JP2003145393A - 主軸装置 - Google Patents

主軸装置

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JP2003145393A
JP2003145393A JP2001351159A JP2001351159A JP2003145393A JP 2003145393 A JP2003145393 A JP 2003145393A JP 2001351159 A JP2001351159 A JP 2001351159A JP 2001351159 A JP2001351159 A JP 2001351159A JP 2003145393 A JP2003145393 A JP 2003145393A
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helium
housing
motor
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亮 渡邉
Tetsuo Ichikizaki
哲雄 市来崎
Keiji Mizuta
桂司 水田
Kenji Hamanaka
憲二 濱中
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 主軸の損失動力が小さくモータパワーを低減
することができる一方で、冷却効果も得られる簡単な構
造の主軸装置を提供する。 【解決手段】 軸受３ａ，３ｂ，４を介してハウジング
２に主軸５を回転自在に支持する工作機械の主軸装置に
おいて、前記ハウジング２内の主軸外周隙間に空気より
密度が小さくかつ流体抵抗が小さいヘリウムをヘリウム
供給口２８から導入すると共にヘリウム排出口２９より
外部へ排出するヘリウム循環系を設け、該ヘリウム雰囲
気下で前記主軸５を回転させるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ビルトインモータ
型のマシニングセンタ等工作機械の主軸装置に関する。
【０００２】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】マシニン
グセンタ等工作機械の主軸装置として、主軸にモータの
ロータが、主軸ケースの内周部にモータのステータが取
り付けられ、主軸ケース内にモータが組み込まれたビル
トインモータ型の主軸装置が良く知られている。
【０００３】このようなビルトインモータ型主軸装置で
は、軸受の転がり摩擦熱の伝導、輻射に加えて、内蔵モ
ータ（主軸モータ）の発熱による温度上昇によって、主
軸が熱変形することを避けるために、従来から種々の冷
却機構が提案されている。
【０００４】例えば、特開2000-15541号公報では、主軸
の前部から後部にわたるその軸線方向外周面に連続した
螺旋溝を設けて、その螺旋溝に冷却液を循環させ、冷却
液を前部軸受及び後部軸受の内輪や主軸駆動モータのロ
ータの内側などに接触させて、それらを直接冷却すると
共に主軸自体も冷却するものが開示されている。
【０００５】また、特開2000-52188号公報では、ビルト
インモータ型主軸装置の主軸に同主軸と一体回転するリ
ング状の放熱フィン部材を装着し、該放熱フィン部材に
冷却空気を吹き付ける冷却空気通路を主軸ケースに形成
したものが開示されている。
【０００６】ところが、前者にあっては、冷却液の漏れ
防止を講じなくてはならず、装置が複雑となり、コスト
アップを招来するという不具合があった。また、後者に
あっては、冷却空気が他のガス（気体）より比較的密度
が高くかつ流体抵抗が大きいことから、回転体としての
主軸の損失動力が大きく、モータパワーも大きいものが
要求されるという問題点があった。
【０００７】本発明は、前記従来の主軸装置に関わる諸
問題に鑑み提案されたもので、主軸の損失動力が小さく
モータパワーを低減することができる一方で、冷却効果
も得られる簡単な構造の主軸装置を提供することを目的
とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めの請求項１に係る発明の主軸装置は、軸受を介してハ
ウジングに主軸を回転自在に支持する工作機械の主軸装
置において、前記ハウジング内に空気より密度が小さく
かつ流体抵抗が小さいガスを循環させる手段を設け、該
循環ガス雰囲気下で前記主軸を回転させることを特徴と
する。
【０００９】また、請求項２に係る発明の主軸装置は、
前記ハウジングの主軸摺動隙間にシール用ガスを供給
し、前記ハウジング内を外部と隔絶したことを特徴とす
る。
【００１０】また、請求項３に係る発明の主軸装置は、
前記循環ガスの循環系に前記シール用ガスを分離・排出
するシール用ガス分離装置を介装したことを特徴とす
る。
【００１１】また、請求項４に係る発明の主軸装置は、
前記循環ガスはヘリウムであることを特徴とする。
【００１２】また、請求項５に係る発明の主軸装置は、
前記主軸にモータのロータを、ハウジングの内周部にモ
ータのステータを取り付け、前記ハウジング内に主軸モ
ータが組み込まれていることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を実施
例により図面を用いて詳細に説明する。
【００１４】［実施例］図１は本発明の一実施例にかか
るビルトインモータ型主軸装置の縦断面図、図２は同じ
く要部拡大断面図である。
【００１５】図１に示すように、ＡＴＣ（自動工具交換
装置）を備えたマシニングセンタの図示しないアーム上
を図中左右方向へ移動可能な主軸ヘッド１にハウジング
（ケース）２がその右半部を主軸ヘッド１内に収容した
状態で固設される。
【００１６】前記ハウジング２内には、前後一対の前方
軸受３ａ，３ｂと後方軸受４とを介して主軸５が回転可
能に収容保持されている。この主軸５の先端部には、プ
ルスタッド６ａを有した工具ホルダー６が、後述するド
ローバー９により主軸５と一体回転可能に引き込まれる
ようになっている。
【００１７】詳述すると、前記主軸５の中心貫通孔８に
はドローバー９が挿通されており、該ドローバー９は前
記中心貫通孔８内を長手方向に摺動可能なナット１０に
螺合させることによって、その中心軸線が主軸５の中心
軸線と一致するようにセンタリング保持されている。ま
た、ナット１０の後方にはドローバー９と一体的に長手
方向に移動するジョイント１２が嵌合される。
【００１８】そして、前記ドローバー９は、その先端部
に組み付けたコレットチャック７で前記工具ホルダー６
のプルスタッド６ａを引き込むことにより、図示しない
工具を保持した工具ホルダー６を前記コレットチャック
７を介して主軸５と一体的に固定（クランプ）するよう
になっている。
【００１９】また、前記ドローバー９の中間部外周に
は、左巻きと右巻きの前後一対の圧縮コイルばね１４
ａ，１４ｂが３個の筒状のスペーサー１５ａ，１５ｂ，
１５ｃを介して巻装され、ドローバー９を常時引き込み
側に付勢している。尚、前記圧縮コイルばね１４ａ，１
４ｂに代えて普通の皿ばねを多数用いても良い。
【００２０】前記工具ホルダー６のクランプを解除（ア
ンクランプ）するには、主軸５の後方に設けられた油圧
シリンダ１６が使用される。この油圧シリンダ１６は、
ハウジング２の後部に中間部材１３を介して一体的に組
み付けられたヘッド部１７ａ，１７ｂ内をピストン１８
が摺動自在に収装されてなる。
【００２１】そして、前記ピストン１８が、ポートＰ
１，Ｐ２に給，排される図示しない油圧供給源からの圧
油により、伸び側（主軸５の先端側）にストロークする
と、やがてピストン１８の前端部がドローバー９のロッ
ドエンド（厳密にはジョイント１２の後端面）に当接し
て当該ドローバー９を圧縮コイルばね１４ａ，１４ｂの
付勢力に抗して前進動（押出し）させ、これによりドロ
ーバー９先端に組み付けられたコレットチャック７が解
放動作して工具ホルダー６をアンクランプする。
【００２２】一方、工具ホルダー６が主軸５先端に挿入
された状態で、ピストン１８を縮み側（主軸５の後端
側）にストロークさせると、ドローバー９の後退動（引
込み）より前記コレットチャック７がプルスタッド６ａ
に対し係合動作して工具ホルダー６をクランプするよう
になっている。
【００２３】また、前記主軸５を回転させるために、モ
ータを本主軸装置に組み込んでいる。つまり、ロータ２
３を主軸５の適宜位置外周に固定し、該ロータ２３と対
向させてステータ２４をハウジング２の内周に固定し、
所謂ビルトインモータが形成されている。
【００２４】図２に示すように、本実施例では、前記前
方軸受３ａ，３ｂに背面合わせのアンギュラ軸受が用い
られ、主軸５の支持剛性の殆どを担っている。従って、
後方軸受４にはローラ軸受が用いられている（図１参
照）。また、前記前方軸受３ａ，３ｂ間には内輪間座２
５と外輪間座２６が介装される。
【００２５】そして、本実施例では、フロントエンドキ
ャップ２７にヘリウム供給口（供給通路）２８が形成さ
れると共に、ヘッド部１７ａにヘリウム排出口（排出通
路）２９が形成される。
【００２６】前記ヘリウム供給口２８には、ボンベ３０
内のヘリウム（循環ガス）が圧力調整弁３１により所定
の圧力（空気圧力＞ヘリウム圧力）に調整された後、ブ
ロア３２により熱交換器３３に圧送され、ここで冷却さ
れて供給されるようになっている。
【００２７】一方、前記ヘリウム排出口２９から排出さ
れたヘリウム（後述するシール用ガスとしての空気を含
んだ）は、前記ブロア３２側に戻されるが、必要に応じ
てポンプ３４によりヘリウム分離装置３５に圧送され、
ここで冷凍機により空気を液化分離して排出した後、前
記ブロア３２側に戻されるようにもなっている。
【００２８】そして、前記ヘリウム供給口２８に供給さ
れたヘリウムは、主軸外周隙間を通って前記ヘリウム排
出口２９に至り、以後循環するようになっている。つま
り、ヘリウム供給口２８→前方軸受３ａ内部→内輪間座
２５と外輪間座２６の隙間→前方軸受３ｂ内部→ハウジ
ング２内部→後方軸受４内部→中間部材１３とヘッド部
１７ａ間空間→ヘリウム排出口２９と順次流れるのであ
る。
【００２９】また、前記フロントエンドキャップ２７に
は、更に、前述したシール用ガスとしての空気が図示し
ない加圧空気供給源より供給される空気供給口（供給通
路）３６が形成され、前記フロントエンドキャップ２７
と軸受押え３７との摺動隙間をエアシールするようにな
っている。つまり、前記主軸外周隙間に供給されたヘリ
ウムが前記摺動隙間を通って外部に漏れるのを防止する
と共に、前記主軸外周隙間に前記摺動隙間を通って外部
からクーラントや切粉が侵入するのを防止するのであ
る。
【００３０】また、前記ピストン１８には、クーラント
（冷却剤）が図示しない供給源より供給されるクーラン
ト供給口（供給通路）３８が形成され、ピストン１８と
ジョイント１２との初期間隙Ｃが埋まった際には、ドロ
ーバー９の内部通路３９や工具ホルダー６内等を通って
図示しないワークの加工点にクーラントが供給されるよ
うになっている。
【００３１】このように構成されるため、ドローバー９
が主軸５の後端側に引き込まれて工具ホルダー６をクラ
ンプすると共にピストン１８の若干の伸び作動（工具ホ
ルダー６をアンクランプするまで至らない）で初期間隙
Ｃを埋めた状態で、ロータ２３とステータ２４とからな
る所謂ビルトインモータで主軸５が回転されることで、
図示しないワークが加工される。
【００３２】この際、主軸５はハウジング２内で、主軸
外周隙間に供給されるヘリウムのガス雰囲気下で回転さ
れる。このヘリウムは、空気より密度が小さく流体抵抗
も小さいので、回転体としての主軸５の損失動力Ｗが低
減され、モータパワーが低減される。この結果、主軸５
の高速回転が可能となる。特に、モータロータ外周の周
速が空気中音速（約340m/s）を超えるような回転では、
空気攪拌に消費されるモータ動力が急増する。また、ヘ
リウム中の音速も高く、衝撃波発生を防止することが出
来る（ヘリウムと水素の音速はそれぞれ約1000m/s , 13
00m/sである）。
【００３３】尚、本発明者等が、下記（１）式を用いて
各種気体の損失動力Ｗを計算した結果、空気とヘリウム
の損失動力比は１：０．２２となり、大きく損失動力Ｗ
を低減できることが判った。因みに、空気と水素の損失
動力比は１：０．１１であった。
【数１】
【００３４】また、ヘリウムは、空気より熱伝達率が高
いので、高速で循環させれば、軸受３ａ，３ｂ，４の転
がり摩擦熱の伝導、輻射に加えて、ロータ２３とステー
タ２４とからなる所謂ビルトインモータの発熱により温
度上昇する主軸５の冷却効果が得られる。
【００３５】尚、本発明者等が、下記（２）式を用いて
各種気体の熱輸送による熱量Ｑｃを計算した結果、空気
とヘリウムの伝熱熱量比は１：１２．８となり、大きな
伝熱量が期待できることが判った。因みに、空気と水素
の伝熱熱量比は１：１６．５であった。
【数２】
【００３６】ところで、本実施例では、前述したよう
に、空気供給口３６より導入する空気により、主軸外周
隙間（ハウジング２内）に供給されたヘリウムがフロン
トエンドキャップ２７と軸受押え３７との摺動隙間を通
って外部に漏れるのを防止できると共に前記摺動隙間を
通って外部からクーラントや切粉が前記主軸外周隙間に
侵入するのを防止することができるが、前記導入した空
気がヘリウムに混入することにもなる。
【００３７】ところが、本実施例では、前述したよう
に、ヘリウムの循環系にヘリウム分離装置３５を設け
て、余分な空気を分離・排出しているので、主軸外周隙
間（ハウジング２内）には常に十分な量のヘリウムを循
環させられる。また、ヘリウムの多少の漏れは許容でき
るので、シール構造が簡略化できる利点がある。
【００３８】尚、本発明は上記実施例に限定されず、本
発明の要旨を逸脱しない範囲で各種変更が可能であるこ
とはいうまでもない。例えば、本発明の主軸装置は、Ａ
ＴＣやビルトインモータを有しない工作機械の主軸装置
にも適用することができる。また、循環ガスとしてヘリ
ウムに代えて空気より密度が小さく流体抵抗も小さい水
素の気体を循環させても良い。ただし、安全性や対環境
性更にはコストを考慮して選択しなければならない。ま
た、主軸５や軸受３ａ，３ｂ，４等の冷却に冷却液を併
用しても良い。また、シール用ガスとして空気に代えて
他の気体を用いても良い。
【００３９】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように請求項１の
発明の主軸装置によれば、軸受を介してハウジングに主
軸を回転自在に支持する工作機械の主軸装置において、
前記ハウジング内に空気より密度が小さくかつ流体抵抗
が小さいガスを循環させる手段を設け、該循環ガス雰囲
気下で前記主軸を回転させるので、主軸の損失動力が小
さくモータパワーを低減することができる一方で、冷却
効果も得られる。また、循環ガスの多少の漏れは許容で
きるので、シール構造が簡略化できる。
【００４０】また、請求項２の発明の主軸装置によれ
ば、前記ハウジングの主軸摺動隙間にシール用ガスを供
給し、前記ハウジング内を外部と隔絶したので、主軸外
周隙間（ハウジング内）に供給された循環ガスがハウジ
ングの主軸摺動隙間を通って外部に漏れるのを防止でき
ると共に前記主軸摺動隙間を通って外部からクーラント
や切粉が前記主軸外周隙間に侵入するのを防止すること
ができる。
【００４１】また、請求項３の発明の主軸装置によれ
ば、前記循環ガスの循環系に前記シール用ガスを分離・
排出するシール用ガス分離装置を介装したので、主軸外
周隙間（ハウジング内）には常に十分な量の循環ガスを
循環させられる。
【００４２】また、請求項４の発明の主軸装置によれ
ば、前記循環ガスはヘリウムであるので、請求項１の効
果に加えてコスト及び安全性の面でも有利であるという
利点がある。
【００４３】また、請求項５の発明の主軸装置によれ
ば、前記主軸にモータのロータを、ハウジングの内周部
にモータのステータを取り付け、前記ハウジング内に主
軸モータが組み込まれているので、所謂ビルトインモー
タの発熱により主軸が温度上昇するのを効果的に抑制で
きる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例にかかるビルトインモータ型
主軸装置の縦断面図である。
【図２】同じく要部拡大断面図である。
【符号の説明】
１ 主軸ヘッド ２ ハウジング ３ａ，３ｂ 前方軸受 ４ 後方軸受 ５ 主軸 ６ 工具ホルダー ７ コレットチャック ８ 中心貫通孔 ９ ドローバー １０ ナット １１ ホルダー １２ ジョイント １３ 中間部材 １４ａ，１４ｂ 圧縮コイルばね １５ａ，１５ｂ，１５ｃ スペーサー １６ 油圧シリンダ １７ａ，１７ｂ ヘッド部 １８ ピストン ２３ ロータ ２４ ステータ ２５ 内輪間座 ２６ 外輪間座 ３０ ボンベ ３１ 圧力調整弁 ３２ ブロア ３３ 熱交換器 ３４ ポンプ ３５ ヘリウム分離装置 ３６ 空気供給口 ３７ 軸受押え Ｐ１，Ｐ２ ポート Ｃ 初期間隙
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 水田 桂司 広島県広島市西区観音新町四丁目６番22号 三菱重工業株式会社広島研究所内 (72)発明者 濱中 憲二 滋賀県栗東市六地蔵130番地 三菱重工業 株式会社工作機械事業部内 Ｆターム(参考） 3C011 FF01

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 軸受を介してハウジングに主軸を回転自
    在に支持する工作機械の主軸装置において、前記ハウジ
    ング内に空気より密度が小さくかつ流体抵抗が小さいガ
    スを循環させる手段を設け、該循環ガス雰囲気下で前記
    主軸を回転させることを特徴とする主軸装置。
  2. 【請求項２】 前記ハウジングの主軸摺動隙間にシール
    用ガスを供給し、前記ハウジング内を外部と隔絶したこ
    とを特徴とする請求項１記載の主軸装置。
  3. 【請求項３】 前記循環ガスの循環系に前記シール用ガ
    スを分離・排出するシール用ガス分離装置を介装したこ
    とを特徴とする請求項２記載の主軸装置。
  4. 【請求項４】 前記循環ガスはヘリウムであることを特
    徴とする請求項１、２又は３記載の主軸装置。
  5. 【請求項５】 前記主軸にモータのロータを、ハウジン
    グの内周部にモータのステータを取り付け、前記ハウジ
    ング内に主軸モータが組み込まれていることを特徴とす
    る請求項１、２、３又は４記載の主軸装置。
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