JP2007216328A - 主軸装置 - Google Patents

Abstract

【課題】主軸剛性と高速回転をより確実に両立できる軸受の予圧切換技術を備えた、高速運転が可能でコンパクトな主軸装置を提供する。
【解決手段】主軸装置Ｓは、一端に工具Ｔをクランプする回転軸１と、回転軸１の工具側を支承する前側軸受２と、回転軸１の反工具側を支承する後側軸受３と、前側軸受２の外輪２ａを固定するハウジング４と、前側軸受２と後側軸受３との間に配置され、回転軸１と一体的に回転するロータ５と、ロータ５の周囲に配置され、ロータ５に回転力を発生させるステータ６と、前側軸受２の外輪２ａと後側軸受３の外輪３ａとの間に一定の軸方向荷重を作用させ、前側軸受２と後側軸受３とに予圧荷重を発生させる予圧付勢機構６０と、前側軸受２とロータ５との間に配置される予圧切換用軸受９と、予圧切換用軸受９の予圧方法を切換える予圧切換機構６３，６４と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、主軸装置に関し、特に、軸受の予圧切換技術を有する工作機械の主軸装置に関する。

従来、工作機械の主軸装置において、軸受にかける予圧荷重を、低速回転時には重予圧とし、高速回転時には軽予圧とすることにより、あるいは連続的に予圧を可変することにより、低速時の剛性と高速回転を両立することを目的とした、軸受の予圧切換技術または予圧可変技術が知られている。
（例えば、特許文献１〜３参照）。

特許文献１に記載の主軸装置１００は、図８、図９に示すように、ハウジング１０１に複数の前後部軸受１１１，１３１ を介して回転可能に支持された主軸１０２ を有し、各軸受１１１，１３１の内輪を主軸１０２に、前部軸受１１１の外輪を前部ハウジング１１０に固定し、後部軸受１３１ の外輪を後部ハウジング１３０に軸方向に移動可能に支持された軸受ホルダ１５０に固定する。さらに、主軸装置１００は、中部ハウジング１２０に対して軸方向に移動可能に支持されて軸受ホルダ１５０と共に軸方向に移動可能な移動部材１３４と、後部ハウジング１３０に対して軸受ホルダ１５０を軸方向に移動させる駆動装置１３２，１３３と、移動部材１３４の外周に接触して中部ハウジング１２０に対し半径方向に移動可能に支持され外周溝状油室１２２を有する薄壁リング１２１とを備えている。

この主軸装置１００では、外周溝状油室１２２へ図示しない流体圧供給装置から加圧流体が導入され、外周溝状油室１２２に加圧流体圧力が加えられることにより、薄壁リング１２１が半径方向に移動変形して移動部材１３４の外周を押し、軸受ホルダ１５０を定位置に固定する。つまり、前後部軸受１１１，１３１の位置が固定されて定位置予圧を行うことができ、低速高負荷用に使用でき、且つ主軸１０２の剛性を高くできるものとなっている。

また、特許文献２に記載の主軸装置２００では、主軸２０４がハウジング２０３内に、転がり軸受２０５，２０６を介して回転自在に支持されており、可動スリーブ部材２０７と、押圧部材２０８と、後側ピストン部材２０９と、後側ストッパ部材２１０と、固定スリーブ部材２１２と、前側ピストン部材２１３と、前側ストッパ部材２１４と、中間部材２１６と、予圧ばね２１７とを具備している。

可動スリーブ部材２０７は、転がり軸受２０５の外輪に嵌着されるとともに戻し用油圧室Ｒａを形成してハウジング２０３に主軸２０４の軸方向に移動自在に嵌挿される。押圧部材２０８は、予圧用後側油圧室Ｒｂを有し、可動スリーブ部材２０７の前端部に一体に固定される。後側ピストン部材２０９は、予圧用後側油圧室Ｒｂ内に軸方向に移動自在に装入され、押圧部材２０８を後側に移動させて転がり軸受２０５の外輪に予圧をかける。後側ストッパ部材２１０は、押圧部材２０８の前端部に固定され、後側ピストン部材２０９の前側への移動を阻止する。固定スリーブ部材２１２は、予圧用前側油圧室Ｒｃを有し、予圧用前側油圧室Ｒｃを予圧用後側油圧室Ｒｂに向き合わせてハウジング２０３に一体に固定される。前側ピストン部材２１３は、予圧用前側油圧室Ｒｃ内に軸方向に移動自在に装入される。前側ストッパ部材２１４は、固定スリーブ部材２１２の後端部に後側ストッパ部材２１０に向き合わせて設けられ、前側ピストン部材２１３の後側への移動を阻止する。中間部材２１６は、後側ピストン部材２０９と前側ピストン部材２１３との間及び押圧部材２０８と固定スリーブ部材２１２との間に軸方向に移動自在に設けられる。予圧ばね２１７は、後側ストッパ部材２１０と前側ストッパ部材２１４の部分にそれらの間隔が大きくなるように付勢して設けられる。

この主軸装置２００は、図１０に示すように、戻し用油圧室Ｒａを脱圧し、予圧用後側油圧室Ｒｂと予圧用前側油圧室Ｒｃに作動油を供給すると、定位置の重予圧となり、油圧室Ｒａ，Ｒｂを脱圧し、油圧室Ｒｃに作動油を供給すると、定位置の中予圧となり、油圧室Ｒａ，Ｒｃを脱圧し、油圧室Ｒｂに作動油を供給すると（Δ2 ＞Δ1 ）、定位置の低予圧となる。また、油圧室Ｒａ，Ｒｂに作動油を供給して油圧室Ｒｃを脱圧すると定圧予圧となる。この場合、予圧ばね１７の力を含めた設定油圧力よりも軸受内部の予圧が高くなると、後側ピストン部材２０９が前側に移動し外輪スパンＬを短くして予圧の上昇を抑える。なお、油圧室Ｒｂの受圧面積Ａ２は油圧室Ｒａの受圧面積Ａ１よりも大きく設定されている。

さらに、特許文献３に記載の主軸装置３００は、図１１に示すように、主軸３１５を支承する転がり軸受３１７，３１９と、該軸受３１７，３１９の外輪または内輪に作用して予圧を与えるピエゾ素子３２１からなる予圧手段を有する。さらに、主軸装置３００は、軸受３１７，３１９等の温度変化を検出または主軸３１５の回転数の変化を検出または回転数の指令により予圧手段に積極的に連続的な寸法変化を起こさせる入力を与え、予圧を広範囲にわたり適正圧とする入力手段を含んだ転がり軸受用自動予圧調整装置を有している。
特開２０００−６１７０５号公報（第５頁、第１図） 特許第３６１３７５３号公報（第１２頁、第１図） 特公平５−５４５６５号公報（第２８頁、第３図）

ところで、特許文献１に記載の主軸装置１００は、ロータ１２９をはさんで、前後部軸受１１１，１３１が配置されているため、前部軸受１１１と後部軸受１３１との軸方向距離が長くなる。したがって、この主軸装置１００を運転したとき、ロータ１２９、前部軸受１１１、後部軸受１３１の発熱により、主軸１０２の温度が上昇し熱膨張したときの、前部軸受１１１と後部軸受１３１との軸方向距離変化が大きく、定位置予圧時に予圧抜けが容易に発生し、剛性が低下して本来の目的を達成できない。このようにビルトインモータタイプの主軸装置１００において、ロータ１２９を挟んだ前後の軸受１１１，１３１で定位置予圧を行うことは主軸１０２の熱膨張がある限り実現しない。

一方、特許文献２に記載の主軸装置２００は、定位置予圧をかける軸受の組合せを、ロータ２１８ｂより工具側で構成することにより、上記特許文献１の問題を解決している。しかしながら、ロータ２１８ｂより反工具側を支承する軸受２２１は、主軸２０４の熱膨張を吸収するために、円筒ころ軸受２２１を用いてアキシアル方向荷重を逃がす構造としている。ところが、この円筒ころ軸受２２１は玉軸受に比べ高速回転性能が低いため、主軸装置２００の最高回転速度はロータ２１８ｂより反工具側を支承する軸受２２１によって決まり、工具側の軸受２０５，２０６の性能を完全に生かしきれず高速性が制限される。
また工具側の軸受２０５、２０６は４列組合せで剛性が高いが、その分主軸２０４の全長が長くなり、高速運転には向かない。

また、特許文献３に記載の主軸装置３００は、予圧荷重の発生源をピエゾ素子３２１とすることによって、特許文献１の主軸装置１００よりは主軸３１５の熱膨張に対し追従性があると言える。しかしながら、ロータ３１４をはさんで、前軸受３１７、後軸受３１９が配置されているため、前軸受３１７と後軸受３１９との軸方向距離が長くなることに変わりは無く、主軸３１５の熱膨張による前軸受３１７と後軸受３１９との軸方向距離変化に、ピエゾ素子３２１の一般的なストローク量では高速主軸装置には対応することができない。

本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、主軸剛性と高速回転をより確実に両立できる軸受の予圧切換技術を備えた、高速運転が可能でコンパクトな主軸装置を提供することにある。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１） 一端に工具をクランプする回転軸と、
回転軸の工具側を支承する前側軸受と、
回転軸の反工具側を支承する後側軸受と、
前側軸受の外輪を固定するハウジングと、
前側軸受と後側軸受との間に配置され、回転軸と一体的に回転するロータと、
ロータの周囲に配置され、ロータに回転力を発生させるステータと、
前側軸受の外輪と後側軸受の外輪との間に一定の軸方向荷重を作用させ、前側軸受と後側軸受とに予圧荷重を発生させる予圧付勢機構と、
軸方向において前側軸受とステータとの間に配置される予圧切換用軸受と、
予圧切換用軸受の予圧方法を切換える予圧切換機構と、
を有することを特徴とする主軸装置。
（２） 軸方向における前側軸受とステータとの間に、ハウジングに対し軸方向に摺動自在に設けられた軸受スリーブと、をさらに備え、
予圧切換用軸受は、回転軸に外嵌される内輪と、軸受スリーブに内嵌される外輪とを有することを特徴とする（１）に記載の主軸装置。
（３） 後側軸受は、玉軸受であることを特徴とする（１）に記載の主軸装置。
（４） 予圧切換機構は、定位置予圧と定圧予圧のいずれかの方法に予圧切換用軸受の予圧方法を切換えることを特徴とする（１）に記載の主軸装置。
（５） 予圧切換機構は、圧電素子によって予圧切換用軸受の予圧を連続的に変化する予圧方法に切換えることを特徴とする（１）に記載の主軸装置。
（６） 予圧切換機構は、定位置予圧と定圧予圧のいずれかの方法に予圧切換用軸受の予圧方法を切換える第１予圧切換機構と、圧電素子によって予圧切換用軸受の予圧を連続的に変化する予圧方法に切換える第２予圧切換機構と、を併用することを特徴とする（１）に記載の主軸装置。
（７） 予圧切換機構は、前記予圧切換用軸受の予圧方法を油圧によって切換えるための切換用ピストンと、該切換用ピストンによって押圧可能に配置され、前記予圧切換用軸受の予圧を連続的に変化する予圧方法に切換える圧電素子と、備えることを特徴とする（１）に記載の主軸装置。
（８） 予圧切換機構は、予圧切換用軸受の予圧荷重を回転軸の回転数における切削負荷に応じて変化する予圧方法に切換えることを特徴とする（１）に記載の主軸装置。

本発明によれば、ビルトインモータの主軸装置において、前側軸受の外輪と後側軸受の外輪との間に一定の軸方向荷重を作用させ、前側軸受と後側軸受とに予圧荷重を発生させる予圧付勢機構と、前側軸受とステータとの間に配置される予圧切換用軸受と、予圧切換用軸受の予圧方法を切換える予圧切換機構と、を備えるので、前側軸受と予圧切換用軸受に付与される予圧が、回転軸の熱膨張によって変化する軸方向距離の影響を回避でき、定位置予圧時に回転軸の熱膨張によって予圧抜けが発生することがなく、高い剛性が得られる。また、回転軸の熱膨張を吸収するために円筒ころ軸受のようなアキシアル方向荷重を逃がす構造のラジアル軸受を使う必要がないので、軸受の性能を完全に発揮することができ、高速回転が可能となる。また、工具側軸受の列数を増やさなくても高い剛性が得られるので、回転軸を短くすることができ、コンパクトな構成でさらなる高速回転が可能となる。

以下、本発明に係る各実施形態の主軸装置について図面を参照して詳細に説明する。

（第１実施形態）
まず、図１〜図５を参照して、第１実施形態のビルトインモータ構造を有する工作機械の主軸装置Ｓについて説明する。

主軸装置Ｓでは、その軸方向中心部に中空状の回転軸１が設けられており、回転軸１の軸芯には、ドローバ１６が摺動自在に挿嵌されている。ドローバ１６は、工具ホルダＴ２に取付けられたプルスタッドＴ３を、クランプボール１８を介して、皿ばね１７の力によって反工具側方向（図の右方向）に付勢しており、工具ホルダＴ２は、回転軸１のテーパ面２４と嵌合する。工具ホルダＴ２には切削工具Ｔ１が取り付けられており、この結果、回転軸１には、一端（図の左側）に工具Ｔがクランプされる。

また、回転軸１は、その工具側を支承する２列の前側軸受２と、反工具側を支承する２列の後側軸受３と、これら軸受２，３との間で支承する１列の予圧切換用軸受９によって回転自在となる。前側軸受２、後側軸受３、予圧切換用軸受９はアンギュラ玉軸受であり、前側軸受２はラジアル荷重及び工具Ｔを押し付ける方向（図の右方向）のアキシアル荷重を受けることができ、後側軸受３及び予圧切換用軸受９は、ラジアル荷重及び工具Ｔを引き抜く方向（図の左方向）へのアキシアル荷重を受けることができる。また、各軸受２，３，９は潤滑ノズル２３から供給される潤滑油によって潤滑され、供給された潤滑油はドレン経路４３から排出される。

前側軸受２の外輪２ａはハウジング４に内嵌されており、且つハウジング４にボルト締結された前側軸受外輪押え１９によってハウジング４に対し軸方向に固定されている。
後側軸受３の外輪３ａは後軸受ハウジング１２に内嵌されており、且つ後軸受ハウジング１２にボルト締結された後側軸受外輪押え２１によって後軸受ハウジング１２に固定されている。なお、前側軸受外輪押え１９の工具側端面には、フロントカバー２０がボルト固定されている。

ハウジング４は、外筒１１の一端にボルト２５によって固定されており、外筒１１の他端には後蓋１３が図示しないボルトにより固定されている。また、外筒１１は、そのフランジ１１ａを介して工作機械本体Ｍにボルト３２で締結されており、主軸装置Ｓを工作機械本体Ｍに取り付ける。

前側軸受２と後側軸受３間における回転軸１の外周面には、ロータ５が焼き嵌めされており、ロータ５の周囲に配置されるステータ６は、ステータ６に焼き嵌めされた冷却ジャケット２９を外筒１１に内嵌することで、外筒１１に固定される。従って、ロータ５とステータ６はモータを構成し、回転軸１を回転させる。

後蓋１３には、後側軸受外輪押え２１が固定された後軸受ハウジング１２が摺動自在に内嵌されている。後蓋１３の反工具側（図の右側）には、前側軸受２の外輪２ａと後側軸受３の外輪３ａとの間に一定の軸方向荷重を作用させ、前側軸受２と後側軸受３とに予圧荷重を発生させる予圧付勢機構６０が設けられている。

具体的に、予圧付勢機構６０では、後蓋１３と後側軸受外輪押え２１との間に定圧予圧ピストン７が設けられており、油圧ポンプ２７で発生させた作動油を、減圧弁６１が設けられた油路２８を経由して油圧室２６に導くことにより、定圧予圧ピストン７が反工具側方向（図の右方向）に付勢される。さらに、定圧予圧ピストン７は後側軸受外輪押え２１を反工具側方向（図の右方向）に付勢し、以って、後軸受ハウジング１２を反工具側へ一定の荷重で付勢する。これにより、前側軸受２及び後側軸受３には定圧予圧がかかるようになっている。また、ロータ５の発熱により回転軸１が熱膨張した場合には、熱膨張した分定圧予圧ピストン７が追従するので、前側軸受２及び後側軸受に対して一定の予圧を維持することができる。

なお、後側軸受外輪押え２１には、定圧予圧ピストン７と軸方向に当接する仮予圧ばね５４が設けられており、油圧ポンプ２７の電源が入っておらず油圧により全く予圧がかからない場合にも最低限の予圧を付与し、ガタの発生による軸受損傷等の危険を回避することができる。

また、後蓋１３には、工具アンクランプピストン１５を摺動自在に内嵌した工具アンクランプシリンダ１４が固定されている。よって、工具Ｔを交換する際には、油路３０から油圧室３１に作動油を導き、工具アンクランプピストン１５を工具側（図の左側）へ前進させることにより、ドローバ１６を工具側（図の左側）へ前進させて、工具Ｔをアンクランプする。

図２に示すように、予圧切換用軸受９は、軸方向において前側軸受２とステータ６との間に配置され、前述したように、接触角の向きが工具を引き抜く方向（図の左方向）の荷重を受ける向きであるアンギュラ玉軸受である。予圧切換用軸受９の内輪９ｂは回転軸１に外嵌され、且つ前側軸受２との間に配置された内輪間座６２と、回転軸１に設けられた環状凸部１ｂによって回転軸１に対して軸方向に固定されている。また、予圧切換用軸受９の外輪９ａは軸受スリーブ８に内嵌され、且つ軸受スリーブ８にボルト固定された予圧切換用軸受外輪押え２２によって軸受スリーブ８に対し軸方向に固定されている。

軸受スリーブ８は、ハウジング４に対して軸方向に摺動自在に内嵌されており、軸受スリーブ８を反工具側（図の右側）方向へ付勢することにより前側軸受２及び予圧切換用軸受９に予圧がかかるように構成される。

また、軸受スリーブ８の近傍には、予圧切換用軸受９の予圧方法を切換えるための予圧切換機構として、第１及び第２予圧切換機構６３，６４が設けられている。第１予圧切換機構６３は、軸受スリーブ８の外周面とハウジング４の内周面との間に、軸方向に移動可能に配置される切換用ピストンである定位置予圧用ピストン１０と、定位置予圧用ピストン１０、軸受スリーブ８、及びハウジング４によって画成される油圧室３９にソレノイドバルブ４６を介して油圧ポンプ２７からの作動油を油路３７を経由して供給する油圧供給部６５と、ハウジング４にボルト４１で固定され、定位置予圧用ピストン１０の軸方向移動を規制するストッパ４０と、所定の軸方向長さを有し、軸受スリーブ８の外周面とストッパ４０の内周面との間で、定位置予圧用ピストン１０と予圧切換軸受用外輪押え２２の両方と当接可能に配置される定位置予圧間座３３と、定位置予圧間座３３を工具側に向けて付勢するようにストッパ４０に支持される戻しばね３４と、を備える。

また、第２予圧切換機構６４は、一端が調整ねじ４５によってハウジング４に支持され、他端が軸受スリーブ８の端面を押圧可能な圧電素子３５を備えている。なお、図中、圧電素子３５は、一個しか記載されていないが、図示しない別の断面に、円周方向に均等に複数個配置されている。圧電素子３５には圧電素子ケーブル４４から電圧を印加することにより、圧電素子３５の全長を自在に制御できる。
即ち、第１及び第２予圧切換機構６３，６４は、互いに固定される予圧切換用軸受外輪押え２２と軸受スリーブ８を介して予圧切換用軸受９の予圧方向を切換えている。

さらに、油圧室３９より工具側の位置には、軸受スリーブ８の外周面の段差部分とハウジング４の内周面の段差部分とによって他の油圧室３８が画成されており、油圧室３８には、ソレノイドバルブ４７と減圧弁４８とを介して油圧ポンプ２７からの作動油が油路３６を経由して供給される。

なお、ハウジング４には、軸受スリーブ８と軸方向に当接する仮予圧ばね４２が設けられており、仮予圧ばね５４と同様、油圧ポンプ２７の電源が入っておらず油圧により全く予圧がかからない場合にも前側軸受２と予圧切換用軸受９に最低限の予圧を付与し、ガタの発生による軸受損傷等の危険を回避することができる。

上記のように構成される主軸装置Ｓは、ステータ６に電力を供給することでロータ５に回転力を発生させ、回転軸１を介して切削工具Ｔ１を所望の回転数、トルクで回転し、図示しないワークを加工する。

そして、加工を行う際には、図３の曲線Ａに示すように、回転軸１の回転数に応じて軸受への予圧の付与方法が切換えられる。低速域で主軸装置Ｓが使用される場合には、前側軸受２と予圧切換用軸受９との間に定位置予圧で予圧荷重を発生させる。定位置予圧の場合には、ソレノイドバルブ４６及びソレノイドバルブ４７が励磁される。すると油圧ポンプ２７で発生させた作動油が、油路３７を経由して油圧室３９へ導かれ、定位置予圧用ピストン１０を反工具側（図の右側）方向へ付勢する。このとき、定位置予圧用ピストン１０は、ハウジング４に固定されたストッパ４０のストッパ面４０ａに突き当たった位置で固定される。

さらに、定位置予圧用ピストン１０は、隣接する定位置予圧間座３３を介して、軸受スリーブ８に固定された予圧切換軸受用外輪押え２２を反工具側（図の右側）へ付勢し、前側軸受２と予圧切換用軸受８との間に定位置予圧を発生させる。このとき、ソレノイドバルブ４７も励磁しているので、作動油は油路３６を経由して油圧室３８へ導かれ、軸受スリーブ８が反工具側（図の右側）方向へ付勢され、且つ定位置予圧用ピストン１０は、油圧室３９に形成された受圧面積Ａ１×油圧圧力Ｐ１の荷重Ｆ１で付勢されるが、軸受スリーブ８は定位置予圧間座３３の長さ寸法によって決まる予め定められた量の予圧分しか作用しないので、定位置予圧となる。

定位置予圧の状態では回転数が高くなるにしたがって、遠心力による内輪膨張、玉に働く遠心力による内部荷重の発生、内外輪温度差などの影響を受け、予圧が増大する。

なお、工具Ｔをアンクランプするとき、工具アンクランプピストン１５の荷重を軸受で受けるが、後側軸受３は定圧予圧であるため、定圧予圧荷重より大きな推力を受けると後軸受ハウジング１２が前進（図の左方向）してしまい、アンクランプ荷重を受けることができない。このとき、本実施形態では、定位置予圧用ピストン１０を付勢する作動油の圧力を十分高く設定しておくことができるため、予圧切換用軸受９を定位置予圧にしておくことにより、アンクランプ荷重を予圧切換用軸受９で受けることができる。

次に、高速域で主軸装置Ｓが使用される場合には、前側軸受２と予圧切換用軸受９との間に定圧予圧で予圧荷重を発生させる。定圧予圧の場合には、ソレノイドバルブ４７は励磁されたまま、ソレノイドバルブ４６の励磁を切る。すると油圧ポンプ２７で発生させた作動油は、油路３６を経由して油圧室３８へ導かれ、軸受スリーブ８を反工具側（図の右側）方向へ付勢するのみとなる。定位置予圧用ピストン１０は、油圧室３９が脱圧されているため、戻しばね３４によって工具側（図の左側）へ付勢され、軸受スリーブ８には力を及ぼさない。

軸受スリーブ８は油圧室３８に形成された受圧面積Ａ２×油圧圧力Ｐ２の荷重Ｆ２で付勢され、結果として前側軸受２と予圧切換用軸受９との間に予圧荷重としてＦ２がそのまま作用する。したがって油圧室３８に発生させる圧力は、Ｆ２が適正な予圧荷重となるよう、減圧弁４８で圧力を調整できるようになっている。

この定圧予圧の状態では、回転数が高くなっても、遠心力による内輪膨張、玉に働く遠心力による内部荷重の発生、内外輪温度差などの影響により予圧が上がろうとするのを、軸受スリーブ８が工具側（図の左側）へ逃げることによって、常に一定の予圧荷重を発生させるようになる。

次に、中速域で主軸装置Ｓが使用される場合には、前側軸受２と予圧切換用軸受９における予圧荷重を、回転軸１の回転数における切削負荷に応じて連続的に変化させるように、第２予圧切換機構６４を用いて可変予圧を付与する。

例えば、図４に示すように、第１予圧切換機構６３のみを用いて定位置予圧と定圧予圧とを切換える場合、予圧荷重は軸受のサイズやスピンドルの最高回転数によって適正な値に決められるが、低速での剛性を高くし、同時に最高回転数を上げようとすればするほど、定位置予圧から定圧予圧への切換時において予圧荷重の落差が大きくなる。

図中曲線Ｂは、低速域での主軸剛性を満足するために、組込み時予圧Ｂを高く設定した時の回転中の予圧変化を表したものである。この場合、低速域での剛性は高いが、中速域において予圧が焼付限界境界線に達してしまうので、高速域用の定圧予圧荷重まで落とす必要があり、中速域の剛性が低くなってしまう。一方、図中曲線Ｃは、中速域の剛性をカバーするために組込み時予圧Ｃを下げ、その分定位置予圧Ｃの範囲を中速域まで達するようにしたものだが、低速域の剛性が著しく低くなる。

また、図３、図４に示すように、スピンドルに作用する切削負荷は、定位置予圧の曲線とは逆に低速域で大きく、高速域で小さくなる漸次減少する傾向になるのが一般的である。これは、低速では切削速度（工具の周速）が上がらないため、比較的直径が大きく剛性の高い工具を使用することになり、切り込み量を増やして加工能率を上げようとする結果、スピンドルへの負荷が大きくなる。一方、高速域では切削速度が上がりすぎるので直径が小さく剛性の低い工具しか使えず、切り込みを大きくできないためスピンドルへの負荷が小さくなる傾向にあるためである。また、アルミ等のワークの場合、鉄系材質のワークに比べ切削速度を上げることができるため、高速でも剛性の高い工具を使うことができるが、この場合でもアルミ系ワークは比切削抵抗が小さいので、やはり高速域におけるスピンドルへの負荷が小さい傾向に変わりはない。

従って、図３の曲線Ａに示すように、中速域での予圧を可変として低速域と高速域の間を補う予圧をかけることが望ましく、回転軸１の回転数における切削負荷に応じて変化させるように可変とすることで、回転数ごとのスピンドル剛性曲線の傾向を切削負荷の傾向に近くし、軸受の性能をより引き出すことになる。

第２予圧切換機構６４は、まず、図５（ａ）に示すように、調整ねじ４５の端面から定位置予圧状態時に位置する軸受スリーブ８の端面までの距離Ｌｍａｘが、圧電素子３５に最大電圧を印加した状態の長さと等しくなるよう、事前に調整ねじ４５の長さａを調整しておき、その後、圧電素子３５を調整ねじ４５に取り付ける。

そして、回転数が図３に示す低速域にある時点から、圧電素子３５に最大電圧Ｖを印加しておく。この状態では定位置予圧用ピストン１０が軸受スリーブ８を付勢した状態なので、定位置予圧用ピストン１０に反力Ｆｒ１が働く（図５（ｂ）参照）。なお、圧電素子３５に最大電圧Ｖを印加しておかなくても定位置予圧にはなるが、切換をスムーズに行なうため本実施形態では予め電圧印加している。

この状態から、ソレノイドバルブ４７を励磁したまま、ソレノイドバルブ４６の励磁を切ると軸受スリーブ８の反力Ｆｒ２は圧電素子３５に作用するようになる（図５（ｃ）参照）。次に回転数に応じて予め決めておいた予圧荷重になるように圧電素子３５に印加する電圧を制御し、圧電素子３５を短くすることによって予圧荷重を減らしていく。

この場合はオープンループ制御であり、構造は簡単になるが、さらに厳密に予圧制御をする場合は、圧電素子３５と軸受スリーブ８との間に作用する荷重を測定する機構を設けて、測定した荷重に基づいて圧電素子３５を制御するクローズドループ制御とすることが好ましい。荷重測定機構としては、例えば、圧電素子３５と軸受スリーブ８との間に適当なヤング率の部材を挟み、この部材にひずみゲージを貼り付けて、予圧荷重を直接測定する方法等がある。

また、高速域に達した時点で圧電素子３５に印加する電圧をゼロとすることで、圧電素子３５は軸受スリーブ８と接触しない位置まで短くなり、軸受スリーブ８の反力Ｆｒ３は油圧室３８に形成された受圧面から作動油に働き、定圧予圧となる（図５（ｄ）参照）。

以上説明した本実施形態によれば、ビルトインモータの主軸装置Ｓにおいて、前側軸受２の外輪２ａと後側軸受３の外輪３ａとの間に一定の軸方向荷重を作用させ、前側軸受２と後側軸受３とに予圧荷重を発生させる予圧付勢機構６０と、軸方向において前側軸受２とステータ５との間に配置される予圧切換用軸受９と、予圧切換用軸受９の予圧方法を切換える第１及び第２予圧切換機構６３，６４と、を備えるので、前側軸受２と予圧切換用軸受９に付与される予圧が、回転軸１の熱膨張によって変化する軸方向距離の影響を回避でき、定位置予圧時に回転軸１の熱膨張によって予圧抜けが発生することがなく、高い剛性が得られる。また、回転軸１の熱膨張を吸収するために円筒ころ軸受のようなアキシアル方向荷重を逃がす構造のラジアル軸受を使う必要がないので、軸受の性能を完全に発揮することができ、高速回転が可能となる。また、工具側軸受の列数を増やさなくても高い剛性が得られるので、回転軸１を短くすることができ、さらに高速回転が可能となる。

また、前側軸受２と予圧切換用軸受９に付与される予圧が、回転軸１の熱膨張によって変化する軸方向距離の影響を回避できるので、圧電素子３５によって予圧切換用軸受９の予圧が連続的に変化され、圧電素子３５の一般的なストローク量でも追従可能なビルトインモータの主軸装置Ｓが構成できる。

また、予圧切換機構は、定位置予圧と定圧予圧のいずれかの方法に予圧切換用軸受９の予圧を切換える第１予圧切換機構６３と、圧電素子３５によって予圧切換用軸受９の予圧を連続的に変化する予圧方法に切換える第２予圧切換機構６４と、を併用しているので、定位置予圧の低速域と定圧予圧の高速域との間の中速域において、圧電素子３５による可変な予圧切換により適正な予圧をかけることができ、より広い回転速度域において剛性を高めることができる。

さらに、第２予圧切換機構６３は、予圧切換用軸受９の予圧荷重を回転軸１の回転数における切削負荷に応じて変化する予圧方法に切換えるので、回転数ごとのスピンドル剛性曲線の傾向を切削負荷の傾向と近くすることで、軸受の性能をより引き出すことになる。

（第２実施形態）
次に、本発明に係る第２実施形態の主軸装置Ｓについて、図６及び図７を参照して説明する。なお、第１実施形態と同等部分については同一符号を付して、説明を省略或いは簡略化する。

第１実施形態の主軸装置Ｓでは、第１予圧切換機構６３は軸受スリーブ８に対し直接予圧荷重を作用するように構成されているが、本実施形態の主軸装置Ｓａでは、第１予圧切換機構７０の定位置予圧用ピストン７１が、第２予圧切換機構である圧電素子７２を介して軸受スリーブ８に予圧荷重を作用するように構成される。即ち、第１予圧切換機構７０は、ハウジング４に形成された段付きの軸方向孔４ａ内に軸方向に摺動自在に配置される定位置予圧用ピストン７１と、軸方向孔４ａ内で前側軸受外輪押え７３と定位置予圧用ピストン７１との間に画成される油圧室７４にソレノイドバルブ７５を介して油圧ポンプ２７からの作動油を油路７６を経由して供給する油圧供給機構７７と、を備える。

定位置予圧用ピストン７１と軸受スリーブ８との間には、第２予圧切換機構７８の圧電素子７２が配置されている。この圧電素子７２は、定位置予圧用ピストン７１の端面に固定されている。従って、第１予圧切換機構７０は、第２予圧切換機構７８の圧電素子７２を介して軸受スリーブ８を作動させ、前側軸受２と予圧切換用軸受９の予圧方法を切換える。
なお、本実施形態では、仮予圧ばね４２は、予圧切換用軸受外輪押え２２を押圧する位置で、ハウジング４に設けられている。

上記のように構成される主軸装置Ｓａでは、図７に示すように、低速域と高速域の２段階で予圧切換が行われる。即ち、低速域では、ソレノイドバルブ７５及びソレノイドバルブ４７を励磁し、かつ圧電素子７２を電圧制御する。そして、高速域では、ソレノイドバルブ７５の励磁を切り、定圧予圧とする。これにより、最低速から焼付限界境界線に近い予圧を付与することができ、低速域での剛性を高くすることができる。すなわち、回転数ごとのスピンドル剛性曲線の傾向を最低速域から切削負荷の傾向に近くし、軸受の性能を最大限に引き出すことになるので非常に効率が高い。

さらに、第一実施形態では、圧電素子３５のストロークのうち、定圧予圧にするための逃がしストローク（図５（ｄ）に示すΔ）が必要であるため、圧電素子３５の全ストロークを予圧可変に使うことができないのに対し、本実施形態では定圧予圧にするための逃がしは定位置予圧用ピストン７１で逃がせるので、圧電素子７２の全ストロークを使用することができる。また、第１予圧切換機構７０は第一実施形態の機構６３と比べて簡素化され、且つ前側軸受近傍に配置することで予圧切換用軸受９周辺の構造も簡素化される。
その他の構成及び作用については、第１実施形態のものと同様である。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
第一及び第２実施形態は、２列の前側軸受、２列の後側軸受２列、１列の予圧切換用軸受を有しているが、切削条件、最高回転数、設定予圧荷重などの条件を鑑み、必要に応じて各軸受の列数を増減してもよい。

また、第１実施形態では、予圧切換機構として、第１及び第２予圧切換機構６３，６４を有しているが、例えば、第１予圧切換機構６３のみを有するものであってもよく、図４に示すような定位置予圧と定圧予圧のいずれかの方法に切換えるものであってもよい。

さらに、本発明のハウジング４は、少なくとも前側軸受２の外輪２ａを固定するものであればよく、外筒１１や前側軸受外輪押え１９の形状に応じて適宜一体形成可能である。

本発明に係る第１実施形態の主軸装置を油圧経路とともに示す断面図である。 図１の予圧切換機構を示す拡大断面図である。 中速域において可変予圧を行う第１実施形態の場合における、予圧切換用軸受の予圧荷重と回転数との関係を示す図である。 定位置予圧と定圧予圧の切換のみを行った場合における、予圧切換用軸受の予圧荷重と回転数との関係を示す図である。 圧電素子による予圧切換を説明するための軸受スリーブ以外のハッチングを省略した図であり、（ａ）は初期設定を、（ｂ）は定位置予圧状態を、（ｃ）は予圧可変状態を、（ｄ）は定圧予圧状態をそれぞれ示している。 本発明に係る第２実施形態の主軸装置を油圧経路とともに示す断面図である。 第２実施形態の場合における、予圧切換用軸受の予圧荷重と回転数との関係を示す図である。 従来の主軸装置を示す断面図である。 図８の要部拡大断面図である。 従来の他の主軸装置を示す断面図である。 従来のさらに他の主軸装置を示す断面図である。

符号の説明

１ 回転軸
２ 前側軸受
２ａ 外輪
３ 後側軸受
３ａ 外輪
４ ハウジング
５ ロータ
６ ステータ
７ 定圧予圧ピストン
８ 軸受スリーブ
９ 予圧切換用軸受
１０ 定位置予圧用ピストン
１１ 外筒
３５ 圧電素子
６０ 予圧付与機構
６３ 第１予圧切換機構（予圧切換機構）
６４ 第２予圧切換機構（予圧切換機構）
Ｓ 主軸装置
Ｔ 工具

Claims (8)

1. 一端に工具をクランプする回転軸と、
   前記回転軸の工具側を支承する前側軸受と、
   前記回転軸の反工具側を支承する後側軸受と、
   前記前側軸受の外輪を固定するハウジングと、
   前記前側軸受と前記後側軸受との間に配置され、前記回転軸と一体的に回転するロータと、
   前記ロータの周囲に配置され、前記ロータに回転力を発生させるステータと、
   前記前側軸受の外輪と前記後側軸受の外輪との間に一定の軸方向荷重を作用させ、前記前側軸受と前記後側軸受とに予圧荷重を発生させる予圧付勢機構と、
   軸方向において前記前側軸受と前記ステータとの間に配置される予圧切換用軸受と、
   前記予圧切換用軸受の予圧方法を切換える予圧切換機構と、
   を有することを特徴とする主軸装置。
2. 軸方向における前記前側軸受と前記ステータとの間に、前記ハウジングに対し軸方向に摺動自在に設けられた軸受スリーブと、をさらに備え、
   前記予圧切換用軸受は、前記回転軸に外嵌される内輪と、前記軸受スリーブに内嵌される外輪とを有することを特徴とする請求項１に記載の主軸装置。
3. 前記後側軸受は、玉軸受であることを特徴とする請求項１に記載の主軸装置。
4. 前記予圧切換機構は、定位置予圧と定圧予圧のいずれかの方法に前記予圧切換用軸受の予圧方法を切換えることを特徴とする請求項１に記載の主軸装置。
5. 前記予圧切換機構は、圧電素子によって前記予圧切換用軸受の予圧を連続的に変化する予圧方法に切換えることを特徴とする請求項１に記載の主軸装置。
6. 前記予圧切換機構は、定位置予圧と定圧予圧のいずれかの方法に前記予圧切換用軸受の予圧を切換える第１予圧切換機構と、圧電素子によって前記予圧切換用軸受の予圧を連続的に変化する予圧方法に切換える第２予圧切換機構と、を併用することを特徴とする請求項１に記載の主軸装置。
7. 前記予圧切換機構は、前記予圧切換用軸受の予圧方法を油圧によって切換えるための切換用ピストンと、該切換用ピストンによって押圧可能に配置され、前記予圧切換用軸受の予圧を連続的に変化する予圧方法に切換える圧電素子と、備えることを特徴とする請求項１に記載の主軸装置。
8. 前記予圧切換機構は、前記予圧切換用軸受の予圧荷重を前記回転軸の回転数における切削負荷に応じて変化する予圧方法に切換えることを特徴とする請求項１に記載の主軸装置。

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