JP2011251385A - 予圧可変式スピンドル - Google Patents

Abstract

【課題】クーラント供給の有無にかかわらず、常に適正な予圧量を軸受に付与して、加工精度を向上させることができる予圧可変式スピンドルを提供する。
【解決手段】第１のばね部材５６及び第２のばね部材４５のばね力により、スリーブ１５を介して前側軸受１３及び後側軸受１４に予圧が付与される予圧可変式スピンドル１０であって、第１のばね部材５６は、リアハウジング３３とスリーブ１５との間に介装され、第２のばね部材４５は、油圧室４１に嵌合する油圧ピストン４３とスリーブ１５との間に介装されている。油圧室４１に供給する作動油をオン／オフ制御して第２のばね部材４５を伸縮させることにより、スリーブ１５に作用するばね力を変化させて、センタースルー方式で供給されるクーラント圧による前側軸受１３の予圧量の低減分を補正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、予圧可変式スピンドルに関し、より詳細には、センタースルー方式でのクーラント供給による軸受の予圧量への影響を防止するようにした予圧可変式スピンドルに関する。

従来、軸受の予圧量を変更可能な予圧可変機構を備えるスピンドルとしては、予圧可変式スピンドルユニットが開示されている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１に記載の予圧可変式スピンドルユニット１００は、図４に示すように、外筒１０２と、外筒１０２内を挿通する主軸１０３と、主軸１０３を前後両端で回転自在に支承するアンギュラ玉軸受である前側軸受１０４、及び後側軸受１０５とを備える。

後側軸受１０５は、外筒１０２に対して軸方向に移動可能に嵌合する軸受保持部品１０６に内嵌する。軸受保持部品１０６の鍔部１０６ａと蓋部品１０７との間に設けられた圧力室１０８には、外部に配置された油圧装置１１０から供給される高圧油により移動する押圧部材１０９が嵌合している。また、鍔部１０６ａの押圧部材１０９と反対側の面と外筒１０２との間には、軸受保持部品１０６の鍔部 １０６ａを蓋部品１０７の方向に押圧する弾性部材１１１が配設されている。

弾性部材１１１は、弾性力によって軸受保持部品１０６を介して前側軸受１０４、及び後側軸受１０５に予圧を付与している。そして、主軸１０３の回転に伴う遠心力や主軸１０３の熱膨張のため、前側軸受１０４、及び後側軸受１０５の予圧が上昇したとき、油圧装置１１０から圧力室１０８に高圧油を導入し、押圧部材１０９を図中左方向に移動させて弾性部材１１１を弾性変形させることにより、予圧量を低減させて適正値に調整する。

実開平５−２８０２号公報

フライス盤、マシニングセンタ等の工作機械の主軸装置には、主軸のドローバー内に設けたクーラント供給路を介し、クーラントを工具の先端から加工中のワークに対してセンタースルークーラントとして噴射して冷却しながら加工することにより、ワークの加工精度向上、及び工具の長寿命化を図るようにした主軸装置が知られている。

しかしながら、主軸に設けられたクーラント供給路を介するセンタースルー方式でクーラントを供給すると、クーラント圧によって主軸が前方（工具側）に押圧され、これにより、前側軸受に付与される予圧量が初期予圧量から減少し、剛性が低くなって軸の振動が大きくなり、結果として加工精度に重大な影響を及ぼす虞があった。

特許文献１の予圧可変式スピンドルユニット１００は、主軸１０３の回転数変化に伴う遠心力や熱膨張の影響により、後側軸受１０５の予圧量が増大したとき、圧力室１０８に高圧油を導入して押圧部材１０９で弾性部材１１１を押圧し、後側軸受１０５の予圧量を低減するようにしたものであり、上記したようなクーラント供給に伴う前側軸受の予圧量変化には対応することができず、改善の余地があった。

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、クーラント供給の有無にかかわらず、常に適正な予圧量を軸受に付与して、加工精度を向上させることができる予圧可変式スピンドル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） ハウジングと、
一端で工具を支持する回転軸と、
前記回転軸の工具側に配設されて前記回転軸を回転自在に支承する前側軸受と、
前記ハウジングに内嵌されると共に、前記ハウジングに対して前記回転軸の軸方向に摺動可能なスリーブと、
前記回転軸の反工具側に配設されると共に前記スリーブに内嵌され、前記回転軸を回転自在に支承する後側軸受と、
前記ハウジングと前記スリーブとの間に介装され、前記スリーブを介して前記前側軸受及び前記後側軸受に定圧予圧を付与する予圧付与手段と、
を備えた予圧可変式スピンドルであって、
前記予圧付与手段は、
前記ハウジングと前記スリーブとの間に介装される第１のばね部材と、
前記ハウジングの反工具側端面に開口するように前記ハウジングに形成された油圧室に供給された作動油によって、該油圧室内を移動するように前記油圧室に収容される油圧ピストンと、
前記油圧ピストンの移動量を制限するピストンストッパと、
前記油圧ピストンと前記スリーブとの間に介装される第２のばね部材と、
を有することを特徴とする予圧可変式スピンドル。
（２） 前記スリーブは、前記ハウジングに内嵌されると共に、前記後側軸受の外輪が内嵌される軸受スリーブと、前記軸受スリーブに取り付けられ、前記後側軸受の外輪を軸方向に位置決めする外輪押えと、を有し、
前記第１のばね部材は、前記軸受スリーブから径方向外方に延出する前記外輪押えのフランジ部分に当接し、
前記油圧室は、前記軸受スリーブと対向する前記ハウジングの反工具側端面に形成され、
前記第２のばね部材は、前記油圧ピストンと前記軸受スリーブの工具側端面に形成された凹部との間に介装されることを特徴とする（１）に記載の予圧可変式スピンドル。
（３） 前記予圧付与手段は、前記第１のばね部材によって定圧予圧を付与可能であると共に、前記作動油によって作動する前記油圧ピストンにより前記第２のばね部材を介して予圧量を可変可能であることを特徴とする（１）または（２）に記載の予圧可変式スピンドル。
（４） センタースルー方式によりクーラント液が供給可能であることを特徴とする（１）から（３）のいずれかに記載の予圧可変式スピンドル。

本発明の予圧可変式スピンドルによれば、ハウジングとスリーブとの間に介装される第１のばね部材と、ハウジングの反工具側端面に開口するようにハウジングに形成された油圧室に供給された作動油によって、油圧室内を移動するように油圧室に収容される油圧ピストンと、油圧ピストンの移動量を制限するピストンストッパと、スリーブのハウジングの反工具側端面と対向する部分と油圧ピストンとの間に介装される第２のばね部材と、を有する。これにより、油圧室へ作動油を供給し、或いは供給を遮断して、第２のばね部材を伸縮させることにより、スリーブに作用するばね力を変化させて予圧量を制御することができる。従って、クーラント供給に伴う前側軸受の予圧量変化に対応して、予圧を適正に維持することができる。

本発明に係る予圧可変式スピンドルの断面図である。 図１のＡ部の拡大図である。 ロータリジョイントの断面図である。 従来の予圧可変式スピンドルユニットの断面図である。

以下、本発明に係る予圧可変式スピンドルの一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１及び図２に示すように、本発明の予圧可変式スピンドル１０は、ハウジング１１と、一端（図中左側）に不図示の工具が取り付けられて回転自在な回転軸１２と、回転軸１２の前端側（図中左側）に配設された一対の前側軸受（本実施形態では、アンギュラ玉軸受）１３，１３と、回転軸１２の後端側（図中右側）に配設された一対の後側軸受（本実施形態では、アンギュラ玉軸受）１４，１４と、ハウジング１１に内挿されて軸方向にスライド移動可能なスリーブ１５と、を備える。

ハウジング１１は、略円筒形状のハウジング本体３１と、ハウジング本体３１の前端側に嵌合固定されるフロントハウジング３２と、ハウジング本体３１の後端側に嵌合固定されるリアハウジング３３とを有している。フロントハウジング３２の前端には、前蓋３４が締結固定され、リアハウジング３３の後端には、後蓋３６が締結固定されている。

ハウジング本体３１の内周部には、ビルトインモータ３７のステータ３８が固定されている。また、回転軸１２の軸線方向中間部には、ステータ３８と対向してロータ３９が固定されており、ステータ３８が発生する回転磁界によって回転力が与えられて回転軸１２を回転駆動する。

リアハウジング３３の内周面３３ａには、軸方向に移動可能な略円筒形状の軸受スリーブ１６が嵌合されている。また、軸受スリーブ１６の反工具側端面には、軸受スリーブ１６の外周面から径方向外方に延出する外輪押え１７が不図示のネジによって取り付けられている。リアハウジング３３の内周面３３ａと軸受スリーブ１６との嵌合部には、Ｏリング２８が装着されている。なお、軸受スリーブ１６と外輪押え１７は、本発明のスリーブ１５を構成している。

前側軸受１３，１３は、外輪１８，１８がフロントハウジング３２に内嵌され、内輪１９，１９が回転軸１２に外嵌して、回転軸１２の前端側を回転自在に支承する。前側軸受１３，１３の外輪１８，１８は、外輪間座２０を介してフロントハウジング３２の段部３２ａと前蓋３４とによって狭持されてフロントハウジング３２に対して軸方向に位置決めされる。内輪１９，１９は、内輪間座２１を介して回転軸１２の前側段部１２ａと、回転軸１２に螺合するナット２２とによって狭持されて回転軸１２に対して軸方向に位置決めされる。

後側軸受１４，１４は、外輪２３，２３が軸受スリーブ１６に内嵌され、内輪２４，２４が回転軸１２に外嵌して、回転軸１２の後端側を回転自在に支承する。後側軸受１４，１４の外輪２３，２３は、外輪間座２５を介して軸受スリーブ１６の段部１６ａと外輪押え１７の円環状凸部１７ａとによって狭持されて軸受スリーブ１６に対して軸方向に位置決めされる。内輪２４，２４は、内輪間座２６を介して回転軸１２の後側段部１２ｂと、回転軸１２に螺合するナット２７とによって狭持されて回転軸１２に対して軸方向に位置決めされる。

リアハウジング３３には、その反工具側端面（図中右側面）に開口する複数のばね室５５が形成されており、軸受スリーブ１６から径方向外方に延出する外輪押え１７のフランジ部分の工具側端面と対向する。第１のばね部材である第１コイルスプリング５６は、ばね室５５に収容されて外輪押え１７のフランジ部分とばね室５５との間に介装される。なお、外輪押え１７とばね室５５との間には、第１コイルスプリング５６が挿通する貫通孔５７ａが形成されたリング状のばね案内部材５７が配置されている。第１コイルスプリング５６は、スリーブ１５に軸方向（図中右方向）の付勢力を付与し、これにより前側軸受１３，１３及び後側軸受１４，１４に定圧予圧を付与している。

リアハウジング３３の工具側端部から径方向内方に延設された小径部３３ｂには、その反工具側端面に開口するように円環溝状の油圧室４１が形成されており、軸受スリーブ１６の工具側側面（左側面）に対向する。油圧室４１には、油圧ピストン４３が摺動自在に嵌合するとともに、作動油供給路４２が連通する。油圧ピストン４３は、油圧室４１に摺動自在に嵌合する大径部４３ａと、油圧室４１から軸受スリーブ１６側に突出する小径部４３ｂとからなる。油圧ピストン４３の大径部４３ａの外周面には、Ｏリング４４が装着される。

油圧ピストン４３は、第２のばね部材である第２コイルスプリング４５が当接可能な底部４３ｃと筒部４３ｄとからなる、ばね座が形成される。軸受スリーブ１６の工具側端面には、油圧室４１に対向して、底面４７ａを有する凹部であるばね受け室４７が形成されている。第２コイルスプリング４５は、油圧ピストン４３のばね座とばね受け室４７の底面４７ａとの間に介装される。

また、リアハウジング３３の小径部３３ｂの反工具側端面には、油圧室４１の開口部に対応してリング状のピストンストッパ４８が固定されている。ピストンストッパ４８は、油圧ピストン４３の小径部４３ｂより僅かに大きな貫通穴４８ａを有し、小径部４３ｂが進出自在に嵌合する。これにより、油圧ピストン４３の移動量は、油圧室４１の軸方向長さの範囲内に制限される。

作動油供給路４２には、作動油の圧力を制御可能な圧力制御回路６０が接続されている。圧力制御回路６０は、接続パイプ６１、油圧ポンプ６２、流量調整弁６３、リリーフ弁６４、及び切換え弁６５から構成され、切換え弁６５を切り換えることにより、リリーフ弁６４に設定された圧力の作動油が、作動油供給路４２を介して油圧室４１に供給される。

回転軸１２の後端側には、磁気エンコーダ５１、及び磁気エンコーダ５１の磁気を検出するセンサ５２からなる回転センサ５０と、回転軸１２に切削用クーラント等の液体を供給するロータリジョイント５３が配設されている。図３に示すように、ロータリジョイント５３は、回転管軸７１、フローティングシート７２、シール部７３、フローティングシート装着部７４、ガイドピン７５、及びロータリハウジング７６を有する。

ロータリハウジング７６には、ロータリハウジング７６の開口部７６ａを内側から密閉するようにフローティングシート装着部７４が装着されている。フローティングシート装着部７４には、ロータリハウジング７６のクーラント供給口７７と連通する不図示のシール孔が設けられている。フローティングシート７２は、ガイドピン７５に回転を拘束された状態で、このシール孔に摺動自在に装着される。フローティングシート７２には、固定側流路を構成する軸方向穴７２ａが形成されている。シール部７３は、回転管軸７１の後端部に固着されたシールリング７８と、フローティングシート７２の先端部に固着されたシールリング７９とによって構成され、回転軸流路と固定側流路とを連通する。そして、不図示のクーラント供給装置からクーラント供給口７７に供給された切削用クーラント等の液体が、回転軸１２に供給される。

本実施形態の作用を説明する。本実施形態の予圧可変式スピンドル１０は、図１及び図２において、ばね室５５に収容されてリアハウジング３３と外輪押え１７との間に装着されている第１コイルスプリング５６のばね力により、スリーブ１５が図中右方向に付勢されることで、フロントハウジング３２の段部３２ａによって軸方向位置が規制される前側軸受１３，１３、及び軸受スリーブ１６の段部１６ａによって軸方向位置が規制される後側軸受１４，１４に定圧予圧が付与されている。これにより、回転軸１２の回転に伴って発生する熱膨張の影響による予圧量の変動を防止して、前側軸受１３，１３及び後側軸受１４，１４の予圧量が一定に維持される。

また、油圧ピストン４３と軸受スリーブ１６との間に装着されている第２コイルスプリング４５のばね力により、スリーブ１５が図中右方向に付勢されることで、フロントハウジング３２の段部３２ａによって軸方向位置が規制される前側軸受１３，１３、及び軸受スリーブ１６の段部１６ａによって軸方向位置が規制される後側軸受１４，１４に補正予圧が付与されている。この補正予圧は、油圧ピストン４３を油圧室４１中で移動させて第２コイルスプリング４５の圧縮量を変化させ、スリーブ１５の押圧力を変化させることにより、変更可能となっている。

ワークを加工する際、不図示のクーラント供給装置からロータリジョイント５３を介してセンタースルー方式でクーラント等の液体が供給されると、クーラントの圧力により回転軸１２が工具側（図中左方向）に押圧され、前側軸受１３，１３の予圧量が初期予圧より小さくなって回転軸１２の剛性が低下する。

この場合、切換え弁６５を切り換え操作して圧力制御回路６０から油圧室４１に作動油を供給し、油圧ピストン４３がピストンストッパ４８に当接するまで図中右方向に移動させる。そして、第２コイルスプリング４５を圧縮することにより、より大きなばね力でスリーブ１５を押圧して初期予圧からの予圧量の低下を防止する。

この油圧ピストン４３での第２コイルスプリング４５の圧縮による予圧量の増加分を、クーラント圧力による予圧量の減少分と同じ大きさに設定しておけば、切換え弁６５を切り換えるだけで、容易にクーラント供給に伴う前側軸受１３，１３の予圧量の減少を防止して一定に維持することができ、予圧量の減少に起因する加工精度の低下が防止される。

また、油圧ピストン４３の移動量は、ピストンストッパ４８によって一定に規制されているので、油圧室４１に供給する作動油の圧力を制御する必要はなく、クーラント供給のタイミングに同期させて、切換え弁６５をオン／オフ切り換えするだけで、クーラント供給に起因する前側軸受１３，１３の予圧量の変化を防止することができる。

以上説明したように、本実施形態の予圧可変式スピンドル１０によれば、予圧付与手段は、リアハウジング３３とスリーブ１５との間に介装される第１のばね部材５６と、リアハウジング３３の反工具側端面に開口するようにリアハウジング３３に形成された油圧室４１に供給された作動油によって、油圧室４１内を移動するように油圧室４１に収容される油圧ピストン４３と、油圧ピストン４３の移動量を制限するピストンストッパ４８と、スリーブ１５のリアハウジング３３の反工具側端面と対向する部分と油圧ピストン４３との間に介装される第２のばね部材４５と、を有することにより、油圧室４１へ作動油を供給し、或いは供給を遮断して第２のばね部材４５を伸縮させ、スリーブ１５に作用するばね力を変化させて予圧量を制御することができる。これにより、クーラント供給の有無に係わらず、前側軸受１３，１３の予圧量変化を防止して、予圧量を適正に維持することができる。

尚、本発明は、前述した実施形態及び実施例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。例えば、上記の実施形態において、転がり軸受は、アンギュラ玉軸受として説明したが、これに限定されず、他の形式の転がり軸受にも同様に適用することができる。

１０ 予圧可変式スピンドル
１１ ハウジング
１２ 回転軸
１３ 前側軸受
１４ 後側軸受
１５ スリーブ
１６ 軸受スリーブ
１７ 外輪押え
２３ 後側軸受の外輪
３１ ハウジング本体
３２ フロントハウジング
３３ リアハウジング
４１ 油圧室
４３ 油圧ピストン
４５ 第２コイルスプリング（第２のばね部材）
４７ ばね受け室（凹部）
４７ａ 底面
４８ ピストンストッパ
５６ 第１コイルスプリング（第１のばね部材）

Claims (4)

1. ハウジングと、
   一端で工具を支持する回転軸と、
   前記回転軸の工具側に配設されて前記回転軸を回転自在に支承する前側軸受と、
   前記ハウジングに内嵌されると共に、前記ハウジングに対して前記回転軸の軸方向に摺動可能なスリーブと、
   前記回転軸の反工具側に配設されると共に前記スリーブに内嵌され、前記回転軸を回転自在に支承する後側軸受と、
   前記ハウジングと前記スリーブとの間に介装され、前記スリーブを介して前記前側軸受及び前記後側軸受に定圧予圧を付与する予圧付与手段と、
   を備えた予圧可変式スピンドルであって、
   前記予圧付与手段は、
   前記ハウジングと前記スリーブとの間に介装される第１のばね部材と、
   前記ハウジングの反工具側端面に開口するように前記ハウジングに形成された油圧室に供給された作動油によって、該油圧室内を移動するように前記油圧室に収容される油圧ピストンと、
   前記油圧ピストンの移動量を制限するピストンストッパと、
   前記油圧ピストンと前記スリーブとの間に介装される第２のばね部材と、
   を有することを特徴とする予圧可変式スピンドル。
2. 前記スリーブは、前記ハウジングに内嵌されると共に、前記後側軸受の外輪が内嵌される軸受スリーブと、前記軸受スリーブに取り付けられ、前記後側軸受の外輪を軸方向に位置決めする外輪押えと、を有し、
   前記第１のばね部材は、前記軸受スリーブから径方向外方に延出する前記外輪押えのフランジ部分に当接し、
   前記油圧室は、前記軸受スリーブと対向する前記ハウジングの反工具側端面に形成され、
   前記第２のばね部材は、前記油圧ピストンと前記軸受スリーブの工具側端面に形成された凹部との間に介装されることを特徴とする請求項１に記載の予圧可変式スピンドル。
3. 前記予圧付与手段は、前記第１のばね部材によって定圧予圧を付与可能であると共に、前記作動油によって作動する前記油圧ピストンにより前記第２のばね部材を介して予圧量を可変可能であることを特徴とする請求項１または２に記載の予圧可変式スピンドル。
4. センタースルー方式によりクーラント液が供給可能であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の予圧可変式スピンドル。
   

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