JP2009184062A - 工作機械用主軸装置 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な排油性を有し、軸受に対する潤滑油過多や軸受の異常発熱を抑制することができる工作機械用主軸装置を提供する。
【解決手段】工作機械用主軸装置２０では、軸受６０，７０，８０の外輪６１，７１，８１に、その内周面に開口する排油穴６１ａ，６１ｂ，７１ａ，７１ｂ，８１ａ，８１ｂが径方向に亘って形成されている。排油穴６１ａ，６１ｂ，７１ａ，７１ｂ，８１ａ，８１ｂ内の潤滑油は、負圧発生装置１０３の吸引力によって、吸引される。
【選択図】図５

Description

本発明は、工作機械用主軸装置に関し、より詳細には、多軸制御の工作機械等に適用され、外部から潤滑油が供給される、高速回転可能な工作機械用主軸装置に関する。

例えば、５軸加工機や複合加工工作機械のような多軸制御される工作機械では、工具が取り付けられる回転軸が、水平位置と垂直位置との間、或いは、３６０度全域に亘って旋回可能な、チルトタイプの主軸装置が使用されている。

このような主軸装置では、内部に配置された軸受を潤滑する方式として、エアを利用して、外部から軸受内部に微量の潤滑油を供給するオイルエア潤滑方式やオイルミスト潤滑方式、また、潤滑油を軸受内部に間欠的に高速度で直接噴射する直接噴射方式が採用されている。

例えば、オイルエア潤滑やオイルミスト潤滑では、図８に示すように、ノズル５０１から軸受５００に潤滑油を供給するとともに、外輪５００ａや間座５０２に形成された排油穴５０３ａや排油溝５０３ｂからハウジング５０４の排油通路５０５を経て外部に排出される構造が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
実開昭６３−１３９３２４号公報（第３図）

ところで、特許文献１に記載の工作機械用主軸装置では、重力作用により潤滑油をハウジング５０４の排油通路５０５を介して自然に排油するものであるが、軸受内部やその周辺に潤滑のために使用された潤滑油が排出しきれない可能性がある。特に、ｄｍ・Ｎ５０万以上、さらに効果が期待できるｄｍ・Ｎ１００万以上で高速回転可能な主軸装置においては、潤滑油過多や攪拌抵抗によって異常発熱を生じる可能性がある。また、チルトタイプの主軸装置に適用した場合には、主軸装置の姿勢変化により、一端排油穴５０３ａや排油溝５０３ｂ内に排出された潤滑油が軸受内部に戻り、潤滑油過多や攪拌抵抗によって異常発熱を生じる可能性がある。

本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、良好な排油性を有し、軸受に対する潤滑油過多や軸受の異常発熱を抑制することができる工作機械用主軸装置を提供することにある。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１）工具を取り付け可能な回転軸と、
該回転軸をハウジングに対して回転自在に支持する軸受と、
を備え、該軸受がオイル潤滑される工作機械用主軸装置であって、
前記軸受の外輪には、その内周面に開口する排油穴が貫通形成されており、
該排油穴内の潤滑油は、負圧発生装置の吸引力によって、吸引されることを特徴とする工作機械用主軸装置。
（２）前記外輪に隣接する外輪間座には、その内周面に開口する排油穴又は排油溝が径方向に亘って形成され、
前記外輪間座の前記排油穴又は排油溝内の潤滑油は、負圧発生装置の吸引力によって、吸引されることを特徴とする（１）に記載の工作機械用主軸装置。

本発明によれば、軸受の外輪に形成される排油穴内の潤滑油が、負圧発生装置の吸引力によって、吸引されるので、軸受内部の余分な潤滑油を速やかに排出することができる。特に、チルトタイプの主軸装置では、その姿勢が変化した場合であっても、排出されるはずの潤滑油が軌道面に戻ることが防止され、潤滑油過多や異常発熱を抑制することができる。

また、外輪に隣接する外輪間座に形成される排油穴又は排油溝からも軸受内部の潤滑油が、負圧発生装置の吸引力によって吸引されるので、軸受内部の余分な潤滑油をより効果的に排出することができる。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態に係る工作機械用主軸装置について図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本実施形態の工作機械用主軸装置が組み込まれる、複合加工工作機械としての門形マシニングセンタを示す。門形マシニングセンタ１では、ベッド２の上にテーブル３がＸ軸方向へ移動可能に支持されており、ベッド２の両側には一対のコラム４が立設されている。コラム４の上端にはクロスレール５が架設されており、クロスレール５には、サドル６がＹ軸方向へ移動可能に設けられる。また、サドル６には、Ｚ軸方向に昇降可能なラム７が支持されており、ラム７の下端には、本実施形態の主軸装置２０をＹ軸回り及びＺ軸回りに回転割出し駆動可能に保持する主軸ヘッド８が装着されている。

主軸ヘッド８には、主軸装置２０のブラケット２１を挟むように一対の支持アーム９が設けられており、一対の支持アーム９は、ブラケット２１の両側面に固定された図示しない一対の旋回シャフトを回転可能に支持する。これにより、主軸装置２０は、主軸ヘッド８側に設けられた図示しない駆動機構によって一対の支持アーム９に対してＹ軸回りに旋回可能であり、水平位置と垂直位置との間、或いは、３６０度全域に亘って取付姿勢を変化することができるチルトタイプを構成する。

図２に示すように、主軸装置２０は、モータビルトイン方式であり、その軸方向中心部には、中空状の回転軸２２が設けられ、回転軸２２の軸芯には、ドローバ２３が摺動自在に挿嵌されている。ドローバ２３は、工具ホルダ２４に取付けられたプルスタッド２５を、クランプボール２６を介して、皿ばね２７の力によって反工具側方向（図の右方向）に付勢しており、工具ホルダ２４は、回転軸２２のテーパ面２８と嵌合する。工具ホルダ２４には図示しない工具が取り付けられており、この結果、回転軸２２は、一端（図の左側）に工具をクランプして、工具を取り付け可能としている。

また、回転軸２２は、その工具側を支承する２列の前側軸受６０，７０と、反工具側を支承する１列の後側軸受８０とによって、ブラケット２１（図１参照。）に固定されたハウジングＨを構成する外筒２９に回転自在に支持されている。

前側軸受６０，７０と後側軸受８０間における回転軸２２の外周面には、ロータ３０が焼き嵌めされたロータスリーブ３１が外嵌されている。また、ロータ３０の周囲に配置されるステータ３２は、ステータ３２に焼き嵌めされた冷却ジャケット３３を外筒２９に内嵌することで、外筒２９に固定される。従って、ロータ３０とステータ３２はモータを構成し、ステータ３２に電力を供給することでロータ３０に回転力を発生させ、回転軸２２を回転させる。

また、外筒２９と反工具側で固定されたハウジングＨを構成する後蓋３４には、工具アンクランプピストン３５を摺動自在に内嵌したハウジングＨを構成する工具アンクランプシリンダ３６が固定されている。よって、工具を交換する際には、油路３７から油圧室３８に作動油を導き、工具アンクランプピストン３５を工具側（図の左側）へ前進させることにより、ドローバ２３を工具側（図の左側）へ前進させて、工具をアンクランプする。

前側軸受６０，７０は、外輪６１，７１と、内輪６２，７２と、接触角を持って配置される転動体としての玉６３，７３と、図示しない保持器と、をそれぞれ有するアンギュラ玉軸受であり、背面組み合わせとなるように配置されている。後側軸受８０は、外輪８１と、内輪８２と、転動体としての円筒ころ８３と、図示しない保持器と、を有する円筒ころ軸受である。

前側軸受６０，７０の外輪６１，７１は外筒２９に内嵌されており、且つ外筒２９にボルト締結された前側軸受外輪押え３９によってノズル付き外輪間座４０を介して外筒２９に対し軸方向に固定されている。また、前側軸受６０，７０の内輪６２，７２は、回転軸２２に外嵌されており、且つ回転軸２２に締結されたナット４１によって内輪間座４２を介して回転軸２２に対し軸方向に固定されている。

後側軸受８０の外輪８１は後蓋３４に内嵌されており、且つ後蓋３４にボルト締結された後側軸受外輪押え４３によって後蓋３４に固定されている。後側軸受８０の内輪８２は、回転軸２２に形成されたテーパ面４４とテーパ嵌合されており、回転軸２２に締結された他のナット４５によって、内輪間座４６及び速度センサ４７の被検出部４８を介して位置決めされている。

なお、後側軸受外輪押え４３の反工具側には、被検出部４８と径方向に対向する位置に速度センサ４７の検出部４９が固定されており、回転軸２２の回転速度を検出する。また、前側軸受外輪押え３９の工具側端面には、フロントカバー５０がボルト固定されている。

ここで、図２〜図４に示すように、ハウジングＨを構成する外筒２９、後蓋３４、工具アンクランプシリンダ３６には、前側軸受６０，７０及び後側軸受８０をそれぞれ潤滑するための複数の給油通路（ハウジングＨの給油用穴）９０，９１，９２が形成されており、これら通路９０，９１，９２の一端側には、潤滑油を送り込む潤滑装置９３が図示しない配管を介してそれぞれ取り付けられている。なお、潤滑装置によって供給される潤滑方式は、オイル潤滑であればよく、オイルエア潤滑、オイルミスト潤滑、直噴潤滑等のいずれであってもよい。

給油通路９０，９１，９２の他端側は、外輪間座４０に形成されたノズル４０ａ（図２参照。），４０ｂ（図３参照。）、後側軸受外輪押え４３に形成されたノズル４３ａ（図４参照。）と連通しており、潤滑装置９３によって送られた潤滑油を各軸受６０，７０，８０の側方から軸受空間内に供給する。

また、ハウジングＨには、各軸受６０，７０，８０を潤滑した潤滑油をそれぞれ排出する複数の排油通路（ハウジングＨの排油用穴）１００（図２参照。），１０１（図３参照。），１０２（図４参照。）が形成されており、これら通路１００，１０１，１０２の一端側には、潤滑油を吸引するための負圧発生装置１０３がそれぞれ図示しない配管を介して接続されている。

具体的に、図５に拡大して示すように、前側軸受６０，７０の外輪６１，７１には、カウンターボア側、及び反カウンターボア側の内周面で玉６３，７３が通過する外輪軌道面７１ｃの近傍に開口して、且つ、径方向に貫通する排油穴６１ａ，６１ｂ，７１ａ，７１ｂが周方向に略等間隔で複数本ずつ形成されている。また、これら排油穴６１ａ，６１ｂ，７１ａ，７１ｂの外周側開口と対向する外筒２９の内周面には、環状溝１００ａ，１００ｂ，１０１ａ，１０１ｂが形成されている。これら環状溝１００ａ，１００ｂ，１０１ａ，１０１ｂは、それぞれ排油通路１００，１０１と連通している。なお、図５は、図２及び図３に示すように、異なる位相の前側軸受６０，７０の排油通路１００，１０１を同じ断面に示している。

また、図４に示すように、後側軸受８０も、前側軸受６０，７０と同様、外輪８１の軸方向両側の内周面で、円筒ころ８３が通過する外輪軌道面８１ｃの近傍に、径方向に貫通する排油穴８１ａ，８１ｂが周方向に略等間隔で複数本ずつ形成されている。そして、これら排油穴８１ａ，８１ｂの外周側開口と対向する後蓋３４の内周面には、排油通路１０２と連通する環状溝１０２ａ，１０２ｂが形成されている。

従って、各軸受６０，７０，８０を潤滑した潤滑油を、排油穴６１ａ、６１ｂ，７１ａ，７１ｂ，８１ａ，８１ｂと、環状溝１００ａ、１００ｂ、１０１ａ，１０１ｂ，１０２ａ，１０２ｂとを介して、各排油通路１００，１０１，１０２から外部へ排出する際、潤滑油は、負圧発生装置１０３の吸引力によって強制的に吸引される。

これにより、各軸受６０，７０，８０の外輪軌道面６１ｃ，７１ｃ，８１ｃの近傍に設けられた排油穴６１ａ，７１ａ，８１ａから余分な潤滑油を速やかに排出することができる。特に、本実施形態のようなチルトタイプの主軸装置２０において、その姿勢が変化した場合であっても、排出されるはずの潤滑油が軸受内部に戻ること、特に、排油穴６１ａ，７１ａ，８１ａに存在する潤滑油が外輪軌道面６１ｃ，７１ｃ，８１ｃに戻ることが防止され、潤滑油過多や攪拌抵抗による異常発熱を抑制することができる。

また、本実施形態では、排油通路１００，１０１，１０２は、各軸受６０，７０，８０毎に形成されているので、負圧発生装置１０３の吸引能力条件を変化させることで、各軸受６０，７０，８０の吸引効率を最適化することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る工作機械用主軸装置について、図６を参照して詳細に説明する。なお、第１実施形態と同等部分については、同一符号を付して説明を省略或いは簡略化する。

図６に示すように、本実施形態の工作機械用主軸装置２０ａでは、各軸受６０，７０，８０の環状溝１００ａ、１００ｂ、１０１ａ，１０１ｂ，１０２ａ，１０２ｂが、ハウジングＨに形成された単一の排油通路１１０と連通しており、この排油通路１１０は、負圧発生装置１０３に図示しない配管を介して接続されている。

このため、各軸受６０，７０，８０を潤滑した潤滑油は、負圧発生装置１０３の吸引力によって強制的に吸引されながら、排油穴６１ａ、６１ｂ，７１ａ，７１ｂ，８１ａ，８１ｂと、環状溝１００ａ、１００ｂ、１０１ａ，１０１ｂ，１０２ａ，１０２ｂとを介して、単一の排油通路１１０から外部へ排出される。

これにより、各軸受６０，７０，８０の外輪軌道面６１ｃ，７１ｃ，８１ｃの近傍に設けられた排油穴６１ａ，７１ａ，８１ａから余分な潤滑油を速やかに排出することができる。特に、本実施形態のようなチルトタイプの主軸装置２０において、その姿勢が変化した場合であっても、排出されるはずの潤滑油が軸受内部に戻ること、特に、排油穴６１ａ，７１ａ，８１ａに存在する潤滑油が外輪軌道面６１ｃ，７１ｃ，８１ｃに戻ることが防止され、潤滑油過多や異常発熱を抑制することができる。

また、このように構成される工作機械用主軸装置２０ａは、第１実施形態と比べて、ハウジングＨに穴加工する排油通路の数を少なくすることができ、加工コストを低減することができる。

その他の構成及び作用については、第１実施形態のものと同様である。なお、図６では、異なる位相の前側軸受６０，７０のノズル４０ａ，４０ｂと、後側軸受９０のノズル４３ａとを同じ断面に示している。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る工作機械用主軸装置について、図７を参照して詳細に説明する。なお、第１及び第２実施形態と同等部分については、同一符号を付して説明を省略或いは簡略化する。

図７に示すように、本実施形態の工作機械用主軸装置２０ｂでは、前側軸受６０の外輪６１と軸方向に対向する前側軸受外輪押え３９の軸方向端面に切欠き３９ａが形成される。また、前側軸受６０，７０の外輪６１，７１と軸方向に対向するノズル付き外輪間座４０の軸方向両端面には、その内周面に開口する排油溝である切欠き４０ｄ，４０ｅが径方向に亘って形成されている。また、前側軸受７０の外輪７１と軸方向に対向する外筒２９の段部近傍には、内周面に開口し、排油通路１２０と連通する排出穴２９ａが形成されている。また、これらの切欠き３９ａ，４０ｄ，４０ｅは、排油通路１２０に形成された排油穴２９ｂ，２９ｃ，２９ｄとそれぞれ同位相となるように配置されている。なお、図７では、排油穴２９ａ，２９ｂ，２９ｃ，２９ｄを有する排油通路１２０は、第１実施形態の排油通路１００，１０１，１０２と別に形成されているが、排油穴２９ａ，２９ｂ，２９ｃ，２９ｄは、排油通路１００，１０１，１０２のいずれかに形成されてもよく、或いは、第２実施形態のように単一の排油通路１１０に形成されてもよい。

従って、本実施形態は、各軸受６０，７０を潤滑した潤滑油を、外輪６１，７１の排油穴６１ａ、６１ｂ，７１ａ，７１ｂに加えて、これら切欠き３９ａ，４０ｄ，４０ｅ、及び排油穴２９ａから排油通路１２０へと排出される。

また、排油通路１２０には、負圧発生装置１０３によって接続される潤滑油排出口１２０ａの他に、前側軸受外輪押え３９に形成された潤滑油排出口１２０ｂが外部に開口している。この潤滑油排出口１２０ｂからも図示しない負圧発生装置によって吸引させることが可能であり、潤滑油排出口１２０ａ，１２０ｂの両方またはどちらか片方からの吸引は、潤滑条件やスピンドルの姿勢変化の条件により最適方法を選択できる。なお、片方からの吸引の場合には、他方の排出口はプラグにより塞がれるか、形成しなければよい。

このため、通常、排油は自重または送油時に使用したエアの流れに沿って排油通路１２０を通って外部に排出されるが、本実施形態のようなチルトタイプの主軸装置では、姿勢変化により外部へ良好に排出されない場合がある。そのような場合に、負圧発生装置１０３によって強制的に潤滑油を吸引することで、外部への排出を補助することができる。特に、軸受６０，７０に隣接する外輪間座４０に形成される切欠き４０ｄ，４０ｅからも軸受内部の潤滑油が、負圧発生装置１０３の吸引力によって吸引されるので、軸受内部の余分な潤滑油をより効果的に排出することができる。

その他の構成及び作用については、第１及び第２実施形態のものと同様である。なお、本実施形態において、ノズル付き外輪間座４０には、その軸方向両端面に切欠き４０ｄ，４０ｅを設ける代わりに、その内周面に開口する排油穴が径方向に亘って貫通形成されてもよい。

尚、本発明は、前述した各実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。
本実施形態では、前側軸受６０，７０を２列のアンギュラ玉軸受，後側軸受９０を円筒ころ軸受としたが、各軸受の種類や列数は任意に設定可能である。
また、本実施形態では、排油穴６１ａ、６１ｂ，７１ａ，７１ｂ，８１ａ，８１ｂは、周方向に複数本ずつ形成されているが、周方向に少なくとも一本形成されればよい。

さらに、本実施形態では、軸受６０，７０，８０毎に複数の給油通路９０，９１，９２が設けられているが、これら給油通路９０，９１，９２を単一の給油通路として、主軸装置２０内で分岐して供給するようにしてもよく、潤滑方式や潤滑条件により複数の軸受毎に別通路とするか単一の共有通路とするかは最適方式を選択できる。

本発明の主軸装置が適用される門形マシニングセンタの概略図である。 第１実施形態の主軸装置において、一方の前側軸受の給油通路及び排油通路を示す断面図である。 主軸装置において、他方の前側軸受の給油通路及び排油通路を示す断面図である。 主軸装置において、後側軸受の給油通路及び排油通路を示す断面図である。 主軸装置の前側軸受部分の拡大断面図である。 第２実施形態の主軸装置における断面図である。 第３実施形態の主軸装置における断面図である。 従来の主軸装置における断面図である。

符号の説明

１ 門形マシニングセンタ（複合加工工作機械）
２０，２０ａ，２０ｂ 主軸装置
２２ 回転軸
３０ ロータ
３２ ステータ
４０ 外輪間座
４０ｄ，４０ｅ 切欠き
６０，７０ 前側軸受
６１，７１，８１ 外輪
６１ａ，６１ｂ，７１ａ，７１ｂ，８１ａ，８１ｂ 排油穴
８０ 後側軸受
１００，１０１，１０２，１１０，１２０ 排油通路
１０３ 負圧発生装置
Ｈ ハウジング

Claims (2)

1. 工具を取り付け可能な回転軸と、
   該回転軸をハウジングに対して回転自在に支持する軸受と、
   を備え、該軸受がオイル潤滑される工作機械用主軸装置であって、
   前記軸受の外輪には、その内周面に開口する排油穴が貫通形成されており、
   該排油穴内の潤滑油は、負圧発生装置の吸引力によって、吸引されることを特徴とする工作機械用主軸装置。
2. 前記外輪に隣接する外輪間座には、その内周面に開口する排油穴又は排油溝が径方向に亘って形成され、
   前記外輪間座の前記排油穴又は排油溝内の潤滑油は、負圧発生装置の吸引力によって、吸引されることを特徴とする請求項１に記載の工作機械用主軸装置。

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