JP2002188650A - 主軸装置 - Google Patents

主軸装置

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JP2002188650A
JP2002188650A JP2001257927A JP2001257927A JP2002188650A JP 2002188650 A JP2002188650 A JP 2002188650A JP 2001257927 A JP2001257927 A JP 2001257927A JP 2001257927 A JP2001257927 A JP 2001257927A JP 2002188650 A JP2002188650 A JP 2002188650A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 配管の設置スペースが狭くなる工作機械等の
主軸装置であっても、微量の潤滑油を正確、且つ、安定
して供給可能な配管構造を有した主軸装置を提供する。 【解決手段】 軸14と、この軸14に内輪内径面が嵌
合した転がり軸受16と、転がり軸受16の外輪と嵌合
したハウジング18,20とを具備し、吐出量が1ショ
ットあたり0.5mm3 〜10mm3 の範囲となる微量
の潤滑油を前記転がり軸受16に向けて間欠的に吐出す
る主軸装置において、潤滑油を供給する配管10を、配
管の長さLとノズル径dn と配管内径dとの関係を表す
配管パラメータ(L・dn 2/d4 )が、5×104-1
より小さくなるように設定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、軸を回転自在に支
承した軸受に微量の潤滑油を間欠的に直接噴射すること
で、軸受の潤滑を行う主軸装置に関するもので、詳しく
は、軸の回転性能や耐久性の向上に不可欠な軸受への潤
滑油の安定供給を実現するための改良に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】工作機械を始めとする各種の産業機械等
で、軸と、この軸に内輪内径面が嵌合した転がり軸受
と、軸受の外輪外径面が嵌合したハウジングと、軸受に
潤滑油を供給するノズルと、ノズルに微量の潤滑油を供
給する微量潤滑装置とを具備した構成の主軸装置が使用
されている。このような主軸装置において、軸の回転性
能や耐久性の向上を図るには、軸受への潤滑油の安定供
給が重要な課題となる。軸受への潤滑油の供給が不安定
であると、軸受内での転がり摩擦が変動して、軸の回転
むらを招く原因となり、また、潤滑不足の場合には、軸
受の焼き付きによって回転不能になる重大な事故を招く
虞があるからである。
【0003】これまで、上記の主軸装置における軸受等
への潤滑用として、磁歪素子を駆動源としたポンプによ
り一定微量の潤滑油をノズルを介して軸受に直接噴射す
る技術が、特開2000−110711号公報に開示さ
れている。また、微少量の潤滑油を高圧の吐出力を以て
周期的に吐出する技術が特開2000−74076号公
報に開示されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記の従来
の潤滑技術は、主にポンプ機能の高性能化によって、潤
滑油供給の安定化を図るもので、実際に工作機械の主軸
等に応用すると、本来の潤滑性能を得ることが困難にな
る場合が少なくない。それは、潤滑油の供給の安定性に
は、ポンプの性能だけでなく、潤滑油の噴射口に使用す
るノズル径や、ポンプからノズルまでの配管の長さや、
配管の内径等も大きくかかわっていて、例えば、主軸装
置の軸の周囲に確保できる設置スペース等の制限から、
例えば不用意にノズル径や配管内径を選択すると、これ
らのノズルや配管が、ポンプの性能を低下させる要因と
なって、本来の潤滑油供給ができなくなってしまうから
である。
【0005】また、工作機械の主軸装置では、軸受を支
持するハウジングを、軸受の外輪外径面が嵌合する内側
ハウジングと、この内側ハウジング及び軸の外側を覆う
外側ハウジングとで構成し、運転時の熱変位対策とし
て、外側ハウジングに冷却油を流すジャケット構造のも
のがある。このようなハウジングがジャケット構造の主
軸装置では、限られたスペース内で、冷却油を流すため
の冷却油循環路と、軸受を潤滑するための配管やノズル
を設置しなければならないため、設置スペースによる制
限が更に厳しくなり、潤滑油の安定供給をポンプ性能の
高性能化に頼った従来の潤滑技術では、潤滑油用の配管
の無理な屈曲や小径化による潤滑性能の低下が生じ易
い。
【0006】また、微量の潤滑油を噴射供給する潤滑技
術では、配管や配管とノズルとの間の継手部等が熱膨張
や圧力等で変形すると、配管内を送る潤滑油の速度や圧
力を、適度の高速・高圧に維持することができずに、ノ
ズルからの噴射が圧力変動によって乱れて潤滑不良を招
く虞がある。従って、配管内を送る潤滑油に圧力変動が
生じないように、配管の熱膨張や圧力による変形を配慮
しておくことも重要となり、その点でも、ポンプ機能の
高性能化によって潤滑油供給の安定化を図る従来の潤滑
技術では、本来の供給安定性を得ることが難しい。
【0007】図18は、空気流に潤滑油粒を混入させて
転がり軸受に噴射することで転がり軸受の潤滑を行うオ
イルエア方式の潤滑技術を利用した従来の主軸装置を示
している。この主軸装置では、図19(a)にハウジン
グ端面同士の接続の様子を示すように、ハウジングに設
けられた油流路としての管路102は、ハウジング端面
に設けたOリング104によってシールされる。また、
図19(b)にノズルこま106とハウジングの管路1
02との接続の様子を示すように、ノズルこま106に
管路102を通じてオイルエアを供給する構造となって
いる。しかし、微量の潤滑油を高速で噴射する潤滑方式
においては、このようなOリング104を用いた配管構
造では、油吐出時にOリング104の弾性変形により管
路内の体積変化が生じ、その結果、管路102内を送る
潤滑油に圧力変動が生じて、潤滑油の噴射が不安定にな
り、潤滑性能の低下を招く虞があった。
【0008】また、このようなオイルエア方式の潤滑技
術の場合は、風切り音による騒音の発生という問題や、
エアカーテンの形成による潤滑不良の発生という問題も
あった。
【0009】本発明は、このような従来の問題点に鑑み
てなされたものであり、例えば、配管の設置スペースの
制限等からノズル径や配管内径の小径化等が必要な場合
でも、不用意な小径化を避けて、潤滑油を吐出するポン
プ性能を低下させることのない適正値にノズル径や配管
内径を設定することができ、従って、配管の設置スペー
スが狭くなる工作機械等の主軸装置であっても、微量潤
滑装置におけるポンプ性能を配管内の圧損等で低下させ
ることがなく、軸受への微量な潤滑油の供給を安定させ
て、軸の回転性能や耐久性の向上を図ることのできる主
軸装置を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る主軸装置は、請求項1に記載したよう
に、軸と、この軸に内輪内径面が嵌合した軸受と、前記
軸受の外輪外径面が嵌合したハウジングと、前記軸受に
潤滑油を供給するノズルと、前記ノズルに微量の潤滑油
を供給する微量潤滑装置とを具備し、前記内輪と前記外
輪とが転動体を介して相対的に回転可能となった前記軸
受に吐出速度が10m/sec以上で100m/sec
以下の範囲、且つ、吐出量が1ショットあたり0.5m
3 〜10mm3 の範囲となる微量の潤滑油を前記ノズ
ルから間欠的に噴射供給する主軸装置において、前記ノ
ズルに潤滑油を供給する配管の長さLとノズル径dn
配管内径dとの関係を表す配管パラメータ(L・dn 2
4 )が5×104-1以下となるように、前記各寸法
を設定したことを特徴としている。
【0011】ここで、上記の微量潤滑装置としては、例
えば、磁歪素子を駆動源として超微量の潤滑油の高精度
の圧送が可能にしたもの、あるいは、吐出量が微量なポ
ンプにこのポンプの出力を制御する切替弁とを組み合わ
せて超微量の潤滑油の高精度の圧送を可能にしたものな
どが、好適である。
【0012】このように構成された主軸装置において、
配管やノズル内での管路摩擦による圧力損失Δpは微量
潤滑装置の吐出する潤滑油の速度を低下させるように作
用するため、もしも圧力損失Δpが大きいと微量潤滑装
置におけるポンプ圧力がノズルまで到達せず、潤滑油の
供給不足や供給の不安定が起こる。しかし、上記圧力損
失Δpは、ノズル径や配管の長さ及び配管内径で定まる
配管パラメータ(L・dn 2/d4 )に比例し、配管パラ
メータ(L・dn 2/d4 )が5×104-1以下となる
ように、前記の各寸法を設定することで、潤滑油の速度
に影響を与えない程度に抑えることができる。したがっ
て、例えば、配管の設置スペースの制限等からノズル径
や配管内径の小径化等が必要な場合でも、配管パラメー
タ(L・dn 2/d4 )が5×104 -1以下となるよう
に、前記の各寸法を設定することで、配管やノズルの不
用意な小径化を避けて、潤滑油を吐出する微量潤滑装置
におけるポンプ性能を低下させることのない適正値にノ
ズル径や配管内径を設定することができる。また、本発
明の主軸装置における潤滑は、軸受に潤滑油を直接噴射
する直噴式のため、風切り音による騒音の発生やエアカ
ーテンの形成による潤滑不良の発生といったオイルエア
方式で潤滑油を供給した場合に発生していた問題点を解
消することもできる。
【0013】また、本発明は、請求項2に記載したよう
に、請求項1に記載の主軸装置において、更に、前記配
管内部の潤滑油の圧力による配管の膨張量及び潤滑油の
圧縮体積との和を、前記潤滑油の吐出量以下に設定した
ことを特徴としている。
【0014】主軸装置において、軸の高速回転等に対応
した潤滑性能を得るために、微量潤滑装置による潤滑油
の吐出圧を高圧化した場合に、もしも、配管内部の潤滑
油の圧力による配管の膨張や潤滑油の圧縮による体積減
少が大きいと、微量潤滑装置の吐出圧が確実にノズル先
端まで到達するに至らず、安定した微量の潤滑油供給が
不可能になる。しかし、上記の構成の主軸装置のよう
に、配管内部の潤滑油の圧力による配管の膨張量及び潤
滑油の圧縮体積との和を潤滑油の吐出量以下に設定して
いると、配管の膨張や潤滑油の圧縮による影響が小さく
なり、軸の高速回転等に対応して微量潤滑装置による潤
滑油の吐出圧を高圧化した場合にも、微量潤滑装置の吐
出圧をノズル先端まで確実に伝えて、微量の潤滑油供給
を安定させることができる。
【0015】また、本発明は、請求項3に記載したよう
に、軸と、この軸に内輪内径面が嵌合した軸受と、前記
軸受の外輪外径面が嵌合したハウジングと、前記軸受に
潤滑油を供給するノズルと、前記ノズルに微量の潤滑油
を供給する微量潤滑装置とを具備し、前記内輪と前記外
輪とが転動体を介して相対的に回転可能となった前記軸
受に吐出速度が10m/sec以上で100m/sec
以下の範囲、且つ、吐出量が1ショットあたり0.5m
3 〜10mm3 の範囲となる微量の潤滑油を前記ノズ
ルから間欠的に噴射供給する主軸装置において、前記ノ
ズルに潤滑油を供給する配管の長さLとノズル径dn
配管内径dと前記潤滑油の30℃における粘性係数との
関係を表す配管粘度パラメータ(μH ・L・dn 2/d
4 )が150以上で、且つ、前記配管の長さLとノズル
径dn と配管内径dと前記潤滑油の0℃における粘性係
数との関係を表す配管粘度パラメータ(μL ・L・dn 2
/d4 )が2500以下となるように、前記各寸法及び
動粘度を設定したことを特徴としている。
【0016】主軸装置において、潤滑油の配管やノズル
内での管路摩擦による圧力損失Δpは、前述した配管パ
ラメータだけでなく、潤滑油の動粘度にも比例する。潤
滑油の動粘度は、温度の低下に伴って高くなるため、例
えば、冬場の早朝等で潤滑油温度が低い場合には、前述
した配管パラメータを適正範囲に設定している場合で
も、動粘度の影響で、圧力損失Δpが過大になり、微量
の潤滑油の供給が不可能になる虞がある。また、潤滑油
の動粘度は、温度の上昇に伴って低くなるため、例え
ば、夏場等で潤滑油温度が高い場合には、前述した配管
パラメータを適正範囲に設定している場合でも、動粘度
の過小となって、潤滑箇所における油膜形成が弱くなる
結果、軸受上で発生する摩擦抵抗が増大し、回転むらや
焼き付き等の不都合を招く虞がある。しかし、工作機械
等が設置される施設内温度は、作業性や、加工精度の維
持等の観点から、一般的に室温程度に管理され、主軸装
置の使用温度域は、例えば、下限を0℃、上限を30℃
と考えれば、十分である。
【0017】従って、このように、予め、前述した配管
パラメータに更に使用温度域の上限(30℃)及び下限
(0℃)の粘性係数を加味した配管粘度パラメータが規
定範囲内に収まるように、配管やノズルの諸寸法を設定
すると共に、使用する潤滑油を選定しておけば、主軸装
置が運転される施設内温度の変化に伴う潤滑油の動粘度
の変動で、潤滑不良が発生することを防止することがで
き、使用温度域の全域で、微量潤滑装置におけるポンプ
性能を十分に発揮させ、軸受への微量な潤滑油の供給を
安定させることができる。
【0018】また、本発明は、請求項4に記載したよう
に、請求項1乃至3の何れかに記載の主軸装置におい
て、前記配管は、外径が1.0〜3.2mmの範囲で、
且つ、内径が0.8〜2.0mmの範囲で、更に、配管
材質のヤング率が3GPa以上に設定したことを特徴と
している。
【0019】潤滑油を圧送する配管は、ヤング率が小さ
いと潤滑油圧力によって膨張し易くなり、配管の膨張が
潤滑油の吐出速度を低減させる要因となる。また、配管
の内径を大きく設定すると、配管内の潤滑油量が増え、
微量潤滑装置の吐出圧によって圧縮される潤滑油の体積
が増え、吐出量が微量な潤滑の場合には、吐出時の圧力
で圧縮される体積が大きくなるため、潤滑油の吐出速度
を低減させる要因となる。また、配管外径は、限られた
設置スペースでの布設を容易にする観点からできるだけ
小径のものを選定することが好ましいが、吐出量や吐出
速度から定まる適正配管内径と強度確保に必要な肉厚寸
法とよって、最小寸法が規制される。しかし、上記のよ
うに構成された主軸装置においては、潤滑油圧力による
配管の膨張に起因する潤滑油の吐出速度の低減を許容範
囲に抑えることができ、また、同時に、配管内の潤滑油
の圧縮に起因する潤滑油の吐出速度の低減を許容範囲に
抑えることができ、また、配管の外径も必要最小限に抑
えて、主軸装置のハウジング内等における限られた設置
スペースでの配管布設を容易にすることができる。
【0020】また、本発明は、請求項5に記載したよう
に、請求項1乃至4の何れかに記載の主軸装置におい
て、前記ハウジングを、前記軸受の外輪外径面が嵌合す
る内側ハウジングと、この内側ハウジング及び前記軸の
外側を覆う外側ハウジングとで構成し、更に、前記内側
ハウジングを、前記軸受の外輪外径面を嵌合保持する第
1内側ハウジングと、前記第1内側ハウジングを軸方向
に移動可能に収容する挿入部を有した第2内側ハウジン
グとで構成し、前記第1内側ハウジングと前記第2内側
ハウジングとの間に、潤滑油を供給する前記配管を軸方
向に沿って挿通可能な隙間を設けたことを特徴としてい
る。
【0021】このように構成された主軸装置において
は、外側ハウジングに冷却油を流すジャケット構造を採
用することができて、運転時の回転軸や転がり軸受の熱
変位を抑制することができるため、例えば、工作機械等
の主軸装置として、高速回転や、高精度な連続運転の要
求に応えやすい。そして、外側ハウジングに冷却油を流
すジャケット構造の場合には、軸受へ潤滑油を圧送する
配管の設置スペースがジャケット構造により圧迫され、
例えば、ノズルへの配管の導入が軸線方向に限定された
り、あるいは内奥の転がり軸受への配管布設が困難にな
る場合が多い。しかし、このように構成された主軸装置
においては、例えば、ノズルを装備する第1内側ハウジ
ングを、第2内側ハウジングの挿入部から軸方向に取り
出した状態で、ノズルと配管との接続を行うようにすれ
ば、ノズルへの配管の導入を、軸や軸受の軸線と直交す
る方向に設定することもでき、ノズルと配管の接続方向
の選択自由度が高まって、配管布設を容易にすることが
できる。また、第1内側ハウジング上のノズルに配管を
接続した後に、配管を第1内側ハウジングと第2内側ハ
ウジングとの間の配管布設用の隙間に挿通させて、第1
内側ハウジングを第2内側ハウジングの挿入部に収容し
た状態に戻すことで、第2内側ハウジングへの第1内側
ハウジングの収容に際して配管が邪魔になることもな
く、第1内側ハウジングと第2内側ハウジングの組立性
も、良好にすることができる。
【0022】また、本発明は、請求項6に記載したよう
に、請求項1乃至4の何れかに記載の主軸装置におい
て、前記主軸装置は、前記軸受の外側を覆う内側ハウジ
ングと、主軸装置の外側を覆う外側ハウジングとを備
え、前記微量潤滑装置から前記外側ハウジングに軸方向
に沿って形成された潤滑油供給用の連通孔、前記内側ハ
ウジングに形成された開口部を通じて内側ハウジング内
に設置されたノズルこままで配管され、前記ノズルこま
へは軸方向に配管が接続されていることを特徴としてい
る。
【0023】このように構成された主軸装置において
は、潤滑油の配管やノズル等の設置スペースが狭い外筒
冷却方式の主軸装置であっても、微量の潤滑油を供給す
ることが可能である。この場合、ノズルこまに対して主
軸の軸方向に垂直な方向に対して配管を設置するための
スペースがとれない場合であっても、軸方向にノズルこ
まの接続口を設置することで配管の接続が可能となる。
また、配管の接続は主軸装置の組立の最終段階において
行うことができるため、配管敷設の作業性を向上させる
ことができる。
【0024】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る主軸装置の実
施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図1は、本
発明に係る主軸装置の第1実施形態における構成を示す
図である。本実施形態の主軸装置100は、外側ハウジ
ングに冷却油を流すジャケット構造を採用した工作機械
用の主軸装置であって、曲げに対して柔軟性のあるφ1
〜φ3.2mm(ここでは一例として外径φ1.6m
m、内径φ1.0mm)のステンレス製の耐圧チューブ
10を主軸装置100内に取り回し、耐圧チューブ10
をノズルこま12に接続する構造としている。このステ
ンレス製の耐圧チューブ10は光輝焼鈍処理を施してお
り、柔軟であるため、手で容易に曲げることができ、ま
た、圧力による配管膨張が少なく、微量の潤滑油供給に
適した配管である。
【0025】主軸装置100は、スピンドル軸14と、
このスピンドル軸を回転自在に支承する複数個(図示例
では4個)の転がり軸受16と、転がり軸受16の外側
を覆う内側ハウジング18と、主軸装置100の外側を
覆う外側ハウジング20とを備え、潤滑油の供給源であ
る微量潤滑装置22から外側ハウジング20に軸方向に
沿って形成された潤滑油供給用の連通孔24や、内側ハ
ウジング18に形成された開口部86を通じて、内側ハ
ウジング18内に配置されたノズルこま12まで耐圧チ
ューブ10により接続されている。即ち、ノズルこま1
2は、転がり軸受16に微量の潤滑油を間欠的に直接噴
射供給するノズルである。そして、耐圧チューブ10
は、微量潤滑装置22の吐出する潤滑油をノズルこま1
2まで導く配管である。
【0026】外側ハウジング20は、内側ハウジング1
8の外周を包囲する外筒28、29と、外筒29の端面
に固着された後蓋32とから構成されている。転がり軸
受16は、2個づつ組となってスピンドル軸14の前側
と後側とをそれぞれに分担して支承するように、軸方向
に所定間隔をおいて配置されており、各転がり軸受16
の外輪外径面は内側ハウジング18の内周面に緊密嵌合
して固定され、最前部の転がり軸受16の外輪は外輪押
さえ34に当接して回転不可に係止され、最後部の転が
り軸受16の外輪は外輪押さえ36を介して外筒28に
バネ38により軸方向に弾性付勢されつつ、回転不可に
係止されている。また、各転がり軸受16の内輪内径面
は、スピンドル軸14の外周面に嵌合により固定され、
前側・後側のぞれぞれで、各転がり軸受16の間に、転
がり軸受16を軸方向に固定するための間座40が設け
られている。
【0027】また、図示のように、内側ハウジング18
の外径に冷却溝42があり、この冷却溝には図示しない
冷却ユニットからの冷却油が循環することで外側ハウジ
ング20の冷却を行っている。即ち、この主軸装置10
0は外筒冷却方式による冷却機能を有する構成となって
いる。なお、本実施形態におけるスピンドル軸14は水
平に支承されているが、例えばマシニングセンタに用い
る場合では、垂直或いは傾斜して使用されることもあ
る。
【0028】次に、微量潤滑装置22を説明する。図2
は、微量潤滑装置22の構成を示す図である。この図に
示すように、微量潤滑装置22は、正特性の超磁歪素子
からなる棒体46が、該棒体46の軸線方向一端部46
aを予圧調整機構48を介してケース50に固定されて
いる。この棒体46は、磁界が印加されると磁気歪現象
(ジュール効果)によって軸線方向に伸長する。
【0029】予圧調整機構48は、例えば回転により棒
体46の軸線方向に突出し、棒体46の一端部46aを
押圧可能にしたネジ機構を用いることができる。棒体4
6の軸線方向他端部46bには、棒体46を予圧調整機
構48側に付勢して棒体46の軸方向に対する隙間(遊
び)を生じさせずに圧力伝達する圧力伝達部材52が配
設され、この圧力伝達部材52を介して棒体46がピス
トン54に接続されている。ピストン54は、シリンダ
56の内部に摺動自在に配設され、シリンダ56とピス
トン54によりポンプ室を形成している。
【0030】このシリンダ56にはポンプ室に潤滑油を
供給するための吸入流路58が設けられ、吸入流路58
の吸入口59までの流路の途中には、ポンプ室から潤滑
油の流出を阻止する逆止バルブからなる吸入側チェック
弁60が設けられている。また、シリンダ56にはポン
プ室から吐出される潤滑油を排出するための排出流路6
2が設けられ、排出流路62の排出口63までの流路の
途中には、ポンプ室への潤滑油の導入を阻止する逆止バ
ルブからなる排出側チェック弁64が設けられている。
【0031】棒体46の外周には、同軸状にコイル66
が設けられ、さらにコイル66の外側には、棒体46と
で磁気回路を形成する磁性材料からなるヨーク68が設
けられている。また、コイル66には、駆動回路70が
電気的に接続され、駆動回路70は磁界発生のための電
流を出力する。この電流がコイル66に印加されること
により、棒体46がコイル66から発生する磁界を受け
て伸長することで、吸入流路58を通じて供給されたポ
ンプ室内の潤滑油が、排出流路62を通じて排出口63
から排出される。排出された潤滑油は耐圧チューブ10
を通じてノズルこま12から吐出される。このときの1
ショットあたりの吐出量は、0.5〜10mm3 と微量
であり、また、その吐出圧力は1MPa以上で、間欠的
に吐出される。
【0032】次に、ノズルこま12について説明する。
図3にノズルこま12の断面図を示した。ノズルこま1
2は、耐圧チューブに接続された継手74を接続するた
めの固定用穴76と、供給された潤滑油を吐出する吐出
部78と、固定用穴76と吐出部78とを接続する流路
80とを有している。図示した例では、継手74はノズ
ルこま12の側面側に接続され、流路80に対して略直
角に接続される。また、流路80の継手74接続側には
埋め栓82が設けられている。
【0033】継手74は、図4(a)に示すようにPE
EK(ポリエーテルエーテルケトン)樹脂等の樹脂材料
からなるものや、図4(b)に示すようにステンレス材
からなるものが使用可能である。(a)に示すPEEK
樹脂の継手は、先端のテーパ部分74aがノズルこま1
2に取り付けた際に締め付けられることによってシール
される。また、(b)に示すステンレス材の継手は、先
端部がステンレスやPEEK樹脂等の弾性体からなるテ
ーパ片74bが先端部に取り付けられ、このテーパ片7
4bの締め付けによりシールされる。また、吐出部78
には、ノズル径dn が0.1mmのノズルチップ79が
圧入されている。
【0034】また、この継手74のノズルこま12への
組み付けにおいては、ノズルこま12が主軸装置100
の奥深い位置に配置されている場合であっても、図5に
示す継手固定用の工具84を用いることにより、継手7
4を固定用穴7のネジ部に簡単に螺合させることができ
る。即ち、主軸装置100の内側ハウジング18には、
その端面からノズルこま12の固定用穴76まで直径φ
9mmの軸方向孔86が貫通しており、この軸方向孔8
6の中に工具84を挿入し、継手74を回転させること
で、継手74の締め付け及び取り外しを可能にしてい
る。
【0035】このようなノズルこま12の構造とするこ
とで、配管(耐圧チューブ10)との接続部のシールに
Oリング等を使用しないため、シール部分からの漏れや
圧力による変形がなく、微量の潤滑油供給に適した配管
継手とすることができる。また、スピンドル組立の最終
段階において配管を接続すればよい構造であるため、組
立性に優れた特徴を有する。
【0036】次に、本発明の特徴部分である主軸装置1
00の配管について説明する。配管を用いて微量な潤滑
油の供給を行う場合、配管内での圧力損失によって生じ
る潤滑油の吐出速度低下が問題となる。配管内の圧力損
失に関しては、層流の管路摩擦の式が実験結果と良く一
致し、ノズル先端の潤滑油流速をv[m/s]としたと
き、管路摩擦による配管内の圧力損失Δp[Pa]は、
次の(1)式で表される。 Δp=32μ・L・dn 2・v/d4 …(1) ここで、 μ:潤滑油粘性係数[Pa・s] L:配管長さ[m]
d:配管内径[m] v:ノズルの吐出速度[m/s] dn :ノズル径
[m] である。
【0037】(1)式において、圧力損失Δpに与える
配管の影響は、L・dn 2/d4 のパラメータで表され、
このパラメータを配管パラメータと呼ぶことにする。圧
力損失Δpは上記配管パラメータに比例するため、配管
パラメータを小さくすることにより、配管の圧力損失Δ
pを低く抑えることができる。実験的に配管パラメータ
を変動させて潤滑油の吐出状態を確認したところ、次の
(2)式の範囲内であれば、微量の潤滑油吐出を行うに
十分な吐出速度を得ることができることが分かった。 L・dn 2/d4 <5×104 [m-1] …(2) ここで、配管長さLは、主軸装置100のスピンドル内
に配管を取り回す必要があるため、L>0.5[m]の
長さが必要となる。
【0038】次に、配管内部の潤滑油の圧縮性と配管の
膨張について説明する。配管中の潤滑油の体積が大きく
なると、潤滑油の圧縮性のため、微量潤滑装置22の吐
出圧力がノズル先端まで到達されずに、安定した微量の
潤滑供給が不可能となる。また、潤滑油圧力による配管
の膨張が大きい場合も同様の問題が発生する。これら潤
滑油の圧縮量及び配管の膨張量は、配管内の平均圧力で
決まり、平均圧力pによって圧縮される潤滑油の体積Δ
0 [m3 ]は、次の(3)式により求められる。
【0039】 Δv0 =π・L・d2 ・p/(4K) …(3) また、圧力pによって膨張する配管の体積Δvp は、一
般的な厚肉円筒の式より、次の(4)式で求められる。 Δvp =π・L・d2 ・p・{(D2 +d2 )/(D2 −d2 )+ν} /(2E) …(4) 但し、 K:潤滑油の体積弾性係数[Pa] ν:配管材質のポアソン比 である。
【0040】Δv0 とΔvp の和が吐出量qと同等以下
となれば、潤滑油の圧縮性、配管膨張の影響は小さい。
通常、微量の潤滑油供給において、配管内の平均圧力は
約0.8〜2.0[MPa]程度である。特に2.0
[MPa]の管内圧力においては、Δv0 +Δvp が吐
出量q以下となるように設定することで、安定した微量
の潤滑油供給が可能となる。即ち、次の(5)式を満足
するように設定するとよい。 L・p・{π・d2 /(4K) +π・d2 ・{(D2 +d2 )/(D2 −d2 )+ν}/(2E)} <q [m3 ] …(5)
【0041】配管内の平均圧力が0.8〜2.0[MP
a]になる理由は、次の通りである。通常、転がり軸受
の潤滑に必要な潤滑油の吐出速度は、内輪周速度の10
〜20%程度である。また、転がり軸受の回転数は、直
径[mm]と回転速度[min-1]の積(dm・n)が
100万〜350万程度で使用され、このような高速回
転を実現させるためには、約5〜33[m/s]程度の
吐出速度が必要となる。一方、潤滑油の吐出速度vは、
ノズル直前の潤滑油圧力pn [Pa]の関数として、次
の(6)式により表される。
【0042】 v=Cd ・√(2pn /ρ) [m/s] …(6) ここで、 Cd :ノズル流量係数 ρ:潤滑油密度[kg/m3 ] であり、ノズル流量係数Cd は、ノズル径φ0.3〜
0.08[mm]のノズルにおいて、Cd =0.70〜
0.95程度となる。必要吐出速度から(6)式により
要求されるノズル直前の圧力、及び(1)式より要求さ
れる配管の圧力損失Δpより、配管内の平均圧力は0.
8〜2.0[MPa]程度となる。これより、潤滑装置
の吐出圧力は最低でも1[MPa]以上が必要となる。
【0043】(4)式において、配管材質のヤング率E
が小さい場合は、配管が膨張しやすくなり、配管の体積
Δvp が大きくなる。この配管材質のヤング率Eが3
[GPa]未満の樹脂材料等を用いた場合、配管の膨張
が大きくなるため、スピンドル内の配管の取り回しに必
要な配管長さLを大きくとることが困難となる。これを
図6のグラフで示した。図6は、配管長さLに対する潤
滑油圧縮体積Δv0 の変化を配管の各内径dに対してプ
ロットしたグラフである。この図によれば、配管の内径
dが2.0[mm]より大きくなると、配管内の潤滑油
容積が増え、圧縮される潤滑油の体積Δv0 が増大す
る。このため、配管内径dは2.0[mm]以下とする
必要がある。なお、微量の潤滑油供給に使用する潤滑油
は、VG10〜VG32の潤滑油であり、これらの潤滑
油の体積弾性係数Kは約1.4[GPa]である。
【0044】図7は、配管の内径φ0.5〜φ1.0を
パラメータとして、配管長さLに対する潤滑油の吐出速
度vの変化を測定した結果を示すグラフである。このグ
ラフにおいては、配管長さLが長く、配管内径dが小さ
いほど吐出速度vが低下する。例えば、配管内径dがφ
0.5[mm]の場合、配管長さLが0.5[m]にお
いて吐出速度vが数m/sと十分な吐出速度が得られな
いため、配管内径dは少なくとも0.8[mm]以上と
する必要がある。従って、配管内径dはφ0.8[m
m]以上、φ2.0[mm]以下に設定することが必要
条件となる。また、これに伴って配管の外径Dは、その
強度上、φ1.0[mm]〜φ3.2[mm]とするこ
とが好ましい。
【0045】図8は、図7に示す結果に対し、横軸を配
管パラメータL・dn 2/d4 として表したグラフであ
る。このグラフによれば、吐出速度vは配管パラメータ
に対して比例的に変化しており、配管パラメータによっ
て吐出速度が略決定されることが分かる。配管パラメー
タが5×104 [m-1]以下の領域を使用することによ
り、吐出速度vが5〜15[m/s]以上の微量の潤滑
油供給に必要な吐出速度を得ることが可能となる。
【0046】図9は、配管のヤング率を変えることによ
る吐出速度vの変化を測定した結果を示すグラフであ
る。このグラフは、配管の外径Dがφ1.6[mm]、
内径dがφ1.0[mm]、配管長さLが1[m]で、
材質がステンレス(ヤング率E≒190[GPa])、
PEEK樹脂(E≒4[GPa])、ポリウレタン樹脂
(E≒0.1[GPa])の3種類の配管を用い、前述
の(3)式、(4)式における平均圧力pを2[MP
a]としたときのΔvp +Δv0 の計算結果と、吐出速
度vの測定結果である。なお、本実施形態の吐出量qは
約3[mm3 ]とし、潤滑油はVG22のものを使用し
ている。
【0047】このグラフによれば、配管のヤング率Eが
小さいと、配管の膨張体積Δvp が増えるためΔvp
Δv0 が増大し、Δvp +Δv0 が3[mm3 ]以上と
なると吐出速度vが急激に低下する。特に、ポリウレタ
ン樹脂を用いた場合は吐出速度vが略0となることか
ら、ヤング率Eが3[GPa]未満の低弾性率の材料
は、微量の潤滑油供給用の配管材料に適さないことがわ
かる。逆に、ヤング率Eが190[GPa]程度のステ
ンレス配管では、配管の膨張体積Δvp は0.01[m
3 ]以下のオーダーと計算され、配管の膨張の影響を
無視することができる。
【0048】本実施形態の主軸装置100によれば、ノ
ズルの設置や配管の取り回しスペースの少ない外筒冷却
方式による冷却機能を有する主軸装置であっても、配管
の外径をφ1.0[mm]〜3.2[mm]、内径をφ
0.8[mm]〜φ2.0[mm]、配管材質のヤング
率を3[GPa]以上とし、配管長さLが(2)式、
(5)式、及びL>0.5[m]を満足するように設定
することで、配管やノズルの布設をコンパクトにするこ
とができる。また、前述したように配管パラメータ(L
・dn 2/d4 )が5×104-1以下となるように、前
記の各寸法を設定することで、配管やノズルの圧力損失
を増大させる要因となる不用意な小径化を避けて、潤滑
油を吐出する微量潤滑装置におけるポンプ性能を低下さ
せることのない適正値にノズル径や配管内径を維持する
ことができる。
【0049】従って、配管の設置スペースが狭くなる工
作機械等の主軸装置であっても、微量潤滑装置22にお
けるポンプ性能を配管内の圧損等で低下させることがな
く、微量潤滑装置におけるポンプ性能を十分に発揮さ
せ、転がり軸受への微量な潤滑油の供給を安定させるこ
とができる。そのため、転がり軸受への微量な潤滑油の
正確、且つ、安定した供給によって、軸受の作動状態を
常に良好に維持し、軸の回転性能や耐久性の向上を図る
ことができる。また、本実施の形態の主軸装置における
潤滑は、転がり軸受に潤滑油を直接噴射する直噴式のた
め、風切り音による騒音の発生やエアカーテンの形成に
よる潤滑不良の発生といったオイルエア方式で潤滑油を
供給した場合に発生していた問題点を解消することもで
きる。
【0050】また、本実施の形態では、(5)式に示し
たように、配管内部の潤滑油の圧力による配管の膨張量
及び潤滑油の圧縮体積との和を潤滑油の吐出量以下に設
定すれば、配管の膨張や潤滑油の圧縮による影響が小さ
くなり、軸の高速回転等に対応して微量潤滑装置による
潤滑油の吐出圧を高圧化した場合にも、微量潤滑装置の
吐出圧をノズル先端まで確実に伝えて、微量の潤滑油供
給を安定させることができる。
【0051】また、本実施の形態の主軸装置100で
は、外側ハウジング20に軸方向に沿って形成された潤
滑油供給用の連通孔24及び内側ハウジング18に形成
された開口部26を通じて、内側ハウジング18内のノ
ズルこま12まで、潤滑油を圧送する配管である耐圧チ
ューブ10が布設されていて、耐圧チューブ10は転が
り軸受16の軸方向に沿う方向から、ノズルこま12に
嵌合接続されている。このような配管とノズルの接続構
造は、図示例のように、転がり軸受の軸方向に垂直な方
向(即ち、転がり軸受の半径方向)に対して、配管を設
置するためのスペースが十分に確保できない場合に適し
ている。この場合、配管の接続は主軸装置の組立の最終
段階で行うことができるため、配管敷設の作業性が良い
という利点も有する。
【0052】次に、本発明に係る主軸装置の第2実施形
態を説明する。図10は、本実施形態の主軸装置200
の断面一部拡大図である。図10には図1と同じ機能を
有する部材に対して同一の符号を付与することで、その
説明は省略するものとする。
【0053】本実施形態の主軸装置200は、4列組み
合わせ転がり軸受のスピンドル構成の例である。本実施
形態のように、多列組み合わせの転がり軸受のスピンド
ルにおいては、ハウジングの軸方向孔である連通孔24
を通して各ノズルこま12まで配管を通すことが困難な
場合がある。この実施形態の場合は、図の左側から3,
4列目の転がり軸受16c,16dに対して、内側ハウ
ジング18の左端から連通孔24を開口して配管を行う
ことは、スペース上困難である。
【0054】そこで、本実施形態においては、図11に
ハウジングの組立の様子を示すように、内側ハウジング
18を、転がり軸受16の外輪が固定される第1内側ハ
ウジング90と、第1内側ハウジング90を軸方向に収
容可能な挿入部91の内周面内径da が、第1内側ハウ
ジング90の外周面の外径db よりも少なくとも耐圧チ
ューブ10の径分大きく設定された第2内側ハウジング
92とで構成し、前記第1内側ハウジング90と第2内
側ハウジング92との間に、潤滑油を供給する配管であ
る耐圧チューブ10を軸方向に沿って挿通可能な隙間9
3を設けたことを特徴としている。
【0055】この組立に際しては、まず、第1内側ハウ
ジング90の転がり軸受16側方に配置されたノズルこ
ま12に対し、ノズルこま12天頂部に継手74を接続
し、第2内側ハウジング92に形成された開口部94か
ら耐圧チューブ10を引き出す。この引き出された耐圧
チューブ10は、外側ハウジング20に形成された開口
部88(図10参照)を通して主軸装置200外部に取
り出し可能である。このように、ノズルこま12の天頂
部から継手74を接続することにより、軸方向のスペー
スが狭い場合であっても配管が可能となる。
【0056】そして、第1内側ハウジング90を第2ハ
ウジング92の挿入部91へ軸方向にスライドさせて挿
入する。このとき、第2内側ハウジング92の内径da
が第1内側ハウジング90の外径db より大きく設定さ
れていて、ノズルこま12に接続した耐圧チューブ10
を、第1内側ハウジング90と第2内側ハウジング92
との間の隙間93に収容することができるため、耐圧チ
ューブ10が第1,第2内側ハウジング双方の間に挟ま
ることなく円滑に挿入される。これにより、主軸装置内
の奥深く、スペースの狭い場所であっても、組立作業が
容易な構成としつつ配管を行うことができる。
【0057】即ち、この第2の実施の形態の主軸装置2
00においては、ノズルこま12を装備する第1内側ハ
ウジング90を、第2内側ハウジング92の挿入部91
から軸方向に取り出した状態で、ノズルと配管との接続
を行うようにすれば、ノズルへの配管の導入を、軸や転
がり軸受の軸線と直交する方向に設定することもでき、
ノズルと配管の接続方向の選択自由度が高まって、配管
布設を容易にすることができる。
【0058】また、第1内側ハウジング90上のノズル
こま12に耐圧チューブ10を接続した後に、耐圧チュ
ーブ10を第1内側ハウジング90と第2内側ハウジン
グ92との間の配管布設用の隙間93に挿通させて、第
1内側ハウジング90を第2内側ハウジング92の挿入
部91に収容した状態に戻すことで、第2内側ハウジン
グ92への第1内側ハウジング90の収容に際して耐圧
チューブ10が邪魔になることもなく、第1内側ハウジ
ング90と第2内側ハウジング92の組立性も、良好に
することができる。
【0059】なお、耐圧チューブ10を挿通可能な隙間
93は、第1内側ハウジング90の外周面又は第2内側
ハウジング92の内周面に、切り欠き溝を形成すること
によって形成してもよい。
【0060】図12は、本発明に係る主軸装置の第3実
施の形態の縦断面図を示したものである。この第3の実
施の形態の主軸装置300は、外側ハウジングに冷却油
を流すジャケット構造を採用した工作機械用の主軸装置
であって、スピンドル軸14と、このスピンドル軸14
に内輪内径面が嵌合した複数個の転がり軸受16と、こ
れらの転がり軸受16の外輪外径面が嵌合した内側ハウ
ジング18と、この内側ハウジング18及び前記スピン
ドル軸14の外周を覆う外側ハウジング20と、各転が
り軸受16に潤滑油を供給するノズルとしてのノズルこ
ま12と、前記ノズルこま12に微量の潤滑油を供給す
る微量潤滑装置322とを具備し、各転がり軸受16に
吐出速度が10m/sec以上で100m/sec以下
の範囲、且つ、吐出量が1ショットあたり0.5mm3
〜10mm3 の範囲となる微量の潤滑油をノズルこま1
2から間欠的に噴射供給する構成である。
【0061】この主軸装置300は、第1実施の形態に
示した主軸装置100の一部を改良したもので、第1の
実施の形態における微量潤滑装置22の代わりに微量潤
滑装置322を使用した点、及び、第1実施の形態で示
した配管パラメータ(L・d n 2/d4 )の代わりに、潤
滑油を供給する配管の長さLとノズル径dn と配管内径
dと潤滑油の粘性係数μとの関係を表す配管粘度パラメ
ータ(μ・L・dn 2/d4 )が規定範囲になるように、
前記配管粘度パラメータに関係する各部の寸法及び潤滑
油を選定した点が、第1の実施の形態のものと異なって
いる。なお、第1実施の形態と共通する構成には、共通
の番号を付して説明を省略する。
【0062】この主軸装置300における微量潤滑装置
322は、ノズルこま12からの吐出油量よりも大きい
吐出油流量を有するポンプ322bと、このポンプ32
2bからノズルこま12への潤滑油の流れを制御する切
替弁322aとを備えた構成である。切替弁322a
は、ポンプ322bとノズルこま12とを接続する配管
途中に介装され、ポンプ322bからの吐出油圧力が一
定圧力未満では前記配管の流路を遮断してノズルこま1
2からの潤滑油の噴射を停止する一方、ポンプ322b
からの吐出油圧力が一定圧力以上となった時に、配管の
流路を開放してポンプ322bからの潤滑油をノズルこ
ま12から一定時間噴射させるもので、流路の開閉動作
を周期的に繰り返すことで、微量な潤滑油の間欠的な吐
出を行う。
【0063】ノズルこま12から吐出される潤滑油の吐
出速度vと、吐出量qとは、ノズルこま12の直前の潤
滑油圧力pn [Pa]によって決定され、 潤滑油圧力
nは、微量潤滑装置322の吐出圧力p0 からノズル
こま12までの配管内での圧力損失Δpを引いた値であ
る。 pn =p0 −Δp ……(7) ノズルこま12における潤滑油の吐出速度vや吐出量q
を安定させるためには、ノズルこま12の直前の潤滑油
圧力pn が一定であること、即ち、Δpの変化が小さい
ことが必要となる。Δpには、(1)式にも示したよう
に、温度の関数である潤滑油の粘性係数μが含まれるた
め、温度変化によって動粘度が大きく変化しないよう
に、使用する潤滑油を選択することが重要になる。
【0064】図13及び図14は、潤滑油を圧送する配
管の内径と、動粘度と、吐出量との関係を示したもので
ある。これらの図13及び図14から、潤滑油の粘度が
増加すると、配管抵抗が増すため、吐出量が低下するこ
とが分かる。また、図13では、配管が細いほど粘度に
よる吐出量変化の影響が大きいことが分かり、図13と
図14とを比較することで、配管の長さが長い方が粘度
による吐出量変化が大きいことが分かる。
【0065】以上の結果は、前述した配管粘度パラメー
タ(μ・L・dn 2/d4 )を用いて整理することが可能
である。図15は、図13及び図14に示した関係を、
配管粘度パラメータを横軸にとって書き直したものであ
る。この図15から分かるように、吐出量は、配管粘度
パラメータに極めて密接である。ノズルこま12から吐
出される潤滑油の平均的な吐出速度は、吐出量÷ノズル
面積÷切替弁の開放時間で求めることができる。主軸装
置300において、切替弁322aの開放時間及びノズ
ルこま12の内径を一定とした時には、吐出量と平均吐
出速度は比例関係にあるので、図15では、平均吐出速
度をグラフの縦軸の第2軸にとった。
【0066】直接噴射による潤滑の場合は、転がり軸受
16の内部に確実に潤滑油を供給するため、軸受の内輪
の周速度の10〜20%の吐出速度が必要となることが
判っている。スピンドル軸14が高速回転の場合、転が
り軸受の直径[mm]と回転速度[min-1]の積(d
m・n)は、上限で370万程度になることが予想され
る。このとき、吐出速度は約18m/sec以上必要
で、図15によれば、その時には配管粘度パラメータを
2000〜2500以下に抑えることが必要になる。
【0067】この主軸装置300の場合、以上を考慮
し、潤滑油を供給する配管の長さLとノズル径dn と配
管内径dと潤滑油の30℃における粘性係数μH との関
係を表す配管粘度パラメータ(μH ・L・dn 2/d4
が150[kg/s/m2 ]以上で、且つ、配管の長さ
Lとノズル径dn と配管内径dと潤滑油の0℃における
粘性係数μL との関係を表す配管粘度パラメータ(μL
・L・dn 2/d4 )が2500[kg/s/m2 ]以下
となるように、前記の各寸法及び動粘度を設定する。
次の表1は、直接噴射に使用される代表的な潤滑油を列
挙したものである。
【0068】
【表1】
【0069】図16及び図17はこの第3実施の形態の
作用効果を確認するための試験結果で、図16は表1に
示した各潤滑油の温度と粘度との関係を示したものであ
る。また、図17は、表1に示した各潤滑油毎に、転が
り軸受16の回転数と温度との相関を測定した試験結果
である。
【0070】なお、回転試験に際して、次の試験条件
は、何れの潤滑油でも共通にした。 (共通試験条件) 転がり軸受 フロント=内径がφ70mmのセラミック
玉アンギュラ玉軸受 転がり軸受 リア=内径がφ55mmのセラミック
玉アンギュラ玉軸受 定圧予圧荷重:770N 潤滑装置 ポンプ吐出圧力:2.0MPa 切替弁開放時間:5ms ノズル径:φ0.1mm ショット間隔:10秒 配管:外径φ1.6mmで、内径φ1.0mmのステン
レス管 また、回転試験に際して、潤滑油の種類によって相異す
る試験条件は、次の表2に示す。
【0071】
【表2】
【0072】表2に示した各条件に対する試験結果は、
次に示す如きであった。表2に示した条件1において
は、室温が低く潤滑油粘度が大きくなったため配管粘度
パラメータが大きくなり、吐出量及び吐出速度が減少し
て、36,000min-1にて焼き付きが発生した。表
2の条件2〜条件4までは、40,000min-1の超
高速(dm.n370万)を達成することが可能であ
る。配管粘度パラメータが2500〜150の範囲で
は、36,000min-1以上の高速回転が可能であっ
た。表2の条件5の潤滑油は温度粘度指数が非常に大き
い油で、低温でも粘度が大きく上昇しないため、極低温
においても十分な吐出量、吐出速度を得ることができ
る。そして表2と同じ配管を用いた場合、−20℃にお
いても、配管粘度パラメータが1200となり、安定し
た吐出が可能であった。しかし、潤滑油の特性で油膜形
成が悪くなるため、高速時には温度上昇が大きくなった
が、36,000min-1までの高速回転が可能であっ
た。表2の条件6では、20,000min-1にて焼き
付きを発生している。粘度が低いVG2相当の潤滑油で
は、油膜形成が不十分であるために、焼き付きが発生し
た。直噴潤滑においては、VG10相当以上の粘度が必
要であると考察する。
【0073】以上に説明したように、工作機械等が設置
される施設内温度は、作業性や、加工精度の維持等の観
点から、一般的に室温程度に管理され、主軸装置の使用
温度域は、例えば、下限を0℃、上限を30℃と考えれ
ば、十分である。従って、予め、前述した配管パラメー
タに更に使用温度域の上限(30℃)及び下限(0℃)
の粘度を加味した配管粘度パラメータが規定範囲内に収
まるように、配管やノズルの諸寸法を設定すると共に、
使用する潤滑油を選定しておけば、主軸装置が運転され
る施設内温度の変化に伴う潤滑油の動粘度の変動で、潤
滑不良が発生することを防止することができ、使用温度
域の全域で、微量潤滑装置におけるポンプ性能を十分に
発揮させ、転がり軸受への微量な潤滑油の供給を安定さ
せることができる。そのため、軸装置が運転される施設
内温度の変化に関係なく、転がり軸受への微量な潤滑油
の正確、且つ、安定した供給によって、軸受の作動状態
を常に良好に維持し、軸の回転性能や耐久性の向上を図
ることができる。
【0074】なお、本発明の主軸装置において、微量潤
滑装置は、微量又は超微量の潤滑油吐出を正確に成し得
るものであれば、具体的な構成は上記の実施の形態に限
定するものではない。
【0075】
【発明の効果】以上に説明したように、請求項1に記載
した本発明の主軸装置によれば、配管パラメータ(L・
n 2/d4 )が5×104-1以下となるように、配管
パラメータの各寸法を設定することで、配管やノズルの
不用意な小径化を避けて、潤滑油を吐出する微量潤滑装
置におけるポンプ性能を低下させることのない適正値に
ノズル径や配管内径を設定することができる。従って、
配管の設置スペースが狭くなる工作機械等の主軸装置で
あっても、微量潤滑装置におけるポンプ性能を配管内の
圧損等で低下させることがなく、微量潤滑装置における
ポンプ性能を十分に発揮させ、軸受への微量な潤滑油の
供給を安定させることができる。そのため、軸受への微
量な潤滑油の正確、且つ、安定した供給によって、軸受
の作動状態を常に良好に維持し、軸の回転性能や耐久性
の向上を図ることができる。また、請求項1に記載した
主軸装置における潤滑は、軸受に潤滑油を直接噴射する
直噴式のため、風切り音による騒音の発生やエアカーテ
ンの形成による潤滑不良の発生といったオイルエア方式
で潤滑油を供給した場合に発生していた問題点を解消す
ることもできる。
【0076】また、請求項2に記載した本発明の主軸装
置では、配管の膨張や潤滑油の圧縮による影響が小さく
なり、軸の高速回転等に対応して微量潤滑装置による潤
滑油の吐出圧を高圧化した場合にも、微量潤滑装置の吐
出圧をノズル先端まで確実に伝えて、微量の潤滑油供給
を安定させることができる。
【0077】また、請求項3に記載した本発明の主軸装
置では、予め、配管パラメータに更に使用温度域の上限
(30℃)及び下限(0℃)の粘度を加味した配管粘度
パラメータが規定範囲内に収まるように、配管やノズル
の諸寸法を設定すると共に、使用する潤滑油を選定する
ため、主軸装置が運転される施設内温度の変化に伴う潤
滑油の動粘度の変動で、潤滑不良が発生することを防止
することができ、使用温度域の全域で、微量潤滑装置に
おけるポンプ性能を十分に発揮させ、軸受への微量な潤
滑油の供給を安定させることができる。そのため、軸装
置が運転される施設内温度の変化に関係なく、転がり軸
受への微量な潤滑油の正確、且つ、安定した供給によっ
て、軸受の作動状態を常に良好に維持し、軸の回転性能
や耐久性の向上を図ることができる。
【0078】さらに、請求項4に記載した構成の主軸装
置では、潤滑油圧力による配管の膨張に起因する潤滑油
の吐出速度の低減を許容範囲に抑えることができ、ま
た、同時に、配管内の潤滑油の圧縮に起因する潤滑油の
吐出速度の低減を許容範囲に抑えることができ、また、
配管の外径も必要最小限に抑えて、主軸装置のハウジン
グ内等における限られた設置スペースでの配管布設を容
易にすることができ、軸受への微量な潤滑油の正確、且
つ、安定した供給と、配管のコンパクトな敷設とを両立
させることができる。
【0079】また、請求項5に記載した構成の主軸装置
では、外側ハウジングに冷却油を流すジャケット構造を
採用することができて、運転時の回転軸や軸受の熱変位
を抑制することができるため、例えば、工作機械等の主
軸装置として、高速回転や、高精度な連続運転の要求に
応えやすい。そして、更には、例えば、ノズルを装備す
る第1内側ハウジングを、第2内側ハウジングの挿入部
から軸方向に取り出した状態で、ノズルと配管との接続
を行うようにすれば、ノズルへの配管の導入を、軸や軸
受の軸線と直交する方向に設定することもでき、ノズル
と配管の接続方向の選択自由度が高まって、配管布設を
容易にすることができる。また、第1内側ハウジング上
のノズルに配管を接続した後に、配管を第1内側ハウジ
ングと第2内側ハウジングとの間の配管布設用の隙間に
挿通させて、第1内側ハウジングを第2内側ハウジング
の挿入部に収容した状態に戻すことで、第2内側ハウジ
ングへの第1内側ハウジングの収容に際して配管が邪魔
になることもなく、第1内側ハウジングと第2内側ハウ
ジングの組立性も、良好にすることができる。
【0080】また、請求項6に記載した構成の主軸装置
では、ノズルこまに対して主軸の軸方向に垂直な方向に
対して配管を設置するためのスペースがとれない場合で
あっても、軸方向にノズルこまの接続口を設置すること
で配管の接続が可能となる。また、配管の接続は主軸装
置の組立の最終段階において行うことができるため、配
管敷設の作業性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る主軸装置の第1実施形態における
構成を示す図である。
【図2】図1の主軸装置で使用している微量潤滑装置の
構成を示す図である。
【図3】図1の主軸装置で使用しているノズル(ノズル
こま)の断面図である。
【図4】図1の主軸装置において配管とノズルとをつな
ぐ継手を示す斜視図であり、(a)はPEEK樹脂等の
樹脂材料からなるもので、(b)はステンレス材からな
るものである。
【図5】図4に示した継手をノズルに螺着させる工具の
斜視図である。
【図6】配管長さに対する潤滑油圧縮体積の変化を配管
の各内径に対してプロットしたグラフである。
【図7】配管の内径をパラメータとして、配管長さに対
する潤滑油の吐出速度の変化を測定した結果を示すグラ
フである。
【図8】図7に示す結果に対し、横軸を配管パラメータ
L・dn 2/d4 として表したグラフである。
【図9】配管のヤング率を変えることによる吐出速度の
変化を測定した結果を示すグラフである。
【図10】本発明に係る主軸装置の第2実施形態の断面
の一部拡大図である。
【図11】図10に示した主軸装置におけるハウジング
の組立時の様子を示す図である。
【図12】本発明に係る主軸装置の第3実施形態の縦断
面図である。
【図13】配管長さを2.5mとしたときの、潤滑油の
動粘度と、吐出量と、配管内径との相関を示すグラフで
ある。
【図14】配管長さを1.5mとしたときの、潤滑油の
動粘度と、吐出量と、配管内径との相関を示すグラフで
ある。
【図15】配管粘度パラメータと吐出量との関係を、配
管寸法毎に比較したグラフである。
【図16】潤滑油の温度と動粘度との相関を示すグラフ
である。
【図17】回転数と外輪温度との関係を使用する潤滑油
毎に比較したグラフである。
【図18】従来の空気流の媒体を用いるオイルエア方式
の潤滑装置を示す図である。
【図19】管路の接続の様子を示す図で、(a)はハウ
ジング端面同士の接続の様子、(b)はノズルこまとハ
ウジングの管路との接続の様子を示す図である。
【符号の説明】
10 配管(耐圧チューブ) 12 ノズル(ノズルこま) 14 軸(スピンドル軸) 16,16a,16b,16c,16d 転がり軸受
(軸受) 18 内側ハウジング 20 外側ハウジング 22 微量潤滑装置 24 連通孔 26 開口部 28 外筒 70 駆動回路 74 継手 76 固定用穴 78 吐出部 79 ノズルチップ 86 軸方向孔 88 開口部 90 第1内側ハウジング 91 挿入部 92 第2内側ハウジング 93 隙間 94 開口部 100,200 主軸装置 Cd ノズル流量係数 D 配管外径 d 配管内径 da 第2内側ハウジングの挿入部内径 db 第1内側ハウジングの外径 dn ノズル径 E ヤング率 K 体積弾性係数 L 配管長 p 平均圧力 pn 潤滑油圧力 q 吐出量 v 吐出速度 Δp 圧力損失 Δv0 潤滑油圧縮体積 Δvp 配管膨張体積

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 軸と、この軸に内輪内径面が嵌合した軸
    受と、前記軸受の外輪外径面が嵌合したハウジングと、
    前記軸受に潤滑油を供給するノズルと、前記ノズルに微
    量の潤滑油を供給する微量潤滑装置とを具備し、前記内
    輪と前記外輪とが転動体を介して相対的に回転可能とな
    った前記軸受に吐出速度が10m/sec以上で100
    m/sec以下の範囲、且つ、吐出量が1ショットあた
    り0.5mm3 〜10mm3 の範囲となる微量の潤滑油
    を前記ノズルから間欠的に噴射供給する主軸装置におい
    て、 前記ノズルに潤滑油を供給する配管の長さLとノズル径
    n と配管内径dとの関係を表す配管パラメータ(L・
    n 2/d4 )が5×104-1以下となるように、前記
    各寸法を設定したことを特徴とする主軸装置。
  2. 【請求項2】 前記配管内部の潤滑油の圧力による配管
    の膨張量及び潤滑油の圧縮体積との和を、前記潤滑油の
    吐出量以下に設定したことを特徴とする請求項1に記載
    の主軸装置。
  3. 【請求項3】 軸と、この軸に内輪内径面が嵌合した軸
    受と、前記軸受の外輪外径面が嵌合したハウジングと、
    前記軸受に潤滑油を供給するノズルと、前記ノズルに微
    量の潤滑油を供給する微量潤滑装置とを具備し、前記内
    輪と前記外輪とが転動体を介して相対的に回転可能とな
    った前記軸受に吐出速度が10m/sec以上で100
    m/sec以下の範囲、且つ、吐出量が1ショットあた
    り0.5mm3 〜10mm3 の範囲となる微量の潤滑油
    を前記ノズルから間欠的に噴射供給する主軸装置におい
    て、 前記ノズルに潤滑油を供給する配管の長さLとノズル径
    n と配管内径dと前記潤滑油の30℃における粘性係
    数との関係を表す配管粘度パラメータ(μH ・L・dn 2
    /d4 )が150以上で、且つ、前記配管の長さLとノ
    ズル径dn と配管内径dと前記潤滑油の0℃における粘
    性係数との関係を表す配管粘度パラメータ(μL ・L・
    n 2/d4 )が2500以下となるように、前記各寸法
    及び動粘度を設定したことを特徴とする主軸装置。
  4. 【請求項4】 前記配管は、外径が1.0〜3.2mm
    の範囲で、且つ、内径が0.8〜2.0mmの範囲で、
    更に、配管材質のヤング率が3GPa以上に設定したこ
    とを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載の主軸装
    置。
  5. 【請求項5】 前記ハウジングを、前記軸受の外輪外径
    面が嵌合する内側ハウジングと、この内側ハウジング及
    び前記軸の外側を覆う外側ハウジングとで構成し、更
    に、 前記内側ハウジングを、前記軸受の外輪外径面を嵌合保
    持する第1内側ハウジングと、前記第1内側ハウジング
    を軸方向に移動可能に収容する挿入部を有した第2内側
    ハウジングとで構成し、前記第1内側ハウジングと前記
    第2内側ハウジングとの間に、潤滑油を供給する前記配
    管を軸方向に沿って挿通可能な隙間を設けたことを特徴
    とする請求項1乃至4の何れかに記載の主軸装置。
  6. 【請求項6】 前記主軸装置は、前記軸受の外側を覆う
    内側ハウジングと、主軸装置の外側を覆う外側ハウジン
    グとを備え、前記微量潤滑装置から前記外側ハウジング
    に軸方向に沿って形成された潤滑油供給用の連通孔、前
    記内側ハウジングに形成された開口部を通じて内側ハウ
    ジング内に設置されたノズルこままで配管され、前記ノ
    ズルこまへは軸方向に配管が接続されていることを特徴
    とする請求項1乃至4の何れかに記載の主軸装置。
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