JP2008106891A

JP2008106891A - 転がり軸受の予圧調整方法およびその装置

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Publication number: JP2008106891A
Application number: JP2006292031A
Authority: JP
Inventors: Masatsugu Mori; 正継森
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2006-10-27
Filing date: 2006-10-27
Publication date: 2008-05-08
Also published as: TW200900602A; WO2008050470A1

Abstract

【課題】工作機械の主軸等を支持する軸受装置のラジアル方向の外力に対する剛性を低下させることなく、その軸受装置に設けられている転がり軸受の予圧調整をすることができ、かつ前記転がり軸受の種類を限定せずに適用できる予圧調整方法を提供する。
【解決手段】この転がり軸受装置の予圧調整方法が適用される軸受装置２は、軸１を支持する転がり軸受３，４，４と、この転がり軸受３，４，４の外輪３ａ，４ａ，４ａが内径面に嵌合する軸受箱５と、この軸受箱５を冷却する冷却流路２１Ａ，２１Ｂと、この冷却流路２１Ａ，２１Ｂに冷却油を供給する冷却油供給装置２２とを備える。予圧調整方法は、前記冷却油供給装置２２から前記軸受箱５の前記冷却流路２１Ａ，２１Ｂに供給する冷却油の流量制御により、前記軸受箱５に温度変化を与え、温度変化による軸受箱５の熱膨張および熱収縮により、軸受箱５の内径面に嵌合する前記転がり軸受３，４，４のラジアルすきまを変化させて予圧を調整する。
【選択図】図１

Description

この発明は、工作機械の主軸等の支持に用いられる転がり軸受の予圧を調整する予圧調整方法およびその装置に関する。

従来、工作機械の主軸は、回転精度と剛性を得るために、主軸を支持する軸受に予圧を与えて運転されることが多い。このような工作機械において、軸受の初期予圧を大きくした状態で主軸を高速回転させると、軸受の予圧が増大して軸受に必要以上の負荷が作用し、過剰な発熱あるいは焼きつき等の不具合が生じることがある。

運転時に軸受の予圧が増大する一因として次のことが挙げられる。すなわち、工作機械の主軸系では、主軸系の温度上昇を抑えるため、軸受箱に冷却油を流すことで主軸全体を冷却している。外輪は運転により発熱し、熱膨張によってラジアル方向に変形しようとする。しかし、外輪の外側に嵌合する軸受箱が上記冷却油により冷却されているため、外輪のラジアル方向の変形が抑制され、外輪の熱膨張量が大きくならない。そのため、軸受の予圧が増大するのである。

このような問題に対処するため、運転中の軸受予圧を調整して過大予圧とならないようにする予圧調整技術が提案されている。例えば、円筒ころ軸受の予圧調整に関するものでは、特許文献１がある。この提案は、外輪の外径部に予圧調整リングを設け、この予圧調整リングの外径面に油圧または空気圧により加圧するようにし、その加圧をＯＮ・ＯＦＦ切り換えて外輪をラジアル方向に変位させることで、軸受の予圧を低速用の重予圧と高速用の軽予圧とに設定するようにしたものである。

また、アンギュラ玉軸受に関するものでは、例えば特許文献２がある。この提案では、軸受間に組み込まれる内輪間座および外輪間座のうち外輪間座を線膨張係数の大きい材料で製作し、その外輪間座の外径部に冷却油流路を設けた構成としている。軸受の初期予圧は、内輪間座と外輪間座の軸方向寸法差により与えられる。運転中の内輪の膨張に起因する軸受予圧の増大に対して、前記冷却油流路に主軸回転数に対応した冷却油量を供給して、外輪間座を軸方向に収縮させることで、予圧を軽減して適正化している。
特開平８−１７７８５２号公報特開平３−７３２０５号公報

しかしながら、特許文献１の構成は、油圧力または空気圧力をＯＮにして重予圧を設定した時に、予圧調整リングとハウジングとの嵌合部においてすきまが生じる。このため、軸受に切削荷重によるラジアル方向の外力が作用した場合、外輪にかかる外力を予圧調整リングとハウジングとで直接受けることができない。予圧調整リングの収縮側位置決め間座で外輪は固定されるものの、ラジアル方向の外力に対して耐力が不十分である。したがって、すきま調整しない構造と比較して剛性面で劣るという問題がある。

また、特許文献２の構成は、軸受のアキシアル方向のすきまを変化させるものであり、予圧調整する対象となる軸受がアンギュラ軸受に限定される。このため、円筒ころ軸受のようなラジアル方向のすきま調整には使用できないという問題がある。

この発明の目的は、工作機械の主軸等を支持する軸受装置のラジアル方向の外力に対する剛性を低下させることなく、その軸受装置に設けられている転がり軸受の予圧調整をすることができ、かつ前記転がり軸受の種類を限定せずに適用できる予圧調整方法およびその装置を提供することである。

この発明の転がり軸受の予圧調整方法は、軸を支持する転がり軸受と、この転がり軸受の外輪が内径面に嵌合する軸受箱と、この軸受箱を冷却する冷却流路と、この冷却流路に冷却油を供給する冷却油供給装置とを備えた軸受装置における前記転がり軸受の予圧を調整する方法である。この予圧調整方法において、前記冷却油供給装置から前記軸受箱の前記冷却流路に供給する冷却油の流量制御により、前記軸受箱に温度変化を与え、温度変化による軸受箱の熱膨張および熱収縮により、軸受箱の内径面に嵌合する前記転がり軸受のラジアルすきまを変化させて予圧を調整することを特徴とする。

この発明の予圧調整方法によると、運転中の軸受予圧の調整が可能であるため、常に軸の回転速度に応じた適正な転がり軸受の予圧を維持できる。このため、軸の回転速度を上げて高速運転することが可能である。
また、転がり軸受が嵌合する軸受箱のラジアルすきまを変化させて転がり軸受の予圧を調整するため、転がり軸受の種類を問わず適用することができる。例えば、円筒ころ軸受に適用した場合、特許文献１のように外輪と軸受箱との嵌合部にすきまが生じることがないため、軸受装置の剛性を低下させることがない。
さらに、軸受箱を冷却するための冷却流路の冷却油流量を制御することで、前記ラジアルすきまを変化させるため、軸受装置に予め設けられている冷却流路および冷却油供給装置を利用することができる。このため、軸受装置の構造の変更が小さく、かつ転がり軸受の予圧調整のための付帯設備の設置が少なくて済む。

この発明の予圧調整方法において、前記軸受箱の温度を測定し、その測定結果に応じて流量制御弁を制御することにより、前記冷却油の流量制御を行うことができる。流量制御弁で冷却油の流量制御を行うと、流量制御が容易である。
なお、転がり軸受の実予圧を測定できれば最良の制御が行えるが、実予圧の測定のためには予圧荷重の測定手段が必要であり、予圧調整のための装置が大掛かりなものとなる。しかし、予圧と軸受箱の温度とは強い関係が認められるため、このような関係を予め実測して設定しておけば、軸受箱の温度を測定することで、予圧量を認識することができる。温度測定によるため、簡単なセンサで予圧測定が実現できる。

この発明の転がり軸受の予圧調整装置は、軸を支持する転がり軸受と、この転がり軸受の外輪が内径面に嵌合する軸受箱と、この軸受箱を冷却する冷却流路と、この冷却流路に冷却油を供給する冷却油供給装置とを備えた軸受装置における前記転がり軸受の予圧を調整する装置である。この予圧調整装置において、前記冷却油供給装置から前記軸受箱の前記冷却流路に供給する冷却油の流量を制御する流量制御弁と、前記転がり軸受の予圧が適正予圧となる軸受箱の温度を目標温度として設定した軸受箱目標温度設定部と、前記軸受箱の温度を測定する軸受箱温度測定手段と、この軸受箱温度測定手段の測定温度を前記軸受箱目標温度設定部に設定された目標温度と比較し、目標温度に対して測定温度が低い場合は前記流量制御弁の開度を小さくし、目標温度に対して測定温度が高い場合は前記流量制御弁の開度を大きくする制御部とを有することを特徴とする。

この発明の予圧調整装置によれば、運転時には、軸受箱目標温度設定部に設定された目標温度と軸受箱温度測定手段の測定温度とを比較し、その比較結果に応じて流量制御弁の開度を調整して、軸受箱の実際の温度を目標温度に近づけることで、軸受の予圧を適正に保つ。このため、常に軸の回転速度に応じた適正な転がり軸受の予圧を維持でき、したがって、軸の回転速度を上げて高速運転することが可能である。
冷却流路および冷却油供給装置として、軸受装置に予め設けられているものを利用することができるため、構成が簡略で、安価に提供することができる。

この発明の転がり軸受の予圧調整装置において、前記軸受箱目標温度設定部は、前記軸の回転速度毎に目標温度範囲を設定したものであり、前記軸の回転速度を測定する回転速度測定手段を設け、前記制御部は、前記回転速度測定手段で測定される回転速度に対応する前記軸受箱目標温度設定部の目標温度範囲に対して、前記軸受箱温度測定手段の測定温度を比較することにより、前記流量制御弁の開度を調整するものであると良い。
軸受箱の温度と予圧の関係は、転がり軸受の回転速度によって変わる。そのため、軸受箱目標温度設定部に設定される目標温度を、軸の回転速度毎に目標温度範囲で設定しておくと、制御部による流量制御弁の開度調整の制御を、精度良く、かつ簡略にできるとともに、不測に反応して制御が乱れることを防止できる。

この発明の転がり軸受の予圧調整方法は、軸を支持する転がり軸受と、この転がり軸受の外輪が内径面に嵌合する軸受箱と、この軸受箱を冷却する冷却流路と、この冷却流路に冷却油を供給する冷却油供給装置とを備えた軸受装置における前記転がり軸受の予圧を調整する方法であって、前記冷却油供給装置から前記軸受箱の前記冷却流路に供給する冷却油の流量制御により、前記軸受箱に温度変化を与え、温度変化による軸受箱の熱膨張および熱収縮により、軸受箱の内径面に嵌合する前記転がり軸受のラジアルすきまを変化させて予圧を調整するため、軸受装置のラジアル方向の外力に対する剛性を低下させることなく、その軸受装置に設けられている転がり軸受の予圧調整をすることができ、かつ前記転がり軸受の種類を限定せずに適用できる。

また、この発明の転がり軸受の予圧調整装置は、軸を支持する転がり軸受と、この転がり軸受の外輪が内径面に嵌合する軸受箱と、この軸受箱を冷却する冷却流路と、この冷却流路に冷却油を供給する冷却油供給装置とを備えた軸受装置における前記転がり軸受の予圧を調整する装置であって、前記冷却油供給装置から前記軸受箱の前記冷却流路に供給する冷却油の流量を制御する流量制御弁と、前記転がり軸受の予圧が適正予圧となる軸受箱の温度を目標温度として設定した軸受箱目標温度設定部と、前記軸受箱の温度を測定する軸受箱温度測定手段と、この軸受箱温度測定手段の測定温度を前記軸受箱目標温度設定部に設定された目標温度と比較し、目標温度に対して測定温度が低い場合は前記流量制御弁の開度を小さくし、目標温度に対して測定温度が高い場合は前記流量制御弁の開度を大きくする制御部とを有するため、常に軸の回転速度に応じた適正な転がり軸受の予圧を維持でき、しかも構成が簡略で、安価に提供することができる。

この発明の実施形態を図１〜図３と共に説明する。この転がり軸受の予圧調整装置は、工作機械の主軸１を支持する軸受装置２に設けられている。軸受装置２は、主軸１を支持する転がり軸受３，４，４を軸受箱５に組み込んだものである。軸受箱５は、軸受３，４，４の外輪３ａ，４ａ，４ａが内径面に嵌合する内筒６と、この内筒５の外側を覆う外筒７とからなる。転がり軸受として、工具が装着される側である前部（図面の左側）には円筒ころ軸受３を用い、後部には前後一対のアンギュラ玉軸受４，４を背面組合せで用いている。円筒ころ軸受３は、加工時に生じるラジアル荷重を受け持つ。また、一対のアンギュラ玉軸受４，４は、主にアキシアル荷重を受け持つ。

主軸１は、前端部１ａの外径が大きく、それより後方の中央部１ｂは同一外径とされ、外端部には雄ねじ部１ｃが形成されている。円筒ころ軸受３およびアンギュラ玉軸受４，４は、上記主軸１の中央部１ｂに軸方向に所定の間隔を設けて嵌合している。円筒ころ軸受３の内輪３ｂの前端面は、主軸１の前端部１ａと中央部１ｂとの境界の段部に係止されている。円筒ころ軸受３の内輪３ｂと前側アンギュラ玉軸受４の内輪４ｂとの間には、筒状のスペーサ８が介在させてある。また、後側アンギュラ玉軸受４の内輪４ｂの後側には筒状のスペーサ９が設けられ、このスペーサ９を前記雄ねじ部１ｃに螺着したナット１０により抜け止めしている。

軸受箱５の内筒６は、前後両端部に内径の大きい外輪嵌合部６ａ，６ｂを有し、前側の外輪嵌合部６ａに円筒ころ軸受３の外輪３ａが嵌合し、後側の外輪嵌合部６ｂにアンギュラ玉軸受４，４の外輪４ａ，４ａが嵌合している。円筒ころ軸受３の外輪３ａの前端面には、内筒６の前端面にボルト１１で固定された前蓋１２の軸受止め部１２ａが当接している。また、後側アンギュラ玉軸受４の外輪４ａの後端面には、内筒６の後端面にボルト１１で固定された後蓋１３の軸受止め部１３ａが当接している。

この軸受装置２は、冷却油で軸受箱５を冷却する冷却機構２０を備えている。この冷却機構２０は、軸受箱５に設けられた冷却流路２１Ａ，２１Ｂと、この冷却流路２１Ａ，２１Ｂに冷却油を供給する冷却油供給装置２２と、これら冷却流路２１Ａ，２１Ｂと冷却油供給装置２２とを繋ぐ供給側油路２３Ａ，２３Ｂおよび排出側油路２４Ａ，２４Ｂとからなる。

冷却流路２１Ａ，２１Ｂは、軸受箱５の内筒６と外筒７との嵌合部におけるそれぞれ円筒ころ軸受３およびアンギュラ玉軸受４，４に対応する軸方向位置に、互いに独立して設けられている。冷却流路２１Ａ（２１Ｂ）は、前後両端の円周溝２１Ａａ，２１Ａｂ（２１Ｂａ，２１Ｂｂ）と、これら前後の円周溝２１Ａａ，２１Ａ２１ｂ（２１Ｂａ，２１Ｂｂ）を連通する螺旋溝２１Ａｃ（２１Ｂｃ）とからなる。冷却流路２１Ａ，２１Ｂの軸方向外側の内筒６と外筒７との嵌合部には、シール部材２５がそれぞれ設けられている。

冷却流路２１Ａ（２１Ｂ）の両端には、外筒７の外周面に開口する給油口２６Ａ（２６Ｂ）および排油口２７Ａ（２７Ｂ）が設けられている。給油口２６Ａ（２６Ｂ）は、供給側油路２３Ａ（２３Ｂ）を介して冷却油供給装置２２に繋がっている。排油口２７Ａ（２７Ｂ）は、排出側油路２４Ａ（２４Ｂ）を介して冷却油供給装置２２に繋がっている。これにより、閉路循環型の油路が構成され、冷却油供給装置２２で温度調整された冷却油が、供給側油路２３Ａ（２３Ｂ）を通って冷却流路２１Ａ（２１Ｂ）に供給され、冷却流路２１Ａ（２１Ｂ）を流れる間に軸受箱５を冷却し、排出側油路２４Ａ（２４Ｂ）を通って冷却油供給装置２２に戻るようになっている。
排出側油路２４Ａ（２４Ｂ）中には、油路を流れる冷却油の流量を制御する流量制御弁２８Ａ（２８Ｂ）が設けられている。この流量制御弁２８Ａ，２８Ｂは、例えば弁の開度を電磁制御で調整する電磁制御弁とされている。

この冷却機構２０は、本来、軸受箱５を冷却するためのものであるが、軸受３，４，４の予圧調整にも利用される。つまり、冷却油の流量を制御することで軸受箱５に温度変化を与え、温度変化による軸受箱５の熱膨張および熱収縮により、前記軸受箱内筒６の外輪嵌合部６ａ，６ｂに嵌合する軸受３，４，４のラジアルすきまを変化させて、各軸受の予圧を調整するのである。

転がり軸受の予圧調整装置は、上記冷却機構２０と、軸受箱５（図示例では軸受箱内筒６）における円筒ころ軸受３およびアンギュラ玉軸受４，４の外周部分の温度をそれぞれ測定する軸受箱温度測定手段としての軸受箱温度計３１Ａ，３１Ｂと、主軸１の回転速度を測定する回転速度測定手段としての回転数計３２と、ＣＰＵ等からなる制御装置３３とで構成される。図２に示すように、制御装置３３は、軸受箱目標温度設定部３４Ａ，３４Ｂと、制御部３５Ａ，３５Ｂとを有する。

軸受箱目標温度設定部３４Ａ，３４Ｂは、軸受３，４，４の予圧が適正予圧となる軸受箱５の温度を目標温度として設定して記憶おくものである。目標温度は次のようにして定める。すなわち、予め試験等により、所定範囲に区分された回転速度毎に過大予圧とならない適正外輪温度を、両軸受３，４につきそれぞれ求める。そして、外輪温度計３６Ａ，３６Ｂで軸受３，４の外輪温度を測定しながら、流量制御弁２８Ａ，２８Ｂを手動操作して冷却油の流量を調整し、外輪温度計３６Ａ，３６Ｂで測定される外輪温度が前記適正外輪温度となったときの軸受箱温度計３１Ａ，３１Ｂの測定温度を軸受箱目標温度とする。実際には、軸受箱目標温度は、上記測定温度を基準にして上下に所定の不感帯幅を設けた温度範囲で設定する。これを回転速度の各区分毎に行うことにより、図３（Ａ），（Ｂ）に示すように、主軸回転速度の各区分毎の軸受箱目標温度が定められる。

制御部３５Ａ（３５Ｂ）は、上記のように設定された軸受箱目標温度をフィードバックさせて、冷却油の流量を制御するものである。すなわち、軸受箱目標温度設定部３４Ａ（３４Ｂ）に設定されている温度情報の中から、回転数計３２の測定温度に対応する軸受箱目標温度を抽出し、その目標温度と軸受箱温度計３１Ａ（３１Ｂ）の測定温度とを比較し、目標温度に対して測定温度が低い場合は前記流量制御弁２８Ａ（２８Ｂ）の開度を小さくし、目標温度に対して測定温度が高い場合は前記流量制御弁２８Ａ（２８Ｂ）の開度を大きくする。これにより、実際の軸受箱温度が軸受箱目標温度に近づくように、冷却液の流量が制御される。軸受箱目標温度設定部３４Ａ（３４Ｂ）に設定される目標温度が、主軸１の回転速度毎に目標温度範囲で設定されているため、制御部３５Ａ（３５Ｂ）による流量制御弁の開度調整の制御が簡略かつ精度良く行われるとともに、過敏等の不測な反応により制御が乱れることを防止できる。

上記のように冷却油の流量制御をすることで、主軸１の回転速度に応じた適正な軸受箱温度となるように、軸受箱５の温度が変化させられる。軸受箱５の温度が変わると、軸受箱内筒６の外輪嵌合部６ａ，６ｂに嵌合する軸受３，４，４のラジアルすきま、すなわち軸受の締め代が変わり、予圧が調整される。

この予圧調整装置によると、運転中の軸受３，４，４の予圧調整が可能であるため、常に主軸１の回転速度に応じた適正な軸受予圧を維持できる。例えば、主軸１の低速回転時には重予圧とし、高速回転時には低予圧とする。このように回転速度に応じた適正な軸受予圧を維持できるため、高速運転することが可能である。

また、転がり軸受３，４，４が嵌合する軸受箱内筒６の外輪嵌合部６ａ，６ｂのラジアルすきまを変化させて転がり軸受３，４，４の予圧を調整するため、転がり軸受の種類を問わず適用することができる。この実施形態では、円筒転がり軸受３およびアンギュラ玉軸受４が使用されているが、円すいころ軸受等、他の種類の転がり軸受にも適用できる。例えば、円筒ころ軸受３の場合、外輪３ａと軸受箱内筒６との嵌合部にすきまが生じないため、従来装置（特許文献１）のように軸受装置の剛性を低下させることがない。

さらに、この実施形態では、冷却油の流量の制御に流量制御弁２８Ａ，２８Ｂを用いているため、流量制御が容易であり、高精度の予圧調整を行える。予圧調整装置の一部である冷却機構２０は、軸受装置２に予め設けられているものを利用できるため、軸受装置２に予圧調整装置を新たに設ける場合、軸受装置２の構造の変更が小さく、かつ転がり軸受の予圧調整のための付帯設備の設置が少なく済む。

なお、この発明では、軸受箱５の温度から予圧状態を推定して冷却油の流量を制御しているが、軸受３，４，４の実予圧を測定できるのであれば、実予圧から冷却油の流量を制御するのが最良である。しかし、運転中に軸受３，４，４の実予圧を測定するのは非常に困難であり、仮に実予圧を測定しようとした場合、装置が大掛かりとなるため、実用上ではこの発明の予圧調整方法で予圧調整するのが好ましい。

この発明の実施形態にかかる軸受装置の断面図と転がり軸受の予圧調整装置の概念図とを組み合わせて示す図である。冷却油の流量制御系のブロック図である。（Ａ），（Ｂ）は軸受箱目標温度設定部に記憶されているデータの内容を示す説明図である。

符号の説明

１…軸受装置
２…主軸
３…円筒転がり軸受
４…アンギュラ玉軸受
５…内筒
６…外筒
２０…冷却機構
２１Ａ，２１Ｂ…冷却流路
２２…冷却油供給装置
２８Ａ，２８Ｂ…流量制御弁
３１Ａ，３１Ｂ…軸受箱温度計（軸受箱温度測定手段）
３２…回転数計（回転速度測定手段）
３３…制御装置
３４…軸受箱目標温度設定部
３５…制御部
３６Ａ，３６Ｂ…外輪温度計

Claims

軸を支持する転がり軸受と、この転がり軸受の外輪が内径面に嵌合する軸受箱と、この軸受箱を冷却する冷却流路と、この冷却流路に冷却油を供給する冷却油供給装置とを備えた軸受装置における前記転がり軸受の予圧を調整する方法であって、
前記冷却油供給装置から前記軸受箱の前記冷却流路に供給する冷却油の流量制御により、前記軸受箱に温度変化を与え、温度変化による軸受箱の熱膨張および熱収縮により、軸受箱の内径面に嵌合する前記転がり軸受のラジアルすきまを変化させて予圧を調整することを特徴とする転がり軸受の予圧調整方法。
請求項１において、前記軸受箱の温度を測定し、その測定結果に応じて流量制御弁を制御することにより、前記冷却油の流量制御を行う転がり軸受の予圧調整方法。
軸を支持する転がり軸受と、この転がり軸受の外輪が内径面に嵌合する軸受箱と、この軸受箱を冷却する冷却流路と、この冷却流路に冷却油を供給する冷却油供給装置とを備えた軸受装置における前記転がり軸受の予圧を調整する装置であって、
前記冷却油供給装置から前記軸受箱の前記冷却流路に供給する冷却油の流量を制御する流量制御弁と、前記転がり軸受の予圧が適正予圧となる軸受箱の温度を目標温度として設定した軸受箱目標温度設定部と、前記軸受箱の温度を測定する軸受箱温度測定手段と、この軸受箱温度測定手段の測定温度を前記軸受箱目標温度設定部に設定された目標温度と比較し、目標温度に対して測定温度が低い場合は前記流量制御弁の開度を小さくし、目標温度に対して測定温度が高い場合は前記流量制御弁の開度を大きくする制御部とを有することを特徴とする転がり軸受の予圧調整装置。
請求項３において、前記軸受箱目標温度設定部は、前記軸の回転速度毎に目標温度範囲を設定したものであり、前記軸の回転速度を測定する回転速度測定手段を設け、前記制御部は、前記回転速度測定手段で測定される回転速度に対応する前記軸受箱目標温度設定部の目標温度範囲に対して、前記軸受箱温度測定手段の測定温度を比較することにより、前記流量制御弁の開度を調整するものである転がり軸受の予圧調整装置。