸受４４の内
輪の熱膨張量が外輪の熱膨張量より大きくなってアンギ
ュラ玉軸受４４の隙間が減少し、この隙間がマイナス側
になる恐れがあり、ひいては焼き付けを起こすことがあ
る。また、同様に、上記の補正方法では、接触角αが
α'に変化することにより発生する内輪６２の位置変化
量δ1を算出するが、軸受の焼き付けの原因になるラジ
アル方向の変位量に対する補正を考慮していないので、
ラジアル方向の変位に起因する軸受の焼き付けの発生を
未然に防止することはできない。

【００１８】本発明は、上述の問題点に鑑みてなされた
ものであり、その目的は、熱変形に伴う主軸の先端位置
の軸方向への熱変位量を限りなく零に近い量にすること
ができるとともに、ラジアル方向の熱変形に起因する軸
受焼き付けの発生の恐れがない転がり軸受装置を提供す
ることにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明は、主軸と、ハウ
ジングと、前記ハウジングに組み込まれ、前記主軸が挿
通されたスリーブと、前記スリーブに収容され、前記主
軸を回転可能に支持する転がり軸受とを備える転がり軸
受装置において、前記スリーブは、内部に前記転がり軸
受を収容する筒状の本体と、前記本体の外面から立ち上
がり、前記ハウジングに一体的に固定されるフランジと
を有し、前記スリーブは、前記主軸の熱膨張係数より大
きな熱膨張係数を有する材質から構成されるとともに、
前記本体と前記ハウジングとが所定の温度範囲内で熱膨
張した際に前記本体と前記ハウジングとの間に所定量以
上の隙間が残存するように、前記本体と前記ハウジング
との間に予め隙間を設けて前記ハウジングに組み込まれ
ていることを特徴とする。

【００２０】本発明では、スリーブが、内部に転がり軸
受を収容する筒状の本体と、本体の外面から立ち上が
り、ハウジングに一体的に固定されるフランジとを有
し、スリーブは、主軸の熱膨張係数より大きな熱膨張係
数を有する材質から構成されるとともに、本体とハウジ
ングとが所定の温度範囲内で熱膨張した際に本体とハウ
ジングとの間に所定量以上の隙間が残存するように、本
体とハウジングとの間に予め隙間を設けて前記ハウジン
グに組み込まれている主軸の熱膨張係数より大きな熱膨
張係数を有する材質から構成されるので、熱変形に伴う
主軸の先端位置の軸方向への熱変位量を限りなく零に近
い量にすることができるとともに、ラジアル方向の熱変
形に起因する軸受焼き付けの発生の恐れがない。

【００２１】主軸が鋳鉄、鋼などの材質から構成されて
いる場合、主軸の熱膨張係数より大きな熱膨張係数を有
する材質としては、ステンレス、黄銅、アルミ合金など
があり、これらの材質でスリーブを構成することが可能
である。主軸の回転に伴い転がり軸受などから熱が発生
すると、主軸およびスリーブは熱変形する。主軸の先端
は、スリーブのフランジのハウジングへの取付位置を基
準として軸方向へハウジング外方に向けて伸びる。スリ
ーブにおいては、そのフランジがハウジングに固定され
ているので、例えば本体をフランジの取付位置からハウ
ジング内方に向かう筒状に構成することによって、フラ
ンジの取付位置を基準として本体が軸方向へハウジング
内方に向けて伸びるように規制することが可能である。
また、スリーブの熱膨張係数は主軸の熱膨張係数より大
きいので、スリーブの本体が軸方向へハウジング内方に
向けて伸びる量を上記主軸先端の軸方向への伸び量と等
しくなるように調整することが可能である。これによ
り、主軸先端の軸方向への伸びに伴う主軸の先端位置の
変位量を限りなく零に近づけることが可能になる。

【００２２】また、スリーブは、スリーブとハウジング
とが所定の温度範囲内で熱膨張した際に本体とハウジン
グとの間に所定量以上の隙間が残存するように本体とハ
ウジングとの間に予め隙間を設けてハウジングに組み込
まれているので、スリーブのラジアル方向への熱変形は
ハウジングにより規制されず、スリーブ内の転がり軸受
における軸受隙間が軸受焼付けを起こすほどに減少する
ことが回避される。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しながら説明する。

【００２４】図１は本発明に係る転がり軸受装置の実施
の一形態における主要部構成を示す縦断面図、図２は図
１の転がり軸受装置に設けられている回転軸前端部側の
スリーブを示す図、図３は図１の転がり軸受装置に設け
られている回転軸後端部側のスリーブを示す斜視図であ
る。本実施の形態では、内面研削盤用ビルトインスピン
ドルを例にして説明する。

【００２５】内面研削盤用スピンドルは、図１に示すよ
うに、互いに結合されている第１ハウジング部１ａ、第
２ハウジング部１ｂおよび第３ハウジング部１ｃを含
み、回転軸２を駆動する高周波モータ３を内蔵するハウ
ジング１を備え、ハウジング１は、マシン本体のフレー
ム１０に組み込まれている。

【００２６】第１ハウジング部１ａはマシン本体のフレ
ーム１０に固定されている。第１ハウジング部１ａには
スリーブ２０が組み込まれ、スリーブ２０には、回転軸
２の前端部（工具装着側端部）を支持する２つのアンギ
ュラ玉軸受４ａ，４ｂが収容されている。このスリーブ
２０は、回転軸２の熱膨張係数より大きい熱膨張係数を
有する材質から構成されている。このスリーブ２０の材
質の選定については後述する。スリーブ２０は、図２
（ａ）および（ｂ）に示すように、回転軸２が挿通され
ている円筒状の本体２１と、本体２１の外周面に一体的
に連なる円環状のフランジ２２とを有する。フランジ２
２には、複数のボルト受入穴２２ａおよび放電ワイヤ加
工による平行ばね機構２３がそれぞれ形成されている。

【００２７】平行ばね機構２３は、スリーブ２０の軸方
向と直交する面に形成されている複数の溝２３ａ〜２３
ｈからなる。平行ばね機構２３におけるばね定数ｋ２
１、ばね部位置（各溝２３ａ〜２３ｈの相対位置および
長さ）、各溝２３ａ〜２３ｈにおける連結点の穴径ｄ、
ヒンジ部の距離Δ（隣り合う溝２３ａ〜２３ｈの連結点
間の距離）などの各諸元は、有限要素法により決定され
る。具体的には、スリーブ２０にアンギュラ玉軸受４
ａ，４ｂが収容されている場合、ラジアル方向の剛性を
アンギュラ玉軸受４ａ，４ｂのラジアル剛性以上の値、
好ましくは１．５〜２倍程度の値になるように平行ばね
機構２３の各諸元が設定される。よって、この平行ばね
機構２３により、フランジ２２にスリーブ２０のアラジ
アル方向へのばね作用を持たせることが可能になり、フ
ランジ２２のスリーブ２０のラジアル方向への静剛性の
みを小さくすることができる。また、スリーブ２０に円
筒ころ軸受が収容されている場合、ラジアル方向の剛性
のみが円筒ころ軸受のラジアル剛性以下、好ましくは１
／３〜１／２倍程度の値になるように平行ばね機構２３
の各諸元が設定される。この平行ばね機構に関する技術
的事項は、１９９６年度砥粒加工学会学術講演会講演論
文集、「Ｂ８大型数値制御超精密研削加工機の直線送り
装置」に記載されている。

【００２８】スリーブ２０は、図１に示すように、第１
ハウジング部１ａ内に挿入され、ボルト受入穴２２ａ
（図２（ａ）に示す）に挿入されたボルト（図示せず）
により第１ハウジング部１ａに固定されている。スリー
ブ２０の本体２１の外径および長さは、本体２１の端面
（第１ハウジング部１ａの内方側端面）を含む外面と第
１ハウジング部１ａの内面との間に隙間Ｓ１が形成され
るように第１ハウジング部１ａの内径および長さに対し
て設定される。隙間Ｓ１は、第１ハウジング部１ａとス
リーブ２０との間に挿入された複数のＯリング５により
外部からシールされ、この隙間Ｓ１には、第１ハウジン
グ部１ａに設けられた油供給路１ｄを介して供給された
所定粘度の油が充填される。この隙間Ｓ１の隙間量は、
有限要素法などを用いて、スリーブ２０と第１ハウジン
グ部１ａとが所定の温度範囲内で熱膨張した際に本体２
１と第１ハウジング部１ａとの間に所定量以上の隙間が
残存するように、また平行ばね機構２３のばね定数など
を考慮して所定の減衰係数が得られるように決定され
る。例えば、隙間Ｓ１の隙間量は１００〜１５０μｍの
範囲の値に設定される。

【００２９】アンギュラ玉軸受４ａ，４ｂにおいては、
その外輪がスリーブ２０の本体２１に嵌合され、内輪が
回転軸２に嵌合されている。また、各アンギュラ玉軸受
４ａ，４ｂ間には外輪間座６ａおよび内輪間座６ｂが挿
入されている。アンギュラ玉軸受４ａの内輪は、回転軸
２のねじ部２ａに螺合されている内輪固定ナット７によ
り回転軸２に固定され、これにより、アンギュラ玉軸受
４ｂの内輪も同様に回転軸２に固定されることになる。
アンギュラ玉軸受４ａの外輪は、スリーブ２０に挿入固
定された外輪押え８により本体２１の内面に固定され、
これにより、アンギュラ玉軸受４ｂの外輪も同様に本体
２１の内面に固定されることになる。

【００３０】スリーブ２０には、カバー部材９が取り付
けられ、このカバー部材９により、スリーブ２０の平行
ばね機構２３の形成面が覆われる。

【００３１】第２ハウジング部１ｂ内には、モータ３が
組み込まれている。モータ３は、回転軸２に固定されて
いるロータ３ａと、ロータ３ａの周囲に配置され、第２
ハウジング部１ｂに取り付けられているステータ３ｂと
を有する。第２ハウジング部１ｂとステータ３ｂの外筒
３ｃとの間には冷却水循環経路１１が設けられ、この冷
却水循環経路１１には、冷却水が流される。この冷却水
循環経路１１に流された冷却水は、外部に導かれて再び
冷却された後に冷却水循環経路１１に戻される。第２ハ
ウジング部１ｂには、第１ハウジング部１ａに設けられ
た冷却媒体供給口１２ａから冷却媒体（水素）が供給さ
れ、この供給された冷却媒体は、第３ハウジング部１ｃ
に設けられた冷却媒体排気口１２ｂを介して外部の冷却
媒体タンク側に戻される。本実施の形態では、この冷却
媒体として水素を用いていることにより、従来の冷却エ
アーを用いている場合に比して、モータ３の鉄損、風損
による発熱に対する冷却効率を高めることができる。

【００３２】第３ハウジング部１ｃにはスリーブ３０が
挿入され、スリーブ３０には、回転軸２の後端部を支持
する２つのアンギュラ玉軸受４ｃ，４ｄが収容されてい
る。スリーブ３０は、回転軸２が挿通されている円筒状
の本体３１と、本体３１の外周面から垂直に立ち上がる
フランジ３２とを有する。

【００３３】スリーブ３０の本体３１の端面には、図３
に示すように、後述する外輪押え１７を固定するための
ボルト（図示せず）を受け入れるための複数のねじ穴３
１ｃが形成されている。フランジ３２は、本体３１の外
周面に一体的に連なりかつ該外周面から垂直に立ち上が
る４つの柱状部３３と、各柱状部３３をそれぞれ一体的
に繋ぐように形成されたリング状の連結部３４とから構
成される。各柱状部３３は、本体３１の外周面に沿って
等間隔に配列されている。各柱状部３３には、ボルト受
入穴３３ａおよび放電ワイヤ加工による平行ばね機構３
５がそれぞれ形成されている。平行ばね機構３５は、柱
状部３３におけるスリーブ３０の軸方向と直交する面に
形成されたＺ状の溝３５ａと、柱状部２３のスリーブ２
０の軸方向と直交する面に、溝３５ａにおける始点、終
点を含む各連結点に対向して直線状に伸びるように形成
された４つの溝３５ｂとを有する。平行ばね機構３５に
おけるばね定数ｋ２２、ばね部位置（溝３５ａ，３５ｂ
の位置）、溝３５ａの上記各連結点の穴径ｄ、ヒンジ部
の距離Δ（溝３５ａの上記各連結点と対応する溝３５ｂ
との間の距離）などの各諸元は、有限要素法により決定
される。具体的には、各アンギュラ玉軸受４ｃ，４ｄに
正規の予圧力を付与するために、スリーブ３０のラジア
ル、軸回転方向の静剛性が所定の値を満足することを条
件に軸方向の静剛性のみが小さくなるように平行ばね機
構３５の各諸元が設定される。よって、この平行ばね機
構３５により、フランジ３２にスリーブ３０の軸方向へ
のばね作用を持たせることが可能になり、スリーブ３０
の軸方向への静剛性のみを小さくすることができる。

【００３４】また、フランジ３２の連結部３４には、各
アンギュラ玉軸受４ｃ，４ｄへ潤滑油を供給するための
複数の供給口３４ａ，３４ｂが形成され、同様に本体３
１に各アンギュラ玉軸受４ｃ，４ｄへの潤滑油の供給口
３１ａ，３１ｂが形成されている。供給口３４ａと供給
口３１ａおよび供給口３４ｂと供給口３１ｂは、流体論
理回路素子用パイプなどの柔軟性を有するパイプ３６
ａ，３６ｂ（図中の二点鎖線で示す）を介して接続さ
れ、各供給口３４ａ，３４ｂは、第３ハウジング部１ｃ
内の潤滑油供給路（図示せず）に連通する。各供給口３
１ａ，３１ｂはパイプ３６ａ，３６ｂを介して供給され
た潤滑油をアンギュラ玉軸受４ｃ，４ｄに導く。

【００３５】スリーブ３０は、図１に示すように、第３
ハウジング部１ｃ内に挿入され、ボルト受入孔３３ａに
挿入されたボルト１３により第３ハウジング部１ｃに固
定されている。スリーブ３０は、その本体３１の一方の
端面側部位（ハウジング１の内方側）とハウジング１の
内周面との間に所定隙間量を有する隙間Ｓ２が形成され
るように第３ハウジング部１ｃ内に挿入されている。こ
の隙間Ｓ２は、スリーブ３０の本体３１と第３ハウジン
グ部１ｃとの間に挿入された複数のＯリング１４により
外部に対してシールされている。隙間Ｓ２には、第３ハ
ウジング部１ｃに形成された油供給路１ｅを介して作動
油が供給され、この隙間Ｓ２に供給される作動油によ
り、アンギュラ玉軸受４ｃ，４ｄに対して軸方向への予
圧が付与される。このアンギュラ玉軸受４ｃ，４ｄに対
する予圧は、隙間Ｓ２に供給する作動油の圧力を制御す
ることにより可変することが可能である。

【００３６】アンギュラ玉軸受４ｃ，４ｄにおいては、
その外輪がスリーブ３０の本体３１に嵌合され、内輪が
回転軸２に嵌合されている。また、各アンギュラ玉軸受
４ｃ，４ｄ間には外輪間座１５ａおよび内輪間座１５ｂ
が挿入されている。アンギュラ玉軸受４ｃの内輪は、回
転軸２のねじ部２ｂに螺合されている内輪固定ナット１
６により回転軸２に固定され、これにより、アンギュラ
玉軸受４ｄの内輪も同様に回転軸２に固定されることに
なる。アンギュラ玉軸受４ｃの外輪は、スリーブ３０に
取り付けられた外輪押え１７によりスリーブ３０の内面
に固定され、これにより、アンギュラ玉軸受４ｄの外輪
も同様にスリーブ３０の内面に固定されることになる。
ここで、外輪押え１７はスリーブ３０の各ねじ穴３１ｃ
（図３に示す）に螺合されたボルト（図示せず）により
スリーブ３０に固定されている。

【００３７】第３ハウジング部１ｃの端面には、リング
状のダンパ盤１８がスリーブ３０のフランジ３２と対向
するように取り付けられている。ダンパ盤１８とスリー
ブ３０間には、所定の隙間量を有する隙間Ｓ３が形成さ
れ、この隙間Ｓ３の一部Ｓ３１は、ダンパ盤１８とスリ
ーブ３０との間に挿入された複数のＯリング１９により
外部に対してシールされている。隙間Ｓ３１には、ダン
パ盤１８に形成された油供給路１８ａを介して供給され
た所定粘度の油が充填されている。この隙間Ｓ３１に充
填された油により、スリーブ３０と第３ハウジング部１
ｃとの間にダンピング作用が付与されることになる。こ
の隙間Ｓ３１における油圧は、アンギュラ玉軸受４ｃ，
４ｄに付与される予圧に影響を与えない程度の低圧力に
設定される。

【００３８】予圧を各アンギュラ玉軸受４ｃ，４ｄに付
与する際には、加工状態に応じた圧力の作動油が隙間Ｓ
２に供給され、スリーブ３０には作動油の圧力が掛る。
このとき、スリーブ３０は、フランジ３２の固定部位
（ボルト１３により第３ハウジング部１ｃに固定されて
いる部位）を中心とし、平行ばね機構３５により軸方向
に回転軸２の後端側に向けて弾性変形する。このスリー
ブ３０の軸方向の弾性変形量は、作動油の圧力に応じた
値である。この弾性変形に伴い各アンギュラ玉軸受４
ｃ，４ｄの外輪には、作動油の圧力に応じた軸方向への
予圧力が付与されることになる。よって、隙間Ｓ２に供
給される作動油の圧力を制御することにより、予圧を、
回転軸２の規定回転数への立ち上がり時または立ち下が
り時に対応する大きさの予圧、高速軽切削または低速重
切削時に対応する大きさの予圧にそれぞれ切り換えるこ
とができる。

【００３９】また、スリーブ３０においては、平行ばね
機構３５により軸方向への静剛性のみを小さく設定して
いるので、このスリーブ３０の軸方向への静剛性が小さ
くなった分、隙間Ｓ３１に充填した油によるダンピング
が有効に作用することになる。同様に、スリーブ２０に
おいても、その平行ばね機構２３によりラジアル方向へ
の静剛性のみを小さく設定しているので、このラジアル
方向への静剛性が小さくなった分、隙間Ｓ１のダンピン
グ効果が有効に作用することになる。その結果、加工時
には適正な予圧を安定に保持することができるととも
に、加工時の軸方向の不安定現象例えばびびりなどの発
生をなくすことができる。

【００４０】次に、スリーブ２０の材質の選定について
説明する。本実施の形態においては、熱変形による回転
軸２の先端位置の軸方向変位を零にするために、スリー
ブ２０を回転軸２の熱膨張係数より大きな熱膨張係数を
有する材質から構成する。

【００４１】ここで、図１に示すように、第１ハウジン
グ部１ａのフレーム１０への取付面を基準面Ｘとし、こ
の基準面Ｘに対する回転軸２の先端位置の変位を考え
る。基準面Ｘを基準とし、第１ハウジング部１ａの代表
長さをｌ1、この第１ハウジング部１ａにおける温度上
昇をΔｔ1とし、スリーブ２０の本体２１の代表長さを
ｌ2、本体２１におけ温度上昇をΔｔ2とし、回転軸２の
代表長さをｌ3、この長さｌ3部分における温度上昇をΔ
ｔ3とすると、回転軸２の先端位置の変位δは、次の
（２）式により表される。

【００４２】 δ＝α1Δｔ1ｌ1−α2Δｔ2ｌ2＋α3Δｔ3ｌ3 …（２）ここで、α1は第１ハウジング部１ａの熱膨張係数、α2
はスリーブ２０の熱膨張係数、α3は回転軸２の熱膨張
係数である。

【００４３】上記（２）式から変位δを零にするような
熱膨張係数α2を有するスリーブ２０の材質を選択する
ことによって、回転軸２の先端位置の変位を零にするこ
とが可能である。即ち、スリーブ２０の材質として、第
１ハウジング部１ａおよび回転軸２のそれぞれの熱膨張
係数α1，α3より大きい熱膨張係数α2を有する材質を
選択すればよい。

【００４４】ここで、スリーブ２０と第１ハウジング部
１ａとの間の隙間Ｓ１は、スリーブ２０と第１ハウジン
グ１ａとが所定の温度範囲内で熱膨張した際にスリーブ
２０の本体２１と第１ハウジング部１ａとの間に所定量
以上の隙間量が残存するように設定され、また隙間Ｓ１
には油が充填されているので、回転軸２の発熱に伴う内
輪、外輪の温度上昇は同じであり、接触角の変化はな
い。そして、スリーブ２０の温度上昇は軸受に同じであ
り、また回転軸２の温度上昇も同じ（Δｔ3＝Δｔ2）と
し、第１ハウジング部１ａの温度上昇はない（Δｔ1＝
０）とし、上記（１）式を用いて、変位δ＝０の条件を
満足するスリーブ２０の熱膨張係数α2を求めると、 α2＝｛Δｔ3ｌ3／（Δｔ2ｌ2）｝α3＝（ｌ3／ｌ2）α3 …（３）上記（３）式に、図１に示す各長さをｌ2＝２２ｍｍ、
ｌ3＝４１ｍｍとして代入すると、 α2＝１．９α3 …（４）となる。

【００４５】また、第１ハウジング部１ａ、スリーブ２
０、回転軸２における温度上昇がそれぞれ同じである
（Δｔ1＝Δｔ2＝Δｔ3）とすると、 α2＝（α1ｌ1＋α3ｌ3）／ｌ2 …（５）上記（５）式に、図１に示す各長さをｌ1＝２１ｍｍ、
ｌ2＝２２ｍｍ、ｌ3＝４１ｍｍとして代入すると、 α2＝０．９５α1＋１．９α3 …（６）となる。

【００４６】回転軸２の材質を中炭素鋼とすると、その
熱膨張係数α3は10.7×10^-6（1/K）となる。また、第１
ハウジング部１ａの材質を鋳鉄とすると、その熱膨張係
数α1は11.8×10^-6（1/K）となる。これらの値を上記
（４）式に代入して熱膨張係数α2を求めると、α2＝2
1.3×10^-6（1/K）が得られる。この熱膨張係数α2に近
い熱膨張係数を有する材質として、例えば黄銅（α2＝2
0.8×10^-6（1/K））、ステンレス（α2＝17.3×10^-6（1
/K））を選択することができる。また、上記（６）式か
ら熱膨張係数α2を求めると、α2＝32．5×10^-6（1/K）
が得られる。この熱膨張係数α2に近い熱膨張係数を有
する材質として、例えばアルミ合金（α2＝23.4×10^-6
（1/K））を選択することができる。

【００４７】実際には、上記各式から求めた熱膨張係数
α2に等しい熱膨張係数を有する材質を選択することは
難しく、上記各式から求めた熱膨張係数α2に近い熱膨
張係数を有する材質を選択することになり、この選択し
た材質の熱膨張係数α2を用いて回転軸２の先端位置の
変位δを零にするように、各長さｌ1，ｌ2，ｌ3を再度
決定する必要がある。

【００４８】なお、軸受材質などを考慮してさらに詳細
に解析することによってより適切な熱膨張係数を有する
材質を選択することが可能になる。また、例えば隙間Ｓ
１へ供給する油をその油温（例えば室温）を制御しなが
ら循環させた場合には、第１ハウジング部１ａの温度上
昇Δｔ1を限りなく零に近づけることが可能であるの
で、この場合には、上記（３）式が用いられることにな
り、上記例では、ステンレス（α2＝17.3×10^-6（1/
K））が選択されることになる。

【００４９】このように、本実施の形態によれば、回転
軸２の先端位置の軸方向への変位量を限りなく零に近づ
けることが可能になる。また、スリーブ２０の熱膨張係
数が軸受外輪の熱膨張係数より２倍程度大きいので、ス
リーブの温度上昇が軸受外輪の温度上昇に比して２倍程
度であっても、それぞれのラジアル方向の熱変形量（熱
膨張量）がほぼ同じになり、軸受隙間は小さくならな
い。よって、軸受焼き付けの発生の恐れがない。また、
スリーブ３０については、このラジアル方向の隙間の減
少を考慮して、スリーブ２０と同様の材質にすることが
望ましい。

【００５０】なお、本実施の形態では、回転軸２の後端
部の支持構造としてスリーブ３０を用いた支持構造を採
用しているが、これに代えて図４に示す回転軸４２の後
端部の支持構造を採用してもかまわない。この場合も、
同様に、回転軸２の先端位置の軸方向への変位量を限り
なく零に近づけることが可能になるとともに、ラジアル
方向の熱変形に起因する軸受焼き付けの発生の恐れがな
いという効果を得ることができる。

【００５１】また、本実施の形態では、アンギュラ玉軸
受を用いているが、これに代えて円筒ころ軸受などの他
の転がり軸受を用いることも可能である。

【００５２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
スリーブが、内部に転がり軸受を収容する筒状の本体
と、本体の外面から立ち上がり、ハウジングに一体的に
固定されるフランジとを有し、スリーブは、主軸の熱膨
張係数より大きな熱膨張係数を有する材質から構成され
るとともに、本体とハウジングとが所定の温度範囲内で
熱膨張した際に本体とハウジングとの間に所定量以上の
隙間が残存するように、本体とハウジングとの間に予め
隙間を設けて前記ハウジングに組み込まれている主軸の
熱膨張係数より大きな熱膨張係数を有する材質から構成
されるので、熱変形に伴う主軸の先端位置の軸方向への
熱変位量を限りなく零に近い量にすることができるとと
もに、ラジアル方向の熱変形に起因する軸受焼き付けの
発生の恐れがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る転がり軸受装置の実施の一形態に
おける主要部構成を示す縦断面図である。

【図２】（ａ）は図１の転がり軸受装置に設けられてい
る回転軸前端部側のスリーブを示す正面図、（ｂ）はス
リーブの縦断面図である。

【図３】図１の転がり軸受装置に設けられている回転軸
後端部側のスリーブを示す斜視図である。

【図４】従来のビルトインスピンドルの構成を示す縦断
面図である。

【図５】図４のビイルトインスピンドルに組み込まれた
アンギュラ玉軸受の熱変形時における外輪と内輪との相
対位置関係を示す図である。

【符号の説明】

１ハウジング１ａ第１ハウジング部２回転軸４ａ，４ｂアンギュラ玉軸受２０スリーブ２１本体２２フランジ３３平行ばね機構３３ａ〜３３ｈ溝Ｓ１隙間

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】主軸と、ハウジングと、前記ハウジング
に組み込まれ、前記主軸が挿通されたスリーブと、前記
スリーブに収容され、前記主軸を回転可能に支持する転
がり軸受とを備える転がり軸受装置において、前記スリ
ーブは、内部に前記転がり軸受を収容する筒状の本体
と、前記本体の外面から立ち上がり、前記ハウジングに
一体的に固定されるフランジとを有し、前記スリーブ
は、前記主軸の熱膨張係数より大きな熱膨張係数を有す
る材質から構成されるとともに、前記本体と前記ハウジ
ングとが所定の温度範囲内で熱膨張した際に前記本体と
前記ハウジングとの間に所定量以上の隙間が残存するよ
うに、前記本体と前記ハウジングとの間に予め隙間を設
けて前記ハウジングに組み込まれていることを特徴とす
る転がり軸受装置。