JP3548330B2 - 主軸のベアリング冷却装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械の主軸の冷却及びこの軸受部の冷却装置に関し、特に、軸受部の内輪側温度を外輪側よりも低く保ち、ベアリング予圧の増加を抑制したベアリング冷却技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、工作機械の主軸及びこれを回転自在に支持する軸受等の冷却装置は、ハウジングの外周に螺旋溝を施したジャケットを気密にして取付け、このジャケットの螺旋溝に配管から冷却液を注入し、ハウジング及びベアリングの外輪を冷却するものである。また、センタースルー・クーラントにより主軸中心部に冷却液を注入し、ベアリングの内輪側を間接的に冷却するものが提供されている。この軸受冷却装置には、潤滑作用も兼ねた「グリース潤滑方式」や「オイルエア潤滑方式」や「ジエット潤滑方式」などがある。
【0003】
また、図3に示すように、例えばアンギュラ玉軸受における予圧変化は主軸回転数に関係して増加する。図示において、アンギュラ玉軸受の単体で予圧荷重Poは比較的低い値に設定されているが、ハウジングへの主軸組込みにより予圧荷重はPoからP1に増加する。この予圧荷重P1は、主軸回転数に関係して増加し、その予圧変化Yの内容は「アンギュラ玉軸受のボールの遠心力」によるものと、「内輪軌道溝が遠心力により膨張」Y1するものと、「内輪・外輪の温度差による内輪膨張」Y2などである。従って、各潤滑方式において、主軸の回転速度の限界値があり、その限界値内の回転領域で使用される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記主軸及び軸受等の冷却装置では、主軸のハウジング及びベアリングの冷却効果が充分に発揮されない。即ち、冷却液の大部分は、ハウジングを直接冷却するために使用され、且つハウジングの外周表皮部を中心にした冷却方法であるから、これから遠い位置にある肝心なベアリングの内輪側の冷却効果が殆ど発揮されず、このために「内輪・外輪の温度差による内輪膨張」が大きく、ベアリング予圧の増加を余儀なくされている。
【0005】
本発明は、上記従来の主軸及び軸受等の潤滑冷却装置が持つ問題に鑑み、特に、軸受部の内輪側温度を外輪側よりも低く保って内輪膨張を抑制することで、ベアリング予圧の増加を抑制したベアリング冷却装置(ハイブリッドクーリングシステム)を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成すべく、請求項1において、ハウジング内に複数のベアリングで回転可能に承持した主軸を備え、上記ハウジングの内壁面内に第1経路から冷却液を注入する冷却ジャケットを設けると共に、主軸内に第2経路から冷却液を注入する冷却路を形成し、ベアリング内輪側の冷却液温度がベアリング外輪側の冷却液温度よりも低くなるように、冷却ジャケットに注入する冷却液量と主軸内に注入する冷却液量との供給比を調節設定したことを特徴とする主軸のベアリング冷却装置としたものである。
【0007】
本発明の請求項1によると、潤滑冷却装置により冷却された冷却液の第1経路は、ハウジング内の冷却ジャケットに送り込まれ、ベアリングの外側やビルトインモータのステータ部を通り、これらを冷却して再び潤滑冷却装置に戻る。また、冷却液の第2経路は、主軸内を冷却する冷却路に送り込まれ、ベアリング内側や主軸内を通り、これらを冷却して再び潤滑冷却装置に戻る。上記状態において、ベアリング内輪側の冷却液温度がベアリング外輪側の冷却液温度よりも低くなるように、冷却ジャケットに注入する冷却液量と主軸内に注入する冷却液量との供給比を上記各経路により調節される。
【0008】
本発明は上記目的を達成すべく、請求項2において、ハウジング内に複数のベアリングで回転可能に承持した主軸を備え、上記ハウジングの内壁面内に第1経路から冷却液を注入する冷却ジャケットを設けると共に、主軸内に第2経路から冷却液を注入する冷却路を形成し、冷却ジャケットに注入する冷却液量と主軸内に注入する冷却液量との供給比を上記各経路により調節してベアリング内輪側の冷却液温度をベアリング外輪側の冷却液温度よりも低く保ち、ベアリング予圧の増加を抑えたことを特徴とする主軸のベアリング冷却装置としたものである。
【0009】
本発明の請求項2によると、潤滑冷却装置により冷却された冷却液の第1経路は、ハウジング内の冷却ジャケットに送り込まれ、ベアリングの外側やビルトインモータのステータ部を通り、これらを冷却して再び潤滑冷却装置に戻る。また、冷却液の第2経路は、主軸内を冷却する冷却路に送り込まれ、ベアリング内側や主軸内を通り、これらを冷却して再び潤滑冷却装置に戻る。上記状態において、冷却ジャケットに注入する冷却液量と主軸内に注入する冷却液量との供給比を上記各経路により調節してベアリング内輪側の冷却液温度がベアリング外輪側の冷却液温度よりも低く保ち、ベアリング予圧の増加を抑える。
【0010】
【実施の形態】
以下、図面に示す実施形態につき説明する。図1は本発明に係る工作機械における主軸のベアリング冷却装置(ハイブリッドクーリングシステム)の全体を示す縦断面図であり、図2はベアリング予圧の抑制作用を示す特性曲線図である。
【0011】
先ず、図1において、主軸1は、その先端側1Aを2つのベアリング3,4によってハウジング10の内孔壁に嵌合支持され、後端側1Bもベアリング5によって支持されている。上記主軸1は、その中腹部にビルトインモータMのローターRを嵌着し、軸芯位置に明けた内周孔1Cには多層の皿バネ6とドローイングバー7を内装し、コレットが主軸先端のテーパー穴1Dに挿入した工具H1のプルスタットを強力に引き込み嵌着する。そして、上記ドローイングバー7の後端には、アンクランプ装置ACを備え、ドローイングバー側へ前進するときドローイングバーを強力に押出してアンクランプ動作する。
【0012】
上記ハウジング10には、この先端10Aに開口する入口11から各ベアリング3,4の外輪を間接的に冷却する通路11Bやハウジング10の中央部に設けた冷却ジャケット11CでビルトインモータMのステータSの冷却を行うための冷却液Oが供給されている。上記入口11は第1経路11´としてハウジング10の中腹部に出口11〃を開口している。他方、主軸1内には、ドローイングバー7の軸心尾端に開けた入口12による第2経路12´とし導入しており、各ベアリング3,4,5の内輪(A)に近い主軸内周に開口する。そして、この位置に配置した各ベアリング3,4,5の内輪に通孔13,14,15により連絡している。また、この通孔13,14,15から各ベアリング3,4,5の外輪(B)に隣接した通路16,17から出口18,19に「アンダーレース潤滑OUT」として連なっている。
【0013】
上記各入口11,12には、各々の絞り弁V1,V2を介して共通の「オイルクーラ」20に接続されており、冷却液Oの供給量が絞り弁V1,V2により調節されるようになっている。上記入口11,12に対応する各出口11〃と18,19から「オイルクーラ」20に戻る
【0014】
本発明の主軸のベアリング冷却装置(ハイブリッドクーリングシステムは、上記のように構成され、以下のように作用する。先ず、オイルクーラ20により冷却された冷却液Oたる潤滑油は、その一方が絞り弁V1を介してハウジング10の先端10Aに開口する入口11から各ベアリング3,4の外輪を間接的に冷却する通路11Bやハウジング10の中央部に設けた冷却ジャケット11CでビルトインモータMのステータSの冷却を行う冷却液Oが適量供給される。上記入口11は第1経路11´としてハウジング10の中腹部に出口11〃を開口し、ここからオイルクーラ20へ戻る。
【0015】
他方、絞り弁V2を介して適量の冷却液Oがドローイングバー7の尾端入口12の第2経路12´から供給される。主軸1内に導入した冷却液Oは、各ベアリング3,4,5の内輪(A)側を冷却する。そして、この位置に配置した各ベアリング3,4,5の内輪を通孔13,14,15により連絡して冷却する。その後、この通孔13,14,15から各ベアリング3,4,5のアンダーレース潤滑を行ない、外輪(B)に隣接した通路16,17から出口18,19に「アンダーレース潤滑OUT」として排出され、ここからオイルクーラ20へ戻る。また、ビルトインモータMのローターRも冷却液Oで冷却される。
【0016】
上記第1経路11´及び第2経路12´への冷却液Oの流量は、各ベアリング3,4,5の内輪(A)側の温度を外輪(B)側の温度よりも低く保持されるように、各々の絞り弁V1,V2により共通の「オイルクーラ」20からの冷却液Oの供給量が調節される。このように各ベアリング3,4,5の内輪(A)側の温度を外輪(B)側の温度よりも低く保持するような冷却液Oの供給方法により、軸受部の内輪側温度を外輪側よりも低く保って内輪膨張が抑制され、ベアリング予圧の増加を抑制しベアリング予圧の増加を抑えることができる。
【0017】
上記ベアリング予圧の抑制作用を図2に示す特性曲線図で説明する。従来の「オイルエアースピンドル」においては、主軸回転が停止時に適正な予圧P2を付与しても、主軸回転数の上昇に伴い、「ボールに働く遠心力や内輪軌道溝が遠心力により膨張」することで予圧P2が点線(X1)のように増加し、20,000min−のとき予圧P2がP3に増加幅(b)だけ増加する。また、「内輪・外輪の温度差による内輪膨張」で予圧P2が点線(X2)のように増加し、20,000min−のとき予圧P2がP4に増加幅(a)だけ増加して発熱を増大する。
【0018】
これに対して、本発明の「ハイブリツドクーリングスピンドル」によると、内輪・外輪の温度差による内輪膨張を抑えるべく内輪温度を外輪温度よりも低くなるように、冷却液Oの供給量が調節される。これにより、「内輪・外輪の温度差による内輪膨張」がなくなり、実線(X3)のように主軸回転数に殆ど影響されない予圧曲線になる。この実線(X3)は、遠心力による発熱も若干抑えられるから点線(X1)よりも低い値に制御される。
【0019】
上記本発明によると以下のような効果を奏することができる。ベアリング予圧を小さく抑えているから、主軸組立て時の予圧管理が確実となり、低速回転においても主軸の剛性を高める予圧がかかり、高速回転においてはバラツキの小さい安定した予圧と低発熱の主軸を実現可能としている。
【0020】
本発明は上記実施形態に限定されず、要部構成を設計変更できる。例えば、ベアリング3,4,5の型式や個数及び第1経路11´及び第2経路12´の流通経路も適宜変更できる。また、主軸を回転駆動するモータの型式や主軸構造も上記実施形態に限定されず、各種のものが採用可能である。
【0021】
【効果】
本発明の請求項1によると、ベアリング内輪側の冷却液温度がベアリング外輪側の冷却液温度よりも低くなるように、冷却ジャケットに注入する冷却液量と主軸内に注入する冷却液量との供給比を調節設定したから、ベアリング予圧を小さく抑えることができ、高速回転においてバラツキの小さい安定した予圧と低発熱の主軸を実現可能にする。
【0022】
本発明の請求項2によると、冷却ジャケットに注入する冷却液量と主軸内に注入する冷却液量との供給比を上記各経路により調節してベアリング内輪側の冷却液温度をベアリング外輪側の冷却液温度よりも低く保ち、ベアリング予圧の増加を抑えたから、、主軸組立て時の予圧管理が確実となり、低速回転においても主軸の剛性を高める予圧がかかり、高速回転においてはバラツキの小さい安定した予圧と低発熱の主軸を実現可能にするという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る工作機械における主軸のベアリング冷却装置全体を示す断面図である。
【図2】本発明のベアリング予圧の抑制作用を示す特性曲線図である。
【図3】アンギュラ玉軸受における予圧変化を示す特性曲線図である。
【符号の説明】
1 主軸
10 ハウジング
O 冷却液
3,4,5 ベアリング
(A) 内輪
(B) 外輪
7 ドローイングバー
11,12 入口
11´ 第1経路
11〃 出口
11B 通路
11C 冷却ジャケット
12´ 第2経路
13,14,15 通孔
16,17 通路
18,19 出口
20 オイルクーラ
O 冷却液
P1,P2,P3 予圧
V1,V2 絞り弁

Claims (2)

  1. ハウジング内に複数のベアリングで回転可能に承持した主軸を備え、上記ハウジングの内壁面内に第1経路から冷却液を注入する冷却ジャケットを設けると共に、主軸内に第2経路から冷却液を注入する冷却路を形成し、上記第1経路と第2経路には、1つの冷却液装置からの冷却液を各々独立して調節供給する2つの絞り弁を介して接続し、ベアリング内輪側の冷却液温度がベアリング外輪側の冷却液温度よりも低くなるように、冷却ジャケットに注入する冷却液量と主軸内に注入する冷却液量との供給比を調節設定したことを特徴とする主軸のベアリング冷却装置。
  2. ハウジング内に複数のベアリングで回転可能に承持した主軸を備え、上記ハウジングの内壁面内に第1経路から冷却液を注入する冷却ジャケットを設けると共に、主軸内に第2経路から冷却液を注入する冷却路を形成し、上記第1経路と第2経路には、1つの冷却液装置からの冷却液を各々独立して調節供給する2つの絞り弁を介して接続し、ベアリング内輪側の冷却液温度がベアリング外輪側の冷却液温度よりも低く抑え且つ内輪・外輪の温度差による内輪膨張がなくなるように、冷却ジャケットに注入する冷却液量と主軸内に注入する冷却液量との供給比を調節設定したことを特徴とする主軸のベアリング冷却装置。
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