JP2008055534A - 予圧可変式スピンドルユニット - Google Patents

Abstract

【課題】運転条件によらないで、スリーブをハウジング内に円滑に摺動させる。
【解決手段】主軸１とハウジング２との間に、主軸１を回転自在に支持する２個のアンギュラ軸受３，４と、軸受３に予圧を付与するスリーブ５と、このスリーブ５と接触・離間する位置決めリング６と、スリーブ５の軸方向の移動を規制する調整部材７とが組み込まれる。スリーブ５の摺動面２４を潤滑する圧油が充填された螺旋溝２１が形成される。この螺旋溝２１の両側壁面を摺動面２４に向かって軸方向外向きに傾斜するようにし、その傾斜面２５の傾斜角度が、摺動面２４に対して２０度から４０度に設定される。これにより、スリーブ５の摺動時に、充填された圧油のくさび効果によって、螺旋溝２１の傾斜面２５を径方向内向きに押し付ける力が作用するので、螺旋溝の開口縁が他方の部材の摺動面に食い込むのを防止でき、スリーブ５をハウジング２内で円滑に摺動させることができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、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ものである。

一般に、最近の工作機械には、低速回転域から高速回転域まで良好な回転精度が要求されるため、回転速度に応じて主軸に適度な剛性を与えることのできる予圧可変式スピンドルユニットが採用されている。

この予圧可変式スピンドルユニットは、従来から、主軸の回転速度に応じて主軸を支持する軸受の予圧量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、主軸の剛性と回転性を両立させたものが知られている（特許文献１ 図１参照）。
実開平６−３３６０５号公報

上記予圧可変式スピンドルユニットは、ハウジングと、このハウジングに挿通される主軸と、この主軸とハウジングとの間に組み込まれ、主軸を回転自在に支持する４個のアンギュラ軸受と、ハウジングに軸方向に摺動可能に組み込まれ、一端側の２個の軸受に予圧を付与するスリーブと、このスリーブにボルトにより固定された押圧部材とからなり、ハウジングの一端部に蓋が固定されたものである。

上記ハウジングと押圧部材との間に弾性部材が設けられるとともに、蓋と押圧部材との間に油圧室が形成され、弾性部材の弾性力と、油圧室に充填された圧油の圧力とで、スリーブを押圧部材を介してハウジング内をそれぞれ軸方向反対向きに摺動させる。前記油圧室への圧油の供給・排出を制御してハウジングと蓋とでスリーブを位置決めすることにより一端側の２個の軸受の予圧量を変化させることができるようになっている。

上記一端側の２個の軸受の予圧量を変化させる際、スリーブを軸方向に円滑に摺動させるために、図５に示すように、スリーブ３０は、ハウジング４０との摺動面に螺旋溝３１が形成され、スリーブ３０の摺動面の軸方向の全長に対する螺旋溝３１の軸方向の寸法の割合を設定している（例えば、約５５％）。このように設定すれば、螺旋溝３１に充填した圧油で、スリーブ３０を径方向内向きに収縮させるとともにハウジング４０を径方向外向きに拡張させ、スリーブ３０とハウジング４０との間に適度なすき間を生じさせることができる。これにより、この螺旋溝３１に圧油を充填した状態で、ハウジング４０内で軸方向に摺動させている。

ところで、従来の予圧可変式スピンドルユニットは、螺旋溝３１に充填した圧油で、スリーブ３０とハウジング４０との間に適度なすき間を生じさせているが、その運転条件によっては、運転中に生じるスリーブ３０とハウジング４０との温度差により、スリーブ３０とハウジング４０の間の熱膨張の変形量に違いが生じて、スリーブ３０とハウジング４０との間のすき間が小さくなり、スリーブ３０とハウジング４０との嵌め合いが固くなることがあった。
上記スリーブ３０は、通常、図５に示すように、螺旋溝３１の両側壁面３２が摺動面３３に対して直角に形成され、螺旋溝３１の開口縁３４に糸面取り作業、すなわち溝形成時のバリを取り除く作業のみを行っていた。このため、スリーブ３０とハウジング４０との嵌め合いが固くなれば、スリーブ３０をハウジング４０内に軸方向に摺動させると、螺旋溝３１の開口縁３４がハウジング４０の内径面に食い込んで、スリーブ３０を円滑にハウジング４０内に摺動させることが難しくなる。

そこで、この発明は、運転条件によらないで、スリーブをハウジング内に円滑に摺動させることのできる予圧可変式スピンドルユニットを提供することを課題とする。

上記の課題を解決するために、この発明は、スリーブとハウジングとの摺動面のいずれか一方に形成された螺旋溝の両側壁面をその摺動面に向かって軸方向外向きに傾斜させたのである。

このようにすると、スリーブの摺動時に、スリーブとハウジングとの摺動面のいずれか一方に形成された螺旋溝の傾斜面と、他方の部材の摺動面との間に充填された圧油のくさび効果によって、スリーブの傾斜面を径方向内向きに収縮させる力が作用するので、螺旋溝の開口縁が他方の部材の摺動面に食い込むのを防止できる。

以上のように、この発明の予圧可変式スピンドルユニットは、スリーブの摺動時に、スリーブとハウジングとの摺動面のいずれか一方に形成された螺旋溝の開口縁が、他方の部材の摺動面に食い込むのを防止できるので、運転条件によらないで、スリーブをハウジング内に円滑に摺動させることができる。

この発明の実施形態の予圧可変式スピンドルユニットとしては、ハウジングと、このハウジングに挿通される主軸と、この主軸と前記ハウジングとの間に組み込まれ、前記主軸を回転自在に支持する軸受と、前記ハウジングに軸方向に摺動可能に組み込まれ、前記軸受に予圧を付与するスリーブとからなり、前記ハウジングと前記スリーブとの間に油圧室が形成され、前記スリーブと前記ハウジングとの摺動面のいずれか一方に螺旋溝が形成され、前記摺動面を潤滑する圧油が前記螺旋溝に充填された予圧可変式スピンドルユニットおいて、前記螺旋溝の両側壁面が、前記摺動面に向かって軸方向外向きに傾斜している構成を採用することができる。

この構成において、上記螺旋溝の傾斜面の傾斜角度は、上記摺動面に対して２０度から４０度に設定された構成とすれば、スリーブの摺動時に、圧油のくさび効果による、スリーブに対して径方向内向きに収縮させる力を十分に作用させることができ、螺旋溝の開口縁が他方の部材の摺動面に食い込むのを防止できる。

上記のように傾斜角度を規定したのは、この傾斜角度が２０度未満となると、圧油のくさび効果による、スリーブに対して径方向内向きに収縮させる力を十分に作用させることができるが、スリーブとハウジングとの接触面積が小さくなりすぎ、運転時、軸受から発生した熱を摺動面を介して外部に十分に放出できなくなり、軸受の焼損や螺旋溝内の圧油の粘度低下などが発生するおそれがある。
また、前記傾斜角度が４０度を越えると、圧油のくさび効果による、スリーブに対して径方向内向きに収縮させる力が不十分となり、スリーブとハウジングとのすき間が小さくなるので螺旋溝の開口縁が他方の部材の摺動面に食い込むおそれがある。

また、上記螺旋溝の開口縁に断面円弧状の面取りが施された構成を採用することができる。このようにすれば、開口縁のエッジが丸くなり、螺旋溝の開口縁が他方の部材の摺動面に食い込むおそれがさらになくなり、より円滑にスリーブをハウジング内に摺動させることができる。

また、上記スリーブまたは上記ハウジングのいずれか一方に形成された上記螺旋溝の摺動面に表面処理を施して、その摺動面の摩擦抵抗を低減させるようにしてもよい。例えば、その表面処理として、ＷＰＣ処理を施すことができる。
このＷＰＣ処理とは、被処理面と同等かそれ以上の硬度を有する球状の研磨材を被処理面に噴射し、被処理面の温度を鉄系金属の場合はＡ３変態点以上に、非鉄系金属の場合は再結晶温度以上に上昇させると共に、被処理面に微小な断面円弧状をなす無数の凹部からなる油溜まりを形成するものである。
上記ＷＰＣ処理を施すことで、摺動面に微小な断面円弧状をなす無数の凹部からなる油溜りが形成される。この油溜りに螺旋溝に充填される圧油が溜まり、摺動面に油膜が形成されるので、その摺動面の摩擦抵抗を低減させることができる。

以下、この発明の実施例を図１〜図３に基づいて説明する。
この実施例の予圧可変式スピンドルユニットは、図１、図２に示すように、ハウジング２と、このハウジング２に挿通される主軸１と、この主軸１とハウジング２との間に組み込まれ、主軸１を回転自在に支持する２個のアンギュラ軸受３、４と、ハウジング２内に軸方向に摺動可能に組み込まれ、一端側の軸受３に予圧を付与するスリーブ５と、このスリーブ５と接触・離間する位置決めリング６と、前記スリーブ５の軸方向の移動を規制する調整部材７とから構成される。

上記各軸受３、４は、主軸１の一端側および他端側にそれぞれ１個ずつ組み込まれ、スリーブ５内に組み込まれた一端側の軸受３と、ハウジング２内に直接組み込まれた他端側の軸受４とが互いに端面合わせとなるように配置されている。

上記一端側の軸受３は、その外輪端面がスリーブ５の他端部８に間座９を介して当接している。また、他端側の軸受４は、スリーブ５側の端面で間座１０と当接している。

上記スリーブ５は、その他端部８の内径が、軸受３を組み込んだ部分よりも小さく形成され、一端側へ移動するときに、前記他端部８が隣り合う上記間座９を介して軸受３の外輪を押圧し、この軸受３に予圧を与える。また、このスリーブ５の他端部８には、後述するようにスリーブ５を位置決めするために、内周に段部１１が設けられる。スリーブ５の一端側の端部にリング１２が嵌め合わされ、このリング１２に設けられた筒部１３と、スリーブ５の他端部８とで、軸受３の外輪が挟持されている。

上記スリーブ５の他端部８と主軸１との間にはスリーブ５の軸方向の移動を規制する調整部材７が組み込まれる。また、スリーブ５の他端部８とハウジング２の内側の側壁との間に位置決めリング６が組み込まれる。この位置決めリング６は、その他端側の内径面が調整部材７の内径面と揃った状態に形成される。

上記調整部材７は、スリーブ５の他端部８の段部１１と当接してスリーブ５の一端側への移動を規制する段部１４が形成され、位置決めリング６と軸方向に挿通するボルト１５により一体に固定される。このボルト１５の回転により、調整部材７の軸方向の位置を調整することができる。前記スリーブ５の他端部８の段部１１と、調整部材７の段部１４とは、この実施例のユニットを組み込んだ初期状態において所定のすき間ａを有している。

上記スリーブ５の他端部８と位置決めリング６との間に油圧室１６が形成され、この油圧室１６に連通したハウジング２内部の通路１７に、圧力制御弁１８を介して油圧を供給する圧力源１９が連結されている。この圧力制御弁１８には、主軸１の回転数を検知する回転検知器２０からの信号が入力されるようになっており、この信号に基づいて所定の予圧を得るための油圧力を算出し、油圧室１６に加える油圧を制御するようにしている。油圧室１６の油圧を制御することにより、スリーブ５を主軸１の一端側へすき間ａ分だけ移動させるとともに、位置決めリング６と調整部材７とでスリーブ５を位置決めして、すき間ａに応じて間座９を介して軸受３に予圧を付与する。

上記スリーブ５は、そのハウジング２との摺動面２４に螺旋溝２１が形成されるとともに、その全周に複数のオイルシール２２が嵌められている。この螺旋溝２１に圧力源２３が連結された圧油が充填されている。圧油が螺旋溝２１に充填されれば、スリーブ５が縮径してハウジング２との間に適度なすき間が生じ、この圧油を潤滑剤としてスリーブ５を軸方向に移動させることができる。なお、螺旋溝２１は、ハウジング２の内周面に形成してもよい。

スリーブ５の螺旋溝２１は、図２に示すように、その両側壁面が、スリーブ５の摺動面２４に向かって軸方向外向きに傾斜する傾斜面２５、２５となっている。この傾斜面２５、２５は、図３（ａ）に示すように、その傾斜角度αが、スリーブ５の摺動面２４に対して２０度から４０度に設定される。

このように設定されれば、スリーブ５をハウジング２内に摺動させると、この螺旋溝２１の傾斜面２５と、ハウジング２の内径面（摺動面）との間に充填された圧油のくさび効果により、傾斜面２５がスリーブ５の径方向内向きに押し付ける力が作用する。この押し付ける力が作用することにより、運転条件によって、運転中に生じるスリーブ５とハウジング２との温度差で、スリーブ５とハウジング２の間の熱膨張の変形量に違いが生じ、スリーブ５とハウジング２とのすき間が小さくなっても、螺旋溝２１の開口縁２６がハウジング２の内径面（摺動面）に食い込むのを防止でき、円滑にスリーブをハウジング内に摺動させることができる。

また、上記螺旋溝２１は、図３（ｃ）に示すように、その開口縁２６を断面円弧状となる面取りしてもよい。このようにすれば、開口縁２６の角部分（エッジ）が丸まるので、スリーブ５の摺動時に、螺旋溝２１の開口縁２６がハウジング２の内径面（摺動面）に食い込むおそれがさらになくなり、より円滑にスリーブをハウジング内に摺動させることができる。さらに、図３（ｂ）に示すように、上記螺旋溝２１の両側壁面を、軸方向内向きに盛り上がる断面円弧状に形成してもよい。この場合も、開口縁２６の角部分が丸まるので、スリーブ５の摺動時に、螺旋溝２１の開口縁２６がハウジング２の内径面（摺動面）に食い込むおそれがさらになくなり、より円滑にスリーブをハウジング内に摺動させることができる。

上記スリーブ５は、上述のように、その螺旋溝２１の両側壁面を傾斜面としたので、スリーブ５の摺動面の軸方向の全長に対する螺旋溝２１の軸方向の寸法の割合が大きくなり（約７０％）、すなわち、スリーブ５のハウジング２との接触面積が小さくなり、スリーブ５の摺動時の摩擦抵抗を小さくできる。さらに、スリーブ５の摺動面に表面処理としてＷＰＣ処理を施すことができる。ＷＰＣ処理を施せば、スリーブ５の摺動面２４に微小な断面円弧状をなす無数の凹部からなる油溜りが形成される。この油溜りに螺旋溝２１に充填される圧油が溜まり、摺動面２４に油膜を形成するので摩擦係数が小さくなり、スリーブ５の摺動時のハウジング２に対する摩擦抵抗を小さくすることができる。

ここで、上記ＷＰＣ処理によるスリーブの摺動面の摩擦係数の低下を確認する実験を行った。実験は、スリーブの摺動面に対してＷＰＣ処理を施し、その摩擦係数を測定するものである。以下に、処理装置、およびこの処理装置で実施した処理条件を表１に、実験結果を図４に示す。

また、ＷＰＣ処理を施したスリーブと未処理のスリーブとを、実際にスピンドルユニットに装着し、所定の運転条件で運転して、摩擦係数と摩擦時間とを測定した。その測定結果を図４に示す。

ＷＰＣ処理を施したスリーブの摺動面は、図４に示すように、未処理のスリーブの摺動面と比較して摩擦時間が同じであれば、摩擦係数が小さくなり、また、摩擦時間が長時間となった場合であっても、摩擦係数が小さい値で安定していた。このように、スリーブの摺動面にＷＰＣ処理を施せば、摩擦係数が低下することが確認できた。

この実施例の予圧可変式スピンドルユニットは、以上のように構成され、次にその作用について説明する。

まず、主軸１の低速回転時では、上記油圧室１６に圧油を供給し、供給された圧油がスリーブ５を押圧し、主軸１の一端側へ移動させる。このとき、スリーブ５はその他端部８の段部１１が、調整部材７の段部１４に当接するまで移動し、軸受３には、すき間ａに対応して予圧が付与され、重予圧状態となる。

この状態から、主軸１の回転速度が上がると、遠心力や主軸１の熱膨張などにより、軸受の予圧が徐々に上昇する。予圧が許容最大予圧に達すれば、上記油圧室１６から圧油を排出する。

上記油圧室１６から圧油が排出されれば、圧油によるスリーブ５の押圧力が減少し、スリーブ５が他端側に移動し、位置決めリング６に当接する。スリーブ５が他端側に移動することにより、軸受３の予圧が軽予圧状態に切り換えられる。

実施例の予圧可変式スピンドルユニットを示す断面図 （ａ）同上のスリーブを示す外形図、（ｂ）同上のスリーブの螺旋溝を示す外形図 （ａ）同上のスリーブの螺旋溝の側壁面を示す断面図、（ｂ）同上のスリーブの他の螺旋溝の側壁面を示す断面図、（ｃ）同上の螺旋溝の開口縁を面取りした状態を示す断面図 同上のスリーブの摺動面に施したＷＰＣ処理後の摩擦係数の低減の確認試験結果を示すグラフ （ａ）従来の予圧可変式スピンドルユニットのスリーブを示す外形図、（ｂ）同上のスリーブの螺旋溝を示す断面図

符号の説明

１ 主軸
２ ハウジング
３、４ アンギュラ軸受
５ スリーブ
６ 位置決めリング
７ 調整部材
８ 他端部
９、１０ 間座
１１ 段部
１２ リング
１３ 筒部
１４ 段部
１５ ボルト
１６ 油圧室
１７ 通路
１８ 比例電磁式圧力制御弁
１９ 圧力源
２０ 回転検出器
２１ 螺旋溝
２２ オイルシール
２３ 圧力源
２４ 摺動面
２５ 傾斜面
２６ 開口縁
３０ スリーブ
３１ 螺旋溝
３２ 側壁面
３３ 摺動面
３４ 開口縁
４０ ハウジング

Claims (4)

1. ハウジング(2)と、このハウジング(2)に挿通される主軸(1)と、この主軸(1)と前記ハウジング(2)との間に組み込まれ、前記主軸(1)を回転自在に支持する軸受(3,4)と、前記ハウジング(2)に軸方向に摺動可能に組み込まれ、前記軸受(3)に予圧を付与するスリーブ(5)とからなり、前記ハウジング(2)と前記スリーブ(5)との間に油圧室(16)が形成され、前記スリーブ(5)と前記ハウジング(2)との摺動面(24)のいずれか一方に螺旋溝(21)が形成され、前記摺動面(24)を潤滑する圧油が前記螺旋溝(21)に充填された予圧可変式スピンドルユニットおいて、
   上記螺旋溝(21)の両側壁面(25)が、上記摺動面(24)に向かって軸方向外向きに傾斜していることを特徴とする予圧可変式スピンドルユニット。
2. 上記傾斜面の傾斜角度が、上記摺動面に対して２０度から４０度に設定されたことを特徴とする請求項１に記載の予圧可変式スピンドルユニット。
3. 上記螺旋溝(21)の開口縁(26)に断面円弧状の面取りが施されたことを特徴とする請求項１または２に記載の予圧可変式スピンドルユニット。
4. 上記スリーブ(5)または上記ハウジング(2)のいずれか一方に形成された上記螺旋溝(21)の摺動面(24)に、ＷＰＣ処理が施されたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の予圧可変式スピンドルユニット。

Images