JP6386340B2 - 主軸装置 - Google Patents

Description

本発明は、主軸装置に関し、更に詳細には、滑り軸受によって主軸が支持されている主軸装置に関する。

工作機械に用いられる主軸装置として、主軸の支持をメタル軸受と呼ばれる滑り軸受によって行うものが知られている（例えば、特許文献１）。滑り軸受装置として、マッケンゼン軸受と呼ばれるような非真円形状の滑り軸受部材を用い、滑り軸受部材の内周と主軸の外周との間の周方向の複数箇所、多くの場合、１２０度間隔の３箇所に楔形状の間隙（圧力発生部）が形成され、当該隙間に潤滑油（非圧力性の粘性流体）が引き込まれることにより生じる動圧（油膜圧力）によって回転軸（主軸）の支持を行うものが知られている（例えば、特許文献２）。

特開２００４−９１８０号公報 特開２００１−６５５４８号公報

動圧方式の滑り軸受装置では、高い同心支持精度を得るために、主軸の円周周りの複数箇所の圧力発生部が互いに均等な動圧を生じるように、滑り軸受部材の配置部の全体が潤滑油に浸漬され、複数箇所の圧力発生部の全てが同じ条件で潤滑油によって満たされていることが好ましい。

主軸は、滑り軸受部材より軸線方向に延出し、主軸及び滑り軸受部材を収容しているハウジングに形成されている貫通孔を通ってハウジングの外部に突出するから、滑り軸受部材の配置部を浸漬している潤滑油が、主軸の外周と貫通孔の内周の間との間隙よりハウジング外に漏洩することを防ぐ必要がある。この漏洩の防止を一般的な接触式のオイルシールによって行うことが考えられるが、主軸とオイルシールとの回転摩擦によって発熱が生じ、主軸の熱膨張による位置精度の低下を招くことになる。

本発明が解決しようとする課題は、滑り軸受部材の配置部が潤滑油に浸漬される主軸において、発熱を生じることなく潤滑油がハウジング外に漏洩しないようにすることである。

本発明による主軸装置は、主軸（２４）と、前記主軸（２４）のジャーナル部分（２４Ｂ）を支持する滑り軸受部材（３６）と、主軸（２４）と滑り軸受部材（３６）とを収容するハウジング（１２）とを有し、前記滑り軸受部材（３６）が潤滑油に浸漬される主軸装置（１０）であって、前記滑り軸受部材（３６）から延出する前記主軸（２４）の延出部（２４Ｅ）を外囲し、前記主軸（２４）の外周との間に環状空隙（４８）を画定する開口（４６）を備えた隔壁（１８Ａ）と、前記隔壁（１８Ａ）の、前記滑り軸受部材（３６）から離反する側に画定されて前記環状空隙（４８）に連通し、加圧空気を供給される空気通路（７０）と、前記滑り軸受部材（３６）と前記隔壁（１８Ａ）との間を前記ハウジング（１２）の外部に開放する排気通路（７４）とを有する。

この構成によれば、空気通路（７０）より環状空隙（４８）に流出し、滑り軸受部材（３６）と滑り軸受部材（３６）に対向する隔壁（１８Ａ）の側との間に流れた加圧空気は、排気通路（７４）よりハウジング（１２）外に排出されるので、背圧が高くなることがなく、環状空隙（４８）より滑り軸受部材（３６）と隔壁（１８Ａ）との間へ流れる加圧空気の流れが確実になり、滑り軸受部材（３６）側から潤滑油が環状空隙（４８）を通過して外部へ漏洩することが確実に回避される。そして、このことは、回転摩擦を生じない非接触式に行われるので、発熱を生じることがない。

本発明による主軸装置は、好ましくは、前記隔壁（１８Ａ）が前記ハウジング（１２）の一部からなり、前記空気通路（７０）が、前記ハウジング（１２）に設けられた半径方向通路（６６）及び該半径方向通路（６６）に連通し、前記主軸（２４）を外囲する環状通路（６８）を含む。

この構成によれば、環状空隙（４８）の全域に加圧空気が満遍なく流出し、潤滑油が環状空隙（４８）を通過して外部へ漏洩することが、より一層確実に回避される。

本発明による主軸装置は、好ましくは、空気通路（７０）より更に前記滑り軸受部材（３６）から離反する側にエアシール（７２）が構成されている。

この構成によれば、万一、潤滑油が環状空隙（４８）より前側へ漏洩しようとしても、漏洩することがフェールセーフ的に防止される。

本発明による主軸装置は、好ましくは、前記滑り軸受部材（３６）と該滑り軸受部材（３６）に対向する前記隔壁（１８Ａ）の側との間に前記主軸（２４）の外周側から径方向外方に拡張された拡張室（６２）が画定されている。

この構成によれば、拡張室（６２）は環状空隙（４８）より拡張された空間になるから、環状空隙（４８）より拡張室（６２）への加圧空気の流出が良好に行われ、拡張室（６２）の潤滑油が環状空隙（４８）を通過して外部へ漏洩することを回避する効果が向上する。

本発明による主軸装置は、好ましくは、前記滑り軸受部材（３６）の前記隔壁（１８Ａ）から離反する端部側に、前記ハウジング（１２）の内周と前記主軸（２４）の外周との間の間隙を狭める油留めリング（５０）が、前記ハウジング（１２）の内周および前記主軸（２４）の外周の何れか一方に他方に対して非接触状態で取り付けられており、前記油留めリング（５０）より前記滑り軸受部材（３６）の側の潤滑油を供給する潤滑油供給通路（５２）を有する。

この構成によれば、油留めリング（５０）が設けられていることにより、ハウジング（１２）内に充填する潤滑油の油量を削減できる。

本発明による主軸装置によれば、空気通路より環状空隙に流出し、滑り軸受部材と滑り軸受部材に対向する隔壁の側との間に流れた加圧空気は、排気通路よりハウジング外に排出されるので、背圧が高くなることがなく、環状空隙から滑り軸受部材と隔壁との間へ流れる加圧空気の流れが確実になり、滑り軸受部材側から潤滑油が環状空隙を通過して外部へ漏洩することが、発熱を生じることなく、確実に防止される。

本発明による主軸装置の一つの実施形態を示す縦断面図。 本実施形態による主軸装置の要部の拡大縦断面図。 図２の線III−IIIに沿った断面図。

以下に、本発明による主軸装置の一つの実施形態を、図１〜図３を参照して説明する。

主軸装置１０は、円筒形状のハウジング組立体１２を有する。ハウジング組立体１２は、前部ハウジング部材１４と後部ハウジング部材１６との連結体と、前部ハウジング部材１４の前端に固定された前端部材１８と、後部ハウジング部材１６の後端に固定された後端部材２０とを有する。これらはボルト（不図示）によって一体化され、軸線方向に貫通する円形横断面の内部空間２２を有する。

内部空間２２には主軸２４が配置されている。主軸２４は、内部空間２２の中心軸線上を延在しており、前部を滑り軸受装置２６によって回転可能に支持され、後部を４列のボール軸受２８による転がり軸受装置３０によって回転可能に支持されている。主軸２４の前端は前端部材１８より前方に延出しており、この延出部は工具ホルダ等を装着されるテーパシャンク部２４Ａになっている。

滑り軸受装置２６は内部空間２２の前側に挿入されて前部ハウジング部材１４に固定された軸受ケース３２を有する。軸受ケース３２は後部に向かうに従って縮径するテーパ孔３４を有する。テーパ孔３４には滑り軸受部材３６が挿入されている。

滑り軸受部材３６は、ホワイトメタル等の金属製で、図３に示されているように、マッケンゼン軸受と呼ばれる非真円形状のものであり、主軸２４が貫通する中心孔３８と、周方向の３箇所（１８０度の等間隔）に形成されてテーパ孔３４に嵌合するテーパ形状の厚肉部３６Ａと、隣接する厚肉部３６Ａ同士を接続する薄肉部３６Ｂとを有する。主軸２４は中心孔３８を貫通する部分が滑り軸受部材３６によって回転可能に支持されるストレート軸部によるジャーナル部２４Ｂをなす。ジャーナル部２４Ｂの外周面と中心孔３８の内周面との間には油膜形成のための環状間隙４０が形成されている。

滑り軸受部材３６は、軸受ケース３２にねじ係合したプレッシャリング４２によってテーパ孔３４の小径側に押されることにより、厚肉部３６Ａとテーパ孔３４とのテーパ係合（楔係合）のもとに薄肉部３６Ｂが径方向外方に弾性変形する。この弾性変形によって環状間隙４０が各厚肉部３６Ａにおいて周方向に延在する楔形状に変形し、楔形状部分が油膜による圧力発生部をなす。

主軸２４は滑り軸受部材３６より前方に延出しており、この延出部は、図２に示されているように、ジャーナル部２４Ｂの側から順に、ねじ軸部２４Ｃ、円環突条部２４Ｄ、ストレート軸部による延出部２４Ｅ、前述のテーパシャンク部２４Ａになっている。ねじ軸部２４Ｃにはナット４４がねじ係合している。

前端部材１８は、ハウジング組立体１２の前側の端壁をなすと共に、中央部に貫通形成された円形断面形状の開口４６を延出部２４Ｅが貫通していることにより、延出部２４Ｅを外囲する隔壁をなし、延出部２４Ｅの外周面と開口４６の内周面との間に環状空隙４８を画定している。環状空隙４８は微少空隙であることにより、前端部材１８は非接触のメタルシール（油留め部）をなす。

課題を解決するための手段及び特許請求の範囲で云っている隔壁は、本実施形態では、図２に、符号１８Ａによって示されているように、前端部材１８のうち、後述する環状通路６８より滑り軸受部材３６の側の部分を指す。

滑り軸受部材３６より後側（前端部材１８（隔壁）から離反する端部側）に位置する前部ハウジング部材１４の後端部には油留めリング５０（図１参照）が固定されている。油留めリング５０は、主軸２４の外周面に他方に対して非接触で、前部ハウジング部材１４の内周と主軸２４の外周との間の間隙を狭め、オイルダムとして作用する。

前部ハウジング部材１４には油供給通路５２が形成されている。油供給通路５２は油留めリング５０より滑り軸受部材３６側の内部空間２２に連通している。油供給通路５２には外部より加圧された潤滑油（粘性を有する非圧縮性流体）が供給され、潤滑油は、内部空間２２のうちメタルシールをなす前端部材１８と油留めリング５０との間の、環状間隙４０を含む空間の全域を満たすようにハウジング組立体１２内に充填される。油留めリング５０の存在により、ハウジング組立体１２内に充填する潤滑油の油量を削減できる。

なお、水平配置の主軸装置１０の場合には、潤滑油は、必ずしも内部空間２２のうちメタルシールをなす前端部材１８と油留めリング５０との間の空間の全域を満たすようにハウジング組立体１２内に充填される必要はなく、環状間隙４０の全体が潤滑油に浸漬する液位の潤滑油の充填でよい。

油供給通路５２から環状間隙４０への潤滑油の供給は、前部ハウジング部材１４の内周部に形成された凹部５４、軸受ケース３２の外周部に形成された環状溝５６、軸受ケース３２内に形成された油路５８、軸受ケース３２の後側の拡張室６０を経由する経路と、油路５８で分岐して軸受ケース３２の前側の拡張室６２、ジャーナル部２４Ｂの外周面を経由する経路とをもって行われる。油供給通路５２から拡張室６２への潤滑油の供給は前部ハウジング部材１４の内周面と軸受ケース３２の外周面との間に形成された環状空隙６４によっても行われる。なお、拡張室６２は滑り軸受部材３６と前端部材１８（滑り軸受部材３６に対向する隔壁の側）との間を径方向外方に拡張した拡張室である。

前端部材１８には、半径方向通路６６及び半径方向通路６６に連通して延出部２４Ｅを外囲する環状通路６８による空気通路７０が形成されている。空気通路７０は、隔壁１８Ａの、滑り軸受部材３６から離反する側（前側）に画定されて環状空隙４８に連通しており、外部より加圧空気を供給される。

空気通路７０より滑り軸受部材３６から離反する側（前側）の、前端部材１８と延出部２４Ｅとの空隙には、環状通路６８に供給された加圧空気の一部が流れることによるエアシール７２が構成されている。

前端部材１８には、滑り軸受部材３６と滑り軸受部材３６に対向する隔壁１８Ａの側との間、つまり拡張室６２の上部をハウジング組立体１２の外部に開放、つまり大気開放する排気通路７４が形成されている。

図１に示されているように、後部ハウジング部材１６及び後端部材２０には油留めリング５０の間隙より後側へ漏洩した潤滑油をハウジング組立体１２外に排出するための排油通路７５、７６が形成されている。後端部材２０には転がり軸受装置３０を通過して後側へ漏洩した潤滑油をハウジング組立体１２外に排出するための排油通路７８が形成されている。

主軸２４の後端部２４Ｆは後端部材２０に形成された円形横断面の開口８０を貫通して後端部材２０より後方に延出している。後端部材２０には、開口８０の内周面と後端部２４Ｆの外周面との間の環状空隙８２に加圧空気を供給して非接触式のエアシールを行う空気通路８４が形成されている。

油供給通路５２より、ハウジング組立体１２内、換言すると、滑り軸受装置２６に供給される潤滑油の油量は、排気通路７４、排油通路７５、７６、７８よりハウジング組立体１２外に自然排出される油量より多く、ジャーナル部２４Ｂと滑り軸受部材３６との間の環状間隙４０は常に潤滑油によって満たされ、環状間隙４０には油膜が形成されている。

主軸２４が回転すると、環状間隙４０が滑り軸受部材３６の各厚肉部３６Ａに対応する部分において楔形状に変形している部分に、潤滑油が主軸２４の回転に伴って引き込まれ、当該楔形状の変形部分に動圧が生じる。この動圧によって主軸２４が滑り軸受部材３６より非接触状態で回転可能に支持される。

空気通路７０に供給された加圧空気は、その環状通路６８より環状空隙４８に流出（噴出）し、環状空隙４８を拡張室６２の側へ流れて環状空隙４８より拡張室６２内に流出する。拡張室６２内に流出した加圧空気は、拡張室６２を満たしている潤滑油内を気泡となって流れて排気通路７４より潤滑油と共にハウジング組立体１２外に排出される。

排気通路７４より加圧空気の排出が行われることにより、拡張室６２の内圧が加圧空気によって高くなること、つまり背圧が高くなることがなく、環状空隙４８を拡張室６２側へ流れる加圧空気の流れが確実になり、これに伴い環状空隙４８より拡張室６２内に対する加圧空気の流出も大流量をもって確実に行われるようになる。そして、拡張室６２内に対する加圧空気の流出圧が大気開放の拡張室６２の潤滑油の圧力より高いことにより、拡張室６２より環状空隙４８への潤滑油の流入が阻止され、拡張室６２の潤滑油が環状空隙４８を通過して外部へ漏洩することが、発熱を生じることなく、確実に回避される。このことは、回転摩擦を生じない非接触式に行われるので、発熱や摩耗を生じることがない。

これにより、滑り軸受部材３６の配置部が潤滑油に浸漬される主軸装置１０において、潤滑油がハウジング組立体１２外に漏洩することが、発熱や摩耗を生じることなく、確実に行われる。

また、環状通路６８より環状空隙４８の全域に加圧空気が満遍なく流出するので、潤滑油が環状空隙４８を通過して外部へ漏洩することが、より一層確実に回避される。また、拡張室６２は環状空隙４８より拡張された空間であるので、環状空隙４８より拡張室６２への加圧空気の流出が良好に行われる。このことにより、拡張室６２の潤滑油が環状空隙４８を通過して外部へ漏洩することを回避する効果が向上する。

万一、潤滑油が環状空隙４８より前側へ漏洩しようとしても、環状通路６８より前側（拡張室６２と離反する側）に、加圧空気の一部が環状通路６８より流れことによってエアシール７２が構成されていることにより、その流れが遮断され、環状空隙４８より外部へ潤滑油が漏洩することがない。これにより、フェールセーフ効果が得られる。

以上、本発明を、その好適な実施形態について説明したが、当業者であれば容易に理解できるように、本発明はこのような実施形態により限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、環状空隙４８に対する加圧空気の流出は、隔壁１８Ａが滑り軸受部材３６から離反する（前側）から、隔壁１８Ａとは別の空気通路構成部材によって行われてもよい。また、排油通路７５、７６に排油ポンプが接続されて強制排油が行われてもよい。油留めリング５０は、前部ハウジング部材１４の内周に代えて主軸２４の外周に固定されていてもよい。また、上記実施形態に示した構成要素は必ずしも全てが必須なものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて適宜取捨選択することが可能である。

１０ 主軸装置
１２ ハウジング組立体
１４ 前部ハウジング部材
１６ 後部ハウジング部材
１８ 前端部材
１８Ａ 隔壁
２０ 後端部材
２２ 内部空間
２４ 主軸
２６ 滑り軸受装置
３０ 転がり軸受装置
３２ 軸受ケース
３４ テーパ孔
３６ 滑り軸受部材
３６Ａ 厚肉部
３６Ｂ 薄肉部
３８ 中心孔
４０ 環状間隙
４２ プレッシャリング
４６ 開口
４８ 環状空隙
５０ 油留めリング
５２ 油供給通路
６６ 半径方向通路
６８ 環状通路
７０ 空気通路
７２ エアシール
７４ 排気通路
７５ 排油通路
７８ 排油通路
８０ 開口
８２ 環状空隙
８４ 空気通路

Claims (4)

1. 主軸と、前記主軸のジャーナル部分を支持する滑り軸受部材と、主軸と滑り軸受部材とを収容するハウジングとを有し、前記滑り軸受部材が潤滑油に浸漬される主軸装置であって、
   前記ハウジングは、前記滑り軸受部材から延出して前記ハウジングの外部に突出する前記主軸の延出部を外囲し、前記滑り軸受部材から離反する側において前記主軸の外周との間に環状空隙を画定する開口を備えた隔壁を有する前端部材を含み、
   前記前端部材は、前記環状空隙より前記離反する側にのみ前記主軸の外周との間に前記環状空隙に連通する環状通路を画定し、且つ前記環状通路からのみ前記環状空隙に加圧空気を噴出する空気通路を含み、
   更に、前記滑り軸受部材と前記隔壁との間を前記ハウジングの外部に開放する排気通路とを有する主軸装置。
2. 前記空気通路より更に前記滑り軸受部材から離反する側にエアシールが構成されている請求項１に記載の主軸装置。
3. 前記滑り軸受部材と該滑り軸受部材に対向する前記隔壁の側との間を径方向外方に拡張された拡張室が画定されている請求項１又は２に記載の主軸装置。
4. 前記滑り軸受部材の前記隔壁から離反する端部側に、前記ハウジングの内周と前記主軸の外周との間の間隙を狭める油留めリングが、前記ハウジングの内周および前記主軸の外周の何れか一方に他方に対して非接触状態で取り付けられており、前記油留めリングより前記滑り軸受部材の側の潤滑油を供給する潤滑油供給通路を有する請求項１〜３の何れか一項に記載の主軸装置。

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