JP2008121745A - 軸受ユニット及び該軸受ユニットを備えた工作機械の主軸装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な構造で大きな軸方向力に耐えることのできる軸受ユニット及びこれを備えた工作機械の主軸装置を提供する。
【解決手段】内側部材２に装着される内輪１３と、外側部材６に装着される外輪１４と、該外輪１４と内輪１３との間に配置される多数の転動体１５とを有する軸受１０と、上記内側部材２から上記内輪１３に伝達される軸方向力Ｆが所定値以上になると、該軸方向力Ｆを内輪１３から外側部材６に伝達する伝達方向転換手段Ａを備える。
【選択図】 図５

Description

本発明は、内輪，外輪間に多数の転動体を配置してなる軸受と、軸方向力の伝達経路を転換する軸力伝達方向転換手段とを備えた軸受ユニット、及び該軸受ユニットを備えた工作機械の主軸装置に関する。

回転軸に装着される内輪と、ハウジング側に装着される外輪との間に多数の転動体を配置したタイプの軸受、例えばアンギュラ玉軸受では、上記回転軸に作用する軸方向力は、回転軸から内輪，転動体（ボール），外輪を経てハウジング側に伝達される。この場合、上記軸方向力が所定の許容アキシアル荷重を超えると軌道面に圧痕が生じる等の問題が生じる。

工作機械の主軸用軸受には、工具交換などのために大きな軸方向力（アンクランプ力）が作用する。このアンクランプ力が上記許容アキシアル荷重を超えると、上述の問題が生じるおそれがある。そこで上記問題を回避するため、従来の工作機械の主軸装置では、工具交換時に主軸に作用するアンクランプ力が上記内輪，外輪と転動体との間に作用するのを回避するためのアンクランプ力支持機構を備えたものがある（特許文献１参照）
特開平４−１９４１３・

上記アンクランプ力を支持する機構は、通常運転時には主軸回転に支障をきたすことがなく、かつ工具交換時には主軸へのアンクランプ力を確実に支持することができる構造を必要とするため、構造が複雑でコスト高となるとともに、比較的大きな配置スペースを必要とするといった問題がある。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたもので、簡単な構造で大きな軸方向力に耐えることのできる軸受ユニット及びこれを備えた工作機械の主軸装置を提供することを課題としている。

請求項１の発明は、内側部材に装着される内輪と、外側部材に装着される外輪と、該外輪と内輪との間に配置される多数の転動体とを有する軸受と、
上記内側部材又は外側部材から上記内輪又は外輪に伝達される軸方向力が所定値以上になると、該軸方向力を内輪から外側部材に又は外輪から内側部材に伝達する伝達方向転換手段を備えたことを特徴する軸受ユニットである。

請求項２の発明は、請求項１において、上記内側部材は回転軸であり、上記外側部材はハウジングであり、上記伝達方向転換手段は、回転軸側に配置され内輪の軸方向移動を規制する内輪間座と、ハウジング側に配置され外輪の軸方向移動を規制する外輪間座とを備え、内輪に作用する軸方向力が所定値以上になると上記内輪，外輪，転動体と内輪間座の弾性変形量が、上記内輪が外輪間座に当接する大きさとなるよう構成されていることを特徴としている。

請求項３の発明は、請求項１において、上記内側部材は固定軸であり、上記外側部材は回転筒体であり、上記伝達方向転換手段は、固定軸側に配置され内輪の軸方向移動を規制する内輪間座と、回転筒体側に配置され外輪の軸方向移動を規制する外輪間座とを備え、外輪に作用する軸方向力が所定値以上になると上記内輪，外輪，転動体と外輪間座の弾性変形量が、上記外輪が内輪間座に当接する大きさとなるよう構成されていることを特徴としている。

請求項４の発明は、請求項１に記載の軸受を２組有し、該両軸受の間に請求項２に記載の内輪間座と外輪間座とからなる伝達方向転換手段が配置されていることを特徴としている。

請求項５の発明は、先端部に装着された工具を回転駆動する主軸と、該主軸内に配置され、上記工具の主軸先端部へのクランプ，アンクランプを行うドローバーユニットと、上記主軸を支持するハウジングと、該ハウジングと上記主軸との間に配置された請求項２又は４に記載の軸受ユニットとを備えたことを特徴とする工作機械の主軸装置である。

請求項１の発明によれば、伝達方向転換手段を備えたので、上記内側部材又は外側部材から上記内輪又は外輪に伝達される軸方向力が所定値以上になると、該軸方向力は、内輪から外側部材に又は外輪から内側部材に伝達されることとなり、転動体に過大な軸方向力が作用するのを回避でき、従って内輪又は外輪の軌道面に転動体の圧痕が形成されるといった問題を防止できる。

また、本発明の伝達方向転換手段は、内側部材又は外側部材から上記内輪又は外輪に伝達される軸方向力を、内輪から外側部材に又は外輪から内側部材に伝達されるように変換するだけの構造のものであるから、上述の工具交換時に主軸に作用するアンクランプ力を支持するアンクランプ力支持機構のような従来装置に比較して構造が簡単であり、また配置スペースが大きくなるといった問題も生じない。

請求項２の発明によれば、伝達方向転換手段を、内輪に作用する軸方向力が所定値以上になると内輪，外輪，転動体と内輪間座の弾性変形量が、上記内輪が外輪間座に当接する大きさとなるよう構成したので、また、請求項３の発明によれば、伝達方向転換手段を、外輪に作用する軸方向力が所定値以上になると内輪，外輪，転動体と外輪間座の弾性変形量が、上記外輪が内輪間座に当接する大きさとなるよう構成したので、軸方向力の伝達方向を、内輪側から外輪間座側に、又は外輪側から内輪間座側に転換でき、請求項１に記載の作用効果を実現できる具体的な構成を提供できる。

請求項４の発明によれば、請求項１に記載の軸受を２組有し、該両軸受の間に請求項２に記載の内輪間座と外輪間座とからなる伝達方向転換手段を配置したので、一対の軸受を有する場合に軸方向力の伝達方向を一方の軸受の内輪側から外輪間座を介して他方の軸受の外輪に伝達し、さらにハウジング側に伝達できる。

請求項５の発明の発明によれば、主軸をハウジングで支持するとともに、該主軸内にドローバーユニットを配置し、工具交換時にはドローバーにアンクランプ力を作用させるように構成されている場合に、上記主軸とハウジングとの間に請求項２又は４に記載の軸受ユニットとを備えたので、主軸から軸受に伝達されたアンクランプ力を内輪から外輪間座を介して外輪に伝達し、さらにハウジングに伝達できる。従ってアンクランプ力が軸受の軌道面と転動体とにそのまま伝達されるのを、簡単な構造で、また配置スペースを拡大することなく確実に回避でき、アンクランプ力により軸受寿命が短くなるのを防止できる。

以下本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１〜図５は本発明の第１実施形態に係る軸受ユニットを備えた工作機械の主軸装置を説明するための図である。

図において、１は工作機械の主軸装置であり、該主軸装置１は、主軸２と、該主軸２の軸芯に形成されたドロー孔２ａ内に挿入配置されたドローバーユニット３と、上記主軸２を前部の軸受ユニット４と後部の軸受ユニット５を介して回転自在に支持するハウジング６とを備えている。なお、７はハウジング６と主軸２との間に介在されたビルトインタイプの主軸モータであり、上記主軸２はこの主軸モータ７によって回転駆動される。

上記ドローバーユニット３は、上記主軸２の上記ドロー孔２ａ内にドローバー３ａを軸方向に進退可能に挿入配置し、該ドローバー３ａの先端に装着された係止部材３ｂで上記ドロー孔２ａの先端部に配置されたコレットチャック8 を拡縮させるようにした構造のものである。上記ドローバー３ａをクランプ方向（図１右方）に後退させると上記コレットチャック8 が工具（図示せず）の係止溝に係合して該工具を主軸２の先端部にクランプし、アンクランプ方向（図１左方）に前進させると上記係合が解除されて工具は主軸２からアンクランプされる。

ここで上記ドローバー３ａの段部３と、上記主軸２のドロー孔２ａの大径部２ｂの段部２ｅとの間には上記ドローバー３ａを上記クランプ方向に所要のクランプ力で付勢する皿ばね９が介在されている。従って、上記工具をアンクランプする場合には、 上記ドローバー３ａに上記皿ばね９のクランプ力より大きいアンクランプ力Ｆを前進方向に作用させる必要がある。このアンクランプ力Ｆは同時に主軸２に前進方向の軸方向力として作用する。

本実施形態では、上記主軸２に作用する軸方向力を支持可能とする構造が上記後部の軸受ユニット５に採用されている。この後部の軸受ユニット５は、２組のアンギュラタイプの後側玉軸受１０，前側玉軸受１０′と、該両玉軸受１０，１０′間に配置された内輪間座１１及び外輪間座１２とを備えている。

上記後側，前側玉軸受１０，１０′は同一構造のもので、同一大きさかつ同一方向の許容アキシアル荷重を有する。該各玉軸受１０，１０′は、上記主軸２の外周面に嵌合装着された内輪１３と、上記ハウジング６内に軸方向に移動可能に配置されたスライド筒体６ａの内周面に嵌合装着された外輪１４と、該外輪１４，内輪１３の軌道面１３ｓ，１４ｓ間に配置された多数のボール（転動体）１５と、該各ボール１5 を所定ピッチでもって保持する保持器１6 とを備えている。ここで上記スライド筒体６ａの端面６ｂとハウジング６の段部６ｃとの間にはフィルばねからなり、上記スライド筒体６ａを矢印ｃ方向に付勢する付勢ばね１７が介在されている。これにより上記後部の軸受ユニット５には、所要の与圧が付与されている。

上記内輪間座１１は、上記内輪１３より少し薄肉のリング状のものであり、これの軸方向の後端面１１ａは上記後側の玉軸受１０の内輪１３の前端面１３ａに当接し、内輪間座１１の前端面１１ｂは上記前側の玉軸受１０′の内輪１３の後端面１３ｂに当接している。なお、上記内輪間座１１は、これの後端面１１ａ側外径が前端面１１ｂ側外径より小径となるよう形成されている。

一方、上記外輪間座１２は、上記外輪１４より厚肉のリング状のものであり、これの軸方向の後端面１２ａは上記後側の玉軸受１０の外輪１４の前端面１4 ａに当接し、前端面１2 ｂは上記前側の玉軸受１０′の外輪１４の後端面１４ｂに当接している。

上記外輪間座１２の内径は、上記内輪１３の外径より少し小径に設定されており、そのため該外輪間座１２の後端面１２ａ側の内周縁部は上記後側の玉軸受１０の内輪１３の前端面１３ａの外周縁部に対向している。そしてこの対向する面には、凸部１２ｃがリング状に形成されている。

図５に拡大して示すように、上記凸部１２ｃと上記後側の玉軸受１０の内輪１３の前端面１３ａとの隙間δは、上記許容アキシアル荷重より小さい所定の軸方向力ｆが作用した場合の上記内輪間座１１の軸方向の弾性変形量より小さい値、例えば０.０６〜０.０７mm程度に設定されている。また上記凸部１２ｃの上記内輪１３の前端面１３ａとの径方向における実質的なオーバーラップ量ａは、必要強度を満足する程度に設定されている。なお、実質的なオーバーラップ量とは、コーナ部の曲線状の面取部ｂ1 ，ｂ2 を除いた直線状部分同士のオーバーラップ量を意味している。なお、図３，図４において、１２ｄは上記ボール１５と軌道面との間に潤滑油を供給するためのオイル孔である。

このようにして上記主軸２に伝達されたアンクランプ力が所定値ｆを超えると、該アンクランプ力を後側の玉軸受１０の内輪１３から外輪間座１２を介して前側の玉軸受１０′の外輪１４に伝達し、さらにハウジング６に伝達し、よって後側の玉軸受１０のボール１５，軌道面間に過大な荷重が作用するのを防止する軸力方向転換手段Ａが構成されている。

本実施形態装置では、アンクランプ機構からのアンクランプ力Ｆが上記ドローバー３ａに加えられると、該ドローバー３ａが上記皿ばね９を圧縮しつつ前進し、上記コレットチャック８の工具との係合が解除され、該工具はアンクランプされる。

このとき、上記アンクランプ力Ｆは、上記皿ばね９を介して主軸２に伝達され、該主軸２に固定されたロック部材２ｄから後側の軸受ユニット５の後側の玉軸受１０の内輪１３に伝達される。上記アンクランプ力が増加するにつれて該内輪１３，外輪１４の軌道面とボール１５との間の面圧が増加するとともに、内輪，外輪，転動体と内輪間座１１が軸方向に弾性変形する。そして上記アンクランプ力Ｆの大きさが上記所定の軸方向力ｆに達すると内輪，外輪，転動体と内輪間座１１の弾性変形量が上記隙間δに達し、内輪１３の前端面１３ａが外輪間座１2 の凸部１2 ｃに当接する。従って、これ以降は、上記アンクランプ力は外輪間座１２を介して前側の玉軸受１０′の外輪１４に伝達され、ここから上記スライド筒体６ａを介して上記ハウジング６に伝達される。ここで、上記後側，前側玉軸受１０，１０′の許容アキシアル荷重は上述の所定の軸方向力ｆより大きく設定されているので、上記アンクランプ動作により内輪１３，外輪１４の軌道面に圧痕等が生じるといったことはない。

このように、本実施形態によれば、アンクランプ力の伝達経路を転換する機構を設けたので、上記内輪１３に伝達されるアンクランプ力Ｆが上記所定値ｆ以上になると、該アンクランプ力は、後側の内輪１３から外輪間座１２，前側の外輪１４を介してハウジング６に伝達されることとなり、内輪１３，外輪１４の軌道面とボール１５との間の面圧が過大になるのを回避でき、従って内輪１３，外輪１４の軌道面にボール１５の圧痕が形成されるといった問題を防止できる。

また、本実施形態では、伝達方向転換手段は、内輪１３の前端面１３ａに外輪間座１２の凸部１２ｃを隙間δを開けて対向させ、内輪１３に作用する軸方向力が所定値ｆ以上になると内輪，外輪，転動体と内輪間座１１の弾性変形量が、上記隙間δに達し、内輪１３の前端面１３ａが外輪間座１２の凸部１２ｃに当接するように構成されている。そのため軸方向力の伝達方向を、内輪１３から外輪間座１２の経路に転換でき、上述の作用効果を簡単な構造で実現でき、上記従来装置のような構造が複雑になる，コストが増大する，配置スペースが拡大するといった問題を回避できる。

なお、上記実施形態では、軸受ユニット５が、全く同一構造の後側玉軸受１０と、前側玉軸受１０′との組み合わせである場合を説明したが、本発明は、図６に示すように、後側玉軸受１０と前側玉軸受１０′とが内，外輪間座１１，１２の軸方向中央線Ｌを挟んで前後対称形をなす場合、つまり許容アキシャル荷重方向が逆向きである軸受ユニット５′にも適用可能である。なお、この場合、内輪間座１１，外輪間座１２も前後対称形をなしており、外輪間座１２は前端面，後端面の両方に凸部１２ｃを有する。

また上記実施形態では、２組の玉軸受１０，１０′からなる軸受ユニットの場合を説明したが、本発明は、１組の玉軸受を備えている場合にも勿論適用できる。また本発明の適用範囲は、玉軸受の組数と関係なく適用可能であり、例えば図７に示すような玉軸受を４組備えた軸受ユニットにも勿論適用できる。この図７の例の場合、軸方向中央線Ｌを挟んで、軸受１０，１０′が前後対称形に構成されている。

さらにまた上記実施形態では、玉軸受の場合を説明したが、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではなく、例えば、内輪と外輪との間にローラを配置したローラ軸受にも適用可能である。

また、上記実施形態では、回転軸とハウジングの間に配置された軸受ユニットの場合を説明したが、本発明は、固定軸と回転筒体との間に配置される軸受にも適用可能であり、この場合、軸方向力は、回転筒体から外輪，内輪間座，内輪の経路に転換される。

本発明の一実施形態に係る軸受ユニットを備えた主軸装置を模式的に示す断面側面図である。 上記主軸装置の軸受ユニット部分を模式的に示す断面側面図である。 上記軸受ユニットの断面側面図である。 上記軸受ユニットの内，外輪間座の正面図である。 上記軸受ユニットの軸力伝達方向転換手段を説明するための拡大図である。 上記軸受ユニットの変形例を示す断面側面図である。 上記軸受ユニットの他の変形例を示す断面側面図である。

符号の説明

１ 主軸装置
２ 主軸（回転軸・内側部材）
３ ドローバーユニット
５ 後部の軸受ユニット
６ ハウジング（外側部材）
１０，１０′ 後側，前側の玉軸受
１１ 内輪間座
１２ 外輪間座
１３ 内輪
１４ 外輪
１５ ボール（転動体）
Ａ 伝達方向転換手段
Ｆ アンクランプ力（軸方向力）
ｆ 軸方向力の所定値
δ 弾性変形量

Claims (5)

1. 内側部材に装着される内輪と、外側部材に装着される外輪と、該外輪と内輪との間に配置される多数の転動体とを有する軸受と、
   上記内側部材又は外側部材から上記内輪又は外輪に伝達される軸方向力が所定値以上になると、該軸方向力を内輪から外側部材に又は外輪から内側部材に伝達する伝達方向転換手段とを
   備えたことを特徴とする軸受ユニット。
2. 請求項１において、上記内側部材は回転軸であり、上記外側部材はハウジングであり、上記伝達方向転換手段は、回転軸側に配置され内輪の軸方向移動を規制する内輪間座と、ハウジング側に配置され外輪の軸方向移動を規制する外輪間座とを備え、内輪に作用する軸方向力が所定値以上になると上記内輪，外輪，転動体と内輪間座の弾性変形量が、上記内輪が外輪間座に当接する大きさとなるよう構成されていることを特徴とする軸受ユニット。
3. 請求項１において、上記内側部材は固定軸であり、上記外側部材は回転筒体で
   あり、上記伝達方向転換手段は、固定軸側に配置され内輪の軸方向移動を規制する内輪間座と、回転筒体側に配置され外輪の軸方向移動を規制する外輪間座とを備え、外輪に作用する軸方向力が所定値以上になると上記の内輪，外輪，転動体と外輪間座の弾性変形量が、上記外輪が内輪間座に当接する大きさとなるよう構成されていることを特徴とする軸受ユニット。
4. 請求項１に記載の軸受を２組有し、該両軸受の間に請求項２に記載の内輪間座と外輪間座とからなる伝達方向転換手段が配置されていることを特徴とする軸受ユニット。
5. 先端部に装着された工具を回転駆動する主軸と、該主軸内に配置され、上記工具の主軸先端部へのクランプ，アンクランプを行うドローバーユニットと、上記主軸を支持するハウジングと、該ハウジングと上記主軸との間に配置された請求項２又は４に記載の軸受ユニットとを備えたことを特徴とする工作機械の主軸装置。

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