JP3612783B2 - 主軸装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、マシニングセンタ等に使用される高速で回転するスピンドルを軸支するのに適した主軸装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最大径ｄ（mm）と回転速度ｎ（毎分回転数）の積であるｄｎ値が２００万を越える高速で回転するスピンドルに使用する主軸装置においては、回転精度と剛性を維持するために、スピンドルを軸支する前後のころがり軸受に、同一の値で互いに逆向きの軸線方向予圧を与えている。そして、広い回転速度範囲で過熱を生じることなく常に所望の回転精度と剛性を維持するために、この予圧を回転速度に応じて変化させるようにしている。
【０００３】
そのような従来技術の一例を図３及び図４に示す。この技術では、スピンドル４は、主軸台１の前部及び後部に設けた軸受支持筒１ａ及び２内に保持された各２個の前部ころがり軸受５及び後部ころがり軸受６により軸支されている。前部軸受支持筒１ａは主軸台１に固定され、後部軸受支持筒２はボールスライド２ａを介して軸線方向移動可能に主軸台１に支持され、後部軸受支持筒２の前部には主軸台１との間に環状の油圧シリンダ３が形成されている。
【０００４】
スピンドル４は前端部のフランジ部４ａの後側に次第に小径となる複数の円筒状部分４ｂ〜４ｇが形成され、両前部ころがり軸受５はフランジ部４ａに当接されて円筒状部分４ｂ，４ｃに焼きばめされた前部内輪押え７ａにより位置決め固定され、両後部ころがり軸受６はスリーブ７ｃを介して後述するロータスリーブ７ｂの後端面に当接されて円筒状部分４ｆ，４ｇに焼きばめされた後部内輪押え７ｄにより位置決め固定されている。前後のころがり軸受５，６の間となる円筒状部分４ｄ，４ｅにはロータスリーブ７ｂが焼きばめ固定され、主軸台１に固定されたステータ８ａと共にスピンドル４を回転駆動するビルトインモータ８を構成するロータ８ｂがロータスリーブ７ｂに固定されている。
【０００５】
各内輪押え７ａ，７ｄ及びロータスリーブ７ｂにはスピンドル４との間に環状室９ａ，９ｃ，９ｅが形成され、孔９ｂ，９ｄ，９ｆより各環状室９ａ，９ｃ，９ｅに油圧を加えることにより、焼きばめされた各内輪押え７ａ，７ｄ及びロータスリーブ７ｂを内径が増大するよう弾性変形させて、軸方向位置の調整及び取り外しを行うようにしている。スピンドル４の先端には、工具Ｔがクランプ機構を介して着脱可能に固定されている。
【０００６】
この従来技術では、通路３ａを介して油圧シリンダ３に導入する油圧をスピンドル４の回転速度の増大に応じて減少させ、前後のころがり軸受５，６に与える軸線方向予圧を変えて、所定の回転速度範囲で過熱を生じることなく常に所望の回転精度と剛性を維持するようにしている。
【０００７】
なお、この種の主軸装置において、スピンドルを軸支するころがり軸受に予圧を与える方法には定圧予圧と定位置予圧とがあり、上記従来技術は回転速度に応じた所定圧の定圧予圧を与える例であるが、例えば特開平２−２７９２０３号公報に開示されたような、両ころがり軸受を回転速度に応じた所定位置関係とする定位置予圧を与えるようにしてもよい。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術では、前部ころがり軸受５はスピンドル４の最大径の円筒状部分４ｂに嵌合され、後部ころがり軸受６はこれより数段小径の円筒状部分４ｆに嵌合されるので、後部ころがり軸受６の内径番号は前部ころがり軸受５の内径番号よりも小となる。このため、各ころがり軸受５，６に与える予圧の最大値は小径である後部ころがり軸受６により制限されて前部ころがり軸受５に充分な予圧が与えられないので、前部ころがり軸受５が本来有している回転精度と剛性の最大能力を発揮することができないという問題がある。逆に、大径である前部ころがり軸受５に合わせて予圧を与えると後部ころがり軸受６に加わる予圧が過大となって、高速回転時に後部ころがり軸受６が過熱されて焼き付きを生じるおそれがある。
本発明はこのような各問題を解決することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明による主軸装置は、主軸台と、一方から他方に向かって段状に径が減少する複数の円筒状部分を有するスピンドルと、各外輪が主軸台の前部及び後部に支持され各内輪がスピンドルの径の異なる円筒状部分に固定されて同スピンドルを同主軸台に軸支する前部ころがり軸受及び後部ころがり軸受よりなるものであり、主軸台には両ころがり軸受の少なくとも一方の外輪をスピンドルの軸線方向に移動可能に支持する移動支持機構が設けられ、両ころがり軸受に同スピンドルの回転速度に応じた互いに逆向きの軸線方向予圧を与えるよう移動支持機構を作動させる駆動装置を備えている。両ころがり軸受は内輪及び外輪の間に転動自在に介装される多数の転動体の形状寸法、数及び中心の軌跡の径を同一としている。
【００１０】
本発明による主軸装置は、スピンドルの両ころがり軸受の間に同軸的に固定されたロータスリーブと、このロータスリーブに固定されたロータと、主軸台に固定されたステータよりなりスピンドルを回転駆動するビルトインモータを更に備えたものとしてもよい。
【００１１】
また、スピンドルは両ころがり軸受の間に同軸的に形成された複数の円筒状部分を有し、ロータスリーブは同軸的に形成された複数の円筒孔を有するステップドスリーブとし、この円筒孔と各円筒状部分の少なくとも一部のものを互いに嵌合することによりロータスリーブをスピンドルに固定するようにしてもよい。
【００１２】
前側となる一方のころがり軸受はその内輪の内径を後側となる他方のころがり軸受の内輪の内径より大とし、この一方のころがり軸受の内輪は円筒状部分のうち大径のものに後側から嵌合して内輪押えにより軸線方向において固定し、他方のころがり軸受の内輪は円筒状部分のうち小径のものに後側から嵌合して内輪押えにより軸線方向において固定するようにしてもよい。
【００１３】
また、一方のころがり軸受の内輪に当接して同ころがり軸受をスピンドルに軸線方向において固定する内輪押えをロータスリーブの前端部に一体形成することが好ましい。
【００１４】
【作用】
本発明によれば、両ころがり軸受の転動体の形状寸法、数及び中心の軌跡の径が同一であるので、この両ころがり軸受に与えることができる最大予圧量は同一となる。従って何れのころがり軸受にも最大またはそれに近い予圧量を与えることができる。
【００１５】
スピンドルの両ころがり軸受の間にビルトインモータのロータが固定されるロータスリーブを同軸的に固定したもの及びこのロータスリーブをステップドスリーブとしたものによれば、スピンドルはこのビルトインモータにより回転駆動される。
【００１６】
前側となる一方のころがり軸受の内輪の内径を後側となる他方のころがり軸受の内輪の内径よりも大としたものでは、両ころがり軸受は何れも後側からスピンドルに嵌合されて内輪押えにより固定される。
【００１７】
内輪押えをロータスリーブの前端部に一体形成したものによれば、一方のころがり軸受はロータスリーブの前端部によりスピンドルに軸線方向において固定される。
【００１８】
【実施例】
以下に、図１及び図２に示す実施例により、本発明の説明をする。
主として図１に示すように、一体的に結合された前半部１０ａ及び後半部１０ｂよりなりスピンドル２０を軸支する主軸台１０の前部には前部軸受支持筒１１が固定され、後部には前部軸受支持筒１１と同軸的に配置された後部軸受支持筒（移動支持機構）１３がボールスライド１５を介して軸線方向移動可能に支持されている。
【００１９】
前部軸受支持筒１１は互いに一体結合された本体１１ａ、スリーブ１１ｂ及び外輪押え１１ｃ，１１ｄよりなり、間にスペーサ１２が介装された２個の前部ころがり軸受１７の外輪を固定支持している。後部軸受支持筒１３は互いに一体結合された本体１３ａ、スリーブ１３ｂ及び外輪押え１３ｃよりなり、間にスペーサ１４が介装された２個の後部ころがり軸受１８の外輪を固定支持している。後部軸受支持筒１３の本体１３ａの前端部には先端側が小径の２つの円筒部が同軸的に形成され、各円筒部は主軸台１０の後半部１０ｂに液密に嵌合されて、その間に環状の油圧シリンダ（駆動装置）３３が形成され、この油圧シリンダ３３には後半部１０ｂに形成した通路３４及び管路３４ａを介して後述する油圧供給装置３５からの油圧が供給されるようになっている。
【００２０】
前部ころがり軸受１７と後部ころがり軸受１８は、内輪及び外輪の間に転動自在に介装される多数の転動体（図示の例ではボール）の形状寸法、数及び中心の軌跡の径が同一であるが、次に述べるように、内輪の内径は前部ころがり軸受１７の方が大である。本実施例では各ころがり軸受１７，１８はアンギュラ玉軸受を使用したが、テーパローラ軸受などその他のころがり軸受でもよい。
【００２１】
図２によく示すように、スピンドル２０には、前端部のフランジ部２０ａの後側に、後端側が次第に小径となる複数の円筒状部分２０ｂ〜２０ｅが同軸的に形成されている。図２は見やすくするために各円筒状部分２０ｂ〜２０ｅの間の直径の差を誇張して示しているが、例えば円筒状部分２０ｄの直径Ａが５０の場合、円筒状部分２０ｃの直径はＡ＋０．３であり、円筒状部分２０ｂの直径はＡ＋０．５（単位は何れもミリメートル）である。円筒状部分２０ｄに使用する後部ころがり軸受１８は規格品であり、円筒状部分２０ｂに使用する前部ころがり軸受１７は、後部ころがり軸受１８と同一のころがり軸受の内輪の内径を０．５ミリメートル大となるように研削加工したものである。
【００２２】
ロータスリーブ２２は、スピンドル２０の円筒状部分２０ｂ及び２０ｃに焼きばめ可能な２つの円筒孔が内面に形成されたステップドスリーブである。間にスペーサ２６を介装した２個１組の前部ころがり軸受１７の内輪は、スピンドル２０の後側から円筒状部分２０ｂに嵌合されてフランジ部２０ａに当接され、スピンドル２０の円筒状部分２０ｂ及び２０ｃに焼きばめしたロータスリーブ２２前端部に一体形成した前部内輪押え２２ｃにより軸線方向において固定される。ロータスリーブ２２にはスピンドル２０を回転駆動するビルトインモータ３０のロータ３０ｂが固定され、ビルトインモータ３０のステータ３０ａは主軸台１０に固定されている。ロータスリーブ２２の長手方向中間部にはスピンドル２０との間に、両円筒状部分２０ｂ，２０ｃの段差に相当する厚さの環状室２２ａが形成され、この環状室２２ａを外部に連通する孔２２ｂが形成されている。ロータ３０ｂの前後位置となるロータスリーブ２２の両端部には、一体形成及び圧入固定されたバランスリング２２ｄ，２２ｅが設けられ、これを局部的に削ることによりロータスリーブ２２及びロータ３０ｂを組み付けた状態でのスピンドル２０の動的釣合がとられる。
【００２３】
間にスペーサ２７を介装した２個１組の後部ころがり軸受１８の内輪は、スピンドル２０の後側から円筒状部分２０ｄに嵌合され、スリーブ２３を介してロータスリーブ２２の後端面に当接され、長さが短い点を除きロータスリーブ２２と同様のステップドスリーブよりなる後部内輪押え２４を各円筒状部分２０ｄ，２０ｅに焼きばめすることにより軸線方向において固定される。この後部内輪押え２４もスピンドル２０との間に環状室２４ａが形成され、同様の孔２４ｂが形成されている。
【００２４】
ロータスリーブ２２及び後部内輪押え２４は、各孔２２ｂ，２４ｂを介して各環状室２２ａ及び２４ａに油圧を加えれば、焼きばめされた各ロータスリーブ２２及び後部内輪押え２４の内径が増大するよう弾性変形される。これにより、ロータスリーブ２２及び後部内輪押え２４の軸方向位置の調整及び取り外しが可能になる。この取り外しを容易にするために、ロータスリーブ２２及び後部内輪押え２４両端のスピンドル２０との嵌合面の幅はそれぞれほゞ同一である。スピンドル２０の先端には、工具Ｔを保持するホルダＨが、スピンドル２０を貫通するドローバー２９により作動されるクランプ機構２８を介して着脱可能に固定されている。
【００２５】
スピンドル２０の回転速度に応じた油圧を油圧シリンダ３３に与える油圧供給装置３５は、図１に示すように、油圧ポンプ３６と、３つの減圧弁３８ａ〜３８ｃと、３位置切換弁３９よりなるものである。ポンプ３６からの最高油圧はリリーフ弁３７によりにより制御され、３つの減圧弁３８ａ〜３８ｃは、最高油圧の範囲内において大中小３段階の油圧に設定されている。切換弁３９はスピンドル２０の回転速度を検出して作動する制御装置（図示省略）により制御され、回転速度が低速の場合は減圧弁３８ａを管路３４ａ及び通路３４に連通して油圧シリンダ３３に高い油圧を導入し、中速の場合は減圧弁３８ｂを管路３４ａ及び通路３４に連通して油圧シリンダ３３に中間の油圧を導入し、高速の場合は減圧弁３８ｃを管路３４ａ及び通路３４に連通して油圧シリンダ３３に低い油圧を導入するものである。油圧シリンダ３３に導入されるこの油圧により後部軸受支持筒１３は後向きに押され、前後のころがり軸受１７，１８には互いに逆向きで同一の軸線方向予圧が与えられる。
【００２６】
各ころがり軸受１７，１８の転動体（ボール）とレース面の間に生じる予圧は、この油圧により与えられる予圧とボールに加わる遠心力により生じる予圧の和であるが、本実施例によれば、遠心力による予圧が小さい低速回転の場合は油圧による予圧が大きく、遠心力による予圧が大きい高速回転の場合は油圧による予圧が小さいので、各ころがり軸受１７，１８の転動体とレース面の間に生じる予圧は、予圧の最大限度を限界とするある範囲内とすることができる。
【００２７】
この実施例では、両ころがり軸受１７，１８は転動体の形状寸法、数及び中心の軌跡の径が同一であるので、この両ころがり軸受１７，１８に与えることができる最大予圧量は同一である。従って何れのころがり軸受にも最大またはそれに近い予圧量を与えることができるので、過熱のおそれなしに両ころがり軸受の回転精度と剛性に関する最大能力を発揮させることができる。
【００２８】
またこの実施例では、前部ころがり軸受１７の内輪の内径を後部ころがり軸受１８の内輪の内径よりも大とし、前部ころがり軸受１７を後側からスピンドル２０に嵌合してロータスリーブ２２前端の前部内輪押え２２ｃにより固定したので、スピンドル２０の前端側に前部内輪押えが露出することはない。従って何らかの理由によりスピンドル２０の前端部が工作物などの他の部材と干渉（接触あるいは衝突）することがあっても、スピンドル２０に対する前部ころがり軸受１７の固定が緩んだり、位置ずれを生じたりするおそれはない。
【００２９】
またこの実施例では、前部内輪押え２２ｃはロータスリーブ２２の前端部に一体形成したので、前部内輪押えを別体に設けたもの（例えば図３及び図４の従来技術）に比してスピンドル２０に形成する円筒状部分の数が減少する。これによりスピンドル２０の加工工程が減少し、また前後のころがり軸受１７，１８を嵌合する円筒状部分の径の差が少なくなるので、前側のころがり軸受の内径の増大量は少なくなり、またスピンドル２０は重量に比して剛性が増大する。
【００３０】
なお、この実施例では、油圧シリンダ３３に加える油圧をスピンドル２０の回転速度に応じて３段階に切り換えているが、この切り換え段数を４段階以上とし、あるいはスピンドル２０の回転速度に応じて連続的に変化させてもよい。そのようにすれば各ころがり軸受１７，１８の転動体に生じる合計の予圧の変動範囲を少なくして、この予圧の平均値を予圧の最大限度に近づけることができ、過熱のおそれなしにスピンドル２０の回転精度と剛性を高めることができる。
【００３１】
上記実施例は、主軸台１０に軸線方向移動可能に支持されて後部ころがり軸受１８の外輪を支持する後部軸受支持筒１３を、油圧供給装置３５からのスピンドル２０の回転速度に応じた油圧を導入した油圧シリンダ３３により作動させて直接押圧する定圧予圧の例であるが、本発明はこのような後部軸受支持筒をスピンドルの回転速度に応じた所定位置に移動させる定位置予圧のものに適用することもできる。
【００３２】
【発明の効果】
上述のような本発明によれば、スピンドルを軸支する何れのころがり軸受にも最大またはそれに近い予圧量を与えることができるので、過熱のおそれなしに両ころがり軸受の回転精度と剛性に関する最大能力を発揮させることができる。
【００３３】
スピンドルの両ころがり軸受の間にビルトインモータのロータが固定されるロータスリーブを固定したもの及びこのロータスリーブをステップドスリーブとしたものによれば、ビルトインモータの取付構造が小型かつ簡略化される。
【００３４】
前側となるころがり軸受の内輪の内径を後側となるころがり軸受の内輪の内径よりも大としたものによれば、両ころがり軸受は何れも後側からスピンドルに嵌合されて内輪押えにより軸線方向において固定されるので、スピンドルの前端側に内輪押えが露出することはない。従って内輪押えが他の部材と干渉して前部ころがり軸受の固定が緩んだり、位置ずれを生じたりするおそれはない。
【００３５】
一方のころがり軸受をスピンドルに固定する内輪押えをロータスリーブと一体形成したものによれば、スピンドルに形成する円筒状部分の数が減少するので、スピンドルの加工工程が減少し、また各ころがり軸受を嵌合する円筒状部分の径の差が少なくなるので前側のころがり軸受の内径の増大量を少なくし、またスピンドルの剛性の低下を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による主軸装置の実施例の全体構造を示す縦断面図である。
【図２】図１に示す実施例の拡大部分断面図である。
【図３】従来技術による主軸装置の一例の全体構造を示す縦断面図である。
【図４】図３に示す従来技術の拡大部分断面図である。
【符号の説明】
１０…主軸台、１３…移動支持機構（後部軸受支持筒）、１７…前部ころがり軸受、１８…後部ころがり軸受、２０…スピンドル、２０ｂ〜２０ｅ…円筒状部分、２２…ロータスリーブ、２２ｃ…前部内輪押え、２４…後部内輪押え、３０…ビルトインモータ、３０ａ…ステータ、３０ｂ…ロータ、３３…駆動装置（油圧シリンダ）。

Claims (5)

1. 主軸台と、一方から他方に向かって段状に径が減少する複数の円筒状部分を有するスピンドルと、各外輪が前記主軸台の前部及び後部に支持され各内輪が前記スピンドルの径が異なる円筒状部分に固定されて同スピンドルを同主軸台に軸支する前部ころがり軸受及び後部ころがり軸受よりなる主軸装置において、前記主軸台に設けられて前記両ころがり軸受の少なくとも一方の外輪を前記スピンドルの軸線方向に移動可能に支持する移動支持機構と、前記両ころがり軸受に互いに逆向きの軸線方向予圧を与えるよう前記移動支持機構を作動させる駆動装置を備え、前記両ころがり軸受は内輪及び外輪の間に転動自在に介装される多数の転動体の形状寸法、数及び中心の軌跡の径が同一であることを特徴とする主軸装置。
2. 前記スピンドルの前記両ころがり軸受の間に同軸的に固定されたロータスリーブと、このロータスリーブに固定されたロータと、前記主軸台に固定されたステータよりなり前記スピンドルを回転駆動するビルトインモータを更に備えてなる請求項１に記載の主軸装置。
3. 前記スピンドルは前記両ころがり軸受の間に同軸的に形成された複数の円筒状部分を有し、前記ロータスリーブは同軸的に形成された複数の円筒孔を有するステップドスリーブとし、前記円筒孔と前記各円筒状部分の少なくとも一部のものを互いに嵌合することにより前記ロータスリーブを前記スピンドルに固定してなる請求項２に記載の主軸装置。
4. 前側となる前記一方のころがり軸受はその内輪の内径を後側となる前記他方のころがり軸受の内輪の内径より大とし、この一方のころがり軸受の内輪は前記円筒状部分のうち大径のものに後側から嵌合して内輪押えにより軸線方向において固定し、前記他方のころがり軸受の内輪は前記円筒状部分のうち小径のものに後側から嵌合して内輪押えにより軸線方向において固定してなる請求項２に記載の主軸装置。
5. 前記一方のころがり軸受の内輪に当接して同ころがり軸受を前記スピンドルに軸線方向において固定する内輪押えを前記ロータスリーブの前端部に一体形成してなる請求項４に記載の主軸装置。

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