JP2013103299A - 工作機械の主軸の冷却機構 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な機構で残存油を経路内に留め、エア供給に異常が生じて冷却液の循環を停止させた際における戻り経路からの冷却液の逆流による漏れを防止することが可能な工作機械の主軸の冷却機構を提供する。
【解決手段】主軸１の冷却機構３２は、冷却液を供給源２１から主軸１内へ供給するための供給経路２２，２２・・および冷却液を主軸１内から供給源２１へ戻すための戻り経路２３，２３・・を有する外部冷却液流路２４と、主軸１内に冷却液を流すための内部冷却液流路２５と、冷却液の漏洩を防止するためにハウジング２に固定された固定部品と主軸１との隙間にエアを供給するエアシール手段２６とを有している。そして、戻り経路２３，２３・・に、冷却液を下向きに流下させた後に上向きに押し流すために曲げた冷却液受け部２７が設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、軸受によって工作機械に回転可能に支持された主軸の冷却機構に関するものであり、詳しくは、マシニングセンタの主軸の如く高速回転する主軸の冷却機構に関するものである。

近年、工作機械、特に、マシニングセンタ等の主軸の回転速度が高速化してきている。そのため、軸受の発熱量が大きくなってきており、主軸や工具の熱安定性等に悪い影響を与えることが懸念されている。工具の熱安定性を高め、かつ、軸受の内外輪の温度差による面圧の増加を抑えるためには、軸受を内輪側と外輪側との両側から冷却する方法が望ましく、主軸を直接冷却することで軸受の内輪側を冷却し、軸受の内外輪の温度差を小さくする冷却機構が開発されている。そのような冷却機構においては、主軸内に冷却液を流し込む際に、主軸とハウジングに固定された固定部品との隙間からの冷却液漏れを防ぐ必要があり、冷却液漏れを防ぐための従来の手段としては、主軸から固定部品への冷却液の流路を軸方向の前後で遮蔽するように、主軸と固定部品との隙間に高圧のエアを供給する所謂エアシール手段が知られている（特許文献１）。

特開２０００−２８８８７０号公報

しかしながら、上記した特許文献１の如きエアシール手段を設けた冷却機構は、エアが正常に供給されている間のみに有効であり、たとえば、コンプレッサの異常、エア配管の損傷等でエアが正常に供給されない場合には、冷却液漏れが発生してしまう虞れがある。エア供給の異常を検知し、冷却液の循環を停止させることは可能であるが、たとえば、主軸が立形に配置された工作機械であって、主軸内へ供給された冷却液を供給源へ戻す経路（戻り経路）が鉛直方向を向くように設置されている場合には、戻り経路内に残存する冷却液が主軸と固定部品との隙間へ逆流する事態を防止することができない。そのように冷却液漏れが生じると、供給源内の冷却液量が時間とともに減少するため、頻繁に冷却液の補充が必要となり、コストアップに繋がる。

本発明の目的は、上記従来の工作機械の主軸の冷却機構が有する問題点を解消し、簡易な機構で残存油を経路内に留め、エア供給に異常が生じて冷却液の循環を停止させた際における戻り経路からの冷却液の逆流による漏れを防止することが可能な主軸の冷却機構を提供することにある。

本発明の内、請求項１に記載された発明は、主軸が軸受を介してハウジングに回転可能に組み付けられた工作機械において、前記主軸を冷却するための冷却機構であって、冷却液を供給源から主軸内へ供給するための供給経路および冷却液を主軸内から供給源へ戻すための戻り経路を有する外部冷却液流路と、主軸内に冷却液を流すためのための内部冷却液流路と、冷却液の漏洩を防止する目的でハウジングに固定された部品と主軸との隙間にエアを供給するためのエアシール手段とを有しており、前記戻り経路に、冷却液を下向きに流下させた後に上向きに押し流すために曲げた冷却液受け部が少なくとも一つ以上設けられていることを特徴とするものである。

請求項２に記載された発明は、請求項１に記載された発明において、前記冷却液受け部が管状機構を有しており、外部冷却液流路および内部冷却液流路で冷却液を循環させる際に、冷却液受け部全域で冷却液が滞留しないように構成されていることを特徴とするものである。

請求項１に係る工作機械の主軸装置の冷却機構によれば、エアシールの作動および冷却液の循環が停止した後に、戻り経路の残存油を経路内に留めることができるので、主軸装置内への流入（逆流）によって生じる油漏れを防止することができ、冷却液の補充に伴うコストを低減させることが可能である。

請求項２に係る工作機械の主軸装置の冷却機構によれば、冷却液受け部全域で冷却液が滞留しないため、冷却液受け部内のエアの占有比率が高くなり、エア供給異常により冷却液の循環を停止した際に、効率的に冷却液を留める空間を確保することが可能である。

工作機械の主軸の冷却機構を示す説明図（主軸の設置部分については、主軸の軸方向に沿った鉛直断面図）である。 冷却液受け部の変更例を示す説明図である。

＜主軸の冷却機構の構成＞
以下、本発明に係る工作機械の主軸の冷却機構の一実施形態について、図面に基づいて詳細に説明する。図１は、工作機械の主軸設置部分を示したものであり、工作機械Ｍにおいては、主軸１が、フロント側の軸受３（第一軸受３ａおよび第二軸受３ｂ）およびリア側の軸受（図示せず）を介して、ハウジング２に、鉛直軸を中心として回転可能に支持されている。

また、工作機械Ｍには、冷却液を主軸１内に供給するための供給源２１、冷却液を供給源２１から主軸１内へ供給するための供給経路２２，２２・・および冷却液を主軸１内から供給源２１へ戻すための戻り経路２３，２３・・を有する外部冷却液流路２４、主軸１内に冷却液を流すための内部冷却液流路２５，２５・・、冷却液の漏洩を防止するためにハウジング２に固定された部品（固定部品）と主軸１との隙間にエアを供給するためのシールエア供給孔６ａ，６ａ・・、シールエア吐出口６ｂ，６ｂ・・、コンプレッサ３１を含むエアシール手段２６等からなる冷却機構が設けられている（なお、図１においては、一つの供給経路２２、および、一つの戻り経路２３のみが示されている）。

主軸１は、先端に工具を装着するためのテーパ孔１ａが設けられている（なお、図１においては、工具を装着するためのドローバ等の構成は省略されている）。また、第二軸受３ｂの上方には、矩形の断面形状を有する円環状溝である液受け部７が、外周にリング状に刻設されている。一方、第一軸受３ａの下方には、扁平な円柱状で複数の流出孔１１，１１・・が、主軸１の外周方向において等間隔で、主軸１の軸方向と直交するように穿設されている。そして、それらの液受け部７と流出孔１１，１１・・とを連結するように複数の穴状流路８，８・・が直線状に設けられている。なお、それらの液受け部７、流出孔１１，１１・・、穴状流路８，８・・によって、主軸１内に冷却液を流すための内部冷却液流路２５が構成されている。

一方、ハウジング２は、主軸１を覆うように中空の円筒状に形成されている。そして、主軸１の液受け部７と対峙する位置には、外部冷却液流路２４を循環した冷却液を液受け部７へ供給するための複数の冷却液供給孔９，９・・が、ハウジング２の外周方向において等間隔となるように穿設されている。

各冷却液供給孔９，９・・は、それぞれ、冷却液供給口４，４・・に接続したジョイント金具１２を介して、供給経路２２に接続されている。なお、各冷却液供給孔９，９・・の供給口９ａは、主軸１の液受け部７より幅狭になるように形成されており、液受け部７の幅方向（上下方向）の略中央に位置した状態になっている。

また、ハウジング２の主軸１の流出孔１１，１１・・と対峙する位置には、主軸１内を流下した冷却液を流出孔１１，１１・・から回収して外部冷却液流路２４へ導くための複数の冷却液回収孔１０，１０・・が、ハウジング２の外周方向において等間隔となるように穿設されている。そして、それらの冷却液回収孔１０，１０・・は、それぞれ、冷却液回収口５，５・・に接続したジョイント金具１２を介して、戻り経路２３，２３・・に接続されている。

さらに、工作機械Ｍには、冷却液供給孔９，９・・、および、冷却液回収孔１０，１０・・からの冷却液の漏洩を防止するためのエアシール手段２６が付設されている。エアシール手段２６は、ハウジング２の外部に設置されたコンプレッサ３１、ハウジング２の各冷却液供給孔９，９・・の上下、および、各冷却液回収孔１０，１０・・の上下の内壁面に刻設された２個１組のシールエア吐出口６ｂ，６ｂ、それらのシールエア吐出口６ｂ，６ｂとハウジング２の外面とを繋ぐように穿設されたシールエア供給孔６ａ，６ａ、それらのシールエア供給孔６ａ，６ａとコンプレッサ３１とを接続する配管２８等によって構成されている。

すなわち、ハウジング２の内壁面の冷却液供給孔９，９・・の上下には、それぞれ、主軸１上にエアシールを形成するためのシールエア吐出口６ｂ，６ｂ・・がリング状（周状）に刻設されており、液受け部７を上下で挟んだ状態になっている。さらに、冷却液供給孔９，９・・の上下でハウジング２を貫通するように、コンプレッサ３１からエアを供給するための複数のシールエア供給孔６ａ，６ａ・・が、ハウジング２の外周方向において等間隔で、主軸１の軸方向と直交するように穿設されており、各シールエア吐出口６ｂ，６ｂ・・と連通した状態になっている。

また、ハウジング２の内壁面の冷却液回収孔１０，１０・・の上下にも、それぞれ、冷却液供給孔９，９・・の上下と同様に、主軸１上にエアシールを形成するためのシールエア吐出口６ｂ，６ｂ・・がリング状に刻設されており、流出孔１１を上下で挟んだ状態になっている。さらに、冷却液回収孔１０，１０・・の上下でハウジング２を貫通するように、複数のシールエア供給孔６ａ，６ａ・・が、ハウジング２の外周方向において等間隔で、主軸１の軸方向と直交するように穿設されており、各シールエア吐出口６ｂ，６ｂ・・と連通した状態になっている。

一方、ハウジング２の外部には、冷却液を貯留させるタンクおよび冷却液を循環させるためのポンプ等を備えた供給源２１が設置されている。そして、当該供給源２１は、供給経路２２，２２・・、ジョイント金具１２，１２・・を介して、ハウジング２の各冷却液供給孔９，９・・と連結されているとともに、戻り経路２３，２３・・、ジョイント金具１２，１２・・を介して、ハウジング２の各冷却液回収孔１０，１０・・と連結されている。

上記した供給経路２２，２２・・および戻り経路２３，２３・・は、いずれも曲げることが可能なチューブによって構成されている。そして、戻り経路には、略半円弧状（Ｕ字状）に湾曲した冷却液受け部２７が形成されており、冷却液を下向きに流下させた後に上向きに押し流すように構成されている。

加えて、上記した主軸１の冷却機構３２においては、各冷却液受け部２７，２７・・の容積（図１におけるαからβまでの部分の容積）をＶｏとし、各戻り経路２３，２３・・における主軸１から鉛直方向の頂点までの容積（図１におけるβからγまでの部分の容積）をＶｕとし、冷却液の循環中（シールエア手段の作動中）の各戻り経路２３，２３・・内における冷却液の占有比率をＲとした場合に、各冷却液受け部２７，２７・・の容積Ｖｏが、下式（１）を満たすように設計されている。
Ｖｏ＞（ Ｖｕ＋Ｖｏ）×Ｒ ・・・（１）

＜主軸の冷却機構の作用＞
上記した主軸１の冷却機構３２においては、供給源２１から供給経路２２に供給された冷却液は、主軸１の各冷却液供給孔９，９・・の供給口９ａから液受け部７に供給される。液受け部７に供給された冷却液は、各穴状流路８，８・・、各流出孔１１，１１・・、各冷却液回収孔１０，１０・・を順に通り、フロント側の軸受３ａ，３ｂを主軸１内から冷却した後に、供給源２１に回収される。

また、エアシール手段２６の作動中には、主軸１の表面に形成された液受け部７および流出孔１１，１１・・が、それぞれの上下に設けられたシールエア吐出口６ｂ，６ｂから吹き出す高圧エアによってシールされるため、冷却液が主軸１とハウジング２の固定部品との隙間から漏れない。

さらに、各戻り経路２３，２３・・に、冷却液を下向きに流下させた後に上向きに押し流すために曲げた冷却液受け部２７が設けられているため、エアシール手段２６の作動および冷却液の循環が停止した後には、各戻り経路２３，２３・・の残存油が湾曲した冷却液受け部２７内に留められ、主軸１内へ流入（逆流）する事態が生じない。

＜主軸の冷却機構による効果＞
主軸１の冷却機構３２は、上記の如く、冷却液を供給源２１から主軸１内へ供給するための供給経路２２，２２・・および冷却液を主軸１内から供給源２１へ戻すための戻り経路２３，２３・・を有する外部冷却液流路２４と、主軸１内に冷却液を流すための内部冷却液流路２５と、冷却液の漏洩を防止する目的でハウジング２に固定された固定部品と主軸１との隙間にエアを供給するためのエアシール手段２６とを有しており、戻り経路２３，２３・・に、冷却液を下向きに流下させた後に上向きに押し流すために曲げた冷却液受け部２７が設けられている。したがって、主軸１の冷却機構３２によれば、エアシール手段２６の作動および冷却液の循環が停止した後に戻り経路２３，２３・・の残存油を経路内に留めることができるので、主軸１内への流入（逆流）によって生じる油漏れを防止することができ、冷却液の補充に伴うコストを低減させることができる。

また、主軸１の冷却機構３２は、冷却液受け部２７，２７・・が管状機構を有しており、外部冷却液流路２４および内部冷却液流路２５で冷却液を循環させる際に、各冷却液受け部２７，２７・・内のエアの占有比率が高くなり、エア供給異常により冷却液の循環を停止した際に、効率的に冷却液を留める空間を確保することが可能となる。

さらに、主軸１の冷却機構３２は、エアシール手段２６を用いているため、主軸１と固定部品との隙間に供給されたエアが冷却経路（内部冷却液流路２５および外部冷却液流路２４）内に混入し、経路内を油とエアが混在して流れるため、冷却液の循環停止後に戻り経路２３，２３・・内に残存する油の量が、戻り経路２３，２３・・の容積より小さくなっている。加えて、上記の如く、各冷却液受け部２７，２７・・の容積Ｖｏが、上式（１）を満たすように設計されているため、戻り経路２３，２３・・の残存油を確実に経路内に留めることができるので、主軸１内への流入によって生じる油漏れをより確実に防止することができる。

＜主軸の冷却機構の変更例＞
本発明に係る主軸の冷却機構の構成は、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、外部冷却液流路（供給経路、戻り経路）、内部冷却液流路、エアシール手段、供給源等の構成を、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、必要に応じて適宜変更することができる。また、本発明に係る主軸の冷却機構を設ける工作機械の構成も、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、主軸、軸受、ハウジングの形状、構造等の構成を、必要に応じて適宜変更することができる。

たとえば、戻り経路に設ける冷却液受け部の形状は、上記実施形態の如く、単純に配管をＵ字状に湾曲させた形状に限定されず、図２（ａ）の如く、配管を複数回に亘って上下に屈曲させた形状や、図２（ｂ）の如く、主軸の回収孔よりも下側の位置に水平な円形部分を設けた形状、図２（ｃ）の如く、配管を螺旋状に湾曲させた形状等に変更することも可能である。また、冷却液受け部の設置位置は、上記実施形態の如く、戻り経路に限定されず、供給経路でも良いし、ハウジングに穿設する冷却液供給孔や冷却液回収孔の途中に冷却液受け部を設けることも可能である。

Ｍ・・工作機械
１・・主軸
２・・ハウジング
３（３ａ，３ｂ）・・軸受
２２・・供給経路
２３・・戻り経路
２４・・外部冷却液流路
２５・・内部冷却液流路
２６・・エアシール手段
２７・・冷却液受け部
３２・・冷却機構

Claims (2)

1. 主軸が軸受を介してハウジングに回転可能に組み付けられた工作機械において、前記主軸を冷却するための冷却機構であって、
   冷却液を供給源から主軸内へ供給するための供給経路および冷却液を主軸内から供給源へ戻すための戻り経路を有する外部冷却液流路と、主軸内に冷却液を流すための内部冷却液流路と、冷却液の漏洩を防止する目的でハウジングに固定された部品と主軸との隙間にエアを供給するためのエアシール手段とを有しており、
   前記戻り経路に、冷却液を下向きに流下させた後に上向きに押し流すために曲げた冷却液受け部が少なくとも一つ以上設けられていることを特徴とする工作機械の主軸の冷却機構。
2. 前記冷却液受け部が管状機構を有しており、外部冷却液流路および内部冷却液流路で冷却液を循環させる際に、冷却液受け部全域で冷却液が滞留しないように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の工作機械の主軸の冷却機構。

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