JP2020069604A - モータビルトイン方式のスピンドル装置 - Google Patents

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kyohei Matsunaga
恭平 松永
翔一郎 小栗
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Abstract

【課題】防水性能の向上を図ると共に、軸受の損傷を防止することができるモータビルトイン方式のスピンドル装置を提供する。【解決手段】モータビルトイン方式のスピンドル装置10において、回転軸11の前端部側にフリンガー40を固定して、ハウジングHとの間でラビリンスシール44を形成する。ハウジングHは、モータ30が配置されるモータ室34と、スピンドル装置10の外部とを連通する連通孔71を備える。連通孔71には、モータ室34の空気を外部に排出するサクション機構74が設けられる。【選択図】図1

Description

本発明は、モータビルトイン方式のスピンドル装置に関する。
工作機械等に適用されるスピンドル装置は、回転軸の先端に刃具を備え、高速回転して被加工物の切削加工や研削加工を行っている。一般的に加工に際しては、刃具および加工部位の潤滑や冷却を目的として、多量の加工液が加工部位に供給される。即ち、加工液の潤滑効果により、被削特性の向上、加工刃先の摩耗抑制、工具寿命の延長などが図られる。また、加工液の冷却効果により、刃具及び被加工物の熱膨張を抑制して、加工精度の向上や、加工部位の熱溶着を防止して加工効率の向上や加工面の表面性状の向上が図られる。
しかしながら、スピンドル装置と加工部位との距離が近いこともあり、加工液がスピンドル装置の前面にも多量にかかることで問題が発生する場合がある。即ち、多量に供給される加工液が回転軸を支持する軸受内部に浸入することがあり、加工液が軸受内部に浸入した場合、軸受の潤滑不良や焼付きなどの原因となる。そのため、スピンドル装置の防水性を高め、軸受内部への加工液浸入を防止する目的で様々な防水機構が、スピンドル装置に適用される。
特に、工作機械に使用されるスピンドル装置では、軸受のdmn値が40万以上(より好ましくは50万以上)で使用される場合、スピンドル装置の前端部(工具側)に、回転軸と一体回転するフリンガーと呼ばれる非接触の防水機構が適用されることが多い。フリンガーは、当該フリンガーとハウジングとの間のすきまを狭くして、所謂ラビリンスシールを構成して防水性の向上を図るものである。これは、オイルシールやVシールなどの接触シールでは、高速回転時にシール接触部からの発熱が大きく、シール部材が摩耗して防水性能を長期間にわたって維持することが難しいためである。
また、近年の工作機械用主軸においては、加工効率を向上させるために主軸回転数の高速化が進んできており、それに伴い、モータビルトイン方式のスピンドル装置が採用されてきている。例えば、特許文献1には、フリンガーを備えるモータビルトイン方式のスピンドル装置が開示されている。
図5は、フリンガーを備える従来のモータビルトイン方式のスピンドル装置の一例を示す断面図である。このスピンドル装置100は、スピンドル装置100の内部にモータ101を有し、このモータ101を駆動させて回転軸102を回転させる。また、フリンガー105は、スピンドル装置100の前端部に、回転軸102と一体回転するように固定され、ハウジング103の前側ハウジング106及び前側外輪押さえ107との間にラビリンスシール部108を形成している。これにより、フリンガー105は、回転軸102とともに高速で一体回転するため、上記のラビリンス効果とともに、フリンガー105にかかる加工液を遠心力で径方向外方に振り飛ばして、スピンドル装置100の内部、特に、前側軸受109の内部への加工液の浸入を抑制する効果も有している。
特開2016−26900号公報
ところで、図5に示すようなスピンドル装置100では、モータ駆動時に発生する種々の損失によりモータ101において熱エネルギーが発生する。この熱エネルギーによって、ハウジング103の内部では、特に、モータ101が収容されるモータ室104の空気が加熱されて高温の空気となる。さらに、スピンドル装置100は、外部から空気や水分、ゴミ等が極力入り込まないように設計されるのが一般的なため、回転軸102の前部に設けられたラビリンスシール部108を除いては、スピンドル装置100の内部空間が外部と繋がるような穴等が開いていないことが多い。そのため、上記の高温空気によりスピンドル装置100の内部空間(特に、モータ室104)は、外部に比べて圧力が高くなる。
一方、フリンガー105の近傍は、回転軸102の回転中に最も周速が速くなる部分であり、フリンガー105近傍の空気はフリンガー105の回転に連れ回る。ベルヌーイの定理によると、流体の速度が増加するとその圧力は低下する。すなわち、スピンドル装置100中で最も周速の速いフリンガー105の回転に連れ回る空気は、スピンドル装置100の近傍の空気中で最も速度が高くなるため、その圧力も最も低くなる。
上記のように、モータ101で発生した熱エネルギーによりモータ室104内の空気の圧力が高くなる一方、フリンガー105の回転によりフリンガー105近傍の空気の圧力が低くなることで、スピンドル装置100の内部においては、モータ室104からスピンドル装置100の前面方向(フリンガー105に向かう方向)に空気が流れる現象が発生する。
また、この場合、スピンドル装置100の内部空間とラビリンスシール部108とをつなぐ空間の途中には前側軸受109が位置しているため、回転軸102の回転中にモータ室104の高温空気が前側軸受109内の隙間を通過する。この高温空気の通過によって、前側軸受109の潤滑剤(オイルやグリースなど)が潤滑に適切な場所から強制的に移動させられること、および、高温の空気が前側軸受109内部を通過することにより軸受109の内部温度が上昇して、軸受109の使用環境が苛酷なものとなる。特に、最高回転数での使用頻度が多い高速回転主軸などにおいては、軸受内部の昇温による潤滑剤の熱的劣化や粘度低下による潤滑剤の流出が進展し易く、潤滑寿命が短くなるので、軸受109の早期損傷につながる可能性があった。
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、防水性能の向上を図ると共に、軸受の損傷を防止することができるモータビルトイン方式のスピンドル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) 回転軸と、
前記回転軸をハウジングに対して回転自在にそれぞれ支持する前側軸受及び後側軸受と、
該前側軸受及び後側軸受との間で前記回転軸と一体回転可能に配置されるロータと、該ロータの周囲に配置されるステータと、を有するモータと、
を備えるモータビルトイン方式のスピンドル装置であって、
前記回転軸の前端部側に固定されて、前記ハウジングとの間にラビリンスシールを形成するフリンガーを備え、
前記ハウジングは、前記モータが配置されるモータ室又は該モータ室に連通する空間と、前記スピンドル装置の外部とを連通する連通孔を有し、
前記連通孔には、前記モータ室の空気を前記外部に排出するサクション機構が設けられる、モータビルトイン方式のスピンドル装置。
本発明のモータビルトイン方式のスピンドル装置によれば、フリンガーにより防水性能を向上させると共に、モータから発生した熱エネルギーにより昇温するモータ室内の高温の空気を、前側軸受を通さずに、サクション機構によりスピンドル装置の外部に排気することで、前側軸受の内部の温度上昇を抑制し、前側軸受、ひいてはスピンドル装置の信頼性を向上させることができる。
本発明の第1実施形態に係るモータビルトイン方式のスピンドル装置の断面図である。 本発明の第2実施形態に係るモータビルトイン方式のスピンドル装置の断面図である。 本発明の第3実施形態に係るモータビルトイン方式のスピンドル装置の断面図である。 本発明の第4実施形態に係るモータビルトイン方式のスピンドル装置の断面図である。 従来のモータビルトイン方式のスピンドル装置の断面図である。
以下、本発明に係るモータビルトイン方式のスピンドル装置の各実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の説明においては、回転軸の工具が取り付けられる側(工具側)を前側、工具側と反対側を後側とも言う。
(第1実施形態)
図1は本発明の第1実施形態のモータビルトイン方式のスピンドル装置の断面図である。
図1に示すように、工作機械主軸用のモータビルトイン方式のスピンドル装置10(以下、単に「スピンドル装置10」とも言う)では、回転軸11が、その工具側(図1において左側)に配置される2列の前側軸受50,50と、反工具側(図1において右側)に配置される2列の後側軸受60,60とによって、ハウジングHに回転自在に支持されている。ハウジングHは、工具側から順に、前側ハウジング12、外筒13、後側ハウジング14、及び後蓋15によって主に構成されており、不図示のボルトによってそれぞれ締結固定されている。
各前側軸受50は、外輪51と、内輪52と、接触角を持って配置される転動体としての玉53と、図示しない保持器と、をそれぞれ有するアンギュラ玉軸受であり、各後側軸受60は、外輪61と、内輪62と、接触角を持って配置される転動体としての玉63と、図示しない保持器と、を有するアンギュラ玉軸受である。前側軸受50,50(並列組合せ)と後側軸受60,60(並列組合せ)とは、互いに協働して背面組み合わせとなるように配置されている。
前側軸受50,50の外輪51,51は、前側ハウジング12に内嵌されており、また、前側ハウジング12に形成された雌ねじ27に螺合固定された前側外輪押さえ16によって、外輪間座54を介して前側ハウジング12に対し軸方向に位置決め固定されている。なお、雌ねじ27は、前側ハウジング12の外輪51、51が内嵌される部分の前端面12aから前方に突出して、後述するフリンガー40と対向する前側筒部12bの内周面に形成されている。
また、前側軸受50,50の内輪52,52は、回転軸11に外嵌されており、回転軸11に締結されたナット17によって、後述するフリンガー40及び内輪間座55を介して回転軸11に対し軸方向に位置決め固定されている。
後側軸受60,60の外輪61,61は、後側ハウジング14に対して軸方向に摺動自在に内嵌するスリーブ18に内嵌すると共に、このスリーブ18に不図示のボルトで一体的に固定された後側外輪押さえ19によって、外輪間座64を介してスリーブ18に対し軸方向に位置決め固定されている。
後側軸受60,60の内輪62,62は、回転軸11に外嵌されており、また、回転軸11に締結された他のナット21によって、内輪間座65、65を介して回転軸11に対し軸方向に位置決め固定されている。後側ハウジング14と後側外輪押さえ19との間にはコイルばね23が配設され、このコイルばね23のばね力が、後側外輪押さえ19をスリーブ18と共に後方に押圧する。これにより、前側軸受50、50及び後側軸受60,60に予圧が付与される。
回転軸11の工具側には、軸中心を通り軸方向に形成された不図示の工具取付孔及び雌ねじが設けられている。工具取付孔及び雌ねじは、刃具などの不図示の工具を回転軸11に取付けるために使用される。なお、工具取付孔及び雌ねじの代わりに、回転軸11の軸芯に従来公知のドローバー(図示せず)を摺動自在に挿嵌するようにしてもよい。ドローバーは、いずれも不図示の工具ホルダを固定するコレット部を備え、皿ばねの力によって反工具側方向に付勢する。
回転軸11の前側軸受50,50と後側軸受60,60間の軸方向略中央には、回転軸11と一体回転可能に配置されるロータ31と、ロータ31の周囲に配置されるステータ32とを備えるモータ30が配設されている。ステータ32は、ステータ32に焼き嵌めされた冷却ジャケット33を、ハウジングHを構成する外筒13に内嵌することで、外筒13に固定される。
ステータ32のコイルに接続されてステータ32に電力を供給する電線35は、後側ハウジング14、及び後蓋15に設けられた配索孔36a、36bに挿通されて外部電源に接続されている。モータ30は、電線35を介してステータ32に電力を供給することでロータ31に回転力を発生させて回転軸11を回転させる。モータ30は、回転軸11の周囲で、前側ハウジング12、外筒13、後側ハウジング14及びスリーブ18によって囲まれた空間であるモータ室34内に収容されている。なお、後蓋15は、後端部に形成された開口部分15aを塞ぐ開口カバー28を有する。
フリンガー40は、上述したように、前側軸受50,50より工具側(図中左側)で、回転軸11の前端部側に外嵌し、ナット17で内輪52,52と共に回転軸11に固定されている。
フリンガー40は、回転軸11に外嵌されるボス部41と、ボス部41から径方向外方に延設された円盤部42と、該円盤部42の外周部から後方に向かってリング状に延設された円環部43と、を有する。
円盤部42の軸方向内側面は、前側ハウジング12、及び前側外輪押さえ16の前端面と、僅かな軸方向隙間、例えば0.5mm程度の隙間を介して軸方向に対向配置され、円環部43の内周面が、前側ハウジング12の外周面と、僅かな径方向隙間、例えば0.5mm程度の隙間を介して径方向に対向配置される。これにより、フリンガー40は、前側ハウジング12及び前側外輪押さえ16との間で、所謂ラビリンスシール44を構成する。
上記により、前側ハウジング12の外周部には、フリンガー40によってエアカーテンが形成され、被加工物を加工する際、スピンドル装置10に降りかかる加工液が前側軸受50,50側に入ることを抑制するための防水機構を構成する。また、ラビリンス部位に加工液や粉塵が侵入したとしても、フリンガー40の遠心力による振り切り効果で、円環部43から外部に排出することができ、回転軸11の内部に加工液や粉塵が侵入するのを防止することができる。
外筒13には、モータ室34とスピンドル装置10の外部とを連通する連通孔71が径方向に形成されている。連通孔71には、排気通路72と、該排気通路72の途中に設置されたポンプ73と、を備えるサクション機構74が設けられている。サクション機構74は、ポンプ73の作動によりモータ室34内の高温空気を排気通路72を介してスピンドル装置10の外部に排気する。
このように、回転軸11の駆動時に、モータ30からの発熱によって高温になったモータ室34内の高温空気を、サクション機構74によってスピンドル装置10の外部に直接排気することで、モータ室34内の高温空気が、フリンガー40近傍空気との圧力差によってスピンドル装置10の前面方向に移動することが抑制される。
すわなち、モータ室34内の高温空気が前側軸受50を通過せずにスピンドル装置10の外部へ排気される。これによって前側軸受50内の潤滑剤の強制移動や寿命低下、軸受部の異常昇温が抑制されて、前側軸受50の早期損傷を防止することができ、スピンドル装置10の信頼性が向上する。
なお、サクション機構74によるモータ室34内の高温空気の排出により、モータ室34の圧力が低下する。本実施形態では、この圧力低下を抑制するため、後蓋15の開口カバー28に他の連通孔46が形成されており、他の連通孔46は、回転軸11の後方で、主に、後側ハウジング14、後蓋15、及びスリーブ18で形成された後方空間45と、スピンドル装置10の外部とを連通する。また、他の連通孔46には、ゴミやミストなどの異物がスピンドル装置10の内部へ侵入することを防止する、サイレンサなどのフィルター部材47が取り付けられている。
したがって、サクション機構74のポンプ73の作動により、モータ室34の空気が排気される一方、スピンドル装置10の外部の空気が、他の連通孔46を介して後方空間45に取り込まれ、さらに、後側ハウジング14の配索孔36aを介して、モータ室34内に供給される。
また、モータ室34内の高温空気は、上方になるほど温度が高い空気が滞留する。従って、高温空気を効率よく排気するためには、モータ室34の上部に滞留する空気を効率よく排気することが望ましい。このため、回転軸11が水平状態で使用されるスピンドル装置10の場合、連通孔71をモータ室34の上部に連通させて、モータ室34の上部に滞留する空気を積極的に排気することが好ましい。
(第2実施形態)
次に、スピンドル装置の第2実施形態について図2を参照して説明する。図2に示すように、スピンドル装置10Aでは、連通孔71aは、後側ハウジング14内で屈曲して形成されて、モータ室34とスピンドル装置10Aの外部とを連通する。連通孔71aを後側ハウジング14に形成することで、スピンドル装置10Aの工作機械への組み込みや、周辺部品の設計が容易になる。
また、本実施形態では、前側ハウジング12には、モータ室34とラビリンスシール44とを連通するように軸方向に延びる複数のバイパス孔24が円周方向に亘って形成されている。バイパス孔24の空気抵抗は、断面積の大きさ等の関係から、前側軸受50の内部隙間の空気抵抗より小さくなっている。これにより、サクション機構74によるモータ室34内の高温空気の排気が不十分な場合でも、モータ室34内の空気は、前側軸受50の内部隙間を通ることなく、バイパス孔24を介してラビリンスシール44に流れ、前側軸受50内の潤滑剤の強制移動や寿命低下、軸受部の異常昇温が抑制されて、前側軸受50の早期損傷を防止することができ、スピンドル装置10Aの信頼性が向上する。
さらに、本実施形態では、スリーブ18及び後側外輪押さえ19に、モータ室34と後方空間45とを連通する他のバイパス孔48、49が円周方向の複数箇所に設けられている。したがって、サクション機構74のポンプ73の作動により、モータ室34の空気が排気される一方、他の連通孔46から取り込まれたスピンドル装置10A外部の空気が、他のバイパス孔48、49を介してモータ室34に供給される。特に、後側ハウジング14の配索孔36aを介して、外部の空気をモータ室34に供給することが難しい場合に、他のバイパス孔48、49を介して、外部の空気がモータ室34に供給される。
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。
なお、バイパス孔24は、第1実施形態のスピンドル装置にも適用することができる。また、他のバイパス孔48、49も、第1実施形態のスピンドル装置に適用することができる。
(第3実施形態)
次に、スピンドル装置の第3実施形態について図3を参照して説明する。図3に示すように、本実施形態のスピンドル装置10Bでは、後方空間45とスピンドル装置10Bの外部と接続する連通孔71bが、後蓋15の外周面に開口して形成されている。連通孔71bには、サクション機構74が設けられている。
サクション機構74によって後方空間45内の空気をスピンドル装置10Bの外部に排気することで、後側ハウジング14に設けられた配索孔36aを介して接続するモータ室34の高温空気が外部に排気される。
また、本実施形態では、他の連通孔46aが後側ハウジング14内で屈曲して形成されており、他の連通孔46aの外周寄り部分には、フィルター部材47が取り付けられている。
したがって、サクション機構74のポンプ73の作動により、モータ室34の空気が排気される一方、他の連通孔46aからスピンドル装置10Bの外部の空気が取り込まれ、モータ室34の圧力低下が抑制される。
その他の構成及び作用については、第2実施形態のものと同様である。
(第4実施形態)
次に、スピンドル装置の第4実施形態について図4を参照して説明する。図4に示すように、スピンドル装置10Cでは、連通孔71cは、後蓋15の開口部分15aを塞ぐ開口カバー28に軸方向に貫通して設けられている。また、本実施形態では、他の連通孔46bがモータ室34とスピンドル装置10Cの外部とを連通するように径方向に貫通して形成される。さらに、他の連通孔46bの外周寄り部分には、フィルター部材47が取り付けられている。
また、第2実施形態と同様に、モータ室34と後方空間45とを連通する他のバイパス孔48、49が円周方向の複数箇所に設けられている。
したがって、サクション機構74のポンプ73の作動により、モータ室34内の空気が後側ハウジング14の配索孔36aを介して、外部に排気することが難しい場合であっても、後側軸受60の内部隙間を通ることなく、他のバイパス孔48、49を介して、外部に排気される。これにより、後側軸受60の潤滑剤の寿命低下や後側軸受60の異常昇温が抑制されて、後側軸受60の早期損傷を防止することができる。
また、排気が行われたモータ室34内には、他の連通孔46bからの外部の空気が取り込まれ、モータ室34の圧力低下が抑制される。
その他の構成及び作用については、第3実施形態と同様である。
なお、本発明の、モータ室34に連通する、サクション機構74によって空気を排気する空間は、後方空間45に限定されず、前側軸受及び後側軸受の空間を除く、任意の空間が選択可能である。
尚、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、上記実施形態では、サクション機構が接続される連通孔と、スピンドル装置の外部の空気が取り入れられる他の連通孔とは、ハウジングの異なる構成部品に形成されているが、本発明は、これに限らず、連通孔と他の連通孔とは、同じ構成部品に形成して、異なる位相に配置されてもよい。
また、サクション機構が接続される連通孔は、第4実施形態のように、モータハウジング13の外周部と異なる位置、好ましくは、ハウジングの外周部から離れた位置に設けることで、工作機械への組み込みや、周辺部品の設計が容易になる。
さらに、スピンドル装置の外部の空気が取り入れられる他の連通孔も、フィルター部材を取り付ける場合には、モータハウジングの外周部と異なる位置、好ましくは、ハウジングの外周部から離れた位置に設けることで、工作機械への組み込みや、周辺部品の設計が容易になる。
また、本発明のモータビルトイン方式のスピンドル装置は、研削盤主軸用としても好適に使用できる。
以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
(1) 回転軸と、
前記回転軸をハウジングに対して回転自在にそれぞれ支持する前側軸受及び後側軸受と、
該前側軸受及び後側軸受との間で前記回転軸と一体回転可能に配置されるロータと、該ロータの周囲に配置されるステータと、を有するモータと、
を備えるモータビルトイン方式のスピンドル装置であって、
前記回転軸の前端部側に固定されて、前記ハウジングとの間にラビリンスシールを形成するフリンガーを備え、
前記ハウジングは、前記モータが配置されるモータ室又は該モータ室に連通する空間と、前記スピンドル装置の外部とを連通する連通孔を有し、
前記連通孔には、前記モータ室の空気を前記外部に排出するサクション機構が設けられる、モータビルトイン方式のスピンドル装置。
この構成によれば、フリンガーにより防水性能を向上させると共に、モータから発生した熱エネルギーにより昇温するモータ室内の高温の空気を、前側軸受を通さずに、サクション機構によってスピンドル装置の外部に排気することで、前側軸受の内部の温度上昇を抑制し、前側軸受、ひいてはスピンドル装置の信頼性を向上させることができる。
(2) 前記ハウジングは、前記モータ室と、前記ラビリンスシールとを連通する、少なくとも1つのバイパス孔を備える、(1)に記載のモータビルトイン方式のスピンドル装置。
この構成によれば、モータ室内の高温の空気を、モータ室とラビリンスシールとを連通するバイパス孔から排気することで、前側軸受の内部の温度上昇をより確実に抑制することができる。
(3) 工作機械主軸用である、(1)又は(2)に記載のモータビルトイン方式のスピンドル装置。
この構成によれば、工作機械主軸用として好適に使用できる。
(4) 研削盤主軸用である、(1)又は(2)に記載のモータビルトイン方式のスピンドル装置。
この構成によれば、研削盤主軸用として好適に使用できる。
10,10A、10B、10C モータビルトイン方式のスピンドル装置
11 回転軸
24 バイパス孔
30 モータ
31 ロータ
32 ステータ
34 モータ室
40 フリンガー
44 ラビリンスシール
45 後方空間
46、46a、46b 他の連通孔
47 フィルター部材
50 前側軸受
60 後側軸受
71、71a、71b、71c 連通孔
74 サクション機構
H ハウジング

Claims (4)

  1. 回転軸と、
    前記回転軸をハウジングに対して回転自在にそれぞれ支持する前側軸受及び後側軸受と、
    該前側軸受及び後側軸受との間で前記回転軸と一体回転可能に配置されるロータと、該ロータの周囲に配置されるステータと、を有するモータと、
    を備えるモータビルトイン方式のスピンドル装置であって、
    前記回転軸の前端部側に固定されて、前記ハウジングとの間にラビリンスシールを形成するフリンガーを備え、
    前記ハウジングは、前記モータが配置されるモータ室又は該モータ室に連通する空間と、前記スピンドル装置の外部とを連通する連通孔を有し、
    前記連通孔には、前記モータ室の空気を前記外部に排出するサクション機構が設けられる、モータビルトイン方式のスピンドル装置。
  2. 前記ハウジングは、前記モータ室と、前記ラビリンスシールとを連通する、少なくとも1つのバイパス孔を備える、請求項1に記載のモータビルトイン方式のスピンドル装置。
  3. 工作機械主軸用である、請求項1又は2に記載のモータビルトイン方式のスピンドル装置。
  4. 研削盤主軸用である、請求項1又は2に記載のモータビルトイン方式のスピンドル装置。
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