JP4572462B2

JP4572462B2 - 潤滑装置

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Publication number: JP4572462B2
Application number: JP2000324202A
Authority: JP
Inventors: 澄雄杉田; 大綱縄本
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2000-10-24
Filing date: 2000-10-24
Publication date: 2010-11-04
Anticipated expiration: 2020-10-24
Also published as: JP2002130593A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、簡単な構造で、微量の潤滑油を高速吐出可能にする潤滑装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
工作機械のスピンドル等に対して行われる微量潤滑としては、連続したエアの流れに間欠的に潤滑油を混合させて搬送させ、吐出ノズルにて噴霧状として軸受に吹き付けるオイルエア潤滑方式や、予め潤滑油を噴霧状としたうえで、既に吐出されているエアによって搬送させ、吐出ノズルから軸受に吹き付けるオイルミスト潤滑方式や、微量の潤滑油を軸受内に直接噴射する潤滑方式（以下、「直噴潤滑」と称す。）がある。
【０００３】
オイルエア潤滑方式においては１ショット０．０１〜０．０３ｍｌ程度の潤滑油をある時間間隔でエアと混合する定量弁が用いられる。この定量弁の例としては、実公平８−２５７８号公報に開示されるものなどが知られている。従来、この種の定量弁は、１つのピストンの往復運動を利用して、定量の油の蓄積、吐出を行う構造であり、ピストンの片側端のシリンダ内に油を蓄積し、その反対側で吐出を行うものである。吐出量を小さくするには、ピストン径とストロークを小さくすることが考えられるが、従来の方式ではＯリング等のシール部品やリターンバネの大きさなど寸法的な制約があり、小型化が容易に行えないことから、０．０１ｍｌ未満の油を吐出することは困難とされていた。
【０００４】
一方、直噴潤滑の例としては、特開２０００−７４０７６号公報や、特開２０００−１１０７１１号公報に開示されるものがある。特開２０００−７４０７６号公報に開示される潤滑構造では、圧力のかかった作動油と電磁石の作用により潤滑油を吐出するポンプが使用されている。また、特開２０００−１１０７１１号公報に開示される潤滑装置では超磁歪材料を用いた微量潤滑ポンプが使用されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したオイルエア潤滑方式やオイルミスト潤滑方式の潤滑装置は、１つのピストンの往復運動を利用して、定量の油の蓄積、吐出を行う構造であるため、オイル１回の給油量が通常０．０３ｍｌ程度と多く、且つ１５分程度の時間間隔で油が吐出されることから、一定回転する軸受の温度が、油のショット間隔で脈動する問題があった。また、転動体とオイルエアとの風切り音の生じることがあった。転動体とオイルエアとの風切り音は、その周波数が２〜３Ｈｚ以下のときに耳障りな音となる場合が多く、直径［ｍ］と回転速度［ｒｐｍ］の積（ｄｍ・Ｎ）が１５０万以下のあまり高速回転でない主軸の場合でも問題となった。
【０００６】
一方、上記した直噴潤滑の潤滑装置は、０．００１ｍｌ程度の微量の潤滑油を高速で吐出する必要があり、特開２０００−１１０７１１号公報や２０００−７４０７６号公報に開示される潤滑装置の構造では、この微量且つ高速な潤滑油の吐出が、電磁石や超磁歪材料を用いた微量潤滑ポンプによって実現されるため、装置コストが高くなる問題があった。また、微量潤滑ポンプであるため、配管には圧力による変形の大きいＯリングや樹脂チューブを用いることができず、特に設計の自由度が要求される工作機械の主軸用潤滑装置としては容易に適用できない不利があった。
【０００７】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、電磁石や超磁歪材料を用いる装置に比べ、低コスト且つ簡単な構造で、風切り音を生じさせることなく、微量な潤滑油を高速に吐出することができ、しかも、設計自由度を高めることができる潤滑装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明に係る潤滑装置の構成は、複数のノズルから微量の潤滑油を各軸受内部に直接噴射する潤滑装置であって、前記各ノズルからの吐出油容量より大きい吐出油容量を有するポンプと、該ポンプと前記各ノズルとを接続する油配管と、該油配管のポンプ側配管と複数のノズル側配管との間に介装され、前記ポンプ側配管内の潤滑油を前記各ノズル側配管に供給するように前記油配管を遮断又は開放することで、前記各ノズルからの潤滑油の噴射と該噴射の停止を行う切替弁と、を具備し、
前記切替弁は、固定摺接面を有する固定部材と、前記固定摺接面に密接する移動摺接面を有し、前記固定摺接面に垂直な軸線を中心に前記固定部材に対して摺動回転する回転部材と、を備え、
前記固定部材の固定摺接面には、前記軸線位置に穿設され、前記ポンプ側配管が接続される吐出孔と、前記軸線を中心とした円周上に穿設され、前記ポンプ側配管の周囲に配置される前記各ノズル側配管がそれぞれ接続される複数の送油孔と、が開口し、
前記回転部材の移動摺接面には、前記吐出孔と複数の送油孔とを連通可能なスリットが形成されており、
前記切替弁は、前記回転部材の摺動回転時において、前記吐出孔と前記送油孔が前記スリットを介して連通したときにのみ、前記油配管を開放する構成であり、
前記回転部材は、モータの駆動によって１回転し、該モータを所定の回転速度まで加速させた後、該所定の回転速度を維持している間に、前記吐出孔が前記スリットを介して前記各送油孔と順に連通することで、前記固定部材に接続された前記ポンプ側配管内の潤滑油が前記固定部材に接続された前記各ノズル側配管に順に供給され、
前記回転部材は、前記切替弁の開放時間が０．１〜５０ｍｓとなるように前記固定部材に対して摺動回転させ、前記油配管の開放によって前記ポンプの圧力が前記ノズルに加わり、１ショットの吐出油量が０．０００１〜０．０１ｍｌで前記潤滑油が前記軸受内部に噴射されることを特徴とする。
【０００９】
従って、切替弁によって、ポンプからの潤滑油をノズルを介して軸受内部へ適切に供給することができ、電磁石や超磁歪材料を用いた高価な微量潤滑ポンプを使用せずに、安価なポンプを用いて十分な吐出速度が得られ、高速回転のスピンドルにおいて、安定した潤滑特性、即ち、耐焼付性の向上、トルクむら低減等が可能になる。また、オイルエア、オイルミストで問題になった転動体の風切音が生じなくなる。さらに、切替弁までの配管には樹脂製耐圧チューブ等を用いることが可能になり、配管の設計自由度が高まる。
【００１１】
この潤滑装置では、ノズルから噴射される１ショットの吐出油量が、０．０００１より大きいことで、潤滑油の圧縮性、配管の圧力変形、及び切替弁の応答性が大きく影響することによる流速の低下が防止され、十分な流速が確保可能になる。また、ノズルから噴射される１ショットの吐出油量が、０．０１ｍｌより小さいことで、軸受に生じるトルク変動が防止される。
【００１２】
また、潤滑装置は、前記ノズルから噴射される潤滑油の吐出速度が、軸受内輪周速度の１０％以上であることが好ましい。
【００１３】
この潤滑装置では、ノズルから噴射される潤滑油の吐出速度が、軸受内輪周速度の１０％以上となり、軸受内部まで潤滑油が到達するのに必要な吐出速度が確保される。実用的にはポンプ圧力２．５ＭＰａ程度の安価な油圧ポンプが使用可能になる。
【００１５】
この潤滑装置では、切替弁の開放時間が０．１〜５０ｍｓとなることにより、必要吐出量０．０００１〜０．０１ｍｌが満足される。即ち、下記式から、ポンプ圧力、潤滑油、配管が設定されると、切替弁の開放時間ｔと吐出量の関係が定まり、必要吐出量０．０００１〜０．０１ｍｌから要求される切替弁の開放時間ｔが、０．１〜５０ｍｓとなる。
【００１６】
ｖ＝Ｃｄ・（２（ｐ−Δｐ）／ρ）^0.5
ｑ＝ｖ・πｄ² ・ｔ／４
Δｐ＝３２・μ・Ｌ・ｄ² ・ｖ／Ｄ⁴
但し、
Ｃｄ：流量係数、ｐ：ポンプ圧力（Ｐａ）、Δｐ：圧力損失（Ｐａ）、
ρ：潤滑油密度（ｋｇ／ｍ³ ）、ｄ：ノズル径（ｍ）、
ｔ：切替弁の開放時間（ｓ）
μ：潤滑油粘性係数（Ｐａ・ｓ）、Ｌ：配管長さ（ｍ）、Ｄ：配管内径（ｍ）
【００１９】
また、潤滑装置は、前記回転部材を回転させるモータと、前記ポンプの吐出油圧力を検出する圧力スイッチと、前記ポンプに駆動信号を送出し、前記吐出油圧力が一定圧力以上となったときの前記圧力スイッチからの検出信号を受けることで前記モータに一回転の駆動信号を送出した後、前記ポンプに駆動停止信号を送出し、該一連の動作を一定時間間隔で繰り返し行わせるコントローラとを具備した構成としてもよい。
【００２０】
この潤滑装置では、コントローラによりポンプがＯＮされると、油圧が上昇され、油圧が一定圧力以上となったことが圧力スイッチを介してコントローラによって検出されると、コントローラはモータを一回転させた後、コントローラによってポンプがＯＦＦされる。これら一連の動作が、コントローラによって一定時間間隔で繰り返し行われ、ポンプからの潤滑油がノズルから一定時間間隔で噴射される。
【００２１】
また、潤滑装置は、前記切替弁が、固定摺接面を有する固定部材と、前記固定摺接面に密接する移動摺接面を有し且つ前記固定摺接面に垂直な軸線を中心に該移動摺接面を摺接回転させる回転部材とからなり、前記固定部材の固定摺接面には、前記軸線を中心とした円周上に、前記ノズルに接続される複数の送油孔が穿設され、前記軸線位置に前記ポンプに接続された吐出孔が穿設され、前記回転部材の移動摺接面には、前記軸線位置から半径方向に沿って前記送油孔の位置までスリットが形成された構成としてもよい。
【００２２】
この潤滑装置では、切替弁の固定部材に対して回転部材が回転され、固定部材の固定摺接面に設けられた送油孔に、回転部材の移動摺接面に設けられたスリットが一致すると、切替弁が開く（油配管が開放される）ことになり、ポンプからの潤滑油がノズルから一定時間噴射される。この際、送油孔が円周上に複数設けられていることで、回転部材が一回転するごとに、それぞれの送油孔に、吐出孔からの潤滑油が供給され、回転部材の一回転で複数箇所への潤滑油の供給が可能になる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る潤滑装置の好適な実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明に係る潤滑装置の原理図である。
【００２８】
本実施形態の潤滑装置１は、潤滑油を吐出するポンプ３と、このポンプ３の潤滑油吐出口に、油配管（ポンプ側配管）５を介して接続される切替弁７と、この切替弁７の油吐出側に、油配管（ノズル側配管）９を介して接続され、軸受１１に潤滑油を噴射するノズル１３とにより構成されている。
【００２９】
ポンプ３は、油タンクに付設して設けられてもよい。このポンプ３は、ノズル１３からの吐出油容量より大きい吐出油容量を有している。ポンプ３としては、空圧や油圧駆動のピストン式ポンプや、ギヤポンプ等の通常の油圧ポンプを用いることができる。
【００３０】
切替弁７は、ポンプ３とノズル１３とを接続する油配管（ポンプ側配管５、ノズル側配管９）に介装され、ポンプ３からの潤滑油の吐出圧力に応じて、油配管を遮断又は開放するように動作する。即ち、ポンプ３からの吐出油圧力が一定圧力未満では、油配管を遮断してノズル１３からの潤滑油の噴射を停止する。一方、ポンプ３からの吐出油圧力が一定圧力以上となったときには、油配管を開放してポンプ３からの潤滑油をノズル１３から一定時間噴射させる。切替弁７には、例えばこれら油配管の遮断・開放動作を回転部材の回転によって行う所謂ロータリーバルブが用いられ、これにより、切替弁７は上記した油配管を遮断・開放させる一連の動作を繰り返し行えるようになっている。
【００３１】
次に、この潤滑装置１の作用を説明する。
潤滑装置１によって潤滑油を軸受１１に噴射するには、まず、ポンプ３を駆動する。ポンプ３の圧力はポンプ側配管５を通して切替弁７に伝わる。この際、切替弁７によって油配管を遮断（ＯＦＦ）し、ポンプ３によりポンプ側配管５内の圧力を上昇させる。
【００３２】
切替弁７は、ポンプ側配管５内の圧力が十分上昇するまで遮断状態を維持する。即ち、ポンプ側配管５やポンプ３内のＯリング等、圧力による変形の大きな部位が十分変形するまで待つ。この際の待機動作は、例えば圧力スイッチによる圧力上昇の確認を行うか、ポンプ３の駆動開始から数秒待つなどの措置によってなされる。
【００３３】
油圧上昇後、切替弁７を短時間ｔだけ開放（ＯＮ）することによって、ポンプ圧力がノズル１３に加わり、流速ｖ、吐出量ｑで潤滑油が軸受１１内に噴射される。つまり、切替弁７はノズル１３側への油圧を遮断する機能と、ノズル１３へ油圧を伝える機能を持つ。
【００３４】
切替弁７の先には複数の油配管とノズルの接続される場合がある。この場合、複数のノズルに対し一度に油圧を加えても良いが、１ノズルずつ油圧を切り替えた方が各ノズルの給油量を安定させることができる。切替弁７の下流側部品（切替弁７自身、ノズル側配管９、ノズル１３、及びそれらの継ぎ手等の結合部品）は、短時間に微量の潤滑油が流れるのみであるため、圧力に対して変形し難い部品が使用される。
【００３５】
次に、ノズル１３からの吐出量と、切替弁７の開放時間ｔとの関係を説明する。ノズル１３から吐出される潤滑油の流速ｖ（ｍ／ｓ）及び吐出量ｑ（ｍ³／Ｓｈｏｔ）は（１）式及び（２）式で表される。
ｖ＝Ｃｄ・（２（ｐ−Δｐ）／ρ）^0.5 …（１）
ｑ＝ｖ・πｄ² ・ｔ／４ …（２）
但し、Ｃｄ：流量係数、ｐ：ポンプ圧力（Ｐａ）、Δｐ：圧力損失（Ｐａ）
ρ：潤滑油密度（ｋｇ／ｍ³）、ｄ：ノズル径（ｍ）
ｔ：切替弁の開放時間（ｓ）である。
【００３６】
ここで、Ｃｄは流量係数で、ノズル形状及び潤滑油粘度等によって決まる定数である。スピンドル潤滑用のノズルでは、実質的にノズル径で定まる定数であり、０．９〜０．５の値をとる。Δｐは圧力損失であり、ほとんどが油配管の圧力損失で、切替弁７の圧力損失は通常小さい。油配管の圧力損失は層流の粘性流体の管路摩擦の（３）式と実験結果が良く合う。
Δｐ＝３２・μ・Ｌ・ｄ² ・ｖ／Ｄ⁴ …（３）
但し、μ：潤滑油粘性係数（Ｐａ・ｓ）、Ｌ：配管長さ（ｍ）、
Ｄ：配管内径（ｍ）である。
【００３７】
以上の（１）〜（３）式より、ポンプ圧力、潤滑油（潤滑油密度、潤滑油粘性係数）、配管（長さ、内径）が設定されると、切替弁７の開放時間ｔと、ノズル１３からの吐出量の関係が定まる。
【００３８】
通常、切替弁７の開放時間ｔは一定とする。即ち、工作機械等主軸の使用条件では、周囲温度の変化は少なく潤滑油の粘度変化などの影響はほとんど無視できるため、流速や給油量に大きなばらつきが生じることなく安定した潤滑が可能となるためである。
【００３９】
また、ノズル径は０．０８〜０．３ｍｍが最適となる。即ち、０．０８未満では異物に対しノズル１３が詰まる可能性があり、０．３以上では切替弁７の流量確保が難しくなる上、油配管や潤滑油粘度の影響で吐出量が大きく変化するため、安定した潤滑が困難になる。
【００４０】
そして、吐出した潤滑油が軸受内部に到達するためには、軸受１１の内輪周速の約１０〜２０％以上の流速ｖが必要となる。この場合、流速は速いほど潤滑条件が良好となる。この必要流速からポンプ圧力が決定される。実用的にはポンプ圧力２．５ＭＰａ程度の安価な油圧ポンプにて、十分な吐出速度が得られる。
【００４１】
軸受１１に必要な給油量は、条件によって大きく異なるが、必要給油量はおよそＱ＝０．０１〜１０ｍｌ／ｈｏｕｒである。ここで、１ショットあたりの給油量は０．０００１〜０．０１ｍｌが望ましい。これは、１ショットの給油で軸受１１のトルク変動が問題とならない程度の給油量は０．０１ｍｌ以下であり、また、０．０００１ｍｌ未満では、潤滑油の圧縮性や油配管の圧力変形、切替弁７の応答性に起因し、十分な流速が得られない場合があるためである。
【００４２】
また、必要吐出量から要求される切替弁７の開放時間ｔは０．１〜５０ｍｓとなる。これは微量な潤滑油を流す弁として十分実現可能な開放時間となる。
従って、切替弁７の開放時間ｔ（０．１〜５０ｍｓ）、１ショットあたりの吐出量ｑ（０．０１〜０．０００１ｍｌ）により、必要給油量Ｑ（０．０１〜１０ｍｌ／ｈｏｕｒ）を満足する時間間隔で、上記した作用、即ち、ポンプ３の駆動、切替弁７の遮断によるポンプ側配管５内の昇圧、切替弁７の開放、ポンプ３の停止を繰り返せば、安定した潤滑が行えることになる。
【００４３】
このように、上記の潤滑装置１によれば、ポンプ３からの吐出油圧力が一定圧力未満のとき、切替弁７によって油配管が遮断される一方、ポンプ３からの吐出油圧力が一定圧力以上となったときには切替弁７によって油配管が開放され、ポンプ３からの潤滑油がノズル１３から一定時間噴射される。このため、電磁石や超磁歪材料を用いた高価な微量潤滑ポンプを使用せずに、安価なポンプ３を用いて十分な吐出速度を得ることができ、高速回転のスピンドルにおいて、安定した潤滑特性、即ち、耐焼付性の向上、トルクむら低減等を可能にすることができる。また、オイルエア、オイルミストで問題になった転動体の風切音が生じなくなる。さらに、切替弁７までのポンプ側配管５には樹脂製耐圧チューブ等を用いることが可能になり、配管の設計自由度を高めることができるようになる。
【００４４】
【実施例】
次に、上記の実施の形態で説明した潤滑装置１の基本構成と同様の構成によって製作した潤滑装置を用い、吐出の確認を行った第１の実施例を説明する。
図２は第１の実施例に係る潤滑装置の構成図、図３は図２の要部平面図である。なお、図１に示した部材と同等の部材には同一の符号を付し、重複する説明は省略するものとする。
【００４５】
この実施例において、切替弁７は、固定摺接面２１を有する固定部材２３と、固定摺接面２１に密接する移動摺接面２５を有し且つ固定摺接面２１に垂直な軸線２７を中心に移動摺接面２５を摺接回転させる可動部材としての回転部材２９とからなる。固定部材２３の固定摺接面２１には、軸線２７を中心とした円周上に、ポンプ３に接続される吐出孔３１と、ノズル１３に接続される送油孔３３とが穿設されている。回転部材２９の移動摺接面２５には、軸線２７を中心とした円周上に、少なくとも吐出孔３１と送油孔３３とのなす中心角度（本実施例では５０°）より大きい中心角度（本実施例では７０°）の円弧状スリット３５が形成されている。
【００４６】
回転部材２９は、ギヤによる変速機構を備えたモータ３７によって回転される。ポンプ３は、潤滑油タンク３９に付設されている。ポンプ３には、ポンプ３からの吐出油圧力を検出する圧力スイッチ４１が取り付けられている。また、モータ３７、ポンプ３、圧力スイッチ４１にはコントローラ４３が接続されている。コントローラ４３は、ポンプ３に駆動信号を送出し、吐出油圧力が一定圧力以上となったときの圧力スイッチ４１からの検出信号を受けることで、モータ３７に一回転の駆動信号を送出した後、ポンプ３に駆動停止信号を送出し、且つこれら一連の動作を一定時間間隔で繰り返し行わせる制御を可能にしている。このコントローラ４３としては、プログラマブルシーケンサや、パーソナルコンピュータ等を使用することができる。
【００４７】
ポンプ３には空圧駆動のピストン式のポンプを用いた。このほかポンプ３は、一般的な油圧ポンプを使用してもよい。
本実施例において、ポンプ側配管５にはステンレス管を用いたが、これに限らず樹脂製の耐圧チューブを用いてもよい。
なお、図２中、４５は回転部材２９を固定部材２３へ押圧するバネ、４７は回転部材２９の回転軸を支持するスラスト軸受、４９、５１、５３はそれぞれ配管継ぎ手である。
【００４８】
切替弁７は、固定摺接面２１と移動摺接面２５との密接面で、バネ力による面合わせによって油圧を遮断し、固定部材２３の吐出孔３１及び送油孔３３と、回転部材２９のスリット３５が重なり合うときに油圧がノズル側へ伝わる構造とした。固定摺接面２１と移動摺接面２５との密接面は面合わせによる油圧遮断が要求されるため、平面度０．５μｍ以下、表面あらさ０．４Ｒａ以下とした。動作を高速にするため吐出孔３１及び送油孔３３は小さくし、ノズル径より僅かに大きな穴径０．５ｍｍのポートとした。
なお、切替弁７の開閉の動力としてはモータの代わりに、油圧や空圧のアクチュエータも使用可能である。
【００４９】
切替弁７は、回転部材２９の回転速度Ｎ（ｍｉｎ^-1）を制御することによって、開放時間が制御可能となっている。
開放時間ｔ＝θ／３６０／（Ｎ／６０）（ｓ）
ここでは、θは切替弁７が動作する角度でθ＝７０−５０＝２０°である。
【００５０】
本実施例では、Ｎ＝６００ｍｉｎ^-1として開放時間を５．６ｍｓとした。
ノズル側配管９には内径φ１ｍｍ、外径φ１．６ｍｍのステンレス管を用いた。このステンレス管は曲げが比較的自由であり、実際のスピンドルに配管する際に有効な配管素材である上、圧力による膨張が少なく本潤滑装置の配管として適している。
【００５１】
以上のようにして製作した潤滑装置１により、吐出の確認を行った。この場合、３００ショットの吐出を行い、ノズルから吐出される潤滑油の総重量を測定し、油の比重より１ショットあたりの平均吐出量及び吐出速度を求めた。
吐出速度は、切替弁７の開放時間の平均的速度として、吐出量／ノズル断面積／開放時間より求めた。測定はノズル径、配管長さ、潤滑油粘度をパラメータに行った。
【００５２】
図４〜図９に測定結果を示す。図４は配管長さに対する吐出速度の関係をノズル径をパラメータにして示したグラフ、図５は配管長さに対する吐出量の関係をノズル径をパラメータにして示したグラフ、図６は粘度と吐出速度との相関関係をノズル径をパラメータにして示したグラフ、図７は粘度と吐出量との相関関係をノズル径をパラメータにして示したグラフ、図８はポンプ圧力と吐出速度との相関関係をノズル径をパラメータにして示したグラフ、図９はポンプ圧力と吐出量との相関関係をノズル径をパラメータにして示したグラフである。なお、潤滑油はＶＧ１０、ＶＧ２２、ＶＧ３２の３種類を用い、測定時の室温２５°Ｃにおける潤滑油の動粘度を横軸にとった。
【００５３】
図４〜図９の結果により適切な圧力、粘度、配管長さ、ノズル径を選定することにより十分な吐出速度、適切な吐出量を得られることが分かる。例えばｄｍ．Ｎ３００万における内輪の周速度はおよそ１３０ｍ／ｓで、この場合の最低必要速度は内輪周速度の１０％で１３ｍ／ｓ以上となる。
【００５４】
また、図４〜図９の結果によれば、ノズル径は小さい方が配管長さや潤滑油粘度、ポンプ圧力に対する吐出量の変化が小さいことが分かった。つまり、本実施例による潤滑装置１では、ノズル径を小さくすることでより安定した吐出が行える。これは上記した（３）式における圧力損失Δｐの変化が小さいことを意味し、実用的には（３）式における配管に関するパラメータＬ・ｄ² ／Ｄ⁴ を１０⁵ （ｍ^-1）以下とすれば安定した吐出速度、吐出量が得られることになる。
【００５５】
図１０は、図４〜図９の測定結果から求めた流量係数とノズル径との相関関係を表すグラフである。本流量係数により流速の計算が可能となる。本流量係数及び（１）式より求めた吐出速度が内輪周速の１０〜２０％を越える場合には安定した潤滑が可能となる。
【００５６】
次に、第２の実施例を説明する。
図１１は第２の実施例による潤滑装置の要部平面図、図１２は第２の実施例による潤滑装置の変形例を示した要部平面図である。
この実施例では、実施例１における切替弁７の吐出孔３１及び送油孔３３と、スリット３５の配設パターンを変更した。
即ち、固定部材２３の固定摺接面２１には、軸線２７を中心とした円周上に、ノズル１３に接続される複数の送油孔３３が穿設され、軸線２７位置にポンプ３に接続された吐出孔３１が穿設されている。また、回転部材２９の移動摺接面２５には、軸線２７位置から半径方向に沿って送油孔３３の位置までスリット３５が形成されている。つまり、この実施例は、１入力４出力の例となっており、回転部材２９を１回転したときに４個のノズル１３が順次吐出するようになっている。
【００５７】
さらに本実施例では、切替弁７の過渡応答を改善するために固定部材２３の送油孔３３の周りにスリット３６を設け、回転部材２９を回転させたとき弁開放初期の回転角度の増分に対する弁の開放面積の増分が大きくなるようにした。この構成では、切替弁７の開放時間を短くした場合に特に改善効果を発揮することができる。
【００５８】
従って、この実施例では、固定部材２３に対して回転部材２９が回転され、固定部材２３の固定摺接面２１に設けられた送油孔３３に、回転部材２９の移動摺接面２５に設けられたスリット３５が一致すると、切替弁７が開き（油配管が開放され）、ポンプからの潤滑油がノズルから一定時間噴射される。この際、送油孔３３が円周上に複数設けられているので、回転部材２９が一回転するごと、即ち、固定部材２３と回転部材２９との相対位置関係（位相）に応じて、それぞれの送油孔３３に吐出孔３１からの潤滑油を供給でき、回転部材２９の一回転で複数箇所への潤滑油の供給が可能になる。
【００５９】
また、本実施例は、図１２に示すように直線運動を利用したタイプとすることもできる。この実施例では、切替弁７に、固定摺接面２１を有する固定部材２３と、固定摺接面２１に密接する移動摺接面２５を有し且つ固定摺接面２１に対して移動摺接面２５を直線方向に摺接往復させる可動部材としてのスライド部材５５とを設けた。そして、固定部材２３の固定摺接面２１には、ポンプ３に接続される複数（本実施例では３つ）の吐出孔３１が直線方向に間隔を有して穿設される。この吐出孔３１は、前記直線方向に直交する縦長状のスリット３６内に形成されている。また、スライド部材５５の移動摺接面２５には、ノズル１３に接続される複数（本実施例では３つ）の送油孔３３が直線方向に吐出孔３１と同一の間隔で穿設される。この送油孔３３は、前記直線方向に直交する縦長状のスリット３５内に形成されている。
【００６０】
従って、この場合の切替弁７は３入力３出力となる。この変形例による切替弁７では、固定部材２３とスライド部材５５とが直線方向に摺接しつつ往復移動され、即ち、固定部材２３とスライド部材５５との相対位置関係に応じて、固定部材２３の固定摺接面２１に設けられた複数の吐出孔３１と、スライド部材５５の移動摺接面２５に設けられた複数の送油孔３３とが同時に連通又は遮断される。すると、ポンプ３からの潤滑油がノズル１３から一定時間噴射されるようになる。この実施例によれば、スライド部材５５が直線方向に摺接して往復移動されるので、駆動源としてソレノイドの可動子や、シリンダ等の直線駆動装置がそのまま使用可能になる。
【００６１】
また、図１１、図１２に示した切替弁では、それぞれのスリットの太さを変更することで、各ノズル１３への給油量を変更することも可能となる。円筒ころ軸受はアンギュラ軸受に対して必要給油量が１／３程度となる場合があるが、このような場合に有効となる。
【００６２】
次に、上記した第１の実施例で説明した潤滑装置を実際のスピンドルに適用した第３の実施例を説明する。
図１３は本発明に係る潤滑装置を実際のスピンドルに適用した第３の実施例の断面図である。
【００６３】
主軸装置６１は、外筒冷却を行う工作機械用の主軸装置であって曲げに対して柔軟性のあるφ１〜φ３．２ｍｍ（ここでは一例として外径φ１．６ｍｍ、内径φ１．０ｍｍ）のステンレス製の耐圧チューブ６３を主軸装置６１内に取り回し、耐圧チューブ６３をノズルこま６５に接続する構造としている。このステンレス製の耐圧チューブ６７は手で容易に曲げることができ、また、圧力による配管膨張が少なく、微量の潤滑油供給に適した配管である。
【００６４】
主軸装置６１は、スピンドル軸６９と、このスピンドル軸６９を回転自在に支承する複数個（図示例では４個）の転がり軸受７１と、転がり軸受７１の外側を覆う内側ハウジング７３と、主軸装置６１の外側を覆う外側ハウジング７５とを備え、潤滑油の供給源である切替弁７から外側ハウジング７５に軸方向に沿って形成された潤滑油供給用の連通孔７７や、内側ハウジング７３に形成された開口部７９を通じて、内側ハウジング７３内に配置されたノズルこま６５まで耐圧チューブ６７により接続されている。
【００６５】
外側ハウジング７５は、転がり軸受７１の外周を包囲する外筒８１と、外筒８１の両端面に固着された前蓋８３及び後蓋８５とから構成されている。
転がり軸受７１は、２個づつ組となってスピンドル軸６９の前側と後側とをそれぞれに分担して支承するように軸方向に所定間隔をおいて配置されており、各転がり軸受７１の外輪は内側ハウジング７３の内周面に固定され、最前部の転がり軸受７１の外輪は外輪押さえ８７を介して前蓋８３に当接して係止され、最後部の転がり軸受７１の外輪は外輪押さえ８７を介して外筒８１にバネ８９により軸方向に弾性付勢されつつ係止されている。
また、各転がり軸受７１の内輪は、スピンドル軸６９の外周面に嵌合され、前側・後側のそれぞれで、各転がり軸受７１の間に、軸受７１を軸方向に固定するための間座が設けられている。
【００６６】
また、図示のように、内側ハウジング７３外径に冷却溝があり、この冷却溝には図示しない冷却ユニットからの冷却油が循環することで冷却を行っている。即ち、この主軸装置１００は外筒冷却方式による冷却機能を有する構成となっている。なお、本実施形態におけるスピンドル軸６９は水平に支承されているが、例えばマシニングセンタに用いる場合では、垂直或いは傾斜して使用されることもある。
【００６７】
このように、切替弁７、ポンプ３、ノズルこま６５からなる潤滑装置を、実際の主軸装置６１に適用することによって、電磁石や超磁歪材料を用いた高価な微量潤滑ポンプを使用せずに、安価なポンプ３を用いて十分な吐出速度を得ることができ、高速回転のスピンドルにおいて、安定した潤滑特性、即ち、耐焼付性の向上、トルクむら低減等を可能にすることができる。そして、途中までの配管に樹脂管が使えることにより、配管設計の自由度が高まり、多くのスピンドルシステムへの適用が可能になる。
【００６８】
次に、第４の実施例を説明する。
図１４は第４の実施例による潤滑装置の構成図、図１５は第４の実施例に用いられる切替弁の要部平面図である。
この実施例では、図１４に示すように切替弁７が、内周面に固定摺接面１０１を有する固定部材としての円筒状のステータ１０３と、固定摺接面１０１に密接する移動摺接面としての回転摺接面１０５を外周面に有し且つ固定摺接面１０１に対して回転摺接面１０５を摺接させながら回転する回転部材としてのロータ１０７とからなる。また、図１５に示すようにステータ１０３の固定摺接面１０１には、ノズル１３に接続される送油孔３３が半径方向に穿設され、この送油孔３３が円周方向に間隔を有して複数穿設されている。一方、ロータ１０７の回転摺接面１０５には、ポンプ３に接続される吐出孔３１が半径方向に穿設され、この吐出孔３１が円周方向に送油孔３３と同一の間隔で穿設されている。
【００６９】
この潤滑装置１では、ステータ１０３の内部でロータ１０７が回転駆動され、ステータ１０３とロータ１０７との相対位置関係（位相）に応じて、ステータ１０３の固定摺接面１０１に設けられた複数の送油孔３３がロータ１０７の回転摺接面１０５に設けられた吐出孔３１に一致すると、ポンプ３からの潤滑油がノズル１３から一定時間噴射される。このステータ１０３とロータ１０７とは、すきまばめにより構成することができ、低トルクによる高速切替えが容易に行えるようになる。例えば、永久磁石と電磁石を用いたロータリーソレノイド１０８の使用が可能になり高速な応答特性が得られ、通常のモータに比べて駆動回路が簡略化でき、アクチュエータの低コスト化が可能になる。
【００７０】
この実施例では、ロータ１０７の動作角度を９０度の範囲で多くの出力が得られるように、１入力４出力のロータリーバルブとして構成した。ロータ１０７はθ₁位置からθ₂位置、またはθ₂からθ₁に回転駆動される。初期位置からの回転角が約４０〜５０°の位置で吐出孔３１と送油孔３３が連通してノズル１３より潤滑油が吐出される。θ₁又はθ₂の位置では吐出孔３１とリリーフポート１０９がつながり、潤滑油はリリーフ弁１１０を介して潤滑油タンク３９に戻される。
このリリーフポート１０９は、ロータリーバルブがはめあいすきまで潤滑油をシールする構造であるため、僅かな潤滑油が送油孔３３へリークすることを防止するために設けられている。なお、ポンプ３をＯＮする時間を短くした場合は、送油孔３３への漏れは非常に少ないため、リリーフポート１０９を設ける必要がなくなる。
【００７１】
次に、第５の実施例を説明する。
図１６は第５の実施例による潤滑装置の構成図、図１７は切替弁の固定部材及び回転部材を示す図、図１８はコントローラがモータに出力する速度指令を示す図である。
本実施例は、内径φ６５ｍｍのセラミックアンギュラ玉軸受１１を用いた主軸装置６２に対して、切替弁７を用いて潤滑油を供給している。
軸受１１は、主軸装置６２の両端側（Ａ列，Ｂ列）に軸芯方向に隔てられて設けられ、それぞれにノズル１３が吐出口を軸受内部に向けて配置されている。
【００７２】
切替弁７は、図１７（ａ）に固定部材２３と図１７（ｂ）に可動部材としての回転部材２９を示すように、１入力５出力のロータリーバルブの２出力を使用した構成である。即ち、固定部材２３には中心部に吐出孔３１が設けられ、所定の半径位置で送油孔３３が６０゜間隔で合計５箇所に設けられている。一方、回転部材２９には、中心から前記所定の半径位置までの間に半径方向に幅０．５ｍｍのスリット３５が設けられている。そして、回転部材２９が回転駆動されることで、固定部材２３と回転部材２９との相対位置関係（位相）に応じて、固定部材２３の吐出孔３１から供給された潤滑油が回転部材２９のスリット３５に導入され、このスリット３５の半径方向外側に送油孔３３が重なったときに、この送油孔３３から潤滑油が送られる。
【００７３】
コントローラ４３は、間欠的（本実施例では１分に１回）にオイルポンプ３を昇圧させ、圧力の上昇確認後、モータ３７に回転角度に応じた速度指令を与えてモータを１回転させる。即ち、図１８に示すように、モータの回転角度が０゜（３６０゜）のときはモータの回転速度を３００ｒｐｍとし、回転角度が６０゜のときに回転速度を９００ｒｐｍまで加速させて、回転角度が６０゜〜３００゜の間はこの速度を維持する。
【００７４】
これにより回転部材２９が回転して、回転部材２９のスリット３５と固定部材２３の送油孔３３が重なったときに、送油孔３３に接続されたノズル先端に圧力が伝わり潤滑油が吐出される。本試験条件では、１ショットあたりの吐出量が０．００１４ｍｌで吐出速度が５０ｍ／ｓとなった。
【００７５】
また、本実施例においては、切替弁７の手前に潤滑油フィルタ７０を設けている。潤滑油フィルタ７０は、圧力損失の少ないガラスウールや石英ウールを用いたフィルタ、又は０．５μｍ程度の大容量の焼結材フィルタを用いることができる。これにより、異物による固定摺接面２１及び移動摺接面２５の面荒れの防止、バルブ寿命の延長を図ることができる。各摺接面２１，２５は、シール性確保のために平面度０．５〜１．０μｍ未満、表面あらさ０．０２Ｒａ未満であることが望ましい。
【００７６】
各摺接面２１，２５の材質は、固定部材２３を炭素工具鋼鋼材（ＳＫ）やステンレス鋼材（ＳＵＳ）等の焼き入れ鋼としており、高硬度により摩耗を防いでいる。また、シール面に窒化処理、ＷＣ／Ｃコーティング、ＤＬＣ（ダイヤモンド状硬質炭素）コーティングを施すことで、更に耐摩耗性を向上させることができる。ＷＣ／Ｃコーティング面やＤＬＣコーティング面は摩擦係数が小さいため、モータの駆動トルクを減少させることができる。また、回転部材２９に対しても同様の材料を用いることができ、その他にも、相手面を傷つけないため固定部材２３より硬度の低い例えばＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）材等の樹脂を用いることも可能である。
【００７７】
図１９は、本実施例における回転試験結果（温度記録チャート）であって、オイルエア潤滑法との比較を行ったものである。図１９（ａ）に示すオイルエア潤滑では、０．０３ｍｌを１６分おきに吐出しており、これにより、１６分おきに温度の脈動が発生している。一方、図１９（ｂ）に示す本実施例の潤滑法では、１ショットあたりの吐出量が０．００１４ｍｌと極めて少ないため、軸受内の潤滑油量の変動が小さくなり、そのため、ころがり抵抗の変動も小さくなる。その結果、温度の脈動がない安定した回転が可能となった。
【００７８】
図２０は、オイルエア潤滑法と本実施例の潤滑法とによる主軸装置からの騒音をスピンドルの手前１ｍにて測定して比較した結果である。本実施例の潤滑法では、エアを軸受に吹き付けることがないため風切り音の発生をなくすことができ、騒音値を減少させることができた。
【００７９】
尚、本発明において、特殊な電磁弁ではなく、市販のポペット弁を利用した高速電磁弁等、応答性の高い一般的な電磁弁も使用可能である。
【００８０】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係る潤滑装置によれば、ポンプとノズルとを接続する油配管に切替弁が介装され、この切替弁は、ポンプからの吐出油圧力が一定圧力未満では油配管を遮断し、ポンプからの吐出油圧力が一定圧力以上となったときに油配管を開放してポンプからの油をノズルから一定時間噴射させるので、電磁石や超磁歪材料を用いた高価な微量潤滑ポンプを使用せずに、安価なポンプを用いて十分な吐出速度が得られ、高速回転のスピンドルにおいて、安定した潤滑特性、即ち、耐焼付性の向上、トルクむら低減等を可能にすることができる。また、オイルエア、オイルミストで問題になった転動体の風切音も生じなくなる。さらに、切替弁までの配管には樹脂製耐圧チューブ等を用いることが可能になり、配管の設計自由度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る潤滑装置の原理図である。
【図２】第１の実施例に係る潤滑装置の構成図である。
【図３】図２の要部平面図である。
【図４】配管長さに対する吐出速度の関係をノズル径をパラメータにして示したグラフである。
【図５】配管長さに対する吐出量の関係をノズル径をパラメータにして示したグラフである。
【図６】粘度と吐出速度との相関関係をノズル径をパラメータにして示したグラフである。
【図７】粘度と吐出量との相関関係をノズル径をパラメータにして示したグラフである。
【図８】ポンプ圧力と吐出速度との相関関係をノズル径をパラメータにして示したグラフである。
【図９】ポンプ圧力と吐出量との相関関係をノズル径をパラメータにして示したグラフである。
【図１０】図４〜図９の測定結果から求めた流量係数とノズル径との相関関係を表すグラフである。
【図１１】第２の実施例による潤滑装置の要部平面図である。
【図１２】第２の実施例による潤滑装置の変形例を示した要部平面図である。
【図１３】本発明に係る潤滑装置を実際のスピンドルに適用した第３の実施例の断面図である。
【図１４】第４の実施例による潤滑装置の構成図である。
【図１５】第４の実施例に用いられる切替弁の要部平面図である。
【図１６】第５の実施例による潤滑装置の構成図である。
【図１７】切替弁の固定部材及び回転部材を示す図である。
【図１８】コントローラがモータに出力する速度指令を示す図である。
【図１９】第５の実施例における回転試験結果（温度記録チャート）を示す図である。
【図２０】オイルエア潤滑法と第５の実施例の潤滑法とによる主軸装置からの騒音を測定した結果を示す図である。
【符号の説明】
１潤滑装置
３ポンプ
５ポンプ側配管（油配管）
７切替弁
９ノズル側配管（油配管）
１１軸受
１３ノズル
２１固定摺接面
２３固定部材
２５移動摺接面
２７軸線
２９回転部材
３１吐出孔
３３送油孔
３５円弧状スリット
３６スリット
３７モータ
４１圧力スイッチ
４３コントローラ
５５スライド部材
１０７ロータ
１０３ステータ

Claims

複数のノズルから微量の潤滑油を各軸受内部に直接噴射する潤滑装置であって、
前記各ノズルからの吐出油容量より大きい吐出油容量を有するポンプと、
該ポンプと前記各ノズルとを接続する油配管と、
該油配管のポンプ側配管と複数のノズル側配管との間に介装され、前記ポンプ側配管内の潤滑油を前記各ノズル側配管に供給するように前記油配管を遮断又は開放することで、前記各ノズルからの潤滑油の噴射と該噴射の停止を行う切替弁と、
を具備し、
前記切替弁は、固定摺接面を有する固定部材と、前記固定摺接面に密接する移動摺接面を有し、前記固定摺接面に垂直な軸線を中心に前記固定部材に対して摺動回転する回転部材と、を備え、
前記固定部材の固定摺接面には、前記軸線位置に穿設され、前記ポンプ側配管が接続される吐出孔と、前記軸線を中心とした円周上に穿設され、前記ポンプ側配管の周囲に配置される前記各ノズル側配管がそれぞれ接続される複数の送油孔と、が開口し、
前記回転部材の移動摺接面には、前記吐出孔と複数の送油孔とを連通可能なスリットが形成されており、
前記切替弁は、前記回転部材の摺動回転時において、前記吐出孔と前記送油孔が前記スリットを介して連通したときにのみ、前記油配管を開放する構成であり、
前記回転部材は、モータの駆動によって１回転し、該モータを所定の回転速度まで加速させた後、該所定の回転速度を維持している間に、前記吐出孔が前記スリットを介して前記各送油孔と順に連通することで、前記固定部材に接続された前記ポンプ側配管内の潤滑油が前記固定部材に接続された前記各ノズル側配管に順に供給され、
前記回転部材は、前記切替弁の開放時間が０．１〜５０ｍｓとなるように前記固定部材に対して摺動回転させ、前記油配管の開放によって前記ポンプの圧力が前記ノズルに加わり、１ショットの吐出油量が０．０００１〜０．０１ｍｌで前記潤滑油が前記軸受内部に噴射されることを特徴とする潤滑装置。