JP2015186829A - 工作機械の冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】工作機械の冷却構造において螺旋状の溝を形成した場合に、十分な冷却効果を得ることができる冷却構造を提供する。【解決手段】工作機械の冷却構造は、工作機械の中ぐり主軸１３と、主軸１３の軸方向に沿って配列され主軸を支持するための複数の軸受４１と、配列された複数の軸受４１の配列方向に沿って冷却液を流す冷却溝３１と、を備え、冷却溝３１は、主軸１３の軸線方向に旋回しながら延びる第一の螺旋溝３３と、第一の螺旋溝３３とは交差しないように主軸１３の軸線方向に旋回しながら延びる第二の螺旋溝３５と、を備えている。【選択図】図３

Description

本発明は、工作機械の冷却構造に関し、特に、工作機械の軸受周辺の冷却構造に関する。

従来から、中ぐり盤のような工作機械において工具が装着された主軸を支持するための軸受を冷却するための構造として、主軸を囲むように主軸に固定されたスリーブの内周面に螺旋状の溝を設け、スリーブの内周と主軸の外周との間に冷却液を流し、主軸の冷却を効果的に行えるようにした冷却構造が知られている（例えば、特許文献１）。

また、このような軸受を有する工作機械において、主軸の回転精度と剛性を得る目的で、中ぐり盤の主軸を支持する軸受の外輪の間に外輪間座を設け、この外輪間座の熱変形を用いて外輪内輪を介して主軸に予圧を付与するこが知られている（例えば、特許文献２）。外輪間座を用いて軸受に予圧を付与する場合、低速回転時には高剛性を実現するために予圧を大きくするが、高速回転時には主軸又は軸受の熱による損傷を防止するために予圧を小さくするように調整する必要がある。この場合、外輪間座又は軸受ハウジングに冷却液を流す溝を設け、冷却液の温度を調整することにより予圧を適切に制御している。

特開２０１１−１５６５９７号公報 特開平３−７３２０５号公報

上述したように、工作機械の軸受には、主軸と軸受の焼き付きを防止するために冷却する目的、場合によってはこれに加えて、軸受に予圧を加えるときの予圧を制御することを目的として、冷却液を流す溝を設けることが非常に重要である。

しかしながら、特許文献１に記載されているように、中ぐり盤の中ぐり主軸に沿って延びる１本の螺旋状の溝を設けた場合、螺旋を描く溝の間隔が広いと、溝の間の領域に冷却液が行き届かず冷却効果が低くなってしまう、という問題があった。

従って、本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、工作機械の冷却構造において螺旋状の溝を形成した場合に、十分な冷却効果を得ることができる冷却構造を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明は、工作機械の冷却構造であって、工作機械の主軸と、前記主軸の軸方向に沿って配列され前記主軸を支持するための複数の軸受と、配列された前記複数の軸受の配列方向に沿って冷却液を流す冷却溝と、を備え、前記冷却溝は、前記主軸の軸線方向に旋回しながら延びる第一の螺旋溝と、前記第一の螺旋溝とは交差しないように前記主軸の軸線方向に旋回しながら延びる第二の螺旋溝と、を備えていることを特徴とする。

このように構成された本発明によれば、主軸の軸線方向に旋回しながら延びる第一の螺旋溝に加えて、この第一の螺旋溝とは交差しないように延びる第二の螺旋溝を有する冷却構造を提供することができる。そして、互いに交差しない二本の溝によって冷却溝を構成することにより、溝の密度を高くすることができ、これにより、溝の間の領域を少なくすることができる。

また、本発明において、好ましくは、前記第一の螺旋溝への冷却液の流入口は、前記主軸の一端側に形成され、前記第一の螺旋溝からの冷却液の流出口は、前記主軸の他端側に形成されており、前記第二の螺旋溝への冷却液の流入口は、前記主軸の他端側に形成されており、前記第二の螺旋溝からの冷却液の流出口は、前記主軸の一端側に形成されている。

一般的に、冷却液によって工作機械の冷却を行うと、熱交換によって冷却液の温度は徐々に上昇するが、本発明のように、第一の螺旋溝と第二の螺旋溝の流入口を、それぞれ主軸の異なる端側に形成し、第一の螺旋溝と第二の螺旋溝とで逆向きに冷却液を流せるようにすることにより、任意の位置における第一の螺旋溝内の冷却液の温度と、第二の螺旋溝内の冷却液の温度との和を、主軸の軸方向にわたって実質的に均一にすることができる。これにより、主軸の軸方向にわたって冷却温度斑を少なくすることができる。

また、本発明において好ましくは、前記第一の螺旋溝からの流出口は、前記主軸の他端部近傍で延びる接続通路を介して前記第二の螺旋溝の流入口と接続されている。

このように構成された本発明によれば、第一の螺旋溝と第二の螺旋溝を連通した実施的に一本の溝とすることができる。従って、冷却液の圧送手段の数を増やすことなく、一つの圧送手段のみによって冷却液を循環させることができる。

また、本発明において好ましくは、前記第一の螺旋溝の流入口は、冷却液を圧送する第一のポンプと連結できるように構成され、前記第二の螺旋溝の流入口は、前記第一のポンプとは異なる第二のポンプと連結できるように構成されている。

このように構成された本発明によれば、一つの螺旋溝の長さを比較的短くすることができるため、比較的吐出力の弱い安価なポンプを用いて冷却を行うことができる。また、この場合、二つの螺旋溝が連結されていないため、冷却液の温度を低く保つことができる。これにより、冷却効率を高めることができる。

また、本発明において好ましくは、前記第一の螺旋溝への冷却液の流入口、及び前記第二の螺旋溝への冷却液の流入口は、前記主軸の一端側に形成されており、前記第一の螺旋溝からの冷却液の流出口、及び前記第二の螺旋溝からの冷却液の流出口は、前記主軸の他端側に形成されている。

このように構成された本発明によっても、一つの螺旋溝の長さを比較的短くすることができるため、比較的吐出力の弱い安価なポンプを用いて冷却を行うことができる。また、この場合、二つの螺旋溝が連結されていないため、冷却液の温度を低く保つことができる。これにより、冷却効率を高めることができる。

これらの場合において前記冷却溝は、前記主軸の外周面に形成されていることが好ましい。

また、これらの場合において、隣接する軸受の間に配置され、軸受の外輪に予圧を加える外輪間座を備えており、前記冷却溝は、前記外輪間座に形成されていることが好ましい。

また、これらの場合において、前記軸受を収容するハウジングを備え、前記冷却溝は、前記ハウジングに形成されていることが好ましい。

以上のように、本発明によれば、工作機械の冷却構造において螺旋状の溝を形成した場合に、十分な冷却効果を得ることができる冷却構造を提供することができる。

本発明の実施形態による冷却構造を適用した工作機械の正面図である。 本発明の実施形態による冷却構造を適用した工作機械の側面図である。 本発明の実施形態による冷却構造を構成する冷却溝の一例を示す上面図である。 本発明の実施形態による冷却構造を構成する冷却溝の一例を示す上面図である。 本発明の実施形態による冷却構造を構成する冷却溝の一例を示す上面図である。 本発明の実施形態による中ぐり盤の主軸に沿った断面図であり、冷却溝の位置の一例を説明するためのものである。 本発明の実施形態による中ぐり盤の主軸に沿った断面図であり、冷却溝の位置の一例を説明するためのものである。 本発明の実施形態による中ぐり盤の主軸に沿った断面図であり、冷却溝の位置の一例を説明するためのものである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態による冷却構造について説明する。図１は、本発明の実施形態による冷却構造を適用した工作機械としての中ぐり盤の正面図であり、図２は、同中ぐり盤の側面図である。

図１及び図２に示すように、中ぐり盤１には、床面に固定されるベッド３が設けられており、このベッド３の上面には、コラムベース５が水平なＸ軸方向に移動可能に支持されている。また、コラムベース５の上面には、コラム７が立設されており、このコラム７の側面には、サドル９が鉛直なＹ軸方向に昇降可能に支持されている。更に、サドル９内には、ラム（ハウジング）１１が水平なＺ軸方向に移動可能に支持されており、このラム７内には、中ぐり主軸１３が、後述する軸受によって、中ぐり主軸１３の軸心周りに回転可能に支持されている。そして、中ぐり主軸１３の先端（前端）には、工具Ｔが着脱可能に装着されている。

ここで、中ぐり盤１においては、中ぐり主軸１３に対する冷却及び潤滑を行うために、当該中ぐり主軸１３に対して、サドル９及びラム１１を介して、冷却液の給排を行うようにしている。

そこで、中ぐり盤１には、冷却液が貯蔵される貯蔵タンク１５が設けられており、この貯蔵タンク１５には、供給管１７及び排出管１９がサドル９との間において接続されている。このうち、供給管１７には、ポンプ２１が接続されている。更に、貯蔵タンク１５には、オイルクーラ２３が接続されている。従って、貯蔵タンク１５に貯蔵された冷却液は、オイルクーラ２３との間で常時循環され、当該オイルクーラによって所定温度に調整されるようになっている。

詳細は後述するが、中ぐり主軸１３は、ラム１１内に配列された複数の軸受によって回転可能に支持されており、ラム１１内には、軸受の回転時に発生する熱のための冷却構造が設けられている。

図３は、冷却構造を構成する冷却溝の一例を示す上面図である。図３に示すように、ラム１１内の所定の円柱形状部分には、軸受の回転時に発生する熱を冷却する冷却液を流すための冷却溝３１が形成されている。ここで「ラム１１内の所定の円柱形状部分」とは、例えば、中ぐり主軸１３、軸受の外輪を予圧するための外輪間座、軸受を収容するための軸受ハウジングのように外形が円柱形状を有し、かつ中ぐり主軸１３の中心軸と同心にラム１１内に配置されている様々な部材をいう。

冷却溝３１は、供給管１７を通じて流れてきた冷却液を、円柱形状部分の軸方向に沿って流し、ラム１１内部を冷却するものである。そして冷却溝３１の終点まで流れて冷却液は、排出管１９を通じて貯蔵タンク１５まで戻される。このような冷却溝３１は、旋回しながら中ぐり主軸１３の軸線方向に延びる第一の冷却溝３３と、この第一の冷却溝３３と交差することなく、旋回しながら中ぐり主軸１３の軸線方向に延びる第二の冷却溝３５とを備えている。第一の冷却溝３３と第二の冷却溝３５は、中ぐり主軸１３の軸線に対して軸対称に形成されており、両者は交差することなく、中ぐり主軸１３の前端側から後端側まで延びている。第一の冷却溝３３は、その流入口３３ａが供給管１７と接続されており、流入口３３ａは、中ぐり主軸１３の前端側に形成されている。また、第一冷却溝３３の流出口３３ｂは、中ぐり主軸の後端側に形成されている。また、第二の冷却溝３５は、流入口３５ａと流出口３５ｂとを備えており、流出口３５ｂは、中ぐり主軸１３の前端側に形成され、排出管１９と接続されている。また、第二の冷却溝３５の流入口３５ａは、中ぐり主軸１３の後端側に形成されており、第一の冷却溝３３の流出口３３ｂと、第二の冷却溝３５の流入口３５ａは、接続通路３７を介して接続されている。

接続通路３７は、冷却溝３１が設けられている位置に応じて様々な形状とすることができる。具体的には、接続通路３７は、冷却溝３１が形成されている壁面に沿った溝形状としたり、第一の冷却溝３３と第二の冷却溝３５との間に部材がある場合には、この部材を貫通する貫通孔としたりしても良い。

このような冷却溝３１内に冷却液を流すと、冷却液は、第一の冷却溝３３の流入口３３ａから第一の冷却溝３３内に入り、中ぐり主軸１３の前端側から後端側に向けて、旋回しながら流れる。そして、冷却液は、第一の冷却溝３３の流出口３３ｂから接続通路３７に流れ、流入口３５ａを介して第二の冷却溝３５に流入する。そして冷却液は、第二の冷却溝３５に沿って、中ぐり主軸１３の後端側から前端側に向けて旋回しながら流れる。このように、冷却溝３１は、中ぐり主軸１３の軸線方向に冷却液を往復させる一本の溝によって形成されている。

一般的に、冷却液の温度は、冷却溝内の流れるに従って上昇するため、冷却溝３１においては、第一の冷却溝３３の流入口３３ａにおける冷却液の温度が一番低く、第二の冷却溝３５の流出口３５ｂにおける冷却液の温度が一番高く、その間では、温度が漸増することとなる。そして、この例のように、冷却溝３１を、中ぐり主軸１３の軸線方向に往復させることにより、例えば第一の冷却溝３３内の温度の高い領域と、第二の冷却溝３５の温度の低い領域とを中ぐり主軸１３の軸線方向の同じ位置に配置することができ、かつ第一の冷却溝３３内の温度の低い領域と、第二の冷却溝３５の温度の高い領域とを中ぐり主軸１３の軸線方向の同じ位置に配置することができる。そして、冷却液の温度が定量的に漸増するため、中ぐり主軸１３の軸線方向の特定の位置における、第一の冷却溝３３内の冷却液の温度と第二の冷却溝３５内の冷却液の温度の和は、軸線方向の他の位置での冷却液の温度の和とほぼ等しくなる。従って、中ぐり軸１３が回転したときに冷却能力を、中ぐり主軸１３の軸線方向にわたって、ほぼ均一にすることができる。

図４は、冷却構造を構成する冷却溝の一例を示す上面図である。図４に示す例では、冷却溝３１’は、図３で示した例と同様に、第一の冷却溝３３’と第二の冷却溝３５’とを備えているが、この例では、二つの冷却溝３３’，３５’は互いに接続されていない。従って、この例では、供給管１７、排出管１９、及びポンプ２１に加えて、別セットの供給管１７’、排出管１９’、及びポンプ２１’を備えている。そして、供給管１７及び排出管１９は、第一の冷却溝３３’にのみ接続されており、供給管１７’及び排出管１９’は、第二の冷却溝３５’のみに接続されている。この例でも、第一の冷却溝３３’と第二の冷却溝３５’とは、中ぐり主軸１３の軸線に対して軸対称に形成されており、第一の冷却溝３３’の流入口３３ａ’は、中ぐり主軸１３の前端側に形成されており、その流出口３３ｂ’は、中ぐり主軸１３の後端側に形成されている。また、第二の冷却溝３５の流入口３５ａ’は、中ぐり主軸１３の後端側に形成されており、流出口３５ｂ’は、中ぐり主軸１３の前端側に形成されている。

そしてこのような構成によっても、図３で示した例と同様に、冷却液を中ぐり主軸１３の軸線に沿って逆方向に流すことができるので、冷却液の温度を、中ぐり軸１３の軸線方向にわたって、ほぼ均一にすることができる。また、図４に示す例では、各々の冷却溝３３’，３５’が別々のポンプ２１，２１’に接続されているため、吐出力の低い安価なポンプを用いて冷却液の圧送を行うことができる。

また、図５は、図４の例の更なる変形例による冷却溝を示す上面図である。図５に示す例では、冷却溝３１’’は、第一の冷却溝３３’’と、第二の冷却溝３５’’とを備えており、第一の冷却溝３３’’の流入口３３ａ’’と、第二の冷却溝３５’’の流入口３５ａ’’とが、両方とも中ぐり主軸１３の前端側に形成されている。このような構成によっても、冷却溝３３’’，３５’’が別々のポンプ２１，２１’に接続されているため、吐出力の低い安価なポンプを用いて冷却液の圧送を行うことができる。また、流入口３３’’と流入口３５’’を両方とも中ぐり主軸１３の前端側に設けることによって、軸受等の発熱源が中ぐり主軸の前端側に取り付けられている場合に、発熱源を集中的に冷却することができる。

図６は、中ぐり盤の主軸に沿った断面図であり、冷却溝の位置の一例を説明するためのものである。なお、以下で説明する例は、上述した図３乃至図５に示す何れの冷却溝３１，３１’，３１’’にも適用可能である。

図６に示す例では、中ぐり盤１は、中ぐり主軸１３を支持するための、中ぐり主軸１３の軸線方向に沿って配列された複数の軸受４１と、軸受４１の間に配置され軸受４１の外輪４３に予圧を付与するための外輪間座４５とを備えている。外輪間座４５は、軸受４１の外輪４３の間に圧入され、中ぐり主軸１３と同心に配置された円筒形状を有している。そしてこの例では、冷却溝３１は、外輪間座４５の外周に形成されている。そして図示は省略するが、供給管１７と排出管１９は、外輪間座４５よりも外周側に設けられた軸受ハウジング４７を貫通して冷却溝３１と連結されている。

この例では、冷却液によって、単に軸受４１の回転時に発生する熱を取り除けるだけではなく、外輪間座４５の熱膨張を制御することもできる。即ち、中ぐり盤１を低速駆動させる場合には、外輪間座４５から外輪４３に加える予圧を大きくする必要があるため、冷却溝３１を流れる冷却液の温度を比較的高くし、外輪間座４５に熱膨張を生じさせる。一方で、中ぐり盤１を高速駆動させる場合には、外輪間座４５から外輪４３に加える予圧を小さくする必要があるため、冷却溝３１を流れる冷却液の温度を比較的低くし、外輪間座４５の温度を低下させて熱膨張を抑制する。従って、この例のように、外輪間座４５に冷却溝３１を設けることにより、軸受４１の熱を取り除くと同時に、軸受４１に加える予圧を調整することができる。

図７は、中ぐり盤の主軸に沿った断面図であり、冷却溝の位置の更なる一例を説明するためのものである。この例では、冷却溝３１は、中ぐり主軸１３の外周に設けられている。冷却溝３１を設ける範囲としては、中ぐり主軸１３における軸受４１と近接している範囲であることが好ましい。そして、この例のように、中ぐり主軸１３の外周に冷却溝３１を設けることによって、中ぐり盤１の駆動時に軸受４１が発生させる熱を効果的に取り除くことができる。

図８は、中ぐり盤の主軸に沿った断面図であり、冷却溝の位置の更なる一例を説明するためのものである。この例では、冷却溝３１は、軸受ハウジング４７の外周に設けられている。冷却溝３１を設ける範囲としては、軸方向において、軸受４１が設けられている範囲と重複する範囲であることが好ましい。そして、この例のように、軸受ハウジング４７の外周に冷却溝３１を設けることによって、中ぐり盤１の駆動時に軸受４１が発生させる熱を効果的に取り除くことができる。

以上のように本発明の実施形態による中ぐり盤１の冷却構造によれば、第一の冷却溝３３，３３’，３３’’と、第二の冷却溝３５，３５’，３５’’によって溝の間の領域を狭くすることができるので、軸受４１が発した熱を好適に除去することができる。

１ 中ぐり盤
３１，３１’，３１’’ 冷却溝
３３，３３’，３３’’ 第一の冷却溝
３５，３５’，３５’’ 第二の冷却溝
４１ 軸受
４３ 外輪
４５ 外輪間座
４７ 軸受ハウジング

Claims (8)

1. 工作機械の冷却構造であって、
   工作機械の主軸と、
   前記主軸の軸方向に沿って配列され前記主軸を支持するための複数の軸受と、
   配列された前記複数の軸受の配列方向に沿って冷却液を流す冷却溝と、を備え、
   前記冷却溝は、前記主軸の軸線方向に旋回しながら延びる第一の螺旋溝と、前記第一の螺旋溝とは交差しないように前記主軸の軸線方向に旋回しながら延びる第二の螺旋溝と、を備えていることを特徴とする、冷却構造。
2. 前記第一の螺旋溝への冷却液の流入口は、前記主軸の一端側に形成され、前記第一の螺旋溝からの冷却液の流出口は、前記主軸の他端側に形成されており、前記第二の螺旋溝への冷却液の流入口は、前記主軸の他端側に形成されており、前記第二の螺旋溝からの冷却液の流出口は、前記主軸の一端側に形成されている、請求項１に記載の冷却構造。
3. 前記第一の螺旋溝からの流出口は、前記主軸の他端部近傍で延びる接続通路を介して前記第二の螺旋溝の流入口と接続されている、請求項２に記載の冷却構造。
4. 前記第一の螺旋溝の流入口は、冷却液を圧送する第一のポンプと連結できるように構成され、前記第二の螺旋溝の流入口は、前記第一のポンプとは異なる第二のポンプと連結できるように構成されている、請求項２に記載の冷却構造。
5. 前記第一の螺旋溝への冷却液の流入口、及び前記第二の螺旋溝への冷却液の流入口は、前記主軸の一端側に形成されており、前記第一の螺旋溝からの冷却液の流出口、及び前記第二の螺旋溝からの冷却液の流出口は、前記主軸の他端側に形成されている、請求項１に記載の冷却構造。
6. 前記冷却溝は、前記主軸の外周面に形成されている、請求項１乃至５の何れか１項に記載の冷却構造。
7. 隣接する軸受の間に配置され、軸受の外輪に予圧を加える外輪間座を備えており、前記冷却溝は、前記外輪間座に形成されている、請求項１乃至５の何れか１項に記載の冷却構造。
8. 前記軸受を収容するハウジングを備え、前記冷却溝は、前記ハウジングに形成されている、請求項１乃至５の何れか１項に記載の冷却構造。

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