JP5326304B2 - 工作機械用主軸装置 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械用主軸装置に関し、より詳細には、多軸制御の工作機械等に適用され、外部から潤滑油が供給される、高速回転可能な工作機械用主軸装置に関する。

例えば、５軸加工機や複合加工工作機械のような多軸制御される工作機械では、工具が取り付けられる回転軸が、水平位置と垂直位置との間、或いは、３６０度全域に亘って旋回可能な、チルトタイプの主軸装置が使用されている。

このような主軸装置では、内部に配置された軸受を潤滑する方式として、エアを利用して、外部から軸受内部に微量の潤滑油を供給するオイルエア潤滑方式やオイルミスト潤滑方式、また、潤滑油を軸受内部に間欠的に高速度で直接噴射する直接噴射方式が採用されている。

さらに、特許文献１には、潤滑油給油口より軸受に潤滑油を供給して、潤滑後の潤滑油の大部分を潤滑油排油出口から強制的に吸引するジェット潤滑スピンドルも知られている。このスピンドルは、図３に示すように、主軸１０１を支持する各軸受１０２の両側にある間座１０３に穴や溝を設け、各軸受１０２の潤滑油を外筒１０４の排油通路１０５を介して外部に強制的に排出させている。
実公平６−１１７４３号公報（第１図）

ところで、オイルエア潤滑方式やオイルミスト潤滑方式等で、潤滑油の吸引を行わない通常のオイル潤滑の主軸装置では、主軸装置の姿勢を考慮して軸受の両側にある間座に穴や溝を設けている。このため、この主軸装置をその姿勢が変化するチルトタイプに適用した場合、軸受とモータとの間に十分なシールがなく、モータの部分に潤滑油が滞留していると、主軸装置の姿勢変化により、潤滑油が軸受内部に戻る量が多くなり、潤滑油過多や攪拌抵抗によって異常発熱を生じる可能性がある。

特許文献１に記載のジェット潤滑スピンドルは、モータが内蔵される形式ではないため、モータの部分に滞留する潤滑油について考慮されておらず、また、スピンドルをチルトタイプとして適用することについても考慮していないため、上記課題を解決するものではない。

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、軸受に対する潤滑油過多や軸受の異常発熱を抑制することができるモータビルトインタイプの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）工具を取り付け可能な回転軸と、
該回転軸をハウジングに対して回転自在に支持する前側軸受及び後側軸受と、
前記前側軸受と後側軸受との間に配置され、前記回転軸に取り付けられるロータと、前記ハウジングに取り付けられるステータと、を有するモータと、
を備え、前記前側及び後側軸受がオイル潤滑される工作機械用主軸装置であって、
前記主軸装置は、その姿勢を変化することができるチルトタイプであり、
前記回転軸と前記ハウジングとの間に形成される、前記前側軸受が配置される第１の空間、前記モータが配置される第２の空間、及び、前記後側軸受が配置される第３の空間は、それぞれ非接触のラビリンスシールによって密閉されると共に、該ラビリンスシールによって互いに区画されており、
前記第１〜第３の空間を密閉する前記各ラビリンスシールを構成する固定側の部材は、その内周面に形成される円周状の溝と、該円周状の溝と連通して径方向に貫通する排油穴と、をそれぞれ備え、
前記排油穴は、排油通路に連通しており、該排油通路の一端側には、潤滑油を吸引するための負圧発生装置が接続され、
前記排油穴内の潤滑油は、前記負圧発生装置からの吸引力によって、前記排油通路を介して強制的に吸引されて、外部に排出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、回転軸とハウジングとの間に形成される、前側軸受が配置される第１の空間、モータが配置される第２の空間、及び、後側軸受が配置される第３の空間は、それぞれ非接触のラビリンスシールによって密閉されると共に、該ラビリンスシールによって互いに区画されており、また、第１〜第３の空間を密閉する各ラビリンスシールを構成する固定側の部材は、その内周面に形成される円周状の溝と、該円周状の溝と連通して径方向に貫通する排油穴と、をそれぞれ備え、排油穴は、排油通路に連通しており、該排油通路の一端側には、潤滑油を吸引するための負圧発生装置が接続され、排油穴内の潤滑油は、負圧発生装置からの吸引力によって、排油通路を介して強制的に吸引されて、外部に排出される。これにより、第１又は第３の空間と第２の空間との間のラビリンスシールを通過しようとする潤滑油を外部に排出することができ、第１又は第３の空間に溜まった潤滑油がモータが配置される第２の空間に流れるのを積極的に抑制することができる。特に、チルトタイプの主軸装置においては、この第２の空間に潤滑油が溜まったとしても、主軸装置の姿勢が変化する場合には、第２の空間に溜まった潤滑油がラビリンスシールを通過しようとする場合に外部に排出され、潤滑油が第１又は第３の空間に戻ることが積極的に抑制され、軸受空間での潤滑油過多や異常発熱を抑制することができる。なお、ラビリンスシールは、非接触であることが回転性能の面から好ましい。

以下、本発明の一実施形態に係る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。

図１は、本実施形態の工作機械用主軸装置が組み込まれる、複合加工工作機械としての門形マシニングセンタを示す。門形マシニングセンタ１では、ベッド２の上にテーブル３がＸ軸方向へ移動可能に支持されており、ベッド２の両側には一対のコラム４が立設されている。コラム４の上端にはクロスレール５が架設されており、クロスレール５には、サドル６がＹ軸方向へ移動可能に設けられる。また、サドル６には、Ｚ軸方向に昇降可能なラム７が支持されており、ラム７の下端には、本実施形態の主軸装置２０をＹ軸回り及びＺ軸回りに回転割出し駆動可能に保持する主軸ヘッド８が装着されている。

主軸ヘッド８には、主軸装置２０のブラケット２１を挟むように一対の支持アーム９が設けられており、一対の支持アーム９は、ブラケット２１の両側面に固定された図示しない一対の旋回シャフトを回転可能に支持する。これにより、主軸装置２０は、主軸ヘッド８側に設けられた図示しない駆動機構によって一対の支持アーム９に対してＹ軸回りに旋回可能であり、水平位置と垂直位置との間、或いは、３６０度全域に亘って取付姿勢を変化することができるチルトタイプを構成する。

図２に示すように、主軸装置２０は、モータビルトイン方式であり、その軸方向中心部には、中空状の回転軸２２が設けられ、回転軸２２の軸芯には、ドローバ２３が摺動自在に挿嵌されている。ドローバ２３は、工具ホルダ２４に取付けられたプルスタッド２５を、クランプボール２６を介して、皿ばね２７の力によって反工具側方向（図の右方向）に付勢しており、工具ホルダ２４は、回転軸２２のテーパ面２８と嵌合する。工具ホルダ２４には図示しない工具が取り付けられており、この結果、回転軸２２は、一端（図の左側）に工具をクランプして、工具を取り付け可能としている。

また、回転軸２２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１列の後側軸受８０とによって、ブラケット２１（図１参照。）に固定されたハウジングＨを構成する外筒２９に回転自在に支持されている。

前側軸受６０，７０と後側軸受８０間における回転軸２２の外周面には、ロータ３０が焼き嵌めされたロータスリーブ３１が外嵌されている。また、ロータ３０の周囲に配置されるステータ３２は、ステータ３２に焼き嵌めされた冷却ジャケット３３を外筒２９に内嵌することで、外筒２９に固定される。従って、回転軸２２に取り付けられるロータ３０とハウジングＨに取り付けられるステータ３２はモータＭを構成し、ステータ３２に電力を供給することでロータ３０に回転力を発生させ、回転軸２２を回転させる。

また、外筒２９と反工具側で固定されたハウジングＨを構成する後蓋３４には、工具アンクランプピストン３５を摺動自在に内嵌したハウジングＨを構成する工具アンクランプシリンダ３６が固定されている。よって、工具を交換する際には、油路３７から油圧室３８に作動油を導き、工具アンクランプピストン３５を工具側（図の左側）へ前進させることにより、ドローバ２３を工具側（図の左側）へ前進させて、工具をアンクランプする。

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、図示しない保持器と、をそれぞれ有するアンギュラ玉軸受であり、背面組み合わせとなるように配置されている。後側軸受８０は、外輪８１と、内輪８２と、転動体としての円筒ころ８３と、図示しない保持器と、を有する円筒ころ軸受である。

前側軸受６０，７０の外輪６１，７１は外筒２９に内嵌されており、且つ外筒２９にボルト締結された前側軸受外輪押え３９によってノズル付き外輪間座４０を介して外筒２９に対し軸方向に固定されている。また、前側軸受６０，７０の内輪６２，７２は、回転軸２２に外嵌されており、且つ回転軸２２に締結されたナット４１によって内輪間座５０，５１を介して回転軸２２に対し軸方向に固定されている。

後側軸受８０の外輪８１は後蓋３４に内嵌されており、且つ後蓋３４にボルト締結された後側軸受外輪押え４３によって後蓋３４に固定されている。後側軸受８０の内輪８２は、回転軸２２に形成されたテーパ面４４とテーパ嵌合されており、回転軸２２に締結された他のナット４５によって、内輪間座５２，５３，５４及び速度センサ４７の被検出部４８を介して位置決めされている。

なお、後側軸受外輪押え４３の反工具側には、被検出部４８と径方向に対向する位置に速度センサ４７の検出部４９が固定されており、回転軸２２の回転速度を検出する。また、前側軸受外輪押え３９の工具側端面には、フロントカバー５５がボルト固定されている。

ここで、図２に示すように、ハウジングＨを構成する外筒２９、後蓋３４、工具アンクランプシリンダ３６には、前側軸受６０，７０及び後側軸受８０をそれぞれ潤滑するための複数の給油通路（ハウジングＨの給油用穴）が形成されており（図２では、前側軸受６０を潤滑する給油通路９０のみ示す）、これら通路９０の一端側には、潤滑油を送り込む潤滑装置９３が図示しない配管を介してそれぞれ取り付けられている。なお、潤滑装置によって供給される潤滑方式は、オイル潤滑であればよく、オイルエア潤滑、オイルミスト潤滑、直噴潤滑等のいずれであってもよい。

例えば、オイルエア潤滑の場合、給油通路９０の他端側は、外輪間座４０に形成されたノズル４０ａと連通しており，他の給油通路の他端側も外輪間座４０に形成されたノズル４０ｂ、後側軸受外輪押え４３に形成されたノズル４３ａと連通する。これにより、潤滑装置９３によって送られた潤滑油を各軸受６０，７０，８０の側方から軸受空間内に供給する。

また、工具側から順に、前側軸受外輪押え３９と回転軸２２間、外筒２９と内輪間座５１間、後蓋３４と内輪間座５２間、及び、後側軸受外輪押え４３と内輪間座５３間には、非接触のラビリンスシールＡ１〜Ａ４が形成されている。

このため、回転軸２２とハウジングＨとの間で、前側軸受６０，７０が配置される第１の空間Ｓ１は、前側軸受外輪押え３９と回転軸２２間のラビリンスシールＡ１と、外筒２９と内輪間座５１間のラビリンスシールＡ２によって密閉される。また、回転軸２２とハウジングＨとの間で、モータＭが配置される第２の空間Ｓ２は、外筒２９と内輪間座５１間のラビリンスシールＡ２と、後蓋３４と内輪間座５２間のラビリンスシールＡ３によって密閉される。さらに、回転軸２２とハウジングＨとの間で、後側軸受８０が配置される第３の空間Ｓ３は、後蓋３４と内輪間座５２間のラビリンスシールＡ３と、後側軸受外輪押え４３と内輪間座５３間のラビリンスシールＡ４によって密閉される。

また、ラビリンスシールを形成する固定側の部材、即ち、前側軸受外輪押え３９、外筒２９、後蓋３４、後側軸受外輪押え４３は、その内周面に形成される円周状の溝３９ａ，２９ａ，３４ａ，４３ｂと、該円周状の溝３９ａ，２９ａ，３４ａ，４３ｂと連通して径方向に貫通する排油穴３９ｂ，２９ｂ，３４ｂ，４３ｃと、をそれぞれ備える。

そして、これらの排油穴３９ｂ，２９ｂ，３４ｂ，４３ｃは、排油通路（ハウジングＨの排油用穴）９４に連通しており、この排油通路９４の一端側には、潤滑油を吸引するための負圧発生装置９５が図示しない配管を介して接続されている。なお、円周状の溝は、ラビリンスシールを形成する回転側の部材、即ち、回転軸２２や内輪間座５１、５２、５３の外周面に形成されてもよい。

従って、本実施形態の工作機械用主軸装置２０によれば、回転軸２２とハウジングＨとの間に形成される、前側軸受６０，７０が配置される第１の空間Ｓ１、モータＭが配置される第２の空間Ｓ２、及び、後側軸受８０が配置される第３の空間Ｓ３は、それぞれラビリンスシールＡ１〜Ａ４によって密閉されているので、第１又は第３の空間Ｓ１、Ｓ３に溜まった潤滑油がモータＭが配置される第２の空間Ｓ２に流れるのを抑制することができる。特に、チルトタイプの主軸装置２０においては、この第２の空間Ｓ２に潤滑油が溜まったとしても、その姿勢で潤滑油が第１又は第３の空間Ｓ１，Ｓ３に戻ることが抑制され、軸受空間での潤滑油過多や異常発熱を抑制することができる。なお、ラビリンスシールは、非接触であることが回転性能の面から好ましい。

また、ラビリンスシールを構成する、前側軸受外輪押え３９、外筒２９、後蓋３４、後側軸受外輪押え４３は、その内周面に形成される円周状の溝３９ａ，２９ａ，３４ａ，４３ｂと、該円周状の溝３９ａ，２９ａ，３４ａ，４３ｂと連通して径方向に貫通する排油穴３９ｂ，２９ｂ，３４ｂ，４３ｃと、を備えるので、第１又は第３の空間Ｓ１，Ｓ３と第２の空間Ｓ２との間のラビリンスシールＡ２，Ａ３を通過しようとする潤滑油を外部に排出することができ、モータＭが配置される第２の空間Ｓ２に潤滑油が浸入するのを抑制することができる。また、主軸装置２０の姿勢が変化する場合には、第２の空間Ｓ２に溜まった潤滑油がラビリンスシールＡ２，Ａ３を通過しようとする場合にも、外部に排出され、潤滑油が第１又は第３の空間Ｓ１，Ｓ３に戻ることが抑制され、軸受空間での潤滑油過多や異常発熱を抑制することができる。

さらに、排油穴３９ｂ，２９ｂ，３４ｂ，４３ｃ内の潤滑油は、負圧発生装置９５による軸受外部からの吸引力によって、強制的に吸引されることで、第２の空間Ｓ２に潤滑油が浸入するのをより積極的に抑制することができる。また、第２の空間Ｓ２に溜まった潤滑油が第１又は第３の空間Ｓ１，Ｓ３に戻ることも積極的に抑制することができる。

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。
本実施形態では、前側軸受６０，７０を２列のアンギュラ玉軸受，後側軸受８０を円筒ころ軸受としたが、各軸受の種類や列数は任意に設定可能である。
また、本実施形態では、ラビリンスシールＡ１やＡ２は、回転軸２２や外筒２９によって形成されているが、加工性などの観点から内輪間座や外輪間座を別途設けることで形成するようにしてもよい。
さらに、本実施形態の排油穴３９ｂ，２９ｂ，３４ｂ，４３ｃの他、各軸受６０，７０，８０の外輪６１，７１，８１や外輪間座４０等に、ハウジングＨに形成された排油通路と連通する排油穴を形成し、第１又は第３の空間内の潤滑油を排出するようにしてもよい。

また、本実施形態では、軸受６０，７０，８０毎に複数の給油通路９０が設けられているが、これら給油通路９０を単一の給油通路として、主軸装置２０内で分岐して供給するようにしてもよく、潤滑方式や潤滑条件により複数の軸受毎に別通路とするか単一の共有通路とするかは最適方式を選択できる。

本発明の主軸装置が適用される門形マシニングセンタの概略図である。 図１の主軸装置の断面図である。 従来の主軸装置における断面図である。

符号の説明

１ 門形マシニングセンタ（複合加工工作機械）
２０ 主軸装置
２２ 回転軸
３０ ロータ
３２ ステータ
４０ 外輪間座
８０ 後側軸受
９４ 排油通路
９５ 負圧発生装置
Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４ ラビリンスシール
Ｈ ハウジング
Ｍ モータ
Ｓ１ 第１の空間
Ｓ２ 第２の空間
Ｓ３ 第３の空間

Claims (1)

1. 工具を取り付け可能な回転軸と、
   該回転軸をハウジングに対して回転自在に支持する前側軸受及び後側軸受と、
   前記前側軸受と後側軸受との間に配置され、前記回転軸に取り付けられるロータと、前記ハウジングに取り付けられるステータと、を有するモータと、
   を備え、前記前側及び後側軸受がオイル潤滑される工作機械用主軸装置であって、
   前記主軸装置は、その姿勢を変化することができるチルトタイプであり、
   前記回転軸と前記ハウジングとの間に形成される、前記前側軸受が配置される第１の空間、前記モータが配置される第２の空間、及び、前記後側軸受が配置される第３の空間は、それぞれ非接触のラビリンスシールによって密閉されると共に、該ラビリンスシールによって互いに区画されており、
   前記第１〜第３の空間を密閉する前記各ラビリンスシールを構成する固定側の部材は、その内周面に形成される円周状の溝と、該円周状の溝と連通して径方向に貫通する排油穴と、をそれぞれ備え、
   前記排油穴は、排油通路に連通しており、該排油通路の一端側には、潤滑油を吸引するための負圧発生装置が接続され、
   前記排油穴内の潤滑油は、前記負圧発生装置からの吸引力によって、前記排油通路を介して強制的に吸引されて、外部に排出されることを特徴とする工作機械用主軸装置。

Images