JP2785691B2 - 工作機械の主軸装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、工作機械の主軸とモー
タの回転軸を同軸に連結した工作機械の主軸装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】生産性を向上させるために、工作機械の
主軸の高速化・高出力化が求められている。近年では、
低速大トルクから高速大出力に至る広範囲の出力特性を
備えたビルトインモータが普及し、減速・増速歯車を介
することなく主軸と該モータの回転軸を連結した工作機
械がコンパクトな構成で実現されるようになり、工作機
械に対する主軸の高速化・高出力化の前記要求が満たさ
れるようになっている。

【０００３】モータの回転軸と主軸を直結する構成とす
ると、熱源としてのモータが主軸の延長上に配設される
ため、モータの熱が主軸に伝わり、主軸の軸方向の熱変
位を助長するという問題があった。また、主軸頭本体や
主軸頭を支える機体にモータからの熱が伝達しやすく、
歯車を介して主軸とモータの回転軸を連結する方式に比
べて、機械の熱変位が大きくなり易いという問題もあっ
た。

【０００４】そこで、主軸と回転軸を同軸に連結した従
来の工作機械においては、モータの温度上昇を抑制する
ための機構を有するものがあった。図８に示す従来の工
作機械の主軸装置において、１００は回転軸である。回
転軸の先端には、工作機械の主軸が一体に取り付けら
れ、又はスプライン継ぎ手等の連結手段によって別体の
主軸が連結されている。回転軸１００の外周にはモータ
の回転部分であるロータ１０１が固定されている。ロー
タ１０１の外周にはコイル１０２を有するステータ１０
３が設けられている。ステータ１０３の外周面にはステ
ータスリーブ１０４が取り付けられ、該ステータスリー
ブ１０４がステータハウジング１０５の内周面に取り付
けられている。

【０００５】ステータスリーブ１０４の外周面には冷却
媒体が通る溝が形成され、ステータハウジング１０５の
内周面との間に冷却用ジャケット１０６が構成されてい
る。ステータハウジング１０５には冷却媒体の入口１０
７と出口１０８が形成され、図示しない冷凍機と冷却用
ジャケット１０６との間で冷却媒体を循環させてモータ
を冷却する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前述した従来の工作機
械における主軸装置によれば、冷却用ジャケット１０６
を構成するためにステータハウジング１０５とステータ
１０３の間にステータスリーブ１０４を設けていたの
で、ステータハウジング１０５の寸法が大きくなり、主
軸装置全体の重量が大きくなるという問題があった。ま
た、冷凍機の消費電力が大きいという問題もあった。

【０００７】また、モータの熱が主軸に伝わり、主軸を
支えるベアリングの外輪側よりも主軸の温度の方が高く
なると、ベアリングの内輪の外径が膨張して外輪内径と
の間隔が小さくなってしまい、ベアリングの転動体に過
大な予圧が加わって接触応力が増大し、ベアリングの回
転による発熱が増大して著しい場合にはベアリングに焼
き付きが生じることもあった。

【０００８】また一般に、歯車によって主軸とモータを
連動させた場合に比べ、主軸とモータの回転軸を同軸に
直結した場合には、ロータとこれに固定された回転軸及
び主軸の全体が回転体となるので、その重量は相当に大
きくなり、その固有振動数は低下する。従って、一定以
上の高速回転では共振が起こり、その高速化には限界が
あった。

【０００９】さらに、主軸とモータの回転軸を同軸に直
結した場合には、ロータの動バランスが主軸の回転精度
に直接影響し、主軸系の振動モードが複雑になるので、
前記主軸を振動がなく回転精度の良い状態で高速駆動す
ることは困難であった。

【００１０】本発明は、小型・軽量で熱変位が少なく、
冷却系の消費電力が小さく、主軸の振動が少なくて高速
で高精度の回転が行える工作機械の主軸装置を提供する
ことを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載された工
作機械の主軸装置１は、回転軸５に固定されたロータ３
をステータ４に挿入してなるモータ２と、前記モータ２
の回転軸５に同軸に連結される主軸２０とを有し、前記
ステータ４が固定される筐体７に冷却流体の通路８が形
成された工作機械の主軸装置において、前記通路８に冷
却流体を供給する冷凍機４０と、前記通路８の出口と前
記冷凍機４０の間に設けられた冷却手段（ファンクーラ
４２）とを有することを特徴としている。

【００１２】請求項２に記載された工作機械の主軸装置
は、請求項１記載の工作機械の主軸装置において、前記
筐体７に形成された冷却流体の通路８は、筐体７の周壁
の内部に前記回転軸５に平行に周方向に互いに所定の間
隔をおいて形成された複数本の冷却流体の通路８により
形成され、端板９で覆われた筐体７の両端部の内周面に
は隣接する前記通路８を連通させる溝１１が形成されて
おり、各通路８は前記溝１１を介して蛇行しながら全体
として略一本の経路を構成していることを特徴としてい
る。

【００１３】請求項１記載の工作機械の主軸装置におい
て、前記筐体を覆う被覆壁と、前記筐体と前記被覆壁の
間に冷却用の空気を流通させる送風手段とを有すること
ができる。

【００１４】請求項３に記載された工作機械の主軸装置
は、請求項１記載の工作機械の主軸装置において、前記
回転軸５と前記主軸の各端部にそれぞれ形成されて互い
に周方向にかみ合うことにより回転力を伝達する継ぎ手
部２１、２２を有し、各継ぎ手部２１、２２の周方向に
対向する隙間部分に挟まれる遮蔽部材３０を有している
ことを特徴としている。

【００１５】

【作用】冷凍機から供給される冷却媒体は、ステータが
固定されたモータの筐体の通路に入ってモータを冷却す
る。筐体から出た冷却媒体は、冷却手段において冷却さ
れた後に冷凍機に戻る。筐体と被覆壁の間に送風手段が
空気を流通させ、モータを冷却する。モータの回転軸と
工作機械の主軸は、遮蔽部材によって熱と振動の伝達が
防止されるので、主軸は高精度で高速に回転する。

【００１６】

【実施例】本実施例の工作機械の主軸装置１を図１〜図
７を参照して説明する。図１乃至図２に示す主軸装置１
において、モータ２はロータ３とステータ４と回転軸５
を有している。回転軸５の外周面にはロータ３が固定さ
れている。ロータ３は、コイル６を有する円柱状のステ
ータ４に回転自在に挿入されている。ステータ４は、略
円柱状の筐体７の内周面に焼ばめによって固定されてい
る。

【００１７】筐体７の周壁の内部には、回転軸５に平行
に、複数本の冷却流体の通路８が周方向に互いに所定の
間隔をおいて形成されている。各通路８は筐体７の両端
面に開口している。筐体７の開放された両端部には、一
対の端板９，９が取り付けられている。端板９は、通路
８が開口した筐体７の端面と、筐体７の端面に連続する
内周面の一部を覆っている。これら一対の端板９，９
は、筐体７の一部の通路８を挿通しているタイロッド１
０によって内方に締めつけられて筐体７に固定されてい
る。

【００１８】端板９で覆われた筐体７の両端部の内周面
には、隣接する通路８を連通させる溝１１が形成されて
いる。溝１１は、筐体７の一端部側と他端部側におい
て、隣接する通路８，８が交互に一本置きに連通するよ
うに形成されている。従って、筐体７の各通路８は、図
３に示すように蛇行しながら全体として略一本の経路を
構成している。また、端板９には筐体７の通路８に連通
する冷却媒体の供給孔１２と排出孔とが設けられてい
る。なお、前記タイロッド１０は通路８の内径よりも細
く、タイロッド１０が挿通している通路８は冷却媒体の
通路８も兼ねている。

【００１９】前記一対の端板９，９は、それぞれ軸受け
１３，１３を保持している。各軸受け１３は筐体７内の
モータ２の回転軸５を回転自在に支えている。

【００２０】図１及び図２に示すように、筐体７は略８
角柱状の被覆壁１４に覆われている。被覆壁１４の一部
にはダクト１５が連通されており、ダクト１５には送風
手段としての冷却ファン１６が設けられている。筐体７
には上部空気孔１７と下部空気孔１８が設けられてお
り、モータ２のコイル６の発熱で高温となる筐体７の内
部を外部に連通させている。即ち、モータ２のコイル６
による発熱は、上部空気孔１７から被覆壁１４の外へ逃
げ、又は下部空気孔１８から被覆壁１４の内部に入り、
ダクト１５を介して冷却ファン１６で外部に放出され
る。

【００２１】前記回転軸５の一端部は、筐体７の外部に
おいて工作機械の主軸２０に連結されている。図４〜図
６に示すように、回転軸５の端部と主軸２０の端部はそ
れぞれ円筒状であり、それぞれ３か所の爪部２１ａ，２
２ａと溝部２１ｂ，２２ｂを有する三爪状の継ぎ手部２
１，２２に形成されている。各継ぎ手部２１，２２の爪
部２１ａ，２２ａは周方向に等間隔で形成された同形の
周壁の一部である。爪部と爪部の間隙である各溝部２１
ｂ，２２ｂは、爪部２１ａ，２２ａよりも周方向の長さ
（又は中心角度）が大きい。

【００２２】回転軸５の継ぎ手部２１と主軸２０の継ぎ
手部２２の各爪部２１ａ，２２ａが対向する隙間部分に
は、それぞれ遮蔽部材３０が挟みこまれている。遮蔽部
材３０は板状の部材であり、断熱性と防振性を有する。
回転軸５（又は主軸２０）の半径方向に測った遮蔽部材
３０の寸法は、同方向に測った継ぎ手部２１，２２の厚
さよりも大きく、従って遮蔽部材３０は継ぎ手部２１，
２２の外周面よりも外方に突出している。継ぎ手部２
１，２２及び遮蔽部材３０を外挿して固定リング３１が
設けられている。固定リング３１の内周面には軸線方向
に連続する嵌合溝３１ａが形成されており、継ぎ手部２
１，２２から外方に突出した遮蔽部材３０が嵌合する。
従って、軸が回転しても遮蔽部材３０が継ぎ手部２１，
２２から抜け落ちることはない。なお、固定リング３１
は遮蔽部材３０と同材質で構成され、断熱性と防振性を
有する。

【００２３】図７に示すように、本装置は冷凍機４０を
有している。冷凍機４０から吐出された冷却媒体は、主
軸装置１の主軸２０側とモータ２側とに分岐して供給さ
れる。主軸２０側に供給された冷却媒体は、主軸ジャケ
ットと、スピンドルヘッド本体を冷却した後、冷凍機４
０のタンク４１に戻る。モータ２側において各通路８を
流通し、発熱量の大きいモータ２の筐体７を冷却した冷
却媒体は、その後冷却手段としてのファンクーラ４２で
冷却されてから冷凍機４０のタンク４１に戻る。

【００２４】以上の構成によれば、発熱量の大きいモー
タ２は、筐体７内の通路８に循環供給される冷却媒体に
よって効率的に冷却される。冷却に供された冷却媒体は
ファンクーラ４２で冷却されてから冷凍機４０に戻る。
このように、本実施例では、発熱量の大きいモータ２側
を冷却した冷却媒体を直接冷凍機４０側に戻さず、一旦
ファンクーラ４２で冷却してから冷凍機４０に戻したの
で、冷凍機４０の容量を小さくでき、装置全体が小型化
して機器の設置面積を小さくできた。

【００２５】また、さらに筐体７と被覆壁１４との間の
空気をダクト１５の冷却ファン１６によって吸い出し、
モータ２のコイル６等における発熱を筐体７に伝達させ
ずに機外に放出させることができるので、装置全体とし
ての冷却効率がさらに向上した。

【００２６】また、主軸２０とモータ２の回転軸５は直
接連結されるのではなく、断熱性と防振性を有する遮蔽
部材３０を間に介して連結される。従って、モータ２側
の大きな発熱を主軸２０に対して遮断し、さらにロータ
３の動バランスが主軸２０に直接影響しないようにする
ことができた。これにより、温度上昇が小さく、また振
動が少なく高速で高精度の回転ができる主軸２０を得る
ことができた。

【００２７】

【発明の効果】請求項１に記載された工作機械の主軸装
置によれば、モータの筐体にステータを直接取り付け、
筐体内に冷却媒体を循環させるようにしたので、装置全
体が小型・軽量になる。

【００２８】さらに、筐体から出た冷却流体を冷却手段
を介して冷凍機に戻すようにしたので、冷凍機の容量を
小さくでき、消費電力を少なくし、機器の設置面積を小
さくできた。

【００２９】また、請求項１に記載された工作機械の主
軸装置において、筐体を覆う被覆壁の内部に送風手段で
空気を流通させることにより、モータの温度が上昇して
も輻射・対流による機体への熱伝達が少なくなり、熱変
位の少ない工作機械の主軸装置を実現できる。

【００３０】請求項３に記載された工作機械の主軸装置
によれば、請求項１に記載された工作機械の主軸装置に
おいて、モータの回転軸と主軸を別体にして中間に断熱
・防振用の遮蔽部材を設けたので、主軸の温度上昇及び
振動が少なく、高速で高精度の回転が実現できた。

【図面の簡単な説明】

【図１】回転軸５の中心を通る回転軸５と平行な切断面
で切断した一実施例の断面図である。

【図２】図１の切断面と直交する切断面で切断した一実
施例の断面図である。

【図３】一実施例における冷却媒体の通路８を示す模式
図である。

【図４】一実施例における回転軸５及び主軸２０の継ぎ
手部の軸線と直交する切断面における断面図である。

【図５】図４のＡ−Ａ切断線における断面図である。

【図６】（ａ）は図４のＢ−Ｂ切断線における断面図、
（ｂ）は図４のＣ−Ｃ切断線における断面図である。

【図７】一実施例における冷却媒体の循環系統図であ
る。

【図８】従来の工作機械の主軸装置の断面図である。

【符号の説明】

１ 主軸装置 ２ モータ ３ ロータ ４ ステータ ５ 回転軸 ７ 筐体 ８ 通路 １４ 被覆壁 １６ 送風手段としての冷却ファン ２０ 主軸 ２１ 継ぎ手部 ２２ 継ぎ手部 ３０ 遮蔽部材 ４０ 冷凍機 ４２ 冷却手段としてのファンクーラ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B23Q 11/12

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転軸に固定されたロータをステータに
   挿入してなるモータと、前記モータの回転軸に同軸に連
   結される主軸とを有し、前記ステータが固定される筐体
   に冷却流体の通路が形成された工作機械の主軸装置にお
   いて、前記通路に冷却流体を供給する冷凍機と、前記通
   路の出口と前記冷凍機の間に設けられた冷却手段とを有
   することを特徴とする工作機械の主軸装置。
2. 【請求項２】 前記筐体に形成された冷却流体の通路
   は、筐体の周壁の内部に前記回転軸に平行に周方向に互
   いに所定の間隔をおいて形成された複数本の冷却流体の
   通路により形成され、端板で覆われた筐体の両端部の内
   周面には隣接する前記通路を連通させる溝が形成されて
   おり、各通路は前記溝を介して蛇行しながら全体として
   略一本の経路を構成していることを特徴とする請求項１
   記載の工作機械の主軸装置。
3. 【請求項３】 前記回転軸と前記主軸の各端部にそれぞ
   れ形成されて互いに周方向にかみ合うことにより回転力
   を伝達する継ぎ手部を有し、各継ぎ手部の周方向に対向
   する隙間部分に挟まれる遮蔽部材を有していることを特
   徴とする請求項１記載の工作機械の主軸装置。