JP2012187702A - モータビルトイン方式の主軸装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータの発熱による回転軸や軸受の温度上昇を抑制することができ、加工精度を向上することができるモータビルトイン方式の主軸装置を提供する。
【解決手段】モータビルトイン方式の主軸装置１０において、回転軸１２は、外周面にロータ２０が配置された、炭素繊維複合材料からなる第１円筒部７１と、外周面に第１円筒部７１が配置された、金属材料からなる第２円筒部７２と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータビルトイン方式の主軸装置に関し、特に、多軸制御の工作機械等に適用され、ｄｍｎが１００万以上の高速回転可能なモータビルトイン方式の主軸装置に関する。

工作機械等に適用される主軸装置の回転軸は、高速回転を行いながら、加工荷重を受けるため、加工荷重に対する剛性、あるいは、高速回転時の遠心力に対する変形抑制特性などを維持することが必要であり、その材質としては、金属が主に使用される。また、回転軸は、工具を交換して使用することから、耐摩耗性や硬さも必要である。このため、その金属の物性に応じて、固有値や熱膨張に限界があり、回転速度や加減速時間も限られている。

特許文献１に記載の工作機械では、回転軸に繊維強化複合材料を用いた横中ぐり盤が記載されている。この横中ぐり盤では、回転しながら、スリーブ内で軸方向に移動する回転軸が開示されており、軽量化・熱膨張の低減化を図るとともに、回転軸として要求される耐衝撃性、表面硬度、機械的加工による強度の観点から、回転軸の必要箇所に金属やセラミックを設けている。

また、特許文献２に記載の主軸装置では、回転軸を空気軸受によって回転可能に支持するとともに、回転軸の外周面に繊維層を形成して、回転軸の膨張を抑えるとともに、剛性を向上することが記載されている。さらに、特許文献３に記載の主軸装置では、回転軸の転がり軸受が取り付けられる外周面の両側に溝を形成して、溝内に炭素繊維層を形成することで、遠心力による膨張を抑制することが記載されている。

特開平２−１６７６０２号公報 特開平７−５１９０３号公報 特開平６−２２６５０６号公報（第３図）

ところで、高速回転可能な主軸装置として、回転軸を支持する前側軸受と後側軸受との間に、モータが内蔵されたモータビルトイン方式のものが使用されている。このため、回転軸に外嵌されるロータが発熱すると、この熱が回転軸に伝わって、回転軸が膨張してしまい、加工精度に影響する可能性があった。また、回転軸に伝わった熱は、軸受の内輪にも伝わり、内輪が温度上昇して、内外輪で温度差が生じるため、軸受の予圧が過大となり、転がり接触部のＰＶ値が上昇し、焼き付きなどの不具合が発生する虞がある。

通常、主軸装置全体の昇温による熱変位を抑えるため、ハウジング内のステータや軸受外径部近傍に冷却油を循環させる方法が用いられているが、冷却効果は回転軸には影響しにくく、回転軸の温度がハウジングの温度よりも高くなるという不均衡が生じる。このような不均衡状態により、軸方向熱膨張差が生じると、固定側の前側軸受と自由側の後側軸受の相対位置が変動し、後側軸受のスライド不具合が生じた場合には、軸受間の突っ張りによる異常荷重が発生し、軸受の焼付きなどの損傷につながる。

特許文献１〜３に記載の主軸装置では、モータビルトイン式のものについて記載されておらず、上記課題を認識するものではない。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ロータの発熱による回転軸や軸受の温度上昇を抑制することができ、加工精度を向上することができるモータビルトイン方式の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） 回転軸と、
前記回転軸をハウジングに対して回転自在にそれぞれ支持する前側及び後側軸受と、
該前側及び後側軸受との間で前記回転軸に外嵌されるロータと、該ロータの周囲に配置されるステータと、を有するモータと、
を備えるモータビルトイン方式の主軸装置であって、
前記回転軸は、外周面にロータが配置された、炭素繊維複合材料からなる第１円筒部と、外周面に前記第１円筒部が配置された、金属材料からなる第２円筒部と、を備えることを特徴とするモータビルトイン方式の主軸装置。
（２） 前記ロータは、前記第１円筒部にしめしろを持って嵌合していることを特徴とする（１）に記載のモータビルトイン方式の主軸装置。
（３） 前記第２円筒部は、前記第１円筒部が配置される小径部と、前記前側軸受の軸方向位置を規制するナットが締め付けられる雄ねじ部を有する大径部と、を有することを特徴とする（１）または（２）に記載のモータビルトイン方式の主軸装置。
（４） 前記前側軸受及び前記後側軸受は、前記第１円筒部に外嵌されていることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載のモータビルトイン方式の主軸装置。

本発明のモータビルトイン方式の主軸装置によれば、回転軸は、外周面にロータが配置された、炭素繊維複合材料からなる第１円筒部と、外周面に第１円筒部が配置された、金属材料からなる第２円筒部と、を備えるので、ロータの発熱による回転軸や軸受の温度上昇を抑制することができ、加工精度を向上することができる。

本発明の一実施形態に係る主軸装置の断面図である。 回転軸の第１円筒部と第２円筒部との結合方法を説明するための断面図である。 本発明の変形例に係る主軸装置の断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る主軸装置について図面に基づいて詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１に示すように、主軸装置１０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１２が設けられ、回転軸１２の軸芯には、ドローバー１３が摺動自在に挿嵌されている。ドローバー１３は、工具ホルダ１４を固定するコレット部１５を、皿ばね１７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１４は、回転軸１２のテーパ面１８と嵌合する。工具ホルダ１４には工具（図示せず。）が取り付けられており、この結果、回転軸１２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１２は、その工具側を支承する２列の前側軸受５０，５０と、反工具側を支承する２列の後側軸受６０，６０とによって、ハウジングＨに回転自在に支持されている。なお、ハウジングＨは、工具側から順に、フロントカバー４０、前側軸受外輪押さえ２９、外筒１９、後側ハウジング２４及び後蓋２６によって構成されている。

前側軸受５０，５０と後側軸受６０，６０間における回転軸１２の外周面には、ロータ２０が焼き嵌めにより外嵌されている。また、ロータ２０の周囲に配置されるステータ２２は、ステータ２２に焼き嵌めされた冷却ジャケット２３をハウジングＨを構成する外筒１９に内嵌することで、外筒１９に固定される。従って、ロータ２０とステータ２２はモータを構成し、ステータ２２に電力を供給することでロータ２０に回転力を発生させ、回転軸１２を回転させる。

各前側軸受５０は、外輪５１と、内輪５２と、接触角を持って配置される転動体としての玉５３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、各後側軸受６０は、外輪６１と、内輪６２と、転動体としての玉６３と、図示しない保持器と、を有するアンギュラ玉軸受である。前側軸受５０，５０（並列組合せ）と後側軸受６０，６０（並列組合せ）とは、互いに協働して背面組み合わせとなるように配置されている。

前側軸受５０，５０の外輪５１，５１は、外筒１９に内嵌されており、且つ外筒１９にボルト締結された前側軸受外輪押え２９によって外輪間座３０を介して外筒１９に対し軸方向に位置決め固定されている。また、前側軸受５０，５０の内輪５２，５２は、回転軸１２に外嵌されており、且つ回転軸１２に締結されたナット３１によって内輪間座３２を介して回転軸１２に対し軸方向に位置決め固定されている。

後側軸受６０，６０の外輪６１，６１は後側ハウジング２４の内側に後側ハウジング２４に対して軸方向に摺動自在の状態とされたスリーブ２５に内嵌されており、且つスリーブ２５にボルト締結された後側軸受外輪押え３３によって外輪間座３４を介してスリーブ２５に対し軸方向に位置決め固定されている。後側軸受６０，６０の内輪６２，６２は、回転軸１２に外嵌されており、回転軸１２に締結された他のナット３５によって、内輪間座３６及び速度センサの被検出部３７を介して位置決め固定されている。

ここで、回転軸１２は、炭素繊維複合材料（ＣＦＲＰ）からなる第１円筒部７１と、外周面に第１円筒部７１が結合配置された、高張力鋼や炭素鋼などの金属材料からなる第２円筒部７２と、を有した半径方向多層構造に構成されている。

第１円筒部７１の外周面には、前側軸受５０，５０の内輪５２，５２、ロータ２０、後側軸受６０の内輪６２，６２が外嵌されている。また、第２円筒部７２の内部には、軸方向に移動するコレット部１５やドローバー１３や皿ばね１７が収容される。

第２円筒部７２は、第１円筒部７１より長く形成されており、第１円筒部７１が配置される小径部７２ａと、前側軸受５０，５０の内輪５２，５２の軸方向位置を規制するナット３１が締め付けられる雄ねじ部７２ｂを有する大径部７２ｃと、を有する。また、第１円筒部７１から延出した小径部７２ａの反工具側端部には、後側軸受６０，６０の内輪６２，６２の軸方向位置を規制する他のナット３５が締め付けられる雄ねじ部７２ｄが形成される。第２円筒部７２の内周面には、コレット部１５やドローバー１３や皿ばね１７を摺動自在に案内する複数の摺接面７２ｅ，７２ｆ，７２ｇが形成され、工具側の内周面には、工具ホルダ１４が取り付けられるテーパ面１８が形成される。

第１円筒部７１を構成する炭素繊維複合材料は、第２円筒部７２を構成する金属材料より比弾性率が高く、比重が小さく、熱膨張率が小さいものが使用される。特に、炭素繊維複合材料の比弾性率は、回転軸１２の遠心力による膨張を適正な値に抑制するため、好ましくは、使用される金属材料の２倍以上、より好ましくは３倍以上とする。炭素繊維複合材料は、繊維方向により異方性であるが、かかる荷重の方向に合わせて、成形時に繊維方向を決定する。また、繊維方向を交差させることで、等方性にして使用してもよい。さらに、円周方向の比弾性率が大きくなるように、繊維方向を決定してもよい。
第１円筒部７１と第２円筒部７２との結合方法は、別々に形成されたものを締まり嵌めや接着により結合してもよく、あるいは、一体成形であってもよい。さらには、図２に示すように、十分な回転トルクを伝達するため、第１円筒部７１と第２円筒部７２との間にキー７３を挿入したり、スプライン嵌合としてもよい。

また、径方向外側に位置する第１円筒部７１を構成する炭素繊維複合材料は、内側に位置する第２円筒部７２を構成する金属材料より比弾性率が高く、比重が小さく、且つ、熱膨張率が小さいので、遠心力作用、温度変化によっても両者の嵌合部にすきまが生じることはなく、回転中の振動が大きくなったり、剛性が低下するなどの不具合が生じることがない。

例えば、第１円筒部７１を構成する炭素繊維複合材料は、ＰＡＮ（ポリアクリルニトリル）を主原料とした炭素繊維からなる糸を平行に引きそろえたものや、炭素繊維からなる糸で形成した織物（シート状）に、硬化剤を含むエポキシ樹脂などの熱硬化樹脂を含浸させてなるシートを多数層重ね合わせて、芯金などに巻きつけ、加熱硬化させることで製造される。

炭素繊維複合材料の特性としては、例えば、東邦テナックス社の炭素繊維タイプ：ＨＴＡを使用すると引張強度２０６０ＭＰａ、引張弾性率１３７ＧＰａ、比重１．５５ｇ／ｃｃであり、従来の高張力鋼などと比べて、引張強度は同等以上であり、比重は１／５程度になる。また、熱膨張率も、繊維方向・角度を最適化することにより、−５〜＋５×１０^−６（Ｋ^−１）にすることができるので、従来の炭素鋼に比べて１／２〜１／１０程度にすることができる。

また、ロータ２０と第１円筒部７１とは、焼きばめによるしめしろを持って嵌合される。遠心力によって、嵌め合い部分でのしめしろが減少すると、ねじりトルクによる回転すべりが発生してしまい、さらに、すきまとなった場合には、主軸の振動が大きくなったり、加工不良が生じる可能性がある。

このため、しめしろは、遠心力によるしめしろの減少を考慮して予め余分に設定される。例えば、遠心力によるしめしろの減少を考慮し、しめしろは、（ロータ２０の内径の遠心膨張量−第１円筒部７１の外径の遠心膨張量）と同一のすきまか、或いは、それ以上に設定する。具体的には、炭素繊維複合材料の成型時の巻き付け角度を適切な値、例えば、「比弾性率＝Ｅ（縦弾性係数）／ρ（密度）」が適正な値となるようにしたり、ロータ２０の半径方向肉厚と炭素繊維複合材料の半径方向肉厚を適正な比や値となるようにしたり、ロータ材質と炭素繊維複合材料の選定（繊維径や結合樹脂材料の選定）などを行うことで設定される。また、これらの方法を組み合わせたり、さらに、その他の遠心膨張に影響する因子が適正な値となるようにして設定してもよい。

加えて、成型時の巻き付け角度により、炭素繊維複合材料の線膨張係数がロータ２０のものより小さく設定されると、ロータ２０の温度上昇によりしめしろが減少し、すきまとなることも考えられる。このため、しめしろは、（上述した遠心膨張量分＋温度上昇によるしめしろの減少分）と同一の大きさか、或いは、それ以上に設定することが好ましい。

或いは、ロータ２０の第１円筒部７１との間に金属製のスリーブ（図示せず）を介装してもよく、または、特許文献１に記載されたように、炭素繊維複合材料の外周面に金属メッキやセラミックを溶射するようにしてもよい。

また、しめしろを持った嵌合の他、ロータ２０と第１円筒部７１との少なくとも一部に、スプラインやキーを形成し、炭素繊維複合材料を一体成型するようにしてもよい。

このように本実施形態の主軸装置１０によれば、第１円筒部７１に使用される炭素繊維複合材料は熱伝導率が低いので、ロータ２０が第１円筒部７１に外嵌することで、ロータ２０の発熱が回転軸１２を介して前側及び後側軸受５０，６０の内輪５２，６２に伝わり難くなり、内外輪５１，５２，６１，６２での温度差が抑えられ、適正な予圧が維持される。また、回転軸１２自体の膨張も抑制されるので、良好な加工精度を得る事ができる。

また、回転軸１２は、第１円筒部７１の内側に、金属材料からなる第２円筒部７２とを備えるので、ドローバー１３の摺接面７２ｆや工具ホルダ１４が取り付けられるテーパ面１８が第２円筒部７２によって構成され、特定部位における耐摩耗性も確保することができる。

さらに、ロータ２０は、第１円筒部７１にしめしろを持って嵌合しているので、遠心力やロータ２０の温度上昇が発生してもすきまになることが抑制され、ロータ２０の回転すべりや、回転軸１２の振動が増大するのを抑えることができる。

また、第２円筒部７２は、第１円筒部７１が配置される小径部７２ａと、前側軸受５０の軸方向位置を規制するナット３１が締め付けられる雄ねじ部７２ｂを有する大径部７２ｃと、を有するので、ナット３１を雄ねじ部７２ｂに確実に締結することができる。
また、前側軸受５０，５０の内輪５２，５２自身の発熱は、内輪間座３２やナット３１から第２円筒部７２を介して工具ホルダ１４などの金属部材に伝達されるので、内輪５２，５２の温度上昇を抑えることができる。

また、モータビルトイン方式の主軸装置においては、前側軸受５０と後側軸受６０との距離が長くなり、回転軸のラジアル方向の固有振動数が小さくなりやすい。工作機械の主軸装置の場合、特定の回転数での使用ではなく、加工物や加工条件に応じて、最高回転数までの全ての領域で使用される可能性があり、少なくとも回転軸系の固有振動数は最高回転での周波数より大きくしないと、共振作用により加工ができない、あるいは、共振域での回転軸１２の異常振動が発生する虞がある。本実施形態では、金属材料と比較して比弾性率が大きい炭素繊維複合材料を使用するので、同一軸受スパンの場合、回転軸系の固有振動数（特に、ラジアル方向の固有振動数）を高くすることができ、主軸装置の最高回転数の増加が図られ、加工回転領域が広くできる。

また、炭素繊維複合材料は、金属材料に比べて振動減衰性に優れるので、回転軸１２の動剛性の向上が図れ、その結果、過酷な加工条件や仕上げ加工におけるびびり振動が発生しにくく、加工面粗さが良くなり、加工面の品位や光沢度の向上、並びに加工精度が安定する。

さらに、主軸装置の加工時間や減速時間は、回転イナーシャＪの大きさに依存する。ここで、中空円筒の回転イナーシャは以下の計算式によって与えられ、直径の４乗と比例した関係にある。
Ｊ＝（Ｄ４−ｄ４）・Ｌ・η・π／３２
ここで、Ｄは中空円筒の外径、ｄは中空円筒の内径、Ｌは中空円筒の軸方向長さ、ηは比重を表している。

従って、主軸装置の主要構成部材の中で大きな重量比を占める回転軸１２として、比重が小さい炭素繊維複合材料を適用することで、回転軸１２全体の重量が下がり、また、回転中心から離れた第１円筒部材７１に炭素繊維複合材料を適用しているので、回転イナーシャが小さくでき、主軸装置の加工時間、減速時間が大幅に短くなり、加工工具交換時間の短縮化が図れ、高効率加工が可能となる。

加えて、炭素繊維複合材料は、耐食性があるので、前側軸受５０，５０及び後側軸受６０，６０を第１円筒部７１に外嵌することで、クーラントの浸入や付着によって回転軸１２の表面に腐食による錆が発生し、該錆が軸受内部に浸入して潤滑不良となり、軸受が焼付くことが防止される。

また、金属材料が内径側あるいは両端側に存在することで、回転軸の外径、内径仕上げ研削の基準面が確保され、高精度に仕上げ研削ができる。炭素繊維複合材料に基準面を設けると、摩耗や変形などが発生しやすく、高速主軸に必要な同軸度、真円度などが確保しにくい。同軸度、真円度が悪いと、アンバランスが大きく、高速回転時の振動発生、加工精度不良となる。

尚、本発明は、上述した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。
例えば、上述した実施形態は、前側軸受、後側軸受を一対のアンギュラ玉軸受によって構成したが、軸受の種類や数はこれに限定されず、使用状態に応じて適宜設計することができる。

また、図３に示すように、前側軸受５０，５０の内輪５２，５２は、回転軸１２の第２円筒部７２にしめしろを有して外嵌された固定スリーブ８１によって、回転軸１２に対し軸方向に位置決め固定されるように構成してもよい。なお、固定スリーブ８１の第２円筒部７２への組込みは、焼嵌めによって行い、固定スリーブ８１の第２円筒部７２からの分解は、固定スリーブ８１と第２円筒部７２との間に設けられた油圧室８３に油圧を与えることによって行う。

このように構成した場合、固定スリーブ８１と第２円筒部７２とがしめしろ嵌合しているので、固定スリーブ８１と第２円筒部７２との有効接触面積が大きくなることで熱伝導性が向上し、前側軸受５０の内輪５２の発熱を固定スリーブ８１を介して第２円筒部７２に効率的に逃がすことが可能となる。

また、固定スリーブ８１が間座等を介さず内輪５２に直接当接するように構成されているので、固定スリーブ８１の軸方向長さを長く設定することができる。したがって、固定スリーブ８１と第２円筒部７２との嵌合部の軸方向長さが長くなり、熱伝導のための接触面積をより大きくすることができる。

このように、前側軸受５０の内輪５２の発熱を、固定スリーブ８１を介してより効率よく第２円筒部７２側に伝達することができるので、内輪５２の温度が下がり、内輪５２及び外輪５１の温度差を少なくすることができる。したがって、前側軸受５０の回転中の予圧増加が軽減され、内輪５２と玉５３、及び外輪５１と玉５３の転がり接触部のＰＶ値が抑制できるので、前側軸受５０が焼き付くことを防ぐことができる。

また、固定スリーブ８１と回転軸１２の第２円筒部７２とはしめしろ嵌合しているので、回転軸１２に対して固定スリーブ８１が傾くことが抑制され、内輪５２を均一に固定することが可能となり、加工精度をより向上させることができる。

なお、上述の実施形態のように、内輪５２をナット３１によって軸方向に位置決め固定する場合であっても、ナット３１の軸方向長さを長く確保したり、ねじピッチを短くしたり（細目ねじナットの採用）、ナット３１と第２円筒部７２、及び間座３２と第１円筒部７１のはめあい隙間を極めて小さくしたりする（例えば、中間ばめはめあい）等の仕様とすることで、熱伝導の有効接触面積を大きくして、内輪５２の発熱を逃がすことが可能である。
また同様に、内輪５２をナット３１によって軸方向に位置決め固定する場合であっても、ナット３１組込み時にその傾き補正を行うことで、内輪５２を均一に固定し、加工精度の確保することが可能である。

なお、工具側に配設された前側軸受５０は、切削荷重を負荷する軸受であり、当該負荷により発熱量が高くなる。また、主軸装置１０の工具側には、工具ホルダ１４を保持するテーパ面１８が設けられているので、軸剛性や軸系の固有振動数を確保するために肉厚を要し、前側軸受５０の内径が大きくなる傾向にあり、その結果前側軸受５０のｄｍｎ値が大きくなる。したがって、上記のように固定スリーブ８１を設けて前側軸受５０の発熱を効率的に逃がす構成とすることは非常に効果的である。

一方、反工具側に配設される後側軸受６０は、前側軸受５０に比べて切削荷重が直接負荷せず、前側軸受５０に比べてサイズも小さくなることから、上述の実施形態のようにナット３５によって軸方向に位置決めされる構成であっても差し支えない。しかしながら、軸方向のスペースが確保できる余裕がある場合等、必要に応じて、後側軸受６０，６０の内輪６２，６２が、ナット３５を用いずに、第２円筒部７２にしめしろを有して外嵌された固定スリーブによって回転軸１２に対し軸方向に位置決め固定されるように構成してもよい（不図示）。

１０ 主軸装置
１２ 回転軸
２０ ロータ
２２ ステータ
５０ 前側軸受
６０ 後側軸受
７１ 第１円筒部
７２ 第２円筒部
Ｈ ハウジング

Claims (4)

1. 回転軸と、
   前記回転軸をハウジングに対して回転自在にそれぞれ支持する前側及び後側軸受と、
   該前側及び後側軸受との間で前記回転軸に外嵌されるロータと、該ロータの周囲に配置されるステータと、を有するモータと、
   を備えるモータビルトイン方式の主軸装置であって、
   前記回転軸は、外周面にロータが配置された、炭素繊維複合材料からなる第１円筒部と、外周面に前記第１円筒部が配置された、金属材料からなる第２円筒部と、を備えることを特徴とするモータビルトイン方式の主軸装置。
2. 前記ロータは、前記第１円筒部にしめしろを持って嵌合していることを特徴とする請求項１に記載のモータビルトイン方式の主軸装置。
3. 前記第２円筒部は、前記第１円筒部が配置される小径部と、前記前側軸受の軸方向位置を規制するナットが締め付けられる雄ねじ部を有する大径部と、を有することを特徴とする請求項１または２に記載のモータビルトイン方式の主軸装置。
4. 前記前側軸受及び前記後側軸受は、前記第１円筒部に外嵌されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のモータビルトイン方式の主軸装置。

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