JP4048050B2

JP4048050B2 - 主軸装置

Info

Publication number: JP4048050B2
Application number: JP2001391669A
Authority: JP
Inventors: 忠一佐藤; 治男秋戸; 光平亀井
Original assignee: DMG Mori Co Ltd; Mori Seiki Co Ltd
Current assignee: DMG Mori Co Ltd
Priority date: 2001-12-25
Filing date: 2001-12-25
Publication date: 2008-02-13
Anticipated expiration: 2021-12-25
Also published as: JP2003191104A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械の主軸装置に関し、更に詳しくは、主軸を回転自在に支持する軸受の温度上昇を、効果的に抑制できるように構成された主軸装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の主軸装置の一例を図５に示す。尚、図５は、かかる主軸装置を示す断面図である。この主軸装置５０はマシニングセンタに用いられるもので、図示するように、保持穴５１ａを有するハウジング５１と、このハウジング５１の前記保持穴５１ａ内に、所定間隔を隔てて嵌挿された２つの軸受５２，５２と、この軸受５２，５２によって回転自在に支持された主軸５３と、前記ハウジング５１の前端部に取り付けられた前カバー５４などを備えて構成される。
【０００３】
各軸受５２は、それぞれ外輪５２ａ及びこの外輪５２ａの内側に配置される内輪５２ｂ、並びにこれら外輪５２ａ，内輪５２ｂ間に配置される転動体５２ｃからなる。尚、前記外輪５２ａは外輪間座６０によってその位置が規制されており、前記内輪５２ｂは内輪間座７０によってその位置が規制されている。また、前記外輪５２ａと、前記ハウジング５１の保持穴５１ａとの間の嵌め合いは、すきま嵌めとなっており、図示はしていないが、外輪５２ａの外周面５２ｄと保持穴５１ａの内周面との間には、わずかな隙間が存在している。
【０００４】
また、前記外輪間座６０は、その両端部に配設されたノズル６１，６１を備え、更に、このノズル６１，６１に接続した潤滑油供給孔６２を備えている。潤滑油供給孔６２は、前記ハウジング５１に形成された潤滑油供給路５１ｂと連通しており、適宜潤滑油供給手段（図示せず）から潤滑油供給路５１ｂ及び潤滑油供給孔６２を介して前記ノズル６１に潤滑油が供給され、当該ノズル６１から前記転動体５２ｃに向けて潤滑油が吐出される。
【０００５】
また、前記外輪間座６０の両端面には、潤滑油排出溝６３が形成されている。この潤滑油排出溝６３は、前記軸受５２の内部空間５２ｅ、及び前記ハウジング５１に形成された潤滑油排出路５１ｃと連通しており、これら潤滑油排出溝６３及び潤滑油排出路５１ｃを介して、前記内部空間５２ｅから潤滑油が排出されるようになっている。
【０００６】
また、前記主軸５３には、その中心部に中心穴５３ａが形成されており、この中心穴５３ａ内には、工具Ｔを保持，固定するためのコレットチャック５６及びこれを駆動するドローバ５５などが配設されている。
【０００７】
そして、前記主軸５３は、図示しない駆動モータによって、その中心軸周りに回転駆動される。主軸５３が回転すると、これと共に軸受５２の内輪５２ｂが回転し、外輪５２ａ，内輪５２ｂ間に配設された転動体５２ｃが、外輪５２ａ及び内輪５２ｂに形成された軌道上を自転しながら公転する。その際、前記ノズル６１から吐出される潤滑油によって転動体５２ｃ及び軌道が潤滑され、これにより転動体５２ｃと外輪５２ａ及び内輪５２ｂとの間の摩擦が緩和される。斯くして、かかる転動体５２ｃの作用により、外輪５２ａに対して内輪５２ｂが抵抗無く回転し、この結果、主軸５３がスムーズに回転する。
【０００８】
ところで、転動体５２ｃが自転しつつ公転する際、転動体５２ｃと外輪５２ａ及び内輪５２ｂとの間には、全く摩擦が存在しないのではなく、これらの接触点の弾性変形領域における微小すべりによるわずかな摩擦抵抗及び潤滑油の撹拌抵抗が存在する。このため、転動体５２ｃの自，公転によって外輪５２ａ及び内輪５２ｂとの間に摩擦熱が生じ、この摩擦熱によって軸受５２が昇温し、当該軸受５２が熱膨張することになる。
【０００９】
そこで、従来、上述した如く、外輪５２ａとハウジング５１の保持穴５１ａとの間の嵌め合いをすきま嵌めとして、外輪５２ａと保持穴５１ａとの間に隙間を生じさせ、この隙間により、軸受５２の熱膨張を吸収し得る構造としていた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来の主軸装置５０には、以下に説明するような問題があった。
【００１１】
一般に、固相−気相間の熱移動量は、固相−固相間の熱移動量に比べて著しく低い。したがって、上記のように外輪５２ａと保持穴５１ａとをすきま嵌めとすると、外輪５２ａと保持穴５１ａとの間に隙間、即ち、気体（空気）が存在することになり、軸受５２に生じた摩擦熱の外部への放熱が、この気体によって阻害されるのである。このため、従来の構造では、摩擦熱が軸受５２及びその内輪５２ｂを介して主軸５３に蓄積され易く、主軸５３が熱膨張を起こし、これが加工精度に悪影響を与える原因となっていた。
【００１２】
また、蓄積された熱によって軸受５２が熱膨張を続けると、その外輪５２ａがハウジング５１の保持穴５１ａに圧接することになるが、この場合、固相−固相間の熱移動によって、軸受５２からハウジング５１に放熱される環境が確立されるものの、その反面、ハウジング５１によって軸受５２の熱膨張が抑制され、その結果、転動体５２ｃと外輪５２ａ及び内輪５２ｂとの間の隙間が減少して摩擦力が著しく増し、発生する摩擦熱が却って増大する結果となる。
【００１３】
そして、主軸５３を超高速回転（例えば、軸受５２の転動体５２ｃのピッチ円直径をＤｍ（ｍｍ）、主軸５３の回転速度をＮ（ｍｉｎ^−１）とした時、Ｄｍ×Ｎの値が３×１０^６以上となる回転）させるなどして、発生する摩擦熱量がハウジング５１への放熱量を越える事態に至った場合には、転動体５２ｃと外輪５２ａ及び内輪５２ｂとの間の摩擦力が加速的に増大して、最終的には軸受５２が焼き付くことになる。
【００１４】
本発明は、以上の実情に鑑みなされたものであって、軸受に生じた摩擦熱の放熱を促進し、且つ摩擦熱の発生を効果的に抑制し得る主軸装置の提供を目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段及びその効果】
上記目的を達成するための本発明は、保持穴を有するハウジングと、該ハウジングの保持穴内に配設され、少なくとも外輪及び該外輪の内側に配置される内輪、並びに該外輪，内輪間に配置される転動体からなる軸受と、該軸受によって回転自在に支持される主軸とを備えて構成される主軸装置において、
金属から構成される、複数の管状をした部材を、前記ハウジングの保持穴と外輪との間に、該各管状部材の軸線が前記主軸の軸線とそれぞれ平行となるように且つ前記保持穴内周面及び外輪外周面の双方に圧接するように配設したことを特徴とする主軸装置に係る。
【００１６】
この主軸装置によれば、主軸が回転し、これに伴って軸受に摩擦熱が生じると、当該軸受に生じた摩擦熱が、ハウジングの保持穴と外輪との間に、該保持穴内周面及び外輪外周面の双方に圧接するように配設された複数の金属製の管状部材を介して、ハウジングに放熱される。
【００１７】
この金属製の管状部材を介した放熱は、固相−固相間の熱移動であり、上述した従来の主軸装置におけるような固相−気相間の熱移動に比べて、移動する熱量が大きく、効果的に放熱することができる。これにより、軸受や主軸に蓄熱される熱量を抑制することができ、主軸の熱膨張を最小限に押えることができるとともに、主軸の熱膨張に起因した加工精度の悪化を抑えることができる。
【００１８】
一方、摩擦熱によって軸受が熱膨張すると、前記管状部材は、軸受の熱膨張に伴う作用力を受けて自体弾性変形し、その作用力を吸収する。したがって、外輪及び内輪と転動体との間に生じる摩擦力は、従来のように、その熱膨張によって著しく増大することは無い。このため、主軸を超高速（例えば、前記Ｄｍ×Ｎの値が３×１０^６以上となる回転速度）で回転させても、軸受に生じる摩擦熱量を、軸受からハウジングに放熱され得る熱量以下に押えることが可能であり、摩擦熱量と放熱量とを平衡状態に保つことが可能である。尚、管状部材は、内部が中空であるため弾性変形し易く、軸受の熱膨脹に伴う前記作用力を効果的に吸収することができる。
【００１９】
このように、この主軸装置によれば、前記管状部材の作用により、軸受に生じた摩擦熱の放熱を促進することができるとともに、外輪の熱膨脹を妨げず、転動体と外輪及び内輪との間の隙間の減少を防ぎ、発生する摩擦熱が軸受の熱膨張に伴って著しく増大するのを効果的に抑制することができる。
【００２０】
尚、各管状部材は、前記弾性変形に支障をきたさないように、隣り合う管状部材との間に間隙を有するように配置されるのが好ましい。そして、その位置関係を維持するためには、この隣り合う管状部材同士を接着剤によって接着したり、或いは、各管状部材間に、その軸線に沿ったスペーサを介挿させると良い。尚、このスペーサは、管状部材との対向面に、この管状部材の軸線に沿った凹溝を備え、凹溝部が、管状部材に対して非接触となるように構成されているものが好ましく、更に、このスペーサを用いる場合に、隣り合う管状部材同士、及びこの管状部材間に介挿されたスペーサを接着剤によって接着することもできる。
【００２１】
また、前記各管状部材内にゲル剤などの制振剤を充填した構成としても良い。これにより、管状部材の剛性を高めることができ、軸受に生じた振動を制振剤によって効果的に吸収することができる。
【００２２】
或いは、前記各管状部材内に、冷却液を流通せしめる構成とすることもできる。具体的には、冷却液が流通する流路であって、前記各管状部材の内部に連通する往路及び復路をそれぞれ前記ハウジングに形成するとともに、前記往路に冷却液を供給する一方、前記復路から冷却液を受け入れる冷却液供給手段を設けて、前記冷却液供給手段から供給された冷却液が、前記往路，管状部材内部，復路を順次経由して前記冷却液供給手段に還流されるように構成する。このようにすれば、前記管状部材内を流通する冷却液によって、軸受を冷却することができ、より効果的に、その温度上昇を抑制することができる。
【００２３】
また、前記管状部材に代えて、金属から構成される環状部材を、前記ハウジングの保持穴と外輪との間に、前記外輪と同軸となるように且つ前記保持穴内周面及び外輪外周面の双方に圧接するように配設しても良い。この環状部材には、環状溝が外周側及び／又は内周側に周方向に沿って形成され、この環状溝内には、上記と同様、前記冷却液供給手段によって冷却液が流通せしめられる。
【００２４】
前記管状部材に代えて前記環状部材を設けるようにしても、この環状部材の外周側及び／又は内周側に、周方向に沿った環状溝を形成した構造故、上記管状部材と同様に、弾性変形し易く、軸受の熱膨脹に伴う前記作用力を効果的に吸収することができる。また、冷却液によって軸受を冷却し、その温度上昇をより効果的に抑制することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的な実施形態について添付図面に基づき説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る主軸装置の概略構成を示した断面図であり、図２は、図１における矢示Ａ―Ａ方向の上半分を示した断面図である。図１及び図２に示すように、本実施形態に係る主軸装置１は、上記従来の主軸装置５０を改良したものであり、従って、従来の主軸装置５０の構成と同じ構成部分については同一の符号を付して、その詳しい説明を省略する。
【００２６】
図１及び図２に示すように、本例の主軸装置１は、ハウジング５１の保持穴５１ａと各軸受５２との間に、それぞれ支持リング１０を圧挿した構成を備える。
【００２７】
この支持リング１０は、軸線が前記主軸５３の軸線と平行、且つ所定間隔で環状に配置された複数の管状部材１１を備え、隣り合う管状部材１１間にそれぞれスペーサ１３を介挿するとともに、この隣り合う管状部材１１同士、及びこの管状部材１１間に介挿されたスペーサ１３をエポキシ樹脂などの接着剤１４によって接着せしめた構造を備える。尚、前記管状部材１１は、金属製であれば何らその材質が限定されるものではないが、熱伝導性能に優れ、且つ適切な縦弾性係数である点でアルミニウム製であるのが好ましい。また、その内部にはゲル剤などの制振剤１２が充填されている。
【００２８】
また、前記スペーサ１３は、図３に示すように、管状部材１１との対向面に、その軸線に沿った凹溝１３ｂを備え、この凹溝１３ｂの両縁部１３ａ，１３ａが管状部材１１に接触し、凹溝１３ｂ内は管状部材１１に対して非接触となるように構成されている。
【００２９】
かかる支持リング１０は、例えば、次のようにしてこれを製造することができる。即ち、まず、円筒形状をなし、且つその外周面に軸方向に沿った複数の凹溝を円周方向に所定間隔で備える治具の前記各凹溝に、それぞれ制振剤１２の充填された管状部材１１を装着し、ついで、装着した管状部材１１間にスペーサ１３を介挿した後、その外側から接着剤１４を塗布してこれらを接着する。
【００３０】
次に、接着剤１４を乾燥，固化させた後、治具に装着されたままの状態で、円筒研削盤によって、管状部材１１が表面に現れるまで、接着剤１４の外周面を研削加工する。そして、研削加工後、一体的に形成された管状部材１１，スペーサ１３及び接着剤１４から構成される構造体を前記治具から取外し、これを前記ハウジング５１の保持穴５１ａに嵌挿する。
【００３１】
次に、保持穴５１ａに嵌挿された前記構造体の内側から接着剤１４を塗布して、これを乾燥，固化させた後、ハウジング５１に装着されたままの状態で、円筒研削盤によって、管状部材１１が表面に現れるまで、接着剤１４の内周面を研削加工する。以上のようにして、上記構造の支持リング１０を製造することができる。
【００３２】
次に、上記のようにして製造された支持リング１０内に軸受５２を嵌挿した後、主軸５３などを順次組み付けて、本例の主軸装置１とする。
【００３３】
尚、上述したように、支持リング１０はハウジング５１の保持穴５１ａと各軸受５２との間にそれぞれ圧挿された状態となっている。言い換えれば、支持リング１０の外周部１０ａとハウジング５１の保持穴５１ａとの間、及び前記支持リング１０の内周部１０ｂと外輪５２ａの外周部５２ｄとの間の嵌め合いが、それぞれしまり嵌めとなっており、管状部材１１は前記保持穴５１ａ及び外輪５２ａに対して圧接した状態となっている。
【００３４】
また、支持リング１０は、スペーサ２，３によって、ハウジング５１の軸方向における移動が規制されている。このスペーサ２には、前記潤滑油供給孔６２と連通する潤滑油供給孔６２ａ、及び前記潤滑油排出溝６３と連通する潤滑油排出溝６３ａがそれぞれ形成されており、前記潤滑油供給手段（図示せず）から前記潤滑油供給路５１ｂ，前記潤滑油供給孔６２，６２ａ及び前記ノズル６１を介して前記転動体５２ｃに潤滑油が供給される一方、供給された潤滑油が、前記潤滑油排出溝６３，６３ａ及び前記潤滑油排出路５１ｃを介して前記軸受５２の内部５２ｅから排出される。
【００３５】
以上の構成を備えた本例の主軸装置１によれば、主軸５３が回転し、これに伴って軸受５２に摩擦熱が生じると、当該軸受５２に生じた摩擦熱が、ハウジング５１の保持穴５１ａと外輪５２ａとの間に、これらに圧接するように配設された管状部材１１を介して、ハウジング５１に放熱される。
【００３６】
この管状部材１１を介した放熱は、固相−固相間の熱移動であり、上述した従来の主軸装置におけるような固相−気相間の熱移動に比べて、移動する熱量が大きく、効果的に放熱することができる。これにより、軸受５２や主軸５３に蓄熱される熱量を抑制することができ、主軸５３の熱膨張を最小限に押えることができるとともに、主軸５３の熱膨張に起因した加工精度の悪化を抑えることができる。
【００３７】
一方、摩擦熱によって軸受５２が熱膨張すると、前記管状部材１１は、中空構造であるが故に、軸受５２の熱膨張に伴う作用力を受けて自体容易に弾性変形し、その作用力を吸収する。したがって、外輪５２ａ及び内輪５２ｂと転動体５２ｃとの間に生じる摩擦力は、従来のように、その熱膨張によって著しく増大することは無い。このため、主軸５３を超高速（例えば、前記Ｄｍ×Ｎの値が３×１０^６以上となる回転速度）で回転させても、軸受５２に生じる摩擦熱量を、軸受５２からハウジング５１に放熱され得る熱量以下に押えることが可能であり、摩擦熱量と放熱量とを平衡状態に保つことが可能である。
【００３８】
このように、この主軸装置１によれば、前記管状部材１１の作用によって、軸受５２に生じた摩擦熱の放熱を促進することができるとともに、外輪５２ａの熱膨脹を妨げず、転動体５２ｃと外輪５２ａ及び内輪５２ｂとの間の隙間の減少を防ぎ、発生する摩擦熱が軸受５２の熱膨張に伴って著しく増大するのを効果的に抑制することができる。
【００３９】
また、隣り合う管状部材１１間にスペーサ１３を介挿しているので、管状部材１１の配置間隔を適正に保つことができ、また、前記スペーサ１３の管状部材１１との対向面に凹溝１３ｂを設けているので、かかる凹溝１３の存在により、管状部材１１が弾性変形可能となっている。
【００４０】
また、支持リング１０は、接着剤１４や管状部材１１内に充填された制振剤１２によって所定の剛性が確保され、更に、軸受５２に生じた振動が前記制振剤１２によって効果的に吸収される。
【００４１】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の採り得る具体的な態様は、何らこれに限定されるものではない。
【００４２】
例えば、前記各管状部材１１内に制振剤１２を充填しないで、当該管状部材１１内に冷却液を流通せしめる構成とすることもできる。具体的には、冷却液が流通する流路であって、前記各管状部材１１の内部に連通する往路及び復路をそれぞれ前記ハウジング５１に形成するとともに、前記往路に冷却液を供給する一方、前記復路から冷却液を受け入れる冷却液供給手段を設けて、前記冷却液供給手段から供給された冷却液が、前記往路，管状部材内部，復路を順次経由して前記冷却液供給手段に還流されるように構成する。このようにすれば、前記管状部材内１１を流通する冷却液によって、軸受５２を冷却することができ、より効果的に、その温度上昇を抑制することができる。
【００４３】
また、上例の支持リング１０に代えて、図４に示すような支持リング２０を使用することもできる。同図４に示すように、この支持リング２０は、前記軸受５２側に複数の環状溝２１ａが形成された環状部材２１から構成されるものであり、この環状溝２１内には冷却液が流通するように構成される。
【００４４】
この場合、前記ハウジング５１には、冷却液が流通する流路であって、前記各環状溝２１ａに連通する往路及び復路からなる冷却液流通用の流路がそれぞれ形成される。また、前記往路に冷却液を供給する一方、前記復路から冷却液を受け入れる冷却液供給手段が設けられる。そして、前記冷却液供給手段から供給された冷却液は、前記往路，環状溝２１ａ内部，復路を順次経由して前記冷却液供給手段に還流されるようになっている。
【００４５】
このような支持リング２０によっても、かかる環状部材２１がその径方向への弾性変形が可能であるので、上述の支持リング１０と同様の効果を得ることができる。尚、前記環状溝２１ａは、これが環状部材２１の軸受５２側に形成された構造に限られるものでは無く、これがハウジング５１側に形成されていても、或いは、軸受５２側及びハウジング５１側の双方に形成されていても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る主軸装置の概略構成を示した断面図である。
【図２】図１における矢示Ａ―Ａ方向の上半分を示した断面図である。
【図３】本実施形態に係るスペーサの概略構成を示した平面図である。
【図４】本発明の他の形態に係る支持リングの概略構成を示した断面図である。
【図５】従来例に係る主軸装置の概略構成を示した断面図である。
【符号の説明】
１主軸装置
２，３スペーサ
１０支持リング
１１管状部材
１２制振剤
１３スペーサ
１３ｂ凹溝
１４接着剤
５１ハウジング
５２軸受
５２ａ外輪
５２ｂ内輪
５２ｃ転動体
５３主軸

Claims

保持穴を有するハウジングと、該ハウジングの保持穴内に配設され、少なくとも外輪及び該外輪の内側に配置される内輪、並びに該外輪，内輪間に配置される転動体からなる軸受と、該軸受によって回転自在に支持される主軸とを備えて構成される主軸装置において、
金属から構成される、複数の管状をした部材を、前記ハウジングの保持穴と外輪との間に、該各管状部材の軸線が前記主軸の軸線とそれぞれ平行となるように且つ前記保持穴内周面及び外輪外周面の双方に圧接するように配設したことを特徴とする主軸装置。
前記各管状部材を、隣り合う管状部材との間に間隙を有するように配置するとともに、隣り合う管状部材同士を接着剤によって接着せしめたことを特徴とする請求項１記載の主軸装置。
前記各管状部材間に、その軸線に沿ったスペーサを介挿してなり、
該スペーサは、前記管状部材との対向面に、前記軸線に沿った凹溝を備え、該凹溝部が、前記管状部材に対して非接触となるように構成されてなる請求項１記載の主軸装置。
隣り合う前記管状部材同士、及び該管状部材間に介挿されたスペーサを接着剤によって接着せしめたことを特徴とする請求項３記載の主軸装置。
前記各管状部材内に制振剤を充填したことを特徴とする請求項１乃至４記載のいずれかの主軸装置。
冷却液が流通する流路であって、前記各管状部材の内部に連通する往路及び復路をそれぞれ前記ハウジングに形成するとともに、
前記往路に冷却液を供給する一方、前記復路から冷却液を受け入れる冷却液供給手段を設けて、
前記冷却液供給手段から供給された冷却液が、前記往路，管状部材内部，復路を順次経由して前記冷却液供給手段に還流されるように構成したことを特徴とする請求項１乃至４記載のいずれかの主軸装置。
保持穴を有するハウジングと、該ハウジングの保持穴内に配設され、少なくとも外輪及び該外輪の内側に配置される内輪、並びに該外輪，内輪間に配置される転動体からなる軸受と、該軸受によって回転自在に支持される主軸とを備えて構成される主軸装置において、
金属から構成され、外周側及び／又は内周側に周方向に沿って環状溝が形成された環状の部材であって、前記ハウジングの保持穴と外輪との間に、前記外輪と同軸となるように且つ前記保持穴内周面及び外輪外周面の双方に圧接するように配設された環状部材と、
前記環状溝に冷却液を供給する冷却液供給手段とを備え、
前記ハウジングには、前記冷却液が流通する流路であって、前記環状溝内に連通する往路及び復路がそれぞれ形成され、
前記冷却液供給手段は、前記往路に冷却液を供給し、前記復路から冷却液を受け入れるように構成され、
前記冷却液供給手段から供給された冷却液が、前記往路，環状溝内部，復路を順次経由して前記冷却液供給手段に還流されるように構成されてなることを特徴とする主軸装置。