JP2011241880A - 回転軸装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流体の往復流路を備えた回転軸が高速回転しても、リークの発生を抑制でき、流体を安定して供給可能とする。
【解決手段】回転軸装置１の回転継手１８において、前側継手盤１９と後側継手盤２０との互いの対向面に、リング状の内側シール部２１Ａ，２６Ａと外側シール部２１Ｃ，２６Ｃとをそれぞれ同心円上に突設して、内側シール部２１Ａ，２６Ａと外側シール部２１Ｃ，２６Ｃとの間に、往き連通孔２３，２８と連通するリング状の内側空間３３と、戻り連通孔２５，３０と連通するリング状の外側空間３４とを同心円上で隣接配置し、往復流路５と前側継手盤１９における往き連通孔２３及び戻り連通孔２５とを、対向面の周方向へ等間隔で配置した。
【選択図】図１

Description

本発明は、工作機械の主軸等に設けられ、流体の往復流路を備えた回転軸を軸支する回転軸装置に関する。

例えば工作機械の主軸においては、冷却を目的として回転軸に流体の往復流路が内設され、回転継手を介して往復流路に流体を供給可能としている。この回転継手としては、特許文献１に示すように、互いに対面させた一対の円盤の端面間に、複数の環状油路溝を同心円状に形成して隣接する環状油路溝間にＯリングを設けて、各環状油路溝に接続した通路孔を各円盤の外端面に開口させて流体を供給可能とした構造が知られている。

特開昭５１−１００３２３号公報

しかし、特許文献１の回転継手は、流体が一方の円盤から他方の円盤を通過する一方通行の構造であって、工作機械の主軸のように往復流路を内設した回転軸に対しての適用は難しい。特に往復流路を備えた回転軸が高速回転すると、往路と復路との半径差に起因して発生する圧力により、排出側の継手内部で流体圧力が増加すると回転継手の内圧が増加して流体がリークするおそれが生じる。逆に、往路内或いは継手内部の流体圧力の急激な低下により、キャビテーションが発生するおそれもある。

そこで、本発明は、流体の往復流路を備えた回転軸が高速回転しても、リークの発生を抑制でき、流体を安定して供給可能となる回転軸装置を提供することを目的としたものである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、往復流路を備えた回転軸の後端面に設けられる前側継手盤と、その前側継手盤に対向して設けられ、押圧手段によって所定圧で前側継手盤に押圧可能な後側継手盤とからなる回転継手を備えると共に、前側継手盤及び後側継手盤に、往復流路の往路側に接続される往き連通孔と、往復流路の復路側に接続される戻り連通孔とをそれぞれ設けた回転軸装置であって、
前側継手盤と後側継手盤との互いの対向面の少なくとも一方に、押圧手段による押圧状態で対向面の軸心側で相手側に当接するリング状の内側シール部を突設し、対向面の少なくとも一方に、押圧状態で対向面の外周側で相手側に当接し、内側シール部と同心円上に位置するリング状の外側シール部を突設して、内側シール部と外側シール部との間に、往き連通孔若しくは戻り連通孔と連通するリング状の内側空間と、戻り連通孔若しくは往き連通孔と連通するリング状の外側空間とを同心円上で隣接配置し、少なくとも前側継手盤における往き連通孔及び戻り連通孔を、対向面の周方向へ等間隔で配置したことを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１の構成において、互いの対向面の少なくとも一方に、内側空間と外側空間との間を仕切るリング状の中間シール部を、内側シール部及び外側シール部と同心円上に突設したことを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項２の構成において、中間シール部を、内側シール部及び外側シール部よりも低く突設して、押圧状態で内側空間と外側空間とが連通する隙間が形成されるようにしたことを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、請求項３の構成において、隙間を回転軸の回転数に応じて変更可能としたことを特徴とするものである。
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４の何れかの構成において、前側継手盤に、回転軸の回転数が高くなるに従って回転軸の回転中心から遠い側の戻り連通孔の流路断面積を減少させる絞り機構を設けたことを特徴とするものである。
請求項６に記載の発明は、請求項５の構成において、絞り機構を、戻り連通孔を横切る前側継手盤の半径方向へスライド可能なスライド体と、スライド体を流路断面積を増加させるスライド方向へ付勢する付勢手段とから形成したことを特徴とするものである。
請求項７に記載の発明は、請求項１の構成において、内側空間と外側空間とが一体に形成されることを特徴とするものである。
請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７の何れかの構成において、前側継手盤に設けられる往き連通孔又は戻り連通孔の少なくとも一方の後端部を、回転軸の径方向において、接続される往復流路の半径位置以下に配置したことを特徴とするものである。

請求項１に記載の発明によれば、回転バランスが良好となり、往復流路を備えた回転軸が高速回転しても、隣接配置しているためリークしにくくなる。
請求項２に記載の発明によれば、請求項１の効果に加えて、流体のリークをより効果的に防止できる。
請求項３に記載の発明によれば、請求項２の効果に加えて、中間シール部を設けてもシール抵抗を低減することができる。また、遠心力による外側空間の圧力上昇を緩和することができる。
請求項４に記載の発明によれば、請求項３の効果に加えて、回転数が増加した場合の遠心力による内側空間の圧力低下及び外側空間の圧力上昇を緩和することができる。
請求項５に記載の発明によれば、請求項１乃至４の何れかの効果に加えて、絞り機構の採用により、流体圧力を損失させて回転軸内部での流量の変化量を抑えることができる。
請求項６に記載の発明によれば、請求項５の効果に加えて、回転軸の回転に伴う遠心力で動作する絞り機構を簡単且つ合理的に得ることができる。
請求項７に記載の発明によれば、請求項１の効果に加えて、回転軸の往復流路への流体の流量が増加し、流体が冷却液であれば熱伝達係数が増加して冷却効率が上がることになる。
請求項８に記載の発明によれば、請求項１乃至７の何れかの効果に加えて、キャビテーションにより流入が阻害されることなく往復流路へ安定して流体を供給することができ、また、出口圧力上昇による外側シール部からのリークを防止することができる。

回転軸装置の縦断面図である。 （Ａ）は前側継手盤の端面を、（Ｂ）は後側継手盤の端面をそれぞれ示す説明図である。 回転継手の変更例の説明図である。 回転継手の変更例の説明図である。 回転継手の変更例の説明図である。 （Ａ）は回転継手の変更例の説明図で、（Ｂ）は絞り機構の説明図である。 回転継手の変更例の説明図である。 回転継手の変更例の説明図である。 回転継手の連通孔と往復流路との接続部の変更例の説明図である。 往復流路の変更例の説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、工作機械の主軸に用いられる回転軸装置の一例を示す縦断面図で、この回転軸装置１は、ハウジング２に前後のボールベアリング４，４によって軸支され、図示しないモータによって回転駆動する回転軸３を備える。回転軸３の軸心には、回転軸３の端部に設けたチャック装置を動作させるドローバーの収容孔３ａが形成されている。
また、回転軸３の内部には、冷却液の往復流路５が形成されている。この往復流路５は、回転軸３の軸心と平行で軸心に近い側に位置する往路６と、同じく軸心と平行で軸心から遠い側に位置する復路７と、その往路６と復路７との前端（図１の左側を前方とする。）を繋ぐ半径方向の接続路８とからなる倒Ｕ字状に形成され、周方向に等間隔で複数設けられている。

また、ハウジング２の後方には、シリンダ９が連結されて、そのシリンダ９の中心にピストン１０が保持されている。このピストン１０の内部には、回転軸３の往路６と同心円上で軸心と平行に形成され、後端が半径方向へ折曲する複数のＬ字状の内側流路１１と、回転軸３の復路７と同心円上で軸心と平行に形成され、後端が半径方向へ折曲する複数のＬ字状の外側流路１２とが形成されて、内側流路１１の後端がピストン１０の外周に周設した後側環状溝１３に、外側流路１２の後端がピストン１０の外周に周設した前側環状溝１４にそれぞれ接続されている。

さらに、シリンダ９には、後側環状溝１３に接続される入側流路１５と、前側環状溝１４に接続される出側流路１６とが形成されて、それぞれ図示しない冷却液の供給装置に接続されている。１７，１７・・は、各環状溝１３，１４の前後に配設されてシリンダ９とピストン１０との間をシールするＯリングである。

そして、回転軸３とピストン１０との間には回転継手１８が設けられている。この回転継手１８は、回転軸３の後端面に固定される円盤状の前側継手盤１９と、ピストン１０の前端面に固定される円盤状の後側継手盤２０とからなる。まず、前側継手盤１９には、図２（Ａ）にも示すように、半径方向の最内に位置するリング状の突条である内側シール部２１Ａと、最外に位置するリング状の突条である外側シール部２１Ｃと、内側シール部２１Ａと外側シール部２１Ｃとの間に位置するリング状の突条である中間シール部２１Ｂとがそれぞれ同心円上で突設されている。

また、内側シール部２１Ａと中間シール部２１Ｂとの間に形成される溝２２には、往復流路５の往路６と同軸で連通する往き連通孔２３，２３・・が形成され、中間シール部２１Ｂと外側シール部２１Ｃとの間に形成される溝２４には、往復流路５の復路７と同軸で連通する戻り連通孔２５，２５・・が形成されている。
ここで、往復流路５は、往路６と復路７とが回転軸３の半径方向の直線上に位置して周方向へ等間隔で配置されているため、往き連通孔２３と戻り連通孔２５も、図２（Ａ）に示すように周方向へ等間隔で配置されている。

一方、後側継手盤２０においても、図２（Ｂ）にも示すように、半径方向の最内に位置するリング状の突条である内側シール部２６Ａと、最外に位置するリング状の突条である外側シール部２６Ｃと、内側シール部２６Ａと外側シール部２６Ｃとの間に位置するリング状の突条である中間シール部２６Ｂとがそれぞれ同心円上で突設されている。また、内側シール部２６Ａと中間シール部２６Ｂとの間に形成される溝２７には、内側流路１１と同軸で連通する往き連通孔２８，２８・・が形成され、中間シール部２６Ｂと外側シール部２６Ｃとの間に形成される溝２９には、外側流路１２と同軸で連通する戻り連通孔３０，３０・・が形成されている。
ここでは、往き連通孔２８（内側流路１１）は、戻り連通孔３０（外側流路１２）よりも多く形成されており、往き連通孔２８及び戻り連通孔３０は、各溝２７，２９内において周方向へ等間隔で配置されている。

そして、ピストン１０の後方には、シリンダ室３１が形成されて、シリンダ９に形成された供給路３２を介して外部から所定圧Ｐの流体を供給することにより、ピストン１０を前方へ押圧して後側継手盤２０を前側継手盤１９に押圧する押圧手段を形成している。この押圧状態で、内側シール部２１Ａ，２６Ａ同士と、中間シール部２１Ｂ，２６Ｂ同士と、外側シール部２１Ｃ，２６Ｃ同士を互いに当接させて両継手盤１９，２０の内外周及び中間をシールして、対向する溝２２，２７とによりリング状の内側空間３３を、対向する溝２４，２９とによりリング状の外側空間３４をそれぞれ形成可能としている。３５は、ピストン１０とシリンダ９との間に跨って端部が遊挿された回り止めピンである。

以上の如く構成された回転軸装置１においては、回転軸３が回転した状態で、シリンダ室３１に流体を供給して後側継手盤２０を前側継手盤１９に押圧させて、供給装置から入側流路１５に冷却液が供給されると、冷却液が各内側流路１１から後側継手盤２０の各往き連通孔２８を介して内側空間３３内に進入する。そして、前側継手盤１９の各往き連通孔２３，２３から各往復流路５に流入し、往路６、接続路８、復路７を順に通過することで回転軸３を冷却する。
その後、冷却液は前側継手盤１９の各戻り連通孔２５を介して外側空間３４に進入し、後側継手盤２０の各戻り連通孔３０から各外側流路１２を通り、出側流路１６から供給装置に戻る。

このとき、回転軸３における往復流路５と、回転継手１８における前側継手盤１９の往き連通孔２３及び戻り連通孔２５とが周方向に等間隔で配置されているため、回転軸３と共に前側継手盤１９が高速回転しても、冷却液を後側継手盤２０から前側継手盤１９へ安定して受け渡し可能となる。特にここでは、後側継手盤２０においても溝２７，２９にそれぞれ往き連通孔２８と戻り連通孔３０とが周方向へバランス良く配置されているため、回転バランスはより良好となる。

このように、上記形態の回転軸装置１によれば、前側継手盤１９と後側継手盤２０との互いの対向面に、押圧手段による押圧状態で対向面の軸心側で互いに当接するリング状の内側シール部２１Ａ，２６Ａと、押圧状態で対向面の外周側で互いに当接するリング状の外側シール部２１Ｃ，２６Ｃとをそれぞれ同心円上に突設して、内側シール部２１Ａ，２６Ａと外側シール部２１Ｃ，２６Ｃとの間に、往き連通孔２３，２８と連通するリング状の内側空間３３と、戻り連通孔２５，３０と連通するリング状の外側空間３４とを同心円上で隣接配置し、往復流路５と前側継手盤１９における往き連通孔２３及び戻り連通孔２５とを、対向面の周方向へ等間隔で配置したことで、回転バランスが良好となり、往復流路５を備えた回転軸３が高速回転しても、隣接配置しているためリークしにくくなる。

特にここでは、前側継手盤１９と後側継手盤２０との互いの対向面に、内側空間３３と外側空間３４との間を仕切るリング状の中間シール部２１Ｂ，２６Ｂを、内側シール部２１Ａ，２６Ａ及び外側シール部２１Ｃ，２６Ｃと同心円上に隣接配置したことで、冷却液のリークをより効果的に防止できる。

以下変更例を説明する。但し、回転継手を除く他の構成部は図１と同様であるため、回転継手を中心に説明する。なお、各変更例で示す図は回転継手の上側である。
図３に示す回転継手１８ａでは、中間シール部２１Ｂ，２６Ｂを他のシール部よりも若干低く突設して、後側継手盤２０の押圧状態で前後の中間シール部２１Ｂ，２６Ｂ間に若干の隙間が生じるようにしている。
このように、中間シール部２１Ｂ，２６Ｂを、内側シール部２１Ａ，２６Ａ及び外側シール部２１Ｃ，２６Ｃよりも低く突設して、押圧状態で内側空間３３と外側空間３４とが連通する隙間が形成されるようにすれば、中間シール部２１Ｂ，２６Ｂを設けてもシール抵抗を低減することができる。また、遠心力による外側空間３４の圧力上昇を緩和することができる。

図４に示す回転継手１８ｂでは、後側継手盤２０側の中間シール部２６Ｂを別体にして後側継手盤２０に対して前後移動可能に設けて、中間シール部２６Ｂの後方に設けたシリンダ室３６に、油圧シリンダ３７等のアクチュエータを接続して、回転軸３の回転数に応じて突出位置を変更するようにしている。
このように、中間シール部２１Ｂ，２６Ｂによる隙間を回転軸３の回転数に応じて変更可能とすれば、シール抵抗の低減に加え、回転数が増加した場合の遠心力による内側空間３３の圧力低下及び外側空間３４の圧力上昇を緩和することができる。なお、移動させる中間シール部は前側継手盤にあってもよい。

図５に示す回転継手１８ｃでは、中間シール部をなくして内側空間と外側空間とを一体化したリング状の一体空間３８を形成している。なお、この場合は後側継手盤２０の往き連通孔２８と戻り連通孔３０とは流体の往き側と戻り側とが逆になってもよい。
このようにすれば、回転軸３の往復流路５への冷却液の流量が増加し、冷却液への熱伝達係数を増加させて冷却効率を上げることができる。

図６に示す回転継手１８ｄでは、前側継手盤１９における回転中心から遠い側の戻り連通孔２５における回転中心側に、半径方向へスライド可能なスライド体３９を収容する収容部４０を連設する一方、そのスライド体３９を半径方向の外側から収容部４０側へ付勢する付勢手段としてのコイルバネ４１を設けて絞り機構を形成している。
この絞り機構によれば、回転軸３の回転数が高くなると、スライド体３９が遠心力によってコイルバネ４１の付勢に抗して収容部４０からの突出方向へ移動し、戻り連通孔２５の流路断面積Ｓを減少させることとなる。

このように、前側継手盤１９に、回転軸３の回転数が高くなるに従って回転軸３の回転中心から遠い側の戻り連通孔２５の流路断面積Ｓを減少させる絞り機構を設けたことで、流体圧力を損失させて回転軸３内部での流量の変化量を抑えることができる。特にここでは、絞り機構を、スライド体３９とコイルバネ４１とから形成しているので、回転軸３の回転に伴う遠心力で動作する絞り機構を簡単且つ合理的に得ることができる。
なお、付勢手段は、スライド体を回転中心側へ引っ張り付勢する引っ張りバネ等の他の構造を採用することが可能である。

なお、このような絞り機構の採用に限らず、往復流路における回転中心から遠い側の復路と、当該復路に連通する戻り連通孔との総流体抵抗を、回転中心に近い側の往路と、当該往路に連通する往き連通孔との総流体抵抗よりも高く設定しても、流体圧力を損失させて回転軸３内部での流量の変化量を抑えることができる。具体的には、前者の流路及び連通孔の孔径を後者の流路及び連通孔の孔径よりも小さくしたり、流路及び連通孔の数を少なくしたり、流路及び連通孔の長さを長くしたりすることで実現可能である。

その他、図７に示す回転継手１８ｅのように、外側シール部と内側シール部とは前側継手盤と後側継手盤との両方に設ける必要はなく、何れか一方のみに設けることもできる。これは中間シール部においても同様であり、両方に突設する必要はない。

一方、図８から図１０に示す回転軸装置は、前側継手盤に設けられる連通孔の後端部を、回転軸の径方向において、往復流路の半径位置以下（当該半径よりも小径となる位置）に配置するもので、これにより、キャビテーションにより流入が阻害されることなく往復流路へ安定して流体を供給することができ、また、出口圧力上昇による外側シール部からのリークを防止することができる。

具体的には、図８に示す回転継手１８ｆは、前側継手盤１９に形成される連通孔２３，３５を、往路６及び復路７側と連通する前端部に対して、内側空間３３及び外側空間３４側の後端部が往路６及び復路７の半径位置よりも小径位置となるようにそれぞれ回転軸３の径方向内側に傾斜させる構成、図９に示す回転継手１８ｇは、回転軸３の軸心と平行な連通孔２３，２５の中心を、往路６及び復路７側に対して回転軸３の径方向でそれぞれ小径側にずらして配置する構成、図１０に示す回転継手１８ｈは、往路６及び復路７の後端部を回転軸３の径方向で小径側に傾斜させて、回転軸３の軸心と平行な連通孔２３，２５にそれぞれ繋げる構成となっている。
なお、これらは往き連通孔及び戻り連通孔に同一の構成を適用する必要はなく、往き連通孔又は戻り連通孔の何れか一方のみに設けたり、往き連通孔と戻り連通孔とで互いに異なる構成を適用したりしてもよい。

また、回転軸装置の他の構造も上記形態に限らず、往復流路では往路と復路とを逆にしたり、後側継手盤の押圧手段にコイルバネや皿バネ等の弾性体を使用したり往復流路を流れる流体自身の圧力を利用することも可能である。勿論回転継手を主軸以外の他の回転軸に採用したりすることも可能である。
さらに、上記形態では、回転軸の往復流路に加え、回転継手の前側継手盤と後側継手盤との双方において、往き連通孔と戻り連通孔とを周方向へ均等配置しているが、少なくとも往復流路及び前側継手盤において流路と連通孔とが均等配置されれば回転バランスは良好となるため、後側継手盤では均等配置をなくしても差し支えない。

なお、往復流路は、回転軸に内設される構造に限らず、例えばドローバーと収容孔との間を往路として用いたり、収容孔にスリーブを入れて収容孔内面とスリーブ外面との間を往路又は復路にしたりしてもよい。また、複数の往復流路を１つのセットとして複数のセットが等間隔に配置されるものや、これらを組み合わせたものであってもよい。
さらに、前側継手盤或いは後側継手盤は一体の部品に限らず、例えば往き連通孔側と戻り連通孔側とでそれぞれ分割された部品となっていても差し支えない。

１・・回転軸装置、２・・ハウジング、３・・回転軸、５・・往復流路、６・・往路、７・・復路、８・・接続路、９・・シリンダ、１０・・ピストン、１１・・内側流路、１２・・外側流路、１５・・入側流路、１６・・出側流路、１８，１８ａ〜ｈ・・回転継手、１９・・前側継手盤、２０・・後側継手盤、２１Ａ，２６Ａ・・内側シール部、２１Ｂ，２６Ｂ・・中間シール部、２１Ｃ，２６Ｃ・・外側シール部、２２，２４，２７，２９・・溝、２３，２８・・往き連通孔、２５，３０・・戻り連通孔、３１，３６・・シリンダ室、３３・・内側空間、３４・・外側空間、３７・・油圧シリンダ、３８・・一体空間、３９・・スライド体、４１・・コイルバネ。

Claims (8)

1. 往復流路を備えた回転軸の後端面に設けられる前側継手盤と、その前側継手盤に対向して設けられ、押圧手段によって所定圧で前記前側継手盤に押圧可能な後側継手盤とからなる回転継手を備えると共に、前記前側継手盤及び後側継手盤に、前記往復流路の往路側に接続される往き連通孔と、前記往復流路の復路側に接続される戻り連通孔とをそれぞれ設けた回転軸装置であって、
   前記前側継手盤と後側継手盤との互いの対向面の少なくとも一方に、前記押圧手段による押圧状態で前記対向面の軸心側で相手側に当接するリング状の内側シール部を突設し、前記対向面の少なくとも一方に、前記押圧状態で前記対向面の外周側で相手側に当接し、前記内側シール部と同心円上に位置するリング状の外側シール部を突設して、前記内側シール部と外側シール部との間に、前記往き連通孔若しくは戻り連通孔と連通するリング状の内側空間と、前記戻り連通孔若しくは往き連通孔と連通するリング状の外側空間とを同心円上で隣接配置し、
   少なくとも前記前側継手盤における前記往き連通孔及び戻り連通孔を、前記対向面の周方向へ等間隔で配置したことを特徴とする回転軸装置。
2. 前記互いの対向面の少なくとも一方に、前記内側空間と外側空間との間を仕切るリング状の中間シール部を、前記内側シール部及び外側シール部と同心円上に突設したことを特徴とする請求項１に記載の回転軸装置。
3. 前記中間シール部を、前記内側シール部及び外側シール部よりも低く突設して、前記押圧状態で前記内側空間と外側空間とが連通する隙間が形成されるようにしたことを特徴とする請求項２に記載の回転軸装置。
4. 前記隙間を前記回転軸の回転数に応じて変更可能としたことを特徴とする請求項３に記載の回転軸装置。
5. 前記前側継手盤に、前記回転軸の回転数が高くなるに従って前記回転軸の回転中心から遠い側の前記戻り連通孔の流路断面積を減少させる絞り機構を設けたことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の回転軸装置。
6. 前記絞り機構を、前記戻り連通孔を横切る前記前側継手盤の半径方向へスライド可能なスライド体と、前記スライド体を前記流路断面積を増加させるスライド方向へ付勢する付勢手段とから形成したことを特徴とする請求項５に記載の回転軸装置。
7. 前記内側空間と外側空間とが一体に形成されることを特徴とする請求項１に記載の回転軸装置。
8. 前記前側継手盤に設けられる往き連通孔又は戻り連通孔の少なくとも一方の後端部を、前記回転軸の径方向において、接続される前記往復流路の半径位置以下に配置したことを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の回転軸装置。

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