JP2006068868A

JP2006068868A - 予圧可変式スピンドルユニット

Info

Publication number: JP2006068868A
Application number: JP2004257376A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Ueda; 敬一植田
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2004-09-03
Filing date: 2004-09-03
Publication date: 2006-03-16

Abstract

【課題】運転条件によらず軸受予圧荷重をスムーズに切り換えることができる予圧可変式スピンドルユニットを提供することである。
【解決手段】外筒２の軸受箱７との摺動面に設けられる螺旋溝２ａの軸方向寸法を、螺旋溝２ａの間に形成される螺旋状のランド部２ｂの軸方向寸法の１．５〜２．０倍とすることにより、螺旋溝２ａに充填した圧油で軸受箱７と外筒２との間に適度な隙間を生じさせるとともに、軸受３、４等の回転系の温度が上昇しやすい運転条件でも、回転系で発生した熱がランド部２ｂを介して十分に外筒２等の静止系へ放出され、軸受箱７と外筒２の隙間が小さくならないようにして、軸受予圧荷重を切り換える際には、軸受箱７の軸方向移動が常にスムーズに行われ、切換動作不良が発生しにくいようにしたのである。
【選択図】図１

Description

本発明は、主軸の回転速度に応じて主軸を支持する軸受の予圧荷重を変化させることができる予圧可変式スピンドルユニットに関する。

最近の工作機械では、一般に、低速回転域から高速回転域まで良好な回転精度を要求されるため、回転速度によらず主軸に適度な剛性を与えることのできる予圧可変式のスピンドルユニットを用いることが多い。この予圧可変式スピンドルユニットは、主軸の回転速度に応じて主軸を支持する軸受の予圧荷重を変化させられるようにして、低速回転域で重予圧、高速回転域では軽予圧とすることにより、主軸の剛性と高速性を両立させたものである。

上記予圧可変式スピンドルユニットとしては、例えば、本出願人が本発明に先立って提案したものがある（特許文献１参照。）。その構造は、本発明の実施形態である図１に示すように、主軸１と主軸１を通す外筒２との間に、主軸１を回転自在に支持する４個の軸受３、４、５、６と、外筒２と軸方向に摺動して一端側の２個の軸受３、４を押圧する軸受箱７と、外筒２と軸方向に摺動して軸受箱７と接離する中間リング８と、外筒２に固定されて軸受箱７および中間リング８の軸方向移動を規制する調整部材９とを組み込み、軸受箱７と中間リング８との間および中間リング８と外筒２との間に油圧室１０、１１を形成したもので、各油圧室１０、１１への圧油の給排を制御して調整部材９と中間リング８とで軸受箱７を位置決めすることにより、一端側の軸受３、４の予圧荷重を切り換えるようになっている。

ところで、上記のような構造のスピンドルユニットでは、予圧荷重を切り換える際に軸受箱の軸方向移動を円滑に行うために、軸受箱と外筒の互いの摺動面のいずれか一方（図１では外筒２の内周面）に螺旋溝を設けて、この螺旋溝に圧油を充填した状態で軸受箱を外筒と摺動させるようにしている。

しかしながら、上記螺旋溝については、これまで任意の設計が実施されていたため、その軸方向寸法と溝間に形成される螺旋状のランド部の軸方向寸法の比率によっては、以下に述べるような問題を引き起こす場合があった。

すなわち、一般に、螺旋溝の軸方向寸法比率を大きくするほど、軸受箱と外筒との間で圧油が充填される面積が増加するため、軸受箱を内径方向に収縮させる力および外筒を外径方向に拡張する力が増加して軸受箱と外筒の隙間が大きくなるうえ、相手部材（図１では軸受箱７）との接触面積が減少するので、軸受箱の軸方向移動はスムーズに行われる。しかし、螺旋溝の軸方向寸法比率を大きくしすぎると、ランド部が過度に小さくなって軸受等の回転系で発生した熱を外筒等の静止系へ十分に放出できなくなるため、回転系の温度上昇に伴って軸受箱と外筒の隙間は小さくなっていき、軸受箱をスムーズに移動させることが難しくなる。

一方、螺旋溝の比率を小さくすると、相手部材との接触面積が広くなってスピンドルユニットの放熱能は向上するが、圧油が充填される面積が減少するため、軸受箱を収縮させる力および外筒を拡張する力が減少して軸受箱と外筒の隙間が小さくなり、軸受箱がスムーズに移動しにくくなる。

上述のように軸受箱の軸方向移動をスムーズに行えない場合には、主軸の回転速度に応じて予圧荷重を切り換えることができない、あるいは予圧荷重を切り換える際の応答性が悪いといった切換動作不良が発生する。切換動作不良が生じると、低速回転域で主軸の剛性が不足して回転精度が低下したり、高速回転域で軸受に過度な予圧荷重を与えて軸受の焼損をまねいたりするおそれがある。

上記切換動作不良を防止するには、回転系の温度上昇を抑えるか、組込時の軸受箱と外筒の隙間を大きくすればよいと考えられる。しかし、回転系の温度上昇は、近年多用されるようになってきたビルトインモータ（主軸の高速化および加減速時間の短縮のために主軸内に設けられるモータ）等の運転条件の影響を受けるため、スピンドルユニット単体でこれを抑制することは困難である。また、軸受箱と外筒の隙間を大きくすると、両者の同軸度の調整が難しくなって、組込時の作業性が大幅に低下するため、この方法も採用しにくい。従って、これまでは、運転条件によって切換動作不良の発生を避けられない場合があった。
特許第２６０２３２５号公報

本発明の課題は、運転条件によらず軸受予圧荷重をスムーズに切り換えることができる予圧可変式スピンドルユニットを提供することである。

上記の課題を解決するため、本発明は、主軸と主軸を通す外筒との間に、主軸を回転自在に支持する軸受と、外筒と摺動して軸受を軸方向に押圧する軸受箱と、外筒に固定されて軸受箱の軸方向移動を規制する調整部材とを組み込み、前記軸受箱と外筒の互いの摺動面のいずれか一方に螺旋溝を設け、この螺旋溝に圧油を充填した状態で前記軸受箱を外筒と摺動させるようにした予圧可変式スピンドルユニットにおいて、前記螺旋溝の軸方向寸法を、螺旋溝の間に形成される螺旋状のランド部の軸方向寸法の１．５〜２．０倍とした構成を採用した。

螺旋溝の軸方向寸法をランド部の軸方向寸法の１．５〜２．０倍とすることにより、螺旋溝に充填した圧油で軸受箱と外筒との間に適度な隙間を生じさせるとともに、軸受等の回転系の温度が上昇しやすい運転条件でも、回転系で発生した熱がランド部を介して十分に静止系へ放出され、軸受箱と外筒の隙間が小さくならないようにして、軸受箱の軸方向移動を常にスムーズに行えるようにしたのである。

螺旋溝の軸方向寸法がランド部の軸方向寸法の１．５倍未満の場合には、相手部材（図１では軸受箱７）との接触面積が広くなってスピンドルユニットの放熱能は向上するが、圧油が充填される面積が減少するため、軸受箱を内径方向に収縮させる力および外筒を外径方向に拡張する力が少なくなり、軸受箱と外筒との間に十分な隙間が得られない。このため、軸受箱がスムーズに移動しにくくなる。

逆に、螺旋溝の軸方向寸法がランド部の軸方向寸法の２．０倍を超える場合には、軸受箱と外筒との間で圧油が充填される面積が増加するため、軸受箱を収縮させる力および外筒を拡張する力が増加して軸受箱と外筒との隙間が大きくなる。加えて、相手部材との接触面積も減少するので、軸受箱の軸方向移動はスムーズに行われる。しかし、この場合には、ランド部が過度に小さくなって軸受等の回転系で発生した熱を外筒等の静止系へ十分に放出できなくなるため、回転系の温度上昇に伴って軸受箱と外筒の隙間は小さくなっていき、かえって軸受箱をスムーズに移動させることが難しくなる。

本発明の予圧可変式スピンドルユニットは、上述したように、螺旋溝とランド部の軸方向寸法比率を適切に設定することにより、運転条件によらず軸受予圧荷重をスムーズに切り換えられるようにしたので、主軸の剛性不足による回転精度の低下や軸受の焼損等のトラブルが発生するおそれが少なく、安定して使用することができる。

以下、図面に基づき、本発明の実施形態を説明する。図１に示す予圧可変式スピンドルユニットは、前述したように、主軸１と主軸１を通す外筒２との間に、主軸１を回転自在に支持する４個のアンギュラ玉軸受３、４、５、６と、外筒２と軸方向に摺動して一端側の２個の軸受３、４を押圧する軸受箱７と、外筒２と軸方向に摺動して軸受箱７と接離する中間リング８と、外筒２に固定されて軸受箱７および中間リング８の軸方向移動を規制する調整部材９とを組み込み、軸受箱７と中間リング８との間および中間リング８端面と外筒２内周の段差部との間に油圧室１０、１１を形成したもので、各油圧室１０、１１への圧油の給排を制御して調整部材９と中間リング８とで軸受箱７を位置決めすることにより、一端側の軸受３、４の予圧荷重を切り換えるようになっている。各油圧室１０、１１への圧油の給排は、外筒２の外部に設けられた油圧制御装置１２によって行われる。

前記外筒２は、図２にも示すように、軸受箱７との摺動面に螺旋溝２ａが設けられ、この螺旋溝２ａに油圧制御装置１２から圧油が送り込まれるようになっている。ここで、螺旋溝２ａの軸方向寸法Ｌa は、螺旋溝２ａの間に形成される螺旋状のランド部２ｂの軸方向寸法Ｌb の１．５〜２．０倍としている。なお、螺旋溝は、軸受箱の外筒との摺動面に設けるようにしてもよい。

前記各軸受３、４、５、６は、主軸１の一端側と他端側にそれぞれ２個１組で間座１３、１４を挟んで並列に組み込まれており、軸受箱７内に組み込まれた一端側の軸受３、４と、外筒２に直接組み込まれた他端側の軸受５、６とが背面組合せとなるように配置されている。また、各組の主軸１中央側の軸受４、５は、軸受間の間座１３、１４の反対側に組み込まれた間座１５、１６とも当接している。

前記軸受箱７は、その他端部１７の内径が軸受３、４を組み込む部分よりも小さく形成されており、一端側へ移動するときには、他端部１７が隣り合う間座１５を介して軸受３、４の外輪を押圧し、各軸受３、４に予圧を与えるようになっている。また、この軸受箱他端部１７には、後述するように軸受箱７を位置決めするために、内周に段差部１８が、他端に突出部１９がそれぞれ設けられている。

前記調整部材９には、軸受箱他端部１７の段差部１８と当接して軸受箱７の一端側への移動を規制する段差部２０と、中間リング８の一端面と当接して中間リング８の一端側への移動を規制する段差部２１とが設けられている。両段差部２０、２１間の距離は、軸受箱他端部１７の段差部１８と突出部１９端面との間の距離よりも長く設定されている。

この調整部材９と前記中間リング８による軸受箱７の位置決めは、以下のようにして行われる。すなわち、低速回転域では、一端側の油圧室１０にだけ圧油を供給することにより、軸受箱７をその段差部１８が調整部材９の一端側の段差部２０と当接する位置まで移動させる。低速回転域から中速回転域に入ったときは、一端側の油圧室１０から圧油を排出するとともに、他端側の油圧室１１へ圧油を送り込むことにより、中間リング８を一端側へ移動させて調整部材９の他端側の段差部２１と当接する位置で停止させ、軸受箱７をその突出部１９が中間リング８に当接するまで他端側へ移動させる。そして、中速回転域から高速回転域に入ったときには、他端側の油圧室１１からも圧油を排出することにより、軸受箱７を中間リング８と当接させた状態で中間リング８が初期位置に戻るまで他端側へ移動させる。また、主軸1の回転速度が高速回転域から下降していくときには、各油圧室１０、１１への圧油の給排を上記と逆に行えばよい。

このスピンドルユニットは、上述したように、主軸1の回転速度に応じて、軸受３、４を押圧する軸受箱７の軸方向位置を変えて軸受３、４の予圧荷重を切り換えることにより、主軸１の剛性と高速性を両立させている。しかも、外筒２の螺旋溝２ａとランド部２ｂの軸方向寸法比率を適切に設定しているので、螺旋溝２ａに充填した圧油で軸受箱７と外筒２との間に適度な隙間を生じさせることができるし、軸受３、４等の回転系の温度が上昇しやすい運転条件でも、回転系で発生した熱をランド部２ｂを介して十分に外筒２等の静止系へ放出することができ、軸受箱７と外筒２の隙間が過度に小さくなることがない。従って、予圧荷重を切り換える際には、軸受箱７の軸方向移動が常にスムーズに行われ、切換動作不良が発生するおそれが少ない。

次に、上述した実施形態のスピンドルユニットの予圧荷重切換時の動作を確認する実験を行った。実験は、外筒の螺旋溝の軸方向寸法Ｌa をランド部の軸方向寸法Ｌb の１．５倍とした場合（実施例）と、１．０倍とした場合（比較例）について、主軸の回転速度を２５０００min^-1から１３０００min^-1へ減速した直後に、前述した高速回転域と中速回転域との間での切換動作を繰り返し行い、その際の軸受箱の軸方向変位を測定した。その他の実験条件を表１に、実験結果を図３に示す。なお、図３中の軸受箱変位量は、高速回転域での定常運転中の位置を基準とし、この基準位置から一端側への移動量に負号を付けて表している。

図３（ａ）、（ｂ）から明らかなように、比較例では切換動作の際に軸受箱がスムーズに軸方向に移動せず、応答性が大幅に低下する場合があるのに対し、実施例では常に安定した切換動作が行われている。

また、両者に対して、別途、軸受箱と外筒の温度差を変化させて切換動作不良を生じない範囲を調査したところ、温度差の上限が比較例では５．４℃、実施例では８．３℃であることがわかり、この結果からも本発明の有効性が確認された。

なお、本発明の予圧可変式スピンドルユニットは、上述の実施形態のように各油圧室への圧油の給排により予圧荷重を３段階に切り換えるものに限らず、軸受箱を軸方向に移動させて予圧荷重を複数段に切り換えるものであれば、有効に適用することができる。

実施形態のスピンドルユニットの縦断面図図１の外筒の要部拡大縦断面図ａ、ｂは、それぞれ図１のスピンドルユニットの切換動作確認実験の結果を示すグラフ

符号の説明

１主軸
２外筒
２ａ螺旋溝
２ｂランド部
３、４、５、６軸受
７軸受箱
８中間リング
９調整部材
１０、１１油圧室
１２油圧制御装置
１３、１４、１５、１６間座

Claims

主軸と主軸を通す外筒との間に、主軸を回転自在に支持する軸受と、外筒と摺動して軸受を軸方向に押圧する軸受箱と、外筒に固定されて軸受箱の軸方向移動を規制する調整部材とを組み込み、前記軸受箱と外筒の互いの摺動面のいずれか一方に螺旋溝を設け、この螺旋溝に圧油を充填した状態で前記軸受箱を外筒と摺動させるようにした予圧可変式スピンドルユニットにおいて、前記螺旋溝の軸方向寸法を、螺旋溝の間に形成される螺旋状のランド部の軸方向寸法の１．５〜２．０倍としたことを特徴とする予圧可変式スピンドルユニット。