JP2008023675A

JP2008023675A - 工作機械主軸スピンドル

Info

Publication number: JP2008023675A
Application number: JP2006200305A
Authority: JP
Inventors: Mamoru Mizutani; 守水谷
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2006-07-24
Filing date: 2006-07-24
Publication date: 2008-02-07

Abstract

【課題】二重ハウジングの合わせ面に冷却油を流すらせん溝を設けた工作機械主軸スピンドルにおいて、冷却油の停留を防いで冷却効率を高める。
【解決手段】らせん溝26の両端に円周溝22，24を設け、一方の円周溝22に冷却油入口28を設け、冷却油入口28をらせん溝26の始点より冷却油の流れに対し前方に配置し、円周溝22とらせん溝26の合流部に堰30を設ける。
【選択図】図１

Description

この発明は工作機械主軸スピンドルに関し、より詳しくは、工作機械主軸用軸受のハウジング冷却機構に関する。

工作機械主軸に用いる軸受の温度上昇は、軸受の寿命に影響するだけでなく、ワーク（加工物）の仕上がり精度にも影響する。そのため、ハウジングに冷却油を流してスピンドル全体の温度を抑えるようにしている。この手法を外筒冷却と呼んでいる。しかし、工作機械実機のさまざまな制約により、軸受には厳しい溝配置となっていることが多い（特許文献１参照）。
特開２００４−２４９４３９号公報

図７に示すように、ハウジング冷却溝の多くはらせん状であり、同図の場合は左端から右端へと冷却油が流れる。しかし、ハウジングの構造上、フロント側およびリヤ側軸受間に設ける冷却溝の幅は広くすることができない。このため、冷却油出入口の位置によって軸受に対する冷却能力が変わってくる。すなわち、冷却溝は、両端に円周溝２，４を設け、その間をらせん溝６で連結するのが通常であり、冷却油の出入口８，１０は両端の円周溝部に設けるが、図７の場合、入口８が円周溝２かららせん溝６が分岐する点（らせん溝の始点１２）の近くに位置していることから、同図にクロスハッチングで示すように冷却油が停留して冷却効率が低下する場合がある。

その結果、図７に示す位置に冷却油出入口を設けたことで冷却油の入口側（フロント側）と出口側（リヤ側）の軸受温度上昇が異なる場合がある。その原因は、冷却油が出口１０側では円周溝４を循環するのに対して入口８側では冷却油が停留するためであると考えられる。つまり、入口８側は出口１０側に比べて冷却油が循環しないため冷却効果が劣り、軸受温度が高くなったと考えられる。

冷却油が停留するか、円周溝を循環するかは、らせん溝の始点（または終点）と冷却油出入口との位置関係が大きく影響する。図７に示した従来の技術のようにらせん溝の始点（終点）付近に冷却油出入口がある場合、冷却油入口８から出てきた冷却油は円周溝２を循環することなくらせん溝６を通って冷却油出口１０に向かう。冷却油は抵抗の小さい方に流れるからである。同様に、冷却油出口１０側も、冷却油が円周溝４を通らずに出て行き、円周溝１０に冷却油が停留する。

軸受温度の高かったフロント側の冷却油入口８の位置を、図１のようにらせん溝６の始点１２より冷却油の流れに対しやや前方に変更することによって、入口側（給油温度）と出口側（排油温度）の軸受温度差が小さくなった。このように、同一冷却溝であっても冷却油出入口８，１０の位置により冷却効果が異なることが判明した。

この発明の目的は、一層効率のよい冷却溝構造を提供することにある。

この発明は、二重ハウジングの合わせ面に冷却油を流す外筒冷却溝を設けた工作機械主軸スピンドルにおいて、らせん溝の両端に円周溝を設け、一方の円周溝に冷却油入口を設け、他方の円周溝に冷却油出口を設け、冷却油入口をらせん溝の始点より冷却油の流れに対し前方に配置し、円周溝とらせん溝の合流部に堰を設けたことを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１の工作機械主軸スピンドルにおいて、円周溝の軸方向外端が軸受幅を越えた外側に位置することを特徴とするものである。

請求項３の発明は、二重ハウジングの合わせ面に冷却油を流す外筒冷却溝を設けた工作機械主軸スピンドルにおいて、冷却溝が円周溝のみで構成され、円周溝が各軸受の幅中心に配置してあることを特徴とするものである。

請求項４の発明は、請求項３の工作機械主軸スピンドルにおいて、円周溝の幅が軸受の幅の８０〜１２０％であることを特徴とするものである。

請求項５の発明は、二重ハウジングの合わせ面に冷却油を流す外筒冷却溝を設けた工作機械主軸スピンドルにおいて、冷却溝が円周溝のみで構成され、円周溝が各転動体の長さ中心に配置してあることを特徴とするものである。

請求項６の発明は、請求項５の工作機械主軸スピンドルにおいて、円周溝の幅が転動体の長さの８０〜１２０％のであることを特徴とするものである。

外筒冷却溝は両端に円周溝を設け、その間にらせん溝を配置して連結する方法が通常である。冷却油の出入り口は両端の円周溝部に設けるが、この位置により冷却油が停留して冷却効率が低下する。これを防ぐため、円周溝とらせん溝の合流部に堰を設け、その真横を冷却油入り口（出口）とし、略３６０°回ってきたところかららせん溝に連結させる。円周溝は軸受幅の外側から配置することにより軸受の温度勾配を抑えることができる。これにより、応力集中や転動体を挙動を安定させ、軸受の寿命延長効果が期待できる。

以下、図面に従って本発明の実施の形態を説明する。

図１に示すように、外筒冷却溝は、軸方向の両端に位置する円周溝２２，２４と、その間を連結するらせん溝２６とからなる。冷却油の出入口２８，３２はそれぞれ円周溝２２，２４内に設けてある。冷却油入口２８はらせん溝２６の始点（円周溝２２かららせん溝２６が分岐する点）より冷却油の流れに対しやや前方に配置してあり、冷却油出口３２はらせん溝２６の終点（円周溝２４かららせん溝２６が分岐する点）より冷却油の流れに対しやや後方に配置してある。

らせん溝の始点すなわち円周溝２２かららせん溝２６が分岐する位置に堰３０が設けてある。たとえば、フライス加工で穴を形成し、別部材を埋め込むことによって堰３０を形成させる。なお、冷却油出口３２に関しても同様に堰を設けてもよいが、ここでは省略した場合が例示してある。冷却油入口２８はその堰３０のすぐ下流側に位置している。したがって、冷却油入口２８から円周溝２２に流入した冷却油は、らせん溝２６に沿って流れて円周溝２４に達し、冷却油出口３２から流出する。このように、冷却油は略３６０°回って出てゆく。このような構成を採用することにより、図７を参照して上に述べたような冷却油の停留がなくなり、冷却効率が向上する。

図１に示した実施例１と図７に示した従来例につき比較試験を行った。使用した試験機の縦断面を図８に示す。試験軸受は複列円筒ころ軸受ＮＮ３０２０（内径φ１００×外径φ１５０×幅３７、内径テーハ゜品)で、試験条件は次のとおりである。
軸受すきま：組み込み後０μｍ
潤滑法：エアオイル潤滑
潤滑油：モービルＤＴＥオイルライト
油量：０．０２ｍｌ／１０ｍｉｎ
エア量：３０Ｎｌ／ｍｉｎ
外筒冷却油量：５ｌ／ｍｉｎ

図９および図１０に、従来例と実施例１の試験結果を示す。従来例は、１４０００min^-1時で同一軸受の刻印側２２℃、反刻印側１７℃となり、刻印側および反刻印側の温度差が５℃生じた。実施例１は、１４０００min^-1時で刻印側１９．３℃、反刻印側１６．５℃となり、刻印側および反刻印側の温度差は２．８℃となり、従来例に比べて温度も下がり、刻印側と反刻印側の温度差も小さくなり、改良効果が認められた。

以上より推定すると、従来例は、円周溝部に入った冷却油が円周溝を循環することなくらせん溝へ回るため、図７においてクロスハッチングで示した部分は冷却油が停留し、冷却効果が少なかったものと思われる。一方、実施例１は、図１に示すように円周溝とらせん溝の合流部に堰を設けることにより、冷却油が略３６０°回り冷却するため冷却効果が高くなる。しかし、同一軸受の刻印側および反刻印側の温度差が依然として３℃程度生じていた。これは円周溝と軸受の配置によるものと思われる。実施例１の円周溝は刻印側転動体の略中央から始まっており、図１に符合Ｌで示す円周溝の掛かっていない部分があるため、刻印側は反刻印側に比べて冷却効果が小さくなり、温度差が依然として残る結果になったと考えられる。

図２に示実施例２は、円周溝２２の掛かっていない部分Ｌをなくして、軸受幅全部に冷却溝が掛かるように改良したものである。言い換えれば、実施例２では、冷却溝の軸方向の外端が軸受幅を越えた外側に位置している。この実施例２について、実施例１と同様の試験を行ったところ、その結果は図１１に示すとおりであった。すなわち、実施例２では実施例１に比べて刻印側の温度が下がり、同一軸受の刻印側と反刻印側との温度差も略０℃になり改善された。

刻印側と反刻印側の温度差（同一軸受の温度勾配）は、応力集中や転動体の挙動を乱す要因となる。実施例では複列円筒ころ軸受の場合を例にとってあるが、アンギュラ玉軸受の２列以上の多列使い（図６（Ｂ）に４列の場合を示す）でも冷却溝と軸受の配置により同じように温度勾配ができ、予圧が不均一となり、寿命に影響を与える可能性がある。

温度勾配を抑える冷却溝を具備した他の実施例を図３〜５に示す。図３に示す実施例３は、実施例２を容易に機械加工できる構造に変更したものである。すなわち、円周溝２２，２４とらせん溝２６を全てフライスにて加工した冷却溝である。なお、この場合、円周溝２２，２４とらせん溝２６とは縁が切れているため、堰を形成するための特段の加工は不要である。

図４に示す実施例４は４列のアンギュラ玉軸受を用いた例であり、各軸受の幅中心にそれぞれ円周溝２２が配置してある。ここでは各円周溝２２の幅は軸受幅の８０％に設定してあるが、軸受間に間座があるなどスペースが確保できる場合は、たとえば軸受幅の１２０％程度とできるだけ大きく設定することが望ましい。隣接した円周溝２２どうしは両者間の畝を切り通して互いに連結してある。この連結は、冷却油入り口２８に対して１８０°間隔で行うことにより３６０°全周が冷却されることになる。

図５に示す実施例５は、複列円筒ころ軸受の各転動体中心に円周溝２２を配置した例である。ここでは各円周溝２２の幅は転動体（ころ）の長さの８０％に設定してある。隣接した円周溝２２の連結については上述の実施例４と同様である。実施例４と実施例５は、実機のようにさまざまな制約により円周溝とらせん溝とを組み合わせた外筒冷却溝が成立しない場合に、軸受の温度勾配を考慮して最小限のスペースで外筒冷却溝を成立させる方法である。

（Ａ）は実施例１を示す冷却溝の展開図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図（Ａ）は実施例２を示す冷却溝の展開図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図（Ａ）は実施例３を示す冷却溝の展開図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図（Ａ）は実施例４を示す冷却溝の展開図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図（Ａ）は実施例５を示す冷却溝の展開図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図軸受部分の断面図であって、（Ａ）は２列、（Ｂ）は４列の場合を示す。（Ａ）は従来例を示す冷却溝の展開図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図試験機の断面図従来例の試験結果を示すグラフ実施例１の試験結果を示すグラフ実施例２の試験結果を示すグラフ

符号の説明

２２円周溝
２４円周溝
２６らせん溝
２８冷却油入口
３０堰
３２冷却油出口

Claims

二重ハウジングの合わせ面に冷却油を流す外筒冷却溝を設けた工作機械主軸スピンドルにおいて、らせん溝の両端に円周溝を設け、一方の円周溝に冷却油入口を設け、他方の円周溝に冷却油出口を設け、冷却油入口をらせん溝の始点より冷却油の流れに対し前方に配置し、円周溝とらせん溝の合流部に堰を設けた工作機械主軸スピンドル。
円周溝の軸方向外端が軸受幅を越えた外側に位置する請求項１の工作機械主軸スピンドル。
二重ハウジングの合わせ面に冷却油を流す外筒冷却溝を設けた工作機械主軸スピンドルにおいて、冷却溝が円周溝のみで構成され、円周溝が各軸受の幅中心に配置してある工作機械主軸スピンドル。
円周溝の幅が軸受の幅の８０〜１２０％である請求項３の工作機械主軸スピンドル。
二重ハウジングの合わせ面に冷却油を流す外筒冷却溝を設けた工作機械主軸スピンドルにおいて、冷却溝が円周溝のみで構成され、円周溝が各転動体の長さ中心に配置してある工作機械主軸スピンドル。
円周溝の幅が転動体の長さの８０〜１２０％である請求項５の工作機械主軸スピンドル。