JP2015178166A

JP2015178166A - 主軸装置

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Publication number: JP2015178166A
Application number: JP2014173222A
Authority: JP
Inventors: 翔一郎小栗; Shoichiro Oguri; 美昭勝野; Yoshiaki Katsuno
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2014-02-28
Filing date: 2014-08-27
Publication date: 2015-10-08
Anticipated expiration: 2034-08-27
Also published as: WO2015129825A1; KR20180045057A; KR101973915B1; CN106061657A; TW201540418A; JP6484960B2; EP3112061A1; EP3112061B1; KR20160113271A; EP3112061A4; CN106061657B; TWI580515B

Abstract

【課題】自由側軸受からの発熱による温度上昇を効果的に抑制して、自由側軸受の寿命延長、即ち、主軸装置の寿命延長を図ると共に、加工精度を向上させることができる主軸装置を提供する。
【解決手段】自由側軸受１４，１４が内嵌する軸受スリーブ１６の外周面１６ｂとリアハウジング３３の内周面３３ａとの間には、冷却媒体が流動可能な冷却路４０が形成される。冷却路４０は、軸受スリーブ１６の外周面１６ｂに形成され、スリーブの軸方向一端側に配置された第１の環状溝と、軸方向他端側に配置された第２の環状溝と、第１の環状溝に一端部が連通し、第２の環状溝に他端部が連通する一条の螺旋状の螺旋溝とを備え、第１の環状溝に冷却媒体が供給され、第２の環状溝から冷却路を流動した冷却媒体が排出される。
【選択図】図１

Description

本発明は、主軸装置に関し、より詳細には、工作機械主軸、高速モータ、遠心分離機、或いはターボ冷凍機などの高速回転する回転機械の主軸装置に関する。

工作機械主軸の高速化は著しく発展しており、主軸の高速化を可能にするための潤滑方法として、オイルエア潤滑やオイルミスト潤滑が採用されている。また、他の潤滑方法として、環境保護の観点から、潤滑油を外部に排出しないグリース潤滑も改めて見直されており、高速回転で耐焼付き性に優れた軽量のセラミック転動体（例えば、窒化けい素など）を使用した転がり軸受と共に採用されている。
また、高速回転主軸における駆動方法としては、歯車駆動やベルト駆動、或いは、カップリングによる直結駆動よりも、主軸内にモータを内蔵した、所謂、モータビルトイン主軸が大勢を占めている。

このような構成の高速主軸では、主軸を支持する転がり軸受からの発熱以外にも、内蔵するモータ（ステータ及びロータ）からの発熱も大きい。工作機械主軸の場合、主軸の温度上昇が高いと、熱変形が生じ加工精度が低下する。このため、主軸の温度上昇を抑制するように、主軸外筒であるハウジングに外部から冷却油を流す手段が用いられている。熱膨張による主軸の変形は、固定側となる前側軸受を原点として、軸方向に発生するので、固定側である前側軸受及びモータのステータの外周部を冷却することが多い。

例えば、前側軸受からの発熱を抑制する従来の冷却装置１００としては、図１１に示すように、主軸１０１の前側を支持する一対の前側軸受１０２，１０３が内嵌するフロントハウジング１０４の外周面に円周方向溝１０５を設ける。そして、フロントハウジング１０４の外周面と他のハウジング１０６の内周面との間に、冷却媒体を循環させて前側軸受１０２，１０３を冷却している。

また、特許文献１には、前側軸受と後側軸受との間に配置した内輪間座に冷却媒体通路を設け、ポンプなどから圧送される冷却媒体によって内輪間座を冷却するようにした工作機械におけるスピンドル冷却装置が開示されている。

一方、自由側軸受となる後側軸受は、前側軸受と比較して、サイズが若干小さい軸受（例えば、軸受内径寸法で、固定側軸受よりφ１０〜φ３０ｍｍ前後小さいサイズ）が使用されることが多い。このため、軸受のｄｍｎ値が小さくなって、その分、温度上昇が少なくなる。また、後側軸受は、自由側であること、及び、主軸後部の熱変形は加工精度に及ぼす影響度が前側軸受に比べて小さいこと（例えば、仮に、回転軸が非回転部品に対して軸方向に相対膨張しても主軸後側は後方にスライド移動して、刃物が装着される主軸前側の変位には現れ難い）などの理由により、後側軸受には、構造が複雑となる冷却構造を付加しないことが多い。

実開平４−１３３５５５号公報

ところで、最近の高速主軸は、使用する軸受のｄｍｎ値が１００万以上、或いは、１５０万を超える、更には２００万以上のタイプが増加しており、これに伴って後側軸受のｄｍｎ値も増加し、発熱が大きくなっている。後側軸受の発熱が大きいと、軸受の内部温度の上昇により、潤滑油粘度が低下し、転がり接触部などでの油膜形成不良による焼付きが発生する虞がある。

このため、図１２に示す冷却装置１１０では、周辺構造を簡素化しつつ、後側軸受を冷却することが考えられる。この場合、主軸１０１の後側を支持する一対の自由側軸受１１２，１１３が内嵌するスリーブ１１４をリアハウジング１１５に内嵌し、このリアハウジング１１５の外周面に円周方向溝１１６を設ける。そして、リアハウジング１１５の外周面と他のハウジング１１７の内周面との間に冷却媒体を循環させて、自由側軸受１１２，１１３を冷却する。
しかしながら、図１２に示す構造では、冷却部は、発熱部（軸受１１２，１１３）から径方向に離れた位置に配置されており、また、すきま嵌めで嵌合するスリーブ１１４とリアハウジング１１５との間の熱伝達効率が低いため、冷却効率が低いという問題がある。したがって、リアハウジングは冷却されるが、スリーブが効率良く冷却されず、リアハウジングとスリーブとの間の隙間が小さくなってスライド不良が発生する虞がある。このため、前側軸受（固定側軸受）と後側軸受（自由側軸受）間で熱膨張による突っ張り荷重が発生し、軸受に過大荷重が負荷されて軸受が損傷する可能性がある。或いは、予圧抜けが発生して異音や異常振動が発生する要因となる。

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、後側軸受からの発熱による温度上昇を高効率で抑制して、後側軸受の寿命延長、即ち、主軸装置の寿命延長を図ると共に、加工精度を向上させることができる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）ハウジングと、
該ハウジングに対して相対回転自在な回転軸と、
内輪が前記回転軸の一端側に外嵌され、外輪が前記ハウジングに固定される固定側軸受と、
前記回転軸の他端側で前記ハウジング内に配置され、前記回転軸の軸方向に移動可能なスリーブと、
内輪が前記回転軸の他端側に外嵌され、外輪が前記スリーブに内嵌される自由側軸受と、
を有する主軸装置であって、
互いに対向する前記スリーブの外周面と前記ハウジングの内周面との間には、冷却媒体が流動可能な冷却路が形成され、
前記冷却路は、前記スリーブの外周面又は前記ハウジングの内周面に形成され、前記スリーブの軸方向一端側に配置された第１の環状溝と、前記スリーブの軸方向他端側に配置された第２の環状溝と、前記第１の環状溝に一端部が連通し、前記第２の環状溝に他端部が連通する一条の螺旋状の螺旋溝と、を備え、
前記第１の環状溝に前記冷却媒体が供給され、前記第２の環状溝から前記冷却路を流動した前記冷却媒体が排出されることを特徴とする主軸装置。
（２）前記冷却路の軸方向両側には、前記スリーブの外周面と前記ハウジングの内周面との間を液密に封止する環状の弾性部材が配設されることを特徴とする（１）に記載の主軸装置。
（３）前記スリーブの前記ハウジングの内周面に対面する外周面の両端縁部、又は前記ハウジングの内周面の両端縁部には、面取り部が形成されることを特徴とする（１）又は（２）に記載の主軸装置。
（４）前記第１の環状溝、前記第２の環状溝、前記螺旋溝の少なくともいずれかの溝の側壁面は、前記軸方向と直交する方向に対して傾斜して形成されることを特徴とする（１）〜（３）のいずれか一項に記載の主軸装置。

本発明の主軸装置によれば、互いに対向するスリーブの外周面とハウジングの内周面との間には、冷却媒体が流動可能な冷却路が形成される。冷却路は、スリーブの外周面又はハウジングの内周面に形成され、スリーブの軸方向一端側に配置された第１の環状溝と、スリーブの軸方向他端側に配置された第２の環状溝と、第１の環状溝に一端部が連通し、第２の環状溝に他端部が連通する一条の螺旋状の螺旋溝と、を備えるようにした。これにより、軸受が内嵌するスリーブを直接冷却可能となり、自由側軸受を高効率で冷却できる。また、軸受の内部温度が下がることで、回転中の転がり接触部や保持器案内面などでの粘度低下による潤滑油膜切れが生じ難くなり、潤滑不良による寿命低下や軸受の焼付きが防止される。そして、ハウジングとスリーブとの両部材を同時に冷却するので、両部材の半径方向収縮量が均一となり、スライド部の隙間（ハウジングとスリーブとの隙間）が詰まらず、隙間不足によるスライド不具合の発生を防止することができる。更に、冷却路内における冷却媒体の流れがスムーズとなり、スリーブ全体を均一に冷却することで、冷却による変形歪が生じない。その結果、内嵌する軸受の歪も発生せず、主軸の回転精度が高い精度で維持され、主軸の加工精度が良好となる。

本発明の主軸装置の第１実施形態の断面図である。図１に示す自由側軸受近傍の拡大断面図である。環状溝を説明するための、スリーブの外周面を示す図２に対応する部分断面図である。環状溝の断面図である。各種変形例の環状溝の断面図である。外周面両端縁部に面取り部が形成されたスリーブの部分破断側面図である。環状溝の肩部に面取り部が形成されたスリーブの部分破断側面図である。本発明の主軸装置の第２実施形態の自由側軸受近傍における拡大断面図である。環状溝を説明するための、スリーブの外周面を示す図８に対応する部分断面図である。自由側軸受の冷却構造の違いによる温度上昇を比較して示すグラフである。従来の固定側軸受の構造を示す断面図である。従来の自由側軸受の構造を示す断面図である。

以下、本発明の主軸装置の各実施形態について、図面に基づいて詳細に説明する。

（第１実施形態）
まず、図１を参照して、本発明に係る第１実施形態の主軸装置の全体構成について説明する。
主軸装置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、ハウジングに対して相対回転自在な回転軸１２と、回転軸１２の前端側（図中左側）に配設された一対の固定側軸受（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自由側軸受（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の内周面３１ａに内嵌するスリーブ２９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。スリーブ２９の外周面には、円環状の複数の溝２９ａが形成されており、ハウジング本体３１に内嵌することで内周面３１ａとの間に冷却路２８が形成される。

固定側軸受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に外嵌されて、回転軸１２の前端側を回転自在に支承する。固定側軸受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。フロントハウジング３２の外周面には、円環状の複数の溝３２ｂが形成されており、ハウジング本体３１に内嵌することでハウジング本体３１の内周面３１ｂとの間に冷却路３０が形成される。

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が嵌合している。また、軸受スリーブ１６の工具取り付け側とは反対側の端面には、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。なお、軸受スリーブ１６と外輪押え１７は、スリーブ１５を構成する。

リアハウジング３３には、その工具取り付け側とは反対側の端面（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取り付け側端面と対向する。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。コイルスプリング５６は、スリーブ１５に軸方向（図中右方向）の弾性力を付与し、これにより固定側軸受１３，１３及び自由側軸受１４，１４に定圧予圧を付与している。

自由側軸受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に外嵌されて、回転軸１２の後端側を回転自在に支承する。自由側軸受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。

図２及び図３に示すように、軸受スリーブ１６の外周面１６ｂには、スリーブ１５の軸方向一端側に形成された第１の環状溝４１Ａと、スリーブ１５の軸方向他端側に形成された第２の環状溝４１Ｂと、第１の環状溝４１Ａに一端部が連通し、第２の環状溝４１Ｂに他端部が連通する一条の螺旋状の螺旋溝４７と、が設けられている。第１の環状溝４１Ａ、第２の環状溝４１Ｂ、及び螺旋溝４７は、軸受スリーブ１６をリアハウジング３３の内周面３３ａに嵌合することで、互いに対向する軸受スリーブ１６の外周面とリアハウジング３３の内周面３３ａとの間に冷却路４０が形成される。この冷却路４０には、冷却油等の冷却媒体が流動する。

また、図１に示す冷却路４０の冷却媒体を供給する供給路５７の供給口５１は、最もビルトインモータ３７側に位置する第１の環状溝４１Ａに向けて開口するように形成され、冷却媒体を排出する排出路５８の排出口５２は、ビルトインモータ３７から最も離間する第２の環状溝４１Ｂに向けて開口し、供給口５１と１８０°異なる位相で設けられる。そして、不図示のポンプから圧送される冷却媒体は、供給口５１から供給されて冷却路４０内を流動して、冷却路４０周囲を冷却した後、排出口５２から排出される。冷却媒体をビルトインモータ３７に近い第１の環状溝４１Ａから供給することにより、発生熱量の大きな、即ち、温度が高くなり易い部分を、より低温の冷却媒体で冷却することができ、高効率で冷却が可能となる。また、供給口５１と排出口５２とを円周方向に１８０°位相を異ならせて配置することで、冷却路４０がシンメトリック配置となり、均一に冷却することができる。なお、供給口５１と排出口５２との位相差は、周辺部品の配置に応じて任意に変更することができ、例えば、同位相であってもよい。

また、軸受スリーブ１６の外周面１６ｂには、冷却路４０より軸方向外側に一対の環状凹溝４４が形成されている。環状凹溝４４には、弾性部材であるＯリング４５が装着されて、リアハウジング３３の内周面３３ａと軸受スリーブ１６との嵌合部を封止している。Ｏリング４５のつぶし代は０．１ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲にすることが好ましく、軸受スリーブ１６の摺動不具合をより解消しやすくするには、０．２ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲にすることが望ましい。また、軸受スリーブ１６とリアハウジング３３との嵌め合い隙間は、直径寸法の差、即ち、リアハウジング３３の内径−軸受スリーブ１６の外径で示される寸法を、５μｍ〜１００μｍの範囲にすることが好ましく、隙間不足や軸受スリーブ１６の傾きにより摺動不具合を解消しやすくするには、１５μｍ〜５０μｍの範囲にすることが望ましい。

Ｏリング４５の材料としては、一般的なニトリルゴムやアクリルゴムなどに加え、モータビルトインスピンドルの発熱に対応した耐熱性のあるシリコンゴムや各種エラストマー、或いは、冷却媒体に対応した耐膨潤性・耐油性のあるフッ素ゴムなどが、必要に応じて選定される。なお、本実施形態における軸受スリーブ１６とリアハウジング３３とのスライド量は、加工荷重による変形やスピンドルの熱的な軸方向の膨張を逃げる程度の変位であるので、±０．５ｍｍ以下、多くとも±１ｍｍ以下である。したがって、可動シリンダ部に装着されるピストンリングに見られるような大きく、且つ、早いストロークによる摺動摩耗によるシール性低下の問題は小さく、経年変化（熱や初期のしめしろ嵌合）による耐クリープ特性に優れた材料を選定するのが望ましい。

図１に示すように、主軸装置１０が、固定側軸受１３，１３を冷却する冷却路３０、ビルトインモータ３７のステータ３８を冷却する冷却路２８、及び自由側軸受１４，１４を冷却する冷却路４０の複数の冷却路を備える場合、自由側軸受１４，１４の最適な冷却としては、冷却装置（図示せず）も他の冷却路２８，３０とは別系統で設け、冷却路４０用に独立させて配設することが好ましい。これにより、冷却媒体の温度調整が、他の冷却路２８，３０の状況に影響されることなく行うことができる。

しかし、実用上困難な場合には、冷却装置は独立させず、冷却路４０を独立させるだけでもよい。この場合、冷却路４０への供給側配管のどこかに絞りを設け、冷却媒体の供給量を制御することで、最適な冷却条件を調整することができる。

なお、１経路冷却構成とした場合には、先に発熱量が大きい傾向があるステータ３８を冷却する冷却路２８に冷却媒体を通過させた後、自由側軸受１４，１４を冷却する冷却路４０に循環させるような経路構成とすれば、主軸装置１０全体の温度をより効率的に下げられる。また、自由側軸受１４，１４の温度をより効率的に冷却したい場合には、上記と逆の経路構成として、より低温の冷却媒体を冷却路４０に先に循環させればよく、必要に応じて選択することができる。

以上説明したように、本実施形態の主軸装置１０によれば、軸受スリーブ１６の外周面１６ｂとリアハウジング３３の内周面３３ａとの間には、冷却媒体が流動可能な冷却路４０が形成される。冷却路４０は、軸受スリーブ１６の外周面１６ｂに形成され、軸受スリーブ１６の軸方向一端側に形成された第１の環状溝４１Ａと、軸受スリーブ１６の軸方向他端側に形成された第２の環状溝４１Ｂと、第１の環状溝４１Ａに一端部（溝始端側の端部）が連通し、第２の環状溝４１Ｂに他端部（溝終端側の端部）が連通する一条の螺旋状の螺旋溝４７と、を備えるようにした。このため、自由側軸受１４，１４が内嵌する軸受スリーブ１６を直接冷却可能となり、自由側軸受１４，１４を効率的に冷却できる。

また、冷却路４０に螺旋状の螺旋溝４７を用いることにより、冷却媒体が螺旋溝に沿って、排出側へ向かう一方向にスムーズに流れ、熱冷却効率が向上する。軸受スリーブ１６は、円周方向に沿って形成された第１の環状溝４１Ａ，第２の環状溝４１Ｂを有し、これら第１、第２の環状溝４１Ａ，４１Ｂを経由して螺旋溝４７に冷却媒体を給排出する構造となっている。そのため、リアハウジング３３の供給口５１と螺旋溝４７の一端部、及び排出口５２と螺旋溝４７の他端部との円周位相を合わせる必要がなくなる。これにより、主軸装置の構造設計や組立作業が容易となる。

上記した軸受スリーブ１６の螺旋溝４７の加工は、まず、スリーブ軸方向のいずれか一方の端部近傍から、エンドミル工具をスリーブ半径方向に切り込みを入れて溝を掘る。その後、切り込みを維持しつつ螺旋状にエンドミル工具を送り、螺旋溝を加工する。そして、スリーブ軸方向のいずれか他方の端部近傍に到達すると、送りを停止し、エンドミル工具を引き上げることで溝が出来上がる。

一般的に、円筒形状部材への螺旋溝の加工は、これまでは非常に困難であり加工精度を高めにくく。加工コストも嵩む不利があった。しかし、近年では多軸加工機や複合加工機が広く使用されるようになり、本構成の螺旋溝４７が容易にかつ高精度でしかも低コストで加工が可能になっている。

上記冷却路４０によって、自由側軸受１４，１４の内部温度が下がり、回転中の転がり接触部や保持器案内面などでの粘度低下による潤滑油膜切れが生じ難くなり、潤滑不良による寿命低下や自由側軸受１４，１４の焼付きが防止される。

また、リアハウジング３３と軸受スリーブ１６との両部材を同時に冷却するので、両部材の半径方向収縮量が均一となり、スライド部の隙間（リアハウジング３３と軸受スリーブ１６との隙間）が詰まらず、隙間不足によるスライド不具合の発生を防止することができる。更に、第１の環状溝４１Ａ，第２の環状溝４１Ｂ、螺旋溝４７の各溝内における冷却媒体の流れがスムーズとなり、軸受スリーブ１６全体を均一に冷却することで、冷却による変形歪が生じない。その結果、内嵌する自由側軸受１４，１４の歪も発生せず、回転軸１２の回転精度が高い精度で維持され、主軸装置１０の加工精度が良好となる。

また、スライド部は、常時冷却油が循環しているので、摩擦係数も小さく、よりスライド性が向上される効果もある。スライド部に、ボールガイド（ボールブッシュ）等を配置させ、転がり作用によってスライド性を良くする方法もあるが、剛性低下により、振動の発生や、スピンドルの固有振動数の低下などの不具合が生じる。一方、剛性を上げるために、予圧すきま（即ち、ハウジング内径、ボール、スリーブ外径間のラジアルすきま）を大きくすると、かえって逆に、滑りによるスライドよりもスライド性が悪くなるという問題が生じる。

また、重切削加工中などに発生することがあるびびり振動などにより、リアハウジング３３と軸受スリーブ１６間に初期のフレッチング摩耗粉が発生した場合でも、冷却媒体が微摩耗粉を外部に運び去ってくれるので、摩耗粉が助剤となって更にフレッチングが進行してしまうのを抑制することができる。

また、冷却媒体を供給する供給口５１は、軸方向一端側に位置する第１の環状溝４１Ａに向けて開口し、冷却媒体を排出する排出口５２は、軸方向他端側に位置する第２の環状溝４１Ｂに向けて開口するため、第１の環状溝４１Ａ，第２の環状溝４１Ｂ、螺旋溝４７の各溝内における冷却媒体の流れがスムーズとなり、軸受スリーブ１６全体を均一に冷却することができる。これにより、高い回転精度が維持される。

更に、冷却路４０の軸方向両側には、軸受スリーブ１６の外周面１６ｂとリアハウジング３３の内周面３３ａとの間を液密に封止するＯリング４５が配設されるため、冷却媒体のリークが防止されると共に、Ｏリング４５の弾性により主軸装置１０における減衰特性が向上して、特に難削材の加工特性に影響を与える動剛性向上にも寄与する。また、スライド部を流れる冷却媒体のダンパー効果による減衰作用も加わる。

なお、上記実施形態においては、螺旋溝４７（第１の環状溝４１Ａ，第２の４１Ｂも同様）は、図４に示すように、底面４７ａと側壁面４７ｂとによって矩形の断面形状に形成されている。この矩形断面形状の螺旋溝４７の溝幅Ｂ及び深さＴの大きさは、適宜選択可能である。

Ｂ＞Ｔとすると、螺旋溝４７の半径方向深さが浅いので、軸受スリーブ１６の径方向厚みが確保され、スリーブ剛性を大きくすることができる。このような形状は、スリーブの加工精度向上を重視する場合や、主軸の剛性を向上する場合などに適用される。また、Ｂ＜Ｔとすると、螺旋溝４７の半径方向深さが深いので、螺旋溝４７が軸受の近くに形成され、軸受近傍をより高効率で冷却することができる。その結果、主軸の冷却効率を向上することができる。このような形状は、主軸の冷却特性向上を重視する場合に適用される。Ｂ＝Ｔとすると、上記の効果をバランスよく両立させることができる。

また、螺旋溝４７（第１の環状溝４１Ａ，第２の４１Ｂも同様）の断面形状は、矩形以外にも図５に示すような各種形状が可能である。例えば、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、螺旋溝４７の側壁面４７ｂは、軸方向と直交する方向、即ち、半径方向に対して傾斜して形成されてもよい。

具体的に、図５（ａ）に示す軸受スリーブ１６の螺旋溝４７は、溝幅Ｂが螺旋溝４７の底面４７ａから軸受スリーブ１６の外周面１６ｂに向かって次第に大きくなる台形溝となっている。即ち、台形状の螺旋溝４７では、螺旋溝４７の断面形状は、底面４７ａと側壁面４７ｂのなす角度が鈍角（θ_１）であるので、リアハウジング３３の内周面３３ａとの干渉がなく、スライド性が向上する。また、図５（ｂ）に示す軸受スリーブ１６の螺旋溝４７は、溝幅Ｂが螺旋溝４７の底面４７ａから軸受スリーブ１６の外周面１６ｂに向かって次第に小さくなる、所謂、アリ溝となっている。即ち、アリ溝の螺旋溝４７では、螺旋溝４７の断面形状は、底面４７ａと側壁面４７ｂのなす角度が鋭角（θ_２）であるので、発熱源である自由側軸受１４，１４に近い部分の表面積が大きく、自由側軸受１４，１４の熱を効率的に冷却媒体に伝達することができ、冷却性能が向上する。

また、図５（ｃ）に示す軸受スリーブ１６の螺旋溝４７は、曲率半径Ｒの断面半円形であるので、丸形状のバイトで加工することができ、加工する際にバイトの摩滅が少なく、加工性を向上することができる。

また、軸受スリーブ１６のリアハウジング３３の内周面３３ａと対面する外周面１６ｂの両端縁部には、図６に示すように、面取り部４３が形成されてもよい。面取り部４３の外周面１６ｂに対する角度θ_３は、３°〜４５°、より好ましくは、３°〜３０°とするのがよい。これにより、軸受スリーブ１６がリアハウジング３３内で傾いても、リアハウジング３３の内周面３３ａとの干渉が防止され、スライド性が確保される。

また、図７に示すように、軸受スリーブ１６の両端縁部の面取り部４３に加えて、螺旋溝４７（第１の環状溝４１Ａ，第２の４１Ｂも同様）の側壁の頂部（肩部）に面取り部４６を形成すれば、リアハウジング３３の内周面３３ａとの干渉が更に防止されて、スライド性が維持される。螺旋溝４７の肩部の面取り角度θ_４は、３°〜４５°、より好ましくは、３〜３０°である。

（第２実施形態）
次に、図８及び図９を参照して、主軸装置の第２実施形態について説明する。なお、本実施形態の主軸装置は、環状溝がリアハウジングの内周面に設けられている以外は、第１実施形態と同様であるので、第１実施形態と同一又は同等部分については、図面に同一符号を付してその説明を省略或いは簡略化する。また、自由側軸受近傍のみを図示して説明する。

図８及び図９に示すように、リアハウジング３３の内周面３３ａには、軸受スリーブ１６の軸方向一端側に形成された第１の環状溝４１Ｃと、軸受スリーブ１６の軸方向他端側に形成された第２の環状溝４１Ｄと、第１の環状溝４１Ｃに一端部が連通し、第２の環状溝４１Ｄに他端部が連通する一条の螺旋状の螺旋溝４７Ａと、を設けてある。第１の環状溝４１Ｃ，第２の環状溝４１Ｄ、螺旋溝４７Ａは、軸受スリーブ１６をリアハウジング３３の内周面３３ａに嵌合することで、軸受スリーブ１６の外周面１６ｂとの間に冷却媒体が流動する冷却路４９を形成する。

また、リアハウジング３３の内周面３３ａには、冷却路４９より軸方向外側に一対の環状凹溝５０が形成されている。環状凹溝５０には、弾性部材であるＯリング４５が装着されて、リアハウジング３３の内周面３３ａと軸受スリーブ１６との嵌合部を封止している。

したがって、本実施形態の主軸装置１０においても、軸受スリーブ１６の外周面１６ｂとリアハウジング３３の内周面３３ａとの間には、冷却媒体が流動可能な冷却路４９が形成される。冷却路４９は、リアハウジング３３の内周面３３ａに形成され、軸受スリーブ１６の軸方向一端側に配置された第１の環状溝４１Ｃと、軸受スリーブ１６の軸方向他端側に配置された第２の環状溝４１Ｄと、第１の環状溝４１Ｃに一端部が連通し、第２の環状溝４１Ｄに他端部が連通する一条の螺旋状の螺旋溝４７Ａと、を備えるようにした。このため、上記第１実施形態と同様の効果を奏することができる。
その他の構成及び作用効果についても、上記第１実施形態と同様である。

なお、本実施形態においても、螺旋溝４７Ａ、第１の環状溝４１Ｃ，第２の環状溝４１Ｄの各断面形状や、リアハウジング３３の内周面３３ａの両端縁部の形状は、第１実施形態の螺旋溝４７、第１の環状溝４１Ａ，第２の環状溝４１Ｂの断面形状や、軸受スリーブ１６の外周面１６ｂの両端縁部の形状と同様に適用することができる。

即ち、リアハウジング３３の内周面３３ａの両端縁部には、面取り部が形成されてもよく、また、螺旋溝４７の側壁面は、軸方向と直交する方向に対して傾斜して形成されてもよい。

なお、本発明は、前述した各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、螺旋溝の軸方向溝幅は、同一であってもよく、異なった幅であってもよい。螺旋状の軸方向ピッチも任意に設定することができる。なお、本構成では、モータ側を冷却媒体の供給側、主軸端部側を冷却媒体の排出側としたが、これに限らない。

また、上記実施形態では、固定側軸受と自由側軸受間に定圧予圧により予圧が付与された主軸装置について説明したが、これに限定されず、固定側軸受と自由側軸受にそれぞれ定位置予圧された主軸装置にも適用することができ、同様の効果が得られる。このため、自由側軸受としては、アンギュラ玉軸受に限定されず、円筒ころ軸受などの他の転がり軸受が適用されてもよい。

ここで、軸受スリーブ１６の外周面に螺旋溝を有する冷却路を設けた本発明（第１実施形態）の冷却構造と、リアハウジングの外周面に冷却路を設けた図１２に示す冷却構造と、軸受スリーブにもリアハウジングにも冷却路を設けない冷却なしの構造とを用いて、軸受スリーブ内径からハウジング外径までの温度上昇値を比較した。図１０は、冷却構造の違いによる軸受スリーブ内径からハウジング外径までの温度上昇値を比較したグラフである。

図１０から明らかなように、各冷却構造による温度上昇は、軸受スリーブ１６の外周面に螺旋溝を有する冷却路４０を設けた本発明の冷却構造の温度上昇値が最も小さく、主軸装置１０を高効率で冷却していることが分かる。また、ハウジング内径（スリーブ内嵌部）と軸受スリーブの温度上昇値の差も図１２に示す外筒冷却構造に比べて極めて小さくなっており、熱膨張差によるスライド部の嵌め合いすきまの減少を小さくでき、良好な摺動特性が維持できる。

詳しくは、軸受スリーブとハウジング内径の温度差が、図１２に示す外筒冷却構造の場合の８．５℃に比べて本発明の構成では１．５℃であり、約７℃の優位差がある。仮にスライド部（＝スリーブ外径寸法）がφ１５０ｍｍの場合、軸受スリーブとハウジング（炭素鋼）の線膨張係数を１１．５×１０^−６とすると、双方の熱膨張量の差は、
１１．５×１０^−６(/℃) × １５０(ｍｍ) × ７(℃) ＝０．０１２（ｍｍ）
となる。

つまり、本発明の構成の場合、スライド部の設定すきまを従来構造（外筒冷却）での適正設定すきまより１２μｍ小さくしても、良好なスライド特性の維持が可能となる。その結果、軸受温度上昇が比較的低く、スライド部の温度差が小さい低速回転での重切削加工時において、従来構造では、スライド部のすきまが過剰になることによる剛性不足や振動の発生及びフレッチング不具合が生じるところ、本発明の構成ではこれらを防止する効果が得られる。

また、軸受スリーブの温度も約１２℃低いので、軸受温度も低くなり潤滑剤の基油粘度が維持でき、転がり接触部の油膜形成も良好となる。グリース潤滑の場合、基油の増ちょう剤からの分離（離油）もしにくくなり、軸受外部へのグリース流出も少なくなり、グリース寿命の延長化も図れる。

１０主軸装置
１１ハウジング
１２回転軸
１３固定側軸受
１４自由側軸受
１６軸受スリーブ（スリーブ）
１６ｂスリーブの外周面
１８，２３外輪
１９，２４内輪
２８，３０，４０，４９冷却路
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（ハウジング）
３３ａハウジングの内周面
４１Ａ，４１Ｃ第１の環状溝
４１Ｂ，４１Ｄ第２の環状溝
４７，４７Ａ螺旋溝
４３面取り部
４５Ｏリング（弾性部材）
５１供給口
５２排出口

Claims

ハウジングと、
該ハウジングに対して相対回転自在な回転軸と、
内輪が前記回転軸の一端側に外嵌され、外輪が前記ハウジングに固定される固定側軸受と、
前記回転軸の他端側で前記ハウジング内に配置され、前記回転軸の軸方向に移動可能なスリーブと、
内輪が前記回転軸の他端側に外嵌され、外輪が前記スリーブに内嵌される自由側軸受と、
を有する主軸装置であって、
互いに対向する前記スリーブの外周面と前記ハウジングの内周面との間には、冷却媒体が流動可能な冷却路が形成され、
前記冷却路は、前記スリーブの外周面又は前記ハウジングの内周面に形成され、前記スリーブの軸方向一端側に配置された第１の環状溝と、前記スリーブの軸方向他端側に配置された第２の環状溝と、前記第１の環状溝に一端部が連通し、前記第２の環状溝に他端部が連通する一条の螺旋状の螺旋溝と、を備え、
前記第１の環状溝に前記冷却媒体が供給され、前記第２の環状溝から前記冷却路を流動した前記冷却媒体が排出されることを特徴とする主軸装置。
前記冷却路の軸方向両側には、前記スリーブの外周面と前記ハウジングの内周面との間を液密に封止する環状の弾性部材が配設されることを特徴とする請求項１に記載の主軸装置。
前記スリーブの前記ハウジングの内周面に対面する外周面の両端縁部、又は前記ハウジングの内周面の両端縁部には、面取り部が形成されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の主軸装置。
前記第１の環状溝、前記第２の環状溝、前記螺旋溝の少なくともいずれかの溝の側壁面は、前記軸方向と直交する方向に対して傾斜して形成されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の主軸装置。