JP2003117771A

JP2003117771A - 主軸ユニットおよびその冷却方法

Info

Publication number: JP2003117771A
Application number: JP2001308838A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Asanome; 裕浅野目; Katsuto Endo; 藤克仁遠; Yoshiaki Kai; 斐義章甲
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 2001-10-04
Filing date: 2001-10-04
Publication date: 2003-04-23

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】冷却油供給装置７２から第１ジャケット
６８に冷却油を導入し、ステータ６７を冷却して昇温し
た冷却油を第１ジャケット６８から第２ジャケット７０
に導入してベアリング外筒５８を冷却し、第２ジャケッ
ト７０から冷却油を冷却油供給装置７２に戻す。

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６７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６
０、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の吐出口から延びる冷
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７９と冷却油循環装置
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７５ａ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７５ｂ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を合理的
に冷却することができ、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
する主軸ユニットおよびその冷却方法を提供することに
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、冷却油供給装置から供給され
る冷却油を前記第１ジャケットおよび第２冷却ジャケッ
トを通じて循環させる主軸ユニットの冷却方法におい
て、冷却油供給装置から前記第１ジャケットに冷却油を
導入し、ステータを冷却して昇温した冷却油を第１ジャ
ケットから第２ジャケットに導入してベアリング外筒を
冷却し、第２ジャケットから冷却油を前記冷却油供給装
置に戻すことを特徴とするものである。

【００１５】本発明によれば、モータを冷却した後の温
度の高い状態の冷却油がベアリング冷却ジャケットに供
給されることで、ベアリング外筒が昇温され、暖気運転
中におけるベアリングの外輪は過冷却されずに温度が上
がるため、内輪よりも高い温度状態となるため、予圧の
増加を防ぎ、ベアリングに焼き付きが生じる懸念なしに
暖気運転を短時間で行うことができる。

【００１６】また、本発明の冷却方法を実施する主軸ユ
ニットは、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、冷却油を供給するとともに戻
った冷却油を冷却する冷却油供給装置と前記冷却油供
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、前記冷却ジャケットの出口部
と前記第２冷却ジャケットの入口部を接続する第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冷却
油供給装置の戻り口を接続する戻り配管と、前記第２冷
却ジャケットに導入される冷却油量を調整する手段と、
を備えることを特徴とするものである。

【００１７】上記主軸ベアリングは、主軸先端側に配置
される第１のベアリングと、モータ側に配置される第２
のベアリングからなり、前記第２ジャケットの入口部
は、前記第１ベアリングに近い位置に、第２第２ジャケ
ットの出口部は前記第２ベアリングに近い位置にそれぞ
れ位置することが、ベアリング間の予圧を均等にするた
めに好ましい。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明による主軸ユニット
およびその冷却方法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。

【００１９】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。

【００２０】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。

【００２１】本実施の形態では、冷却油供給装置から供
給される冷却油は、次のような管路を流れてステータ冷
却ジャケット６８と、ベアリング冷却ジャケット７０に
送られ各部を冷却した後、再び冷却油供給装置７２に戻
されるという冷却油循環系が構成されている。

【００２２】まず、参照符号２０は、冷却油供給装置７
２の吐出口とステータ冷却ジャケット６８の入口部６８
ａを接続する第１の冷却配管である。２２は、ステータ
冷却ジャケット６８の出口部６８ｂとベアリング冷却ジ
ャケット７０の入口部７０ａを接続する第２の冷却配管
である。２４は、ベアリング冷却ジャケット７０の出口
部７０ｂと冷却油供給装置７２の戻り口を接続する戻り
配管である。第２冷却配管２２からは、バイパス配管２
６が途中から分岐しており、このバイパス配管２６の下
流は、戻り配管２４に合流するようになっている。

【００２３】なお、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６
０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。

【００２４】第２冷却配管２２には、バイパス配管２６
との分岐点より下流側に流量調整弁２８、流量計２９が
設けられている。同様に、バイパス配管２６には、流量
調整弁３０、流量計３１が設けられている。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２８、３１および温度センサＴ１乃至Ｔ４は、制御
装置３２に接続されており、この制御装置３２が冷却油
の温度と流量を監視する。また、制御装置３２は、暖気
運転時、連続運転時には、それぞれあらかじめ設定した
任意の流量、温度の冷却油がステータ冷却ジャケット６
８、ベアリング冷却ジャケット７０に供給されるよう
に、前記流量調整弁２８、３０の開度を制御することが
できる。

【００２５】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。

【００２６】暖気運転時暖気運転時には、第２冷却配管２２の流量調整弁２８の
開度は絞り込められ、バイパス配管２６の流量調整弁３
０は全閉とされる。ベアリング冷却ジャケット７０に流
入する冷却油の流量を絞ることにより、第１冷却配管２
０からステータ冷却ジャケット６８に導入された冷却油
はステータ６７の熱を吸収して温度が上昇し、このとき
ステータ冷却ジャケット６８の出口側の油温は、ベアリ
ング外筒５８の温度よりも高い状態となっている。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７
０に供給されることで、ベアリング外筒５８は昇温され
る。このようにして、たとえ冷却油供給装置７２の設定
油温が低い場合でも、暖気運転中におけるベアリング６
０、６１の外輪６０ｂ、６１ｂはベアリング外筒５８が
過冷却されずに温度が上がるため、内輪６０ａ、６０ａ
よりも高い温度状態となるため、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。

【００２７】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。

【００２８】連続運転時以上のようにして、暖気運転が終了した後は、バイパス
配管２６の流量調整弁３０を開き、モータ部５４の保護
のためにステータ冷却ジャケット６８に供給する冷却油
量を増加させる。制御装置３２は温度センサＴ１、Ｔ２
のステータ冷却ジャケット６８の出入口の油温と、流量
計２９、３１の流量値に基づいて、流量調整弁３０の開
度を最適冷却になるように調整するようことができる。
このとき、同時に、第２冷却配管２２の流量調整弁２８
の開度が調整され、モータ負荷トルクが最小になるよう
にベアリング冷却ジャケット７０に供給される冷却油量
が調整される。

【００２９】

【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ないように
ベアリング外筒をモータの熱を合理的に利用して冷却す
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２冷却配管２４戻り配管２６バイパス配管２８流量調整弁２９流量計３０流量調節弁３１流量計３２制御装置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冷却油供給装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者甲斐義章静岡県沼津市大岡2068の３東芝機械株式会社内Ｆターム(参考） 3C011 FF06 3C048 AA07 BB14 CC04 DD13 EE02

Claims

【特許請求の範囲】

【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、冷却油供給装置から供給される
冷却油を前記第１ジャケットおよび第２冷却ジャケット
を通じて循環させる主軸ユニットの冷却方法において、冷却油供給装置から前記第１ジャケットに冷却油を導入
し、ステータを冷却して昇温した冷却油を第１ジャケッ
トから第２ジャケットに導入してベアリング外筒を冷却
し、第２ジャケットから冷却油を前記冷却油供給装置に
戻すことをことを特徴とする主軸ユニットの冷却方法。
【請求項２】主軸ユニットを暖気運転する間は、前記第
１ジャケットから導出される冷却油の温度を流量を絞る
ことによりベアリング外筒温度よりも高く保つようにし
たことを特徴とする請求項１に記載の主軸ユニットの冷
却方法。
【請求項３】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、冷却油を供給するとともに戻った冷却油を冷却する冷却
油供給装置と前記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、前記冷却ジャケットの出口部と前記第２冷却ジャケット
の入口部を接続する第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冷却油供給装置
の戻り口を接続する戻り配管と、前記第２冷却ジャケットに導入される冷却油量を調整す
る手段と、を備えることを特徴する主軸ユニット。
【請求項４】前記第２冷却配管からは、流量調整弁の設
けられたバイパス配管が分岐し前記戻り配管に合流する
ことを特徴とする請求項３に記載の主軸ユニット。
【請求項５】主軸ベアリングは、主軸先端側に配置され
る第１のベアリングと、モータ側に配置される第２のベ
アリングからなり、前記第２ジャケットの入口部は、前
記第１ベアリングに近い位置に、第２第２ジャケットの
出口部は前記第２ベアリングに近い位置にそれぞれ位置
することを特徴とする請求項３または４に記載の主軸ユ
ニット。