JP2016136048A - 静圧流体軸受装置、静圧流体軸受装置を用いた工作機械用主軸装置及び静圧流体軸受装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】静圧流体軸受装置のポケットにおける流体の速度勾配の上昇を抑制し動力損失の低減を図る。
【解決手段】静圧流体軸受装置であって、砥石軸１３１（回転軸）を回転支持するための静圧部１８を有する軸受メタルを備え、静圧部１８は、軸受隙間２０と、軸受面部２２と、複数のポケット２４と、仕切り板４８と、を有し、砥石軸１３１の回転方向において仕切り板４８とポケットの縁部４６との間に隙間５０が形成されており、隙間５０はポケット２４内において回転方向の前後に設けられており、軸受隙間２０は、第１軸受隙間Ｃと、第２軸受隙間Ｈと、を有し、第２軸受隙間Ｈは、第１軸受隙間Ｃより大きい関係である。
【選択図】図６
【解決手段】静圧流体軸受装置であって、砥石軸１３１（回転軸）を回転支持するための静圧部１８を有する軸受メタルを備え、静圧部１８は、軸受隙間２０と、軸受面部２２と、複数のポケット２４と、仕切り板４８と、を有し、砥石軸１３１の回転方向において仕切り板４８とポケットの縁部４６との間に隙間５０が形成されており、隙間５０はポケット２４内において回転方向の前後に設けられており、軸受隙間２０は、第１軸受隙間Ｃと、第２軸受隙間Ｈと、を有し、第２軸受隙間Ｈは、第１軸受隙間Ｃより大きい関係である。
【選択図】図６
Description
この発明は静圧流体軸受装置、静圧流体軸受装置を用いた工作機械用主軸装置及び静圧流体軸受装置の製造方法に関する。
従来、工作機械の主軸などの高速回転する回転軸を潤滑液剤等の加圧流体の静圧によって支持する静圧流体軸受装置が知られている（特許文献１参照）。例えば、特許文献１には、回転軸を回転支持するための静圧部を有する軸受メタルを備える静圧流体軸受装置の技術が開示されている。係る静圧部は、回転軸の表面との間に軸受隙間を有する軸受面部と、軸受面部の周方向に隣接して凹設される複数のポケットとを有し、係るポケットに潤滑液剤などの流体を供給することで、回転軸を流体圧（静圧）によって支持する技術である。
しかしながら、静圧流体軸受装置に使用される潤滑液剤は、図９、１０に示すように回転軸の回転によってポケット内において所謂つれ回りによる流れを引き起こし、回転軸の回転方向の流れと、ポケットの底部における回転軸の回転と逆方向の流れと、が生じる。これに伴い静圧流体軸受装置は、回転軸の表面近傍に大きな速度勾配が発生し、大きな流体せん断抵抗による動力損失が懸念される。また、ポケット内部は、レイノルズ数が２００００〜３００００の強い乱流となっており、回転軸の表面近傍の大きな速度勾配の発生、大きな流体せん断抵抗による動力損失が懸念される。この傾向は、回転軸が高速回転するにつれて一層顕著となる。
そこで本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、本発明が解決しようとする課題は、静圧流体軸受装置のポケットにおける流体の速度勾配の上昇を抑制し動力損失の低減を図ることにある。
上記課題を解決するために、本発明の静圧流体軸受装置は次の手段をとる。先ず、第１の発明に係る静圧流体軸受装置は、静圧流体軸受装置であって、回転軸を回転支持するための静圧部を有する軸受メタルを備え、前記静圧部は、前記回転軸の表面との間に潤滑液剤が充填される軸受隙間と、前記回転軸の表面と並行する軸受面部と、該軸受面部の周方向に隣接して凹設される複数のポケットと、該ポケット内に収容され且つ前記ポケットの底部と前記回転軸の表面の間を仕切る仕切り板と、を有し、前記回転軸の回転方向において前記仕切り板と前記ポケットの縁部との間に隙間が形成されており、前記隙間は前記ポケット内において回転方向の前後に設けられており、前記軸受隙間は、前記回転軸の表面と前記軸受面部との間の第１軸受隙間と、前記回転軸の表面と前記仕切り板との間の第２軸受隙間と、を有し、前記第２軸受隙間は、前記第１軸受隙間より大きい関係である。
この第１の発明によれば、静圧部には、ポケット内に収容され且つポケットの底部と回転軸の表面の間を仕切る仕切り板を有している。また、ポケット内において回転方向の前後に設けられる隙間を有している。これにより、潤滑液剤の流れは、仕切り板の構成により回転軸の回転方向の流れと、ポケットの底部における回転軸の回転と逆方向の流れと、の相互の影響を及ぼし難くなる。これにより、静圧流体軸受装置のポケットにおける流体の速度勾配の上昇を抑制し動力損失の低減を図ることができる。
次に、第２の発明に係る静圧流体軸受装置は、第１の発明であって前記潤滑液剤の密度をρ、前記潤滑液剤の粘性係数をμ、前記回転軸の周速をＵ、前記第２軸受隙間をＨである場合に、前記第２軸受隙間におけるレイノルズ数ＲｅはＲｅ＝ρＵＨ／μで表され、前記回転軸が回転支持される状態の前記第２軸受隙間における潤滑液剤の流れはＲｅ＜２０００である。
この第２の発明によれば、回転軸の表面と前記仕切り板との間の第２軸受隙間におけるレイノルズ数ＲｅはＲｅ＝ρＵＨ／μで表される。そして回転軸が回転支持される状態の第２軸受隙間における潤滑液剤の流れはＲｅ＜２０００である。すなわち、第２軸受隙間における潤滑液剤の流れにともなう大きな流体せん断抵抗が生じ難くなり、動力損失が抑制され得る。
次に、第３の発明に係る静圧流体軸受装置は、上述した第１の発明または第２の発明に係る静圧流体軸受装置であって、前記隙間は前記回転軸の軸方向に並行するスリットとして設けられており、前記スリットは前記回転軸の回転方向で見て下流側の第１スリットと上流側の第２スリットを有しており、前記第１スリットと前記第２スリットの開口幅は前記第２軸受隙間より大きい。
この第３の発明によれば、スリットは前記回転軸の回転方向で見て下流側の第１スリットと上流側の第２スリットを有しており、第１スリットと第２スリットの開口幅は第２軸受隙間より大きい。そのため、第２軸受隙間における潤滑液剤をポケットの底部側に流れやすくすることができる。
次に、第４の発明に係る静圧流体軸受装置は、上述した第１の発明から第３の発明のいずれかに係る静圧流体軸受装置であって、前記潤滑液剤は、水または組成に占める水の割合が９０％以上の水溶液または、低粘度鉱油である。
この第４の発明によれば、潤滑液剤は、水または組成に占める水の割合が９０％以上の水溶液または、低粘度鉱油であると好適である。
次に、第５の発明に係る静圧流体軸受装置は、上述した第１の発明から第４の発明のいずれかに係る静圧流体軸受装置であって、前記回転軸が回転支持される状態の前記第２軸受隙間における前記潤滑液剤は前記回転軸の回転方向に沿って流れる層流であり、前記ポケットの底部と前記仕切り板との間の第３軸受隙間における前記潤滑液剤は前記回転軸の反回転方向の流れである。
この第５の発明によれば、第２軸受隙間における潤滑液剤は回転軸の回転方向に沿って流れる層流であり、ポケットの底部と仕切り板との間の第３軸受隙間における潤滑液剤は回転軸の反回転方向の流れとする。これにより、仕切り板は、第２軸受隙間における層流と、第３軸受隙間における反回転方向の流れを仕切る。そのため相互の影響を及ぼし難くなる。よって、ポケットにおける流体の速度勾配の上昇を抑制し動力損失の低減をより一層図ることができ得る。
次に、第６の発明に係る静圧流体軸受装置は、上述した第１の発明から第５の発明のいずれかに係る静圧流体軸受装置であって、前記仕切り板と前記軸受メタルとは、別体で設けられている。
この第６の発明によれば、仕切り板は、軸受メタルと別体で設けることで、仕切り板のみの交換が容易となる。これは、静圧流体軸受が回転軸から径方向に力が加わって磨耗などの影響を受けた場合でも、仕切り板のみ交換することができる。そのため軸受メタルすべて交換する必要がなくなる。
次に、第７の発明に係る静圧流体軸受装置は、上述した第１の発明から第６の発明のいずれかに係る静圧流体軸受装置であって、前記仕切り板と前記軸受メタルとは、別材質であり、前記仕切り板は、前記軸受メタルより低強度の材質で設けられている。
この第７の発明によれば、仕切り板は、軸受メタルと別材質であり、軸受メタルより低強度の材質で設けられている。仕切り板が別材質で軸受メタルより低強度の材質で設けられていることで、軸受メタルと同材質の場合に比べ負荷などにより回転軸と仕切り板が接した際に、回転軸への磨耗などの悪影響をより起こしにくくできる。回転軸は、回転精度を高めるため、高い真円度など高精度に加工される場合が多く、交換するとコスト高となりやすいが、本発明では回転軸をより損傷、磨耗し難くできる。
次に、第８の発明は、上述した第１の発明から第６の発明のいずれかに係る静圧流体軸受装置を用いて工作機械における工作機械用主軸を回転支持する工作機械用主軸装置とする。このように、工作機械用主軸装置に上記静圧流体軸受装置を用いると好適である。
また、第９の発明は、金属製の円筒状部材の外周面と内周面に切削加工を施して、軸方向両端に配設される環状部位と、該軸方向両端の環状部位を連結し周方向に間隔をあけて配置される複数の柱部位と、該柱部位によって区画形成される複数のポケットと、該ポケット内に円弧状の仕切り板とを形成し、回転軸を回転支持するための軸受メタルに対し、前記切削加工後の円筒状部材を焼き嵌めによって取り付ける静圧流体軸受装置の製造方法である。このような製造方法によって静圧流体軸受装置を採用し得る。
本発明は上記各発明の手段をとることにより、静圧流体軸受装置のポケットにおける流体の速度勾配の上昇を抑制し動力損失の低減を図ることができる。
以下に本発明を実施するための一形態として静圧流体軸受装置、静圧流体軸受装置を用いた工作機械用主軸装置及び静圧流体軸受装置の製造方法を図面を用いて説明する。
図１は、実施形態に係る静圧流体軸受装置を用いた工作機械用主軸装置の一例として研削盤１０の全体構成を示す平面図である。図２は、研削盤１０の右側面図である。なお、図２では保持台１５１を備えたワーク保持装置１５０の図示を省略している。ここで、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸が記載されているすべての図面において、Ｘ軸とＹ軸とＺ軸は互いに直交しており、Ｙ軸は鉛直上向きを示しており、Ｚ軸とＸ軸は水平方向を示している。そして、Ｚ軸方向は砥石回転軸Ｌ１と平行な方向（換言すれば、ワーク回転軸方向）を示しており、Ｘ軸方向は砥石回転軸Ｌ１に直交する方向であり、砥石１３２がワークＷに切り込む方向を示している。また、砥石回転軸Ｌ１とワーク回転軸Ｌ２とツルア回転軸Ｌ３は、いずれもＺ軸方向と平行である。
図１、２に示される研削盤１０は、ワークＷに対して砥石１３２をＸ軸方向及びＺ軸方向へ相対的に移動制御してワークＷを研削するようになっている。平面形状で矩形に形成された基台１１０上の略中央部には、Ｚ軸方向に延びる一対のＺ軸方向ガイドレール１１１にスライド案内されるＺ軸方向スライドテーブル１１２が配設されている。Ｚ軸方向スライドテーブル１１２は、制御手段１８０（ＮＣ制御装置等）によって作動制御されるＺ軸方向駆動モータ１１４を駆動源とするＺ軸方向送りねじ１１３の回転動作によってＺ軸方向へスライドされる。また、Ｚ軸方向駆動モータ１１４には、Ｚ軸方向スライドテーブル１１２のＺ軸方向の位置を確認するために、Ｚ軸駆動モータ１１４の出力軸の回転角度を検出してその検出信号を制御手段１８０に送るエンコーダ等のＺ軸方向位置検出手段１１５が設けられている。制御手段１８０は、Ｚ軸方向駆動モータ１１４を用いて、ツルア１７７又はワークＷに対して砥石１３２を相対的にＺ軸方向へ移動させ、Ｚ軸方向位置検出手段１１５からの検出信号に基づいて、ツルア１７７又はワークＷに対する砥石１３２のＺ軸方向への相対的な移動量を検出可能である。
Ｚ軸方向スライドテーブル１１２上には、Ｘ軸方向に延びる一対のＸ軸方向ガイドレール１２１にスライド案内されるＸ軸方向スライドテーブル１２２が配設されている。Ｘ軸方向スライドテーブル１２２は、制御手段１８０によって作動制御されるＸ軸方向駆動モータ１２４を駆動源とするＸ軸方向送りねじ１２３の回転動作によってＸ軸方向へスライドされる。また、Ｘ軸方向駆動モータ１２４には、Ｘ軸方向スライドテーブル１２２のＸ軸方向の位置を確認するために、Ｘ軸方向駆動モータ１２４の出力軸の回転角度を検出してその検出信号を制御手段１８０に送るエンコーダ等のＸ軸方向位置検出手段１２５が設けられている。制御手段１８０は、Ｘ軸方向駆動モータ１２４を用いて、ツルア１７７又はワークＷに対して砥石１３２を相対的にＸ軸方向へ移動させ、Ｘ軸方向位置検出手段１２５からの検出信号に基づいて、ツルア１７７又はワークＷに対する砥石１３２のＸ軸方向への相対的な移動量を検出可能である。
Ｘ軸方向スライドテーブル１２２上には、砥石駆動モータ１２６と砥石軸ホルダ１３０とがそれぞれ配設されており、砥石駆動モータ１２６の出力軸には駆動プーリ１２７が設けられる。一方、砥石軸ホルダ１３０に回転可能に支持されかつ一端部に略円筒状の砥石１３２が設けられる砥石軸１３１（Ｚ軸方向に平行な砥石回転軸Ｌ１回りに回転する砥石軸）の他端には、従動プーリ１２８が設けられている。そして、駆動プーリ１２７と従動プーリ１２８との間にはベルト１２９が張設され、これによって、砥石駆動モータ１２６の出力軸のトルクがベルト１２９を介して砥石軸１３１に伝達される。
基台１１０上には、軸状のワークＷをＺ軸方向のワーク回転軸Ｌ２回りに回転させながら設定位置に保持するワーク保持装置１４０とワーク保持装置１５０とが、Ｚ軸方向に平行なワーク回転軸Ｌ２上に配設されている。ワーク保持装置１４０は、基台１１０上に固定された保持台１４１と、保持台１４１に対しワーク回転軸Ｌ２上に往復動可能な保持軸ハウジング１４２と、この保持軸ハウジング１４２内でワーク回転軸Ｌ２回りに回転可能に支持された保持軸部材１４３とを備え、保持軸部材１４３の先端にはワークＷの一方の端面の中心部を支持するセンタ部材１４４が設けられている。また、保持軸部材１４３は、制御手段１８０によって作動制御される保持軸モータ（図示省略）を駆動源として任意の角速度で任意の角度まで回転制御される。また、ワーク保持装置１５０においても、ワーク保持装置１４０と同様にして保持台１５１、保持軸ハウジング１５２、保持軸部材１５３及びセンタ部材１５４を備えて構成されている。また、保持軸ハウジング１４２にはツルア回転軸Ｌ３回りに回転可能に支持されたツルア１７７を備えたツルーイング装置１６０が設けられている。なお、図２に示すように、砥石回転軸Ｌ１と、ワーク回転軸Ｌ２と、ツルア回転軸Ｌ３は、いずれもＸ軸方向及びＺ軸方向に平行な平面である仮想平面ＶＭ上にある。
このように、研削盤１０は、ワークＷまたはツルア１７７に対して砥石１３２をＺ軸方向及びＸ軸方向に相対移動させることで、ワークＷの研削を施し、またはツルア１７７によって砥石１３２の外形形状を適宜型直しを施す。
図３は、砥石軸ホルダ１３０の拡大断面図（図１のＩＩＩ部の箇所）である。図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。図５は、軸受メタルに円筒状部材を組付けた状態の斜視図である。ここで図５は、軸受メタル１４の一部を割断し内部の円筒状部材４０を図示している。図６は、図４のＶＩ部を拡大した断面図でありポケット内の潤滑液剤の流れを示した図である。砥石軸ホルダ１３０は、図３に示すように砥石軸ハウジング１２と、砥石軸ハウジング１２内に固定される軸受メタル１４を有する。砥石軸１３１（回転軸）は軸受メタル１４に回転支持されている。図４に示すように、軸受メタル１４は、軸受メタル１４内にポンプＰ等から流路１６を介して潤滑液剤Ｒなどの流体を供給することで砥石軸１３１を流体圧（静圧）によって回転支持するための静圧部１８を有する。軸受メタル１４は、図５に示すように鉄鋼製の筒状に構成されている。静圧部１８は、図６に示すように軸受メタル１４の内周面において、軸受隙間２０と、軸受面部２２と、複数のポケット２４と、仕切り板４８と、が構成される。なお、潤滑液剤Ｒは、水または組成に占める水の割合が９０％以上の水溶液または、低粘度鉱油であることが望ましい。
軸受面部２２は、図５、６に示すように砥石軸１３１の表面と並行する面である。ポケット２４は、ポンプＰ（図４参照）等から流路１６を介して供給される潤滑液剤Ｒを溜める部位である。ポケット２４は、軸受メタル１４の軸受面部２２に凹設され、周方向に複数個が分割されて隣接している。本実施形態では、４個のポケット２４にそれぞれ潤滑液剤Ｒが流路１６を介して供給される。なお、ポケット２４の個数は、４個に限定されるものではない。なお、ポケット２４、軸方向ポケット（図示省略）にて砥石軸１３１の静圧支持に使用されて流出した流体は、ドレイン（図示省略）を経由して回収され、オイルクーラ等にて冷却されてタンクＴ（図４参照）に戻される。仕切り板４８は、ポケット２４内に収容され且つポケット２４の底部２６と砥石軸１３１の表面の間を仕切る板部材である。軸受隙間２０は、砥石軸１３１の表面との間に潤滑液剤Ｒが充填される空間である。軸受隙間２０は、砥石軸１３１の表面と軸受面部２２との間の第１軸受隙間Ｃと、砥石軸１３１の表面と仕切り板４８との間の第２軸受隙間Ｈと、ポケット２４の底部２６と仕切り板４８との間の第３軸受隙間Ｊを有する。第２軸受隙間Ｈは、第１軸受隙間Ｃより大きい関係で設定される。
軸受メタル１４の内面には、軸受メタル１４と別体且つ別材質であり、軸受メタル１４より低強度の材質で設けられる円筒状部材４０を有する。円筒状部材４０は、例えば砲金（ほうきん）が選択される。砲金は、銅合金の一種で、銅と錫の合金であり、靱性に優れ、鋳造が容易で、耐磨耗性や耐腐食性にも優れる性質を有する。また、外径側の鉄鋼製の軸受メタル１４より低強度に設定される。円筒状部材４０は、外周面と内周面に切削加工を施して、軸方向両端に配設される環状部位４２と、軸方向両端の環状部位４２を連結し周方向に間隔をあけて配置される複数の柱部位４４と、柱部位４４によって区画形成される複数のポケット２４と、ポケット２４内において円弧状の仕切り板４８が形成されている。この切削加工後の円筒状部材４０は、軸受メタル１４に対し焼き嵌めによって取り付けられる。これにより、軸受メタル１４と円筒状部材４０の組み合わせにより、砥石軸１３１の表面との間に潤滑液剤Ｒが充填される軸受隙間２０と、砥石軸１３１の表面と並行する軸受面部２２と、軸受面部２２の周方向に隣接して凹設される複数のポケット２４と、ポケット２４内に収容され且つポケット２４の底部２６と砥石軸１３１の表面の間を仕切る仕切り板４８と、を有する静圧部１８となる。
砥石軸１３１の回転方向において仕切り板４８とポケット２４の縁部４６（換言すれば柱部位４４の縁部）との間に隙間５０を有する。換言すれば、仕切り板４８において砥石軸１３１とポケット２４の底部２６の間を貫通するように開口している。かかる隙間５０は砥石軸１３１の軸方向に並行するスリットとして設けられており、スリットは砥石軸１３１の回転方向で見て下流側の第１スリット５１と上流側の第２スリット５２を有している。また、第１スリット５１と第２スリット５２の開口幅は、第２軸受隙間Ｈより大きく形成される。
砥石軸１３１は、係るポケット２４に潤滑液剤Ｒなどの流体を供給することで流体圧（静圧）によって支持される。ここで、潤滑液剤Ｒの密度ρ、潤滑液剤Ｒの粘性係数μ、砥石軸１３１の周速Ｕ、第２軸受隙間Ｈである場合に、第２軸受隙間Ｈにおけるレイノルズ数ＲｅはＲｅ＝ρＵＨ／μで表される。ここで、砥石軸１３１の周速Ｕの設定は、砥石軸１３１の設計標準仕様速度、想定する使用頻度の高い回転速度や平均速度、加工条件による仕様の速度などをもとに適宜設定することが例示される。砥石軸１３１が回転支持される状態の潤滑液剤Ｒの流れはＲｅ＜２０００で設定されるように第２軸受隙間Ｈの間隔を設定する。砥石軸１３１が回転支持される状態の第２軸受隙間Ｈにおける潤滑液剤Ｒは、砥石軸１３１の回転方向に沿って流れる層流となる。一方、層流の潤滑液剤Ｒの一部は、第２スリット５２から第３軸受隙間Ｊに流入し、第１スリット５１に向かう流れとなる。すなわち、ポケット２４の底部２６と仕切り板４８との間の第３軸受隙間Ｊにおける潤滑液剤Ｒは砥石軸１３１の反回転方向の流れとなる。
ここで、従来における仕切り板４８を有さないポケット２２４内の潤滑液剤Ｒは、図９、１０に示すように砥石軸２３１の回転によってポケット２２４内において所謂つれ回りによる流れを引き起こし、砥石軸２３１回転方向の流れと、ポケット２２４の底部２２６近傍における砥石軸２３１の回転と逆方向の流れと、が生じる。これに伴い静圧流体軸受装置は、砥石軸２３１の表面近傍に大きな速度勾配が発生し、大きな流体せん断抵抗による動力損失が懸念される。軸受内の潤滑液剤Ｒの流れがレイノルズ数２００００〜３００００の強い乱流の状況下では、ポケット深さＫ、砥石軸２３１の周速Ｓとしたときの潤滑液剤Ｒの流れの速度勾配が∂Ｓ／∂Ｋと表される。ここで、潤滑液剤Ｒの粘性係数μの場合、砥石軸２３１に係るせん断力τ１は、τ１＝μ×（∂Ｓ／∂Ｋ）と表される。そして、ポケット２２４内の潤滑液剤Ｒが砥石軸２３１に及ぼす動力損失Ｐ１は、ポケット２２４の開口面積Ａとすると、Ｐ１＝Ｓ×τ１×Ａと表される。してみると、砥石軸２３１の周速Ｓ及びポケット２２４の開口面積Ａが固定の値であると仮定した場合、動力損失Ｐ１に影響を及ぼすのは、せん断力τ１となる。さらには、潤滑液剤Ｒの温度変化が一定であれば粘性係数μは一定である。そのため、τ１における速度勾配の∂Ｓ／∂Ｋが動力損失Ｐ１に影響を及ぼす要因となる。
一方、図６に示すように軸受内の潤滑液剤Ｒの流れが層流状況下においては、速度勾配をＵ／Ｈと近似することができる。砥石軸１３１に係るせん断力τ２は、τ２＝μ×（Ｕ／Ｈ）と表される。そして、ポケット２４内の潤滑液剤Ｒが砥石軸１３１に及ぼす動力損失Ｐ２は、ポケット２４の開口面積Ａとすると、Ｐ２＝Ｕ×τ２×Ａと表される。してみると、砥石軸１３１の周速Ｕ及びポケット２４の開口面積Ａが固定の値であると仮定した場合、動力損失Ｐ２に影響を及ぼすのは、せん断力τ２となる。さらには、潤滑液剤Ｒの温度変化が一定であれば粘性係数μは一定である。そのため、τ２は、速度勾配のＵ／Ｈの内、Ｈが動力損失Ｐ２に影響を及ぼす要因となる。
そのため、本実施形態の静圧部１８は、砥石軸１３１の表面近傍を層流状況下としつつ、砥石軸１３１回転方向の流れと、ポケット２４の底部２６における砥石軸１３１の回転と逆方向の流れを個別にして相互に影響を及ぼさないようにするために、仕切り板４８を採用した。この仕切り板４８と砥石軸１３１の表面との間の第２軸受隙間Ｈを層流が維持できる範囲内で最大に設定する。この仕切り板４８の構成により、ポケット２４内の軸受隙間２０は、砥石軸１３１の表面と軸受面部２２との間の第１軸受隙間Ｃと、砥石軸１３１の表面と仕切り板４８との間の第２軸受隙間Ｈと、ポケット２４の底部２６と仕切り板４８との間の第３軸受隙間Ｊを有する。ここで、第２軸受隙間Ｈは、第１軸受隙間Ｃより大きい関係で設定される。そのため、砥石軸１３１が回転支持される状態の第２軸受隙間Ｈにおける潤滑液剤Ｒは砥石軸１３１の回転方向に沿って流れる層流となり、ポケット２４の底部２６と仕切り板４８との間の第３軸受隙間Ｊにおける潤滑液剤Ｒは砥石軸１３１の反回転方向の流れとなる。これにより、図８に示すように、潤滑液剤Ｒを水、水溶液、低粘度鉱油いずれを用いても、消費電力を低減する結果が得られた。
このように、実施形態の静圧流体軸受装置によれば、静圧部１８には、ポケット２４内に収容され且つポケット２４の底部２６と砥石軸１３１の表面の間を仕切る仕切り板４８を有している。また、ポケット２４内において回転方向の前後に設けられる隙間５０を有している。これにより、潤滑液剤Ｒの流れは、仕切り板４８も構成により砥石軸１３１の回転方向の流れと、ポケット２４の底部２６における砥石軸１３１の回転と逆方向の流れと、の相互の影響を及ぼし難くなる。これにより、静圧流体軸受装置のポケット２４における流体の速度勾配の上昇を抑制し動力損失の低減を図ることができる。
また、砥石軸１３１の表面と前記仕切り板４８との間の第２軸受隙間Ｈにおけるレイノルズ数ＲｅはＲｅ＝ρＵＨ／μで表される。そして砥石軸１３１が回転支持される状態の第２軸受隙間Ｈにおける潤滑液剤Ｒの流れはＲｅ＜２０００である。すなわち、第２軸受隙間Ｈにおける潤滑液剤Ｒの流れにともなう大きな流体せん断抵抗が生じ難くなり、動力損失が抑制され得る。
また、スリットは前記砥石軸１３１の回転方向で見て下流側の第１スリット５１と上流側の第２スリット５２を有しており、第１スリット５１と第２スリット５２の開口幅は第２軸受隙間Ｈより大きい。そのため、第２軸受隙間Ｈにおける潤滑液剤Ｒをポケット２４の底部２６側に流れやすくすることができる。
また、潤滑液剤Ｒは、水または組成に占める水の割合が９０％以上の水溶液または、低粘度鉱油であると好適である。
また、第２軸受隙間Ｈにおける潤滑液剤Ｒは砥石軸１３１の回転方向に沿って流れる層流であり、ポケット２４の底部２６と前記仕切り板４８との間の第３軸受隙間Ｊにおける潤滑液剤Ｒは砥石軸１３１の反回転方向の流れとする。これにより、仕切り板４８は、第２軸受隙間Ｈにおける層流と、第３軸受隙間Ｊにおける反回転方向の流れを仕切る。そのため相互の影響を及ぼし難くなる。よって、ポケット２４における流体の速度勾配の上昇を抑制し動力損失の低減をより一層図ることができ得る。
また、仕切り板４８は、軸受メタル１４とを別体で設けることで、仕切り板４８のみの交換が容易となる。これは、静圧流体軸受が砥石軸１３１から径方向に力が加わって磨耗などの影響を受けた場合でも、仕切り板４８のみ交換することができる。そのため軸受メタル１４すべて交換する必要がなくなる。
また、仕切り板４８は、軸受メタル１４と別材質であり、軸受メタル１４より低強度の材質で設けられている。仕切り板４８が別材質で軸受メタル１４より低強度の材質で設けられていることで、軸受メタル１４と同材質の場合に比べ負荷などにより砥石軸１３１と仕切り板４８が接した際に、砥石軸１３１への磨耗などの悪影響をより起こしにくくできる。砥石軸１３１は、回転精度を高めるため、高い真円度など高精度に加工される場合が多く、交換するとコスト高となりやすいが、本発明では砥石軸１３１をより損傷、磨耗し難くできる。
次に、上記構成の静圧流体軸受装置を用いて工作機械における工作機械用主軸を回転支持する工作機械用主軸装置とすると好適である。
金属製の円筒状部材４０の外周面と内周面に切削加工を施して、軸方向両端に配設される環状部位４２と、軸方向両端の環状部位４２を連結し周方向に間隔をあけて配置される複数の柱部位４４と、該柱部４４によって区画形成される複数のポケット２４と、ポケット２４内に円弧状の仕切り板４８とを形成し、砥石軸１３１を回転支持するための軸受メタル１４に対し、切削加工後の円筒状部材４０を焼き嵌めによって取り付ける静圧流体軸受装置の製造方法である。このような製造方法によって上記構成の静圧流体軸受装置を採用し得る
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の静圧流体軸受装置、静圧流体軸受装置を用いた工作機械用主軸装置及び静圧流体軸受装置の製造方法は、実施形態に限定されず、その他各種の形態で実施することができるものである。例えば、本実施形態では、軸受メタルと軸受メタルと別体の円筒状部材とを、別材質で形成する態様を示したが、別材質に限らず同じ材質で形成する場合も含み得る。
１０ 研削盤
１２ 砥石軸ハウジング
１４ 軸受メタル
１６ 流路
１８ 静圧部
２０ 軸受隙間
２２ 軸受面部
２４ ポケット
２６ ポケットの底部
４０ 円筒状部材
４２ 環状部位
４４ 柱部位
４６ ポケットの縁部
４８ 仕切り板
５０ 隙間
５１ 第１スリット
５２ 第２スリット
１１０ 基台
１１１ Ｚ軸方向ガイドレール
１１２ Ｚ軸方向スライドテーブル
１１３ Ｚ軸方向送りねじ
１１４ Ｚ軸方向駆動モータ
１１５ Ｚ軸方向位置検出手段
１２１ Ｘ軸方向ガイドレール
１２２ Ｘ軸方向スライドテーブル
１２３ Ｘ軸方向送りねじ
１２４ Ｘ軸方向駆動モータ
１２５ Ｘ軸方向位置検出手段
１２６ 砥石駆動モータ
１２７ 駆動プーリ
１２８ 従動プーリ
１２９ ベルト
１３０ 砥石軸ホルダ
１３１ 砥石軸（回転軸）
１３２ 砥石
１４０ ワーク保持装置
１４１ 保持台
１４２ 保持軸ハウジング
１４３ 保持軸部材
１４４ センタ部材
１５０ ワーク保持装置
１５１ 保持台
１５２ 保持軸ハウジング
１５３ 保持軸部材
１５４ センタ部材
１６０ ツルーイング装置
１７７ ツルア
１８０ 制御手段
Ｃ 第１軸受隙間
Ｈ 第２軸受隙間
Ｊ 第３軸受隙間
Ｌ１ 砥石回転軸
Ｌ２ ワーク回転軸
Ｌ３ ツルア回転軸
Ｐ ポンプ
Ｒ 潤滑液剤
Ｕ 砥石軸の周速
ＶＭ 仮想平面
Ｗ ワーク
１２ 砥石軸ハウジング
１４ 軸受メタル
１６ 流路
１８ 静圧部
２０ 軸受隙間
２２ 軸受面部
２４ ポケット
２６ ポケットの底部
４０ 円筒状部材
４２ 環状部位
４４ 柱部位
４６ ポケットの縁部
４８ 仕切り板
５０ 隙間
５１ 第１スリット
５２ 第２スリット
１１０ 基台
１１１ Ｚ軸方向ガイドレール
１１２ Ｚ軸方向スライドテーブル
１１３ Ｚ軸方向送りねじ
１１４ Ｚ軸方向駆動モータ
１１５ Ｚ軸方向位置検出手段
１２１ Ｘ軸方向ガイドレール
１２２ Ｘ軸方向スライドテーブル
１２３ Ｘ軸方向送りねじ
１２４ Ｘ軸方向駆動モータ
１２５ Ｘ軸方向位置検出手段
１２６ 砥石駆動モータ
１２７ 駆動プーリ
１２８ 従動プーリ
１２９ ベルト
１３０ 砥石軸ホルダ
１３１ 砥石軸（回転軸）
１３２ 砥石
１４０ ワーク保持装置
１４１ 保持台
１４２ 保持軸ハウジング
１４３ 保持軸部材
１４４ センタ部材
１５０ ワーク保持装置
１５１ 保持台
１５２ 保持軸ハウジング
１５３ 保持軸部材
１５４ センタ部材
１６０ ツルーイング装置
１７７ ツルア
１８０ 制御手段
Ｃ 第１軸受隙間
Ｈ 第２軸受隙間
Ｊ 第３軸受隙間
Ｌ１ 砥石回転軸
Ｌ２ ワーク回転軸
Ｌ３ ツルア回転軸
Ｐ ポンプ
Ｒ 潤滑液剤
Ｕ 砥石軸の周速
ＶＭ 仮想平面
Ｗ ワーク
Claims (9)
- 静圧流体軸受装置であって、
回転軸を回転支持するための静圧部を有する軸受メタルを備え、
前記静圧部は、前記回転軸の表面との間に潤滑液剤が充填される軸受隙間と、前記回転軸の表面と並行する軸受面部と、該軸受面部の周方向に隣接して凹設される複数のポケットと、該ポケット内に収容され且つ前記ポケットの底部と前記回転軸の表面の間を仕切る仕切り板と、を有し、
前記回転軸の回転方向において前記仕切り板と前記ポケットの縁部との間に隙間が形成されており、
前記隙間は前記ポケット内において回転方向の前後に設けられており、
前記軸受隙間は、前記回転軸の表面と前記軸受面部との間の第１軸受隙間と、前記回転軸の表面と前記仕切り板との間の第２軸受隙間と、を有し、
前記第２軸受隙間は、前記第１軸受隙間より大きい関係である静圧流体軸受装置。 - 請求項１に記載の静圧流体軸受装置であって、
前記潤滑液剤の密度をρ、
前記潤滑液剤の粘性係数をμ、
前記回転軸の周速をＵ、
前記第２軸受隙間をＨである場合に、
前記第２軸受隙間におけるレイノルズ数ＲｅはＲｅ＝ρＵＨ／μで表され、
前記回転軸が回転支持される状態の前記第２軸受隙間における潤滑液剤の流れはＲｅ＜２０００である静圧流体軸受装置。 - 請求項１または請求項２に記載の静圧流体軸受装置であって、
前記隙間は前記回転軸の軸方向に並行するスリットとして設けられており、
前記スリットは前記回転軸の回転方向で見て下流側の第１スリットと上流側の第２スリットを有しており、
前記第１スリットと前記第２スリットの開口幅は前記第２軸受隙間より大きい静圧流体軸受装置。 - 請求項１から請求項３のいずれかに記載の静圧流体軸受装置であって、
前記潤滑液剤は、水または組成に占める水の割合が９０％以上の水溶液または、低粘度鉱油である静圧流体軸受装置。 - 請求項１から請求項４のいずれかに記載の静圧流体軸受装置であって、
前記回転軸が回転支持される状態の前記第２軸受隙間における前記潤滑液剤は前記回転軸の回転方向に沿って流れる層流であり、
前記ポケットの底部と前記仕切り板との間の第３軸受隙間における前記潤滑液剤は前記回転軸の反回転方向の流れである静圧流体軸受装置。 - 請求項１から請求項５のいずれかに記載の静圧流体軸受装置であって、
前記仕切り板と前記軸受メタルとは、別体で設けられている静圧流体軸受装置。 - 請求項６に記載の静圧流体軸受装置であって、
前記仕切り板と前記軸受メタルとは、別材質であり、
前記仕切り板は、前記軸受メタルより低強度の材質で設けられている静圧流体軸受装置。 - 請求項１から請求項７のいずれかに記載の静圧流体軸受装置を用いて工作機械における工作機械用主軸を回転支持する工作機械用主軸装置。
- 金属製の円筒状部材の外周面と内周面に切削加工を施して、軸方向両端に配設される環状部位と、該軸方向両端の環状部位を連結し周方向に間隔をあけて配置される複数の柱部位と、該柱部位によって区画形成される複数のポケットと、該ポケット内に円弧状の仕切り板とを形成し、
回転軸を回転支持するための軸受メタルに対し、前記切削加工後の円筒状部材を焼き嵌めによって取り付ける静圧流体軸受装置の製造方法。
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