JP5712838B2

JP5712838B2 - 主軸装置

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Publication number: JP5712838B2
Application number: JP2011160973A
Authority: JP
Inventors: 岩崎　修; 修岩崎; 美昭勝野
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2011-07-22
Filing date: 2011-07-22
Publication date: 2015-05-07
Anticipated expiration: 2031-07-22
Also published as: JP2013022698A

Description

本発明は、主軸装置に関し、特に、金属材料、樹脂材料、木材などを切削加工、又は、研削加工する、工作機械の主軸装置に関する。

従来の主軸装置では、主軸の前側を固定側軸受で、主軸の後側を自由側軸受で支持し、自由側軸受の外周にスリーブを外嵌して配置し、スリーブとその外側に外嵌するハウジングとの間のはめあいすきまを、運転時の主軸の熱膨張を考慮して数μｍ〜数十μｍ程度に設定したものがある。これにより、主軸装置は、モータの発熱や軸受の熱によって、回転側である主軸の温度が固定側であるハウジングの温度より高くなり、主軸が軸方向に相対的に伸びるが、この相対膨張量差をスリーブの摺動によって、主軸の後側（又は前側）に逃がすように構成されている。

但し、軸受の発熱やロータの発熱が増加すると軸受の外側に設けているスリーブに熱が伝わりスリーブが熱膨張することにより、スリーブとハウジングとのすきまが減少する。その結果、スリーブの摺動が妨げられ摺動不良となり、固定側軸受と自由側軸受に突っ張り力が発生し、軸受の転がり接触部の面圧が増加し、予圧増加や焼付きが発生する。

また、熱膨張を考慮し、摺動性不良が起きないように初期にスキマ量を大きく設けると、低速（低発熱）時にスリーブとハウジング間での振動が発生したり、この振動が原因でフレッチング等による本部位の摩耗やかじりなどの問題があった。その結果、摩耗粉の軸受内部への侵入による軸受の損傷、あるいは、かじりによる摺動不良が発生し、逆効果となる場合もあった。

特許文献１に記載の主軸装置では、軸受スリーブ、後蓋、外輪抑えの各部材を鋼よりも熱膨張係数が小さい、インバー、スーパーインバーなどの材質で構成させ、初期設定隙間の変化を小さくすることが記載されている。

また、特許文献２及び３では、コレットを挿入可能なテーパ孔を有し、工具保持部に螺合するナットを締め付けて工具を固定するようにした工具ホルダにおいて、ナットの外周面に炭素繊維層を巻き付け、遠心力によるナットの膨張抑制を図った工具ホルダが開示されている。

特開２００６−８８２４５号公報特開平６−２２６５１６号公報特開平６−２１０６０８号公報

ところで、特許文献１に記載の主軸装置では、軸受スリーブをインバー、スーパーインバーなどの鋼よりも熱膨張係数が小さい材質で構成させ、初期設定隙間の変化を小さくすることが記載されており、また、これらの材料は熱伝達率が低いことが知られている。しかしながら、これらの材料は、振動に対する減衰性が低く、使用される材料により、ある数値に固定されるなど、改善の余地があった。また、特許文献２及び３に記載の炭素繊維層は、工具ホルダに関するものであり、上記課題を認識するものではない。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ハウジングと軸受スリーブとの摺動部の初期隙間を小さくすることができ、低速時の振動を低減できるとともに、振動に対する減衰性が高く、高速回転時にも低振動な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）回転軸と、
内輪が前記回転軸の一端側に外嵌され、外輪がハウジングに固定される固定側軸受と、
前記回転軸の他端側に配置され、前記ハウジングにすきま嵌めで嵌合するスリーブと、
内輪が前記回転軸の他端側に外嵌され、外輪が前記スリーブに嵌合し、前記固定側軸受と協働して前記回転軸を回転自在に支持する自由側軸受と、
を有する主軸装置であって、
前記スリーブは、該スリーブと同じ軸方向長さを有する、環状の炭素繊維複合材料を少なくとも有することを特徴とする主軸装置。
（２）前記スリーブは、その外径側に配置され、前記ハウジングに嵌合する外周面を有する環状の外側金属部材と、その内径側に配置され、前記外輪に嵌合する内周面を有する環状の内側金属部材と、前記環状の外側金属部材と前記環状の内側金属部材との間に配置される前記炭素繊維複合材料と、を有することを特徴とする（１）に記載の主軸装置。
（３）前記スリーブは、その外径側に配置され、前記ハウジングに嵌合する外周面を有する環状の外側金属部材と、該外側金属部材の内側に配置され、前記外輪に嵌合する内周面を有する前記炭素繊維複合材料と、を有することを特徴とする（１）に記載の主軸装置。
（４）前記スリーブは、その外径側に配置され、前記ハウジングに嵌合する外周面を有する前記炭素繊維複合材料と、該炭素繊維複合材料の内側に配置され、前記外輪に嵌合する内周面を有する環状の内側金属部材と、を有することを特徴とする（１）に記載の主軸装置。
（５）前記固定側軸受及び自由側軸受は、定圧予圧が付与される構成であり、
前記スリーブには、前記自由側軸受の外輪の一端面に当接する外輪抑えが設けられることを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載の主軸装置。
（６）前記固定側軸受及び自由側軸受は、定位置予圧が付与される構成であり、
前記自由側軸受の外輪と前記スリーブとは、すきま嵌めで嵌合しており、前記自由側軸受の外輪は、前記スリーブから径方向内向きに突出する肩部と、前記スリーブに固定される外輪抑えと、によって軸方向に位置決めされることを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載の主軸装置。

本発明の主軸装置によれば、ハウジングにすきま嵌めで嵌合するスリーブは、スリーブと同じ軸方向長さを有する、環状の炭素繊維複合材料を少なくとも有する。これにより、スリーブの昇温によるスリーブ外径の熱膨張を抑えることができるので、スリーブ外径とハウジング内径との隙間が減少することがない。この結果、ハウジングとスリーブとの摺動部の初期隙間を小さくすることができ、摺動性を維持しつつ、低速時の振動を低減できる。また、炭素繊維複合材料は、炭素繊維の配向方向によって異方性があり、任意に熱膨張率を変えることで、すきま設定を選択することができる。従って、スリーブの昇温とハウジング側の昇温との差によるすきまの減少分が想定できると、これに応じて、最適な熱膨張率が得られるように繊維の配向方向や角度を選ぶことも可能であり、この点、従来の材料（インバーなど）に比べて、優れている。

本発明の第１実施形態に係る主軸装置の断面図である。本発明の第２実施形態に係る主軸装置の断面図である。本発明の第３実施形態に係る主軸装置の断面図である。本発明の第３実施形態の第１変形例に係る主軸装置の断面図である。本発明の第３実施形態の第２変形例に係る主軸装置の断面図である。

以下、本発明の各実施形態に係る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に示すように、主軸装置１０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１２が設けられ、回転軸１２の軸芯には、ドローバー１３が摺動自在に挿嵌されている。ドローバー１３は、工具ホルダ１４を固定するコレット部１５を、皿ばね１７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１４は、回転軸１２のテーパ面１８と嵌合する。工具ホルダ１４には工具（図示せず。）が取り付けられており、この結果、回転軸１２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１２は、その工具側を支承する２列の前側軸受（固定側軸受）５０，５０と、反工具側を支承する２列の後側軸受（自由側軸受）６０，６０とによって、ハウジングＨに回転自在に支持されている。なお、ハウジングＨは、工具側から順に、フロントカバー４０、前側軸受外輪押さえ２９、前側ハウジング２７、外筒１９、後側ハウジング２４及び後蓋２６によって構成されている。

前側軸受５０，５０と後側軸受６０，６０間における回転軸１２の外周面には、ロータ２０が焼き嵌めにより外嵌されている。また、ロータ２０の周囲に配置されるステータ２２は、ステータ２２に焼き嵌めされた冷却ジャケット２３をハウジングＨを構成する外筒１９に内嵌することで、外筒１９に固定される。従って、ロータ２０とステータ２２はモータＭを構成し、ステータ２２に電力を供給することでロータ２０に回転力を発生させ、回転軸１２を回転させる。

各前側軸受５０は、外輪５１と、内輪５２と、接触角を持って配置される転動体としての玉５３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、各後側軸受６０は、外輪６１と、内輪６２と、転動体としての玉６３と、図示しない保持器と、を有するアンギュラ玉軸受である。

前側軸受５０，５０の外輪５１，５１は、前側ハウジング２７に内嵌されており、且つ前側ハウジング２７にボルト締結された前側軸受外輪押え２９によって外輪間座３０を介して前側ハウジング２７に対し軸方向に位置決め固定されている。また、前側軸受５０，５０の内輪５２，５２は、回転軸１２に外嵌されており、且つ回転軸１２に締結されたナット３１によって内輪間座３２を介して回転軸１２に対し軸方向に位置決め固定されている。

後側軸受６０，６０の外輪６１，６１は後側ハウジング２４の内側に後側ハウジング２４に対して軸方向に摺動自在の状態とされたスリーブ２５に内嵌されている。また、外輪６１，６１は、且つスリーブ２５にボルト締結された後側軸受外輪押え３３に一端面が当接されており、外輪間座３４を介してスリーブ２５に対し軸方向に位置決め固定されている。後側軸受６０，６０の内輪６２，６２は、回転軸１２に外嵌されており、回転軸１２に締結された他のナット３５によって、内輪間座３６及び速度センサ３７の被検出部３８を介して位置決め固定されている。

前側軸受５０，５０（並列組合せ）と後側軸受６０，６０（並列組合せ）とは、互いに協働して背面組み合わせとなるように配置されており、前側軸受５０，５０と後側軸受６０，６０には、定圧予圧が付与される構成となっている。後側ハウジング２４と後側軸受外輪押え３３との間には、バネなどの付勢部材３９が配置されており、後側軸受外輪押さえ３３とスリーブ２５とは、後側ハウジング２４に対して軸方向に摺動自在となる。

ここで、スリーブ２５は、その外径側に配置され、後側ハウジング２４に嵌合する外周面を有する環状の外側金属部材７１と、その内径側に配置され、外輪６１，６１に嵌合する内周面を有する環状の内側金属部材７２と、外側金属部材７１と内側金属部材７２との間に配置される環状の炭素繊維複合材料（ＣＦＲＰ）７３と、を有する。外側金属部材７１、内側金属部材７２、及び炭素繊維複合材料７３が、それぞれスリーブ２５と同じ軸方向長さを有しており、スリーブ２５は、半径方向多層構造に構成されている。

外側及び内側金属部材７１，７２には、炭素鋼、ＳＣＭ材、鋳鉄などの金属材料が使用される。また、炭素繊維複合材料７３は、外側及び内側金属部材７１，７２を構成する金属材料より比弾性率が高く、比重が小さく、熱膨張率が小さいものが使用される。特に、炭素繊維複合材料の比弾性率は、共にスリーブ２５を形成する外側及び内側金属部材７１，７２の熱膨張に対応するため、好ましくは、使用される金属材料の２倍以上、より好ましくは３倍以上とする。炭素繊維複合材料は、繊維方向により異方性であるが、かかる荷重の方向に合わせて、成形時に繊維方向を決定する。また、繊維方向を交差させることで、等方性にして使用してもよい。さらに、円周方向の比弾性率が大きくなるように、繊維方向を決定してもよい。

例えば、炭素繊維複合材料７３は、ＰＡＮ（ポリアクリルニトリル）を主原料とした炭素繊維からなる糸を平行に引きそろえたものや、炭素繊維からなる糸で形成した織物（シート状）に、硬化剤を含むエポキシ樹脂などの熱硬化樹脂を含浸させてなるシートを多数層重ね合わせて、芯金などに巻きつけ、加熱硬化させることで製造される。

炭素繊維複合材料７３の特性としては、例えば、東邦テナックス社の炭素繊維タイプ：ＨＴＡを使用すると引張強度２０６０ＭＰａ、引張弾性率１３７ＧＰａ、比重１．５５ｇ／ｃｃであり、従来の高張力鋼などと比べて、引張強度は同等以上であり、比重は１／５程度になる。また、熱膨張率も、繊維方向・角度を最適化することにより、−５〜＋５°×１０^−６℃にすることができるので、従来の炭素鋼に比べて１／２〜１／１０程度にすることができる。スリーブ２５とハウジング２４の運転中の温度差による半径方向の膨張量差を想定し、両者間のすきまが減少することがないような適正な熱膨張率となるように繊維方向や角度を最適化してもよい。

炭素繊維複合材料７３と外側及び内側金属部材７１，７２との結合方法は、別々に形成されたものを締まり嵌めや接着により結合してもよく、あるいは、一体成形であってもよい。

このように、内側金属部材７２の外側に炭素繊維複合材料７３を設けることで、内側金属部材７２の膨張を外側の炭素繊維複合材料７３によって押さえ込むことができる。従って、スリーブ２５の外径が膨張して、後側ハウジング２４とスリーブ２５との間の隙間が減少するのを抑制することができる。

また、炭素繊維複合材料７３のような熱伝達率の小さい材料を用いることで、炭素繊維複合材料７３よりも外側の部材に軸受の熱が伝達され難くなる。これにより、後側ハウジング２４の温度が上昇し難くなり、主軸の熱変位による加工精度の悪化を防止することができる。また、炭素繊維複合材料７３の外側にある外側金属部材７１の温度も上がり難いので、その分も隙間が減少しにくくなる。

なお、内側金属部材７２は、ノビナイトなどの、炭素繊維複合材料７３により近い線膨張係数を有する低膨張鋳物部材を用いることで、後側ハウジング２４とスリーブ２５との隙間の減少を抑制するうえでより好ましいが、例えば、後側ハウジング２４と線膨張係数が同程度の材質であっても、炭素繊維複合材料７３の押さえ込み作用により、効果を発揮することができる。また、炭素繊維複合材料７３の肉厚を内側金属部材７２に比べて厚くしておくことで、押さえ込み作用がより大きくなり好ましい。

また、本実施形態では、後側ハウジング２４と直接接触していない、熱容量が大きい後側軸受外輪押え３３と外輪６１，６１とを結合することで、熱を外輪押え３３側に逃がすという効果もある。
この結果、後側ハウジング２４とスリーブ２５との摺動部の初期隙間を小さくすることができ、摺動性を維持しつつ、低速（低発熱）時の振動を低減できる。また、高速回転時の発熱によりスリーブの外径の膨張を押さえ、隙間の減少を押さえ、スリーブの摺動不良を防止することができる。
さらに、炭素繊維複合材料は、振動に対する減衰性に優れていることから、振動を抑制することができる。

また、本実施形態においても、スリーブ２５は、第２及び第３実施形態と同様に、外側金属部材７１と炭素繊維複合材料７３との組合せや、炭素繊維複合材料７３と内側金属部材７２との組合せ、炭素繊維複合材料７３のみのいずれかによって構成することができる。特に、スリーブ２５の外周面は、後側ハウジング２４との摺動性を満足するものであれば、外側金属部材７１によって構成されてもよいし、炭素繊維複合材料７３によって構成されてもよい。また、炭素繊維複合材料の外周面に金属メッキやセラミックを溶射するようにしてもよい。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る主軸装置について、図２を参照して説明する。なお、第１実施形態と同一又は同等部分については、同一符号を付して説明を省略或いは簡略化する。

本実施形態では、回転軸１２は、その工具側を支承する２列の前側軸受（固定側軸受）５０，５０と、反工具側を支承する２列の後側軸受（自由側軸受）６０，６０とによって、ハウジングＨに回転自在に支持されており、外部からの駆動力によって回転駆動される。なお、ハウジングＨは、工具側から順に、前側軸受外輪押さえ２９、外筒１９、及び後蓋２６によって構成されている。

前側軸受５０，５０と後側軸受６０，６０は、それぞれ背面組み合わせとなるように配置されており、定位置予圧が付与される構成となっている。前側軸受５０，５０の外輪５１，５１は、外筒１９に内嵌されており、且つ外筒１９にボルト締結された前側軸受外輪押え２９によって外輪間座３０を介して外筒１９に対し軸方向に位置決め固定されている。また、前側軸受５０，５０の内輪５２，５２は、回転軸１２に外嵌されており、且つ回転軸１２に締結されたナット３１によって内輪間座３２を介して回転軸１２に対し軸方向に位置決め固定されている。

後側軸受６０，６０の外輪６１，６１は外筒１９に対して軸方向に摺動自在の状態とされたスリーブ２５に内嵌されて、スリーブ２５に対し軸方向に位置決め固定されている。後側軸受６０，６０の内輪６２，６２は、回転軸１２に外嵌されており、回転軸１２に締結された他のナット３５によって、内輪間座３６を介して軸方向に位置決め固定されている。

ここで、スリーブ２５は、その外径側に配置され、外筒１９に嵌合する外周面を有する炭素繊維複合材料（ＣＦＲＰ）８１と、炭素繊維複合材料８１の内側に配置され、外輪６１，６１に嵌合する内周面を有する環状の内側金属部材８２と、を有した半径方向多層構造に構成されている。炭素繊維複合材料８１と内側金属部材８２とは、接着又は焼嵌めによって接合される。また、炭素繊維複合材料８１の外周面の仕上げは、内側金属部材８２との接合後に行われるのが好ましい。

さらに、スリーブ２５には回り止め部８５が設けられており、加減速時の転がり軸受６０の摩擦トルク増によるハウジング１９とスリーブ２５間の円周方向滑りを防止している。

このように、スリーブ２５の外側を炭素繊維複合材料８１、内側を内側金属部材８２とすることで、内側金属部材８２の膨張を炭素繊維複合材料８１で押さえ込むことができ、外筒１９とスリーブ２５との隙間の減少を抑制することができる。また、熱膨張量は、（熱膨張量＝線膨張係数×長さ（この場合、直径）×温度上昇）で与えられるので、径の大きいスリーブ２５の外側部位に炭素繊維複合材料８１を配置することで、効果的にスリーブ２５の膨張を押さえることができる。

（第３実施形態）
図３は、本実施形態の第３実施形態に係る主軸装置１０の断面図である。この実施形態では、スリーブ２５の内周面、即ち、内側金属部材８２の内周面と後側軸受６０，６０の外輪６１，６１の外周面とのはめあいをすきま嵌めとしている。

スリーブ２５と外輪６１，６１との間のすきまは、軸受６０，６０が高速回転した際の玉６３，６３の遠心力作用による外輪６１，６１の半径方向膨張分より大きく設定することで、遠心力による内部予圧の増大を外輪膨張で緩和することができる。

ただし、スリーブ２５と外輪６１，６１との間をすきま嵌めとする場合、外輪６１，６１がスリーブ２５の内部で円周方向に滑らないように、外輪６１，６１の両端面を内側金属部材８２の肩部８２ａと、内側金属部材８２にボルト締結された外輪押さえ８４とで押さえるように構成される。また、外輪６１，６１の両端面を押さえることで、すきま嵌めにより懸念される軸受６０，６０の振動も防止することができる。
なお、その他の構成及び作用については、第２実施形態と同様である。

図４は、本実施形態の第３実施形態の第１変形例に係る主軸装置１０の断面図である。この変形例では、スリーブ２５の構成において第３実施形態と異なる。即ち、スリーブ２５は、その外径側に配置され、外筒１９に嵌合する外周面を有する環状の外側金属部材８３と、外側金属部材８３の内側に配置され、外輪６１，６１にすきま嵌めで嵌合する内周面を有する炭素繊維複合材料（ＣＦＲＰ）８１と、を有する。

この場合、スリーブ２５と外輪６１，６１との間のすきまは、第３実施形態と同様、軸受６０，６０が高速回転した際の玉６３，６３の遠心力作用による外輪６１，６１の半径方向膨張分より大きく設定されているので、このすきまによって遠心力による内部予圧の増大を緩和する外輪膨張が許容されている。従って、スリーブ２５の内周面は、該変形例のように、炭素繊維複合材料８１によって構成されてもよい。
また、この場合、外輪６１，６１の両端面を炭素繊維複合材料８１の肩部８１ａと、スリーブ２５にボルト締結された外輪押さえ８４とで抑えるように構成される。

図５は、本実施形態の第３実施形態の第２変形例に係る主軸装置１０の断面図である。この変形例では、スリーブ２５全体が炭素繊維複合材料８１によって構成されている。

この場合にも、スリーブ２５と外輪６１，６１との間のすきまは、第３実施形態と同様、軸受６０，６０が高速回転した際の玉６３，６３の遠心力作用による外輪６１，６１の半径方向膨張分より大きく設定されているので、このすきまによって遠心力による内部予圧の増大を緩和する外輪膨張が許容されている。

なお、本発明は、上述した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。
上述した実施形態は、前側軸受、後側軸受を一対のアンギュラ玉軸受によって構成したが、軸受の種類や数はこれに限定されず、使用状態に応じて適宜設計することができる。

１０主軸装置
１２回転軸
２０ロータ
２２ステータ
２４後側ハウジング
５０前側軸受（固定側軸受）
６０後側軸受（自由側軸受）
７１，８３外側金属部材
７２，８２内側金属部材
７３，８１炭素繊維複合材料
Ｈハウジング

Claims

回転軸と、
内輪が前記回転軸の一端側に外嵌され、外輪がハウジングに固定される固定側軸受と、
前記回転軸の他端側に配置され、前記ハウジングにすきま嵌めで嵌合するスリーブと、
内輪が前記回転軸の他端側に外嵌され、外輪が前記スリーブに嵌合し、前記固定側軸受と協働して前記回転軸を回転自在に支持する自由側軸受と、
を有する主軸装置であって、
前記スリーブは、該スリーブと同じ軸方向長さを有する、環状の炭素繊維複合材料を少なくとも有することを特徴とする主軸装置。
前記スリーブは、その外径側に配置され、前記ハウジングに嵌合する外周面を有する環状の外側金属部材と、その内径側に配置され、前記外輪に嵌合する内周面を有する環状の内側金属部材と、前記環状の外側金属部材と前記環状の内側金属部材との間に配置される前記炭素繊維複合材料と、を有することを特徴とする請求項１に記載の主軸装置。
前記スリーブは、その外径側に配置され、前記ハウジングに嵌合する外周面を有する環状の外側金属部材と、該外側金属部材の内側に配置され、前記外輪に嵌合する内周面を有する前記炭素繊維複合材料と、を有することを特徴とする請求項１に記載の主軸装置。
前記スリーブは、その外径側に配置され、前記ハウジングに嵌合する外周面を有する前記炭素繊維複合材料と、該炭素繊維複合材料の内側に配置され、前記外輪に嵌合する内周面を有する環状の内側金属部材と、を有することを特徴とする請求項１に記載の主軸装置。
前記固定側軸受及び自由側軸受は、定圧予圧が付与される構成であり、
前記スリーブには、前記自由側軸受の外輪の一端面に当接する外輪抑えが設けられることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の主軸装置。
前記固定側軸受及び自由側軸受は、定位置予圧が付与される構成であり、
前記自由側軸受の外輪と前記スリーブとは、すきま嵌めで嵌合しており、前記自由側軸受の外輪は、前記スリーブから径方向内向きに突出する肩部と、前記スリーブに固定される外輪抑えと、によって軸方向に位置決めされることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の主軸装置。