JP2007090518A

JP2007090518A - 工作機械の主軸装置

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Publication number: JP2007090518A
Application number: JP2006314674A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Inoue; 真一井上; Hideshi Sato; 英志佐藤; Kazumasa Takano; 和雅高野
Original assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Current assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Priority date: 2006-11-21
Filing date: 2006-11-21
Publication date: 2007-04-12
Anticipated expiration: 2021-08-13
Also published as: JP4679493B2

Abstract

【課題】高速化、高剛性化に対応した工作機械の回転軸装置を提供する。
【解決手段】回転軸１７の負荷側である前方部１７ａを大径、他方側である後方部１７ｂを小径に形成し、前方の大径部１７ａをラジアル軸受１９で後方の小径部１７ｂを一対のアンギュラ玉軸受２１でハウジング１３に回転軸１７を回転支持する。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械の主軸装置に関する。

工作機械の主軸装置の主軸は、一般的に、ラジアル荷重とスラスト荷重を受けるために、主軸を回転支持する軸受は、こうした荷重を考慮して決定される。例えば、第１の従来技術として特許文献１には、主軸の先端側を背面組合せの一対のアンギュラ玉軸受により回転支持し、後端側をラジアル玉軸受により回転支持した構成が開示されている。このように一対のアンギュラ玉軸受を先端側に配置するのが一般的である。更に、第２の従来技術として特許文献２には、主軸の先端側を円筒ころ軸受により回転支持し、後端側を背面組合せの一対のアンギュラ玉軸受により回転支持した構成が開示されている。

第３の従来技術として、特許文献３には、主軸後端部から主軸内に潤滑液を供給し、この潤滑液により主軸の軸心冷却を行った後に、比較的温まった潤滑液により軸受の潤滑と、主軸を回転支持するハウジングの冷却とを行うようにした工作機械の主軸装置が開示されている。また、第４の従来技術として、特許文献４には、スピンドル軸の中心部から軸受転動体転動空間へ供給する潤滑油の温度および外筒の冷却ジャケットに供給する冷却流体の温度を制御する第１、第２冷却ユニットをスピンドル軸と外筒の温度に基づいて制御するようにしたスピンドル装置が開示されている。

特許第３０８０２５３号公報特開平７−３１０７４２号公報特許第２６７７５０５号公報特開平６−１３４６５１号公報

近時の工作機械の主軸装置では、主軸の回転の高速化に伴い主軸および主軸を回転支持する軸受は高い荷重を受けるようになっている。そのために主軸はより大径化し主軸の高速化と相俟って軸受のＤＮ値（軸受内径×回転速度で表わされる数値）が高くなっている。ＤＮ値が高くなれば、軸受の寿命が短くなり、かつ、高価な軸受を使用しなければならなくなる。特にアンギュラ玉軸受は、通常一対で使用しラジアル玉軸受に比べて各段に高価な軸受となっている。更にアンギュラ玉軸受の場合、転動体としてのボールと内外輪との間に接触角を有するために、ボールと内外輪との接触部でボールがはスピン運動を行い、内外輪との接触部においてすべりが発生し、油膜切れ等の問題を生じる。このアンギュラ玉軸受のスピンはボールに作用する遠心力の影響を最も受けるために、ＤＮ値が大きくなればなるほどアンギュラ玉軸受のスピンに伴う問題も増大する。

また、一般に工作機械の工具等の機能部材が取り付けられる主軸の先端部分には、後端部分に比較して大きな半径方向の力が作用する。従って、主軸の先端部分の直径を後端部分の直径よりも大きくすることが有利である。ところが、主軸の直径が大きくなると、主軸を回転支持する軸受も必然的に大型化せざるを得ない。この点第１の従来技術では、主軸の先端側を背面組合せのアンギュラ玉軸受により回転支持しているために、このアンギュラ玉軸受を大型化せざるを得ない問題がある。

第２の従来技術では、主軸の後端側を先端側を背面組合せのアンギュラ玉軸受により回転支持しているが、主軸全体が同じ直径にて形成されており、従って、第２の従来技術の構成によれば、回転軸の高速化、大径化に伴うＤＮ値の増大に対して軸受構成の問題点は第１の従来技術と同様である。

一方、近時の工作機械の主軸装置のように２００００min^-1以上で高速回転する場合には、主軸を回転支持する軸受の予圧を厳格に制御する必要がある。より詳細には、主軸が高速化すれば、それを回転支持する軸受の内輪は遠心力および熱膨張により外径が増大する。一方、外輪はハウジングにより外径が規定されるために、外輪の内径が遠心力により増大することがない。また、こうした高速回転する主軸装置では主軸を回転支持するハウジングが冷却されることが多く、こうした場合、ハウジングを過度に冷却すると、外輪は熱膨張することもできないので、内外輪の間に配置された転動体は過大な予圧を受けることとなる。その結果、内輪や転動体が外輪に押し付けられ、内輪、外輪、転動体の摩擦による発熱が大きくなり、ひいては軸受の破損をまねいてしまう。

従って、軸受の転動体に過大な予圧がかかることを防止するためには、主軸（内輪）およびハウジング（外輪）の温度もまた厳格に制御しなければならない。この点、第３の従来技術では、主軸の軸心を冷却して比較的温まった潤滑液によりハウジングを冷却しているために、ハウジングがどんな状態で冷却されているかわからず、主軸およびハウジングの温度を最適に制御することができない。よって、第３の従来技術の構成では、主軸およびハウジングに固定されている軸受の内外輪の温度を最適に制御することができないという問題がある。

この点、第４の従来技術では、外筒（ハウジング）の温度を検出する第１温度センサと、スピンドルの温度を検出する第２温度センサとを設けて、各々の検出温度に基づいて、第１、第２冷却ユニットを制御するようになっているが、第４の従来技術の第１、第２冷却ユニットは、ハウジングとスピンドルの温度勾配が小さくなるように冷却流体と潤滑油の温度を制御している。既述したように、内輪は熱膨張に加えて遠心力により外径が増大するので、主軸の回転速度を考慮して内外輪の温度を制御しなければならない。しかし、第４の従来技術では、内輪、外輪の温度を検出していないので、こうした状況における内輪、外輪、転動体の摩擦による発熱を除去できず、やはり軸受の焼き付きをまねいてしまうという問題がある。また、第４の従来技術では、第１温度センサは外筒の外側の温度を検出するように設けられ、第２温度センサは主軸先端部外周の温度を検出するように設けられており、軸受の内外輪の温度を検出するようにはなっていないので、軸受の発熱部の温度を正確に検出できない構成である。

また、主軸装置には、主軸を回転駆動するための駆動モータをハウジングに内蔵した所謂ビルトインモータ形式のものがある。こうしたビルトインモータ形式の主軸装置では、ハウジングは駆動モータ、特にそのステータの発熱によっても加熱される。従って、ビルトインモータ形式の主軸装置のハウジングを冷却する場合、主としてステータおよびステータ近傍のハウジング部分を冷却するようになっているが、これにより加熱された冷却液が熱媒体としてハウジングを却って加熱してしまうことがある。第３の従来技術では、主軸の軸芯を冷却して比較的温まった潤滑液をハウジングのステータ取付装置の近傍に設けられた螺旋通路に流通させるようにしているが、これではステータを十分に冷却することができず、やはり加熱された潤滑液が熱媒体となってハウジングが加熱してしまう。

本発明は、こうした従来技術の問題点を解決することを技術課題としており、高速化、高剛性化に対応した工作機械の主軸装置を提供することを目的としている。
本発明は、主軸及びハウジングの冷却を適切に行い、高速化、高精度化に対応した工作機械の主軸装置を提供することを目的としている。

更に本発明は、主軸を回転支持する軸受の内外輪の温度を直接正確に検出し、その検出結果に基づき冷却液の温度を独立に制御して、主軸とハウジングとの間に介在する軸受の予圧を適正に制御し軸受の破損のない工作機械の主軸装置を提供することを目的としている。
更に本発明は、ハウジングの冷却を最適に行うことができる工作機械の主軸装置を提供することを目的としている。

上述の目的に鑑みて、本発明によれば、ハウジングに主軸を回転可能に支持し、前記主軸に工具を装着してワークを加工する工作機械の主軸装置において、前記工具を装着するため所望の外径を有する前部と、前記前部と反対側の後部と、前記前部と前記後部の間の中間部とから成り、前記前部、前記中間部、前記後部の順に外径が細くなるように形成された主軸と、前記主軸の前部と前記ハウジングとの間に設けられ、所望の回転速度における前記主軸に作用する半径方向の負荷を支持する円筒ころ軸受又はラジアル玉軸受と、前記円筒ころ軸受又はラジアル玉軸受の内径より小さな内径を有し、前記主軸の後部と前記ハウジングとの間に設けられ、前記所望の回転速度における前記主軸に作用する半径方向及び軸線方向の負荷を支持するアンギュラ玉軸受と、前記主軸の中間部の外周に取り付けられたロータと、前記ロータと対向させて前記ハウジングに取り付けられたステータとで成り、前記主軸を回転駆動する駆動モータと、前記主軸の中心軸線に沿って冷却液通路を設け、前記冷却液通路に冷却液を供給して前記主軸並びに前記主軸を介して前記円筒ころ軸受又はラジアル玉軸受、前記アンギュラ玉軸受及び前記駆動モータのロータを冷却する第１の冷却手段と、前記ハウジングに冷却液通路を設け、前記冷却液通路に冷却液を供給して前記ハウジング並びに前記ハウジングを介して前記円筒ころ軸受又はラジアル玉軸受、前記アンギュラ玉軸受及び前記駆動モータのステータを冷却する第２の冷却手段と、前記円筒ころ軸受又はラジアル玉軸受の内輪の温度を検出する内輪温度検出手段と、前記円筒ころ軸受又はラジアル玉軸受の外輪の温度を検出する外輪温度検出手段とを具備し、前記第１の冷却手段は、前記内輪温度検出手段により検出された前記内輪の温度に基づいて前記主軸の冷却液通路に供給する冷却液の温度を制御し、前記第２の冷却手段は、前記外輪温度検出手段により検出された前記外輪の温度に基づいて前記ハウジングの冷却液通路に供給する冷却液の温度を制御し、かつ、前記第１の冷却手段又は前記第２の冷却手段は、前記円筒ころ軸受又はラジアル玉軸受の内輪の温度よりも所定温度だけ前記円筒ころ軸受又はラジアル玉軸受の外輪の温度が高くなるように前記主軸の冷却液通路又は前記ハウジングの冷却液通路に供給する冷却液の温度を制御するようにした工作機械の主軸装置が提供される。

以下、添付図面を参照して、本発明の工作機械の主軸装置の好ましい実施形態を説明する。図１を参照すると、主軸装置１１は、ハウジング１３、１５内に軸受１９、２１を介して回転自在に支持された主軸１７を具備している。ハウジング１３、１５は、ハウジング本体部分１３と、ハウジング本体部分１３の後端開口部を閉鎖する後端カバー１５とを有している。主軸１７は、先端部分１７ａ、先端部分の反対側の後端部分１７ｂ、先端部分１７ａと後端部分１７ｂの間の中間部分１７ｃを有している。主軸１７の負荷側である先端部分１７ａには工作機械の工具（図示せず）等の機能部材が取り付けられる。主軸１７を中心軸線Ｏを中心として回転駆動するために、ハウジング本体部分１３内に駆動モータ２３が配設されており、駆動モータ２３は、主軸１７の中間部分１７ｃに固定されたロータ２３ａと、ハウジング本体部分１３においてロータ２３ａに対面する内周面に固定されたステータ２３ｂとを有している。

本実施形態において、主軸１７は、その先端部分１７ａまたは先端部分１７ａに隣接した部分が、後端部分１７ｂまたは後端部分１７ｂに隣接した部分よりも大きな直径を有している。本実施形態における先端部分１７ａの直径はφ７５mmで、後端部分１７ｂの直径はφ５５mmで形成されている。一方、主軸１７を回転支持する軸受１９、２１は、主軸１７の先端部分１７ａまたは先端部分１７ａに隣接する部分を回転支持する先端側軸受１９と、主軸１７の後端部分１７ｂまたは後端部分１７ｂに隣接する部分を回転支持する後端側軸受２１とを含んでいる。先端側軸受１９は、好ましくは主軸１７の外周面に固定された内輪１９ａ、ハウジング本体部分１３の内周面に固定された外輪１９ｂ、内外輪１９ａ、１９ｂの間に配設された転動体１９ｃとを有するラジアル軸受により形成されている。図１では先端側軸受１９として円筒ころ軸受を複列に用いた場合を開示している。先端側軸受１９は、ラジアル玉軸受で形成してもよい。後端側軸受２１は、主軸１７の外周面に固定された内輪２１ａ、ハウジング本体部分１３の内周面に固定された外輪２１ｂ、内外輪２１ａ、２１ｂの間に配設された転動体２１ｃとを有するアンギュラ玉軸受を背面組合せとして形成されている。

主軸装置では、一般に工具等の機能部材が取り付けられる主軸の先端部分には、後端部分に比較して大きな半径方向の力が作用する。従って、主軸の先端部分の直径を後端部分の直径よりも大きくすることが有利である。ところが、主軸の直径が大きくなると、主軸を回転支持する軸受も必然的に大型化せざるを得ない。特に、一般に実施されているように、主軸の先端側を背面組合せのアンギュラ玉軸受により回転支持すると、このアンギュラ玉軸受を大型化しなければならない。アンギュラ玉軸受は、前述したようにＤＮ値が大きくなると軸受部の発熱が大きくなる。また、アンギュラ玉軸受は、一対で用いるものであり、通常のラジアル玉軸受と比較して非常に高価なため、アンギュラ玉軸受により主軸の先端側を回転支持すると、主軸装置が非常に高価になる。一方、主軸の後端側に作用する半径方向の力は先端側に比較して非常に小さくなるので、主軸を細くすることができる。従って、本実施形態の如く、主軸１７の後端部分１７ｂまたは先端部分１７ｂに隣接する部分を背面組合せの一対のアンギュラ玉軸受２１により回転支持して、該アンギュラ玉軸受２１により主軸１７の半径方向のラジアル荷重と、軸方向のスラスト荷重を支持するように構成すれば、小径のアンギュラ玉軸受を使用することが可能となり、ＤＮ値が小さくなるので発熱が少なく、また廉価な主軸が可能となる。

次に、図２を参照して、本発明の工作機械への応用例を説明する。
図２において、工作機械１０１は、工場の床面に固定されるベッド１０３、ベッド１０３の上面に固定されたコラム１０５、ベッド１０３の上面において、２つの直交する水平方向（Ｘ、Ｙ軸方向）に往復移動可能に取り付けられワークＷを固定するテーブル１０７を具備している。主軸頭２０１がコラム１０５に垂直方向（Ｚ軸方向）に上下動可能に設けられている。テーブル１０７はベッド１０３内に配設されたＸ、Ｙ軸送り装置（図示せず）により駆動され、主軸頭２０１はコラム１０５内に配設されたＺ軸送り装置（図示せず）により駆動される。また、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸送り装置の各々は、Ｘ、Ｙ、Ｚの各軸方向に延設されたねじ軸（図示せず）と、該ねじ軸を回転駆動するサーボモータ（図示せず）を具備している。各ねじ軸を駆動するサーボモータおよび主軸２０５を駆動する主軸駆動モータ（図３の参照符号２２３）は、機械制御装置１１３により制御される。機械制御装置１１３は、ＮＣ装置を含んで成り、上記サーボモータや主軸駆動モータの制御に加え、工作機械１０１により実施される加工プロセス全般を制御する。

主軸頭２０１は、コラム１０５の前面にＺ軸方向に上下動自在に取り付けられたハウジング２０３および主軸２０５を具備している。主軸２０５はハウジング２０３内においてＺ軸方向に延設されて、テーブル１０７に対面する先端部に工具Ｔが装着される。また、主軸２０５は、その前方部および後方部において軸受２０７、２０９によりハウジング２０３に回転自在に支持されている。なお、詳細には図示されていないが、主軸２０５に工具Ｔを装着するために、主軸２０５の先端部には工具Ｔまたは工具Ｔを保持する工具ホルダの後端に設けられたテーパ部を嵌合するテーパ穴が設けられると共に、主軸２０５内には工具Ｔまたは工具ホルダを前記テーパ穴内に固定するためのドローバー等の工具固定装置が組み込まれていることは当業者の当然とするところである。ここで、機械の送り軸構成はこれに限定されることはなく、主軸を水平軸線回りに回転する構成にしてもよい。

主軸２０５には、また、長手方向の中心軸線に沿って軸心冷却液通路２１１が設けられている。冷却液が第１の冷却液供給装置１０９から主軸２０５の後端部に設けられたロータリジョイント２１３を介して軸心冷却液通路２１１に供給され、該軸心冷却液通路２１１内を流通して主軸２０５を冷却した後に第１の冷却液供給装置１０９へ帰還する。第１の冷却液供給装置１０９は、冷却液を貯留するタンク（図示せず）、冷却液を送り出す冷却液循環ポンプ（図示せず）、主軸２０５へ供給する冷却液を冷却して所定温度に制御する冷却液温度制御装置（図示せず）を含んでいる。第１の冷却液供給装置１０９は、また、機械制御装置１１３に接続されており、機械制御装置１１３から第１の冷却液供給装置１０９のための起動指令および主軸２０５の回転速度Ｎ(min^-1)に関する情報を受信する。

ハウジング２０３は、主軸２０５の実質的部分を収納する中空状の部材であり、軸受２０７、２０９を介して主軸２０５を回転支持する。主軸２０５を２００００min^-1以上で高速回転させるために、軸受２０７、２０９は、内輪２０７ａ、２０９ａ、外輪２０７ｂ、２０９ｂ、内外輪の間に設けられた転動体２０７ｃ、２０９ｃを有する転がり軸受とすることが好ましい。より好ましくは、主軸２０５の負荷側の先端部分を支持する軸受２０７は、転動体２０７ｃとしてボールを具備するボールベアリング等のラジアル軸受により形成し、主軸２０５の後端部分を支持する軸受２０９は、背面組合せの一対のアンギュラ玉軸受とする。軸受２０７、２０９は、オイルエア潤滑等適宜の方法で潤滑される。

ハウジング２０３にはハウジング冷却液通路２１５が形成されており、冷却液が第２の冷却液供給装置１１１からハウジング冷却液通路２１５に供給され、ハウジング２０３を冷却した後に第２の冷却液供給装置１１１へ帰還する。第２の冷却液供給装置１１１は、第１の冷却液供給装置１０９と同様に、冷却液を貯留するタンク（図示せず）、冷却液を送り出す冷却液循環ポンプ（図示せず）、ハウジング２０３へ供給する冷却液を冷却して所定温度に制御する冷却液温度制御装置（図示せず）を含んでいる。第２の冷却液供給装置１１１は、また、機械制御装置１１３に接続されており、機械制御装置１１３から冷却液供給装置１１１のための起動指令および主軸２０５の回転速度Ｎ(min^-1)に関する情報を受信する。
請求項１に記載の第１の冷却手段は、軸心冷却液通路２１１及び第１の冷却液供給装置１０９を含むものであり、第２の冷却手段は、ハウジング冷却液通路２１５及び第２の冷却液供給装置１１１を含むものである。

ベッド１０３には、ベッド１０３の温度を検出するベッド温度センサ１１５が取り付けられており、ベッド温度センサ１１５は第１の冷却液供給装置１０９に接続されている。一方、主軸頭２０１のハウジング２０３には、主軸２０５の先端部分を支持する軸受２０７の内輪２０７ａの温度を検出する内輪温度センサ１１７と、軸受２０７の外輪２０７ｂの温度を検出する外輪温度センサ１１９が配設されており、内輪温度センサ１１７は第１の冷却液供給装置１０９の冷却液温度制御装置に接続され、外輪温度センサ１１９は第２の冷却液供給装置１１１の冷却液温度制御装置に接続されている。ベッド温度センサ１１５および外輪温度センサ１１９はサーミスタや熱電対を具備して、ベッド１０３および外輪２０７に直接接触してその温度を測定するように構成できる。内輪温度センサ１１７は、好ましくは、赤外線温度センサ等の非接触式温度センサを具備しており非接触式に内輪２０７ａの温度を測定する。内輪２０７ａの温度は、内輪２０７ａの近傍の主軸２０５の表面温度にて代表させても良い。内輪温度センサ１１７及び外輪温度センサ１１９は負荷が大きくかかる主軸２０５の負荷側の軸受２０７に設けることが望ましい。

図３を参照すると、図２において参照符号Ａで示す主軸２０５の先端部分の拡大半断面図が図示されている。主軸２０５は、中心軸線Ｏ（オー）に沿って中心孔２０５ａが形成されており、該中心孔２０５ａ内に工具または工具ホルダＴを主軸２０５の先端部に固定するためのドローバー２１７が中心軸線Ｏに沿って延設されている。ドローバー２１７は、その中心軸線Ｏに沿って冷却液供給通路２１７ａが形成されており、該冷却液供給通路２１７ａは、その後端部（図示せず）においてロータリジョイント２１３に接続されている。冷却液供給通路２１７ａは、また、その先端部２１７ｃの近傍に半径方向に延びる出口ポート２１７ｂが形成されている。図３に示すように、ドローバー２１７を主軸２０５の中心孔２０５ａ内に挿入することにより、ドローバー２１７の外周面と中心孔２０５ａの内周面との間に冷却液戻り通路が画成される。なお、図３の実施形態では、軸受２０７は、２つのボールベアリング等の複列のラジアル軸受により構成されている。また、図３の実施形態では、主軸頭２０１は、ハウジング２０３の内周面に固定されたステータ２２３ａと、主軸２０５の外周面に固定されたロータ２２３ｂとを有する主軸駆動モータ２２３を具備している。

好ましくは、主軸２０５の先端部分において、中心孔２０５ａの内周面には螺旋溝２０５ｂが形成されており、中心孔２０５ａには該螺旋溝２０５ｂを覆うようにスリーブ２１９が嵌合されている。螺旋溝２０５ｂとスリーブ２１９の外周面とにより、螺旋通路が画成される。中心孔２０５ａ内においてスリーブ２１９とドローバー２１７との間には、連絡通路２２１ａを有する接続スリーブ２２１が配設されている。連絡通路２２１ａにより、ドローバー２１７の出口ポート２１７ｂは、螺旋通路の最も先端部分（図３において最も下の部分）に接続される。ロータリジョイント２１３から供給された冷却液は、矢印Ｆ₁からＦ₄で示すように、ドローバー２１７の冷却液供給通路２１７ａ、出口ポート２１７ｂ、連絡通路２２１ａ、螺旋通路、冷却液戻り通路を順次に流通し、ロータリジョイント２１３を介して第１の冷却液供給装置１０９へ帰還する。すなわち、図３に示す実施形態では、軸心冷却液通路２１１は冷却液供給通路２１７ａ、出口ポート２１７ｂ、連絡通路２２１ａ、螺旋通路、冷却液戻り通路により形成される。

前記螺旋通路は、螺旋溝２０５ｂを設けることにより、冷却液と接触する主軸２０５の表面積が増加するために、螺旋通路を設けた部分において伝熱が促進され、主軸２０５を効果的に冷却することが可能となる。主軸２０５を通じて軸受２０７の内輪２０７ａを冷却するために、螺旋通路は、図３に示すように、主軸２０５において少なくとも部分的に軸受２０７と重なる部分に設けることが好ましい。また、主軸２０５の回転方向に関して後端方向にねじが進むように螺旋溝２０５ｂを形成することにより、螺旋通路内の冷却液が主軸２０５が回転することにより、主軸２０５の後端方向に付勢されるポンプ作用を得ることができる。これにより、冷却液が軸心冷却液通路を流通しやすくなる。

以下、本実施形態の作用を説明する。
機械制御装置１１３からの指令により主軸２０５の主軸駆動モータ２２３が起動すると、主軸２０５が回転し、軸受２０７、２０９が発熱する。主軸駆動モータ２２３の起動と同時に或いはそれに先だって第１と第２の冷却液供給装置１０９、１１１は、軸心冷却液通路２１１とハウジング冷却液通路２１５へ冷却液を供給する。第１の冷却液供給装置１０９は、ベッド温度センサ１１５および内輪温度センサ１１９が測定したベッド１０３および内輪２０７ａの各々の温度Ｔｂ、Ｔｉに基づき、内輪２０７ａの温度Ｔｉがベッド１０３の温度Ｔｂに等しくなるように、冷却液の温度を制御する。ここで、内輪２０７ａの温度Ｔｉが室温やその他の設定温度になるように制御してもよい。

第２の冷却液供給装置１１１は、第１の冷却液供給装置１０９から内輪２０７ａの温度Ｔｉに関する情報を受信して、外輪２０７ｂの温度Ｔｏが内輪２０７ａの温度Ｔｉよりも所定の温度差ΔＴ高くなるように、冷却液の温度を制御する。内外輪２０７ａ、２０７ｂの温度差ΔＴは、主軸２０５の回転速度Ｎ(min^-1)に対して軸受に適正な予圧を与えるように設定することができる。温度差ΔＴは、実験または数値解析により予め求め、主軸２０５の回転速度Ｎ(min^-1)に関する関数またはテーブルの形で第２の冷却液供給装置１１１内に格納することができる。そして、機械制御装置１１３から受信した主軸２０５の回転速度Ｎ(min^-1)に関する情報に基づき第２の冷却液供給装置１１１内でΔＴを演算するようにできる。

このようにして、内輪２０７ａの温度と外輪２０７ｂの温度に温度差をつけ、すなわち内輪２０７ａの温度に対して外輪２０７ｂの温度がΔＴだけ高くなるように、第２の冷却液供給装置１１１からハウジング冷却液通路２１５に供給される冷却液の温度を制御することにより、内輪２０７ａを外輪２０７ｂよりも低い温度にして、内輪２０７ａの膨張による予圧の増大を抑えるように制御し、軸受の破損を防止することができる。

既述したように、軸受の予圧は軸受の熱変形に加えて、内輪に作用する遠心力によっても変化する。従って、軸受に適正な予圧を与える内外輪の温度差ΔＴは回転軸または主軸の回転速度によって変化する。本実施形態のごとく、内外輪の温度差ΔＴを主軸２０５の回転速度Ｎ(min^-1)に対して変化させることにより、特に遠心力の影響が強くなる高速回転領域において、内外輪の温度差を一定になるように制御していた第４の従来技術と比較して格段に軸受の予圧の制御が精密化されることとなる。これはまた軸受の長寿命化および主軸装置の信頼性の向上に寄与する。

次に、図４を参照して、本発明の更に他の実施形態を説明する。本実施形態は上述の実施形態と概ね同様に構成されており、図４において図２と同様の構成要素には同じ参照符号が付されている。
図４に示す実施形態では、内輪２０７ａおよび外輪２０７ｂの各々の温度Ｔｉ、Ｔｏを測定する内輪温度センサ１１７および外輪温度センサ１１９が機械制御装置１１３に接続されている。第１の冷却液供給装置１０９は機械制御装置１１３から主軸２０５の回転速度Ｎ(min^-1)と内輪２０７ａの温度Ｔｉを受信し、ベッド温度センサ１１５からベッド１０３の温度Ｔｂを受信し、内輪２０７ａの温度Ｔｉがベッド１０３の温度Ｔｂに等しくなるように、冷却液の温度を制御する。内輪２０７ａの温度Ｔｉが室温やその他の設定温度になるように制御してもよいことは言うまでもない。

第２の冷却液供給装置１１１は機械制御装置１１３から内輪２０７ａの温度Ｔｉに関する情報を受信して、外輪２０７ｂの温度Ｔｏが内輪２０７ａの温度Ｔｉよりも所定の温度差ΔＴだけ高くなるように、冷却液の温度を制御する。

また、内輪温度センサ１１７により検出された軸受の内輪２０７ａの温度、及び外輪温度センサ１１９により検出された軸受の外輪２０７ｂの温度に基づいて、すなわち内輪２０７ａの温度と外輪２０７ｂの温度の温度差が所定値以上になったら、軸受の異常を検出・表示するようにしてもよい。

さらに、上述の第１及び第２の実施形態では、軸受２０７の内輪２０７ａの温度を基準にして外輪２０７ｂの温度を所定温度ΔＴだけ高くなるように冷却液の温度制御を行うようにしているが、軸受２０７の外輪２０７ｂの温度を基準にして内輪２０７ａの温度を所定温度ΔＴだけ低くなるように冷却液の温度制御を行うことも可能である。

図１に示した主軸装置１１において、その主軸１７及びハウジング１３に、図２及び図４に示したような軸心冷却液通路及びハウジング冷却液通路を設け、主軸１７及びハウジング１３をそれぞれ冷却するようにしてもよい。軸心冷却液通路及びハウジング冷却液通路への冷却液の供給は、１つの冷却液供給装置から行ってもよいし、図２及び図４に示したように２つの冷却液供給装置から行ってもよい。主軸１７及びハウジング１３を冷却することにより、主軸１７及びハウジング１３の熱変位を小さくすることができる。

次に、図５を参照して本発明の更に他の実施形態を説明する。
図５において、主軸装置３０１は、ハウジング３０３、３１９、３２１内に軸受３０７、３０９を介して回転自在に支持された主軸３０５を具備している。図１に示したように、主軸３０５の先端側を大径、後端側を小径に形成し先端大径部をラジアル軸受（軸受３０７）で、後端小径部を１対のアンギュラ玉軸受（軸受３０９）で、回転支持するようにしてもよい。ハウジング３０３、３１９、３２１は、ハウジング本体部分３０３と、ハウジング本体部分３０３の先端側開口部を閉鎖するフロントカバー３１９と、ハウジング本体部分３０３の後端側開口部を閉鎖するリアカバー３２１とを有している。主軸３０５は、その中心軸線に沿って延びる軸心冷却液通路３１１と、主軸３０５の先端側において軸心冷却液通路３１１から主軸３０５を半径方向に横断する先端側出口ポート３１１ａと、主軸３０５の後端側において軸心冷却液通路３１１から主軸３０５を半径方向に横断する後端側出口ポート３１１ｂとが形成されている。

主軸３０５を回転駆動するために、ハウジング本体部分３０３内に駆動モータ３１７が配設されており、駆動モータ３１７は、主軸３０５に固定されたロータ３１７ａと、ハウジング本体部分３０３においてロータ３１７ａに対面する内周面に固定されたステータ３１７ｂとを有している。ハウジング本体部分３０３には、ハウジング本体部分３０３の内周面において、ステータ３１７ｂが配置されている部分に形成された螺旋溝３１３を含んでおり、該螺旋溝３１３とステータ３１７ｂの外周面とにより螺旋状のモータ冷却液通路３１３が形成される。ハウジング本体部分３０３には、また、螺旋状のモータ冷却液通路３１３を包囲するように設けられた環状の空所から成るハウジング冷却液通路３１５が形成されている。更に、前記ハウジングのフロントカバー３１９には、先端側出口ポート３１１ａに連通する出口通路３１９ａが形成されている。

軸心冷却液通路３１１は、主軸３０５の後端に取り付けられたロータリジョイント３３３に連通しており、かつ、タンク３２３ａ、冷却液循環ポンプ３２３ｂを有する冷却液供給装置３２３から、冷却液供給管路３２５、軸心冷却液供給管路３２５ａ、ロータリジョイント３３３を介して軸心冷却液通路３１１に冷却液が供給される。軸心冷却液通路３１１に供給された冷却液の一部は、先端側出口ポート３１１ａ、出口通路３１９ａ、冷却液戻り管路３２７を介して冷却液供給装置３２３に帰還する。軸心冷却液通路３１１に供給された冷却液の残りの一部は、後端側出口ポート３１１ｂ、冷却液戻り管路３２７を介して冷却液供給装置３２３に帰還する。

冷却液供給装置３２３の冷却液循環ポンプ３２３ｃにより冷却液が冷却液供給管路３３１、モータ冷却液管路３２５ｂを介してモータ冷却液通路３１３に供給される。このとき、螺旋状のモータ冷却液通路３１３へ供給された冷却液がハウジング本体部分３０３の前方から後端方向へ流通するように構成することが好ましい。同様に、冷却液供給装置３２３の冷却液循環ポンプ３２３ｃにより冷却液が冷却液供給管路３３１、ハウジング冷却液供給管路３２５ｃを介してハウジング冷却液通路３１５に供給される。モータ冷却液通路３１３およびハウジング冷却液通路３１５に供給された冷却液は、ハウジング冷却液戻り管路３２９を介して冷却液供給装置３２３に帰還する。モータ冷却液通路３１３とハウジング冷却液通路３１５への冷却液循環用のポンプを別々のポンプとしてもよい。

本実施形態の如くモータ冷却液通路３１３の外側に該モータ冷却液通路３１３を包囲するようにハウジング冷却液通路３１５を設けることにより、モータ冷却液通路３１３に供給された冷却液がステータ３１７ｂから発生する熱を奪うのでハウジング本体部分３０３の実質的部分に伝わることが防止される。さらに、ハウジング冷却液通路３１５に供給された冷却液がハウジング本体部３０３を冷却する。よって、ステータ３１７ｂの発熱によるハウジング本体部分３０３の熱変形が防止される。

なお、主軸３０５に、ロータ３１７ａに沿わせてロータ冷却通路を形成し、軸心冷却通路３１１から該ロータ冷却通路内に冷却液を導き、ロータ３１７ａを冷却するようにしてもよい。

以上説明した通り本発明によれば、主軸の負荷側の軸受を大径に形成し、他方側の軸受を小径に形成し、大径部を円筒ころ軸受またはラジアル玉軸受で、小径部を一対のアンギュラ玉軸受でハウジングに主軸を回転支持するようにしたので、工作機械の主軸装置として必要な剛性を確保し、かつ発熱が少なく高速回転に適した主軸装置が得られる。また、主軸を比較的細くし軽量化を図ることができ、主軸の速度制御が俊敏に行える。主軸の小径部にアンギュラ玉軸受を配置したので、比較的小形のアンギュラ玉軸受を使用でき、主軸装置の小型化及び廉価な装置が得られる。また、アンギュラ玉軸受のスピン運動が低減するので発熱が少なくなり、主軸装置の寿命、信頼性を高めた高速回転可能な主軸装置を実現することができる。
また、主軸及びハウジングの冷却を行うようにしたので、主軸及びハウジングを適切に冷却し回転軸及びハウジングの熱変位を小さくすることができ、高速回転かつ高精度な主軸装置を実現することができる。

さらに、軸受の内輪の温度と外輪の温度を直接検出するようにして、その検出結果に基づいて主軸の冷却液通路及びハウジングの冷却液通路に供給する冷却液の温度を制御するようにしたので、冷却液の温度制御を正確に行うことができる。よって、主軸が高速回転して軸受が発熱した場合、主軸を回転支持する軸受の予圧を適正範囲に制御して、内輪及び外輪と転動体の摩擦による発熱を低下させ軸受の破損を防止することができる。そのため、軸受の発熱が小さいので主軸の高速回転が可能となる。
そして、軸受の外輪の温度が内輪の温度より所定温度高くなるように、主軸の冷却液通路及びハウジングの冷却液通路に供給する冷却液の温度を制御するようにしたので、内輪の膨張による軸受の予圧の増大を小さくして、軸受の外輪と転動体との摩擦による発熱を低下させ軸受の破損を防止することができる。そのため、より精密に軸受の予圧を適正に保ち主軸のより高速回転が可能となる。

さらに主軸に主軸冷却手段、ハウジングにモータ冷却手段及びハウジング冷却手段を設け、主軸とモータとハウジングに別系統で冷却液を供給し、発熱の大きいモータ（ステータ）を冷却し、さらにハウジングを冷却するので、効果的なハウジングの冷却を行うことができる。また、主軸側及びハウジング側でそれぞれ独立した冷却を行うことができ、主軸及びハウジングの熱変形を抑制して、高精度な主軸装置を実現することができる。

本発明の主軸装置の好ましい実施形態の断面図である。本発明の主軸装置を備えた工作機械の概略図である。図２の工作機械の主軸先端部分の半断面図であり、軸心冷却液通路に螺旋通路を備えた実施形態を示す図である。本発明による主軸装置を備えた工作機械の他の実施形態を示す概略図である。本発明による主軸装置の他の実施形態を示す断面図である。

符号の説明

１１主軸装置
１３ハウジング（ハウジング本体部分）
１５ハウジング（後端カバー）
１７主軸
１７ａ主軸の先端部分
１７ｂ主軸の後端部分
１７ｃ主軸の中間部分
１９軸受（ラジアル軸受）
１９ａ内輪
１９ｂ外輪
１９ｃ転動体
２１軸受（アンギュラ玉軸受）
２１ａ内輪
２１ｂ外輪
２１ｃ転動体
２３駆動モータ
２３ａロータ
２３ｂステータ
１０９第１の冷却液供給装置
１１１第２の冷却液供給装置
１１３機械制御装置
１１５ベッド温度センサ
１１７内輪温度センサ
１１９外輪温度センサ
２０５主軸
２０５ａ中心孔
２０５ｂ螺旋溝
２０７軸受
２０７ａ内輪
２０７ｂ外輪
２０７ｃ転動体
２０９軸受
２０９ａ内輪
２０９ｂ外輪
２０９ｃ転動体
２１１軸心冷却液通路
２１５ハウジング冷却液通路
２１７ａ冷却液供給通路
２１７ｂ出口ポート
２２１ａ連絡通路
２２３主軸駆動モータ
３０１主軸装置
３０３ハウジング（ハウジング本体部分）
３１９ハウジング（フロントカバー）
３２１ハウジング（リアカバー）
３０７軸受
３０９軸受
３０５主軸
３１１軸心冷却液通路
３１１ａ先端側出口ポート
３１１ｂ後端側出口ポート
３１７駆動モータ
３１７ａロータ
３１７ｂステータ
３１３螺旋溝
３１５ハウジング冷却液通路
３１９ａ出口通路
３２３冷却液供給装置
３２３ａタンク
３２３ｂ冷却液循環ポンプ
３２５冷却液供給管路
３２５ａ軸心冷却液供給管路
３２７冷却液戻り管路
３３１冷却液供給管路

Claims

工作機械の回転軸装置において、
ハウジングと、
前記ハウジングに、負荷側が大径の円筒ころ軸受またはラジアル玉軸受で支持され、他方側が小径の一対のアンギュラ玉軸受で支持された回転軸と、
前記回転軸を回転駆動する駆動モータと、
を具備することを特徴とした工作機械の回転軸装置。
工作機械の回転軸装置において、
ハウジングと、
前記ハウジングに、負荷側が大径の円筒ころ軸受またはラジアル玉軸受で支持され、他方側が小径の一対のアンギュラ玉軸受で支持された回転軸と、
前記回転軸を回転駆動する駆動モータと、
前記回転軸の中心軸線に沿って設けられた冷却液通路を有し、前記冷却液通路に冷却液を供給して前記回転軸を冷却する回転軸冷却手段と、
前記ハウジングに設けられた冷却液通路を有し、前記冷却液通路に冷却液を供給して前記ハウジングを冷却するハウジング冷却手段と、
を具備することを特徴とした工作機械の回転軸装置。
工作機械の回転軸装置において、
ハウジングと、
前記ハウジングに、負荷側が大径の円筒ころ軸受またはラジアル玉軸受で支持され、他方側が小径の一対のアンギュラ玉軸受で支持された回転軸と、
前記回転軸を回転駆動する駆動モータと、
前記回転軸の中心軸線に沿って設けられた冷却液通路を有し、前記冷却液通路に冷却液を供給して前記回転軸を冷却する第１の冷却手段と、
前記ハウジングに設けられた冷却液通路を有し、前記冷却液通路に冷却液を供給して前記ハウジングを冷却する第２の冷却手段と、
前記回転軸を回転支持する負荷側の軸受の内輪の温度を検出する内輪温度検出手段と、
前記回転軸を回転支持する負荷側の軸受の外輪の温度を検出する外輪温度検出手段と、
を具備し、
前記第１の冷却手段は、前記内輪温度検出手段により検出された前記軸受の内輪の温度に基づいて前記回転軸の冷却液通路に供給する冷却液の温度を制御し、前記第２の冷却手段は、前記外輪温度検出手段により検出された前記軸受の外輪の温度に基づいて前記ハウジングの冷却液通路に供給する冷却液の温度を制御することを特徴とした工作機械の回転軸装置。
前記第２の冷却手段は、前記軸受の内輪の温度よりも所定温度だけ前記軸受の外輪の温度が高くなるように前記ハウジングの冷却液通路に供給する冷却液の温度を制御する請求項３に記載の工作機械の回転軸装置。
工作機械の回転軸装置において、
ハウジングと、
前記ハウジングに軸受を介して回転支持された回転軸と、
前記ハウジングに取り付けられたステータと前記ステータと対向させて前記回転軸に取り付けられたロータとを有し、前記回転軸を回転駆動する駆動モータと、
前記回転軸の中心軸線に沿って設けられた冷却液通路を有し、前記冷却液通路に冷却液を供給して前記回転軸を冷却する回転軸冷却手段と、
前記ハウジングに設けられ、前記ステータの外周部を冷却する冷却液通路を有し、前記冷却液通路に冷却液を供給して前記モータを冷却するモータ冷却手段と、
前記ハウジングに設けられ、前記モータ冷却手段の冷却液通路の外側に設けられた冷却液通路を有し、前記冷却液通路に冷却液を供給して前記ハウジングを冷却するハウジング冷却手段と、
を具備することを特徴とした工作機械の回転軸装置。