JP2510758B2 - 機械の主軸用軸受の冷却方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、機械の主軸を軸承する軸受の冷却方法に関
し、特に高速回転に適した主軸軸受の冷却方法に関す
る。従って、例えば、工作機械の主軸や、タービン軸の
軸受の冷却方法として利用することができる。

〔従来の技術〕

工作機械等の主軸を軸承する軸受は、その主軸が高速
回転すればする程、また、加工荷重が大きい程発熱量が
多い。発熱量が多ければ主軸の熱変位に基づく加工精度
の低下や軸受の焼付け等を生ずるため、軸受の冷却を行
うことが一般的である。

〔発明が解決しようとする課題〕

この場合、軸受の外輪側を冷却すれば、即ち、外輪を
保持しているハウジングを冷却すれば、該外輪の温度上
昇は押えられるが、内輪はその温度が上昇する。従って
外輪に対して内輪が膨張することとなり、軸受の玉に大
きな圧力が作用することとなり、焼付けに至る。また、
外輪も内輪も、夫々、単に冷却した場合は、両者の温度
に大きな差を生じないが、主軸の回転数が上昇するとそ
の遠心力の上昇に起因して軸受の玉が外輪に強く押し付
けられることとなり、やはり焼付け等の損傷に至ること
がある。

依って本発明は斯かる課題の解決を図るべく、軸受の
焼付けを防止すると共に、高速回転域まで安定した主軸
の回転が得られる主軸用軸受の冷却方法の提供を目的と
する。

〔課題を解決するための手段〕

回転する主軸に内輪を固定し、ハウジングに外輪を固
定した機械の主軸用軸受の冷却方法において、同軸受の
内輪を冷却すべく冷却液温度制御装置で温度制御された
冷却液を上記主軸内に導入する冷却液循環経路と、同軸
受の外輪を冷却すべく他の冷却液温度制御装置で温度制
御された冷却液を上記ハウジング内に導入する冷却液循
環経路とを別々を設け、上記内輪を冷却すべく上記主軸
内に流す冷却液の液温を上記外輪を冷却すべく上記ハウ
ジングに流す冷却液の液温よりも低くし、外輪の膨張量
より内輪の膨張量を小さくして内、外輪内の間隙を拡
げ、転動体と内、外輪との摩擦による発熱を小さくした
機械の主軸的軸受の冷却方法を提供するものである。

更に、上記目的に鑑みて本発明は、回転する主軸に内
輪を固定し、ハウジングに外輪を固定した機械の主軸用
軸受の冷却方法において、同軸受の内輪を冷却すべく冷
却液を上記主軸内に導入し、導入した冷却液を上記主軸
の軸心側から外周側に折り返す通路を経て上記主軸の外
周に穿設した開口に向けて遠心力によって循環させ、上
記冷却液を上記主軸内で循環後そのまま上記外輪を冷却
すべく、上記主軸とハウジング間に設けられ圧縮空気に
よって液漏れを防止した連通路を通して上記主軸の外周
に穿設した開口から上記ハウジング内に上記冷却液を導
入し、上記内輪を冷却すべく主軸内に流す冷却後の液温
を上記外輪を冷却すべく上記ハウジングに流す冷却液の
液温よりも低くし、外輪の膨張量より内輪の膨張量を小
さくして内、外輪間の間隙を拡げ、転動体と内、外輪と
の摩擦による発熱を小さくした機械の主軸用軸受の冷却
方法を提供するものである。

〔作 用〕

主軸の回転を継続させるか、又は回転速度を上昇させ
ると、軸受の外輪に比べて内輪はより膨張し、或いはま
た、遠心力の増大のため、軸受の玉には大きな圧縮力が
作用することとなる。これに対し、外輪を内輪に比べて
その冷却程度を下げるべく、或いはまた暖めるべく内輪
用冷却液の温度を外輪用冷却液の温度よりも低くするこ
とにより、外輪の膨張量より内輪の膨張量を小さくして
内、外輪間の隙間を拡げ、転動体と内、外輪との摩擦に
よる発熱を低下させることができ、軸受の焼付き防止が
図られる。

〔実施例〕

以下本発明を添付図面に示す実施例に基づき、更に詳
細に説明する。

一般に軸受は、その支持する回転軸が円滑に回転する
ように内、外輪のはめあい寸法を調節して適当な圧力で
軸受玉を予圧している。ある大きさの軸受において、前
記予圧による予圧力が10 kgfである場合、回転軸が1200
0rpmで回転して軸受玉にも遠心力を付与し、更に内、外
輪の温度差が３℃拡がるとその軸受玉には200kgfもの圧
縮力が作用することとなり、焼付に至る。

第１図を参照すると、工作機械等の主軸10は軸受12を
介して主軸頭ハウジング14に回転可能に収容されてい
る。この軸受12はその内輪12aを主軸10の外周に固定
し、外輪12bをハウジング14の内周に固定し、その間に
軸受玉12cを挟持する構造となっている。主軸頭の外部
から該主軸頭を自然対流や強制対流により冷却した場
合、主軸10はハウジング14によって囲繞されているため
冷却され難く、特別な工夫がなければ主軸10はハウジン
グ14に比べて温度が上昇する。従って、該主軸10に固定
されている内輪12aはハウジング14に固定されている外
輪12bよりも温度が高くなり、内輪12aの外径は外輪12b
に対して相対的に膨張し、軸受玉12cを圧縮することと
なる。また、主軸10の回転数Ｎが大きくなれば、その遠
心力のために軸受玉12cは外輪12bの方に押し付けられて
圧縮作用を受けることとなる。こうした軸受玉12cへの
圧縮力の増大はその焼付きにつながるため、この緩和手
段が望まれる。

その緩和手段を以下に説明する。軸受12の内輪12aを
冷却するために、該内輪12aを固定している主軸10を冷
却すべく主軸の長手方向に沿って冷却液の往路10gと復
路10rとを端部で連通するように設けている。この冷却
液は冷却液温度制御装置20aから所定の温度に調節され
て供給され、主軸10並びに軸受12の内輪12a等を冷却
し、その温度を上昇させて再び上記冷却液温度制御装置
20aに戻る。なお、この主軸内に冷却液を流通させた装
置の具体的実施例は、本出願人の先願である特開昭64−
87130号公報に開示されている。一方、主軸頭ハウジン
グ14にも長手方向に冷却液の往路14gと復路14rとを設
け、その先端部で両流路が連通するよう形成している。
この流路14g,14rに冷却液を流すことにより該ハウジン
グ14と共に軸受12の外輪12bを冷却することができる。
この冷却液は前記の冷却液温度制御装置20aとは別個の
同様な冷却液温度制御装置20bから供給されると共に、
冷却後再び戻る。

さて、前述の如く回転中における軸受玉12cとの圧縮
力を緩和することが軸受の焼付き防止につながるが、こ
のためには内輪12aを冷却すべく冷却液温度制御装置20a
から供給される冷却液の温度を、外輪12bを冷却すべく
他方の冷却液温度制御装置20bから供給される冷却液の
温度より低く設定することが有効である。即ち、この場
合、外輪12bは内輪12aよりも温度が高くなり、外輪12b
は相対的に内輪12aに対して膨張するため、軸受玉12cの
圧縮力を解放することができる。

次に第２図は本発明に係る第２実施例を図示している
が、これは１つの冷却液温度制御装置20から所定温度の
冷却液が主軸10内の往路10gに供給され、復路10rから上
記冷却液温度制御装置20に直接戻ることなく、主軸頭ハ
ウジング14へ流すのである。このとき、往路10gは主軸1
0内の軸心側に設けられ、主軸10の前方側て折り返す復
路10rは主軸10内の外周側に設けられ、復路10rの終端は
主軸10の外周に半径方向に開口されている。この状態で
主軸10が回転すると、主軸10内に導入された冷却液は遠
心力の作用で、往路10gから、より外周側にある復路10r
へ、更に、前記復路10rの終端の開口から外方へ飛び出
そうとし、つまり、主軸頭ハウジング14へ流れる。この
ようにして主軸10内を冷却液がスムーズに流通し、軸受
12の内輪側を冷却する。そして、冷却すべき軸受12の後
方には、環状の部材24がハウジング14の内周に固定され
ており、該環状の部材24にはその半径方向に、主軸10内
の復路10rを流れる冷却液をハウジング14の往路14gに流
すための連通路24bが設けられており、またその両側に
は、圧縮空気源22から供給される圧縮空気を前記環状部
材24と主軸10との対向隙間部26に流し、冷却液が主軸10
の復路10rから上記連通路24bに流入する際の液漏れを防
止する圧縮空気流路24aが設けられている。こうして軸
受12の内輪12a等を冷却し、それらの熱を吸熱して温度
の上昇した冷却液をハウジング14に導き、軸受12の外輪
12bを冷却、或いは幾分加熱し、それにより内、外輪間
の隙間寸法を拡げ、軸受玉12cの圧縮力を緩和すること
ができる。

以上の様に、軸受の内輪用の冷却液の温度を外輪用の
それよりも低くすることの効果を第３図を用いて説明す
る。縦軸は軸受玉の圧縮力Ｐを示し、横軸は主軸の回転
数Ｎを示す。ラインL1は軸受の使用限界ラインを示し、
ラインL2は従来方法での軸受の冷却による軸受玉の圧縮
力の変化曲線を代表している。このラインL2のＮ＝０時
の圧縮力Ｐは軸受の予圧P0を示している。本発明に係る
冷却方法を用いると、予圧を前記P0と同一にしておくな
らば、二点鎖線L3で示す様にその軸受玉の圧縮力Ｐが大
きくは上昇せず、従って大きな回転数Ｎまで使用可能と
なることがわかる。また、このことは逆に、予圧を上記
P0よりも大きな値P1に設定しても、従来の使用可能な回
転限界値NLと同程度まで使用することができることを意
味しており、それを一点鎖線L4によって示す。この様に
予圧を大きくすることの利点は、低速回転において重切
削等の加工を行う場合、主軸の剛性が高まり、従って加
工精度が向上すること等である。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかな様に本発明によれば、機械の
主軸用軸受の冷却方法として、同軸受の外輪の膨張より
内輪の膨張量を小さくして、内、外輪間の隙間を拡げ、
転動体と内、外輪との摩擦による発熱を小さくした冷却
液の導入方法としたことから、効果的に焼付きを防止す
ることができ、高速回転域まで安定した主軸回転が得ら
れ、或いはまた、軸受の予圧を高めてその剛性を高くす
ることができる。

そして、それぞれに冷却液温度制御装置を有して、軸
受の内輪冷却用の冷却液循環経路と、外輪冷却用の冷却
液循環経路とを設けたので、内輪冷却用の冷却液と外輪
冷却用の冷却液との温度差を定量的に管理でき、依って
機械の主軸精度の維持を確実に行うことができる。

また、上述した冷却液の冷動方法を巧みに工夫するこ
とにより内、外輪間に膨張量の差を形成し、以て転動体
と内、外輪との摩擦発熱を小さくして高速回転域まで円
滑な軸受回転を確保するようにした結果は、主軸軸心側
から主軸外周側へと流動する冷却液を同主軸の高速回転
を利用した遠心力の作用で流れのスムーズ性が図られて
いるので、より一層、顕著な冷却効果を奏する結果とな
っいる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る冷却方法を説明する図、 第２図は本発明に係る他の冷却方法を説明する図、 第３図は本発明の効果を説明するグラフ図である。 10……主軸、12……軸受、 12a……内輪、12b……外輪、 12c……軸受玉、14……主軸頭ハウジング、 20,20a,20b……冷却液温度制御装置。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転する主軸に内輪を固定し、ハウジング
   に外輪を固定した機械の主軸用軸受の冷却方法におい
   て、 前記軸受の内輪を冷却すべく冷却液温度制御装置で温度
   制御された冷却液を前記主軸内に導入する冷却液循環経
   路と、前記軸受の外輪を冷却すべく他の冷却液温度制御
   装置で温度制御された冷却液を前記ハウジング内に導入
   する冷却液循環経路とを別々に設け、 前記内輪を冷却すべく前記主軸内に流す冷却液の液温を
   前記外輪を冷却すべく前記ハウジングに流す冷却液の液
   温よりも低くし、 外輪の膨張量より内輪の膨張量を小さくして内、外輪内
   の間隙を拡げ、転動体と内、外輪との摩擦による発熱を
   小さくしたことを特徴とする機械の主軸用軸受の冷却方
   法。
2. 【請求項２】回転する主軸に内輪を固定し、ハウジング
   に外輪を固定した機械の主軸用軸受の冷却方法におい
   て、 前記軸受の内輪を冷却すべく冷却液を前記主軸内に導入
   し、 導入した冷却液を前記主軸の軸心側から外周側に折り返
   す通路を経て前記主軸の外周に穿設した開口に向けて遠
   心力によって循環させ、 前記冷却液を前記主軸内で循環後そのまま前記外輪を冷
   却すべく、前記主軸とハウジング間に設けられ圧縮空気
   によって液漏れを防止した連通路を通して前記主軸の外
   周に穿設した開口から前記ハウジング内に前記冷却液を
   導入し、前記内輪を冷却すべく主軸内に流す冷却後の液
   温を前記外輪を冷却すべく前記ハウジングに流す冷却液
   の液温よりも低くし、 外輪の膨張量より内輪の膨張量を小さくして内、外輪間
   の間隙を拡げ、転動体と内、外輪との摩擦による発熱を
   小さくしたことを特徴とする機械の主軸用軸受の冷却方
   法。