JP4789921B2 - 潤滑剤を供給するための毛細供給管を備えた軸受要素を有する工作機械用スピンドル - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前段部分（所謂おいて部分、プリアンブル部分）に係る工作機械用のスピンドルに関する。他にも本発明は、そのようなスピンドル用の軸受要素及びそのようなスピンドルの作動方法にも関する。

先行技術として、工作機械用スピンドルの軸受要素に潤滑剤としてオイルを供給するために慣例的に行われるオイルエア潤滑が、かなり前から知られている。そのようなオイルエア潤滑では、油量が一定間隔で衝動的に供給され、その際に供給可能な油量は、一定の最小油量を下回らないようになっている。

本発明の課題は、軸受要素に潤滑剤を例え最小油量であっても均一に供給することができる工作機械用のスピンドルを提示することにある。他にも本発明は、軸受要素及びそのようなスピンドルの作動方法を提示することを課題とする。

この課題は、スピンドルに関しては請求項１の前段部分に記載の特徴と結び付けた特徴部分に記載の特徴により解決される。スピンドルの有利な実施形態は、従属請求項２〜６に説明される。軸受要素に関して、この課題は請求項７の前段部分に記載の特徴と結び付けた特徴部分に記載の特徴により解決される。方法に関して、この課題は請求項８前段部分に記載の特徴と結び付けた特徴部分に記載の特徴により解決される。

本発明に従ったスピンドルにおいては、オイルが潤滑剤として少なくとも一つの毛細供給管から少なくとも一つの軸受要素に供給されるようになっている。公知であるオイルエア潤滑とは異なり、オイルは、気流によって送られるのではなく、常時オイルで充填された毛細供給管（キャピラリチューブ又は毛細管）の内部を通り送られるために、供給量が増大する場合は遅滞なく、既存の毛細供給管により即時の応答及び要求地点、即ち夫々の毛細供給管の末端への給油が行われる。特に１０〜１００μｌ／ｈ（マイクロリットル／時間）の最小油量であっても、均一な潤滑が可能である。

毛細供給管の開口径は類型的に２／１０ｍｍ未満であるが、一般的なオイルエア潤滑方式の供給管の最小開口径は類型的に２ｍｍである。
毛細供給管は、軸受要素（例えばころ軸受、アンギュラコンタクト型ラジアル玉軸受）の内輪又は外輪のリセス（収容部、ボア）に収められ、潤滑剤は、搬送媒体としての空気を不要として、ローラ接触部に直接供給される。このため一般のオイルエア潤滑とは異なり、空気が潤滑剤を吹き飛ばして軸受を乾燥させることもない。

代替実施形態においては、オイルは、毛細供給管を通り軸受要素のほぼ直前まで導かれ、軸受要素までの最後の行程を、空気の供給により、これに毛細供給管の末端部のオイルを随伴させることによって、乗り切るようになっている。

有利な実施形態において、ポンプ要素は、例えばマイクロアニュラーギヤポンプとして、又はマイクロバルブとして（例えばピエゾアクチュエータの形式で）構成される。
別の有利な実施形態において、ポンプ要素は分配要素に接続され、そこから複数の毛細供給管が延びている。それにより、潤滑剤をスピンドルの複数の軸受要素へ確実に分割することが可能となる。

毛管の流れ抵抗は、開口径の４乗に比例する（ハーゲン・ポアズイユの法則）。毛細戻し管（パイパス）を追加することにより、ポンプから吐き出される油量は、供給毛管とバイパス毛管の流れ抵抗比で分割されるために、給油量をポンプ要素の定格体積流量の数パーセントまで下げることができる。それによりポンプユニットは、非常に有利な動作範囲で仕事をすることができる。

毛管は、給油管の一部として、又は毛管絞りとして、ポンプ要素に（例えばマイクロシステム技術で製造される蛇行管等として）組み込んで実現されるとよい。
代替実施形態においては、例えば相応に定義された漏洩流、又は定義された分割幾何形状により、バイパスの特性がポンプ特性自体により実現されるように、ポンプ要素が実施されるとよい。

バイパス内のフィルタエレメントにより、潤滑剤の純度がこのバイパス流で永久的に上昇されるようにするとよい。ポンプ要素から吐き出される油量は、一つ又は複数備えられる供給毛管の合計断面とバイパス毛管の断面の比で分割される。

更に別の有利な実施形態に従って、ポンプ要素、分配要素、及びその他の要素は、省スペースのためにスピンドルのケーシング内に組み込まれるとよい。
本発明に従った軸受要素は、ポンプ要素により潤滑剤を供給するための毛細供給管を受け入れる少なくとも一つのリセスを有している。そのような軸受要素は、既述のように構成されるスピンドル用として使用して、軸受箱及び軸受の潤滑のために潤滑剤を供給する毛細供給管を接続するために使用できるものである。

本発明に従ったスピンドルの作動方法においては、少なくとも一つの軸受要素に十分な注油をするために、センサ素子の評価を通じて、潤滑剤を時間基準で配量、及び／又は量基準で配量するようになっている。

本発明を図に示される実施例に基づき更に説明する。
図１には、スピンドル１のケーシング６に収容された軸受要素２、３、４及び５に支承されるツールシャンクを有する工作機械用のスピンドル１（加工用主軸）が略図で示されている。軸受要素２、３、４及び５の外輪７、８、９及び１０は、図に拡大して図式的に示されている、例えばそれ自体としては公知であるキャピラリチューブとして構成される毛細供給管１５、１６、１７及び１８を受け入れるリセス１１、１２、１３及び１４（ボア）を有している。

図には、分配器１９を介在してポンプ要素２０に接続される計四つの毛細供給管１５、１６、１７及び１８が示されている。分配器１９は他にも、毛管絞り４２、４３、４４及び４５を有すると共に、更に別の毛管路２１、即ちバイパスを有しているとよく、この毛管路２１も毛管絞り４６を有しているとよい。夫々の毛管絞りは、個別に調節可能であるとよく、個々の毛細供給管及びバイパスに吐き出される質量流量を絞るために利用されるものである。

ポンプ要素２０は、潤滑剤、例えばオイルをリザーバ２２から吸い込み、吸い込んだ潤滑剤を四つの毛管１５、１６、１７及び１８に供給する。潤滑剤の一部は更に別の毛管路２１に通して導かれ、場合により濾過されてリザーバ２２に還流される。

図２には、軸受要素２３及び２４を図１に示されるスピンドル１のケーシング６内に直接隣接させて配置する可能性が示されている。これらの軸受要素２３及び２４の外輪２５及び２６は、図式的に示される毛管路２９及び３０を受け入れるためのリセス２７及び２８を有している。

図３には、更に別の実施形態として、スピンドル１のケース６内に互いから離して収容されている軸受要素３１及び３２が示されている。これらの軸受要素３１及び３２の間には分配要素３３が配置されており、毛細供給管３４及び３５はその内部へと取り廻されている。これらの毛細供給管３４及び３５は、終点３６及び３７で終わっており、連通路３８及び３９により夫々の軸受要素３１及び３２の側部に導通されている。ボア４０から空気の供給が行われ、毛細供給管３４及び３５の末端領域３６及び３７のオイルはこれに捕捉されて連通路３８及び３９を通り軸受要素３１及び３２に供給される。

図４は、潤滑剤を要求に応じて配量するための制御系統の説明図が示される。運転中のスピンドル１の運転パラメータ（例えば回転数、モータ温度、クーラント温度、軸受温度）がセンサにより検出され、それ自体としては公知である関係から、存在する軸受要素の潤滑膜の厚さが推定されるとよい。この時に限界値を下回る場合に、配量要素から潤滑調整器に増量された潤滑剤が供給されるようにするとよく、それによりスピンドル軸受は、追加潤滑膜を受け取り十分な潤滑状態に保持されるようになる。

潤滑量の配量及びそれに伴うポンプ要素の活動度の変更は、例えば次の戦略に基づいて行われるようにするとよい。
‐機械の電源オン時間の間中、スピンドルの種類、軸受の仕様等に従属した固定値を使用（従来の潤滑方法に匹敵）、又は、
‐例えば油量＝ｆ（スピンドル回転数）等の特性マップに基づく開ループ制御、又は、
‐軸受で直接測定した潤滑膜厚さに基づく閉ループ制御（使用できる信頼性の高い測定方法が現在は未だない）
‐簡単に測定可能な量（軸受温度等）を用いた潤滑膜厚さの推定値に基づく閉ループ制御

上記の戦略はいずれも、単独で適用されても組み合わせて適用されてもかまわない。
被制御量として潤滑膜厚さの推定値が、調整量として潤滑剤の量が使用されるとよい。

潤滑剤供給用の毛細供給管が備えられたスピンドルの全体を示す略図である。 図１に示すスピンドルの軸受要素の第１実施形態である。 図１に示すスピンドルの軸受要素の別の実施形態である。 潤滑剤を要求に応じて配量するための調整回路である。

符号の説明

１ スピンドル
２、３、４、５ 軸受要素
７、８、９、１０ 外輪
１１、１２、１３、１４ リセス
１５、１６、１７、１８ 毛細供給管
１９ 分配器
２０ ポンプ要素
２１ 毛細供給管
２２ リザーバ
２３、２４ 軸受要素
２５、２６ 外輪
２７、２８ リセス
２９、３０ 毛細供給管
３１、３２ 軸受要素
３３ 分配要素
３４、３５ 毛細供給管
３６、３７ 終点
３８、３９ 連通路
４０ ボア
４１ 軸
４２、４３、４４、４５、４６ 絞り

Claims (8)

1. 工作機械用のスピンドル、特に、電動モータを収容するケーシングと、前記電動モータにより駆動可能で複数の軸受要素に支承されたツールシャンク、特に被加工物の加工ツール用のツールホルダを備えたツールシャンクとを有する原動機スピンドルにして、
   少なくとも一つの軸受要素（２、３、４、５）が、ポンプ要素（２０）により潤滑剤を供給するために毛細供給管（１５、１６、１７、１８）を有する、スピンドルにおいて、
   毛細供給管（１５、１６、１７、１８）から出る潤滑剤を捕捉する空気を供給するためのボア（４０）が備えられることを特徴とする、スピンドル。
2. 請求項１に記載のスピンドルにおいて、前記軸受要素（２、３、４、５）が、前記毛細供給管（１５、１６、１７、１８）を受け入れるために、外輪又は内輪にリセス（１１、１２、１３、１４）を有することを特徴とする、スピンドル。
3. 請求項１又は２に記載のスピンドルにおいて、分配要素（１９）を介して前記ポンプ要素（２０）に接続されている複数の毛細供給管（１５、１６、１７、１８）が備えられることを特徴とする、スピンドル。
4. 請求項３に記載のスピンドルにおいて、前記分配要素（１９）が更に別の毛管路（２１）をバイパスとして有することを特徴とする、スピンドル。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のスピンドルにおいて、前記スピンドル（１）が、夫々毛細供給管（１５、１６、１７、１８）を備えて隣接配置される二つの軸受要素（２、３、４、５）を有することを特徴とする、スピンドル。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のスピンドルにおいて、前記スピンドル（１）が、毛細供給管（１５、１６、１７、１８）を備えて互いに間隔をおき近接配置される二つの軸受要素（２、３、４、５）を有することを特徴とする、スピンドル。
7. スピンドル用、特に請求項１〜６のいずれか一項に記載のスピンドル用の軸受要素において、
   前記軸受要素（２、３、４、５）が、ポンプ要素（２０）により潤滑剤を供給するための毛細供給管（１５、１６、１７、１８）を受け入れる少なくとも一つのリセス（１１、１２、１３、１４）を有することを特徴とする、軸受。
8. スピンドル、特に請求項１〜６のいずれか一項に記載のスピンドルの作動方法において、
   少なくとも一つの軸受要素に十分な注油をするために、制御系統により潤滑剤を時間基準で配量、及び／又は量基準で配量することを特徴とする、方法。

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