JP2003127041A

JP2003127041A - 主軸装置

Info

Publication number: JP2003127041A
Application number: JP2001288823A
Authority: JP
Inventors: Sumio Sugita; 澄雄杉田
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2001-08-16
Filing date: 2001-09-21
Publication date: 2003-05-08

Abstract

(57)【要約】【課題】高速回転する工作機械主軸のアンバランスを的
確に修正することが出来、高速回転での振動および騒音
を低減する主軸装置をする。【解決手段】主軸５において、転がり軸受２、３より軸
端側、転がり軸受４より軸端側、および転がり軸受２、
３とモータロータ６との間の表面をそれぞれ修正面Ｐ
１，Ｐ３，Ｐ２として、ここに修正バランスを施すこと
で、３面修正を行っており、それにより、特に高速回転
速度領域で、主軸５の振動低減を図ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、工作機械の主軸装
置に関し、特に高速回転速度領域で振動低減を効果的に
達成できる主軸装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】高速回転する工作機械の主軸において
は、通常、振動低減のためバランス修正を行っている。
従来は、スピンドルの組立終了後に、２面釣り合わせの
バランサにおいて、主軸のバランス修正を行い振動を低
下させるようにしている。工作機械の主軸においては、
ＪＩＳＢ０９０５における釣り合いの良さＧ２．５〜Ｇ
０．４程度の釣り合いの良さにてバランス修正を行って
おり、それにより一定の振動低減効果が達成される。

【０００３】従来のバランス修正例としては、主軸を剛
性ロータ（軸がバランスによって変形しないと仮定でき
るロータ）として扱うことで、バランス修正面を任意の
２面とすることが出来るので、工作機械上、修正面を作
業が行いやすい位置（フロント側、リア側ともに軸端付
近の軸受ナットやバランス調整リング部）に設け、かか
る修正面に対して穿孔したりして修正を行っていた。こ
れを２面修正と称する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、近年におい
て、加工能率向上のために、工作機械主軸を高速回転化
する傾向がある。ここで、主軸の回転数が危険速度の６
０〜７０％以上になると、２面修正を行っても、軸に変
形が生じその変形自身がアンバランスとなって、振動が
急激に上昇することがわかった。特に、工作機械用モー
タビルトインスピンドルでは、主に主軸の中央部分に初
期残留アンバランスが存在するが、これを軸端付近の修
正面で２面修正を行うと、高速回転速度領域では軸に曲
げ変形が生じ、振動が増大することがわかった。

【０００５】本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑
み、例えば工作機械主軸用モータビルトインスピンドル
の特性を考慮しつつ、軸の変形（曲がり）を防ぐバラン
ス修正をおこない、高速回転速度領域において振動を低
減させる主軸装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の主軸装置は、主
軸と、前記主軸を回転自在に支持する第一の軸受手段と
第二の軸受手段と、前記第一の軸受手段と第二の軸受手
段の間に取り付けたモータロータを有し、前記モータロ
ータにより前記主軸が回転駆動される主軸装置におい
て、前記主軸の、前記第一の軸受手段より軸端側、前記
第二の軸受手段より軸端側、前記第一の軸受手段と前記
モータロータとの間の少なくとも３個所にバランス修正
面を持つことを特徴とする。

【０００７】

【作用】本発明の主軸装置は、主軸と、前記主軸を回転
自在に支持する第一の軸受手段と第二の軸受手段と、前
記第一の軸受手段と第二の軸受手段の間に取り付けたモ
ータロータを有し、前記モータロータにより前記主軸が
回転駆動される主軸装置において、前記主軸の、前記第
一の軸受手段より軸端側、前記第二の軸受手段より軸端
側、前記第一の軸受手段と前記モータロータとの間の少
なくとも３個所にバランス修正面を持つので、従来技術
のごとく２箇所で修正する場合に比べ、高速回転速度領
域における前記主軸の変形を抑え、振動を効果的に低減
させることができる。尚、前記主軸は、例えば軸単体で
あってよく、或いは軸に軸受ナット或いはバランスリン
グを固定したような構成であってもよい。また、第一、
第二の軸受手段は、一列又は複数列の転がり軸受であっ
てよい。

【０００８】本発明について、更に詳細に説明する。本
発明では、高速回転時に出来るだけ曲げ変形が発生しな
いように、修正面を３つ設けて各面でバランス修正を行
う、いわゆる３面修正を行っている。図１は、本発明の
概念を説明するための模式図である。

【０００９】図１において、ハウジング１に対して、転
がり軸受２，３，４により、主軸５が回転自在に支持さ
れている。主軸５の中央外周には、モータロータ６が設
置されている。本発明では、主軸５において、第一の軸
受手段である転がり軸受２、３より軸端側、第二の軸受
手段である転がり軸受４より軸端側、および第一の軸受
手段である転がり軸受２、３とモータロータ６との間の
表面をそれぞれ修正面Ｐ１，Ｐ３，Ｐ２として、ここに
修正バランスを施すことで、３面修正を行うものであ
る。更に、修正面Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３におけるアンバラン
ス量と、これに対向するハウジング１の測定点Ｍ１、Ｍ
２、Ｍ３における振動との関係が線形関係で近似できる
ことを利用し、修正面Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３にそれぞれに、
試しおもりを付加したときの振動の変化から、各修正面
Ｐ１、Ｐ２，Ｐ３におけるバランスの修正量を計算する
手法である。すなわち、以下の（１）式における複素数
の行列演算によって修正量を算出できる。

【数１】Ｕｙ、Ｖｘｙ、△Ｕｙ（ｘ、ｙは上式における添字１〜
３）は、大きさと位相を持つ複素数で、以下のように定
義される。Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３：修正アンバランス量 △Ｕｙ（ｙ＝１，２，３）：修正面Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に
付加した試しおもりの量Ｖ１０、Ｖ２０、Ｖ３０：測定点Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３に
おける初期の振動値Ｖ１ｙ、Ｖ２ｙ、Ｖ３ｙ（ｙ＝１、２、３）：修正面Ｐ
１，Ｐ２，Ｐ３のみに試しおもり△Ｕｙのおもりを付加
したときの測定点Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３における振動値

【００１０】（１）式より求まる修正アンバランス量Ｕ
１、Ｕ２、Ｕ３を用いて３面修正を行うことによって、
適切に振動を低減することが可能である。この３面修正
は、特に、主軸５に曲げ変形の発生する回転速度以上
（主軸の危険速度の６０％以上）で行ったときに効果が
ある。但し、この回転速度以下の領域においても、どの
修正面に試しおもりを付加しても軸の曲がりがほとんど
発生しないので、従来の２面修正と同等の効果は得るこ
とができる。

【００１１】図１のように、修正面Ｐ２を転がり軸受３
とモータロータ６の間にとることで、モータロータ６の
アンバランスなど、主軸５の中央部に存在する初期アン
バランスによって生ずる主軸５の曲げ変形を小さくする
ことが可能となり、高速回転速度領域での振動を低減さ
せることが可能となる。

【００１２】しかし、修正面Ｐ２においては、スピンド
ル組立後に外部からバランスを調整する必要が生じる。
特に、工作機械では精度維持のため外筒冷却を行うのが
一般的であるが、この外筒冷却用の流体経路と干渉しな
いように、バランス調整ネジの取付けスぺースを確保す
る必要がある。このような問題に対しては、軸受用の冷
却溝とモータの冷却溝を分離し、その中間に調整ネジ組
込用の穴のスペースを確保することで対処できる。

【００１３】更に、いわゆる工作機械ビルトインスピン
ドルでは、リア側の剛性が低いために修正面Ｐ３に関し
ても注意が必要である。特に、工作機械では、工具をク
ランプするためのばね部品を挿入するため、主軸を中空
軸にする必要があり、それによりリア側の軸の肉厚は薄
くなる傾向がある。更に、モータロータに強度の弱いア
ルミダイキャストなどを使用するため、高速回転時に遠
心力によるモータロータの破壊を防ぐためにモータロー
タの直径を小さくし、応力を小さくする必要がある。こ
れに伴いモータロータよりリヤ側の軸径も細くなってし
まう。

【００１４】又、工作機械ビルトインスピンドルでは、
主軸の回転速度と位相の制御のため、歯車状のリングの
凹凸を磁気的に感知するビルトインセンサ（検知器）を
設けることが必要となる。特に、高速回転仕様では、セ
ンサの感度を上げるため、歯車状のリング直径を小さく
し、周速度を下げなければならない場合があり、これに
伴ってセンサ部よりリヤ側の軸径はさらに細くなる場合
がある。

【００１５】このように、工作機械用ビルトインスピン
ドルでは、主軸リヤ側の軸径が細く薄肉になり、主軸の
リヤ側の剛性が低下する傾向がある。このため、修正面
が主軸の後端にあると、高速回転速度領域において曲げ
変形を生じ、振動の原因となる。このような問題に対
し、バランスの修正面を、回転検出部であるビルトイン
センサより前に設けることにより曲げ変形を少なくする
ことで対処でき、それにより振動低減が可能となる。更
に、主軸のフロント側は、軸剛性が高く曲げ変形はリア
側に比べて少ないが、出来るだけ軸受の近くに修正面を
配置することが望ましい。

【００１６】即ち、前記第二の軸受手段（図１の４）
と、前記主軸（図１の５）の軸端との間に回転検出部
（図１にＴで示す、例えばビルトインセンサ）を設け、
前記第二の軸受手段より軸端側のバランス修正位置を、
前記第二の軸受手段と回転検出部の間とすると好まし
い。

【００１７】又、前記主軸（図１の５）は中空軸を含
み、前記中空軸は、前記第一の軸受手段（図１の２、
３）嵌合部、前記モータロータ（図１の６）嵌合部、前
記第二の軸受手段（図１の４）嵌合部、前記回転検出部
（図１のＴ）嵌合部の順序で外径が小さくなる（φ１＞
φ２＞φ３＞φ４）。一方向から各部品の組み付けが行
える利点も生じる。尚、図１では、図を簡略化するため
に、主軸１を中実で外径が一様なものとして表してい
る。

【００１８】更に、前記バランス修正を行うために用い
るねじ孔を、前記主軸に形成すると、おもりの取り付け
が容易になるので好ましい。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明にかかる実施の形態
である主軸装置を、図面を参照して詳細に説明する。図
２は、本実施の形態にかかる主軸装置の断面図である。
尚、図２において、工具取り付け部がある左方を主軸装
置のフロント側と呼び、右方をリヤ側と呼ぶこととす
る。

【００２０】図２において、主軸装置１４は、ハウジン
グ２８と、主軸５と、この主軸５を、ハウジング２８に
対して回転自在に支承する複数個（図示例では合計４個
のアンギュラ玉軸受）の軸受１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，
１０ｄとを備えている。

【００２１】軸受１０ａ，１０ｂ（第一の軸受手段）
と、軸受１０ｃ，１０ｄ（第二の軸受手段）は，２個づ
つ組となって主軸５のフロント側とリヤ側とを、それぞ
れ荷重を分担して支承するように、軸方向に所定間隔を
おいて配置されている。各軸受１０ａ〜１０ｄの外輪
は、ハウジング２８の内周面に対して、内ハウジング２
０を介して固定され、最前部の軸受１０ａの外輪は、外
輪押さえ３０によって係止され、最後部の軸受１０ｄの
外輪は、外輪押さえ３４を介してハウジング２８にバネ
３６により軸方向に弾性付勢されつつ係止されている。
軸受１０ａ、１０ｂの外輪は、冷却溝２８ａを流れる冷
却油によって冷却される。

【００２２】一方、各軸受１０ａ〜１０ｄの内輪は、主
軸５の外周面に嵌合され、フロント側・リヤ側のそれぞ
れで，各軸受１０ａ〜１０ｄの間に，軸受１０ａ〜１０
ｄを軸方向に固定するための円筒状の内輪間座４０が設
けられている。

【００２３】主軸５は、中空の軸５ａと、その両端近傍
固定された軸受ナット５ｂ及びバランスリング５ｃとか
ら構成されており、軸５ａの内部において、左方の取付
部５１に工具を取り付けるための機構５０（ばね部品５
０ａを含む）が配置されている。かかる機構５０につい
ては公知のため、以下に詳細は記載しない。

【００２４】軸５ａの中央にはモータ部６０が配置され
ている。モータ部６０は、モータロータ６１と、ハウジ
ング２８に固定されたステータ６４からなる。ステータ
６４は、固定子鉄心６４と、固定子鉄心６４内部を巻回
するコイル６３からなり、冷却ジャケット６２を介して
冷却溝２８ｂを流れる冷却油によって冷却される。

【００２５】ロータ６１は、積層の珪素鋼板の周囲にア
ルミダイキャストを施した、かご型回転子の構成であ
り、軸５ａに対し１００から１５０μｍの締まりばめに
よって強固に嵌合されている。ロータ６１は、積層構造
であるという特性からバランスが悪く、主軸中央部にア
ンバランスが発生する大きな要因となる。この対策とし
て、あらかじめロータ単体でバランス修正する方法が取
られてきたが、軸と締結される際、大きな嵌めあいで生
じた変形によって新たにアンバランスが生じるため、本
ロータ部分にはアンバランスが残留してしまう。

【００２６】更に、軸５ａの回転速度と位相とを検出す
るためのセンサ（ビルトインセンサ）６５が、軸５ａの
リヤ側端部近傍の外周に配置され且つ歯車状の凹凸が形
成された検出リング６６に対向して、ハウジング２８に
対して取り付けられている。

【００２７】軸５ａは、軸受１０ａ、１０部に嵌合する
部分の外径がφ１で、モータロータ６１が嵌合する部分
の外径がφ２で、軸受１０ｃ、１０ｄが嵌合する部分の
外径がφ３で、検出リング６６が嵌合する部分の外径が
φ４であり、φ１＞φ２＞φ３＞φ４の関係が成立して
いる。

【００２８】潤滑油供給装置２２に接続された配管１８
は，それぞれ主軸装置１４の内ハウジング２０におい
て、各軸受１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ近傍に配置
されたノズル１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄに接続さ
れている。

【００２９】次に、本実施の形態の動作について説明す
る。取付部５１に工具（不図示）を取り付けた状態で、
不図示の駆動回路からの動力供給により、モータ部６０
がモータロータ６１を回転駆動し、それにより主軸５と
共に工具が回転するようになっている。主軸５の回転速
度及び位相の制御は、センサ６５からの信号に基づいて
行われる。主軸５の回転速度に応じて、潤滑油供給装置
２２から潤滑油が供給され、ノズル１２ａ〜１２ｄを介
して軸受１０ａ〜１０ｄが潤滑されるようになってい
る。

【００３０】本実施の形態においては、主軸５におい
て、第一の軸受手段である転がり軸受１０ａ、１０ｂよ
り軸端側に配置された軸受ナット５ｂ上、第二の軸受手
段である転がり軸受１０ｃ、１０ｄより軸端側であって
且つ回転検出部である検出リング６６より内側に配置さ
れたバランスリング５ｃ上、および軸受１０ｂとモータ
ロータ６１との間の軸５ａ表面を、それぞれ修正面Ｐ
１，Ｐ２，Ｐ３としており、ここに修正バランスを施す
ことで、３面修正を行っている。

【００３１】尚、軸受ナット５ｂ、バランスリング５ｃ
は、それぞれ軸線に直交する面が修正面Ｐ１，Ｐ２とな
っているので、フロント側もしくはリヤ側から加工する
ことで、バランス調整用のねじ孔を形成することが出来
る。一方、軸５ａの表面に形成される修正面Ｐ３につい
ては、ねじ孔加工は軸５ａ単体で行えるものの、ねじ孔
にバランス用おもりをどのようにして取り付けるかが問
題である。そこで、本実施の形態では、軸受冷却用の溝
２８ａを含む内ハウジング２０と、モータ冷却用溝２８
ｂを含むハウジング２８のモータ冷却部とを分離するよ
うにし、更にハウジング２８と、内ハウジング２０と
に、それぞれ軸線に直交する方向に延在する孔２１、２
０ａを穿孔し、かかる孔２１、２０ａを介してバランス
用おもりを取り付けるようにしている。また、調整作業
中にバランス用おもりが落下しても、主軸装置１４内部
にバランス用おもりが侵入しないように、孔２０ａの先
端と軸５ａとのすきまを小さくしている。バランス調整
後は、孔２１の外方端に止め栓２１ａを嵌め込むことに
よって、外部からの切削水の侵入などを防ぐことが出来
る。なお、バランス修正は、ネジを備えたバランス用お
もりを、修正面のねじ孔に螺合させるのが最も作業性が
よいが、直接修正面を削ってもよく、またアンバランス
を持つ２つ（複数）のリングの位相を組み合せて修正す
ることも可能である。

【００３２】バランス修正時における振動の測定点は、
任意の３点を選ぶことが出来るが、修正面近傍のハウジ
ング外径部とするのが修正精度向上の面で望ましい。

【００３３】（実施例）第１の軸受手段［セラミック玉アンギュラ軸受の並列組
合わせ］軸受内径：７０ｍｍ軸受外径：１１０ｍｍ軸受幅：２０ｍｍ軸受接触角：１８° 最高回転速度：４００００ｍｉｎ^−１第２の軸受手段［セラミック玉アンギュラ軸受の並列組
合わせ］軸受内径：５５ｍｍ軸受外径：９０ｍｍ軸受幅：１８ｍｍ軸受接触角：１８° モータロータ内径：５６ｍｍ外径：８６ｍｍ幅：８０ｍｍ

【００３４】図３〜５は、上記実施例に関する軸系の動
的解析結果を示す図である。図３は、モータロータの中
央に初期の残留アンバランス３ｇ・ｃｍ（ＪＩＳＧ２．
５程度のアンバランス）があった場合において、従来の
２面修正および本実施例による３面修正を行った際の４
万ｍｉｎ^−１における軸の曲げ変形曲線を示したもので
ある。２面修正では、中央部のアンバランスを軸端付近
のみで修正するため大きな曲げ変形を生じている。高速
回転速度領域では、曲がり変形自体がアンバランスとな
るので、このように大きな変形を生じる。それに対し、
３面修正では最大変形量は１／５程度に減少している。

【００３５】図４は、従来の２面修正と３面修正におい
て、主軸のアンバランスによって生じる軸受の反力（軸
受４つの合力）を解析した結果で、回転速度を横軸にと
って比較した結果である。

【００３６】この軸受反力は回転力に対応し、軸受反力
が大きくなれば主軸の振動が大きくなることを意味す
る。２面修正でも３面修正でも、２００００〜３０００
０ｍｉｎ^−１程度までは同等の軸受反力であるが、３面
修正では、それ以上の高速回転速度領域で軸受反力が小
さくなっている。これは、３面修正により、軸の曲がり
変形が小さくなったことが理由と考えられる。

【００３７】図５は、比較例としてリヤ側の修正面位置
を軸端ナット（図２の６７）における軸線直交面（図２
のＰ４）とした場合（即ちセンサよりリヤ側に修正面Ｐ
４を配置した場合）と、実施例としてセンサよりフロン
ト側のバランスリング（図２の５ｃ）とした場合とにお
ける主軸の変形曲線の比較結果である。各修正面（Ｐ
２，Ｐ４）に約１．５ｇｃｍの修正おもりを付加した時
の４００００ｍｉｎ^−１における変形を解析した。本実
施例のように修正面を、センサよりフロント側にした場
合には、軸端に修正面があるのに比べて最大変形量が約
１／２に減少する。これにより振動を低減することが可
能である。

【００３８】図６は、バランス修正の違いによる振動を
実際に計測した結果を示し、主軸フロント側（具体的に
は図２のハウジング２８外周面Ｐ５）における軸線直交
方向の振動値の回転周波数成分を記録した図である。２
面修正はそれぞれ１００００ｍｉｎ^−１、３６０００ｍ
ｉｎ^−１の回転速度において２種類、３面修正は３６０
００ｍｉｎ^−１の回転速度にてＧ０．４相当のバランス
修正を行った。

【００３９】図６によれば、１００００ｍｉｎ^−１での
バランス修正は、低速回転速度領域では振動は小さい
が、高速回転速度領域になると振動が大きくなることが
判る。３６０００ｍｉｎ^−１での２面修正においては、
３６０００ｍｉｎ^−１での振動は小さいが、その他の回
転速度での振動が大きい。これは、主軸に曲げ変形が生
じた状態でバランスを修正しているためで、曲げ変形の
生じていない低速回転速度領域や、曲げ変形の大きさが
変わるさらに高速回転速度領域では、釣り合いが適切に
取れないことを意味している。本実施例による３面修正
は、２面修正にくらべて、低速回転速度領域ではほば同
等の振動抑制効果があり、更に高速回転速度領域におい
て、２面修正に比べ振動をより低減させることが可能で
ある。

【００４０】次に、リアの曲げ変形の効果を確認するた
めに、比較例としてのリア軸端ナット（図２の６７）で
の修正と、実施例としてのセンサよりフロント側でのバ
ランスリング（図２の５ｃ）での修正とを比較した。リ
ア軸端ナットで修正した場合には、曲げ変形によるアン
バランスで、４００００ｍｉｎ^−１付近で振動が上昇し
ている。センサよりフロント側の修正では、４００００
ｍｉｎ^−１という超高速回転速度領域においても振動の
上昇が少なくなっている。

【００４１】図７は、本発明の実施例における騒音の測
定結果を示す図であり、ここでは主軸フロント側１ｍで
測定を行っている。本発明の３面修正では、２面修正に
比べ振動が低下するためこれに伴う騒音も低下すること
がわかる。

【００４２】本発明にかかるバランス修正法は、転がり
軸受以外に、磁気軸受、空気軸受などを用いた高速回転
する主軸装置においても有効である。

【００４３】

【発明の効果】本発明によれば、高速回転する工作機械
主軸のアンバランスを的確に修正することが出来、高速
回転での振動および騒音を低減する主軸装置が提供され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の概念を説明するための模式図である。

【図２】本実施の形態にかかる主軸装置の断面図であ
る。

【図３】本発明の実施例に関する軸系の動的解析結果を
示す図である。

【図４】本発明の実施例に関する軸系の動的解析結果を
示す図である。

【図５】本発明の実施例に関する軸系の動的解析結果を
示す図である。

【図６】バランス修正の違いによる振動を実際に計測し
た結果を示し、主軸フロント側のハウジングにおける軸
線直交方向の振動値の回転周波数成分を記録した図であ
る。

【図７】本発明の実施例における騒音の測定結果を示す
図である。

【符号の説明】

５主軸５ａ軸５ｂ軸端ナット５ｃバランスリング１０ａ〜１０ｄ軸受１４主軸装置２８ハウジング

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】主軸と、前記主軸を回転自在に支持する
第一の軸受手段と第二の軸受手段と、前記第一の軸受手
段と第二の軸受手段の間に取り付けたモータロータを有
し、前記モータロータにより前記主軸が回転駆動される
主軸装置において、前記主軸の、前記第一の軸受手段より軸端側、前記第二
の軸受手段より軸端側、前記第一の軸受手段と前記モー
タロータとの間の少なくとも３個所にバランス修正面を
持つことを特徴とする軸受装置。
【請求項２】前記第二の軸受手段と、前記主軸の軸端
との間に回転検出部を設け、前記第二の軸受手段より軸
端側のバランス修正位置を、前記第二の軸受手段と前記
回転検出部との間とすることを特徴とする請求項１に記
載の主軸装置。
【請求項３】前記主軸は中空軸を含み、前記中空軸は
前記第一の軸受部、前記モータロータの嵌合部、前記第
二の軸受部、前記回転検出部の順序で外径が小さくなる
ことを特徴とする請求項２に記載の主軸装置。
【請求項４】前記バランス修正を行うために用いるね
じ孔を、前記主軸に形成したことを特徴とする請求項１
乃至３のいずれかに記載の主軸装置。