JP6210123B2 - 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） 金属製の回転軸と、
前記回転軸をハウジングに対して回転自在に支持し、内輪が前記回転軸にそれぞれ外嵌する軸受と、
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、
軸方向において、前記軸受と、前記ロータ又は前記ロータが取り付けられるロータスリーブが前記回転軸に嵌合する位置との間であって、軸方向における、前記軸受と、前記ロータ又は前記ロータスリーブが前記回転軸に嵌合する位置を含まない箇所であり、且つ、前記回転軸の内周面と前記回転軸の外周面との少なくとも一ヶ所には、環状溝が形成され、
前記回転軸よりも熱伝達率及び熱膨張率が小さい部材が前記環状溝に一体に結合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） 前記回転軸よりも熱伝達率及び熱膨張率が小さい部材は、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。

本発明によれば、軸方向において、軸受と、ロータ又はロータが取り付けられるロータスリーブが回転軸に嵌合する位置との間であって、軸方向における、前記軸受と、前記ロータ又は前記ロータスリーブが前記回転軸に嵌合する位置を含まない箇所であり、且つ、回転軸の内周面と回転軸の外周面との少なくとも一ヶ所には、環状溝が形成され、回転軸よりも熱伝達率及び熱膨張率が小さい部材が環状溝に一体に結合されるので、ロータから回転軸に伝達された熱が、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。

本発明の第１実施形態に係る主軸装置の断面図である。 第１実施形態の変形例に係る主軸装置の要部断面図である。 本発明の第２実施形態に係る主軸装置の断面図である。 第２実施形態の変形例に係る主軸装置の要部断面図である。 第１及び第２実施形態を組み合わせて適用した、本発明の変形例に係る主軸装置の要部断面図である。

以下、本発明に係るモータビルトイン方式の主軸装置の各実施形態を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。

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間の略軸方向中央には、ロータスリーブ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ロータスリーブ７０は、金属から構成される。また、ロータスリーブ７０が嵌合する回転軸１２の嵌合部の外周面には、複数の環状溝７１を画成するように環状の外向き凸部７２が形成されている。各環状溝７１には、炭素繊維複合材料（ＣＦＲＰ）７３がリング状に配置され、しまり嵌め、接着、或いは一体成形などにより回転軸１２に一体固定される。

炭素繊維複合材料（ＣＦＲＰ）としては、熱伝達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、熱伝達率が小さい炭素繊維複合材料７３を、ロータスリーブ７０と嵌合する複数の環状溝７１に配置して、ロータスリーブ７０と回転軸１２の金属同士の接触面積、即ち、熱伝導面積を少なくすることで、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、金属と同等の強度を有したまま、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できる。

また、熱伝達率が小さい炭素繊維複合材料７３が位置する以外のロータスリーブ７０と回転軸１２との対向面、即ち、ロータスリーブ７０の内周面と、回転軸１２の環状の外向き凸部７２とは、金属同士のはめあいを残している。金属製のロータスリーブ７０が、金属と比較して表面硬度が低く弾性変形し易い炭素繊維複合材料７３とのみ嵌合する場合、はめあいの適正な管理が難しくなる。一方、本実施形態のように、回転軸１２の環状の外向き凸部７２と、ロータスリーブ７０との、金属同士のはめあいを残すことで、嵌合部におけるしめしろの適正な管理が容易となる。

具体的に、炭素繊維複合材料７３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７３は、纖維方向により異方性であるが、荷重方向に合わせて繊維方向を決めることができ、成型時に繊維の方向を交差させることにより等方性にして使用するのがよい。

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（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、回転軸１２の環状溝７１と環状の外向き凸部７２との比率、換言すれば、ロータスリーブ７０と回転軸１２との嵌合部における金属同士の接触面積と、金属と炭素繊維複合材料７３との接触面積との比率は、ロータスリーブ７０と回転軸１２との嵌合部における断熱効果と結合強度とのバランスに基づいて決定される。

また、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。

金属製のロータスリーブ７０とロータ２０とは、しまり嵌め、接着、或いは一体成形などで結合する。複数の珪素鋼板が積層されてなるロータ２０を、金属からなる外向き凸部７２と炭素繊維複合材料７３とが混在する軸部にしまり嵌めで嵌合させる場合、外向き凸部７２と嵌合する珪素鋼板と、金属と比較して表面硬度が低い炭素繊維複合材料７３と嵌合する珪素鋼板とでは、はめあいにばらつきが生じる可能性がある。このため、複数の珪素鋼板間でのバランスにずれが生じてモータＭの性能に影響を及ぼす虞がある。一方、本実施形態では、ロータ２０がロータスリーブ７０を介して回転軸１２に嵌合することで、はめあいにばらつきが生じることがなく、しめしろの管理が容易である。

ロータ２０とロータスリーブ７０、及びロータスリーブ７０と回転軸１２とを、しまり嵌めで嵌合する場合、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、各部材の線膨張係数の違い（本実施形態においては金属同士の嵌合となるので略等しい）による径方向膨張量差を見込み、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の内径とロータスリーブ７０の外径間、及びロータスリーブ７０の内径と回転軸１２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。

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、ロータ２０と回転軸１２との間にロータスリーブ７０が設けられ、ロータスリーブ７０と対向する回転軸１２の外周面には、回転軸１２よりも熱伝達率が小さい部材である炭素繊維複合材料７３が部分的に介在するので、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、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。

また、回転軸１２の外周面に複数の環状溝７１を画成するように環状の外向き凸部７２が形成され、複数の環状溝７１に回転軸１２よりも熱伝達率が小さい炭素繊維複合材料７３が配置され、ロータスリーブ７０の内周面と回転軸１２の環状の外向き凸部７２とが、しまり嵌めで嵌合するので、炭素繊維複合材料７３によりロータ２０の発熱を回転軸１２に伝わり難くすることができ、また、回転軸１２とロータスリーブ７０とを金属同士の安定したはめあいとすることができる。

さらに、回転軸１２よりも熱伝達率が小さい部材は、炭素繊維複合材料から形成されるので、効率的にロータ２０からの熱伝達を抑制することができる。

図２は、第１実施形態の変形例に係る主軸装置の要部断面図である。本変形例の主軸装置１０では、炭素繊維複合材料７３の配置位置が第１実施形態と逆であり、金属製のロータスリーブ７０の内周面に、複数の環状溝７４を画成するように環状の内向き凸部７５が形成されている。各環状溝７４には、炭素繊維複合材料（ＣＦＲＰ）７３がリング状に配置され、しまり嵌め、接着、或いは一体成形などにより結合される。

これにより、ロータスリーブ７０の内周面に熱伝達率の小さな炭素繊維複合材料７３を部分的に配置してロータスリーブ７０と回転軸１２との金属同士の接触面積を少なくすることで、ロータスリーブ７０から回転軸１２への熱伝達面積を小さくして、ロータスリーブ７０を介して回転軸１２に伝達されるロータ２０の熱を抑制している。

また、ロータスリーブ７０の内向き凸部７５と、回転軸１２の外周面との金属同士のはめあいを残して、回転軸１２とロータスリーブ７０とをしまり嵌めで嵌合することで、しめしろの管理が容易となる。
さらに、炭素繊維複合材料７３を別部材で形成することにより、炭素繊維複合材料７３を備えたロータスリーブ７０を、他の主軸装置と共用化することが可能となる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態の主軸装置について図３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は同一符号を付して説明を省略或いは簡略化する。

図３に示すように、本実施形態の主軸装置１０では、ロータ２０が、回転軸１２の軸方向略中央に、直接しまり嵌めされて外嵌固定されている。
回転軸１２には、ロータ２０が嵌合する位置から軸方向両側に離れた外周面に、一対の外周側環状溝７６が形成され、また、回転軸１２の内周面には、一対の内周側環状溝７７が形成されている。外周側環状溝７６、及び内周側環状溝７７には、それぞれ回転軸１２よりも熱伝達率が小さい炭素繊維複合材料（ＣＦＲＰ）７３がリング状に配置され、しまり嵌め、接着、或いは一体成形などにより回転軸１２と一体に結合されている。

これにより、ロータ２０と回転軸１２との嵌合部（回転軸１２の略軸方向中央部）と、前側軸受５０及び後側軸受６０との間に、熱伝達率が小さな炭素繊維複合材料７３が配置されて、熱伝導率が高い金属部の断面積（熱伝導面積）が小さくなっている。

従って、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に伝わり難くなり、内輪温度の昇温を抑えることで内外輪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できる。

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、前側及び後側軸受５０、６０との間、且つ、回転軸１２の内周面と、ロータ２０が嵌合する位置から離れた回転軸１２の外周面に、回転軸１２よりも熱伝達率が小さい炭素繊維複合材料７３が配置されるので、ロータ２０から回転軸１２に伝達された熱が、前側及び後側軸受５０、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、軸受５０、６０の焼き付き発生を防止することができる。
また、両環状溝７６、７７と一体結合されている炭素繊維複合材料７３は、金属と同等以上の強度を有するので、回転軸１２の強さが低下することはない。

なお、本実施形態においても、ロータ２０は、ロータスリーブを介して回転軸１２に外嵌させることもできる。
また、図３に示す実施形態では、外周側環状溝７６と内周側環状溝７７とは、略等しい幅を有し、軸方向同一位置に形成されているが、これに限定されない。即ち、炭素繊維複合材料７３は、前側及び後側軸受５０、６０との間、且つ、回転軸１２の内周面と、ロータ２０又はロータスリーブが嵌合する位置から離れた回転軸１２の外周面との少なくとも一ヶ所に配置されればよい。

例えば、図４は、第２実施形態の変形例に係る主軸装置の要部断面図である。回転軸１２の内周側環状溝７７は、ロータ２０と軸方向にオーバーラップする位置に配置されている。また、内周側環状溝７７は、ロータ２０の軸方向両側に形成された外周側環状溝７６と径方向にオーバーラップして形成されている。

そして、外周側環状溝７６、及び内周側環状溝７７には、熱伝達率が小さな炭素繊維複合材料７３が、しまり嵌め、接着、或いは一体成形などにより回転軸１２と一体に結合されているので、回転軸１２のロータ２０との嵌合部と、前側軸受５０及び後側軸受６０との間の熱伝導面積が小さくなり、前側及び後側軸受５０，６０の内輪５２，６２の温度昇温を効果的に抑制することができる。

なお、本発明は、前述した各実施形態及び各変形例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、前後軸受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。

また、第１実施形態と第２実施形態とは組み合わせて適用することができる。例えば、図５に示すように、第１実施形態の変形例と同様、内周面に設けられた環状溝７４に炭素繊維複合材料７３がリング状に配置されたロータスリーブ７０が、回転軸１２の外周面に嵌合している。さらに、回転軸１２には、ロータスリーブ７０との嵌合部と軸方向にオーバーラップして形成された内周側環状溝７７に炭素繊維複合材料７３が配置されている。

これにより、本変形例の主軸装置１０では、ロータスリーブ７０及び回転軸１２に設けられた炭素繊維複合材料７３によって、ロータスリーブ７０と回転軸１２との嵌合部、及び、前側軸受５０及び後側軸受６０との間の回転軸１２において、熱伝導面積が少なくなっており、前側及び後側軸受５０，６０の内輪５２，６２の温度昇温が抑制される。

１０ モータビルトイン方式の主軸装置
１２ 回転軸
２０ ロータ
２２ ステータ
５０ 前側軸受
６０ 後側軸受
７０ ロータスリーブ
７１、７４ 環状溝
７２ 外向き凸部
７３ 炭素繊維複合材料（熱伝達率が小さい部材）
７５ 内向き凸部
７６ 外周側環状溝
７７ 内周側環状溝
Ｈ ハウジング
Ｍ モータ

Claims (2)

1. 金属製の回転軸と、
   前記回転軸をハウジングに対して回転自在に支持し、内輪が前記回転軸にそれぞれ外嵌する軸受と、
   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、
   軸方向において、前記軸受と、前記ロータ又は前記ロータが取り付けられるロータスリーブが前記回転軸に嵌合する位置との間であって、軸方向における、前記軸受と、前記ロータ又は前記ロータスリーブが前記回転軸に嵌合する位置を含まない箇所であり、且つ、前記回転軸の内周面と前記回転軸の外周面との少なくとも一ヶ所には、環状溝が形成され、
   前記回転軸よりも熱伝達率及び熱膨張率が小さい部材が前記環状溝に一体に結合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. 前記回転軸よりも熱伝達率及び熱膨張率が小さい部材は、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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