JP2004263816A

JP2004263816A - 転がり軸受のエアオイル潤滑構造

Info

Publication number: JP2004263816A
Application number: JP2003056531A
Authority: JP
Inventors: Futoshi Kosugi; 太小杉
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2003-03-04
Filing date: 2003-03-04
Publication date: 2004-09-24

Abstract

【課題】停止時に軸受内部に油が溜まることを防ぎ、長時間停止後の急立ち上げにおける軸受の急昇温を防止できるエアオイル潤滑構造を提供する。
【解決手段】転がり軸受１にエアオイルを供給するノズル部材１０を設けたエアオイル潤滑構造とする。ノズル部材１０のエアオイル８の吐出孔に連通したエアオイル供給路１３に、転がり軸受１の近傍で分岐してこの転がり軸受１の外部に開口する排油経路１９を設ける。エアオイル供給路１３の排油経路１９の分岐部に、エアオイルの流れ方向を上記吐出孔８側と排油経路１９側とに切り換える経路切換手段２７を設ける。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、工作機械用主軸支持部など一般産業機械に用いられる転がり軸受のエアオイル潤滑構造、および同潤滑構造を備えた工作機械主軸装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
工作機械などにおいては、主軸先端に加工工具を取付け、高速回転させて穴あけ加工・フライス加工・ミーリング加工等が行われる。主軸の支持には一般に転がり軸受が使用される。このような高速回転する主軸軸受の潤滑構造として、発熱をできるだけ小さくするために、微量潤滑が可能なエアオイル潤滑が採用される（例えば特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−５４６４３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
工作機械の主軸軸受のエアオイル潤滑では、工具を取付けた主軸が回転する加工時だけでなく、加工を終えて次に段取りを行っている時など、主軸が停止している間も主軸軸受にエアオイルが供給され続ける場合が多い。これにより軸受内部に潤滑油が溜まる。そのため、長時間の停止後に主軸を再起動させると、軸受内に溜まった余分な油の攪拌抵抗により軸受温度が上昇する。しかも、短時間での急立上げを行うと、軸受温度はさらに急激に上昇するという問題がある。
【０００５】
すなわち、エアオイル潤滑構造を持つ軸受で主軸を支持する場合、図９に示すように、外輪押さえ５９およびハウジング６０にわたって、軸受３３Ａの近傍から機外に開放される排油路６１が形成され、ノズル部材５６から軸受内部に供給されて余剰となった潤滑油を上記排油路６１から排出するようにされている。しかし、主軸停止時にもエアオイルを流し続けると、軸受内部に潤滑油が溜まってしまう。そのため、長時間（１時間程度）の停止後に極短時間で高速回転まで（例えば３秒で２００００ｒｐｍまで）一気に主軸を再起動すると、軸受内に溜まった余分な潤滑油の攪拌抵抗により軸受温度が急激に上昇する。軸受温度は内輪５２から外輪５３への順に高まるため、温度上昇が著しい場合には内輪膨張により内部予圧が高まり、また潤滑油の粘度も低下するため、軸受３３Ａの転動体５７と転走面間の油膜切れを生じる場合がある。
【０００６】
図１０は、図９の主軸支持構造において、以下の試験条件で、軸受内部に潤滑油が溜まっていない状態から主軸６２を回転させた場合の内輪５２、外輪５３の温度変化を示すグラフである。
試験条件
軸受：内径φ５５の円筒ころ軸受
給油量：０．０２ｍＬ／１０ｍｉｎ
エア量：４０ＮＬ／ｍｉｎ
高速回転数：２００００ｒｐｍ
【０００７】
図１１は、同じ主軸支持構造において、図１０の場合と同じ試験条件のもとで、主軸６２を１時間ほど停止させた後（エアオイルは流れたまま）に主軸６２を極短時間で回転させた場合の内輪５２および外輪５３の温度変化を示すグラフである。
【０００８】
これらの試験結果から、エアオイル潤滑構造を持つ軸受で工作機械などの主軸を支持する場合に、主軸停止時に軸受内部に溜まった潤滑油が、主軸の再起動により攪拌されるときの抵抗で、軸受温度が急上昇することが確認できる。
【０００９】
この発明の目的は、停止時に軸受内部に油が溜まることを防ぎ、長時間停止後の急立ち上げにおける軸受の急昇温を防止できる転がり軸受のエアオイル潤滑構造を提供することである。
この発明の他の目的は、主軸軸受にエアオイル潤滑を用いながら、主軸の長時間停止後の急立ち上げにおける軸受の急昇温を防止できる工作機械主軸装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明の転がり軸受のエアオイル潤滑構造は、転がり軸受にエアオイルを供給するノズル部材を設けた転がり軸受のエアオイル潤滑構造であって、上記ノズル部材のエアオイルの吐出孔に連通したエアオイル供給路に、上記転がり軸受の近傍で分岐してこの転がり軸受の外部に開口する排油経路を設け、エアオイル供給路の上記排油経路の分岐部に、エアオイルの流れ方向を上記吐出孔側と排油経路側とに切り換える経路切換手段を設けたものである。
この構成によると、軸受の回転停止時に供給手段からのエアオイルの供給が続いても、上記経路切換手段でエアオイルの流れ方向を排油経路側に切り換えることで、エアオイルが排油経路を経て排出される。そのため、軸受内部に不要な潤滑油が溜まることが防止でき、停止後の再回転時に、軸受内に溜まった余分な潤滑油の攪拌抵抗により軸受温度が急激に上昇することが防止される。このため、過昇温による軸受の転動体と転走面間の油膜切れが防止でき、安定した潤滑を行うことができる。
なお、この明細書で言うエアオイル潤滑は、狭義のエアオイル潤滑の他に、オイルミスト潤滑を含む意味である。
【００１１】
上記経路切換手段は３方弁であっても良い。この３方弁は、バルブとして独立して構成されたものであっても良い。このような独立した３方弁を用いると、経路切換手段の設計が容易になる。
【００１２】
また、上記経路切換手段は、上記排油経路の断面円形の部分に回転自在に挿入される円柱状の弁体を有し、この弁体は略直径方向に貫通したエアオイル通孔と、この弁体の外周面の一部を切り欠いて形成され弁体軸方向に延びる排油溝とを有するものとしても良い。上記弁体は、上記エアオイル通孔が上記エアオイル供給路の上記分岐部の上流側部分および吐出孔側部分間に連通する状態と、上記排油溝が上記エアオイル供給路の上記上流側部分に連通する状態とに、上記弁体の回転角度によって切り変わるものとする。
このような排油経路に挿入される円柱状の弁体を用いると、空間を有効に利用でき、経路切換手段に独立したバルブ装置を用いる場合に比べてコンパクトな構成とできる。
【００１３】
この発明において、上記転がり軸受の外輪が内径面に嵌合するハウジングに上記エアオイル供給路を設け、上記排油経路を、上記ハウジング内で上記エアオイル供給路から分岐して出口が上記ハウジングの上記内径面に開口するものとしても良い。この場合に、この排油経路の出口に連通する円周溝を上記ハウジングの内径面に嵌合する内周嵌合部材の外周に設け、この円周溝からハウジング外に至る排油導出経路を設けても良い。上記内周嵌合部材は、例えば外輪押え蓋または外輪間座等である。
このように円周溝を設けた場合、排油経路から流れ出た油は、内周嵌合部材に設けられた円周溝み流れ込み、軸受内部に流れ込むことなく排油導出経路から排出される。よって、軸停止時に軸受内部に油が入り込むことが無くなる。軸姿勢が立形の場合でも軸停止時に軸受内部に油が入り込むことが無くなる。このため、軸姿勢にかかわらず、確実に軸受内部の油溜まりが回避され、長時間運転後の急立上げ運転においても、軸受温度の急昇温を避けることができる。
【００１４】
この発明において、上記経路切換手段を、転がり軸受の内輪が取付けられた主軸の回転時はノズル部材の吐出口側へ連通させ、上記主軸の回転停止時では上記排油経路側へ連通するように切り換える経路切換制御手段を設けても良い。
このような経路切換制御手段を設けると、軸受の停止と回転とに応じて、特に操作を行うことなく、経路切換手段の切換を行うことができる。すなわち、回転時の軸受内部への円滑な潤滑油供給と、停止時の軸受内部への余剰の潤滑油供給の停止とを自動的に行うことができる。
【００１５】
この発明の工作機械主軸装置は、この発明の上記いずれかの構成の転がり軸受のエアオイル潤滑構造を用いたものである。
工作機械の主軸は、加工精度上の要望から発熱を抑える必要があり、しかも高速回転が可能で、かつ長時間停止後に急激に回転させられることが多い。そのため、この発明のエアオイル潤滑構造による長時間停止後の急立ち上げにおける急昇温の防止の効果が効果的となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
この発明の第１の実施形態を図１および図２と共に説明する。転がり軸受１に隣接して、転がり軸受１にエアオイルを供給するノズル部材１０が設けられている。転がり軸受１は、内輪２と外輪３の転走面２ａ，３ａ間に複数の転動体４を介在させ、これら転動体４を保持する保持器５を設けたものである。図示の例では、転がり軸受１はアンギュラ玉軸受からなる。ノズル部材１０は外輪間座からなり、転がり軸受１の外輪３を嵌合させたハンジング９の内径面に嵌合している。ノズル部材１０の内径側には内輪間座１１が設けられ、転がり軸受１の内輪２を嵌合させた主軸１５の外径面に嵌合している。
【００１７】
ノズル部材１０は、転がり軸受１の内輪２の転走面２ａに向けてエアオイルを噴出する吐出孔８を有している。吐出孔８は、ノズル部材１０の円周方向の１箇所または複数箇所に設けられている。吐出孔８の入口は、ハウジング９からノズル部材１０にわたって設けられたエアオイル供給路１３に連通している。エアオイル供給路１３は、ハウジング９にエアオイル供給口１３ａを有し、ハウジング９の内径面にハウジング部出口１３ｂを有している。ハウジング部出口１３ｂは外輪間座１０の外径面に設けられた連通溝１３ｃに連通し、連通溝１３ｃから、径方向に貫通した経路１３ｄを介して、ノズル部材１０の吐出孔８に連通している。エアオイル供給口１３ａは、圧縮した搬送エアに潤滑油を混合させて供給するエアオイル供給源（図示せず）に接続されている。
【００１８】
上記エアオイル供給路１３に、転がり軸受１の近傍で分岐してこの転がり軸受１の外部に開口する排油経路１９を設ける。エアオイル供給路１３の排油経路１９の分岐部に、エアオイルの流れ方向を上記吐出孔８側と排油経路１９側とに切り換える経路切換手段３０を設ける。
【００１９】
上記排油経路１９は、ハウジング９に形成されたエアオイル供給路１３に対して、エアオイル供給路１３と直交する方向に分岐して設けられている。この分岐部に設けられた経路切換手段２７は、円柱状の弁体２８を有するロータリ型のものとされている。すなわち、この経路切換手段２７は、断面円形の排油経路１９に回転自在に挿入される円柱状の弁体２８を有し、この弁体２８に、直径方向に貫通したエアオイル通孔２８ａと、弁体２８の外周面の一部を切り欠いて形成され弁体軸方向に延びる排油溝２８ｂとを有する。図２（Ａ），（Ｂ）に平面断面図および正面断面に示すように、この弁体２８の上記エアオイル通孔２８ａが、エアオイル供給路１３と連通する弁体２８の回転位置で、排油溝２８ｂはエアオイル供給路１３から遮断される。また、図２（Ｃ），（Ｄ）に平面断面図および正面断面図で示すように、上記回転位置から９０°回転した位置で、排油溝２８ｂがエアオイル供給路１３の供給口１３ａ側に対向して、排油経路１９がエアオイル供給路１３と連通し、エアオイル通孔２８ａがエアオイル供給路１３から手段される。
【００２０】
経路切換手段２７は切換駆動源２９で回転駆動され、回転駆動源２９は経路切換制御手段３０によって制御される。経路切換制御手段３０はその制御として、転がり軸受１の内輪２が取付けられた主軸１５の回転時はエアオイル通孔２８ａがノズル部材１０の吐出口８ａ側へ連通し、主軸１５の回転停止時ではエアオイル供給口１３ａが排油経路１９に連通するように、経路切換手段２７の切り換え制御を行う。なお経路切換手段２７は手動で切り換えるようにしても良い。
【００２１】
この構成のエアオイル潤滑構造によると、主軸１５が回転状態にあるときに、経路切換制御手段３０による経路切換手段２７の制御で、エアオイルの流れ方向が吐出孔８側に切り換えられるので、軸受１の内部に潤滑油が円滑に供給される。主軸１５が停止状態となったときに、経路切換制御手段３０による経路切換手段２７の制御で、エアオイルの流れ方向が上記排油経路１９側へ切り換えられる。そのため、主軸１５の停止中に供給されるエアオイルが排油経路１９を経て確実に排出され、軸受内部に不要な潤滑油が溜まるといった事態を防止することができる。これにより、主軸１５の長時間停止後の急立ち上げで、軸受１内に溜まった余分な潤滑油の攪拌抵抗により軸受温度が急激に上昇して、軸受１の転動体４と転走面２ａ，３ａ間の油膜切れが生じることが防止される。
経路切換手段２７は、排油経路１９に挿入される円柱状の弁体１９を用いたものであるため、ハウジング９の部材内を有効に利用でき、経路切換手段２７に独立したバルブ装置を用いる場合に比べてコンパクトな構成とできる。
【００２２】
なお、経路切換手段２７は、独立したバルブ装置の３方弁（図示せず）を用いても良く、その場合は空間的には不利であっても、設計や組立が容易に行えるという利点が得られる。
【００２３】
図３，図４は、この発明の第２の実施形態を示す。この実施形態は、図１，図２に示す第１の実施形態において、転がり軸受１Ａを円筒ころ軸受とした例である。その他の構成，効果は、第１の実施形態と同じである。
【００２４】
図５〜図７は、この発明の第３の実施形態を示す。この実施形態は、図１，図２に示す第１の実施形態において、ハウジング９の内径面に嵌合する内周嵌合部部材２６Ａの外周に、排油経路１９のハウジング内径面に開口する出口に連通する円周溝３２を設けたものである。内周嵌合部部材２６Ａは、外輪押えまたは外輪押え蓋からなるが、この他に外輪間座であっても良い。円周溝３２は、ハウジング９内を通ってハウジング９外に至る排油導出経路３３に連通している。排油導出経路３３は、ハウジング９の内で軸方向に延びる軸方向孔部３３ａと、この軸方向孔部３３ａから分岐して円周溝３２に開口した分岐孔部３３ｂとでなる。軸方向孔部３３ａはハウジング９の端面に開口し、外輪押え蓋からなる内周嵌合部部材２６Ａに設けられた孔を介して外部に通じる。軸方向孔部３３ａは、ハウジング９のエアオイル供給路１３の設けられた位置とは円周方向にずれた位置、例えば１８０°ずれた位置に配置される。排油導出経路３３は円周方向の複数箇所に設けても良い。
【００２５】
排油導出経路３３には、さらに転がり軸受１Ａの外輪３の端面に沿って設けられたスリット３４が、ハウジング９に設けられた他の分岐孔部３３ｃを介して連通している。スリット３４は、外輪３に隣接してハウジング９の内径面に嵌合して配置された外輪隣接部材（１０，２６Ａ）との間に設けられたものである。外輪隣接部材は、この実施形態ではノズル部材１０または内周嵌合部部材２６Ａである。スリット３４は、具体的には、外輪隣接部材であるノズル部材１０または内周嵌合部部材２６Ａに、径方向溝として形成されている。経路切換手段２７は第１の実施形態と同じく円柱状の弁体２８を有するロータリ型のものとされている。この弁体２８の端部は円周溝３２の一部に入っている。転がり軸受１Ａは、第２の実施形態と同じく円筒ころ軸受としてあるが、第１の実施形態と同じく玉軸受としても良い。この実施形態におけるその他の構成は図１ないし図３に示した第１の実施形態と同じである。
【００２６】
この構成の場合、排油経路１９をハウジング９の内径面に開放したままの状態とせずに、内周嵌合部部材２６Ａで蓋してこれに円周溝３２を設けたため、排油経路１９から流れ出た油は、内周嵌合部材２６Ａの円周溝３２に流れ込み、軸受内部に流れ込むことなく排油導出経路３３から排出される。このため、主軸１５の停止時に軸受１の内部に油が入り込むことが無くなる。特に、主軸１５の姿勢が立形の場合でも主軸停止時に軸受内部に油が入り込むことが無くなる。このため、主軸１５の姿勢にかかわらず、確実に軸受内部の油溜まりが回避され、長時間運転後の急立上げ運転においても、軸受温度の急昇温を避けることができる。また、外輪押え蓋等となる内周嵌合部材２６Ａの外周に上記円周溝３２を設けたため、円周溝３２を設ける専用部材が不要で、部品点数の増加が回避できる。
【００２７】
図８は、上記実施形態にかかる転がり軸受１のエアオイル潤滑構造を応用した工作機械主軸装置の一例を示す。この工作機械主軸装置は、主軸１５の先端１５ａに工具またはワークのチャックが設けられている。主軸１５は、軸方向に離れた複数の転がり軸受１により支持され、これらの転がり軸受１に、上記第１または第２の実施形態にかかる転がり軸受のエアオイル潤滑構造が用いられている。各転がり軸受１の内輪２は主軸１５の外径面に嵌合し、外輪３はハウジング９の内径面に嵌合している。これら内外輪２，３は、内輪押さえ２５および外輪押さえ２６により、ハウジング９に固定されている。
具体的に説明すると、フロント側（主軸先端１５ａ側）の軸受１がアンギュラ玉軸受とされて、これらの軸受１に図１，図２に示す第１の実施形態にかかる転がり軸受のエアオイル潤滑構造が用いられている。また、リア側の軸受１が円筒ころ軸受とされて、これに図３，図４に示す第２の実施形態にかかる転がり軸受のエアオイル潤滑構造が用いられている。フロント側に並ぶ４列の転がり軸受１については、各２列の転がり軸受１の間に外輪間座兼用のノズル部材１０が配置され、これらノズル部材１０に、前後の転がり軸受１に対してエアオイルを噴出する吐出孔８（図１）が設けられている。
エアオイル供給路１３はノズル部材１０毎に設けられ、各エアオイル供給路１３に排油経路１９が分岐して設けられ、各分岐部に経路切換手段２７が設けられている。なお、これら経路切換手段２７を制御する経路切換制御手段３０（図１）は、工作機械主軸装置の全体で一つが設けられ、各経路切換制御手段３０に共用されている。
【００２８】
【発明の効果】
この発明のエアオイル潤滑構造は、転がり軸受にエアオイルを供給するノズル部材を設けた転がり軸受のエアオイル潤滑構造において、上記ノズル部材のエアオイルの吐出孔に連通したエアオイル供給路に、上記転がり軸受の近傍で分岐してこの転がり軸受の外部に開口する排油経路を設け、上記エアオイル供給路の上記排油経路の分岐部に、エアオイルの流れ方向を上記吐出孔側と排油経路側とに切り換える経路切換手段を設けたものであるため、軸停止時には、エアオイルの流れる経路を軸受近傍において変更し、排油経路へ導くことで、軸受内部に余分な油が溜まるのを防ぎ、軸の長時間停止後の急立ち上げにおける軸受の急昇温を防止することができる。軸停止時にエアオイル潤滑装置自体を停止させたり、軸受がより離れた位置で経路変更することも可能であるが、その場合には再起動時に油が軸受内部に到達するのに時間がかかるため、軸を直ぐには再運転できないという問題がある。この発明は、軸受近傍でのエアオイル経路変更であり、再起動道時においても直ぐに軸受内部に油が供給されることを可能にしている。
この発明の工作機械主軸装置は、この発明のエアオイル潤滑構造を用いたものであるため、主軸軸受にエアオイル潤滑を用いて微量潤滑による発熱防止を図りながら、主軸の長時間停止後の急立ち上げにおける軸受の急昇温を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態にかかる転がり軸受のエアオイル潤滑構造を示す断面図である。
【図２】同エアオイル潤滑構造の動作説明図である。
【図３】この発明の他の実施形態にかかる転がり軸受のエアオイル潤滑構造を示す断面図である。
【図４】同エアオイル潤滑構造の動作説明図である。
【図５】この発明のさらに他の実施形態にかかる転がり軸受のエアオイル潤滑構造を示す断面図である。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩ矢視切欠断面図である。
【図７】同エアオイル潤滑構造の動作説明図である。
【図８】上記いずれかのエアオイル潤滑構造を採用した工作機械主軸装置の断面図である。
【図９】従来の転がり軸受のエアオイル潤滑構造を採用した主軸支持部を示す断面図である。
【図１０】同主軸支持部において、軸受内部に油が溜まっていない状態から主軸を短時間で回転させた場合の内外輪の温度の時間変化を示すグラフである。
【図１１】同主軸支持部において、主軸の１時間程の停止後に主軸を短時間で回転させた場合の内外輪の温度の時間変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１，１Ａ…転がり軸受
２…内輪
８…吐出孔
１０…ノズル部材
１３…エアオイル供給路
１５…主軸
１９…排油経路
２６Ａ…内周嵌合部材
２７…経路切換手段
３０…経路切換制御手段
３２…円周溝
３３…排油導出経路
δ…隙間

Claims

転がり軸受にエアオイルを供給するノズル部材を設けた転がり軸受のエアオイル潤滑構造において、上記ノズル部材のエアオイルの吐出孔に連通したエアオイル供給路に、上記転がり軸受の近傍で分岐してこの転がり軸受の外部に開口する排油経路を設け、上記エアオイル供給路の上記排油経路の分岐部に、エアオイルの流れ方向を上記吐出孔側と排油経路側とに切り換える経路切換手段を設けたことを特徴とする転がり軸受のエアオイル潤滑構造。
請求項１において、上記経路切換手段は独立した３方弁である転がり軸受のエアオイル潤滑構造。
請求項１において、上記経路切換手段は、上記排油経路の断面円形の部分に回転自在に挿入される円柱状の弁体を有し、この弁体は直径方向に貫通したエアオイル通孔と、この弁体の外周面の一部を切り欠いて形成され弁体軸方向に延びる排油溝とを有し、上記エアオイル通孔が上記エアオイル供給路の上記分岐部の上流側部分および吐出孔側部分間に連通する状態と、上記排油溝が上記エアオイル供給路の上記上流側部分に連通する状態とに、上記弁体の回転角度によって切り変わるものとした転がり軸受のエアオイル潤滑構造。
請求項１ないし請求項３のいずれかにおいて、上記転がり軸受の外輪が内径面に嵌合するハウジングに上記エアオイル供給路を設け、上記排油経路を上記ハウジング内で上記エアオイル供給路から分岐して出口がハウジングの上記内径面に開口するものとし、この排油経路の出口に連通する円周溝を、上記ハウジングの内径面に嵌合する内周嵌合部材の外周に設け、この円周溝からハウジング外に至る排油導出経路を設けた転がり軸受のエアオイル潤滑構造。
請求項１ないし請求項４のいずれかにおいて、上記経路切換手段を、転がり軸受の内輪が取付けられた主軸の回転時はノズル部材の吐出口側へ連通させ、上記主軸の回転停止時では上記排油経路側へ連通するように切り換える経路切換制御手段を設けた転がり軸受のエアオイル潤滑構造。
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の転がり軸受のエアオイル潤滑構造を備えた工作機械主軸装置。