JP2009061571A

JP2009061571A - 工作機械主軸用スピンドル装置

Info

Publication number: JP2009061571A
Application number: JP2007233594A
Authority: JP
Inventors: Mineo Furuyama; 峰夫古山; Satoru Watanabe; 渡辺　　悟
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2007-09-10
Filing date: 2007-09-10
Publication date: 2009-03-26

Abstract

【課題】工作機械主軸を支持する転がり軸受に過負荷がかかることで、転がり軸受が損傷するのを回避できる工作機械主軸用スピンドル装置を提供する。
【解決手段】工作機械主軸用スピンドル装置は、工作機械の主軸１と、この主軸１を支持する転がり軸受２と、この転がり軸受２を支持する固定体４とを備える。前記主軸１と前記固定体４との間にラビリンス部２２が形成されている。このラビリンス部２２における前記主軸１と前記固定体４との相対距離δ１の変化量を検出する変位センサ２３を設ける。
【選択図】図２

Description

この発明は、工作機械の主軸を支持するスピンドル装置に関し、特に前記主軸の損傷を回避する技術に関する。

工作機械の加工能率の向上、および加工精度の向上を図るために、工作機械主軸を支持する転がり軸受は、高速回転に対応でき、かつ回転精度が高いことが求められる。また、転がり軸受は、高速回転や高荷重が付与されても、ワークの加工精度が良いことが求められる。さらに、工作機械の主軸を支持するスピンドル装置は、温度上昇が小さいことが求められる。そのために、スピンドル装置の内部に加工油等が浸入するのを防止する必要があり、その手段として、転がり軸受の両端面にシール部材を設ける他、ラビリンスを用いたシール構造が多く採用されている。

上記スピンドル装置が常に適正な状態に保たれるように、転がり軸受またはその周辺部に温度センサや荷重センサを設け、これらのセンサの出力から転がり軸受およびスピンドル装置全体の異常を検知する技術が採用されている。このような工作機械主軸用スピンドル装置に使用されるセンサとして、例えば特許文献１に温度センサが、特許文献２に荷重センサが開示されている。
特開平１０−２３８５３７号公報特開２００２−２９２５０３号公報

工作機械の主軸には、加工時に、ラジアル荷重あるいはアキシアル荷重が作用する。これらの荷重は、主軸を支持するアンギュラ玉軸受や円筒ころ軸受等の転がり軸受で支持される。転がり軸受の仕様は、加工時に作用する荷重の大きさを想定して設定されている。対して、工作機械主軸用スピンドル装置を駆動するモータには、想定する加工に必要な容量よりも大きな容量のものが設置されていることが多い。
ところで、ユーザーが実際に加工を行う際には、ワークの形状、加工取代等の要因により、工作機械主軸用スピンドル装置に想定を上回る荷重が作用することがある。その場合、例えばモータが過負荷となり、回転数を下げる等の制御機能が働く。しかし、モータの容量が大きい場合は、主軸に作用する荷重によりモータが過負荷となったときには、転がり軸受に耐力を超える荷重が作用することとなり、転がり軸受が損傷を受ける。

この発明の目的は、工作機械主軸を支持する転がり軸受に過負荷がかかることで、転がり軸受が損傷するのを回避できる工作機械主軸用スピンドル装置を提供することである。

この発明の工作機械主軸用スピンドル装置は、工作機械の主軸と、この主軸を支持する転がり軸受と、この転がり軸受を支持する固定体とを備え、前記主軸と前記固定体との間にラビリンス部が形成された工作機械主軸用スピンドル装置であって、前記ラビリンス部における前記主軸と前記固定体との相対距離の変化量を検出する変位センサを設けたことを特徴とする。
この構成によると、変位センサにより、ラビリンス部における主軸と固定体との相対距離の変化量を検出することで、工作機械主軸用スピンドル装置に作用する荷重を推定できる。その推定荷重に応じて工作機械主軸用スピンドル装置の運転状況を変えることで、転がり軸受が損傷することを未然に防ぐことができる。

この発明において、前記変位センサの検出値が、前記ラビリンス部において前記主軸と前記固定体とが互いに設定距離以下に接近したことを示す場合に、前記主軸の回転速度を低減または前記主軸の回転を停止させるように制御する制御装置を設けるとよい。
上記制御装置が設けられていると、工作機械主軸用スピンドル装置に想定を上回る荷重が作用して、ラビリンス部における主軸と固定体とが互いに設定距離以下に接近した場合に、主軸の回転速度を低減または主軸の回転を停止させることで、転がり軸受が損傷することを未然に防ぐことができる。

前記変位センサを、円周方向の複数箇所に設けるとよい。
変位センサが円周方向の複数箇所に設けられていると、円周方向各部の主軸と固定体との相対距離の変化を検出することができるため、工作機械主軸用スピンドル装置に作用する荷重を精度良く推定できる。

前記転がり軸受は、アンギュラ玉軸受とすることができる。
転がり軸受がアンギュラ玉軸受であると、転がり軸受により、工作機械主軸用スピンドル装置に作用するラジアル方向の荷重およびアキシアル方向の荷重を受けることができる。

前記変位センサは、前記ラビリンス部における前記主軸と前記固定体とがラジアル方向に離れた箇所に設けることができる。また、前記変位センサは、前記ラビリンス部において前記主軸と前記固定体とがアキシアル方向に離れた箇所に設けてもよい。
変位センサが、ラビリンス部における主軸と固定体とがラジアル方向に離れた箇所に設けられている場合は、変位センサの出力により、工作機械主軸用スピンドル装置に作用するラジアル方向の荷重を推定することができる。また、変位センサが、ラビリンス部における主軸と固定体とがアキシアル方向に離れた箇所に設けられている場合は、変位センサの出力により、工作機械主軸用スピンドル装置に作用するアキシアル方向の荷重を推定することができる。一つのラビリンス部に、ラジアル方向の荷重を推定するための変位センサおよびアキシアル方向の荷重を推定するための変位センサの両方を設けてもよい。

この発明の工作機械主軸用スピンドル装置は、工作機械の主軸と、この主軸を支持する転がり軸受と、この転がり軸受を支持する固定体とを備え、前記主軸と前記固定体との間にラビリンス部が形成された工作機械主軸用スピンドル装置であって、前記ラビリンス部における前記主軸と前記固定体との相対距離の変化量を検出する変位センサを設けたため、工作機械主軸を支持する転がり軸受に過負荷がかかることで、この転がり軸受が損傷するのを回避することができる

この発明の実施形態を図１ないし図３と共に説明する。図１はこの実施形態の工作機械主軸用スピンドル装置の断面図である。このスピンドル装置は、主軸１の先端（図の左側の端部）に工具またはワークのチャックが取付けられる。主軸１は、中心部に軸方向に貫通する貫通孔１ａを有する筒軸であり、軸方向に離れた複数箇所（ここでは２箇所）で複列の転がり軸受２，２および単列の転がり軸受３により支持されている。ここでは、複列の転がり軸受２，２はアンギュラ玉軸受であり、各転がり軸受２が背面組合せで配置されている。単列の転がり軸受３は、円筒ころ軸受である。アンギュラ玉軸受である複列の転がり軸受２，２により、スピンドル装置に作用するラジアル方向の荷重およびアキシアル方向の荷重が支持され、円筒ころ軸受である単列の転がり軸受３により、スピンドル装置に作用するラジアル方向の荷重が支持される。

各転がり軸受２，２，３の内輪２ａ，２ａ，３ａは主軸１の外周面に嵌合し、外輪２ｂ，２ｂ，３ｂは固定体４の内周面に嵌合している。上記固定体４は、例えばスピンドルハウジングである。この固定体４は、内周部材４ａと、外周部材４ｂと、これら内周部材４ａおよび外周部材４ｂの両端に配された軸端部材４ｃ，４ｂとでなり、主軸先端側の軸端部材４ｃの内周面に転がり軸受２，２の外輪２ｂ，２ｂが嵌合し、他の軸端部材４ｄの内周面に転がり軸受３の外輪３ｂが嵌合している。

複列の転がり軸受２，２については、内輪２ａ，２ａを、主軸１の段面１ｂと主軸１に螺着したナット５間に、内輪間座６，７，８を介して軸方向に位置決めし、外輪２ｂ，２ｂを、固定体軸端部材４ｃの段面４ｃａと固定体軸端部材４ｃに取付けた外輪押さえ９間に、外輪間座１０を介して軸方向に位置決めしている。また、単列の転がり軸受３については、内輪３ａを、主軸１の外周に嵌合した筒状部材１１と内輪押さえ１２とにより軸方向に位置決めしている。内輪押さえ１２は、主軸１に螺着したナット１３により抜け止めされている。単列転がり軸受３の外輪３ｂは、前記筒状部材１１に固定の位置決め部材１４と、前記内輪押さえ１２に固定の位置決め部材１５とに挟まれて、主軸１の伸縮に応じて内輪３ａと一体的に固定体軸端部材４ｄに対して摺動するようになっている。

主軸１と固定体４との間に形成される空間部１６における複列の転がり軸受２，２と単列の転がり軸受３とで挟まれた軸方向の中間位置には、主軸１を駆動するモータ１７が配置されている。そのモータロータ１８は主軸１の外周に嵌合した前記筒状部材１１に固定され、モータステータ１９は固定体４の内周部材４ａに固定されている。前記空間部１６にはグリース等の潤滑油が封入されている。

図２はこのスピンドル装置における主軸先端側部分を拡大して示す図であり、（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ異なる状態を示す。主軸１の先端部は他よりも大径の大径部２１として形成されており、この大径部２１の外径面２１ａおよび背面２１ｂに前記外輪押さえ９の内径面９ａおよび先端側面９ｂが近接状態で対向している。主軸大径部２１の背面２１ｂに形成された環状溝２１ｃ内に、外輪押さえ９の先端側面９ｂに形成された環状凸部９ｃが位置している。また、前記内輪間座６には外輪押さえ９側に突出する凸部６ａが設けられており、この凸部６ａと外輪押さえ９との間の隙間が特に狭くなっている。主軸１と固定体４間における主軸先端側の転がり軸受２からスピンドル装置の外部に至る部分は、狭く複雑に折れ曲がったラビリンス部２２とされている。ラビリンス部２２の隙間は０．０５〜０．２mm程度とするのがよい。このようなラビリンス部２２を設けることにより、前記空間部１６内の潤滑油が外部に漏洩するのと、外部から異物が転がり軸受２内および空間部１６内に侵入するのを防止できる。

ラビリンス部２２には、このラビリンス部２２における主軸１と固定体４との相対距離の変化量を検出する変位センサ２３が設けられている。変位センサ２３は、固定体４側に設けた検出部２３ａと、主軸１側に設けた被検出部２３ｂとでなる。この実施形態では、変位センサ２３により、ラビリンス部２２の外部付近における主軸１と固定体４とのラジアル方向の相対距離δ１の変化量を検出する。変位センサ２３は、工作機械主軸用スピンドル装置に作用する荷重を推定するために設けられる。

図３に示すように、変位センサ２３は、円周方向に等配で複数箇所以上に設けるのが好ましい。図３では変位センサ２３が４箇所に設けられているが、６箇所あるいは８箇所に設けてもよい。変位センサ２３を円周方向の複数箇所に設けると、円周方向各部における前記相対距離δ１の変化量を検出することができるため、工作機械主軸用スピンドル装置に作用する荷重を精度良く推定できる。

変位センサ２３の検出出力は制御装置２５に送られる。制御装置２５は、変位センサ２３の検出値が、主軸１と固定体４とが互いに設定距離以下に接近したことを示す場合に、主軸１の回転速度を低減または回転を停止させるようにモータ１７を制御する。上記設定距離は、任意に定めればよい。主軸１の回転速度を低減させる場合、その回転速度はｄｎ５万〜１０万程度とする。例えば、軸受内径φ１００の場合には、５００〜１０００min^−１となる。

通常時は、図２（Ａ）に示すように、ラビリンス部２２の隙間は、内輪間座６と外輪押さえ９間を除けば、全域でほぼ同じである。スピンドル装置に過大なラジアル荷重が作用すると、図２（Ｂ）に示すように、主軸１と固定体４とがラジアル方向に接近する。制御装置２４で変位センサ２３の出力を演算することで、接近の程度が分かる。接近の程度から、工作機械主軸用スピンドル装置に作用するラジアル荷重を推定できる。主軸１と固定体４とが異常接近した場合は、転がり軸受２，３の耐力を超えるラジアル荷重が作用している可能性があるので、制御装置２５からモータ１７に指令を出して、主軸１の回転速度を低減させるか、または必要に応じて主軸１の回転を停止させる。これにより、転がり軸受２，３に過大なラジアル荷重が作用することが回避でき、転がり軸受２，３が損傷するのを防げる。

上記実施形態では、ラビリンス部２２における主軸１と固定体４とのラジアル方向の相対距離δ１の変化量を検出する変位センサ２３だけが設けられているが、図４に示すように、主軸１と固定体４とのアキシアル方向の相対距離δ２の変化量を検出する変位センサ２４を併設してもよい。変位センサ２４も、固定体４側に設けた検出部２４ａと、主軸１側に設けた被検出部２４ｂとでなる。アキシアル方向の相対距離δ２の変化量を検出する変位センサ２４を設けた場合、スピンドル装置に過大なアキシアル荷重が作用したときに、主軸１の回転速度を低減させるか、または主軸１の回転を停止させるように制御装置２５で制御する。それにより、転がり軸受２，３に過大なアキシアル荷重が作用することが回避でき、転がり軸受２，３が損傷するのを防げる。

一般に、スピンドル装置に荷重が作用する場合、主軸先端側の方に大きな荷重が作用することが多く、主軸先端側の転がり軸受２が損傷しやすい。そのため、上記実施形態のように、主軸先端側に設けたラビリンス部２２における主軸１と固定体４との相対距離δ１，δ２の変化を変位センサ２３，２４で検出するようにすることにより、転がり軸受２の損傷を効果的に防げる。

この発明の実施形態にかかる工作機械主軸用スピンドル装置の断面図である。（Ａ）は同工作機械主軸用スピンドルの部分拡大図、（Ｂ）はその異なる状態を示す図である。図１のＡ矢視図である。この発明の他の実施形態にかかる工作機械主軸用スピンドルの部分拡大断面図である。

符号の説明

１…主軸
２，３…転がり軸受
４…固定体
１７…モータ
２２…ラビリンス部
２３，２４…変位センサ
２５…制御装置

Claims

工作機械の主軸と、この主軸を支持する転がり軸受と、この転がり軸受を支持する固定体とを備え、前記主軸と前記固定体との間にラビリンス部が形成された工作機械主軸用スピンドル装置であって、前記ラビリンス部における前記主軸と前記固定体との相対距離の変化量を検出する変位センサを設けたことを特徴とする工作機械主軸用スピンドル装置。
請求項１において、前記変位センサの出力より、前記ラビリンス部において前記主軸と前記固定体とが設定距離以下に接近したことを示す場合に、前記主軸の回転速度を低減または前記主軸の回転を停止させるように制御する制御装置を設けた工作機械主軸用スピンドル装置。
請求項１または請求項２において、前記変位センサを、円周方向の複数箇所に設けた工作機械主軸用スピンドル装置。
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記転がり軸受は、アンギュラ玉軸受である工作機械用スピンドル装置。
請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記変位センサは、前記ラビリンス部における前記主軸と前記固定体とがラジアル方向に離れた箇所に設けられている工作機械用スピンドル装置。
請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、前記変位センサは、前記ラビリンス部における前記主軸と前記固定体とがアキシアル方向に離れた箇所に設けられている工作機械用スピンドル装置。