JP2006064127A - 予圧調整軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 初期の剛性を十分に確保し、なおかつ高速運転時においても予圧過大で過昇温の生じない予圧調整軸受装置を提供する。
【解決手段】軸方向に離れて配置された一対の軸受３間の外輪間座９に、この外輪間座を軸方向に熱膨張させる発熱体１３を設ける。外輪間座９の外周には発熱体配置用溝１２を設け、この発熱体配置用溝１２内に、前記発熱体１３として線状または帯状の発熱体を設ける。
【選択図】 図１

Description

この発明は、工作機械の主軸や一般産業機械などに用いられる予圧調整軸受装置に関する。

一般に、図６に示すようなスピンドル装置では、主軸回転精度と剛性を得るために、主軸２２を支持するアンギュラ玉軸受２３に予圧を与えて使用している。この場合の予圧の方法としては、ばね等を用いる定圧予圧方法と、間座幅で予圧量を調整する定位置予圧方法とが挙げられる。定位置予圧方法は、定圧予圧方法に比べて、主軸２２の支持剛性が高くなるが、高速運転時の過昇温の問題がある。
そこで、高速運転時の過昇温を回避するために、図６における外輪間座２９の外周に冷却流体が流れる溝を設けることで、外輪間座２９を室温または室温以下に冷却し、軸方向の熱膨張を抑えて予圧過大を防止する技術が提案されている（例えば特許文献ｌ）。
特許第２８４１５２０号公報

定位置予圧方法の場合、高速域を重視して高速回転できるように初期予圧を小さくすると低速回転時の予圧が不足して、必要剛性が得られないという問題がある。逆に初期予圧を大きくすると高速回転時に必要以上の予圧がかかり、内部面圧も高まるので、昇温限界を超えた場合に、運転が不能となる恐れがある。
特許文献１などのように、外輪間座の外周に冷却流体が流れる溝を設けた構造は、高速回転を重視した対策であって、低速回転時には予圧が不足して、必要剛性が得られなという問題は解決されない。

この発明の目的は、初期の剛性を十分に確保し、なおかつ高速運転時においても予圧過大で過昇温の生じない予圧調整軸受装置を提供することである。

この発明の予圧調整軸受装置は、軸方向に離れて配置された軸受間の外輪間座に、この外輪間座を軸方向に熱膨張させる発熱体を設けたものである。
この構成によると、軸受の回転初期などの低温時に発熱体を発熱させることで、外輪間座を熱膨張させ、各軸受に必要な予圧および剛性を付与することができる。この初期状態から高速回転すると、遠心力や内外輪の温度差等の影響により予圧が上昇していくが、発熱体の発熱を停止させることで外輪間座が温度低下して収縮し、その分だけ軸受の予圧の上昇を抑えることができる。
このため、例えば、従来と同じ初期予圧，初期剛性であった場合に比較し、限界予圧をより高速域へずらすことが可能となる。その結果、低速域で従来と同じ予圧を確保しながら、より高速回転可能なスピンドル装置が成立する。また従来と同等の高速域まで回転可能なスピンドル装置としながら、初期予圧、初期剛性を高く確保することが可能となる。 また、上記構成において、前記発熱体は、熱膨張させる目的物である外輪間座に直接に設けるので、効率良く外輪間座のみを加熱することができる。

この発明において、前記外輪間座の外周に、円周溝状または螺旋溝状の発熱体配置用溝を設け、この発熱体配置用溝内に、前記発熱体として線状または帯状の発熱体を設けても良い。発熱体配置用溝および発熱体は、複数巻き数設けても良い。
このように円周溝状または螺旋溝状の溝を設け、線状または帯状の発熱体を収めると、発熱体の熱が、溝の底面および側面に渡る広い面から外輪間座に伝導し、より一層効率良く外輪間座のみを加熱することができる。また、溝の形成により、発熱体の設置が容易となる。溝を複数巻きとした場合は、全体の溝内面の面積がより大きく得られ、熱伝導の効率がさらに向上する。

この発明における他の予圧調整軸受装置は、ハウンジグの内径面に、複数の軸受を軸方向に離して配置し、これら軸受間における前記ハウジングの内径面に、前記一対の軸受間の外輪間座を熱膨張させる発熱体を設けたものである。
この構成の場合も、発熱体の加熱による外輪間座の熱膨張により、予圧量の調整が行える。発熱体をハウジングに設けた場合は、外輪間座自体に発熱体を取付ける場合に比べて熱伝導の点では不利であるが、配線や組立が容易という利点が得られる。

ハウジングに発熱体を設ける場合も、ハウジングの内径面に発熱体配置用溝を設け、この発熱体配置用溝内に前記発熱体として線状または帯状の発熱体を設けても良い。前記溝の形成により、発熱体を安定して設置することができる。

この発明において、前記発熱体配置用溝を設ける場合に、この発熱体配置用溝内に発熱体の冷却用の液体を流す冷却液循環路を設けても良い。
この構成の場合、軸受が高速回転から低速回転に切り替わった場合等に、加熱停止と共に発熱体配置用溝内に冷却用の液体を流すことで、発熱体の温度低下を促進させ、発熱体を常温付近まで短時間で温度低下させることができる。これにより外輪間座の熱膨張を減衰させて軸受に付与される予圧を低速回転に応じた小さい値に迅速に調整できる。発熱体配置用溝に冷却用の液体を流すので、別に溝を設ける場合と異なり、溝加工の手間が不要で、また発熱体の温度低下の促進効果が大きい。

この発明において、前記発熱体に、軸受の回転初期に発熱を行わせ、所定の回転速度に達すると発熱を停止する発熱制御手段を設けても良い。この構成の場合、高速回転時に軸受に必要以上の予圧がかかるのを、制御によって防止できる。

この発明の予圧調整軸受装置は、軸方向に離れて配置された軸受間の外輪間座に、この外輪間座を軸方向に熱膨張させる発熱体を設けたため、初期の剛性を十分に確保し、なおかつ高速運転時においても予圧過大で過昇温の生じない高速回転時や低速回転時に応じた予圧を自在に調整して付与できる。

この発明の第１の実施形態を図１と共に説明する。図１は、この実施形態の予圧調整軸受装置を備えたスピンドル装置の一例を示す。このスピンドル装置１は、工作機械に応用されるものであり、主軸２の端部に工具またはワークのチャックが取付けられる。主軸２は、軸方向に離れて配置された前後の転がり軸受３により支持されている。各転がり軸受３はアンギュラ玉軸受からなり、その内輪４は主軸２の外径面に嵌合し、外輪５はハウジング６の内径面に嵌合している。
主軸２の前側に位置する転がり軸受３の内外輪４，５は、主軸２の前端部外径面の段部２ａおよびハウジング６の端部に固定された外輪押さえ７により、軸方向の位置規制が行われている。また、主軸２の後ろ側に位置する転がり軸受３の内外輪４，５は、主軸２の外径面に嵌合する内輪押さえ８，およびハウジング６の内径面の段部６ａにより軸方向の位置規制が行われている。両転がり軸受３の外輪５間には外輪間座９が、また内輪４間には内輪間座１０がそれぞれ設けられている。主軸２の後部には、内輪押さえ８に押し当てて転がり軸受３を固定する軸受固定ナット１１が螺着されている。

外輪間座９の外周には円周溝状または螺旋溝状の発熱体配置用溝１２が設けられ、この溝１２内に外輪間座９を軸方向に熱膨張させる線状の発熱体１３が設けられている。発熱体１３は電気ヒータ等である。発熱体配置用溝１２は、複数巻き分設けられ、その各周部分に発熱体１３が設けられている。このように、外輪間座の外周に設けた発熱体配置用溝１２内に線状の発熱体１３を設けることで、発熱体１３を位置ずれや干渉の問題を生じることなく設置することができる。

発熱体１３の発熱は発熱制御手段１４によって制御される。発熱制御手段１４は、例えば、転がり軸受３の冷却状態からの回転初期に発熱体１３を発熱させ、転がり軸受３が所定の回転速度に達すると発熱を停止するものである。回転速度の信号は、主軸２を回転駆動するモータ（図示せず）の制御系等から得られる。発熱制御手段１４による制御は、運転時間や、軸受温度など、回転速度以外の要因に基づいて発熱体１３の制御を行うものであってもよい。

ハウジング６には、軸受潤滑用のエアオイル供給路１５が形成され、そのエアオイル供給路１５は、外輪間座９に形成され前記各転がり軸受３の内輪４に向けられたノズル孔１６に連通している。エアオイル供給路１５には、エアオイル供給装置（図示せず）が接続してある。エアオイル供給装置から供給されるエアオイルは、エアオイル供給路１５を経てノズル孔１６から各転がり軸受３の内輪４に吹き付けられる。

上記構成のスピンドル装置１において、発熱制御手段１４の制御により主軸２の回転初期に発熱体１３を発熱させることで外輪間座９を加熱し、その熱影響により外輪間座９を軸方向へ膨張させる。これにより、各転がり軸受３に必要な初期予圧を付与することができ、主軸２に所要の剛性を付与できる。なお、発熱体１３による発熱量と外輪間座９の変位量との相関関係は予め確認しておき、その相関関係に基づき発熱量（例えば発熱時間）を決定することで、所要な初期予圧が付与される。
主軸２が所定の高速運転になると、転がり軸受３は遠心力や内外輪４，５の温度差等の影響により付与される予圧が上昇して行く。発熱制御手段１４は、軸受回転速度や、運転時間、あるいは軸受温度等により予圧の上昇を検出し、発熱体１３の発熱を停止させる。これにより、外輪間座９の熱膨張が抑制され、転がり軸受３に必要以上の予圧がかかることを防止できる。

その結果、低速域で従来と同等の予圧を確保しながら、より高速回転可能なスピンドル装置１とすることができる。また、従来と同等の高速域まで回転可能なスピンドル装置１とした場合、初期予圧（剛性）を従来の場合よりも高く確保することができる。
計算によると、上記構成の予圧調整軸受装置では、外輪間座９を初期２０μｍ膨張させた場合、転がり軸受３が接触各１５°の標準アンギュラ玉軸受（７０１０Ｕ）であると、初期予圧を従来の場合に比べて約２５kgｆも高めることが可能になる。

なお、図ｌの例では、外輪間座９の外周に発熱体配置用溝１２を設けたが、これに限らず、図２のようにハウジング６の内径面に発熱体配置用溝１２を設け、この溝１２内に線状の発熱体１３を設けても良い。この場合にも、発熱体１３の発熱により、外輪間座９を軸方向に熱膨張させて、転がり軸受３に必要な予圧を付与することができる。また、ハウジング６の内径面に、発熱体１３を位置ずれすることなく確実に設けることができる。

図３は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この実施形態の予圧調整軸受装置は、図ｌに示す第１の実施形態において、発熱体配置用溝１２内に設ける発熱体１３を帯状としたものである。この場合、発熱体配置用溝１２は、外輪間座９の軸方向幅の略半分以上にわたる幅広の円周溝として１周だけ設け、帯状の発熱体１３は、発熱体配置用溝１２の略全幅にわたる幅のものとしている。その他の構成は、第１の実施形態の場合と同じである。発熱体１３を帯状とした場合は、その発熱量を大きくすることができる。
なお、図２の実施形態のように、ハウジング６の内径面に発熱体配置用溝１２を設けた場合も、発熱体１３を図３の例と同様に帯状としても良い。

図４は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この実施形態の予圧調整軸受装置は、図１に示す第１の実施形態において、前記発熱体配置用溝１２内に、発熱体１３の冷却用の液体を流す冷却液供給手段１７を設けたものである。冷却液供給手段１７は、ハウジング６内に設けられて前記溝１２に連通する冷却液循環路１８と、この冷却液供循環路１８に接続された冷却液供給装置１９とでなる。冷却液供給装置１９から供給される冷却用の液体は、冷却液循環路１８を経て発熱体配置用溝１２内に循環し、冷却液循環路１８の戻り流路部分（図示せず）から冷却液供給手段１７に戻される。なお、発熱体配置用溝１２内に供給した冷却用の液体が漏出するのを防止するため、外輪間座９の外周における前記溝１２の形成領域から両端部寄りの部分には、Ｏリング２０が溝内に嵌合して設けられている。その他の構成は第１の実施形態の場合と同じである。

この実施形態では、例えば主軸２が高速回転から低速回転に切り替えられたときに、発熱体１３の発熱を停止させると共に、冷却液供給手段１７で発熱体配置用溝１２内に冷却用の液体を流し、発熱体１３の温度低下を促進させることができる。これにより、発熱体１３を常温付近まで短時間で温度低下させることができ、外輪間座９の熱膨張を減衰させて転がり軸受３に付与される予圧を低速回転に応じた小さい値に容易に調整できる。

図５は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この実施形態の予圧調整軸受装置は、図４に示す冷却液循環路１８を設けた実施形態において、発熱体１３を帯状としたものである。発熱体１３が帯状の場合も、冷却液の循環により発熱体１３を常温付近まで短時間で温度低下させることができる。その他の構成は図４の実施形態の場合と同じである。

この発明の第１の実施形態にかかる予圧調整軸受装置を備えたスピンドル装置の構成図である。 この発明の他の実施形態にかかる予圧調整軸受装置を備えたスピンドル装置の構成図である。 この発明のさらに他の実施形態にかかる予圧調整軸受装置を備えたスピンドル装置の構成図である。 この発明のさらに他の実施形態にかかる予圧調整軸受装置を備えたスピンドル装置の構成図である。 この発明のさらに他の実施形態にかかる予圧調整軸受装置を備えたスピンドル装置の構成図である。 従来例の構成図である。

符号の説明

３…転がり軸受
６…ハウジング
９…外輪間座
１２…発熱体配置用溝
１３…発熱体
１４…発熱制御手段
１７…冷却液供給手段
１８…冷却液循環路

Claims (6)

1. 軸方向に離れて配置された軸受間の外輪間座に、この外輪間座を軸方向に熱膨張させる発熱体を設けた予圧調整軸受装置。
2. 請求項ｌにおいて、前記外輪間座の外周に、円周溝状または螺旋溝状の発熱体配置用溝を設け、この発熱体配置用溝内に、前記発熱体として線状または帯状の発熱体を設けた予圧調整軸受装置。
3. ハウジングの内径面に、複数の軸受を軸方向に離して配置し、これら軸受間における前記ハウジングの内径面に、前記一対の軸受間の外輪間座を熱膨張させる発熱体を設けた予圧調整軸受装置。
4. 請求項３において、前記ハウジングの内径面に発熱体配置用溝を設け、この発熱体配置用溝内に前記発熱体として線状または帯状の発熱体を設けた予圧調整軸受装置。
5. 請求項２または請求項４において、前記発熱体配置用溝内に発熱体の冷却用の液体を流す冷却液循環路を設けた予圧調整軸受装置。
6. 請求項ｌないし請求項５のいずれか１項において、前記発熱体に、軸受の回転初期に発熱を行わせ、所定の回転速度に達すると発熱を停止する発熱制御手段を設けた予圧調整軸受装置。

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