JP2003117770A - 主軸ユニット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 暖気運転を短時間で行えるとともに、主軸ユ
ニットの運転立ち上げ時の主軸ベアリングの焼き付け事
故を確実に防止する。 【解決手段】 ステータ側の冷却ジャケットに冷却油を
送る冷却油供給装置７２とは独立にベアリング外筒５８
の冷却専用の第２冷却油供給装置２６を設け、過冷却防
止のためにベアリング外筒５８を昇温させることのでき
る温度に加熱した冷却油を第２冷却供給装置２６から第
２冷却ジャケットに送るようにして、ベアリング外筒お
よび主軸ベアリングの外輪を内輪に比べて高い温度に保
つようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、工作機械の主軸ユ
ニットにおいて、主軸を支持するベアリングを冷却する
ための冷却方法およびその冷却方法を実施する冷却機構
を備えた主軸ユニットに関する。

【０００２】

【従来の技術】図２は、工作機械の主軸ユニットと従来
の冷却機構を模式的に示す図である。参照符号５０は主
軸ユニットの全体を示し、５２は主軸である。この主軸
ユニット５０は、大きく分けて主軸５２を駆動するモー
タ部５４と、主軸５２を回転自在に支持するベアリング
部５６とから構成されている。

【０００３】主軸ユニット５０のハウジング５７の内側
には、ベアリング外筒５８が嵌装されており、このベア
リング外筒５８の内部に主軸５２を回転自在に支持する
ベアリング６０、６１が収容されている。前側のベアリ
ング６０の内輪６０ａと後側のベアリング６１の内輪６
１ａの間には、内輪間座６２が設けられ、同様にベアリ
ング６０の外輪６０ｂとベアリング６１の外輪６１ｂの
間には、外輪間座６３が配置されている。そして、後側
のベアリング６１の背面は、主軸５２に締結された軸受
ナット６４によって拘束され、前側のベアリング６０の
前面は前蓋６５によって規制されている。これらのベア
リング６０、６１には、あらかじめ寸法によって決定さ
れる所定の予圧がかけられている。

【０００４】モータ部５４は、いわゆるビルトイン型の
モータであり、ロータ６６は主軸５２に焼き嵌めによっ
て固着されており、ステータ６７はハウジング５７に固
定されている。

【０００５】このような主軸ユニット５０のモータ部５
４およびベアリング部５６を冷却するために、ハウジン
グ５７には、ステータを冷却するための冷却油が導入さ
れるステータ冷却ジャケット６８が形成されている。そ
して、ベアリング外筒５８には、ベアリング６０、６１
を冷却するために冷却油が導入されるベアリング冷却ジ
ャケット７０が形成されている。

【０００６】図２において、参照番号７２がオイルコン
と呼ばれる冷却油供給装置である。この冷却油供給装置
７２は、冷却油を主軸ユニット５０に供給する図示しな
いポンプおよび冷却油ポンプと、冷却油を溜めるタンク
および主軸ユニット５０から戻ってきた冷却油を冷やす
ための冷却装置を備えている。

【０００７】冷却油供給装置７２の供給口から延びる冷
却油供給配管７４は、その途中で冷却油供給配管７５
ａ、７５ｂに分岐し、一方の冷却油供給配管７５ａの管
端部はハウジング５７の内部に形成されているステータ
冷却ジャケット６８の冷却油入口７６に接続され、他方
の冷却油供給配管７５ｂの管端部は、ベアリング外筒５
８に形成されているベアリング冷却ジャケット７０の冷
却油入口７７に接続されている。ステータ冷却ジャケッ
ト６８から冷却油が導出される冷却油出口７８からは、
冷却油戻り配管７９が冷却油供給装置７２の戻り口まで
延びるようになっている。同じようにして、ベアリング
冷却ジャケット７０の冷却油出口と冷却油供給装置７２
の戻り口とは、冷却油戻り配管８０によって接続されて
いる。なお、図２において、８１は、ステータ冷却ジャ
ケット７０に供給する冷却油の流量を調整する流量調節
弁を示し、８２は、ベアリング冷却ジャケット７０に供
給する冷却油の流量を調整する流量調節弁である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来の冷却方式では、
冷却油供給装置７２から供給される低温の冷却油を二手
に振り分け、一方の冷却油供給配管７４ａを通じてステ
ータ冷却ジャケット６８に送るとともに、他方の冷却油
供給配管７４ｂを通じてベアリング冷却ジャケット７０
に送られるようになっている。

【０００９】主軸ユニット５０において、冷却で大きな
問題となるのは、ベアリング外筒５８を冷却し過ぎるこ
とである。この過冷却は、主軸ユニット５０を起動後、
暖気運転を行う時に顕著に現れる。

【００１０】すなわち、起動直後は、主軸ユニット５０
のハウジング５７、ベアリング外筒５８の温度が低い上
に、ベアリング６０、６１では発熱量が少ないため、ベ
アリング冷却ジャケット７０に導入される冷却油によっ
てベアリング外筒５８が必要以上に冷やされてしまう。
そして、ベアリング６０、６１それぞれの内輪６０ａ、
６１ａは次第に温度が上昇してくるのに対して、ベアリ
ング外筒５８と直接接触している外輪６０ｂ、６１ｂの
方は、冷却油で必要以上に冷やされるため、内外輪間の
温度差がしだいに大きくなっていくことになる。このた
め、内外輪の間の熱膨張の差に起因して径方向の相対寸
法が変化し予圧が大きくなる。この予圧が増大した状態
で、急激に主軸５２の回転数を急激に上げるとベアリン
グ６０、６１が焼け付く事態に至ることがある。

【００１１】このような過冷却を防止するために、従来
は、起動直後の暖気運転では流量調整弁８２を絞ってベ
アリング冷却ジャケット７０に送る冷却油流量を少なく
することが行われれているが、そうすると、冷却油入口
７７に近い方のベアリング６１と、冷却油出口７８に近
い方のベアリング６０との間で予圧が異なってくるとい
う問題が新たに生じる。

【００１２】従来は、ベアリングの内外輪の温度差が大
きくならないように、しかも焼き付けが生じないように
主軸の回転数を徐々に上げていって暖気運転を行うのが
通常であるが、１００００回転以上にもなる高速の主軸
ユニットにもなると、暖気運転に長い時間を要するとい
う問題がある。

【００１３】そこで、本発明の目的は、前記従来技術の
有する問題点を解消し、ベアリング内外輪に温度差が生
じないようにベアリングおよびベアリング外筒の過冷却
を確実に防止することができ、これにより、暖気運転を
短時間で行えるとともに、主軸ユニットの運転立ち上げ
時の主軸ベアリングの焼き付け事故を確実に防止できる
ようにする主軸ユニットを提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、本発明は、モータ部のステータが固定されたハウ
ジングに前記ステータ冷却用の第１冷却ジャケットを形
成し、主軸ベアリングの冷却用の第２冷却ジャケットを
ベアリング外筒に形成し、前記第１ジャケットおよび第
２冷却ジャケットに冷却油が循環する冷却油循環系が構
成された主軸ユニットにおいて、冷却油を前記第１冷却
ジャケットに供給するとともに戻った冷却油を冷却する
第１の冷却油供給装置と、前記第１冷却油供給装置の供
給口と前記第１冷却ジャケットの入口部を接続する第１
の冷却配管と、前記第１冷却ジャケットの出口部と前記
冷却油供給装置の戻り口を接続する第１の戻り配管と、
冷却油を前記第２冷却ジャケットに供給するとともに戻
った冷却油を選択的に冷却または加熱可能な冷却油温調
手段を有する第２の冷却油供給装置と、前記第２冷却油
供給装置の吐出口と前記第２冷却ジャケットの入口部を
接続し流量調整弁が設けられた第２の冷却配管と、前記
第２冷却ジャケットの出口部と前記第２冷却油供給装置
の戻り口を接続する第２の戻り配管と、を具備すること
を特徴とするものである。

【００１５】本発明によれば、暖気運転時には、ステー
タ側の冷却油流量には左右されずに独立に、過冷却防止
のためにベアリング外筒を昇温させることのできる温度
に加熱した冷却油を第２冷却供給装置から第２冷却ジャ
ケットに送ることができ、運転中はベアリング外筒およ
び主軸ベアリングの外輪を内輪に比べて高い温度に保つ
ことができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明による主軸ユニット
の一実施形態について、添付の図面を参照しながら説明
する。

【００１７】図１は、本発明を適用して冷却する主軸ユ
ニットを示す図である。主軸ユニット５０それ自体は、
図２の主軸ユニットと同じであるので、同一の構成要素
には、同一の参照符号を付してその詳細な説明は省略
し、従来とは異なる本発明の特徴事項を中心に説明す
る。

【００１８】図１において、７２は、オイルコンと呼ば
れる冷却油供給装置であり、この冷却油供給装置７２の
内部には冷却油を溜めるタンクと、冷却油を吐出するポ
ンプと、タンクの冷却油を冷却する冷却器を備えている
ものである。

【００１９】この実施形態では、冷却油供給装置７２
（以下、第１冷却油供給装置とする。）は、ステータ冷
却ジャケット６８だけに冷却油を供給するようになって
いる。この第１冷却油供給装置７２の供給口と、ステー
タ冷却ジャケット６８の入口部６８ａとは、第１冷却配
管２０によって接続されている。ステータ冷却ジャケッ
ト６８の出口部６８ｂと第１冷却油供給装置７２の戻り
口は、第１戻り配管２２によって接続されている。従っ
て、冷却油供給装置７２から供給される冷却油は、第１
冷却配管２０を通して第１ステータ冷却ジャケット６８
に送られ、モータ部５４の各部を冷却した後、第１戻り
配管２２を通って冷却油ステータ供給装置７２に戻され
るという冷却油循環系が構成されている。なお、２３は
ステータ冷却ジャケット６８への冷却油量を調整する流
量調整弁を示し、２４は流量計である。

【００２０】本発明では、第１冷却油供給装置７２とは
別に、ベアリング部５６の冷却専用の第２の冷却油供給
装置２６が設けられている。この冷却油供給装置２６の
供給口と、ベアリング冷却ジャケット７０の入口部７０
ａとは、第２の冷却配管２８によって接続されている。
この第２冷却配管２８には、ベアリング冷却ジャケット
７０への冷却油流量を調整するための流量調整弁２９と
流量計３０が設けられている。ベアリング冷却ジャケッ
ト７０の出口部７０ｂと第２冷却油供給装置２６の戻り
口とは第２の戻り配管３２によって接続されている。し
たがって、第２冷却油供給装置２６から供給される冷却
油は、第２冷却配管２８を通してベアリング冷却ジャケ
ット７０に送られ、ベアリング部５６の各部を冷却した
後、第２戻り配管２２を通って第２冷却油供給装置２６
に戻されるという冷却油循環系がステータ冷却ジャケッ
ト６８に冷却油を循環させる循環系とは完全に独立して
構成されている。

【００２１】この第２冷却油供給装置２６の場合、冷却
油を冷却するだけでなく、冷却油を加熱して温度を高め
られる機能を有する冷却油温調手段３４を備えている。
この冷却油温調手段は、例えば、ヒートポンプ型の冷凍
サイクルからなり、四方弁の切り替えにより冷却、加熱
を選択的に切り換えることが可能である。

【００２２】ベアリング冷却ジャケット７０ではその入
口部７０ａの位置は、主軸先端側のベアリング６０に近
い位置が好ましく、出口部７０ｂはモータ部５４に近い
方のベアリング６１に近い位置にあることが好ましい。

【００２３】なお、図１において、Ｔ１は、ステータ冷
却ジャケット６８入口での油温を検出する温度センサ
で、Ｔ２は、ステータ冷却ジャケット６８出口での油温
を検出する温度センサである。同じように、Ｔ３は、ベ
アリング冷却ジャケット７０入口での油温を検出する温
度センサで、Ｔ４は、ベアリング冷却ジャケット７０出
口での油温を検出する温度センサである。前記流量計２
９および温度センサＴ３、Ｔ４は、冷却油温調手段３４
の図示しない制御部に接続されており、この制御部が冷
却油の温度と流量を監視する。また、この制御部は、暖
気運転時、連続運転時には、冷却油の温度がそれぞれあ
らかじめ設定された温度に冷却または加熱されるよう
に、冷却油温調手段３４を制御することができるように
なっている。

【００２４】次に、主軸ユニット５０の暖気運転時と、
暖気運転終了後の連続運転時それぞれでの冷却油のステ
ータ冷却ジャケット６８、ベアリング冷却ジャケット７
０への冷却油の供給の態様について説明する。

【００２５】暖気運転時 暖気運転時には、第２冷却油供給装置２６の冷却油設定
温度は、連続運転時よりも高く、ベアリング外筒５８の
温度を上昇させることができる程度の所定の温度に設定
されている。この設定温度は、ベアリング外筒５８の熱
容量や、気温等によってあらかじめ設定される。そし
て、主軸５２を停止したままの状態で、第２冷却油供給
装置２６は冷却油の供給を開始する。この温度の高い状
態の冷却油がベアリング冷却ジャケット７０に供給され
ることで、ベアリング外筒５８は昇温される。そして、
ベアリング外筒５８の温度が、最高回転運転時の温度に
到達した時点でモーター部５４を起動し、暖気運転を開
始する。

【００２６】回転開始後の暖気運転モードでは、ベアリ
ング冷却ジャケット７０の出入口部の温度Ｔ３、Ｔ４が
監視されて、ベアリング外筒５８の温度が必要以上に上
昇しないように、第２冷却油供給装置２６の冷却油温の
設定温度が下げられる。

【００２７】このようにして、暖気運転中におけるベア
リング６０、６１の外輪６０ｂ、６１ｂは温度が既に上
がっていて内輪６０ａ、６０ａよりも高い温度状態とな
っているため、予圧の増加を防ぐことが可能である。し
たがって、暖気運転については回転数を速やかに上げて
いって短い時間で終えることができる。

【００２８】また、ベアリング部５６においては、ベア
リング６１の方がロータ６６の発熱を受けてその内輪６
１ａは、ベアリング６０の内輪６０ａよりも高い状態に
あるが、昇温した冷却油が流れ込むステータ冷却ジャケ
ット７０の入口部７０ａがベアリング６０に近い位置に
あるため、ベアリング６０、６１の温度差を小さくし、
ベアリング６０、６１間で予圧差がないように均等にす
ることができる。

【００２９】連続運転時 連続運転モードでは、第２冷却油供給装置２６からベア
リング冷却ジャケット７０に供給する冷却油の設定温度
は、第１冷却油供給装置７２の冷却油設定温度よりも高
く設定されている。これにより、ステータ冷却ジャケッ
ト６８への冷却油流量に左右されて過冷却になることな
く、ベアリング外筒５８の温度を管理することができ
る。なお、第２冷却油供給装置２６からベアリング冷却
ジャケット７０に送る冷却油流量は、だきるだけ多いこ
とが好ましい。

【００３０】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、ベアリング内外輪に温度差が生じる原因とな
るベアリング外筒および外輪の過冷却を効果的に防止す
ることができ、これにより、暖気運転を短時間で行える
とともに、主軸ユニットの運転立ち上げ時の主軸ベアリ
ングの焼き付け事故を確実に防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による主軸ユニットの一実施形態を示す
模式図。

【図２】従来の主軸ユニットの冷却機構を示す模式図。

【符号の説明】

２０ 第１冷却配管 ２２ 第１戻り配管 ２６ 第２冷却油供給装置 ２８ 第２冷却配管 ２９ 流量調節弁 ３０ 流量計 ３２ 第２戻り配管 ３４ 冷却油温調手段 ５０ 主軸ユニット ５２ 主軸 ５７ ハウジング ５８ ベアリング外筒 ６０ 主軸ベアリング ６１ 主軸ベアリング ６８ ステータ冷却ジャケット ７０ ベアリング冷却ジャケット ７２ 第１冷却油供給装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 遠 藤 克 仁 静岡県沼津市大岡2068の３ 東芝機械株式 会社内 Ｆターム(参考） 3C011 FF06 3C048 BB14 BC01 CC04 DD13 EE02

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】モータ部のステータが固定されたハウジン
   グに前記ステータ冷却用の第１冷却ジャケットを形成
   し、主軸ベアリングの冷却用の第２冷却ジャケットをベ
   アリング外筒に形成し、前記第１ジャケットおよび第２
   冷却ジャケットに冷却油が循環する冷却油循環系が構成
   された主軸ユニットにおいて、 冷却油を前記第１冷却ジャケットに供給するとともに戻
   った冷却油を冷却する第１の冷却油供給装置と前記第１
   冷却油供給装置の供給口と前記第１冷却ジャケットの入
   口部を接続する第１の冷却配管と、 前記第１冷却ジャケットの出口部と前記冷却油供給装置
   の戻り口を接続する第１の戻り配管と、 冷却油を前記第２冷却ジャケットに供給するとともに戻
   った冷却油を選択的に冷却または加熱可能な冷却油温調
   手段を有する第２の冷却油供給装置と前記第２冷却油供
   給装置の吐出口と前記第２冷却ジャケットの入口部を接
   続し流量調整弁が設けられた第２の冷却配管と、 前記第２冷却ジャケットの出口部と前記第２冷却油供給
   装置の戻り口を接続する第２の戻り配管と、を具備する
   ことを特徴とする主軸ユニット。
2. 【請求項２】前記第２の冷却油供給装置の冷却油温調手
   段は、主軸ユニットが暖気運転モードにあるときは、ベ
   アリング外筒を加熱する温度に冷却油温を設定すること
   を特徴とする請求項１に記載の主軸ユニット。
3. 【請求項３】前記第２の冷却油供給装置の冷却油温調手
   段は、主軸ユニットが連続運転モードにあるときは、冷
   却油温を第１冷却油供給装置の冷却油温よりも高い温度
   でかつ大きな流量に設定することを特徴とする主軸ユニ
   ット。