JP5712840B2 - モータビルトイン方式の主軸装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータビルトイン方式の主軸装置に関し、特に、多軸制御の工作機械等に適用され、ｄｍｎ値が１００万以上の高速回転可能なモータビルトイン方式の主軸装置に関する。

工作機械等に適用される主軸装置の回転軸は、高速回転を行いながら、加工荷重を受けるため、加工荷重に対する剛性、あるいは、高速回転時の遠心力に対する変形抑制特性などを維持することが必要であり、その材質としては、金属が主に使用される。

従来、コレットを挿入可能なテーパ孔を有して、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ものが開示されている（例えば、特許文献１、２参照。）。また、特許文献３に記載の工作機械の主軸装置では、主軸の先端部に形成された溝に、縦弾性係数が大きい繊維に合成樹脂を含浸させた繊維層を形成し、高速回転時における主軸の膨張を抑制するようにしたものが知られている。

特開平６‐２１８６０８号公報 特開平６‐２２６５１６号公報 特開平６‐２２６５０６号公報

工作機械の主軸用軸受は、高回転精度、且つ低振動特性が要求されるため、組込時に軸受内部のすきまをなくした、いわゆる予圧が付与された状態で組み込まれている。一方、従来のモータビルトイン方式の主軸装置においては、ロータからの熱が金属製の回転軸を介して軸受内輪に伝わるため、軸受の内輪温度が外輪温度より高くなる傾向がある。この内外輪温度差の影響により内外輪の熱膨張が異なり、予圧荷重に加えて軸受の内部荷重が上昇する。更に、高速回転時（特に、ｄｍｎ値で１００万以上）には、玉（転動体）に作用する遠心力も加わり、軸受の内部荷重が過大となって軸受の焼付きなどの障害が発生する虞があった。また、回転軸自体の熱膨張により加工精度が低下する問題があった。

特許文献１〜３では、縦弾性係数が大きく、且つ比重が小さい炭素繊維層をナットや主軸の外周側に形成し、炭素繊維層の機械的強度を利用してナットや主軸の膨張を抑制するようにしたものであり、内輪の温度上昇や回転軸の伸びを抑制することについては考慮されていない。また、モータビルトイン式のものについて記載されておらず、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、ロータの発熱による回転軸や軸受の温度上昇、特に内輪の温度上昇を抑制して、軸受の焼き付きを防止すると共に、加工精度を向上することができるモータビルトイン方式の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、
前記回転軸をハウジングに対して回転自在にそれぞれ支持する前側及び後側軸受と、
該前側及び後側軸受との間で前記回転軸と一体回転可能に配置されるロータと、該ロータの周囲に配置されるステータと、を有するモータと、
を備えるモータビルトイン方式の主軸装置であって、
前記回転軸と前記ロータとの間には、前記回転軸よりも熱伝達率が小さな円筒部材が配置されることを特徴とするモータビルトイン方式の主軸装置。
（２） 前記円筒部材は、炭素繊維複合材料から形成されることを特徴とする（１）に記載のモータビルトイン方式の主軸装置。

本発明のモータビルトイン方式の主軸装置によれば、ロータの発熱が、回転軸、更には回転軸を介して前側軸受及び後側軸受の内輪に伝わり難くなり、内外輪での温度差が抑えられて適正な予圧を維持することができ、軸受の焼き付き発生を防止することができる。また、回転軸自体の膨張も抑制されるので、良好な加工精度が得られる。

本発明の一実施形態に係る主軸装置の断面図である。

以下、本発明の一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。

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。

回転軸１２は、その工具側を支承する２列の前側軸受５０，５０と、反工具側を支承する２列の後側軸受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、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。

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（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に内嵌されており、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によって外輪間座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及び速度センサの被検出部３７を介して位置決め固定されている。

回転軸１２の前側軸受５０，５０と後側軸受６０，６０間の軸方向略中央には、スリーブ７０を介して回転軸１２と一体回転可能に配置されるロータ２０と、ロータ２０の周囲に配置されるステータ２２とを備える。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。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。

ここで、ロータ２０と回転軸１２との間に配置されるスリーブ７０は、炭素繊維複合材料（ＣＦＲＰ）から構成される。炭素繊維複合材料（ＣＦＲＰ）としては、熱伝導率及び熱膨張率が金属材料より小さく、比弾性率が金属材料より高く、比重が金属材料より小さいものが使用される。特に、熱伝導率が小さい炭素繊維複合材料をスリーブ７０として、ロータ２０と回転軸１２との間に配置することで、金属と同等の強度を有したままロータ２０と回転軸１２との間を断熱することができる。これにより、ロータ２０の発熱が回転軸１２に伝わり難くなり、回転軸１２自体の熱膨張が抑制されて良好な加工精度が維持される。

更に、ロータ２０の熱が、回転軸１２を介して前側及び後側軸受５０，６０の内輪５２，６２に伝わり難く、内輪温度の昇温が抑えられることで内外輪５１，５２，６１，６２での温度差を少なくすることができる。これにより、前側及び後側軸受５０，６０の内部荷重上昇による軸受の焼付きなどの不具合が防止される。

具体的に、炭素繊維複合材料としては、例えば、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（Ｋ^−１）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。

なお、前側及び後側軸受５０，６０の外輪５１，６１の熱は、嵌合するハウジングＨを介して放熱されるのに対して、内輪５２，６２の熱は放熱され難く、外輪５１，６１より高温となる傾向がある。従って、内外輪５１，５２，６１，６２の温度差に起因する内部荷重上昇については、内輪５２，６２の温度管理が重要となる。

ロータ２０とスリーブ７０、及びスリーブ７０と回転軸１２とは、締まりばめ、接着、一体成形などによって結合される。このうち、ロータ２０とスリーブ７０とを締まりばめで結合する場合には、各部材の線膨張係数の違いによる径方向膨張量差、遠心力による膨張量の違いによる回転時の径方向の膨張量差を見込み、回転軸１２の回転数や回転中の温度を考慮して、回転中のロータ２０の内径とスリーブ７０の外径間に、少なくともすきまが発生しないように適正なしめしろを選定することが好ましい。

例えば、遠心力によるしめしろの減少を考慮して、しめしろは、（ロータ２０の内径の遠心膨張量−スリーブ７０の外径の遠心膨張量）と同一のすきまか、或いは、それ以上に設定する。具体的には、炭素繊維複合材料の成型時の巻き付け角度を適切な値、例えば、「比弾性率＝Ｅ（縦弾性係数）／ρ（密度）」が適正な値となるようにしたり、ロータ２０の半径方向肉厚と炭素繊維複合材料の半径方向肉厚を適正な比や値となるようにしたり、ロータ材質と炭素繊維複合材料の選定（繊維径や結合樹脂材料の選定）などを行うことで設定される。また、これらの方法を組み合わせたり、さらに、その他の遠心膨張に影響する因子が適正な値となるように設定してもよい。

また、成型時の巻き付け角度により、炭素繊維複合材料の線膨張係数がロータ２０のものより小さく設定されると、ロータ２０の温度上昇によりしめしろが減少し、すきまが生じることも考えられる。このため、しめしろは、（上述した遠心膨張量分＋温度上昇によるしめしろの減少分）と同一の大きさか、或いは、それ以上に設定することが好ましい。

更に、炭素繊維複合材料の比弾性率は、回転軸１２の遠心力による膨張を適正な値に抑制するため、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倍以上とするのがよい。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。更に、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。

このように、炭素繊維複合材料は、熱伝導率及び熱膨張率が金属材料より小さく、金属材料より比弾性率が高く、且つ、比重が金属材料より小さいので、遠心力作用、温度変化によってもスリーブ７０と回転軸１２との嵌合部にすきまが生じることはなく、回転中の振動が大きくなったり、剛性が低下するなどの不具合が生じることがない。

以上説明したように、本実施形態のモータビルトイン方式の主軸装置１０によれば、回転軸１２を回転自在に支持する前側軸受５０と後側軸受６０との間に、回転軸１２よりも熱伝導率が小さな炭素繊維複合材料から形成されるスリーブ７０を介して、ロータ２０が回転軸１２に外嵌固定されるので、ロータ２０の発熱が、回転軸１２、更には回転軸１２を介して前側軸受５０及び後側軸受６０の内輪５２、６２に伝わり難くなり、内外輪５１，５２，６１，６２での温度差が抑えられて適正な予圧を維持することができ、ｄｍｎ値が１００万以上となる高速回転においても、軸受５０，６０の焼き付き発生を防止することができる。また、回転軸１２自体の膨張も抑制されるので、良好な加工精度が得られる。

なお、本発明は、前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。例えば、前側及び後側軸受５０、６０は、アンギュラ玉軸受として説明したが、これに限定されず、玉軸受と円筒ころ軸受との組み合わせなど、軸受の種類、列数、配置、配列は任意に設定することができる。

１０ 主軸装置
１２ 回転軸
２０ ロータ
２２ ステータ
５０ 前側軸受
６０ 後側軸受
７０ スリーブ（円筒部材）
Ｈ ハウジング
Ｍ モータ

Claims (2)

1. 回転軸と、
   前記回転軸をハウジングに対して回転自在にそれぞれ支持する前側及び後側軸受と、
   該前側及び後側軸受との間で前記回転軸と一体回転可能に配置されるロータと、該ロータの周囲に配置されるステータと、を有するモータと、
   を備えるモータビルトイン方式の主軸装置であって、
   前記回転軸と前記ロータとの間には、前記回転軸よりも熱伝達率が小さな円筒部材が配置されることを特徴とするモータビルトイン方式の主軸装置。
2. 前記円筒部材は、炭素繊維複合材料から形成されることを特徴とする請求項１に記載のモータビルトイン方式の主軸装置。

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