JP2017030122A - 組合せ玉軸受、及び主軸装置、並びに工作機械 - Google Patents

Abstract

【課題】主軸剛性の増加による高精度加工や、軸受の疲れ寿命の増加、耐焼付性の向上、及び耐衝撃性の向上に寄与することができる組合せ玉軸受、及び主軸装置、並びに工作機械を提供する。
【解決手段】主軸装置は、回転軸が前側軸受４０及び後側軸受を介してハウジングに回転自在に支持されるとともに、回転軸がビルトインモータによって回転駆動される。前側軸受４０は、接触角の向きが同じ２列のアンギュラ玉軸受４１，５１，４２，５２同士が背面組合せされてなる。各アンギュラ玉軸受は、それぞれ等しい内径寸法を有し、接触角の向きが同じ各アンギュラ玉軸受同士は、それぞれ等しい外径寸法を有する一方、接触角の向きが異なる各アンギュラ玉軸受は、それぞれ異なる外径寸法を有する。そして、軸方向外側に位置するアンギュラ玉軸受４２は、軸方向内側に位置するアンギュラ玉軸受５２よりも玉径及び接触角において大きく設定されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、組合せ玉軸受、及び主軸装置、並びに工作機械に関し、より詳細には、工作機械や一般産業機械に使用されるビルトインモータタイプの高速回転用主軸装置に用いられる組合せ玉軸受、及び該組合せ玉軸受を備えた主軸装置、並びに該主軸装置を備えた一般工作機械又は複合加工工作機械に関する。

図７は、特許文献１に記載のビルトインモータタイプの主軸装置の構造を示している。図７では、主軸頭１０１のハウジングを前部ハウジング１０２と後部ハウジング１０３とに分割し、両者をボルト１０４で締結する。主軸１０５は、前側軸受１０６、１０７を介して前部ハウジング１０２に支持されるとともに、後側軸受１０８、１０９及び軸受ケース１１０を介して、後部ハウジング１０３に支持される。また、主軸１０５は、ビルトインモータのロータ１１１と、工具をクランプするためのドローバー１１２等を備える。

また、他の主軸装置として、前側軸受に４つのアンギュラ玉軸受を備えた構造が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００７−１０１０号公報 特開２００４−２６３８１６号公報

ところで、特許文献２に記載の４つのアンギュラ玉軸受は、同一の構成のものが使用されているが、主軸剛性の増加による高精度加工や、軸受の疲れ寿命の増加、耐焼付性の向上が求められており、さらなる改善が必要であった。また、主軸装置では、主軸の衝突により、刃物先端に荷重が負荷されると、刃物側軸受で最も荷重を受けるため、玉と軌道面との接触部で圧痕が形成されやすく、耐衝撃性においても改善が求められていた。

また、特許文献１に記載の主軸装置では、ビルトインモータのステータ１１３の軸方向両端部には、エンドコイル１１４と呼ばれるステータコイルの渡り部が突出している。図７の主軸装置では、前側軸受１０６、１０７が内嵌される前部ハウジング１０２は、エンドコイル１１４の軸方向外側に形成されており、前後軸受１０６、１０７、１０８、１０９間のスパンが大きくなっている。そのため、主軸１０５の全長が長くなって、全体寸法が大きくなるという問題があった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、主軸剛性の増加による高精度加工や、軸受の疲れ寿命の増加、耐焼付性の向上、及び耐衝撃性の向上に寄与することができる組合せ玉軸受、及び主軸装置、並びに工作機械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） 軸方向に配列されてなる４列以上のアンギュラ玉軸受を有し、接触角の向きが同じ２列以上の前記アンギュラ玉軸受同士が背面組合せされてなる組合せ玉軸受であって、
前記各アンギュラ玉軸受は、それぞれ等しい内径寸法を有し、
前記接触角の向きが同じ前記各アンギュラ玉軸受同士は、それぞれ等しい外径寸法を有する一方、前記接触角の向きが異なる前記各アンギュラ玉軸受は、それぞれ異なる外径寸法を有し、
少なくとも外径寸法が大きい前記各アンギュラ玉軸受において、軸方向外側に位置する前記アンギュラ玉軸受は軸方向内側に位置する前記アンギュラ玉軸受よりも玉径及び接触角において大きいことを特徴とする組合せ玉軸受。
（２） 少なくとも前記外径寸法が大きい各アンギュラ玉軸受において、前記軸方向外側に位置するアンギュラ玉軸受は前記軸方向内側に位置するアンギュラ玉軸受よりも玉ピッチ円径において大きいことを特徴とする（１）に記載の組合せ玉軸受。
（３） 回転軸が前側及び後側軸受を介してハウジングに回転自在に支持されるとともに、前記回転軸がビルトインモータによって回転駆動される主軸装置であって、
前記前側軸受は、（１）または（２）に記載の組合せ玉軸受によって構成され、前記外径寸法が小さい各アンギュラ玉軸受を前記ビルトインモータ寄りのモータ側軸受とし、前記外径寸法が大きい各アンギュラ玉軸受を該モータ側軸受に対して前記ビルトインモータから離れた反モータ側軸受とすることを特徴とする主軸装置。
（４） 前記ハウジングは、前記ビルトインモータのステータが取付けられる外筒ハウジングと、該外筒ハウジングの前部に設けられ、前記前側軸受の外輪が内嵌される前側軸受ハウジングと、前記外筒ハウジングの後部に設けられ、前記後側軸受の外輪が内嵌、又は、軸受スリーブを介して支持される後側軸受ハウジングと、を有し、
前記前側軸受ハウジングは、外周面が大径外周面と小径外周面とを有する段付き形状に形成され、
前記前側軸受ハウジングの小径外周面の少なくとも一部は、前記ステータのエンドコイルと半径方向から見てオーバーラップするように、前記ステータのエンドコイルの内側に配置され、
前記モータ側軸受の少なくとも一つは、前記前側軸受ハウジングの小径外周面と半径方向から見てオーバーラップする位置で、前記前側軸受ハウジングに内嵌されることを特徴とする（３）に記載の主軸装置。
（５） 前記モータ側軸受と前記反モータ側軸受とは、定位置予圧が付与されており、
前記モータ側軸受の外輪は、嵌め合いすきまを持って、前記前側軸受ハウジングに内嵌されることを特徴とする（４）に記載の主軸装置。
（６） 前記モータ側軸受と前記反モータ側軸受とは、定位置予圧が付与されており、
前記モータ側軸受の外輪は、軸方向すきまを持って、前記前側軸受ハウジングに対して軸方向に位置決めされることを特徴とする（４）又は（５）に記載の主軸装置。
（７） 前記後側軸受の外輪が前記軸受スリーブに内嵌されるとともに、前記軸受スリーブが前記後側軸受ハウジングに内嵌され、
前記軸受スリーブの少なくとも一部は、前記ステータのエンドコイルと径方向から見てオーバーラップするように、前記ステータのエンドコイルの内側に配置されることを特徴とする（４）〜（６）のいずれかに記載の主軸装置。
（８） 前記後側軸受の外輪は、前記後側軸受ハウジングに内嵌され、
前記後側軸受ハウジングの少なくとも一部は、前記ステータのエンドコイルと径方向から見てオーバーラップするように、前記ステータのエンドコイルの内側に配置されることを特徴とする（４）〜（６）のいずれかに記載の主軸装置。
（９） （３）〜（８）のいずれかに記載の主軸装置を備えたことを特徴とする工作機械。
（１０） 前記主軸装置がチルト機構又は旋回機構に搭載されていることを特徴とする（９）に記載の工作機械。

本発明の組合せ玉軸受によれば、接触角の向きが同じ２列以上のアンギュラ玉軸受同士が背面組合せされてなり、各アンギュラ玉軸受は、それぞれ等しい内径寸法を有し、接触角の向きが同じ各アンギュラ玉軸受同士は、それぞれ等しい外径寸法を有する一方、接触角の向きが異なる各アンギュラ玉軸受は、それぞれ異なる外径寸法を有する。また、少なくとも外径寸法が大きい各アンギュラ玉軸受において、軸方向外側に位置するアンギュラ玉軸受は軸方向内側に位置するアンギュラ玉軸受よりも玉径及び接触角において大きい。これにより、上記組合せ玉軸受を主軸装置に適用し、外径寸法が大きい各アンギュラ玉軸受を切削荷重（ラジアル荷重やアキシアル荷重）を負荷する刃物側に配置することで、主軸剛性（モーメント剛性及びアキシアル剛性）の増加による高精度加工や、軸受の疲れ寿命の増加、耐焼付性の向上に寄与することができる。さらに、刃物先端に荷重が負荷された際に、最も荷重を負担する軸方向外側のアンギュラ玉軸受の圧痕の発生を抑制することができ、耐衝撃性を向上することができる。

本発明の第１実施形態に係る主軸装置の断面図である。 図１の前側軸受として適用された組合せ玉軸受を示す断面図である。 図１のIII部拡大断面図である。 図１のIV部拡大断面図である。 本発明の第２実施形態に係る主軸装置の断面図である。 本発明の変形例に係る主軸装置の断面図である。 従来の主軸装置を示す断面図である。

以下、本発明の各実施形態に係る主軸装置について図面に基づいて詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１に示す、本実施形態の主軸装置Ｍは、ビルトインモータタイプのものであり、チルト機構や旋回機構を有する工作機械に組み付けて使用される。主軸装置Ｍは、回転軸８０が前側及び後側軸受４０、６０を介してハウジングＨに回転自在に支持されるとともに、回転軸８０がビルトインモータ７０によって回転駆動される。

ハウジングＨは、図示しない工作機械のブラケットに固定される外筒ハウジング１０と、外筒ハウジング１０の前部に設けられた前側軸受ハウジング２０と、外筒ハウジング１０の後部に設けられた後側軸受ハウジング３０と、後側軸受ハウジング３０の内側に配置され、後側軸受ハウジング３０に対して軸方向に相対移動可能な軸受スリーブ３６と、を有する。

図２及び図３にも示すように、前側軸受４０は、前側軸受ハウジング２０と回転軸８０の前部との間に配置される４列のアンギュラ玉軸受を有する。即ち、前側軸受４０は、接触角の向きが同じ並列組合せされてなる、ビルトインモータ寄りのモータ側軸受４１，５１と、接触角の向きが同じ並列組合せされてなる、該モータ側軸受４１，５１に対してビルトインモータ７０から離れた反モータ側軸受４２，５２と、を備える。モータ側軸受４１，５１と反モータ側軸受４２，５２は、前側軸受ハウジング２０に内嵌される外輪４１ａ，５１ａ，４２ａ，５２ａと、回転軸８０に外嵌される内輪４１ｃ，５１ｃ，４２ｃ，５２ｃと、外輪４１ａ，５１ａ，４２ａ，５２ａと内輪４１ｃ，５１ｃ，４２ｃ，５２ｃとの間でそれぞれ接触角を持って転動する転動体として複数の玉４１ｂ，５１ｂ，４２ｂ，５２ｂを有し、外輪間座４３，内輪間座４５を介して背面組み合わせで軸方向に配列されている。
なお、モータ側軸受４１，５１及び反モータ側軸受４２，５２は、アンギュラ玉軸受４１，５１，４２，５２とも呼ぶ。

また、外輪４１ａ，５１ａ，４２ａ，５２ａは、以下に詳述するが、前側軸受ハウジング２０と、前側軸受ハウジング２０に固定される外輪抑え部材４７との間で、外輪間座４３、４４を介して軸方向に位置決めされる。さらに、内輪４１ｃ，５１ｃ，４２ｃ，５２ｃは、回転軸８０に形成されたねじ溝８０ａに軸受固定ナット８６を回転軸８０の段部８０ｄに向けて締付けることで、内輪間座４５、４６を介して軸方向に固定され、これにより、軸受４１，５１，４２，５２には予圧が付与される。

なお、軸受固定ナット８６は、後述するステータ７１のエンドコイル７３の内側で、前側軸受ハウジング２０の後端部とロータ７２（本実施形態では、ロータスリーブ８１）の前端部との間に配置される。また、軸受固定ナット８６が螺合するねじ溝８０ａは、前側軸受４０が嵌合する回転軸８０の外周面に形成され、ロータスリーブ８１が嵌合する外周面より大径に形成されている。また、回転軸８０の刃物側端部の外周面は、前側軸受４０が嵌合する回転軸８０の外周面よりも大径に形成され、また、外輪間座４４とともにラビリンスシール構造を形成するシール部８０ｅを有する。したがって、回転軸８０は、刃物側端部から後方に向かって断続的に外周面が縮径するように形成されている。

また、図４に示すように、後側軸受６０も、軸受スリーブ３６と回転軸８０の後部との間に配置され、ビルトインモータ寄りのモータ側軸受６１と、該モータ側軸受６１に対してビルトインモータ７０から離れた反モータ側軸受６２と、を備える。モータ側軸受６１と反モータ側軸受６２は、軸受スリーブ３６に内嵌される外輪６１ａ，６２ａと、回転軸８０に外嵌される内輪６１ｃ，６２ｃと、外輪６１ａ，６２ａと内輪６１ｃ，６２ｃとの間でそれぞれ接触角を持って転動する転動体として複数の玉６１ｂ，６２ｂを有するアンギュラ玉軸受であり、外輪間座６３，内輪間座６４を介して背面組み合わせされている。

また、外輪６１ａ，６２ａは、軸受スリーブ３６と、軸受スリーブ３６に固定される外輪抑え部材６５との間で、外輪間座６３を介して軸方向に位置決めされる。また、内輪６１ｃ，６２ｃは、回転軸８０に形成されたねじ溝８０ｂに軸受固定ナット８７を回転軸８０の段部８０ｆに向けて締付けることで、内輪間座６６及び速度センサ９５の被検出部用リング部材６７を介して軸方向に固定され、これにより、軸受６１，６２には、予圧が付与される。

図１に戻って、ビルトインモータ７０は、前側軸受４０と後側軸受６０との間のスペースに配置され、外筒ハウジング１０の内周に冷却筒１１を介して固定されたステータ７１と、回転軸８０の外周に設けられたロータスリーブ８１に焼き嵌めされたロータ７２と、を有し、ステータ７１の軸方向両端部には、ステータコイルのエンドコイル７３が略環状の凸部として突出している。なお、ロータスリーブ８１は、回転軸８０の外周上に焼バメ締結されている。

また、外筒ハウジング１０の内周面には、冷却用溝１０ａが形成され、冷却筒１１が内嵌されることで、冷却経路を構成する。さらに、互いに嵌合する外筒ハウジング１０の内周面と、前側軸受ハウジング２０の外周面との間にも、前側軸受ハウジング２０の外周面に冷却油溝２０ａが形成されることで、他の冷却経路を構成している。

回転軸８０の内径部には、軸方向に延びるドローバー９３と、ドローバー９３の先端側に設けられ、図示しない工具ホルダを回転軸８０のテーパ部８０ｃに固定するためのクランピングユニット９０と、ドローバー９３と回転軸８０との間に設けられ、クランピングユニット９０を反工具側に引き込む皿バネ９４と、が組み込まれている。また、後側軸受ハウジング３０の後方には、回転軸８０の内径部に組み込まれた皿バネ９４を圧縮して工具ホルダをアンクランプする図示しないアンクランプユニットが取り付けられている。

ここで、図２に示すように、前側軸受４０では、モータ側軸受４１，５１と反モータ側軸受４２，５２とは、それぞれ等しい内径寸法（ｄ４１＝ｄ５１＝ｄ４２＝ｄ５２）を有する。また、接触角の向きが同じモータ側軸受４１，５１同士、及び、接触角の向きが同じ反モータ側軸受４２，５２同士は、それぞれ等しい外径寸法（Ｄ４１＝Ｄ５１、Ｄ４２＝Ｄ５２）を有する一方、モータ側軸受４１，５１と反モータ側軸受４２，５２とは、それぞれ異なる外径寸法を有し、具体的に、反モータ側軸受４２，５２は、モータ側軸受４１，５１より外径寸法が大きい（Ｄ４２＝Ｄ５２＞Ｄ４１＝Ｄ５１、）。

また、外径寸法が大きい反モータ側軸受４２，５２において、軸方向外側に位置するアンギュラ玉軸受４２は、軸方向内側に位置するアンギュラ玉軸受５２よりも玉径、接触角及び玉ピッチ円径のいずれにおいても大きく設定されている（即ち、Ｄａ４２＞Ｄａ５２、α４２＞α５２、ｄｍ４２＞ｄｍ５２）。

一方、外径寸法が小さいモータ側軸受４１，５１において、軸方向外側に位置するアンギュラ玉軸受４１と軸方向内側に位置するアンギュラ玉軸受５１とは、玉径、接触角及び玉ピッチ円径のいずれにおいても互いに等しく設定されている（即ち、Ｄａ４１＝Ｄａ５２、α４１＝α５１、ｄｍ４１＝ｄｍ５１）。

即ち、外径寸法が大きい各アンギュラ玉軸受４２，５２を切削荷重（ラジアル荷重やアキシアル荷重）を負荷する刃物側に配置することで、主軸剛性（モーメント剛性及びアキシアル剛性）の増加による高精度加工や、軸受の疲れ寿命の増加を行うことができる。
一方、外径寸法が小さいモータ側軸受４１，５１では、反刃物側に配置されることで、切削荷重の負荷が小さいので、軸受の耐久性や寿命低下の心配がなく、剛性上の不都合がない。
また、モータ側軸受４１，５１同士、及び反モータ側軸受４２，５２同士が、それぞれ等しい外径寸法を有することで、加工費用や組付費用の増加を抑えることができる。仮に、モータ側軸受４１，５１や反モータ側軸受４２，５２の外径寸法を異ならせた場合、はめあいの管理部位が２箇所或いは４箇所となり、加工工数が増加し、加工費用や組付費用の増加につながる。さらに、反モータ側軸受４２，５２の外径寸法を異ならせた場合、外輪４２ａ，５２ａの軸方向位置決め（適正な外輪軸方向押え代の確保）が困難となる。

また、モータ側軸受４１，５１では、外径寸法が小さいことで玉ピッチ円径も小さくなり、ロータ７２の発熱により熱的負荷を受けやすいモータ側軸受４１，５１のｄｍｎ（ｄｍ：玉ピッチ円径とｎ：回転数（ｍｉｎ-^１）との積）値が小さくでき、高速回転時に生じやすいモータ側軸受４１，５１の焼付きを防止することができる。

また、外径寸法が大きい各アンギュラ玉軸受４２，５２において、軸方向外側に位置するアンギュラ玉軸受４２が軸方向内側に位置するアンギュラ玉軸受５２よりも玉径において大きく設定されることで（Ｄａ４２＞Ｄａ５２）、刃物先端に荷重が負荷された際に、最も荷重を負担する軸方向外側のアンギュラ玉軸受４２の限界荷重（玉と軌道面との接触部に圧痕が発生する最低の荷重）が大きくなり、圧痕の発生を抑制することができ、耐衝撃性を向上することができる。
さらに、アンギュラ玉軸受４２では、玉径Ｄａ４２を大きくすることで、転がり摩擦による発熱がある程度増大するが、軸方向外側に位置することで、軸受自身の転がり摩擦による発熱分を外部に逃がすことが容易であり、軸受の転がり摩擦による発熱で焼付く可能性は低い。したがって、玉径を大きくして、軸方向外側に位置するアンギュラ玉軸受４２の転がり摩擦による発熱がある程度増大したとしても、問題なく使用することができる。

また、軸方向外側に位置するアンギュラ玉軸受４２は軸方向内側に位置するアンギュラ玉軸受５２よりも接触角において大きく設定されているので（α４２＞α５２）、組合せ玉軸受及び主軸装置のアキシアル剛性を高めることができる。
主軸系のラジアル剛性は、軸受の剛性以外に回転軸の曲げ剛性が影響するが、アキシアル剛性に関しては、軸受の剛性でほぼ決定される。一般に接触角を大きくすると、スピン滑りやジャイロ滑りなど、滑りが大きくなり、軸受の発熱量が増大する。軸方向外側のアンギュラ玉軸受４２では、発熱量の増加をある程度許容することができるが、軸方向内側のアンギュラ玉軸受５２では、発熱量の増加を許容することができない。このため、軸方向内側のアンギュラ玉軸受５２の接触角を小さくしている。

また、軸方向外側に位置するアンギュラ玉軸受４２は、軸方向内側に位置するアンギュラ玉軸受５２よりも玉ピッチ円径において大きく設定されているので（ｄｍ４２＞ｄｍ５２）、モーメント長を長くすることができ、組合せ玉軸受及び主軸装置のモーメント剛性を高めることができる。
一方、玉ピッチ円径を大きくすることによる弊害として、軸受回転時のｄｍｎ値が大きくなり、軸受の転がり摩擦による発熱が大きくなることが挙げられる。しかしながら、上述したように、軸方向外側のアンギュラ玉軸受４２では、軸受の発熱が増大したとしても、問題なく使用することができるが、軸方向内側のアンギュラ玉軸受５２では、発熱量の増大を避けなければならない。このため、軸方向内側のアンギュラ玉軸受５２の玉ピッチ円径ｄｍ５２を小さくしている。

なお、本実施形態では、外径寸法が大きい反モータ側軸受４２，５２と、外径寸法が小さいモータ側軸受４１，５１との間での玉径、接触角及び玉ピッチ円径の関係は、Ｄａ４２＞Ｄａ５２＞Ｄａ４１＝Ｄａ５１、α４２＞α５２≧α４１＝α５１、ｄｍ４２＞ｄｍ５２＞ｄｍ４１＝ｄｍ５１に設定されている。

また、図３に示すように、本実施形態では、前側軸受ハウジング２０は、外周面が外筒ハウジング１０の内周面と嵌合する大径外周面２１と、該大径外周面２１より小径の小径外周面２２とを有する段付き形状に形成される。また、前側軸受ハウジング２０の小径外周面２２の少なくとも一部は、ステータ７１のエンドコイル７３と半径方向から見てオーバーラップするように、ステータ７１のエンドコイル７３の内側に配置される。

また、前側軸受４０において、組合せ玉軸受において軸方向外側となるモータ側軸受４１は、前側軸受ハウジング２０の小径外周面２２と半径方向から見てオーバーラップする位置で、前側軸受ハウジング２０に内嵌される。前側軸受ハウジング２０の内周面は、モータ側軸受４１，５１が内嵌される小径内周面２３と、反モータ側軸受４２，５２が内嵌される大径内周面２４とで段付き形状に形成されている。また、本実施形態では、モータ側軸受４１は、ステータ７１のエンドコイル７３と半径方向から見てオーバーラップするように、ステータ７１のエンドコイル７３の内側に配置される。

反モータ側軸受４２，５２の外輪外径と前側軸受ハウジング２０の内径の嵌め合いすきまＬ１は、モータ側軸受４１，５１の外輪外径と前側軸受ハウジング２０の内径の嵌め合いすきまＬ２より小さくしている（Ｌ１＜Ｌ２）。

即ち、反モータ側軸受４２，５２の外輪外径と前側軸受ハウジング２０の内径の嵌め合いすきまＬ１は、直径すきまで、０μｍ〜２０μｍ程度とし、より好ましくは、０μｍ〜１０μｍ程度としている。
一方、モータ側軸受４１，５１の外輪外径と前側軸受ハウジング２０の内径の嵌め合いすきまＬ２は、直径すきまで、１０μｍ〜５ｍｍ程度のすきま（＝ΔＲ）程度としている。

モータ側軸受４１，５１の外輪外径と前側軸受ハウジング２０の内径との嵌め合いすきまＬ２（＝ΔＲ）を大きくすることで、高速回転中に、遠心力や内外輪温度差により発生する内部予圧の増加により、当該すきま部分で外輪４１ａ，５１ａが膨張する。該外輪４１ａ，５１ａの膨張作用は予圧が抜ける方向に作用し、前側軸受４０全体としての予圧増加を軽減する効果がある。したがって、モータ側軸受４１，５１のみならず、前側軸受４０全体の焼付きを防止することができる。

なお、嵌め合いすきまＬ２が５ｍｍを越えると、軸受内径がφ１００ｍｍ以下（標準的なスピンドルサイズ）の軸受の場合、反モータ側軸受４２，５２の外輪４２ａ，５２ａを固定する肩部平面が確保できなくなる。
一方、嵌め合いすきまＬ２が１０μｍより小さいと、外輪４１ａ，５１ａが膨張した際、該すきま部分がなくなり、予圧軽減効果が不十分となる。なお、嵌め合いすきまＬ２は、実用的には、１０〜２００μｍ程度が望ましい。

また、本実施形態では、反モータ側軸受４２，５２の外輪４２ａ，５２ａは、一端側が前側軸受ハウジング２０の肩部２５に外輪間座４３を介して接触固定され（または、直接、接触固定されてよい）、他端側が外輪間座４４を介して外輪抑え部材４７で固定されて、軸方向に位置決めされている。

一方、モータ側軸受４１，５１の外輪４１ａ，５１ａは、一端部が外輪間座４３を介して反モータ側軸受４２，５２に固定され（または、反モータ側軸受４２，５２に直接接触固定されてもよい）、他端部が前側軸受ハウジング２０の他の肩部２６との間に軸方向すきま（ΔＡ）を設けて、配置されている。軸方向すきまΔＡは、ΔＡ＞０であれば、特に数値は問わない。
この場合、前側軸受ハウジング２０の肩部２５に接触する外輪間座４３は、両端部の切欠き部分の内径寸法を異ならせており、モータ側端部は、外輪４１ａ，５１ａと当接するように反モータ側端部よりも小径に形成されている。

特に、精密スピンドルの場合、外輪４１ａ，５１ａ，４２ａ，５２ａの締め付け時の歪な変形を抑えるため、押し付け代の精度管理は、数μｍ〜十数μｍのバラつきに抑える必要が有り、外径寸法が異なる４つの軸受４１，５１，４２，５２を、それぞれ肩部２５、２６に同時に適正な押し付け代で固定するのは非常に困難である。
一方、本実施形態のように、軸方向すきま（ΔＡ）を設ける、つまり、軸受４１，５１の外輪単体幅と小径内周面２３の幅の各単体部品の加工誤差を考慮して、ΔＡ＞０となるように軸受４１，５１の外輪単体幅と小径内周面２３の幅の寸法を加工設定しておけば、主軸組立時の後加工や微調整が不要となる。前側軸受４０の軸方向の固定は、大径内周面２４の幅に対して、軸受４２，５２の外輪単体幅、外輪間座４３、４４との寸法差を確認した後、外輪抑え部材４７の幅を調整するのみで可能となる（日常、実施されるスピンドル組込作業と同様）。
仮に、本発明と異なり、軸受４１，５１も同時に前側軸受４０と同一の押え代で締め付けようとした場合、さらに、軸受４１，５１の外輪単体幅に対して、小径内周面２３の幅（肩部２５、２６間の距離）の数μｍレベルの調整が必要となり、加工部位が穴の奥部であることから微調整加工が極めて困難である。なお、本実施形態のように、軸受４１，５１の間に間座４３，４５が配置されている場合、外輪間座４３を含めた調整が必要であり、さらに煩雑となる。

なお、通常、固定側軸受となる前側軸受４０は剛性及び回転精度確保のため定位置予圧が負荷されているので、モータ側軸受４１，５１の外輪４１ａ，５１ａは、予圧により外輪間座４３と密着嵌合している。したがって、反モータ側軸受４２，５２が図２にように固定されていれば、上記すきま（ΔＲ及びΔＡ）があっても、モータ側軸受４１，５１の外輪４１ａ，５１ａが回転中に内輪４１ｃ，５１ｃと共回りすることはない。
また、本構成としても、加工中に主軸に負荷されるラジアル荷重は、サイズが大きく、負荷容量が大きい、反モータ側軸受４２，５２によって負荷されるので、支障がない。

以上のように、本実施形態の組合せ玉軸受を構成する前側軸受４０は、接触角の向きが同じ２列のアンギュラ玉軸受４１，５１，４２，５２同士が背面組合せされてなり、各アンギュラ玉軸受４１，５１，４２，５２は、それぞれ等しい内径寸法を有し、接触角の向きが同じ各アンギュラ玉軸受４１，５１，４２，５２同士は、それぞれ等しい外径寸法を有する一方、接触角の向きが異なる各アンギュラ玉軸受４１，５１，４２，５２は、それぞれ異なる外径寸法を有する。そして、外径寸法が大きい各アンギュラ玉軸受４２，５２において、軸方向外側に位置するアンギュラ玉軸受４２は軸方向内側に位置するアンギュラ玉軸受５２よりも玉径及び接触角において大きく設定されている。これにより、上記組合せ玉軸受を主軸装置に適用し、外径寸法が大きい各アンギュラ玉軸受４２，５２を切削荷重（ラジアル荷重やアキシアル荷重）を負荷する刃物側に配置することで、主軸剛性（モーメント剛性及びアキシアル剛性）の増加による高精度加工や、軸受の疲れ寿命の増加、耐焼付性の向上に寄与することができる。また、刃物先端に荷重が負荷された際に、最も荷重を負担する軸方向外側のアンギュラ玉軸受の圧痕の発生を抑制することができ、耐衝撃性を向上することができる。

また、外径寸法が大きい各アンギュラ玉軸受４２，５２において、軸方向外側に位置するアンギュラ玉軸受４２は軸方向内側に位置するアンギュラ玉軸受５２よりも玉ピッチ円径において大きく設定されているので、組合せ玉軸受及び主軸装置のモーメント剛性を高めることができる。

また、本実施形態の構成の主軸装置Ｍでは、前側軸受ハウジング２０は、外周面が大径外周面２１と小径外周面２２とを有する段付き形状に形成され、前側軸受ハウジング２０の小径外周面２２の少なくとも一部は、ステータ７１のエンドコイル７３と半径方向から見てオーバーラップするように、ステータ７１のエンドコイル７３の内側に配置され、前側軸受４０は、ビルトインモータ寄りのモータ側軸受４１，５１と、該モータ側軸受４１，５１に対してビルトインモータ７０から離れた反モータ側軸受４２，５２と、を備える。そして、組合せ玉軸受において軸方向外側のモータ側軸受４１は、前側軸受ハウジング２０の小径外周面２２と半径方向から見てオーバーラップする位置で、前側軸受ハウジング２０に内嵌される。
これにより、外径の小さいモータ側軸受４１を、エンドコイル７３内に配置でき、スピンドルの短寸化が図れ、回転軸８０の全長の短縮に貢献することができ、それにより、主軸装置Ｍの軸方向寸法のコンパクト化と軽量化を図ることができる。

また、回転軸８０の前後軸受４０、６０間スパンの減少により、回転軸８０の固有振動数を高くすることができて、最高回転数をより高速にすることも可能となり、動剛性が高くなることで、振動を小さく抑えることも可能となる。また、回転部のイナーシャ減により、急加速性の向上と電力減による省エネ効果も期待できる。また、チルト機構や旋回機構に搭載する場合は、主軸装置Ｍのコンパクト化と軽量化により、チルト機構や旋回機構の構造のコンパクト化も図れる。

また、本実施形態では、軸受スリーブ３６は、ステータ７１のエンドコイル７３と径方向から見てオーバーラップするように、ステータ７１のエンドコイル７３の内側に配置される円筒部３７を有するので、回転軸８０の全長をさらに短縮することができる。さらに、後側軸受６０のモータ側軸受６１がステータ７１のエンドコイル７３の内側に配置されるので、回転軸８０の全長をより効果的に短縮することができる。

なお、上記実施形態では、外径寸法が大きい反モータ側軸受４２，５２において、軸方向外側に位置するアンギュラ玉軸受４２は、軸方向内側に位置するアンギュラ玉軸受５２よりも玉径、接触角及び玉ピッチ円径のいずれにおいても大きく設定されているが、本発明は、軸方向外側に位置するアンギュラ玉軸受４２が、軸方向内側に位置するアンギュラ玉軸受５２よりも、少なくとも玉径及び接触角において大きく設定されるものであればよい。

また、外径寸法が小さいモータ側軸受４１，５１において、軸方向外側に位置するアンギュラ玉軸受４１と軸方向内側に位置するアンギュラ玉軸受５１とは、玉径、接触角及び玉ピッチ円径のいずれにおいても互いに等しく設定されているが、本発明は、これに限らず、組合せ玉軸受の軸方向外側に位置するアンギュラ玉軸受４１が、軸方向内側に位置するアンギュラ玉軸受５１よりも、玉径、接触角及び玉ピッチ円径の少なくとも一つにおいても大きく設定されてもよい。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る主軸装置について図５に基づいて詳細に説明する。なお、第１実施形態と同一または同等部分については、同一符号を付して、説明を省略或いは簡略化する。

第１実施形態では、後側軸受６０として、組合せアンギュラ玉軸受が使用されていたが、本実施形態では、図５に示すように、後側軸受６０として、単列円筒ころ軸受６８が使用されている。

このため、円筒ころ軸受６８の外輪６８ａは、後側軸受ハウジング３０に直接内嵌されており、後側軸受ハウジング３０に固定される外輪抑え部材６５によって軸方向に固定される。また、円筒ころ軸受６８の内輪６８ｃは、回転軸８０に外嵌され、ねじ溝８０ｂに軸受固定ナット８７を締め付けることで、内輪間座６９、被検出部用リング部材６７を介して、軸方向に固定される。外輪６８ａと内輪６８ｃとの間には、複数の円筒ころ６８ｂが配置される。

後側軸受ハウジング３０は、ステータ７１のエンドコイル７３と径方向から見てオーバーラップするように、ステータ７１のエンドコイル７３の内側に配置される円筒部３１を有する。したがって、単列円筒ころ軸受６８を用いることで、第１実施形態の主軸装置と比べて、さらに短寸化を図ることができる。
また、本実施形態のように、円筒ころ軸受６８の少なくとも一部を、径方向から見て、エンドコイル７３とオーバーラップさせることで、さらに、短寸化を図ることができる。
その他の構成及び作用については、第１実施形態のものと同様である。

尚、本発明は、上述した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、本実施形態では、４列背面組合せアンギュラ玉軸受の各アンギュラ玉軸受間に内輪間座及び外輪間座が配置されているが、各内輪間座及び外輪間座をなくして、さらに短寸化を図ってもよい。

また、後側軸受についても、２列以上の組合せアンギュラ玉軸受を適用する場合、前側軸受と同様に、反モータ側軸受外輪外径＞モータ側軸受外輪外径とするなど、前側軸受と同様の構成をしてもよい。

さらに、上記実施形態では、後側軸受ハウジングや軸受スリーブの少なくとも一部は、ステータのエンドコイルと径方向から見てオーバーラップするように、ステータのエンドコイルの内側に配置されて、短寸化を図っている。しかしながら、本発明の主軸装置は、上記実施形態の組合せ玉軸受を構成するものであればこれに限らず、例えば、図６に示す変形例のように、後側軸受ハウジング３０がステータ７１のエンドコイル７３の内側に配置されていない構成であってもよい。

また、上記実施形態では、主軸装置の前側軸受として適用される、４列のアンギュラ玉軸受を組合せ玉軸受として説明しているが、本発明の組合せ玉軸受は、これに限らず、軸方向に配列されてなる４列以上のアンギュラ玉軸受を有し、接触角の向きが同じ２列以上のアンギュラ玉軸受同士が背面組合せされてなるものであればよい。

加えて、本発明の組合せ玉軸受は、本実施形態のハウジングの形状に限定されず、回転軸がビルトインモータによって回転駆動される任意のビルトインモータタイプの主軸装置に適用可能である。即ち、該組合せ玉軸受を用いた本発明の主軸装置は、外径寸法が小さい各アンギュラ玉軸受をビルトインモータ寄りのモータ側軸受とし、外径寸法が大きい各アンギュラ玉軸受を該モータ側軸受に対してビルトインモータから離れた反モータ側軸受とするものであればよい。

Ｍ 主軸装置
１０ 外筒ハウジング
２０ 前側軸受ハウジング
２１ 大径外周面
２２ 小径外周面
３０ 後側軸受ハウジング
３６ 軸受スリーブ
４０ 前側軸受（組合せ玉軸受）
４１，５１ モータ側軸受（アンギュラ玉軸受）
４２，５２ 反モータ側軸受（アンギュラ玉軸受）
６０ 後側軸受
６１ モータ側軸受
６２ 反モータ側軸受
７０ ビルトインモータ
７１ ステータ
７２ ロータ
７３ エンドコイル
８０ 回転軸

Claims (10)

1. 軸方向に配列されてなる４列以上のアンギュラ玉軸受を有し、接触角の向きが同じ２列以上の前記アンギュラ玉軸受同士が背面組合せされてなる組合せ玉軸受であって、
   前記各アンギュラ玉軸受は、それぞれ等しい内径寸法を有し、
   前記接触角の向きが同じ前記各アンギュラ玉軸受同士は、それぞれ等しい外径寸法を有する一方、前記接触角の向きが異なる前記各アンギュラ玉軸受は、それぞれ異なる外径寸法を有し、
   少なくとも外径寸法が大きい前記各アンギュラ玉軸受において、軸方向外側に位置する前記アンギュラ玉軸受は軸方向内側に位置する前記アンギュラ玉軸受よりも玉径及び接触角において大きいことを特徴とする組合せ玉軸受。
2. 少なくとも前記外径寸法が大きい各アンギュラ玉軸受において、前記軸方向外側に位置するアンギュラ玉軸受は前記軸方向内側に位置するアンギュラ玉軸受よりも玉ピッチ円径において大きいことを特徴とする請求項１に記載の組合せ玉軸受。
3. 回転軸が前側及び後側軸受を介してハウジングに回転自在に支持されるとともに、前記回転軸がビルトインモータによって回転駆動される主軸装置であって、
   前記前側軸受は、請求項１または２に記載の組合せ玉軸受によって構成され、前記外径寸法が小さい各アンギュラ玉軸受を前記ビルトインモータ寄りのモータ側軸受とし、前記外径寸法が大きい各アンギュラ玉軸受を該モータ側軸受に対して前記ビルトインモータから離れた反モータ側軸受とすることを特徴とする主軸装置。
4. 前記ハウジングは、前記ビルトインモータのステータが取付けられる外筒ハウジングと、該外筒ハウジングの前部に設けられ、前記前側軸受の外輪が内嵌される前側軸受ハウジングと、前記外筒ハウジングの後部に設けられ、前記後側軸受の外輪が内嵌、又は、軸受スリーブを介して支持される後側軸受ハウジングと、を有し、
   前記前側軸受ハウジングは、外周面が大径外周面と小径外周面とを有する段付き形状に形成され、
   前記前側軸受ハウジングの小径外周面の少なくとも一部は、前記ステータのエンドコイルと半径方向から見てオーバーラップするように、前記ステータのエンドコイルの内側に配置され、
   前記モータ側軸受の少なくとも一つは、前記前側軸受ハウジングの小径外周面と半径方向から見てオーバーラップする位置で、前記前側軸受ハウジングに内嵌されることを特徴とする請求項３に記載の主軸装置。
5. 前記モータ側軸受と前記反モータ側軸受とは、定位置予圧が付与されており、
   前記モータ側軸受の外輪は、嵌め合いすきまを持って、前記前側軸受ハウジングに内嵌されることを特徴とする請求項４に記載の主軸装置。
6. 前記モータ側軸受と前記反モータ側軸受とは、定位置予圧が付与されており、
   前記モータ側軸受の外輪は、軸方向すきまを持って、前記前側軸受ハウジングに対して軸方向に位置決めされることを特徴とする請求項４又は５に記載の主軸装置。
7. 前記後側軸受の外輪が前記軸受スリーブに内嵌されるとともに、前記軸受スリーブが前記後側軸受ハウジングに内嵌され、
   前記軸受スリーブの少なくとも一部は、前記ステータのエンドコイルと径方向から見てオーバーラップするように、前記ステータのエンドコイルの内側に配置されることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の主軸装置。
8. 前記後側軸受の外輪は、前記後側軸受ハウジングに内嵌され、
   前記後側軸受ハウジングの少なくとも一部は、前記ステータのエンドコイルと径方向から見てオーバーラップするように、前記ステータのエンドコイルの内側に配置されることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の主軸装置。
9. 請求項３〜８のいずれか１項に記載の主軸装置を備えたことを特徴とする工作機械。
10. 前記主軸装置がチルト機構又は旋回機構に搭載されていることを特徴とする請求項９に記載の工作機械。

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