JP4993457B2

JP4993457B2 - 主軸装置

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Publication number: JP4993457B2
Application number: JP2006322944A
Authority: JP
Inventors: 太小杉
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2006-11-30
Filing date: 2006-11-30
Publication date: 2012-08-08
Anticipated expiration: 2026-11-30
Also published as: JP2008137086A

Description

この発明は、たとえば工作機械主軸リア側円筒ころ軸受の内輪とノズル間座との接触不具合を防止する主軸装置に関する。

軸受の温度上昇を抑える構造として、多量の油を軸受内に噴射し、軸受の潤滑と冷却を同時に行うジェット潤滑がある。ジェット潤滑により発熱を低減し、かつ軸受内部に入る潤滑油量を制限することにより、油による攪拌抵抗を小さくした新しいジェット潤滑構造も提案されている（例えば、特許文献１）。

上記新しいジェット潤滑構造を円筒ころ軸受に適用する場合、主軸の回転中の熱膨張による軸方向の伸びにより、上記円筒ころ軸受の外輪と内輪の軸方向位置にずれが生じる。この円筒ころ軸受は、主軸の熱膨張による伸びを許容させる側の支持に用いられており、玉軸受に比べて、工作機械主軸（単に、「主軸」という）の熱膨張による軸方向伸びによる内輪と外輪の軸方向位置の変化が大きい。

特開２００５−１８０７０３号公報

図５〜図７と共に、特許文献１等の新ジェット潤滑構造を円筒ころ軸受に応用したスピンドル装置の場合の課題を説明する。
ノズル間座が内輪移動側に隣接して位置している場合、主軸５０の軸方向伸びにより内輪が軸方向に大きく移動すると、内輪５１とノズル間座５２とが回転時に接触し不具合を生じる。そのため、内輪５１とノズル間座５２との間の隙間δは、予め主軸５０の伸びを予想し、さらに余裕を持たせた隙間設定とする必要がある。ただし、隙間δをあまり大きく設定すると、軸受内部への潤滑油の流入も多くなってしまい、低動力損失を狙った軸受が、多量の潤滑油流入による攪拌抵抗増大により、本来の機能を果たせなくなる場合がある。そのため、隙間δの余裕はできるだけ抑えなければならない（つまり隙間δをあまり大きく設定できない）。

主軸５０が特に異常もなく運転されていればよいが、たとえば主軸５０を回転させるモータの異常発熱が生じた場合に、主軸５０もその発熱の影響により軸方向（図４矢符ｙで表記）に予想以上に伸びることになる。その場合に、内輪５１とノズル間座５２とが接触して焼き付き不具合が生じてしまう。

本発明の目的は、主軸の軸方向の伸びによる内輪の斜面部と、ノズル間座の突起部との接触不具合を未然に回避することができる主軸装置を提供することである。

この発明の主軸装置は、主軸と、ハウジングに設置されて上記主軸を回転可能に支持する転がり軸受と、この転がり軸受に隣接して上記ハウジングに設置され上記転がり軸受の内輪の外径面に設けられた斜面部に潤滑油通過用の隙間を介して対面する突起部およびこの突起部の内径側で上記内輪に対し潤滑油を吐出するノズルを有するノズル間座と、このノズル間座の近傍で上記主軸に設けられた被検出部材と、上記ハウジングに設置され上記被検出部材の主軸軸方向の変位を検出する検出手段とを備えることを特徴とする。

この構成によると、転がり軸受はハウジングに設置されて主軸を回転可能に支持する。ノズル間座は突起部およびノズルを有する。突起部は、転がり軸受の内輪の外径面に設けられた斜面部に潤滑油通過用の隙間を介して対面し、ノズルは、突起部の内径側で内輪に対し潤滑油を吐出する。被検出部材は、ノズル間座の近傍で主軸に設けられる。検出手段は、被検出部材の主軸軸方向の変位を検出するので、主軸の異常発熱等に起因する主軸の軸方向の伸びによる内輪の斜面部と、ノズル間座の突起部との接触不具合を未然に回避することができる。

この発明において、上記検出手段は非接触センサであり、上記被検出部材は、主軸の軸方向に垂直な基準面が設けられ、上記非接触センサは、上記基準面との距離を監視するものであることが好ましい。この構成によると、検出手段は、被検出部材の軸方向に沿った面の変位を検出するのではなく、被検出部材のうち、主軸の軸方向に垂直な基準面との距離を監視する。したがって被検出部材の主軸軸方向の変位を確実にかつ正確に検出することができる。

上記転がり軸受として、ハウジングに対して主軸を軸方向移動不能に支持する固定側軸受と、軸方向移動可能に支持する自由側軸受とを主軸軸方向に離して設け、上記自由側軸受は、上記内輪の上記斜面部が軌道面に対して上記固定側軸受の配置側とは反対側である主軸自由側にあり、かつ上記自由側軸受に隣接するノズル間座は上記主軸自由側に隣接し、上記被検出部材は、上記自由側軸受に隣接するノズル間座よりも上記主軸自由側に配置した。主軸の異常発熱等に起因して、主軸が軸方向に伸びると、主軸を軸方向移動可能に支持する自由側軸受の内輪の斜面部と、ノズル間座の突起部との間の隙間が変化するとともに、被検出部材が主軸軸方向に変化する。したがって被検出部材の主軸軸方向の変位を検出することで、内輪の斜面部と、ノズル間座の突起部との接触不具合を未然に回避することができる。

この発明において、上記主軸は工作機械主軸であり、検出手段によって検出される被検出部材の変位が、斜面部とノズル間座との間で予め設定される主軸軸方向の隙間設定量に近似するか否かを判定し、該隙間設定量に近似するとの判定で回転中の工作機械主軸の回転を停止させる制御手段を備えることが好ましい。上記隙間設定量に近似するか否かの判定は、例えば、上記隙間設定量に対応して定めた設定値に、検出された変位が達すると近似したと判定するようにする。この構成によると、制御手段は、主軸の回転中、常に、検出される被検出部材の変位が、予め設定される主軸軸方向の隙間設定量に近似するか否かを判定し得る。制御手段は、該隙間設定量に近似するとの判定で回転中の工作機械主軸の回転を停止させるように制御するので、内輪の斜面部と、ノズル間座の突起部との接触を確実に防止できる。

この発明の主軸装置によると、被検出部材は、上記自由側軸受に隣接するノズル間座よりも上記主軸自由側に配置し、検出手段は、被検出部材の主軸軸方向の変位を検出するので、主軸の異常発熱等に起因する主軸軸方向の伸びによる内輪の斜面部と、ノズル間座の突起部との接触不具合を未然に回避することができる。よって、内輪の斜面部とノズル間座の突起部とが、不所望に接触して焼き付くことを防止することができる。したがって、転がり軸受、ノズル間座等を交換する費用、工数の低減を図ることが可能となる。

この発明の第１の実施形態を図１ないし図４と共に説明する。図１は、本発明の第一の実施形態に係る主軸装置の断面図であり、図２は、同主軸装置を備えたスピンドル装置の一例を示す。このスピンドル装置は工作機械に応用されるものであり、主軸１のフロント側端部である一端部に工具ＴＬまたはワークのチャックが取付けられている。主軸１は、固定側軸受となるアンギュラ玉軸受２，２と、自由側軸受となる円筒ころ軸受３とで、フロント側部分およびリア側部分が回転可能に支持されている。

固定側軸受は、ハウジング４に対して主軸１を軸方向移動不能に支持する転がり軸受であり、２個のアンギュラ玉軸受２，２が背面組合わせで配置されている。各アンギュラ玉軸受２の内輪５は主軸１の外径面に嵌合し、外輪６はハウジング４の内径面４ａに嵌合している。一方のアンギュラ玉軸受２の内輪５に、内輪間座７を介して、他方のアンギュラ玉軸受２の内輪５が並べられている。他方のアンギュラ玉軸受２の外輪６の軸方向一端部（一側面）は、ハウジング４の軸方向を向く段面４ｂに当接され、一方のアンギュラ玉軸受２の内輪５の軸方向一端部は、主軸１の一端部に形成されて軸方向を向く段面８に当接される。主軸１には、他方のアンギュラ玉軸受２の内輪５に当接させて、これらアンギュラ玉軸受２，２を固定する軸受固定ナット９が螺着されている。

一方のアンギュラ玉軸受２の軸方向一端側に隣接する第１ノズル間座１０Ａが、ハウジング４に設置されている。この第１ノズル間座１０Ａは、突起部１０ａ（「鍔状突起」ともいう）と、ノズル１０ｂとを有する。突起部１０ａは、一方のアンギュラ玉軸受２の内輪５の外径面に設けられた斜面部に、潤滑油通過用の隙間を介して対面する。ノズル１０ｂは、突起部１０ａの内径側で前記内輪５に対し潤滑油を吐出するように構成されている。他方のアンギュラ玉軸受２の軸方向他端側に隣接する第２ノズル間座１０Ｂが、ハウジング４に設置され、この第２ノズル間座１０Ｂも突起部１０ａとノズル１０ｂとを有する。前記突起部１０ａは、他方のアンギュラ玉軸受２の内輪５の外径面に設けられた斜面部に、潤滑油通過用の隙間を介して対面する。前記ノズル１０ｂは、前記突起部１０ａの内径側で前記内輪５に対し潤滑油を吐出するように構成されている。

自由側軸受は、ハウジング４に対して主軸１を軸方向移動可能に支持する自由側軸受であり、前記のように円筒ころ軸受３からなる。円筒ころ軸受３の内輪１１は主軸１の外径面に嵌合し、外輪１２はハウジング４の内径面に嵌合している。この外輪１２の軸方向一端部（一側面）は、ハウジング４のフランジ部４ｃに当接され、前記内輪１１の軸方向一端部は、主軸１の段部１３（軸受固定ナットでもよい）に当接されている。

円筒ころ軸受３の外輪１２の軸方向他端側に隣接するノズル間座１４が、ハウジング４に締り嵌め状態に設置されている。このノズル間座１４は、突起部１５（「鍔状突起」ともいう）と、ノズル１６とを有する。円筒ころ軸受３の内輪１１の外径面に、該内輪１１の軌道面側に近づくに従って大径となる斜面部１１ａが設けられている。突起部１５は、この斜面部１１ａに、潤滑油通過用の隙間δ１を介して対面する。ノズル１６は、突起部１５の内径側で前記内輪１１に対し潤滑油を吐出する。内輪１１にノズル１６に対向する円周溝１１ｂが設けられている。

この円周溝１１ｂは、内輪間座１７に臨む内輪１１の端面から斜面部１１ａにわたって形成される。ノズル１６は、前記円周溝１１ｂに潤滑油を吐出するものであり、かつその吐出口が軸心側に向く傾斜角度とされている。本実施形態では、ノズル１６の傾斜角度に合わせて、内輪１１の円周溝１１ｂも傾斜させてあるが、円周溝１１ｂは内輪１１の端面に対して垂直な溝としても良い。ノズル間座１４には、該ノズル間座１４の外径面から内径側に向けて延び、前記ノズル１６に連通する給油路１８が形成されている。

ノズル間座１４のうち、突起部１５およびノズル１６は、このノズル間座１４の円周方向の等配位置に複数個（たとえば３個）が分配して設けられている。ただし、これら突起部１５およびノズル１６の配設位置は、円周方向の等配位置に限定されるものではなく、配設個数も３個に限定されるものではない。また、突起部１５は、内輪１１の外周の全周に連続したものであってもよい。ノズル間座１４は、環状本体１４ａと、この環状本体１４ａの円周方向の等配位置で内径側に突出した複数のノズル形成突部１４ｂとを有する。各ノズル形成突部１４ｂに、突起部１５およびノズル１６が設けられている。ノズル間座１４の円周方向のたとえば１ヶ所には、円筒ころ軸受３の内部に供給された潤滑油を外部に排出する図示外の排油口が設けられている。

被検出部材１９および検出手段２０について説明する。
主軸１には、ノズル間座１４および内輪間座１７の近傍で被検出部材１９を外嵌している。被検出部材１９は、後述する検出手段２０によって当該被検出部材１９の主軸軸方向の変位が検出される。この被検出部材１９は、金属から成りフランジ付きの円筒形状に形成されている。被検出部材１９の軸方向一端部１９ａ（前端部）は、内輪間座１７の端面に当接され、被検出部材１９の軸方向他端部１９ｂ（後端部）は、規制されず後方に臨む自由端となっている。被検出部材１９の軸方向中間付近部に、その外周面から半径方向外方に向かうフランジ１９ｃが付設されている。前記半径方向とは、主軸軸方向に垂直な方向と同義である。

被検出部材１９において、後方に臨むフランジ１９ｃの軸方向一端面部は、主軸１の軸方向に垂直な基準面１９ｄをなす。この基準面１９ｄとの距離ｄ１を検出手段２０で常時監視するようになっている。検出手段２０は、ハウジング４に固着されるセンサ取付部材２１の内径に設けられる。この検出手段２０は、たとえば変位センサ等の非接触センサ（変位センサに限定されない）であり、フランジ１９ｃの基準面１９ｄに対し非接触状態で設置される。非接触センサ２０は、センサ取付け部材２１に対し、たとえば主軸軸方向に位置調整可能に設けられる。本実施形態では、被検出部材１９を内輪間座１７と別体に設けているが、被検出部材１９と内輪間座１７とを一体に設けても良い。

制御手段２２等について説明する。
制御手段２２は、この主軸装置を装備した工作機械を制御するコンピュータ式の数値制御装置やプログラマブルコントローラからなる制御装置（図示せず）の一部として設けられ、または工作機械の制御装置とは独立したコンピュータ式のものとされる。制御手段２２は、この主軸装置の運転中は、非接触センサ２０の検出信号を常時監視し、非接触センサ２０によって検出される被検出部材１９の変位が、斜面部１１ａとノズル間座１４との間で予め設定される主軸軸方向の隙間設定量に近似するか否かを判定する。制御手段２１は、その判定結果に基づき被検出部材１９の変位が隙間設定量に近似するとの判定で、回転中の主軸１の回転を停止させるように制御する。または制御手段２２は、回転停止している主軸１が回転することを禁止するようにインターロック制御する。このように主軸１の回転を停止する（または主軸１の回転を禁止する）プログラム２３が、制御手段２２に格納されている。制御手段２２の図示外の入出力インターフェースに、非接触センサ２０が電気的に接続されている。この入出力インターフェースに、駆動回路等を介して、主軸１を回転させるモータ部２４が電気的に接続されている。

主軸１の軸方向の伸びは、次のように求められる。すなわち固定側軸受と自由側軸受の取り付けスパンに、主軸１の温度上昇分を乗じ、さらに主軸１の線膨張係数を乗じると、主軸１の軸方向の伸びが求められる。たとえば固定側軸受と自由側軸受の取り付けスパンは、例えば固定側軸受の中心と自由側軸受の中心間距離が７００ｍｍ、主軸１の温度上昇分が４０℃、主軸１の材料である鉄の線膨張係数を１２．５×１０^−６／℃の場合、主軸１は７００×４０×１２．５×１０^−６＝０．３５ｍｍ軸方向一方に伸びる。余裕をみて隙間（すなわち距離ｄ１）の初期設定値を０．４５とした場合、非接触センサ２０での変位感知をたとえば０．４ｍｍに設定しプログラムする。このようなプログラム２３を制御手段２２に格納しておく。前記初期設定値から変位感知する値を減じた値が、被検出部材１９の主軸軸方向の変位（移動量）に相当する。軸受内輪１１とノズル間座１４との初期隙間設定量に近い（近似する）変位は、例えば、前記初期隙間設定量の何％であるかを任意に定めればよい。プログラム２３における、隙間の初期設定および変位感知する値は、それぞれ書き換え可能になっている。

以上説明した主軸装置によると、いわゆる主軸リア軸受である円筒ころ軸受３に隣接してハウジング４に設置されるノズル間座１４は、突起部１５およびノズル１６を有する。突起部１５は、円筒ころ軸受３の内輪１１の斜面部１１ａに潤滑油通過用の隙間δ１を介して対面し、ノズル１６は、突起部１５の内径側で内輪１１に対し潤滑油を吐出する。被検出部材１９は、ノズル間座１４の近傍で主軸１に外嵌される。非接触センサ２０は、被検出部材１９の主軸軸方向の変位を検出するので、主軸１の異常発熱等に起因する主軸１の軸方向の伸び（図１矢符ｙ１で表記）による内輪１１の斜面部１１ａと、ノズル間座１４の突起部１５との接触不具合を未然に回避することができる。

被検出部材１９に、その外周面から半径方向外方に向かうフランジ１９ｃであって、主軸１の軸方向に垂直な基準面をなすフランジ１９ｃが付設されている。非接触センサ２０は、被検出部材１９の軸方向に沿った面の変位を検出するのではなく、主軸１の軸方向に垂直な基準面をなすフランジ１９ｃとの距離を監視する。したがって被検出部材１９の主軸軸方向の変位を確実にかつ正確に検出することができる。それ故、内輪１１の斜面部１１ａとノズル間座１４の突起部１５とが接触する前に、主軸１の回転を確実にかつ自動的に停止させることが可能となる。

検出される被検出部材１９の変位が、斜面部１１ａとノズル間座１４との間で予め設定される主軸軸方向の隙間設定量に近似するか否かを判定し、該隙間設定量に近似するとの判定で回転中の主軸１の回転を停止させる制御手段２２を主軸装置は備えるので、次のような作用、効果を奏する。制御手段２２は、主軸１の回転中、常に、検出される被検出部材１９の変位が、予め設定される主軸軸方向の隙間設定量に近似するか否かを判定し得る。制御手段２２は、該隙間設定量に近似するとの判定で回転中の主軸１の回転を停止させるように制御するので、内輪１１の斜面部１１ａと、ノズル間座１４の突起部１５との接触を確実に防止できる。したがって両者の接触による焼き付きを防止することができる。

主軸１の回転を停止する（または主軸１の回転を禁止する）プログラムにおいて、固定側軸受と自由側軸受の取り付けスパン、主軸１の温度上昇分、主軸１の線膨張係数、および隙間の初期設定値等は書き換え可能になっている。したがって、使用条件の異なる主軸装置、サイズの異なる主軸装置等にもこのプログラム２３を容易に適用することができる。したがって、このプログラム２３の汎用性を高めることができる。

本実施形態では、主軸装置を工作機械に適用しているが、内輪の斜面部およびこれに対面する上記突起部を有する潤滑構造を適用し得るロボット、産業機械、搬送装置にも、この主軸装置を適用可能である。このような工作機械以外の装置においても、本実施形態と同様の効果を奏する。本発明の他の実施形態として、円筒ころ軸受の外輪の軸方向一端側に隣接するノズル間座を、ハウジングに設置してもよい。この場合、内輪間座も円筒ころ軸受の内輪の軸方向一端側に隣接する。さらに、この場合、被検出部材の軸方向一端部（前端部）は、円筒ころ軸受の内輪の端面に当接するように設置される。この場合であっても、ハウジングに設置される非接触センサは、主軸の軸方向の伸びに基づく、前記被検出部材の主軸軸方向の変位を検出することが可能となる。

本実施形態では、転がり軸受として円筒ころ軸受および複列のアンギュラ玉軸受を用いた例を示したが、これに限定されるものではなく、この発明は、種々の形式、列数の転がり軸受を適用可能である。固定側軸受、自由側軸受共、ノズル間座は、種々の構造のものを適用し得る。その他本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、本実施形態に種々の変更を行っても良い。

本発明の第一の実施形態に係る主軸装置の要部の断面図である。同主軸装置を備えたスピンドル装置の固定側軸受等の断面図である。同主軸装置の要部の拡大断面図である。同主軸装置を備えたスピンドル装置の断面図である。提案例に係るスピンドル構造を表す断面図である。提案例に係る標準ノズル間座付円筒ころ軸受の断面図であり、図６（ａ）は主軸の伸びがない場合の円筒ころ軸受等の断面図、図６（ｂ）は主軸がＸ伸びた場合の円筒ころ軸受等の断面図である。提案例に係る新ジェット潤滑円筒ころ軸受の断面図であり、図７（ａ）は主軸の伸びがない場合の円筒ころ軸受等の断面図、図７（ｂ）は内輪とノズル間座とが接触した状態を表す断面図である。

符号の説明

１…主軸
２…アンギュラ玉軸受
３…円筒ころ軸受
４…ハウジング
１１…内輪
１４…ノズル間座
１５…突起部
１６…ノズル
１９…被検出部材
１９ｄ…基準面
２０…検出手段
２２…制御手段

Claims

主軸と、
ハウジングに設置されて上記主軸を回転可能に支持する転がり軸受と、
この転がり軸受に隣接して上記ハウジングに設置され上記転がり軸受の内輪の外径面に設けられた斜面部に潤滑油通過用の隙間を介して対面する突起部およびこの突起部の内径側で上記内輪に対し潤滑油を吐出するノズルを有するノズル間座と、
このノズル間座の近傍で上記主軸に設けられた被検出部材と、
上記ハウジングに設置され上記被検出部材の主軸軸方向の変位を検出する検出手段と、を備え、
上記転がり軸受として、ハウジングに対して主軸を軸方向移動不能に支持する固定側軸受と、軸方向移動可能に支持する自由側軸受とを主軸軸方向に離して設け、
上記自由側軸受は、上記内輪の上記斜面部が軌道面に対して上記固定側軸受の配置側とは反対側である主軸自由側にあり、かつ上記自由側軸受に隣接するノズル間座は上記主軸自由側に隣接し、
上記被検出部材は、上記自由側軸受に隣接するノズル間座よりも上記主軸自由側に配置した、ことを特徴とする主軸装置。
請求項１において、上記検出手段は非接触センサであり、上記被検出部材は、主軸の軸方向に垂直な基準面が設けられ、上記非接触センサは、上記基準面との距離を監視するものである主軸装置。
請求項１または請求項２において、上記主軸は工作機械主軸であり、検出手段によって検出される被検出部材の変位が、斜面部とノズル間座との間で予め設定される主軸軸方向の隙間設定量に近似するか否かを判定し、該隙間設定量に近似するとの判定で回転中の工作機械主軸の回転を停止させる制御手段を、備える主軸装置。