JP5783964B2 - ロータリジョイント - Google Patents

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Description

本発明は、回転部に流体を送給するために用いられるロータリジョイントに関するものである。
工作機械の主軸など作動時に回転状態にある回転部に冷却用のクーラントなどの流体を送給する流体送給機構において、固定された流体送給配管を回転部の流路と接続する流体継手としてロータリジョイントが用いられる。ロータリジョイントは、回転部に結合されて回転する回転軸と流体送給配管に接続される固定軸とを同軸に配置して軸方向に対向させ、それぞれの対向端面に装着された回転シールのシール面を相互に密着させることにより流体の漏洩を防止する構成となっており、流体送給配管から回転状態にある回転部へ、所定圧力・所定流量の流体がロータリジョイントを介して連続的に供給される。このような構成のロータリジョイントでは、シール面を密着させるために固定軸側を軸方向に移動させる必要があることから、固定軸はケーシング部などに設けられた嵌合孔に摺動自在に嵌合しており、嵌合孔の内周と固定軸との間に介設されたOリングなどのシール部材によって、この摺動隙間からの流体の漏れが防止される。
ところでロータリジョイントによる供給対象となる流体には、工作機械に循環使用されるクーラントなど、微少な切削屑などの異物を含んだものが多く、連続して流体を供給する過程において、固定軸と嵌合孔との間の摺動隙間にこれらの異物が侵入することが避けられない。そしてこれらの異物が反復して侵入すると摺動隙間内において堆積固着し、固定軸の円滑な摺動が阻害される結果、ロータリジョイントは正常に作動せずに流体の大量の漏洩などの不具合が生じる。そこでこのような不具合を防止することを目的として、固定軸と嵌合孔との間の摺動隙間への異物侵入を防止する構造のロータリジョイントが提案されている(特許文献1、2参照)。
特許文献1に示す先行技術例では、嵌合孔の内周面に設けられた環状溝内にグリースを常時押し込む構成とすることにより摺動隙間をグリースで充填状態とし、摺動隙間への異物の侵入を防止するようにしている。また特許文献2に示す先行技術例では、固定軸の上流側の端部に屈曲自在なダイヤフラムを装着して、固定軸の流路孔以外に流体が流れないように密封し、これにより摺動隙間への異物の侵入を防止するようにしている。
特開2007−218293号公報 特開平6−241366号公報
しかしながら上述の先行技術においては、異物侵入を防止する機構の構成に起因して、以下のような難点があった。まず特許文献1に示す先行技術例では、摺動隙間を充填するグリースが流体に徐々に溶解して充填効果が低下するため、異物侵入の防止効果を安定して確保することが困難であった。また特許文献2に示す先行技術例では、固定軸の移動量が十分に確保できないので、固定軸の移動量を必要とする工作機械での適用は著しく限定されていた。
本発明はこのような課題に鑑みなされたものであり、固定軸部と嵌合孔との摺動隙間内に異物が侵入して堆積固化することに起因する不具合を簡便な構成で有効に防止することができるロータリジョイントを提供することを目的とする。
本発明のロータリジョイントは、軸方向の回転流路が設けられ回転軸に装着される回転部および軸方向の固定流路が設けられた固定部を同軸配置して成り、流体供給源から供給される流体を軸心廻りに回転する前記回転部の回転流路へ前記固定流路を介して送給するロータリジョイントであって、前記回転部に設けられ側端面に前記回転流路が開口した第1のシール面を有する回転シール部と、前記固定流路が前記軸方向に貫通して形成され保持部材に設けられた嵌合孔に所定の摺動隙間を保って前記軸方向の移動が許容された状態で嵌合する固定軸部を有し、一方側の側端面に前記固定流路が開口した第2のシール面を有する固定シール部と、前記摺動隙間に設けられこの摺動隙間を前記軸方向の移動を許容しながら下流側方向への流体の流動のみを選択的にシールする隙間シール部と、前記固定流路の端部の上流側に設けられ、この固定流路の上流側の軸端部の流路内径よりも小さい流路径で設けられた絞り部とを備え、前記流体供給源から前記嵌合孔内へ前記流体を供給して前記固定軸部を流体力によって下流側へ押圧することにより、前記第1のシール面と第2のシール面とを相互に密着させて面シール部を形成し、前記絞り部を流体が下流へ流動することにより生じた差圧によって前記摺動隙間内の流体を固定流路に流動させる。
本発明によれば、保持部材に設けられた嵌合孔に固定軸部が嵌合した摺動隙間に、この摺動隙間を軸方向の移動を許容しながら下流側方向への流体の流動のみを選択的にシールする隙間シール部を設け、固定流路の端部の上流側に設けられこの固定流路の上流側の軸端部の流路内径よりも小さい流路径で設けられた絞り部を備えることにより、絞り部を流体が下流へ流動することにより生じた差圧によって摺動隙間内の流体を固定流路に流動させることができ、固定軸部と嵌合孔との摺動隙間内に異物が侵入して堆積固化することに起因する不具合を簡便な構成で有効に防止することができる。
本発明の一実施の形態におけるロータリジョイントの断面図 本発明の一実施の形態におけるロータリジョイントの動作説明図 本発明の一実施の形態におけるロータリジョイントに用いられる隙間シール部の構成および機能説明図 本発明の一実施の形態におけるロータリジョイントに用いられる隙間シール部の構成および機能説明図 本発明の一実施の形態におけるロータリジョイントの部分断面図 本発明の一実施の形態におけるロータリジョイントの部分断面図
次に本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。まず図1,図2を参照して、ロータリジョイント1の全体構成を説明する。図1において、ロータリジョイント1は、工作機械のスピンドル軸などの回転軸へ冷却用の流体を送給する流体供給機構に用いられるものであり、軸方向の回転流路が設けられた回転部1aおよび軸方向の固定流路が設けられた固定部1bを同軸配置して構成される。
回転部1aは回転軸であるスピンドル軸2の流路孔2aに締結されており、スピンドル軸2は、スピンドルに内蔵されたモータによって回転駆動されて軸心A廻りに回転するとともに、クランプ/アンクランプシリンダによって軸方向の進退動作を行う。また固定部1bはケーシング3に流路孔3bと連通して設けられた装着孔3aに、保持部材であるハウジング部材7を介して固定装着されており、スピンドル軸2が挿通するフレーム(図示省略)にボルトなどの締結手段によってケーシング3を着脱自在に締結することにより、固定部1bは回転部1aと同軸に配置される。流路孔3bには、流体供給源(図示省略)より液体クーラントや冷却用のエアなどの流体が送給される。
次に各部の詳細構造を説明する。回転部1aはスピンドル軸2に装着されたロータ4を主体としており、ロータ4は回転軸部4aの一方側の端部に回転軸部4aよりも外径が大きいフランジ部4bを設け、さらに軸心部に回転流路4eを軸方向に設けた形状となっている。回転軸部4aの外面には雄ねじ部4dが設けられており、流路孔2aの内面には雌ねじ部2bが設けられている。雄ねじ部4dを雌ねじ部2bに螺合させることにより、ロータ4はスピンドル軸2にねじ締結され、Oリング6によってねじ締結部が密封される。これにより、回転流路4eはスピンドル軸2の流路孔2aと連通する。
ロータ4の右側(固定部1bと対向する側)の側端面には、回転流路4eの開孔面を囲む配置で円形状の凹部4cが形成されており、凹部4cには第1のシールリング5が固定されている。第1のシールリング5はセラミックなどの耐摩耗性に富む硬質材料を、中央部に開口部5aを有する円環形状に成形したものであり、平滑面に仕上げられた第1のシール面5bを外面側にした状態で凹部4cに固定される。そしてこの状態では、回転流路4eは開口部5aと連通して第1のシール面5bに開口する。上記構成において、第1のシールリング5が固定されたロータ4は、回転部1aに設けられ側端面に回転流路4eが開口した第1のシール面5bを有する回転シール部となっている。
次に、ケーシング3に装着される固定部1bの構造を説明する。固定部1bは、フローティングシート8をハウジング部材7に装着した構成となっている。ケーシング3の装着面3cには流路孔3bと連通して設けられた装着孔3aが開口しており、装着孔3aには固定部1bの本体を構成する円筒形状のハウジング部材7が嵌合する。そしてハウジング部材7は、装着面3cに設けられたねじ孔(図示省略)にボルト締結され、Oリング11によって装着孔3aへの嵌合部が密封される。
フローティングシート8は、一方側(図において回転部1aと対向する側)に円板形状のフランジ部8bが設けられ、他方側に固定流路8f(流路内径d1)が軸方向に貫通して形成された固定軸部8aを有する形状となっている。固定流路8fの下流側には、内周面8eが流路径d3に狭められた段付き部8gが形成されている。ここで、流路径d3は、後述する絞り部18の絞り孔18cの流路径d2よりも大きくなるように設定される。
フランジ部8bの左側(回転部1aと対向する端面)に円堤状に設けられた凸部8c内には、第2のシールリング9が固定されている。第2のシールリング9は第1のシールリング5と同様の硬質材料を中央部に開口部9aを有する円環形状に成形したものであり、平滑面に仕上げられた第2のシール面9bを外面側にした状態でフランジ部8bに固定される。そしてこの状態では、固定流路8fは開口部9aと連通して第2のシール面9bに開口する。
固定軸部8aは、ハウジング部材7の中心部に軸方向に貫通して設けられた嵌合孔7aに、軸方向の移動が許容された状態で嵌合する。すなわち、嵌合孔7a、固定軸部8aの形状・寸法設定により、嵌合孔7aの内周面7bと固定軸部8aの外周面8dとの間に所定の隙間寸法の摺動隙間G1(図3、図4、図5参照)が確保されるようになっている。嵌合孔7aの内周面7bにはシール溝7cが形成されており、シール溝7cにはV字断面形状を有する円環状のシール部材であるリップシール12が装着されている。
ここで、リップシール12の形状およびシール特性について、図3を参照して説明する。図3(a)は、嵌合孔7aに固定軸部8aが嵌合した状態において、シール溝7cにリップシール12が装着された状態を示している。リップシール12は、シール溝7cの溝壁面に当接する連結リング部12aから内周側リップ部12b、外周側リップ部12cの2つのリップ部がV字形状に延出した断面形状を有している。リップシール12がシール溝7cに装着された状態では、内周側リップ部12bが固定軸部8aの外周面8dに押し付けられ、外周側リップ部12cがシール溝7cの底面に押し付けられた状態となる。そしてこの状態では、固定軸部8aの軸方向の移動が許容される。
図3(b)は、このリップシール12の装着状態において、摺動隙間G1内を下流側に流体が流動(矢印f)する際の、リップシール12のシール特性を示している。すなわち摺動隙間G1を介してシール溝7cに到達した流体の圧力がリップ間隙間12dに作用することにより、内周側リップ部12b,外周側リップ部12cはそれぞれ外周面8dおよびシール溝7cの底面に押し付けられる(矢印g)。そしてこの押し付け力により、摺動隙間G1内における下流側方向への流体の流動はリップシール12によってシールされる。
これに対し、図3(c)は、このリップシール12の装着状態において、摺動隙間G1内を上流側に流体が流動(矢印h)する際の、リップシール12のシール特性を示している。すなわち摺動隙間G1を介してシール溝7cに到達した流体の圧力が内周側リップ部12bに上面側から作用することにより、内周側リップ部12bは外周側リップ部12cと近接する方向に撓み変形する(矢印i)。これにより、内周側リップ部12bと外周面8dとの間には隙間が生じ、下流側からの流体は摺動隙間G1を介して上流側へ流動する(矢印j)。
すなわちリップシール12は、固定軸部8aの軸方向の移動を許容しながら、摺動隙間G1を下流側方向への流体の流動のみを選択的にシールする隙間シール部となっている。このようなシール特性の隙間シール部を用いることにより、流路孔3bに供給された流体の摺動隙間G1を介しての漏出を防止するとともに、摺動隙間G1内の異物排出のための流体の流動、すなわち摺動隙間G1において上流側へ流体の流動を許容するようになっている。
なお隙間シール部の形態として、ここでは摺動隙間G1に開口したシール溝7c内にリップを上流側に向けて装着されたリップシール12を用いる例を示したが、隙間シール部として使用可能なシール形態はリップシール12には限定されず、図4に示す例など、一方向の流動のみを選択的にシール可能な円周状シールであれば、各種のシールを採用することができる。
例えば図4(a)では、摺動隙間G1に開口したシール溝7c内においてOリング部材121をスプリングなどの付勢部材122によって下流側に押し付けて構成された隙間シール部の例を示している。この場合には、摺動隙間G1内における下流側方向への流体の流動(矢印f)はOリング部材121によってシールされる。これに対し、摺動隙間G1内において上流側方向へ流体が流動(矢印h)することにより、Oリング部材121は付勢部材122の付勢力に抗して上流側へ変位し、これにより上流側方向への流体の流動が許容される(矢印j)。
また図4(b)では、シール溝7c内に複数枚の屈曲シール123を積層して装着した例を示している。この場合には、摺動隙間G1内における下流側方向への流体の流動(矢印f)は屈曲シール123によってシールされる。これに対し、摺動隙間G1内において上流側方向へ流体が流動(矢印h)することにより、屈曲シール123は外周面8dとの間に隙間を生じる方向に変位し、これにより上流側方向への流体の流動が許容される(矢印j)。
さらに図4(c)では、下流側ほど溝深さが浅いテーパ状の底面を有するシール溝7c*内に、Oリング部材124を装着した構成の隙間シール部の例を示している。この場合には、摺動隙間G1内における下流側方向への流体の流動(矢印f)は、シール溝7c*内において最も溝深さが浅い下流側に移動して押し付けられたOリング部材124によってシールされる。これに対し、摺動隙間G1内において上流側方向へ流体が流動(矢印h)することにより、Oリング部材124はシール溝7c*内において最も溝深さが深い上流側へ移動する。これにより、Oリング部材124と外周面8dとの間に隙間が生じ、上流側方向への流体の流動が許容される(矢印j)。
上記構成において第2のシールリング9が固定されたフローティングシート8は、固定流路が軸方向に形成され保持部材であるハウジング部材7に設けられた嵌合孔7aに軸方向の移動が許容された状態で嵌合する固定軸部8aを有し、側端面に固定流路8fが開口した第2のシール面9bを有する固定シール部となっている。なお本実施の形態においては、フローティングシート8を保持部材としてのハウジング部材7を介してケーシング3に装着する例を示しているが、ケーシング3にフローティングシート8を直接装着するようにしてもよい。この場合には保持部材としてのケーシング3に設けられた嵌合孔に固定軸部8aを軸方向の移動が許容された状態で嵌合させる。
ハウジング部材7が装着孔3aに嵌合した嵌合凸部7eの端部には、絞り部18が装着されている。絞り部18は、円形板状の円環部18aから軸方向に延出した円筒形状の円筒状部18bより成り、円環部18a、円筒状部18bを軸方向に貫通して流路径d2の絞り孔18cが設けられている。絞り部18は、円筒状部18bを固定流路8f内に挿入し、円環部18aを嵌合凸部7eの端部に固定することにより装着される。このとき、固定流路8fの内周面8eと円筒状部18bの外周面18dとの間には、所定の円環隙間G2(図5参照)が確保されるよう、各部寸法が設定されている。
すなわち上述構成において、絞り部18は固定流路8fの端部の上流側に設けられ、この固定流路8fの上流側の軸端部の流路内径d1よりも小さく、且つ下流側の段付き部8gの下流側の流路径d3よりも小さい流路径d2の絞り孔18cを有する。そして絞り孔18cが貫通して設けられた絞り部18は、保持部材であるハウジング部材7に固定されて嵌合孔7aの内径方向に延出した円環部18aと、この円環部18aから下流側に延出して固定流路8f内に所定の円環隙間G2で挿入された円筒状部18bとを有する形態となっている。絞り部18は、後述するように、絞り孔18cを流体が下流へ流動することにより生じた差圧によって、摺動隙間G1内の流体を固定流路に流動させる機能を有するものである。
次に図2を参照して、ロータリジョイント1の動作を説明する。流路孔3bを介して絞り孔18c内に供給対象の流体が送給され、さらに固定流路8f内に流入することにより、この流体の流体圧は固定流路8fの下流側に設けられた段付き部8gの側端面に作用する(矢印F)。これにより、固定軸部8aは嵌合孔7a内で回転部1a側へスライドし、第2のシールリング9は第1のシールリング5に対して、段付き部8gの側端面の投影面積に流体圧を乗じた大きさの流体力Fで押圧される。この流体力Fは第2のシール面9bと第1のシール面5bとを相互に密着させ、これにより固定流路8fから軸廻りに回転状態の回転流路4eへ送給される流体の漏洩を防止する面シール部10が形成される。
このフローティングシート8の軸方向のスライドにおいて、フランジ部8bに螺設されたボルト16およびボルト16を外包する円筒カラー17が、ハウジング部材7に軸方向に設けられたガイド孔7d内を摺動することにより、フローティングシート8の軸方向の移動がガイドされるとともに、軸廻りの廻り止めが行われる。
ロータリジョイント1の作動状態においては、送給される流体の圧力によるフローティングシート8の進出と、スピンドル軸2の進退動作によって、面シール部10のシール面の接離が行われる。すなわちフローティングシート8が後退して第1のシール面5bと第2のシール面9bとが相互に離隔した状態において、流体が流路孔3bに送給されることにより、固定流路8f内において流体力Fが段付き部8gの側端面に作用して軸方向に押圧する。これにより、フローティングシート8が前進(矢印a方向)し、第1のシール面5bと第2のシール面9bとが当接して相互に密着した面シール部10が形成される。これにより、固定流路8fから回転状態の回転流路4eへの流体の送給が行われる。
そしてスピンドル軸2が固定部1bに対して相対的に前進(矢印d方向)することにより、フローティングシート8は後退(矢印b方向)し、フランジ部8bがハウジング部材7に近接した位置に復帰する。そしてこの状態からスピンドル軸2を相対的に後退(矢印c方向)させることにより、第1のシール面5bと第2のシール面9bとが相互に離隔した状態に戻る。
次に図5を参照して、上記構成のロータリジョイント1における異物排出機能を説明する。図5は、流路孔3bを介して送給され嵌合孔7aに流入(矢印k)した流体が、固定軸部8aの固定流路8fを流下して回転部1a側へ向かって流れるときの状態を示している。このとき供給対象となる流体には、工作機械に循環使用されるクーラントなど、微少な切削屑などの異物20を含んでいる場合が多く、これらの異物20の一部は、摺動隙間G1内に流れ込む流体とともに摺動隙間G1内に進入する。そしてこれらの異物20の進入が反復して摺動隙間G1内において堆積固着すると、固定軸部8aの円滑な摺動が阻害される結果となる。
このような場合にあっても、本実施の形態に示すロータリジョイント1においては、以下に説明する絞り部18による差圧発生効果、いわゆるエジェクタ効果により摺動隙間G1内における流体の流動を誘起することができ、これにより摺動隙間G1内の異物20を排出することが可能となっている。すなわち、流路孔3bを介して供給された流体は、流路径が絞られた絞り孔18cを通過(矢印k)する際には流速が上昇し,この結果嵌合孔7aや摺動隙間G1,円環隙間G2との間に流速上昇分に相当する静圧差が生じる。
そしてこの差圧は、摺動隙間G1内において上流側への流動を誘起し(矢印l)、この流動により摺動隙間G1内の流体は異物20とともに、円環隙間G2を通過して固定流路8f内に排出される(矢印m)。このとき、摺動隙間G1に設けられた隙間シール部としてのリップシール12は、下流側から上流側方向への流体の流動(矢印n)を許容するシール特性を有しているため、摺動隙間G1においてリップシール12の下流側に存在する異物20をも含めて、上述の差圧による排出対象とすることができる。
これにより、嵌合孔7aおよび固定軸部8aの全範囲にわたって、摺動隙間G1内の異物付着を防止することができるようになっている。また円筒状部18bが固定流路8f内に嵌入する嵌入代を適切に設定することにより、対象とする工作機械の機種によって所要の動作ストロークが異なる場合にあっても、常に良好な動作状態を確保することが可能となっている。
なお上述の実施例においては、差圧発生のための絞り部として、円筒状部18bを固定流路8f内に挿入する構成の絞り部18を用いる例を示したが、本発明はこのような構成には限定されない。すなわち、固定流路8fの端部の上流側に設けられ、この固定流路8fの流路内径よりも小さい流路径で設けられて、上流側からの流体の流れを絞る効果を有するものであれば、どのような形態の絞り部を選択してもよい。例えば、図6に示すように、単純な穴付き円板形状の絞り部19を用いることもできる。
この例では、中心に固定流路8fの流路内径d1よりも小さい流路径d2の絞り孔19bが設けられた絞り部19の外縁部19aをハウジング部材7の嵌合凸部7eに固定する。そして上流側からの流体は、絞り孔19bを通過して固定流路8f内に流入する。このとき、絞り孔19bを通過する際の流速上昇分に相当する差圧が生じ、摺動隙間G1内の流体を異物20とともに固定流路8f内に吸引する流動が生じる(矢印o)。これにより、図5に示す例と同様の効果を得る。
上記説明したように、本実施の形態に示すロータリジョイント1では、保持部材であるハウジング部材7に設けられた嵌合孔7aに固定軸部8aが嵌合する摺動隙間G1に、この摺動隙間G1を固定軸部8aの軸方向の移動を許容しながら下流側方向への流体の流動のみを選択的にシールする隙間シール部としてのリップシール12を設け、固定流路8fの端部の上流側に設けられこの固定流路8fの流路内径よりも小さい流路径の絞り孔18cで設けられた絞り部18を備えるようにしたものである。これにより、絞り部18を流体が下流へ流動することにより生じた差圧によって摺動隙間G1内の流体を固定流路8fに流動させることができ、固定軸部8aと嵌合孔7aとの摺動隙間G1内に異物20が侵入して堆積固化することに起因する不具合を簡便な構成で有効に防止することができる。
本発明のロータリジョイントは、固定軸部と嵌合孔との摺動隙間内に異物が侵入して堆積固化することに起因する不具合を簡便な構成で有効に防止することができるという特徴を有し、工作機械の主軸などの回転部に液体クーラントやエアなどの流体を送給する用途に有用である。
1 ロータリジョイント
1a 回転部
1b 固定部
2 スピンドル軸
3 ケーシング部材
4 ロータ
4e 回転流路
5 第1のシールリング
5b 第1のシール面
8 フローティングシート
8a 固定軸部
8f 固定流路
9 第2のシールリング
9b 第2のシール面
10 面シール部
12 リップシール
18、19 絞り部
18c、19b 絞り孔
G1 摺動隙間
G2 円環隙間

Claims (4)

  1. 軸方向の回転流路が設けられ回転軸に装着される回転部および軸方向の固定流路が設けられた固定部を同軸配置して成り、流体供給源から供給される流体を軸心廻りに回転する前記回転部の回転流路へ前記固定流路を介して送給するロータリジョイントであって、
    前記回転部に設けられ側端面に前記回転流路が開口した第1のシール面を有する回転シール部と、
    前記固定流路が前記軸方向に貫通して形成され保持部材に設けられた嵌合孔に所定の摺動隙間を保って前記軸方向の移動が許容された状態で嵌合する固定軸部を有し、一方側の側端面に前記固定流路が開口した第2のシール面を有する固定シール部と、
    前記摺動隙間に設けられこの摺動隙間を前記軸方向の移動を許容しながら下流側方向への流体の流動のみを選択的にシールする隙間シール部と、
    前記固定流路の端部の上流側に設けられ、この固定流路の上流側の軸端部の流路内径よりも小さい流路径で設けられた絞り部とを備え、
    前記流体供給源から前記嵌合孔内へ前記流体を供給して前記固定軸部を流体力によって下流側へ押圧することにより、前記第1のシール面と第2のシール面とを相互に密着させて面シール部を形成し、
    前記絞り部を流体が下流へ流動することにより生じた差圧によって前記摺動隙間内の流体を固定流路に流動させることを特徴とするロータリジョイント。
  2. 前記絞り部は、前記保持部材に固定されて前記嵌合孔の内径方向に延出した円環部と、この円環部から下流側に延出して前記固定流路内に所定の円環隙間で挿入された円筒状部とを有することを特徴とする請求項1記載のロータリジョイント。
  3. 前記隙間シール部は、前記摺動隙間に開口した円周溝内にリップを上流側に向けて装着されたリップシールであることを特徴とする請求項1または2記載のロータリジョイント。
  4. 前記隙間シール部は、前記摺動隙間に開口した円周溝内においてOリング部材を付勢部材によって下流側に付勢して構成されることを特徴とする請求項1または2記載のロータリジョイント。
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