JP5899932B2 - スピンドル装置 - Google Patents

Description

本発明は、スピンドル装置に関し、より詳細には、防水機能を有し、工作機械に適用するのに好適なスピンドル装置に関する。

工作機械等に適用されるスピンドル装置の回転軸は、高速回転して被加工物の切削加工や研削加工を行っている。加工に際して、一般的に、刃具および加工部位の潤滑や冷却を目的として多量の加工液が加工部位に供給される。即ち、潤滑により、被削特性の向上、加工刃先の摩耗抑制、工具寿命の延長などが図られる。また、冷却により、刃具及び被加工物の熱膨張が抑制されて加工精度の向上、加工部位の熱溶着を防止して加工効率の向上や加工面の表面性状の向上が図られる。スピンドル装置と加工部位との距離が近いこともあり、加工液がスピンドル装置の前面にも多量にかかる。加工液が軸受内部に浸入すると、軸受の潤滑不良や焼付きなどの原因となるため軸受の防水性能が重要となる。特に、グリース封入潤滑やグリース補給潤滑される軸受においては、エアと共に潤滑油が供給されるオイルエア潤滑やオイルミスト潤滑の軸受と比較して軸受内部が低圧であるため、加工液が軸受内部に浸入しやすく、より高い防水性能が必要となる。

一般的な防水機構としては、オイルシールやＶリングなどの接触式シールが知られている。しかしながら、この接触式シールを、ｄｍｎ値で１００万以上（より好適には、１５０万以上）の高速回転で使用されるスピンドル装置に適用した場合、接触式シールの接触部からの発熱が大きく、シール部材が摩耗して防水性能を長期間に亘って維持し難い問題がある。このため、工作機械では、スピンドル装置の前端部（工具側）に、回転軸と一体回転可能にフリンガーを固定し、該フリンガーとハウジングとの間の隙間を小さくした非接触シールである、所謂ラビリンスシールを構成して防水を図っている。高速で回転するフリンガーは、ラビリンス効果と共に、フリンガーに降りかかった加工液を遠心力で径方向外方に振り飛ばして、加工液の軸受内部への浸入を防止している。

フリンガーによる遠心力及びラビリンス効果を利用した防水効果は、回転の高速化や大径のフリンガーを用いることで遠心力を大きくすると共に、フリンガーとハウジングとの間の隙間を極力小さく、且つ、長く設けることが効果的である。しかし、高速回転したり、フリンガーの直径を大きくすると、フリンガーに作用する遠心力及びフープ応力もこれに比例して大きくなる。

遠心力による影響を抑制する従来の技術としては、工具に装着されたコレットを工具保持部のテーパ孔に挿入し、工具保持部に螺合するナットを締め付けて工具を工具保持部に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１参照。）。

特開平６−２２６５１６号公報

一般的にフリンガーは、ＳＣ材、ＳＣＭ材、ＳＵＳ材、ＡＬ材、ＣＵ材などの比較的比重が大きな金属材料で製作されている。従って、フリンガーに降りかかる加工液に大きな遠心力を作用させるために、フリンガーの直径を大きくすると、フリンガー自身、特に外径側に大きな遠心力が作用する。工作機械の回転軸のようにｄｍｎ値が１００万以上となる高速回転においては、遠心力によってフリンガーが変形したり、極端な場合には遠心力がフリンガーの引張強度を越えて破壊に至る可能性がある。このため、遠心力による影響が許容される程度に、フリンガーの直径や回転軸の回転速度を制限する必要がある。

従来のｄｍｎ値が１００万以上となる環境下で使用されるスピンドル装置では、遠心力の大きさを考慮してフリンガーの径方向寸法を制限していたために、防水性能の点で改善の余地があった。

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、ｄｍｎ値が１００万以上の高速回転可能、且つ、良好な防水機能を有するスピンドル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。
回転軸と、前記回転軸をハウジングに対して回転自在に支持する軸受と、前記軸受への液体の浸入を抑制する防水機構の少なくとも一部を構成し、前記回転軸に一体回転可能に固定される回転部材と、を備えたスピンドル装置であって、
前記回転部材の少なくとも一部は、炭素繊維複合材料から形成され、
前記回転部材は、前記ハウジングに対して僅かな隙間を介して対向配置されるフリンガーであり、
前記フリンガーは、径方向において少なくとも２部材から構成され、外径側に炭素繊維複合材料から形成される部材が配置され、且つ、軸方向で前記ハウジングと対向する面に前記ハウジング側に突出する凸部を有し、
前記ハウジングは、前記フリンガーと対向する面に前記凸部を僅かな隙間を介して収容する凹部を有し、
前記フリンガーの凸部に、前記少なくとも２部材の境界面が存在することを特徴とするスピンドル装置。

上記のスピンドル装置によれば、回転軸に一体回転可能に固定され、軸受への液体の浸入を抑制する防水機構の一部を構成する回転部材の少なくとも一部が、炭素繊維複合材料から形成されているので、金属と比較して質量が小さくなることで遠心力が小さくなり、遠心力による回転部材への影響を軽減することができる。また、引張強度が金属と比較して高いので、遠心力による変形が更に抑制される。これにより、回転軸の高速回転化が可能となると共に、回転部材に対する大きさの制限が大幅に緩和されて径方向長さを大きくすることができるため、ラビリンスを長く確保することで良好な防水性能が得られる。

上記のスピンドル装置によれば、防水機構の主要な構成要素であるフリンガーの少なくとも一部を炭素繊維複合材料とすることで、より防水性能を向上させることができる。

上記のスピンドル装置によれば、内径側に金属材料から形成される部材を配置することで、高精度な加工が可能となる。また、軸受固定用のナットで挟み込む部分を金属材料から形成される部材とすることで、典型的に金属材料から形成される回転軸との線膨張係数の違いによる回転軸との伸び量の差が小さくなり、軸方向固定力が落ちにくくなる。

上記のスピンドル装置によれば、２部材の接触面積を大きく確保することができる。

本発明の第１実施形態に係るスピンドル装置の断面図である。 図１に示すスピンドル装置の要部拡大図である。 本発明の第２実施形態に係るスピンドル装置の要部拡大図である。 本発明の第３実施形態に係るスピンドル装置の要部拡大図である。

以下、本発明に係るスピンドル装置の各実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本明細書における図２及び図３に示す構成に関しては、発明の前提となる参考例である。
（第１実施形態）

図１及び図２に示すように、本実施形態のスピンドル装置１０は、工作機械用のモータビルトイン式スピンドル装置であり、回転軸１１が、その工具側（前側）を支承する２列の前側軸受５０，５０と、反工具側（後側）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。ハウジングＨは、工具側から順に、前側軸受外輪押さえ１２、外筒１３、及び後側ハウジング１４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１３に内嵌されており、外筒１３にボルト１５で締結された前側軸受外輪押え１２によって外輪間座５４を介して外筒１３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１１に外嵌されており、回転軸１１に締結されたナット１６によって回転部材であるフリンガー４０及び内輪間座５５を介して回転軸１１に対し軸方向に位置決め固定されている。

フリンガー４０は、前側軸受５０，５０より工具側（図中左側）において回転軸１１に外嵌し、ナット１６で内輪５２，５２と共に回転軸１１に固定されている。

後側軸受６０，６０の外輪６１，６１は、後側ハウジング１４に対して軸方向に摺動自在に内嵌するスリーブ１８に内嵌すると共に、このスリーブ１８に不図示のボルトで一体的に固定された後側軸受外輪押え１９によって、外輪間座６４を介してスリーブ１８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１１に外嵌されており、回転軸１１に締結された他のナット２１によって、内輪間座６５を介して回転軸１１に対し軸方向に位置決め固定されている。後側ハウジング１４と後側軸受外輪押え１９との間にはコイルばね２３が配設され、このコイルばね２３のばね力が、後側軸受外輪押え１９をスリーブ１８と共に後方に押圧する。これにより、後側軸受６０，６０に予圧が付与される。

回転軸１１の工具側には、軸中心を通り軸方向に形成された工具取付孔２４及び雌ねじ２５が設けられている。工具取付孔２４及び雌ねじ２５は、刃具などの不図示の工具を回転軸１１に取付けるために使用される。なお、雌ねじ２５の代わりに、タップが設けられ、工具がタップ留めされるようにしてもよい。また、工具取付孔２４及び雌ねじ２５の代わりに、回転軸１１の軸芯に従来公知のドローバー（図示せず）を摺動自在に挿嵌するようにしてもよい。ドローバーは、いずれも不図示の工具ホルダを固定するコレット部を備え、皿ばねの力によって反工具側方向に付勢する。

回転軸１１の前側軸受５０，５０と後側軸受６０，６０間の略軸方向中央には、回転軸１１と一体回転可能に配置されるロータ２６と、ロータ２６の周囲に配置されるステータ２７とを備える。ステータ２７は、ステータ２７に焼き嵌めされた冷却ジャケット２８を、ハウジングＨを構成する外筒１３に内嵌することで、外筒１３に固定される。ロータ２６とステータ２７はモータＭを構成し、ステータ２７に電力を供給することでロータ２６に回転力を発生させて回転軸１１を回転させる。

フリンガー４０は、回転軸１１に外嵌するボス部４１と、ボス部４１から径方向外方に延設された円盤部４２と、該円盤部４２の外周部から後方（前側軸受外輪押さえ１２側）に向かってリング状に延設された円環部４３と、を有する。円盤部４２の径方向中間には、前側軸受外輪押さえ１２と対向する面に、前側軸受外輪押さえ１２側に向かって突出する凸部４４が形成されている。

前側軸受外輪押さえ１２には、フリンガー４０と対向する面に、フリンガー４０の凸部４４と対向して該凸部４４を僅かな隙間を介して収容可能な凹部３１が形成されている。また、前側軸受外輪押さえ１２には、外周前端側に小径部３２が形成されている。

フリンガー４０は、前側軸受外輪押さえ１２と僅かな軸方向隙間及び径方向隙間を介して対向配置され、所謂ラビリンスシールを構成する。より具体的に説明すると、フリンガー４０の凸部４４が前側軸受外輪押さえ１２の凹部３１に僅かな隙間を介して収容されると共に、リング状の円環部４３が小径部３２の外周面を覆うように、僅かな径方向隙間、例えば０．５ｍｍ程度の隙間を介して配置されている。

特に、円環部４３と小径部３２との間には、その周速度の差によってエアカーテンが形成され、被加工物を加工する際、スピンドル装置１０に降りかかる加工液が前側軸受５０，５０側に入ることを抑制するための防水機構を構成する。

フリンガー４０は、金属と比較して、引張強度が高く、比重が小さい炭素繊維複合材料（ＣＦＲＰ）から形成されている。

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。また、ピッチ系を主原料とした炭素繊維を使用することもできる。炭素繊維複合材料は、纖維方向・角度を最適化することで、引張強度、引張弾性率、線膨張係数などの物性値を用途に合わせて最適化することができる。

炭素繊維複合材料の特性としては、例えば、引張強度１８００〜３５００ＭＰａ、引張弾性率１３０〜２８０ＧＰａ、比重１．５〜２．０ｇ／ｃｃの物性値を持ったＰＡＮ系を主原料とした炭素繊維を用いると、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（比強度では、通常の金属材料に比べて略３倍となる）。また、熱膨張係数は、繊維方向・角度を最適化することにより、−５〜＋１２×１０^−６Ｋ^−１にすることができるので、従来の炭素鋼に比べて１〜１／１０程度にすることができる。

このように、金属と比較して比重が小さい炭素繊維複合材料を用いることで、直径が同じであればフリンガー４０に作用する遠心力を大幅に小さくすることができ、高速回転時におけるフリンガー４０の遠心力破損の虞がなくなる。更に、引張強度が金属と比較して同等以上であるため、遠心力による変形も抑えられる。従って、回転軸１１の回転速度に対する制約や、フリンガー４０の大きさ（径方向）に対する制限を大幅に緩和することができる。

これにより、従来達成することが困難であった更なる高速回転化、或いはフリンガー４０の大型化が可能となり、加工液に作用する遠心力を高めて、降りかかる加工液を確実に径方向外方に振り飛ばして軸受内部への浸入を防止することができる。また、フリンガー４０の円環部４３に作用する遠心力が小さくなることで、比較的強度が弱い片持ち構造となる円環部４３の開口側（図中右側）が径方向外方へ拡径することを抑制することができる。これにより、円環部４３の径方向長さ及び軸方向長さを長く設定して、ラビリンスシールの長さが長くなり防水効果が向上する。

フリンガー４０と回転軸１１との嵌合は、金属と炭素繊維複合材料との線膨張係数の差を考慮して、例えば数μｍ程度のすきま嵌めとするのが好ましく、この場合、高速回転時に回転軸１１の膨張によりしまり嵌め嵌合となる。また、フリンガー４０と前側軸受外輪押さえ１２との隙間も、両者の線膨張係数の差を考慮して、金属製の回転軸１１や前側軸受外輪押さえ１２が熱膨張しても干渉の発生が生じない程度の隙間（例えば、φ０．５ｍｍ以下）に設定される。

以上説明したように、本実施形態のスピンドル装置１０によれば、回転軸１１に一体回転可能に固定され、前側軸受５０，５０への加工液の浸入を抑制する防水機構の一部を構成するフリンガー４０の少なくとも一部が、炭素繊維複合材料から形成されているので、金属と比較して質量が小さく、同じ回転速度であれば遠心力が小さくなるので、遠心力によるフリンガー４０への影響を軽減することができる。さらに、引張強度が金属と比較して高いので、遠心力による変形が更に抑制される。これにより、回転軸１１の高速回転化、即ちｄｍｎ値で１００万以上、より好ましくはｄｍｎ値で１５０万以上でも使用できると共に、フリンガー４０に対する大きさの制限が大幅に緩和されて径方向長さを大きくすることができるため、ラビリンスを長く確保することで良好な防水性能が得られる。

また、フリンガー４０は、ハウジングＨを構成する前側軸受外輪押さえ１２に対して僅かな隙間を介して対向配置されるので、フリンガー４０と前側軸受外輪押さえ１２とにより非接触シールであるラビリンスシールを構成することができ、長期間に亘って安定して前側軸受５０，５０への加工液の浸入を抑制することができる。

（第２実施形態）
次に、スピンドル装置の第２実施形態を図３に基づいて説明する。図３は本発明の第２実施形態であるスピンドル装置の要部断面図であり、フリンガーの構成が第１実施形態と異なる。その他の部分については、本発明の第１の実施形態のスピンドル装置と同様であるので、同一部分には同一符号又は相当符号を付して説明を簡略化又は省略する。

本実施形態のスピンドル装置１０Ａのフリンガー４０Ａは、円環部４３が、円環部４３の外周面を含む外径側円環部４３ａと、外径側円環部４３ａの内径側に位置する内径側円環部４３ｂと、から構成される。外径側円環部４３ａと内径側円環部４３ｂは、異なる材料から形成され、外径側円環部４３ａは炭素繊維複合材料から形成され、内径側円環部４３ｂはボス部４１と円盤部４２と一体的に、主に、ＳＣ材、ＳＣＭ材、ＳＵＳ材、ＡＬ材、ＣＵ材などの金属材料から形成される。

このように、遠心力が最も大きくなる外径側円環部４３ａを炭素繊維複合材料で形成することにより、遠心力を抑制すると共に、機械的強度の高い炭素繊維複合材料で内径側円環部４３ｂの膨張を抑えることで、高速回転時のフリンガー４０Ａの変形や破損を防止する。

金属材料から形成される内径側円環部４３ｂと炭素繊維複合材料から形成される外径側円環部４３ａとの固定方法は、一体成形、インサート成形、接着剤固定などの方法が採用可能である。あるいは、冷却した内径側円環部４３ｂにリング状の外径側円環部４３ａを嵌合させる冷やし嵌めとすることもできる。冷やし嵌めの場合、例えば、０．００５ｍｍ程度の小さなシメシロ嵌合であっても、回転時には、比重差に起因して金属材料から形成される内径側円環部４３ｂに大きな遠心力が作用し、シメシロが増大して確実に固定される。

また、最外周部である外径側円環部４３ａを除くフリンガー４０Ａの主要部を金属で形成することにより、複雑形状の加工、高精度での加工が容易であり、全体が炭素繊維複合材料で形成されたフリンガー４０と比較してフリンガー４０Ａと前側軸受外輪押さえ１２との隙間を小さくすることができる。また、ナット１６によって内輪５２，５２を軸方向に固定するフリンガー４０Ａのボス部４１が、回転軸１１、ナット１６、内輪５２，５２、及び内輪間座５５と同じ金属製であるため、線膨張係数の差による伸び量の差が少なく、内輪５２，５２の軸方向固定力が変化し難い。

本実施形態のスピンドル装置１０Ａによれば、フリンガー４０Ａの円環部４３が、内径側に配置される金属製の内径側円環部４３ｂと、該内径側円環部４３ｂの外径側に配置される炭素繊維複合材料製の外径側円環部４３ａと、の２部材から構成されるので、発生する遠心力が抑制されると共に、外径側円環部４３ａで内径側円環部４３ｂの膨張を抑えることで、高速回転時のフリンガー４０Ａの変形や破損を防止することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明のスピンドル装置の第３実施形態を説明する。図４は本発明の第３実施形態であるスピンドル装置の要部断面図であり、フリンガーの構成が第１及び第２実施形態と異なる。その他の部分については、本発明の第１の実施形態のスピンドル装置と同様であるので、同一部分には同一符号又は相当符号を付して説明を簡略化又は省略する。

本実施形態のスピンドル装置１０Ｂのフリンガー４０Ｂは、凸部４４の略中間面より外径側に配置される外径側フリンガー４７ａと、凸部４４の略中間面より内径側に配置される内径側フリンガー４７ｂと、から構成される。外径側フリンガー４７ａと内径側フリンガー４７ｂは、異なる材料から形成され、外径側フリンガー４７ａは炭素繊維複合材料から形成され、内径側円環部４３ｂは、主に、ＳＣ材、ＳＣＭ材、ＳＵＳ材、ＡＬ材、ＣＵ材などの金属材料から形成される。

従って、円盤部４２の凸部４４には、金属材料から形成される内径側フリンガー４７ｂと炭素繊維複合材料から形成される外径側フリンガー４７ａとの境界面４５が存在することとなる。

これにより、内径側フリンガー４７ｂの外径を小さくして遠心力を抑制すると共に、金属材料から形成される内径側フリンガー４７ｂと炭素繊維複合材料から形成される外径側フリンガー４７ａとの接合面積を大きくすることができ、接合強度が向上する。なお、金属材料から形成される内径側円環部４３ｂと炭素繊維複合材料から形成される外径側円環部４３ａとの固定方法、及び線膨張係数の差による内輪５２，５２の軸方向固定力が維持されることは、第２実施形態のスピンドル装置１０Ａと同様である。

本実施形態のスピンドル装置１０Ｂによれば、フリンガー４０Ｂは、前側軸受外輪押さえ１２と対向する面に前側軸受外輪押さえ１２側に突出する凸部４４を有し、前側軸受外輪押さえ１２は、フリンガー４０Ｂと対向する面に凸部４４を僅かな隙間を介して収容可能な凹部３１を有する。フリンガー４０Ｂの凸部４４に、金属材料から形成される内径側フリンガー４７ｂと炭素繊維複合材料から形成される外径側フリンガー４７ａとの境界面４５が配置されるので、フリンガー４０Ｂの内径側フリンガー４７ｂの直径が小さくなり、遠心力が小さくなる。また、内径側フリンガー４７ｂと外径側フリンガー４７ａとの接合面積を大きくすることができ、接合強度が向上して遠心力によるフリンガー４０Ｂの損傷が防止される。

なお、フリンガー４０Ｂは、径方向において２部材に分割されている場合に限らず、３部材以上に分割されていてもよい。この場合、最外径部に位置する部材が炭素繊維複合材料から形成される。

なお、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、上記実施形態では、フリンガーは、外周部に円環部を備えるものとして説明したが、スピンドル装置が縦型スピンドル装置として使用される場合などでは、円環部を有しないフリンガーとすることもできる。また、モータビルトイン式スピンドル装置として説明したが、これに限定されず、ベルト駆動方式スピンドル装置、モータの回転軸とカップリング連結されたモータ直結駆動方式スピンドル装置にも同様に適用可能である。更に、工作機械用のスピンドル装置に限定されず、防水機能が要望される、他の高速回転機器のスピンドル装置にも適用することができる。

１０，１０Ａ，１０Ｂ スピンドル装置
１１ 回転軸
３１ 凹部
４０，４０Ａ，４０Ｂ フリンガー（回転部材）
４４ 凸部
４５ 境界面
５０ 前側軸受（軸受）
６０ 後側軸受
Ｈ ハウジング

Claims (1)

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支持する軸受と、前記軸受への液体の浸入を抑制する防水機構の少なくとも一部を構成し、前記回転軸に一体回転可能に固定される回転部材と、を備えたスピンドル装置であって、
   前記回転部材の少なくとも一部は、炭素繊維複合材料から形成され、
   前記回転部材は、前記ハウジングに対して僅かな隙間を介して対向配置されるフリンガーであり、
   前記フリンガーは、径方向において少なくとも２部材から構成され、外径側に炭素繊維複合材料から形成される部材が配置され、且つ、軸方向で前記ハウジングと対向する面に前記ハウジング側に突出する凸部を有し、
   前記ハウジングは、前記フリンガーと対向する面に前記凸部を僅かな隙間を介して収容する凹部を有し、
   前記フリンガーの凸部に、前記少なくとも２部材の境界面が存在することを特徴とするスピンドル装置。

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