JP2002500328A

JP2002500328A - 軸方向力及び半径方向力を吸収する静液圧軸受

Info

Publication number: JP2002500328A
Application number: JP2000527766A
Authority: JP
Inventors: ユーリッヒラエース，
Original assignee: ユーリッヒラエース，
Priority date: 1998-01-06
Filing date: 1998-01-06
Publication date: 2002-01-08
Also published as: US6419396B1; AU5305298A; WO1999035413A1; EP1045996A1

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、シャフトに作用する外力を、高い速度特性で支えるシャフト用軸受に関する。【解決手段】軸方向力と半径方向力を支えるために、ワンピースの静液圧軸受が具備され、装着されるシャフトが、水の圧力により、接触なく高い剛性をもって装着され、静液圧軸受の本体が、数個のチャンネルを有し、これらチャンネルは噴出口で終端し、この噴出口及び装着されるシャフトと、面で隣接する他の要素との一方又は両方の間には、高さの異なるギャップが配置され、該噴出口の中を水が流れ、装着される該シャフトが水の膜によって装着される。この軸受の全力は、工作機械にボルト固定されるフランジにより支えられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】

本発明は軸受に関し、特に、特許請求の範囲に示すように、機械加工技術にお
いて、工作機械の研磨スピンドル（研磨主軸）やフライススピンドル（フライス
主軸）のための軸受に関する。

【０００２】

【従来の技術】

既知の如く、工作機械はとりわけ金属部品等の部品の加工用に用いられる。こ
の工作機械は、研磨ないしフライス用スピンドルを有することが多く、これは高
速モーターによって駆動され、その工作主軸（ワークスピンドル）はワークピー
スやツールを受けるためのアダプタに接続することができる。

【０００３】工作機械の工作主軸は、軸受により案内される。この軸受は、多くの機能を有
している。よって、軸受は、切削を行ったり正確な運動経路前進運動を行うため
の部品を与え、また、主軸シャフト及びその周辺部品の重量を支え、更には軸受
は発生する作動力を振動させずに支える。従って、高い剛性と、案内経路に垂直
又は平行な方向に対する減衰能が必要となる。切削及びフライスの運動を行うた
めの高い恒久的な正確性を得るために、主軸シャフトガイド手段には、低い摩擦
力、低い摩耗性、良好なクリアランス調節能や、欠け、冷却水、汚染及び損傷に
対する保護も要求される。

【０００４】実際、機械工作の技術では、高速主軸は毎分２０〜１００００回転の範囲で作
動する。この工作主軸は、従来技術の玉軸受ないし転がり軸受、マグネチック軸
受や静液圧軸受によりガイドされる。通常、ｍｍで与えられる直径にr.p.m.で与
えられる回転数を乗じて形成される速度特性（Ｄｘｎ）が、支配的な速度条件に
対して多大な知見を与える。この場合、転がり軸受の範囲は２５０万以下であり
、静液圧軸受では２５０万以上である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】

玉軸受は、高速での作動の範囲にはあまり適していない。非常に嵩が高いので
、工作機械への搭載が制限される。玉軸受及び転がり軸受の高速における低摩擦
と軸方向及び半径方向力を支える要求に合致させるため、それぞれが軸方向力成
分又は半径方向力成分を支えるための数個の玉軸受がしばしば存在する。

【０００６】この玉軸受又は転がり軸受は、工作主軸に対して点状で線形の圧力接触を示す
。従って、これは線形の剛性を示し、このことは瞬間的な加重において傾斜や偏
りにつながり、またこれらにより生じる不利益につながる。この衝撃感度は、玉
及び転がり軸受の比較的短い寿命を本質的に決定する。衝撃感度を低減するため
、更に安定化軸受が提供される。これらの不利益全てにより、切削速度の要求が
高くなっている今日では、玉軸受及び転がり軸受を用いるには不経済となる。

【０００７】マグネチック軸受は、フライス機械の用途に対しては、限られた範囲でしか用
いることができない。フライスにおいては大きな力が発生し、これは、軸受の高
い耐荷重と高い半径方向及び軸方向剛性を要求する。マグネチック軸受の不利益
としては、これが比較的軟弱で小さな加重しか支えられないことである。また、
これは非常に高価であり、電子的にしか制御できないことである。

【０００８】静液圧オイルという圧力媒体を有する静液圧軸受は、低い速度範囲で作動する
工作機械で用いることが好ましい。高速の機械で用いた場合の不利益は、粘度の
高いオイルが摩擦熱を発生し、また発生した摩擦熱をあまり伝導して取り去れな
いということである。また、静液圧軸受は、一方向しか力の成分を支えない。

【０００９】従って、本発明の目的は、上述した不利益を取り除いたベアリング、例えば加
工技術のための工作機械に用いるための軸受を提供することである。特に、軸受
は簡略且つコンパクトな構造を有している必要があり、また調達及び保守に対し
て経済的である必要がある。この軸受は工作機械産業の通常の方法と互換性があ
りまた統合が可能であるべきである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】

この目的は、特許請求の範囲に示されている本発明により実現される。

【００１１】本発明の思想は、発生する力の成分を支えるためのの単一の軸受を提供するこ
とにある。好ましくは、軸受は、ワンピースで設計され、シャフトやシャフトに
隣接する要素に発生する軸方向力成分及び半径方向力成分を支えることが好まし
い。このことは、同じ目的で数個の別個の軸受が用いられる既知の構造からは遠
ざかっている。

【００１２】単一の軸受を用いることにより、軸受内のシャフトの運動を旋回運動と比較す
ることができる。軸受のシャフトの中心がジャイロスコープの支持点を成し、こ
のことは、ジャイロスコープの方程式を用いてこの運動を記述することができ、
また才差運動と転頭運動を可能にすることができるかの理由となる。運動解析の
結果、軸受は、シャフトの才差運動と転頭運動を有効に償うよう特別に配置され
た軸受領域を具備することとなる。

【００１３】単一の軸受、好ましくはワンピースの軸受を用いることにより、コンパクトな
設計が可能となる。そして、このことにより、２５万よりも大きな高速特性で用
いることが可能となる。このように、本発明は、加工技術のための高速工作機械
に用いることができ、工作機械への直接の動力伝達が、シャフトの一方のフラン
ジだけを介して行われるという利点を伴っている。

【００１４】軸受は、静液圧型であり水中で作動することが有利である。この場合、シャフ
トが作動していない状態において、噴出口を介してシャフトと軸受の間の軸受間
隙へと流入する乱流の流れの水によって、軸受に予負荷を与えることが可能であ
る。シャフトは、水の膜による面積剛性を伴って装備される。軸受のギャップに
より、主軸シャフトに作用する外力を、軸受ユニットの予負荷と補償する。従っ
て、これにより、シャフトに外から作用する力の補償を静水圧により制御するこ
とが可能となる。とりわけ、単純かつ簡易な手法でコンパートメントの圧力によ
りギャップの幅を制御することができ、その際、共鳴や、動作中に生じるシャフ
トの振幅の上昇がない。

【００１５】

【発明の実施の形態】

以下、図面に示される例を参照して、好ましい具体例について詳細に説明する
。

【００１６】図１は、本発明に従った軸受２の例示的な具体例の一部分の概略図であり、こ
れは、主軸シャフト３を有する工作機械に模範的に用いられるものであり、これ
は、圧力供給フランジ９と、ハウジング５とを有し、ハウジング５には、高周波
モーター１と第１のフランジ４を有している。無論、軸受の他の用途も可能であ
り、これは本発明を知った当業者には自由にできることであり、ここでは更に説
明することをしない。

【００１７】ＡＡ’軸を有する主軸シャフト３により、モーター１のローターと、軸受２と
、面で軸受２に隣接する第１のフランジが、互いに接続されている。フランジか
ら離れる方向に面する側では、圧力供給フランジ９はボルト１５によりハウジン
グ５に取り付けられている。このボルトは、圧力供給フランジ９の外側の領域に
配置される。

【００１８】ＢＢ’軸を有する軸受は、静液圧軸受であることが好ましい。この軸受２は、
シャフト３を介して半径方向力と軸方向力を支え、また、切削及び形削り運動の
回転成分が発生した場合に伝達される軸方向力を、第１のフランジ４の面で軸受
２と隣接する要素を介して支える。静液圧軸受２の作動のための媒体としては、
水を用いることが好ましい。

【００１９】モーターハウジング５内には、モーター１が配置され、このモーター１のロー
ターは主軸シャフト３に、例えば焼嵌めにより、直接接続され、後に後者をセッ
トする。モーターのステーターが、ローターを囲んでいる。圧力供給フランジ９
により、圧力媒体の供給及びシール１０を介した導入を可能にする。

【００２０】静液圧軸受２は、ラビリンス７及び１３により、モーターハウジングから、ま
た外側からシールされる。とりわけ、静液圧軸受２は、その端部に数本のチャン
ネルが配置される供給チャンネル１４を有するフランジの例示的な形態において
は、ワンピース本体でできている。軸受２及びその要素の詳細な説明は、図２及
び図２ａに従った説明で与えられる。このワンピース本体は、力を次の組立体へ
例えば工作機械１１へと伝達し、またボルト６により工作機械に取り付けられて
いる。本発明を知った当業者は、軸受本体を数個のピースとすることが自由にで
きるが、これは例えば組立ての理由などから必要となる場合があるだろう。

【００２１】主軸シャフト３の直径は、軸受とモーターの間の接触領域内で大きくなってい
るので、この領域にわたって（とりわけモーターの重量により）発生する軸方向
力を、主軸シャフトを介して軸受により支えることができる。カバー８は、軸受
フランジ２により、ボルト１６でハウジング５に取り付けられたフランジ１２の
上に着座する。

【００２２】軸受２の設計が単純かつコンパクトであるので、高速モーターを主軸シャフト
に直接接続され、また、静液圧軸受２は高い速度特性の範囲で接触することがな
く動作する。接触する手段がないので、主軸シャフト３は、軸受の材料に接触す
ることがない。シャフトと軸受が接触せずに動作するので、長い寿命が見込まれ
る。

【００２３】図２及び図２ａは、図１に従った静液圧軸受２の動作の原理を示す。軸受２の
供給チャンネル１４は、数個のチャンネルを有している。第１のチャンネル１７
は、供給チャンネルの連続体をなしている。このチャンネル１７は、噴出口１８
を端部とする。この噴出口は、固定式の流入チョークである。別のチャンネル２
０，２１が、噴出口２２，２３で第１のチャンネルから分岐しており、これもま
た固定式の流入チョークである。これら噴出口１８，２２，２３は、既知の技術
に従い、外部に対して（即ち主軸３に対して、あるいは第１のフランジ４に対し
て）開かれている。噴出口１８，２２，２３、主軸シャフト３、あるいは他の要
素、例えば第１のフランジ４の間には、幅がＨとｈで異なるギャップ１９，２４
，２５が存在する。動作中は、このギャップ１９，２４，２５の間を水媒体が流
れる。この噴出口を水が流れることは有利なことである。よって、例示のために
図示した主軸シャフト３の装着は、水の膜によって機能し、この水の膜はギャッ
プ１９，２４，２５の中、噴出口１８，２２，２３、主軸シャフト３及び第１の
フランジ４の間に形成される。

【００２４】軸受のリングに配置される軸受領域が軸方向力及び半径方向力を支えるという
事実により、軸受２の高い剛性が確保される点で、有利である。３〜８個の軸受
領域が、互いにある距離で配列されれば有利であり、また、チャンネルに分岐せ
ずにワンピースで設計されれば有利である。分岐チャンネルがなければ、剛性の
損失が減殺される。

【００２５】第１の軸受領域は主軸シャフト３のＡＡ’軸にほぼ垂直に図示されており、主
軸シャフト３に対して半径方向に作用する力を支える。別の軸受領域が主軸シャ
フト３のＡＡ’軸にほぼ平行に図示されており、軸方向に作用する力を支える。
このように、この軸受２は、第１の軸受領域を介して主軸シャフト３から半径方
向力及び軸方向力を支え、また、別の軸受領域を介してフランジ４から軸方向力
を支え、そしてこれらの力を、工作機械１１に接続される別のフランジ２を介し
て再伝達する。これら軸受領域は、シャフトの運動方程式の解析の結果による最
適な手法で装備される。

【００２６】第１のチャンネル１７は、主軸シャフト３の方向に供給チャンネル１４の連続
体を、ＢＢ’軸に沿って形成する。他の２つのチャンネル２０，２１が、後者か
ら垂直に、供給チャンネルの下側領域の外に延びている。これらのチャンネルは
、噴出開口２２，２３を介し、またそれぞれの場合でギャップ２４，２５を介し
て終端する。一方のチャンネル２１が、フランジの側に向きをとり、他方のチャ
ンネル２０がモーター側にある。これらのギャップ１９，２４，２５の中には水
が充填されて半径方向力及び軸方向力を支えることが可能となり、機械の動作中
は一方でフランジに伝達され他方で主軸シャフトに伝達される軸方向力を支える
。切削やフライスの動作中に発生する大きな力を想定すれば、軸受の表面剛性が
高いことが要求され、これは水媒体の圧力によって実現される。水は適当な弾性
係数約２．１ｘ１０⁵Ｎ／ｃｍ²及び適切な運動粘度１．０ｍｍ²／ｓによって特徴が与えられる。無論、本発明を知った当業者には、弾性係数及び粘度に関して
水と同様の性質を有していれば他の圧力媒体も自由に使用可能であり、ここでは
グリセリンを挙げることができるだろう。

【００２７】軸受２は、非作動中に水圧によって予負荷を与えられる。シャフト３と軸受２
の固体材料との間の接触は水を介しているだけであり、これは接触がないと説明
でき、即ち摩擦がないということである。

【００２８】固定式の流入チョークにより設定された一定のポンプ圧力及び乱流をもって、
図２から理解されるように、水が例示的な高さＨ（Ｈ＝１００ｘｈ）により主ギ
ャップ１９，２４，２５の中を通過し、後者にほぼ垂直なギャップｈの中を横方
向に流れ、戻りチャンネルの中に帰ってくる。この水の流量及び重量は、軸受に
負荷がかかって作動している間も維持される。本発明を知った当業者は、ギャッ
プの高さとコンパートメントの幅の寸法及び比をこれと異なるように自由に選択
できる。

【００２９】作動中は、軸受２に外部からの軸方向力及び半径方向力が作用する。軸方向力
が作用する領域の実験が、図２ａに例示として、力の作用下で軸受がどのように
作動するか示される。

【００３０】シャフト３は、外力Ｆ_rにより、小さなギャップｈ₀の軸ＢＢ’に沿って押圧さ
れる。この力の影響でギャップｈは、シャフト３との距離がdelta h だけ縮めら
れる。このギャップ高さの縮まりにより、水の流れる量が少なくなり、大きなギ
ャップ領域Ｈのコンパートメント圧力が上昇する。この圧力上昇は、外力Ｆ_rを弱め、ギャップを小さくする。従ってこのギャップは、自動的に再び大きくなり
、また軸受内のコンパートメント圧力が降下する。ここに説明した圧力の補償は
、摩擦を生じずに働き、この理由からほとんど熱を発生しない。乱流とならずに
連続して流れる水の循環のため、軸受の温度の上昇が防止される。

【００３１】図３では、例示として、工作主軸３の周りの軸受２の配置が示される。図３は
、前記の説明を基にしており、これを参照する。軸受２は、工作主軸３の周りの
リングの中に配置される。ＢＢ’部分によれば、シャフト３のＡＡ’軸に対しほ
ぼ半径方向にある第１の軸受領域数個を介して、半径方向力の作用Ｆ_rが補償される。ＡＡ’部分によれば、シャフト３のＡＡ’軸に対しほぼ軸方向にある別の
軸受領域数個を介して、軸方向力の作用Ｆ_aが補償される。

【００３２】図４は、例示として、互いに反対側である軸受２の２つの領域の力の比を示す
グラフを示す。図４は、前記の説明を基にしており、これを参照する。軸受領域
のギャップ幅ｈは、作用する外力Ｆに関して変化する。この力の軸を上向きにと
り、Ｆで示す。ギャップ高さの軸を右向きにとり、ｈとする。例えば第１の軸受
領域で外力Ｆ₁が増加すれば、反対側の軸受領域、例えば第２の軸受領域では力Ｆ₂が同じだけ低下する。２つの線の交叉する点は、軸受の両方の領域において予負荷Ｆ_Vの段階において生じるギャップの中心位置ｈ_mであると読むことができ
る。シャフト３が回転する動作を行っている間は、作動力Ｆ_Bが発生し、これは、外力と、軸受２に蓄積するコンパートメント力の総和である。この作動力によ
り、新しいギャップ高さが、ギャップｈの中心位置からdelta h だけずれる。第
１の軸受領域のギャップｈ₁と同じだけ、第１の軸受領域は小さくなり、これに対応して軸受領域の反対側のギャップｈ₂は大きくなる。

【００３３】この工作機械及びその要素は、例えば既知の材料や実績のある材料、例えばメ
タル（Ｃｒ-Ｎｉ鋼等）で作られている。無論、工作機械やその要素を他の材料で製造する他の方法も、本発明を知った当業者には開放されている。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、工作主軸と軸受を有する工作機械の好ましい具体例の部分を縦断面で
示す概略図である。

【図２】図２及び２ａは、図１に従って説明される軸受の動作の原理を示す図である。

【図３】図３は、図１及び図２に従った軸受の相対する側の配置を示す図である。

【図４】図５は、力の状態を、図１〜図３に従った軸受の２つの領域のギャップ高さの
関数として示す図である。

【符号の説明】

１…高周波モーター、２…軸受、３…主軸シャフト、４…第１のフランジ、５
…ハウジング、６…ボルト、９…圧力供給フランジ、１４…供給チャンネル。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シャフトに作用する外力を支える、シャフトのための軸受で
あって、軸方向力と半径方向力を支えるために、単一の静液圧軸受が具備される
軸受。
【請求項２】該静液圧軸受が、コンパクトな構造を有し、２５０万より大
きな速度特性で作動することができる請求項１に記載の軸受。
【請求項３】該静液圧軸受が、ワンピースで構成される請求項１又は２に
記載の軸受。
【請求項４】装着されるシャフトが、水の圧力により、接触なく高い剛性
をもって装着される請求項１〜３のいずれかに記載の軸受。
【請求項５】該静液圧軸受の本体が、数個のチャンネルを有し、これらチ
ャンネルは噴出口で終端し、この噴出口及び装着されるシャフトと、面で隣接す
る他の要素との一方又は両方の間には、高さの異なるギャップが配置され、該噴
出口の中を水が流れ、装着される該シャフトが水の膜によって装着される請求項
１〜４のいずれかに記載の軸受。
【請求項６】軸方向力及び半径方向力の作用下で、該ギャップが変化しコ
ンパートメント圧力が発生し、外力に対する補償の効果を弱める請求項５に記載
の軸受。
【請求項７】該静液圧軸受が、水圧により予負荷を受ける請求項１〜７の
いずれかに記載の軸受。
【請求項８】該シャフトの該軸にほぼ垂直に配向する軸受領域が、該シャ
フトに対して半径方向に作用する力を支え、該軸にほぼ平行に配向する軸受領域
が、該シャフトに対して軸方向に作用する力を支える請求項に記載の１〜７のい
ずれかに記載の軸受。
【請求項９】該軸にほぼ平行に配向する軸受領域が、面で静液圧軸受に隣
接する要素に対して軸方向に作用する力を支える請求項に記載の１〜８のいずれ
かに記載の軸受。
【請求項１０】工作機械であって、該主軸シャフトが、２５０万よりも高
い速度特性で動作することができ、該静液圧軸受が、発生する全ての力を支え、
フランジを介してこれら力を直接該工作機械に伝達する請求項１〜９のいずれか
に記載の軸受を有する工作機械。
【請求項１１】該軸受が、加工技術用の工作機械の該主軸シャフトに装着
され、モーターローターが焼嵌めにより該主軸シャフトに装着され、該主軸シャ
フトが２５０万よりも高い速度特性で動作することができる請求項１〜９にいず
れか記載の軸受の使用方法。