JP5251595B2

JP5251595B2 - 軸受固定用ナット、その締結構造及びその締結方法、並びにそれを用いた工作機械用主軸装置

Info

Publication number: JP5251595B2
Application number: JP2009043730A
Authority: JP
Inventors: 好史稲垣; 修岩崎
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2009-02-26
Filing date: 2009-02-26
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2029-02-26
Also published as: JP2010196833A

Description

本発明は、軸受固定用ナット、その締結構造及びその締結方法、並びにそれを用いた工作機械用主軸装置に関する。

工作機械用主軸装置では、工具が装着される回転軸が軸受を介してハウジングに支承され、回転軸は駆動源によって高速回転する。高速運転する主軸装置としては、種々考案されており（例えば、特許文献１及び２参照。）、最近では、ｄｍ・Ｎ値が２００万以上、さらには３００万以上でも使用されている。

例えば、回転軸を支承する軸受を軸に固定するためのナットとして、図８や図９に示すようなものが使用されている。図８に示すナット１００では、その外周面に締付レンチを係止するための切り欠き１０１が形成されている。また、図９に示すナット１１０では、その軸方向側面に締付レンチを係止するための穴１１１が形成されている。

特開平６−３４６９２４号公報特開２００３−２６６２０５号公報

ところで、図８及び図９に示すナット１００，１１０では、切り欠き１０１の角Ｒ部や穴１１１の表面周辺や底部等で生じる応力集中部が起点となり、低速運転から高速運転の繰り返し時に遠心力荷重による材料疲労破壊や高速運転時に常時負荷される遠心力から生じる材料遅れ破壊等によって、材料破壊の可能性がある。高速運転中でのナットの損傷は、安全性も含め、高速スピンドルにおいては致命的な欠陥となりうる為、確実な対応が必要となる。

また、高速運転時に切り欠き部や穴口元部で空気を掻き取るため、非常に高周波の風切り音による騒音が大きいという問題があった。特許文献１及び２に記載の高速スピンドルは、軸受を固定するナットの具体構成について何ら考慮していない。
また、図８（ｃ）及び図９（ｃ）のように、締付け治具１０２，１１２によりナット１００，１１０の締付を行う場合、締付け力により、切り欠き１０１の角Ｒ部や穴１１１が変形あるいはバリやかえりが生じてしまい、アンバランスの変化を発生させる場合がある。さらに、図９（ｄ）のように、締付け時に穴１１１に挿入したピン１１３が締付け力により破損することがある。

本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ナットに締付け治具が係止される構造を持ちながら、高速運転時に遠心力による応力集中を抑えることができ、また、高速運転時の風切り音による騒音を低下することができる軸受固定用ナット、その締結構造及びその締結方法、並びにそれを用いた工作機械用主軸装置を提供することにある。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１）ｄｍ・Ｎ値が２００万以上の工作機械の主軸装置に使用される軸受固定用ナットを軸に締結する軸受固定用ナットの締結構造であって、
前記軸受固定用ナットは、外径面に少なくとも二面以上の平面部が形成され、且つ、前記外径面の前記平面部を除いた部分が円弧形状であり、
複数の前記軸受固定用ナットを前記軸に並んで締結することを特徴とする軸受固定用ナットの締結構造。
（２）（１）記載の軸受固定用ナットの締結構造を得るための前記軸受固定用ナットの締結方法であって、
前記ナットの周囲に締付け治具の係止部を配置した状態で、前記係止部に設けられたボルトを外側から締め付けて前記平面部を押さえつけることで、前記締付け治具をナットに固定することを特徴とする軸受固定用ナットの締結方法。
（３）回転軸がハウジングに対して軸受を介して回転自在に支持される工作機械用主軸装置であって、
前記軸受の内輪が、（１）記載の軸受固定用ナットの締結構造によって、前記回転軸に固定されることを特徴とする工作機械用主軸装置。

本発明によれば、ナットの外径面には、少なくとも二面以上の平面部が形成されているので、ナットに締付け治具が係止される構造を持ちながら、高速運転時に遠心力による応力集中を抑えることができ、また、高速運転時の風切り音による騒音を低下することができ、締付け時のナットの変形が少なく、アンバランスの変化が低減できる。

また、上記のような軸受固定用ナットは、高速運転する工作機械用主軸装置において有効なものとなる。
なお、ナットの材料は、一般的には、機械構造用炭素鋼やクロムモリブデン鋼を用いるが、非常に高速回転で遠心力がさらに大きくなる時は、必要に応じてマルエージング鋼等の高強度鋼を使用することが望ましい。

本発明の軸受固定用ナットが適用される第１実施形態の工作機械用主軸装置の部分断面図である。（ａ）は、図１のナットの平面図であり、（ｂ）は、その側面図である。図１のナットを締付レンチに係止した状態を示す図である。（ａ）は、ナットの変形例を示す平面図であり、（ｂ）は、ナットの他の変形例を示す平面図である。本発明の軸受固定用ナットが適用される第２実施形態の工作機械用主軸装置の部分断面図である。図１のナットを他の締付レンチに係止した状態を示す図である。図１のナットをさらに他の締付レンチに係止した状態を示す図である。（ａ）は、従来のナットの平面図であり、（ｂ）はその断面図であり、（ｃ）は締付レンチを示す平面図である。（ａ）は、従来の他のナットの平面図であり、（ｂ）はその断面図であり、（ｃ）は締付レンチを示す平面図であり、（ｄ）は（ｃ）の側面図である。

以下、本発明の各実施形態に係る、軸受固定用ナット、その締結構造及び締結方法、並びに、それを用いた工作機械用主軸装置について図面に基づいて詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の軸受固定用ナットが適用された第１実施形態の工作機械用主軸装置の工具側を部分的に示している。この主軸装置１０では、その軸方向中心部には、工具（図示せず）を取り付け可能な中空状の回転軸１２が設けられている。この回転軸１２は、その工具側を支承する２列の前側軸受６０，７０と、反工具側を支承する後側軸受（図示せず）とによって、ハウジング２０に回転自在に支持されている。

前側軸受６０，７０は、外輪６１，７１と、内輪６２，７２と、接触角を持って配置される転動体としての玉６３，７３と、玉６３，７３を略等間隔で保持する外輪案内の保持器６４，７４と、をそれぞれ有するアンギュラ玉軸受である。

前側軸受６０，７０の外輪６１，７１は外筒２１に締結固定された前側ハウジング２２に内嵌されており、且つ前側ハウジング２２にボルト締結された前蓋２３によって複数の外輪間座４０を介して前側ハウジング２２に対し軸方向に固定されている。なお、外筒２１及び前側ハウジング２２は、ハウジング２０を構成する。

また、前側軸受６０，７０の内輪６２，７２は、回転軸１２に外嵌されており、複数の内輪間座４１を介して回転軸１２の段差部１２ａに突き当てられ、且つ、回転軸１２に締結されるナット５１によって回転軸１２に対し軸方向に固定されている。
なお、図１中、符号２２ａは、供給される冷却油によって主軸装置１０の各構成部品を冷却するための冷却溝である。また、回転軸１２は、モータ等の駆動源（図示せず）によって直接、或いは伝達部材を介して回転する。

ここで、図２に示すように、ナット５１の外周面には、少なくとも二面以上（本実施形態では、４面）の平面部５１ａが形成されており、残りの部分は円弧形状となる。各平面部５１ａは、応力集中防止や風切り音防止のため、ナット５１の外径が４０ｍｍ以上、１００ｍｍ以下では、ナット５１の外径から３ｍｍ以内の領域に形成されることが望ましい。また、ナット５１の外径が１００ｍｍを越える場合には、ナット５１の外径をφＤ、外径からの平面部５１ａまでの最大距離をΔＬとすると、ΔＬ／Ｄ＜０．０３となるように設定することが望ましい。また、ナット５１のアンバランスを小さくするため、平面部５１ａが偶数箇所に設けられる場合、それぞれ相対する二面同士が平行（円周方向で等配）であってもよいし、奇数箇所に設けられる場合、円周方向で等配とすることが望ましい。また、平面部５１ａは、法線方向に対して９０°でなくてもよく、偶数箇所の場合、相対する平面部５１ａ同士が平行であればよい。また、奇数箇所の場合も同様であるが、平面部５１ａの角度が同一であることが、締付け治具の取扱い上から好ましい。

このような４面の平面部５１ａが形成されたナット５１は、図３に示すような締付け治具としての締付レンチ４２によって係止された状態で、回転軸１２に締結される。この場合、締付レンチ４２は、隣り合う２面の平面部５１ａに対応する２つの支持面４３ａ，４３ｂを備えるＬ字部分４３ｃを有するグリップ側部材４３と、残りの隣り合う２面の平面部５１ａに対応する２つの支持面４４ａ，４４ｂを備えるＬ字部材４４とを備え、Ｌ字部分４３ｃとＬ字部材４４の両端同士をボルト４５，４６によって締め付けることで構成される。

また、Ｌ字部分４３ｃには、支持面４３ａから延出してナット５１の平面部５１ａと当接可能なボルト４７が螺合しており、また、Ｌ字部材４４には、各支持面４４ａ，４４ｂから延出してナット５１の２つの平面部５１ａ，５１ａと当接可能なボルト４８，４９が螺合している。このため、本実施形態では、Ｌ字部分４３ｃとＬ字部材４４が、締付け治具の係止部を構成する。

従って、ナット５１の周囲に締付レンチ４２のＬ字部分４３ｃとＬ字部材４４を配置した状態で、ボルト４５，４６を締め付ける。Ｌ字部分４３ｃの支持面４３ａとＬ字部材４４の支持面４４ａとの間、及びＬ字部分４３ｃの支持面４３ｂとＬ字部材４４の支持面４４ｂとの間の距離が、相対する平面部５１ａ，５１ａ間の距離より大きい場合には、ボルト４５，４６の締め付けによって、各支持面４３ａ，４３ｂ，４４ａ，４４ｂが各平面部５１ａを押さえつけ、締付レンチ４２がナット５１に固定される。

また、Ｌ字部分４３ｃの支持面４３ａとＬ字部材４４の支持面４４ａとの間、及びＬ字部分４３ｃの支持面４３ｂとＬ字部材４４の支持面４４ｂとの間の距離が、相対する平面部５１ａ，５１ａ間の距離より小さい場合には、ボルト４７，４８，４９の締め付けによって、支持面４３ｂとボルト４７，４８，４９の先端面が各平面部５１ａを押さえつけ、締付レンチ４２がナット５１に固定される。

従って、外径面に平面部５１ａが形成されるナット５１を用いることで、ナット５１に締付レンチ４２が係止される構造を持ちながら、高速運転時に遠心力による応力集中を抑えることができ、また、高速運転時の風切り音による騒音を低下することができる。特に、該ナット５１は、例えば、ｄｍ・Ｎ値が２００万以上（さらには、３００万以上）である高速運転で使用される工作機械用主軸装置１０において有効なものとなる。

また、ナット５１の周囲に締付レンチ４２のＬ字部分４３ｃとＬ字部材４４を配置した状態で、ボルト４５，４６或いはボルト４７，４８，４９を外側から締め付けて平面部５１ａを押さえつけることで、締付レンチ４２をナット５１に固定する。これにより、様々なサイズのナット５１を単一の締付レンチ４２を用いて高い拘束力で係止することができる。
また、締付け力が平面部５１ａに均等に加わるため、従来のナットに対してナット５１の変形及びバリやかえりが発生しにくくなる。

なお、ナット５１は、少なくとも二面以上の平面部５１ａが形成されればよく、図４（ａ）に示すような二面の平面部５１ａを有する二面幅形状であってもよいし、図４（ｂ）に示すような八面の平面部５１ａを有する八面幅形状であってもよい。

（第２実施形態）
図５は、本発明の軸受固定用ナットが適用された第２実施形態の工作機械用主軸装置の工具側を部分的に示している。この主軸装置１０では、前側軸受６０，７０の内輪６２，７２は、回転軸１２に並んで締結される複数（本実施形態では、二つ）のナット５１，５２によって回転軸１２に対し軸方向に固定されている。なお、ナット５２においても、第１実施形態のナット５１と同様に、外周面に少なくとも二面以上の平面部５２ａが形成されている。

このように複数のナット５１，５２を回転軸１２に締結するようにしたので、ナット５１，５２は、これら合わせ端面５１ｂ，５２ｂの軸方向の突張り力をねじ部の結合力に付加することができる。これにより、遠心力によるナット５１，５２の半径方向膨張量が回転軸１２に対して相対的に大きくなるような高速運転時においても、ナット５１，５２のゆるみ止め機能が為される。

尚、本発明は、前述した各実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。
例えば、締付け治具である締付レンチとしては、図６や図７に示すようなものが使用されてもよい。

即ち、図６に示すような締付レンチ８０は、その環状部（係止部）８１のナット５１の四面の平面部５１ａと対向する位置に、支持面８２ａ，８３ａ，８４ａ，８５ａを構成するプレート８２，８３，８４，８５が配置されている。また、環状部８１には、各プレート８３，８４，８５を移動させて各プレート８３，８４，８５をナット５１の平面部５１ａに当接可能なボルト８６，８７，８８が螺合している。

従って、ナット５１の周囲に締付レンチ８０の環状部８１を配置した状態で、ボルト８６，８７，８８を締め付けることで、各プレート８３，８４，８５を移動させて各支持面２ａ，８３ａ，８４ａ，８５ａが各平面部５１ａを押さえつけ、締付レンチ８０がナット５１に固定される。これにより、プレート面全体でナット５１の平面部５１ａを固定することができ、より拘束力を増加することができる。

また、図７に示すような締付レンチ９０は、その環状部（係止部）９１の一部をすり割り構造として、その両端部９１ａ，９１ｂをボルト９２によって締め付ける構造としている。また、ボルト９２を締め付けることで、対向する支持面９３ａ，９３ｂによって二面の平面部５１ａを当接させ、締付レンチ９０がナット５１に固定される。これにより、他の締付レンチに比べてナット締めつけ時の操作が簡便であり、また、レンチは簡易的であり低コストが図られる。

１０主軸装置
１２回転軸
４２，８０，９０締付レンチ
５１，５２ナット（軸受固定用ナット）
５１ａ，５２ａ平面部
６０，７０前側軸受（アンギュラ玉軸受）
６１，７１外輪
６２，７２内輪

Claims

ｄｍ・Ｎ値が２００万以上の工作機械の主軸装置に使用される軸受固定用ナットを軸に締結する軸受固定用ナットの締結構造であって、
前記軸受固定用ナットは、外径面に少なくとも二面以上の平面部が形成され、且つ、前記外径面の前記平面部を除いた部分が円弧形状であり、
複数の前記軸受固定用ナットを前記軸に並んで締結することを特徴とする軸受固定用ナットの締結構造。
請求項１記載の軸受固定用ナットの締結構造を得るための前記軸受固定用ナットの締結方法であって、
前記ナットの周囲に締付け治具の係止部を配置した状態で、前記係止部に設けられたボルトを外側から締め付けて前記平面部を押さえつけることで、前記締付け治具をナットに固定することを特徴とする軸受固定用ナットの締結方法。
回転軸がハウジングに対して軸受を介して回転自在に支持される工作機械用主軸装置であって、
前記軸受の内輪が、請求項１記載の軸受固定用ナットの締結構造によって、前記回転軸に固定されることを特徴とする工作機械用主軸装置。