JP4719448B2 - 回転軸のための非接触シール構造 - Google Patents

Description

本発明は、例えば工作機械における主軸部分での非接触タイプのシール構造に関するもので、回転中、停止中にかかわらず確実なシールを実現するためのものである。

加工物に対して切削や切断の加工を行う工作機械において、摩擦熱の発生を少なくし、また発生した熱を冷却して工具の高温化による軟化を防止し、更には切粉を洗い流すために、加工物に対抗する工具刃物の加工点に向けて切削液を供給することが一般に行われている。このとき、直接切削液が主軸端面周辺に当たったり、加工物や刃物からの切削液の跳ね返り主軸端面周辺にかかり、主軸外周とフランジ内径との隙間から主軸に沿って機械内部へ切削液が浸入して、軸受の潤滑グリースや油を流し取り、軸受の破損に至ることがある。そのため、主軸外周とフランジ内径との隙間を適切にシールすることが必要とされ、各種の提案が過去に多くなされている。

主軸の回転数は例えば５０〜１５０００ｒｐｍのような低速から高速までにわたり、その都度、各加工条件に応じて選ばれるものである。そして、それぞれの回転数で切削液がかかり、最悪の場合には主軸の回転が停止している時に切削液がかかることすらあり、これら広範囲の回転数範囲にわたって満足できるシールを実現することが必要である。摩擦熱の発生防止にオイルミストを用いる場合もある。

主軸先端部のシールに関して、接触式及び非接触式のタイプが公知である。接触式のシール効果は、主軸の停止時及び低速回転時に非常に有効であり、当該タイプの利点として認識されている。しかしながら、主軸の回転速度を高めると摩擦が激しくなって発熱を伴うために、一般的に高速回転には向いていない。例えば接触式のオイルシールを用いた態様のものでは、通常、周速１０ｍ／秒（スピンドル径φ９０ｍｍとすると回転数に換算して２１２３ｒｐｍ）程度が限度である。また同じく接触式のＶリングを用いた態様のものでは、周速１５〜２０ｍ／秒（同径で３１８４〜４２４６ｒｐｍ）を越えると、主軸表面とＶリングのリップが離れて、シール効果が薄れてしまう。

一方、図３に示すラビリンスシール３０の如き従来の非接触式シール部材は、高速回転であっても非接触であるが故に発熱やシール部材の摩耗がなく優れているが、油溝３１との組み合わせ構造だけでは、主軸の停止時や低速回転時には切削液やミストの侵入が容易である。また狭い隙間と広い部分を交互に設けて半径方向に凹凸を形成する構造のためにシール内での流体の浸入経路としては単純で、高圧スルーやミストの使用時に異物の侵入が避けられない。

本出願人は、高速回転時にシール作用の優れる非接触式のシール構造であり、しかも回転停止時や低速回転時でも切削液の浸入を防ぐことができる非接触シール構造を特許文献１において提案した。このシールシング１０は、図４に示すように、軸受６の外側であって主軸４とハウジングフランジ５の間に位置する外輪３０と内輪２０とからなり、切削液の存在し得る側からシールされるべき側に向かうにしたがい先細りになるテーパーが上記両輪２０，３０の互いに対向する面４０に付けられているとともに、両輪２０，３０のそれぞれに軸方向において凹凸２１，３１が形成され、これら凹凸が互いに組み合うようになっている構造である。

特開平１０−２０５６２６号公報

しかしながら、特許文献１に開示の構造をもってしても、外部からの切削液や異物の侵入を完全に防ぎ切ることは容易でない。
エアを利用してシールを確実にする構成が知られている。エアを外部へ吹き出すことで、切削液や異物の侵入を積極的に防止するエアシール方式である。この場合、オイルシールの外側の気圧を内側より高くして潤滑油の漏れをなくすことで、シールをより確実にすることも行われている。

図５は、主軸エアシールを組み込んだ３段シール構造の一例である。図３に示した構造にエアシールを付加した構成となっている。エアを案内空間７から主軸４とハウジングフランジ５の間の狭窄部８を通って外部へ吹き出すようになっている。エアの吹き出しで大部分の異物侵入を防ぐことができる。更に、狭窄部８にテーパーを付けることでエアが内部に侵入し難くなっている。けれども１段目のエアシールのみで大部分の異物侵入を防ぐためには、上記狭窄部８の厳格な隙間調整が必要であり、組み立てに難があった。また軸径が細く、回転時に遠心力の影響によって外部から主軸内部へエアが流れることがあり、それに伴って異物が侵入する虞もあった。

そこで本発明は、高速回転時、低速回転時、回転停止時のいずれであっても回転軸周囲に均一にエアが排出してシール作用の優れたシール構造を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、回転軸と当該回転軸を取り囲むハウジングの間からエアを外部へ放出することでシール機能を果たす非接触タイプシール構造において、ハウジングの範囲内に形成されたエア案内空間から回転軸先端部とハウジングの間の狭窄部に至るエア流通路の上記狭窄部近傍に第２の狭窄部を形成するとともに、当該第２の狭窄部の前後にエア溜りポケットを形成するように構成される。

最初の狭窄部を形成する回転軸側の部分におけるハウジングに対向する面に、エアが回転軸の半径方向外側へ吹き出るように、傾斜が付けられているのが、好適である。また主軸受周辺のための別のシール構造を付加していて、当該別のシール構造につながる回転軸とハウジングの間の隙間が、上記最初の狭窄部よりも狭くなっているのも、シール用エアが回転軸に沿って内部へ侵入しないので好都合である。

本発明に係るシール構造では、２段ポケット（環状空気室）を配することになるので、エア圧が均等になり、回転軸周囲に均一にエアが排出して、軸シール構造として優れたものとなる。また従来の構造に比して、現合合わせなどの組立調整工数を削減できるようにもなった。

最初の狭窄部を形成する回転軸側の部分におけるハウジングに対向する面に、エアが回転軸の半径方向外側へ吹き出るように、傾斜を付けることで、高圧スルーの跳ね返りの直撃を防ぐことができる。また回転時、遠心力によってエアが内部から外部に向かって流れるようになる。

本発明の詳細を、図に示した実施の形態に基づいて、説明する。なお当然ながら、以下の実施形態は、本発明を具体化した一例であり、本発明の技術的範囲はこれに制約されるものではない。

図１に、本発明に係るエアシール構造１を組み込んだ主軸の先端近傍の構成を示す。図２は、エアシール構造１の拡大図である。不図示の圧縮空気源からつながりハウジングの範囲内に形成されたエア案内空間１１は、主軸４（正確に言えば、主軸４の頭部周辺に取り付けられたスリンガ部材２４）とハウジングフランジ５の間に形成された第１狭窄部１２と共にエアシール用エア流通路を構成している。

第１狭窄部１２のエア流通下流側にはエア溜り用のポケット空間１４が形成されている。このポケット空間１４の更にエア流通下流側は、エア流通路が再び狭くなって、第２狭窄部１６を形成し、その更にエア流通下流側は広がって第２ポケット空間１８を形成している。これから、第２狭窄部１６の前後にはそれぞれエア溜りポケットが形成されていることになる。エア案内空間１１を通って移動したエアは第２ポケット空間１８にいったん溜り、第２狭窄部１６を通り抜けた後、再び第１ポケット空間１４に溜まって、しかる後に第１狭窄部１２を通り抜けて外部へ吹き出すこととなる。エア供給は、主軸４の回転停止時にも行うようになっている。

第１狭窄部１２、第１ポケット空間１４、第２狭窄部１６、第２ポケット空間１８はいずれも主軸４を取り囲むように環状に形成されており、図１ｂから認識できるように、エア案内空間１１はハウジングの範囲内の一部に形成されている（図面上、エア案内空間１１は主軸４の上方のみに存在し、下方側には存在していない）。

第１狭窄部１２をハウジングフランジ５と共に形成するスリンガ部材２４は、主軸４の頭部周辺に一体的に取り付けられ、ハウジングフランジ５に対向する面は、エアが主軸４の半径方向外側へ吹き出すように、傾斜が付けられている。このような傾斜の付けられ方によって、主軸４が回転すると第１狭窄部１２は外部に近い側のほうが周速が大きくなり、また遠心力の作用によって、エアが内部から外部に向かって吹き出ることとなる。またスリンガ部材２４は、主軸端面のバランス取り穴（図示せず）を覆っており、風切り音の対策も果たしている。

本例では、エアシール構造１のほかに、油溝３とラビリンスシール２がエアシール構造より主軸内側にある。油溝３、ラビリンスシール２、エアシール構造１によって極めて優れたシール機能を奏するようになっている。油溝３の前方部分の、図２で見て左側の、主軸４とハウジングの隙間２６は第１狭窄部１２よりも狭くなっており、それによってシールエアが軸受側内部に侵入することが防がれる。

本発明に係るエアシール構造を組み込んだ主軸の先端近傍の図であり、図１ａは正面図で、図１ｂは断面図である。 本発明に係るエアシール構造の拡大説明図である。 従来公知のラビリンスシールによるシール構造の概略図である。 本願出願人が過去に提案したシール構造の概略図である。 ラビリンスシールにエアシールを加えたシール構造の概略図である。

符号の説明

１ エアシール構造
４ 主軸
５ ハウジングフランジ
１１ エア案内空間
１２ 第１狭窄部
１４，１８ エア溜まり空間
１６ 第２狭窄部

Claims (1)

1. 回転軸と当該回転軸を取り囲むハウジングの間からエアを外部へ放出することでシール機能を果たす非接触タイプのシール構造であって、上記ハウジングの範囲内に形成されたエア案内空間から回転軸先端部と上記ハウジングの間の第１の狭窄部に至るエア流通路の上記第１の狭窄部近傍に第２の狭窄部を形成するとともに、当該第２の狭窄部の前後にエア溜りポケットを形成し、
   上記第１の狭窄部、上記エア溜りポケット及び上記第２の狭窄部は上記回転軸を取り囲むように環状に形成されており、
   上記第１の狭窄部を形成する上記回転軸側の部分における上記ハウジングに対向する面に、エアが上記回転軸の半径方向外側へ吹き出るように、傾斜が付けられており、
   主軸受周辺のための別のシール構造を付加しており、当該別のシール構造につながる上記回転軸と上記ハウジングの間の隙間が、上記第１の狭窄部よりも狭くなっていることを特徴とする非接触タイプのシール構造。

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