JP2011240428A - 工作機械主軸の冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構造で主軸及び軸受の冷却を行う事ができる工作機械主軸の冷却構造を提供する。
【解決手段】 主軸１へ冷却液を供給する冷却液供給部４、主軸１から冷却液を回収する冷却液回収部５をハウジング２に形成し、冷却液供給部４から冷却液回収部５へ冷却液を流す冷却液流路を主軸１内に形成した。主軸１の冷却液流路は、冷却液供給部４から供給される冷却液を受ける液受け部７と、液受け部７から主軸１の軸線方向に向けて形成された複数の穴状流路８とを具備し、液受け部７を主軸１の外周に凹設した円環状溝とすると共に、穴状流路８を冷却液回収部５に向けて略直線状に且つ主軸半径方向外側に向けて傾斜形成した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数の軸受によって回転可能に支持された工作機械主軸の冷却構造に関し、特にマシニングセンタのように高速回転する主軸の冷却構造に関する。

近年、工作機械主軸の回転、特にマシニングセンタ主軸の回転が高速になってきている。そのため、軸受の発熱量が大きくなっており、主軸や工具の熱安定性等に悪い影響を与えている。このような背景から、工具の熱安定性を高め、且つ軸受の内外輪温度差による面圧の増加を抑えるために、軸受を内輪側と外輪側の両側から冷却する必要があり、主軸を直接冷却することで軸受の内輪側を冷却し、軸受の内外輪温度差を小さくする冷却構造が開発されている。
主軸内に冷却液を流し入れる従来の冷却構造としては、主軸の回転による遠心力を利用したものがある。例えば特許文献１では、ドローバの軸心に冷却液供給用導管を形成して冷却液を送り込み、ロータと軸心を冷却した後、冷却液を回収するよう構成されている。また特許文献２では、フロント軸受とロータの中間位置から冷却油を供給し、主軸外径側へと向かった流路を形成した構造となっている。
一方、遠心力を利用しないものとして特許文献３の技術がある。これは、主軸外径側から主軸内径側へ向かい、軸受下を長手方向に進んだ後、再び主軸外径側へと向かった流路を形成して主軸軸受の内輪の冷却を行っている。

特公平７−１０６５３４号公報 特開平７−９３００号公報 特開平９−３１７７７８号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術は、主軸後端の径の小さい部分から冷却液を供給する必要があり、冷却液供給箇所の制約があった。また、流路が必要以上に長くなるため構成する部品点数も多くなっていたし、アンバランス要因の増加にも繋がるものであった。また、特許文献２の技術は、主軸の内径側から冷却液を供給するためのノズルを用いている。そのため、部品点数が多くなりコストアップに繋がっていた。また、ノズルを使うため、冷却液を効率良く主軸内へ流し込むことができず、冷却効率が悪かった。
更に、特許文献３の技術は、冷却したい部分だけ冷却液を流しているため、コストや設計の自由度の点から有利である。しかし、冷却液は主軸外径側から内径側へ向かう穴状流路となっているため、高速回転時には大きな遠心力が働き、冷却液を流し入れるには高い圧力をかける必要があった。そのため、冷却液の漏れを防ぐためのシール構造が重要となり、複雑な構造となっていた。

そこで、本発明はこのような問題点に鑑み、簡易な構造で主軸及び軸受の冷却を行う事ができる工作機械主軸の冷却構造を提供することを目的としている。

上記課題を解決する為に、請求項１の発明は、複数の軸受を介してハウジングに回転可能に組み付けられた主軸を冷却する工作機械主軸の冷却構造であって、前記主軸へ冷却液を供給する冷却液供給部、及び前記主軸から冷却液を回収する冷却液回収部を、前記主軸の冷却対象となる部位に対応する前記ハウジングに形成する一方、前記主軸に冷却液供給部から前記冷却液回収部に至る主軸内冷却液流路を形成し、前記主軸内冷却液流路は、前記冷却液供給部から供給される冷却液を受ける液受け部と、前記液受け部から前記主軸軸線方向に向けて形成された複数の穴状流路とを具備し、前記液受け部が、前記主軸の外周に凹設した円環状溝であることを特徴とする。
この構成によれば、主軸外周に設けられる液受け部を円環状の溝とし、この溝から主軸軸線方向に向けて穴状流路を形成しているので、外部から回転中の主軸に冷却液を供給する際に、遠心力の影響の小さな状態で冷却液が穴状流路に達することができる。そのため、冷却液供給部に大きな供給圧をかけなくとも、冷却液を循環させることができる。また、冷却したい部位のみ冷却液を流すことができ、短い流路で構成できるので、冷却液供給部や経路の構造上の制約が減り、簡易な構成により軸受を冷却するために必要な箇所の冷却が可能となる。

請求項２の発明は、請求項１に記載の構成において、前記冷却液供給部は、前記円環状溝に対峙する前記ハウジングの内側部に冷却液を吐出する供給口を先端に備えた複数の冷却液供給孔を有し、前記冷却液供給孔は、前記供給口から後部に向けて主軸回転方向に傾斜して形成されて成ることを特徴とする。
この構成によれば、主軸の回転により生ずる遠心力の影響を小さくすることができ、高速回転しても冷却液を供給することができる。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の構成において、前記供給口は、前記円環状溝の開口幅より小さい径で形成され、且つ前記円環状溝の略中央に位置することを特徴とする。
この構成によれば、円環状溝に充填された冷却液の最も遠心力が小さくなる中央部から冷却液を供給でき、遠心力の影響を最小限に抑えることができる。

請求項４の発明は、請求項１乃至３の何れかに記載の構成において、前記ハウジングの前記円環状溝を挟む部位には、冷却液の漏れを防止するためのエアシール手段がリング状に配置されてなることを特徴とする。
この構成によれば、液受け部が単純な円環構造であるため、エアシールにより良好なシールドができ、安価な構造で冷却液のシールドができる。

本発明によれば、主軸外周に設けられる液受け部を円環状の溝とし、この溝から主軸軸線方向に向けて穴状流路を形成しているので、外部から回転中の主軸に冷却液を供給する際に、遠心力の影響の小さな状態で冷却液が穴状流路に達することができる。そのため、冷却液供給部に大きな供給圧をかけなくとも、冷却液を循環させることができ、冷却液供給部の構造上の制約が減り、簡易な構成により軸受を冷却する為に必要な箇所の冷却が可能となる。

本発明に係る工作機械の主軸冷却構造の一例を示す断面説明図である。 冷却液供給部の構成を示す模式図である。 円環状溝と供給孔の関係を示す説明図である。

以下、本発明を具体化した実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る工作機械の主軸冷却構造の一例を示す断面説明図であり、１は主軸、２は主軸１を支持するハウジング、３はフロント側の軸受（第１軸受３ａ、第２軸受３ｂ）、４は冷却液供給部、５は冷却液回収部、６は冷却液の漏れを防ぐためのエアシール部、７は供給された冷却液を受ける液受け部、８は主軸１の冷却部に配設された穴状流路である。

主軸１は、先端に工具を装着するためのテーパ孔１ａを有し、フロント側の第１及び第２の軸受３ａ，３ｂと図示しないリア側軸受とを介してハウジング２に回転可能に支持されている。液受け部７は、第２軸受の後方に形成され、矩形の断面形状でリング状に周設された円環状溝である。

穴状流路８は、液受け部７の壁面から第１軸受３ａの前方に至る部位まで、直線状に形成されている。但し、前方に進むに従って主軸１の径方向外側に傾けて形成されている。この穴状流路８は、主軸１の表面に近い部位に複数形成されている。
そして、穴状流路８の先端は、ハウジング２に形成された冷却液回収孔部５に対峙する主軸１の側面に穿設された流出孔１１と連結され、この流出孔１１から冷却液が冷却液回収部５へ送り出される。

冷却液供給部４は、図示しない冷却液供給源から供給された冷却液を液受け部７に供給する冷却液供給孔９を備えている。図２は冷却液供給孔９の構成を示す模式図を示している。この図２に示すように、冷却液供給孔９はハウジング２の側面から液受け部７に向けて形成されているが、放射状（主軸の半径方向）ではなく、液受け部７に対峙する供給口９ａから後部のハウジング２の側面に向けて主軸１の回転方向に傾斜して形成されている。尚、冷却液供給孔９は、適宜間隔でハウジング２周囲に複数形成されている。
このように、冷却液供給孔９を主軸１の回転方向に傾斜して形成することで、主軸１の回転により生ずる遠心力の影響を小さくすることができ、主軸１が高速回転しても遠心力に抗して冷却液を供給することができる。

一方、液受け部７の円環状溝は、冷却液供給孔９の供給口９ａより広い幅で形成され、液受け部７の開口部中央に供給口９ａが位置するよう配置されている。図３は、このように形成された液受け部７と供給口９ａの関係を示している。図３において、Ｈは液受け部７の開口幅、Ｄは冷却液供給孔９の供給口９ａの開口幅を示し、Ｈ＞Ｄの関係を有している。また、矢印Ａ１は液受け部７に充填された冷却液の遠心力の大きを示し、矢印Ａ２は冷却液の流れを示している。この図３に示すように、液受け部７の壁付近は主軸１の回転数とほぼ同じ速度で冷却液が回転し、大きな遠心力が働くものの、液受け部７の壁から離れた中央部付近では主軸１より小さな回転数となり遠心力が小さくなる。

冷却液回収部５は、主軸１の流出孔１１に対峙する部位、即ち第１軸受３ａの前方に形成され、適宜間隔で配置された複数の冷却液回収孔１０を有している。そして、図示しない冷却液供給源に回収した冷却液を戻すよう構成されている。

エアシール部６は、図示しない外部のエア供給源からエアを供給するための複数のシールエア供給孔６ａと主軸１上にエアシールドを形成するためのリング状に配置した複数のシールエア吐出口６ｂとで構成され、冷却液供給孔９及び冷却液回収孔１０の夫々に対して設けられている。
冷却液供給部９に対して形成されたエアシール部６は、液受け部７を前後から挟むようにシールエア吐出口６ｂが主軸１の円周に対して一対配置して形成されている。冷却液回収部５に形成されたエアシール部６も同様であり、流出孔１１を前後から挟む位置にシールエア吐出口６ｂが主軸１の円周に対して一対配置して形成されている。

このように構成された冷却構造により、冷却液は次のように流れて冷却作用を奏する。冷却液源から冷却液供給部４に供給された冷却液は、冷却液供給孔９の供給口９ａから液受け部７に供給される。冷却液として一般的に用いられる液は粘度の低い油であり、液受け部７の内部においては、上述したように液受け部７内の壁付近は主軸１の回転数とほぼ同じ速度で回転するが、中央部では主軸１より小さな回転数となり遠心力が小さい。そのため、液受け部７の開口部中央に供給口９ａを配置することで、また冷却液供給孔９を傾斜させることで遠心力の影響が小さくなり、高速回転している状態でも冷却液供給部４に大きな圧を加えること無く冷却液の供給ができる。

こうして液受け部７に供給された冷却液は、穴状流路８、流出孔１１、冷却液回収孔１０を順に通り、冷却液源に還る。この際、穴状流路８の内部においては、冷却液の粘度には無関係に強制的に主軸１の回転数に比例した大きさの遠心力が働く。ここでは、穴状流路８は流出孔１１に向けて主軸１の外側になるよう形成されているため、先端に向かって遠心力は大きくなる。よって、冷却液には流出孔１１に向けて流れる力が発生する。この結果、主軸１が回転する遠心力により、冷却液流路の順方向の流れが発生し、主軸１の第１軸受３ａ、第２軸受３ｂが取り付けられている部位は冷却液により冷却され、加熱する軸受３の内輪側が効率良く冷却される。

また、主軸１の表面に露出した液受け部７及び流出孔１１は、前後両脇に設けられたエアシール部６の作用によりシールドされると共に、前述したように冷却液供給時の圧力を小さく抑えることができるので、冷却液が主軸１とハウジング２の隙間から漏れ難い。

このように、主軸１の外周に設けられる液受け部７を円環状とし、この溝から主軸軸線方向に向けて穴状流路８を形成しているので、冷却液供給部４に大きな供給圧をかけなくとも、冷却液を循環させることができる。また、冷却したい部位のみ冷却液を流すことができ、短い流路で構成できるので、冷却液供給部４や経路の構造上の制約が減り、簡易な構成により軸受を冷却するために必要な箇所の冷却が可能となる。
また、冷却液供給孔９の供給口９ａは、液受け部７の開口幅より小さく且つ液受け部７の中央部に位置するので、液受け部７に充填された冷却液の最も遠心力が小さくなる部位に冷却液を供給でき、遠心力の影響を最小限に抑えることができる。
更に、液受け部７が円環状溝であり、単純な円環構造であるため、エアにより良好なシールドができ、安価な構造で冷却液のシールドができる。

尚、穴状流路８は断面円形の穴である必要はなく、形状は問わない。また、上記実施形態では冷却液を主軸１の後方から前方へ流しているが、逆向きに流しても良い。同様に、上記実施形態では穴状流路８を径方向外側に向かっていく穴としているが、これを主軸１に平行なものとしても良く、その場合には軸流ポンプなどのような補助手段を形成するようにしても良い。
更に、冷却液供給孔９は主軸１の回転方向に傾斜して形成しているが、傾斜させずに主軸１の中心から放射状に形成しても良い。このように傾斜させない場合、遠心力を利用して流れを発生させているため、軸流ポンプなどのように回転方向には因らず、正逆の回転に対応できる。また、傾斜方向を上記図２の形態を正方向とした場合に、逆方向の冷却液供給孔も形成し、主軸の回転方向に応じて使い分ければ、正逆の回転に対して良好に対応できる。

１・・主軸、２・・ハウジング、３（３ａ，３ｂ）・・軸受、４・・冷却液供給部、５・・冷却液回収部、６・・エアシール部（エアシール手段）、７・・液受け部、８・・穴状流路（円環状溝）、９・・冷却液供給孔、９ａ・・供給口、１０・・冷却液回収孔、１１・・流出孔。

Claims (4)

1. 複数の軸受を介してハウジングに回転可能に組み付けられた主軸を冷却する工作機械主軸の冷却構造であって、
   前記主軸へ冷却液を供給する冷却液供給部、及び前記主軸から冷却液を回収する冷却液回収部を、前記主軸の冷却対象となる部位に対応する前記ハウジングに形成する一方、前記主軸に冷却液供給部から前記冷却液回収部に至る主軸内冷却液流路を形成し、
   前記主軸内冷却液流路は、前記冷却液供給部から供給される冷却液を受ける液受け部と、前記液受け部から前記主軸軸線方向に向けて形成された複数の穴状流路とを具備し、
   前記液受け部が、前記主軸の外周に凹設した円環状溝であることを特徴とする工作機械主軸の冷却構造。
2. 前記冷却液供給部は、前記円環状溝に対峙する前記ハウジングの内側部に冷却液を吐出する供給口を先端に備えた複数の冷却液供給孔を有し、
   前記冷却液供給孔は、前記供給口から後部に向けて主軸回転方向に傾斜して形成されて成ることを特徴とする請求項１記載の工作機械主軸の冷却構造。
3. 前記供給口は、前記円環状溝の開口幅より小さい径で形成され、且つ前記円環状溝の略中央に位置することを特徴とする請求項１又は２記載の工作機械主軸の冷却構造。
4. 前記ハウジングの前記円環状溝を挟む部位には、冷却液の漏れを防止するためのエアシール手段がリング状に配置されてなることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の工作機械主軸の冷却構造。

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