JP2014009716A - ロータリジョイント - Google Patents

Abstract

【課題】固定軸部と嵌合孔との摺動隙間内に異物が侵入して堆積固化することに起因する不具合を簡便な構成で有効に防止することができるロータリジョイントを提供することを目的とする。
【解決手段】ハウジング部材７に設けられた嵌合孔７ａに固定軸部８ａが嵌合する摺動隙間Ｇに開口して設けられた加圧孔１５と、摺動隙間Ｇ内の圧力が固定流路８ｆ内の圧力よりも予め設定された所定の圧力差ΔＰだけ高くなるように加圧孔１５を介して加圧する加圧手段とを備える。これにより、摺動隙間Ｇ内を加圧して摺動隙間Ｇ内の流体を固定流路８ｆに流動させることが可能となり、摺動隙間Ｇ内に異物が侵入して堆積固化することに起因する不具合を簡便な構成で有効に防止することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、回転部に流体を送給するために用いられるロータリジョイントに関するものである。

工作機械の主軸など作動時に回転状態にある回転部に冷却用のクーラントなどの流体を送給する流体送給機構において、固定された流体送給配管を回転部の流路と接続する流体継手としてロータリジョイントが用いられる。ロータリジョイントは、回転部に結合されて回転する回転軸と流体送給配管に接続される固定軸とを同軸に配置して軸方向に対向させ、それぞれの対向端面に装着された回転シールのシール面を相互に密着させることにより流体の漏洩を防止する構成となっており、流体送給配管から回転状態にある回転部へ、所定圧力・所定流量の流体がロータリジョイントを介して連続的に供給される。このような構成のロータリジョイントでは、シール面を密着させるために固定軸側を軸方向に移動させる必要があることから、固定軸はケーシング部などに設けられた嵌合孔に摺動自在に嵌合しており、嵌合孔の内周と固定軸との間に介設されたＯリングなどのシール部材によって、この摺動隙間からの流体の漏れが防止される。

ところでロータリジョイントによる供給対象となる流体には、工作機械に循環使用されるクーラントなど、微少な切削屑などの異物を含んだものが多く、連続して流体を供給する過程において、固定軸と嵌合孔との間の摺動隙間にこれらの異物が侵入することが避けられない。そしてこれらの異物が反復して侵入すると摺動隙間内において堆積固着し、固定軸の円滑な摺動が阻害される結果、ロータリジョイントは正常に作動せずに流体の大量の漏洩などの不具合が生じる。そこでこのような不具合を防止することを目的として、固定軸と嵌合孔との間の摺動隙間への異物侵入を防止する構造のロータリジョイントが提案されている（特許文献１、２参照）。

特許文献１に示す先行技術例では、嵌合孔の内周面に設けられた環状溝内にグリースを常時押し込む構成とすることにより摺動隙間をグリースで充填状態とし、摺動隙間への異物の侵入を防止するようにしている。また特許文献２に示す先行技術例では、固定軸の上流側の端部に屈曲自在なダイヤフラムを装着して、固定軸の流路孔以外に流体が流れないように密封し、これにより摺動隙間への異物の侵入を防止するようにしている。

実開昭６２−１６３６８５号公報 特開２００４−２０５０３７号公報

しかしながら上述の先行技術においては、異物侵入を防止する機構の構成に起因して、以下のような難点があった。まず特許文献１に示す先行技術例では、摺動隙間を充填するグリースが流体に徐々に溶解して充填効果が低下するため、異物侵入の防止効果を安定して確保することが困難であった。また特許文献２に示す先行技術例では、固定軸の移動量が十分に確保できないので、固定軸の移動量を必要とする工作機械での適用は著しく限定されていた。

本発明はこのような課題に鑑みなされたものであり、固定軸部と嵌合孔との摺動隙間内に異物が侵入して堆積固化することに起因する不具合を簡便な構成で有効に防止することができるロータリジョイントを提供することを目的とする。

本発明のロータリジョイントは、軸方向の回転流路が設けられ回転軸に装着される回転部および軸方向の固定流路が設けられた固定部を同軸配置して成り、流体供給源から供給される流体を軸心廻りに回転する前記回転部の回転流路へ前記固定流路を介して送給するロータリジョイントであって、前記回転部に設けられ側端面に前記回転流路が開口した第１のシール面を有する回転シール部と、前記固定流路が前記軸方向に貫通して形成され保持部材に設けられた嵌合孔に所定の摺動隙間を保って前記軸方向の移動が許容された状態で嵌合する固定軸部を有し、一方側の側端面に前記固定流路が開口した第２のシール面を有する固定シール部と、前記保持部材に前記摺動隙間と連通して設けられた加圧孔と、前記摺動隙間内の圧力が前記固定流路内の圧力よりも予め設定された所定の圧力差だけ高くなるように前記加圧孔を介して加圧する加圧手段とを備え、前記流体供給源から前記嵌合孔内へ前記流体を供給して前記固定軸部を流体力によって下流側へ押圧することにより、前記第１のシール面と第２のシール面とを相互に密着させて面シール部を形成し、前記摺動隙間内を加圧することにより前記摺動隙間内の流体を固定流路に流動させる。

本発明によれば、保持部材に設けられた嵌合孔に固定軸部が嵌合した摺動隙間に連通する加圧孔と、摺動隙間内の圧力が固定流路内の圧力よりも予め設定された所定の圧力差だけ高くなるように加圧孔を介して加圧する加圧手段とを備えることにより、摺動隙間内を加圧して摺動隙間内の流体を固定流路に流動させることが可能となり、固定軸部と嵌合孔との摺動隙間内に異物が侵入して堆積固化することに起因する不具合を簡便な構成で有効に防止することができる。

本発明の一実施の形態におけるロータリジョイントの断面図 本発明の一実施の形態におけるロータリジョイントの動作説明図 本発明の一実施の形態におけるロータリジョイント部分断面図

次に本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。まず図１を参照して、ロータリジョイント１の全体構成を説明する。図１において、ロータリジョイント１は、工作機械のスピンドル軸などの回転軸へ冷却用の流体を送給する流体供給機構に用いられるものであり、軸方向の回転流路が設けられた回転部１ａおよび軸方向の固定流路が設けられた固定部１ｂを同軸配置して構成される。

回転部１ａは回転軸であるスピンドル軸２の流路孔２ａに締結されており、スピンドル軸２は、スピンドルに内蔵されたモータによって回転駆動されて軸心Ａ廻りに回転するとともに、クランプ／アンクランプシリンダによって軸方向の進退動作を行う。また固定部１ｂはケーシング３に流路孔３ｂと連通して設けられた装着孔３ａに、保持部材であるハウジング部材７を介して固定装着されており、スピンドル軸２が挿通するフレーム（図示省略）にボルトなどの締結手段によってケーシング３を着脱自在に締結することにより、固定部１ｂは回転部１ａと同軸に配置される。流路孔３ｂには、流体供給源（図示省略）より液体クーラントや冷却用のエアなどの流体が送給される（矢印ａ）。

次に各部の詳細構造を説明する。回転部１ａはスピンドル軸２に装着されたロータ４を主体としており、ロータ４は回転軸部４ａの一方側の端部に回転軸部４ａよりも外径が大きいフランジ部４ｂを設け、さらに軸心部に回転流路４ｅを軸方向に設けた形状となっている。回転軸部４ａの外面には雄ねじ部４ｄが設けられており、流路孔２ａの内面には雌ねじ部２ｂが設けられている。雄ねじ部４ｄを雌ねじ部２ｂに螺合させることにより、ロータ４はスピンドル軸２にねじ締結され、Ｏリング６によってねじ締結部が密封される。これにより、回転流路４ｅはスピンドル軸２の流路孔２ａと連通する。

ロータ４の右側（固定部１ｂと対向する側）の側端面には、回転流路４ｅの開孔面を囲む配置で円形状の凹部４ｃが形成されており、凹部４ｃには第１のシールリング５が固定されている。第１のシールリング５はセラミックなどの耐摩耗性に富む硬質材料を、中央部に開口部５ａを有する円環形状に成形したものであり、平滑面に仕上げられた第１のシール面５ｂを外面側にした状態で凹部４ｃに固定される。そしてこの状態では、回転流路４ｅは開口部５ａと連通して第１のシール面５ｂに開口する。上記構成において、第１のシールリング５が固定されたロータ４は、回転部１ａに設けられ側端面に回転流路４ｅが開口した第１のシール面５ｂを有する回転シール部となっている。

次に、ケーシング３に装着される固定部１ｂの構造を説明する。固定部１ｂは、フローティングシート８をハウジング部材７に装着した構成となっている。ケーシング３の装着面３ｃには流路孔３ｂと連通して設けられた装着孔３ａが開口しており、装着孔３ａには固定部１ｂの本体を構成する円筒形状のハウジング部材７から延出して設けられた嵌合凸部７ｅが嵌合する。そしてハウジング部材７は、装着面３ｃに設けられたねじ孔（図示省略）にボルト締結（ボルト締結線Ｂ参照）され、Ｏリング１２によって装着孔３ａへの嵌合部が密封される。

フローティングシート８は、一方側（図において回転部１ａと対向する側）に円板形状のフランジ部８ｂが設けられ、他方側に固定流路８ｆが軸方向に貫通して形成された固定軸部８ａを有する形状となっている。フランジ部８ｂの左側（回転部１ａと対向する端面）に円堤状に設けられた凸部８ｃ内には、第２のシールリング９が固定されている。第２のシールリング９は第１のシールリング５と同様の硬質材料を中央部に開口部９ａを有する円環形状に成形したものであり、平滑面に仕上げられた第２のシール面９ｂを外面側にした状態でフランジ部８ｂに固定される。そしてこの状態では、固定流路８ｆは開口部９ａと連通して第２のシール面９ｂに開口する。

固定軸部８ａは、ハウジング部材７の中心部に軸方向に貫通して設けられた嵌合孔７ａに、軸方向の移動が許容された状態で嵌合する。すなわち、嵌合孔７ａ、固定軸部８ａの形状・寸法設定により、嵌合孔７ａの内周面７ｂと固定軸部８ａの外周面８ｄとの間に所定の隙間寸法の摺動隙間Ｇ（図３参照）が確保されるようになっている。ハウジング部材７の嵌合孔７ａには、内周面７ｂから突出して廻り止めガイド用のガイドピン１３が植設されており、ガイドピン１３は固定軸部８ａの上流部近傍の外周面に軸方向に設けられたガイド溝８ｅに嵌合している。

上記構成において第２のシールリング９が固定されたフローティングシート８は、固定流路８ｆが軸方向に形成され保持部材であるハウジング部材７に設けられた嵌合孔７ａに軸方向の移動が許容された状態で嵌合する固定軸部８ａを有し、側端面に固定流路８ｆが開口した第２のシール面９ｂを有する固定シール部となっている。なお本実施の形態においては、フローティングシート８を保持部材としてのハウジング部材７を介してケーシング３に装着する例を示しているが、ケーシング３にフローティングシート８を直接装着するようにしてもよい。この場合には保持部材としてのケーシング３に設けられた嵌合孔に固定軸部８ａを軸方向の移動が許容された状態で嵌合させる。

嵌合孔７ａの内周面７ｂには下流側近傍に位置してシール溝７ｃが形成されており、シール溝７ｃには円環状のシール部材であるＯリング１１が嵌合している。嵌合孔７ａに固定軸部８ａが嵌合した状態において、Ｏリング１１が外周面８ｄに押し付けられることにより摺動隙間Ｇはシールされる。シール溝７ｃ内に嵌合して装着されたＯリング１１は、摺動隙間Ｇを固定軸部８ａの軸方向の移動を許容しながらシールする隙間シール部を形成する。

ハウジング部材７の内周面７ｂにおいてシール溝７ｃの上流側には、内周面７ｂを外径方向に削り込んだ円周溝１４が形成されており、円周溝１４は上述の摺動隙間Ｇと連通している。円周溝１４には、ハウジング部材７に設けられた加圧孔１５が開口して連通しており、さらに加圧孔１５はケーシング３を貫通して加圧配管１６と接続されている。加圧配管１６は開閉弁１７を介して加圧部１８と接続されており、開閉弁１７の開閉および加圧部１８の作動は加圧制御部１９によって制御される。

このとき、摺動隙間Ｇ内の圧力が嵌合孔７ａ内の圧力よりも予め設定された所定の圧力差だけ高くなるように、加圧孔１５を介して加圧する。すなわち、加圧部１８の加圧力を所定圧に設定した状態で作動させ、この状態で開閉弁１７を開にすることにより、加圧された流体が、加圧配管１６および加圧孔１５を介して円周溝１４に流入する。ここで摺動隙間Ｇは下流側においてＯリング１１によってシールされていることから、円周溝１４に流入した圧力流体は、摺動隙間Ｇ内を上流側方向に流動し、固定軸部８ａの側端部の隙間から摺動隙間Ｇ内に堆積した異物とともに、嵌合孔７ａ内に排出される。

上記構成において、加圧孔１５は保持部材であるハウジング部材７に摺動隙間Ｇに連通して設けられており、加圧配管１６、開閉弁１７および加圧制御部１９は、摺動隙間Ｇ内の圧力が固定流路８ｆ内の圧力よりも予め設定された所定の圧力差だけ高くなるように加圧孔１５を介して加圧する加圧手段を構成する。そして本実施の形態においては、この加圧手段によって摺動隙間Ｇ内を加圧することにより、摺動隙間Ｇ内の流体を固定流路８ｆに流動させて、摺動隙間Ｇ内に堆積した異物を排出するようにしている。

ここで、加圧部１８としては、当該ロータリジョイント１が供給対象とする流体の種類，用途，さらに摺動隙間Ｇ内に堆積する異物の種類に応じて、各種の形態のものを選択して用いることができる。例えば、流体供給源から供給される流体がクーラント液などの液体である場合には、加圧部１８として液体を加圧して吐出するポンプを用いることができる。

このとき、加圧して加圧孔１５を介して摺動隙間Ｇ内に送給する液体の種類としては、供給対象の液体と同一の液体を用いてもよく、また単に水を加圧して摺動隙間Ｇ内に送給するようにしてもよい。さらに、供給対象の流体が気体であって液体を流動させることが望ましくない場合や、摺動隙間Ｇ内に堆積する異物が除去容易な特性を有するものである場合には、加圧部１８としてエアーや窒素ガスなどの気体を加圧して加圧孔１５を介して摺動隙間Ｇ内に送給する構成を採用してもよい。

次に図２を参照して、ロータリジョイント１の動作を説明する。流路孔３ｂを介して嵌合孔７ａ内に供給対象の流体が送給（矢印ａ）されることにより、この流体圧は固定軸部８ａの他方側（第２のシールリング９の反対側）の側端面に作用する。これにより、固定軸部８ａは嵌合孔７ａ内で回転部１ａ側へスライドし、第２のシールリング９は第１のシールリング５に対して、側端面の投影面積に流体圧を乗じた大きさの流体力Ｆで押圧される。この流体力Ｆは第２のシール面９ｂと第１のシール面５ｂとを相互に密着させ、これにより固定流路８ｆから軸廻りに回転状態の回転流路４ｅへ送給される流体の漏洩を防止する面シール部１０が形成される。

このフローティングシート８の軸方向のスライドにおいて、ガイドピン１３は固定軸部８ａの外周面に軸方向に設けられたガイド溝８ｅに嵌合していることから、フローティングシート８の軸方向の移動がガイドされるとともに、軸廻りの廻り止めが行われる。なお、このような廻り止め機構の構成として、フランジ部８ｂにボルトなどを用いたガイド軸をスライド方向に設けるとともに、このガイド軸が軸方向に摺動するガイド孔を設けるようにしてもよい。

ロータリジョイント１の作動状態においては、送給される流体の圧力によるフローティングシート８の進出と、スピンドル軸２の進退動作によって、面シール部１０のシール面の接離が行われる。すなわちフローティングシート８が後退して第１のシール面５ｂと第２のシール面９ｂとが相互に離隔した状態において、流体が流路孔３ｂに送給されることにより、嵌合孔７ａにおいて流体力Ｆが固定軸部８ａの側端面に作用して軸方向に押圧する。これにより、フローティングシート８が前進（矢印ｂ方向）し、第１のシール面５ｂと第２のシール面９ｂとが当接して相互に密着した面シール部１０が形成される。これにより、固定流路８ｆから回転状態の回転流路４ｅへの流体の送給が行われる。

そしてスピンドル軸２が固定部１ｂに対して相対的に前進（矢印ｅ方向）することにより、フローティングシート８は後退（矢印ｃ方向）し、フランジ部８ｂがハウジング部材７に近接した位置（図１に示す位置）に復帰する。そしてこの状態からスピンドル軸２を相対的に後退（矢印ｄ方向）させることにより、第１のシール面５ｂと第２のシール面９ｂとが相互に離隔した状態に戻る。

次に図３を参照して、上記構成のロータリジョイント１における異物排出機能を説明する。図３（ａ）は、流路孔３ｂを介して送給され嵌合孔７ａに流入（矢印ｆ）した流体が、固定軸部８ａの固定流路８ｆを流下して回転部１ａ側へ向かって流れるときの状態を示している。このとき供給対象となる流体には、工作機械に循環使用されるクーラントなど、微少な切削屑などの異物２０を含んでいる場合が多く、これらの異物２０の一部は、摺動隙間Ｇ内に流れ込む流体とともに摺動隙間Ｇ内に進入する。そしてこれらの異物２０の進入が反復して摺動隙間Ｇ内において堆積固着すると、固定軸部８ａの円滑な摺動が阻害される結果となる。

このような場合にあっても、本実施の形態に示すロータリジョイント１においては、Ｏリング１１の上流側に設けられた加圧孔１５を介しての加圧機能により、摺動隙間Ｇ内における異物２０の堆積固着を防止することができる。すなわち本実施の形態においては、流体供給を継続実行する過程において予め設定された所定のタイミングで、摺動隙間Ｇ内に加圧孔１５から加圧流体を供給して異物２０を強制的に排出させるフラッシング作業を行う。

すなわち、図３（ｂ）に示すように、加圧部１８を作動させた状態で開閉弁１７を開にし、加圧孔１５内に加圧流体を送給し（矢印ｇ）、円周溝１４に流入させる（矢印ｈ）。このとき摺動隙間Ｇに連通した円周溝１４における圧力Ｐ１が、嵌合孔７ａ内の圧力Ｐ２よりも所定の圧力差ΔＰだけ高くなるように、加圧部１８の圧力設定を行う。この圧力差ΔＰは加圧流体が摺動隙間Ｇ内の流路抵抗に抗して流動する（矢印ｉ）ことが可能な圧力値に設定される。これにより、摺動隙間Ｇ内に堆積した異物２０は、流体の流動とともに摺動隙間Ｇが固定軸部８ａの端部に開口した開口隙間から嵌合孔７ａ内に排出され（矢印ｊ）、さらに固定流路８ｆを介して下流側流路へ流動する。

上述の異物除去のためのフラッシング実行タイミングは、流体供給時あるいは流体供給停止時のいずれにおいても設定可能である。例えば流体供給時にも高頻度で異物除去を必要とする場合には、固定流路８ｆを介して供給される流体の圧力を基準として前述の圧力差ΔＰが確保可能なように加圧部１８の設定圧力を規定する。また流体供給停止時においてのみ異物除去を行えば足りるような場合には、単に水またはエアーを前述の圧力差ΔＰが確保可能なように加圧部１８を作動させる。

上記説明したように本実施の形態に示すロータリジョイント１は、保持部材であるハウジング部材７に設けられ嵌合孔７ａに固定軸部８ａが嵌合する摺動隙間Ｇに連通して設けられた加圧孔１５と、摺動隙間Ｇ内の圧力が嵌合孔７ａ内の圧力よりも予め設定された所定の圧力差ΔＰだけ高くなるように加圧孔１５を介して加圧する加圧手段とを備えるようにしたものである。これにより、摺動隙間Ｇ内を加圧して摺動隙間Ｇ内の流体を固定流路８ｆに流動させることが可能となり、摺動隙間Ｇ内に異物２０が侵入して堆積固化することに起因する不具合を簡便な構成で有効に防止することができる。

本発明のロータリジョイントは、固定軸部と嵌合孔との摺動隙間内に異物が侵入して堆積固化することに起因する不具合を簡便な構成で有効に防止することができるという特徴を有し、工作機械の主軸などの回転部に液体クーラントやエアなどの流体を送給する用途に有用である。

１ ロータリジョイント
１ａ 回転部
１ｂ 固定部
２ スピンドル軸
３ ケーシング
４ ロータ
４ｅ 回転流路
５ 第１のシールリング
５ｂ 第１のシール面
７ ハウジング部材
７ａ 嵌合孔
８ フローティングシート
８ａ 固定軸部
８ｆ 固定流路
９ 第２のシールリング
９ｂ 第２のシール面
１０ 面シール部
１５ 加圧孔
１６ 加圧配管
１７ 開閉弁
２０ 異物
Ｇ 摺動隙間

Claims (3)

1. 軸方向の回転流路が設けられ回転軸に装着される回転部および軸方向の固定流路が設けられた固定部を同軸配置して成り、流体供給源から供給される流体を軸心廻りに回転する前記回転部の回転流路へ前記固定流路を介して送給するロータリジョイントであって、
   前記回転部に設けられ側端面に前記回転流路が開口した第１のシール面を有する回転シール部と、
   前記固定流路が前記軸方向に貫通して形成され保持部材に設けられた嵌合孔に所定の摺動隙間を保って前記軸方向の移動が許容された状態で嵌合する固定軸部を有し、一方側の側端面に前記固定流路が開口した第２のシール面を有する固定シール部と、
   前記保持部材に前記摺動隙間と連通して設けられた加圧孔と、前記摺動隙間内の圧力が前記固定流路内の圧力よりも予め設定された所定の圧力差だけ高くなるように前記加圧孔を介して加圧する加圧手段とを備え、
   前記流体供給源から前記嵌合孔内へ前記流体を供給して前記固定軸部を流体力によって下流側へ押圧することにより、前記第１のシール面と第２のシール面とを相互に密着させて面シール部を形成し、
   前記摺動隙間内を加圧することにより前記摺動隙間内の流体を固定流路に流動させることを特徴とするロータリジョイント。
2. 前記流体供給源から供給される流体は液体であり、前記加圧手段は、前記液体と同一の液体または水を加圧して前記加圧孔を介して前記摺動隙間内に送給することを特徴とする請求項１記載のロータリジョイント。
3. 前記加圧手段は、気体を加圧して前記加圧孔を介して前記摺動隙間内に送給することを特徴とする請求項１記載のロータリジョイント。

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